专利名称：具有在退火的高-k栅介电层上形成的金属栅电极的半导体器件的制作方法
具有在退火的高-^栅介电层上形成的 金属栅电极的半导体器件背景技术由二氧化硅制成的具有非常薄的栅电介质的金属氧化物半导体(M0S)场效应晶体管可能会经受不能接受的栅漏电流。由某些高-A介 电材料，而不是二氧化硅来形成所述栅电介质，可以降低栅漏。但是， 当最初形成高-i(r介电薄膜时，其可能具有稍微有缺陷的分子结构。为了 修复这样的薄膜，可能需要将其在相对高的温度下退火。此外，退火所 述高-A介电薄膜改进了晶体管的可靠性。因为常规的高-A介电层可以不必与多晶硅相容，因此可以期望在那 些包括高-A栅电介质的装置中使用金属栅电极。金属栅电极相对于多晶 硅提供了高的性能。令人遗憾地，用于金属栅电极的所述金属或者合金 并不能耐受为退火所述高-A介电薄膜所必需的高温。结果，因为对于高 性能来合乎需要的所述金属或者合金不能承受对于可靠性来说所必需 的高温，常规高-A电介质金属栅晶体管不能同时提供高性能和高可靠 性。因而，需要一种制造半导体装置的方法，所述半导体装置包括与退 火的高-l介电层耦合的金属栅电极。需要将高温退火应用于所述高-1 介电层，而不损伤任何可被用来制造栅电极的金属。
图1显示了一种根据本发明的一个实施方式的晶体管栅堆叠。图2是形成根据本发明 一个实施方式的晶体管栅堆叠的 一种方法。图3A -3G图示了可以在实施图2中所描迷方法的同时而形成的结构。详细"i兌明在此处描述的是用于在退火的高-A介电层顶上形成金属栅电极的 系统和方法。在下文中的描述中，将使用本领域技术人员所通常使用以 向本领域其它人员表达工作内容的术语来描述说明性实施方式的各个 方面。但是，对本领域技术人员将显而易见的是本发明可以仅仅以所描述方面的一些来被实施。用于说明目的，列出了具体的数字、材料和结 构以提供对所述说明性实施方案的详尽理解。但是，对本领域技术人员 显而易见的是，本发明可以不以所述的具体细节而实施。在其它情况中， 为了不使所述说明性的实施方案变得模糊，忽略或者简化了众所周知的 特征。反过来，各种不同的操作将以最为有助于理解本发明的方式#_描述 为多个离散的操作，但是，描述的顺序将不会被解释为这些操作必须依 赖于顺序。特别地，这些操作不必按介绍的次序被进行。本发明的实施方案包括形成半导体装置例如MOS晶体管的方法，其 中通过在退火的高-vN册介电层上形成金属栅电极来提供晶体管栅堆 叠。在一些实施方案中，所述方法包括在衬底上形成高-ir栅介电层并 且在所述高-A栅介电层顶上形成盖层。所述衬底可以包括一个或多个 间隔物。所述盖层可以包括例如多晶硅的材料。然后所述高-vN册介电 层可以在高温下被退火以增加其可靠性。在所迷退火过程之后，所述盖 层可以被除去以暴露所述退火的高-1栅介电层。然后可以在所述暴露 的高-iN册介电层顶上形成金属层。可以继之以化学机械抛光(CMP)工 艺来完成所述MOS晶体管栅堆叠。当用于MOS晶体管时，本发明所述的 栅堆叠相对于常规M0S晶体管来说提供了高可靠性和高性能。图1显示了一种根据本发明的一个实施方式形成体管栅堆叠100。 所述晶体管栅堆叠IOO在村底(如硅衬底)102上形成。所述晶体管栅 堆叠100包括金属栅电极104,其形成在退火的高-A栅介电层106上。 如上所述，本发明所述的晶体管栅堆叠100不同于常规的栅堆叠，这是 由于常规的栅堆叠不能与具有退火的高-iH册介电层的金属栅电极耦 合。如下所述的方法容许这些元件结合成一个结构。在本发明的一些实 施方案中，所述晶体管栅堆叠IOO可以被间隔物108所围绕。此外，可 以在所述间隔物108之外形成层间电介质(ILDs)，以从相邻装置隔离 该晶体管。图2是一种用于形成根据本发明一个实施方式的晶体管栅堆叠的方 法200。首先，提供衬底，在其之上可以形成(202 )本发明所述的晶体 管栅堆叠。所述衬底可以使用块体硅或者在绝缘体之上的硅(SOI)亚 结构。在其它实施方案中，所述衬底可以使用替代材料形成，其可以或 者可以不必与硅结合，包括但不局限于锗、锑化铟、碲化铅、砷化铟，7磷化铟、砷化镓或者锑化镓。虽然这里描述了可以形成衬底的材料的一 些例子，任何可以作为半导体装置在其上构造的基底的材料都落在本发 明的范围和精神之内。由于所述衬底被用来形成MOS晶体管，如在本领域中众所周知的， 衬底也可包括间隔物和隔离结构。所述间隔物可以通过沟槽区域分离， 并且所述晶体管栅堆叠将在这些沟槽区域之内形成。可以使用常规材 料，包括但不局限于氮化硅来形成所述间隔物。所述隔离结构包括但不 局限于，ILDs例如碳掺杂的氧化物(CD0)或者二氧化硅(Si02 )、浅 沟槽隔离结构(STI)、或者可以分离相邻晶体管的所述活性中心的其 它材料。用于形成所述间隔物和隔离结构的方法在本领域中是众所周知 的。接下来，可以在所述衬底(204 )顶上沉积高-vH册介电层。所述高 -A栅介电层可以共形地覆盖全部衬底，包括在所述衬底上包括的任何 间隔物和隔离结构。因为是共形的沉积，在所述间隔物剩余之间存在沟 槽，尽管该沟槽现在包括共形的高-A栅介电层。可以使用包括但不局 限于氧化铪、氧化硅铪、氧化镧、氧化锆、氧化硅锆、氧化钽、氧化钛、 氧化钛锶钡、氧化钛钡、氧化钛锶、氧化钇、氧化铝、氧化钽钪铅或者 铌酸锌铅的材料形成高-vN册介电层。虽然这里描述了可被用来形成高 - A栅介电层的材料的例子，该层可以使用其它能够降低栅漏的材料形 成。在一些实施方案中，所述可以使用常规沉积方法在所述衬底上形成 高-iN册介电层，所述方法包括但不局限于化学气相沉积(CVD)、低压 CVD、等离子强化化学气相沉积(PECVD)、物理气相沉积(PVD)、原 子的层沉积(ALD)、旋涂电介质工艺(S0D)或者外延生长。在本发明 的一个实施方案中，可以使用ALD工艺，其中金属氧化物前体(例如金 属氯化物)和蒸汽可以以选择的流速进入CVD反应器内，其可以在选择 的温度与压力下运行以在所述衬底和高_ f栅介电层之间产生在原子水 平上平滑的界面。所述CVD反应器可以运行足够久以形成具有期望厚度 的层。在一些实施方案中，所得高-A栅介电层的厚度可以为3埃-60 埃，并且更优选地为大约5埃-40埃。在所述高-A栅介电层形成在所述衬底顶上之后，可以在所述(206 ) 上沉积盖层。所述盖层可以覆盖其所沉积的全部表面。所述盖层的沉积可以或者可以不必是共形的，因此所述盖层可以填充存在于所述间隔物 之间衬底上的沟槽。在本发明的实施方案中，所述盖层可以包括多晶硅 并且可以使用常规沉积工艺被沉积在高J栅介电层上。可以用于盖层的沉积工艺包括但不局限于CVD、 PECVD、 PVD和ALD。在本发明的一些实 施方案中，所述盖层的厚度通常可以为约lOO埃-约2000埃，并且常 常可以为大约500埃-大约1，600埃。然后可以在结构(208 )上进行退火工艺。在一些实施方案中，所 述退火工艺可以是快速热退火，其发生在大约60(TC或以上的温度下。 这样的退火可以改变所述高-iH册介电层的分子结构以产生退火的栅介 电层，其会表现出改善的工艺控制和可靠性，产生提高的装置性能。在所述退火过程中，所述盖层用来抑制氧化物在所述高-l介电层 上的生长。所述盖层还降低或抑制了氧化层在所述衬底和高-l介电层 之间的过渡界面上的生长。在常规方法中，退火所述高-A介电层常常导 致在该界面上氧化层的生长，这些不需要的氧化层的厚度为2埃-4埃。 使用所述盖层可将该不需要的氧化层的厚度保持在1埃以下。在退火过程之后，所述盖层被除去以再次暴露所述退火的高-〖栅 介电层，以及位于间隔物(210)之间的所述沟槽。在本发明的实施方 案中，应用针对用于所述盖层的材料(例如多晶硅)的湿式蚀刻工艺或 干式蚀刻工艺来除去所述盖层。在所述刻蚀过程中，所述退火的高-A 栅介电层可以作为蚀刻停止层，而不会损害可靠性和性能。因此所述刻 蚀过程除去了所述盖层同时留下完好的所述退火的高-vH册介电层。如果使用湿式蚀刻工艺，所述湿式蚀刻工艺可以将所述盖层暴露于 包括氢氧化物源的水溶液，以足够的时间和在足够的温度下，来基本上 除去全部盖层。例如，所述氢氧化物的源可以在去离子水中按体积含有 约1 -约40%氬氧化铵、氬氧化四烷基铵，例如氬氧化四甲基铵(TMAH)。 所迷溶液的温度可以4支维持在约15°C -约9(TC的温度下(例如，40°C ), 并且曝露时间可以为0-60分钟(例如，l分钟)。在一些实施方案中， 在暴露于所述氢氧化物溶液期间，可以以约10 KHz -约2, 000 KHz的频 率施加声能，同时以约1 -约10瓦/ci^分散。如将能够被本领域技术人 员所辨识的，所述蚀刻溶液的精确组分将依赖于用于所述盖层的材料和 所述盖层的厚度。在本发明的替代实施方案中，干式蚀刻工艺可被用来选择性地除去所述盖层。所述干式蚀刻工艺可以包括所述盖层暴露于等离子体，所述等离子体源于包括但不局限于六氟化硫(SF6)、溴化氢(HBr)、碘化氢 (HI)、氯、氩和/或氦的材料。这样的选择性干式蚀刻工艺可以在平 行板反应器或在电子回旋共振蚀刻器中进行。在本发明的实施方案中，所述湿式或干式蚀刻工艺可被继之以任选 的净化工艺。例如，可以向所述退火的高-vH册介电层应用湿式化学处 理以清洁该层。所述湿式化学处理可以包括将所述高-A栅介电层暴露对于;述退火的高-A栅介电i来说所期望的:能,久° 、在所述净化工艺的一些实施方案中，过氧化氢净化溶液可以按体积 含有约1 约40%的过氧化氲。在所述净化工艺中，所述溶液的温度 可以被维持在约5。C和约5(TC之间，并且所述曝露时间为0-60分钟。 在一个实施方案中，所述退火的高-l栅介电层可以在约25。C温度下暴 露于6.7%过氧化氬溶液约IO分钟。在所述净化工艺中，可期望向所述 水溶液以约10 KHz -约2, 000 KHz的频率施加声能，同时以约1 -约10 瓦/cn]2分散。然后进行金属化工艺以在所述退火的高-A栅介电层(212)上沉积 金属层。所述金属沉积覆盖了所述退火的高-A栅介电层并且以金属填 充所述沟槽。所述金属层通常具有100埃到2000埃的厚度。众所周知 的金属沉积方法，例如CVD、 PVD、 ALD、溅射、电镀或化学镀，可被用 来沉积所述金属层。所沉积的金属将形成金属栅电极，因此，可以用于 所述金属化工艺的金属包括通常用作金属栅电极的金属或金属合金。例 如，可以使用以下金属中的一种或组合铜、钌、钯、铀、钴、镍、氧 化钌、鵠、铝、钛、钽、氮化钛、氮化钽、铪、锆、金属碳化物或者导 电金属氧化物。在其它实施方案中，可以使用这里未列的金属。在本发 明的一些实施方案中，所使用的金属可以是功能性(workfimction)金 属与沟槽填充金属的结合。最后，使用化学机械抛光(CMP)工艺(214)完成所述晶体管栅堆 叠的形成。CMP工艺用来通过除去部分金属和退火的高-A栅介电层来 形成晶体管栅堆叠。CMP在本领域中众所周知，并且通常涉及旋转抛光 垫和研磨腐蚀剂浆液在半导体晶片上的使用。所述抛光垫和浆液在物理 上磨平了微小的形貌特征直到所述金属层被平面化。根据本发明的实施方案，继续所述CMP工艺以除去所述金属层和高-A介电层的不必要部 分，留下完成的晶体管栅堆叠。可以邻近于所述间隔物形成源和漏区并 且其可以和所述晶体管栅堆叠一起使用以构造晶体管。图3A -3G图示了可以在实施图2中所描述方法的同时而形成的结 构。图3A说明了所提供的衬底300,在其之上可以形成本发明所述的晶 体管栅堆叠。如上所述，通常使用块体硅或者在绝缘体之上的硅(SOI) 亚结构，连同其它材料来形成所述衬底300。所述衬底300还包括在本 领域中众所周知的间隔物302和隔离结构304。此外，可以使用氮化硅 形成所述间隔物302并且所述隔离结构304可以是ILDs、 二氧化硅层或 浅沟槽隔离结构。在所述间隔物之间是沟槽区域306,其中本发明所述 的晶体管栅堆叠将被形成。图3B说明了高-l栅介电层308在所述衬底300顶上的沉积。如图 所示，所述高-iH册介电层308共形地覆盖全部衬底300,包括间隔物 302和隔离结构304。由于所述沉积是高度共形的，保留了所述沟槽区 域306。图3C说明了多晶硅盖层310在所述高-A栅介电层308顶上的沉积。 如图所示，所述盖层310覆盖了高-A栅介电层308的全部表面。在图 3C中，所述盖层31G的沉积不是共形的，因此沟槽区域306充满了多晶 硅。图3D说明了向所述高-vN册介电层308应用退火过程。向包括衬底 300、间隔物302、隔离结构304、高-A栅介电层308和盖层310的全 部结构施用加热。以后用于形成金属栅电极的温度不耐受金属在所述退 火过程中并不存在。如上所述，所述退火过程改变了高-i:介电材料的 分子结构，产生了退火的高-A栅介电层312，其表现出改善的工艺控 制和可靠性，引起了改进的装置性能。此外，在所述退火过程中，盖层310用来抑制氧化层314在衬底300 和退火的高-vH册介电层312之间的过渡界面上的生长。盖层310将氧 化层314的生长限制到通常小于1埃的厚度。这比常规退火过程中形成 的2埃-4埃的厚度要小得多。图3E说明了去除盖层310以暴露退火的高-i(r栅介电层312，以及 位于间隔物302之间的沟槽区域306。如上所述，蚀刻和净化工艺可被 用来除去所述盖层310。图3F说明了在退火的高-iH册介电层312顶上沉积金属层316填充 沟槽区域306。所沉积的金属将形成金属栅电极，因此，可以用于所述 金属化工艺的金属包括通常被用于金属栅电极的金属或金属合金。最后，图3G说明了在CMP工艺进行之后的金属层316和退火的高-iH册介电层312。 CMP工艺平面化了所述金属层316并且除去金属和高-A介电材料的多余部分。所得到的是完成的晶体管栅堆叠318，根据本 发明的实施方案，其与具有高温退火高-A栅介电层的热敏金属栅电极 相耦合。因此，本发明如上所述的方法允许生产包括已经经受高温退火的高 -i栅介电层的MOS晶体管。本发明的方法允许这样的退火被应用于介 电层，而没有损伤任何不耐受的高温金属，所述金属可以用于MOS晶体 管的金属栅电极。以上所展示的对本发明实施方案的描述，包括在摘要中所描述的， 并不意图将本发明进行彻底规划或者限制到所公开的确切的形式。在此 处描述的本发明的具体实施方案和例子只是用于说明性的目的，本领域 技术人员所能够辨识的是，在本发明范围内的各种等同变体也是可能 的。这些变体可以基于本发明以上的详细说明而做出。以下权利要求中 所使用的术语将不会被解释为将本发明限制到说明书和权利要求所公 开的具体实施方案。相反地，本发明的范围将完全地由以下权利要求所 决定，其将依照解释权利要求的原则来进行构建。
权利要求
1.一种方法包含提供衬底；在所述衬底上形成高-k栅介电层；在所述高-k栅介电层上形成盖层；退火所述高-k栅介电层以形成退火的高-k栅介电层；除去所述盖层以暴露所述高-k栅介电层；和在所述退火的高-k栅介电层上形成金属层。
2. 权利要求l所述的方法，其中所述衬底包含硅、在绝缘体上的 硅、锗、锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓或者锑化镓中的至 少 一个。
3. 权利要求2所述的方法，其中所述衬底包括在第一间隔物和第 二间隔物之间形成的沟槽，并且其中所述高-l栅介电层和所述金属层至 少在所述沟槽之内形成。
4. 权利要求l所述的方法，其中所述高-l栅介电层包含氧化铪、 氧化硅铪、氧化镧、氧化锆、氧化硅锆、氧化钽、氧化钛、氧化钛锶钡、 氧化钛钡、氧化钛锶、氧化钇、氧化铝、氧化钽钪铅或者铌酸锌铅中的 至少一个。
5. 权利要求4所述的方法，其中所述高-l栅介电层的厚度大于或 等于3埃并且小于或等于60埃。
6. 权利要求l所述的方法，其中所述盖层包含多晶硅。
7. 权利要求6所述的方法，其中所述高-iN册介电层的厚度大于或 等于100埃并且小于或等于2000埃。
8. 权利要求l所述的方法，其中所述高-^栅介电层的退火在大于 或等于600。C的温度下进行。
9. 权利要求l所述的方法，其中所述金属层包含铜、钌、把、钼、 钴、镍、氧化钌、鴒、铝、钛、钽、氮化钛、氮化钽、铪、锆、金属碳 化物或者导电金属氧化物中的至少 一个。
10. 权利要求3所述方法，还包括使用CMP工艺抛光所述衬底以在 所述沟槽之内形成晶体管栅堆叠。
11. 一种方法包含提供衬底；在所述衬底上形成第一和第二间隔物，其中所述第一和第二间隔物 通过沟槽而^皮分离；在所述衬底上沉积共形的高-A栅介电层，其中所述高-i:栅介电层还 被沉积在所述沟槽之内并且其中所述高-vH册介电层的厚度大于或等于3 埃并且小于或等于60埃；在所述高-l栅介电层上沉积盖层，其中所述盖层基本上填充所述沟 槽并且基本上覆盖所述高-A栅介电层，并且其中所述盖层的厚度大于或 等于100埃并且小于或等于2000埃；在大于或等于600。C的温度下退火所述高-A栅介电层以形成退火的 高-l栅介电层；蚀刻所述盖层以暴露所述高-A栅介电层；在所述退火的高-i栅介电层上沉积金属层，其中所述金属层基本上 》真充所述沟才曹；使用CMP工艺除去所述金属层的至少一部分以及所述退火的高-ir栅 介电层的至少一部分；靠近所述第一间隔物形成源区；以及 靠近所述第二间隔物形成漏区。
12. 权利要求ll所述的方法，其中所迷衬底包含硅、在绝缘体上 的硅、锗、锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓或者锑化镓中的 至少一个。
13. 权利要求ll所述的方法，其中所述笫一间隔物和所述第二间 隔物包括氮化硅。
14. 权利要求ll所述的方法，其中所述高-A栅介电层包含氧化铪、 氧化硅铪、氧化镧、氧化锆、氧化硅锆、氧化钽、氧化钛、氧化钛锶钡、 氧化钛钡、氧化钛锶、氧化钇、氧化铝、氧化钽钪铅或者铌酸锌铅中的 至少一个。
15. 权利要求ll所述的方法，其中所述盖层包含多晶硅。
16. 权利要求ll所述的方法，其中使用湿式蚀刻工艺进行所述盖 层的蚀刻。
17. 权利要求16所述的方法，其中所述湿式的蚀刻工艺包含将所 述盖层暴露于水溶液以足够基本上除去全部所述盖层的时间，其中所述水溶液包括氢氧化物的源并且所述水溶液被维持在约15。C-约9(TC的温 度下。
18. 权利要求17所述的方法，其中所述氢氧化物的源包含在去离 子水中含有约1 -约40体积％氢氧化铵、氢氧化四烷基铵、或者氢氧化 四曱基铵的溶液。
19. 权利要求17所述的方法，还包括向所述水溶液以约10 KHz-约2， 000 KHz的频率施加声能，同时以约1 -约10瓦/厘米分散。
20. 权利要求ll所述的方法，其中使用干式蚀刻工艺进行所述盖 层的蚀刻。
21. 权利要求20所述的方法，其中所述干式蚀刻工艺包含将所述 盖层暴露于包含六氟化硫、溴化氢、碘化氢、氯、氩或者氦的等离子体。
22. 权利要求ll所述的方法，其中所述金属层包含铜、钌、把、 柏、钴、镍、氧化钌、鴒、铝、钛、钽、氮化钛、氮化钽、铪、锆、金 属碳化物或者导电金属氧化物中的至少一个。
23. 权利要求11所述的方法，其中使用CMP工艺去除所述金属层的 至少一部分以及所述退火的高-iH册介电层的至少一部分导致了晶体管 栅堆叠的形成。
24. —个晶体管栅堆叠，包含在第 一 间隔物和第二间隔物之间的沟槽内形成的退火的高-iH册介 电层，其中所述退火的高-l栅介电层在所述沟槽的側壁和底部上形成； 和在退火的高-iN册介电层上的金属层。
25. 权利要求24所述的晶体管栅堆叠，其中所述退火的高-l栅介 电层包含氧化铪、氧化硅铪、氧化镧、氧化锆、氧化硅锆、氧化钽、氧 化钛、氧化钛锶钡、氧化钛钡、氧化钛锶、氧化钇、氧化铝、氧化钽钪 铅或者铌酸锌铅中的至少一个。
26. 权利要求24所述的晶体管栅堆叠，其中所述金属层包含铜、 钌、把、柏、钴、镍、氧化4了、鵠、铝、钛、钽、氮化钛、氮化钽、铪、 锆、金属碳化物或者导电金属氧化物中的至少一个。
27. 权利要求24所述的晶体管栅堆叠，其中通过在所述金属层被 沉积前在大于或等于600。C的温度下退火高-iH册介电层来形成所述退火 的高-l栅介电层。
28. 权利要求27所述的晶体管栅堆叠，其中在所述退火过程中使 用多晶硅盖层来保护所述高-iH册介电层。
29. 权利要求24所述的晶体管栅堆叠，其中所述退火的高-l栅介 电层的厚度大于或等于3埃并且小于或等于60埃。
30. 权利要求24所述的晶体管栅堆叠，其中所述金属层的厚度大 于或等于100埃并且小于或等于2000埃。
全文摘要
一种形成具有退火的栅介电层的晶体管栅堆叠的方法，其通过提供包括由沟槽而被分离的第一和第二间隔物的衬底而开始。在所述衬底上以及所述沟槽之内沉积共形的高-k栅介电层，并且其中所述高-k栅介电层的厚度大于或等于3埃并且小于或等于60埃。接着，在所述高-k栅介电层上沉积盖层，其中所述盖层基本上填充所述沟槽并且基本上覆盖所述高-k栅介电层。然后在大于或等于600℃的温度下退火所述高-k栅介电层。除去所述盖层以暴露所述退火的高-k栅介电层。然后在所述退火的高-k栅介电层上沉积金属层。可以使用CMP工艺除去多余的材料并完成所述晶体管栅堆叠的形成。
文档编号H01L29/49GK101253602SQ200680031961
公开日2008年8月27日 申请日期2006年8月3日 优先权日2005年8月30日
发明者G·德维, J·卡瓦利罗斯, J·布拉斯克, J·麦斯, R·仇, S·裴, S·达塔 申请人:英特尔公司