半导体元件的制造方法 【技术领域】
本发明涉及一种集成电路元件，且特别涉及在IC元件中形成一栅极结构的方法。
背景技术
随着半导体关键尺寸的减小，半导体工艺导入了高介电常数的栅极介电材料。此高介电常数介电质的介电常数较传统使用的二氧化硅高，使介电层在相似的等效氧化层厚度(equivalent oxide thickness；EOTs)下相对较厚。此工艺也利于导入电阻低于传统多晶硅的金属栅极结构。因此，含高介电常数介电质加上金属栅极堆积的晶体管具有优势。
然而，制造高介电常数介电质加上金属栅极结构的工艺面临了挑战。例如，需要在此高介电常数介电层(例如氧化铪；HfO2)和基材(例如硅)之间形成一界面层。此界面层的厚度也会影响此栅极结构的等效氧化层厚度(EOT)。因此，当栅极长度减少时，想要控制此界面层的厚度变得越来越为严苛。
因此，业界需要的是一种形成栅极结构的改良方法。
【发明内容】
为了解决现有技术存在的上述问题，在一实施例中，本发明提供一种半导体元件的制造方法，包括：提供一半导体基材；在该半导体基材上形成一界面层；在该界面层上形成一栅极介电层；及在该栅极介电层上形成一吸气层(gettering layer)，其中该吸气层包含一可吸收氧气的介电成分。
在另一实施例中，本发明提供一种半导体元件的制造方法，包含：提供一基材；在该基材上形成一界面层，其中该界面层包含一二氧化硅其具有第一厚度；在该界面层上形成一吸气层；及从该界面层吸收氧气至该吸气层以减少该界面层的厚度至一第二厚度。
在另一实施例中，本发明更提供一种半导体的制造方法，包含：提供一半导体基材；在该半导体基材上形成一界面层；在该界面层上形成一栅极介电层；在该栅极介电层上形成一金属吸气层(gettering metal layer)；其中该金属吸气层包含一可吸收氧气的成分；及在该基材上方的该栅极介电层上形成一金属栅极电极。
本发明提供了形成薄的高电常数介电质-金属栅极结构的方法。该方法提供一吸气层自一界面层移除(吸收)氧气。进行此吸收的动作可缩减界面层的厚度和/或在随后的工艺中(包含一高温的工艺)限制此界面层厚度增加。如此有益于控制此栅极结构的等效氧化层厚度。本方法提供使用一吸氧层形成在界面层上。此吸气层可包含一介电和/或一金属层。此吸气层可从此栅极堆叠移除或保留在此结构中。
为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
【附图说明】
图1为一实施例的流程图，用以说明形成一栅极结构的制造方法。
图2～图9为一系列与图1的流程步骤相对应的半导体元件剖面图。
图10为另一实施例的流程图，用以说明形成一栅极结构的方法。
图11-图14为一系列与图10的流程步骤相对应的半导体元件剖面图。
图15为另一实施例的半导体元件剖面图，用以说明本发明在此半导体元件上的优点。
上述附图中的附图标记说明如下：
202～基材；302a～最初的界面层；302b～经再成长的界面层；302c～移除氧气的界面层；402～栅极介电层；502～吸气层；902～金属栅极；1202～吸气层；1502～栅极结构；1504～基材；1506～浅沟槽隔离；1508～源/漏极区；1510～接触点；1512～接触蚀刻终止层、1514～间隔物、1516～介电层；1518～界面层；1520～栅极介电层；1522～盖层；1524～金属栅极层。
【具体实施方式】
以下将先说明在一基材上形成半导体元件的工艺，且特别是有关于形成栅极结构的说明。在本说明书的各种例子中可能会出现重复的元件符号以便简化描述，但这不代表在各个实施例和/或附图之间有何特定的关连。再者，当提到某一层在另一层“之上”或“上方”，可代表两层之间直接接触或中间更插有其他元件或膜层。
图1显示本发明一实施例形成栅极电极的方法100。图2至图9为依照图1的制造步骤相对应的工艺剖面示意图。方法100可包含部分或完整的集成电路的工艺，包含静态随机存取存储器(Static Random Access Memory；SRAM)和/或其他逻辑电路、有源元件例如P沟道场效应晶体管(P-channelfield effect transistor；PFET)、N沟道场效应晶体管(N-channel field effecttransistor；NFET)，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、互补型金属氧化物半导体场效应(CMOS)晶体管、双极晶体管(bipolar transistors)、高功率晶体管(high voltage transistor)、高频晶体管(high frequency transistors)、存储单元(memory cells)或前述的组合。
本方法100的起始步骤102为提供一基材例如晶片。在图2的例子中为提供一基材202。在一实施例中，此基材202为包含一晶体结构的硅基材例如晶片。此基材202可包含各种已公知且依照需求设计配置的掺质(dopant)，例如p型基材或n型基材。其他例子中的基材202也包含其他元素半导体例如锗及钻石。或者，此基材202可包含一化合物半导体例如碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)、砷化铟(InAs)或磷化铟(InP)。更进一步的，此基材202可选择性的包含一外延层(epitaxial layer；epi layer)可扭曲以增进效能，和/或包含一绝缘层上覆硅(Silicon on Insulator；SOI)结构。更佳的实施例中，此基材202可包含形成上述的多种元件，包含有源区、隔离区例如浅沟槽隔离(Shallow Trench Isolation；STI)，和/或其他已公知地元件。
步骤104(方法100)为在此基材上形成一界面层。在图3的例子中，一界面层302a形成于此基材202上。此界面层可包含硅、氧和/或氮。在一实施例中，此界面层302a包含二氧化硅。在一实施例中，此界面层302a的厚度t1约为6到8埃在另一实施例中，可用原子层沉积(ALD)或其他合适的工艺形成此界面层302a(此栅极结构的界面层在图3至图9的实施例中注解为302x，x可为“a”、“b”或“c”用以代表此界面层的厚度)。
步骤106(方法100)为在此基材上形成一栅极介电层。此栅极介电层可形成在此界面层上。在一实施例中，栅极介电层包含一高介电常数材料。在图4的例子中，栅极介电层402包含一高介电常数材料。在一实施例中，此高介电常数包含氧化铪(HfO2)。在其他例子中，此高介电常数包含HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO、HfZrO或前述的组合和/或其他合适的材料。在一实施例中，额外的膜层例如盖层(capping layers)和/或缓冲层，可形成在此界面层上方，在栅极介电层之上及/或之下。例如，一盖层可形成在此栅极介电层与一随后沉积的金属栅极电极之间。此盖层可包含一介电质或可为包含金属氧化物成分(例如钛及二氧化钛)的金属。可用原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、氧化或其他合适的工艺形成此栅极介电层。
如图4所示，此界面层可增加厚度成为界面层302b。厚度增加是由于制造此栅极介电层的工艺(例如高温工艺)造成的影响，例如制造栅极介电层402和/或其他像是盖层或缓冲层的夹层。在一实施例中，原子层沉积(ALD)工艺(例如形成一栅极介电层)可增加此界面层的厚度。在一实施例中，此界面层302b的厚度t2约为10到12埃
此界面层厚度的增加可能会造成栅极介电质的厚度增加，对等效氧化层厚度(EOT)带来负面效果，特别会使栅极长度的减小受限。因此，最好能减少或防止界面层的厚度有所增长。
步骤108(方法100)为形成一吸气层(gettering layer)。此吸气层提供氧气由界面层被吸收(或迁移)至吸气层。可用原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、氧化或其他合适的工艺形成此吸气层。图5显示为此吸气层502的形成。
在一实施例中，此吸气层502为一可吸收氧气的介电层。此介电层可包含一富含硅的介电材料。在一实施例中，此介电层包含含氮的介电质用以吸收氧气。在一些实施例中，可吸收氧气的介电层材料包含氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)、碳化硅(SiC)、锗化硅(SiGe)和/或其他合适的成分。在一实施例中，此吸气层502为一可吸收氧气的金属层。此可吸收氧气的金属层包含金属化合物和/或金属合金，包含钛、钽、锆、铪、钨、钼或前述的组合。
此吸气层502可包含多个吸气层。在一实施例中，此吸气层502包含一介电层及一金属层。例如，包含一可收集氧气的金属层及一富含硅的介电层和/或含氮的介电质。
步骤110(方法100)为进行氧气吸收。由吸气层向界面层吸收(或迁移)氧气。步骤110于在沉积吸气层时同时和/或随后进行，可参考步骤108。如图6所示，氧气由界面层302b被吸收至吸气层502。此吸气作用包含从界面层302b释放氧气、扩散(或迁移)氧气、在吸气位置(吸气层502)抓住氧气。进行氧气的吸收，特别是从界面层302b释放氧气，包含一热工艺(例如暴露在一高温下)。吸收氧气可使界面层厚度减小，也会使吸气层的厚度增加。如图7所示，一界面层302c为由一界面层302b的氧气被吸收所形成。在一实施例中，此界面层302c的厚度t3约为0-5埃
在一实施例中，方法100接着进行额外的高温工艺。例如，进行一退火工艺可稳定此高介电常数介电质和/或其他包含在栅极结构中的夹层。因为吸气层的存在，此工艺可在完成时使界面层仅有极小的或没有再成长产生。此高温工艺可包含一高温炉(furnace)、快速热退火(rapid thermal anneal)、激光尖峰退火(laser spike anneal)、闪光退火(flash anneal)和/或其他合适工艺。
步骤112(方法100)为进行吸气层的移除。可用干蚀刻、等离子体、湿蚀刻、剥离(stripping)、化学机械研磨(CMP)和/或其他合适工艺来移除此吸气层。以图8所示为例，一栅极堆叠包含基材202、界面层302c及栅极介电质402。在一实施例中，可省略步骤112使一个或多个吸气层仍保留在基材上。在另一实施例中，一个或多个吸气层仍保留在基材上并影响一金属栅极结构的功函数。
步骤114(方法100)为在此栅极介电质上方形成一金属栅极。以图9所示为例，此金属栅极902形成在栅极介电层402上。此金属栅极902可包含一层或多层，包含钛、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、钽、碳化钽(TaC)、氮化钽硅化物(TaSiN)、钨、氮化钨(WN)、氮化钼(MoN)、氮氧化钼(MoON)、氧化钌(RuO2)和/或其他合适材料。此栅极可包含一层或多层并由物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、电镀(plating)和/或其他合适工艺形成。在一些实施例中，金属可沉积包含P型金属材料及N型金属材料。P型金属材料包含的成分为例如钌、钯、铂、钴、镍及导电金属氧化物，和/或其他合适材料。N型金属材料包含的成分为例如铪、锆、钛、钽、铝、金属碳化物(例如碳化铪、碳化锆、碳化铪、碳化钛、碳化铝)、铝化物(aluminides)和/或其他合适材料。除了功函数金属(例如填充金属)之外，也可沉积其他材料，包含氮化钛(titanium nitride)、钨、钛、铝、钽、氮化钽、钴、铜、镍和/或其他合适材料。此金属栅极可包含盖层。
在一些实施例中，方法100可进行包括更进一步的步骤，例如形成内连线、接触点(contacts)、盖层和/或其他合适的元件。方法100可包含一“后栅极”(gate last)工艺，其中金属栅极为形成在一沟槽中。此沟槽是由移除一虚置栅极结构(例如牺牲多晶硅栅极)形成。或者，方法100可包含一“前栅极”(gate first)工艺。
本发明提供一种形成一栅极结构的方法1000，其流程图如图10所示。本方法1000可用于形成一使界面层厚度减少和/或会在随后限制界面层厚度增加的金属栅极。步骤1002(方法1000)为提供一基材。此基材可与图2中的基材202相类似。
步骤1004(方法1000)为在此基材上形成一界面层。此界面层可与图3中的界面层302相类似。例如在一实施例中，此界面层包含二氧化硅。
步骤1006(方法1000)为在此基材上形成一栅极介电层。此栅极介电层可与图4中的栅极介电层402相类似。例如在一实施例中，此栅极介电层包含一高介电常数介电质。在一些实施例中，除了此栅极介电层，还可形成一个或多个额外的膜层，包含盖层、缓冲层及类似物形成在此栅极介电层之上或是之下。
步骤1008(方法1000)为在此基材上方的栅极介电层上形成一栅极电极。在一实施例中，形成一金属层。此栅极可与图9中的栅极电极902相类似。此栅极可直接形成在高介电常数介电层上方或在盖层或缓冲层上，并可包含多个层。此栅极至少包含一个功函数金属层。以图11所示为例，此金属栅极902形成在基材202上方，且特别是在此金属栅极402(和/或包含其他盖层、缓冲层)上。
步骤1010(方法1000)为在此金属栅极上形成一吸气层。此吸气层包含一可吸收氧气的材料。在一实施例中，此吸气层包含一可吸收氧气的金属成分。在一些实施例中，此金属成分包含元素金属、化合物或合金，包含钛、钽、锆、铪、钨、钼其中的组合和/或其他合适材料。以图12所示为例，此吸气层1202形成在金属栅极902上。此吸气层1202可包含多个层。此吸气层1202可与图5中的吸气层502相类似。
步骤1012(方法1000)为自界面层吸收氧气，使用吸气层向界面层作吸收。以图13所示为例，氧气是由界面层302b被吸收至吸气层1202。此吸收动作包含从界面层302b释放氧气、扩散(或迁移)氧气、在吸气位置(吸气层1202)抓住氧气。进行氧气的吸收，特别是从界面层302b释放氧气包含一热工艺(例如暴露在高温下来开始释放)。吸收氧气可使界面层厚度减小。如图14所示，一界面层302c为由缩减图13的界面层302b所形成。在一实施例中，此界面层302c的厚度t4约为0-5埃如此，此栅极结构1300的形成包含此厚度缩小的界面层302c。
在一实施例中，本方法1000接着进行一额外的高温工艺。例如，进行一退火工艺可稳定此高介电常数介电质和/或其他包含在栅极结构中的夹层。因为收气层的存在，此工艺可在完成时使界面层仅有极小的或没有再成长产生。此高温工艺可包含一高温炉(furnace)、快速热退火(rapid thermal anneal)、激光尖峰退火(laser spike anneal)、闪光退火(flash anneal)和/或其他合适工艺。
在一实施例中，方法1000为进行吸气层的移除。可用干蚀刻、等离子体、湿蚀刻、剥离(stripping)、化学机械研磨(CMP)和/或其他合适工艺来移除此吸气层。在一其他的实施例中，此吸气层仍保留在此栅极结构上。在一实施例中，此吸气层可用以调整或提供此金属栅极的功函数。
在一些实施例中，方法1000可进行包括更进一步的步骤，例如形成内连线、接触点(contacts)、盖层和/或其他合适的元件。方法1000可包含“后栅极”工艺，其中金属栅极是形成在一沟槽中。此沟槽是由移除一虚置栅极结构(例如牺牲多晶硅栅极)形成。或者，方法1000可包含一“前栅极”工艺。
图15显示本发明一装置1500，其包含栅极结构1502。此装置1500包含基材1504、浅沟槽隔离1506、源/漏极区1508、接触点(contacts)1510、接触蚀刻终止层(contact etch stop layer；CESL)1512、间隔物1514、介电层(例如层间介电层；ILD)1516。此栅极结构1502包含界面层1518、栅极介电层1520、盖层1522及金属栅极层1524。此装置1500可使用方法100、方法1000和/或仅用它们的部分步骤来完成。此装置1500可用一后栅极或前栅极的工艺来制造。
基材1504可与图2中的基材202相类似。此浅沟槽隔离1506形成在基材1504上并可用于隔离一个或多个元件(例如晶体管)。此浅沟槽隔离1506可包含氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氟掺杂硅玻璃(FSG)和/或一低介电常数材料。其他的隔离方法和/或元件也可适用。此浅沟槽隔离1506可使用像是反应式离子蚀刻(reactive ion etch；RIE)的工艺形成沟槽，接着将此沟槽填满介电材料然后进行化学机械研磨(CMP)工艺。
间隔物1514可在栅极结构1502的两侧形成。此间隔物1514的形成可择自氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、硅化碳、氟掺杂硅玻璃、一低介电常数介电材料及前述的组合，和/或其他合适材料。此间隔物1514可拥有一层多层结构，例如包含一个或多个衬层(liner layers)。此衬层可包含一介电材料例如氧化硅、氮化硅和/或其他合适材料。此间隔物1514的形成方法包含沉积适当的介电材料及各向异性的蚀刻此材料以形成间隔物1514的轮廓。
源/漏极区1508包含轻掺杂源/漏极区及重掺杂源/漏极区，配置在邻近于此栅极结构1502的基材1504上。此源/漏极区1508可依据所想要的晶体管结构注入p型或n型掺质或杂质进入此基材1504。此源/漏极区1508的形成方法可包含光刻技术(photolithography)、离子注入、扩散和/或其他合适工艺。此接触点1510与源/漏极区1508相连接，可包含硅化物(silicide)。
接触点1510可通过自对准硅化(salicide)工艺形成在源/漏极区1508上。此接触点可包含硅化镍(nickel silicide)、硅化钴(cobalt silicide)、硅化钨(tungsten silicide)、硅化钽(tantalum silicide)、硅化钛(titanium silicide)、硅化铂(platinum silicide)、硅化铒(erbium silicide)、硅化钯(palladium silicide)或前述的组合。此接触蚀刻终止层(CESL)1512可由氮化硅、氮氧化硅和/或其他合适材料形成。此接触蚀刻终止层(CESL)1512可选择使用基本上能对此半导体基材1500的一个或多个元件有蚀刻选择性的成分。
介电层1516(例如一层间介电层)可配置在此基材上方的接触蚀刻终止层(CESL)1512上，并可由化学气相沉积(CVD)、高密度等离子体CVD、旋涂(spin-on)、溅镀(sputtering)或其他合适方法形成。此介电层1516可包含氮化硅、氮氧化硅或一低介电常数材料。在一实施例中，此介电层1516为一高密度等离子体(high density plasma；HDP)介电质。
界面层1518可包含硅、氧和/或氮。在一实施例中，此界面层1518包含二氧化硅。此界面层1518的厚度约小于5埃此界面层1518可用原子层沉积(ALD)或其他合适的方法形成。此栅极介电层1520可与图4中的栅极介电层402相类似。在一实施例中，此栅极介电层1520包含一高介电常数介电质。此盖层1522可包含金属氧化物、金属合金氧化物、介电质和/或其他合适材料。在一实施例中，可省略此盖层1522。此金属栅极1524形成此栅极结构1502的栅极电极。此金属栅极可包含多层，例如多个金属层。此金属栅极1524可包含功函数层、填充层(fill layer)、盖层和/或其他可在一金属电极结构出现的合适的膜层。此金属栅极1524可包含一层或多层，包含钛、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、钽、碳化钽(TaC)、氮化钽硅化物(TaSiN)、钨、氮化钨(WN)、氮化钼(MoN)、氮氧化钼(MoON)、氧化钌(RuO2)或前述的组合。此金属栅极1524可包含一或多层，可由物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、电镀(plating)和/或其他合适工艺形成。在一些实施例中，此金属材料可包含P型金属材料及N型金属材料。P型金属材料包含的成分为例如钌、钯、铂、钴、镍及导电金属氧化物，和/或其他合适材料。N型金属材料包含的成分为例如铪、锆、钛、钽、铝、金属碳化物(例如碳化铪、碳化锆、碳化铪、碳化钛、碳化铝)、铝化物(aluminides)和/或其他合适材料。除了P型和/或N型金属之外，一填充金属可部分沉积或完全填充剩余的沟槽。此填充金属可包含氮化钛(TiN)、钨、钛、铝、钽、氮化钽(TaN)、钴、铜、镍和/或其他合适材料。此填充金属可用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、电镀(plating)和/或其他合适工艺沉积。其他层可存在于此装置1500上，包含吸气层、盖层、缓冲层、金属层、内连线和/或其他已公知的元件。
综上所述，本发明提供了形成薄的高电常数介电质-金属栅极结构的方法。该方法提供一吸气层自一界面层移除(吸收)氧气。进行此吸收的动作可缩减界面层的厚度和/或在随后的工艺中(包含一高温的工艺)限制此界面层厚度增加。如此有益于控制此栅极结构的等效氧化层厚度。本方法提供使用一吸氧层形成在界面层上。此吸气层可包含一介电和/或一金属层。如上述所说，此吸气层可从此栅极堆叠移除或保留在此结构中。
虽然本发明已以数个较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定的范围为准。