专利名称：半导体装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体装置及其制造方法，特别涉及一种鳍式场效晶体管和其制造方法。
背景技术：
随着半导体工业演进至纳米工艺技术，以得到较高的装置密度、效能和低成本， 半导体装置制造和设计均进步至三维的设计，例如鳍式场效晶体管(fin field effect transistor，以下可简称FinFET)。传统的鳍式场效晶体管形成有自基底延伸很薄的鳍，举例来说，其通过蚀刻基底的硅层以得到鳍。场效晶体管的通道是形成在上述的鳍中，而鳍被栅极包覆。鳍式场效晶体管于通道的两侧形成栅极，使栅极从两侧控制通道是有好处的。鳍式场效晶体管另外的优点包括减少短通道效应且具有较高的电流。虽然鳍式场效晶体管具有上述优点，然而在制作鳍式场效晶体管的过程中会遇到一些问题。图1A-1C显示制作鳍式场效晶体管遇到的问题。请参照图1A，提供一例如硅的基底102。在基底102上形成例如多晶硅的鳍104。在鳍104的顶部和侧壁形成栅极介电层106。后续，在栅极介电层106上形成氮化钛层108，其中氮化钛层108用作栅电极。请参照图1B，在氮化钛层108上依序形成氮化硅层110和四乙基硅氧烷(Tetraethoxysilane， TE0S)层112，以避免后续工艺造成氮化钛层108氧化。请参照图1C，在四乙基硅氧烷层112 上坦覆性地沉积旋转涂布介电层114(spin-on dielectric, SOD) 0接着，进行约800°C的退火过程，以使旋转涂布介电层114致密化。在上述制作鳍式场效晶体管的工艺中会遇到以下问题由于鳍与鳍之间的距离缩减，因此，若氮化硅层110和四乙基硅氧烷层112的厚度增加，会在旋转涂布介电层114中形成孔洞(称为SOD孔洞问题)。因此，需要新的鳍式场效晶体管和其制作方法以解决此问题。
发明内容
本发明提供一种半导体装置，包括基底；鳍型态半导体层，设置在基底上；栅极介电层，设置在鳍型态半导体层的顶部和侧壁；金属氮化层，设置在栅极介电层上；以及掺杂铝的金属氮化层，设置在金属氮化层上，以防止金属氮化层氧化。本发明提供一种鳍式场效晶体管，包括鳍型态半导体层；栅极结构，包覆鳍型态半导体层，其中栅极结构包括栅极介电层和氮化钛层；以及氧化阻障层，保护氮化钛层防止其氧化，其中氧化阻障层包括掺杂铝的氮化钛层。本发明提供一种形成半导体装置的方法，包括提供基底；在基底上形成鳍型态半导体层；在鳍型态半导体层的顶部和侧壁形成栅极介电层；在栅极介电层上形成金属氮化层；以及在金属氮化层上形成掺杂铝的金属氮化层。为使本发明的上述目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并结合所附图式，作详细说明如下。
图1A-1C显示传统鳍式场效晶体管的制作方法的剖面图；图2A显示本发明一实施例鳍式场效晶体管(FinFET)的平面图；以及图2B-2D显示本发明一实施例鳍式场效晶体管制造阶段的剖面图。主要部件标号说明102 -、基底；104 -、鳍；
106 -H 极介电层；108 -、氮化钛层；
110 -、氮化硅层；112 -、四乙基硅氧烷层
114 -、介电层；202 -、基底；
204 -、鳍；206 -H 极介电层；
208 -、金属氮化层；210 -、栅极结构；
212 -、金属氮化层；214 -、介电层。
具体实施例方式可理解的是，以下叙述提供许多不同的实施例或范例，揭示本发明不同的特征。以下特定的范例仅是用来简要地叙述本发明，并非用来限制本发明。举例来说，在以下叙述在第二图样上方形成第一图样的叙述可包括以下实施例第一图样和第二图样直接接触，或可包括在第一图样和第二图样形成额外图样的实施例，因而使第一图样和第二图样没有直接接触。此外，本发明在各范例中可重复标号和/或文字，而此重复的标号和/或文字仅是用来简化和清楚的描述本发明，其本身并不代表各实施例和结构间的关系。在以下的描述中，鳍式场效晶体管(FinFET)可以是任何以鳍作为基础的多栅极晶体管。图2A显示本发明一实施例鳍式场效晶体管(FinFET)的平面图。图2B-2D显示本发明一实施例鳍式场效晶体管制造阶段的剖面图。值得注意的是，图2B是沿着图2A的一个鳍的剖面图。请参照图2A和图2B，半导体装置包括多个从基底202延伸的鳍204(亦称为鳍型态半导体层)。虽然图式中仅显示两个鳍204，可理解的是鳍的数目可依照需求和特定的应用变化。鳍包括硅鳍或多晶硅鳍。鳍可使用适合的工艺形成，例如微影和蚀刻工艺。 例如，微影工艺可包括在基底上(或硅层、多晶硅层上)形成光阻层，对光阻层进行曝光，进行曝光后烘烤工艺，和对光阻层进行显影工艺以形成掩模单元。掩模单元可用来在基底蚀刻出鳍。鳍可以使用反应离子蚀刻工艺(简称RIE)和/或其它适合的工艺形成。在其它的实施例中，基底202包括绝缘层上覆硅(silicon-on-insulator，SOI) 基底，绝缘层上覆硅基底可使用注氧隔离技术(Speration-by-oxygen implantation, SIM0X)、晶圆键合和/或其它适合的方法形成。硅层可以是SOI基底的硅层(例如位于绝缘层上)。鳍可以例如由蚀刻基底上的硅层或多晶硅层形成。在一实施例中，鳍结构可使用两次构图曝光(double-patterninglithography， DPL)工艺形成，两次构图曝光工艺为一种方法，使用将图案分成两个插入的图案图形化基底，两次构图曝光(DPL)工艺允许增强的图样(例如鳍)密度，各种两次构图曝光方法可包括使用两次曝光(例如使用两个掩模组)、形成相邻的间隙壁图样、移除图样以提供间隙壁的图案、光阻凝固和/或其它适合的工艺。请参照图2C，半导体装置包括一个或多个栅极结构210，形成于基底202上的鳍204上方。值得注意的是，栅极结构210包覆鳍204，以使栅极结构210控制鳍204两侧的通道。栅极结构210包括栅极介电层206和沿着鳍顶部和侧壁的金属氮化层208。栅极介电层206的材料可包括氧化硅、氮化硅、高介电常数材料或其它适合的材料。高介电材料包括二元或三元的高介电薄膜(例如HfOx)。在另一实施例中，高介电常数材料可以为LaO、 A10、ZrO, TiO、Ta2O5, Y2O3> SrTiO3 (STO)、BaTiO3 (BTO)、BaZrO, HfZrO, HfLaO, HfSiO、LaSiO、 AlSiO、HfTaO、HfTiO、(Ba，Sr) TiO3 (BST)、A1203、Si3N4、氮氧化物或其它适合的材料。栅极介电层206是由适合的工艺形成，例如原子层沉积法(ALD)、化学气相沉积法(CVD)、热氧化法或紫外光-臭氧氧化工艺(UV-ozone oxidation)或上述的组合。金属氮化层208优选是氮化钛层，其可以适合的工艺形成，例如原子层沉积法(ALD)或化学气相沉积法(CVD)。在本发明一实施例中，金属氮化层208的厚度约为5埃 10埃。请参照图2C，在金属氮化层208上形成掺杂铝的金属氮化层212。掺杂铝的金属氮化层212可以是掺杂铝的氮化钛层。掺杂铝的金属氮化层212可以适合的工艺形成，例如原子层沉积法(ALD)或化学气相沉积法(CVD)。在本发明之一实施例中，掺杂铝的金属氮化层212是在形成金属氮化层后原位(in-situ)形成的。也就是说，在腔室中形成金属氮化层208后，在腔室注入含铝的气体，与形成金属氮化层的气体一起形成掺杂铝的金属氮化层212。由于XRD分析显示当氮化钛中铝掺杂大于5%时可提供较好的氧化阻障效果，掺杂铝的金属氮化层中的铝浓度优选大于5%，以避免氮化钛层208在后续工艺步骤中氧化。 在本发明一实施例中，掺杂铝的金属氮化层212厚度约为40埃 60埃。之后，请参照图2D，在掺杂铝的金属氮化层212上坦覆性地形成介电层214，且填入鳍204间的空隙。在本发明一实施例中，介电层214可以是含氧层，且可以使用旋转涂布介电层(SOD)的方法形成，接着，进行约800°C的退火工艺，以使旋转涂布介电层214致密化。本发明以掺杂铝的金属氮化层取代氮化硅和四乙基硅氧烷(TEOS)层具有以下优点第一点，掺杂铝的金属氮化层具有良好的阻障效果，且厚度较氮化硅和四乙基硅氧烷 (TEOS)层薄，因此鳍式场效晶体管装置的鳍间的间隙可增加，使旋转涂布介电(SOD)填入工艺时减少SOD孔洞问题。第二点，掺杂铝的金属氮化层和在同一腔室中形成金属氮化层原位(in-situ)形成。因此，本发明可节省工艺时间和/或成本。第三点，本发明可调整掺杂铝的金属氮化层的铝浓度，因此可提供良好的工艺弹性。虽然本发明已揭露优选实施例如上，然而其并非用以限定本发明，任何熟悉此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，应当可做些许更动与润饰。另外，本发明不特别限定于特定说明书中描述的实施例的工艺、装置、制造方法、组成和步骤。熟悉本领域的人士可根据本发明说明书的揭示，进一步发展出与本发明大体上具有相同功能或大体上可达到相同结果的工艺、装置、制造方法、组成和步骤。因此本发明的保护范围当视后附之权利要求书所界定为准。
权利要求
1.一种半导体装置，其特征在于，包括 基底；鳍型态半导体层，设置于该基底上；栅极介电层，设置于该鳍型态半导体层的顶部和侧壁；金属氮化层，设置于该栅极介电层上；以及掺杂铝的金属氮化层，设置于该金属氮化层上，以防止所述金属氮化层氧化。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，该金属氮化层为氮化钛层。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，该掺杂铝的金属氮化层为掺杂铝的氮化钛层。
4.根据权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，该掺杂铝的氮化钛层的铝掺杂浓度大于5%。
5.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，还包括介电层，其中该介电层设置于该掺杂铝的金属氮化层上。
6.根据权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，该介电层为氧化层。
7.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，该鳍型态半导体层包括硅或多晶硅材料。
8.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，该金属氮化层的厚度大体上为5埃 10埃。
9.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，该掺杂铝的金属氮化层的厚度大体上为40埃 60埃。
10.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，该掺杂铝的金属氮化层用作该金属氮化层的氧化阻障层。
11.一种鳍式场效晶体管，其特征在于，包括 鳍型态半导体层；栅极结构，包覆所述鳍型态半导体层，该栅极结构包括栅极介电层和氮化钛层；以及氧化阻障层，保护所述氮化钛层防止所述氮化钛层氧化，特征在于，该氧化阻障层包括掺杂铝的氮化钛层。
12.根据权利要求11所述的鳍式场效晶体管，其特征在于，该掺杂铝的氮化钛层的铝掺杂浓度大于5%。
13.根据权利要求11所述的鳍式场效晶体管，其特征在于，该氮化钛层的厚度大体上为5埃 10埃。
14.根据权利要求11所述的鳍式场效晶体管，其特征在于，该氧化阻障层的厚度大体上为40埃 60埃。
15.一种形成半导体装置的方法，其特征在于，包括 提供基底；在所述基底上形成鳍型态半导体层； 在所述鳍型态半导体层的顶部和侧壁形成栅极介电层； 在所述栅极介电层上形成金属氮化层；以及在所述金属氮化层上形成掺杂铝的金属氮化层。
16.根据权利要求15所述的形成半导体装置的方法，其特征在于，该金属氮化层为氮化钛层。
17.根据权利要求15所述的形成半导体装置的方法，其特征在于，该掺杂铝的金属氮化层为掺杂铝的氮化钛层。
18.根据权利要求15所述的形成半导体装置的方法，其特征在于，该掺杂铝的金属氮化层在形成所述金属氮化层后原位形成。
19.根据权利要求15所述的形成半导体装置的方法，其特征在于，该金属氮化层和所述掺杂铝的金属氮化层由原子层沉积法或化学气相沉积法形成。
20.根据权利要求17所述的形成半导体装置的方法，其特征在于，该掺杂铝的氮化钛层的铝掺杂浓度大于5%。
全文摘要
一种半导体装置，包括基底；鳍型态半导体层，设置在基底上；栅极介电层，设置在鳍型态半导体层的顶部和侧壁；金属氮化层，设置在栅极介电层上；以及掺杂铝的金属氮化层，设置在金属氮化层上，以防止金属氮化层氧化。在本发明一实施例中，金属氮化层是氮化钛层，且掺杂铝的金属氮化层是掺杂铝的氮化钛层。
文档编号H01L29/78GK102403355SQ20101055907
公开日2012年4月4日 申请日期2010年11月25日 优先权日2010年9月7日
发明者梁雯萍, 苏国辉 申请人:南亚科技股份有限公司