本揭示是關(guān)于一種制造半導(dǎo)體裝置中的柵極結(jié)構(gòu)的方法，特別是關(guān)于利用氫等離子處理柵極結(jié)構(gòu)中覆蓋層的方法。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體工業(yè)已經(jīng)歷了指數(shù)式增長，并在追求更高裝置密度與效能以及更低成本上不斷進步。然而，典型半導(dǎo)體裝置因?qū)嶓w約束而面臨更高阻礙。因此，發(fā)展了眾多方式的制造制程以便按比例縮小半導(dǎo)體裝置。

典型半導(dǎo)體裝置包括堆疊組件，諸如主動特征，包括柵極層、柵極介電層及源極與漏極區(qū)域的擴散區(qū)域、覆蓋層、阻障層等。半導(dǎo)體裝置的制造集中在這些組件的尺寸與排列的按比例縮小上。舉例而言，縮短柵極長度或柵極堆疊之間的距離可在半導(dǎo)體裝置的制造中產(chǎn)生各種問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本揭示案的一些實施例，制造半導(dǎo)體裝置中的柵極結(jié)構(gòu)的方法包含：在一基板上方形成一柵極介電層；在柵極介電層上方形成一覆蓋層；利用一第一氫等離子處理覆蓋層以形成一第一經(jīng)處理覆蓋層；以及在第一經(jīng)處理覆蓋層上方形成一柵電極。

附圖說明

當結(jié)合隨附附圖閱讀時，自以下詳細描述很好地理解本揭示案的態(tài)樣。應(yīng)注意，根據(jù)工業(yè)中的標準實務(wù)，各特征并未按比例繪制。事實上，為了論述清楚，可任意增加或減小各特征的尺寸。

圖1A至圖1G是根據(jù)本揭示案的一些實施例的制造半導(dǎo)體裝置中的柵極結(jié)構(gòu)的方法的各階段的橫截面視圖；

圖2是根據(jù)本揭示案的一些實施例的制造半導(dǎo)體裝置中的柵極結(jié)構(gòu)的方法的一個階段的橫截面視圖；

圖3A至圖3B是根據(jù)本揭示案的一些實施例的制造半導(dǎo)體裝置中的柵極結(jié)構(gòu)的方法的各階段的橫截面視圖；

圖4是根據(jù)本揭示案的一些實施例的制造半導(dǎo)體裝置中的柵極結(jié)構(gòu)的方法的一個階段的橫截面視圖；

圖5A至圖5B是根據(jù)本揭示案的一些實施例的制造半導(dǎo)體裝置中的柵極結(jié)構(gòu)的方法的各階段的橫截面視圖；

圖6是根據(jù)本揭示案的一些實施例的制造半導(dǎo)體裝置中的柵極結(jié)構(gòu)的方法的一個階段的橫截面視圖。

具體實施方式

以下揭示內(nèi)容提供許多不同實施例或?qū)嵗员銓嵤┧峁说牡牟煌卣?。下文描述組件及排列的特定實例以簡化本揭示案。當然，這些僅為實例且不欲視為限制。舉例而言，以下描述中在第二特征上方或第二特征上形成第一特征可包括以直接接觸形成第一特征及第二特征的實施例，且亦可包括可在第一特征與第二特征之間形成額外特征以使得第一特征及第二特征可不處于直接接觸的實施例。另外，本揭示案可在各實例中重復(fù)元件符號及/或字母。此重復(fù)是出于簡明性及清晰的目的，且本身并不指示所論述的各實施例及/或配置之間的關(guān)系。

除非上下文另有清楚指示，否則單數(shù)形式的“一(a/an)”及“該(the)”包括復(fù)數(shù)個指示物。因此，例如，除非上下文另有清楚指示，否則對一柵極的引用包括具有兩個或兩個以上此柵極的態(tài)樣。另外，為了便于描述，本文可使用空間相對性術(shù)語(諸如“之下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等)來描述諸圖中所圖示一個元件或特征與另一元件(或多個元件)或特征(或多個特征)的關(guān)系。除了諸圖所描繪的定向外，空間相對性術(shù)語意欲包含使用或操作中裝置的不同定向。設(shè)備可經(jīng)其他方式定向(旋轉(zhuǎn)90度或處于其他定向上)且因此可類似解讀本文所使用的空間相對性描述詞。

為了滿足形成共形層以便按比例縮小半導(dǎo)體裝置的需求，通過化學氣相沉積(chemical vapor deposition；CVD)制程或原子層沉積(atomic layer deposition；ALD)制程形成半導(dǎo)體裝置的多個層，諸如覆蓋層、阻障層及柵極層。在沉積期間，來自于反應(yīng)氣體或前驅(qū)物的雜質(zhì)(諸如氧)易于留存在沉積層中而使得沉積層的品質(zhì)劣化。因此，通常會利用高溫退火制程處理沉積層以便凈化及致密化這些層。大體而言，傳統(tǒng)退火制程的溫度范圍自800℃至1200℃。

然而，此高溫可誘發(fā)一些副作用。舉例而言，若未良好控制退火環(huán)境，在此高溫下退火后，柵極結(jié)構(gòu)的等效氧化物厚度(equivalent oxide thickness；EOT)會增加，對于半導(dǎo)體裝置效能有不利的影響。即使可完全控制退火環(huán)境，退火條件仍會被具有較差熱穩(wěn)定性的一些沉積層限制。舉例而言，因內(nèi)部擴散的緣故，高溫退火會導(dǎo)致柵極結(jié)構(gòu)中不可調(diào)的功函數(shù)。此外，在半導(dǎo)體裝置中，非硅通道材料(例如，Ge、III-V族(例如，InGaAs、InP))與Si相比，具有高遷移性但低得多的熱穩(wěn)定性。即使可經(jīng)由摻雜或其他方式改良柵極結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性以使得柵極結(jié)構(gòu)可承受此高溫，但通道材料仍存在本質(zhì)性問題。因此，高溫退火可能不適用于非硅通道裝置。

為解決上文論及的問題，本揭示案提供柵極結(jié)構(gòu)、制造柵極結(jié)構(gòu)的方法及修飾半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的覆蓋層的方法，此有益于減少熱預(yù)算及獲得高品質(zhì)的沉積層。因此，可改良半導(dǎo)體裝置的效能。

圖1A至圖1G是根據(jù)本揭示案的一些實施例的制造半導(dǎo)體裝置中的柵極結(jié)構(gòu)的方法的各階段的橫截面視圖。參看圖1A，提供基板110、經(jīng)圖案化介面層120及虛擬柵極130，在基板中形成有淺溝槽隔離(shallow trench isolation；STI)特征112。基板110可為半導(dǎo)體基板、絕緣體上半導(dǎo)體(semiconductor on insulator；SOI)基板、硅上石墨烯基板、硅上III-V族(諸如硅上GaN)基板或硅基板?？赏ㄟ^蝕刻或以其他方式在基板110中形成凹部，接著用介電材料(諸如二氧化硅(SiO₂))填充凹部，并可能通過化學機械研磨(chemical mechnical polishing；CMP)制程平坦化來形成STI特征112。

進一步地，在基板110及STI特征112上方形成介面層，并隨后在介面層上方形成用于形成虛擬柵極的多晶硅層。接著，可通過蝕刻來圖案化介面層及多晶硅層以形成經(jīng)圖案化介面層120及虛擬柵極130。在一些實施例中，介面層可實質(zhì)上包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、摻碳二氧化硅、氮化二氧化硅或上述的組合。

參看圖1B，在基板110于虛擬柵極130的相對側(cè)上形成源極/漏極區(qū)域140，并沿虛擬柵極130的相對側(cè)壁通過化學氣相沉積(CVD)形成一對間隙壁150。在一些實施例中，通過磊晶生長制程形成源極/漏極區(qū)域140。在另一實施例中，通過植入形成源極/漏極區(qū)域140。

參看圖1C，在虛擬柵極130上方形成蝕刻阻擋層(etch stop layer；ESL)160，并隨后在蝕刻阻擋層160上方形成層間介電層(interlayer dielectric layer；ILD)170。層間介電層170可包括具有小于3.0的k值的低k材料，且可通過旋轉(zhuǎn)涂布或化學氣相沉積(CVD)諸如有機硅酸鹽玻璃(organosilicate glass；OSG)或摻碳氧化物(carbon-doped oxide；CDO)形成。此類低k介電材料導(dǎo)致較低電容、較快切換及較快信號傳輸。

參看圖1D，蝕刻阻擋層160及層間介電層170經(jīng)平坦化以移除層間介電層170及蝕刻阻擋層160的多個部分來曝露虛擬柵極130。隨后，移除間隙壁150之間的虛擬柵極130以形成對應(yīng)于已形成虛擬柵極130處的開口。因此，經(jīng)由開口曝露間隙壁150的剩余部分及間隙壁150之間的經(jīng)圖案化介面層120。蝕刻阻擋層160可包括二氧化硅(SiO2)、二氧化鉿(HfO₂)、碳化硅(SiC)、摻碳氧化硅、摻碳氮化硅及/或其他材料。

參看圖1E，在經(jīng)圖案化介面層120、間隙壁150、蝕刻阻擋層160及層間介電層170上方形成柵極介電層172。可以已知的沉積方法或以其他方式形成柵極介電層172，且此柵極介電層可為包括以下材料的高k介電層：氧化鈧(Sc₂O₃)、氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鈦(TiO₂)、氧化鈦鍶鋇(BaO₆SrTi₂)、氧化釔(Y₂O₃)、氧化鋯(ZrO₂)、氧化硅鋯(ZrSiO₄)、氧化鑭(La₂O₃)、氧化鉿(HfO₂)、氧化硅鉿、五氧化二鉭(Ta₂O₅)、氧化鈦鍶(SrTiO₃)、氧化鉭鈧鉛、鈮酸鋅鉛(PZN)或上述的組合。在一些實施例中，柵極介電層172可個別地包括各種介電材料或包括各種介電材料的組合。接著，在柵極介電層172上方形成覆蓋層180且可通過原子層沉積(ALD)、化學氣相沉積(CVD)、低壓化學氣相沉積(low pressure chemical vapor deposition；LPCVD)或單層沉積(monolayer deposition；MLD)形成此覆蓋層。覆蓋層180可由任何合適的高k材料制成。高k材料的實例包括但不限于TiN、TaN、AlN、SiN、TiC、TaC、AlC、SiC或上述的組合。在一些實施例中，覆蓋層180具有小于約25埃的厚度。換言之，在接收到包括基板110、STI特征112、經(jīng)圖案化介面層120、源極/漏極區(qū)域140、間隙壁150、蝕刻阻擋層160、層間介電層170及柵極介電層172的下層結(jié)構(gòu)174后，在下層結(jié)構(gòu)174上方形成覆蓋層180。

在一些實施例中，參看圖1F，在圖1E所示的柵極介電層172上方形成覆蓋層180后，利用第一氫等離子處理覆蓋層180以形成圖1F所示的第一經(jīng)處理覆蓋層180a。第一經(jīng)處理覆蓋層180a是指利用氫等離子處理的覆蓋層。在一些實施例中，在具有純氫氣(H2)的環(huán)境中產(chǎn)生第一氫等離子，此第一氫等離子具有自約100標準立方公分/分鐘(standard cubic centimeter per minute；sccm)至約3標準公升/分鐘(standard liter per minute；SLM)范圍內(nèi)的流量。進一步地，第一氫等離子的功率可處于自250W至2000W范圍內(nèi)，且第一氫等離子的制程時間可處于自10秒至100秒范圍內(nèi)。較高功率可將更多氫氣轉(zhuǎn)換成氫等離子。在另一實施例中，第一氫等離子的功率處于自500W至1000W范圍內(nèi)。第一氫等離子的壓力可處于自20mT至10T范圍內(nèi)。在另一實施例中，第一氫等離子的壓力處于自100mT至200mT范圍內(nèi)。此外，可利用第一氫等離子在自約20℃至約600℃范圍內(nèi)的溫度下處理覆蓋層180。在另一實施例中，利用第一氫等離子在自約20℃至約400℃范圍內(nèi)的溫度下處理覆蓋層180。本揭示案的第一氫等離子的環(huán)境溫度比傳統(tǒng)高溫退火制程低得多，以使得第一經(jīng)處理覆蓋層180a可滿足低熱預(yù)算需求。

包含一些帶電粒子(諸如質(zhì)子及電子)的第一氫等離子是非常強的還原劑。因此，第一氫等離子能夠移除覆蓋層180中的雜質(zhì)。第一氫等離子可使雜質(zhì)與覆蓋層180的材料之間的鍵斷裂，及隨后第一氫等離子可與雜質(zhì)化合。因此，雜質(zhì)可離開覆蓋層180以使得剩余元素可形成新的鍵結(jié)。舉例而言，覆蓋層180由TiN制成且可能包括一些雜質(zhì)(諸如氧)。因此，一些Ti原子會與一些O原子鍵結(jié)以形成一些非所欲的Ti-O鍵。經(jīng)由第一氫等離子處理，可通過第一氫等離子使Ti-O鍵斷裂且第一氫等離子隨后與O原子化合以形成水。剩余Ti原子可彼此形成新鍵(諸如Ti-Ti鍵)或可與N原子形成新鍵(諸如Ti-N鍵)。換言之，可通過第一氫等離子處理修飾及致密化第一經(jīng)處理覆蓋層180a。

在一些實施例中，由TiN材料制成的覆蓋層180由ALD制程形成。隨后，可通過X射線光電子光譜(x-ray photoelectron spectroscopy；XPS)獲得覆蓋層180或第一經(jīng)處理覆蓋層180a的Ti-N鍵與Ti-O鍵的比率。對于無第一氫等離子處理情況下的覆蓋層180，覆蓋層180的Ti-N鍵與Ti-O鍵的比率為約0.3。然而，在利用第一氫等離子處理覆蓋層180后，第一經(jīng)處理覆蓋層180a的Ti-N鍵及Ti-O鍵的比率為約1.7。這些數(shù)據(jù)證實，第一氫等離子可有效斷裂Ti-O鍵及移除覆蓋層180中的雜質(zhì)。因此，第一經(jīng)處理覆蓋層180a是缺氧覆蓋層。

在一些實施例中，為了調(diào)節(jié)氫氣流動，第一氫等離子進一步在第一氫等離子中包括稀釋氣體以稀釋氫氣。換言之，可通過稀釋的氫氣產(chǎn)生第一氫等離子但稀釋氣體可未經(jīng)電離。稀釋氣體可包括任何合適的惰性氣體。稀釋氣體的實例包括但不限于He、Ne、Ar、N₂或上述的組合。在一些實施例中，氫氣流與總氣流的比率范圍可自1％至99％。在另一實施例中，氫氣流與總氣流的比率范圍可自5％至10％。

參看圖1F，在第一經(jīng)處理覆蓋層180a上方形成柵極層190。柵極層190可由任何合適的材料制成。材料的實例包括但不限于Mo、Ru、Ti、Os、Re、Rh、Ir、Pt、Ta、In、Cd、Ag、Al、Nb、上述金屬的氮化物、上述金屬的碳化物或上述的組合。如圖1F所示，蝕刻阻擋層160、層間介電層170、柵極介電層172、第一經(jīng)處理覆蓋層180a及柵極層190形成多層堆疊。在一些實施例中，柵極層190是柵電極。

參看圖1G，通過任何已知方法(諸如蝕刻)圖案化多層堆疊以形成半導(dǎo)體裝置100。柵極介電層172、第一經(jīng)處理覆蓋層180a及柵極層190形成柵極堆疊。在一些實施例中，柵極堆疊為高k金屬柵極(high k metal gate；HKMG)堆疊。進一步地，在一些實施例中，半導(dǎo)體裝置100是互補金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal-oxide-semiconductor；CMOS)裝置。本揭示案的柵極結(jié)構(gòu)是指包括柵極層的結(jié)構(gòu)以使得包括柵極層的半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)屬柵極結(jié)構(gòu)。在一些實施例中，半導(dǎo)體裝置100的結(jié)構(gòu)是柵極結(jié)構(gòu)。

圖2是根據(jù)本揭示案的一些實施例的制造半導(dǎo)體裝置中的柵極結(jié)構(gòu)的方法的一個階段的橫截面視圖。在圖1E所示的柵極介電層172上方形成覆蓋層180后，利用第一氫等離子處理覆蓋層180以形成第一經(jīng)處理覆蓋層。隨后，利用第一氮等離子進一步處理第一經(jīng)處理覆蓋層以形成圖2所示的第二經(jīng)處理覆蓋層180b，這是因為第一氮等離子制程是一氮化制程。第一氮等離子制程提供富氮環(huán)境，且氮可擴散至氮等離子處理的層中。第二經(jīng)處理覆蓋層180b是指利用氫等離子及氮等離子處理的覆蓋層。因此，第二經(jīng)處理覆蓋層180b亦為缺氧的。柵極介電層172、第二經(jīng)處理覆蓋層180b及柵極層190形成柵極堆疊。在一些實施例中，柵極堆疊是HKMG堆疊。進一步地，可進一步圖案化圖2所示的蝕刻阻擋層160、層間介電層170、柵極介電層172、第二經(jīng)處理覆蓋層180b及柵極層190以形成半導(dǎo)體裝置，諸如圖1G所描述的CMOS裝置。

在具有包含NH₃、N₂或兩者的含氮氣體的環(huán)境中產(chǎn)生第一氮等離子且第一氮等離子包括具有離子化分子的高效含氮氣體。在一些實施例中，第一氮等離子具有自約100sccm至約3SLM范圍內(nèi)的流量。進一步地，第一氮等離子的功率可處于自250W至2000W范圍內(nèi)，且第一氮等離子的制程時間可處于自10秒至100秒范圍內(nèi)。較高功率可將更多含氮氣體轉(zhuǎn)換成氮等離子。在另一實施例中，第一氮等離子的功率處于自500W至1000W范圍內(nèi)。第一氮等離子的壓力可處于自20mT至10T范圍內(nèi)。在另一實施例中，第一氮等離子的壓力處于自100mT至200mT范圍內(nèi)。此外，利用第一氮等離子在自約20℃至約600℃范圍內(nèi)的溫度下處理第一經(jīng)處理覆蓋層180a。在另一實施例中，利用第一氮等離子在自約20℃至約400℃范圍內(nèi)的溫度下處理第一經(jīng)處理覆蓋層180a。本揭示案的第一氮等離子的環(huán)境溫度比傳統(tǒng)退火制程低得多，以使得第二經(jīng)處理覆蓋層180b可滿足低熱預(yù)算需求。

在一些實施例中，為了調(diào)節(jié)含氮氣體流動，第一氮等離子進一步在第一氮等離子中包括稀釋氣體以稀釋含氮氣體。換言之，可通過稀釋的含氮氣體產(chǎn)生第一氮等離子。稀釋氣體可包括He、Ne、Ar、O₂、H₂或上述的組合。在一些實施例中，含氮氣流與總氣流的比率范圍可自1％至99％。在另一實施例中，含氮氣流與總氣體的比率范圍可自5％至10％。

因此，基于圖1A至圖1G及圖2中的描述，可利用第一氫等離子制程處理覆蓋層以形成圖1F所示的第一經(jīng)處理覆蓋層180a或利用第一氫等離子制程及第一氮等離子制程處理覆蓋層以形成圖2所示的第二經(jīng)處理覆蓋層180b。

圖3A至圖3B是根據(jù)本揭示案的一些實施例的制造半導(dǎo)體裝置中的柵極結(jié)構(gòu)的方法的各階段的橫截面視圖。參看圖3A，在覆蓋層180上方形成第一阻障層182?？赏ㄟ^原子層沉積(ALD)、化學氣相沉積(CVD)、低壓化學氣相沉積(LPCVD)或單層沉積(MLD)形成第一阻障層182。第一阻障層182可由任何合適的材料制成。材料的實例包括但不限于TiN、TaN、AlN、SiN、TiC、TaC、AlC或上述的組合。在一些實施例中，第一阻障層182具有小于約20埃的厚度。

在圖3A所示的柵極介電層172上方形成覆蓋層180及第一阻障層182后，利用第一氫等離子同時處理覆蓋層180及第一阻障層182以形成圖3B所示的第一經(jīng)處理覆蓋層180a及第一經(jīng)處理第一阻障層182a。第一經(jīng)處理第一阻障層182a是指利用氫等離子處理的第一阻障層。接著，在第一經(jīng)處理第一阻障層182a上方形成柵極層190。在一些實施例中，在具有純氫氣(H₂)或具有稀釋氫氣的環(huán)境中產(chǎn)生第一氫等離子。在一些實施例中，第一氫等離子制程類似于上文在圖1E至圖1F中所描述的氫等離子制程。柵極介電層172、第一經(jīng)處理覆蓋層180a、第一經(jīng)處理第一阻障層182a及柵極層190形成柵極堆疊。在一些實施例中，柵極結(jié)構(gòu)是HKMG堆疊。進一步地，可進一步圖案化圖3B所示的蝕刻阻擋層160、層間介電層170、柵極介電層172、第一經(jīng)處理覆蓋層180a、第一經(jīng)處理第一阻障層及柵極層190以形成半導(dǎo)體裝置，諸如圖1G所描述的CMOS裝置。

包含一些帶電粒子(諸如質(zhì)子及電子)的第一氫等離子為非常強的還原劑。因此，第一氫等離子能夠移除第一阻障層182中的雜質(zhì)。第一氫等離子可使雜質(zhì)與第一阻障層182的材料之間的鍵斷裂，及隨后第一氫等離子可與雜質(zhì)化合。因此，雜質(zhì)(諸如氧)可離開第一阻障層182以使得剩余元素可形成新的鍵結(jié)，如圖1E至圖1F所描述。因此，通過第一氫等離子處理修飾及致密化第一經(jīng)處理第一阻障層182a。因此，第一經(jīng)處理第一阻障層182a是缺氧第一阻障層。

在另一實施例中，可利用氫等離子分別處理圖3A所示的覆蓋層180及第一阻障層182。舉例而言，在圖1E所示的柵極介電層172上方形成覆蓋層180后，利用第一氫等離子處理覆蓋層180以形成第一經(jīng)處理覆蓋層180a。接著，在第一經(jīng)處理覆蓋層180a上方形成第一阻障層，并隨后利用第二氫等離子處理第一阻障層以在第一經(jīng)處理覆蓋層180a上方形成第一經(jīng)處理第一阻障層182a，從而形成圖3B所示的整體結(jié)構(gòu)。在一些實施例中，在具有純氫氣(H2)或具有稀釋氫氣的環(huán)境中產(chǎn)生第二氫等離子。在一些實施例中，第二氫等離子制程類似于上文在圖1E至圖1F中所描述的第一氫等離子制程。

圖4是根據(jù)本揭示案的一些實施例的制造半導(dǎo)體裝置中的柵極結(jié)構(gòu)的方法的一個階段的橫截面視圖。在圖3A所示的柵極介電層172上方形成覆蓋層180及第一阻障層182后，利用第一氫等離子同時處理覆蓋層180及第一阻障層182及隨后再利用第一氮等離子同時處理以形成圖4所示的第二經(jīng)處理覆蓋層180b及第二經(jīng)處理第一阻障層182b，這是因為第一氮等離子制程是一氮化制程。第一氮等離子制程提供富氮環(huán)境，且氮可擴散至氮等離子處理的層中。第二經(jīng)處理覆蓋層180b是指利用氫等離子及氮等離子處理的覆蓋層，及第二經(jīng)處理第一阻障層182b是指利用氫等離子及氮等離子處理的阻障層。因此，第二經(jīng)處理第一阻障層層182b亦為缺氧的。隨后在第二經(jīng)處理第一阻障層182b上方形成柵極層190。在一些實施例中，在具有含氮氣體或具有稀釋含氮氣體的環(huán)境中產(chǎn)生第一氮等離子。在一些實施例中，第一氮等離子制程類似于上文在圖2中所描述的氮等離子制程。柵極介電層172、第二經(jīng)處理覆蓋層180b、第二經(jīng)處理第一阻障層182b及柵極層190形成柵極堆疊。在一些實施例中，柵極堆疊是HKMG堆疊。進一步地，可進一步圖案化圖4所示的蝕刻阻擋層160、層間介電層170、柵極介電層172、第二經(jīng)處理覆蓋層180b、第二經(jīng)處理第一阻障層182b及柵極層190以形成半導(dǎo)體裝置，諸如圖1G所描述的CMOS裝置。

在另一實施例中，可利用氫等離子及氮等離子分別處理圖3A所示的覆蓋層180及第一阻障層182。舉例而言，在圖1E所示的柵極介電層172上方形成覆蓋層180后，利用第一氫等離子及第一氮等離子處理覆蓋層180以形成圖4所示的第二經(jīng)處理覆蓋層180b。接著，在第二經(jīng)處理覆蓋層180b上方形成第一阻障層，并隨后利用第二氫等離子及第二氮等離子處理第一阻障層以在第二經(jīng)處理覆蓋層180b上方形成第二經(jīng)處理第一阻障層182b，從而形成圖4所示的整體結(jié)構(gòu)。在一些實施例中，第二氮等離子制程類似于上文在圖2中所描述的第一氮等離子制程。

圖5A至圖5B是根據(jù)本揭示案的一些實施例的制造半導(dǎo)體裝置中的柵極結(jié)構(gòu)的方法的各階段的橫截面視圖。參看圖5A，在覆蓋層180上方形成第一阻障層182及隨后在第一阻障層182上方形成第二阻障層184?？赏ㄟ^原子層沉積(ALD)、化學氣相沉積(CVD)、低壓化學氣相沉積(LPCVD)或單層沉積(MLD)獨立地形成第一阻障層182及第二阻障層184。第一阻障層182可由任何合適的材料制成。材料的實例包括但不限于TiN、TaN、AlN、SiN、TiC、TaC、AlC或上述的組合。第二阻障層184可由任何合適的材料制成。材料的實例包括但不限于Mo、Ru、Ti、Os、Re、Rh、Ir、Pt、Ta、In、Cd、Ag、Al、Nb、上述金屬的氮化物、上述金屬的碳化物、TiN、TaN、AlN、TiC、TaC、AlC、Mo、Ru、Ti或上述的組合。在一些實施例中，第一阻障層182具有小于約20埃的厚度。第二阻障層184具有小于約50埃的厚度。

在圖5A所示的柵極介電層172上方形成覆蓋層180、第一阻障層182及第二阻障層184后，利用第一氫等離子同時處理覆蓋層180、第一阻障層182及第二阻障層184以形成圖5B所示的第一經(jīng)處理覆蓋層180a及第一經(jīng)處理第一阻障層182a及第一經(jīng)處理第二阻障層184a。第一經(jīng)處理第二阻障層184a是指利用氫等離子處理的第二阻障層。接著，在第一經(jīng)處理第二阻障層184a上方形成柵極層190。柵極介電層172、第一經(jīng)處理覆蓋層180a、第一經(jīng)處理第一阻障層182a、第一經(jīng)處理第二阻障層184a及柵極層190形成柵極堆疊。在一些實施例中，柵極堆疊是HKMG堆疊。進一步地，可進一步圖案化圖5B所示的蝕刻阻擋層160、層間介電層170、柵極介電層172、第一經(jīng)處理覆蓋層180a、第一經(jīng)處理第一阻障層182a、第一經(jīng)處理第二阻障層184a及柵極層190以形成半導(dǎo)體裝置，諸如圖1G所描述的CMOS裝置。

因為第一氫等離子能夠移除第二阻障層184中的雜質(zhì)。第一氫等離子可使雜質(zhì)與第二阻障層184的材料之間的鍵斷裂，及隨后第一氫等離子可與雜質(zhì)化合。因此，雜質(zhì)(諸如氧)可離開第二阻障層184以使得剩余元素可形成新的鍵結(jié)，如圖1E至圖1F所描述。因此，可通過第一氫等離子處理修飾及致密化第一經(jīng)處理第二阻障層184a。因此，第一經(jīng)處理第二阻障層184a是缺氧第二阻障層。

在另一實施例中，可如圖3B所描述利用氫等離子分別處理圖5A所示的覆蓋層180、第一阻障層182及第二阻障層184以形成圖5B所示的整體結(jié)構(gòu)。

圖6是根據(jù)本揭示案的一些實施例的制造半導(dǎo)體裝置中的柵極結(jié)構(gòu)的方法的一個階段的橫截面視圖。在圖5A所示的柵極介電層172上方形成覆蓋層180、第一阻障層182及第二阻障層184后，利用第一氫等離子同時處理覆蓋層180、第一阻障層182及第二阻障層184及隨后利用第一氮等離子同時處理以形成第二經(jīng)處理覆蓋層180b、第二經(jīng)處理第一阻障層182b及第二經(jīng)處理第二阻障層184b。第二經(jīng)處理第二阻障層184b是指利用氫等離子及氮等離子處理的第二阻障層。因此，第二經(jīng)處理第二阻障層184b亦為缺氧的。隨后在第二經(jīng)處理第二阻障層184b上方形成柵極層190。柵極介電層172、第二經(jīng)處理覆蓋層180b、第二經(jīng)處理第一阻障層182b、第二經(jīng)處理第二阻障層184b及柵極層190形成柵極堆疊。在一些實施例中，柵極堆疊是HKMG堆疊。此外，可進一步圖案化圖6所示的層間介電層170、柵極介電層172、第二經(jīng)處理覆蓋層180b、第二經(jīng)處理第一阻障層182b、第二經(jīng)處理第二阻障層184b及柵極層190以形成半導(dǎo)體裝置，如圖1G所描述。

在另一實施例中，可如圖4所描述利用氫等離子及氮等離子分別處理圖5A所示的覆蓋層180、第一阻障層182及第二阻障層184以形成圖6所示的整體結(jié)構(gòu)。

圖1A至圖6分別描述利用氫等離子及/或氮等離子處理這些覆蓋層及/或這些阻障層。換言之，本揭示案亦提供一種修飾半導(dǎo)體裝置中的覆蓋層及阻障層的方法。

在一些實施例中，半導(dǎo)體裝置可包括具有覆蓋層及/或阻障層的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)且這些半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括柵極結(jié)構(gòu)或互連結(jié)構(gòu)。通常，互連結(jié)構(gòu)包括通孔或觸點，且通孔與觸點兩者皆包括覆蓋層及/或阻障層。因此，本揭示案的修飾半導(dǎo)體裝置中的覆蓋層的方法亦可用于中段制程(middle end of line；MEOL)或后段制程(back end of line；BEOL)。舉例而言，在通孔或觸點的制造制程期間，在通孔或觸點內(nèi)形成覆蓋層及/或阻障層。隨后，在接收覆蓋層及/或阻障層下方的下層結(jié)構(gòu)后，可利用圖1A至圖6所描述的氫等離子及/或氮等離子處理覆蓋層及/或阻障層。下層結(jié)構(gòu)包括但不限于介電層、互連層或金屬層。

上文論述的本揭示案的實施例具有優(yōu)于現(xiàn)有方法及半導(dǎo)體裝置的優(yōu)勢。由于氫等離子是非常強的還原劑，氫等離子能夠移除覆蓋層及阻障層中的雜質(zhì)(諸如氧)。氫等離子可使雜質(zhì)與覆蓋層的材料之間的鍵及雜質(zhì)與阻障層的材料之間的鍵斷裂。接著，氫等離子與雜質(zhì)結(jié)合。因此，雜質(zhì)可離開覆蓋層及阻障層以使得剩余元素可形成新的鍵結(jié)。換言之，可通過氫等離子處理修飾及致密化氫等離子處理的覆蓋層及氫等離子處理的阻障層?？偨Y(jié)來說，氫等離子處理可提供有效方式來形成高品質(zhì)的半導(dǎo)體裝置。此外，本揭示案的氫等離子的環(huán)境溫度比傳統(tǒng)高溫退火制程低得多，以使得經(jīng)處理覆蓋層及經(jīng)處理阻障層可滿足低熱預(yù)算需求。

此外，在利用氫等離子處理覆蓋層及阻障層后，可利用氮等離子進一步處理覆蓋層及阻障層。氮等離子提供富氮環(huán)境，氮可擴散至氮等離子處理的層中。因此，可進一步增強這些氮等離子處理的層的品質(zhì)。

本揭示案提供柵極結(jié)構(gòu)、制造柵極結(jié)構(gòu)的方法及修飾半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的覆蓋層的方法，此有益于減少熱預(yù)算及獲得具有高品質(zhì)的這些覆蓋層及這些阻障層。因此，可改良半導(dǎo)體裝置的效能。

根據(jù)本揭示案的一些實施例，制造半導(dǎo)體裝置中的柵極結(jié)構(gòu)的方法包括在基板上方形成柵極介電層。在柵極介電層上方形成覆蓋層。利用第一氫等離子處理覆蓋層以形成第一經(jīng)處理覆蓋層。在第一經(jīng)處理覆蓋層上方形成柵電極。

在一實施方式中，進一步包含以一氮等離子處理第一經(jīng)處理覆蓋層。

在一實施方式中，氮等離子是通過包含NH₃、N₂或兩者的含氮氣體產(chǎn)生。

在一實施方式中，第一氮等離子具有處于自250W至2000W范圍內(nèi)的功率。

在一實施方式中，進一步包含一稀釋氣體于第一氫等離子中。

在一實施方式中，進一步包含形成一第一阻障層于覆蓋層上，并且以第一氫等離子處理第一阻障層以形成第一經(jīng)處理第一阻障層。

在一實施方式中，進一步包含以一第一氮等離子處理第一經(jīng)處理第一阻障層。

在一實施方式中，進一步包含形成一第一阻障層于第一經(jīng)處理覆蓋層上，并且以一第二氫等離子處理第一阻障層以形成第一經(jīng)處理第一阻障層。

在一實施方式中，進一步包含以一氮等離子處理第一經(jīng)處理第一阻障層。

根據(jù)本揭示案的一些實施例，修飾半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的覆蓋層的方法包括接收下層結(jié)構(gòu)。在下層結(jié)構(gòu)上方形成覆蓋層。利用第一氫等離子處理覆蓋層以形成第一經(jīng)處理覆蓋層。

在一實施方式中，進一步包含以一第一氮等離子處理第一經(jīng)處理覆蓋層。

在一實施方式中，進一步包含一稀釋氣體于第一氫等離子中。

在一實施方式中，進一步包含形成一第一阻障層于覆蓋層上，并且以第一氫等離子處理第一阻障層以形成第一經(jīng)處理第一阻障層。

在一實施方式中，進一步包含以一第一氮等離子處理第一經(jīng)處理第一阻障層。

在一實施方式中，進一步包含形成一第一阻障層于第一經(jīng)處理覆蓋層上，并且以一第二氫等離子處理第一阻障層以形成第一經(jīng)處理第一阻障層。

在一實施方式中，進一步包含以一氮等離子處理第一經(jīng)處理第一阻障層。

根據(jù)本揭示案的一些實施例，柵極結(jié)構(gòu)包括基板、柵極介電層、缺氧覆蓋層及柵電極。柵極介電層位于基板上方。缺氧覆蓋層位于柵極介電層上方。柵電極位于缺氧覆蓋層上方。

在一實施方式中，進一步包含一缺氧第一阻障層于缺氧覆蓋層上方。

在一實施方式中，進一步包含一缺氧第二阻障層于缺氧第一阻障層上方。

在一實施方式中，進一步包含一缺氧第一阻障層于缺氧覆蓋層與柵電極之間。

前文概述了數(shù)個實施例的特征，使得熟悉此項技藝者可更好地理解本揭示案的態(tài)樣。熟悉此項技藝者應(yīng)了解，可易于使用本揭示案作為設(shè)計或修改其他制程及結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)以便實施本文所介紹的實施例的相同目的及/或?qū)崿F(xiàn)相同優(yōu)勢。熟悉此項技藝者亦應(yīng)認識到，此類等效結(jié)構(gòu)并未脫離本揭示案的精神及范疇，并且可在不脫離本揭示案的精神及范疇的情況下在本文中實施各種變化、取代及修改。