半导体器件的制造方法、高K介电结构及其制造方法技术

本发明专利技术描述了半导体器件及其制造方法。在衬底上形成第一氧化铪(HfO2)层。在第一氧化铪层上方形成钛(Ti)层。在钛层上方形成第二氧化铪层。热退火复合器件结构以产生具有插入在第一氧化铪层和第二氧化铪层之间的氧化铪钛(HfxTi1‑xO2)层的高k介电结构。本发明专利技术的实施例还涉及高K介电结构及其制造方法。

Manufacturing method of semiconductor device, high K dielectric structure and manufacturing method thereof

The present invention describes a semiconductor device and a method of manufacturing the semiconductor device. The first HfO2 (HfO2) layer is formed on the substrate. Titanium (Ti) layer is formed over the first HfO2 layer. Second hafnium oxide layer is formed over the titanium layer. Composite thermal annealing device structure to produce titanium hafnium oxide inserted in between the first and second layer of hafnium oxide hafnium oxide layer (HfxTi1 xO2) high k dielectric layer structure. The embodiment of the invention also relates to the high K dielectric structure and the manufacturing method thereof.

【技术实现步骤摘要】
半导体器件的制造方法、高K介电结构及其制造方法
本专利技术的实施例涉及半导体器件的制造方法、高K介电结构及其制造方法。
技术介绍
随着集成电路的缩放，器件应用已经采用了越来越快的操作速度。这对金属氧化物半导体(MOS)器件提出了更快的开关要求。具有薄的二氧化硅栅极介电层的MOS场效应晶体管(MOSFET)可能表现出不可接受的栅极泄漏电流。期望用于栅极电介质的高介电常数(k值)可用于减小MOS器件的栅极泄漏电流并且增加MOS器件的开关速度。当在衬底和高k介电层之间使用过渡氧化物时，当经受施加场时，所得的膜可能表现出不可靠的电压阈值(Vt)。由于具有约3.9的k值的传统的氧化硅不能满足这种要求，因此越来越多地使用高k介电材料。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供了一种制造半导体器件的方法，所述方法包括：在衬底上方形成第一氧化铪层；在所述第一氧化铪层上方形成钛层；以及在所述钛层上方形成第二氧化铪层。本专利技术的另一实施例提供了一种制造高k介电结构的方法，所述方法包括形成设置在第一氧化铪层和第二氧化铪层之间的氧化铪钛层。本专利技术的又一实施例提供了一种高k介电结构，包括：衬底；第一氧化铪层，位于所述衬底上方；氧化铪钛层，位于所述第一氧化铪层上方；以及第二氧化铪层，位于所述氧化铪钛层上方。附图说明当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳地理解本专利技术的各个方面。应该注意，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增大或减小。图1代表性地示出根据实施例的高k介电器件结构的形成。图2代表性地示出根据实施例的用于形成高k介电器件结构的前体结构。图3A代表性地示出根据实施例的由图2的前体结构形成的高k介电器件结构。图3B代表性地示出根据另一实施例的由图2的前体结构形成的高k介电器件结构。图4A是截面图并且图4B是四分之三的等轴视图，两者均代表性地示出根据实施例的高k介电器件结构。图5A是截面图并且图5B是四分之三的等轴视图，两者均代表性地示出根据另一实施例的高k介电器件结构。图6A是截面图并且图6B是四分之三的等轴视图，两者均代表性地示出根据又一实施例的高k介电器件结构。图7代表性地示出根据实施例的形成高k介电器件结构的方法。图8代表性地示出根据实施例的具有包括高k介电器件结构的栅极电介质的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。具体实施方式以下公开内容提供了许多用于实现所提供主题的不同特征的不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本专利技术。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本专利技术。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件以直接接触的方式形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本专利技术可在各个实例中重复参考标号和/或字符。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。而且，为了便于描述，在此可以使用诸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间相对术语以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，并且在此使用的空间相对描述符可以同样地作出相应的解释。将参照具体上下文描述代表性实施例；即金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)中的高k栅极介电结构。然而，本文中所公开的部件可以应用于从高k介电结构的使用中受益或适合于受益的各种其他器件和/或应用。如图1中代表性示出的，可以由前体结构200a形成高k介电器件结构300a，前体结构200a包括位于衬底100上方的第一金属氧化物层120、位于第一金属氧化物层120上方的金属层130和位于金属层130上方的第二金属氧化物层140。在代表性实施例中，衬底100可包括硅衬底。在其他实施例中，衬底100可以包括一种或多种其他合适的元素半导体(例如，金刚石或锗)、合适的化合物半导体(例如，砷化镓、碳化硅、砷化铟、或磷化铟)或合适的合金半导体(例如，碳化硅锗、磷砷化镓或磷铟化镓)。衬底100还可以包括诸如各种掺杂区、掩埋层、外延层和/或绝缘区的其他部件。衬底100可以是绝缘体上硅(SOI)或蓝宝石上硅。在一些实施例中，衬底100可以包括掺杂的外延层、梯度半导体层，和/或还可包括位于不同类型的另一半导体层上面的半导体层，诸如硅锗层上的硅层。在其他实例中，化合物半导体衬底可包括多层硅结构，或硅衬底可包括多层化合物半导体结构。根据各种代表性实施例，衬底100可配置有形成在其中的浅沟槽隔离(STI)(图中未示出)。如本领域已知的，STI通常通过蚀刻衬底以产生沟槽并且用介电材料填充沟槽来形成。STI可以填充有诸如例如氧化物材料、高密度等离子体(HDP)氧化物等的介电材料。通过将衬底100浸没在含有去离子水和臭氧的溶液(DiO3溶液)中，可以在衬底100上方形成可选的基底氧化物层。DiO3溶液可以是超稀释的，包含介于约百万分之一(ppm)或约100ppm之间或介于约1ppm和约10ppm之间的臭氧浓度。可以在室温下(例如，约25℃)实施氧化。可以可选地使用更高或更低的温度。用于形成可选的基底氧化物层的处理时间可以在从约10秒至约30秒。基底氧化物层可以具有小于约或介于约至约之间的厚度。可以通过调整诸如时间、温度等的工艺条件来改变基底氧化物层的厚度。对于给定的工艺时间，基底氧化物层的厚度可以受到工艺温度的影响-较低的温度倾向于进行较慢的氧化物形成，伴随相对较薄的氧化物厚度的产生。可以在衬底100上方形成具有可选的基底氧化物层的高k介电器件结构330a/300b。在代表性实施例中，高k介电器件结构300b的厚度可以为约或更小，或约或更小，或约或更小，或约或更小，或约或更小，而不引起显著的泄漏电流。应当理解，高k介电器件结构300b可以具有大于约或者小于约的厚度。在代表性实施例中，第一金属氧化物层120和第二金属氧化物层140可以包括氧化铪(HfO2，k值约为25)。根据其他实施例，第一金属氧化物层120和/或第二金属氧化物层140可以可选地或结合地包括诸如，例如，氧化镧、氧化钡、氧化锆、氧化钽、氧化锶、氧化铝、氧化钛(TiO2，k值约为50)或氧化钇的一种或多种其他金属氧化物。可以通过本领域已知的任何方法沉积第一金属氧化物层120和第二金属氧化物层140。例如，在代表性实施例中，可以用原子层沉积(ALD)来沉积第一金属氧化物层120和第二金属氧化物层140。在各种其他实施例中，可以用化学汽相沉积(CVD)、等离子体增强CVD(PECVD)、高密度等离子体CVD(HDPCVD)、物理汽相沉积(PVD)等来沉积第一金属氧化物层120和第二金属氧化物层140。可选地，结合地或顺序地使用诸如低压化学汽相沉积(LPCVD)、金属有机化学汽相沉积(MOCVD)、等离子体增强原子层沉积(PEALD)等的其他常用的方法。第一金属氧化物层120的沉积厚度可以介于约和约之间。第二金属氧化物层140的沉积厚度可以介于约和约之间。在代表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造半导体器件的方法，所述方法包括：在衬底上方形成第一氧化铪层；在所述第一氧化铪层上方形成钛层；以及在所述钛层上方形成第二氧化铪层。

【技术特征摘要】
2016.04.27 US 62/328,461;2016.09.01 US 15/254,7711.一种制造半导体器件的方法，所述方法包括：在衬底上方形成第一氧化铪层；在所述第一氧化铪层上方形成钛层；以及在所述钛层上方形成第二氧化铪层。2.根据权利要求1所述的方法，还包括形成插入在所述衬底和所述第一氧化铪层之间的界面层。3.根据权利要求2所述的方法，其中，形成所述界面层包括在沉积界面材料之前预清洁所述衬底。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述界面材料包括金属氧化物硅酸盐。5.根据权利要求1所述的方法，其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄一晨，许一如，陈光鑫，刘继文，巫勇贤，陈庆育，
申请(专利权)人：台湾积体电路制造股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71