專利名稱：半導體器件以及將鹵素并入電介質的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種半導體器件，且更具體地，涉及一種半導體器件 和將鹵素并入電介質的方法。
背景技術：
在形成半導體器件的工藝中，通常使用二氧化硅形成柵極電介質。 為了防止半導體器件的電學特性的退化，通常不希望降低柵極電介質
的介電常數(shù)。氟降低二氧化硅的介電常數(shù)(K)，且因此不希望在柵極 電介質中使用氟。


本發(fā)明通過實例說明且不被附圖限制，其中相同的附圖標記表示 相似的元件，且其中
圖l一4示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的器件的一部分的橫截面
圖5以流程圖的方式示出用于形成根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的半 導體器件的工藝；以及
圖6 — 7示出根據(jù)本發(fā)明的替選實施例的器件的一部分的橫截面圖。
本領域技術人員可以理解，示出附圖中的元件是為了簡化和清楚， 且不必按比例繪制。例如，相對于其他元件，附圖中的某些元件的尺 寸被夸大了，以幫助促進對本發(fā)明的實施例的理解。
具體實施例方式
如今，使用高K電介質用于柵極電介質變得越來越普遍。其中一個原因是，高K材料(例如金屬氧化物)的較厚膜可以用作柵極電介 質，而不會明顯地降低半導體器件的電學特性。如在此使用的，術語"高 K材料"指的是介電常數(shù)比二氧化硅的介電常數(shù)高的材料。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在半導體器件的柵極電介質中使用鹵素，例如氟，改 善半導體器件的電學特性。 一種可以改善半導體器件的電學特性的方
法是通過改善空穴和電子的遷移率。在柵極電介質和半導體襯底之間
的界面處提供鹵素以使所述界面鈍化(例如，降低懸鍵)，使得改善
通過形成于半導體中的柵極溝道的空穴和電子的遷移率。第二種可以 改善半導體器件的電學特性的方法是通過改善半導體器件的可靠性
(例如耐久性)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在柵極電介質和半導體襯底之間的柵極電介 質中提供鹵素可以改善半導體器件的可靠性。
在柵極電介質中提供氮具有幾個優(yōu)點，包括增加介電常數(shù)(K)使 得在未來由于未來技術減小半導體器件中使用的尺寸時，更容易地對 柵極電介質進行縮放。此外，柵極電介質中的氮可以改善柵極電介質 膜質量，且因而改善半導體器件的可靠性。而且，柵極電介質中的氮 可以防止已經(jīng)并入柵極電介質中的鹵素的脫氣。
圖1示出器件10的一個實施例的一部分的橫截面圖。器件10包
括柵極電介質14，其形成在半導體襯底12上。襯底12可以用任何半 導體材料形成，例如硅、砷化鎵、硅鍺、鍺等?？商孢x地，襯底12可 以是一個絕緣體上半導體(SOI)襯底。在一個實施例中，柵極電介質 14可以是一種高K電介質?？梢允褂玫母逰電介質的一些實例是氧化 物、氮化物、硅酸鹽或諸如鉿、鋯、鈦、鉭或其任意組合的金屬的鋁 酸鹽。替選實施例可以使用任何合適的一種電介質材料或多種電介質 材料用于柵極電介質。替選實施例可以例如使用諸如二氧化硅的任何 半導體材料的氧化物作為柵極電介質。例如可以使用諸如化學氣相沉 積(CVD)、原子層沉積(ALD)、物理氣相沉積(PVD)或等離子 體增強CVD (PECVD)的任何所需的工藝形成柵極電介質。然而，替選實施例可以使用不同的工藝或工藝組合以形成柵極電介質層。
圖2中，柵極電介質14暴露于等離子體16。在一個實施例中， 等離子體16包括一種或多種鹵素，例如，氟、氯、溴、碘和砹。注意 等離子體16可以例如包括諸如氬和/或氦的其他材料，其可以用于幫助
形成和/或穩(wěn)定等離子體16。此外，等離子體16可以包括用于其他目 的的其他材料。在一個實施例中，可以使用范圍從室溫(約25攝氏度) 到700攝氏度的卡盤溫度。在替選實施例中，可以使用從室溫(約25 攝氏度)到80攝氏度的卡盤溫度。在又一實施例中，卡盤溫度可以是 約55攝氏度。在一個實施例中，腔室壓力可以在.005—l.OTorr范圍內。 在替選的實施例中，腔室壓力可以在.005—.050Torr范圍內。在又一實 施例中，腔室壓力可以是約.010Torr。在一個實施例中，等離子體16 還可以包括含氮的材料。
在一個實施例中，等離子體16可以包括四氟化碳CF4、六氟化硫 SF6、三氟化氮NF3、 二氟甲烷CH2F2、八氟環(huán)丁烷C4F8、三氟甲垸CHF3 和氟甲烷CH3F的一個或多個。替選的實施例可以具有不同的氣體。
注意并入柵極電介質14的鹵素不作為柵極電介質14中的摻雜 劑。鹵素不作為摻雜劑是因為當器件IO導通時，鹵素沒有為在柵極電 介質14下形成的溝道中的電流貢獻傳導電子。
圖3中，柵極電介質14暴露于等離子體18。在一個實施例中， 等離子體18包括含氮的材料，例如，氨、氮、 一氧化氮、 一氧化二氮 或三氟化氮或其任何合適的組合。注意等離子體18可以包括其他材 料，例如，氬和/或氦，其可以用于幫助形成和/或穩(wěn)定等離子體化。此 外，等離子體18可以包括用于其他目的的其他材料。注意如果圖2 中的等離子體16包括含氮的材料，則某些實施例將不需要示出于圖3 中的另外的等離子體的暴露。注意標準工藝可以用于形成和提供示 出于圖2-3中的等離子體16和18。注意所使用的溫度和壓力可以與
7上文圖2描述的相同或相似。然而，替選實施例可以使用不同的溫度 和壓力。
在一個實施例中，如果柵極電介質14包括金屬氧化物，則等離子
體16 (見圖2)中的鹵素可以在并入氮之前或與并入氮(參見圖3)近 乎同時并入柵極電介質14中。如果鹵素和氮的混合近乎同時執(zhí)行，則 等離子體16可以同時包括鹵素和氮，且不需要示出于圖3中的步驟。 在一個實施例中，將柵極電介質14暴露到包含氮的等離子體的至少一 部分與將柵極電介質14暴露到包含鹵素的等離子體的至少一部分同時 發(fā)生。
在替選實施例中，如果柵極電介質14包括二氧化硅，則等離子體 16 (見圖2)中的鹵素可以在并入氮之前、之后或與并入氮(參見圖3) 近乎同時并入柵極電介質14。如果鹵素和氮的并入近乎同時執(zhí)行，則 等離子體16可以包括鹵素和氮，且不需要示出于圖3中的步驟?？商?選地，如果柵極電介質14包括二氧化硅，則示出于圖3中的等離子體 處理可以在示出于圖2中的等離子體處理之前執(zhí)行。
注意鹵素和氮的并入，不管它們的并入順序如何，都可以在位 執(zhí)行而不必打破真空。在替選實施例中，可以在鹵素和氮并入之間打 破真空，并因此可以使用不同的腔室。注意如果不用等離子體處理， 而是執(zhí)行將鹵素(圖2)或氮(圖3)直接注入進柵極電介質14，則可 能導致柵極電介質14的表面區(qū)域的某些損壞。這種柵極電介質14的 表面損壞可以降低器件10的可靠性和電性能。
圖4中，柵電極20形成在柵極電介質14上。柵電極20可以包括 一個或多個包含金屬的材料，例如，碳化鉭、氮化硅鉭(TaSiN)、氮化 鉭、氮化鎢、鎢、銥、氧化銥、氮化銥、釕、氧化釕、氮化釕、氧化 鉬、氮化鉬、氮化鋁和硅或其任意組合。替選實施例可以使用任何合 適的一種材料或多種材料用于柵電極20。在某些實施例中，柵電極20可以包括使用上述列出的材料形成的多個層，以及其他合適的傳導性 的和非傳導性的材料形成的多層，例如鎢、硅、氮化硅和金屬硅化物。 在示例出的實施例中，非傳導電介質間隔物24鄰近柵極電介質14和 柵電極20形成。在替選實施例中， 一個薄氧化物(未示出)可以插入 間隔物24和柵電極20之間。替選實施例可以不使用間隔物24。在示 例出的實施例中，電流電極區(qū)22形成于半導體襯底12中。這些電流 電極區(qū)22可以以任何合適和公知的方式形成。如果需要，可以執(zhí)行進 一步處理以便以任何所需的方式完成器件10。
圖5以流程圖的方式示出用于形成根據(jù)一個實施例的半導體器件 (例如器件IO)的工藝。流程開始于橢圓形IOO。接著，流程進行到方 框102，其執(zhí)行提供半導體襯底的步驟。流程從步驟102進行到方框 104,其執(zhí)行形成柵極電介質的步驟。流程從步驟104進行到方框106， 其執(zhí)行將柵極電介質暴露到包含氟的等離子體的步驟。流程從步驟106 進行到方框108，其執(zhí)行將柵極電介質暴露到包含氮的等離子體的步 驟。流程從步驟108進行到方框110，其執(zhí)行形成柵電極的步驟。流程 從步驟IIO進行到方框112,其執(zhí)行形成電流電極區(qū)的步驟。流程從步 驟112進行到方框114，其執(zhí)行完成處理以形成半導體器件的步驟。流 程從步驟114進行到橢圓形116，其終止工藝。注意當柵極電介質暴 露到氟時，氟并入柵極電介質。注意當柵極電介質暴露到氮時，氮 并入柵極電介質。這可以具有用氮填充柵極電介質的晶界的效果，使 得在后續(xù)高溫處理期間顯著地減少鹵素的脫氣。
圖6 — 7示出形成器件10的一部分的替選實施例。從圖2的器件 IO并入鹵素之后開始，注入層26形成在柵極電介質14上。圖6示出 氮注入進注入層26。注入層26可以是隨后被移除的犧牲層，或者注入 層26可以是柵電極20 (見圖4)的一部分。可以使用任何需要的注入 角。在一個實施例中，使用零度注入。在一個實施例中，使用的注入 劑量和能量以使在柵極電介質14中產(chǎn)生的氮濃度大于兩個原子百分 數(shù)。在一個實施例中，注入層26的厚度可以在10-100納米范圍內。在替選實施例中，注入層26的厚度可以是約50納米。
現(xiàn)在參照圖7，執(zhí)行退火以便驅使氮從注入層26進入到柵極電介 質14中，以及到達柵極電介質14和注入層26之間的界面區(qū)。在另一 實施例中，執(zhí)行退火以便驅使氮從注入層26至柵極電介質14和半導 體襯底12之間的界面區(qū)。在一個實施例中，使用的退火溫度在250-1000 攝氏度的范圍內。在替選實施例中，使用的退火溫度在400-800攝氏度 的范圍內。在某些實施例中，使用的退火溫度約500攝氏度。在某些 實施例中，退火可以是快速熱退火(RTP) 、 UV (紫外線)退火和激 光退火。現(xiàn)在，用于形成器件10的方法進行到圖4，其中注入層26是 柵電極20的一部分或作為犧牲層而被移除。
雖然關于特定傳導類型或電壓極性描述了本發(fā)明，但是本領域技 術人員可以理解的是傳導類型和電壓極性可以相反。
在前述說明書中，已經(jīng)參考特定實施例描述了本發(fā)明。然而，本 領域普通技術人員中的一個可以理解的是在不背離下述權利要求所闡 述的本發(fā)明的范圍的情況下，可以進行不同的修改和變化。因此，認 為說明書和附圖是示例性的而非限制性理解，且所有這些修改意指包 括在本發(fā)明的范圍之內。
已經(jīng)在上文描述了關于特定實施例的益處、其他優(yōu)點和問題的解 決方案。但是，不能把益處、優(yōu)點、問題的解決方案，以及可以致使 任何益處、優(yōu)點或解決方案的發(fā)生或變得更明顯的任何元件理解為任 何或全部權利要求的關鍵、必需或必要的特征或元件。在此使用的術 語"包括"、"包括了"或其任何其他變形，意指包 含非排他包含，以致包 括一系列元件的工藝、方法、項目或裝置不僅僅包括那些元件，而可 以包括這些工藝、方法、項目或裝置固有的或未清楚列出的其他元件。
權利要求
1. 一種形成半導體器件的方法，所述方法包括提供半導體襯底；在所述半導體襯底上形成柵極電介質；將所述柵極電介質暴露到包括鹵素的等離子體；將所述鹵素并入所述柵極電介質中；在所述柵極電介質上形成柵電極；以及鄰近所述柵電極形成電流電極區(qū)。
2. 根據(jù)權利要求l所述的方法，其中所述將所述柵極電介質暴露 到包括鹵素的等離子體的步驟包括將所述柵極電介質暴露到包括氟 的等離子體。
3. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述形成所述柵極電介質步 驟的至少一部分與將所述柵極電介質暴露到包括鹵素的所述等離子體 的步驟同時發(fā)生。
4. 根據(jù)權利要求l所述的方法，其中形成所述柵極電介質的方法 包括形成包括硅和氧的電介質。
5. 根據(jù)權利要求l所述的方法，其中形成所述柵極電介質的方法 包括形成包括金屬的電介質。
6. 根據(jù)權利要求1所述的方法，進一步包括 將所述柵極電介質暴露到氮；以及 將所述氮并入所述柵極電介質中。
7. 根據(jù)權利要求6所述的方法，其中所述將所述柵極電介質暴露到氮的步驟發(fā)生在將所述柵極電介質暴露到包括鹵素的等離子體的步驟之后。
8. 根據(jù)權利要求6所述的方法，其中所述將所述柵極電介質暴露 到氮的步驟發(fā)生在將所述柵極電介質暴露到包括鹵素的等離子體的步 驟之前。
9. 根據(jù)權利要求6所述的方法，其中所述將所述柵極電介質暴露到氮的步驟包括將所述柵極電介質暴露到包括氮的等離子體。
10. 根據(jù)權利要求9所述的方法，其中所述將所述柵極電介質暴露 到包括氮的等離子體步驟的至少一部分與所述將所述柵極電介質暴露 到包括鹵素的等離子體步驟的至少一部分同時發(fā)生。
11. 一種形成半導體器件的方法，所述方法包括 提供半導體襯底；在所述半導體襯底上形成柵極電介質；將鹵素并入所述柵極電介質中； 將氮并入所述柵極電介質中； 在所述柵極電介質上形成柵電極；以及 鄰近所述柵電極形成電流電極區(qū)。
12. 根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述將鹵素并入所述柵極電介質中的步驟包括將氟并入所述柵極電介質中。
13. 根據(jù)權利要求12所述的方法，其中所述將鹵素并入所述柵極電介質中的步驟包括將所述柵極電介質暴露到包括氟的等離子體。
14. 根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述將氮并入所述柵極電 介質中的步驟包括將所述柵極電介質暴露到包括氮的等離子體。
15. 根據(jù)權利要求ll所述的方法，其中所述將氮并入所述柵極電 介質中的步驟包括在包括氮的環(huán)境中退火所述柵極電介質。
16. 根據(jù)權利要求ll所述的方法，其中所述形成所述柵極電介質 步驟的至少一部分與將所述鹵素并入所述柵極電介質的步驟同時發(fā) 生。
17. 根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述將所述鹵素并入所述 柵極電介質的步驟發(fā)生在將氮并入所述柵極電介質的步驟之前。
18. 根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述將所述鹵素并入所述 柵極電介質步驟的至少一部分與所述將氮并入所述柵極電介質中步驟 的至少一部分同時發(fā)生。
19. 根據(jù)權利要求ll所述的方法，其中所述形成柵電極是在將所述柵極電介質暴露到氮之前形成；以及將氮并入所述柵極電介質的步驟包括將所述氮注入到所述柵電極中；以及 將所述氮從所述柵電極擴散至所述柵極電介質。
20. —種半導體器件，包括 半導體襯底；在所述半導體襯底上的柵極電介質，其中所述柵極電介質包括鹵 素和氮；在所述柵極電介質上的柵電極；以及 鄰近所述柵電極的電流電極區(qū)。
全文摘要
一種形成半導體器件的方法，所述方法包括在半導體襯底上形成柵極電介質(104)，將所述柵極電介質暴露到鹵素，以及將所述鹵素并入所述柵極電介質(106)中。在一個實施例中，所述鹵素是氟。在一個實施例中，所述柵極電介質還暴露到氮且所述氮并入所述柵極電介質(108)。在一個實施例中，所述柵極電介質是金屬氧化物。
文檔編號H01L21/8234GK101427363SQ200780004728
公開日2009年5月6日 申請日期2007年1月11日 優(yōu)先權日2006年2月10日
發(fā)明者埃里克·D·盧克夫斯基, 奧盧邦米·O·阿德, 納拉亞南·C·拉馬尼, 羅天英 申請人:飛思卡爾半導體公司