本發(fā)明的實施例涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，更具體地涉及柵極結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體器件以及形成半導(dǎo)體器件的方法。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體工業(yè)已經(jīng)經(jīng)歷了指數(shù)增長，朝著更高的密度和器件性能以及更低的成本的目標(biāo)不斷發(fā)展。除了諸如金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(mosfet)的傳統(tǒng)的平面晶體管之外，已經(jīng)開發(fā)了諸如鰭狀場效應(yīng)晶體管(finfet)的各種非平面晶體管或三維(3d)晶體管，以實現(xiàn)更高的器件密度以及優(yōu)化器件功效。平面和3dfet兩者的制造都專注于尺寸按比例縮小以增加半導(dǎo)體器件的封裝密度。

隨著對于平面和3dfet的高密度集成的增強的需求，迫切需要不斷完善finfet的制造方法，以獲得更加加強的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實施例提供了一種柵極結(jié)構(gòu)，包括：柵極堆疊件，包括：摻雜的功函數(shù)金屬(wfm)堆疊件；和金屬柵電極，位于所述摻雜的功函數(shù)金屬堆疊件上面；以及摻雜的間隔件，位于所述柵極堆疊件的側(cè)壁上面。

本發(fā)明的實施例還提供了一種半導(dǎo)體器件，包括：襯底，具有源極區(qū)域和漏極區(qū)域；柵極堆疊件，位于介于所述源極區(qū)域和所述漏極區(qū)域之間的襯底上面，所述柵極堆疊件包括：摻雜的柵極氧化物層；摻雜的功函數(shù)金屬(wfm)堆疊件，位于所述摻雜的柵極氧化物層上面；和金屬柵電極，位于所述摻雜的功函數(shù)金屬堆疊件上面；摻雜的氧化物層，位于所述襯底的表面上面；以及摻雜的間隔件，位于所述摻雜的氧化物層上面并且位于所述柵極堆疊件的側(cè)壁上面。

本發(fā)明的實施例還提供了一種形成半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括：在襯底上面形成氧化物層，所述襯底具有源極區(qū)域和漏極區(qū)域；形成第一柵極堆疊件和間隔件，其中，所述第一柵極堆疊件位于介于所述源極區(qū)域和所述漏極區(qū)域之間的襯底上面，并且所述間隔件位于所述第一柵極堆疊件的側(cè)壁上面；摻雜所述氧化物層和所述間隔件，以形成摻雜的氧化物層和摻雜的間隔件；在所述襯底上面并且在所述摻雜的間隔件之間形成功函數(shù)金屬(wfm)堆疊件；熱處理所述摻雜的間隔件和所述摻雜的氧化物層，以形成摻雜的功函數(shù)金屬堆疊件；以及在所述摻雜的功函數(shù)金屬堆疊件上面形成金屬柵電極，以形成第二柵極堆疊件。

附圖說明

當(dāng)結(jié)合附圖進行閱讀時，根據(jù)下面詳細(xì)的描述可以最佳地理解本發(fā)明的各個方面。應(yīng)該注意，根據(jù)工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)實踐，各種部件沒有被按比例繪制。實際上，為了清楚的討論，各種部件的尺寸可以被任意增加或減少。

圖1是根據(jù)一些實施例的半導(dǎo)體器件的截面圖。

圖2是根據(jù)一些其他實施例的另一半導(dǎo)體器件的截面圖。

圖3是根據(jù)又一些實施例的又一半導(dǎo)體器件的截面圖。

圖4是根據(jù)一些實施例的形成半導(dǎo)體器件的工藝流程。

圖5a至圖5f是根據(jù)一些實施例的形成半導(dǎo)體器件的方法的中間階段的截面圖。

具體實施方式

以下公開內(nèi)容提供了許多不同實施例或?qū)嵗?，用于實現(xiàn)所提供主題的不同特征。以下將描述組件和布置的具體實例以簡化本發(fā)明。當(dāng)然，這些僅是實例并且不意欲限制本發(fā)明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接觸的實施例，也可以包括形成在第一部件和第二部件之間的附加部件使得第一部件和第二部件不直接接觸的實施例。而且，本發(fā)明在各個實例中可以重復(fù)參考數(shù)字和/或字母。這種重復(fù)僅是為了簡明和清楚，其自身并不表示所論述的各個實施例和/或配置之間的關(guān)系。

除非上下文另外清楚規(guī)定，單數(shù)形式“一”、“一個”和“所述”包括復(fù)數(shù)所指。因此，除非上下文另外清楚地指示，例如，關(guān)于形貌(topography)區(qū)域包括具有兩個或多個這種形貌區(qū)域的方面。此外，為了便于描述，本文中可以使用諸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…上面”、“上部”等的空間關(guān)系術(shù)語，以描述如圖中所示的一個元件或部件與另一元件或部件的關(guān)系。除了圖中所示的方位外，空間關(guān)系術(shù)語旨在包括器件在使用或操作過程中的不同方位。裝置可以以其他方式定位(旋轉(zhuǎn)90度或在其他方位)，并且在本文中使用的空間關(guān)系描述符可以同樣地作相應(yīng)地解釋。

雖然通過參考半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成來解釋本發(fā)明，但是應(yīng)該理解，本發(fā)明等同應(yīng)用與任何制造工藝，其中可以有利地形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

如前所述，制造具有按比例縮小的尺寸的mosfet或finfet中的柵極結(jié)構(gòu)越來越具有挑戰(zhàn)性。在形成柵極結(jié)構(gòu)的工藝中，第一步是為了形成由多晶硅制成的偽柵極，之后形成位于偽柵極的側(cè)壁上的一對間隔件。然后，去除偽柵極以留下間隔、并且促進將要被填充在間隔中的電極、功函數(shù)金屬(wfm)堆疊件和下面的柵極氧化物層的填充、以及形成柵極結(jié)構(gòu)。

然而，隨著mosfet或finfet的尺寸的按比例縮小，柵極堆疊件的寬度或間隔件之間的距離不斷縮小，這不僅使得在去除偽柵極之后難以通過柵極填充窗將柵極材料填充在間隔件之間的間隔中，而且管型(casts)不利地影響mosfet或finfet的性能。由于柵極堆疊件的變窄的寬度，所以源極和漏極區(qū)域之間的結(jié)也變短了。變短的結(jié)導(dǎo)致縮短的電子溝道。

縮短的溝道導(dǎo)致有限的亞閾值斜率，影響閾值電壓，并且因此在源極和漏極之間的電壓差變得顯著時導(dǎo)致來自源極區(qū)域的電子隧穿至漏極區(qū)域。換句話說，從漏極區(qū)域至源極區(qū)域的截止?fàn)顟B(tài)的泄漏電流增加，這也被稱為漏極感應(yīng)勢壘降低(draininductionbarrierlower，dibl)。

除了dibl之外，短溝道還誘發(fā)金屬柵極和源極/漏極區(qū)域之間的短路，這也有助于泄漏電流。短溝道的以上影響可以統(tǒng)稱為短溝道效應(yīng)(sce)，這是有關(guān)半導(dǎo)體器件的性能的主要問題。

雖然通過選擇性地外延硅生長使源極/漏極(s/d)區(qū)域凸起來減少電流泄漏，但是仍存在諸如s/d區(qū)域的電阻的其他缺陷。然而，s/d區(qū)域的摻雜可以改善這些缺陷，摻雜s/d區(qū)域中的需要的熱工藝不期望地增加了摻雜劑的橫向擴散，從而增加了柵極至漏極重疊電容(gatetodrainoverlapcapacitance)。而且，為了補償由于熱工藝導(dǎo)致的s/d區(qū)域中的摻雜劑損失，可以采用s/d區(qū)域中的更高的注入劑量。盡管如此，s/d區(qū)域中的摻雜劑的增加的濃度不僅帶來更深的s/d結(jié)深度(xj)。結(jié)深度越深，短溝道效應(yīng)越顯著。

雖然超淺結(jié)(usj)的形成可以抵消增加的結(jié)深度的影響，但是需要更高的摻雜劑注入濃度來避免較淺的結(jié)深度處的寄生電阻的增加。形成超淺結(jié)所需的摻雜劑注入是困難的，并且對通過形成無定形或無序晶格區(qū)域來對襯底造成損害，從而不能解決問題。因此，迫切需要對利用按比例縮小的尺寸制造mosfet或finfet的方法的不斷改進以克服短溝道效應(yīng)。

為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種柵極結(jié)構(gòu)、一種半導(dǎo)體器件和用于形成半導(dǎo)體器件的方法，其包括摻雜的間隔件和摻雜的氧化物層以克服mosfet或finfet中的短溝道效應(yīng)。通過這種方式，盡管mosfet或finfet尺寸的按比例縮小，但是可以提高半導(dǎo)體器件的封裝密度和性能。

參考圖1，示出了根據(jù)一些實施例的半導(dǎo)體器件100的示例性區(qū)域布置的截面圖。半導(dǎo)體器件100包括柵極結(jié)構(gòu)200，在一些實施例中該半導(dǎo)體器件還稱為場效應(yīng)晶體管(fet)。

在各個實施例中，柵極結(jié)構(gòu)200包括柵極堆疊件210和位于柵極堆疊件210的側(cè)壁上面的間隔件220'。柵極堆疊件210可以包括柵電極、位于柵電極下面的功函數(shù)金屬(wfm)堆疊件212'、以及位于功函數(shù)金屬(wfm)堆疊件212'下面的柵極氧化物層215'。在一些實施例中，可以通過包括沉積、光刻圖案化和蝕刻的任何適當(dāng)?shù)姆椒▉硇纬蓶艠O堆疊件210。沉積方法包括化學(xué)汽相沉積(cvd)、物理汽相沉積(pvd)、原子層沉積(ald)或它們的組合。

在各個實施例中，電流可以施加至柵電極上。一旦來自柵電極的輸入電流達到閾值電壓(vt)，負(fù)電荷將可以相應(yīng)地累積在柵極氧化物層215'下方，并且可以在柵極結(jié)構(gòu)200下方感應(yīng)介于源極區(qū)域110和漏極區(qū)域111(也稱為源極/漏極(s/d)區(qū)域)之間的電子溝道。

在一些實施例中，柵極結(jié)構(gòu)200的閾值電壓主要由功函數(shù)金屬(wfm)堆疊件212'確定。功函數(shù)指示在鄰近的電場作用下從固體表面移除電子至閉合位置(closeposition)的最小熱力學(xué)功或能量。因此，功函數(shù)金屬堆疊件212'通過影響柵極堆疊件210下面的電子的自由能量來調(diào)制閾值電壓調(diào)諧(tuning)。

在一些實施例中，柵電極可以由多晶硅(poly-si)或多晶硅鍺(poly-sige)初始形成。然而，如果poly-si柵電極與由二氧化硅(sio2)制成的柵極氧化物結(jié)合，那么可以誘使閾值電壓不穩(wěn)定并且誘發(fā)泄漏電流。因此，可以最終由金屬材料來替換柵電極以改善閾值電壓調(diào)制和半導(dǎo)體器件性能。在各個實施例中，用于金屬柵電極216的材料包括鉭(ta)、氮化鉭(tan)、鈮(nb)、碳化鉭(tac)、鎢(w)、氮化鎢(wn)、碳化鎢(wc)、以及任何合適的金屬或它們的組合。

另外，為了完全克服以上問題，需要同時完成金屬柵電極216的引入和具有高介電常數(shù)(高k)的柵極氧化物層215'的引入。在各個實施例中，由于鑭(la)是強電正性金屬，所以諸如氧化鑭(la2o3)的氧化物適合于n型fet(nfet)。另一方面，由于防止外在功函數(shù)偏移的能力，所以氧化鋁(al2o3)適合于p型fet(pfet)。通常，柵極氧化物層215'可以由以下介電材料制成，諸如：氧化鋁(al2o3)、氧化鑭(la2o3)、氧化鉭(ta2o5)、氧化鈦(tio2)、氧化鉿(hfo2)、二氧化硅(sio2)、氧化鉿硅(hfsio)、氧化鋯(zro2)、以及任何合適的金屬或它們的組合。

由于從低k/poly-si柵極至高k/金屬柵極的轉(zhuǎn)變，需要相應(yīng)地修改功函數(shù)金屬堆疊件212'以滿足柵極結(jié)構(gòu)200的閾值電壓要求。由于上部中間禁帶(uppermid-gap)功函數(shù)、突出的熱穩(wěn)定性和獨特的擴散特性，所以氮化鈦(tin)用作wfm的合適的候選者。對于二維mosfet和三維finfet的柵極堆疊件增強而言，為了獲得期望的有效功函數(shù)(ewf)而對tin的功函數(shù)進行的修改是至關(guān)重要的。除了增加tin層的厚度以提高wfm堆疊件中的ewf之外，引入諸如氮化鈦硅(tisin)層的另一層高k功函數(shù)金屬還可以微調(diào)ewf。

因此，在各個實施例中，wfm堆疊件212'包括tin層213'和位于tin層213'下面的tisin層214'。由于tisin層214'和柵極氧化物層215'兩者都是無定形的并且具有高介電常數(shù)(通常高于二氧化硅的介電常數(shù)或3.9)，所以tisin層214'可以用于與下面的柵極氧化物層215'協(xié)調(diào)以提高柵極結(jié)構(gòu)200的性能。

就長溝道晶體管而言，閾值電壓由施加至源極/漏極區(qū)域之間的溝道的守恒電荷以及包括tin層和tisin層的功函數(shù)金屬(wfm)的特點確定。然而，隨著半導(dǎo)體器件的按比例縮小，柵極結(jié)構(gòu)200的寬度和柵極氧化物層215'的厚度以及s/d區(qū)域之間的更近的結(jié)(closerjunctions)不斷減小，從而導(dǎo)致短溝道晶體管。就短溝道晶體管而言，隨著溝道長度減少，閾值電壓出現(xiàn)衰減，并且因此閾值電壓不僅受到wfm堆疊件212'影響，還受到更近的結(jié)的影響。

為了抵消短溝道晶體管中的短溝道效應(yīng)(sce)和熱載荷效應(yīng)(hce)，s/d區(qū)域的位于柵極結(jié)構(gòu)200下面的部分被輕摻雜，形成輕摻雜漏極/源極(ldd)區(qū)域112，還稱為源極/漏極延伸(sde)區(qū)域。然而，僅摻雜ldd區(qū)域112顯示出對于克服sce的有限的影響以及對于短溝道器件中的閾值電壓的控制的更加有限的作用。

還通過摻雜wfm堆疊件212'來改善閾值電壓的調(diào)制。對于n型晶體管(nfet)來說，如果通過n型摻雜劑摻雜wfm堆疊件212'中的tisin層214'和tin層213'，那么可以降低閾值電壓。相反地，如果通過p型摻雜劑摻雜wfm堆疊件212'中的tisin層214'和tin層213'，那么可以提高閾值電壓。對于p型晶體管(pfet)來說，閾值電壓的調(diào)制是相反的。為了實現(xiàn)wfm堆疊件212'的摻雜，需要額外的層來用作柵極結(jié)構(gòu)200中的摻雜劑施主(donors)。

根據(jù)各個實施例，形成位于柵極結(jié)構(gòu)200的側(cè)壁上面的間隔件220'。高濃度的摻雜劑密封在間隔件220'中以形成摻雜的間隔件220，從而用作wfm堆疊件212'的摻雜劑施主。如果柵極堆疊件210和柵極堆疊件210下面的襯底102形成n型晶體管，那么摻雜的間隔件220摻雜有硼(b)或其他p型摻雜劑，以增加閾值電壓并且減小由sce導(dǎo)致的泄漏電流。如果柵極堆疊件210和柵極堆疊件210下面的襯底102形成p型晶體管，那么摻雜的間隔件220摻雜有砷(as)或其他n型摻雜劑，以增加閾值電壓并且抵消由sce導(dǎo)致的泄漏電流。

摻雜的間隔件220的摻雜濃度為大約5×10²⁰原子/立方厘米至大約5×10²¹原子/立方厘米，以提供至wfm堆疊件212'中的足夠的摻雜劑。在一些實施例中，摻雜的間隔件220由以下介電材料制成，包括氮化硅(sin)、氮氧化硅(sion)、碳化硅(sic)、碳氧化硅(sioc)、碳氮氧化硅(sicon)、氟氧化硅(siof)或它們的組合。

在一些實施例中，通過熱工藝的集合來促使摻雜劑的固態(tài)擴散(sfd)從摻雜的間隔件220至wfm堆疊件212'，導(dǎo)致包括摻雜的tisin層214和摻雜的tin層213的摻雜的功函數(shù)金屬(wfm)堆疊件212和摻雜的柵極氧化物層215。由于摻雜的wfm堆疊件212中的摻雜劑與摻雜的氧化物層300中的摻雜劑和摻雜的間隔件220中的摻雜劑相同，所以nmos和n型finfet中的摻雜劑是硼，而pmos和p型finfet中的摻雜劑是砷。在一些實施例中，在比摻雜的間隔件220的濃度低或由于擴散梯度而在低于大約5×10²⁰原子/立方厘米至大約5×10²¹原子/立方厘米的濃度下對摻雜的wfm堆疊件212進行摻雜。

取決于柵極堆疊件210下面的襯底102的輪廓，可以在不同類型的fet中出現(xiàn)從摻雜的間隔件220至wfm堆疊件中的摻雜劑的固態(tài)擴散(sfd)。在一些實施例中，襯底102包含源極區(qū)域110和漏極區(qū)域111，其可以一起稱為源極/漏極(s/d)區(qū)域。襯底102可以嵌入基底層(未示出)中，并且因此，柵極堆疊件210可以位于基底層以及襯底102的介于源極區(qū)域110和漏極區(qū)域111之間的頂面上方，這形成了平面集成電路結(jié)構(gòu)，還稱為mosfet。

在一些其他的實施例中，具有源極區(qū)域110和漏極區(qū)域111的襯底102是位于基底層上面的凸起的區(qū)域，從而形成三維鰭結(jié)構(gòu)。柵極堆疊件210位于基底層和一個或多個凸起的鰭結(jié)構(gòu)上方，從而形成三維集成電路結(jié)構(gòu)，還稱為finfet。

在一些實施例中，襯底102的材料包括：硅；硅鍺；碳化硅；砷化鎵；磷化鎵；磷化銦；砷化銦；銻化銦；包括sige、gaasp、alinas、algaas、gainas、gainp、gainasp的合金半導(dǎo)體；或它們的組合。在各個實施例中，可以通過鄰近s/d區(qū)域的淺溝槽隔離(sti)區(qū)域來隔離不同組s/d區(qū)域。sti區(qū)域可以由介電材料組成，諸如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、摻雜氟的硅酸鹽玻璃和它們的組合。

可以通過諸如光刻和蝕刻的任何合適的工藝制造襯底102。光刻可以包括：在襯底102上方形成(如，旋涂)光刻膠層(未示出)、軟烘、掩模對準(zhǔn)、通過曝光圖案化光刻膠層、操作曝光后烘焙、以及顯影圖案以形成在執(zhí)行蝕刻以形成襯底102時用作襯底的保護部件的光刻膠掩模。

在一些實施例中，為了進一步完成wfm堆疊件212'，氧化物層300'可以形成在襯底102上以覆蓋襯底102的暴露的表面。換句話說，氧化物層300'形成在襯底102的表面上以圍繞柵極堆疊件210或者形成在襯底102的未與柵極堆疊件210接觸的表面上。還為了用作wfm堆疊件212'的摻雜劑施主，氧化物層300'還摻雜有高濃度的摻雜劑以形成摻雜的氧化物層300。當(dāng)柵極堆疊件210和位于柵極堆疊件210下面的襯底102形成諸如n型mosfet(nmos)或n型finfet的nfet時，摻雜的氧化物層300摻雜有硼(b)或其他p型摻雜劑。當(dāng)柵極堆疊件210和位于柵極堆疊件210下面的襯底102形成諸如p型mosfet(pmos)或p型finfet的pfet時，摻雜的氧化物層300摻雜有砷(as)或其他n型摻雜劑。

摻雜的氧化物層300的摻雜濃度為大約5×10²⁰原子/立方厘米至大約5×10²¹原子/立方厘米，以提供至wfm堆疊件212'中的足夠的摻雜劑并且有助于摻雜的wfm堆疊件212的形成。在一些實施例中，摻雜的氧化物層300由以下介電材料制成，諸如：氧化鋁(al2o3)、氧化鑭(la2o3)、氧化鋁鑭(allao3)、氧化鉭(ta2o5)、氧化鈦(tio2)、氧化鉿(hfo2)、二氧化硅(sio2)、氧化鉿硅(hfsio)和氧化鋯(zro2)。

接下來參考圖2，示出了根據(jù)一些實施例的另一半導(dǎo)體器件的截面圖。襯底102包含源極區(qū)域110、漏極區(qū)域111、一組ldd區(qū)域112和一組sti區(qū)域104。在一些實施例中，柵極結(jié)構(gòu)200位于源極區(qū)域110和漏極區(qū)域111之間的襯底102上面。更具體地，柵極結(jié)構(gòu)200位于介于兩個ldd區(qū)域112之間的襯底102上面。摻雜的氧化物層300形成在襯底102上以圍繞柵極結(jié)構(gòu)200，更具體地介于兩個sti區(qū)域104之間。

在各個實施例中，柵極堆疊件210包括金屬柵電極216、位于金屬柵電極216下面的摻雜的功函數(shù)金屬(wfm)堆疊件212、以及位于摻雜的功函數(shù)金屬(wfm)堆疊件212下面的摻雜的柵極氧化物層215。在一些實施例中，摻雜的間隔件220僅位于柵極堆疊件210的側(cè)壁和摻雜的氧化物層300的鄰近柵極堆疊件210的側(cè)壁的部分上面。由于摻雜的氧化物層300和摻雜的間隔件220兩者可以用作摻雜劑施主，并且摻雜的間隔件220的位于柵極結(jié)構(gòu)200的側(cè)壁和摻雜的氧化物層300上面的部分可以完全覆蓋wfm堆疊件212'，所以摻雜的間隔件220的位于摻雜的氧化物層300上面的部分成為可選的，這是因為該部分未與wfm堆疊件212'直接接觸。換句話說，在一些實施例中，摻雜的氧化物層300未被摻雜的間隔件220覆蓋，但是摻雜的氧化物層300鄰近柵極堆疊件210。換句話說，摻雜的間隔件220包括位于柵極堆疊件210的側(cè)壁和鄰近柵極堆疊件210的摻雜的氧化物層300上面的部分、以及位于不鄰近柵極堆疊件210的摻雜的氧化物層300上面的部分。由于摻雜的間隔件220的位于不鄰近柵極堆疊件210的摻雜的氧化物層300上面的部分與wfm堆疊件212'不接觸，所以該部分不能用作摻雜劑施主，并且因此，該部分是可選的。在各個實施例中，鄰近柵極堆疊件210的摻雜的氧化物層300位于ldd區(qū)域112上面，而不鄰近柵極堆疊件210的摻雜的氧化物層300位于s/d區(qū)域和sti區(qū)域104上面。

參考圖3，示出了根據(jù)一些實施例的又一半導(dǎo)體器件的截面圖。襯底102包括源極區(qū)域110、漏極區(qū)域111、介于源極/漏極區(qū)域之間的ldd區(qū)域112、以及鄰近源極/漏極區(qū)域的一組sti區(qū)域104。柵極結(jié)構(gòu)200位于源極區(qū)域110和漏極區(qū)域111之間的襯底102上面。更具體地，柵極結(jié)構(gòu)200形成在介于兩個ldd區(qū)域112之間的襯底102上方。

在一些實施例中，摻雜的間隔件220位于柵極堆疊件210的側(cè)壁和介于兩個sti區(qū)域104之間的襯底102上面。由于摻雜的間隔件220和摻雜的氧化物層300兩者可以用作摻雜劑施主，并且摻雜的柵極氧化物層215的介電功能可以代替摻雜的氧化物層300的介電功能，所以摻雜的氧化物層300成為可選的。換句話說，一旦摻雜的間隔件220位于襯底102上面，就可以利用摻雜的間隔件220來代替摻雜的氧化物層300的摻雜功能，并且因此摻雜的氧化物層300可以是可選的。換句話說，在一些其他的實施例中，半導(dǎo)體器件100不包括摻雜的氧化物層300，并且摻雜的間隔件220位于柵極堆疊件210的側(cè)壁和襯底102的表面兩者上面。(見圖3)。

接下來參考圖4，示出了根據(jù)一些實施例的形成半導(dǎo)體器件的工藝流程圖。在形成半導(dǎo)體器件100中，其中提供具有源極區(qū)域110和漏極區(qū)域111的襯底102，并且執(zhí)行在襯底102上面形成氧化物層300'的過程402。在適當(dāng)?shù)厝コ趸飳?00'的一部分之后，第一柵極堆疊件211可以形成在介于源極區(qū)域110和漏極區(qū)域111之間的襯底102上方，并且間隔件220'可以形成在第一柵極堆疊件211的側(cè)壁上方，以上都包括在過程404中。

在各個實施例中，在形成氧化物層300'、第一柵極堆疊件211和間隔件220'之后，然后進行摻雜氧化物層300'和間隔件220'的過程406，以將氧化物層300'和間隔件220'轉(zhuǎn)變成摻雜劑施主。在摻雜工藝之后，執(zhí)行將wfm堆疊件212'形成為摻雜劑受主(acceptor)的過程408。然后，執(zhí)行對摻雜的氧化物層300和摻雜的間隔件220進行熱處理的過程410，以將摻雜劑的固態(tài)擴散(spd)從摻雜的氧化物層300和摻雜的間隔件220驅(qū)動至wfm堆疊件212'。熱擴散工藝之后是在摻雜的wfm堆疊件212上面形成金屬柵電極216的過程412，以形成第二柵極堆疊件。

參考圖5a，提供襯底102，該襯底具有源極區(qū)域110、漏極區(qū)域111、鄰近源極區(qū)域110和漏極區(qū)域111的內(nèi)側(cè)壁的一對輕摻雜源極/漏極(ldd)區(qū)域112、以及鄰近源極區(qū)域110和漏極區(qū)域111的外側(cè)壁的一對淺溝槽隔離(sti)區(qū)域。形成半導(dǎo)體器件100的第一步是在襯底102上方形成氧化物層300'。形成方法包括化學(xué)汽相沉積(cvd)、等離子體增強的cvd(pecvd)、原子層cvd(alcvd)、低壓cvd(lpcvd)、任何其他適當(dāng)?shù)某练e方法和它們的組合。

參考圖5b，氧化物層300'可以經(jīng)受光刻以蝕刻掉氧化物層300'的位于介于源極區(qū)域110和漏極區(qū)域111之間的襯底102上面的部分、并且留下用于將要在介于源極區(qū)域110和漏極區(qū)域111之間的襯底102上形成第一柵極堆疊件211的空間。光刻可以包括：在氧化物層300'上方形成光刻膠層(未示出)、掩模對準(zhǔn)、通過曝光圖案化光刻膠層、以及顯影圖案以形成光刻膠掩模。在執(zhí)行蝕刻以去除氧化物層300'的位于介于源極區(qū)域110和漏極區(qū)域111之間的襯底102上面的部分時，光刻膠掩模用作氧化物層300'的保護部件。

在氧化物層300'的蝕刻之后，暴露襯底102的介于源極區(qū)域110和漏極區(qū)域111之間的部分，第一柵極堆疊件211可以形成在該部分上。第一柵極堆疊件211還可以稱為偽柵極堆疊件，其可以由諸如多晶硅(poly-si)、多晶硅鍺(poly-sige)、氮化硅(sin)和它們的組合的材料制成。第一柵極堆疊件211的形成之后，間隔件220'可以形成在為沿著第一柵極堆疊件211的側(cè)壁并且位于氧化物層300'的表面上面。形成方法包括化學(xué)汽相沉積(cvd)、等離子體增強的cvd(pecvd)、原子層cvd(alcvd)、低壓cvd(lpcvd)、任何其他適當(dāng)?shù)某练e方法和它們的組合。

接下來參考圖5c，間隔件220'可以在大約5×10²⁰原子/立方厘米至大約5×10²¹原子/立方厘米的濃度下?lián)诫s有諸如硼(b)或砷(as)的摻雜劑，以形成摻雜的間隔件220并且用作wfm堆疊件的摻雜劑施主?？梢酝ㄟ^適當(dāng)?shù)膿诫s方法來摻雜間隔件220'，包括通過原子層沉積(ald)的原位摻雜或通過等離子體沉積或離子金屬等離子體(imp)沉積的非原位摻雜。

在一些實施例中，氧化物層300'可以在大約5×10²⁰原子/立方厘米至大約5×10²¹原子/立方厘米的濃度下?lián)诫s有諸如硼(b)或砷(as)的摻雜劑，以形成作為wfm堆疊件的摻雜劑施主的摻雜的氧化物層300?？梢酝ㄟ^適當(dāng)?shù)膿诫s方法來摻雜氧化物層300'，包括通過等離子體沉積或離子金屬等離子體(imp)沉積的非原位摻雜。

參考圖5d，可以去除第一柵極堆疊件211以暴露介于s/d區(qū)域之間的襯底并且有助于在襯底的暴露表面上形成wfm堆疊件212'。在形成wfm堆疊件212'之前，進行外延工藝或外延生長過程，以促進無定形(amorphous)柵極氧化物層215'的形成。利用高介電常數(shù)或高于3.9的介電常數(shù)，柵極氧化物層215'用作層間介電材料以調(diào)制wfm堆疊件的有效功函數(shù)。在各個實施例中，通過首先沉積tisin層214'、之后通過在tisin層214'上沉積tin層213'，在柵極氧化物層215'上形成wfm堆疊件212'。

接下來參考圖5e，通過熱工藝執(zhí)行wfm堆疊件212'和柵極氧化物層215'的摻雜。熱工藝還可以劃分為兩個階段：后金屬退火(post-metalannealing，pma)和后蓋退火(post-capannealing，pca)。在形成wfm堆疊件212'之后直接進行后金屬退火(pma)以有助于從摻雜的間隔件220和摻雜的氧化物層300至wfm堆疊件212'的tin層213'中的摻雜劑的固態(tài)擴散。在各個實施例中，在大約750℃至大約900℃的溫度下執(zhí)行后金屬退火(pma)并且持續(xù)大約1秒至大約30秒以將摻雜劑迅速地驅(qū)動至wfm堆疊件212'中，同時防止來自ldd區(qū)域112的摻雜劑的不期望的外擴散。

在pma之后，可以在tin層213'上沉積通常由poly-si制成的偽柵電極(還稱為si蓋，未示出)，以用于進一步的熱工藝。在一些實施例中，在形成si蓋之后，隨后進行后蓋退火(pca)以將來自摻雜的間隔件220和摻雜的氧化物層300的摻雜劑進一步驅(qū)動至tin層213'和tisin層214'中。在各個實施例中，在大約800℃至大約1000℃的溫度下執(zhí)行后蓋退火(pca)并且持續(xù)大約1秒至大約10秒以將摻雜劑迅速地驅(qū)動至wfm堆疊件212'中，同時防止來自其他區(qū)域的摻雜劑的不期望的外擴散。

pma和pca的進行不僅形成包括摻雜的tin層213和摻雜的tisin層214的摻雜的wfm堆疊件212，還形成了位于摻雜的wfm堆疊件212下面的摻雜的柵極氧化物層215。在形成摻雜的wfm堆疊件212之后，可以去除si蓋以暴露摻雜的wfm堆疊件212的頂面。

參考圖5f，在通過諸如反應(yīng)離子蝕刻(rif)或高密度等離子體(hdp)蝕刻的適當(dāng)?shù)姆椒ㄈコ齭i蓋之后，金屬柵電極216可以沉積在摻雜的tin層213上以形成第二柵極堆疊件(還稱為柵極堆疊件210)，該第二柵極堆疊件是高k/金屬柵極結(jié)構(gòu)的一部分。在一些實施例中，通過利用金屬柵電極216來代替si蓋，可以實現(xiàn)摻雜的wfm堆疊件212中的功函數(shù)的改善以及摻雜的wfm堆疊件212、金屬柵電極216和摻雜的柵極氧化物層300之間的協(xié)調(diào)。

根據(jù)以上所述以及各個實施例，使用摻雜的間隔件220和摻雜的氧化物層300來對wfm堆疊件212'進行熱摻雜，與此同時，采用高k柵極氧化物層215'和金屬柵電極216可以微調(diào)柵極結(jié)構(gòu)200的閾值電壓、減少由短溝道效應(yīng)導(dǎo)致的泄漏電流、以及增強半導(dǎo)體器件100的性能以及高密度進程。

根據(jù)一些實施例，柵極結(jié)構(gòu)200包括柵極堆疊件210和位于柵極堆疊件210的側(cè)壁上面的摻雜的間隔件220。柵極堆疊件210包含摻雜的功函數(shù)金屬(wfm)堆疊件212和位于摻雜的wfm堆疊件212上面的金屬柵電極216。

根據(jù)一些實施例，半導(dǎo)體器件100包括襯底102、柵極堆疊件210、摻雜的間隔件220和摻雜的氧化物層300。襯底102具有源極區(qū)域110和漏極區(qū)域111、以及位于襯底102上面并且介于源極區(qū)域110和漏極區(qū)域111之間的柵極堆疊件210。柵極堆疊件210包括摻雜的柵極氧化物層215、位于摻雜的柵極氧化物層215上面的摻雜的功函數(shù)金屬(wfm)堆疊件212、以及位于摻雜的wfm堆疊件212上面的金屬柵電極216。摻雜的氧化物層300位于襯底102的表面上面。摻雜的間隔件220位于摻雜的氧化物層300上面并且位于柵極堆疊件210的側(cè)壁上面。

根據(jù)一些實施例，形成半導(dǎo)體器件100的方法包括：在具有源極區(qū)域110和漏極區(qū)域111的襯底102上面形成氧化物層300'(過程402)；形成第一柵極堆疊件211和間隔件220'(過程404)；摻雜氧化物層300'和間隔件220'以形成摻雜的氧化物層300和摻雜的間隔件220(過程406)；在襯底上面并且在摻雜的間隔件220之間形成功函數(shù)金屬(wfm)堆疊件212'(過程408)；熱處理摻雜的間隔件220和摻雜的氧化物層300以形成摻雜的wfm堆疊件212(過程410)；以及在摻雜的wfm堆疊件212上面形成金屬柵電極216以形成第二柵極堆疊件210(過程412)。在形成第一柵極堆疊件211和間隔件220'的過程404中，第一柵極堆疊件211位于介于源極區(qū)域110和漏極區(qū)域111之間的襯底102上面，并且間隔件220'位于第一柵極堆疊件211的側(cè)壁上面。

本發(fā)明的實施例提供了一種柵極結(jié)構(gòu)，包括：柵極堆疊件，包括：摻雜的功函數(shù)金屬(wfm)堆疊件；和金屬柵電極，位于所述摻雜的功函數(shù)金屬堆疊件上面；以及摻雜的間隔件，位于所述柵極堆疊件的側(cè)壁上面。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，其中，所述摻雜的功函數(shù)金屬堆疊件摻雜有硼(b)或砷(as)。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，其中，在5×10²⁰原子/立方厘米至5×10²¹原子/立方厘米的濃度下?lián)诫s所述摻雜的間隔件。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，其中，所述摻雜的功函數(shù)金屬堆疊件包括摻雜的tisin層和位于所述摻雜的tisin層上面的摻雜的tin層。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，其中，所述柵極堆疊件包括位于所述摻雜的tisin層下面的摻雜的柵極氧化物層，并且所述摻雜的柵極氧化物層和所述摻雜的tisin層是無定形的。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，其中，所述摻雜的間隔件為氮化硅(sin)、氮氧化硅(sion)、碳化硅(sic)、碳氧化硅(sioc)、碳氮氧化硅(sicon)、氟氧化硅(siof)或它們的組合。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，其中，所述金屬柵電極為cu、al、ni、co、nb、ta、tan、tac、w、wn、wc或它們的組合。

本發(fā)明的實施例還提供了一種半導(dǎo)體器件，包括：襯底，具有源極區(qū)域和漏極區(qū)域；柵極堆疊件，位于介于所述源極區(qū)域和所述漏極區(qū)域之間的襯底上面，所述柵極堆疊件包括：摻雜的柵極氧化物層；摻雜的功函數(shù)金屬(wfm)堆疊件，位于所述摻雜的柵極氧化物層上面；和金屬柵電極，位于所述摻雜的功函數(shù)金屬堆疊件上面；摻雜的氧化物層，位于所述襯底的表面上面；以及摻雜的間隔件，位于所述摻雜的氧化物層上面并且位于所述柵極堆疊件的側(cè)壁上面。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，其中，所述摻雜的功函數(shù)金屬堆疊件、所述摻雜的間隔件和所述摻雜的氧化物層是硼摻雜的。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，其中，所述摻雜的功函數(shù)金屬堆疊件、所述摻雜的間隔件和所述摻雜的氧化物層是砷摻雜的。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，其中，所述襯底是被所述柵極堆疊件跨越的凸起的鰭結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，其中，所述摻雜的氧化物層為氧化鋁(al2o3)、氧化鑭(la2o3)、氧化鉭(ta2o5)、氧化鈦(tio2)、氧化鉿(hfo2)、二氧化硅(sio2)、氧化鋯(zro2)或它們的組合。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，其中，所述摻雜的間隔件僅位于所述柵極堆疊件的側(cè)壁和所述摻雜的氧化物層的鄰近所述柵極堆疊件的側(cè)壁的部分上面。

本發(fā)明的實施例還提供了一種形成半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括：在襯底上面形成氧化物層，所述襯底具有源極區(qū)域和漏極區(qū)域；形成第一柵極堆疊件和間隔件，其中，所述第一柵極堆疊件位于介于所述源極區(qū)域和所述漏極區(qū)域之間的襯底上面，并且所述間隔件位于所述第一柵極堆疊件的側(cè)壁上面；摻雜所述氧化物層和所述間隔件，以形成摻雜的氧化物層和摻雜的間隔件；在所述襯底上面并且在所述摻雜的間隔件之間形成功函數(shù)金屬(wfm)堆疊件；熱處理所述摻雜的間隔件和所述摻雜的氧化物層，以形成摻雜的功函數(shù)金屬堆疊件；以及在所述摻雜的功函數(shù)金屬堆疊件上面形成金屬柵電極，以形成第二柵極堆疊件。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，方法還包括：在所述摻雜的氧化物層上面形成間隔件。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，其中，熱處理所述摻雜的氧化物層和所述摻雜的間隔件包括后金屬退火(pma)的工藝和后蓋退火(pca)的工藝。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，其中，在750℃至900℃的溫度下執(zhí)行所述后金屬退火(pma)并且持續(xù)1秒至30秒。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，其中，在800℃至1000℃的溫度下執(zhí)行所述后蓋退火(pca)并且持續(xù)1秒至10秒。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，其中，摻雜所述氧化物層和所述間隔件包括利用原子層沉積(ald)的間隔件的原位摻雜或利用等離子體沉積或離子金屬等離子體(imp)沉積的間隔件的非原位摻雜。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，其中，摻雜所述氧化物層和所述間隔件包括利用等離子體沉積或離子金屬等離子體(imp)沉積的氧化物層的非原位摻雜。

以上論述了若干實施例的部件，使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更好地理解本發(fā)明的各個方面。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，可以很容易地使用本發(fā)明作為基礎(chǔ)來設(shè)計或更改其他的處理和結(jié)構(gòu)以用于達到與本發(fā)明所介紹實施例相同的目的和/或?qū)崿F(xiàn)相同優(yōu)點。本領(lǐng)域技術(shù)人員也應(yīng)該意識到，這些等效結(jié)構(gòu)并不背離本發(fā)明的精神和范圍，并且在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進行多種變化、替換以及改變。