专利名称：半导体器件以及将卤素并入电介质的方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件，且更具体地，涉及一种半导体器件 和将卤素并入电介质的方法。
背景技术：
在形成半导体器件的工艺中，通常使用二氧化硅形成栅极电介质。 为了防止半导体器件的电学特性的退化，通常不希望降低栅极电介质
的介电常数。氟降低二氧化硅的介电常数(K)，且因此不希望在栅极 电介质中使用氟。
本发明通过实例说明且不被附图限制，其中相同的附图标记表示 相似的元件，且其中
图l一4示出根据本发明的一个实施例的器件的一部分的横截面
图5以流程图的方式示出用于形成根据本发明的一个实施例的半 导体器件的工艺；以及
图6 — 7示出根据本发明的替选实施例的器件的一部分的横截面图。
本领域技术人员可以理解，示出附图中的元件是为了简化和清楚， 且不必按比例绘制。例如，相对于其他元件，附图中的某些元件的尺 寸被夸大了，以帮助促进对本发明的实施例的理解。
具体实施例方式
如今，使用高K电介质用于栅极电介质变得越来越普遍。其中一个原因是，高K材料(例如金属氧化物)的较厚膜可以用作栅极电介 质，而不会明显地降低半导体器件的电学特性。如在此使用的，术语"高 K材料"指的是介电常数比二氧化硅的介电常数高的材料。
已经发现，在半导体器件的栅极电介质中使用卤素，例如氟，改 善半导体器件的电学特性。 一种可以改善半导体器件的电学特性的方
法是通过改善空穴和电子的迁移率。在栅极电介质和半导体衬底之间
的界面处提供卤素以使所述界面钝化(例如，降低悬键)，使得改善
通过形成于半导体中的栅极沟道的空穴和电子的迁移率。第二种可以 改善半导体器件的电学特性的方法是通过改善半导体器件的可靠性
(例如耐久性)。已经发现在栅极电介质和半导体衬底之间的栅极电介 质中提供卤素可以改善半导体器件的可靠性。
在栅极电介质中提供氮具有几个优点，包括增加介电常数(K)使 得在未来由于未来技术减小半导体器件中使用的尺寸时，更容易地对 栅极电介质进行縮放。此外，栅极电介质中的氮可以改善栅极电介质 膜质量，且因而改善半导体器件的可靠性。而且，栅极电介质中的氮 可以防止已经并入栅极电介质中的卤素的脱气。
图1示出器件10的一个实施例的一部分的横截面图。器件10包
括栅极电介质14，其形成在半导体衬底12上。衬底12可以用任何半 导体材料形成，例如硅、砷化镓、硅锗、锗等。可替选地，衬底12可 以是一个绝缘体上半导体(SOI)衬底。在一个实施例中，栅极电介质 14可以是一种高K电介质。可以使用的高K电介质的一些实例是氧化 物、氮化物、硅酸盐或诸如铪、锆、钛、钽或其任意组合的金属的铝 酸盐。替选实施例可以使用任何合适的一种电介质材料或多种电介质 材料用于栅极电介质。替选实施例可以例如使用诸如二氧化硅的任何 半导体材料的氧化物作为栅极电介质。例如可以使用诸如化学气相沉 积(CVD)、原子层沉积(ALD)、物理气相沉积(PVD)或等离子 体增强CVD (PECVD)的任何所需的工艺形成栅极电介质。然而，替选实施例可以使用不同的工艺或工艺组合以形成栅极电介质层。
图2中，栅极电介质14暴露于等离子体16。在一个实施例中， 等离子体16包括一种或多种卤素，例如，氟、氯、溴、碘和砹。注意 等离子体16可以例如包括诸如氩和/或氦的其他材料，其可以用于帮助
形成和/或稳定等离子体16。此外，等离子体16可以包括用于其他目 的的其他材料。在一个实施例中，可以使用范围从室温(约25摄氏度) 到700摄氏度的卡盘温度。在替选实施例中，可以使用从室温(约25 摄氏度)到80摄氏度的卡盘温度。在又一实施例中，卡盘温度可以是 约55摄氏度。在一个实施例中，腔室压力可以在.005—l.OTorr范围内。 在替选的实施例中，腔室压力可以在.005—.050Torr范围内。在又一实 施例中，腔室压力可以是约.010Torr。在一个实施例中，等离子体16 还可以包括含氮的材料。
在一个实施例中，等离子体16可以包括四氟化碳CF4、六氟化硫 SF6、三氟化氮NF3、 二氟甲烷CH2F2、八氟环丁烷C4F8、三氟甲垸CHF3 和氟甲烷CH3F的一个或多个。替选的实施例可以具有不同的气体。
注意并入栅极电介质14的卤素不作为栅极电介质14中的掺杂 剂。卤素不作为掺杂剂是因为当器件IO导通时，卤素没有为在栅极电 介质14下形成的沟道中的电流贡献传导电子。
图3中，栅极电介质14暴露于等离子体18。在一个实施例中， 等离子体18包括含氮的材料，例如，氨、氮、 一氧化氮、 一氧化二氮 或三氟化氮或其任何合适的组合。注意等离子体18可以包括其他材 料，例如，氩和/或氦，其可以用于帮助形成和/或稳定等离子体化。此 外，等离子体18可以包括用于其他目的的其他材料。注意如果图2 中的等离子体16包括含氮的材料，则某些实施例将不需要示出于图3 中的另外的等离子体的暴露。注意标准工艺可以用于形成和提供示 出于图2-3中的等离子体16和18。注意所使用的温度和压力可以与
7上文图2描述的相同或相似。然而，替选实施例可以使用不同的温度 和压力。
在一个实施例中，如果栅极电介质14包括金属氧化物，则等离子
体16 (见图2)中的卤素可以在并入氮之前或与并入氮(参见图3)近 乎同时并入栅极电介质14中。如果卤素和氮的混合近乎同时执行，则 等离子体16可以同时包括卤素和氮，且不需要示出于图3中的步骤。 在一个实施例中，将栅极电介质14暴露到包含氮的等离子体的至少一 部分与将栅极电介质14暴露到包含卤素的等离子体的至少一部分同时 发生。
在替选实施例中，如果栅极电介质14包括二氧化硅，则等离子体 16 (见图2)中的卤素可以在并入氮之前、之后或与并入氮(参见图3) 近乎同时并入栅极电介质14。如果卤素和氮的并入近乎同时执行，则 等离子体16可以包括卤素和氮，且不需要示出于图3中的步骤。可替 选地，如果栅极电介质14包括二氧化硅，则示出于图3中的等离子体 处理可以在示出于图2中的等离子体处理之前执行。
注意卤素和氮的并入，不管它们的并入顺序如何，都可以在位 执行而不必打破真空。在替选实施例中，可以在卤素和氮并入之间打 破真空，并因此可以使用不同的腔室。注意如果不用等离子体处理， 而是执行将卤素(图2)或氮(图3)直接注入进栅极电介质14，则可 能导致栅极电介质14的表面区域的某些损坏。这种栅极电介质14的 表面损坏可以降低器件10的可靠性和电性能。
图4中，栅电极20形成在栅极电介质14上。栅电极20可以包括 一个或多个包含金属的材料，例如，碳化钽、氮化硅钽(TaSiN)、氮化 钽、氮化钨、钨、铱、氧化铱、氮化铱、钌、氧化钌、氮化钌、氧化 钼、氮化钼、氮化铝和硅或其任意组合。替选实施例可以使用任何合 适的一种材料或多种材料用于栅电极20。在某些实施例中，栅电极20可以包括使用上述列出的材料形成的多个层，以及其他合适的传导性 的和非传导性的材料形成的多层，例如钨、硅、氮化硅和金属硅化物。 在示例出的实施例中，非传导电介质间隔物24邻近栅极电介质14和 栅电极20形成。在替选实施例中， 一个薄氧化物(未示出)可以插入 间隔物24和栅电极20之间。替选实施例可以不使用间隔物24。在示 例出的实施例中，电流电极区22形成于半导体衬底12中。这些电流 电极区22可以以任何合适和公知的方式形成。如果需要，可以执行进 一步处理以便以任何所需的方式完成器件10。
图5以流程图的方式示出用于形成根据一个实施例的半导体器件 (例如器件IO)的工艺。流程开始于椭圆形IOO。接着，流程进行到方 框102，其执行提供半导体衬底的步骤。流程从步骤102进行到方框 104,其执行形成栅极电介质的步骤。流程从步骤104进行到方框106， 其执行将栅极电介质暴露到包含氟的等离子体的步骤。流程从步骤106 进行到方框108，其执行将栅极电介质暴露到包含氮的等离子体的步 骤。流程从步骤108进行到方框110，其执行形成栅电极的步骤。流程 从步骤IIO进行到方框112,其执行形成电流电极区的步骤。流程从步 骤112进行到方框114，其执行完成处理以形成半导体器件的步骤。流 程从步骤114进行到椭圆形116，其终止工艺。注意当栅极电介质暴 露到氟时，氟并入栅极电介质。注意当栅极电介质暴露到氮时，氮 并入栅极电介质。这可以具有用氮填充栅极电介质的晶界的效果，使 得在后续高温处理期间显著地减少卤素的脱气。
图6 — 7示出形成器件10的一部分的替选实施例。从图2的器件 IO并入卤素之后开始，注入层26形成在栅极电介质14上。图6示出 氮注入进注入层26。注入层26可以是随后被移除的牺牲层，或者注入 层26可以是栅电极20 (见图4)的一部分。可以使用任何需要的注入 角。在一个实施例中，使用零度注入。在一个实施例中，使用的注入 剂量和能量以使在栅极电介质14中产生的氮浓度大于两个原子百分 数。在一个实施例中，注入层26的厚度可以在10-100纳米范围内。在替选实施例中，注入层26的厚度可以是约50纳米。
现在参照图7，执行退火以便驱使氮从注入层26进入到栅极电介 质14中，以及到达栅极电介质14和注入层26之间的界面区。在另一 实施例中，执行退火以便驱使氮从注入层26至栅极电介质14和半导 体衬底12之间的界面区。在一个实施例中，使用的退火温度在250-1000 摄氏度的范围内。在替选实施例中，使用的退火温度在400-800摄氏度 的范围内。在某些实施例中，使用的退火温度约500摄氏度。在某些 实施例中，退火可以是快速热退火(RTP) 、 UV (紫外线)退火和激 光退火。现在，用于形成器件10的方法进行到图4，其中注入层26是 栅电极20的一部分或作为牺牲层而被移除。
虽然关于特定传导类型或电压极性描述了本发明，但是本领域技 术人员可以理解的是传导类型和电压极性可以相反。
在前述说明书中，已经参考特定实施例描述了本发明。然而，本 领域普通技术人员中的一个可以理解的是在不背离下述权利要求所阐 述的本发明的范围的情况下，可以进行不同的修改和变化。因此，认 为说明书和附图是示例性的而非限制性理解，且所有这些修改意指包 括在本发明的范围之内。
已经在上文描述了关于特定实施例的益处、其他优点和问题的解 决方案。但是，不能把益处、优点、问题的解决方案，以及可以致使 任何益处、优点或解决方案的发生或变得更明显的任何元件理解为任 何或全部权利要求的关键、必需或必要的特征或元件。在此使用的术 语"包括"、"包括了"或其任何其他变形，意指包 含非排他包含，以致包 括一系列元件的工艺、方法、项目或装置不仅仅包括那些元件，而可 以包括这些工艺、方法、项目或装置固有的或未清楚列出的其他元件。
权利要求
1. 一种形成半导体器件的方法，所述方法包括提供半导体衬底；在所述半导体衬底上形成栅极电介质；将所述栅极电介质暴露到包括卤素的等离子体；将所述卤素并入所述栅极电介质中；在所述栅极电介质上形成栅电极；以及邻近所述栅电极形成电流电极区。
2. 根据权利要求l所述的方法，其中所述将所述栅极电介质暴露 到包括卤素的等离子体的步骤包括将所述栅极电介质暴露到包括氟 的等离子体。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中所述形成所述栅极电介质步 骤的至少一部分与将所述栅极电介质暴露到包括卤素的所述等离子体 的步骤同时发生。
4. 根据权利要求l所述的方法，其中形成所述栅极电介质的方法 包括形成包括硅和氧的电介质。
5. 根据权利要求l所述的方法，其中形成所述栅极电介质的方法 包括形成包括金属的电介质。
6. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括 将所述栅极电介质暴露到氮；以及 将所述氮并入所述栅极电介质中。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中所述将所述栅极电介质暴露到氮的步骤发生在将所述栅极电介质暴露到包括卤素的等离子体的步骤之后。
8. 根据权利要求6所述的方法，其中所述将所述栅极电介质暴露 到氮的步骤发生在将所述栅极电介质暴露到包括卤素的等离子体的步 骤之前。
9. 根据权利要求6所述的方法，其中所述将所述栅极电介质暴露到氮的步骤包括将所述栅极电介质暴露到包括氮的等离子体。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中所述将所述栅极电介质暴露 到包括氮的等离子体步骤的至少一部分与所述将所述栅极电介质暴露 到包括卤素的等离子体步骤的至少一部分同时发生。
11. 一种形成半导体器件的方法，所述方法包括 提供半导体衬底；在所述半导体衬底上形成栅极电介质；将卤素并入所述栅极电介质中； 将氮并入所述栅极电介质中； 在所述栅极电介质上形成栅电极；以及 邻近所述栅电极形成电流电极区。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中所述将卤素并入所述栅极电介质中的步骤包括将氟并入所述栅极电介质中。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中所述将卤素并入所述栅极电介质中的步骤包括将所述栅极电介质暴露到包括氟的等离子体。
14. 根据权利要求11所述的方法，其中所述将氮并入所述栅极电 介质中的步骤包括将所述栅极电介质暴露到包括氮的等离子体。
15. 根据权利要求ll所述的方法，其中所述将氮并入所述栅极电 介质中的步骤包括在包括氮的环境中退火所述栅极电介质。
16. 根据权利要求ll所述的方法，其中所述形成所述栅极电介质 步骤的至少一部分与将所述卤素并入所述栅极电介质的步骤同时发 生。
17. 根据权利要求11所述的方法，其中所述将所述卤素并入所述 栅极电介质的步骤发生在将氮并入所述栅极电介质的步骤之前。
18. 根据权利要求11所述的方法，其中所述将所述卤素并入所述 栅极电介质步骤的至少一部分与所述将氮并入所述栅极电介质中步骤 的至少一部分同时发生。
19. 根据权利要求ll所述的方法，其中所述形成栅电极是在将所述栅极电介质暴露到氮之前形成；以及将氮并入所述栅极电介质的步骤包括将所述氮注入到所述栅电极中；以及 将所述氮从所述栅电极扩散至所述栅极电介质。
20. —种半导体器件，包括 半导体衬底；在所述半导体衬底上的栅极电介质，其中所述栅极电介质包括卤 素和氮；在所述栅极电介质上的栅电极；以及 邻近所述栅电极的电流电极区。
全文摘要
一种形成半导体器件的方法，所述方法包括在半导体衬底上形成栅极电介质(104)，将所述栅极电介质暴露到卤素，以及将所述卤素并入所述栅极电介质(106)中。在一个实施例中，所述卤素是氟。在一个实施例中，所述栅极电介质还暴露到氮且所述氮并入所述栅极电介质(108)。在一个实施例中，所述栅极电介质是金属氧化物。
文档编号H01L21/8234GK101427363SQ200780004728
公开日2009年5月6日 申请日期2007年1月11日 优先权日2006年2月10日
发明者埃里克·D·卢克夫斯基, 奥卢邦米·O·阿德, 纳拉亚南·C·拉马尼, 罗天英 申请人:飞思卡尔半导体公司