CN101325158B - 半导体器件及形成其栅极的方法 - Google Patents
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Abstract
一种形成半导体器件的栅极的方法，包括：提供一种半导体衬底，其中有源区由隔离膜所限定；在所述有源区上形成栅极绝缘膜；在该栅极绝缘膜上形成帽化层膜；以及在所述形成的表面上进行退火过程，然后在所述有源区的一部分上形成栅极。帽化层膜在栅极绝缘膜上形成，以防止栅极绝缘膜与后继栅极材料之间的反应，从而防止栅极功函数变化的现象并防止具有低介电常数的栅极绝缘体的产生。所述退火过程在氟气环境下进行以防止出现栅极绝缘膜中的陷阱位置，而该栅极可以是由金属组成的或完全由硅化物组成的栅极，从而降低EOT。
Description
相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C 119要求韩国专利申请第10-2007-0059028号(于2007年6月15日提交)的优先权，将其全部内容以引用方式结合于此。
技术领域
本发明涉及一种半导体及其形成方法，更具体地，涉及一种半导体以及一种形成半导体器件的栅极的方法，包括由高介电常数(高K，(high-k))材料制成的栅极绝缘膜。
背景技术
由于半导体器件的高度集成化以及MOS场效应晶体管(MOSFET)的形体尺寸减小，栅极长度和在栅极之下形成的沟道的长度也减小。因此，为了增加栅极和沟道之间的电容并提高晶体管的操作特性，有必要形成薄的栅极绝缘膜。然而，目前代表性地使用的栅极绝缘膜由硅氧化物膜或硅氮氧化物膜制成，由于减小的厚度很难保证栅极绝缘膜的可靠性，在其电特性方面受到了物理限制。因此，当栅极绝缘膜由硅氧化物膜或硅氧氮化物膜形成时，厚度减小受到限制。
为了克服以上的问题，已经对由硅氧化物膜和硅氮氧化物膜的替代材料制成的高k膜的进行了积极研究，该高k膜可在维持薄等效氧化层厚度(EOT)的同时减少栅电极与沟道区域间的漏电流。然而，在将高k材料用作MOSFET半导体器件的栅极绝缘膜的情况下，由于存在大量的体陷阱(bulk trap)和半导体衬底与栅极绝缘膜之间的界面处的界面陷阱(interface trap)，栅极绝缘膜下的栅极衬底中的沟道区的电子迁移率下降，这会出现一些问题。此外，与由硅氧化物膜或硅氧氮化物膜制成的栅极绝缘膜相比，阈电压(Vt)不规则地上升。为了克服以上的问题并且降低多晶栅耗尽效应(polydepletion effect)，即，在器件中使用由多晶硅制成的栅极引起的问题，开发了一种采用全硅化(FUSI)栅极和金属栅极的MOSFET器件结构。
如图1A所示，形成半导体器件栅极的工艺可以包括形成半导体衬底102，其中隔离膜100由有源区所限定。半导体衬底102可以是硅衬底或绝缘体上外延硅(silicon-on-insulate，SOI)并掺杂了P型或N型杂质。
如图1B所示，将具有高介电常数的材料，例如HfO2沉积在半导体衬底102上和/或上方，从而形成栅极绝缘膜104。栅极绝缘膜104仅形成于有源区上和/或上方。如上所述，如果由具有高介电常数的材料(诸如HfO2)形成的栅极绝缘膜104被沉积在半导体衬底102的上和/或上方，具有低介电常数的绝缘膜则是通过半导体衬底102的硅(Si)与HfO2的反应生成的。因此，存在很多的问题，如栅极绝缘膜104的EOT增加，载体的迁移速度降低等，从而造成器件性能降低。为了解决这些问题，可以在栅极形成之前进行退火过程，从而可以防止由于半导体衬底102中的硅与HfO2反应而形成具有低介电常数的绝缘膜。
如图1C所示，在使用导电材料(例如金属或硅)的整合表面(entire resultant surface)上和/或上方形成金属栅极或全硅化栅极106。然而，如果在使用金属栅极或全硅化栅极106的MOSFET中由高k的基于HfO2的材料形成栅极绝缘膜104，那么Vt的增加归因于在高介电常数和多晶硅的HfO2材料的表面的铪-硅键合(bonding)引起的费米能级钉扎现象(fermi-level pinning phenomenon)，因而降低了器件的性能。换而言之，因为诸如HfO2的高k材料中的陷阱位置(trap site)会引起金属栅极或全硅化栅极106的功函数变化，所以半导体器件的性能下降。
发明内容
具体实施方式涉及一种半导体及形成它的方法，该半导体包括由高介电常数(high-k)材料制成的栅极绝缘膜。
具体实施方式涉及一种形成半导体器件的栅极的方法，该半导体器件可以防止在具有高介电常数的栅极绝缘膜形成之后的产生具有低介电常数的绝缘材料，并防止发生费米能级钉扎现象。
具体实施方式涉及一种形成半导体器件的栅极的方法，包括以下至少一个步骤：提供由具有隔离膜限定的有源区的半导体衬底；然后在有源区上和/或上方形成栅极绝缘膜；然后在该栅极绝缘膜上和/或上方形成帽化层膜(capping film)；然后在形成的表面上进行退火过程；然后在有源区的一部分上形成栅极。根据具体实施方式，栅极绝缘膜可以利用原子层沉积(ALD)法由具有高介电常数的金属氧化物材料形成。帽化层膜可以利用化学气相沉积(CVD)法、物理气相沉积(PVD)法和溅射工艺中的至少一种来由非晶硅形成。帽化层膜可以具有2nm到5nm之间的厚度。退火过程可以使用氟(F)气，或包含氟(F)气的混合气体来进行。在进行退火过程时，可以使用350摄氏度到750摄氏度之间的温度。栅极可以包括使用TaN、TiN、HfN和La中的至少一种的硅栅极或金属栅极极。
具体实施方式涉及一种形成半导体器件上的栅极的方法，包括以下步骤中的至少一个：提供具有由形成在其中的隔离膜限定的有源区的半导体；然后在有源区上和/或上方形成栅极绝缘膜；然后在该栅极绝缘膜上和/或上方形成帽化层膜；然后在该帽化层膜上进行退火过程；然后在有源区中的帽化层膜上形成栅极。
具体实施方式涉及一种半导体器件，包括以下的至少一种：具有由隔离膜限定的有源区的半导体衬底；形成在该有源区上的经退火的栅极绝缘膜；形成在该经过退火的栅极绝缘膜上的经退火的帽化层膜；以及形成在有源区的经过退火的帽化层膜上的栅极。
具体实施方式涉及一种形成半导体器件的方法，包括以下步骤中的至少一个：在半导体衬底上顺序形成栅极绝缘膜和非晶硅膜，其中栅极绝缘膜形成在该半导体衬底的有源区中并由高介电常数材料组成；然后在包括非晶硅膜和栅极绝缘膜的半导体衬底上实施退火过程；然后在有源区的非晶硅膜上形成栅极。
附图说明
图1A至1C示出了形成半导体器件的栅极的过程。
图2A至2E示出了根据具体实施方式形成半导体器件的栅极的过程。
具体实施方式
如图2A所示，提供了半导体衬底200，其中有源区由隔离膜202所限定。半导体衬底200可以是硅衬底或SOI衬底中的至少一种，并可以掺杂有P型或N型杂质或形成于其中的P型或N型阱(well)。
如图2B所示，栅极绝缘膜204可以使用诸如金属氧化物的具有高介电常数的材料形成在半导体衬底200的有源区上和/或上方。包含金属氧化物材料的栅极绝缘膜204可以利用ALD法来形成。具有高介电常数的金属氧化物材料的实例可以包括钽氧化物(Ta2O5)、钛氧化物(TiO2)、铪氧化物(HfO2)、锆氧化物(ZrO3)、氧化铝(Al2O3)、AlxOyNz(铝氮氧化物，nitride aluminum)、氧化铝铪(HfAlxOy)、Y2O3(铱氧化物)、Nb2O5(铌氧化物)、铯氧化物(CeO2)、铟氧化物(InO3)、镧氧化物(LaO2)等。然而，可以使用上述化合物中的任一种或者两种或多种的组合物作为金属氧化物材料。
如图2C所示，然后可以在栅极氧化物膜上和/或上方形成薄的帽化层膜206。帽化层膜206可由具有2nm到5nm厚度的非晶硅形成，并可使利用化学气相沉积(CVD)法、物理气相沉积(PVD)法、溅射工艺等中的至少一种来形成。如上所述，如果由非晶硅制成的帽化层膜206在形成由高介电常数材料组成的栅极绝缘膜204之后形成，则栅极绝缘膜204和后来的栅极材料之间的化学反应被阻止，以致阻止了栅极功函数改变的现象。
如图2D所示，然后可以在图2C所示的形成的表面上进行退火过程。在本文中，退火过程可以在包括氟气或包含氟气的混合气体的环境条件下进行，并可以在350摄氏度到750摄氏度之间的温度范围内进行。如果退火过程如上所述进行，则可以防止陷阱部位(或捕获位置，trap site)出现在高介电常数材料(即，栅极绝缘膜204)中。
如图2E所示，然后金属栅极或全硅化栅极208可以形成在有源区上和/或上方。栅极208可以由诸如TaN、TiN、HfN和La中的至少一种金属来形成。通过形成上述金属栅极或全硅化栅极208，可以降低EOT。
根据具体实施方式，在形成高介电常数材料的栅极绝缘膜204之后，由非晶硅组成的帽化层膜206可以随后被形成在栅极绝缘膜204上和/或上方。然后可以在帽化层膜206上进行退火过程。因此，可以防止产生低介电常数绝缘材料的现象，也可以阻止费米能级钉扎现象发生的原因。
如上所述，根据具体实施方式，在由包含高介电常数材料组成的栅极绝缘膜形成之后，由非晶硅形成帽化层膜以防止栅极绝缘膜和随后栅极材料之间的反应。因此，不仅栅极功函数改变的现象可以被阻止，而且也可以防止产生具有低介电常数的绝缘体。结果，可提高半导体器件的性能。
此外，根据具体实施方式，在顺序地形成由高介电常数的材料和帽化层膜组成的栅极绝缘膜之后，可以在氟气环境中进行退火过程。因此，这样带来的好处是可以防止在栅极绝缘膜内出现陷阱位置。此外，具体实施方式可以通过形成金属栅极或全硅化栅极有效地降低EOT。
尽管本文已经描述了多个具体实施方式，但应该明了，本领域的技术人员可以想到许多其他的修改和具体实施方式，这些修改和具体实施方式均落在本发明原则的精神和范围内。更具体地，在本说明书、附图和所附权利要求的范围内，可以在主题结合安排的多种安排和/或组成部分中进行各种修改和改变。除了组成部分和/或安排方面的修改和改变以外，替代的使用对本领域技术人员来说也是显而易见的。
Claims (19)
1.一种形成半导体器件的栅极的方法，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底具有由形成在其中隔离膜限定的有源区；然后
在所述有源区上形成栅极绝缘膜；然后
在所述栅极绝缘膜上形成帽化层膜；然后
在所述具有帽化层膜和所述栅极绝缘膜的所述半导体衬底上进行退火过程；然后
在所述有源区的帽化层膜上形成所述栅极，
其中，所述退火过程使用氟气和包含氟气的混合气体中的至少一种来进行。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述栅极绝缘膜由具有高介电常数的金属氧化物材料组成。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述栅极绝缘膜是利用原子层沉积(ALD)法形成的。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述帽化层膜由非晶硅组成。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述帽化层膜是利用化学气相沉积法或溅射工艺形成的。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述帽化层膜具有2nm至5nm的厚度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述退火过程在350摄氏度到750摄氏度之间的温度范围内进行。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述栅极包含全硅化栅极。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述栅极由选自由TaN、TiN、HfN和La组成的组中的金属栅极组成。
10.一种半导体器件，包含：
具有由隔离膜限定的有源区的半导体衬底；
形成在所述有源区上的经退火的栅极绝缘膜；
形成在所述经退火的栅极绝缘膜上的经退火的帽化层膜；
形成在所述有源区中的所述经退火的帽化层膜上的栅极，
其中，所述退火过程使用氟气和包含氟气的混合气体中的至少一种来进行。
11.根据权利要求10所述的半导体器件，其中，所述栅极绝缘膜由具有高介电常数的金属氧化物材料组成。
12.根据权利要求10所述的半导体器件，其中，所述帽化层膜由非晶硅组成。
13.根据权利要求10所述的半导体器件，其中，所述帽化层膜具有2nm至5nm的厚度。
14.根据权利要求10所述的半导体器件，其中，所述栅极包含全硅化栅极。
15.根据权利要求10所述的半导体器件，其中，所述栅极包含选自由TaN、TiN、HfN和La组成的组中的金属栅极。
16.一种形成半导体器件的方法，包括：
在半导体衬底上顺序形成栅极绝缘膜和非晶硅膜，其中所述栅极绝缘膜形成在所述半导体衬底的有源区中并由高介电常数材料组成；然后
在包括所述非晶硅膜和所述栅极绝缘膜的所述半导体衬底上进行退火过程，其中，所述退火过程使用氟气和包含氟气的混合气体中的至少一种来进行；然后
在所述有源区中的所述非晶硅膜上形成栅极。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述栅极包含全硅化栅极。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述栅极由选自由TaN、TiN、HfN和La组成的组中的金属栅极组成。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述高介电常数材料包含金属氧化物。
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