TWI517219B - 製作具有金屬閘極之電晶體的方法 - Google Patents

Description

製作具有金屬閘極之電晶體的方法

本發明係關於一種製作金屬閘極方法，特別是一種在以氧化物層為移除虛置閘極時的蝕刻停止層的方法。

在習知半導體產業中，多晶矽(poly-silicon)係廣泛地應用於半導體元件如金氧半導體(metal-oxide-semiconductor，MOS)電晶體中，作為標準的閘極材料。然而，隨著金氧半導體電晶體尺寸持續地縮小，傳統多晶矽閘極因硼穿透(boron penetration)效應而導致元件效能降低，以及空乏效應(depletion effect)問題，使得等效的閘極介電層(equivalent oxide thickness,EOT)厚度增加、閘極電容值下降，進而導致元件驅動能力的衰退。因此，半導體業界更嘗以新的閘極材料，例如利用功函數(work function)金屬來取代傳統的多晶矽閘極，用以作為匹配高介電常數(high-K)閘極介電層的控制電極。

本發明提出一種製作具有金屬閘極之電晶體的方法使金屬閘極可以得到較佳的功函數調節功能。

根據本發明較佳實施例，本發明係提出一種製作具有金屬閘極之電晶體的方法。首先提供一基底，並於基底上形成一電晶體。電晶體包含一高介電常數閘極介電層、一含氧介電層設置於高介電常數閘極介電層上以及一虛置閘極設置於含氧介電層上。接著移除位於高介電常數閘極介電層上之虛置閘極以及含氧介電層。最後形成一金屬閘極，其中金屬閘極直接接觸於高介電常數閘極介電層。

本發明以含氧介電層作為移除虛置閘極時的蝕刻停止層。含氧介電層在退火製程時可避免高介電常數閘極介電層產生氧空乏的現象，且後續步驟中可以被移除，使得金屬閘極能直接接觸高介電常數閘極介電層，而得到一較佳效能的電晶體。

為使熟習本發明所屬技術領域之一般技藝者能更進一步了解本發明，下文特列舉本發明之數個較佳實施例，並配合所附圖式，詳細說明本發明的構成內容及所欲達成之功效。

請參考第1圖至第3圖，所繪示為本發明第一實施例中形成具有金屬閘極之電晶體的步驟示意圖。如第1圖所示，首先在基底100上形成一電晶體200。電晶體200包含有一介面閘極介電層102、一高介電常數層104、一金屬層106、一虛置閘極108、一蓋層110、一側壁子112以及一源極/汲極114。介面閘極介電層102主要提供高介電常數層104較佳的附著能力，其材質例如是二氧化矽或是含氮的二氧化矽層(nitridation silicon dioxide)。高介電常數層104可以是一層或多層的結構，其介電常數大致大於20。高介電常數層104可以是一金屬氧化物層，例如一稀土金屬氧化物層，例如是氧化鉿(hafnium oxide,HfO₂)、矽酸鉿氧化合物(hafnium silicon oxide,HfSiO)、矽酸鉿氮氧化合物(hafnium silicon oxynitride,HfSiON)、氧化鋁(aluminum oxide,AlO)、氧化鑭(lanthanum oxide,La₂O₃)、鋁酸鑭(lanthanum aluminum oxide,LaAlO)、氧化鉭(tantalum oxide,Ta₂O₃)、氧化鋯(zirconium oxide,ZrO₂)、矽酸鋯氧化合物(zirconium silicon oxide,ZrSiO)、鋯酸鉿(hafnium zirconium oxide,HfZrO)、鍶鉍鉭氧化物(strontium bismuth tantalate,SrBi₂Ta₂O₉,SBT)、鋯鈦酸鉛(lead zirconate titanate,PbZr_xTi_1-xO₃,PZT)或鈦酸鋇鍶(barium strontium titanate,BaxSr_1-xTiO₃,BST)等。金屬層106包含各種金屬材質例如氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)或鈦與氮化鈦(Ti/TiN)，但不以此為限。虛置閘極108例如是多晶矽(poly-silicon)，但也可以是由多晶矽層、非晶矽(amorphous Si)或者鍺層所組合的複合閘極。蓋層110例如是氮化矽(SiN)。側壁子112可為一單層或複合膜層之結構，例如其可包含高溫氧化矽層(high temperature oxide,HTO)、氮化矽、氧化矽、氮氧化矽或使用六氯二矽烷(hexachlorodisilane,Si₂Cl₆)形成的氮化矽(HCD-SiN)。源極/汲極114則以適當的摻質形成。接著於電晶體200上形成一內層介電層115。如第2圖所示，移除蓋層110以及虛置閘極108，並以金屬層106為蝕刻停止層。最後如第3圖所示，填入金屬閘極116後進行一平坦化製程，而形成具有金屬閘極116之電晶體200。其中金屬閘極116可以包含具有U型剖面之功函數金屬層117以及金屬層119。若電晶體200為N型電晶體，功函數金屬層117可以是鋁化鈦(TiAl)、鋁化鋯(ZrAl)、鋁化鎢(WAl)、鋁化鉭(TaAl)或鋁化鉿(HfAl)，但不以上述為限。若電晶體200為P型電晶體，功函數金屬層117可以是氮化鈦(TiN)或碳化鉭(TaC)等，但不以上述為限。金屬層119可以是鋁(Al)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎢(W)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、銅(Cu)、氮化鈦(TiN)、碳化鈦(TiC)、氮化鉭(TaN)、鈦鎢(Ti/W)或鈦與氮化鈦(Ti/TiN)等複合金屬層料，但不以此為限。

然而，前述實施例中高介電常數層104由於在移除虛置閘極108之前便已形成，因此會經過一般金氧半導體電晶體的製作過程，例如一些高溫退火的製程，這將對高介電常數層104造成損害。如第1圖所示，高介電常數層104上方為金屬層106，當進行高溫退火(例如活化源極/汲極114)製程的時候，金屬層106會攫取高介電常數層104中的氧原子，而造成氧空缺(oxygen vacancy)的現象。這會影響高介電常數層104的品質，也使得寬帶電壓(flat band voltage,Vfb)隨之下降。再者，金屬層106在移除虛置閘極108時並不會一併被移除，因此在後續填入金屬閘極116時，金屬層106的存在會影響金屬閘極116整體的功函數，而降低了元件的效能。

請參考第4圖至第10圖，所繪示為本發明第二實施例中製作具有金屬閘極之電晶體的步驟示意圖。如第4圖所示，首先提供一基底300，例如是一矽基底、含矽基底或矽覆絕緣(silicon-on-insulator,SOI)基底等。接著於基底300上形成複數個淺溝渠隔離(shallow trench isolation,STI)401。

接著於基底300上依序全面性沈積一介面層301、一高介電常數層303、一氧化物層305、一虛置閘極層307以及一蓋層309。沈積的方法可以用習知的各種沈積製程，例如是化學氣相沈積(chemical vapor deposition,PVD)、物理氣相沈積(physical vapor deposition,PVD)等，但不以上述為限。介面層301主要提供高介電常數層303較佳的附著能力，其材質例如是二氧化矽或是含氮的二氧化矽層(nitridation silicon dioxide)。於本發明另一實施例中，介面層301可以以熱氧化的方式在基底300上形成。高介電常數層303可以是一層或多層的結構，其介電常數大致大於20。高介電常數層303可以是一金屬氧化物層，例如一稀土金屬氧化物層，例如是氧化鉿(hafnium oxide,HfO₂)、矽酸鉿氧化合物(hafnium silicon oxide,HfSiO)、矽酸鉿氮氧化合物(hafnium silicon oxynitride,HfSiON)、氧化鋁(aluminum oxide,AlO)、氧化鑭(lanthanum oxide,La₂O₃)、鋁酸鑭(lanthanum aluminum oxide,LaAlO)、氧化鉭(tantalum oxide,Ta₂O₃)、氧化鋯(zirconium oxide,ZrO₂)、矽酸鋯氧化合物(zirconium silicon oxide,ZrSiO)、鋯酸鉿(hafnium zirconium oxide,HfZrO)、鍶鉍鉭氧化物(strontium bismuth tantalate,SrBi₂Ta₂O₉,SBT)、鋯鈦酸鉛(lead zirconate titanate,PbZr_xTi_1-xO₃,PZT)或鈦酸鋇鍶(barium strontium titanate,BaxSr_1-xTiO₃,BST)等。氧化物層305的介電常數低於高介電常數層303，大致上為4~15之間，其包含各種氧化物材質，例如是二氧化矽(SiO₂)。於本發明另一實施例中，也可以包含氟氧化物或氮氧化物，例如是氟氧化矽(SiOF)或氮氧化矽(SiON)。虛置閘極層307例如是多晶矽(poly-silicon)，但也可以是由多晶矽層、非晶矽(amorphous Si)或者鍺層所組合的複合閘極。蓋層309例如是氮化矽(SiN)。

接著如第5圖所示，利用一次或多次的微影暨蝕刻步驟(photo-etching-process)以圖案化介面層301、高介電常數層303、氧化物層305、虛置閘極層307以及蓋層309，以分別形成介面閘極介電層302、高介電常數閘極介電層304、含氧介電層306、虛置閘極308以及圖案化蓋層310，構成一閘極結構。接著如第6圖所示，在前述介面閘極介電層302、高介電常數閘極介電層304、含氧介電層306以及虛置閘極308之側壁形成一側壁子312。側壁子312可為一單層或複合膜層之結構，例如其可包含高溫氧化矽層(high temperature oxide,HTO)、氮化矽、氧化矽或使用六氯二矽烷(hexachlorodisilane,Si₂Cl₆)形成的氮化矽(HCD-SiN)。形成側壁子312的方法為習知技術，在此不加以贅述。接著，以側壁子312與閘極結構為遮罩進行一離子佈植製程，以在基底300中形成一源極/汲極314，並進行一退火製程以活化源極/汲極314。值得注意的是，源極/汲極314的退火製程通常會大於1000度，容易使得高介電常數閘極介電層304產生氧空缺的問題(請參考第1圖)。而在本實施例中，由於高介電常數閘極介電層304會直接接觸具有二氧化矽的介面閘極介電層302以及具有氧化物的含氧介電層306，虛置閘極308與高介電常數閘極介電層304之間不具有金屬層，因此在退火製程時，高介電常數閘極介電層304中的氧原子並不會逸失，反而可以由介面閘極介電層302以及含氧介電層306供給氧原子，故可以有效避免習知高介電常數閘極介電層304氧空缺的問題。相同的，在其他高溫退火步驟例如形成金屬矽化物的退火步驟，本發明也可以提供相同的功效。

此外，雖然第6圖中未明白繪出，但本發明的電晶體400仍可包含其他半導體結構，例如輕摻雜汲極(light doped drain，LDD)、金屬矽化物層(salicide)、以選擇性磊晶成長(selective epitaxial growth,SEG)而形成具有六面體(hexagon，又叫sigmaΣ)或八面體(octangon)截面形狀的源極/汲極314或是其他保護層。而於一實施例中，在完成源極/汲極314或金屬矽化物層(圖未示)後，側壁子312亦可部份或完全被移除，使得後續形成的接觸洞蝕刻停止層(contact etch stop layer，CESL) 316對於電晶體400具有較佳應力。

接著如第7圖所示，於完成了電晶體400的製作後，依序沈積一接觸洞蝕刻停止層316與一內層介電層(inter-layer dielectric，ILD)318，覆蓋在電晶體400。於一實施例中，接觸洞蝕刻停止層316具有一應力。接著進行一平坦化製程，例如一化學機械平坦化(chemical mechanical polish,CMP)製程或者一回蝕刻製程，以依序移除部份的內層介電層318、部份的接觸洞蝕刻停止層316、部份的側壁子312，並完全移除圖案化蓋層310，直到暴露出虛置閘極308之頂面。

接著如第8圖所示，移除虛置閘極308。移除的方法包含利用一溼蝕刻製程，例如使用過氧化氫(H₂O₂)溶液。由於含氧介電層306對於多晶矽的虛置閘極308有良好的蝕刻選擇比，因此可以作為良好的蝕刻停止層，使移除虛置閘極308的蝕刻製程停止在含氧介電層306上。

接著如第9圖所示，移除高介電常數閘極介電層304上的含氧介電層306，例如進行一乾蝕刻製程，包含使用氫氟酸(HF)等來移除含氧介電層306。本發明另一實施例中，亦可以同一蝕刻製程來同時移除高介電常數閘極介電層304之上的虛置閘極308以及含氧介電層306。在移除了虛置閘極308以及含氧介電層306後，會在電晶體400中形成一溝渠320。

最後如第10圖所示，依據電晶體400的導電型態，在溝渠320中填入適當的金屬而形成金屬閘極326。金屬閘極326可以包含功函數金屬層322以及金屬層324。若電晶體400為N型電晶體，功函數金屬層322可以是鋁化鈦(TiAl)、鋁化鋯(ZrAl)、鋁化鎢(WAl)、鋁化鉭(TaAl)或鋁化鉿(HfAl)，但不以上述為限。若電晶體400為P型電晶體，功函數金屬層322可以是氮化鈦(TiN)或碳化鉭(TaC)等，但不以上述為限。金屬層324可以是鋁(Al)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎢(W)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、銅(Cu)、氮化鈦(TiN)、碳化鈦(TiC)、氮化鉭(TaN)、鈦鎢(Ti/W)或鈦與氮化鈦(Ti/TiN)等複合金屬層料，但不以此為限。

值得注意的是，由於第二實施例的含氧介電層306在前述步驟中已經被移除，因此形成在溝渠320中的金屬閘極326可以直接接觸高介電常數閘極介電層304。相較於第一實施例中(請參考第3圖)金屬閘極116和高介電常數閘極氧化層104之間還具有金屬層106，本發明的電晶體400可以具有較佳功函數調節能力(tuning capability)，故具有更好的效能。

綜上所述，本發明提供了一種製作具有金屬閘極之電晶體的方法，以氧化物層作為移除虛置閘極的蝕刻停止層。氧化物層在退火製程時可避免高介電常數層產生氧空乏的現象，且後續步驟中可以被移除，使得金屬閘極能直接接觸高介電常數層，而得到一較佳效能的電晶體。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧基底

102‧‧‧介面閘極介電層

104‧‧‧高介電常數層

106‧‧‧金屬層

108‧‧‧虛置閘極

110‧‧‧蓋層

112‧‧‧側壁子

114‧‧‧源極/汲極

115‧‧‧內層介電層

116‧‧‧金屬閘極

117‧‧‧功函數金屬層

119‧‧‧金屬層

200‧‧‧電晶體

300‧‧‧基底

301‧‧‧介面層

302‧‧‧介面閘極介電層

303‧‧‧高介電常數層

304‧‧‧高介電常數閘極介電層

305‧‧‧氧化物層

306‧‧‧含氧介電層

307‧‧‧虛置閘極層

308‧‧‧虛置閘極

309‧‧‧蓋層

310‧‧‧圖案化蓋層

312‧‧‧側壁子

314‧‧‧源極/汲極

316‧‧‧接觸洞蝕刻停止層

318‧‧‧內層介電層

320‧‧‧溝渠

322‧‧‧功函數金屬層

324‧‧‧金屬層

326‧‧‧金屬閘極

400‧‧‧電晶體

401‧‧‧淺溝渠隔離

第1圖至第3圖所繪示為本發明第一實施例中形成具有金屬閘極之電晶體的方法示意圖。

第4圖至第10圖所繪示為本發明第二實施例中製作具有金屬閘極之電晶體的步驟示意圖。

300‧‧‧基底

302‧‧‧介面閘極介電層

304‧‧‧高介電常數閘極介電層

306‧‧‧含氧介電層

308‧‧‧虛置閘極

310‧‧‧圖案化蓋層

312‧‧‧側壁子

314‧‧‧源極/汲極

400‧‧‧電晶體

401‧‧‧淺溝渠隔離

Claims (16)

1. 一種製作具有金屬閘極之電晶體的方法，包含：提供一基底；於該基底上形成一電晶體，該電晶體包含一高介電常數閘極介電層、一含氧介電層設置於該高介電常數閘極介電層上、以及一虛置閘極設置於該含氧介電層上；移除位於該高介電常數閘極介電層上之該虛置閘極以及該含氧介電層；以及形成一金屬閘極，其中該金屬閘極直接接觸於該高介電常數閘極介電層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之製作具有金屬閘極之電晶體的方法，其中該含氧介電層包含氟化物或氮化物。
3. 如申請專利範圍第2項所述之製作具有金屬閘極之電晶體的方法，其中該含氧介電層包含二氧化矽(SiO₂)、氟氧化矽(SiOF)或氮氧化矽(SiON)。
4. 如申請專利範圍第1項所述之製作具有金屬閘極之電晶體的方法，於形成該電晶體的步驟中，該含氧介電層係直接接觸於該高介電常數閘極介電層。
5. 如申請專利範圍第1項所述之製作具有金屬閘極之電晶體的方 法，於形成該電晶體的步驟中，該虛置閘極與該高介電常數閘極介電層之間不具有金屬層。
6. 如申請專利範圍第1項所述之製作具有金屬閘極之電晶體的方法，其中先移除該虛置閘極後，再移除該含氧介電層。
7. 如申請專利範圍第6項所述之製作具有金屬閘極之電晶體的方法，其中移除該虛置閘極的步驟包含一溼蝕刻製程。
8. 如申請專利範圍第6項所述之製作具有金屬閘極之電晶體的方法，其中移除該含氧介電層的步驟包含一乾蝕刻製程。
9. 如申請專利範圍第1項所述之製作具有金屬閘極之電晶體的方法，其中該高介電常數閘極介電層係一金屬氧化層。
10. 如申請專利範圍第9項所述之製作具有金屬閘極之電晶體的方法，其中該金屬係一稀土金屬。
11. 如申請專利範圍第9項所述之製作具有金屬閘極之電晶體的方法，其中該高介電常數閘極介電層包含矽酸鉿氧化合物(HfSiO)、矽酸鉿氮氧化合物(HfSiON)、氧化鉿(HfO₂)、氧化鑭(La₂O₃)、鋁酸鑭(LaAlO)、氧化鋯(ZrO₂)、矽酸鋯氧化合物(ZrSiO)、鋯酸鉿(HfZrO)、鍶鉍鉭氧化物(strontium bismuth tantalate,SrBi₂Ta₂O₉,SBT)、鋯鈦酸 鉛(lead zirconate titanate,PbZr_xTi_1-xO₃,PZT)或鈦酸鋇鍶(barium strontium titanate,BaxSr_1-xTiO₃,BST)。
12. 如申請專利範圍第1項所述之製作具有金屬閘極之電晶體的方法，其中該電晶體還包含一介面閘極介電層設置於該基底與該高介電常數閘極介電層間，且該介面閘極介電層直接接觸於該高介電常數閘極介電層。
13. 如申請專利範圍第12項所述之製作具有金屬閘極之電晶體的方法，其中該介面閘極介電層包含氧化矽或含氮之氧化矽。
14. 如申請專利範圍第12項所述之製作具有金屬閘極之電晶體的方法，其中形成該電晶體的方法包含：於該基底上依序形成一介面層、一高介電常數層、一氧化物層以及一虛置閘極層；以及進行一圖案化製程，以形成該介面閘極介電層、該高介電常數閘極介電層、該含氧介電層以及該虛置閘極。
15. 如申請專利範圍第14項所述之製作具有金屬閘極之電晶體的方法，其中形成該電晶體的方法還包含：於該介面閘極介電層、該高介電常數閘極介電層、該氧化物層以及該虛置閘極之側壁形成一側壁子；以該側壁子為遮罩進行一離子佈植製程，以在該基底中形成一源 極/汲極；以及進行一源極/汲極退火製程。
16. 如申請專利範圍第15項所述之製作具有金屬閘極之電晶體的方法，其中該源極/汲極退火製程的溫度大於1000度。