專利名稱：一種半導(dǎo)體器件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及半導(dǎo)體器件的制造方法，具體來說，涉及去除高k/金屬柵器件中界面層中氧原子的半導(dǎo)體器件的制造方法。
背景技術(shù)：
在微電子技術(shù)發(fā)展的幾十年來，邏輯芯片制造商在制造MOS器件時(shí)，一直采用SiA 作為柵介質(zhì)，采用重?fù)诫s的多晶硅作為柵電極材料。但是，隨著特征尺寸的不斷縮小，MOS 晶體管中的SiO2柵介質(zhì)已臨近了極限。例如，在65納米工藝中，SiO2柵介質(zhì)的厚度已降至 1. 2納米，約為5個(gè)硅原子層厚度，如果再繼續(xù)縮小，漏電流和功耗將急劇增加。同時(shí)，由多晶硅柵電極引起的摻雜硼原子擴(kuò)散、多晶硅耗盡效應(yīng)、以及過高的柵電阻等問題也將變的越來越嚴(yán)重。對(duì)于32納米及以下各技術(shù)代，急劇增加的漏電流和功耗等問題將急待新材料、新工藝、及新器件結(jié)構(gòu)的開發(fā)來解決。為降低漏電流和功耗，有一種改進(jìn)技術(shù)是采用“高k/金屬柵”結(jié)構(gòu)。目前，國(guó)際范圍內(nèi)的各主要半導(dǎo)體公司都已開始著手面向32納米及以下技術(shù)代的“高k/金屬柵” 技術(shù)的開發(fā)。Intel披露出在采用高k柵介質(zhì)材料后，器件的漏電流降為原來的十分之一。但是，在高k/金屬柵工藝中，由于必須采用的退火工藝，致使界面層在退火工藝中變厚。但由于在45nm以下的CMOS器件存在著非常嚴(yán)重的短溝道效應(yīng)，需要EOT (Equivalent OxideThickness，等效氧化層厚度)不超過Inm的柵介質(zhì)來提高對(duì)溝道的控制能力，所以厚的界面層SiO2是不可接受的。尤其在32納米及22納米工藝技術(shù)中，柵極介質(zhì)EOT甚至需要達(dá)到0. 7納米甚至0. 5納米以下，而普通高k/金屬柵工藝中界面層S^2厚度就達(dá)到了 0. 5-0. 7 納米。因此，需要提出一種能夠有效減小EOT，特別是減小界面層厚度的半導(dǎo)體器件制造方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體器件的制造方法，所述方法包括提供半導(dǎo)體襯底；在所述襯底上形成界面層；在所述界面層上形成柵介質(zhì)堆疊，其中所述柵介質(zhì)堆疊包括氧吸除層；在所述柵介質(zhì)堆疊上形成柵電極；對(duì)所述器件進(jìn)行快速熱退火處理，以使所述氧吸除層吸除界面層中的氧，使界面層的厚度減??；對(duì)所述器件進(jìn)行后續(xù)制造工藝。所述氧吸除層從包含下列元素的組中選擇元素來形成Hf、Al、Ti和Be，所述氧吸除層的厚度范圍為大約0. 5納米至2納米。本發(fā)明還提供了一種半導(dǎo)體器件的制造方法，所述方法包括提供半導(dǎo)體襯底； 在所述襯底上形成界面層；在所述界面層上形成柵介質(zhì)堆疊，其中所述柵介質(zhì)堆疊包括氧吸除層；在所述柵介質(zhì)堆疊上形成柵電極，以及在柵介質(zhì)堆疊和柵電極的側(cè)壁形成側(cè)墻，以及進(jìn)行源漏離子注入；進(jìn)行快速熱退火處理，以形成源極區(qū)和漏極區(qū)，同時(shí)使所述氧吸除層吸除界面層中的氧，使界面層的厚度減小。所述氧吸除層從包含下列元素的組中選擇元素來形成Hf、Al、Ti和Be，所述氧吸除層的厚度范圍為大約0. 5納米至2納米。通過采用本發(fā)明所述的方法，在高k柵介質(zhì)層間或高k柵介質(zhì)層上形成具有吸除界面層中氧的氧吸除層，阻止退火過程中外界氛圍里的氧進(jìn)入界面層，防止了 SiO2界面層的厚度增加，并利用氧吸除技術(shù)，使得原本厚度達(dá)0. 5-lnm的SiO2界面層在退火過程中厚度減少為0. 5納米以下，甚至完全去除，有效地減小了器件的EOT。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制造方法的流程圖；圖2-7示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件各個(gè)制造階段的示意圖；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制造方法的流程圖；圖9-10示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的半導(dǎo)體器件各個(gè)制造階段的示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明通常涉及制造半導(dǎo)體器件的方法。下文的公開提供了許多不同的實(shí)施例或例子用來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。為了簡(jiǎn)化本發(fā)明的公開，下文中對(duì)特定例子的部件和設(shè)置進(jìn)行描述。當(dāng)然，它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明可以在不同例子中重復(fù)參考數(shù)字和/或字母。這種重復(fù)是為了簡(jiǎn)化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實(shí)施例和/或設(shè)置之間的關(guān)系。此外，本發(fā)明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識(shí)到其他工藝的可應(yīng)用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的結(jié)構(gòu)可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實(shí)施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之間的實(shí)施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。第一實(shí)施例根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，參考圖1，圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制造方法的流程圖。在步驟S11，提供半導(dǎo)體襯底，參考圖2。在本實(shí)施例中，襯底 101包括位于晶體結(jié)構(gòu)中的硅襯底(例如晶片)，襯底101還可以包括其他基本半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體，例如Ge、GeSi, GaAs, InP, SiC或金剛石等。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)公知的設(shè)計(jì)要求 (例如P型襯底或者η型襯底)，襯底101可以包括各種摻雜配置。此外，可選地，襯底101 可以包括外延層，可以被應(yīng)力改變以增強(qiáng)性能，以及可以包括絕緣體上硅(SOI)結(jié)構(gòu)。在步驟S12，在所述襯底101上形成界面層102，如圖2所示?？梢詿嵘L(zhǎng)的方式在所述襯底101上形成界面層102，在本發(fā)明實(shí)施例中，界面層102為SiO2,其厚度為大約 0. 7nm。在步驟S13，在所述界面層102上形成柵介質(zhì)堆疊200，其中所述柵介質(zhì)堆疊200 包括氧吸除層104。形成所述柵介質(zhì)堆疊200的方法為，在所述界面層102上依次形成第一高k柵介質(zhì)層103、氧吸除層104和第二高k柵介質(zhì)層105，如圖3所示。具體來說，首先，在所述界面層102上利用ALD技術(shù)生長(zhǎng)第一高k柵介質(zhì)層103，例如高k介質(zhì)材料HfO2,其厚度為大約0. 5nm-3nm0然后，在所述第一高k柵介質(zhì)層103上沉積氧吸除層104，例如金屬Hf，其厚度為大約0. 5nm至2nm。而后，在所述氧吸除層104上利用ALD技術(shù)生長(zhǎng)第二高k柵介質(zhì)層105，例如高k介質(zhì)材料HfO2,以形成柵介質(zhì)堆疊200，第二高k柵介質(zhì)層105厚度為大約 0.5nm-3nm。形成所述柵介質(zhì)堆疊200的替代方法為，在所述界面層102上依次形成高k柵介質(zhì)層110和氧吸除層104，如圖4所示。具體來說，首先，在所述界面層102上利用ALD技術(shù)生長(zhǎng)高k柵介質(zhì)層110，其厚度為大約lnm-6nm，在本實(shí)施例中，所述高k柵介質(zhì)層110為，例如高k介質(zhì)材料HfO2。然后，在所述高k柵介質(zhì)層110上沉積氧吸除層104，例如金屬Hf， 以形成如圖4所示的柵介質(zhì)堆疊200，所述氧吸除層104厚度為大約0. 5nm至2nm。所述第一高k柵介質(zhì)層103、第二高k柵介質(zhì)層105以及高k柵介質(zhì)層110為高k 介質(zhì)材料，(例如，和氧化硅相比，具有高介電常數(shù)的材料)，高k介質(zhì)材料的例子包括例如鉿基材料，如Hf02、HfSi0、HfSi0N、HfTa0、HfTi0、Hf7r0，其組合和/或者其它適當(dāng)?shù)牟牧稀?所述氧吸除層可以是金屬Hf、Al、Ti、Be等。需要說明的是，本實(shí)施例中下述各步驟將均以柵介質(zhì)堆疊200的上述方法中的結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行描述，包含柵介質(zhì)堆疊200的替代方法中的結(jié)構(gòu)的下述步驟，均認(rèn)為與柵介質(zhì)堆疊200的方法中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了等同替換，在此不再贅述。在步驟S14，在所述柵介質(zhì)堆疊200上形成柵電極120，如圖5所示。所述柵電極可以為多層結(jié)構(gòu)，可包括金屬、金屬化合物、多晶硅和金屬硅化物及其他們的組合。在本發(fā)明實(shí)施例中，所述柵電極120為兩層結(jié)構(gòu)，先在所述柵介質(zhì)堆疊200上沉積金屬柵極106為 TiN，所述金屬柵極106厚度為大約5nm至50nm，而后在金屬柵極106上沉積多晶硅層107 為多晶硅，形成包括金屬柵極106和多晶硅層107的兩層結(jié)構(gòu)的柵電極120，如圖5所示，所述多晶硅層107厚度為大約20nm至lOOnm。在步驟S15，對(duì)所述器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速熱退火處理，以使所述氧吸除層104吸除界面層102中的氧，使界面層102的厚度減小。在形成如圖5所示的器件結(jié)構(gòu)以后，進(jìn)行快速熱退火處理，熱處理溫度為大約600°C至1000°C，時(shí)間為大約Is至300s，退火后，氧吸除層 104氧化為金屬氧化物112，如HfOx，其中X < = 2，界面層102厚度變小，如圖6所示。而后，對(duì)所述器件進(jìn)行后續(xù)制造工藝，包括對(duì)所述柵電極120、柵介質(zhì)堆疊200以及界面層102進(jìn)行圖形化，以及在柵電極120、柵介質(zhì)堆疊200以及界面層102的側(cè)壁形成側(cè)墻，以及形成形成源極區(qū)和漏極區(qū)110，在形成源極區(qū)和漏極區(qū)110之前，可以先形成源/ 漏淺節(jié)區(qū)109，從而形成如圖7所示的器件結(jié)構(gòu)。所述側(cè)墻108可以由氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、碳化硅、氟化物摻雜硅玻璃、低k電介質(zhì)材料及其組合，和/或其他合適的材料形成， 側(cè)墻108可以具有多層結(jié)構(gòu)，所述源極區(qū)和漏極區(qū)110和源/漏淺節(jié)區(qū)109可以通過根據(jù)期望的晶體管結(jié)構(gòu)，注入P型或η型摻雜物或雜質(zhì)到所述襯底101中形成。以上對(duì)利用氧吸除層104減小界面層102厚度的方法進(jìn)行了描述。根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，在柵介質(zhì)層間103和105或柵介質(zhì)層110上形成氧吸除層104，氧吸除層104 由Hf等金屬形成，而后進(jìn)行快速熱退火，由于Hf等金屬生成吉布斯自由能變遠(yuǎn)大于Si，這意味著這些金屬的氧化物比界面層102中硅的氧化物更加穩(wěn)定和容易形成，因此，在高溫過程中，界面層SiO2中的氧被驅(qū)動(dòng)與這些氧吸除層104形成金屬氧化物112，從而導(dǎo)致界面層102厚度變小，甚至消失，有效減小了 EOT;另外，氧吸除層104氧化為金屬氧化物112后， 金屬氧化物112或?yàn)椴伙柡徒饘傺趸?，可以阻止后續(xù)工藝的退火過程中外界氛圍里的氧進(jìn)入界面層102，防止或減小界面層102的厚度增加的可能，從而避免EOT的增加，也減小了
6EOT。第二實(shí)施例下面將僅就第二實(shí)施例區(qū)別于第一實(shí)施例的方面進(jìn)行闡述。未描述的部分應(yīng)當(dāng)認(rèn)為與第一實(shí)施例采用了相同的步驟、方法或者工藝來進(jìn)行，因此在此不再贅述。參考圖8，圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的制造半導(dǎo)體器件的方法的流程圖，根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的步驟S21至步驟S24，同第一實(shí)施例中的步驟Sll至步驟 S14相同，視為與第一實(shí)施例采用了相同的步驟、方法或者工藝來進(jìn)行，在此不再贅述。在步驟S25，在柵介質(zhì)堆疊200和柵電極120的側(cè)壁形成側(cè)墻108，以及進(jìn)行源/ 漏離子注入。如圖9所示，對(duì)所述界面層102、柵介質(zhì)堆疊200及柵電極120圖形化，并在其側(cè)壁形成側(cè)墻108，并進(jìn)行源/漏離子注入，在進(jìn)行源/漏注入前，還可先形成源/漏淺節(jié)區(qū) 109。所述側(cè)墻108可以由氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、碳化硅、氟化物摻雜硅玻璃、低k電介質(zhì)材料及其組合，和/或其他合適的材料形成，側(cè)墻108可以具有多層結(jié)構(gòu)。所述源/漏淺節(jié)區(qū)109以及源/漏離子注入，可以通過根據(jù)期望的晶體管結(jié)構(gòu)，注入ρ型或η型摻雜物或雜質(zhì)到所述襯底101中。在步驟S25，進(jìn)行快速熱退火，以形成源極區(qū)和漏極區(qū)110，同時(shí)使所述氧吸除層 104吸除界面層104中的氧，使界面層104的厚度減小。在源漏/離子注入后，對(duì)所述器件進(jìn)行快速熱退火，熱處理溫度為大約600°C至1050°C，時(shí)間為大約Is至60s，使源/漏摻雜激活和擴(kuò)散以形成源極區(qū)和漏極區(qū)110，同時(shí)，氧吸除層104吸除界面層102中的氧，并氧化為金屬氧化物112，如HfOx，其中X < = 2，界面層102厚度變小，如圖10所示。同第一實(shí)施例相比，所述第二實(shí)施例利用形成源/漏區(qū)的快速熱退火，來實(shí)現(xiàn)氧吸除層104吸除界面層104中的氧，使界面層104的厚度減小，簡(jiǎn)化了工藝步驟，并且氧吸除層104可以更好的阻擋在源/漏退火過程中外界氛圍里的氧進(jìn)入界面層，同時(shí)減小界面層104厚度，保證器件較小的EOT。本發(fā)明對(duì)通過氧吸除層減小界面層厚度的器件制造方法進(jìn)行了描述，根據(jù)本發(fā)明，在柵介質(zhì)層之間或柵介質(zhì)層之上形成氧吸除層，所述氧吸除層由Hf、Al、Ti、Be等金屬形成，由于這些金屬在高溫退火中生成吉布斯自由能變遠(yuǎn)大于Si，因此，在之后的高溫退火過程中，界面層S^2中的氧被驅(qū)動(dòng)與這些氧吸除層形成金屬氧化物，從而導(dǎo)致界面層厚度變小，甚至消失，有效減小了 EOT ；同時(shí)，在源/漏退火過程中，金屬氧化物層或氧吸除層可以阻擋外界氛圍里的氧進(jìn)入界面層，避免界面層增厚，從而有效控制了器件的EOT，提高器件的性能。雖然關(guān)于示例實(shí)施例及其優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)詳細(xì)說明，應(yīng)當(dāng)理解在不脫離本發(fā)明的精神和所附權(quán)利要求限定的保護(hù)范圍的情況下，可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行各種變化、替換和修改。對(duì)于其他例子，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)容易理解在保持本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)的同時(shí)，工藝步驟的次序可以變化。此外，本發(fā)明的應(yīng)用范圍不局限于說明書中描述的特定實(shí)施例的工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法及步驟。從本發(fā)明的公開內(nèi)容，作為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易地理解，對(duì)于目前已存在或者以后即將開發(fā)出的工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟，其中它們執(zhí)行與本發(fā)明描述的對(duì)應(yīng)實(shí)施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結(jié)果，依照本發(fā)明可以對(duì)它們進(jìn)行應(yīng)用。因此，本發(fā)明所附權(quán)利要求旨在將這些工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟包含在其保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件的制造方法，所述方法包括提供半導(dǎo)體襯底；在所述襯底上形成界面層；在所述界面層上形成柵介質(zhì)堆疊，其中所述柵介質(zhì)堆疊包括氧吸除層；在所述柵介質(zhì)堆疊上形成柵電極；對(duì)所述器件進(jìn)行快速熱退火處理，以使所述氧吸除層吸除界面層中的氧，使界面層的厚度減小。對(duì)所述器件進(jìn)行后續(xù)制造工藝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中形成所述柵介質(zhì)堆疊的步驟包括在所述界面層上依次形成第一高k柵介質(zhì)層、氧吸除層和第二高k柵介質(zhì)層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中形成所述柵介質(zhì)堆疊的步驟包括在所述界面層上依次形成高k柵介質(zhì)層和氧吸除層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的方法，其中所述氧吸除層從包含下列元素的組中選擇元素來形成Hf、Al、Ti和Be。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的方法，其中所述氧吸除層的厚度范圍為大約0.5納米至2納米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述快速熱退火處理的溫度范圍為大約600°C至 1000°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述快速熱退火處理的時(shí)間范圍為大約1秒至 300 秒。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述后續(xù)制造工藝包括圖形化所述柵電極、柵介質(zhì)堆疊和界面層，以及在柵電極和柵介質(zhì)堆疊的側(cè)壁形成側(cè)墻，以及在柵電極和柵介質(zhì)堆疊兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底內(nèi)形成源極區(qū)和漏極區(qū)。
9.一種半導(dǎo)體器件的制造方法，所述方法包括提供半導(dǎo)體襯底；在所述襯底上形成界面層；在所述界面層上形成柵介質(zhì)堆疊，其中所述柵介質(zhì)堆疊包括氧吸除層；在所述柵介質(zhì)堆疊上形成柵電極，以及在柵介質(zhì)堆疊和柵電極的側(cè)壁形成側(cè)墻，以及進(jìn)行源漏離子注入；進(jìn)行快速熱退火處理，以形成源極區(qū)和漏極區(qū)，同時(shí)使所述氧吸除層吸除界面層中的氧，使界面層的厚度減小。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中形成所述柵介質(zhì)堆疊的步驟包括在所述界面層上依次形成第一高k柵介質(zhì)層、氧吸除層和第二高k柵介質(zhì)層。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中形成所述柵介質(zhì)堆疊的步驟包括在所述界面層上依次形成高k柵介質(zhì)層和氧吸除層。
12.根據(jù)權(quán)利要求9-11任一項(xiàng)所述的方法，其中所述氧吸除層從包含下列元素的組中選擇元素來形成Hf、Al、Ti和Be。
13.根據(jù)權(quán)利要求9-11任一項(xiàng)所述的方法，其中所述氧吸除層的厚度范圍為大約0.5 納米至2納米。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述快速熱退火處理的溫度范圍為大約600°C至 1050 O。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述快速熱退火處理的時(shí)間范圍為大約1秒至 60秒。
全文摘要
一種半導(dǎo)體器件的制造方法，所述方法在柵介質(zhì)層之間或柵介質(zhì)層之上形成氧吸除層，在之后的高溫退火過程中，界面層中的氧被驅(qū)動(dòng)與這些氧吸除層形成金屬氧化物，從而導(dǎo)致界面層厚度變小，甚至消失，有效減小了EOT；同時(shí)，在源/漏退火過程中，金屬氧化物層或氧吸除層可以阻擋外界氛圍里的氧進(jìn)入界面層，避免界面層增厚，從而有效控制了器件的EOT，提高器件的性能。
文檔編號(hào)H01L21/336GK102194692SQ20101011829
公開日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2010年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月4日
發(fā)明者王文武, 王曉磊, 陳世杰, 韓鍇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所