TWI345272B - A method of forming a semiconductor structure - Google Patents

Description

1345272 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 ^發=有關於半導體元件，特別是有關於金屬氧 ^讀㈣aI-oxide_semiconduct〇r)的結構及其形成 万法。 【先前技術】 ::::電路的縮小及其應用需要越來越 度、。使付在金屬氧化半導體元件的需求上，亟 =半導體具有快速的開關。如該領 件的速度，極介電層;要= 化：ΐ 由於普遍使用之介電常數約3,9的氧 ’無法滿足上述需求，因此越來越普遍使用包括氧 化物妙氮化物及氮氧化物之高介電常數的介電材料。 α ^ ’ @介電常數的介電材料具妹高的陷阱密产 (trap density)，因此，盔 "曰丨开在度 ^ .. .. ^ …、法在孟屬氧化半導體元件通道區 1 ，料4的祕介電層結構以調和高介電 物。—…般具有低陷拼密度的氧化 °形成堆豎結構的方式是，在通道區域上 底部氧化層的上方介電常數的介電材料於 層。 以隹宜層結構可作為一閘極介電 的等=化她介_缺點係降低介電層 尽度（e_valent ⑽扣 thickness; Ε〇τ)。在 050j-A3232 1 T\VF/yungchieh 5 -般形成底部氧化層的製程中，通 ⑻】u- HF)移除半導體基底表面的：:釋，氟酸 洗製程一般包括俨進生、φ制 ’、虱匕層。私準清 清洗基底的表面。之後mw月先衣知2’用以 淨表面上。❹上層會形成在基底的乾 埃至10埃:Λ方气，氧化層的厚度可減低至9 度及厚度約30埃的高介1j層之寺效乳化層厚 登層的專效氧化厚度會降低至約 二乂隹 而，因底部氧化層的厚度，會搞入矢之間。然 厚度可導致等然可預期降低底部氧化層的 子又』¥致寻效乳化厚度的降低，但牛 氧化層的厚度後，等效氧 V降低底部 令之-的B曰屈 亚不可能會再降低。其 r ^ 的原因疋傳統形成顧仆层、 關，且表面條件會影燮後表嶋 的品質。一般而：；後續形成的高介電常數之介電層 使得其具有大體上平坦的表面。的厚度’ 據此’逐需一種具有堆遇 導體元件，其同時結合高介；==的金屬氧化半 層的優點，且同時可克服習知的缺點。;丨"層及底部乳化 【發明内容】 有鑑於此，根據本發明 結構的形成方法。上述半的係提供—種半導體 一半導體基底；對該半導m形成方法，包括提供 収丞底進行一含氫氣退火步 0503-A32321 TWF/yungch ieh 6 1^4^272 :導退火步驟之後，形成—底部氧化層於該 ，广^ 方，以及形成—高介電常數的介電層於 该底部氧化層上。 电層万、 本發明之另-目的健供—種半導體結構的形成方 带成體結構的形成方法，包括提供一含石夕基底’· 進成-間極,1電層，其包括：在高溫下’對該切基底 氧退火步驟；在進行該氫氣退火步驟之後，使 ^去離子水及臭氧的—溶液，以形成—底部氧化層 r Π石夕基底上；以及於一低於約5〇〇。0的製程溫度下， ^成-向介電常數的介電層於該底部氧化層上。 :體結構的形成方法更包括圖案化該 電層，以形成該閑極介電層；形 接於上方；以及形成一源極/汲極區域，其鄰 接於邊閘電極與該閘極介電層。 【實施方式】 接下來，況明本發明較佳實施例的製作及使用。然 T 了解岐’本發明提供許多可具體卿於各種不 其中舉例說明之具體實施例僅用以 發明的範圍。 料㈣方式，亚不用以限制本 氧化提供—種具有堆疊閘介電層結構新式的金屬 = al〜。xlde—semicond-^ 咖)元件及 ”衣彳法。以製作本發明之較佳實施例的中間步驟， 〇50〇-A32321 TWF/yungchieh 7 1345272 以及透過本料之不_,職舉例的實 同的元件標號代表相同的元件。 兄a相 如第1圖所示，提供較佳為石夕材料的一基底 另它例如是靖糊切心 材科另外，基底2也可以是一整個半導 應變半導體此如edse„ieQndu伽）、化合物；^ (c卿咖d semiconduct〇r)、半導體於絕緣居上

Cseraiconductor on .nsulator; 0 ； 淺溝渠隔離（Shall0w trench ls〇iati〇n; sn)區域於基 ^ \之中。在一較佳實施中，形成上述淺溝渠隔離區域 ，方式’可以是_基底2以形成淺溝渠，且填充例如 氧化矽之絕緣材料於上述溝渠内。 廷擇性地進行一標準清洗製程，如該領域者所知， 標準清洗製程包含兩個步驟1 —步驟，通常也可 ，準m(standard clear 1; SC1)，其包含浸泡基底 於氫氧化銨/過氧化氫/水（丽4〇H/H2〇2/H2〇)溶液的清洗 槽内，例如約10分鐘。標準清洗1的主要目的在於移除 基底2表面上的微粒及有機污染物。接下來進行第二步 驟通吊也可稱為標準清洗2(s1:andard clean 2; SC2)， ，步驟係使用氯化氫/過氧化氫/水（HCl/MWIhO)的混合 浴液浸泡基底2，例如約1〇分鐘。標準清洗2主要目的 在於移除基底2表面上的金屬污染物。在另一實施例中， 也了以例如使用稀氫氟酸（duuted hydrofluoric acid; DHF)選擇性地移除原生氧化層（native oxide) ° yungchieh 0503-A3232JTWF/' 8 U45272 者進行一南溫鼠氣退火步驟。在"~較佳實施例 中在#又佳為大體上含純氫的環境中，進行氫氣退火步 卜 …、 上述含氫環境中，也可以包括其它例如氮、 ^ 氣氨或其組合的氣體。在上述氫氣退火步驟中， 車乂佺的氣體壓力係介於1托耳至1⑽托耳，更佳氣體壓 ^ ;1於1托耳至5托耳。上述氫氣退火步驟較佳的溫 又範圍係’丨於600。〇至1〇〇°c之間，且更佳的溫度範圍介 於上00 C至8001：之間。退火處理的時間係由退火的方式 f定鈥佳的退火時間係介於1分鐘至5分鐘。在一實 她例中，在壓力約1〇〇托耳及溫度約8〇〇。〇的條件下，進 ㈣氣退火步驟約1分鐘。較佳的退火方式可以是熱退 = (thermal annealing)，而也可以是使用例如快速退火 C lash annealing)^t^it^Claser annealing)#- 在另-實施例中’也可以提供電浆以有 氫二:::驟:二 .乂 & 一月丑的反應式可利用以下式1表示： 2H2 -f Si〇2 -> 2H2〇 + Si [式 1] 由上述反應式可得知，若" s λα - , ,, m ^ 土 & z表面上存在原生氧 化層的4 ’此原生減層會轉變成切 除基底2表面的氧切具有相的同效果。l方式”私 再者，氫氣退火步驟可能合 可以理解的是，氯氣退火步；:機==㈣)。 此’在此說明之氣氣退火步鄉可全了解’因 月匕的機:制，亚不用以限 0503-A32321 TWF/yungchieh 9

L 制本發明的範園。第 — 結。藉由退火步賢提供:與矽原子間形成的鍵 表面的“子开=1’使得氯原子可與基底2 ^鍵結，此鍵結也可稱為^氫末端 料…:面疋理想的特徵，且有助於在後續步驟

在-較佳實施例中，介於，二成一底部氧化層4。 層4切” 退火步驟與形成底部氧化 曰父μ之間’保持基底2遠離氧氣、皮万/七甘〜 物質，佶俨苴产〇 ± 、雕虱虱水及/或其它含氧 ,,纟面不會生成原生Α化層。在一實施 例中，形成底部氧化層4的方式可以貝化 含有去. 7万式了^將基底2浸泡於 中有上去^子讓一 10nized wate〇及臭氧（〇3)的溶液 奋液通吊以臭氧去離子水Di〇3表示。上述臭 去離子水溶液（Di〇3)較佳 、乳 1土的乘度疋介於約百萬分之 卿至百萬分之100(10〇PPm)的極稀釋臭氧含量 最佳係介於百萬分之in u 仰手六乳3里，且 萬刀之1(1卯m)至百萬分之1〇(1〇卿）。進

丁处氧化的溫度較佳是在室溫下，例如約25。〇,當然 也可以是在高於或低於25。口進行。較佳製程時間= 於約10秒至30秒之間。 八底部&氧化層4的厚度較佳係小於10埃（Α)，更佳係 ’I於5 %至7埃之間。藉由調整例如時間、溫度等的製 程條件可控制底部氧化層4的厚度。可以了解的是，: 較於溫度，調整製程時間對厚度較有明顯的影響，在一 較低的製程溫度會導致較缓慢地形成氧化層，然而，其 形成之氡化層具有較佳的品Ϊ，而ί里想的製程溫度及製 〇503-A32321TWF/yungchieh 1345272 程時間可以是由例行的實驗結果決定。 藉由氧化基底2的表面，可添加氧於已形成的矽—I 末端及含料基底2，以在底部氧化層4的表面上形成^ 有氫氧末端（0H)的矽氫氧基（Si0H)。也就是說，底部氧 化層4會變成為末端含有氫氧基官能團 functional gr〇up)的純矽氧化物（Sl〇x)。第4圖係顯示 具體的最終結構示意圖，此圖顯示藉由上述氧化步驟， 可形成氫氧末端（0H)於底部氧化層4的表面上。在_幸* 佳實施例中，底部氧化層4的厚度介於約5埃至7埃: 間，其中上述底部氧化層4需要多數個矽—氧（Si一 〇)結構 層。在上述結構中，底部氧化層4較佳厚度均一度的良 好品質。亦即，底部氧化層4之表面具有較小的粗糙度。 然後，如第5圖所示，形成一高介電常數（hi gh-k) 的介電層6於底部氧化層4上。在一較佳實施例中，高 介電常數的介電層6包括氧化（hafnium oxide; Hf〇2)。在另一實施例中，高介電常數的介電層6也可以 包括例如氧化 （hafnium-zirconium oxide; HfZrOx)、氧化鋁（hafnium-aluminum oxide; HfAl〇x)、 氧化 （hafnium-lantharuim oxide; HfLa〇x)、氧化、 氧化矽（hafnium-silicon oxide; HfSi〇x)、氧化鈦 (hafnium-titanium oxide; HfTiOO 、氮化 (hafnium-tantalum oxide; HfTaOx)、氧化 鈦 (hafnium-titanium-tantalum oxide; HfTiTaOx)或其組 合的含材料。在再一實施例中，高介電常數的介電層6 0503-A32321TWF/yungchieh 也可以包括氧化（La (Al2〇3)、氧化（Ta2〇5)、3/ 乳化（Zr〇2)、氧化銘 電常數的介電層6較佳⑹或其組合。高介 高介電常數之介電屛::电常數係大於7。-般而言， 過高介電常數之介^ 、义圭厚度至少是30埃。否則穿 然而，在一較佳每A “的漏電流將會變的較為明顯。 隹較佳貫施例中，|古±_ 結構的高介電f數〇 父向品質及較非結晶化 3〇埃，其^、於9n 电曰6，其厚度可以等於或小於 以了解到的是，高不會導致明顯示的漏電流。可 於約20埃或30埃。吊數的介電層6的厚度可以是大 -較佳形成高介電常數的介電層6的方式可以是 丄、“尤積（atomic layer dep〇sitic)n;刷，然而， 也可以使用例如電漿加強型化學氣相沈積（plasma enhanced chemical vapor deposition; PECVD)、低壓 匕车氣相沈積（l〇w_pressure chemicai vapor deposition LPCVD)、金屬有機化學氣相沈積 (metal-organic chemical vapor deposition; MOCVD) ' 電漿加強型原子層沈積（piasma enhanced atomic layer deposition; PEALD)或相似的方式形成高介電常數的介 電層6。形成高介電常數的介電層6的較佳溫度可以是例 如低於500Ϊ的低溫製程條件，更佳的製程溫度係低於 350°C ’甚至低於250°C。在低溫條件下，特別是在形成 高介電常數的介電層6的過程中避開氧氣時，可防止基 底2與其上方的底部氧化層4之間重新生長界面氧化層。 0503-A32321 TWF/yungch ieh 常數的介電驗以顯示氣氣退火步驟在高介電 介電層6輕用原°子/影響，本實驗尹之高介電常數的 圖顯示的4 積法形成的氧化薄膜。如第6 化薄膜厚戶的^者原子層沈積週期的作用與氧 照組(曲線ΐΓ) 1:二：„不經氫氣退火步驟之對 明顯的延緩二= 介電層6的速度具有 友 疋代表在初始階段，每一历工s丄 期形成較少的氧化壤 原子層沈積週 後，氧化薄二二：約2〇個原子層沈積週期 成的可能原會變成線性。延緩氧化形 核周圍形成的晶粒會= …口此，在後續地 經氯氣退火步驟;粗糙度。相反地， 粗糙度較小。〇此，會形成較多的晶核，且表面的 内，=:二:::在高介電常數的介電層6 數量的晶核，因而二延緩時間、較多 常數之介電層6具有改乂：日曰粒尺寸。因此，高介電 Γ 又勺非結晶結構。藉由本發明之 ν〇1" °構具有較小的臨限電歷變動（threshold 所形：之言二”。分析結果顯示’經氫氣退火步驟 Μ ”：：兒吊數的介電層6為大體上連續的，而未 經祕火步驟所形成之高介電常數的介電層6則是具 0503-A32321TWF/yungchieh 1345272 有顯著的島狀。 播ί發明之另一實施例中’在形成淺溝渠隔離區域 ^ ^例如快速熱製程（rapidthermaipr〇⑽，· _ 產生器（in_situ伽⑽咖⑽t〇r;挪） 的-般氧化形成方法，可形成一底部氧化層 接著’使用例如稀氫氟酸溶液的絲刻或乾㈣， 心刀地回㈣相對較厚的底部氧化層。進行氫氣退火 2處理錢㈣部氧化層。上述氫氣退火步驟的製程 條件可以疋舆刖述的實例實體上相同。 八1圖:斤：’形成一閘電極層8於高介電常數之 晶石夕、金屬、導電氧化金屬、導電氮化金屬、二 或其相似物。 /化盈屬 第8、9圖顯示形成一冬厪备 部八。在m S m φ 、’屬乳化物+導體元件的剩餘 ' θ ，目案化經由前述的步驟形成包含底 部氧化層4、高介電常數的介電層6及間電極層t = Γΐ ’：二Γ轉疊層。接著，形成閘極間隙壁10。 …域者所知，“毯覆式沈積法沈 deposition)例如氮化矽的介電層，接著蝕不相 電層部分’以形成上述閉極間隙壁丨。。心= =以是例如-氧氮結構錢氮氧_)結構 第9，顯不形成源極/汲極區域及石夕化區 在幸乂仏貝化例中，错由植入適當的雜質於半導體的基 0503-A3232 lTWF/yungchieh 14 1345272 底2之中，以形成源極/汲極區域12。於植入製程中，使 用閘極間隙壁1 〇作為遮罩，以致於源極/汲極區域i 2的 邊緣係大體上地對準各閘極間隙壁10。也可以藉由使基 底2凹陷化，且磊晶地成長半導體材料於上述凹陷之中， 以形成源極/汲極區域12。為了形成矽化區$ 14，首先 形成例如钴、鎳、、、鉑或其組合之金屬薄膜(圖式 未顯示）於上述元件的上方。接著，退火處理上述元件， 以形成矽化區域14於沈積的金屬及金屬下方暴露的矽區 域。然後’移除殘留的金屬層。之後，形成―接觸孔钱 刻停止層（咖⑽etch st〇p layer; CESL)及一層間介 電層18。接著’形成接觸插塞（圖式未顯示）。形成上述 兀件的方式可以是該領域者所知㈣方式，因此在此並 不在贅述。 較佳實施例具有許多的優點。藉由利用本發明 :圭實施例，可改善閘極介電層的等效氧化層厚产 =^相⑽dethlckness;黯）。從上述實驗顯二 ^未進仃聽退火的步驟，會在底部·層巾成 =構，導致包含厚度3G埃之高介電f數的介電層及^ 又）丨於5埃至7埃（臭氧去離子水抓）之 ： 層的間極介電層具有明顯較高的漏電流。然而；= 仃氫氣退火的步驟，可降低底部氧化層的 ：：進 L7埃，間，而不會引起明顯的漏電流。：括底部气： 曰4及咼介電常數之介電層6的閘極 二羊 層厚度可降低至約12埃。 電層之寺效氧化 〇503-A32321TWF/yungchieh 15 1345272 體輪半導 ::載子遷移率(carrier m〇bi 丨:ty)具二::: 弟10圖所示之—實施例中，其 用，金屬氧化半導體元件通道區域；;者子反^何的作 =，上述反轉電荷係有關於元件各㈣道 = %。曲線30係表示—船报忐少曰A A Τ的電 電層上之η型金；氧It夕閑極於石夕氧化閉極介 3〇 # _ 泠版元件的電子遷移率。曲線 :表用本發明較佳實施例形成之η型金屬氧化半導 7件中的電子遷移率。在對應實驗時使用的操 :’可以發關電子遷料約紅6xi『6G/em2，此^ 广是曲線30的百分之90，明顯高於習知的結果。 型金屬氧化半導體元V::==:f構的。 曲綠42係顯不使用較佳實施 、之ρ型金屬氧化半導體元件的電洞遷移率。值得 "'的疋’ Ρ型金屬氧化半導體元件中的電洞遷移率（曲 =2)與-般具有多晶秒閘極及氧化碎閘極結構的ρ型金 =氧化半導體元件的電洞遷移率（曲線4Q)大體上相 冋。上述高遷移率的部分原因是由氫/臭氧去離子水底部 氣化層具有良好的界面品質。 、雖然本發明之較佳實施例及其優點已揭露如上，可 x 了解的是，在不脫離本發明之精神及後附申請範圍定 義的fe圍下’當可作不同的潤飾、變化及取代。再者， 上述應用之具體實施例並不用以限制本發明的範圍，特 〇503-A3232]TWF/yungchieh 16 1.345272 別是說明書所述的製程、機台、製作、物質的成分、裝 置的構成、方法及步驟。習知該領域者可立即了解到， 從本發明揭露之製程、機台、製作、物質的成分、裝置 的構成、方法或步驟，及目前存在或之後發展的任何技 術，以完成或達到與本發明揭露之具體實施例大體上相 同的功能或結果。據此，後附申請專利範圍應包括製程、 機台、製作、物質成份、裝置的構成、方法或步驟的範 圍。

0503-A32321 TWF/yungchieh 17 【圖式簡單說明】 其』下^中配合圖式及詳細說明以更加了解本發明及

例之；f1;::7:9圖顯示在金屬氧化半導體元件具體實 u〈甲間步驟的剖面圖； M

顯示根據本發明之實施例與通常技藝之氧化 子層沈積週期的關係圖；以及 第10圖顯示隨著反轉電 率的關係®，1中反心〜的仙㈣子之有效遷移 砰夕、丄八何係直接相稱於金屬氧化丰導 肢之通迢區域_的電場。 半¥ 【主要元件符號說明 2〜基底； 6〜高介電常數的介電層； 11，13〜曲線； 12〜源極/沒極區域；

4〜底部氧化層； 8〜閘電極層； 10〜閘極間隙壁； 14〜矽化區域； 18〜層間介電層； 16〜接觸孔钱刻停止層； 30,32,40,42〜曲線。 0503-Α32321 TWF/yungchieh

Claims (1)

1345272 99年12月24曰修正替換頁 第96〗00506號申請專利範圍修正本 十、申請專利範圍： 1. 一種半導體結構的形成方法，包括 提供一半導體基底； 對該半導體基底進行一含氫氣退火步驟； 於該含氫氣退火步驟之後，形成 ’ 半導體基底的上方；以及 軋化層於戎 形成一高介㈣數的介電層於該底部氧化層上； 其中在進行含氫氣退火步驟之前，_ 酸的清洗步驟。 進仃一稀釋氫氟 2. 如申請專利·第丨項所述 方法，Φ肜士 —产如" 守篮、、、吉構的形成 η、中形成该底部氧化層的步驟包含浸泡該半導體 基底於一具有去離子水及臭氧的溶液中。 專利範圍第2項所述之半導體結構的形成 方法，，、中該溶液的臭氧濃度係介於百萬分 分之10。 1主百禺 方法專利_第】項所述之半導體結構的形成 圖案化該高介電常數的介電層及該底部氧化声 形成一閘極介電層； θ 形-戒一閘電極於該閘極介電層的上方；以及 形成一源極/汲極區域，其鄰接於該閘極介電層。 、5’如t請專·圍第i項所述之半導體結構的形成 方法’其中形成該高介電常數之介電層的製程 於約500°c。 &你低 0503-A32321T WF ] /hsuhuche 19 1345272 99年12月24日修正 第96100506號申請專利範圍修正本 "丁 /；(之4日修正 方法，= = ^ 洗的步驟。 mu#驟之前，進行標準清 方法之半導體結構的形成 _t至心：火步驟的製程溫度介於约 8.如申請專利範圍第】項所 方法，其中進行竽合气夯、p 構的形成 托耳至⑽火步物㈣力介於約！ 方法請專鄉㈣1項所叙半導體結構的形成 ，、+進仃该含氫氣退火步驟的製程時間介於 分鐘至5分鐘之間。 於、、勺1 爪如申請專利範圍第！項所述之半導體結構的 其中該高介電f數的介電層係❹原子層沈積法 、11·如申請專利範圍第！項所述之半導體結構的妒 方法’其中该底部氧化層為一純石夕氧化物（s 氧基官能團㈤，functlonal gr◦叩）。 3末^風 、12.如申請專利範圍第1項所述之半導體結構的形成 方法，其中於進行含氫氣.退火步驟之後，在該半導體基 底的表面上大體上並未形成原生氧化層。 _ 13.—種半導體結構的形成方法，包括： 提供一含矽基底； 形成一閘極介電層，其包括： 〇5〇3-A32321TWF]/hsuhuch! 20 Γ345272 99年12月24日修正替換頁 第96】〇〇5〇6號申請專利範圍修正本 在高溫下，對該含石夕基底進行—氳氣退 在進行該氫氣退火步驟之後，使用 以及 魏層於該含矽基底上； 於一低於約500°C的製程溫度下〈—一 的介電層於該底部氧化層上； '—向介電常數 形成=:氧化層及該高介電常數的介電層，以 形成一閘電極於該介電層的上方.以及 介電=一源極/汲極區域，其鄰接於該閉電極舆該間極 進行一稀釋氫 其中在進行該含氳氣退火步驟之前 氟酸的清洗步驟。 14. 如申請專利範圍第13項所 成方法’其中介於進行該氣氣退火步驟與 化層的步驟之間，暴露該切基躲—無氧的環境底心 15. 如申請專利範圍第丨 成方法，其中在形成淺以^么¥體、.、°構的形 步驟。 隹肜成灰溝-隔離之後，進行該氫氧退火 16專·圍第13項所述之半導體結構的形 = ΐο，。 的臭氧濃度介於百萬分之1至百萬 、=·如申請專利範圍第13項所述之半導體結構㈣ 成方/其中該氫氣返火步驟的製程溫度係高於⑽代， 0503^A32321TWFl/hsuhuche 2.1 第9⑽0506號申請專利範圍修正本 99年12月24曰修正替換頁 且其製裎壓力介於1托耳至1〇〇托耳之間^ 〜·. 、〗8.如申請專利範圍第13項所述之半導體結構的形 成方法，其中該底部氧化層為一純矽氧化物（Si〇)含 氫氧基官能團(.，—叩)。 ^ . 19. 如申請專利範圍第13項所述之半導體結構的形 成方法，其中該底部氣化層的厚度小於7埃。 20. 如申請專利範圍第13項所述之半導體結構的形 成方法’其中該高介電常數之介電層的厚度小於2〇埃。 0503-A32321TWF1 /hsuhuche 22