在半导体器件中形成高Ｋ栅极叠层的方法技术

本发明专利技术涉及在半导体器件中形成高Ｋ栅极叠层的方法。本发明专利技术提供形成ＭＯＳＦＥＴ器件的高Ｋ栅极叠层（１，１０，２０，３０）以控制ＭＯＳＦＥＴ器件的阈值电压的方法。在半导体衬底（３，１２）上形成第一高Ｋ金属氧化物层（２，１１，２２，３２）。然后直接在所述第一层（２，１１，２２，３２）上形成至少一个复合层。所述复合层包括直接形成在偶极诱导层（５，１３，２３，３４）上的第二高Ｋ金属氧化物层（６，１４，２４，３３）。所述偶极诱导层包括具有与所述第一和第二层相比更高的氧空位亲和力和更低的氧空位扩散率的高Ｋ金属氧化物。然后，在所述至少一个复合层上形成金属栅极电极（７，１５，２５）。将所述各层形成为使所述至少一个复合层的所述偶极诱导层（５，１３，２３，３４）定位在所述栅极电极与所述衬底之间，以使所述阈值电压漂移到希望的水平。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及形成半导体器件中的高K栅极叠层。更具体地，提供了用于形成 MOSFET器件的高K栅极层叠的方法，以便控制MOSFET阈值电压。优选实施例提供阈值电压 控制以及改善的沟道载流子迁移率。 金属氧化物半导体(MOS)器件成为在最现代的集成电路中所采用的CMOS(互补 金属氧化物半导体)逻辑的基础。CMOS技术采用以互补方式共同布线的nMOS(n沟道)和 pMOS(p沟道)场效应晶体管(FET)。这种MOSFET的栅极结构形成为层结构，或者说"叠层"， 其中在半导体(典型地为硅)衬底上形成电介质材料的一个或多个层，然后在电介质上形 成栅极电极。早期的器件使用Si(^作为栅极电介质，并使用多晶硅作为栅极电极。然而， 随着特征尺寸减小以满足按比例縮小的要求，氧化物厚度的减小导致由直接隧穿引起的显 著的栅极氧化物漏电流。为了纠正新一代VLSI(超大规模集成)的该问题，已利用介电常 数比Si02更高的材料来替代栅极电介质。这样的"高K"电介质由此具有高于3. 9的介电 常数，且通常显著高于该值。例如，认为K二5为中度的高，认为K二20为极高。用于栅极 电介质的高K材料为金属氧化物，典型地为Hf02或HfOSi 。在有关研发中，为了与高K电介 质更相适应，已用金属栅极电极来替代多晶硅栅极电极。 如在Callegari等人的"Low Tinv(《1. 8nm)Metal—Gated MOSFETs onSi02 Based Gate Dielectrics for High Performance Logic Applications'', Int. Conf. SSDM， S印t 16-18， Tokyo, J即an 2003中所讨论的，与多晶硅/Si02栅极叠层相比，在Si 衬底上形成的金属/高K栅极叠层的电子迁移率显著降低。该迁移率降低导致远程光子 散身寸(参见M. V. Fischetti等人的"Effective electron mobili入in Si inversion layers in MOS systems with ahigh—k insulator :The role of remote phonon scattering", J. A卯l. Phys. 90， 4587 (2001))或者导致远程电荷散射(参见M. Hiratani等 人的"EffectiveElectron Mobility Reduced by Remote Charge Scattering in High-K GateStacks， JJAP Vol. 41， p. 4521， (2002))。为了解决该问题，在A. Callegari等人的 "Charge trapping related threshold voltage instabilities in highpermittivity gate dielectric stacks", J. Appl. Phys. 99， 023079 (2006)中提出了尝试方式。该文献 提出使用浓度朝向硅沟道渐变的肚02叠层。该技术使得器件具有良好的电特性，尤其是 良好的沟道迁移率，但导致器件阈值电压的过大漂移。在V. Narayanan等人的"Band-EdgeHigh_PerformanceHigh_k/Metal Gate n_M0SFETs using Cap Layers Containing Group IIAand 11 IB Elements with Gate—First Processing for 45 nm and Beyond，，， VLSISymposium, June 2006中给出了对解决该附加问题的尝试方式。该文献提出了附图的图1 中所示例的栅极叠层结构。具体地，在肚02电介质的顶上且在金属栅极下面添加氧化镧层。 这仅仅对nFET器件，而未对pFET器件，改善了阈值电压漂移。另外，新层的引入导致沟道 中的迁移率的显著降低。解决金属/高K栅极叠层中的迁移率问题的其他尝试提出了使用
技术介绍
铪硅酸盐材料来减少光子散射并从而改善迁移率。然而，这些硅酸盐材料具有比Hf02(K 20)低的介电常数(K 12)，由此限制器件的按比例縮小能力。具体地，小于23l的硅酸 盐材料层似乎难于实现，而在Callegari等人的上述2003年的文献中实现了约12l的Hf02层。
技术实现思路
本专利技术提供一种形成MOSFET器件的高K栅极叠层以控制所述M0SFET器件的阈值 电压的方法。所述方法包括 在半导体衬底上形成第一高K金属氧化物层； 直接在所述第一层上形成至少一个复合层，所述复合层包括直接形成在偶极诱导 层上的第二高K金属氧化物层，所述偶极诱导层包括具有与所述第一和第二层相比更高的 氧空位亲和力和更低的氧空位扩散率的高K金属氧化物；以及 在所述至少一个复合层上形成金属栅极电极； 其中将所述各层形成为使所述至少一个复合层的所述偶极诱导层定位在所述栅 极电极与所述衬底之间，以使所述阈值电压漂移到所希望的水平。 本专利技术基于对在栅极叠层结构中所诱导的氧空位的特性和作用的理解的发展。具 体地，本专利技术是基于这样的技术效果，利用该技术效果，可以通过适当地形成诱导偶极效应 的层结构来控制在栅极叠层结构中诱导的氧空位，其中偶极效应可以使阈值电压根据需要 进行漂移。下面将详细解释该技术效果。然而，简言之，应理解，对叠层引入附加层(例如， 图1中的1^203层)的主要效果是增加高K电介质中的氧空位的数量。这些缺陷带正电荷。 通过引入具有与基础高K电介质相比更高的氧空位亲和力和更低的氧空位扩散率的高K金 属氧化物层，氧空位将趋于聚集在与新层的界面处。带正电荷的氧空位的聚集将产生偶极 场，该偶极场横跨每个与新的"偶极诱导层"的界面。通过将偶极诱导层适当定位在栅极电 极与衬底之间，这些场将诱导栅极和/或衬底的能带的漂移，由此使器件阈值电压漂移，使 得阈值电压能够实现所希望的水平。因此，提供了控制MOSFET器件的阈值电压的简单而有 效的机理，并且该机理可等同地适用于n型和p型器件两者。并且，在优选实施例中，由于 对氧空位的作用，偶极诱导层和/或一个或多个类似层可提供改善的沟道迁移率。这将在 下面进行进一步的描述。 通过在高K材料的第一层上形成如上限定的至少一个复合层，偶极诱导层有效地 被夹在上述第一和第二高K层之间。尽管在原理上可以构建不止一个复合层，在优选实施 例中，在第一层上形成单个复合层。在任何情况下，使阈值电压漂移到希望水平所需要的对 偶极诱导层的精确定位将取决于给定层结构的具体细节，例如，层的具体的材料、浓度和厚 度，这些都是对于本领域技术人员显而易见的。然而，下面将描述实施这些方面的基本原则 和具体实例。通常，可以具体地或更大体地将阈值电压所漂移到的希望水平限定为例如一 具体电压或作为在希望范围内的一电压，或者，可以相对于没有偶极诱导层的情况下的阈 值电压来简单地将阈值电压所漂移到的希望水平限定为例如比那个阈值电压更高或更低。 在此所使用的术语"金属氧化物"通常是指任何包含金属的氧化物材料。由此，根 据所关注的层，例如，金属氧化物本身可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成ＭＯＳＦＥＴ器件的高Ｋ栅极叠层以控制所述ＭＯＳＦＥＴ器件的阈值电压的方法，所述方法包括：在半导体衬底上形成第一高Ｋ金属氧化物层；直接在所述第一层上形成至少一个复合层，所述复合层包括直接形成在偶极诱导层上的第二高Ｋ金属氧化物层，所述偶极诱导层包括具有与所述第一和第二层相比更高的氧空位亲和力和更低的氧空位扩散率的高Ｋ金属氧化物；以及在所述至少一个复合层上形成金属栅极电极；其中将所述各层形成为使所述至少一个复合层的所述偶极诱导层定位在所述栅极电极与所述衬底之间，以使所述阈值电压漂移到所希望的水平。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：A库利奥尼，CA皮涅多利，W安得烈奥尼，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]