半导体器件及其形成方法

专利名称：半导体器件及其形成方法
技术领域：
此处公开的实施例涉及半导体器件及其形成方法，更具体地，涉及包括电介质层 的半导体器件及其形成方法。
背景技术：
随着半导体工业的高度发展，半导体器件的高度集成加深。即，半导体器件的最小 线宽和层(例如，传导层和/或电介质层)厚度变得日益微小。半导体器件的微型化可能引 发许多问题。例如，可能发生操作速度的下降、功耗的增加和/或可靠性的下降。相反地， 用户对改善半导体器件的多种特性(例如，高速度、低功耗和/或高可靠性)的要求越来越 多。半导体器件的许多研究正在进行，以满足微型化和用户的要求。

发明内容
示例性实施例提供了一种形成半导体器件的方法。该方法可以包括在衬底上形成 金属氧化物层；在该金属氧化物层上形成牺牲氧化物层；并且对包括该牺牲氧化物层的衬 底执行退火工艺。在退火工艺的工艺温度下，牺牲氧化物层的生成自由能大于金属氧化物 层的生成自由能。 示例性实施例提供了一种半导体器件。该半导体器件可以包括衬底；和设置于衬 底上的金属氧化物层，该金属氧化物层包括特定元素和至少一个金属元素，其中该特定元 素和氧之间的反应性小于该金属元素和氧之间的反应性。


所包括的附图用于提供本发明的进一步的理解，并且被并入本说明书并且构成本 说明书的一部分。

了本发明的示例性实施例，并且连同具体实施方式
一起，用于解 释本发明的原理。在附图中 图1至3是说明根据本发明的实施例的形成半导体器件的方法的横截面图。
图4是根据本发明的实施例的半导体器件的横截面图。 图5是说明根据本发明的实施例的半导体器件的金属氧化物层中的特定元素浓 度的曲线图，该曲线图是沿图4的线I-I'截取的。 图6是根据本发明的实施例的半导体器件的能带图，该能带图是沿图4的线I-I' 截取的。 图7至10是说明根据本发明的另一实施例的形成半导体器件的方法的横截面图。
图11是根据本发明的另一实施例的半导体器件的横截面图。
图12是根据本发明的又一实施例的半导体器件的横截面图。
具体实施例方式
下面将通过参考附图更加全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的实施例。 然而，本发明可以具体化为许多不同的形式并且不应被解释为限于此处阐述的实施例。确 切的讲，这些实施例被提供，以便本公开内容将是无遗漏的和完整的，并且将本发明的范围 全面地传达给本领域的技术人员。在附图中，为了清楚起见，层和区域的尺寸和相对尺寸可 被放大。通篇中相同的附图标记表示相同的要素。 将理解，在将要素称为"连接"或"耦合"到另一要素时，其可以直接连接或耦合到 该另一要素或者可以存在中间要素。相反地，在将要素称为"直接连接"或"直接耦合"到 另一要素时，不存在中间要素。如此处使用的术语"和/或"包括一个或多个所关联的列出 事项的任何以及所有组合并且可以简写为'7"。 将理解，尽管此处使用术语第一、第二等描述多种要素，但是这些要素不应受此术 语的限制。这些术语仅用于使一个要素区别于另一要素。例如，第一区域/层可被称为第 二区域/层，并且相似地，在不偏离本公开内容的教授内容的前提下，第二区域/层可被称 为第一区域/层。 此处使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并非限制本发明。除非上下文清 楚地指出，否则如此处使用的单数形式"一"也应包括复数形式。将进一步理解，术语"包 括"和/或"含有"在本说明书中使用时，指明了所陈述的特征、区域、整体、步骤、操作、要素 和/或部件的存在，但是并未排除一个或多个其他特征、区域、整体、步骤、操作、要素、部件 和/或其组的存在或添加。 可以通过参考横截面图描述本发明的实施例，该横截面图是本发明的理想化的实 施例的示意性说明。同样地，作为例如制造技术和/或容差的结果，将预见到图中形状的变 化。因此，本发明的实施例不应被解释为限于此处示出的区域的特定形状，而是包括由于例 如，制造导致的形状偏差。例如，被示为矩形的区域可能具有圆形或弯曲的特征。因此，图 中示出的区域在本质上是示意性的并且不应限制本发明的范围。 除非另外限定，否则此处使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明 所属领域的普通技术人员公知含义相同的含义。将进一步理解，诸如常用词典中限定的术 语，应被解释为具有与其在相关领域和/或本申请的上下文中的含义一致的含义，并且除 非此处明确限定，否则不应以理想化的或者过度正规的方式解释。 在附图中，层和区域的厚度出于清楚的目的而被放大。还将理解，在将诸如层、区 域或衬底的要素称为位于另一要素上面时，其可以直接位于该另一要素上面或者也可以存 在中间的要素或层。在说明书通篇中相同的附图标记表示相同的要素。 诸如"下"、"上"、"顶"、"底"等的空间关系术语可用于描述例如，如图中说明的要素 和/或特征与另一个要素(多个)和/或特征(多个)的关系。将理解，除了图中示出的 定向外，该空间关系术语应涵盖使用和/或操作中的器件的不同定向。例如，当图中器件翻 转时，被描述为位于其他要素或特征下面的要素将被定向(旋转90度或者处于其他定向) 并且据此解释此处使用的空间关系描述。如此处使用的，"高度"意指通常与衬底的面垂直 的方向。
(第一实施例) 图1至3是说明根据本发明的实施例的形成半导体器件的方法的横截面图。
参考图l，可以在衬底100上形成界面层102。可以在界面层102上形成金属氧化 物层108。衬底100可以包括半导体层。该半导体层可以是半导体衬底的一部分(例如，上 部分)。与此不同，该半导体层可以设置于半导体衬底上的绝缘层上。半导体层可以包括 硅、锗或硅-锗。然而，本发明不限于此。在实施例中，衬底100可以包括用作设置于半导 体衬底上的电极的导体。 界面层102可以执行抑制金属氧化物层108和衬底100之间的反应的功能。界面 层102可以包括氧化物层、氧氮化物层和/或氮化物层。在衬底100的半导体层包括硅的 情况中，界面层102可以包括由热氧化工艺得到的氧化硅层、由热氧化工艺和氮化工艺得 到的氧氮化硅层和/或由氮化工艺得到的氮化硅层。由于界面层102由热氧化工艺和/或 热氧化工艺形成，因此界面层102可能具有非常致密的结构。界面层102可被省略。
金属氧化物层108可以具有高于氧化硅层介电常数的介电常数。金属氧化物层 108可以是单层的或多层的。例如，金属氧化物层108可以包括顺序层叠的第一金属氧化 物层104和第二金属氧化物层106。 S卩，第一金属氧化物层104可以在界面层102上形成， 并且第二金属氧化物层106可以在第一金属氧化物层104上形成。如上文所述，第一和第 二金属氧化物层104和106可以具有高于氧化硅层介电常数的介电常数。第一金属氧化物 层104可以包括第一金属元素和氧，并且第二金属氧化物层106可以包括第二金属元素和 氧。第一和第二金属元素可以互不相同。金属氧化物层108可以包括选自下述组中的至少 一个，该组由氧化铪层(HfO》、氧化镧层(La^)、氧化锆层(ZrO》、氧化镝层(Dy^)、氧化 钇层(YA)、氧化铝层(Al^)、氧化钪层(Sc203)和氧化铒层(Er203)组成。第一和第二金 属氧化物104和106可由互不相同的金属氧化物形成。 牺牲氧化物层110在金属氧化物层108上形成。牺牲氧化物层110可以包括特定 元素和氧。可以通过使用诸如化学气相淀积(CVD)工艺和/或原子层淀积(ALD)工艺的工 艺来形成牺牲氧化物层110。可以在低于使金属氧化物层108中的元素活化所需最低温度 的工艺温度下形成牺牲氧化物层110。因此，在形成牺牲氧化物层IIO时，金属氧化物层108 中的元素可以不被活化。 参考图2，在包括牺牲氧化物层110和金属氧化物层108的衬底100上执行退火工 艺。退火工艺的工艺温度可以等于或大于使牺牲氧化物层IIO和金属氧化物层108中的元 素(例如，第一金属元素、第二金属元素、特定元素和氧)活化所需的最低温度。退火工艺 的工艺温度可以是从约60(TC至约IIO(TC。该退火工艺的工艺气体可以包括惰性气体(例 如，氮气(N2)或氩气)。 金属氧化物层108和牺牲氧化物层110中的每个均具有吉布斯(Gibbs)生成自由 能。在下文中，吉布斯生成自由能被称为生成自由能(formation-free energy)。该生成自 由能是表示反应的自发程度的热力学量。在退火工艺的工艺温度下，牺牲氧化物层110的 生成自由能可以大于金属氧化物层108的生成自由能。因此，在执行退火工艺时，牺牲氧化 物层110中的氧和特定元素之间的反应性小于金属氧化物层108中的氧和金属元素之间的 反应性。牺牲氧化物层110的生成自由能和金属氧化物层108的生成自由能可以是负数。 即，牺牲氧化物层IIO和金属氧化物层108可以是由自发反应生成的材料。
由于在退火工艺的工艺温度下牺牲氧化物层110的生成自由能大于金属氧化物 层108的生成自由能，因此牺牲氧化物层110中的氧可以在退火工艺过程中被提供给金属 氧化物层108。更具体地，牺牲氧化物层110中的特定元素和氧以及金属氧化物层108中的 金属元素和氧在退火工艺过程中被活化。此时，牺牲氧化物层110中的氧可以与在退火工 艺过程中具有强反应性的金属氧化物层108中的金属元素组合。即，可以将牺牲氧化物层 110中的氧提供给金属氧化物层108。所提供的氧可以与退火的金属氧化物层108a中的空 位(vacancy)组合。结果，能够使退火的金属氧化物层108a中的空位最少。当金属氧化物 层108是单层时，通过牺牲氧化物层IIO和退火工艺能够使退火的金属氧化物层108a中的 大块空位最少。退火的牺牲氧化物层11(T可以处于缺氧状态。 下一步，将详细描述金属氧化物层108包括第一金属氧化物层104和第二金属氧 化物层106的情况。在退火工艺的工艺温度下，牺牲氧化物层110的生成自由能可以大于 第一金属氧化物层104的生成自由能和第二金属氧化物层106的生成自由能。退火工艺的 工艺温度可以等于或者大于使第一金属氧化物层104的第一金属元素和氧、第二金属氧化 物层106的第二金属元素和氧以及牺牲氧化物层110的特定元素和氧活化所需的最低温 度。第一金属氧化物层104的生成自由能和第二金属氧化物层106的生成自由能可以互不 相同。第一金属氧化物层104和第二金属氧化物层106可以通过退火工艺相互组合，以生 成组合层107。即，退火的金属氧化物层108a可以包括组合层107。组合层107可以包括 第一金属元素、第二金属元素和氧。由于第一金属氧化物层104的生成自由能和第二金属 氧化物层106的生成自由能互不相同，因此在组合层107中不仅可以存在大块空位，而且可 以存在通过组合生成的空位。此时，牺牲氧化物层110中的氧被提供给组合层107，以使组 合层107中的空位最少。 例如，牺牲氧化物层IIO可以包括选自下述组中的至少一个，该组由氧化硅层 (SiO》、氧化镁层(MgO)、氧化f丐层(CaO)、氧化铍层(BeO)、氧化镍层(NiO)、氧化锂层(LiO) 和氧化锗层(Ge02或GeO)组成。 例如，第一金属氧化物层104可由氧化铪层(Hf02)形成，并且第二金属氧化物层 106可由氧化铝层(A1203)形成。在该情况中，牺牲氧化物层110可由氧化硅层(Si02)形 成。氧化铪层(Hf02)的生成自由能在约95(TC时约为-1217KJ/mol，氧化铝层(A1203)的生 成自由能在约950。C时约为-1738KJ/mol，并且氧化硅层(Si02)的生成自由能在约950°C时 约为-962KJ/mo1。 S卩，由氧化硅层(Si02)形成的牺牲氧化物层110的生成自由能大于分别 由氧化铪层(Hf02)和氧化铝层(A1203)形成的第一和第二金属氧化物层104和106的生成 自由能。 如图2中所示，通过退火工艺第二金属氧化物层106的一部分可以与第一金属氧 化物层104组合。在该情况中，第二金属氧化物层的剩余层106—可设置于组合层107上。 退火的金属氧化物层108a可以包括组合层107和第二金属氧化物层的剩余层106—。剩余 层106—可以包括第二金属元素和氧。牺牲氧化物层110中的氧也被提供给剩余层106—。 因此，即使在第二金属氧化物层106的生成自由能大于第一金属氧化物层104的生成自由 能时，通过牺牲氧化物层110中的氧仍可以使剩余层106—的空位最少。与此不同，第二金 属氧化物层106的完整部分可以与第一金属氧化物层104组合。在该情况中，未形成剩余 层106—并且退火的金属氧化物层108a可以包括组合层107。
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参考图3，退火的牺牲氧化物层ll(T被移除。根据一实施例，可以在执行退火工艺 之后移除退火的牺牲氧化物层110'和剩余层106'，使得退火的金属氧化物层108a可以包 括组合层107。根据实施例，在移除退火的牺牲氧化物层ll(T之后，退火的金属氧化物层 108a可以包括牺牲氧化物层110的特定元素。 在移除退火的牺牲氧化物层ll(T之后，可以在衬底100上形成图4的电极115。 电极115可以在退火的金属氧化物层108a上形成。电极115可以直接形成在组合层107 上或者剩余层106—上。组合层107可以使图4的电极115的费米能级移位。因此，可以改 变电极115的有效功函数。后面将参考图4描述电极115的有效功函数的进一步的细节。 退火的金属氧化物层108a可以用作多种用途的电介质层。例如，退火的金属氧化物层108a 可以用作晶体管的栅极电介质层或者电容器的电容器电介质层。 根据上文描述的形成半导体器件的方法，牺牲氧化物层110中的氧在退火工艺过 程中被提供给金属氧化物层108。因此，可以使退火的金属氧化物层108a中的空位最少。 结果，可以改善退火的金属氧化物层108a的电气特性。 电介质层中的空位可能引起某些问题。例如，电介质层中的空位可能俘获电荷。 因此，具有空位的电介质层的电位可能改变，从而引起半导体器件的特性的劣化。而且，电 荷可能经由电介质层中的空位穿透电介质层。因此，电介质层的漏电流特性可能劣化。此 外，当具有空位的电介质层用作栅极电介质层时，空位可能使沟道中的载流子的移动性降 低。然而，根据本发明的实施例，通过牺牲氧化物层iio和退火工艺，使退火的金属氧化物 层108a中的空位最少。因此，可以实现包括具有卓越电气特性的退火的金属氧化物层108a 的电介质层。 通过在形成牺牲氧化物层110之后执行退火工艺，牺牲氧化层110中的氧可以扩 散到金属氧化物层108中。因此，牺牲氧化物层110中的氧可以稳定地被提供给金属氧化 物层108。结果，可以使牺牲氧化物层110中的氧施加到金属氧化物层108下面的衬底的效 应最小。 图4是根据本发明的实施例的半导体器件的横截面图。 参考图4，金属氧化物层108a设置于衬底100上。界面层102可以设置于金属氧 化物层108a和衬底100之间。界面层102可以包括氧化物、氮化物和/或氧氮化物。界面 层102可被省略。电极115可以设置于金属氧化物层108a上。电极115可以包括选自下 述组中的至少一个，该组由掺杂半导体、传导金属氮化物(例如，氮化钛或氮化钽)、金属硅 化物(例如，硅化鸨或硅化钴)和金属(例如，钛、钽、铜、铝或贵金属)组成。
金属氧化物层108a可以包括氧和至少一个金属元素。此外，金属氧化物层108a可 以包括特定元素。该特定元素和氧之间的反应性可以小于金属元素和氧之间的反应性。换 言之，该特定元素的还原电位(reduction potential)可以小于金属元素的还原电位。根据 本发明的一实施例，金属氧化物层108a可以包括第一金属元素、第二金属元素、氧和特定 元素。在该情况中，特定元素和氧之间的反应性可以小于第一金属元素和氧之间的反应性 以及第二金属元素和氧之间的反应性。即，特定元素的还原电位可以小于第一金属元素的 还原电位和第二金属元素的还原电位。第一金属元素可以是图1的第一金属氧化物层104 中包括的金属元素，并且第二金属元素可以是图1的第二金属氧化物层106中包括的金属 元素。
金属氧化物层108a可以包括组合层107，以及设置于组合层107上面的帽层
106—，该组合层107包括第一金属元素、第二金属元素和氧。帽层106—可以包括第二金属元
素和氧。帽层106—可以不包括第一金属元素。帽层106—可以对应于图2的剩余层106—。
与此不同，金属氧化物层108a可以仅包含组合层107，而没有帽层106—。 金属氧化物层108a中的特定元素的浓度可以根据金属氧化物层108a的位置而不同。 图5是说明根据本发明的实施例的半导体器件的金属氧化物层中的特定元素浓 度的曲线图，该曲线图是沿图4的线I-I'截取的。 参考图4和5， y轴表示特定元素的浓度，并且x轴表示图5中的位置。金属氧化 物层108a具有相互面对的第一表面和第二表面。金属氧化物层108a的第一表面被设置为 相比于第二表面相对远离移除的牺牲氧化物层(图2的ll(T)。金属氧化物层108a的第二 表面被设置为相比于第一表面相对接近移除的牺牲氧化物层(图2的ll(T)。例如，金属氧 化物层108a的第一表面可以对应于金属氧化物层108a的下表面，并且金属氧化物层108a 的第二表面可以对应于金属氧化物层108a的上表面。在图5中，金属氧化物层108a的第 一表面与界面层102相邻，并且金属氧化物层108a的第二表面与电极115相邻。当金属氧 化物层108a包括组合层107和帽层106—时，金属氧化物层108a的第二表面可以对应于帽 层106—的上表面。当金属氧化物层108a仅包括组合层107时，金属氧化物层108a的第二 表面可以对应于组合层107的上表面。 图5的线120表示特定元素的浓度。如图5中所示，与第一表面相邻的部分金属 氧化物层108a的特定元素的浓度不同于与第二表面相邻的部分金属氧化物层108a的特定 元素的浓度。与第二表面相邻的部分金属氧化物层108a的特定元素的浓度可以大于与第 一表面相邻的部分金属氧化物层108a的特定元素的浓度。与第二表面相邻的部分金属氧 化物层108a可以具有特定元素的相当大的浓度。随着金属氧化物层108a中的位置从第二 表面向第一表面移动，特定元素的浓度可以急剧下降。 相比于金属氧化物层108a中的金属元素的浓度，该特定元素的浓度是非常小的。 例如，该特定元素的浓度的最大值可以是金属氧化物层108a中金属元素浓度的10—5%至百 分之几。 包括组合层107的金属氧化物层108a可以使电极115的费米能级移位。 图6是根据本发明的实施例的半导体器件的能带图，该能带图是沿图4的线I-I'
截取的。为了便于解释，图6的能带图是简化的。 参考图4和6，组合层107包括相互面对的第一表面和第二表面。第一界面可由组 合层107的第一表面和界面层102形成。当界面层102被省略时，该第一界面可由组合层 107的第一表面和衬底100形成。第二界面可由组合层107的第二表面和帽层106—形成。 当帽层106—被省略时，该第二界面可由组合层107的第二表面和电极115形成。
组合层107可以改变第一界面的界面状态。因此，组合层107和界面层102之间 的带偏移可以改变。该带偏移可由相互接触的两个层的导带边缘之间的能量差来限定。组 合层107和界面层102之间的带偏移是组合层107的导带边缘和界面层102的导带边缘之 间的能量差。 当组合层107和界面层102之间的带偏移改变时，电极115的费米能级可以移位。在图6中，附图标记140是电极115的固有费米能级(natural Fermi level)，并且图6的 附图标记145表示电极115的移位的费米能级。图6中的金属氧化物层108a的虚线表示 组合层107和帽层106—的固有能带。 组合层107改变第二界面的界面状态，从而改变组合层107和帽层106—(或者电 极115)之间的带偏移。在该情况中，第二界面处的带偏移变化可以不同于第一界面处的带 偏移变化。第一和第二界面的带偏移变化可以是正数或负数。当带偏移变化是负数时，移 位带偏移相比于固有带偏移下降。当带偏移变化是正数时，移位带偏移相比于固有带偏移 增加。因此，电极115的费米能级可以因组合层107引起的带偏移变化而移位。与组合层 107的第一表面相邻的部分组合层107和与组合层107的第二表面相邻的部分组合层107 可以具有互不相同的含量比。换言之，与第一表面相邻的部分组合层107的第一金属元素 浓度和第二金属元素浓度可以分别不同于与第二表面相邻的部分组合层107的第一金属 元素浓度和第二金属元素浓度。 电极115的费米能级可以因组合层107而增加。例如，当组合层107中的第一和 第二金属元素之一是铝时，电极115的费米能级可以增加。在该情况中，与组合层107的第 一表面相邻的部分组合层107中的铝浓度可以大于与组合层107的第二表面相邻的部分组 合层107中的铝浓度。在该情况中，组合层107中的第一和第二金属元素中的另一金属元 素可以是铪。 电极115的费米能级可以因组合层107而下降。例如，当组合层107的第一和第 二金属元素中的一个金属元素是锆和稀土金属(例如，镧(La)、镝(Dy)或铒(Er))之一时， 电极115的费米能级可以下降。在该情况中，与组合107的第一表面相邻的部分组合层107 中的锆浓度(或者稀土金属浓度)可以大于与组合107的第二表面相邻的部分组合层107 中的锆浓度(或者稀土金属浓度)。
(第二实施例) 本实施例公开了包括根据本发明的实施例的晶体管的半导体器件。特别地，本实 施例公开了包括NMOS晶体管和PMOS晶体管的半导体器件。在本实施例中，与上文所述的 第一实施例相同的要素使用相同的附图标记。 图7至10是说明根据本发明的另一实施例的形成半导体器件的方法的横截面图。
参考图7，界面层102可以在包括第一区域(a)和第二区域(b)的衬底100上形 成。金属氧化物层108可以在界面层102上形成。在形成界面层102之前，可以在衬底100 中形成器件隔离图案(未示出)，以限定第一区域(a)中的第一有源部分和第二区域(b)中 的第二有源部分。第一和第二有源部分可以是由器件隔离图案围绕的部分衬底IOO。第一 区域(a)和第二区域(b)之一是其中形成PMOS晶体管的区域，并且另一个是其中形成NMOS 晶体管的区域。 金属氧化物层108可以是单层的或多层的。金属氧化物层108可以包括顺序层叠 的第一金属氧化物层104和第二金属氧化物层106。牺牲氧化物层110形成在金属氧化物 层108上。第一金属氧化物层104、第二金属氧化物层106和牺牲氧化物层IIO可以与上文 所述的第一实施例相同。牺牲氧化物层IIO可以在低于使第一和第二金属氧化物层104和 106中的第一金属元素、第二金属元素和氧活化所需的最低温度的温度下形成。
参考图8，第二区域(b)中的牺牲氧化物层IIO和第二金属氧化物层可被移除。此时，第一区域(a)中的牺牲氧化物层110和第二金属氧化物层保留。可以形成覆盖第一区 域(a)中的牺牲氧化物层110的掩模图案(未示出)，并且可以使用掩模图案作为刻蚀掩模 来移除第二区域(b)中的牺牲氧化物层110和第二金属氧化物层。随后，可以移除该掩模 图案。 参考图9，在衬底100上执行退火工艺。该退火工艺可以与上文所述的第一实施例 的退火工艺相同。因此，在执行退火工艺时，第一区域(a)中的第一金属氧化物层104和第 二金属氧化物层106相互组合以形成组合层107，并且牺牲氧化物层110中的氧被提供给该 组合层107。如图9所示，第二金属氧化物层106的一部分与第一金属氧化物层104组合， 并且第二金属氧化物层106的另一部分106—可以保留。牺牲氧化物层110中的氧可以被 提供给剩余层106—。因此，使退火的金属氧化物层108a中的空位最少。在第二区域(b)中 不存在第二金属氧化物层106。因此，在执行退火工艺时，第二区域(b)中的第一金属氧化 物层104未被组合。 参考图IO，退火的牺牲氧化物层ll(T被移除。如参考图4描述的，在移除退火的 牺牲氧化物层110—之后，牺牲氧化物层110中的部分特定元素可以保留在退火的金属氧化 物层108a中。根据半导体器件所需的特性可以移除剩余层106—。与此不同，剩余层106— 可以保留。 在第一区域(a)中的组合层107和第二区域(b)中的第一金属氧化物层104上形 成栅极传导层115。栅极传导层115可以包括选自下述组中的至少一个，该组由掺杂半导 体、传导金属氮化物(例如，氮化钛或氮化钽)、金属硅化物(例如，硅化钨或硅化钴)和金 属(例如，钛、钽、铜、铝或贵金属)组成。 栅极传导层115被构图以形成图11的第一栅电极115a和第二栅电极115b。第一 栅电极115a在第一区域(a)的组合层107上形成，并且第二栅电极115b在第二区域(b) 的第一金属氧化物层104上形成。形成图11的第一源极/漏极117a和第二源极/漏极 117b。第一和第二源极/漏极117a和117b可以同时形成或顺序形成。第一和第二源极/ 漏极117a和117b可以掺杂有相反类型的掺杂剂。即，第一和第二源极/漏极117a和117b 中的一个可以掺杂有n型掺杂剂，并且另一个可以掺杂有p型掺杂剂。在第一晶体管中包 括第一栅电极115a、组合层107和第一源极/漏极117a，并且在第二晶体管中包括第二栅 电极115b、第一金属氧化物层104和第二源极/漏极117b。 根据上文描述的形成半导体器件的方法，第一区域(a)的牺牲氧化物层110中的 氧被提供给金属氧化物层108。因此，使第一区域(a)的退火的金属氧化物层108a中的空 位数量最少，并且第一晶体管具有卓越的电气特性。 而且，第一栅电极115a的费米能级可以因组合层107而移位。因此，即使第一和第 二栅电极115a和115b可由相同材料形成，第一栅电极115a的费米能级也可以不同于第二 栅电极115b的费米能级。结果，可以实现具有最优NMOS晶体管和最优PMOS晶体管的CMOS 器件。 例如，当第一栅电极115a与n型硅的费米能级相邻并且第二栅电极115b与p型 硅的费米能级相邻时，第一晶体管可以是NMOS晶体管并且第二晶体管可以是PMOS晶体管。 与此不同，当第一栅电极115a与p型硅的费米能级相邻并且第二栅电极115b与n型硅的 费米能级相邻时，第一晶体管可以是PMOS晶体管并且第二晶体管可以是NMOS晶体管。
图11是根据本发明的另一实施例的半导体器件的横截面图。 参考图ll，器件隔离图案(未示出)设置于包括第一区域(a)和第二区域(b)的 衬底100中，以限定第一区域(a)中的第一有源部分和第二区域(b)中的第二有源部分。 第一和第二有源部分可以是由器件隔离图案围绕的部分衬底100。第一栅电极115a跨越 第一有源部分，并且第二栅电极115b跨越第二有源部分。包括第一金属元素、第二金属元 素和氧的组合层107设置于第一栅电极115a和第一有源部分之间。包括第二金属元素和 氧的帽层(图9的106—)可以设置于组合层107和第一栅电极115a之间。包括第一金属 元素和氧的第一金属氧化物层104设置于第二栅电极115b和第二有源部分之间。界面层 102可以设置于组合层107和第一有源部分之间以及金属氧化物层104和第二有源部分之 间。第一源极/漏极117a可以设置于第一栅电极115a两侧的第一有源部分中，并且第二 源极/漏极117b可以设置于第二栅电极115b两侧的第二有源部分中。
组合层107或者组合层107/帽层包括特定元素。特定元素和氧之间的反应性可 以小于第一金属元素和氧之间以及第二金属元素和氧之间的反应性。组合层107中的特定 元素的浓度可以与参考图5描述的浓度相同。第二栅电极115b和第二有源部分之间的第 一金属氧化物层140可以不包括特定元素。 第一和第二栅电极115a和115b可由相同材料形成。第一栅电极115a的费米能 级可以因组合层107而移位。因此，第一栅电极115a的有效功函数可以不同于第二栅电极 115b的有效功函数。第一和第二栅电极115a和115b中的一个可以用作NMOS晶体管的栅 极，并且另一个用作PMOS晶体管的栅极。因此，可以实现具有卓越特性的NMOS晶体管和 PMOS晶体管。 [OO75](第三实施例) 本实施例公开了根据本发明的实施例的包括电容器的半导体器件。在本实施例
中，与上文所述的第一和第二实施例相同的要素使用相同的附图标记。 图12是根据本发明的又一实施例的半导体器件的横截面图。 参考图12，金属氧化物层108a设置于衬底100—上。衬底100—可以包括第一电极 95。此外，衬底100—可以进一步包括第一电极95下面的支撑衬底90。 S卩，第一电极95可 以设置于支撑衬底90上。支撑衬底90可以包括半导体衬底或者顺序层叠的半导体衬底和 绝缘层。第一电极95可以包括选自下述组中的至少一个，该组由掺杂半导体、传导金属氮 化物(例如，氮化钛或氮化钽)、金属硅化物(例如，硅化鸨或硅化钴)和金属(例如，钛、 钽、铜、铝或贵金属)组成。 金属氧化物层108a可以设置于第一电极95上。界面层102可以设置于金属氧化 物层108a和第一电极95之间。第二电极115可以设置于金属氧化物层108a上。金属氧 化物层108a、或者界面层102/金属氧化物层108a可以用作电容器的电介质层。第一电极 95和第二电极115对应于电容器的两个电极。 金属氧化物层108a可以包括第一金属元素、第二金属元素和氧。此外，金属氧化 物层108a可以进一步包括特定元素。特定元素和氧之间的反应性可以小于第一元素和氧 之间的反应性以及第二元素和氧之间的反应性。金属氧化物层108a可以包括组合层107 和帽层106—。组合层107可以包括第一金属元素、第二金属元素和氧，并且帽层106—可以 包括第二金属元素和氧。帽层106—可以被省略。金属氧化物层108a中特定元素的浓度可以等于上文所述的第一实施例中的参考图5描述的浓度。如第一和第二实施例所述，组合 层107可以使第二电极115的功函数移位。因此，通过控制第一和第二电极95和115之间 的功函数的差，能够进一步使电容器的漏电流最小。 包括第一电极95、第二电极115和金属氧化物层108a的电容器可以实现为具有多 种形状，诸如平坦形状、圆柱形状或叠层形状。 前文是本发明的说明并且不应被解释为本发明的限制。尽管已描述了本发明的数 个实施例，但是本领域的技术人员将容易地认识到，在不实质上偏离本发明的新颖的教授 内容和优点的前提下，实施例中的许多修改是可行的。因此，所有该修改应涵盖于如权利要 求限定的本发明的范围内。因此，将理解，前文是本发明的说明并且不应被解释为限于所公 开的特定实施例，并且对所公开的实施例的修改以及其他实施例应涵盖于附属权利要求的 范围内。本发明由包括权利要求的等效物的附属权利要求限定。
1权利要求
一种形成集成电路器件的方法，包括在衬底上形成金属氧化物层，所述金属氧化物层包括第一金属氧化物和不同的第二金属氧化物；在所述金属氧化物层上形成牺牲氧化物层，在处于从约600℃至约1100℃范围中的第一温度下，所述牺牲氧化物层所具有的吉布斯生成自由能大于所述金属氧化物层中所述第一和第二金属氧化物的吉布斯生成自由能；和在所述第一温度下使所述金属氧化物层和所述牺牲氧化物层退火，所述退火持续足以将所述金属氧化物层中至少一部分所述第一金属氧化物转换为组合金属氧化物层的持续时间，所述组合金属氧化物层包括所述第一氧化物和第二氧化物。
2. 如权利要求1所述的方法，其中在所述退火之后执行以下步骤 移除至少一部分所述牺牲氧化物层；禾口 在所述组合金属氧化物层上形成电极。
3. —种形成集成电路器件的方法，包括在衬底的第一部分和第二部分上形成金属氧化物层，所述金属氧化物层包括第一金属 氧化物层和不同的第二金属氧化物层；在所述金属氧化物层上形成牺牲氧化物层，在处于从约60(TC至约IIO(TC范围的第一 温度下，所述牺牲氧化物层所具有的吉布斯生成自由能大于所述金属氧化物层中所述第一 金属氧化物和第二金属氧化物的吉布斯生成自由能；选择性地从所述衬底的所述第二部分移除所述牺牲氧化物层和所述第二金属氧化物 层；然后在所述第一温度下使所述衬底及其上面的所述金属氧化物层和牺牲氧化物层退火，所 述退火持续足以将所述金属氧化物层中至少一部分所述第一金属氧化物转换为组合金属 氧化物层的持续时间，所述组合金属氧化物层包括所述第一氧化物和第二氧化物；然后从所述衬底的所述第一部分移除所述牺牲氧化物层；并且然后在与所述衬底所述第一部分相反延伸的一部分所述组合金属氧化物层上形成第一电 极，并且在与所述衬底所述第二部分相反延伸的一部分所述第一金属氧化物层上形成第二 电极。
4. 一种形成半导体器件的方法，包括 在衬底上形成金属氧化物层； 在所述金属氧化物层上形成牺牲氧化物层；禾口对包括所述牺牲氧化物层的所述衬底执行退火工艺，其中在所述退火工艺的工艺温度 下，所述牺牲氧化物层的生成自由能大于所述金属氧化物层的生成自由能。
5. 如权利要求4所述的方法，在执行所述退火工艺之后，进一步包括 移除所述牺牲氧化物层。
6. 如权利要求4所述的方法，其中所述牺牲氧化物层中的氧在所述退火工艺过程中被 提供给所述金属氧化物层。
7. 如权利要求4所述的方法，其中所述牺牲氧化物层包括特定元素和氧，并且其中一 部分所述特定元素在所述退火工艺过程中被提供给所述金属氧化物层。
8. 如权利要求4所述的方法，其中在低于使所述金属氧化物层中的元素活化所需最低温度的温度下形成所述牺牲氧化物层。
9. 如权利要求4所述的方法，在形成所述金属氧化物层之前，进一步包括 在所述衬底上形成界面层。
10. 如权利要求4所述的方法，其中形成所述金属氧化物层的步骤包括 在所述衬底上形成第一金属氧化物层；禾口 在所述第一金属氧化物层上形成第二金属氧化物层；其中在所述退火工艺的所述工艺温度下，所述牺牲氧化物层的生成自由能大于所述第 一金属氧化物层的生成自由能和所述第二金属氧化物层的生成自由能。
11. 如权利要求io所述的方法，其中在所述退火工艺的所述工艺温度下，所述第一金属氧化物层的生成自由能和所述第二金属氧化物层的生成自由能互不相同。
12. 如权利要求IO所述的方法，其中所述第一金属氧化物层和第二金属氧化物层通过 所述退火工艺相互组合，以形成组合层。
13. 如权利要求12所述的方法，其中所述第一金属氧化物层和一部分所述第二金属 氧化物层通过所述退火工艺相互组合以形成所述组合层，并且其中在执行所述退火工艺之 后，所述第二金属氧化物层的另一部分保留在所述组合层上。
14. 如权利要求12所述的方法，进一步包括 在执行所述退火工艺之后移除所述牺牲氧化物层；禾口 在所述组合层上形成电极。
15. 如权利要求14所述的方法，其中所述电极的费米能级因所述组合层而移位。
16. 如权利要求IO所述的方法，其中所述衬底包括第一区域和第二区域， 所述方法进一步包括在执行所述退火工艺之前，移除所述第二区域中的所述牺牲氧化物层和所述第二金属 氧化物层；在执行所述退火工艺之后，移除所述第一区域中的所述牺牲氧化物层；禾口 在所述第一区域中形成第一电极并且在所述第二区域中形成第二电极。
17. —种半导体器件，包括 衬底；和设置于所述衬底上的金属氧化物层，所述金属氧化物层包括特定元素和至少一个金属 元素，其中所述特定元素和氧之间的反应性小于所述金属元素和氧之间的反应性。
18. 如权利要求17所述的半导体器件，其中所述金属氧化物层包括第一金属元素和第 二金属元素，并且其中所述特定元素和氧之间的所述反应性小于所述第一金属元素和氧之 间的反应性以及所述第二金属元素和氧之间的反应性。
19. 如权利要求18所述的半导体器件，其中所述第一金属元素和氧之间的反应性与所 述第二金属元素和氧之间的反应性互不相同。
20. 如权利要求18所述的半导体器件，进一步包括设置于所述金属氧化物层的一个表 面上的电极，其中所述电极的费米能级因所述金属氧化物层而移位。
21. 如权利要求18所述的半导体器件，其中所述金属氧化物层包括组合层，通过组合 所述第一金属元素、所述第二金属元素和氧来形成所述组合层，其中所述组合层包括相互面对的第一表面和第二表面，并且其中与所述组合层的所述第一表面相邻的部分和与所述 组合层的所述第二表面相邻的部分具有互不相同的元素含量比。
22. 如权利要求17所述的半导体器件，其中所述金属氧化物层包括相互面对的第一表 面和第二表面，并且其中与所述第一表面相邻的部分所述金属氧化物层的所述特定元素的 浓度不同于与所述第二表面相邻的部分所述金属氧化物层的所述特定元素的浓度。
23. 如权利要求22所述的半导体器件，其中所述特定元素在所述金属氧化物层的所述 第二表面处具有最大浓度。
全文摘要
本发明提供了一种半导体器件及其形成方法。该方法可以包括在衬底上形成金属氧化物层和在该金属氧化物层上形成牺牲氧化物层。在衬底上执行退火工艺。在退火工艺的工艺温度下，牺牲氧化物层的生成自由能大于金属氧化物层的生成自由能。
文档编号H01L21/8238GK101728329SQ20091020617
公开日2010年6月9日 申请日期2009年10月21日 优先权日2008年10月21日
发明者崔时荣, 徐康一, 朴全雄, 李惠兰, 李晓山, 洪炯硕, 玄尚镇, 申裕均, 罗勋奏, 赵学柱 申请人:三星电子株式会社