專利名稱：高k金屬柵極晶體管的閾值電壓控制和驅動電流改善的方法和結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體涉及集成電路，更具體地涉及制造高介電常數(shù)(高k)電介質柵極結構的方法，該柵極結構具有界面氮化以調節(jié)閾值電壓和改善驅動電流。
背景技術：
集成電路經常采用已知為諸如場效應晶體管(FET)的晶體管的有源器件。金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)包括硅基襯底，該硅基襯底包括通過溝道區(qū)分隔開的一對雜質區(qū)(即源極結和漏極結)。在溝道區(qū)上方，柵極電極被電介質分隔開。結可包括摻雜劑，該摻雜劑的類型與溝道區(qū)中存在的摻雜劑的類型相反。包括η型摻雜結的MOSFET稱為NFET。包括ρ型摻雜結的MOSFET稱為PFET。在將摻雜劑注入到相鄰的源極和漏極結期間，柵極電極可用作溝道區(qū)的掩模。淺溝槽隔離(STI)結構可形成在襯底中，以隔離集成電路中不同MOSFET的結。此外，可橫跨集成電路的MOSFET設置層間電介質，以將柵極區(qū)域和結與上面的互連線隔離。歐姆接觸可貫穿層間電介質下至柵極區(qū)或結而形成，以將柵極區(qū)或結連接到互連線。MOSFET的溝道和柵極電極之間插入的柵極電介質曾經主要由熱生長二氧化硅 (氧化物)制成。由于需要具有更高工作頻率的集成電路，氧化物柵極電介質的厚度穩(wěn)定地減小以增加柵極電容，從而增加MOSFET的驅動電流。然而，隨著氧化物柵極電介質的厚度減小，穿過柵極電介質的漏電流增加，從而導致器件可靠性降低。因此，氧化物柵極電介質目前被介電常數(shù)(k)比氧化物更高的電介質(即k > 3. 8)取代。這種“高k電介質”提供增加的柵極電容，而對漏電流無不利影響。典型地，高k金屬柵極晶體管的閾值電壓通過金屬柵極的功函數(shù)調節(jié)。由于在 CMOS應用中對NFET和PFET 二者的閾值電壓的要求，因此需要顯著增加工藝復雜度和成本的雙金屬集成。此外，已經發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)的柵極首次集成中，PFET金屬柵極是熱力學不穩(wěn)定的。調節(jié)閾值電壓的另一種途徑是在高k電介質的頂部增加帽層。然而，帽層會顯著降低溝道遷移率，從而除了額外的工藝復雜度和成本之外還降低器件的驅動電流。

發(fā)明內容
在本發(fā)明的第一方面，一種形成器件的方法包括提供襯底。該方法包括在襯底上形成界面層。該方法包括在界面層上沉積高k電介質層。該方法還包括在該高k電介質層上沉積除氧層。該方法也包括進行退火。在本發(fā)明的另一方面，一種結構包括襯底。該結構包括襯底上的界面層。該結構還包括界面層上的高k電介質層。該結構也包括高k電介質層上的除氧層。


在下面的詳細說明中參照附圖描述本發(fā)明，其中附圖示出本發(fā)明的示例性實施例的非限制性示例。圖1示出根據(jù)本發(fā)明實施例的處理步驟和最終結構；以及圖2示出根據(jù)本發(fā)明的供選擇的實施例的處理步驟和最終結構。
具體實施例方式參照圖1，獲得體襯底(bulk substrate) 100。體襯底100可包括但不限于選自輕摻雜有η型或ρ型摻雜劑的單晶硅、硅鍺(SiGe)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦QnP)或者銻化銦(InSb)的材料。作為選擇，半導體層可形成在絕緣層上，以制造絕緣體上硅(SOI) 或者等效的絕緣體上SiGe、絕緣體上Ge或者絕緣體結構上的III-V(諸如GaAsUnPUnSb) 結構?？稍谝r底100的表面上執(zhí)行柵極預清洗。等離子體氮化工藝用于形成氮化界面層200。等離子體氮化工藝可在約室溫至 500°C、約1毫托(mT)至1個大氣(atm)壓強、約10瓦(W)至2000W下進行，并且可采用氮 (N2)或者氨(MK)。氮化界面層200可包括但不限于氧化物、氮化物、氮氧化物以及氮化氧化物。氮化界面層200可具有約3A至20A的厚度。氮劑量可在每平方厘米上2E14至3E15 的范圍內。作為選擇，熱氮化工藝可用于形成氮化層200。熱氮化工藝可在約700°C或者以上的工藝溫度下進行，并且可采用氮源，諸如氨(MK)。此工藝之后可選擇性地進行在約 700°C或以上采用氧(0 或者其它氧源的氧化。氮化界面層200最終可位于柵極之下。氮化界面層200提供閾值電壓降并且改善高k金屬柵極FET的驅動電流和遷移率。然后，在氮化界面層200之上沉積高k電介質層300。高k電介質層300可具有約 10 A至60A的厚度。高k電介質層300可通過任何已知或者以后開發(fā)的方法被沉積作為柵極電介質，這些方法包括但不限于化學氣相沉積(CVD)或者原子層沉積(ALD)。高k電介質層300可包括但不限于氧化鉿(Hf02)、氮氧化鉿硅(HfSiON)、氧化鉭(Ta205)、氧化鋁 (A1203)、氧化鋯(&02)、氧化鈦(110 以及包括上述電介質中至少一種的組合物。接著，除氧層400沉積在高k電介質層上。除氧層400可具有約IA至20A的厚度。 除氧層400可通過任何已知或者以后開發(fā)的方法被沉積，這些方法包括但不限于化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)或者原子層沉積(ALD)。除氧層400可包括但不限于鑭系金屬、稀土金屬、TiN-特別是富Ti的TiN、2族元素或者3族元素。通過沉積除氧層400而產生的高k電介質層300中的氧空位消耗下面的氧化物、氮化物、氮氧化物或者氮化氧化物界面層200的上表面。然后進行退火?？衫?2氣氛或者N2氣氛或者順序的02和N2氣氛。退火溫度可為900°C以上。選擇性地，該工藝可包括在退火之前形成柵極。選擇性地，在柵極形成之前可進行第一次退火，并且在柵極形成之后可進行第二次退火。參照圖2，在本發(fā)明的供選擇實施例中，在等離子體或熱氮化之前，襯底100上可形成基底氧化層110?；籽趸瘜?10可具有約3A至20A的厚度?？赏ㄟ^任何已知或者以后開發(fā)的工藝沉積或者生長基底氧化層110。其它步驟與第一實施例中所述的相同。如上所述的方法用于集成電路芯片的制造中。制造的集成電路芯片被制造者以作為裸片的未加工晶片的形式(即，作為具有多個未封裝芯片的單個晶片)或者以封裝的形式分配。在后者的情況下，芯片被安裝在單個芯片封裝(諸如、塑料載體，其具有固定于母板或其它更高級載體的引線)中或者被安裝在多芯片封裝(諸如，陶瓷載體，其具有表面互連或者埋置互連之一或者二者兼有)中。在任何情況下，隨后將芯片與作為(a)諸如母板的中間產品或(b)最終產品中一者的一部分的其它芯片、分立電路元件和/或其它信號處理裝置整合。最終產品可以是包括集成電路芯片的任何產品，其范圍從玩具和其它低端應用到具有顯示器、鍵盤或者其它輸入裝置以及中央處理器的高級計算機產品。為了說明和描述目的，已給出本發(fā)明的描述，但不意味著是窮舉性的或受限于公開形式的本發(fā)明。在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，多種變更和變型對本領域的普通技術人員是顯而易見的。選擇和描述實施例是為了最好地解釋本發(fā)明的原理和實際應用，并且能夠使其它的本領域普通技術人員理解具有不同變型的各種實施方式的本發(fā)明適于預期的特定使用。工業(yè)應用性本發(fā)明在半導體器件的制造中具有實用性。
權利要求
1.一種形成器件的方法，包括 提供襯底(100)；在該襯底(100)上形成界面層(200)； 在該界面層(200)上沉積高k電介質層(300)； 在該高k電介質層(300)上沉積除氧層000)；以及進行退火。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中該界面層(200)通過等離子體氮化而形成。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中該界面層(200)通過熱氮化而形成。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中該界面層(200)選自氧化物、氮化物、氮氧化物以及氮化氧化物構成的組。
5.根據(jù)權利要求ι所述的方法，其中該界面層(200)具有約3A至20A的厚度。
6.根據(jù)權利要求ι所述的方法，其中該界面層O00)中的氮劑量為每平方厘米上約 2E14 至 3E15。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中該高k電介質層(300)通過CVD或者ALD被沉積作為柵極電介質。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其中該高k電介質層(300)選自氧化鉿(Hf02)、氮氧化鉿硅(HfSiON)、氧化鉭(1^20 、氧化鋁(A1203)、氧化鋯(ZrC^)以及氧化鈦(110 構成的組。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中該高k電介質層(300)具有約IOA至60A的厚度。
10.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中該除氧層(400)選自鑭系金屬、稀土金屬、富鈦 (富Ti)的氮化鈦、2族元素以及3族元素構成的組。
11.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中該退火步驟是在約900°c或更高的溫度下進行。
12.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中在該退火步驟之前形成柵極。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中該退火步驟包括在柵極形成之前進行第一次退火，以及在柵極形成之后進行第二次退火。
14.一種形成器件的方法，包括 提供襯底(100)；在該襯底(100)上形成基底氧化層(110)； 在該襯底(100)上形成界面層O00)； 在該界面層(200)上沉積高k電介質層(300)； 在該高k電介質層(300)上沉積除氧層000)；以及進行退火。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中該界面層(200)通過等離子體氮化而沉積。
16.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中該界面層(200)通過熱氮化而沉積。
17.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中該界面層(200)選自氧化物、氮化物、氮氧化物以及氮化氧化物構成的組。
18.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中該界面層(200)具有約3A至20A的厚度。
19.一種結構，包括 襯底(100)；該襯底(100)上的界面層(200)； 該界面層(200)上的高k電介質層(300)；以及該高k電介質層(300)上的除氧層(400)。
20.根據(jù)權利要求19所述的結構，其中該界面層(200)通過等離子體氮化或熱氮化形成。
21.根據(jù)權利要求20所述的方法，其中該界面層(200)選自氧化物、氮化物、氮氧化物以及氮化氧化物構成的組。
22.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中該界面層O00)中的氮劑量為每平方厘米上約 2E14 至 3E15。
23.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中該高k電介質層(300)選自氧化鉿(Hf02)、氮氧化鉿硅(HfSiON)、氧化鉭(Ta2(^)、氧化鋁(A1203)、氧化鋯(ZrC^)以及氧化鈦(Ti02)構成的組。
24.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中該除氧層(400)選自鑭系金屬、稀土金屬、富鈦 (富Ti)的氮化鈦、2族元素以及3族元素構成的組。
25.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中該界面層(200)具有約3A至20A的厚度，該高 k電介質層(300)具有約IOA至60A的厚度，以及該除氧層(400)具有約IA至20A的厚度。
全文摘要
一種形成器件的方法，包括提供襯底；在該襯底上形成界面層；在該界面層上沉積高k電介質層；在該高k電介質層上沉積除氧層；以及進行退火。一種高k金屬柵極晶體管包括襯底，該襯底上的界面層，該界面層上的高k電介質層，以及該高k電介質層上的除氧層。
文檔編號H01L21/336GK102369593SQ201080015527
公開日2012年3月7日 申請日期2010年3月29日 優(yōu)先權日2009年3月31日
發(fā)明者M.P.查德齊克, N.莫門, R.T.莫, R.賈, S.A.克里什南, W.C.納茲勒, 何衛(wèi), 卜惠明, 金容熙 申請人:國際商業(yè)機器公司