[发明专利]包含通过沉积金属氧化物而形成的阈电压控制层的含氮场效应晶体管栅叠层

说明书

技术领域

本发明总体涉及半导体器件，尤其涉及互补金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)结构，该结构包含能够充分控制该结构的阈电压V_t的层，其中该层在本文中称为V_t稳定层。本发明还涉及制造这种MOSFET结构的方法。

背景技术

在标准硅互补金属氧化物半导体(CMOS)技术中，p型场效应晶体管(pFET)使用掺硼(或其它受体)的p型多晶硅层作为栅电极，其中该多晶硅层沉积在二氧化硅或氧氮化硅栅介质层上。通过该多晶硅层施加栅压，以在该栅介质层下面的n型硅中形成反型沟道。

为了pFET正常工作，应当在给多晶硅(多晶-硅)栅电极施加微负的电压处开始出现反转。这是由于如图1所示的栅叠层结构的能带对准(bandalignment)而出现的。具体地说，图1示出在典型的pFET中多晶硅/栅氧化物栅叠层在零栅偏压时的近似能带对准。在图1中，E_c、E_v和E_f分别是硅中的导带边缘、价带边缘和费米能级。多晶硅/栅氧化物/n型硅叠层形成这样一种电容器，该电容器在大约0V处转向反转状态，在大约+1V处转向积累状态(这取决于衬底的掺杂)。阈电压V_t可以解释为开始出现反转时的电压，所以阈电压V_t近似为0V，平带电压是刚刚超出电容器开始转向积累时的电压，近似为+1V。阈电压和平带电压的确切值都取决于硅衬底中的掺杂浓度，并且可以通过选择适当的衬底掺杂浓度而稍有变化。

在以后的技术中，二氧化硅或氧氮化硅介质将被具有较高介电常数的栅极材料替代。这些材料称为“高k”材料，其中术语“高k”表示其介电常数大于4.0、优选大于约7.0的绝缘材料。除非另有指出，本文所提及的介电常数是相对于真空而言的。在各种可能的材料中，二氧化铪、硅酸铪或氧氮化铪硅可能是替代常规栅介质的最合适的候选材料，因为它们在高温下具有良好的热稳定性。

然而，当使用例如二氧化铪或硅酸铪的介质制造p型场效应晶体管时，人们熟知的问题是，器件的平带电压从接近大约+1V的理想位置漂移到大约0+/-300mV。平带电压的这种漂移在2003年Symposium on VLSITechnology Digest of Technical Papers的C.Hobbs等人的标题为“FermiLevel Pinning at the Poly-Si/Metal Oxide Interface”中有所公开。因此，该器件的阈电压漂移到大约-1V。该阈电压漂移被认为是由于铪基栅氧化物层和多晶硅层之间的紧密的相互作用的结果。一个模型(例如，参见C.Hobbs等人的如上论文)推测，这种相互作用将使得多晶硅-栅氧化物界面的硅带隙中的态密度增加，从而导致“费米能级钉扎”现象。因此，该阈电压并没有在“合适的”位置上，即，对于可用的CMOS(互补金属氧化物半导体)技术，该阈电压太高。

解决上述阈电压漂移问题的一种可行方案是通过衬底设计，其中，沟道注入可以用来使阈电压漂移。虽然衬底设计是稳定阈电压漂移的一种可行方法，但是它只能在有限的范围内稳定阈电压漂移，对于包含栅叠层的FET是不够的，其中所述栅叠层包括多晶硅栅电极和含铪的高介电常数栅介质。

解决上述MOSFET中的阈电压控制问题的另一种可行方案是，使用含金属氮化物的材料，并且将该材料置于高k栅介质和栅电极之间，其中所述含金属氮化物的材料可选地包含氧，例如，Al(O)N。

考虑上述阈电压和平带电压漂移的问题，对于这种FET，几乎不可能开发出能够稳定阈电压和平带电压的CMOS技术。因此，需要能够稳定含栅叠层的FET的阈电压和平带电压的方法和结构。

发明内容

本发明通过在栅介质和栅电极之间设置V_t稳定层来解决上述阈电压和平带电压漂移的问题。由于空间上隔开，在本发明中所用的V_t稳定层能够防止栅介质和栅电极之间相互作用。而且，本发明中所用的V_t稳定层具有足够高的介电常数(在大约4.0或更大的数量级上)，使得添加该稳定层时栅电容有最小的下降(由于电容串联的作用)。本发明中所用的V_t稳定层可以至少部分离解以在近界面层中提供p型掺杂剂源，从而确保近界面栅电极的p型性质，并且它可以防止杂质从栅介质向外扩散到栅电极以及从栅电极扩散到栅介质。