專利名稱：半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制作工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制作工藝，特別是涉及一種具有含氟的金屬層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制作工藝。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，多晶硅廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體元件如金氧半導(dǎo)體(metal-oxide-semiconductor,M0S)晶體管中，作為標(biāo)準(zhǔn)的柵極填充材料選擇。然而，隨著MOS晶體管尺寸持續(xù)地微縮,傳統(tǒng)多晶娃柵極因硼穿透(boron penetration)效應(yīng)導(dǎo)致元件效能降低，及其難以避免的空乏效應(yīng)(depletion effect)等問題,使得等效的柵極介電層厚度增加、柵極電容值下降，進(jìn)而導(dǎo)致元件驅(qū)動能力的衰退等困境。因此，半導(dǎo)體業(yè)界更嘗試以新的柵極填充材料，例如利用功函數(shù)(work function)金屬來取代傳統(tǒng)的多晶娃柵極，用以作為匹配高介電常數(shù)(High-K)柵極介電層的控制電極。然而，隨著半導(dǎo)體技術(shù)急速微縮到納米等級，即便是功函數(shù)(work function)金屬柵極結(jié)構(gòu)也將達(dá)到其物理與電性限制，因此可能衍生出例如柵極結(jié)構(gòu)的電性不穩(wěn)定，NBTI (negative bias temperature instability)值劣化等問題。甚至，以互補(bǔ)式金氧半導(dǎo)體(complementary metal-oxide semiconductor, CMOS)技術(shù)為例，由于其雙功函數(shù)金屬柵極一需與NMOS元件搭配，一則需與PMOS元件搭配，因此使得相關(guān)元件的整合技術(shù)以及制作工藝控制更形復(fù)雜且所能達(dá)成的制作工藝效果備受局限，故如何改善PMOS元件或NMOS元件的柵極結(jié)構(gòu)的電性品質(zhì)，例如提升其功函數(shù)值等，為當(dāng)今亟須且關(guān)切的重要議題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制作工藝，其形成一含氟的功函數(shù)金屬層(且部分氟離子將可擴(kuò)散至下層的介電層)，因而可改善功函數(shù)金屬層的功函數(shù)值并增加半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電性穩(wěn)定性。為達(dá)上述目的，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包含有一基底、一介電層以及一含氟的金屬層。介電層位于基底上。含氟的金屬層位于介電層上。本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體制作工藝，包含有下述步驟。首先，提供一基底。接著，形成一介電層于基底上。而后，形成一含氟的金屬層于介電層上?；谏鲜觯景l(fā)明提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制作工藝，其具有一含氟的功函數(shù)金屬層。由于功函數(shù)金屬層含氟的緣故，其功函數(shù)值可更接近于能帶寬，進(jìn)而改善半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的等效功函數(shù)值。再者，本發(fā)明的含氟的功函數(shù)金屬層的氟離子可擴(kuò)散至其下的介電層，是以可降低半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的NBTI (negative bias temperature instability)值，因而增加其電性穩(wěn)定性。
圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的剖面示意圖2為本發(fā)明一實(shí)施例的半導(dǎo)體制作工藝的制作工藝示意圖；圖3為本發(fā)明另一實(shí)施例的半導(dǎo)體制作工藝的制作工藝示意圖；圖4-圖6為本發(fā)明一實(shí)施例的MOS晶體管制作工藝的剖面示意圖；圖7-圖10為本發(fā)明一實(shí)施例的CMOS晶體管制作工藝的剖面示意圖。主要元件符號說明100,200,310:半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)110、210:基底120:介電層130:含氟的金屬層130’、350:金屬層222、322:緩沖層224、324:高介電常數(shù)介電層230:間隙壁240:源/漏極區(qū)250:層間介電層26O、33O:阻障層270.340.340P:含氟的金屬層280、360:金屬柵極層P:PM0S 晶體管Pl:植入制作工藝N:NM0S 晶體管R、R1、R2:凹槽
具體實(shí)施例方式圖1繪示本發(fā)明一實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。如圖1所示，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100包含一基底110、一介電層120以及一含氟的金屬層130。介電層120位于基底110上。含氟的金屬層130位于介電層120上?；?10包含一娃基底、一含娃基底、三五族覆娃基底(例如GaN-on-silicon)、石墨烯覆娃基底(graphene-on-silicon)或一娃覆絕緣(silicon-on-1nsulator, SOI)基底等半導(dǎo)體基底。介電層120包含一高介電常數(shù)介電層，例如為一含金屬介電層，其可包含有鉿(Hafnium)氧化物、錯(Zirconium)氧化物,但本發(fā)明不以此為限。更進(jìn)一步而言，高介電常數(shù)介電層可選自氧化鉿(hafnium oxide, HfO2)、娃酸給氧化合物(hafnium silicon oxide,HfSiO4)、娃酸給氮氧化合物(hafnium siliconoxynitride, HfSiON)、氧化招(aluminum oxide, Al2O3)、氧化鑭(lanthanum oxide, La2O3)、氧化組(tantalum oxide，Ta2O5)、氧化宇乙(yttrium oxide，Y2O3)、氧化錯(zirconium oxide,ZrO2)、欽酸銀(strontium titanate oxide, SrTiO3)、娃酸錯氧化合物(zirconium siliconoxide, ZrSiO4)、錯酸給(hafnium zirconium oxide, HfZrO4)、銀秘組氧化物(strontiumbismuth tantalate, SrBi2Ta2O9, SBT)、,告欽酸鉛(lead zirconate titanate, PbZrxTi1^O3,PZT)與鈦酸鋇銀(barium strontium titanate, BaxSr1^TiO3, BST)所組成的群組。介電層120以氧化鉿層為例，氧化鉿層也可再經(jīng)由氮化制作工藝等，而被氮化為一硅酸鉿氮氧(hafnium silicon oxynitride, HfSiON)層，以增加介電層120的介電常數(shù)。在本實(shí)施例中，介電層120為一單一層。在其他實(shí)施例中，介電層120也可為一復(fù)合層。例如，介電層120可包含一高介電常數(shù)介電層，以及一緩沖層，位于基底110與高介電常數(shù)介電層之間。特別的是，本實(shí)施例中的介電層120較佳為一含氟的高介電常數(shù)介電層，其可通過直接摻雜氟離子于介電層120中，或者由其上方的具有含氟成分的材料層擴(kuò)散而得。如此，由于本發(fā)明的介電層120含氟的緣故，可降低其NBTI (negative bias temperatureinstability)值，因而增加電性穩(wěn)定性。含氟的金屬層130包含一含氟的功函數(shù)金屬層。本實(shí)施例以PMOS晶體管為例,含氟的功函數(shù)金屬層可為一含氟的氮化鈦層，但本發(fā)明不以此為限。。相較于現(xiàn)今的不含氟的金屬層，本發(fā)明的含氟的金屬層130的功函數(shù)值可更接近能帶寬，因而能改善其所形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的功函數(shù)值。以下提供一半導(dǎo)體制作工藝包含二實(shí)施例，用以形成上述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100。圖2繪示本發(fā)明一實(shí)施例的半導(dǎo)體制作工藝的制作工藝示意圖。首先，如圖2的上圖所示，提供一基底110?；?10包含一硅基底、一含硅基底、三五族覆硅基底(例如GaN-on-silicon)、石墨烯覆娃基底(graphene-on-silicon)或一娃覆絕緣(silicon-on-1nsulator, SOI)基底等半導(dǎo)體基底。接著，形成一介電層120于基底110上。介電層120包含一高介電常數(shù)介電層，例如為一含金屬介電層，其可包含有鉿(Hafnium)氧化物、錯(Zirconium)氧化物,但本發(fā)明不以此為限。而后，如圖2的下圖所不，形成一含氟的金屬層130于介電層120上。含氟的金屬層130可例如為一含氟的功函數(shù)金屬層，且當(dāng)應(yīng)用于一 PMOS晶體管時，含氟的金屬層則可例如為一含氟的氮化鈦層，但本發(fā)明不限于此。含氟的金屬層130可包含以原子層沉積制作工藝(atomic layer deposition process,ALD)或化學(xué)氣相沉積制作工藝(chemicalvapor deposition process,CVD)形成,但本發(fā)明不以此為限。在本實(shí)施例中，含氟的金屬層130以原子層沉積制作工藝形成，而形成的方法可例如以提供含氟的前驅(qū)物所形成。具體而言，含氟的前驅(qū)物可包含，但不限于，四氟化鈦(titanium tetrafluoride,TiF4)。如此一來，即可形成一含氟的金屬層130。在此一提,含氟的金屬層130可進(jìn)一步將氟擴(kuò)散至介電層120中，俾使介電層120形成為一含氟的介電層。圖3繪示本發(fā)明另一實(shí)施例的半導(dǎo)體制作工藝的剖面示意圖。首先，如圖3的最上圖所不，提供一基底110。基底110包含一娃基底、一含娃基底、二五族覆娃基底(例如GaN-on-silicon)、石墨烯覆娃基底(graphene-on-silicon)或一娃覆絕緣(silicon-on-1nsulator, SOI)基底等半導(dǎo)體基底。接著，形成一介電層120于基底110上。介電層120包含一高介電常數(shù)介電層，例如為一含金屬介電層，其可包含有鉿(Hafnium)氧化物、錯(Zirconium)氧化物,但本發(fā)明不以此為限。而后，如圖3的中間圖及最下圖所示，形成一含氟的金屬層130于介電層120上。形成的方法可包含:先如圖3的中間圖所示，形成一金屬層130’于介電層120上，其中金屬層130’可例如為一氮化鈦層等功函數(shù)金屬層。繼之，如圖3的最下圖所示，例如進(jìn)行離子布植制作工藝等植入制作工藝P1，摻雜氟離子于金屬層130’中，以形成含氟的金屬層130。如此，也可形成一含氟的金屬層130。上述的本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100可應(yīng)用于MOS晶體管制作工藝或CMOS晶體管制作工藝等半導(dǎo)體制作工藝中。以下提出應(yīng)用于一MOS晶體管制作工藝及一 CMOS晶體管制作工藝的實(shí)施態(tài)樣以清楚揭示本發(fā)明，但本發(fā)明非限用于此。以下皆以進(jìn)行一前置高介電常數(shù)介電層之后柵極制作工藝(gate-last for high_k first)為例,但本發(fā)明也可應(yīng)用于前柵極制作工藝(gate-first)或后置高介電常數(shù)介電層之后柵極制作工藝(gate-last forhigh-k last)等其他半導(dǎo)體制作工藝。圖4-圖6繪示本發(fā)明一實(shí)施例的MOS晶體管制作工藝的剖面示意圖。如圖4所示，首先，依序形成一緩沖層(未繪示)、一高介電常數(shù)介電層(未繪示)、一犧牲柵極層(未繪示)以及一蓋層(未繪示)于基底210上。再依序圖案化蓋層(未繪示)、犧牲柵極層(未繪示)、高介電常數(shù)介電層(未繪示)以及緩沖層(未繪示)，以形成圖案化的一緩沖層222、一高介電常數(shù)介電層224、一犧牲柵極層(未繪示)以及一蓋層(未繪示)。接著形成一間隙壁230于緩沖層222、高介電常數(shù)介電層224、犧牲柵極層(未繪示)以及蓋層(未繪示)的側(cè)邊并離子布植形成一源/漏極區(qū)240于間隙壁230側(cè)邊的基底210中。之后形成一層間介電層250于基底210上，例如以研磨制作工藝平坦化層間介電層250并移除蓋層(未繪示)，以露出犧牲柵極層(未繪示)。最后蝕刻移除犧牲柵極層(未繪示)，而形成一凹槽R。此前置高介電常數(shù)介電層之后柵極制作工藝(gate-last for high-k first)步驟為本領(lǐng)域所熟知故不詳細(xì)贅述。此外，在高介電常數(shù)介電層224與犧牲柵極層(未繪示)之間可再選擇性地形成一底阻障層，例如一氮化鈦層，以在后續(xù)移除犧牲柵極層(未繪示)的過程中，避免高介電常數(shù)介電層224受損。如圖5所示，可先選擇性地在高介電常數(shù)介電層224上形成一阻障層260，其中阻障層 260 可例如為氮化組(tantalum nitride, TaN)、氮化欽(titanium nitride, TiN)等的單層結(jié)構(gòu)或復(fù)合層結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，阻障層260為一氮化鉭層。接著，形成一含氟的金屬層270覆蓋阻障層260及凹槽R的側(cè)壁，以作為一含氟的功函數(shù)金屬層，其中含氟的金屬層270的形成方法可例如以上述的二實(shí)施例(圖2及圖3)形成。如圖6所示，在形成含氟的功函數(shù)金屬層270之后，形成一金屬柵極層280于含氟的金屬層270上。并且，平坦化金屬柵極層280、含氟的功函數(shù)金屬層270以及阻障層260，而形成一柵極結(jié)構(gòu)G，其包含堆疊的阻障層260、含氟的功函數(shù)金屬層270以及金屬柵極層280。更進(jìn)一步而言，金屬柵極層280也可為一含氟的金屬柵極層，以進(jìn)一步增加本發(fā)明的效能。含氟的金屬柵極層可例如以氟化招(aluminum fluoride, AlF3)為前驅(qū)物的原子層沉積制作工藝所形成的含氟的招電極，或以六氟化鶴(Tungsten hexaf luoride, WF6)為前驅(qū)物的原子層沉積制作工藝所形成的含氟的鎢電極等，但本發(fā)明不以此為限。如此一來，由于本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200具有一含氟的金屬層270作為一功函數(shù)金屬層，是以可改良半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200的功函數(shù)值，使之接近于能帶寬。在一較佳的實(shí)施例中，本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200，特別指半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200為一 PMOS晶體管，其功函數(shù)為4.9
5.1電子伏特(eV)。再者，本發(fā)明的含氟的金屬層270中的部分氟離子可向下擴(kuò)散至阻障層260及高介電常數(shù)介電層224，而形成一含氟的阻障層及一含氟的高介電常數(shù)介電層，俾提升半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200的電性品質(zhì)。例如，本發(fā)明可降低半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200的NBTI (negativebias temperature instability)值，因而增加其電性穩(wěn)定性。另外，含氟的阻障層及含氟的高介電常數(shù)介電層除了可通過吸收含氟的金屬層270中的氟離子而得之外，也可經(jīng)由直接摻雜氟離子于阻障層260及高介電常數(shù)介電層224中而得，視實(shí)際所需的結(jié)構(gòu)而定。圖7-圖10繪示本發(fā)明一實(shí)施例的CMOS晶體管制作工藝的剖面示意圖。如圖7所示，先以上述圖4的方法同時形成二晶體管結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，分別用以作為一 NMOS晶體管N以及一 PMOS晶體管P。詳細(xì)的形成方法為本領(lǐng)域所熟知故不再贅述。在此強(qiáng)調(diào)，由于本實(shí)施例為以前置高介電常數(shù)介電層之后柵極制作工藝(gate-last for high-k first)為例，因此本實(shí)施例直接形成一高介電常數(shù)介電層322于基底310上。當(dāng)然，高介電常數(shù)介電層322與基底310之間，一般可再形成一緩沖層(未繪示)作為緩沖之用。再者，可選擇性地形成一底阻障層324，例如一氮化鈦層，于高介電常數(shù)介電層322上。如圖8所示，先選擇性地在高介電常數(shù)介電層322上形成一阻障層330，其中阻障層 330 可例如為氮化鉭(tantalum nitride, TaN)、氮化鈦(titanium nitride, TiN)等的單層結(jié)構(gòu)或復(fù)合層結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，阻障層330為一氮化鉭層。接著，形成一含氟的金屬層340覆蓋阻障層330及凹槽Rl及R2的側(cè)壁，以作為一含氟的功函數(shù)金屬層，其中含氟的金屬層340的形成方法可例如以上述的二實(shí)施例(圖2及圖3)形成。在本實(shí)施例中，含氟的金屬層340為適于形成PMOS晶體管P的功函數(shù)金屬層，其例如為一氮化鈦層。如圖9所示，以蝕刻光刻的方法，定義并圖案化含氟的金屬層340，而蝕刻移除位于NMOS晶體管N的含氟的金屬層340。如此，僅留下位于PMOS晶體管P的含氟的金屬層340P。如圖10所示，一金屬層350全面覆蓋PMOS晶體管P以及NMOS晶體管N。本實(shí)施例中，金屬層350為適于作為NMOS晶體管N的功函數(shù)金屬層的鋁鈦層，但本發(fā)明不以此為限。然后，一金屬柵極層360全面覆蓋PMOS晶體管P以及匪OS晶體管N。金屬柵極層360可例如由鋁或鎢等金屬所組成。此外，本發(fā)明一實(shí)施例還可選擇性移除凹槽Rl及R2開口處的功函數(shù)金屬層與阻障層所構(gòu)成的懸突部。之后，可再繼續(xù)后續(xù)的CMOS晶體管制作工藝，例如平坦化金屬柵極層360、金屬層350以及含氟的金屬層340、形成金屬硅化物、形成接觸洞蝕刻停止層等，以完成CMOS晶體管的制作。綜上所述，本發(fā)明提出一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制作工藝，其具有一含氟的功函數(shù)金屬層。此含氟的功函數(shù)金屬層可例如由原子層沉積制作工藝(atomic layer depositionprocess, ALD)或化學(xué)氣相沉積制作工藝(chemical vapor deposition process, CVD)形成。較佳者，含氟的功函數(shù)金屬層可以含氟前驅(qū)物的原子層沉積制作工藝形成，例如以四氟化鈦(titanium tetraf luoride, TiF4)為前驅(qū)物的原子層沉積制作工藝所形成?；蛘?，含氟的功函數(shù)金屬層也可由直接摻雜氟離子于功函數(shù)金屬層而得。如此一來，由于功函數(shù)金屬層含氟的緣故，其功函數(shù)值可更接近于能帶寬，而改善半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的功函數(shù)值。在一以PMOS晶體管為例的實(shí)施例中，具有一含氟的功函數(shù)金屬層的PMOS晶體管，其功函數(shù)可達(dá)4.9 5.1電子伏特(eV)。再者，本發(fā)明的含氟的功函數(shù)金屬層的氟離子可擴(kuò)散至其下的介電層，是以可降低半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的NBTI (negative biastemperature instability)值，因而增加其電性穩(wěn)定性。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包含有: 基底； 介電層位于該基底上；以及 含氟的金屬層位于該介電層上。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該介電層包含一高介電常數(shù)介電層。
3.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),其中該高介電常數(shù)介電層包含一氧化鉿(hafniumoxide, HfO2)層或一娃酸給氮氧(hafnium silicon oxynitride, HfSiON)層。
4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該高介電常數(shù)介電層包含一含氟的高介電常數(shù)介電層。
5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該含氟的金屬層包含一含氟的功函數(shù)金屬層。
6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該含氟的金屬層包含一含氟的氮化鈦層。
7.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該介電層與該含氟的金屬層之間還包含一阻障層。
8.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該阻障層包含一氮化鉭層。
9.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該氮化鉭層包含一含氟的氮化鉭層。
10.如權(quán)利要求1所述的半`導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，還包含一金屬柵極層，位于該含氟的金屬層上，而該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的功函數(shù)為4.9 5.1電子伏特(eV)。
11.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含一PMOS晶體管。
12.—種半導(dǎo)體制作工藝，包含有: 提供一基底； 形成一介電層于該基底上；以及 形成一含氟的金屬層于該介電層上。
13.如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體制作工藝，其中該介電層包含一高介電常數(shù)介電層。
14.如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體制作工藝，其中該含氟的金屬層包含一含氟的功函數(shù)金屬層。
15.如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體制作工藝，其中該含氟的金屬層包含一含氟的氮化鈦層。
16.如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體制作工藝，其中該含氟的金屬層包含以原子層沉積制作工藝(atomic layer deposition process, ALD)或化學(xué)氣相沉積制作工藝(chemicalvapor deposition process, CVD)形成。
17.如權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體制作工藝，其中以原子層沉積制作工藝(atomiclayer deposition process, ALD)形成的該含氟的金屬層以含氟的前驅(qū)物形成。
18.如權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體制作工藝，其中該含氟的前驅(qū)物包含四氟化鈦(titanium tetrafluoride, TiF4)。
19.如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體制作工藝，其中形成該含氟的金屬層，包含: 形成一金屬層于該介電層上；以及 摻雜氟離子于該金屬層中，以形成該含氟的金屬層。
20.如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體制作工藝，其中在形成該介電層之后，還包含形成一阻障層于該介電層上 。
全文摘要
本發(fā)明公開一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制作工藝，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含有一基底、一介電層以及一含氟的金屬層。介電層位于基底上。含氟的金屬層位于介電層上。此外，本發(fā)明也提供一種半導(dǎo)體制作工藝，其可形成前述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
文檔編號H01L29/423GK103117297SQ20111036534
公開日2013年5月22日 申請日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者林坤賢, 林俊賢, 黃信富 申請人:聯(lián)華電子股份有限公司