[发明专利]半导体装置及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体装置及其制造方法，特别涉及MOSFET装置中的栅极堆叠结构及其制造方法。

背景技术

Ono等人发现稀土(rare earth，RE)元素(Ono et al.，Appl.Phys.Lett.，78，1832，2001)，例如镧(lanthanum)，当与二氧化硅(SiO₂)接触，且在含有氧的环境下被加热至足够的高温时，会反应形成硅酸盐(silicate)。

形成硅酸盐的程度会随着元素的性质不同而有变化。因此，硅酸盐的形成可能有不同的结果。

Lichtenwahlner等人发现(Lichtenwahlner et al.，J.Appl.Phys.，98，024314，2005)，消耗介于稀土元素与氧化硅之间的界面会造成等效栅极氧化层厚度(Equivalent Oxide Thickness，EOT)变薄。

L.Pantisano发现等人(L.Pantisano et al.，Appl，Phys.Lett.，89，113505，2006)，当稀土元素被整合至栅极堆叠结构中作为单层厚度的覆盖层(caplayer)时，临界电压会偏移至较小的值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体装置的制造方法，以克服现有技术在等效栅极氧化层厚度变薄及有效功函数偏移方面的缺陷。

本发明提供一种半导体装置的制造方法，包括下列步骤：形成至少一介电层于半导体基板上，其中位于顶部的介电层为含硅的介电层；形成至少一稀土元素氧化层于该含硅的介电层上；形成至少一金属电极层于该稀土元素氧化层上；以及于形成该金属电极层于该稀土元素氧化层上后，进行退火工艺，以在该含硅的介电层及该稀土元素氧化层之间至少部分区域形成稀土硅酸盐层，其中在形成该金属电极层于该稀土元素氧化层上之前并没进行退火工艺。

如上所述的半导体装置的制造方法，其中该退火工艺的温度介于600℃至1200℃。

如上所述的半导体装置的制造方法，其中该稀土元素氧化层/(该稀土元素氧化层+该含硅的介电层)厚度比介于0.1至0.4。

如上所述的半导体装置的制造方法，其中该稀土元素氧化层包含镧、钇、镨、钕、钐、铕、钆、镝、铒、镱或其组合的氧化物。

如上所述的半导体装置的制造方法，其中该金属电极层包含钨、钽、钛、钌、铂、钼、氮化钛、氮化钽或其组合。

如上所述的半导体装置的制造方法，其中该半导体基板包含锗、锗化硅、砷化镓及/或磷化铟。

另外，本发明提供一种半导体装置，包括：半导体基板；至少一介电层，位于该半导体基板上，其中位于顶部的该介电层为含硅的介电层；稀土硅酸盐层，位于该含硅的介电层上；稀土元素氧化层，位于该稀土硅酸盐层上；以及金属电极层，位于该稀土元素氧化层上。

如上所述的半导体装置，还包含未反应的该稀土元素氧化层，位于该稀土硅酸盐层上。

如上所述的半导体装置，还包含多晶硅层，位于该金属电极层上。

如上所述的半导体装置，其中该含硅的介电层包含二氧化硅、氮氧化硅、硅酸铪或氮氧化铪硅。

如上所述的半导体装置，其中该稀土元素氧化层包含镧、钇、镨、钕、钐、铕、钆、镝、铒、镱或其组合的氧化物。

如上所述的半导体装置，其中该金属电极层包含钨、钽、钛、钌、铂、钼、氮化钛、氮化钽或其组合

如上所述的半导体装置，其中该半导体基板包含锗、锗化硅、砷化镓及/或磷化铟。

综上所述，本发明在等效栅极氧化层厚度变薄及有效功函数偏移方面的结果可得到优异的成效。

附图说明

图1a显示刚沉积的介电层在不同温度下进行退火工艺时其物理厚度的变化情形。

图1b显示在自约600℃至1000℃的不同温度下，对以原子层沉积法所刚沉积的氧化镧层进行退火工艺后，氧化镧层的厚度变化情形。

图2显示镝钪氧(DyScO_x)层在氧气环境(图中实心圆形标示体●)或氮气环境(图中实心三角形标示体▲)下进行热退火工艺的标准化增加厚度的关系。

图3a及图3b显示厚度约为10nm的DyScO_x层于不同条件(温度或时间)下进行热处理后的标准化增加厚度的关系。

图4显示具有不同厚度的DyScO_x层于温度约1000℃的环境下进行退火工艺固定时间后，其标准化增加厚度(图中实心圆形标示体●)与绝对增加厚度(图中实心三角形标示体▲)的关系。