專利名稱：形成具有中間層的半導體器件的方法及該半導體器件的結構的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及半導體器件，并且更具體地，涉及在導電材料和 介質材料之間具有中間層的半導體器件。
背景技術：
在硅CMOS(互補金屬氧化物半導體)制造領域中，正在考慮使用金 屬柵。優選的是對PMOS和NMOS器件使用不同的金屬，使得可以對 每種類型器件的功函數進行優化。功函數的改變將影響閾值電壓(VT)。 對于PMOS器件，期望功函數接近5.2eV的硅價帶邊緣，然而對于 NMOS器件，則期望功函數接近4.1eV的硅導帶邊緣。此外，材料在 用于激活隨后形成的源區和漏區的溫度下應當是熱穩定的。
如果選擇的材料不具有期望的功函數，則包括增加的DIBL(漏感 應勢壘降低)的短溝道效應可能會不期望地出現。例如，可能會加刷Vt 下降，增加亞閾值擺動。
然而，被考慮用于PMOS器件和NMOS器件的柵的當前材料不能 滿足上面的要求。因此，存在對于具有用于PMOS或NMOS器件的期 望功函數的結構以及用于這種結構的制造工藝的需要。
通過實例的方式說明本發明，且本發明不受附圖限制，其中相同 的附圖標記表示相同的元件。
圖1示出根據實施例形成介質層和第一中間層之后的半導體襯底 的一部分的橫截面圖。
圖2示出根據實施例形成第一金屬電極和圖案化掩模之后的圖1
6的半導體襯底；
圖3示出根據實施例去除NMOS區域中部分第一中間層和第一金 屬電極之后的圖2的半導體襯底；
圖4示出根據實施例形成第二中間層和第二金屬電極之后的圖3 的半導體襯底；
圖5示出根據實施例形成多晶硅柵電極之后的圖4的半導體襯底；
圖6示出根據實施例圖案化圖5的半導體襯底之后的圖5的半導 體襯底；以及
圖7示出進一步處理之后的圖6的半導體襯底。
本領域的技術人員應理解，附圖中的元件是簡單明了描繪的，且 沒有必要按照比例描繪。例如，附圖中一些元件的尺寸相對于其他元 件來說可能被夸大以幫助增進對本發明實施例的理解。
具體實施例方式
在一個實施例中，使用位于導電材料(例如，電極)和介質材料之間 的中間層來設置NMOS和PMOS MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶 體管)器件的功函數。在一個實施例中，提供襯底并在襯底上形成第一 疊層，并且形成第一疊層包括在襯底上形成介質層、在介質層上形成 包括齒素和金屬的第一層以及在第一層上形成金屬層。通過在介質材 料(例如，高介質常數的介質)和導電材料(例如，金屬柵電極)之間放置 中間層，例如A1F3，可以調制金屬/介質的界面偶極子以增加有效金屬 功函數。因而，界面可用來修改MOSFET中的界面電特性。另外，如 果中間層包括諸如氟的鹵素，那么倘若將用氟摻雜介質作為形成中間 層的結果，那么可以改善電應力下的VT不穩定性。氟可以是期望的， 因為它可以替換當形成高介電常數的介質時產生的不希望的氯(C1)雜 質。此外，中間層可用在其他器件中，如DRAM(動態隨機存取存儲器) 電容器和MIM(金屬-絕緣體-金屬)電容器。在一些實施例中，中間層(或 多于一個中間層)在控制電極疊層內。控制電極疊層可以是柵疊層(例 如，MOSFET的柵疊層)、電容器的疊層(例如，它可包括金屬、介質和 中間層)、用于DRAM的疊層、非易失性存儲器(NVM)的疊層，或另外類似器件的疊層。
圖1示出包括襯底12、介質層16和第一中間層18的半導體器件 10。襯底12可以是金屬、半導體襯底等或者上述材料的組合。在優選 實施例中，襯底是半導體襯底12并且包括隔離區14，例如淺溝槽隔離 (STI)區。半導體襯底12可以是任何半導體材料或材料的組合，例如砷 化鎵、硅鍺、絕緣體上硅(SOI)(例如，全耗盡SOI(FDSOI))、硅、單晶 硅等以及上述材料的組合。
在圖中所示的實施例中的介質層16是第一柵絕緣層16，如高介 電常數(high-k或W-k)材料(例如，Hf02、 HfxZrLx02或HfxZryOz)、 二氧 化硅或上述材料的組合。高k材料具有大于二氧化硅的介電常數的介 電常數。介質層16可以由任何合適的工藝，如熱生長、化學氣相沉積 (CVD)、原子層沉積(ALD)、物理氣相沉積(PVD)等或上述工藝的組合 形成。
如將在進一步討論后理解，第一中間層18是在介質層16和導電 層之間，如金屬柵電極之間的中間層。在圖中所示的實施例中，第一 中間層18是PMOS晶體管的中間層。在一個實施例中，第一中間層18 是任意的金屬鹵化物，如金屬氟化物、金屬氯化物、金屬溴化物、金 屬碘化物或上述材料的組合。優選金屬氟化物，因為氟比其他鹵素更 具電負性。如果第一中間層18是金屬氟化物，則它可以是氟化銣(RbF)、 氟化鋰(LiF)、氟化銫(CsF)、氟化鎂(MgF2)、氟化鍶(SrF)、以及氟化鈧 (ScF)、氟化鋁(AlFs)、金屬和氟的任意組合(例如，包括鋁和氟的材料，
如氟化的氧化鋁(Al203))等或上述材料的組合。如將在下面解釋的一些
金屬氟化物，如氟化銣(RbF)、氟化鋰(LiF)、氟化銫(CsF)、氟化鎂(MgF2)、 氟化鍶(SrF)和氟化鈧(ScF)可以更適合設置NMOS器件的功函數。
在圖中所示的實施例中，由于第一中間層18用在PMOS半導體器 件中，所以希望對于第一中間層18所選的材料包括與諸如氟的鹵素組合的相對電負性的金屬。
一種合適的材料是包括鋁和氟的材料，如
A1F3。特別地，由于A1F3包括高濃度的電負性氟原子以及與其他金屬 相比相對電負性的金屬陽離子(鋁)，因而A1F3是PMOS器件的優選中 間層。期望A1F3中元素的高電負性能將PMOS器件的有效功函數增加 到所希望的水平。具有較高電負性的金屬具有較高的真空功函數。另 外，金屬-介質(金屬-半導體)界面處的有效功函數(勢壘高度)也與接觸 金屬和介質的相對電負性有關。這是因為作為原子吸引共享電子到自 身的能力的電負性確定在金屬-介質界面處發生多少電荷交換。本界面 處的電荷交換導致界面電偶極子，而界面電偶極子部分地確定有效功 函數(或勢壘高度)。因此，界面電偶極子的數量和極性取決于接觸金屬 和介質的相對電負性。
另外，A1F3具有大約1260攝氏度的熔化溫度，該熔化溫度大于典 型地用于激活源區和漏區中摻雜劑的溫度。(摻雜劑激活通常發生在大 約1000攝氏度)。而且，由于據報道AlFs不吸水(H20)，所以可用作柵 氧化物的AlF3將與下面的氧化鉿(Hf02)層很好地工作。此外，據報道 A1F3具有優良的機械強度。
如果第一中間層18是A1F3，它可以通過任何合適的工藝形成在介 質層16上，如PVD(例如，來自A1F3靶的濺射或者Al在Ar/F2環境中 的反應濺射)、ALD、 CVD、電子束沉積等或上述工藝的組合。另外， 第一層18是A1F3，它可以通過將預先被形成(例如，通過CVD、 ALD 或PVD形成)的鋁層氟化來形成。
如果第一中間層18是氟化的A1203，則它可以通過形成八1203并 隨后將其氟化而形成。不管是氟化Al還是Ab03(例如，通過ALD、CVD 或PVD),都可通過使用F2、 CF4、 CxHyFz、 NF3等或上述組合的氣體或 等離子體來發生氟化。
第一中間層18可在大約1至大約15埃厚之間。優選使第一中間層18盡可能薄以實現期望的功函數但足夠薄以至不能惡化半導體器件
的電容。電容(C)被定義為介電常數(K)乘以真空的電容率(SO)再乘以電 容器的面積(A)的積除以介質的厚度(t)，如下所示
由于電容與介質厚度成反比，所以期望將金屬鹵化物層的厚度降 到最小。另外，金屬鹵化物可以具有比也可以惡化電容值的介質層更 低的介電常數。
在一個實施例中，介質層16是高k介質，并且第一中間層18是 A1F3，其具有大約為4的介電常數。在該實施例中，如果A1F3太厚， 它將不期望地抵消高介電常數介質的高介電常數，因而絕緣的A1F3和 高k介質將共同有效地作為柵氧化物，其中柵氧化物具有僅比單獨的 高k介質具有更低的介電常數；這是不希望的。優選的是第一中間層 18不負面影響柵氧化物，并代替作為金屬柵和柵氧化物之間的功函數 調制中間層。然而，第一層18的一部分或全部可作為柵氧化物的一部 分。
如圖2所示，形成第一中間層18后，在第一中間層18上形成第 一金屬電極20。第一金屬電極20可以是特別適合PMOS器件的氮化鉬、 氮氧化鉬、氮化鎢、氧化釕、釕、氮化鈦、氧化銥等或上述材料的組 合，或者可以是特別適合NMOS器件的碳化鉭、氮化硅鉭(tantalum silicon nitride)、氮化鉭、氮化鈦、碳化鉿、氮化鉿、碳化鋯、氮化鋯、 與另外的金屬合金的碳化鉭等或上述材料的組合。在圖中所示的實施 例中，第一金屬電極20是PMOS器件的柵電極。第一金屬電極20可 通過任何合適的工藝形成，如CVD、 ALD、 PVD、濺射等或上述工藝 的組合。
如圖2所示，在半導體器件10上形成第一圖案化掩模22。在所
10示的實施例中，第一圖案化掩模22形成在PMOS器件將被形成在其中 的半導體器件的區域(PMOS區域)上。因而第一圖案化掩模22暴露 NMOS器件將被形成在其中的半導體器件10的區域(NMOS區域)。(盡 管未示出，本領域的技術人員認識到半導體襯底12可包括摻p型或n 型的阱區，這取決于在阱區中是形成NMOS還是PMOS器件)。第一圖 案化掩模22可為任何合適的掩模，如光刻膠。
如圖3所示，在暴露NMOS區域中的半導體器件10的區域之后， 可以去除第一金屬電極20和第一中間層18的暴露部分。在一個實施 例中，第一金屬電極20可通過在過氧硫酸(piranha)或SC-1(標準清洗劑 1)中的濕法蝕刻去除。過氧硫酸清洗劑由硫酸、過氧化氫和水組成。SC-1 清洗劑由氫氧化氨、過氧化氫和水組成。在一個實施例中，可在濕法 蝕刻中通過HP04、 HN03、 CH3COOH、 HC1、任何其他合適的化學品 或上述化學品的組合來去除第一中間層18。在一個實施例中，可使用 包括HC1、 Br2、 Cl2、任何其他合適的化學品或上述化學品的組合的氣 體來去除第一中間層18。在一個實施例中，四甲基氫氧化氨(TMAH) 可以單獨使用，或者與如上面描述的那些的任何合適的化學品結合使 用。可使用對第一中間層18有選擇性的化學等離子體來干法蝕刻第一 電極20，然后可以使用上述的化學品的濕法蝕刻來去除中間層18。
如圖4所示，在去除半導體器件10的NMOS區域中的部分第一 金屬電極20和第一中間層18后，在半導體器件上形成第二中間層24 和第二金屬電極26。在所示的實施例中，第二中間層24和第二金屬電 極26形成在NMOS區域中的介質層16上，以及形成在PMOS區域中 的介質層16、第一中間層18和第一金屬電極20上。第二中間層24可 以是之前討論的用于第一中間層18的任何材料，而且可通過之前討論 的用于第一中間層18的任何工藝形成。如在圖中所示的實施例中，由 于第二中間層24是NMOS區域的中間層，該中間層最好是最適合 NMOS器件的中間層材料，例如RbF、 LiF、 CsF、 MgF2、 SrF、 ScF等 或上述材料的組合。對于NMOS器件，優選的是中間層包括與諸如氟
11的鹵素組合的相對電正性的金屬。
如圖5所示，形成第二中間層24和第二金屬電極26之后，可以 形成多晶硅柵電極28。多晶硅柵電極28可通過任何合適的工藝形成， 如CVD。多晶硅柵電極28比下面的介質層16、第一中間層18、第一 金屬電極20、第二中間層24和第二金屬電極26厚得多(甚至比圖中所 示的厚得多)。在一個實施例中，多晶硅柵電極28大約1000埃厚。
如圖7所示，形成多晶硅柵電極28之后，如果存在，則柵疊層被 圖案化以形成NMOS柵疊層30和PMOS柵疊層32。在圖示的實施例 中，NMOS柵包括介質層16、第二中間層24、第二金屬電極26和多 晶硅柵電極28的一部分。在圖示的實施例中，PMOS柵包括介質層16、 第一中間層18、第一金屬電極20、第二中間層24、第二金屬電極26 和多晶硅柵電極28的一部分。期望的是第二中間層24足夠薄以至于 不連續(例如，大約1至大約15埃)，使得第一金屬電極20和第二金屬 電極26彼此電連接。如果第二中間層24不夠薄，則它(以及或許是第 二金屬電極26)可在PMOS區域中去除。因而，PMOS柵疊層可不包括 第二中間層24或第二金屬電極26。
在一個實施例中，當形成NMOS柵疊層30時，可使用(掩模以及) 任何合適的化學品，如Ch、 HBr、 CF4、 CH2F2等或上述化學品的組合 來圖案化多晶硅柵電極28。可使用任何合適的工藝，例如之前討論的 將第一金屬電極20從NMOS區域去除的掩模和蝕刻工藝來蝕刻第二金 屬電極26。可使用任何合適的工藝，例如之前討論的將第一中間層18 從NMOS區域去除的掩模和化學品來去除第二中間層24。
在一個實施例中，當形成PMOS柵疊層32時，可使用(掩模以及) 如之前討論的用于圖案化NMOS柵疊層30的任何合適的化學品來圖案 化多晶硅28。可使用之前討論的用于圖案化第二中間層24和第二金屬 電極26的任何合適的工藝來圖案化第一中間層18、第一金屬電極20、第二中間層24(如果存在)以及第二金屬電極26(如果存在)。
圖案化NMOS柵疊層30和PMOS柵疊層32后，執行常規的工藝 以形成NMOS源/漏區36、 PMOS源/漏區38以及隔片34。 NMOS源/ 漏區36和PMOS源/漏區38可包括擴展區和暈環(halo)區(未示出)。隔 片34可為任何合適的隔片，例如氮化物隔片、L形隔片或包括材料(例 如，氮化物和氧化物)的組合的隔片。形成隔片34后，使用常規工藝將 介質層16的暴露部分去除(即圖案化介質層16)。執行未圖示的后續常 規工藝形成特征，例如層間介質層和互連層以連接半導體襯底12上的 各種器件。
至此應當明白，本發明提供了具有柵電極疊層的半導體器件的方 法，其中柵電極疊層包括柵電極和中間層，使得柵電極疊層具有對器 件來說所期望的功函數。所述的中間層也可用于其他器件，如DRAM 電容器和MIM電容器結構。例如，在DRAM和MIM電容器中，期望 可在頂電極和介質之間、在底電極和介質之間或這兩者之間形成具有 金屬和鹵素(例如氟)的中間層。因而，在MIM結構的實施例中，半導 體襯底12可為金屬襯底。
在前述的說明書中，本發明已參照特定實施例進行了描述。然而 本領域的普通技術人員應當明白，在不脫離由下面的權利要求書所闡 明的本發明的范圍的情況下，可以做出各種修改和變化。因此，說明 書和附圖應被視為例證性的而非限制性的，并且所有此類的修改都旨 在包括在本發明的范圍內。
盡管本發明已參照特定的導電類型或電勢極性進行了描述，但是 本領域的技術人員應當明白，導電類型和電勢極性可以相反。
以上參照特定實施例描述了益處、其他優點和問題的解決方案。 然而，益處、優點、問題的解決方案以及可引起任何益處、優點或問題的解決方案發生或使之變得更加明確的任何要素，不應被視為任何 或所有權利要求的決定性的、必需的或必要的特征或要素。如此處使 用的，術語"包括"、"包括了"及其任何其他的變化，旨在覆蓋非排它的 內含物，使得包括一系列要素的工藝、方法、產品或裝置不僅僅包括 那些要素，還可包括未明顯列出的或者這些工藝、方法、產品或裝置
原有的其他要素。在此使用的，術語"一 (a)"或"一 (an)，，定義為一 個或多個。此外，說明書和權利要求書中的術語"前"、"后"、"頂"、"底"、 "上"、"下"等，即便需要，也是用于例證性目的而不必用于描述一成不 變的相對位置。應理解的是，這樣使用的術語可在適當的情況下互換， 使得在此描述的發明的實施例，例如能夠在與此處那些已說明的或另 外已描述相比的其他方向操作。
權利要求
1.一種方法，包括提供襯底；以及在所述襯底上形成第一疊層，其中形成所述第一疊層包括在所述襯底上形成介質層；在所述介質層上形成包括鹵素和金屬的第一層；以及在所述第一層上形成金屬層。
2. 如權利要求l所述的方法，其中形成所述第一疊層還包括在所 述金屬層上形成多晶硅層。
3. 如權利要求l所述的方法，其中形成所述第一疊層還包括圖案 化所述金屬層和所述第一層。
4 . 如權利要求l所述的方法，其中所述第一層包括氟化鋁。
5. 如權利要求l所述的方法，其中所述第一層包括從由氟化銣、 氟化鋰、氟化銫、氟化鎂、氟化鍶、氟化鈣和氟化鈧組成的組中選擇 的至少一種材料。
6. 如權利要求l所述的方法，其中所述鹵素以氟為特征。
7. 如權利要求l所述的方法，其中所述第一疊層以控制電極疊層 為特征，并且所述襯底包括半導體材料。
8. 如權利要求7所述的方法，其中MOSFET器件以P溝道晶體管 為特征。
9. 如權利要求l所述的方法，其中形成所述介質層包括形成以高介電常數材料為特征的介質層。
10. 如權利要求1所述的方法，其中形成所述金屬層包括形成包括從由氮化鉬、氮氧化鉬、氮化鎢、氧化釕、釕、氮化鈦、氧化銥組 成的組中選擇的至少一種材料的金屬層。
11. 如權利要求1所述的方法，其中形成所述金屬層包括形成包 括從由碳化鉭、氮化鉭、氮化硅鉭、氮化鈦、碳化鉿、氮化鉿、碳化 鋯、氮化鋯和碳化鈦組成的組中選擇的至少一種材料的金屬層。
12. 如權利要求l所述的方法，還包括在所述襯底上形成第二疊層，其中形成所述第二疊層包括 在所述襯底上形成包括鹵素和金屬的第二層；以及 在所述第二層上形成第二金屬層；其中所述第二層以不同于所述 第一層的組分為特征。
13. 如權利要求12所述的方法，其中所述第二層形成在所述第一 層之上。
14. 如權利要求12所述的方法，其中形成所述第二疊層還包括 在形成所述第二層之前去除所述襯底的第一區域之上的所述金屬層并且去除所述第一區域之上的所述第一層，其中所述第二疊層形成 在所述第一區域中。
15. 如權利要求12所述的方法，其中所述疊層以用于第一 MOSFET器件的柵疊層為特征，且所述第二疊層以用于第二 MOSFET 器件的柵疊層為特征，其中所述第一 MOSFET器件以P溝道晶體管為 特征，且所述第二 MOSFET器件以N溝道晶體管為特征。
16. 如權利要求l所述的方法，其中形成所述介質層包括形成包括鉿、鋯和氧的層； 形成所述第一層包括形成包括氟化鋁的層；以及 形成所述金屬層包括形成包括從由氮化鉬和氮化鎢組成的組中選 擇的至少一種材料的層。
17. —種形成MOSFET器件結構的方法，所述方法包括 提供包括半導體材料的襯底；以及在所述襯底上形成柵疊層，所述柵疊層包括所述襯底上的柵介質、 所述柵介質上包括氟和金屬的層以及包括氟和金屬的所述層上的金屬
18. 如權利要求n所述的方法，其中所述柵疊層還包括所述金屬 層上的多晶硅層。
19. 一種裝置，包括 襯底；以及位于所述襯底上的疊層，所述疊層包括介質層；所述介質層上包括鹵素和金屬的第一層；以及 所述第一層上的金屬層。
20. 如權利要求19所述的裝置，其中鹵素以氟為特征。
21. 如權利要求19所述的裝置，還包括 第二疊層，所述第二疊層包括 第二介質層；所述第二介質層上包括鹵素和金屬的第二層，其中所述第二層以 不同于所述第一層的組分為特征；以及 所述第二層上的第二金屬層。
22. 如權利要求21所述的裝置，其中所述第二金屬層以不同于所 述金屬層的組分為特征，并且所述第二介質層以與所述介質層相同的 組分為特征。
23. 如權利要求19所述的裝置，其中所述第一層包括氟化鋁。
24. 如權利要求19所述的裝置，其中所述第一疊層以控制電極疊 層為特征，且所述襯底包括半導體材料。
全文摘要
疊層(30)位于襯底(10)上。疊層包括介質層(16)和金屬層(26)之間的層(24)。該層包括鹵素和金屬。在一個實施例中，鹵素是氟。在一個實施例中，疊層是用于晶體管的控制電極疊層。在一個例子中，控制電極疊層是用于MOSFET的柵疊層。在一個例子中，該層包括氟化鋁。
文檔編號H01L21/8234GK101569005SQ200780019293
公開日2009年10月28日 申請日期2007年3月21日 優先權日2006年5月26日
發明者拉馬·I·海格德, 斯里坎斯·B·薩瑪維丹, 詹姆斯·K·舍費爾 申請人:飛思卡爾半導體公司