[發(fā)明專利]柵極第一高介電常數(shù)金屬柵極堆棧上無氧的快速熱退火

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310470499.8
• 申請日: 2013-10-10
• 公開（公告）號: CN103730423A
• 公開（公告）日: 2014-04-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: J·亨治爾;S·Y·翁;R·嚴(yán)
• 申請（專利權(quán)）人: 新加坡商格羅方德半導(dǎo)體私人有限公司
• 主分類號: H01L21/8238
• 分類號: H01L21/8238
• 代理公司: 北京戈程知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11314
• 代理人: 程偉;王錦陽

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及制造半導(dǎo)體的高介電常數(shù)金屬柵極(high-k/metal?gate;簡稱HKMG)堆棧。特別可應(yīng)用在制造32納米(nm)技術(shù)節(jié)點以下的低耗能、高效能半導(dǎo)體。

背景技術(shù)

用以形成高介電常數(shù)金屬柵極(HKMG)堆棧的柵極第一步工藝已成為CMOS技術(shù)的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。柵極第一步指在源極/漏極植入之前形成柵電極。例如，如圖1A及圖1B所示，于硅襯底103中形成淺溝渠隔離(STI)區(qū)域。接著，可例舉由氧化鉿(HfO₂)或氮氧化鉿硅(HfSiON)形成高介電常數(shù)介電層105，例如氮化鈦(TiN)的金屬電極層107、一非晶硅(a-Si)或多晶硅(poly-Si)層109、以及一柵極覆蓋層111依序形成于襯底103上。接著如圖1B所示，通過微影和蝕刻圖案化所述層以形成柵電極結(jié)構(gòu)113，以及于柵電極結(jié)構(gòu)113的相對側(cè)處形成間隔件115。接著利用柵電極和間隔件作為屏蔽(mask)以摻雜源極/漏極區(qū)域，并，以例如在氮氣和氧氣(N₂O₂)氛圍中快速熱退火(RTA)進(jìn)行加熱以活化摻雜劑。

然而，亦因此過程，使得硅(Si)信道(在柵電極結(jié)構(gòu)113下方的硅襯底上)與高介電常數(shù)金屬柵極之間接口的邊緣對氧氣(O₂)堆積敏感，特別是N信道場效晶體管(NFET)裝置。因為標(biāo)準(zhǔn)裝置中，該多晶硅線遵循該活化的硅襯底島與該STI邊角間接口處該STI表層型貌，此會改變在功函數(shù)的電荷變化，尤其是沿著該柵極邊緣。由于氧氣的滲入、電荷的改變以及功函數(shù)的變化，導(dǎo)致裝置的臨界電壓(Vt)增加。當(dāng)晶體管的尺寸不斷縮小以及裝置寬度的減小，電壓增加甚至更多。如圖2的曲線201為例，臨界電壓隨著晶體管的寬度減小而增加。該已知的線性臨界電壓(Vt_Lin)對寬度變化對N信道場效晶體管(NFET)特別有不利地影響。

因此，需要一種在高介電常數(shù)金屬柵極(HKMG)堆棧形成之后減少氧氣滲入的高介電常數(shù)金屬柵極(HKMG)堆棧工藝方法。

發(fā)明內(nèi)容

于本發(fā)明一態(tài)樣中，揭露一種在柵極堆棧形成之后減少氧氣滲入的半導(dǎo)體裝置制造方法。

于本發(fā)明的另一態(tài)樣中，揭露一種柵極堆棧形成之后減少氧氣摻入的半導(dǎo)體裝置。

本發(fā)明其它態(tài)樣及特征將揭露于下述說明中，且對所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員而言在檢視下述說明后在某種程度上將變得顯而易見或者可自本發(fā)明的實踐中學(xué)習(xí)。如權(quán)利要求書中所提出者，可實現(xiàn)和得到本發(fā)明的優(yōu)點。

依據(jù)本發(fā)明，某些技術(shù)功效在一定程度上可通過包含下述步驟的方法予以達(dá)成：在襯底上形成一高介電常數(shù)金屬柵極(HKMG)堆棧；植入摻雜劑于該襯底的主動區(qū)中；以及在氧氣不超過30%的氮氣環(huán)境中進(jìn)行快速熱退火(RTA)。

于一態(tài)樣中，本發(fā)明包含于無氧的環(huán)境中進(jìn)行該快速熱退火(RTA)。又一態(tài)樣中，包含溫度于1035℃至1075℃的溫度進(jìn)行該快速熱退火。其它態(tài)樣中，包含植入n-型摻雜劑于該襯底的主動區(qū)中。另一態(tài)樣中，該高介電常數(shù)金屬柵極(HKMG)堆棧的形成包含：在該襯底上形成高介電常數(shù)介電層；在該高介電常數(shù)介電層上形成金屬電極層；在該金屬電極層上形成非晶硅(a-Si)或多晶硅(poly-Si)層；以及圖案化所述層。其它態(tài)樣中，包括形成氧化鉿(HfO₂)或氮氧化鉿硅(HfSiON)的高介電常數(shù)介電層。進(jìn)一步的態(tài)樣中，包含通過微影蝕刻(lithographic?etching)而圖案化。其它態(tài)樣包含于該襯底的主動區(qū)中植入摻雜劑之前，在該高介電常數(shù)金屬柵極堆棧的相對側(cè)處形成間隔件。另一態(tài)樣包含在該高介電常數(shù)金屬柵極堆棧形成之前，于該襯底中形成淺溝渠隔離(STI)區(qū)域。

本發(fā)明之另一態(tài)樣一種裝置，包含：襯底；高介電常數(shù)金屬柵極(HKMG)堆棧，其在該襯底上；源極/漏極區(qū)域，其在該高介電常數(shù)金屬柵極堆棧的相對側(cè)處的襯底中；以及摻雜劑，其植入于源極/漏極區(qū)域，且在氧氣不超過30%的氮氣環(huán)境中快速熱退火(RTA)而活化。

本發(fā)明態(tài)樣中，該摻雜劑在無氧的環(huán)境中快速熱退火而活化。又一態(tài)樣中，包含該摻雜劑為n-型摻雜劑。其它態(tài)樣中，該高介電常數(shù)金屬柵極包含：在該襯底上的高介電常數(shù)介電層；在該高介電常數(shù)介電層上的金屬電極層；以及在金屬電極層上的非晶硅(a-Si)或多晶硅(poly-Si)層。另一態(tài)樣包含在相鄰該源極/漏極區(qū)域的襯底中的淺溝渠隔離(STI)區(qū)域。又一態(tài)樣包含在該高介電常數(shù)金屬柵極堆棧的相對側(cè)處的間隔件。