專利名稱：一種隔離結(jié)構(gòu)及制造方法、以及具有該結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體設(shè)計(jì)及其制造領(lǐng)域，特別涉及一種半導(dǎo)體器件的隔離結(jié)構(gòu)及其制造方法，以及具有該結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，晶體管尺寸不斷縮小，器件和系統(tǒng)的速度隨之提高。在這種尺寸減小的晶體管中，柵介質(zhì)層例如S^2的厚度也隨之變薄。然而，當(dāng)S^2的厚度薄到一定程度時(shí)，其將不再能很好地起到絕緣的作用，容易產(chǎn)生從柵極到有源區(qū)的漏電流。這使得器件性能極大惡化。為此，為替代常規(guī)的SiO2/多晶硅的柵堆疊結(jié)構(gòu)，提出了高k材料/金屬柵堆疊結(jié)構(gòu)。所謂高k材料是指介電常數(shù)k大于3. 9的材料。例如，高k材料可以包括Hf02、HfSi0、 HfSiON、HfTaO, HfTiO, HfZrO, Al2O3或La2O3等。通過使用這種高k材料作為柵介質(zhì)層，可以極大程度上克服上述漏電流問題。在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)知道，在作為柵介質(zhì)層的材料中加入La等材料，將能夠有效地降低晶體管的閾值電壓(Vt)，這有助于改善器件性能。然而，La等材料的這種降低閾值電壓Vt的有效性受到多種因素的影響。例如，在參考文獻(xiàn)1(M. Inoue et al，“Impact of Area Scaling on Threshold Voltage Lowering inLa-Containing High-k/Metal Gate NMOSFETs Fabricated on(100)and(110)Si”，2009 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers, pp. 40-41)中，對(duì)La的這種有效性進(jìn)行了詳細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)存在著較強(qiáng)的窄溝道效應(yīng)(即，柵極寬度越窄，La的有效性越低)和角效應(yīng)(即，溝道區(qū)的圓角影響La的有效性)。隨著溝道不斷變窄，柵介質(zhì)層的有效性在溝道區(qū)的范圍內(nèi)受到影響。因此有必要進(jìn)一步采取其他措施，以便有效應(yīng)對(duì)閾值電壓Vt的降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在至少解決上述問題之一，特別是解決柵介質(zhì)層的有效性受窄溝道效應(yīng)影響，而導(dǎo)致晶體管的閾值電壓發(fā)生偏移的問題。因此，一方面，本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體器件的隔離結(jié)構(gòu)，包括溝槽，嵌入于半導(dǎo)體襯底中；氧化層，覆蓋所述溝槽的底壁和側(cè)壁；以及隔離材料，位于所述氧化層上的溝槽中；其中，位于所述溝槽側(cè)壁的上部的氧化層中包括富鑭氧化物。另一方面，本發(fā)明提供了一種具有該隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，包括半導(dǎo)體襯底； 隔離結(jié)構(gòu)，嵌入于所述半導(dǎo)體襯底中，所述隔離結(jié)構(gòu)包括溝槽，嵌入于半導(dǎo)體襯底中；氧化層，覆蓋所述溝槽的底壁和側(cè)壁；以及隔離材料，位于所述氧化層上的溝槽中；其中，位于所述溝槽側(cè)壁的上部的氧化層中包括富鑭氧化物；柵極區(qū)，位于所述半導(dǎo)體襯底上；以及源/漏區(qū)，位于所述柵極區(qū)的兩側(cè)且嵌入所述半導(dǎo)體襯底中。再一方面，本發(fā)明還提供了一種制造半導(dǎo)體器件的隔離結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括提供半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底內(nèi)形成溝槽；在所述溝槽的底壁和側(cè)壁形成氧化層，其中，位于所述溝槽側(cè)壁的上部的氧化層中包括富鑭氧化物；在所述氧化層上，采用隔離材料填充所述溝槽。在本發(fā)明的實(shí)施例中，如果氧化物中鑭元素的重量含量大于5%，那么這種氧化物被稱為富鑭氧化物。本發(fā)明通過在半導(dǎo)體襯底中形成溝槽后，在溝槽側(cè)壁的上部形成富鑭區(qū)域，形成氧化層后，氧化層中與富鑭區(qū)域相鄰的部分則形成富鑭氧化物，由于該富鑭氧化物中的金屬鑭會(huì)擴(kuò)散到柵介質(zhì)層中，因此能夠降低由于窄溝道效應(yīng)帶來(lái)的影響，并且大大減小了溝道圓角對(duì)鑭的有效性的影響，同時(shí)可以對(duì)器件的閾值電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。本發(fā)明的實(shí)施例能夠降低工藝的復(fù)雜度，減少鑭的使用。


圖1-7示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制造隔離結(jié)構(gòu)的各個(gè)階段的截面示意圖；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例具有該隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的截面示意圖。
具體實(shí)施例方式下文的公開提供了許多不同的實(shí)施例或例子用來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。為了簡(jiǎn)化本發(fā)明的公開，下文中對(duì)特定例子的部件和設(shè)置進(jìn)行描述。當(dāng)然，它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明可以在不同例子中重復(fù)參考數(shù)字和/或字母。這種重復(fù)是為了簡(jiǎn)化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實(shí)施例和/或設(shè)置之間的關(guān)系。此夕卜，本發(fā)明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識(shí)到其他工藝的可應(yīng)用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之 “上”的結(jié)構(gòu)可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實(shí)施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之間的實(shí)施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。應(yīng)當(dāng)注意，在附圖中所圖示的部件不一定按比例繪制。本發(fā)明省略了對(duì)公知組件和處理技術(shù)及工藝的描述以避免不必要地限制本發(fā)明。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的隔離結(jié)構(gòu)209，包括溝槽205，嵌入于半導(dǎo)體襯底200中；氧化層207，覆蓋所述溝槽205的底壁和側(cè)壁；以及隔離材料210，位于所述氧化層207上的溝槽中；其中，位于所述溝槽205側(cè)壁的上部的氧化層207中包括富鑭氧化物206。其中，如果鑭元素的含量大于5%，那么將這樣的氧化物稱為富鑭氧化物；在本發(fā)明的實(shí)施例中，形成的富鑭氧化物206包括以下的任一種或多種的組合La203、LaAlO, LaHfO、LaZrO0其中，所述隔離材料210可以包括氮化物、氧化物或其組合。其中，所述氧化層207的厚度可以為l-20nm。其中，與所述溝槽205側(cè)壁的上部的氧化層鄰接的半導(dǎo)體襯底區(qū)域?yàn)楦昏|區(qū)域 208。此外，圖7示出了具有上述隔離結(jié)構(gòu)209的半導(dǎo)體器件，所述器件包括半導(dǎo)體襯底200 ；形成于半導(dǎo)體襯底200內(nèi)的隔離結(jié)構(gòu)209 ；形成于半導(dǎo)體襯底200上的柵堆疊300 ；
5以及形成于柵堆疊300兩側(cè)的源/漏區(qū)220。 其中，所述隔離結(jié)構(gòu)209包括溝槽205，嵌入于半導(dǎo)體襯底200中；氧化層207，覆蓋所述溝槽205的底壁和側(cè)壁；以及隔離材料210，位于所述氧化層207上的溝槽中；其中， 位于所述溝槽205側(cè)壁的上部的氧化層207中包括富鑭氧化物206?？蛇x地，柵堆疊300的側(cè)壁包括側(cè)墻216。優(yōu)選地，其中所述隔離材料210可以包括氮化物、氧化物或其組合；其中所述氧化層207的厚度可以為l-20nm ；所述富鑭氧化物中鑭元素的含量大于5%；與所述溝槽側(cè)壁的上部的氧化層鄰接的半導(dǎo)體襯底區(qū)域?yàn)楦昏|區(qū)域208 ；其中，所述富鑭氧化物包括以下的任一種或多種的組合La203、LaAlO, LaHfO, LaZrO0本發(fā)明實(shí)施例通過在半導(dǎo)體襯底中形成溝槽后，在溝槽側(cè)壁的上部形成富鑭區(qū)域，形成氧化層后，氧化層中與富鑭區(qū)域相鄰的部分則形成富鑭氧化物，由于該富鑭氧化物中的金屬鑭會(huì)擴(kuò)散到柵介質(zhì)層中，因此能夠降低由于窄溝道效應(yīng)帶來(lái)的影響，同時(shí)可以對(duì)器件的閾值電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。本發(fā)明的實(shí)施例能夠降低工藝的復(fù)雜度，減少鑭的使用。以下將具體描述形成本發(fā)明上述半導(dǎo)體器件的隔離結(jié)構(gòu)以及具有該隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的方法及工藝，還需要說(shuō)明的是，以下步驟僅是示意性的，并不是對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可通過其他工藝實(shí)現(xiàn)。步驟1，參考圖1，提供半導(dǎo)體襯底200。襯底200包括硅襯底(例如晶片)，還可以包括其他基本半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體，例如Ge、GeSi, GaAs, InP, SiC或金剛石等。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)公知的設(shè)計(jì)要求(例如P型襯底或者η型襯底)，襯底200可以包括各種摻雜配置。此外，襯底200可以可選地包括外延層，可以被應(yīng)力改變以增強(qiáng)性能，以及可以包括絕緣體上硅(SOI)結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底200選用Si襯底。步驟2，在所述半導(dǎo)體襯底200內(nèi)形成溝槽205，如圖2所示。具體的形成方法可以是首先，在半導(dǎo)體襯底200上形成氧化物襯墊202和氮化物襯墊204至少其中之一；其中，氧化物襯墊202可以是二氧化硅等，氮化物襯墊204可以是氮氧化硅等，可以采用熱氧化的工藝或者其他淀積工藝，例如化學(xué)氣相淀積(CVD)、物理氣相淀積(PVD)、脈沖激光淀積(PLD)、原子層淀積(ALD)、等離子體增強(qiáng)原子層淀積(PEALD)或其他方法。而后，在氮化物襯墊204上形成掩膜；其中掩膜覆蓋的區(qū)域?yàn)橛性磪^(qū)，暴露區(qū)域?yàn)楦綦x區(qū)。利用刻蝕技術(shù)，如反應(yīng)性離子蝕刻法(RIE，Reactive IonEtching)，刻蝕氮化物襯墊204和/或氧化物襯墊202，直至露出半導(dǎo)體襯底200上預(yù)形成隔離溝槽的區(qū)域，并去除氮化物襯墊204上的掩膜，而后，以氮化物襯墊204為掩膜，刻蝕(如RIE)半導(dǎo)體襯底200以形成溝槽205。步驟3，如圖3所示，在所述溝槽205的底壁和側(cè)壁形成氧化層207，其中，位于所述溝槽側(cè)壁的上部的氧化層中包括富鑭氧化物206。可以通過以下列舉的兩種方法中的任意一種實(shí)現(xiàn)。方法一利用溝槽205所形成的開口，在溝槽205側(cè)壁的上部采用傾角蒸發(fā)沉積金屬鑭，從而使得與所述溝槽205側(cè)壁的上部的氧化層鄰接的半導(dǎo)體襯底區(qū)域?yàn)楦昏|區(qū)域208，其中，蒸發(fā)金屬鑭的角度可以根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選擇；然后在溝槽205的底壁和側(cè)壁上形成氧化層207，例如可以在氧氛圍中對(duì)所述襯底進(jìn)行退火以形成氧化層207。在形成氧化層207的過程中，所述富鑭區(qū)域208中的金屬鑭與位于溝槽205側(cè)壁的上部的氧化層207 結(jié)合形成富鑭氧化物206。方法二 對(duì)溝槽205進(jìn)行傾角離子注入金屬鑭，從而使得與所述溝槽205側(cè)壁的上部的氧化層鄰接的半導(dǎo)體襯底區(qū)域?yàn)楦昏|區(qū)域208，其中，離子注入金屬鑭的角度可以根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選擇；然后在溝槽205的底壁和側(cè)壁上形成氧化層207，例如可以在氧氛圍中對(duì)所述襯底進(jìn)行退火以形成氧化層207。在形成氧化層207的過程中，所述富鑭區(qū)域208中的金屬鑭與位于溝槽205側(cè)壁的上部的氧化層207結(jié)合形成富鑭氧化物 206。由于只需要在溝槽側(cè)壁的上部形成富鑭區(qū)域，降低了工藝的復(fù)雜度，同時(shí)減少了鑭的使用，有利于節(jié)省成本。以上兩種方法僅為示例，本發(fā)明并不局限于此。形成的富鑭氧化物206包括以下的任一種或多種的組合La203、LaAlO, LaHfO, LaZrO ；富鑭氧化物206中鑭元素的質(zhì)量含量大于5% ；富鑭區(qū)域208中鑭元素的質(zhì)量含量大于5%。步驟4，在所述溝槽205內(nèi)填充隔離材料210以形成隔離結(jié)構(gòu)209，如圖5所示。具體地，首先將隔離材料填入溝槽205中，所述隔離材料210可以為氮化物、氧化物或其組合， 所述隔離材料填滿溝槽205，并直至覆蓋所述氮化物襯墊204，而后，進(jìn)行平坦化處理，例如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)，直至暴露出所述氮化物襯墊204。而后，繼續(xù)進(jìn)行平坦化處理，進(jìn)一步去除氮化物襯墊204、氧化物襯墊202以及溝槽205之上的部分絕緣物質(zhì)，直至暴露半導(dǎo)體襯底200，以及溝槽205，如圖6所示，從而形成了由隔離材料填滿所述溝槽205內(nèi)形成的隔離結(jié)構(gòu)209。而后，可以進(jìn)一步在半導(dǎo)體襯底200上形成所需的器件結(jié)構(gòu)，通常包括形成柵堆疊300及其側(cè)墻216，以及在所述柵堆疊300兩側(cè)形成源極區(qū)和漏極區(qū)220，如圖7所示。其中，側(cè)墻216可以根據(jù)需要為一層或多層結(jié)構(gòu)，本發(fā)明對(duì)此不作限制。如圖8所示為與圖1-7方向垂直的器件結(jié)構(gòu)剖面圖，示意鑭元素?cái)U(kuò)散到柵介質(zhì)層中的情況。本發(fā)明通過在半導(dǎo)體襯底中形成溝槽后，在該溝槽側(cè)壁的上部形成富鑭區(qū)域，在溝槽內(nèi)形成氧化層后，富鑭區(qū)域的鑭元素與相鄰的氧化層結(jié)合從而形成富鑭氧化物，由于該富鑭氧化物中的金屬鑭會(huì)擴(kuò)散到柵介質(zhì)層的拐角處222，如圖8所示，因此能夠降低由于窄溝道效應(yīng)帶來(lái)的影響，并且大大減小了溝道圓角對(duì)鑭的有效性的影響，同時(shí)可以對(duì)器件的閾值電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，具有該結(jié)構(gòu)的溝槽能夠提高隔離效果，進(jìn)一步阻擋漏電流，從而保證器件的穩(wěn)定性和性能。本發(fā)明的實(shí)施例能夠降低工藝的復(fù)雜度，減少鑭的使用。本發(fā)明實(shí)施例適用于半導(dǎo)體器件工藝中的高k/金屬柵工藝。雖然關(guān)于示例實(shí)施例及其優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解在不脫離本發(fā)明的精神和所附權(quán)利要求限定的保護(hù)范圍的情況下，可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行各種變化、替換和修改。對(duì)于其他例子，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)容易理解在保持本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)的同時(shí)，工藝步驟的次序可以變化。此外，本發(fā)明的應(yīng)用范圍不局限于說(shuō)明書中描述的特定實(shí)施例的工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法及步驟。從本發(fā)明的公開內(nèi)容，作為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易地理解，對(duì)于目前已存在或者以后即將開發(fā)出的工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟，其中它們執(zhí)行與本發(fā)明描述的對(duì)應(yīng)實(shí)施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結(jié)果，依照本發(fā)明可以對(duì)它們進(jìn)行應(yīng)用。因此，本發(fā)明所附權(quán)利要求旨在將這些工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟包含在其保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件的隔離結(jié)構(gòu)，包括 溝槽，嵌入于半導(dǎo)體襯底中；氧化層，覆蓋所述溝槽的底壁和側(cè)壁；以及隔離材料，位于所述氧化層上的溝槽中；其中，位于所述溝槽側(cè)壁的上部的氧化層中包括富鑭氧化物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔離結(jié)構(gòu)，其中所述隔離材料包括氮化物、氧化物或其組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔離結(jié)構(gòu)，其中所述氧化層的厚度為l-20nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔離結(jié)構(gòu)，其中，所述富鑭氧化物中鑭元素的含量大于5%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔離結(jié)構(gòu)，其中，與所述溝槽側(cè)壁的上部的氧化層鄰接的半導(dǎo)體襯底區(qū)域?yàn)楦昏|區(qū)域。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的隔離結(jié)構(gòu)，其中，所述富鑭氧化物包括以下的任一種或多種的組合丄￡1203、LaAlO, LaHfO, LaZrO0
7.一種具有如權(quán)利要求1所述的隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，包括 半導(dǎo)體襯底；隔離結(jié)構(gòu)，嵌入于所述半導(dǎo)體襯底中，所述隔離結(jié)構(gòu)包括溝槽，嵌入于半導(dǎo)體襯底中； 氧化層，覆蓋所述溝槽的底壁和側(cè)壁；以及隔離材料，位于所述氧化層上的溝槽中；其中， 位于所述溝槽側(cè)壁的上部的氧化層中包括富鑭氧化物； 柵極區(qū)，位于所述半導(dǎo)體襯底上；以及源/漏區(qū)，位于所述柵極區(qū)的兩側(cè)且嵌入所述半導(dǎo)體襯底中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述富鑭氧化物中鑭元素的含量大于5%。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述富鑭氧化物包括以下的任一種或多種的組合La203> LaAlO, LaHfO, LaZrO0
10.一種制造半導(dǎo)體器件的隔離結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括 提供半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底內(nèi)形成溝槽；在所述溝槽的底壁和側(cè)壁形成氧化層，其中，位于所述溝槽側(cè)壁的上部的氧化層中包括富鑭氧化物；在所述氧化層上，采用隔離材料填充所述溝槽。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述隔離材料包括氮化物、氧化物或其組合。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中在所述溝槽的底壁和側(cè)壁形成氧化層的步驟包括在所述溝槽側(cè)壁的上部通過傾角蒸發(fā)沉積金屬鑭，從而使得與所述溝槽側(cè)壁的上部鄰接的半導(dǎo)體襯底區(qū)域?yàn)楦昏|區(qū)域；在所述溝槽的底壁和側(cè)壁形成氧化層，從而使得位于所述溝槽側(cè)壁的上部的氧化層中形成富鑭氧化物。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述形成富鑭氧化物的步驟包括在所述溝槽側(cè)壁的上部進(jìn)行傾角離子注入金屬鑭，從而使得與所述溝槽側(cè)壁的上部鄰接的半導(dǎo)體襯底區(qū)域?yàn)楦昏|區(qū)域；在所述溝槽的底壁和側(cè)壁形成氧化層，從而使得位于所述溝槽側(cè)壁的上部的氧化層中形成富鑭氧化物。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中在形成所述溝槽的步驟之前還包括 在所述半導(dǎo)體襯底上形成氧化物襯墊和氮化物襯墊至少之一的步驟；則在采用隔離材料填充所述溝槽的步驟之后還包括去除所述氧化物襯墊和/或氮化物襯墊的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，所述富鑭氧化物中鑭元素的含量大于5%。
16.根據(jù)權(quán)利要求10至15中任一項(xiàng)所述的方法，其中，形成的富鑭氧化物包括以下的任一種或多種的組合La203、LaAlO, LaHfO, LaZrO0
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體器件的隔離結(jié)構(gòu)及其制造方法、以及具有該結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域。該隔離結(jié)構(gòu)包括溝槽，嵌入于半導(dǎo)體襯底中；氧化層，覆蓋所述溝槽的底壁和側(cè)壁；以及隔離材料，位于所述氧化層上的溝槽中；其中，位于所述溝槽側(cè)壁的上部的氧化層中包括富鑭氧化物。通過采用本發(fā)明的溝槽隔離結(jié)構(gòu)，使得富鑭氧化物中的金屬鑭會(huì)擴(kuò)散到柵堆疊的氧化物層的拐角處，因此能夠降低由于窄溝道效應(yīng)帶來(lái)的影響，同時(shí)可以對(duì)閾值電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。
文檔編號(hào)H01L29/06GK102468210SQ20101054007
公開日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月9日
發(fā)明者尹海洲, 朱慧瓏, 鐘匯才, 駱志炯 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所