TWI307960B - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Description
1307960 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種半導體裝置及一種製造該半導體裝置 的方法，可限制電流洩漏，且讓閘極絕緣膜可以做得更薄。 【先前技術】 藉由根據比例定律將電晶體微型化，已經實現電晶體的 積體程度及運轉速度的提升。閘極絕緣膜之薄型化已有進 展且（例如）在具有閘極長度為〇. i _或以下的冑晶體中， 問極絕緣膜的厚度可能有必要降到2 nm或以下。一般而 言’是使用多晶石夕（以下稱為多Si)作為閘極的材料。原因 是，當使用多Si時，閘極電極和閘極絕緣膜之間的介面是 穩定的，而且很容易藉由植入或擴散等技術將雜質引入到 多si中，因此有可能藉由選擇雜質的元素和濃度，來為_ 道MOS場效電晶體（以下稱為nm〇sfet)之每個和p通道 MOS場效電晶體（以下稱為PM〇SFET)提供具有最佳化功函 數的閘極電極，以及獲得最佳化的臨限值。 ，而、’伴隨電晶體微型化的進展，閉極耗損的問題已經 受到關注。閉極電極耗損是一種很難限制的現象，因為夕 Si是-種半導體。為對抗此問題，有許多報告指出，心 直接在開極絕緣膜上形成一金屬膜來取代多以膜，可㈣ 閘極電極耗損’金屬間極的開發因而受到报大的重視 然而，在金屬閉極是以單-金屬形成的情形中， 麵霞和PM咖τ兩者的閘極電極之功函數 的；因此’不同於傳統聚石夕間極的情況，要控 : 107575.doc 1307960 和PMOSFET的閘極工作函數是很困難的，且有可能無法得 到適當的臨限值。為克服此問題，有一種雙金屬閘極被提 出來，其金屬材料係選擇讓NMOSFET的金屬閘極具有和N 型多Si相似的功函數，而讓PMOSFET的金屬閘極具有和P 型多Si相似的功函數（請參見，例如，Chang Seo Park、Byung Jin Cho、Dim-Lee Kwong "Thermally Stable Fully Silicided Hf-Silicide Metal-Gate Electrode" ，IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,卷 25，第 6期，2004年 6 月）。 要得到適合於NMOSFET的臨限值，可適用工作函數在 4.0 eV左右的金屬材料。雖然铪（Hf)、锆（Zr)等具有適合於 NMOSFET的功函數，但它們的反應性太高，可能造成其底 下的閘極絕緣膜還原（請參見，例如，Y. Akasaka等人”Material Selection for the Metal Gate/High-K Transistors"，Ext. Abst. SSDM 2004年，196頁）。此外，這種情況下，閘極絕緣膜和 閘極之間的反應性太高，使得閘極絕緣膜可能變得更薄’ 而可能增加:¾漏電流。 使用姶（Hf)作為閘極電極以及二氧化矽（Si〇2)作為閘極 絕緣膜情況中的洩漏特性已經過評估。以下參考圖9說明評 估的結果，此圖顯示閘極電壓和洩漏電流之間的關係。如 圖9所不’）¾漏電流隨閘極電壓升高而增加。這表不給 (Hf)，其與二氧化矽的反應性很高，破壞了由二氧化矽（Si02) 所形成的閘極絕緣膜，造成洩漏電流增加。 【發明内容】 因此’工作函數在4.0 eV左右的金屬材料適合用來得到 107575.doc I3〇796〇 適合於NMOSFET的臨限值且此種材料包含铪（Hf)、銼（zr) 等，但這些材料（Hf、Zr等）反應性太高，以致於造成下方閘 極絕緣膜降低，因此該閘極絕緣膜的有效厚度降低，而使 洩漏電流增加，此問題一直存在著。 因此’有必要提出一種材料’其具有適合於M〇SFet的 功函數，且可限制洩漏電流增加，而讓閘極絕緣膜可以做 得更薄。
本發明之一具體實施例，提供一半導體裝置，其包括一 昜效電BB體，該場效電晶體具有一位於一半導體基板上側 之閘極電極，其間有一層閘極絕緣膜。該半導體裝置中， 其閘極電極，至少在閘極絕緣膜側，可包括—含有給和石夕 的膜。較佳的係，該含有铪和矽的膜的矽組成比率為根據 給與矽總比率的20到70%的範圍。 在依據本發明之一具體實施例的半導體裝置中，該閘極 電極，至少在閘極絕緣膜側，包括一含有铪和矽的膜，使 付至少該閘極電極與該閘極絕緣膜之間的介面含有一铪和 矽的化合物組成。因此，即使是使用二氧化矽膜或含有二 氧化石夕的膜作為閘極絕緣膜的主要組成4勿，還是可限制铪 ”閘極、”邑緣膜發生還原反應。此外，可以把該閘極電極的 功函數做成接近傳統多⑴閘極電極的功函數。 本發明之另—具體實施例，提供一種製造一半導體裝置 的方法，其包括在—半導體基板的上侧形成—閘極的步 驟，其間具有一閘極絕緣膜。在該製造一半導體裝置的方 法中，該形成閘極的步驟，包括從一含有铪和矽的膜至少 107575.doc 1307960 該閘極絕緣膜側形成該閘極電極。 、在依據本發明另—具體實施例之製造—半導體裝置的方 法中，在形成該閑極的步驟中，該閑極電極之至少該閘極 絕緣膜側是從含有給和㈣膜形成，使得至少該閉極電極 閘極，、.邑緣膜之間的介面形成一銓和矽的化合物。因 此’即使是使用二氧化石夕膜或含有二氧化石夕的膜作為問極 絕緣膜的主要組成物，亦可限制給與閘極絕緣膜發生還原 反應。此外’肖閘極可以形成與傳統多si閘極電極之功函 數接近的功函數。 在依據本發明之一具體實施例的半導體裝置中，至少在 該閘極電極與該閘極絕緣膜之間形成一铪和矽的化合物， 以降低該祕電極與下方閘極絕緣膜的反應。因而，可限 制閘極電m ’以實現更薄的閉極絕緣膜。此外，由於 該閘極電極的功函數可設定與傳統的多siM極電極之功函 數接近，因此可得到適合於M0SFET的vth值，保證較高的 MOSFET效能。 在依據本發明之另一具體實施例之製造一半導體裝置的 方法中，至少在該閘極電極與該閘極絕緣膜之間的介面形 成一铪和矽的化合物，以降低該閘極電極與下方閘極絕緣 膜的反應。因而，可線及閘極電極洩漏，以實現更薄的閘 極絕緣膜。此外，由於該閘極電極可形成與傳統的多以閘 極電極之功函數接近之功函數，因此可製造出具有適合於 MOSFET的 Vth值的 MOSFET。 【實施方式】 107575.doc
接下來，說明該含有給和石夕的膜师⑻。首先，嗜 考圖2，藉由添加石夕到給中，限制了閘極電極與由二氧化 組成的下方閘極絕緣臈發 生反應，而抑止閘極絕緣膜有 厚度減薄。圖2中，使用多s ^ 少⑴作為閘極電極的情況中，一 極絕緣膜之氧化物膜基本 ( _ 枣膜厚度’以及使用含有铪和矽t 膜（fSij^ )作為閘極電極 旳It况中，一閘極絕緣膜之氧々 1307960 依據本發明之一半導體裝置，例如一 NMOSFET，其在一 閘極絕緣膜上具有一閘極電極，其中該閘極之至少該閘極 絕緣膜側是由含有矽（Si)和铪（Hf)的膜組成，且根據姶與石夕 之總比率之矽組成比率Si/(Hf+Si)是在20到70%的範圍。 依據本發明之半導體裝置之一具體實施例的第一範例說 明以下參考圖丨之示意性組態斷面圖。在圖1中一 nm〇SFEt 作為範例說明。 如圖1所示，一裝置隔離區域12形成於一半導體基板u 中，藉以區隔一裝置形成區域丨3。一矽基板（作為範例）用作 於該半導體裝置11，該裝置隔離區域12為一例如STI(淺溝 槽絕緣）的結構。附帶說明，裝置隔離區域12之結構並不特 殊限制，亦可調適成L0C0S(局部矽氧化）結構、改良的 LOCOS結構或類似的結構。—閘極電極㈣成於半導體裝 置η的裝置形成區域13上側，兩者之間有—閘極絕緣膜 14。閘極絕緣膜14由例如：氧切膜組成。間極電極^由 3有給和㊉的膜組成。因此，閘極電極15之至少閘極絕緣 膜14側是由含有給㈣的膜组成。此外，源極/沒極區域16 和17形成於半導體基板η閑極電極15的兩側。 107575.doc 1307960 物膜基本膜厚度之間的差作為ΔΕΟΤ(ΔΕΟΤ為有效氧化物 厚度的縮寫）縱軸，含有铪和矽的膜中矽的組成比率 [Si/(Hf+Si)]作為橫軸。附帶說明，在圖示中當組成比率 Si/(Hf+Si)為0時，表示閘極電極之值只含有铪。 由圖2可知，AEOT隨矽組成比率[Si/(Hf+Si)]升高而降 低。例如，在0.1 μηι左右的NMOSFET需要約2 nm的閘極絕 緣膜厚度，可能有必要限制閘極絕緣膜減厚度薄，以便把 △ EOT控制在至多約1 nm或以下，或當考慮散射時，控制在 1.1 nm或以下。因此，石夕組成比率可能必須不小於 0.2(20%)。此外，更小ΔΕΟΤ值更好；0.1 μηι左右的NMOSFET 需要約2 nm的閘極絕緣膜厚度之情況中，AEOT最好不超過 閘極絕緣膜厚度的1/3，例如，不超過0.7 nm。為了得到此 一 ΔΕΟΤ值，矽組成比率可能必須不小於0.3(30%)。由此可 知，要限制閘極絕緣膜厚度減薄，HfSix膜中矽（Si)的比例 至少需要有20%，最好不少於30%。 接下來，將參考圖3說明添加矽到铪中會提供NMOSFET 的臨限值Vth。圖3中，NMOSFET的臨限值Vth作為縱軸， 含有姶和矽的膜中矽組成比率[Si/(Hf+Si)]作為橫軸。 由圖3可知，適合的NMOSFET臨限值Vth最大可達到0.3 V。低的矽組成比率[Si/(Hf+Si)]可得到適合的NMOSFET臨 限值Vth，但Vth隨膜中Si比例增加而提高；因此，適合於 NMOSFET的最大值Si組成比率約為70%。 由前述參考圖2和圖3的說明可知，在要用作閘極1 5之含 有铪和矽的膜（HfSix膜）中矽組成比率[Si/(Hf+Si)]可能必須 107575.doc -11 - 1307960 在20到70%的範圍，最好是在3〇到7〇%的範圍。 此外，則述之半導體裝置！不僅適用於具有平面結構之閉 極電極的半導體裝置，其亦適用於具有埋入型閘極結構之 閘極電極之半導體裝置（例如，鑲嵌閘極結構卜 在前述的半導體裝置！中，該間極15由含有給和石夕的膜組 成，使得閉極15之至少閘極絕緣膜14側是由含有給和石夕的 膜組成。因此，即使是使用二氧化石夕膜或含有二氧化石夕的 臈為主要組成物最為閉極絕緣膜14，亦可限制藉由鈴還原 閘極絕緣膜14。此外，閘極15的工作函數可設定與傳統的 多Si閘極電極的功函數接近之值。 特別是，藉由把用來作為間㈣之含有給和石夕的膜（η^ 膜）中的石夕組成比率控制在2〇到7〇%的範圍内，可得到適合 :NMOSFET的vth ’且可抑止下方閘極絕緣膜⑷頃向於： 原的性質。 現在依據本發明之半導體梦罟夕—目μ盛 ^ 干等體裝置之具體實施例的第二範 例5兒明以下參考圖4之示意性組態斷面圖。 如圖績示’-裝置隔離區域12形成於一半導體基板u 猎以區隔裝置形成區域13。-石夕基板(作為範例)用作為 該半導體積㈣，該裝置隔離區域12為—例如 =):結構。«置關區域12之結構並無特殊_ = 類二ros(rM夕氧化)結構、改良_os結構或 成區：::：:::形::半導體…的裝置形 間為m緣膜14°閘極絕緣膜 列如一氧化矽膜組成。閘極電極15 、 夕在閘極絕緣膜 107575.doc 12 1307960 14側’係由一含有铪和矽的膜18組成。以下將會詳述該含 有給和矽的膜1 8。 —上部電極膜19形成於該含有铪和矽的膜18之上。上部 電極膜19由例如—多晶顧、至少—金屬膜或金屬化合物 膜、—多晶矽膜及一金屬膜之層壓膜，或一多晶矽膜及一 金屬氧化物膜的層壓膜所组成。可以使用的金屬膜的例子 包括鎢膜和鈕膜。可以使用的金屬化合物膜的範例包括氮 匕在-膜、亂化鈦膜、氮化鶴膜和氮化給膜。 接下來，說明該含有銓和矽的膜（Hfs、膜）。首先，藉由 添加石夕到給中以限制閘極電極與由二氧切形成的下方間 極絕緣膜反應’以及抑止閘極絕緣膜之有效厚度減薄前述 參考圖2的說明相同。因此可看出，要抑止閘極絕緣膜厚度 減薄’ HfSij中石夕（Si)的比例必須至少2〇%，最好是不低於 3 0%。 ' 其次，藉由添加矽到铪中以提高1<[]^〇817]£7的臨限值 與前述參考圖3的說明相同。因此，在低的矽組成比率 [SWHf+Si)]之情況中，可得到適合於NM0SFEτ的vth。另 方面Vthk膜中Si的比例增加而提高，若nm〇sfe丁之 。。限值Vth可達到約0·3 v之一值，則適合於丁的最 大值的Si組成比率變成約7〇0/〇。 由前述參考圖2和圖3的說明可知，在要用作閘極15之含 有铪和矽的膜（HfSix膜）中矽組成比率[si/(Hf+Si)]可能必須 在2〇到70%的範圍，最好是在3〇到7〇%的範圍。 、 鈉述之半導體裝置2中，雖然是以平面結構的閘極電極作 107575.doc •13· 1307960 說明’但該閘極電極亦適用於埋入型的閘極結構（例如 嵌閘極結構）。 ^ ^述之半導體裝置2中，該間極15之至少閘極絕緣膜Μ 側是由含有給和㈣膜18組成，使得至少閘極帥閉極絕 緣，14之間的介面係由—給㈣的化合物組成。因此，即 使是使用二氧切膜或含有二氧切的膜為主要組成物作 為閉極絕緣膜14 ’亦可限制藉由給還原閘極絕緣膜14。此 卜閘極絕緣膜14上之閘極電極i 5的功函數可設定與傳統 的多si閘極電極的功函數接近。此外，閘極電極15具有由 含有铪和矽的膜18與上部電極膜19層壓結構之組態可使含 有給和梦的膜18可以倣得更薄。如此使得會和底下的閑極 絕緣膜14反應的給的含量可以降低’而可限制為了閉極電 極15而使用含有铪和矽的膜丨8而造成閘極絕緣膜丨4厚度變 薄。 現在將在下文中參考圖仏至5〇所示之製造步驟斷面 圖，描述依據本發明之一製造一半導體裝置的方法之一具 體實施例的第一範例。此製造方法為製造前述圖1之半導體 裝置1的方法。 如圖5A所示，—裝置隔離區域12形成於一半導體基板u 之上，用以區隔—裝置形成區域13。一矽基板（作為範例） 用作為該半導體基板U，該裝置隔離區域12為一例如 STI(淺溝槽絕緣）結構。附帶說明，該裝置隔離區域之結構 12並無特殊限制’亦可調適成L〇c〇S(局部矽氧化）結構、 改良的LOCOS結構或類似的結構。於該半導體基板丨丨之上 107575.doc -14- 1307960 形成一閘極絕緣膜14 ^該閘極絕緣膜14由例如二氧化矽膜 組成。 • 其次，如圖5B所示，於閘極絕緣膜14上形成一閘極形成 膜21閘極形成膜21由例如含有铪和矽的臈（HfSix膜）組 . $，可利用例如錢鍍法形成。該HfSij係給與石夕總比率的 矽組成比率[Si/(Hf+Si)]在2〇到7〇%的範圍内之條件下形 成。把石夕組成比率設定在2〇到7〇%的範圍内與前面參考旧 鲁 和圖3所述者相同。 說明用來形成該含有铪和石夕的臈（HfSix膜）的條件範例。 使用铪和矽作為濺鍍的目標。製程大氣氣壓設在η」瓜以 到13 ·3 Pa的範圍’使用Ar作為製程氣體。基板溫度調整從 室溫到15(TC的範圍内。用於形成财队膜的难鍍條件並不 必一定與以上所述㈣。例士口，可以使用Si組成比率在2〇 到70%範圍的HfSix作為目標。此外，臈形成方法並不限定 使用濺鍍法，例如’可以採用CVD來形成該臈。 • 之後’如圖％所示’使用例如一般的光阻、微影技術和 蝕刻技術，對閘極電極形成臈21進行姓刻，在間極絕緣膜 14上形成由閘極氮急形成膜21組成的閘極電極15。進一 步’藉由形成MQS電晶體源極/;及極區域的—般技術，在半 導體基板11中閘極電極！ 5的兩側形成源極/圾極區域丄6和 。源極/汲極區域16和17可為，例如，⑽(微量摻雜沒極） 構目上並未晝出。以此方式可得到半導體裝置卜 此外，製造前述半導體裝置】的方法不僅適用具有平面结 構之閘極電極的半導體裝置，其亦適用於具有埋入型閉極 107575.doc -15- 1307960 。構之閘極電極的半導體裝置（例如，鑲嵌閘極結構）。 製造前述半導體裝置1的方法中，該閘極電極15由含有給 '和石夕的膜（HfSix模）組成，使得該閘極15電極之至少問極絕 緣膜14侧是由含有給和石夕的膜組成。因此，即使是使用二 氧化㈣或含有：氧切的膜組成閘極絕緣膜14作為主要 組成物，亦可限制藉由給還原閉極絕緣膜μ。此外，閉極 電極15的功函數可設定與傳統的多Si間極的功函數接近之 一值0 特別是’藉由把用來作為閘㈣之含有給和石夕的膜 膜）中的石夕組成比率[Si/(Hf+Si)]設定在2〇到7〇%的範圍内， 可得到適合於NM0SFET的vth，且可限制下方閘極絕緣膜 14還原。 、 現在依據本發明之製造—半導體裝置的方法之—罝體實 施例的第二範例說明以下參考圖6A至6D之製造步驟斷面 圖。此製造方法為製造前述圖4之半導體裝置2的方法。 士圖6A所示，一裝置隔離區域12形成於一半導體基板u 之上，用以區隔一裝置形成區域13。-矽基板(作為範例） 用作為該半導體基板11，該裝置 '隔離區域12為一例如 STI(淺溝槽絕緣）的結構。該裝置隔離區域咖不限於特定 的結構’亦可調適成LOC〇s(局部石夕氧化）結構、改良的 LOCOS結構或類似的結構。於該半導體基板n之上形成一 閘極絕緣膜14。該閉極絕緣膜14由例如二氧化石夕膜組成。 其次’如圖6B所示，於閘極絕緣膜14上面，從例如一含 有給和石夕的膜（刪，膜）18形成一閘極電極形成似的下層 107575.doc • 16 - 1307960 部分。該含有铪和矽的膜可利用例如濺鍍法形 成。該HfSix膜係給與;5夕之總比率的石夕組成比率)] 在20到70%的範圍内條件下形成。把矽組成比率設定在汕 到70%的範圍内與前面參考圖2和圖3所述者相同。 說明用來形成該含有铪和矽的膜（HfSix膜）18的條件範 例。使用铪和矽作為濺鍍的目標。製程大氣壓力設在133 mPa到13.3 Pa的範圍’使用Ar作為製程氣體。基板溫度設 定在從室温到15(TC的範圍内。W帶說明，％成該觸兀膜 的喷濺條件並不必一定與以上所述相同；例如，可以使用 具有Si組成比率在2〇到7〇%範圍的HfSix作為目標。此外， 膜形成方法並不必一定要使用濺鍍法，例如，可以採用 來形成該膜。 、八次，如圖6C所示，於含有铪和矽的膜（HfSix膜）18上形 成上部電極膜19，以得到一閉極電極形成膜21。該上部 電極媒19可由例如一多晶石夕膜、至少一金屬媒或金屬化合 ^膜、-多晶矽膜及一金屬膜之層壓膜，或一多晶矽膜及 -金屬氧化物膜的層M所組成。可以使用的金屬膜的範 ^包括鶴膜及纽膜。可以使用的金屬化合物膜的範例包括 氮化鈕膜、氮化鈦膜、氮化鎢膜及氮化铪膜。 說明形成該上部電極膜19的條件範例。該膜係利用例如 二_成1膜形成條件的範例包括使用四氯化鈦⑽⑺ KNH3)作為製程氣體’製程大氣壓力在13.3 pa到1.33 ㈣的乾圍’基板溫度在—到·。c的範圍。附帶說明 部電極㈣之形成方法並不必—定要以前述的方法形成， i07575.doc 17 l3〇796〇 且該膜亦可使用濺鍍法形成。 -之後如圖6D所示，使用例如一般的光阻應用、微影技 - 術和钱刻技術，對閘極電極形成膜2 1進行敍刻’在閘極絕 .、緣膜14上开/成由閘極電極形成膜21組成的閘極電極15。進 “步’藉由形成MOS電晶體源極/汲極區域的一般技術，在 半導體基板11中閘極電極！ 5的兩側形成源極/沒極區域^ 和17源極/;及極區域16和17可為，例如，ldd(微量推雜沒 # ㉟）的結構’圖上並未晝出。以此方式可得到半導體裝置2。 此外，製造前述半導體裝置2的方法不僅適用於具有平面 構之閘極電極的半導體裝置，其亦適用於具有埋入型間 極結構之閘極電極的半導體裝置（例如，镶嵌閉極結構）。 製&則述半導體裝置2的方法中，該閘極15電極之至少閘 極絕緣膜14侧是由含有鈴和矽的膜以組成，因此，即使是 使用一氧化石夕膜或含有二氧化石夕的膜組成閉極絕緣膜⑷乍 為主要組成物，亦可限制藉由铪還原閘極絕緣膜14。此外， • 纟閘極絕緣膜14之閘極電極15的功函數可設定與傳統的多 Si閘極電極的功函數接近。 】疋藉由把用來作為閘極電極1 5之含有鈴和石夕的膜 (x膜）18中的矽組成比[Si/(Hf+Si)]設定在20到70%的範 圍内’可得到適合於NM〇SF_Vth，且可抑止下方問極 絕緣膜14傾向於還原的性質。 2外’製造前述半導體裝置2的方法中，閘極電極15具有 由3有铪和石夕的膜！ 8與上部電極膜19所組成的層麗結構， 因此該含有铪和石夕的膜_ix膜）18可以形成得更薄。因 107575.doc -18- 1307960 b 了以降低該含有給和石夕的膜18的#度。如此使得會和 下方閘極絕緣膜14反應的給的含量可以降低，而可進一步 限制為了祕15而使用含杨和⑦的㈣而造成閘極絕= 膜14厚度變薄。 製造前述一半導體裝置的方法中，以濺鍍法形成的咖 膜中石夕組成比率[Si/(Hf+Si)]取決於濺链設備分別外加於於 目標和石夕目標功率之間的比率。這—點以圖7說明。圖7中， 職,膜切的組成比率[Si/(Hf+si)]作為左邊的縱軸，形成 Six膜時外加於矽目標之功率與外加於矽目標及銓目標 之功率和的比率[Si/(Hf+Si)功率比]作為橫軸。此外，與
HfSix膜中的石夕組成比濾有關的電阻率⑴_作為右邊= 縱轴。 由圖7可知，1^31膜中的矽組成比[Si/(Hf+Si)]和濺鍍設 備外加於矽目標之功率與外加於矽目標及铪目標之功率和 的比率[Si/(Hf+Si)]直接成正比。因此，可利用濺鍍的功率 來控制矽組成比率。附帶說明，電阻係數實質上是恆定， 與HfSix膜中的矽組成比無關。 已經證明，在前述之半導體裝置及製造—半導體裝置的 方法中，當使用氮化矽铪（HfSiN)膜作為該含有铪和矽的膜 時’可以得到與HfSix膜情況相似的vth。以下參考圖8說明 這一點。圖8係把HfSiN膜的臨限電壓資料加晝到圖3所示之 NMOSFET臨限值Vth相對於含有铪和矽之膜中矽組成比率 Si/(Si + Hf)的關係圖上之圖示。 例如，如圖8所示’當HfSiN膜中矽組成比率為2〇%時， 107575.doc •19- 1307960 氮（N)組成比率為42.4%，其臨限電壓值為0157 v。此外， §矽組成比率為26%時，氮（Ν)組成比率為26.3%，而臨限電 壓值為0.104 V。因此，即使膜是含有铪和矽和氮的情形， 亦即氮化矽铪（HfSiN)膜，亦可得到與HfSix膜情況相似的 Vth。 因此，當一含有至少铪和矽的膜配置以具有矽組成比率 [Si/(Hf+Si)]在20到7〇%的範圍内時，該膜可以含有铪以外
的其它元素。此外，如前述，當含有銓和矽的膜中額外又 含有氮時，其耐熱性可提高’使得由此膜形成的閘極電極 1 5之耐熱性也提高。 該含有铪和石夕的膜中彳包含的元素範例還除了1以外包 =碳（c)、鈕（Ta)、鈦（Ti)、鎢（w)、锆（Zr)和鉬（”幻等。這 些=素之中，鈕（Ta)和錯（Zr)功函數與铪之功函數（約4.0eV) 相當。此外，鈦（Ti)、鎢（W)鉬（M〇)具有比銓大的功函數之 力函數，並且該等功函數接近中間能隙（約4.0 eV)。將這些 金屬之任何金屬添加到該含有铪和石夕的膜中時’膜的工作 函數會朝向該添加金屬的工作函數偏移，可利用添加這些 金屬來控制閘極電極的功函數。 依據本發明之半導體裝置及製造—半導體裝置的方法， Z到適合於隨咖了的心此外，有可能抑止由含有 ^和石夕的膜所形成的閉極電極和下方閘極絕緣膜之間的反 ::而輸艮制間㈣漏，因此可實現更薄的間極絕緣膜。 與下方^有給和梦的制厚度減少可降低含有給和石夕的旗 ”甲極絕緣膜的反應量’而可進-步限制閉極絕緣膜 107575.doc -20· 1307960 的厚度減薄。 熟習此項技術人士應瞭解，視設計上的需要及其它因 素，可能出現各種修改、組合、子組合及變更，這此都在 後附申請專利範圍或其等效範圍的範疇内。 【圖式簡單說明】 圖1為顯示依據本發明之半導體t置之一具體實施例的 第—個範例之示意性組態斷面圖； 圖2顯示閘極電極使用聚矽的情況中，一閘極絕緣膜之氧 化物膜基本膜厚度’以及閘極電極使用含有铪和矽的膜情 況中，一閘極絕緣膜之氧化物膜基本膜厚度之間的差 與含有鈴和矽之膜的矽組成比率si/(Si+Hf)的關係之圖示； 圖3顯示一 NMOSFET之臨限值Vth與一含有銓和矽之膜 的組成比率Si/(Si+Hf)之間的關係之圖示； 圖4為依據本發明之半導體裝置之一具體實施例的第二 個範例之示意性組態斷面圖； 圖5A至5C為依據本發明之製造一半導體裝置的方法之 具體貫施例的第一個範例之製造步驟斷面圖； 圖6A至6D為依據本發明之製造一半導體裝置的方法之 具體實施例的第二個範例之製造步驟斷面圖； 圖7顯示一 HfSix膜中矽的組成比與濺鍍該HfSiχ膜時外加 於石夕目標之功率與個別外加於石夕目標及給目標之功率和的 比率的關係之圖示； 圖8顯示以氮的組成比為參數，一 NMOSFET之臨限值Vth 與一含有給和矽之膜的矽組成比率Si/(Si+Hf)的關係之圖 107575.doc 1307960 示，及 閘極電壓與 圖9係在一 NMOSFET使用傳統铪閘極電極 漏電流之間的關係之圖不。 【主要元件符號說明】 1 半導體裝置 11 半導體基板 12 裝置隔離區域 13 裝置形成區域 14 閘極絕緣膜 15 閘極電極 16 源極區域 17 汲極區域 18 含有铪和矽的膜 19 上部電極膜 21 閘極形成膜 107575.doc -22-
Claims (1)
- D07#6fl〇5774號專利申請案 中文申请專利範圍替換本(97年6月） 十、申請專利範圍： 1 · 一種半導體裝置，其包含場效電晶體，該場效電晶體具 有位於半導體基板之上側之閘極電極，其間有閘極絕緣 . 膜’其中 . 該閘極電極，至少在該閘極絕緣膜的一側，包括含有 給和石夕的膜及形成在該膜上之金屬膜， 該閘極電極係鑲嵌型閘極結構。 2.如請求項1之半導體裝置，其中： • 肖含有給和；^的膜之_組成比率為根據給和砍之總比 率之20到70%的範圍。 3·如請求項1之半導體裝置，其中： δ亥金屬膜含有給和石夕，及 具有形成於該金屬膜上之導電膜。 4.如請求項1之半導體裝置，其中： 該含有铪和矽的膜包括含有铪、矽和氮的金屬化合物 〇 齡5.-種製造半導體裝置之方法，該方法包括：於半導體基 板的上側形成具有各自為不同材料之第1部分及第2部分 之閘極電極，在§亥半導體基板及該閘極電極之該第1部分 間具有閘極絕緣膜，其中 该形成該閘極的步驟包括至少在該閘極之該閘極絕緣 膜側形成含有铪和矽的膜作為該第〗部分及在含有铪和 石夕的該膜上形成導電膜作為該第2部分。 6.如請求項5之製造半導體裝置之方法，其中·· 107575-970609.doc 1307960 該形成該閑極的步驟包括將該閉 :二大致與該間極絕緣膜厚度相同之厚度之;Γ 如靖求項5之製造半導體裝置之方法，其中： 8. 該形成該閘極的步驟包括依序 閘極電極之該第物該閘極電。臈、該 種+導體裝置，其包含場效電晶體，該半導體褒置勺人. 位於半導體基板上側之閘極電極； 匕3 . 在該閘極電極及該半導體基板間之閘極絕緣膜. ，·位於該閘極電極下部之含有師奴下部閘極電極膜 同材 料=:=部之含有與下部_… 其中該閘極電極係鑲嵌型閘極結構。 9. 如凊求項8之半導體裝置，其中： 該下部閘極電極膜鄰接該閘極絕緣膜。 10. 如請求項8之半導體裝置，其中： 該上部閘極電極膜係聚晶石夕膜、至少一金屬膜或金屬 化合物膜、聚晶矽臈與金屬膜之積層膜、或聚 金屬化合物膜之積層膜。 〜、 11. 如請求項8之半導體裝置，其中： 該閘極絕緣膜包含二氧化矽。 12. 如請求項8之半導體裝置，其中： 该半導體基板包含依序層疊於其上之該閘極絕緣膜、 3玄下部閘極電極膜及該上部閘極電極膜。 107575-970609.doc 1307960 13.如請求項8之半導體裝置，其中： 該閘極絕緣膜具有大致與該下部閘極電極膜厚度相同之厚 度。107575-970609.doc
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