[发明专利]形成用于n-FET应用的HfSiN金属的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体器件及其制造方法。更具体地说，本发明涉及一种互补金属氧化物半导体(CMOS)器件，其在高介电常数k/界面层叠层上包括热稳定n型金属。本发明还提供一种形成可用CMOS工艺流程集成的热稳定n型金属的方法。 

背景技术

在标准CMOS器件中，典型地多晶硅是标准的栅极材料。制造使用多晶硅栅极的CMOS器件的技术已处于发展的稳定状态，现在已广泛地用于半导体工业中。使用多晶硅栅极的一个优点在于它们可承受高温。然而，也存在与使用多晶硅栅极相关联的一些问题。例如，由于多晶耗尽(poly-depletion)效应和相对高的薄层电阻(约为150欧姆/Sq.)，普遍用于CMOS器件中的多晶Si栅极正成为对于0.1微米及以下的沟道长度的芯片性能中的门槛因素(gating factor)。多晶Si栅极的另一个问题在于多晶Si栅极中的掺杂剂例如硼可容易地扩散穿过薄栅极介质，导致器件性能的进一步劣化。 

为了避免多晶Si栅极的这些问题，已提出了用单一金属替代多晶Si栅极。使用高k介质的CMOS技术需要具有不同功函数的金属，一种用于pFET，一种用于nFET。金属/高k介质叠层也必须经受源极/漏极自对准注入激活所需的高温(约1000℃的量级)退火。在该高温退火期间发生栅极叠层反应，限制了材料的选择。例如，在包括W和高k介质的栅极叠层中，在界面处发生SiO₂再生长，限制了反转层的可量测性。参见例如A.Callegari，et al.IEDM 2004，p.825，S.Francisco Ca.，Dec.13-15，2004。 

金属化合物可以更稳定，但仍具有目标在于合适的功函数的问题。例如，已提议将TaSiN作为nFET候选者，但仍存在一些关于其功函数的问题，并且在nFET器件中观察到迁移率降低。此外，使用TaSiN看起来有点限制了反转厚度的可量测性。 

鉴于以上情况，需要提供一种新的在包括高k介质的栅极叠层上热稳定的化合物金属。具体地说，需要提供一种新的可用于nFET器件中的化合物金属。 

发明内容

本发明提供一种新的包括HfSiN的化合物金属，所述HfSiN为具有约3.7至约4.5eV，优选约4.0eV的功函数的n型金属，在包括高k介质和界面层的栅极叠层上热稳定。此外，在高温(约1000℃的量级)下退火HfSiN/高k介质/界面层的叠层之后，存在对界面层的还原，由此栅极叠层产生非常小的等效氧化物厚度(典型的 )，这是使用TaSiN所不能获得的。 

宽泛地说，本发明提供一种半导体结构即膜叠层，其包括： 

半导体衬底； 

位于所述半导体衬底上的界面层； 

位于所述界面层上的高k介质；以及 

位于所述高k介质上的HfSiN栅极金属。 

另外，本发明提供一种半导体结构，包括： 

半导体衬底，以及 

构图的栅极区，至少包括位于所述衬底的一部分上的界面层、位于所述界面层上的高k介质，以及位于所述高栅极介质上的HfSiN金属。 

除了上述膜叠层和半导体结构外，本发明还提供一种制造HfSiN金属化合物的方法，包括以下步骤： 

提供Hf靶和包括Ar/N₂/Si源的气氛，所述Si源用He稀释；以及 

在所述气氛中从所述Hf靶溅射HfSiN膜。 

根据本发明，用限制Si源活性的He稀释的Si源改善了膜的质量。 HfSiN膜的电阻率可以依赖于工艺气体的浓度而变化。典型地，氮气和/或Si浓度越高，电阻率越高。 

本发明还提供一种制造上述半导体结构的方法，其中采用本发明的形成HfSiN膜的方法。概括地说，通过以下步骤形成所述半导体结构：首先在衬底的表面上设置包括高k介质和界面层的叠层；此后利用上述工艺步骤即通过提供Hf靶和包括Ar/N₂/用He稀释的Si源的气氛以及在所述气氛中从所述Hf靶溅射HfSiN膜，在所述叠层上形成HfSiN膜。 

在本发明的一些实施例中，可以仅仅使用HfSiN金属栅极作为栅电极，或者结合含Si的栅电极，该含Si的栅电极在其上表面上包括硅化物接触。在此将后一结构称为含有双多晶Si/HfSiN的FET。