[发明专利]形成铝掺杂碳氮化物栅电极的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请涉及题为“SEMICONDUCTOR DEVICE CONTAINING ANALUMINUM TANTALUM CARBONITRIDE BARRIDER FILM ANDMETHOD OF FORMING”于2007年8月15日提交的待审的美国专利申请No.11/839,410，该专利申请的全部内容通过引用而结合于此。

技术领域

本发明一般涉及形成半导体器件的技术领域，更具体地，涉及形成具有可调的铝浓度的铝掺杂金属碳氮化物栅电极。

背景技术

在半导体工业中，微电子器件的最小特征尺寸正接近深亚微米阶段以满足对更快更低功率微处理器和数字电路的要求。硅基微电子技术当前主要面临着材料挑战以实现集成电路器件的进一步小型化。具有更高电容的栅极叠层将会替换已经服务该工业几十年的包含SiO₂栅电介质层和退化的掺杂多晶Si栅电极的栅极叠层。

通常称为高k材料(其中“k”是指该材料的电介质常数)的高电容材料以电介质常数大于SiO₂的电介质常数(k约3.9)为特征。此外，高k材料可以指掺杂到衬底(例如，HfO₂、ZrO₂)而不是在衬底的表面上生成的(例如，SiO₂、SiO_xN_y)诸如金属硅酸盐或者氧化物。

除了栅电介质层，栅电极还代表了未来微电子器件的小型化的主要挑战。引入含金属的栅电极来置换传统的掺杂多晶硅栅电极能带来若干优势。这些优势包括消除多晶硅栅损耗效应，降低表面电阻，对先进的高k电介质材料提高可靠性和潜在地提高热稳定性。在一个示例中，从多晶硅转换到含金属的栅电极能在栅极叠层的有效厚度或者电子厚度上实现2-3埃的改进。产生这种改进很大程度是因为全部消除了在与其他材料的界面处的多晶硅损耗的问题。

对于新的栅电极材料，功函数、电阻系数和与互补金属氧化物半导体(CMOS)的兼容性是主要参数。正通道金属氧化物半导体(PMOS)和负通道金属氧化物半导体(NMOS)晶体管栅电极要求不同的栅材料以实现可接受的阈值电压；前者具有接近硅价带的费米能级(E约4eV)，而后者具有接近导带的费米能级(E约5.1eV)。

用于控制栅电极的功函数的常规技术包括带边缘金属方法，其中选择具有特定功函数的金属；P金属(Re、Co、Ni、Ru、Pt等)的功函数大于约5eV；并且N金属(Ta、Hf、Y、La、Ir等)的功函数小于约4.5eV。然而，栅极叠层的有效的功函数还取决于主体材料和表面材料的性能、结晶取向和与栅电极交界的高k膜的介电常数。尤其是，在层界面处不同材料的相互作用和在后处理期间(诸如高温退火)整个栅极叠层的化学物质的扩散能影响半导体器件的功函数和其他性能。

近年来，栅电极金属和电介质阈值电压调节层已经被用来控制栅极叠层的功函数并在制造的半导体器件中获得N-MOS和P-MOS晶体管的期望阈值电压。示例性的阈值电压调节层包括N-MOS器件的氧化镧(La₂O₃)和P-MOS器件的氧化铝(Al₂O₃)。电介质阈值电压调节层一般定位在高k栅电介质的上方并与栅电极接触。已经表明在高温处理过程中，电介质阈值电压调节层中的元素一般穿过高k栅电介质朝着定位在高k栅电介质和衬底之间的界面层(例如，高移动性、低缺陷SiO₂层)扩散，以在高k栅电介质和下面的界面层交界附近进行阈值电压调节。然而，一些电介质阈值电压调节层中的元素不能穿过高k栅电介质充分地扩散以将半导体器件的阈值电压完全调整到期望值。

因而，鉴于以上问题，需要新的方法来将含金属的栅电极集成到栅极叠层中，尤其需要新的方法来允许形成具有可调功函数的含金属栅电极。

发明内容

本发明的实施例提供一种用于形成具有可调铝浓度的铝掺杂金属(钽或者钛)氮化碳栅电极的方法。根据本发明的实施例，钽氮化碳(TaCN)或者钛氮化碳(TiCN)膜在没有等离子体的情况下通过化学气相沉积(CVD)而沉积并与铝掺杂以调节功函数和阈值电压(Vt)。