柵極第一高介電常數(shù)金屬柵極堆棧上無(wú)氧的快速熱退火的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明揭露一種柵極第一高介電常數(shù)金屬柵極堆棧上無(wú)氧的快速熱退火，其中，揭示一種改善臨界電壓(Vt)的半導(dǎo)體裝置制造方法及所得的裝置。具體實(shí)施例包含于襯底上形成高介電常數(shù)金屬柵極堆棧；植入摻雜劑于襯底的主動(dòng)區(qū)中；以及在氧氣不超過(guò)30%的氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行快速熱退火。
【專(zhuān)利說(shuō)明】柵極第一高介電常數(shù)金屬柵極堆棧上無(wú)氧的快速熱退火
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]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(jiǎn)稱(chēng)HKMG)堆棧。特別可應(yīng)用在制造32納米(nm)技術(shù)節(jié)點(diǎn)以下的低耗能、高效能半導(dǎo)體。
【背景技術(shù)】
[0002]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)或多晶娃(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(guò)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(duì)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?dú)夂脱鯕?N2O2)氛圍中快速熱退火(RTA)進(jìn)行加熱以活化摻雜劑。
[0003]然而，亦因此過(guò)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(duì)氧氣(O2)堆積敏感，特別是N信道場(chǎng)效晶體管(NFET)裝置。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)裝置中，該多晶硅線(xiàn)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(huì)改變?cè)诠瘮?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(xiàn)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(xiàn)性臨界電壓(Vtun)對(duì)寬度變化對(duì)N信道場(chǎng)效晶體管(NFET)特別有不利地影響。
[0004]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】

[0005]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。
[0006]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。
[0007]本發(fā)明其它態(tài)樣及特征將揭露于下述說(shuō)明中，且對(duì)所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員而言在檢視下述說(shuō)明后在某種程度上將變得顯而易見(jiàn)或者可自本發(fā)明的實(shí)踐中學(xué)習(xí)。如權(quán)利要求書(shū)中所提出者，可實(shí)現(xiàn)和得到本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。
[0008]依據(jù)本發(fā)明，某些技術(shù)功效在一定程度上可通過(guò)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(dòng)區(qū)中；以及在氧氣不超過(guò)30%的氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行快速熱退火(RTA)。
[0009]于一態(tài)樣中，本發(fā)明包含于無(wú)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°C至1075°C的溫度進(jìn)行該快速熱退火。其它態(tài)樣中，包含植入η-型摻雜劑于該襯底的主動(dòng)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(guò)微影蝕刻(lithographic etching)而圖案化。其它態(tài)樣包含于該襯底的主動(dòng)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(duì)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。
[0010]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(duì)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(guò)30%的氮?dú)猸h(huán)境中快速熱退火(RTA)而活化。
[0011]本發(fā)明態(tài)樣中，該摻雜劑在無(wú)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η-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(duì)側(cè)處的間隔件。
[0012]本發(fā)明的另一態(tài)樣一種方法，包含:在襯底中形成淺溝渠隔離(STI)區(qū)域；在兩個(gè)相鄰的淺溝渠隔離區(qū)域之間的該襯底上形成高介電常數(shù)金屬柵極(HKMG)堆棧，該高介電常數(shù)金屬柵極堆棧包括: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；及在該金屬電極層上的非晶硅(a-Si)或多晶硅(poly-Si)層；在該高介電常數(shù)金屬柵極堆棧的相對(duì)側(cè)處，植入η-型摻雜劑在該兩個(gè)淺溝渠隔離區(qū)域之間的該襯底的源極/漏極區(qū)域中；以及在氧氣不超過(guò)30%的氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行快速熱退火(RTA)。
[0013]由下述的詳細(xì)說(shuō)明，對(duì)所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員而言，本發(fā)明的其它方面及技術(shù)功效顯而易見(jiàn)的，其中，本發(fā)明的具體實(shí)施例通過(guò)闡述經(jīng)過(guò)評(píng)估實(shí)施本發(fā)明的最佳模式的方式扼要陳述。如此將可了解根據(jù)其它及不同具體實(shí)施例，本發(fā)明為可行者，且其數(shù)種細(xì)節(jié)能夠在各種顯而易知方面予以修飾，皆無(wú)偏離本發(fā)明。因此，圖式及說(shuō)明欲作為說(shuō)明之用，而非作為限制之用。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]本發(fā)明通過(guò)實(shí)施例予以說(shuō)明，而非予以限制，且附圖中的圖表以及其中同樣組件符號(hào)指類(lèi)似的組件，其中:
[0015]圖1A及圖1B是顯示制造高介電常數(shù)金屬柵極的第一步工藝；
[0016]圖2是顯示臨界電壓(Vtun)對(duì)寬度變化的曲線(xiàn)圖；以及
[0017]圖3是根據(jù)示例的實(shí)施例的流程圖。
[0018]符號(hào)說(shuō)明
[0019]101淺溝渠隔離區(qū)域
[0020]103硅襯底
[0021]105高介電常數(shù)介電層[0022]107金屬電極層
[0023]109非晶硅或多晶硅層
[0024]111柵極覆蓋層
[0025]113柵電極結(jié)構(gòu)
[0026]115間隔件
[0027]117源極/漏極區(qū)域。
【具體實(shí)施方式】
[0028]在下述說(shuō)明中，為了闡釋的目的，提供許多具體細(xì)節(jié)以供徹底了解示例的實(shí)施例。然而，應(yīng)可清楚了解，沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)或者利用均等的配置亦可實(shí)施這些示例的實(shí)施例。其它實(shí)例中，在方塊圖中顯示已知結(jié)構(gòu)及裝置以避免非必要地模糊示例的實(shí)施例。此外，除非另有說(shuō)明，否則應(yīng)了解說(shuō)明書(shū)及權(quán)利要求書(shū)中用以表示成分、反應(yīng)條件等的數(shù)量、比率、及數(shù)值性質(zhì)的所有數(shù)值在所有實(shí)例中皆以“約” 一詞予以修飾。
[0029]本發(fā)明關(guān)注并解決當(dāng)前因于形成高介電常數(shù)金屬柵極(HKMG)期間的熱退火及氧氣堆積導(dǎo)致該裝置的臨界電壓(Vt)增加的問(wèn)題，特別是透過(guò)柵極的第一步工藝形成N信道場(chǎng)效晶體管高介電常數(shù)金屬柵極(NFET HKMG)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在形成高介電常數(shù)金屬柵極堆棧之后，該工藝避免氧氣的滲入。更具體而言，用以活化植入的摻雜劑的快速熱退火于無(wú)氧或大致上無(wú)氧的環(huán)境中進(jìn)行。
[0030]根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施例的方法包含在襯底上形成高介電常數(shù)金屬柵極(HKMG)堆棧；植入摻雜劑于該襯底的主動(dòng)區(qū)中；以及在氧氣不超過(guò)30%的氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行快速熱退火。
[0031]經(jīng)由下述的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明其它態(tài)樣、特征、及技術(shù)功效對(duì)所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的，并扼要地通過(guò)經(jīng)過(guò)評(píng)估的最佳模式說(shuō)明，顯示及陳述較佳實(shí)施例。本發(fā)明能夠以其它及不同實(shí)施例完成之，且其數(shù)種細(xì)節(jié)能夠于各種顯而易知態(tài)樣予以修飾。因此，圖式及說(shuō)明欲作為說(shuō)明之用，而非作為限制之用。
[0032]圖3是根據(jù)本發(fā)明一示例的實(shí)施例的流程圖。參照步驟301，該工藝始于通過(guò)習(xí)知方法于硅襯底中形成淺溝渠隔離區(qū)域。該溝渠隔離區(qū)域形成于金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管(M0SFETS)鄰側(cè)，例如于P-信道型場(chǎng)效晶體管(PFET)以及N-信道型場(chǎng)效晶體管(NFET)之間，使它們彼此電性隔離。
[0033]步驟303和305顯示形成高介電常數(shù)金屬柵極堆棧的示例柵極第一步工藝。步驟303中，高介電常數(shù)介電層、金屬電極層、非晶硅或多晶硅層，以與柵極覆蓋層111依序形成于該襯底上。舉例而言，形成氧化鉿(HfO2)或氮氧化鉿硅(HfSiON)的該高介電常數(shù)介電層。舉例而言，該金屬電極層可由氮化鈦形成。接著，于步驟305中，通過(guò)傳統(tǒng)的微影和蝕刻圖案化該堆棧層以形成柵電極結(jié)構(gòu)。
[0034]步驟307中，間隔件形成于柵電極結(jié)構(gòu)的相對(duì)側(cè)處。參照步驟309，接著利用柵電極和間隔件作為屏蔽摻雜源極/漏極區(qū)域。就P-信道型場(chǎng)效晶體管而言，如硼的P-型摻雜劑作為深源極/漏極的植入；就N-信道型場(chǎng)效晶體管而言，如磷或砷的η-型摻雜劑用于深源極/漏極的植入。也可以形成延伸區(qū)域和環(huán)形區(qū)域。
[0035]參照步驟311，全部植入步驟完成之后，活化該摻雜劑，例如通過(guò)快速熱退火活化該摻雜劑。該快速熱退火是在氧氣不超過(guò)30%的氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行。該快速熱退火是于溫度1035°C至1075°C中進(jìn)行，比方說(shuō)1050°C。
[0036]回到圖2，曲線(xiàn)203說(shuō)明在無(wú)氧的氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行該快速熱退火的晶體管寬度和臨界電壓之間的關(guān)系。當(dāng)快速熱退火從氮?dú)夂脱鯕?N2O2)的環(huán)境改變至氮?dú)猸h(huán)境時(shí)減少30毫伏特(mV)的上升(介于900nm的長(zhǎng)信道裝置與72nm的小信道裝置之間的該臨界電壓差值)?？焖贌嵬嘶鹌陂g減少氧氣，因而降低對(duì)該裝置在臨界電壓上升的影響。
[0037]本發(fā)明的實(shí)施例可達(dá)成數(shù)種技術(shù)功效，包含較低的臨界電壓(Vtun)相對(duì)于漸漸變大的寬度，能以最小的工藝變化增加良率和裝置的效能，特別是針對(duì)N-信道型場(chǎng)效晶體管(NFET)。本發(fā)明的實(shí)施例適用于各種工業(yè)應(yīng)用，例如，微處理器、智能型手機(jī)、行動(dòng)電話(huà)、蜂巢式手機(jī)，機(jī)上盒、DVD錄像機(jī)及播放機(jī)、汽車(chē)導(dǎo)航、打印機(jī)及外圍設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)及電信裝備、游戲系統(tǒng)、以及數(shù)字相機(jī)。因此，本發(fā)明具有在各種類(lèi)型高積集半導(dǎo)體裝置的產(chǎn)業(yè)利用性。特別是32納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)以下的低耗能、高效能半導(dǎo)體裝置。
[0038]在先前的段落中，本發(fā)明參考本發(fā)明的特定示范實(shí)施例來(lái)加以描述。然而，很明顯地，可對(duì)本發(fā)明作出各種修正及改變，而不致于背離本發(fā)明在權(quán)利要求書(shū)中所呈現(xiàn)的最廣精神及范圍。因此，該說(shuō)明書(shū)及圖式將被視為例示、而非限制之用。應(yīng)了解，本發(fā)明可使用不同的其它組合及實(shí)施例，并因此可在本文所表示的發(fā)明概念的范圍內(nèi)，作任何的改變或修正。
【權(quán)利要求】
1.一種方法，包括: 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(dòng)區(qū)中；以及 在氧氣不超過(guò)30%的氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行快速熱退火RTA。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括在無(wú)氧的環(huán)境中進(jìn)行該快速熱退火。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，包括于1035°C至1075°C的溫度進(jìn)行該快速熱退火。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,包括植入η型摻雜劑于該襯底的該主動(dòng)區(qū)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括通過(guò)下列形成該高介電常數(shù)金屬柵極堆棧: 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娃a-Si或多晶娃poly-Si層；以及 圖案化所述層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，包括形成氧化鉿Hf02或氮氧化鉿硅HfSiON的該高介電常數(shù)介電層。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述 的方法，包括通過(guò)微影蝕刻而圖案化。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括于該襯底的主動(dòng)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(duì)側(cè)形成間隔件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括于形成該高介電常數(shù)金屬柵極堆棧之前，在該襯底中形成淺溝渠隔離STI區(qū)域。
10.一種裝置，包括: 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(duì)側(cè)上的該襯底中；以及摻雜劑，其植入于源極/漏極區(qū)域中，且在氧氣不超過(guò)30%的氮?dú)猸h(huán)境中快速熱退火RTA而活化。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中，該摻雜劑在無(wú)氧的環(huán)境中快速熱退火而活化。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中，該摻雜劑為η型摻雜劑。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中，該高介電常數(shù)金屬柵極包括: 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 在該金屬電極層上的非晶硅a-Si或多晶硅poly-Si層。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，進(jìn)一步包括在相鄰該源極/漏極區(qū)域的該襯底中的淺溝渠隔離STI區(qū)域。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，進(jìn)一步包括在該高介電常數(shù)金屬柵極堆棧的相對(duì)側(cè)處的間隔件。
16.—種方法,包括: 在襯底中形成淺溝渠隔離STI區(qū)域； 在兩個(gè)相鄰的淺溝渠隔離區(qū)域之間的該襯底上形成高介電常數(shù)金屬柵極HKMG堆棧，該高介電常數(shù)金屬柵極堆棧包括: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，及 在該金屬電極層上的非晶硅a-Si或多晶硅poly-Si層； 在該高介電常數(shù)金屬柵極堆棧的相對(duì)側(cè)處，植入η-型摻雜劑在該兩個(gè)淺溝渠隔離區(qū)域之間的該襯底的源極/漏極區(qū)域中；以及 在氧氣不超過(guò)30%的氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行快速熱退火RTA。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，包括在無(wú)氧的環(huán)境中進(jìn)行該快速熱退火。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，包括形成氧化鉿Hf02或氮氧化鉿硅HfSiON的該高介電常數(shù)介電層。
19.根據(jù)權(quán)利要 求16所述的方法，包括于1035°C至1075°C的溫度進(jìn)行該快速熱退火。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，包括通過(guò)微影蝕刻該高介電常數(shù)介電層、該金屬電極層以及該非晶硅或多晶硅層而形成該高介電常數(shù)金屬柵極堆棧。
【文檔編號(hào)】H01L21/8238GK103730423SQ201310470499
【公開(kāi)日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2013年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月11日
【發(fā)明者】J·亨治爾, S·Y·翁, R·嚴(yán) 申請(qǐng)人:新加坡商格羅方德半導(dǎo)體私人有限公司