專(zhuān)利名稱(chēng)：利用超薄氧擴(kuò)散阻擋層防止晶體管中的橫向氧化的聯(lián)合方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及利用超薄氧擴(kuò)散阻擋層防止晶體管中的橫向氧化。
背景技術(shù)：
通常，在半導(dǎo)體工藝中，晶體管器件包括柵極(gate)，其特征是一個(gè)柵電介質(zhì)(gate dielectric)覆蓋在襯底上，并且有一個(gè)柵電極(gateelectrode)覆蓋在該柵電介質(zhì)上。該柵電極是導(dǎo)電材料，如摻雜多晶硅或者金屬。該柵電介質(zhì)傳統(tǒng)上是低k介電材料，如二氧化硅(SiO2)。
然而，由于對(duì)更小的晶體管器件的巨大需求，低k電介質(zhì)不得不變得越來(lái)越薄。然而，到了某一厚度，低k柵電介質(zhì)開(kāi)始喪失它的絕緣性質(zhì)。因此，一種更常規(guī)的做法是用高k電介質(zhì)取代低k電介質(zhì)。與低k電介質(zhì)相比，高k電介質(zhì)可以在更小的厚度提供較高的絕緣性。遺憾地是，高k電介質(zhì)也不是沒(méi)有它們的問(wèn)題。例如，高k電介質(zhì)對(duì)氧擴(kuò)散高度可滲。圖1圖示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，在晶體管柵極結(jié)構(gòu)100中穿過(guò)高k柵電介質(zhì)102的氧擴(kuò)散的潛在影響。參照?qǐng)D1，高k柵電介質(zhì)102覆蓋在硅襯底101上。在高k柵電介質(zhì)102之上形成柵電極104，柵電極104也被認(rèn)為是一個(gè)柵極終端，由導(dǎo)電材料制成，如摻雜多晶硅。隨后，要么作為工藝的一部分要么作為環(huán)境氧無(wú)意地引入，氧106可以由諸如光刻，退火，和隔離物(spacer)沉積等工藝引入，氧橫向(水平地)擴(kuò)散到高k柵電介質(zhì)102，并且氧化下面的硅襯底101和上面的多晶硅柵電極104的多個(gè)部分，形成不合需要的SiO2沉積物108。
這些SiO2沉積物108是非常不合需要的，因?yàn)樗鼈冿@著地增加?xùn)烹娊橘|(zhì)102的厚度，而減少柵電極104的厚度。并且，SiO2沉積物108減少柵電介質(zhì)102的凈介電常數(shù)，提高電路的電容。結(jié)果，利用高k柵電介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)就喪失了。此外，SiO2沉積物108是不合需要的，因?yàn)樗鼈兦终脊枰r底101中溝道所要存在的區(qū)域，從而對(duì)將由該柵極結(jié)構(gòu)100形成的晶體管的性能產(chǎn)生不利的影響。


本發(fā)明通過(guò)舉例的方式被說(shuō)明，并且不應(yīng)該被附圖中的圖形所限制，附圖中同樣的標(biāo)號(hào)指示類(lèi)似的元件，其中圖1圖示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，在晶體管柵極結(jié)構(gòu)中穿過(guò)高k柵電介質(zhì)的氧擴(kuò)散的潛在影響。
圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具有氧擴(kuò)散薄阻擋層的晶體管。
圖3A-3M圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的形成晶體管的方法，該晶體管具有氧擴(kuò)散薄阻擋層，用于防止橫向氧擴(kuò)散穿過(guò)氧可滲的柵電介質(zhì)。
具體實(shí)施例方式
這里描述了一種用于防止晶體管中的橫向氧化的方法和裝置。在下面的描述中，闡明了許多具體的細(xì)節(jié)。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，這些具體的細(xì)節(jié)對(duì)于實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施例不是必需的。雖然某些示例性實(shí)施例已經(jīng)在附圖中描述和示出，但是可以理解的是，這些實(shí)施例對(duì)本發(fā)明只是說(shuō)明性的而非限制性的，因?yàn)楸绢I(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以對(duì)所示出和描述的具體結(jié)構(gòu)和裝置進(jìn)行修改，所以本發(fā)明并不被限制在這些具體結(jié)構(gòu)和裝置中。為了防止不必要地淡化本發(fā)明的主題，在其它的例子中，公知的半導(dǎo)體制造工藝，技術(shù)，材料，設(shè)備等并沒(méi)有被闡明具體的細(xì)節(jié)。
根據(jù)這里描述的本發(fā)明的實(shí)施例，描述了一種在晶體管的側(cè)面形成抗氧擴(kuò)散阻擋層的方法和裝置。抗氧擴(kuò)散阻擋層防止氧橫向擴(kuò)散到對(duì)氧擴(kuò)散具有很低抵抗力、或者換言之對(duì)氧擴(kuò)散具有高滲透性的柵電介質(zhì)的側(cè)壁中。通過(guò)防止氧的橫向擴(kuò)散，保護(hù)下面的襯底或上面的柵電極以避免不合需要的氧化。這種應(yīng)用對(duì)于高k柵電介質(zhì)是特別有利的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)高k柵電介質(zhì)對(duì)氧擴(kuò)散是高滲透性的。從而，抗氧擴(kuò)散阻擋層的優(yōu)點(diǎn)就是晶體管可以具有很薄的柵電介質(zhì)，而又不遭受高k柵電介質(zhì)常常發(fā)生的橫向氧化。結(jié)果，在沒(méi)有性能或可靠性損失的條件下，可以形成更小的集成電路。
圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的具有氧擴(kuò)散薄阻擋層206的晶體管200。參照?qǐng)D2，晶體管200在硅襯底201上形成。在襯底201的表面上形成諸如對(duì)氧擴(kuò)散高可滲的高k電介質(zhì)的氧可滲柵電介質(zhì)202，并且依次在該氧可滲柵電介質(zhì)202上形成柵電極204。在柵電極204的側(cè)壁上以及在氧可滲柵電介質(zhì)202的側(cè)壁上形成氧擴(kuò)散薄阻擋層206。晶體管200還包括鄰近氧擴(kuò)散阻擋層206的外緣而形成的一對(duì)厚側(cè)壁隔離物208。晶體管200包括一對(duì)源/漏區(qū)210，每個(gè)源/漏區(qū)包括一對(duì)端區(qū)(tip)或者源/漏延伸區(qū)(source/drain extension)211以及一個(gè)深結(jié)源/漏接觸區(qū)(deepjunction source/drain contact region)212。
仍參照?qǐng)D2，氧擴(kuò)散薄阻擋層206由對(duì)氧擴(kuò)散有高抵抗性的材料制成。通常，在晶體管的處理過(guò)程中，可能會(huì)執(zhí)行某些附帶地將氧可滲柵電介質(zhì)202暴露給氧的工藝，這通常發(fā)生在氧化工藝過(guò)程或包含環(huán)境氧的其它工藝過(guò)程中。氧會(huì)很容易地穿過(guò)氧可滲柵電介質(zhì)202，并且氧化下面的襯底201或者上面的柵電極204。這種氧化會(huì)形成不合需要的二氧化硅沉積物，這將對(duì)晶體管的性能產(chǎn)生不利的影響，甚至可以使該晶體管無(wú)法工作。然而，氧擴(kuò)散薄阻擋層206覆蓋并封閉氧可滲柵電介質(zhì)206的側(cè)壁，進(jìn)而防止氧橫向擴(kuò)散進(jìn)入氧可滲柵電介質(zhì)206。
圖3A-3M圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的形成晶體管的一種方法，該晶體管具有氧擴(kuò)散薄阻擋層以防止穿過(guò)氧可滲柵電介質(zhì)的氧的橫向擴(kuò)散。參照?qǐng)D3A，多個(gè)場(chǎng)隔離區(qū)(field isolation region)302在襯底300中被形成。術(shù)語(yǔ)“襯底”包括諸如單晶硅的半導(dǎo)體晶片以及具有一個(gè)或者多個(gè)絕緣的、半絕緣的、導(dǎo)電的或半導(dǎo)電的層和材料的結(jié)構(gòu)。因此，例如該術(shù)語(yǔ)包括絕緣體上硅(silicon-on-insulator，SOI)、藍(lán)寶石上硅(silicon-on-sapphire)和其它的高級(jí)結(jié)構(gòu)。隔離區(qū)302可以是通過(guò)在襯底300中刻蝕出溝槽，然后用沉積的氧化物、氮化物或其它介電材料填充該溝槽而形成的淺溝槽隔離(shallow trench isolation，STI)區(qū)或者深溝槽隔離(deep trench isolation)區(qū)。場(chǎng)隔離區(qū)302也可以利用其它方法形成，如LOCOS，凹式LOCOS，或者絕緣體上硅(SOI)的方法。
多個(gè)隔離區(qū)302將一種導(dǎo)電類(lèi)型的阱(well)303與其它導(dǎo)電類(lèi)型的阱301隔離。例如，阱303可以是p型導(dǎo)電區(qū)域，而阱301可以是n型導(dǎo)電區(qū)域，或者二者相反。為了制造具有濃度為7.0×1017/cm3的p阱，可以通過(guò)對(duì)襯底300以3.0×1013/cm2的劑量和230keV的能量進(jìn)行硼原子的第一次注入，隨后以4.2×1013/cm2的劑量和50keV的能量進(jìn)行硼離子的第二次注入，形成p型導(dǎo)電的阱。為了制造具有n型濃度約為7.0×1017/cm3的n阱，可以通過(guò)對(duì)具有濃度為1×1016/cm3的硅襯底以4×1013/cm2的劑量和475keV的能量進(jìn)行磷原子的第一次注入，以2.5×1012/cm2的劑量和60keV的能量進(jìn)行磷原子的第二次注入，以及以1.0×1013/cm2的劑量和180keV的能量進(jìn)行砷原子的最后注入，形成n型導(dǎo)電的阱。可以理解的是，p型導(dǎo)電區(qū)和n型導(dǎo)電區(qū)可以由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的其它方法形成。
如圖3B所示，該方法可以繼續(xù)在襯底300上和隔離區(qū)302上覆層沉積(blanket deposit)電絕緣(“電介質(zhì)”)層304，電介質(zhì)層304對(duì)氧的擴(kuò)散是高可滲透的，或者換言之，為氧可滲介電層304。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，氧可滲電介質(zhì)層304是高k介電材料，并且可以被沉積到2到50的厚度。用于覆層沉積一層高k介電材料的常規(guī)技術(shù)包括濺射沉積或者蒸發(fā)技術(shù)。
術(shù)語(yǔ)“高k”是一個(gè)相對(duì)的術(shù)語(yǔ)，指一種具有介電常數(shù)(k)基本高于二氧化硅(SiO2)，或者換言之，基本高于k＝3.9的材料。在集成器件的形成過(guò)程中使用的示例性高k材料包括金屬氧化物(Al2O3、ZrO2、HfO2、TiO2、Y2O3、La2O3等)、鐵電體(PZT、BST等)、無(wú)定形金屬硅酸鹽(Hf、Zr)、無(wú)定形硅酸氧化物(HfO2、ZrO2)以及順電體(paraelectrics)(BaxSr1-xTiO3、PbZrxTi1-xO3)。
由于相對(duì)于高k材料的物理厚度而言它的電絕緣性很有效，所以高k電介質(zhì)在晶體管的形成中很有用。這種高絕緣性允許高k介電材料可以被沉積得很薄，而仍具有很好的有效電“厚度”——在很多情況下，遠(yuǎn)大于與它物理厚度相同的SiO2的有效電厚度。
盡管在晶體管的形成中利用高k電介質(zhì)有很多優(yōu)點(diǎn)，然而，許多種類(lèi)的高k電介質(zhì)都有令人遺憾的缺點(diǎn)，它們對(duì)氧擴(kuò)散是高可滲的，或者換言之，氧分子(或者氧化合物分子)可以很容易地通過(guò)高k介電材料中的孔隙。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，氧可滲電介質(zhì)層304可以同義地稱(chēng)為高k電介質(zhì)。然而，本發(fā)明的其它實(shí)施例可以利用其它的不一定是高k材料的介電材料，但是它們?nèi)詫?duì)氧擴(kuò)散高度可滲。
如圖3C所示，該方法可以繼續(xù)在氧可滲電介質(zhì)層304上覆層沉積導(dǎo)電材料306，達(dá)到技術(shù)要求的厚度。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)電材料306是多晶體硅或多晶硅，并且被沉積到大約600到2000之間的厚度，優(yōu)選為1600。傳統(tǒng)的多晶硅覆層沉積工藝在本領(lǐng)域是公知的，包括化學(xué)氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)。這些沉積工藝通常在600到650℃的溫度范圍內(nèi)發(fā)生，然而，這些沉積工藝也可以發(fā)生在更高的溫度。硅烷或者含有100％的666N2或H2的氣體流可以被用在多晶硅沉積工藝中。在圖案化之前或之后，可以對(duì)導(dǎo)電層306進(jìn)行離子注入，以得到期望的導(dǎo)電類(lèi)型和級(jí)別。在本發(fā)明其它的實(shí)施例中，其它的材料可以結(jié)合或者取代多晶硅而被利用，如金屬，金屬合金，和金屬氧化物，單晶硅，非晶硅，硅化物，或在本領(lǐng)域中的其它公知材料，以用于形成柵電極。
如圖3D-3E所示，該方法可以繼續(xù)在導(dǎo)電層306上形成硬掩模312?？梢允褂脦追N公知的方法以在導(dǎo)電層306上形成硬掩模。在圖3D示出的本發(fā)明的實(shí)施例中，可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積(CVD)的方法在導(dǎo)電層306上沉積諸如氮化物層的硬掩模層308而形成硬掩模312。然后可以進(jìn)行通常的光刻工藝，包括公知的掩模、曝光以及光刻膠層顯影的步驟，以形成光刻膠掩模310，如圖3D中所示。然后，如圖3E中所示，通過(guò)使用光刻膠掩模310來(lái)對(duì)準(zhǔn)刻蝕，將掩模層308刻蝕到導(dǎo)電層306的頂部，從而光刻膠掩模310的圖案被轉(zhuǎn)移到掩模層308，這樣在導(dǎo)電層306上產(chǎn)生硬掩模312。
如圖3F所示，該方法繼續(xù)去除光刻膠掩模310，并且通過(guò)使用硬掩模312來(lái)對(duì)準(zhǔn)下面將要進(jìn)行的刻蝕，進(jìn)一步向下刻蝕導(dǎo)電層306直到氧可滲電介質(zhì)層304的頂部，從而在硬掩模312的下方制備了導(dǎo)電結(jié)構(gòu)318，它也被稱(chēng)為柵電極或者柵終端。刻蝕劑316應(yīng)當(dāng)刻蝕導(dǎo)電層306，而不刻蝕硬掩模312或者氧可滲電介質(zhì)層304。為防止橫向刻蝕柵電極318的側(cè)壁，使用氯基化學(xué)試劑的干法刻蝕是優(yōu)選的。然后可以應(yīng)用熱磷刻蝕來(lái)除去硬掩模312。
接著，如圖3G中所示，該方法可以繼續(xù)刻蝕氧可滲電介質(zhì)層304直到襯底300的頂部和隔離區(qū)302的頂部。該刻蝕化學(xué)法應(yīng)該是這樣的化學(xué)法，它刻蝕掉了氧可滲電介質(zhì)層304，但既不刻蝕襯底300和柵電極318，也不刻蝕隔離區(qū)302?？涛g使得氧可滲電介質(zhì)層304的一部分319正好留在柵電極318的下方。電介質(zhì)層304的這個(gè)部分319也被稱(chēng)為柵電介質(zhì)，并且與氧可滲電介質(zhì)層304的材料相同。在柵電極318下方的氧可滲電介質(zhì)層的部分319這里將被稱(chēng)為“柵電介質(zhì)”或者“氧可滲柵電介質(zhì)”。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，如上面的詳細(xì)描述，氧可滲柵電介質(zhì)319包括高k介電材料。柵電極318用來(lái)對(duì)準(zhǔn)刻蝕，使得氧可滲柵電介質(zhì)319的側(cè)壁與柵電極318的側(cè)壁垂直對(duì)齊。為使刻蝕襯底的風(fēng)險(xiǎn)最小化，與干法刻蝕相比，這里優(yōu)選的是濕法刻蝕。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)示例性的刻蝕化學(xué)法可以包括50∶1的HF刻蝕，用其刻蝕40秒或者直到氧可滲電介質(zhì)層304被完全從隔離區(qū)302的表面和襯底300的表面除去為止，只保留柵電極318正下方的部分。因?yàn)檠蹩蓾B柵電介質(zhì)319的高可擴(kuò)散性，所以對(duì)氧可滲電介質(zhì)層304的刻蝕應(yīng)該注意不要引入氧，而不管其是否直接作為該工藝的一部分，因?yàn)檠蹩蓾B柵電介質(zhì)319將被暴露，并且氧將橫向擴(kuò)散到氧可滲柵電介質(zhì)319。
柵電極318和氧可滲柵電介質(zhì)319一起定義了復(fù)合結(jié)構(gòu)324，復(fù)合結(jié)構(gòu)324有時(shí)被稱(chēng)為諸如晶體管的集成器件的柵極結(jié)構(gòu)或者柵極。如圖3G所示，柵極結(jié)構(gòu)324的側(cè)壁開(kāi)始于柵電極319的頂緣320，并且向下沿著柵電極318和氧可滲柵電介質(zhì)319兩者的側(cè)壁的整個(gè)長(zhǎng)度而延伸。
接著，如圖3H所示，抗氧薄層326被覆層沉積在柵極結(jié)構(gòu)324的頂部和沿柵極結(jié)構(gòu)324的側(cè)面的整個(gè)長(zhǎng)度上，包括柵電極318側(cè)壁和柵電介質(zhì)319側(cè)壁的整個(gè)長(zhǎng)度上(相接觸)。同時(shí)，抗氧薄層326被沉積在襯底300或隔離區(qū)302的任何暴露部分的頂部之上?？寡鯇?26是這樣的材料，它應(yīng)該能抵抗氧的擴(kuò)散，并且還不含有可能界面擴(kuò)散到與其相接觸的氧可滲柵電介質(zhì)319的氧分子。換言之，該抗氧層326是高度抗氧擴(kuò)散的，并且其中沒(méi)有可擴(kuò)散氧。一種用于抗氧層326的示例性材料是氮化物，如氮化硅，氮化硼，氮化鎂等，通過(guò)任何公知的沉積氮化物薄膜的工藝而形成。示例性覆層沉積工藝包括二叔丁基氨基硅烷(Bistertiarybutylaminosilane，BTBAS)工藝，原子層沉積(ALD)工藝，或者熱壁(hotwall)工藝(氨+硅烷)。
正像在上述的氧可滲電介質(zhì)層304的刻蝕期間那樣，在抗氧薄層326的形成期間應(yīng)該注意的是，當(dāng)氧可滲柵電介質(zhì)319可能被暴露時(shí)，包括在氧可滲電介質(zhì)層304的圖案化期間以及在抗氧薄層326的形成過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)防止氧被引入到工藝中。通過(guò)在基本無(wú)氧的環(huán)境中，例如真空中，執(zhí)行本方法，可以基本上限制氧暴露。然而，即使盡最大的努力，仍然可能在工藝中引入極微量的環(huán)境氧，并且可能橫向擴(kuò)散到氧可滲電介質(zhì)層304。因此，沉積抗氧薄層326的方法需要進(jìn)一步被優(yōu)化以避免橫向氧化，或者換言之，以避免由氧的橫向擴(kuò)散而氧化氧可滲柵電介質(zhì)319下面的襯底300的區(qū)域327。例如，用于沉積抗氧層326的低溫方法可以是有益的，因?yàn)橐r底300的氧化不易在低溫(例如，低于約650℃)下發(fā)生。如果偶爾有小部分氧不知何故而被引入，低溫甚至也能減少襯底300的部分327微量氧化的機(jī)會(huì)。與諸如熱壁工藝的其它一些方法相比，BTBAS工藝是有益的，因?yàn)樗梢栽诩s550℃-650℃之間的低溫下進(jìn)行，而熱壁工藝通常在大約800℃的溫度下進(jìn)行。因此，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，BTBAS工藝可以被用來(lái)沉積抗氧層326。
一個(gè)示例性的BTBAS工藝是一種CVD工藝，該工藝可以包括至少加熱襯底300的表面、氧可滲柵電介質(zhì)319的側(cè)面、以及柵電極318的側(cè)面和頂部到大約500℃到650℃之間的溫度，優(yōu)選為600℃。然后，在大約600托的氣壓下，同時(shí)流動(dòng)大約每秒2,000標(biāo)準(zhǔn)立方厘米(sccm)的分子氮(N2)、大約200sccm的氨(NH3)以及大約每分鐘800毫克(mgm)的BTBAS。N2、NH3和BTBAS相化合以大約每秒1的速率形成氮化硅。BTBAS工藝用抗氧層326密封柵電極318和柵電介質(zhì)319的側(cè)面。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，也可以方便地采用其它的沉積抗氧薄層326的低溫工藝。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到如果一些氧不知何故橫向擴(kuò)散到氧可滲柵電介質(zhì)319中，低溫工藝對(duì)限制區(qū)域327的氧化是有利的，但是如果沒(méi)有氧橫向擴(kuò)散到氧可滲柵電介質(zhì)319中，高溫方法也可以被用于沉積抗氧層326。此外，如果只有微量的氧橫向擴(kuò)散到氧可滲柵電介質(zhì)310中，高溫方法也可以被采用，因?yàn)槲⒘康难趸谝欢ǔ潭仁强梢越邮艿摹?br> 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，抗氧薄層326應(yīng)該沉積得足夠厚以作為氧的擴(kuò)散阻擋層，用于防止在后續(xù)的工藝中氧橫向擴(kuò)散到氧可滲柵電介質(zhì)319的側(cè)壁中。然而，抗氧薄層326又不應(yīng)該被沉積得很厚，以致于它將干擾隨后的端區(qū)注入(tip-implant)的形成，這在下面將詳細(xì)描述。因此，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，抗氧薄層326被沉積到大約2到300之間的厚度。
接著，如圖3I所示，抗氧薄層326使用基本垂直或各向異性刻蝕技術(shù)來(lái)進(jìn)行刻蝕。各向異性刻蝕技術(shù)使用一種化學(xué)刻蝕方法，使得雖然可能發(fā)生少量的水平(各向同性)刻蝕，但它主要在垂直(各向異性)方向刻蝕。一種用于刻蝕的示例性的化學(xué)法可以是利用四氟化碳(CF4)化學(xué)試劑的標(biāo)準(zhǔn)氮化物刻蝕(例如，等離子體發(fā)生器中的CF4H2或者CF4+O2)。各向異性刻蝕從柵電極318的頂部、隔離區(qū)302的頂部表面和襯底300的大部分頂部表面處去除抗氧薄層326，而不立即去除柵極結(jié)構(gòu)324的兩個(gè)側(cè)面的抗氧薄層326。從而，各向異性刻蝕留下沿柵電極318和氧可滲柵電介質(zhì)319兩者側(cè)壁的整個(gè)長(zhǎng)度的抗氧層326的一部分330。
部分330可以被稱(chēng)為“抗氧薄隔離物”，因?yàn)樗谕庥^上類(lèi)似于通常在晶體管的制造期間形成的傳統(tǒng)的厚隔離物。然而，厚隔離物通常的功能是防止雜質(zhì)垂直摻入到襯底的某些區(qū)域，而留在側(cè)壁上的部分330的功能是防止氧橫向擴(kuò)散到氧可滲柵電介質(zhì)319中。此外，厚隔離物通常不必是抗氧的，可以含有界面擴(kuò)散氧，并且形成得更厚。從而，這里留在側(cè)壁上的部分330將被稱(chēng)為“氧擴(kuò)散薄阻擋層”(thin oxygen-diffusionbarrier)，因?yàn)樗囊粋€(gè)功能是作為氧擴(kuò)散的阻擋層。
氧擴(kuò)散薄阻擋層330覆蓋并且密封氧可滲柵電介質(zhì)319的側(cè)壁。如果不存在氧擴(kuò)散薄阻擋層330，在隨后的工藝中直接應(yīng)用的氧(O2、O3等)或存在于空氣中的環(huán)境氧會(huì)橫向穿過(guò)氧可滲柵電介質(zhì)310中的細(xì)密孔隙，而進(jìn)入氧可滲柵電介質(zhì)310下面的硅襯底300中，氧化溝道區(qū)327中的硅襯底，形成二氧化硅沉積物。該二氧化硅沉積物會(huì)通過(guò)干擾流經(jīng)溝道327的電流進(jìn)而影響集成器件的最終性能。同時(shí)，如果不是因?yàn)檠鯏U(kuò)散薄阻擋層330，氧會(huì)橫向擴(kuò)散到氧可滲柵電介質(zhì)319中，而進(jìn)入氧可滲柵電介質(zhì)319上面的接觸柵電極318中。如果柵電極318由可以被氧化的材料制成，如多晶硅，則二氧化硅沉積物也可以在柵電極318和柵電介質(zhì)319之間的界面處形成。因?yàn)槎趸枋请娊橘|(zhì)，所以在襯底300中或者在柵電極318中的二氧化硅沉積物的形成，會(huì)增加?xùn)烹娊橘|(zhì)319的物理厚度。此外，因?yàn)槎趸杈哂信c氧可滲柵電介質(zhì)319相比相對(duì)較低k的介電值，所以柵電介質(zhì)319的有效k值會(huì)顯著下降，從本質(zhì)上否定了使用高k介電材料的有益目的。
氧擴(kuò)散薄阻擋層330的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是接觸抗氧隔離物330的柵電極318的邊緣也被密封。氧擴(kuò)散薄阻擋層330對(duì)柵電極318的邊緣和氧可滲柵電介質(zhì)319的邊緣的密封有助于提高晶體管的熱電子壽命。
如圖3J所示，該方法繼續(xù)，在形成氧擴(kuò)散阻擋層之后，立即通過(guò)利用端區(qū)注入工藝形成端區(qū)340或淺源/漏延伸區(qū)。許多公知的技術(shù)可以被利用來(lái)在襯底300中形成端區(qū)340。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，襯底300用具有與阱303的導(dǎo)電性相反的導(dǎo)電性的離子進(jìn)行摻雜。例如，如果阱303具有p型導(dǎo)電性，則端區(qū)注入會(huì)包括注入諸如砷離子的n型導(dǎo)電離子到襯底300的頂部以形成傳統(tǒng)的N端區(qū)?？墒侨绻?03具有n型導(dǎo)電性，則端區(qū)注入會(huì)包括注入諸如硼離子的p型導(dǎo)電離子到襯底300的頂部以形成傳統(tǒng)的P端區(qū)。柵電極318保護(hù)柵電介質(zhì)319下面的襯底區(qū)域，避免注入離子。
在以下進(jìn)一步描述中，上述注入的劑量低于用來(lái)形成深源/漏結(jié)的劑量。例如，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，n型導(dǎo)電離子可以以約1×1015離子每平方厘米的劑量進(jìn)行沉積。此外，為確保端區(qū)340形成淺的深度，該注入能量應(yīng)該較低，例如10keV左右。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，離子正好以直角(90°)被注入而形成端區(qū)340，其中端區(qū)與氧擴(kuò)散阻擋層330的外緣對(duì)齊。然后可以進(jìn)行快速熱處理(rapid thermal process，RTP)退火，以將端區(qū)340驅(qū)進(jìn)到氧擴(kuò)散阻擋層340下方并將端區(qū)340部分地驅(qū)進(jìn)到氧可滲柵電介質(zhì)319下方。
然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，可以使用其它的技術(shù)以一個(gè)不是90°的角度注入淺端區(qū)340。有角度的離子注入可能需要稍高的注入能量，因?yàn)殡x子注入的角度可能需要所注入的離子穿過(guò)氧擴(kuò)散阻擋層340或者氧可滲柵電介質(zhì)319的較低部分，而到達(dá)氧擴(kuò)散阻擋層340或氧可滲柵電介質(zhì)319下面的襯底。
接著，如圖3K-3L所示，該方法可以繼續(xù)形成鄰近并接觸氧擴(kuò)散薄阻擋層330的外側(cè)壁的厚隔離物344。厚隔離物344可以由氮化硅組成，或者可以是氮化硅和二氧化硅的組合。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，厚隔離物344是通過(guò)快速熱氧化工藝形成的氧化物/氮化物/氧化物(ONO)復(fù)合物。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，厚隔離物344是氮化物/氧化物復(fù)合物。氮化物/氧化物隔離物可以通過(guò)在隔離區(qū)302、端區(qū)注入340、氧擴(kuò)散薄阻擋層330以及柵電極318之上覆層沉積約50-100的氧化物薄層341而形成，如圖3k所示。氧化物層341的覆層沉積可以包括任何公知的的CVD工藝，包括BTBAS工藝。這里保持在低溫下沉積是有益的，優(yōu)選的是在650℃，這樣熱能不會(huì)干擾注入端區(qū)340。接著，500-1800厚的氮化硅層342被沉積在氧化物層341上。氮化硅層可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的CVD沉積方法形成，包括BTBAS沉積技術(shù)。這里保持在低溫下沉積也是有益的。然后，對(duì)氮化硅層342和氧化物層341進(jìn)行各向異性刻蝕以形成厚隔離物344，如圖3L所示。厚隔離物344確保了隨后的深注入不干擾厚隔物344下面的端區(qū)340。從而，厚隔離物344應(yīng)該被形成為足夠厚且足夠?qū)?，以防止隨后深的、高劑量的離子注入(如以下在圖3M中描述的)淹沒(méi)厚隔離物344下方的淺端區(qū)340部分。
接著，如圖3M所示，襯底300經(jīng)受深的、高劑量的注入工藝以在阱區(qū)303中形成深結(jié)源/漏區(qū)348。該深注入包括與用于形成端區(qū)340的雜質(zhì)的導(dǎo)電類(lèi)型相同的注入離子。例如，如果阱303屬于p型導(dǎo)電性，則注入n型離子，反之，對(duì)于n型導(dǎo)電性阱，則注入p型離子。示例性的n型離子包括砷和磷，而示例性的p型離子包括硼。同時(shí)，如果導(dǎo)電柵電極318包括多晶硅，且如果該多晶硅之前沒(méi)有進(jìn)行摻雜，則深注入工藝可以被用于對(duì)在柵電極中的多晶硅進(jìn)行摻雜。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，深注入348被形成為在1×1019/cm3-5×1020/cm3之間的濃度和大約0.15-0.25微米的深度?？梢詧?zhí)行激活(activation)退火以激活端區(qū)340和深注入348。退火可以利用RTP在氮?dú)夥罩羞M(jìn)行，退火溫度在900℃-1200℃之間，優(yōu)選為1050℃，退火大約持續(xù)10-300秒，優(yōu)選為20秒。
這里已經(jīng)描述了本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到本發(fā)明并不限制在所描述的實(shí)施例中，而可以在所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)本發(fā)明的各種修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括在硅襯底上形成柵極結(jié)構(gòu)，所述柵極結(jié)構(gòu)包括在氧可滲柵電介質(zhì)上的導(dǎo)電柵電極，所述柵極結(jié)構(gòu)具有側(cè)壁；以及在所述柵極結(jié)構(gòu)的整個(gè)側(cè)壁長(zhǎng)度上形成氧擴(kuò)散薄阻擋層，所述氧擴(kuò)散薄阻擋層用于防止氧橫向擴(kuò)散到所述氧可滲柵電介質(zhì)中。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在形成所述氧擴(kuò)散薄阻擋層之后，立即在鄰近所述柵極結(jié)構(gòu)的所述硅襯底中形成淺源/漏延伸區(qū)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氧可滲電介質(zhì)層是高k介電材料。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述抗氧薄層被形成為大約2到300之間的厚度。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述抗氧薄層不含可擴(kuò)散氧。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述抗氧薄層是氮化物。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述抗氧薄層通過(guò)低溫工藝形成。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的抗氧薄層通過(guò)二叔丁基氨基硅烷工藝形成。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在基本無(wú)氧的環(huán)境中執(zhí)行所述方法。
10.一種方法，包括在襯底上沉積高k電介質(zhì)層，所述高k電介質(zhì)層對(duì)氧擴(kuò)散高度可滲；在所述高k電介質(zhì)層上沉積導(dǎo)電層；對(duì)所述導(dǎo)電層和所述高k介電層進(jìn)行圖案化以在所述襯底上形成柵極結(jié)構(gòu)，所述柵極結(jié)構(gòu)具有導(dǎo)電柵電極和高k柵電介質(zhì)，所述導(dǎo)電柵電極和所述高k柵電介質(zhì)具有垂直對(duì)準(zhǔn)的側(cè)壁；在所述柵極結(jié)構(gòu)之上以及在所述導(dǎo)電柵電極和所述高k柵電介質(zhì)的垂直對(duì)準(zhǔn)的側(cè)壁上覆層沉積一抗氧薄層，所述抗氧薄層沉積為大約2到300之間的厚度；以及各向異性刻蝕所述抗氧薄層以在所述柵電極和所述高k柵電介質(zhì)的垂直對(duì)準(zhǔn)的側(cè)壁上形成氧擴(kuò)散薄阻擋層。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述導(dǎo)電層包括多晶硅。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述抗氧薄絕緣層包括氮化物。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述抗氧薄層是利用低溫工藝沉積的。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述抗氧薄層是在溫度低于650℃下沉積的。
15.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述抗氧薄層中沒(méi)有可擴(kuò)散氧。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種防止橫向氧化穿過(guò)對(duì)氧擴(kuò)散高度可滲的諸如高k柵電介質(zhì)的柵電介質(zhì)的方法和裝置。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在襯底上形成柵極結(jié)構(gòu)，該柵極結(jié)構(gòu)具有氧可滲柵電介質(zhì)。然后在該柵極結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上形成氧擴(kuò)散阻擋層，以防止氧橫向擴(kuò)散到氧可滲柵電介質(zhì)中，這樣防止了對(duì)該柵電介質(zhì)下面的襯底或者對(duì)該柵電介質(zhì)上面的導(dǎo)電柵電極的氧化。
文檔編號(hào)H01L29/49GK1917150SQ200610154159
公開(kāi)日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2003年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月14日
發(fā)明者禮薩·阿爾加瓦尼, 帕特里夏·施特克利, 羅伯特·周 申請(qǐng)人:英特爾公司