半导体结构及其形成方法

专利名称：半导体结构及其形成方法
技术领域：
本发明一般涉及半导体器件，特别地，涉及在高k栅极电介质之上的电极中包括 的金属栅极叠层及其制造方法。
背景技术：
栅极电介质的按比例缩小是改善先进场效应晶体管的性能的一个挑战。在采用基 于氧化硅的栅极电介质的场效应晶体管中，通过栅极电介质的泄露电流随着栅极电介质的 厚度的减小而呈指数级增大。在氧化硅栅极电介质的厚度等于或小于1. Inrn时，这样的器 件典型地变得泄露过多而不能提供高性能。高k电介质提供了一种按比例缩小栅极电介质的厚度的方式而不引起栅极泄露 电流的过度增大。然而，由于高k栅极电介质材料与通过栅极电极或栅极分隔物而扩散的 氧反应，高k栅极电介质材料的有效氧化物厚度(EOT)容易改变。在高温处理步骤期间硅 衬底与高k栅极电介质之间的氧化硅界面层的再生长是成功地按比例缩小有效氧化物厚 度的主要障碍。特别地，公知高k栅极电介质和金属栅极的典型叠层容易受到氧环境中的 高温退火的影响。这样的氧环境中的高温退火导致氧化硅界面层的再生长并导致场效应晶 体管的阈值电压不稳定性。

发明内容
本发明提供一种高k栅极电介质和金属栅极结构的叠层，其包括下金属层、清除 金属层(scavenging metal layer)以及上金属层。该清除金属层满足以下两个标准1)其 中反应 Si+2/y MxOy - 2x/y M+Si02 的吉布斯自由能变化(Gibbs free energy change)为 正性的金属(M)，2)其用于形成氧化物的每氧原子吉布斯自由能与下金属层的材料和上金 属层的材料相比负性更强的金属。当氧原子通过栅极电极而朝向高k栅极电介质扩散时， 满足这些标准的清除金属层俘获这些氧原子。另外，清除金属层远程地减小位于高k电介 质下方的氧化硅界面层的厚度。结果，减小了整个栅极电介质的等效氧化物厚度(EOT)，并 且即使在CMOS集成期间的高温处理之后，场效应晶体管仍保持恒定的阈值电压。根据本发明的一方面，提供一种半导体结构，其包括包含半导体材料的半导体衬 底；栅极电介质，其包括具有大于7. 5的介电常数的高介电常数(高k)电介质层且位于所 述半导体衬底上；以及栅极电极，其邻接所述栅极电介质且包括邻接所述栅极电介质的下 金属层、邻接所述下金属层的清除金属层以及邻接所述清除金属层的上金属层，其中所述 清除金属层包括这样的金属(M)，其中反应Si+2/y MxOy - 2x/y M+Si02的吉布斯自由能变 化为正性，并且其中用于形成该金属的氧化物的每氧原子吉布斯自由能的负性等于或大于 用于形成在所述下金属层中的第一金属化合物内的第一元素金属的氧化物的每氧原子吉 布斯自由能的负性且等于或大于用于形成在所述上金属层中的第二金属化合物内的第二 元素金属的氧化物的每氧原子吉布斯自由能的负性。根据本发明的另一方面，提供一种形成半导体结构的方法，其包括在半导体衬底
5上形成栅极电介质，所述栅极电介质包括具有大于7.5的介电常数的高介电常数(高k)电 介质层；形成叠层，所述叠层从下到上包括下金属层、清除金属层和上金属层，其中用于形 成所述清除金属层的氧化物的每氧原子吉布斯自由能的负性等于或大于用于形成在所述 下金属层中的第一金属化合物内的第一元素金属的氧化物的每氧原子吉布斯自由能的负 性和用于形成在所述上金属层中的第二金属化合物内的第二元素金属的氧化物的每氧原 子吉布斯自由能的负性；以及形成栅极电极和栅极电介质，其中通过构图所述叠层而形成 所述栅极电极，并且其中所述栅极电介质包括部分所述高k电介质层。


图1是根据本发明在形成高k电介质层、下金属层、清除金属层、上金属层和多晶 半导体层之后的第一示例性半导体结构的垂直截面图；图2是根据本发明在构图栅极电介质和栅极电极之后的第一示例性半导体结构 的垂直截面图；图3是在形成栅极分隔物以及源极和漏极扩展区之后的第一示例性半导体结构 的垂直截面图；图4是在形成硅化物区、电介质材料层和接触过孔之后的第一示例性半导体结构 的垂直截面图；图5是示出在各种金属的氧化期间吉布斯自由能的变化量的图；以及图6是示出在四种类型的金属栅极电极的情况下电容随着栅极电压变化的图。
具体实施例方式如上所述，本发明涉及在高k栅极电介质之上的电极中所包括的金属栅极叠层及 其制造方法，下面将参考附图对其进行详细描述。注意，通过相同的参考标号表示相同的或 对应的要素。附图未按比例绘制。参考图1，根据本发明的示例性半导体结构包括半导体衬底8和在其上形成的材 料层的叠层。半导体衬底8包含衬底半导体层10和浅沟槽隔离结构12。衬底半导体层10 所具有的材料可以选自但不限于硅、锗、硅_锗合金、硅碳合金、硅-锗-碳合金、砷化镓、砷 化铟、磷化铟、III-V化合物半导体材料、II-VI化合物半导体材料、有机半导体材料、以及 其他化合物半导体材料。典型地，衬底半导体层10的半导体材料包含硅，更典型地，底半导 体层10的半导体材料是硅。在衬底半导体层10的半导体材料是包含单晶硅的半导体材料时，该包含单晶硅 的半导体材料优选选自单晶硅、单晶硅碳合金、单晶硅锗合金、以及单晶硅锗碳合金。衬底半导体层10的半导体材料可以被适当地掺杂有ρ型掺杂剂原子或η型掺杂 剂原子。衬底半导体层10的掺杂剂浓度可以为1.0X1015/cm3至IJ 1. 0X 1019/cm3，典型地为 1. OX IOlfVcm3到3. OX 1018/cm3，但在此还预期更低或更高的掺杂剂浓度。优选地，衬底半导 体层10是单晶。半导体衬底8可以为体衬底、绝缘体上半导体(SOI)衬底或混合衬底。半 导体衬底8可以具有或不具有在衬底半导体层10中的内建应力。虽然利用体衬底描述本 发明，但在此明确地预期在SOI衬底或混合衬底上实现本发明。浅沟槽隔离结构12包括诸 如氧化硅或氮化硅的电介质材料，并且通过本领域公知的方法形成。
可以在衬底半导体层10的暴露的半导体表面上形成未构图的化学氧化物层20L。 直接在未构图的化学氧化物层20L的顶表面上形成未构图的高介电常数(高k)电介质层 30L。即使在不形成未构图的化学氧化物层20L的情况下，未构图的高介电常数(高k)电 介质层30L的沉积和随后的热处理导致在衬底材料层10与未构图的高介电常数(高k)电 介质层30L之间形成预存在的界面层。可以通过用化学品处理暴露的半导体表面而形成未 构图的化学氧化物层20L。例如，用于该湿法化学氧化的处理步骤可以包括在65°C下用氢 氧化铵、过氧化氢和水(按1 1 5的比例)处理清洗后的半导体表面(例如用氢氟酸 处理过的半导体表面)。可替代地，还可以通过在其臭氧浓度通常介于但不限于2百万分 率(ppm)与40ppm之间变化的臭氧化含水溶液中处理以HF为最后步骤的半导体表面，形成 该化学氧化物层。未构图的化学氧化物层20L有助于最小化由未构图的高k电介质层30L 中的高k电介质材料引起的衬底半导体层10中的迁移率降低。然而，未构图的化学氧化物 层20L的厚度比必要值厚且增大了复合电介质叠层的有效氧化物厚度(EOT)，所述复合电 介质叠层包括未构图的化学氧化物层20L和未构图的高k电介质层30L。EOT的可缩放性 受到未构图的化学氧化物层20L的厚度的严格限制。在衬底半导体层是硅层的情况下，未 构图的化学氧化物层20L是氧化硅层。典型地，未构图的化学氧化物层20L的厚度为0. Inm 到0. 4nm，但在此还预期更小或更大的厚度。在半导体衬底8的顶表面上形成高介电常数(高k)电介质层30L。未构图的高k 电介质层30L包括高介电常数(高k)电介质，该材料包含电介质金属氧化物且其介电常数 大于氮化硅的介电常数7. 5。可以通过本领域公知的方法，包括例如化学气相沉积(CVD)、 原子层沉积(ALD)、分子束沉积(MBD)、脉冲激光沉积(PLD)、液态源雾化化学沉积(LSMCD) 等等，形成未构图的高k电介质层30L。该电介质金属氧化物包含金属和氧，并且可选地包含氮和/或硅。示例性的高k 电介质材料包括 Hf02、ZrO2, La203、A1203、TiO2, SrTiO3> LaA103、Y2O3, HfOxNy, ZrOxNy, La2OxNy, Al20xNy、TiOxNy> SrTiOxNy, LaA10xNy、Y2OxNy、其硅酸盐、以及其合金。每个χ值独立地为0. 5 到3，且每个y值独立地为0到2。未构图的高k电介质层30L的厚度可以为Inm到10nm， 优选地为1. 5nm到3nm。未构图的高k电介质层30L可以具有等于或小于Inm量级的有效 氧化物厚度(EOT)。直接在未构图的高k电介质层30L的顶表面上沉积未构图的下金属层40L。例如， 可以通过化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)或原子层沉积(ALD)来形成未构图的下 金属层40L。在此将未构图的下金属层40L的材料称为“第一金属化合物”，其可以为导电的过 渡金属氮化物或导电的过渡金属碳化物。第一金属化合物是选自过渡金属的第一金属元素 和非金属元素的化合物。如果非金属元素是氮，则第一金属化合物是过渡金属氮化物。如 果非金属元素是碳，则第一金属化合物是过渡金属碳化物。例如，第一金属化合物可以选自 TiN、TiC、TaN、TaC及其组合。在此使用的过渡金属包括选自元素周期表中的3B、4B、5B、6B、 7B、8B、1B和2B族以及镧系元素和锕系元素的元素。未构图的下金属层40L的厚度可以为 Inm到lOnm，优选地为3nm到10歷，但在此还预期更小和更大的厚度。直接在未构图的下金属层40L上沉积未构图的清除金属层50L。例如，可以通过化 学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)或原子层沉积(ALD)来形成未构图的清除金属层50L。优选地，第一示例性半导体结构被从用于沉积未构图的下金属层40L的处理室转移到 用于沉积未构图的清除金属层50L的另一处理室而不破坏真空，以防止通过氧化或者将氧 引入未构图的下金属层40L而形成任何界面层。未构图的清除金属层50L的材料“清除”在随后的处理期间来自邻近的金属层的 杂质氧。对于未构图的清除金属层50L，为了有效地清除在随后的处理步骤中的杂质氧，有 必要在形成步骤期间抑制氧向未构图的清除金属层50L中的引入。此外，有必要选择用于 未构图的清除金属层50L的材料，以便未构图的清除金属层50L的材料有效地清除来自未 构图的下金属层40L和将要随后形成的未构图的上金属层60L的杂质氧原子。未构图的清除金属层50L可以包括元素形式的金属。可以被选择用于未构图的清 除金属层50L的典型元素金属包括但不限于Al、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ti、Zr、Hf、 Dy、Lu、Er、Pr和Ce。在一个实施例中，未构图的清除金属层50由至少一种碱土金属构成。 在另一实施例中，未构图的清除金属层50由至少一种过渡金属构成。在又一实施例中，未 构图的清除金属层50由至少一种碱土金属和至少一种过渡金属的混合物构成。优选地，未 构图的清除金属层50L的厚度可以为0. Inm到3. Onm，但在此还预期更小和更大的厚度。直接在未构图的清除金属层50L的顶表面上沉积未构图的上金属层60L。例如，可 以通过化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)或原子层沉积(ALD)来形成未构图的上金 属层60L。优选地，第一示例性半导体结构被从用于沉积未构图的清除金属层50L的处理室 转移到用于沉积未构图的上金属层60L的另一处理室而不破坏真空，以防止通过氧化或者 将氧引入未构图的清除金属层50L而形成任何界面层。在此将未构图的上金属层60L的材料称为“第二金属化合物”，其可以为导电的过 渡金属氮化物或导电的过渡金属碳化物。第二金属化合物是选自过渡金属的第二金属元素 和非金属元素的化合物。如果非金属元素是氮，则第二金属化合物是过渡金属氮化物。如 果非金属元素是碳，则第二金属化合物是过渡金属碳化物。例如，第二金属化合物可以选自 TiN, TiC、TaN, TaC及其组合物。未构图的上金属层60L的厚度可以为Inm到lOOnm，优选 地为3nm到lOnm，但在此还预期更小和更大的厚度。在一种情况下，第一金属化合物和第二金属化合物是相同的材料。在另一种情况 下，第一金属化合物和第二金属化合物是不同的材料。在一个实施例中，将未构图的清除金属层50L的材料选择为使用于形成未构图的 清除金属层50L的氧化物的每氧原子吉布斯自由能的负性等于或大于用于形成在未构图 的下金属层40L中的第一金属化合物内的第一元素金属的氧化物的每氧原子吉布斯自由 能的负性。此外，将未构图的清除金属层50L的材料选择为使用于形成未构图的清除金属 层50L的氧化物的每氧原子吉布斯自由能的负性等于或大于用于形成在未构图的上金属 层60L中的第二金属化合物内的第二元素金属的氧化物的每氧原子吉布斯自由能的负性。例如，第一和第二金属化合物可以选自TiN、TiC、TaN、TaC及其组合物。未构图的 清除金属层 50L 包括 Al、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ti、Zr、Hf、Dy、Lu、Er、Pr 和 Ce 中的 至少一种。在另一实施例中，将未构图的清除金属层50L的材料选择为使用于形成未构图的 清除金属层50L的氧化物的每氧原子吉布斯自由能的负性大于用于形成在未构图的下金 属层40L中的第一金属化合物内的第一元素金属的氧化物的每氧原子吉布斯自由能的负性。此外，将未构图的清除金属层50L的材料选择为使用于形成未构图的清除金属层50L 的氧化物的每氧原子吉布斯自由能的负性大于用于形成在未构图的上金属层60L中的第 二金属化合物内的第二元素金属的氧化物的每氧原子吉布斯自由能的负性。在根据该实施例的一个示例性实例中，第一金属化合物和第二金属化合物中的每 一者可以选自TaN、TaC及其组合物。由于钛(Ti)具有负性大于钽(Ta)的用于形成氧化物 的每氧原子吉布斯自由能，因此在该示例性实例中，未构图的清除金属层50L可以包括具 有元素形式且选自 Al、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ti、Zr、Hf、Dy、Lu、Er、Pr 和 Ce 的金属。在根据该实施例的另一示例性实例中，第一金属化合物和第二金属化合物中的至 少一者选自TiN、TiC及其组合物。在该示例性实例中，未构图的清除金属层50L可以包括 具有元素形式且选自 Al、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Zr、Hf、Dy、Lu、Er、Pr 和 Ce 的金属。在一个优选实例中，未构图的下金属层40L的第一金属化合物和未构图的上金属 层60L的第二金属化合物为TiN，并且未构图的清除金属层50L是包含元素金属形式的铝的 招层。不是必需地但优选地，例如，通过低温化学气相沉积(LPCVD)、快速热化学气相沉 积(RTCVD)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，直接在未构图的上金属层60L的顶表面 上沉积未构图的多晶半导体层70L。未构图的多晶半导体层70L可以包括多晶硅、多晶硅锗 合金、多晶硅碳合金或多晶硅锗碳合金。可以通过原位掺杂将未构图的多晶半导体层70L 形成为掺杂的多晶半导体层。可替代地，可以通过在沉积未构图的多晶半导体层70L之后 且在构图栅极电极之前离子注入掺杂剂原子，对未构图的多晶半导体层70L进行掺杂。另 外可替代地，可以在构图栅极电极之后在未构图的多晶半导体层70L的剩余部分上进行掺 杂剂离子的注入。未构图的多晶半导体层70L的厚度可以为IOnm到300nm，典型地为50nm 到lOOnm，但在此还预期更小和更大的厚度。在不形成未构图的多晶半导体层70L的实施例 中，未构图的下金属层40L、未构图的清除金属层50L和未构图的上金属层60L的叠层构成 栅极电极层。对未构图的多晶半导体层70L的顶表面施加光致抗蚀剂层(未示出)，并且光刻构 图该光致抗蚀剂层以形成光致抗蚀剂部分77 (参见图2)，该光致抗蚀剂部分77具有随后将 要形成的栅极电极的形状。光致抗蚀剂部分77中的图形被转移到未构图的多晶半导体层 70L、未构图的上金属层60L、未构图的清除金属层50L、未构图的下金属层40L、未构图的高 k电介质层30L以及未构图的化学氧化物层20L的叠层中。可以通过采用光致抗蚀剂部分 77作为蚀刻掩模的各向异性蚀刻来实现图形转移。参考图2，未构图的多晶半导体层70L、未构图的上金属层60L、未构图的清除金属 层50L、未构图的下金属层40L的剩余部分构成栅极电极，该栅极电极包括多晶半导体层 70、上金属层60、清除金属层50以及下金属层40。典型地将栅极电极(40，50，60，70)构图 为具有宽度的线路，该宽度是如图2所示的下金属层40的宽度且被称为“栅极长度”。栅极 长度取决于器件特性并且可以为从可光刻印刷的最小尺寸到10微米。典型地，栅极长度为 32nm到1微米，但在此还预期更小或更大的栅极长度。在此将未构图的高k电介质层30L的剩余部分称为高k电介质层30，并且在此将 未构图的化学氧化物层20L的剩余部分称为化学氧化物层20。高k电介质层30和化学氧 化物层20共同地构成栅极电介质(20，30)。典型地，栅极电介质(20，30)具有小于1. 2nm的有效氧化物厚度(EOT)，并且可以具有小于l.Onm的EOT。随后，例如，通过灰化，去除光 致抗蚀剂部分77。栅极电极(40，50，60，70)和栅极电介质(20，30)的侧壁典型地基本垂直，即，平行 于衬底半导体层10的暴露的表面的表面法线。此外，栅极电极(40，50，60，70)和栅极电介 质(20，30)的侧壁典型地彼此垂直一致。参考图3，通过采用栅极电极(40，50，60，70)和栅极电介质(20，30)作为注入掩模 的离子注入，形成源极和漏极扩展区18。源极和漏极扩展区18具有与衬底半导体层10的 掺杂相反的导电类型的掺杂。例如，如果衬底半导体层10具有ρ型掺杂，则源极和漏极扩 展区18具有η型掺杂，反之亦然。源极和漏极扩展区18的掺杂剂浓度可以为1.0Χ IO19/ cm3到1. OX 1021/cm3，但在此还预期更低和更高的掺杂浓度。源极和漏极扩展区18的每一 者邻接栅极电介质(20，30)的周边部分。可选地，在该步骤处可进行晕圈掺杂，以将与衬底半导体层10的掺杂相同导电类 型的掺杂剂引入到位于栅极电极(40，50，60，70)和栅极电介质(20，30)的周边部分下方的 衬底半导体层10的体积中。例如，通过沉积保形的电介质材料层且随后进行各向异性离子蚀刻，形成横向邻 接栅极电极(40，50，60，70)的侧壁和栅极电介质(20，30)的侧壁的栅极分隔物80。在各 向异性蚀刻之后，电介质材料层的直接形成在栅极电极(40，50，60，70)和栅极电介质(20， 30)的侧壁上的部分保留下来，从而构成横向地包围栅极电极(40，50，60，70)和栅极电介 质(20，30)的栅极分隔物80。优选地，栅极分隔物80包括不透氧的材料，例如氮化硅。参考图4，通过采用栅极电极(40，50，60，70)和栅极分隔物80作为注入掩模的离 子注入，形成源极和漏极区19。源极和漏极区19具有与源极和漏极扩展区18的掺杂相同 导电类型的掺杂。源极和漏极区19的掺杂剂浓度可以为1.0X1019/Cm3到1.0X1021/Cm3， 但在此还预期更低和更高的掺杂浓度。之后进行激活退火，以激活在源极和漏极扩展区18以及源极和漏极区19内注入 的电学掺杂剂。这样的激活退火典型地在氧化环境中进行，在此期间，在现有技术的半导体 结构中会对高k电介质层的组成完整性进行折衷。然而，在本发明中，由于清除金属层50 消耗从多晶半导体层70向下扩散的氧，在图4中的示例性半导体结构中防止了化学氧化物 层20(如果存在)的变厚。在本发明的示例性结构中没有化学氧化物层20的情况下，通过 相同的机理，防止了在衬底半导体层10与高k电介质层30之间的界面半导体氧化物层的 形成。因此，在激活退火期间或者在氧化环境中的任何其他热处理步骤中，包括衬底半导体 层10、栅极电介质(20，30)和下金属栅极40的结构的平带电压不受影响。在示例性半导体结构的整个暴露的顶表面之上形成金属层(未示出)，并且使该 金属层与暴露的半导体材料反应而形成各种金属半导体合金区。该金属层包括与源极和漏 极区19以及多晶半导体层70中的半导体材料反应的金属。该金属的非限制性示例材料包 括镍、钼、钯、钴或其组合。可以通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或原子层沉 积(ALD)来实现该金属层的形成。该金属层可以以保形或非保形方式沉积。优选地，该金 属沉积为基本保形的。在金属化退火期间，通过与金属层中的金属反应，与该金属层直接接触的暴露的 半导体表面被金属化。通过典型地在诸如He、Ar、N2的惰性气体气氛或形成气体中进行的
10在350°C到550°C的温度下的退火，实现该金属化。优选地，在400°C到500°C的温度下进 行退火。可以采用在恒定温度下或者具有各种温度斜坡的温度下的连续加热。可以通过在 400°C到750°C的温度下，优选在500°C到700°C的温度下的额外的退火来进一步实现金属 化。在金属化工艺之后，通过可以为湿法蚀刻的蚀刻，相对于各金属半导体合金部分，选择 性地去除在诸如栅极分隔物80和浅沟槽隔离结构12的电介质表面之上存在的未反应的金 属层部分。用于这种湿法蚀刻的典型蚀刻剂采用王水。该金属化直接在每一个源极和漏极区19上形成源极和漏极金属半导体合金区 89。此外，直接在多晶半导体层70的顶表面上形成栅极金属半导体合金区87。在示例性半导体结构的整个顶表面之上沉积电介质材料层92。电介质材料层92 包括电介质材料，例如氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、或其组合。优选地，电介质材料层92包括可移动离子阻挡层(未示出)。该可移动离子阻挡 层典型地包括诸如氮化硅的不渗透性的电介质材料且直接接触各金属半导体合金区(89， 87)。电介质材料层92可以额外地包括例如旋涂玻璃和/或化学气相沉积(CVD)氧化物， 例如，未掺杂的硅酸盐玻璃(USG)、硼硅酸盐玻璃(BSG)、磷硅酸盐玻璃(PSG)、氟硅酸盐玻 璃(FSG)、硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)、或其组合。可替代地，电介质材料层92可以包括低k电 介质材料，其介电常数小于3. 9 (氧化硅的介电常数)，优选地小于2. 5。示例性低k电介质 材料包括有机硅酸盐玻璃(OSG)和SiLK 。随后对电介质材料层92进行平面化以形成基本平面的顶表面。穿过电介质材料 层92形成源极和漏极接触过孔93以及栅极接触过孔95，以提供分别与源极和漏极区19以 及栅极电极(40，50，60，70)的电接触。图4中的示例性半导体结构用作具有高k栅极电介质和金属栅极的场效应晶体 管。在栅极电极(40，50，60，70)内的清除金属层50的存在防止从多晶半导体层70向下扩 散的氧原子进入下金属层40，因为通过清除金属层50清除了这些氧原子。因此，本发明的 场效应晶体管提供对抗氧扩散的优良的稳定性，而该氧扩散会劣化或改变场效应晶体管的 器件参数。参考图5，示出了在300K到2200K的温度范围内各种金属的氧化期间每氧原子吉 布斯自由能的变化量。对于有限供给的反应剂，当具有较大负性的每氧原子吉布斯自由能 变化的反应与具有较小负性的每氧原子吉布斯自由能变化的另一反应竞争时，具有较大负 性的吉布斯自由能变化的反应支配着反应并且消耗掉可用的绝对多数反应剂。在氧化环境 中高温退火期间在栅极电极(40，50，60，70 ；参见图4)内氧化反应的情况下，扩散通过多晶 半导体层70 (参见图4)和上金属层40 (参见图4)的氧原子或氧分子是以有限的量供给的 反应剂。在典型地在约1000°C或约1300K下进行的激活退火的温度范围内，与诸如Ti和 Ta 的典型的过渡金属相比，诸如 Al、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Zr、Hf、Dy、Lu、Er、Pr 和 Ce的元素金属具有更大负性的吉布斯自由能变化。因此，诸如Al、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、SC、Y、 La、Zr、Hf、Dy、Lu、Er、Pr和Ce的元素金属被有效地用作清除金属层50 (参见图4)的清除 材料。在表1中给出了某些选择的元素金属原子通过反应Si+2/y MxOy — 2x/y M+Si02的 吉布斯自由能变化。表1 在1000K下对于反应Si+2/y MxOy - 2x/y M+Si02的吉布斯自由能变化，其中
11 参考图6，示出了三种类型的金属栅极电极的电容随栅极电压变化的测试数据。第 一曲线610示出根据现有技术的参考栅极电极的电容，该参考栅极电极包括8nm厚的TiN 层和直接在其上形成的多晶半导体层。第二曲线620示出根据本发明的示例性栅极电极的 电容，该栅极电极包括叠层，该叠层从下到上是作为下金属层的3. 5nm厚的TiN层、作为清
12除金属层的1. Onm的Ti层、作为上金属层的3. 5nm厚的TiN层、以及多晶半导体层。第三曲 线630示出根据本发明的另一示例性栅极电极的电容，该栅极电极包括叠层，该叠层从下 到上是作为下金属层的3. 5nm厚的TiN层、作为清除金属层的1. Onm的Al层、作为上金属层 的3. 5nm厚的TiN层、以及多晶半导体层。第四曲线640示出反例栅极电极的电容，该栅极 电极被形成为与本发明的教导相反，其包括叠层，该叠层从下到上是作为下金属层的3. 5nm 厚的TiN层、作为清除金属层的1. Onm的Ta层、作为上金属层的3. 5nm厚的TiN层、以及多 晶半导体层。与Ti相比，Ta的吉布斯自由能的减小较小，因此，根据本发明，如果下金属层 和上金属层包括TiN，则应避免使用Ta作为清除材料层。由此，该反例栅极电极的结构不是 所希望的结构。采用HfO2层作为高k电介质层，其被形成在衬底半导体层与每个栅极电极 之间。对所有的四种栅极电极结构进行在氧化环境中在约1000°C的温度下的激活退火。
四条曲线(610，620，630，640)的比较表明，通过如第二和第三曲线(620,630)所 示的本发明的栅极叠层实现的有效电容大于通过如第一曲线610所示的参考电极叠层实 现的电容。由此，通过本发明的栅极叠层实现的有效氧化物厚度(EOT)小于通过参考栅极 叠层实现的EOT，从而提供增强的性能。换句话说，与替代地采用单金属层的现有技术参考 结构相比，本发明的包括下金属层、清除金属层和上金属层的栅极电极的使用使得EOT减相反地，通过如第四曲线640所示的反例栅极叠层实现的有效电容小于通过如第 一曲线610所示的现有技术栅极叠层实现的电容。由此，通过反例栅极叠层实现的有效氧 化物厚度(EOT)大于通过现有技术栅极叠层实现的EOT，从而提供更差的性能。换句话说， 与替代地采用单金属层的现有技术参考结构相比，与本发明中对于清除层的教导背离的错 误类型的材料的使用使得EOT增大。由此，通过该反例强调对清除金属层的材料的选择的 重要性。清除金属层50俘获来自上方和来自下方的氧原子，即，当氧原子通过栅极电极中 的多晶半导体层70和上金属层60而朝向高k栅极电介质30扩散时，清除金属层50俘获 这些氧原子。由于与上金属层40和下金属层40相比，清除金属层更容易形成氧化物，因此 在清除金属层50内消耗氧原子，因此氧原子不能到达高k栅极电介质30。另外，当额外的 氧原子从化学氧化物层20下方或侧面朝向化学氧化物层20迁移时，清除金属层50主动地 减小位于高k电介质30下方的化学氧化物层20的厚度。这样的迁移的氧原子被清除金属 层50俘获，而不被结合到化学氧化物层20中。不仅防止了位于高k栅极电介质30下方的 化学氧化物层20的生长，而且当清除金属层50消耗化学氧化物层中的大部分氧原子时，化 学氧化物层20的厚度减小。由此，即使在氧环境中高温退火之后，场效应晶体管仍保持恒 定的阈值电压。通过与由常规处理通常可获得的结构相比减小和限制化学氧化物层20的 厚度，减小了包括化学氧化物层20和高k电介质30的复合栅极电介质叠层的有效氧化物 厚度(EOT)，从而提高复合栅极电介质叠层的可缩放性以及场效应晶体管的性能。虽然关于其优选实施例具体地示出和描述了本发明，本领域技术人员将理解，可 以进行形式和细节上的上述和其他改变而不脱离本发明的精神和范围。因此，本发明旨在 不限于所描述和示例的具体形式和细节，而是落入所附权利要求的范围内。
权利要求
一种半导体结构，包括包含半导体材料的半导体衬底；栅极电介质，其包括具有大于7.5的介电常数的高介电常数(高k)电介质层且位于所述半导体衬底上；以及栅极电极，其邻接所述栅极电介质且包括邻接所述栅极电介质的下金属层、邻接所述下金属层的清除金属层以及邻接所述清除金属层的上金属层，其中所述清除金属层包括这样的金属(M)，其中反应Si+2/y MxOy→2x/y M+SiO2的吉布斯自由能变化为正性，并且其中用于形成所述金属的氧化物的每氧原子吉布斯自由能的负性等于或大于用于形成在所述下金属层中的第一金属化合物内的第一元素金属的氧化物的每氧原子吉布斯自由能的负性且等于或大于用于形成在所述上金属层中的第二金属化合物内的第二元素金属的氧化物的每氧原子吉布斯自由能的负性。
2.根据权利要求1的半导体结构，其中所述清除金属层具有0.Inm到3. Onm的厚度。
3.根据权利要求2的半导体结构，其中所述下金属层具有Inm到IOnm的厚度，并且其 中所述上金属层具有Inm到IOOnm的厚度。
4.根据权利要求1的半导体结构，其中所述第一金属化合物和所述第二金属化合物中 的每一者是导电的过渡金属氮化物或导电的过渡金属碳化物。
5.根据权利要求4的半导体结构，其中所述第一金属化合物和所述第二金属化合物中 的每一者选自TiN、TiC、TaN, TaC及其组合。
6.根据权利要求4的半导体结构，其中所述第一金属化合物和所述第二金属化合物是 相同的材料。
7.根据权利要求4的半导体结构，其中所述清除金属层包括元素形式的金属。
8.根据权利要求7的半导体结构，其中所述清除金属层包括Al、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、SC、 Y、La、Ti、Zr、Hf、Dy、Lu、Er、Pr 和 Ce 中的至少一种。
9.根据权利要求4的半导体结构，其中所述第一金属化合物和所述第二金属化合物是 TiN，并且所述清除金属层是铝层。
10.根据权利要求1的半导体结构，其中用于形成所述清除金属层的氧化物的每氧原 子吉布斯自由能的负性大于用于形成所述下金属层的第一金属化合物内的第一元素金属 的氧化物的每氧原子吉布斯自由能的负性和用于形成所述上金属层的第二金属化合物内 的第二元素金属的氧化物的每氧原子吉布斯自由能的负性。
11.根据权利要求10的半导体结构，其中所述第一金属化合物和所述第二金属化合物 中的每一者选自TaN、TaC及其组合，并且其中所述清除金属层包括元素形式的选自Al、Be、 Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ti、Zr、Hf、Dy、Lu、Er、Pr 禾口 Ce 的金属。
12.根据权利要求10的半导体结构，其中所述第一金属化合物和所述第二金属化合物 中的至少一者选自TiN、TiC及其组合，并且其中所述清除金属层包括元素形式的选自Al、 Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Zr、Hf、Dy、Lu、Er、Pr 禾口 Ce 的金属。
13.根据权利要求1的半导体结构，其中所述半导体衬底包括邻接所述栅极电介质的 单晶含硅半导体材料，并且其中所述单晶含硅半导体材料选自单晶硅、单晶硅碳合金、单晶 硅锗合金以及单晶硅锗碳合金。
14.根据权利要求1的半导体结构，其中所述高k电介质层包括HfO2、&02、La203、Al203、TiO2, SrTiO3> LaA103、Y2O3^HfOxNy, ZrOxNy^La2OxNy, Al2OxNy, TiOxNy, SrTiOxNy、LaAIOxNy、Y2OxNy, 其硅酸盐、其合金、以及其非化学计量的变体，其中每个χ值独立地为0. 5到3，且每个y值 独立地为0到2。
15.根据权利要求1的半导体结构，其中所述栅极电极还包括垂直地邻接所述上金属 层的掺杂的多晶半导体层。
16.根据权利要求1的半导体结构，还包括电介质分隔物，其横向地邻接且包围所述栅极电极，并且包括不透氧的材料；源极区，其位于所述半导体衬底中且邻接所述栅极分隔物的周边部分；以及漏极区，其位于所述半导体衬底中且邻接所述栅极分隔物的另一周边部分。
17.根据权利要求1的半导体结构，其中所述栅极电介质包括包含氧化硅的化学氧化 物层和所述高k电介质层的垂直叠层，其中所述化学氧化物层邻接所述半导体衬底。
18.一种形成半导体结构的方法，包括在半导体衬底上形成具有大于7. 5的介电常数的高介电常数(高k)电介质层；形成叠层，所述叠层从下到上包括下金属层、清除金属层和上金属层，其中所述清除金 属层包括这样的金属(M)，其中反应Si+2/y Mx0y —2x/yM+Si02的吉布斯自由能变化为正 性，并且其中用于形成所述金属的氧化物的每氧原子吉布斯自由能的负性等于或大于用于 形成在所述下金属层中的第一金属化合物内的第一元素金属的氧化物的每氧原子吉布斯 自由能的负性且等于或大于用于形成在所述上金属层中的第二金属化合物内的第二元素 金属的氧化物的每氧原子吉布斯自由能的负性；以及形成栅极电极和栅极电介质，其中通过构图所述叠层而形成所述栅极电极，并且其中 所述栅极电介质包括部分所述高k电介质层。
19.根据权利要求18的方法，其中所述清除金属层具有0.Inm到3. Onm的厚度，其中所 述下金属层具有Inm到IOnm的厚度，并且其中所述上金属层具有Inm到IOOnm的厚度。
20.根据权利要求18的方法，其中所述第一金属化合物和所述第二金属化合物中的每 一者是导电的过渡金属氮化物或导电的过渡金属碳化物。
21.根据权利要求20的方法，其中所述第一金属化合物和所述第二金属化合物是TiN， 并且所述清除金属层是铝层。
22.根据权利要求18的方法，其中用于形成所述清除金属层的氧化物的每氧原子吉布 斯自由能的负性大于用于形成所述下金属层的第一金属化合物内的第一元素金属的氧化 物的每氧原子吉布斯自由能的负性和用于形成所述上金属层的第二金属化合物内的第二 元素金属的氧化物的每氧原子吉布斯自由能的负性。
23.根据权利要求18的方法，其中所述高k电介质层包括HfO2、&02、La203、Al203、Ti02、 SrTiO3> LaA103、Y2O3> HfOxNy, ZrOxNy, La2OxNy, Al2OxNy, TiOxNy, SrTiOxNy, LaAlOxNy, Y2OxNy、其硅 酸盐、其合金、以及其非化学计量的变体，其中每个χ值独立地为0. 5到3，且每个y值独立 地为0至Ij 2。
24.根据权利要求18的方法，还包括在所述上金属层上形成掺杂的多晶半导体层，其 中所述栅极电极包括部分所述掺杂的多晶半导体层。
25.根据权利要求18的方法，还包括直接在所述栅极电极的侧壁上形成电介质分隔物，其中所述电介质分隔物包括不透氧的材料；在所述半导体衬底中形成与所述栅极分隔物的周边部分接触的源极区；以及 在所述半导体衬底中形成与所述栅极分隔物的另一周边部分接触的漏极区。
全文摘要
本发明涉及一种半导体结构及其形成方法。一种高k栅极电介质和金属栅极结构的叠层包括下金属层、清除金属层以及上金属层。该清除金属层满足以下两个标准1)是其中反应Si+2/y MxOy→2x/y M+SiO2的吉布斯自由能变化为正性的金属(M)，2)是其用于形成氧化物的每氧原子吉布斯自由能与下金属层的材料和上金属层的材料相比负性更强的金属。当氧原子通过栅极电极而朝向高k栅极电介质扩散时，满足这些标准的清除金属层俘获这些氧原子。另外，清除金属层远程地减小位于高k电介质下方的氧化硅界面层的厚度。结果，减小了整个栅极电介质的等效氧化物厚度(EOT)，并且即使在CMOS集成期间的高温处理之后，场效应晶体管仍保持恒定的阈值电压。
文档编号H01L21/28GK101930996SQ201010205178
公开日2010年12月29日 申请日期2010年6月13日 优先权日2009年6月18日
发明者M·M·弗兰克, V·纳拉亚南, 安藤崇志, 崔畅桓 申请人:国际商业机器公司