TWI447908B - 具有減少之閘極氧化物洩漏的取代金屬閘極電晶體 - Google Patents

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Description

具有減少之閘極氧化物洩漏的取代金屬閘極電晶體
本發明係關於包括電晶體的半導體裝置，該等電晶體具有金屬閘極電極與減少之閘極氧化物洩漏(leakage)。本發明特別可應用於具有次微米(submicron)設計特徵的高速半導體裝置。
在單一積體電路上整合數億個電路元件(例如電晶體)需要使電路元件包括互連(interconnection)結構之實際尺寸更可觀的縮小或微小型化(micro－miniaturization)。微小型化已在電晶體工程複雜度上產生可觀的增加，諸如包含漸變式井摻雜(graded well－doping)、磊晶生長(epitaxial)的晶圓、環形植入物(halo implant)、尖端植入物(tip implant)、輕濃度摻雜(lightly doped)汲極結構、用於源極/汲極區域的多種植入物、閘極與源極/汲極的矽化(silicidation)及多種側壁間隔件(sidewall spacer)。
高效能的需求需要微電子組件的高速操作，而該等微電子組件除了低洩漏外(亦即，低截止狀態電流(low off－state current))還需要高驅動電流，以降低電力消耗。結構與摻雜參數典型地傾向於提供所希望的驅動電流的增加，而不利地影響洩漏電流。
金屬閘極電極已進化成藉由減少多晶矽耗乏(polysilicon depletion)用來改善驅動電流，並降低形成金屬閘極後的處理溫度。為實行取代金屬閘極的處理流程，係藉由乾/濕蝕刻來移除假閘極(dummy gate)(例如多晶矽)，然後進行金屬沉積。
對於更微小型化的持續需求需要減小電晶體的特徵尺寸，包括用於金屬閘極電晶體的閘極氧化物層。必須減小此等閘極氧化物層以達成極薄的有效氧化物厚度(effective oxide thickness,EOT)。但因為有洩漏電流，企圖形成厚度約15埃()的閘極氧化物的此目的係不切實際。
因此，需要具有減小的EOT及減小的洩漏電流的閘極氧化物的金屬閘極電晶體。亦需要能製造包括具有減小的EOT的閘極氧化物的金屬閘極電晶體的半導體裝置而不需犧牲裝置速度的方法。
本發明之優點係一種具有電晶體之半導體裝置，該電晶體減小的EOT及減少的洩漏電流的閘極氧化物與金屬閘極電極。
本發明之另一優點係一種製造包括電晶體之半導體裝置之方法，該電晶體具有減少的EOT及減少的洩漏電流的閘極氧化物與金屬閘極電極。
將在以下說明中提出本發明之額外優點及其他特徵，且該等額外優點及其他特徵部份在該技術領域具有通常知識者在查看過下列說明後將變的明白，或部份可從本發明之實施而了解。如在所附申請專利範圍中特別指出者，可實現及獲得本發明之優點。
根據本發明，藉由一種半導體裝置部份地達成前述及其他優點，該半導體裝置包括：基板；在該基板上之閘極介電層；在該閘極介電層上之保護層；以及在該保護層上之金屬閘極電極；其中，該保護層在該閘極介電層與該金屬閘極電極之間具有漸變之組成(graded composition)。
本發明之實施例包括具有閘極氧化物(例如，氧化矽)及其上之保護層的金屬閘極電晶體。此實施例之態樣包括保護層，該保護層包括含有金屬碳化物的非晶形碳(amorphous carbon)層，該金屬碳化物係藉由在濃度高達約50原子百分比(at.%)時使金屬從閘極電極擴散進入該非晶形碳層而形成。典型地，金屬碳化物的濃度在接近非晶形碳層與金屬閘極電極之間的介面為約80原子百分比，並跨過該非晶形碳層而減少至與閘極氧化物層之介面處約20原子百分比。實施例亦包括沉積含有至少一個額外元素(例如氧、矽及/或氮)的非晶形碳層。
本發明之另一態樣為一種半導體裝置，包括：基板；在該基板上之閘極介電層；以及，在該閘極介電層上之金屬閘極電極；其中，該閘極介電層包括氧化物層，該氧化物層含有具有大於4之介電常數(k)的氧化物；以及矽，集中在該氧化物層與該基板及與該金屬閘極電極的介面處。
實施例包括形成閘極介電層，該閘極介電層包括在基板上的多晶矽層、在第一多晶矽層上之含有高介電常數氧化物的氧化物層、及在氧化物層與鄰近之金屬閘極電極上的第二多晶矽層。
本發明之另一態樣為一種製造具有金屬閘極電極之電晶體的半導體裝置的方法，該方法包括下列步驟：在基板之上形成可移除的閘極，該基板與該可移除的閘極之間具有閘極介電層；在該基板之上形成介電層並將該可移除的閘極之上表面暴露出來；移除該可移除的閘極，留下在該介電層中之由該閘極介電層定義其底部並由該介電層之暴露表面定義其側邊的開孔(opening)；在該閘極介電層上形成保護層並作為該開孔的襯裡(lining)；以及在該開孔中形成金屬閘極電極；其中，該保護層在該閘極介電層與該金屬閘極電極之間具有漸變之組成。
實施例包括藉由化學氣相沉積(CVD)或原子層沉積(ALD)來沉積非晶形碳層，並加熱至升高的溫度以擴散金屬(例如，鈷(Co)、鎳(Ni)、鉭(Ta)或鉬(Mo))進入該非晶形碳層來形成金屬碳化物，該金屬碳化物之濃度從金屬閘極電極跨過該非晶形碳層至該閘極介電層而減少。
對熟習此技術領域者而言，從下列的詳述將使本發明之額外優點變的明白，其中所描述之本發明的實施例，僅藉由所思及用於實行本發明之最佳模式來說明。應了解，本發明係能有其他及不同的實施例，且其數項細節能在各種明顯態樣中修改，而皆不脫離本發明。因此，所附圖式及敘述在本質上係視為例示的，而非限制的。
本發明提出並解決關於形成多晶矽閘極電極的習知實施所帶來的問題，該等問題係由其高電阻係數所造成，並因此降低了操作速度。本發明亦提出並解決企圖減小取代金屬閘極電晶體之閘極氧化物厚度所帶來的問題，例如增加的洩漏電流及降低的操作速度。
本發明提出並藉由提供沒有增加洩漏並具有減小的EOT之閘極氧化物(例如，具有小於15埃(諸如5埃至12埃之厚度，例如，10埃)之厚度的閘極氧化物)的金屬閘極電晶體，及藉由包括在閘極氧化物層上形成保護層的技術，其中該保護層在該閘極氧化物層與該閘極電極層之間具有漸變之組成(graded composition)，來解決此等問題。漸變保護層的形成減少了在該閘極電極與該閘極氧化物層之間的應力(stress)，因而減少了缺陷，並因此減少了洩漏電流。
根據本發明之實施例，在移除了可移除的或“假”閘極(例如多晶矽閘極)後，係在暴露的閘極氧化物上沉積非晶形碳層並作為藉由移除該“假”閘極所產生之開孔的襯裡。然後接著藉由化學機械研磨(CMP)沉積金屬層(例如Ta、Ni、Co、Mo)以形成取代金屬閘極。然後，進行加熱將來自金屬閘極電極之金屬擴散進入非晶形碳層以形成金屬碳化物。
本發明之實施例包括加熱至約300℃至600℃之溫度(例如，400℃)約30秒至約5分鐘，在真空下或適當大氣下，例如氬、氮或含有約4體積百分比(vol.%)的氫及約96體積百分比的氮的混和氣體(forming gas)。在加熱期間，如在高達約50原子百分比的量時，來自閘極電極之金屬擴散進入非晶形碳層並形成金屬碳化物。保護層所造成的結構為漸變之組成，該金屬碳化物在非晶形碳層與閘極電極之介面處含有較高量之金屬碳化物，其跨過該非晶形碳層至閘極氧化物層而減少。本發明之實施例包括加熱以擴散來自金屬閘極電極之金屬進入非晶形碳層以形成包括在接近與取代金屬閘極電極的介面約80原子百分比金屬碳化物的漸變之組成，該金屬碳化物之濃度跨過該非晶形碳層而逐漸降低至接近與閘極氧化物層的介面約20原子百分比的濃度。漸變之組成係有利地增強閘極氧化物層與金屬閘極電極之間的相容性，因而減少應力，並因此減少缺陷而造成減少的洩漏電流及增加的操作速度。
在本發明之另一實施例中，閘極氧化物層係由高介電常數材料(例如，1為以真空為基礎，具有介電常數(k)大於或等於4的介電材料)形成。本發明之實施例包括從具有介電常數(k)為4至小於約500(例如，約4至小於約40)的介電材料形成閘極介電層。本發明之實施例亦包括從具有介電常數(k)約4至約30(例如，約4至約20)的介電材料形成閘極介電材料。適合的介電材料包括氧化鉭(Ta2 O5 )、氧化鉿(Hf2 O3 )及硫化矽鉿(HfSiS3 )。在此等實施例中，已發現有利於在該閘極氧化物層與基板之間的介面處及在該閘極氧化物層與取代金屬閘極電極之間的介面處形成具有高濃度的矽的閘極氧化物層。其他實施例包括在高介電常數的閘極氧化物層與基板之間的介面處形成多晶矽層，及在高介電常數的閘極氧化物層與取代金屬閘極電極之間的介面處形成多晶矽層。
本發明之實施例係示意地顯示在第1至7圖中。注意到第1圖，暫時可取代的或假閘極11(例如多晶矽)形成於基板10上，並有閘極介電層12夾在這兩者之間(例如氧化矽)。本發明之實施例亦包括沉積高介電常數材料，用於閘極介電層12，例如ZrO2 、HfO2 、Hf2 O3 、HfSiO3 、InO2 、LaO2 、Ta2 O3 及TaO2 。然後形成淺源極/汲極延伸部13。然後，在可移除的閘極11上形成介電側壁間隔件15，例如氧化矽、氮化矽或氧氮化矽。然後進行離子植入(ion implantation)以形成深源極/汲極區域14，接著進行矽化以形成金屬矽化層16在源極/汲極區域13之暴露表面上，例如藉由沉積鎳(Ni)層然後加熱的矽化鎳。第1圖中所示之操作步驟係以習知方式實行。
注意到第2圖，沉積介電材料層(例如氧化矽(例如由四乙基氧矽(tetraethyl orthosilicate,TEOS)形成的氧化矽))接著由化學機械研磨(CMP)形成介電層20。應了解，在第1圖或第2圖中顯示之階段，或甚至在沉積取代金屬閘極電極之前之在第3圖中顯示之階段，淺源極/汲極延伸部13與源極/汲極區域14係藉由高溫熱退火(例如在約900℃及以上之溫度)而活化(activate)。
如第3圖中所示，如藉由蝕刻(例如，利用氫氟酸與硝酸在醋酸中的溶液)，移除取代或假閘極11。根據此實施例之態樣，沉積非晶形碳層40作為藉由移除假多晶矽閘極11所產生之開孔的襯裡，如第4圖中示意地顯示者。本發明之實施例包括藉由CVD或ALD沉積非晶形碳層40。典型地非晶形碳層係沉積為厚度高達約50埃，例如約10至約50埃(例如，約25至35埃)。藉由沉積非晶形碳層在約30埃的厚度可獲得合適的結果。
接著，如第5圖中所示，如藉由物理氣相沉積技術，沉積導電材料(例如鉭、鎳、鈷及鉬)層50。本發明之實施例包括沉積最初的金屬(例如鉭、鎳、鈷或鉬)層，然後沉積銅(Cu)或銅合金層。然後實行CMP以平坦化所沉積之導電材料的上表面，因而完成如第6圖中所示之金屬閘極60。
在本發明之另一實施例中，藉由CVD沉積非晶形碳層，並包含至少一個元素(例如氧、矽及氮)在總量中約＿原子百分比至約＿原子百分比。實施例包括藉由利用氧、矽烷(silane)(SiH4 )及氮的CVD的沉積。在最初的非晶形碳層中之氧、矽及/或氮的夾雜物進一步減少應力及由應力所造成的缺陷，因而減少了洩漏電流。
接著，加熱係典型地實行在約300℃至約600℃之溫度(例如，400℃)約30秒至約5分鐘，在真空下或在適當大氣下，例如，氬、氮或含有約4體積百分比的氫及約96體積百分比的氮的混和氣體。在加熱期間，來自取代金屬閘極的金屬擴散進入非晶形碳層40形成碳化物，該碳化物之濃度從在非晶形電流層40與金屬閘極60之間的介面跨過非晶形碳層40朝向閘極介電層12逐漸減少。所造成的結構顯示在第7圖中，元件70代表具有金屬碳化物於其中之非晶形碳的保護層。
加熱係典型地在足以形成高達50原子百分比的金屬碳化物的條件下進行。金屬碳化物濃度範圍典型地從在接近保護層70與金屬閘極電極60之間的介面約80原子百分比，跨過保護層70的厚度而逐漸減少至在接近保護層70與閘極氧化物層12之間的介面約20原子百分比。具有漸變之組成的保護層70改善了相容性因而減少了應力，並因此，減少了在閘極電極/閘極氧化物介面處所產生的缺陷。以此方式，EOT能顯著地減小而不會有伴隨之不利的洩漏電流的增加。
本發明之另一實施例係示意地顯示在第8至12圖中。注意到第8圖，處理係如第1至3圖般實行，第8圖實質上係對應至第3圖。於此時，閘極氧化物層係藉由使用習知的氫氟酸蝕刻移除，造成第9圖中所示之中間結構。在此實施例中，新的閘極氧化物形成，而由於電漿處理以移除多晶矽之假閘極或取代金屬閘極之沉積，該新的閘極氧化物不會包含輻射損害(radiation damage)。根據此實施例之態樣，形成新的閘極介電質，其包括具有矽的高介電常數材料，該矽集中濃縮在與基板之間的介面處及與金屬閘極電極之間的介面處，因而形成與該基板及該金屬閘極兩者相容的漸變閘極介電層，並因此，減少了應力及相關的缺陷。
在移除原始的閘極氧化物12之後，形成漸變的高介電常數閘極氧化物。此實施例之態樣包括沉積最初的多晶矽層81，顯示於第10圖中，沉積高介電常數材料82(例如Ta2 O5 、Hf2 O3 或HfSiO3 )於該多晶矽層81上，然後沉積另一多晶矽層83於該高介電常數材料82上。如第11圖中所示，然後沉積金屬90。此實施例之態樣包括沉積最初的鉭層，接著沉積銅或銅合金層。
然後實行CMP，造成第12圖中示意地顯示的結構，該結構包括金屬閘極電極100。含有矽濃縮在與基板10之間的介面處及與金屬閘極電極100之間的介面處的漸變之組成閘極介電層顯著地減少了應力，並因此，減少了缺陷，因而使得洩漏電流沒有增加而減小的EOT成為可能。
本發明之實施例包括使用各種類型的非晶形碳，例如含氫的碳(例如，具有氫濃度約5原子百分比至約40原子百分比(典型為約20原子百分比至約30原子百分比)的非晶形氫化碳)。本發明之實施例亦包括非晶形氮化碳(amorphous carbon nitride)，有時稱之為氮化碳(nitrogenated carbon)，通常具有氮對氫濃度比約5：20至30：0。亦可使用非晶形氫－氮化碳(amorphous hydrogen－nitrogenated carbon)。
本發明提供能夠製造具有金屬閘極電極之電晶體及具有極薄的EOT之閘極氧化物的半導體裝置，而防止洩漏電流產生的方法。本發明能夠調整跨於在閘極氧化物層上之保護層的漸變輪廓(graded profile)的電壓Vc。
本發明享有製造各種類型之半導體裝置的工業應用性。本發明特別應用在製造具有次微米特徵的半導體裝置及顯現出高驅動電流與最小化的洩漏電流。
在前面敘述中，提出了許多特定細節(例如特定的材料、結構、化學品、製程等)以提供本發明之較佳了解。然而，本發明不需依靠特定提出之細節亦能實施。在其他範例中，沒有詳細敘述熟知的處理及材料係為了不必要的混淆本發明。
在本申請案中僅顯示及敘述本發明之較佳實施例及一些其多用途的範例。應了解到，本發明能使用在各種其他的組合及環境中，並能在此所陳述之本發明概念的範疇內作改變或修改。
10．．．基板
11．．．假閘極；可移除的閘極；假多晶矽閘極
12．．．閘極介電層；閘極氧化物層；閘極氧化物
13．．．淺源極/汲極延伸部；源極/汲極區域
14．．．深源極/汲極區域；源極/汲極區域
15．．．介電側壁間隔件
16．．．金屬矽化層
20．．．介電層
40．．．非晶形碳層；非晶形電流層
50．．．導電材料層
60．．．金屬閘極；金屬閘極電極
70．．．元件；保護層
81、83．．．多晶矽層
82．．．高介電常數材料
90．．．金屬
100．．．金屬閘極電極
第1至7圖係示意地顯示根據本發明實施例之方法的連續階段；以及第8至12圖係代表本發明之另一實施例的連續階段。
在第1至12圖中，相似的元件符號代表相似的特徵。
10．．．基板
12．．．閘極氧化物層
13．．．淺源極/汲極延伸部
14．．．深源極/汲極區域
15．．．介電側壁間隔件
16．．．金屬矽化層
20．．．介電層
60．．．金屬閘極電極
70．．．保護層

Claims (13)

  1. 一種半導體裝置，包括：基板；在該基板上之閘極介電層；在該閘極介電層上之保護層；以及在該保護層上之金屬閘極電極；其中，該保護層在該閘極介電層與該金屬閘極電極之間具有漸變之組成，該閘極介電層包括氧化物，該保護層包括非晶形碳層，且該非晶形碳層含有金屬碳化物，該金屬碳化物之濃度從該金屬閘極電極跨過該非晶形碳層至該閘極氧化物而減少，其中，該金屬碳化物從與該金屬閘極電極之介面處約80原子百分比，跨過該非晶形碳層，減少至與該閘極氧化物層之介面處約20原子百分比。
  2. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中，該金屬係選自由鉭、鎳、鈷及鉬所構成之群組。
  3. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中，該非晶形碳層含有選自由氧、矽及氮所構成之群組中的至少一個元素。
  4. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中，該保護層具有約10埃至約50埃的厚度。
  5. 如申請專利範圍第4項之半導體裝置，其中，該保護層具有約25埃至約35埃的厚度。
  6. 一種半導體裝置，包括： 基板；在該基板上之閘極介電層；以及在該閘極介電層上之金屬閘極電極，其中，該閘極介電層包括在該基板上之第一多晶矽層、在該第一多晶矽層上之氧化層以及在該氧化物層上並鄰近於該金屬閘極電極之第二多晶矽層，以及其中，該氧化物層含有氧化物，該氧化物具有大於4之介電常數(k)，以及集中在該氧化物層與該基板之間及與該金屬閘極電極之間的介面處之矽。
  7. 如申請專利範圍第6項之半導體裝置，其中，具有大於4之介電常數(k)的該氧化物包括Ta2 O5 、Hf2 O3 或HfSiO3 。
  8. 一種製造具有金屬閘極電極之電晶體之半導體裝置的方法，該方法包括下列步驟：在基板之上形成可移除的閘極，該基板與該可移除的閘極之間具有閘極介電層；在該基板之上形成介電層並將該可移除的閘極之上表面暴露出來；移除該可移除的閘極，留下在該介電層中之由該閘極介電層定義其底部並由該介電層之暴露表面定義其側邊的開孔；在該閘極介電層上形成保護層並作為該開孔的襯裡；其中，藉由化學氣相沉積或原子層沉積來沉積非晶形碳層； 以及，加熱以使金屬從該金屬閘極電極擴散進入該非晶形碳層以形成高達50原子百分比的金屬碳化物，該金屬碳化物之濃度從該金屬閘極電極跨過該非晶形碳層至該閘極介電層而減少，其中，該閘極介電層包括氧化物；以及，在該開孔中形成金屬閘極電極；其中，該保護層在該閘極介電層與該金屬閘極電極之間具有漸變之組成。
  9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中，該金屬係選自由鈷、鎳、鉭及鉬所構成之群組。
  10. 如申請專利範圍第8項之方法，包括加熱以形成該金屬碳化物，該金屬碳化物之濃度從與該金屬閘極電極之介面處約80原子百分比，跨過該非晶形碳層，減少至與該閘極氧化物層之介面處約20原子百分比。
  11. 如申請專利範圍第8項之方法，其中，該非晶形碳層含有選自由矽、氧及氮所構成之群組中的至少一個元素。
  12. 如申請專利範圍第8項之方法，包括形成該保護層為約10埃至約50埃的厚度。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，包括形成該保護層為約25埃至約35埃的厚度。
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