TWI803281B - Semiconductor device with protection layer and method for fabricating the same - Google Patents
Semiconductor device with protection layer and method for fabricating the same Download PDFInfo
- Publication number
- TWI803281B TWI803281B TW111114238A TW111114238A TWI803281B TW I803281 B TWI803281 B TW I803281B TW 111114238 A TW111114238 A TW 111114238A TW 111114238 A TW111114238 A TW 111114238A TW I803281 B TWI803281 B TW I803281B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- layer
- oxide
- gate
- word line
- work function
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Bipolar Transistors (AREA)
- Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
- Non-Volatile Memory (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
Abstract
Description
本申請案主張美國第17/667,667及17/667,813號專利申請案之優先權(即優先權日為「2022年2月9日」),其內容以全文引用之方式併入本文中。 This application claims priority to US Patent Application Nos. 17/667,667 and 17/667,813 (ie, the priority date is "February 9, 2022"), the contents of which are incorporated herein by reference in their entirety.
本揭露關於一種半導體元件以及該半導體元件的製備方法。特別是有關於一種具有一保護層的半導體元件以及具有該保護層之該半導體元件的製備方法。 The disclosure relates to a semiconductor element and a method for manufacturing the semiconductor element. In particular, it relates to a semiconductor element with a protective layer and a method for preparing the semiconductor element with the protective layer.
半導體元件使用在不同的電子應用,例如個人電腦、手機、數位相機,或其他電子設備。半導體元件的尺寸逐漸地變小,以符合計算能力所逐漸增加的需求。然而,在尺寸變小的製程期間,增加不同的問題,且如此的問題在數量與複雜度上持續增加。因此,仍然持續著在達到改善品質、良率、效能與可靠度以及降低複雜度方面的挑戰。 Semiconductor components are used in various electronic applications, such as personal computers, mobile phones, digital cameras, or other electronic devices. The size of semiconductor devices is gradually reduced to meet the increasing demand for computing power. However, during the process of shrinking dimensions, different problems are added, and such problems continue to increase in number and complexity. Therefore, challenges remain in achieving improved quality, yield, performance and reliability, and reduced complexity.
上文之「先前技術」說明僅提供背景技術,並未承認上文之「先前技術」說明揭示本揭露之標的,不構成本揭露之先前技術,且上文之「先前技術」之任何說明均不應作為本案之任一部分。 The above "prior art" description only provides background technology, and does not acknowledge that the above "prior art" description discloses the subject of this disclosure, and does not constitute the prior art of this disclosure, and any description of the above "prior art" is It should not be part of this case.
本揭露之一實施例提供一種半導體元件,包括一基底;以及一第一閘極堆疊,設置在該基底上並包括:一第一閘極介電層,設置在該基底上;一第一閘極保護層,設置在該第一閘極介電層上包括氮化矽鈦;一第一功函數層,設置在該第一閘極保護層上;以及一第一閘極填充層,設置在該第一功函數層上。 An embodiment of the present disclosure provides a semiconductor device, including a substrate; and a first gate stack disposed on the substrate and including: a first gate dielectric layer disposed on the substrate; a first gate stack An electrode protection layer disposed on the first gate dielectric layer includes silicon nitride titanium; a first work function layer disposed on the first gate protection layer; and a first gate filling layer disposed on the on the first work function layer.
本揭露之另一實施例提供一種半導體元件,包括一基底,包括一陣列區及一周圍區,該周圍區圍繞該陣列區;一字元線結構,設置在該陣列區中;以及一第一閘極堆疊,設置在該周圍區上並包括:一第一閘極介電層,設置在該周圍區上;一第一閘極保護層,設置在該第一閘極介電層上且包括氮化矽鈦;一第一功函數層,設置在該第一閘極保護層上;以及一第一閘極填充層,設置在該第一功函數層上。 Another embodiment of the present disclosure provides a semiconductor device, including a base, including an array area and a surrounding area, the surrounding area surrounds the array area; a word line structure is disposed in the array area; and a first A gate stack, disposed on the surrounding area and including: a first gate dielectric layer, disposed on the surrounding area; a first gate protection layer, disposed on the first gate dielectric layer and comprising silicon titanium nitride; a first work function layer disposed on the first gate protection layer; and a first gate filling layer disposed on the first work function layer.
本揭露之另一實施例提供一種半導體元件的製備方法,包括提供一基底,包括一陣列區以及一周圍區,該周圍區圍繞該陣列區;形成一字元線溝槽在該陣列區中;共形地形成一層第一隔離材料在該字元線溝槽中以及在該基底上;共形地形成一層保護材料在形成在該周圍區上的該層第一隔離材料上;共形地形成一層第一功函數材料在該層保護材料上;共形地形成一層第一阻障材料在該層第一隔離材料上以及在該層第一功函數材料上;形成一層填充材料在該層第一阻障材料上;以及圖案化該層第一隔離材料、該層保護材料、該層第一功函數材料、該層第一阻障材料以及該層填充材料,以形成一第一閘極堆疊在該周圍區上以及形成一字元線結構在該陣列區中;其中該保護材料包括氮化矽鈦。 Another embodiment of the present disclosure provides a method for manufacturing a semiconductor device, including providing a substrate, including an array region and a peripheral region, the peripheral region surrounding the array region; forming a word line trench in the array region; Conformally forming a layer of first isolation material in the word line trench and on the substrate; conformally forming a layer of protective material on the layer of first isolation material formed on the surrounding area; conformally forming a layer of first work function material on the layer of protective material; conformally forming a layer of first barrier material on the layer of first isolation material and on the layer of first work function material; forming a layer of filler material on the layer of first on a barrier material; and patterning the layer of first isolation material, the layer of protection material, the layer of first work function material, the layer of first barrier material and the layer of filling material to form a first gate stack A word line structure is formed on the surrounding area and in the array area; wherein the protection material includes titanium silicon nitride.
由於本揭露該半導體元件的設計,包括氮化矽鈦的該第一閘極保護層可具有一低電阻率以及一優異的阻隔特性,且在加熱情況下是 穩定的。因此,包括包含氮化矽鈦之該第一閘極保護層的該第一閘極堆疊可具有優異的特性。因此,可改善該半導體元件的效能。 Due to the design of the semiconductor device disclosed in the present disclosure, the first gate protective layer comprising titanium silicon nitride can have a low resistivity and an excellent barrier characteristic, and is stable. Therefore, the first gate stack including the first gate protection layer including titanium silicon nitride can have excellent characteristics. Therefore, the performance of the semiconductor device can be improved.
上文已相當廣泛地概述本揭露之技術特徵及優點,俾使下文之本揭露詳細描述得以獲得較佳瞭解。構成本揭露之申請專利範圍標的之其它技術特徵及優點將描述於下文。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解,可相當容易地利用下文揭示之概念與特定實施例可作為修改或設計其它結構或製程而實現與本揭露相同之目的。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者亦應瞭解,這類等效建構無法脫離後附之申請專利範圍所界定之本揭露的精神和範圍。 The technical features and advantages of the present disclosure have been broadly summarized above, so that the following detailed description of the present disclosure can be better understood. Other technical features and advantages constituting the subject matter of the claims of the present disclosure will be described below. Those skilled in the art of the present disclosure should understand that the concepts and specific embodiments disclosed below can be easily used to modify or design other structures or processes to achieve the same purpose as the present disclosure. Those with ordinary knowledge in the technical field to which the disclosure belongs should also understand that such equivalent constructions cannot depart from the spirit and scope of the disclosure defined by the appended claims.
1A:半導體元件 1A: Semiconductor components
1B:半導體元件 1B: Semiconductor components
1C:半導體元件 1C: Semiconductor components
1D:半導體元件 1D: Semiconductor components
1E:半導體元件 1E: Semiconductor components
1F:半導體元件 1F: Semiconductor components
1G:半導體元件 1G: Semiconductor components
1H:半導體元件 1H: Semiconductor components
10:製備方法 10: Preparation method
100:第一閘極堆疊 100: first gate stack
101:第一閘極介電層 101: The first gate dielectric layer
103:第一閘極保護層 103: The first gate protection layer
105:第一功函數層 105: The first work function layer
105-1:下功函數層 105-1: Lower work function layer
105-3:上功函數層 105-3: Upper work function layer
107:第一閘極阻障層 107: The first gate barrier layer
109:第一閘極填充層 109: The first gate filling layer
111:第一閘極罩蓋層 111: the first gate cover layer
113:第一雜質區 113: the first impurity region
115:第一間隙子層 115: The first gap sublayer
117:界面層 117: interface layer
119:調整層 119: Adjustment Layers
121:偶極層 121: dipole layer
123:功能層 123: Functional layer
200:第二閘極堆疊 200: second gate stack
201:第二閘極介電層 201: second gate dielectric layer
203:第二閘極保護層 203: Second gate protection layer
205:第二功函數層 205: Second work function layer
207:第二閘極阻障層 207: The second gate barrier layer
209:第二閘極填充層 209: Second gate filling layer
211:第二閘極罩蓋層 211: second gate cover layer
213:第二雜質區 213: the second impurity region
215:第二間隙子層 215: Second gap sublayer
301:基底 301: Base
303:絕緣層 303: insulation layer
305:第一主動區 305: The first active zone
307:第二主動區 307: The second active area
309:陣列主動區 309: Array active area
400:字元線結構 400: character line structure
401:字元線隔離層 401: word line isolation layer
403:字元線阻障層 403: word line barrier layer
405:字元線導電層 405: word line conductive layer
407:字元線罩蓋層 407:Character line cover layer
407-1:下部 407-1: lower part
407-3:上部 407-3: upper part
409:字元線雜質區 409: Word line impurity area
501:第一隔離材料 501: The first isolation material
503:保護材料 503: Protective material
505:第一功函數材料 505: First work function materials
507:第二功函數材料 507:Second work function material
509:第一阻障材料 509: The first barrier material
511:填充材料 511: filling material
513:硬遮罩材料 513: Hard mask material
515:硬遮罩層 515: Hard mask layer
601:第一遮罩層 601: The first mask layer
603:第二遮罩層 603: The second mask layer
605:第三遮罩層 605: The third mask layer
AA:陣列區 AA: array area
PA:周圍區 PA: Peripheral Area
S11:步驟 S11: step
S13:步驟 S13: step
S15:步驟 S15: step
S17:步驟 S17: step
S19:步驟 S19: step
S21:步驟 S21: step
T1:厚度 T1: Thickness
T2:厚度 T2: Thickness
TR1:字元線溝槽 TR1: word line groove
Z:方向 Z: Direction
當與附圖一起閱讀時,從以下詳細描述中可以最好地理解本揭露的各方面。應當理解,根據業界的標準慣例,各種特徵並非按比例繪製。事實上,為了清楚討論,可以任意增加或減少各種特徵的尺寸。 Aspects of the present disclosure are best understood from the following detailed description when read with the accompanying figures. It should be understood that, in accordance with the standard practice in the industry, various features are not drawn to scale. In fact, the dimensions of the various features may be arbitrarily increased or decreased for clarity of discussion.
圖1是剖視示意圖,例示本揭露一實施例的半導體元件。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to an embodiment of the present disclosure.
圖2是剖視示意圖,例示本揭露另一實施例的半導體元件。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to another embodiment of the present disclosure.
圖3到圖8是剖視示意圖,例示本揭露一些實施例之半導體的一些部分。 3 to 8 are schematic cross-sectional views illustrating some parts of semiconductors according to some embodiments of the present disclosure.
圖9是流程示意圖,例示本揭露一實施例之半導體元件的製備方法。 FIG. 9 is a schematic flow diagram illustrating a method for fabricating a semiconductor device according to an embodiment of the present disclosure.
圖10到圖23是剖視示意圖,例示本揭露一實施例之製備半導體元件的一流程。 10 to 23 are schematic cross-sectional views illustrating a process for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present disclosure.
以下描述了組件和配置的具體範例,以簡化本揭露之實施例。當然,這些實施例僅用以例示,並非意圖限制本揭露之範圍。舉例而 言,在敘述中第一部件形成於第二部件之上,可能包含形成第一和第二部件直接接觸的實施例,也可能包含額外的部件形成於第一和第二部件之間,使得第一和第二部件不會直接接觸的實施例。另外,本揭露之實施例可能在許多範例中重複參照標號及/或字母。這些重複的目的是為了簡化和清楚,除非內文中特別說明,其本身並非代表各種實施例及/或所討論的配置之間有特定的關係。 Specific examples of components and configurations are described below to simplify embodiments of the present disclosure. Certainly, these embodiments are only for illustration, and are not intended to limit the scope of the present disclosure. for example In other words, in the description that the first part is formed on the second part, it may include the embodiment in which the first and second parts are formed in direct contact, and may also include an additional part formed between the first and second parts, so that the first An embodiment in which the first and second parts are not in direct contact. In addition, embodiments of the present disclosure may repeat reference numerals and/or letters in many instances. These repetitions are for the purpose of simplicity and clarity and, unless otherwise indicated in the context, do not in themselves imply a specific relationship between the various embodiments and/or configurations discussed.
此外,為易於說明,本文中可能使用例如「之下(beneath)」、「下面(below)」、「下部的(lower)」、「上方(above)」、「上部的(upper)」等空間相對關係用語來闡述圖中所示的一個元件或特徵與另一(其他)元件或特徵的關係。所述空間相對關係用語旨在除圖中所繪示的取向外亦囊括元件在使用或操作中的不同取向。所述裝置可具有其他取向(旋轉90度或處於其他取向)且本文中所用的空間相對關係描述語可同樣相應地進行解釋。 Additionally, for ease of description, spaces such as "beneath", "below", "lower", "above", "upper" may be used herein Relative relationship terms are used to describe the relationship of one element or feature to another (other) element or feature shown in the figures. The spatially relative terms are intended to encompass different orientations of the elements in use or operation in addition to the orientation depicted in the figures. The device may be at other orientations (rotated 90 degrees or at other orientations) and the spatially relative descriptors used herein interpreted accordingly.
應當理解,當形成一個部件在另一個部件之上(on)、與另一個部件相連(connected to)、及/或與另一個部件耦合(coupled to),其可能包含形成這些部件直接接觸的實施例,並且也可能包含形成額外的部件介於這些部件之間,使得這些部件不會直接接觸的實施例。 It should be understood that when forming a component on, connected to, and/or coupled to another component, it may include implementations where these components are formed in direct contact. Examples, and may also include embodiments in which additional components are formed between these components such that the components do not come into direct contact.
應當理解,儘管這裡可以使用術語第一,第二,第三等來描述各種元件、部件、區域、層或區段(sections),但是這些元件、部件、區域、層或區段不受這些術語的限制。相反,這些術語僅用於將一個元件、組件、區域、層或區段與另一個區域、層或區段所區分開。因此,在不脫離本發明進步性構思的教導的情況下,下列所討論的第一元件、組件、區域、層或區段可以被稱為第二元件、組件、區域、層或區段。 It will be understood that although the terms first, second, third etc. may be used herein to describe various elements, components, regions, layers or sections, these elements, components, regions, layers or sections are not constrained by these terms. limits. Rather, these terms are only used to distinguish one element, component, region, layer or section from another region, layer or section. Thus, a first element, component, region, layer or section discussed below could be termed a second element, component, region, layer or section without departing from the teachings of the presently advanced concepts.
除非內容中另有所指,否則當代表定向(orientation)、布局(layout)、位置(location)、形狀(shapes)、尺寸(sizes)、數量(amounts),或其他量測(measures)時,則如在本文中所使用的例如「同樣的(same)」、「相等的(equal)」、「平坦的(planar)」,或是「共面的(coplanar)」等術語(terms)並非必要意指一精確地完全相同的定向、布局、位置、形狀、尺寸、數量,或其他量測,但其意指在可接受的差異內,包含差不多完全相同的定向、布局、位置、形狀、尺寸、數量,或其他量測,而舉例來說,所述可接受的差異可因為製造流程(manufacturing processes)而發生。術語「大致地(substantially)」可被使用在本文中,以表現出此意思。舉例來說,如大致地相同的(substantially the same)、大致地相等的(substantially equal),或是大致地平坦的(substantially planar),為精確地相同的、相等的,或是平坦的,或者是其可為在可接受的差異內的相同的、相等的,或是平坦的,而舉例來說,所述可接受的差異可因為製造流程而發生。 Unless the context indicates otherwise, when referring to orientation, layout, location, shapes, sizes, amounts, or other measures, Then terms such as "same", "equal", "planar", or "coplanar" as used herein are not necessarily Means an exact identical orientation, arrangement, position, shape, size, quantity, or other measurement, but it is meant to include, within acceptable variance, nearly identical orientation, arrangement, position, shape, size , quantity, or other measure, and for example, the acceptable variance may occur due to manufacturing processes (manufacturing processes). The term "substantially" may be used herein to express this meaning. For example, as substantially the same, substantially equal, or substantially planar, as being exactly the same, equal, or planar, or Yes, they may be the same, equal, or flat within acceptable variances that may occur, for example, due to manufacturing processes.
在本揭露中,一半導體元件通常意指可藉由利用半導體特性(semiconductor characteristics)運行的一元件,而一光電元件(electro-optic device)、一發光顯示元件(light-emitting display device)、一半導體線路(semiconductor circuit)以及一電子元件(electronic device),均包括在半導體元件的範疇中。 In this disclosure, a semiconductor device generally refers to a device that can operate by utilizing semiconductor characteristics, and an electro-optic device, a light-emitting display device, a Both a semiconductor circuit and an electronic device are included in the category of semiconductor devices.
應當理解,在本揭露的描述中,上方(above)(或之上(up))對應Z方向箭頭的該方向,而下方(below)(或之下(down))對應Z方向箭頭的相對方向。 It should be understood that in the description of the present disclosure, above (or above (up)) corresponds to the direction of the Z-direction arrow, and below (or below (down)) corresponds to the relative direction of the Z-direction arrow .
圖1是剖視示意圖,例示本揭露一實施例的半導體元件
1A。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to an embodiment of the
請參考圖1,半導體元件1A可包括一基底301、一絕緣層303、一第一閘極堆疊100、一第一閘極罩蓋層111、複數個第一雜質區113、一第一間隙子層115、一第二閘極堆疊200、一第二閘極罩蓋層211、複數個第二雜質區213、一第二間隙子層215、一字元線結構400以及複數個字元線雜質區409。
Please refer to FIG. 1 , the
請參考圖1,基底301可包括一陣列區AA以及一周圍區PA。在頂視圖(圖未示)中,周圍區PA可圍繞陣列區AA。在一些實施例中,基底301可為一塊狀半導體基底,其完全由至少一半導體材料所組成。舉例來說,該塊狀半導體基底可包含一元素半導體、一化合物半導體或其組合,該元素半導體例如矽或鍺,該化合物半導體例如矽鍺、碳化矽、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦、銻化銦或其他III-V族化合物半導體或是II-VI族化合物半導體。
Please refer to FIG. 1 , the
在一些實施例中,基底301可包括一絕緣體上覆半導體結構,其從下到上由一處置基底、一絕緣層以及一最上面半導體材料層所組成。該處置基底與該最上面半導體材料層可包含與前述之塊狀半導體基底相同的材料。該絕緣層可為一結晶或是非結晶介電材料,例如一氧化物及/或氮化物。舉例來說,該絕緣體可為一介電氧化物,例如氧化矽。舉另一個例子,該絕緣體可為一介電氮化物,例如氮化矽或氮化硼。再舉另一個例子,該絕緣層可為一介電氧化物與一介電氮化物的一堆疊,例如以任何順序之氧化矽與氮化矽或氮化硼的一堆疊。該絕緣層可具有一厚度,介於大約10nm到大約200nm之間。
In some embodiments, the
應當理解,術語「大約(about)」修飾成分(ingredient)、部 件的一數量(quantity),或是本揭露的反應物(reactant),其表示可發生的數值數量上的變異(variation),舉例來說,其經由典型的測量以及液體處理程序(liquid handling procedures),而該液體處理程序用於製造濃縮(concentrates)或溶液(solutions)。再者,變異的發生可源自於應用在製造組成成分(compositions)或實施該等方法或其類似方式在測量程序中的非故意錯誤(inadvertent error)、在製造中的差異(differences)、來源(source)、或成分的純度(purity)。在一方面,術語「大約(about)」意指報告數值的10%以內。在另一方面,術語「大約(about)」意指報告數值的5%以內。在再另一方面,術語「大約(about)」意指報告數值的10、9、8、7、6、5、4、3、2或1%以內。 It should be understood that the term "about" modifies ingredients, parts A quantity (quantity) of a piece, or a reactant (reactant) of the present disclosure, which represents a variation (variation) in a numerical quantity that can occur, for example, which is obtained through typical measurement and liquid handling procedures (liquid handling procedures) ), and the liquid handling process is used to make concentrates or solutions. Furthermore, variations may arise from inadvertent errors in measurement procedures applied to the manufacture of compositions or in the implementation of the methods or the like, differences in manufacture, source (source), or the purity of ingredients (purity). In one aspect, the term "about" means within 10% of the reported value. On the other hand, the term "about" means within 5% of the reported value. In yet another aspect, the term "about" means within 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, or 1% of the reported value.
請參考圖1,絕緣層303可設置在基底301的陣列區AA與周圍區PA中。舉例來說,絕緣層303可包含一隔離材料,例如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、氧化氮化矽或摻氟矽酸鹽。絕緣層303可在周圍區PA中界定一第一主動區305以及一第二主動區307,且在陣列區AA中界定一陣列主動區309。在一些實施例中,第二主動區307可鄰近第一主動區305設置。在一些實施例中,第一主動區305與第二主動區307可相互分隔開。
Please refer to FIG. 1 , the insulating
應當理解,第一主動區305可包括基底301的一部分以及在基底301之該部分上方與下方的一空間。描述一元件設置在第一主動區305上,意指該元件設置在基底301之該部分的一上表面上。描述一元件設置在第一主動區305中,意指該元件設置在基底301的該部分中;然而,該元件的一上表面可齊平於基底301之該部分的該上表面。描述一元件設置在第一主動區上方(或之上),意指該元件設置在基底301之該部分的該上表面上方。據此,第二主動區307與陣列主動區309可分別且對應
包括基底301的其他部分以及在基底301之該其他部分上方的多個空間。
It should be understood that the first
請參考圖1,第一閘極堆疊100可設置在第一主動區305上,並可包括一第一閘極介電層101、一第一閘極保護層103、一第一功函數層105、一第一閘極阻障層107以及一第一閘極填充層109。
Referring to FIG. 1, the
請參考圖1,第一閘極介電層101可設置在第一主動區305上。在一些實施例中,第一閘極介電層101的厚度T1可介於大約0.5nm到大約5.0nm之間。較佳者,第一閘極介電層101的厚度T1可介於大約0.5nm到大約2.5nm之間。在一些實施例中,舉例來說,第一閘極介電層101可包含一隔離材料,該隔離材料具有一介電常數,該介電常數大約為4.0或更大(除非另外有提到,否則在文中所提及的所有介電常數均相對於一真空而言)。舉例來說,具有大約4.0或更大之介電常數的該隔離材料可包含氧化鉿、氧化鋯鉿、氧化鑭鉿、氧化矽鉿、氧化鉭鉿、氧化鈦鉿、氧化鋯、氧化鋁、氧化矽鋁、氧化鈦、五氧化二鉭(tantalum pentoxide)、氧化鑭、氧化矽鑭、鈦酸鍶、鋁酸鑭、氧化釔、鋯鈦酸鉛(lead zirconium titanate)、鈦酸鋇(barium titanate)、鈦酸鍶鋇(barium strontium titanate)、鋯酸鋇(barium zirconate)或其混合物。替代地,在另一實施例中,該隔離材料可為氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、氧化氮化矽或類似物。
Referring to FIG. 1 , the first
請參考圖1,第一閘極保護層103可設置在第一閘極介電層101上。第一閘極保護層103可包含氮化矽鈦。第一閘極保護層103可具有一低電阻率以及一優異的阻隔特性,且在加熱狀態下是穩定的。因此,包括包含氮化矽鈦之第一閘極保護層103的第一閘極堆疊100可具有優異的特性。在一些實施例中,第一閘極保護層103的電阻率可介於大約500μΩ.cm到大約5000μΩ.cm之間。在一些實施例中,在第一閘極保護層
103中的鈦含量可大約為10到40原子百分比(atomic percent)。在第一閘極保護層103的矽含量可大約為10到40原子百分比。在第一閘極保護層103中的氮含量可大約為25到47原子百分比。
Referring to FIG. 1 , the first
請參考圖1,第一功函數層105可設置在第一閘極保護層103上。在一些實施例中,第一功函數層105的厚度可介於大約10Å到大約200Å之間。較佳者,第一功函數層105的厚度可介於大約10Å到大約100Å之間。在一些實施例中,舉例來說,第一功函數層105可包含鋁、銀、鈦、氮化鈦、鈦鋁、鋁碳化鈦(titanium carbide aluminum)、鋁氮化鈦(titanium nitride aluminum)、鋁矽化鈦(titanium silicon aluminum)、氮化鉭、碳化鉭、氮化矽鉭、錳、鋯或氮化鎢。
Referring to FIG. 1 , the first
請參考圖1,第一閘極阻障層107可設置在第一功函數層105上。在一些實施例中,舉例來說,第一閘極阻障層107可為氮化鈦或是鈦/氮化鈦雙層。
Referring to FIG. 1 , the first
請參考圖1,第一閘極填充層109可設置在第一閘極阻障層107上。在一些實施例中,舉例來說,第一閘極填充層109可包含鎢或鋁。
Referring to FIG. 1 , the first
請參考圖1,第一閘極罩蓋層111可設置在第一閘極填充層109上。在一些實施例中,舉例來說,第一閘極罩蓋層111可包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、氧化氮化矽或摻氟矽酸鹽。
Referring to FIG. 1 , the first
應當理解,在本揭露的描述中,氮氧化矽表示一物質,該物質包含矽、氮以及氧,其中氧的一比例大於氮的一比例。氧化氮化矽表示一物質,該物質包含矽、氧以及氮,其中氮的一比例大於氧的一比例。 It should be understood that in the description of the present disclosure, silicon oxynitride refers to a substance including silicon, nitrogen and oxygen, wherein a proportion of oxygen is greater than a proportion of nitrogen. Silicon oxynitride refers to a substance comprising silicon, oxygen and nitrogen, wherein a proportion of nitrogen is greater than a proportion of oxygen.
請參考圖1,複數個第一雜質區113可設置在第一主動區
305中並鄰近第一閘極介電層101的兩端。複數個第一雜質區113可具有一第一電類型(例如n型或p型)。在一些實施例中,複數個第一雜質區113可包括p型摻雜物,例如硼、鋁、鎵以及銦。在一些實施例中,複數個第一雜質區113可包括n型摻雜物,例如銻、砷以及磷。在一些實施例中,複數個第一雜質區113的摻雜濃度可介於大約1E19 atoms/cm3到大約1E21 atoms/cm3之間。
Referring to FIG. 1 , a plurality of
請參考圖1,第一間隙子層115可設置在第一閘極堆疊100的側壁上。在一些實施例中,舉例來說,第一間隙子層115可包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或是氧化氮化矽。在一些實施例中,第一間隙子層115可包含與第一閘極罩蓋層111相同的一材料。
Referring to FIG. 1 , the
請參考圖1,第二閘極堆疊200可設置在第二主動區307上,並可包括一第二閘極介電層201、一第二閘極保護層203、一第二功函數層205、一第二閘極阻障層207以及一第二閘極填充層209。
Referring to FIG. 1, the
請參考圖1,第二閘極介電層201可設置在第二主動區307上。在一些實施例中,第二閘極介電層201的厚度T2可介於大約0.5nm到大約5.0nm之間。較佳者,第二閘極介電層201的厚度T2可介於大約0.5nm到大約2.5nm之間。在一些實施例中,第二閘極介電層201的厚度T2以及第一閘極介電層101的厚度T1可大致是相同的。在一些實施例中,第二閘極介電層201的厚度T2與第一閘極介電層101的厚度T1是不同的。在一些實施例中,第二閘極介電層201可包含與第一閘極介電層101相同的材料。在一些實施例中,舉例來說,第二閘極介電層201可包含一隔離材料,該隔離材料具有一介電常數,該介電常數大約為4.0或更大。
Referring to FIG. 1 , the second
請參考圖1,第二閘極保護層203可設置在第二閘極介電層
201上。第二閘極保護層203可包含氮化矽鈦。第二閘極保護層203可具有一低電阻率以及一優異的阻隔特性,且在加熱狀態下是穩定的。因此,包括包含氮化矽鈦之第二閘極保護層203的第二閘極堆疊200可具有優異的特性。在一些實施例中,第二閘極保護層203的電阻率可介於大約500μΩ.cm到大約5000μΩ.cm之間。在一些實施例中,在第二閘極保護層203中的鈦含量可大約為10到40原子百分比(atomic percent)。在第二閘極保護層203的矽含量可大約為10到40原子百分比。在第二閘極保護層203中的氮含量可大約為25到47原子百分比。
Please refer to FIG. 1, the second
請參考圖1,第二功函數層205可設置在第二閘極保護層203上。在一些實施例中,第二功函數層205的厚度可介於大約10Å到大約200Å之間。較佳者,第二功函數層205的厚度可介於大約10Å到大約100Å之間。在一些實施例中,第二功函數層205的厚度與第一功函數層105的厚度可大致是相同的。在一些實施例中,第二功函數層205的厚度與第一功函數層105的厚度可能是不同的。在一些實施例中,舉例來說,第二功函數層205可包含鋁、銀、鈦、氮化鈦、鈦鋁、鋁碳化鈦(titanium carbide aluminum)、鋁氮化鈦(titanium nitride aluminum)、鋁矽化鈦(titanium silicon aluminum)、氮化鉭、碳化鉭、氮化矽鉭、錳、鋯或氮化鎢。
Referring to FIG. 1 , the second
請參考圖1,第二閘極阻障層207可設置在第二功函數層205上。在一些實施例中,第二閘極阻障層207可包含與第一閘極阻障層107相同的材料。在一些實施例中,舉例來說,第二閘極阻障層207可為氮化鈦或是鈦/氮化鈦雙層。
Referring to FIG. 1 , the second
請參考圖1,第二閘極填充層209可設置在第二閘極阻障層207上。在一些實施例中,第二閘極填充層209可包含與第一閘極填充層
109相同的材料。在一些實施例中,舉例來說,第二閘極填充層209可包含鎢或鋁。
Referring to FIG. 1 , the second
請參考圖1,第二閘極罩蓋層211可設置在第二閘極填充層209上。在一些實施例中,第二閘極罩蓋層211可包含與第一閘極罩蓋層111相同的材料。在一些實施例中,舉例來說,第二閘極罩蓋層211可包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、氧化氮化矽或摻氟矽酸鹽。
Referring to FIG. 1 , the second
請參考圖1,複數個第二雜質區213可設置在第二主動區307中並鄰近第二閘極介電層201。在一些實施例中,複數個第二雜質區213可具有與複數個第一雜質區113相同的電類型。在一些實施例中,複數個第二雜質區213的電類型與複數個第一雜質區113的電類型可為不同。在一些實施例中,複數個第二雜質區213可包括p型摻雜物,例如硼、鋁、鎵以及銦。在一些實施例中,複數個第二雜質區213可包括n型摻雜物,例如銻、砷以及磷。在一些實施例中,複數個第二雜質區213的摻雜濃度可介於大約1E19 atoms/cm3到大約1E21 atoms/cm3之間。
Referring to FIG. 1 , a plurality of
請參考圖1,第二間隙子層215可設置在第二閘極堆疊200的側壁上。在一些實施例中,第二間隙子層215可包含與第一間隙子層115相同的材料。在一些實施例中,舉例來說,第二間隙子層215可包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或是氧化氮化矽。在一些實施例中,第二間隙子層215可包含與第二閘極罩蓋層211相同的一材料。
Referring to FIG. 1 , the
請參考圖1,字元線結構400可設置在陣列主動區309中。字元線結構400可包括一字元線隔離層401、一字元線阻障層403、一字元線導電層405以及一字元線罩蓋層407。
Referring to FIG. 1 , the
請參考圖1,字元線隔離層401可朝內設置在陣列主動區
309中。字元線隔離層401可具有一U形剖面輪廓。具有U形輪廓可避免角落效應。在一些實施例中,舉例來說,字元線隔離層401可包含一隔離材料,該隔離材料具有一介電常數,該介電常數大約為4.0或更大。替代地,在另一實施例中,該隔離材料可為氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、氧化氮化矽或類似物。
Please refer to FIG. 1, the word
請參考圖1,字元線阻障層403可設置在字元線隔離層401上。字元線阻障層403可具有一U形剖面輪廓。在一些實施例中,字元線阻障層403可包含與第一閘極阻障層107相同的材料。在一些實施例中,舉例來說,字元線阻障層403可為氮化鈦或是鈦/氮化鈦雙層。
Referring to FIG. 1 , the word
請參考圖1,字元線導電層405可設置在字元線阻障層403上。在一些實施例中,字元線導電層405可包含與第一閘極填充層109相同的材料。在一些實施例中,舉例來說,字元線導電層405可包含鎢或鋁。在一些實施例中,舉例來說,字元線導電層405可包含一導電材料,例如摻雜多晶矽、矽鍺、金屬、金屬合金、金屬矽化物、金屬氮化物、金屬碳化物或是其組合的多層。金屬可為鋁、銅、鎢或鈷。金屬矽化物可為矽化鎳、矽化鉑、矽化鈦、矽化鉬、矽化鈷、矽化鉭、矽化鎢或類似物。
Referring to FIG. 1 , the word line
請參考圖1,字元線罩蓋層407可設置在字元線隔離層401、字元線阻障層403以及字元線導電層405上。字元線罩蓋層407的上表面與基底301的上表面可大致呈共面。在一些實施例中,舉例來說,字元線罩蓋層407可包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、氧化氮化矽或是摻氟矽酸鹽。
Referring to FIG. 1 , the word
請參考圖1,複數個字元線雜質區409可設置在陣列主動區309中並鄰近字元線結構400。在一些實施例中,複數個字元線雜質區409
可包括p形摻雜物,例如硼、鋁、鎵以及銦。在一些實施例中,複數個字元線雜質區409可包括n形摻雜物,例如銻、砷以及磷。在一些實施例中,複數個字元線雜質區409的摻雜濃度可介於大約1E19 atoms/cm3到大約1E21 atoms/cm3之間。
Please refer to FIG. 1 , a plurality of word
圖2是剖視示意圖,例示本揭露另一實施例的半導體元件1B。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating a
請參考圖2,半導體元件1B可具有類似於如圖1所描述的一結構。在圖2中相同於或類似於圖1的元件已經以類似的元件編號進行標示,且已經省略其重複描述。
Please refer to FIG. 2 , the
在半導體元件1B中,字元線罩蓋層407可包括一下部407-1以及一上部407-3。下部407-1可設置在字元線隔離層401、字元線阻障層403以及字元線導電層405上。上部407-3可設置在下部407-1上。上部407-3的上表面與基底301的上表面可大致呈共面。下部407-1可包含一隔離材料,該隔離材料具有一介電常數,該介電常數大約為4.0或更大。上部407-3可包含一低介電常數材料,例如氧化矽或類似物。包含低介電常數材料的上部407-3可降低在基底301之上表面上的電場;因此,可減少漏電流。
In the
圖3到圖8是剖視示意圖,例示本揭露一些實施例之半導體1C、1D、1E、1F、1G、1H的一些部分。
3 to 8 are schematic cross-sectional views illustrating some parts of
請參考圖3,半導體元件1C可具有類似於如圖1所描述的一結構。在圖3中相同於或類似於圖1的元件已經以類似的元件編號進行標示,且已經省略其重複描述。
Please refer to FIG. 3 , the
在半導體元件1C中,第一功函數層105可包括一下功函數
層105-1以及一上功函數層105-3。下功函數層105-1可設置在第一閘極保護層103上。上功函數層105-3可設置在下功函數層105-1與第一閘極阻障層107之間。
In the
舉例來說,下功函數層105-1可包含鋁、銀、鈦、氮化鈦、鈦鋁、鋁碳化鈦(titanium carbide aluminum)、鋁氮化鈦(titanium nitride aluminum)、鋁矽化鈦(titanium silicon aluminum)、氮化鉭、碳化鉭、氮化矽鉭、錳、鋯或氮化鎢。舉例來說,上功函數層105-3可包含氮化鈦、氮化鉭、碳化鉭、氮化鎢或釕。 For example, the lower work function layer 105-1 may include aluminum, silver, titanium, titanium nitride, titanium aluminum, titanium carbide aluminum, titanium nitride aluminum, titanium aluminum silicide silicon aluminum), tantalum nitride, tantalum carbide, silicon tantalum nitride, manganese, zirconium or tungsten nitride. For example, the upper work function layer 105-3 may include titanium nitride, tantalum nitride, tantalum carbide, tungsten nitride or ruthenium.
請參考圖4,半導體元件1D可具有類似於如圖1所描述的一結構。在圖4中相同於或類似於圖1的元件已經以類似的元件編號進行標示,且已經省略其重複描述。
Please refer to FIG. 4 , the
在半導體元件1D中,一界面層117可設置在基底301與第一閘極介電層101之間。在一些實施例中,界面層117的厚度可介於大約5Å到大約20Å之間。界面層117可包含基底301的一化學氧化物,例如氧化矽。界面層117可促進第一閘極介電層101的形成。
In the
請參考圖5,半導體元件1E可具有類似於如圖1所描述的一結構。在圖5中相同於或類似於圖1的元件已經以類似的元件編號進行標示,且已經省略其重複描述。
Please refer to FIG. 5 , the
在半導體元件1E中,一調整層119可設置在第一閘極保護層103與第一功函數層105之間。在一些實施例中,調整層119可包括一材料或一合金,該材料或該合金包括鑭系氮化物(lanthanide nitride)。調整層119可用於微調第一閘極堆疊100的臨界電壓。
In the
請參考圖6,半導體元件1F可具有類似於如圖1所描述的一
結構。在圖6中相同於或類似於圖1的元件已經以類似的元件編號進行標示,且已經省略其重複描述。
Please refer to FIG. 6, the
在半導體元件1F中,一偶極層121可設置在基底301與第一閘極介電層101之間。在一些實施例中,偶極層121可具有一厚度,該厚度小於2nm。偶極層121可以置換在第一閘極介電層101中的多個缺陷,並可改善第一閘極介電層101的遷移率與可靠度。偶極層121可包含一材料,該材料包括以下其中一個或多個:氧化鎦(lutetium oxide)、氧化矽鎦(lutetium silicon oxide)、氧化釔(yttrium oxide)、氧化矽釔(yttrium silicon oxide)、氧化鑭(lanthanum oxide)、氧化矽鑭(lanthanum silicon oxide)、氧化鋇(barium oxide)、氧化矽鋇(barium silicon oxide)、氧化鍶(strontium oxide)、氧化矽鍶(strontium silicon oxide)、氧化鋁(aluminum oxide)、氧化矽鋁(aluminum silicon oxide)、氧化鈦(titanium oxide)、氧化矽鈦(titanium silicon oxide)、氧化鉿(hafnium oxide)、氧化矽鉿(hafnium silicon oxide)、氧化鋯(zirconium oxide)、氧化矽鋯(zirconium silicon oxide)、氧化鉭(tantalum oxide)、氧化矽鉭(tantalum silicon oxide)、氧化鈧(scandium Oxide)、氧化矽鈧(scandium silicon oxide)、氧化鎂(magnesium oxide)以及氧化矽鎂(magnesium silicon oxide)。
In the
請參考圖7,半導體元件1G可具有類似於如圖1所描述的一結構。在圖7中相同於或類似於圖1的元件已經以類似的元件編號進行標示,且已經省略其重複描述。
Please refer to FIG. 7 , the
在半導體元件1G中,一功能層123可設置在第一閘極介電層101與第一閘極保護層103之間。在一些實施例中,功能層123可具有一厚度,該厚度介於大約10Å到大約15Å之間。在一些實施例中,舉例來
說,功能層123可包含氮化鈦或氮化鉭。功能層123可保護第一閘極介電層101避免在接下來的半導體製程期間造成損傷。在一些實施例中,舉例來說,功能層123可包含鈦以及矽化鈦。功能層123還可降低第一閘極保護層103的電阻率。因此,可改善第一閘極堆疊100的特性。結果,可改善半導體元件1G的效能。
In the
請參考圖8,半導體元件1H可具有類似於如圖1所描述的一結構。在圖8中相同於或類似於圖1的元件已經以類似的元件編號進行標示,且已經省略其重複描述。
Please refer to FIG. 8 , the
在半導體元件1H中,界面層117可設置在基底301上。偶極層121可設置在第一閘極介電層101與界面層117之間。功能層123可設置在第一閘極介電層101與第一閘極保護層103之間。調整層119可設置在第一功函數層105與第一閘極保護層103之間。
In the
應當理解,「正在形成(forming)」、「已經形成(formed)」以及「形成(form)」的術語,可表示並包括任何產生(creating)、構建(building)、圖案化(patterning)、植入(implanting)或沉積(depositing)一元件(element)、一摻雜物(dopant)或一材料的方法。形成方法的例子可包括原子層沉積(atomic layer deposition)、化學氣相沉積(chemical vapor deposition)、物理氣相沉積(physical vapor deposition)、噴濺(sputtering)、旋轉塗佈(spin coating)、擴散(diffusing)、沉積(depositing)、生長(growing)、植入(implantation)、微影(photolithography)、乾蝕刻以及濕蝕刻,但並不以此為限。 It should be understood that the terms "forming", "formed" and "form" may denote and include any creating, building, patterning, planting A method of implanting or depositing an element, a dopant, or a material. Examples of formation methods may include atomic layer deposition, chemical vapor deposition, physical vapor deposition, sputtering, spin coating, diffusion (diffusing), deposition (depositing), growth (growing), implantation (implantation), photolithography (photolithography), dry etching and wet etching, but not limited thereto.
應當理解,在本揭露的描述中,文中所提到的功能或步驟可發生不同於各圖式中之順序。舉例來說,連續顯示的兩個圖式實際上可 以大致同時執行,或者是有時可以相反順序執行,其取決於所包含的功能或步驟。 It should be understood that, in the description of the present disclosure, functions or steps mentioned herein may occur out of the order shown in the accompanying drawings. For example, two graphs displayed in succession can actually may be performed substantially simultaneously, or sometimes in reverse order, depending on the functions or steps involved.
圖9是流程示意圖,例示本揭露一實施例之半導體元件1A的製備方法10。圖10到圖23是剖視示意圖,例示本揭露一實施例之製備半導體元件1A的一流程。
FIG. 9 is a schematic flowchart illustrating a
請參考圖9及圖10,在步驟S11,可提供包括一陣列區AA以及一周圍區PA的一基底301,且一絕緣層303可形成在基底301中。
Please refer to FIG. 9 and FIG. 10 , in step S11 , a
請參考圖10,周圍區PA可圍繞陣列區AA。可執行一系列的沉積製程,以沉積一墊氧化物層(圖未示)以及一墊氮化物層(圖未示)在基底301上。可執行一微影製程以界定絕緣層303的位置。在微影製程之後,可執行一蝕刻製程,例如一非等向性乾蝕刻製程,以形成多個溝槽而穿經該墊氧化物層、該墊氮化物層以及基底301。一隔離材料可沉積進入該等溝槽,並可接著執行一平坦化製程,例如化學機械研磨,以移除多於填充材料,直到暴露基底301並形成絕緣層303為止。舉例來說,該隔離材料可為氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、氧化氮化矽或摻氟矽酸鹽。絕緣層303可在周圍區PA界定一第一主動區305以及一第二主動區307,且在陣列區AA中界定一陣列主動區309。
Referring to FIG. 10 , the surrounding area PA may surround the array area AA. A series of deposition processes may be performed to deposit a pad oxide layer (not shown) and a pad nitride layer (not shown) on the
請參考圖9及圖11,在步驟S13,一字元線溝槽TR1可形成在陣列區AA中,一層第一隔離材料501可共形地形成在字元線溝槽TR1中以及在基底301上。
9 and FIG. 11, in step S13, a word line trench TR1 can be formed in the array region AA, a layer of
請參考圖11,可執行一微影製程以界定在陣列區AA處之字元線溝槽TR1的位置。在微影製程之後,可執行一蝕刻製程,例如一非等向性乾蝕刻製程,以移除基底301的一部分並形成字元線溝槽TR1。舉
例來說,該層第一隔離材料501可藉由化學氣相沉積、原子層沉積或其他可應用的沉積製程而共形地形成在字元線溝槽501內以及在基底301上。舉例來說,第一隔離材料501可包含氧化鉿、氧化鋯鉿、氧化鑭鉿、氧化矽鉿、氧化鉭鉿、氧化鈦鉿、氧化鋯、氧化鋁、氧化矽鋁、氧化鈦、五氧化二鉭(tantalum pentoxide)、氧化鑭、氧化矽鑭、鈦酸鍶、鋁酸鑭、氧化釔、氧化鎵(gallium(III)trioxide)、釓鎵氧化物(gadolinium gallium oxide)、鋯鈦酸鉛(lead zirconium titanate)、鈦酸鋇(barium titanate)、鈦酸鍶鋇(barium strontium titanate)、鋯酸鋇(barium zirconate)或其混合物。
Referring to FIG. 11 , a lithography process may be performed to define the position of the word line trench TR1 at the array area AA. After the lithography process, an etching process, such as an anisotropic dry etching process, may be performed to remove a portion of the
請參考圖9、圖12及圖13,在步驟S15,一層保護材料503可共形地形成在該層第一隔離材料501上,而該層第一隔離材料501形成在周圍區PA上,且一層第一功函數材料505以及一層第二功函數材料507可共形地形成在該層保護材料503上。
Please refer to FIG. 9, FIG. 12 and FIG. 13, in step S15, a layer of
請參考圖12,可形成一第一遮罩層601以覆蓋陣列區AA。舉例來說,第一遮罩層601可為氮化矽。保護材料503可為氮化矽鈦。
Please refer to FIG. 12 , a
在一些實施例中,該層保護材料503的製作技術可包含一熱化學氣相沉積製程。在熱化學氣相沉積製程期間,可將一含鈦氣體、一含矽氣體以及一含氮氣體引入到在周圍區PA上的該層第一隔離材料501,以形成一氮化矽鈦膜(例如該層保護材料503)。舉例來說,含鈦氣體可為四(二甲基醯胺基)鈦(tetraxydimethylaminotitanium,TDMAT)或四(二乙基醯胺基)鈦(tetraxydiethylaminotitanium,TDEAT)。舉例來說,含矽氣體可為SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4、SiH4或Si2H6。舉例來說,含氮氣體可為氨氣(ammonia)或是甲基肼(monomethylhydrazine)。含鈦氣體的流量可
介於大約5標準立方公分每分鐘(standard cubic centimeters per minute,sccm)到大約50sccm之間。含矽氣體的流量可介於大約5sccm到大約500sccm之間。含氮氣體的流量可介於大約50sccm到大約500sccm之間。熱化學氣相沉積製程的製程壓力可介於大約0.3Torr到大約5Torr之間。而製程溫度可介於大約400℃到大約650℃之間。
In some embodiments, the fabrication technique of the layer of
替代地,在一些實施例中,該層保護材料503的製作技術可包含一電漿化學氣相沉積製程。舉例來說,用於產生電漿的氣體可為氫以及氬。電漿之射頻功率的頻率可為13.56MHz。電漿的射頻功率可介於大約200W到大約800W之間。含鈦氣體(例如TiCl4)的流量可介於大約1sccm到大約10sccm之間。含矽氣體(例如SiH4)的流量可介於大約0.1sccm到大約10sccm之間。含氮氣體(N2)的流量可介於大約30sccm到大約500sccm之間。氫的流量可介於大約100到3000sccm之間。氬的流量可介於大約100到2000sccm之間。電漿化學氣相沉積製程的製程壓力可介於大約0.5Torr到大約5Torr之間。而製程溫度可介於大約350℃到大約450℃之間。
Alternatively, in some embodiments, the fabrication technique of the layer of
替代地,在一些實施例中,一層氮化鈦以及一層氮化矽可依序形成在該層第一隔離材料501上,而該層第一隔離材料501形成在周圍區PA上。可執行一退火(annealing)製程以將該層氮化鈦以及該層氮化矽轉換成一氮化矽鈦膜(例如該層保護材料503)。
Alternatively, in some embodiments, a layer of titanium nitride and a layer of silicon nitride can be sequentially formed on the layer of the
請參考圖13,在一些實施例中,該層第一功函數材料505以及該層第二功函數材料507可單獨形成。在一些實施例中,該層第一功函數材料505以及該層第二功函數材料507可包含相同材料,並可同時形成。舉例來說,第一功函數材料505以及第二功函數材料507可為鋁、
銀、鈦、氮化鈦、鈦鋁、鋁碳化鈦(titanium carbide aluminum)、鋁氮化鈦(titanium nitride aluminum)、鋁矽化鈦(titanium silicon aluminum)、氮化鉭、碳化鉭、氮化矽鉭、錳、鋯或氮化鎢。舉例來說,該層第一功函數材料505以及該層第二功函數材料507的製作技術可包含原子層沉積、電漿氣相沉積、化學氣相沉積或是其他可應用的沉積製程。
Please refer to FIG. 13 , in some embodiments, the layer of first
請參考圖9、圖14及圖15,在步驟S17,一層第一阻障材料509可共形地形成在該層第一隔離材料501上、在該層第一功函數材料505上以及在該層第二功函數材料507上,且一層填充材料511可形成在該層第一阻障材料509上。
Please refer to FIG. 9, FIG. 14 and FIG. 15, in step S17, a layer of
請參考圖14,可移除第一遮罩層601。接下來,該層第一阻障材料509可共形地形成在該層第一功函數材料505上、在該層第二功函數材料507上以及在該層第一隔離材料501上,而該層第一隔離材料501形成在陣列區AA中。舉例來說,該層第一阻障材料509的製作技術可包含化學氣相沉積、原子層沉積、物理氣相沉積或其他可應用的沉積製程。第一阻障材料509可為鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭或其組合。
Referring to FIG. 14 , the
請參考圖15,該層填充材料511可形成在該層第一阻障材料509上。舉例來說,該層填充材料511的製作技術可包含物理氣相沉積、化學氣相沉積、噴濺或其他可應用的沉積製程。舉例來說,填充材料511可為鎢、鋁、摻雜多晶矽、矽鍺、金屬、金屬合金、金屬矽化物、金屬氮化物或是金屬碳化物。在一些實施例中,可執行一平坦化製程,例如化學機械研磨,以提供一大致平坦表面給接下來的處理步驟。
Referring to FIG. 15 , the layer of filling
請參考圖9以及圖16到圖19,在步驟S19,可圖案化該層第一隔離材料501、該層保護材料503、該層第一功函數材料505、該層第二
功函數材料507、該層第一阻障材料509以及該層填充材料511,以形成一第一閘極堆疊100以及一第二閘極堆疊200在周圍區PA上。
Please refer to FIG. 9 and FIG. 16 to FIG. 19. In step S19, the layer of
請參考圖16,一層硬遮罩材料513可形成在該層填充材料511上。可執行一平坦化製程,例如化學機械研磨,以提供一大致平坦表面給接下來的處理步驟。一第二硬遮罩層603可形在該層硬遮罩材料513上。第二硬遮罩層603可包括第一閘極堆疊100與第二閘極堆疊200的圖案。應當理解,陣列區AA可被第二硬遮罩層603所覆蓋。
Referring to FIG. 16 , a layer of
請參考圖17,可執行一蝕刻製程,例如一非等向性乾蝕刻製程,以將第一閘極堆疊100與第二閘極堆疊200的圖案轉換到硬遮罩層515(亦表示成圖案化硬遮罩層515)上。
Referring to FIG. 17, an etching process, such as an anisotropic dry etching process, may be performed to convert the pattern of the
請參考圖18,可使用圖案化硬遮罩層515當作遮罩而執行一蝕刻製程,以移除第一隔離材料501、保護材料503、第一功函數材料505、第二功函數材料507、第一阻障材料509以及填充材料511的一些部分。
Referring to FIG. 18, an etching process can be performed using the patterned
在蝕刻製程之後,形成在周圍區PA上的該層第一隔離材料501可轉換成第一閘極介電層101以及第二閘極介電層201。該層保護材料503可轉換成第一閘極保護層103以及第二閘極保護層203。該層第一功函數材料505可轉換成第一功函數層105。該層第二功函數材料507可轉換成第二功函數層205。形成在周圍區PA上的該層第一阻障材料509可轉換成第一閘極阻障層107以及第二閘極阻障層207中。形成在周圍區PA上的該層填充材料511可轉換成第一閘極填充層109以及第二閘極填充層209。
After the etching process, the layer of
請參考圖18,第一閘極介電層101、第一閘極保護層103、第一功函數層105、第一閘極阻障層107以及第一閘極填充層109可配置成
第一閘極堆疊100。第二閘極介電層201、第二閘極保護層203、第二功函數層205、第二閘極阻障層207以及第二閘極填充層209可配置成第二閘極堆疊200。
Please refer to FIG. 18, the first
請參考圖19,可執行一植入製程以形成複數個第一雜質區113以及複數個第二雜質區213。植入製程的摻雜物可包括p型雜質(摻雜物)或是n型雜質(摻雜物)。P型雜質可添加到一本質半導體以產生多個價電子的缺陷。在一含矽基底中,p型摻雜物或雜質的例子包括硼、鋁、鎵以及銦,但並不以此為限。n型雜質可添加到一本質半導體以貢獻多個自由電子給該本質半導體。在一含矽基底中,n型摻雜物或雜質的例子包括銻、砷以及磷,但並不以此為限。在一些實施例中,複數個第一雜質區113與複數個第二雜質區213的摻雜濃度可介於大約1E19 atoms/cm3到大約1E21 atoms/cm3之間。在植入製程之後,複數個第一雜質區113與複數個第二雜質區213可具有一電類型,例如n型或p型。在一些實施例中,複數個第一雜質區113與複數個第二雜質區213的製作技術可包含兩個不同植入製程。
Referring to FIG. 19 , an implantation process may be performed to form a plurality of
請參考圖1及圖20到圖23,在步驟S21,一字元線結構400可形成在陣列區AA中。
Please refer to FIG. 1 and FIG. 20 to FIG. 23 , in step S21 , a
請參考圖20,可形成一第三遮罩層605以覆蓋周圍區PA。可執行一凹入(recess)製程以移除第一隔離材料501、第一阻障材料509以及填充材料511在陣列區AA中的部分。在凹入製程之後,該層第一隔離材料501可轉換成在字元線溝槽TR1中的字元線隔離層401。該層第一阻障材料509可轉換成在字元線溝槽TR1中的字元線阻障層403。該層填充材料511可轉換成在字元線溝槽TR1中的字元線導電層405。
Referring to FIG. 20 , a
請參考圖21,可形成一字元線罩蓋層407以完全填滿字元線溝槽TR1。字元線隔離層401、字元線阻障層403、字元線導電層405以及字元線罩蓋層407一起配置成字元線結構400。
Referring to FIG. 21, a word
請參考圖22,可執行一植入製程以形成複數個字元線雜質區409。植入製程的摻雜物可包括p型雜質(摻雜物)或是n型雜質(摻雜物)。在一些實施例中,複數個字元線雜質區409的摻雜濃度介於大約1E19 atoms/cm3到大約1E21 atoms/cm3之間。在植入製程之後,複數個字元線雜質區409可具有一電類型,例如N型或p型。
Referring to FIG. 22 , an implantation process may be performed to form a plurality of word
請參考圖23,可移除第三遮罩層605。接下來,一層間隙子材料(圖未示)可共形地形成在基底301上,以覆蓋第一閘極堆疊100與第二閘極堆疊200。舉例來說,間隙子材料可為氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、氧化氮化矽或是摻氟矽酸鹽。可執行一蝕刻製程,例如一非等向性乾蝕刻製程,以移除間隙子材料的一部分且同時形成第一閘極罩蓋層111、第一間隙子層115、第二閘極罩蓋層211以及第二間隙子層215。
Referring to FIG. 23 , the
本揭露之一實施例提供一種半導體元件,包括一基底;以及一第一閘極堆疊,設置在該基底上並包括:一第一閘極介電層,設置在該基底上;一第一閘極保護層,設置在該第一閘極介電層上包括氮化矽鈦;一第一功函數層,設置在該第一閘極保護層上;以及一第一閘極填充層,設置在該第一功函數層上。 An embodiment of the present disclosure provides a semiconductor device, including a substrate; and a first gate stack disposed on the substrate and including: a first gate dielectric layer disposed on the substrate; a first gate stack An electrode protection layer disposed on the first gate dielectric layer includes silicon nitride titanium; a first work function layer disposed on the first gate protection layer; and a first gate filling layer disposed on the on the first work function layer.
本揭露之另一實施例提供一種半導體元件,包括一基底,包括一陣列區及一周圍區,該周圍區圍繞該陣列區;一字元線結構,設置在該陣列區中;以及一第一閘極堆疊,設置在該周圍區上並包括:一第一閘極介電層,設置在該周圍區上;一第一閘極保護層,設置在該第一閘極 介電層上且包括氮化矽鈦;一第一功函數層,設置在該第一閘極保護層上;以及一第一閘極填充層,設置在該第一功函數層上。 Another embodiment of the present disclosure provides a semiconductor device, including a base, including an array area and a surrounding area, the surrounding area surrounds the array area; a word line structure is disposed in the array area; and a first The gate stack is disposed on the surrounding area and includes: a first gate dielectric layer disposed on the surrounding area; a first gate protection layer disposed on the first gate The dielectric layer includes titanium nitride silicon; a first work function layer is arranged on the first gate protection layer; and a first gate filling layer is arranged on the first work function layer.
本揭露之另一實施例提供一種半導體元件的製備方法,包括提供一基底,包括一陣列區以及一周圍區,該周圍區圍繞該陣列區;形成一字元線溝槽在該陣列區中;共形地形成一層第一隔離材料在該字元線溝槽中以及在該基底上;共形地形成一層保護材料在形成在該周圍區上的該層第一隔離材料上;共形地形成一層第一功函數材料在該層保護材料上;共形地形成一層第一阻障材料在該層第一隔離材料上以及在該層第一功函數材料上;形成一層填充材料在該層第一阻障材料上;以及圖案化該層第一隔離材料、該層保護材料、該層第一功函數材料、該層第一阻障材料以及該層填充材料,以形成一第一閘極堆疊在該周圍區上以及形成一字元線結構在該陣列區中;其中該保護材料包括氮化矽鈦。 Another embodiment of the present disclosure provides a method for manufacturing a semiconductor device, including providing a substrate, including an array region and a peripheral region, the peripheral region surrounding the array region; forming a word line trench in the array region; Conformally forming a layer of first isolation material in the word line trench and on the substrate; conformally forming a layer of protective material on the layer of first isolation material formed on the surrounding area; conformally forming a layer of first work function material on the layer of protective material; conformally forming a layer of first barrier material on the layer of first isolation material and on the layer of first work function material; forming a layer of filler material on the layer of first on a barrier material; and patterning the layer of first isolation material, the layer of protection material, the layer of first work function material, the layer of first barrier material and the layer of filling material to form a first gate stack A word line structure is formed on the surrounding area and in the array area; wherein the protection material includes titanium silicon nitride.
由於本揭露該半導體元件的設計,包括氮化矽鈦的第一閘極保護層103可具有一低電阻率以及一優異的阻隔特性,且在加熱情況下是穩定的。因此,包括包含氮化矽鈦之第一閘極保護層103的第一閘極堆疊100可具有優異的特性。因此,可改善半導體元件1A的效能。
Due to the design of the semiconductor device of the present disclosure, the first
雖然已詳述本揭露及其優點,然而應理解可進行各種變化、取代與替代而不脫離申請專利範圍所定義之本揭露的精神與範圍。例如,可用不同的方法實施上述的許多製程,並且以其他製程或其組合替代上述的許多製程。 Although the present disclosure and its advantages have been described in detail, it should be understood that various changes, substitutions and substitutions can be made without departing from the spirit and scope of the present disclosure as defined by the claims. For example, many of the processes described above can be performed in different ways and replaced by other processes or combinations thereof.
再者,本申請案的範圍並不受限於說明書中所述之製程、機械、製造、物質組成物、手段、方法與步驟之特定實施例。該技藝之技術人士可自本揭露的揭示內容理解可根據本揭露而使用與本文所述之對應 實施例具有相同功能或是達到實質上相同結果之現存或是未來發展之製程、機械、製造、物質組成物、手段、方法、或步驟。據此,此等製程、機械、製造、物質組成物、手段、方法、或步驟包含於本申請案之申請專利範圍內。 Furthermore, the scope of the present application is not limited to the specific embodiments of the process, machine, manufacture, composition of matter, means, methods and steps described in the specification. Those skilled in the art can understand from the disclosure content of this disclosure that the corresponding method described herein can be used according to this disclosure. The embodiments have the same function or the existing or future development process, machine, manufacture, material composition, means, method, or steps to achieve substantially the same result. Accordingly, such process, machinery, manufacture, material composition, means, method, or steps are included in the patent scope of this application.
1A:半導體元件 1A: Semiconductor components
100:第一閘極堆疊 100: first gate stack
101:第一閘極介電層 101: The first gate dielectric layer
103:第一閘極保護層 103: The first gate protection layer
105:第一功函數層 105: The first work function layer
107:第一閘極阻障層 107: The first gate barrier layer
109:第一閘極填充層 109: The first gate filling layer
111:第一閘極罩蓋層 111: the first gate cover layer
113:第一雜質區 113: the first impurity region
115:第一間隙子層 115: The first gap sublayer
200:第二閘極堆疊 200: second gate stack
201:第二閘極介電層 201: second gate dielectric layer
203:第二閘極保護層 203: Second gate protection layer
205:第二功函數層 205: Second work function layer
207:第二閘極阻障層 207: The second gate barrier layer
209:第二閘極填充層 209: Second gate filling layer
211:第二閘極罩蓋層 211: second gate cover layer
213:第二雜質區 213: the second impurity region
215:第二間隙子層 215: Second gap sublayer
301:基底 301: Base
303:絕緣層 303: insulation layer
305:第一主動區 305: The first active zone
307:第二主動區 307: The second active area
309:陣列主動區 309: Array active area
400:字元線結構 400: character line structure
401:字元線隔離層 401: word line isolation layer
403:字元線阻障層 403: word line barrier layer
405:字元線導電層 405: word line conductive layer
407:字元線罩蓋層 407:Character line cover layer
409:字元線雜質區 409: Word line impurity area
AA:陣列區 AA: array area
PA:周圍區 PA: Peripheral Area
T1:厚度 T1: Thickness
T2:厚度 T2: Thickness
Z:方向 Z: Direction
Claims (14)
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US17/667,667 US20230253209A1 (en) | 2022-02-09 | 2022-02-09 | Semiconductor device with protection layer and method for fabricating the same |
US17/667,667 | 2022-02-09 | ||
US17/667,813 | 2022-02-09 | ||
US17/667,813 US20230253210A1 (en) | 2022-02-09 | 2022-02-09 | Semiconductor device with protection layer |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
TWI803281B true TWI803281B (en) | 2023-05-21 |
TW202333297A TW202333297A (en) | 2023-08-16 |
Family
ID=87424560
Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
TW111114238A TWI803281B (en) | 2022-02-09 | 2022-04-14 | Semiconductor device with protection layer and method for fabricating the same |
TW111114235A TWI817444B (en) | 2022-02-09 | 2022-04-14 | Semiconductor device with protection layer |
Family Applications After (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
TW111114235A TWI817444B (en) | 2022-02-09 | 2022-04-14 | Semiconductor device with protection layer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
TW (2) | TWI803281B (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
TW201731104A (en) * | 2015-10-20 | 2017-09-01 | 台灣積體電路製造股份有限公司 | Gate structure, semiconductor device and the method of forming semiconductor device |
TW202011517A (en) * | 2018-09-13 | 2020-03-16 | 南韓商三星電子股份有限公司 | Integrated circuit device including gate spacer structure |
US20200373306A1 (en) * | 2016-12-13 | 2020-11-26 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Semiconductor device and method of fabricating the same |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11069676B2 (en) * | 2019-09-27 | 2021-07-20 | Nanya Technology Corporation | Semiconductor device and method for fabricating the same |
US11699736B2 (en) * | 2020-06-25 | 2023-07-11 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Gate structure and method |
-
2022
- 2022-04-14 TW TW111114238A patent/TWI803281B/en active
- 2022-04-14 TW TW111114235A patent/TWI817444B/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
TW201731104A (en) * | 2015-10-20 | 2017-09-01 | 台灣積體電路製造股份有限公司 | Gate structure, semiconductor device and the method of forming semiconductor device |
US20200373306A1 (en) * | 2016-12-13 | 2020-11-26 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Semiconductor device and method of fabricating the same |
TW202011517A (en) * | 2018-09-13 | 2020-03-16 | 南韓商三星電子股份有限公司 | Integrated circuit device including gate spacer structure |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
TW202333377A (en) | 2023-08-16 |
TWI817444B (en) | 2023-10-01 |
TW202333297A (en) | 2023-08-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TWI779616B (en) | Semiconductor device with graphene-based element and method for fabricating the same | |
TWI779781B (en) | Gate-all-around semiconductor device with dielectric-all-around capacitor and method for fabricating the same | |
TWI833077B (en) | Semiconductor device with programmable element and method for fabricating the same | |
TWI749703B (en) | Semiconductor device and method for fabricating the same | |
TWI803281B (en) | Semiconductor device with protection layer and method for fabricating the same | |
TWI793520B (en) | Semiconductor device and method for fabricating the same | |
US20230253209A1 (en) | Semiconductor device with protection layer and method for fabricating the same | |
US20230253210A1 (en) | Semiconductor device with protection layer | |
TWI798857B (en) | Semiconductor device with contact having tapered profile and method for fabricating the same | |
TWI798865B (en) | Method for fabricating semiconductor device with horizontally arranged capacitor and the same | |
US11647626B2 (en) | Method for fabricating semiconductor device with tapering impurity region | |
TWI809613B (en) | Semiconductor device with leakage current guide path and method for fabricating the same | |
TWI847612B (en) | Semiconductor device with supporting layer | |
US20240008262A1 (en) | Semiconductor device with vanadium-containing spacers and method for fabricating the same | |
US20240090201A1 (en) | Semiconductor device with supporting layer and method for fabricating the same | |
TWI847928B (en) | Semiconductor device with supporting layer | |
US11605703B2 (en) | Semiconductor device with capacitors having shared electrode and method for fabricating the same | |
TW202139466A (en) | Semiconductor device with a programmable contact and method for fabricating the same | |
TW202240848A (en) | Semiconductor device with multiple threshold voltages and method for fabricating the same | |
TW202312435A (en) | Semiconductor device with bit line contact and method for fabricating the same | |
TW202249240A (en) | Semiconductor device with inverter and method for fabricating the same | |
CN116779677A (en) | Semiconductor element and method for manufacturing the same |