CN102237398B - 半导体结构及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种MOS半导体器件的栅极结构，包括：衬底；形成在所述衬底之上的界面层薄膜；形成在所述界面层薄膜之上的高k栅介质层；和形成在所述高k栅介质层之上的金属栅极，所述金属栅极从下至上依次包括金属栅功函数层、氧吸除元素阻挡层、金属栅氧吸除层、金属栅阻挡层和多晶硅层。通过在金属栅中引入金属栅氧吸除层来达到在退火工艺中隔绝外界氧气进入界面层和吸除界面层中的氧的目的，从而减薄界面层，有效地减小MOS器件的EOT，并且通过增加氧吸除元素阻挡层，从而避免“氧吸除元素”扩散进入高k栅介质层而对其产生不利影响，使得高k/金属栅系统的集成更为容易，器件性能得到进一步提高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造及设计技术领域，特别涉及一种半导体结构及其形成方法。
背景技术
在微电子技术发展的数十年历程中，逻辑芯片制造商制造MOS器件时，一直采用SiO2作为栅介质、重掺杂的多晶硅作为栅电极材料。但是，随着特征尺寸的不断缩小，MOS晶体管中的SiO2栅电介质已临近了极限。例如，在65纳米工艺中，SiO2栅的厚度已降至1.2纳米，约为5个硅原子层厚度，如果再继续缩小，漏电流和功耗将急剧增加。同时，由多晶硅栅电极引起的掺杂硼原子扩散、多晶硅耗尽效应以及过高的栅电阻等问题也将变得越来越严重。因此，对于32纳米及以下各技术代，急剧增加的漏电流和功耗等问题将亟待新材料、新工艺及新器件结构的开发来解决。
为降低漏电流和功耗，目前有一种改进技术是采用“高k/金属栅”结构。目前，国际上各主要半导体公司都已开始着手面向32纳米及以下技术代的“高k/金属栅”技术的开发。Intel披露出在采用高k栅介质材料后，器件的漏电流降为原来的十分之一。但是，在高k/金属栅工艺中，由于必须采用的高温退火工艺，因此致使SiO2界面层在退火工艺中变厚。另一方面，45nm及以下节点的CMOS器件需要EOT(等效氧化层厚度)不超过1nm的栅介质来提高栅极对沟道的控制能力，因此较厚的SiO2界面层难以实现，尤其在32纳米及22纳米工艺技术中，栅介质的EOT甚至需要达到0.7nm甚至0.5nm以下，而普通高k/金属栅工艺中的SiO2界面层的厚度就达到了0.5-0.7纳米。因此，缩小EOT，特别是缩小SiO2界面层所贡献的EOT成为了新一代高k/金属栅技术中的一个关键挑战。
研究过程中我们发现，在高温退火过程中，当外界氛围中的氧不能进入到栅介质结构里时，一些金属薄膜或其他不饱和氧化介质薄膜对高k栅介质和半导体衬底间的界面层(如SiO2)中的氧具有“吸除”作用，原因是这些金属或不饱和氧化介质材料的吉布斯自由能变远大于半导体衬底(如Si)，这意味着这些金属的氧化物或不饱和氧化介质的饱和氧化物比半导体衬底的氧化物更加稳定和容易形成。因此，在高温热处理过程中，界面层中的氧被驱动与这些“氧吸除金属或不饱和氧化介质”形成金属氧化物，从而导致界面层厚度变小，甚至消失。
一种典型的氧吸除工艺方法是在高k栅介质中间插入一氧吸除金属层，通过高温退火来吸除界面层中的氧。但这种高k栅介质里引入“氧吸除金属”的“直接氧吸除工艺”仍有一些不足，比如这种“氧吸除金属”会直接导致高k栅介质的改变，以至于对MOS器件的性能产生其他不利的影响。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一，尤其是通过引入“间接氧吸除工艺”，达到既减小器件的EOT，又不对高k介质层产生负面影响的效果
为达到上述目的，本发明一方面提出一种MOS半导体器件的栅极结构，包括：衬底；形成在所述衬底之上的界面层薄膜；形成在所述界面层薄膜之上的高k栅介质层；和形成在所述高k栅介质层之上的金属栅极，所述金属栅极从下至上依次包括金属栅功函数层、氧吸除元素阻挡层、金属栅氧吸除层、金属栅阻挡层和多晶硅层。
本发明另一方面提出一种MOS半导体器件，包括如上所述的栅极结构。
本发明再一方面提出一种形成上述MOS半导体器件的栅极结构的方法，包括以下步骤：提供衬底；在所述衬底之上形成界面层薄膜；在所述界面层薄膜之上形成高k栅介质层；在所述高k栅介质层之上形成金属栅功函数层；在所述金属栅功函数层之上形成氧吸除元素阻挡层；在所述氧吸除元素阻挡层之上形成金属栅氧吸除层；在所述金属栅氧吸除层之上形成金属栅阻挡层；在所述金属栅阻挡层之上形成多晶硅层；快速热退火处理形成最终栅极结构。
本发明通过在金属栅中引入金属栅氧吸除层来达到在退火工艺中隔绝外界氧气进入界面层和吸除界面层中的氧的目的，从而减薄界面层，有效地减小MOS器件的EOT，并且通过增加氧吸除元素阻挡层，从而避免“氧吸除元素”扩散进入高k栅介质层而对其产生不利影响，使得高k/金属栅系统的集成更为容易，器件性能得到进一步提高。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，本发明的附图是示意性的，因此并没有按比例绘制。其中：
图1为本发明实施例的MOS半导体器件的栅极结构示意图；
图2-8为形成本发明实施例的MOS半导体器件的栅极结构的中间步骤示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/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”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
本发明通过在金属栅中引入金属栅氧吸除层来达到在退火工艺中隔绝外界氧气进入界面层和吸除界面层中的氧的目的，以此来达到降低MOS器件EOT的目的。
如图1所示，为本发明实施例提出的MOS半导体器件的栅极结构示意图。该结构从下至上依次包括：半导体衬底101、界面层薄膜102、高k栅介质层103、金属栅极104以及多晶硅层105，其中，金属栅极104包括多层材料层，具体包括：金属栅功函数层104-1、氧吸除元素阻挡层104-2、金属栅氧吸除层104-3和金属栅阻挡层104-4。金属栅氧吸除层104-3中的元素须具备在热处理过程中从界面层吸除氧的能力；而增加氧吸除元素阻挡层104-2的目的在于阻挡“氧吸除元素”扩散进入高k栅介质层103而对其产生不利影响。
为了更清楚的理解本发明提出的上述半导体器件的栅极结构，本发明还提出了形成上述半导体结构的方法的实施例，需要注意的是，本领域技术人员能够根据上述半导体结构选择多种工艺进行制造，例如不同类型的产品线，不同的工艺流程等等，但是这些工艺制造的半导体结构如果采用与本发明上述结构基本相同的结构，达到基本相同的效果，那么也应包含在本发明的保护范围之内。为了能够更清楚的理解本发明，以下将具体描述形成本发明上述结构的方法及工艺，还需要说明的是，以下步骤仅是示意性的，并不是对本发明的限制，本领域技术人员还可通过其他工艺实现。
如图2-8所示，为形成本发明实施例上述MOS半导体器件的栅极结构的中间步骤示意图，该方法包括以下步骤：
步骤1：提供半导体衬底101。在本实施例中，衬底101以Si为例，但实际应用中，衬底可以包括任何适合的半导体衬底材料，具体可以是但不限于Si、Ge、GeSi、GaAs、InP、GaInAs、SiC、SOI(绝缘体上硅)或者任何III/V族化合物半导体等。根据现有技术公知的设计要求(例如p型衬底或者n型衬底)，衬底101可以包括各种掺杂配置。此外，衬底101可以可选地包括外延层，可以被应力改变以增强性能。
步骤2：在衬底101上生长界面层薄膜102，其厚度约为0.7nm，如图2所示。在本发明实施例中，界面层薄膜102为SiO2薄膜。
步骤3：在界面层薄膜102上生长高k栅介质薄膜103，其厚度为约2nm，如图3所示。高k介质材料包括二氧化铪(HfO2)、HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO、HfZrO及其组合，以及/或者其他合适的材料。高k栅介质薄膜103可以通过例如化学气相沉积(CVD)或者原子层沉积(ALD)的工艺来形成。在本发明实施例中，该高k介质薄膜103为HfO2薄膜，并且采用ALD技术生成。
步骤4：在高k介质薄膜103上淀积金属栅功函数层104-1，其厚度为10nm，如图4所示。金属栅功函数层104-1的材料包括TaC、HfC、TiC、TiN、TiSiN、TaTbN、TaErN、TaYbN、TaSiN、HfSiN、RuTax、NiTax、TaN、MoSiN、MoNx、TiCN、TaAlC、TiAlN、PtSix、NiSix、Pt、Ru、Ir、Mo、HfRux、RuOx或其组合等，在本发明实施例中，金属栅功函数层104-1为TaN薄膜。
步骤5：在金属栅功函数层104-1上淀积氧吸除元素阻挡层104-2，其厚度为约2-10nm，如图5所示。氧吸除元素阻挡层104-2的材料包括TiN、TaN、HfN、TiSiN、TaSiN、HfSiN或其组合等，在本发明实施例中，氧吸除元素阻挡层104-2为TiN。
步骤6：在氧吸除元素阻挡层104-2是上淀积金属栅氧吸除层104-3，其厚度为约1-10nm，如图6所示，金属栅氧吸除层104-3中的元素须具备在热处理过程中从界面层吸除氧的能力，包括Ti、Hf、Al、Be、Mg或其组合等，在本发明实施例中，该金属栅氧吸除层为Ti。
步骤7：在金属栅氧吸除层104-3上淀积金属栅阻挡层104-4，其厚度为2-10nm，如图7所示。金属栅阻挡层104-4的材料包括TiN、TaN、HfN、TiSiN、TaSiN、HfSiN或其组合等，在本发明实施例中，该金属栅阻挡层104-4为TiN薄膜。
需注意的是，步骤4-7中的淀积可采用常规沉积工艺，例如溅射、PLD、MOCVD、ALD、PEALD或其他合适的方法。
步骤8：在金属栅阻挡层(104-3)上淀积多晶硅层105，厚度为70nm，如图8所示。
步骤9：对该结构进行快速热退火处理。热处理温度为1000oC，时间为5s。处理后的结果如图1所示，其SiO2界面层的厚度约为0.2nm。
本发明通过在金属栅中引入金属栅氧吸除层来达到在退火工艺中隔绝外界氧气进入界面层，从而防止了SiO2界面层的厚度增加。并且利用氧吸除技术，使得原本厚度达0.5-1nm的SiO2界面层在退火过程中厚度减少为0.5纳米以下，甚至完全去除，有效地减小了器件的EOT。另外，通过增加氧吸除元素阻挡层，避免“氧吸除元素”扩散进入高k栅介质层而对其产生不利影响，使得高k/金属栅系统的集成更为容易，器件性能得到进一步提高。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (15)
1.一种MOS半导体器件的栅极结构，其特征在于，包括：
衬底；
形成在所述衬底之上的界面层薄膜；
形成在所述界面层薄膜之上的高k栅介质层；和
形成在所述高k栅介质层之上的金属栅极，所述金属栅极从下至上依次包括金属栅功函数层、氧吸除元素阻挡层、金属栅氧吸除层、金属栅阻挡层和多晶硅层；其中，氧吸除元素阻挡层的材料包括TaN、HfN、TiSiN、TaSiN、HfSiN或其组合，金属栅氧吸除层包括Ti、Hf、Al、Be、Mg或其组合，金属栅阻挡层的材料包括TiN、TaN、HfN、TiSiN、TaSiN、HfSiN或其组合；
所述氧吸除元素阻挡层的厚度为2-10nm；所述金属栅氧吸除层的厚度为1-10nm；所述金属栅阻挡层的厚度为2-10nm。
2.如权利要求1所述的栅极结构，其特征在于，所述界面层薄膜的厚度为0.2nm。
3.如权利要求1所述的栅极结构，其特征在于，所述高k栅介质层的厚度为2nm。
4.如权利要求1所述的栅极结构，其特征在于，所述金属栅功函数层的厚度为10nm。
5.如权利要求1所述的栅极结构，其特征在于，所述金属栅氧吸除层的元素具备在热处理过程中从所述界面层薄膜吸除氧的能力。
6.如权利要求1所述的栅极结构，其特征在于，所述多晶硅层的厚度为70nm。
7.一种MOS半导体器件，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的栅极结构。
8.一种形成MOS半导体器件的栅极结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底；
在所述衬底之上形成界面层薄膜；
在所述界面层薄膜之上形成高k栅介质层；
在所述高k栅介质层之上形成金属栅功函数层；
在所述金属栅功函数层之上形成氧吸除元素阻挡层；
在所述氧吸除元素阻挡层之上形成金属栅氧吸除层；
在所述金属栅氧吸除层之上形成金属栅阻挡层；
在所述金属栅阻挡层之上形成多晶硅层；
快速热退火处理形成最终栅极结构；
其中，氧吸除元素阻挡层的材料包括TaN、HfN、TiSiN、TaSiN、HfSiN或其组合，金属栅氧吸除层包括Ti、Hf、Al、Be、Mg或其组合，金属栅阻挡层的材料包括TiN、TaN、HfN、TiSiN、TaSiN、HfSiN或其组合；
所述氧吸除元素阻挡层的厚度为2-10nm；所述金属栅氧吸除层的厚度为1-10nm；所述金属栅阻挡层的厚度为2-10nm。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述界面层薄膜的厚度为0.7nm。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述高k栅介质层的厚度为2nm。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述金属栅功函数层的厚度为10nm。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述金属栅氧吸除层的元素具备在热处理过程中从所述界面层薄膜吸除氧的能力。
13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述多晶硅层的厚度为70nm。
14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述热退火处理的温度为1000℃，处理时间为5s。
15.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述最终栅极结构中的界面层薄膜的厚度为0.2nm。
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