阅读说明：本技术 半导体工艺所用的方法 (Method for semiconductor processing ) 是由 李溢芸 赵晟博 于雄飞 张哲豪 黄才育 张惠政 陈弘耀 于 2019-06-11 设计创作，主要内容包括：本发明所述的实施例涉及半导体工艺所用的方法,具体涉及形成装置的栅极结构,比如置换栅极工艺与其形成的装置。在一些例子中,沉积界面介电层与栅极介电层之后,可在控制下的含氮环境中进行快速退火工艺如激光退火或闪光灯退火工艺,以形成氮化部分于栅极介电层中。氮化部分可钝化栅极介电层表面的缺陷,并可作为阻障以避免蚀刻化学剂与来自后续栅极堆叠层的缺陷/掺质影响或扩散穿过栅极介电层。具体而言,毫秒等级的快速热退火工艺可限制氮原子在栅极介电层中,而不会扩散至下方的界面介电层及/或任何相邻的结构如鳍状物。(Embodiments described herein relate generally to methods used in semiconductor processing, and more particularly, to forming gate structures for devices, such as replacement gate processes and devices formed thereby. In some examples, after depositing the interfacial dielectric layer and the gate dielectric layer, a rapid annealing process, such as a laser annealing process or a flash lamp annealing process, may be performed in a controlled nitrogen-containing ambient to form a nitride portion in the gate dielectric layer. The nitrided portion passivates the gate dielectric layer surface defects and acts as a barrier to etch chemistries and defects/dopants from subsequent gate stack layers from affecting or diffusing through the gate dielectric layer. Specifically, the millisecond rapid thermal anneal process may confine nitrogen atoms in the gate dielectric layer from diffusing to the underlying interfacial dielectric layer and/or any adjacent structures, such as fins.)

半导体工艺所用的方法

技术领域

本发明实施例涉及形成装置(如高介电常数介电层/金属栅极的半导体晶体管)的栅极结构。

背景技术

随着半导体产业进展至纳米技术节点，以求更高的装置密度、更高效能、与更低成本时，来自制作与设计问题的挑战造成三维设计(如鳍状场效晶体管)的发展。鳍状场效晶体管通常包含高宽比高的半导体鳍状物，而通道区与源极/漏极区形成其中。沿着鳍状结构的侧壁与上侧形成(如包覆鳍状结构)的栅极，其优点为增加通道表面积，可产生更快、更可信、与更佳控制的半导体晶体管装置。

为降低漏电流与产生等效的场效效能，可在鳍状场效晶体管装置所用的栅极结构中采用高介电常数材料。然而随着尺寸缩小，这些作法存在新的挑战。

发明内容

本发明一实施例提供的半导体工艺所用的方法，包括：顺应性地形成栅极介电层于自基板延伸的鳍状物上，且栅极介电层顺应性地沿着鳍状物上的多个栅极间隔物的多个侧壁；在含氨环境中采用激光退火工艺或闪光灯退火工艺以氮化栅极介电层；以及形成一或多个含金属层于栅极介电层上。

本发明一实施例提供半导体工艺所用的方法，包括：沿着自基板延伸的鳍状物表面形成界面介电层；形成栅极介电层于界面介电层上；在含氨环境中采用激光束或射线放射灯氮化栅极介电层；以及形成金属栅极于栅极介电层上。

本发明一实施例提供结构，包括：具有自基板延伸的鳍状物的基板；沿着鳍状物的表面的无氮界面介电层；鳍状物上的栅极结构；栅极介电层上的功函数调整层；以及功函数调整层上的栅极金属充填层，其中栅极结构包括：界面介电层上的栅极介电层，其具有氮化物部分，且氮化物部分的氮浓度介于约0.5×10²¹原子/cm³至约8×10²¹原子/cm³之间。

附图说明

图1是一些实施例中，鳍状场效晶体管的中间结构的三维图。

图2至图5与图8至图10是一些实施例中，形成半导体装置的方法时的个别中间结构，沿着图1的剖面A-A的剖视图。

图6是一些实施例中，栅极介电层中经激光退火工艺所形成的局部氮化区的中间结构，沿着图1的剖面A-A的剖视图。

图7是一些实施例中，栅极介电层中经闪光灯退火工艺所形成的氮化物层的中间结构，沿着图1的剖面A-A的剖视图。

附图标记说明：

A-A 剖面

40 半导体装置

42 半导体基板

44 隔离区

46 鳍状物

52a、52b 源极/漏极区

62、80 界面介电层

63、85 峰值温度区

64 虚置栅极层

65、83 低温区

66 遮罩层

67 局部氮化区

68 栅极间隔物

69 氮化层

70 源极/漏极区

72 第一层间介电层

73 侧壁

74 凹陷

81 上表面

82 栅极介电层

86 阻障层

87、95 热梯度

89、93 插图

91 激光退火工艺

97 闪光灯退火工艺

100 第一功函数调整层

102 第二功函数调整层

104 阻障/粘着层

106 栅极金属充填层

110 第二层间介电层

112 衬垫

114 硅化物区

116 导电材料

具体实施方式

下述内容提供的不同实施例或实例可实施本发明的不同结构。特定构件与排列的实施例用以简化本发明而非局限本发明。举例来说，形成第一构件于第二构件上的叙述包含两者直接接触，或两者之间隔有其他额外构件而非直接接触。此外，本公开的多种例子中可重复标号，但这些重复仅用以简化与清楚说明，不代表不同实施例及/或设置之间具有相同标号的单元之间具有相同的对应关系。

此外，空间性的相对用语如“下方”、“其下”、“较下方”、“上方”、“较上方”、或类似用语可用于简化说明某一元件与另一元件在图示中的相对关系。空间性的相对用语可延伸至以其他方向使用的元件，而非局限于图示方向。元件亦可转动90°或其他角度，因此方向性用语仅用以说明图示中的方向。

本发明提供的实施例关于形成装置(如高介电常数介电层/金属栅极的半导体晶体管)的栅极结构。具体而言，一些例子在沉积界面层与高介电常数介电层于半导体鳍状结构上之后，在控制下的含氮环境中对高介电常数介电层进行热处理(如高温毫秒退火工艺)，以将氮结合至高介电常数介电层中。毫秒退火工艺可限制氮在高介电常数介电层中，并再活化源极/漏极区中的掺质，且使来自源极/漏极区的掺质扩散最小化。如此一来，可避免短通道效应。含氮环境亦可在退火工艺时避免再生长界面层。除了其他优点以外，还可改善装置劣化的问题如时间相关的介电崩溃，并可改善装置效能。

前述内容广泛地概述本发明的一些实施例。可以预期的是，本发明实施例的概念可实施在平面晶体管装置或三维晶体管装置，比如本发明实施例所述的半导体装置40。此处所述的可实施的一些装置例子包含鳍状场效晶体管、水平全绕式栅极场效晶体管、垂直全绕式栅极场效晶体管、纳米线通道场效晶体管、应变的半导体装置、或绝缘层上硅装置。

图1是一些实施例中，半导体装置40的三维图。在一实施例中，半导体装置40为鳍状场效晶体管的中间结构。本技术领域中技术人员应理解，可调整此处所述的实施例以实施其他内容。虽然附图与内容说明多种步骤，但这些说明并非限制这些步骤的顺序，亦非暗示步骤之间是否存在其他中间步骤。除非特别说明，说明中依序进行的步骤仅用于解释目的，并非排除个别步骤实际上同时进行或在进行时至少部分(不完全)重叠的状况。

半导体装置40包含鳍状物46于半导体基板42上。鳍状物46可自半导体基板42的表面向上延伸。半导体基板42包含隔离区44，且鳍状物46凸起穿过并高于隔离区44。在图示的例子中，鳍状物46自相邻的隔离区44之间凸起。包含界面介电层62、界面介电层62上的虚置栅极层64、虚置栅极层64上的遮罩层66的虚置栅极堆叠，位于鳍状物46的上表面上并沿着鳍状物46的侧壁。源极/漏极区52a与52b位于鳍状物的两侧区域(相对于虚置栅极堆叠)中。图1亦显示后续附图所用的参考剖面A-A。剖面A-A为沿着两侧的源极/漏极区52a与52b之间的鳍状物46中的通道的平面。

图2至图10是一些实施例中，在形成半导体装置时的个别中间结构，沿着图1的剖面A-A的剖视图。半导体装置可为场效晶体管，其可为图1所示的半导体装置40如鳍状场效晶体管结构。如图2所示，半导体基板42具有半导体装置形成其上的至少一部分。半导体基板42可为或包含基体半导体、绝缘层上半导体基板、或类似物，其可掺杂(如掺杂p型掺质或n型掺质)或未掺杂。在一些实施例中，半导体基板42的半导体材料可包含半导体元素如硅或锗、半导体化合物、半导体合金、或上述的组合。一般而言，鳍状物46可形成于半导体基板42中，其形成方法可为采用光刻与蚀刻工艺蚀刻沟槽于半导体基板42中。可沉积绝缘材料如氧化硅、氮化硅、类似物、上述的多层、或上述的组合至沟槽中，并使绝缘材料凹陷以形成隔离区44，且鳍状物46自隔离区44凸起。

虚置栅极堆叠所用的界面介电层62、虚置栅极层64、与遮罩层66可由任何合适的工艺依序形成或沉积，接着图案化这些层状物成虚置栅极堆叠。举例来说，界面介电层62可包含或可为氧化硅、氮化硅、类似物、或上述的多层，而虚置栅极层64可包含或可为硅(如非晶硅或多晶硅)或任何合适材料。遮罩层66可包含或可为氮化硅、氮氧化硅、碳氮化硅、类似物、或上述的组合。接着可图案化界面介电层62、虚置栅极层64、与遮罩层66所用的层状物，以形成虚置栅极堆叠。举例来说，图案化上述层状物的方法可采用光刻与一或多道蚀刻工艺。

如图2所示，栅极间隔物68沿着虚置栅极堆叠的侧壁(如界面介电层62、虚置栅极层64、与遮罩层66的侧壁)形成，并形成于半导体基板42上的鳍状物46上。举例来说，栅极间隔物68的形成方法可为顺应性地沉积栅极间隔物68所用的一或多个层状物，并非等向蚀刻一或多个层状物。栅极间隔物68所用的一或多个层状物可包含或可为氮化硅、氮氧化硅、碳氮化硅、类似物、上述的多层、或上述的组合。

接着形成源极/漏极区70于虚置栅极堆叠两侧上的鳍状物46中。在一些例子中，源极/漏极区70的形成方法可采用虚置栅极堆叠与栅极间隔物68作为遮罩，并布植掺质至鳍状物46中。在其他例子中，可采用虚置栅极堆叠与栅极间隔物68作为遮罩进行蚀刻工艺，使鳍状物46凹陷，接着外延生长外延的源极/漏极区70于凹陷中，如图所示。外延的源极/漏极区70可包含或可为硅锗、碳化硅、磷化硅、锗、III-V族半导体化合物、II-VI族半导体化合物、或类似物。如图所示，外延的源极/漏极区70可***(相对于鳍状物46)。在外延生长时可原位掺杂外延的源极/漏极区70，及/或在外延生长之后布植外延的源极/漏极区70。因此源极/漏极区70的形成方法可为外延生长于虚置栅极堆叠的两侧上，且可搭配布植。

如图3所示，第一层间介电层72形成于半导体基板42的鳍状物46上，并可沿着栅极间隔物68形成。虽然未特别说明，但一些实施例的接点蚀刻停止层可顺应性地形成于半导体基板42的鳍状物46上，并沿着栅极间隔物68形成。第一层间介电层72可形成于接点蚀刻停止层上。一般而言，在形成接点或通孔时，蚀刻停止层可提供停止蚀刻工艺的机制。蚀刻停止层的组成可为介电材料，其蚀刻选择性可与相邻的层状物(如第一层间介电层72)不同。举例来说，接点蚀刻停止层可顺应性地沉积于鳍状物46、虚置栅极堆叠、与栅极间隔物68上。接点蚀刻停止层可包含或可为氮化硅、碳氮化硅、碳氧化硅、氮化碳、类似物、或上述的组合。举例来说，接着沉积第一层间介电层72于接点蚀刻停止层上。第一层间介电层72可包含或可为氧化硅、低介电常数的介电材料(如介电常数低于氧化硅的材料)、氮氧化硅、磷硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、硼磷硅酸盐玻璃、未掺杂的硅酸盐玻璃、氟化硅酸盐玻璃、有机硅酸盐玻璃、碳氧化硅、旋转涂布玻璃、旋转涂布聚合物、碳硅材料、上述的化合物、上述的复合物、类似物、或上述的组合。

在沉积第一层间介电层72之后，可采用化学机械研磨等工艺平坦化第一层间介电层72。第一层间介电层72的上表面经平坦化后，可与虚置栅极层64的上表面共平面，即经第一层间介电层72露出虚置栅极层64。平坦化工艺可移除虚置栅极堆叠的遮罩层66(以及一些例子中的栅极间隔物68的上侧部分)，因此经第一层间介电层72露出虚置栅极堆叠的虚置栅极层64的上表面。

如图4所示，移除虚置栅极堆叠以形成凹陷74于栅极间隔物68之间。一旦自第一层间介电层72露出虚置栅极层64，即移除虚置栅极堆叠的虚置栅极层64与界面介电层62，且移除方法可为一或多道蚀刻工艺。

如图5所示，形成界面介电层80与栅极介电层82于凹陷74中。如图所示的一些例子中，界面介电层80形成于凹陷74所露出的半导体基板42的鳍状物46上，并形成于栅极间隔物68之间。界面介电层80可为热氧化或化学氧化鳍状物46所形成的氧化物(如氧化硅)、氮化物(如氮化硅)、及/或采用任何合适的沉积技术所形成的另一介电层。在一些例子中，可保留虚置栅极堆叠的界面介电层62并在界面介电层80的位置中。在另一例中，界面介电层80可来自多种工艺步骤，比如清洁工艺所形成的原生氧化物。在其他例子中，可省略界面介电层80。

栅极介电层82是顺应性地沉积于凹陷74中，即移除虚置栅极堆叠处(比如位于界面介电层80上，并沿着栅极间隔物68的侧壁73)。栅极介电层82亦位于栅极间隔物68、第一层间介电层72、与接点蚀刻停止层(若采用)的上表面上。栅极介电层82与界面介电层80可称作高介电常数的栅极堆叠。栅极介电层82可为或包含氧化硅、氮化硅、高介电常数的介电材料、上述的多层、或其他介电材料。高介电常数的介电材料的介电常数可高于或等于约7.0，其可包含铪、铝、锆、镧、镁、钡、钛、铅、或上述的组合的金属氧化物或金属硅酸盐。栅极介电层82所用的一些例子可包含但不限于氧化钛、氧化铪、氧化铪锆、氧化钽、氧化铪硅、氧化锆、氧化锆硅、或类似物。在一些实施例中，栅极介电层82为氧化铪。栅极介电层82的沉积方法可为原子层沉积、等离子体增强化学气相沉积、分子束沉积、或任何合适的沉积技术。栅极介电层82的厚度可介于约至约之间，比如约

在形成栅极介电层82于界面介电层80上之后，可在控制下的环境对半导体装置40进行热处理，以掺杂氮至栅极介电层82中。以氮掺杂栅极介电层82可能具有优点，因为氮可钝化栅极介电层82的表面缺陷，比如填入栅极介电层82中的氧空缺及/或连结至栅极介电层82的表面的悬吊键。氮亦可增加栅极介电层82在后续图案化工艺时的抗蚀刻能力，并提供阻障以抵抗来自后续形成于栅极介电层上的栅极堆叠层(如功函数调整层、阻障/粘着层、与栅极金属充填层)的缺陷/掺质扩散。下述的多种热处理可包含采用高温的快速退火工艺，以提供栅极介电层82中所需的氮浓度。这些热处理可避免氮扩散至界面介电层80、鳍状物、及/或任何下方的层状物中。

快速热退火工艺可为任何合适的热工艺，比如激光退火工艺、闪光灯退火工艺、或采用合适光学射线的任何进阶工艺，以在非常短的时间内(比如毫秒等级或更短，例如纳秒等级或甚至匹秒等级)进行退火工艺。在热处理时，预加热半导体基板42并维持在预加热的温度，因此可在已升温的半导体基板42上进行快速热退火工艺，以减少半导体基板42对高温退火工艺的热暴露。预加热温度低到足以避免来自源极/漏极区的掺质产生未控制的扩散，比如低于或等于约800℃。预加热阶段可搭配快速热退火工艺，可帮助限制氮原子移动在栅极介电层82中。

一旦半导体基板42达到预加热温度，可进行快速热退火工艺以进一步加热基板表面或基板的至少部分至退火温度。退火温度可高于或等于栅极介电层82的再结晶温度，但低于栅极介电层82的熔点。快速热退火工艺可自栅极介电层82的区域产生更结晶的结构(与之前沉积的非晶结构相较)。在大部分的状况下，快速热退火工艺可再结晶栅极介电层82的退火区，使其结晶度达到至少40％以上、比如介于约45％至约100％之间，例如介于约50％至约70％之间。

氮可扩散至栅极介电层82的一深度并转换栅极介电层的至少一部分为氮化物部分，端视快速热退火工艺的种类而定。在栅极介电层82为氧化铪的状况下，氮化物部分可为具有铪-氧-氮键的氮氧化铪，或具有铪-氮键的氮化铪。氮化部分的厚度与栅极介电层82的总厚度之间的比例，可介于约1:1.1至约1:2.5之间。若采用激光退火工艺，可沿着并横越栅极介电层82的露出表面形成多个局部氮化区(即氮化部分)，如下详述。若采用闪光灯退火工艺，可沿着并横越栅极介电层82的露出表面形成一致的氮化物层(即氮化部分)。在任何状况下，栅极介电层82中的氮化物部分浓度可沿着栅极介电层82的厚度方向渐变。举例来说，栅极介电层82朝向栅极置换结构的内侧部分(比如远离栅极介电层82的垂直部分形成其上的个别栅极间隔物68，或者远离栅极介电层82的水平部分形成其上的半导体基板42)可具有最大的氮浓度，而栅极介电层82的氮浓度随着离最大浓度的部分的距离增加而减少(比如自置换栅极结构向外的方向远离置换栅极结构)。

图6的插图89为部分放大图，其显示一些实施例中的激光退火工艺91所形成的栅极介电层82中的热梯度87。热梯度87可定义栅极介电层82中的局部氮化区67。可以看到峰值温度区85可形成在栅极介电层82的上表面81(或靠近上表面81)，即激光束撞击的上表面81处。温度自峰值温度区85明显下降至远离峰值温度区85的低温区83。因为激光退火工艺91扫描于上表面81上，且激光束的停留时间为毫秒等级，因此热梯度87可限制在栅极介电层82中，而不会延伸至界面介电层80中。当激光束扫描结束或移动至下一点时，退火能量(与热梯度87)即消散。

图7中的插图93为部分放大图，其显示其他实施例的闪光灯退火工艺97形成热梯度95于栅极介电层82中。由于闪光灯照射为泛光照射工艺，闪光灯可在单一曝光中照射基板表面的所有区域。热梯度95可定义氮化层69于栅极介电层82中。热梯度95可具有峰值温度区63与远离峰值温度区63的低温区65。沿着栅极介电层82的厚度方向降低温度。同样地，由于闪光灯退火工艺97历时极短，热梯度95可限制在栅极介电层82中而不会延伸至界面介电层80。当闪光灯脉冲或关闭时，退火能量与热梯度95即消散。

在激光退火工艺91或闪光灯退火工艺97中，能量可激发退火区中的氮原子运动。在退火能量消散于基板中时，氮原子即实质上冻结在栅极介电层82中的晶格内。因此激光退火工艺91或闪光灯退火工艺97可限制氮原子移动在栅极介电层82的晶格中的，且氮原子不会扩散穿过栅极介电层82的整个厚度。如此一来，氮原子将限制在栅极介电层82中，而不会扩散至界面介电层80及/或鳍状物46中，否则可能导致半导体装置40的品质下降。因此界面介电层80及/或鳍状物46不含氮。在一些实施例中，栅极介电层82中的掺质(如氮原子)浓度可介于约3原子％至约20原子％之间(或介于约0.5×10²¹原子/cm³至约8×10²¹原子/cm³之间)。

在一些实施例中，热处理为在含氮环境下进行的激光退火工艺。通过将含氮气体如氮气、氨、氮气与氢气的组合气体、及/或任何上述的组合导入工艺腔室中，可产生此含氮环境。在一些例子中，采用氨产生含氮环境。若需要的话，含氮气体可视情况混合非反应性气体如氦气、氩气、氖气、氙气、或类似物的一或多者。工艺腔室可为任何合适的工艺腔室，或适于形成与退火栅极介电层82的工艺腔室的组合。

在将含氮气体导入工艺腔室时及/或将含气体导入工艺腔室之前，可预加热基板支撑物(如支撑半导体装置40的晶圆座)并维持在预加热的温度。预加热温度可介于约150℃至约650℃之间，比如介于约200℃至约600℃之间，例如介于约250℃至约500℃之间。基板支撑物维持在预加热温度的时间可介于约2秒至约20秒之间，比如介于约8秒至约10秒之间。接着以来自能量源的激光束进行激光退火工艺，激光束可横越栅极介电层82的露出部分，以形成多个局部氮化区(如图6的局部氮化区67)于栅极介电层82中。激光束可依序施加或扫描至半导体装置40的栅极介电层82的部分。举例来说，激光束可退火栅极介电层82的第一部分，接着可移动半导体基板42及/或激光束，使激光束可退火栅极介电层82的第二部分。

能量源可为任何种类的激光，比如气体激光、准分子激光、固态激光、光纤激光、半导体激光、或类似物。激光束可具有固定的能量通量。在相对于施加至栅极介电层82的表面的能量传输或扫描半导体装置40时(反之亦然)，可施加激光束至栅极介电层82的表面。在任何状况下，激光扫描速率可介于约15mm/秒至约650mm/秒之间，其可取决于应用所需的停留时间。可操作激光束以达所需的波长范围与强度范围。在一些实施例中，激光束的波长介于约200nm至约20微米之间，比如介于约700nm至约1200nm之间，例如介于约950nm至约1000nm之间。激光束的能量密度可介于约0.1W/cm²至约10W/cm²之间。以此方式进行激光退火工艺，可让激光束照射的每一部分瞬间升温至大于或等于约600℃，比如大于或等于约800℃，例如介于约850℃至约1400℃之间。

在激光退火工艺时，腔室压力可维持在大于或等于约40Torr，比如大于或等于约450Torr，例如介于约650Torr至约850Torr之间。在一些实施例中，腔室压力维持在大气压力(760Torr)。激光束的停留时间可介于约0.01毫秒至约100毫秒之间，比如介于约0.1毫秒至约1毫秒之间，例如0.2毫秒。在需要纳秒退火的例子中，激光束的停留时间可介于约1纳秒至约100纳秒之间。

接着关闭能量源以冷却半导体装置40。可采用任何合适技术冷却半导体装置40以冷却基板，比如通过氮、氩、或任何合适的冷却液体如水循环通过基板支撑物。可以预期上述条件的调整取决于欲退火的材料的吸收性质，以及传输与扫描基板的速度(相对于施加至基板的所需区域的激光束)。

在一些实施例中，热处理为在含氨及/或氮气的含氮环境下进行的闪光灯退火工艺。通过将含氮气体如氮气、氨、氮气与氢气的组合气体、及/或任何上述的组合导入工艺腔室中，可产生此含氮环境。在一些例子中，采用氨与氮气产生含氮环境。可由任何所需顺序将氮气与氨分别导入工艺腔室中，或者预混合氮气与氨成气体混合物后再导入工艺腔室中。在任何状况下，环境中的氨体积％可介于约10％至约100％之间，比如介于约40％至约95％之间，比如介于约50％至约85％之间，或介于约65％至约80％之间，且环境中的其他气体为氮气。在一实施例中，环境中的氨体积％为50％。在一实施例中，环境中的氨体积％为70％。可调整体积％以达栅极介电层82所需的结晶度。一般而言，氨的体积％越高，则栅极介电层82的结晶度可能越低。在大部分的状况下，闪光灯退火工艺可再结晶栅极介电层82，其结晶度可为至少40％以上，比如介于约50％至约90％之间，例如介于约50％至约70％之间。

类似地，在含氮气体导入工艺腔室时及/或在含氮气体导入工艺腔室之前，可预加热并维持基板支撑物(如支撑半导体装置40所用的晶圆座)于预加热温度，且预加热温度可介于约450℃至约850℃之间，比如介于约500℃至约820℃之间，例如介于约600℃至约800℃之间。基板支撑物维持在预加热温度的时间可介于约3秒至约20秒之间，比如介于约4秒至约6秒之间。一旦半导体装置40达到预加热温度且稳定后，可由光源的光照射栅极介电层82的露出表面，以进行闪光灯退火工艺。在一些例子中，在氨与氮气的存在下以光照射栅极介电层82的所有露出表面，以形成氮化物层(如图7的氮化层69)于栅极介电层82中。

光源可为多个射线放射灯如氙气、氩气、或氪气放电灯，或卤钨灯。在一些实施例中，光源为氙气闪光灯。在闪光灯退火工艺时，腔室压力可维持在介于约1Torr至约100Torr之间，比如介于约10Torr至约100Torr之间，例如介于约20Torr至约40Torr之间。光的照射能量密度可介于约5J/cm²至约60J/cm²之间，比如介于约10J/cm²至约45J/cm²之间。进行闪光灯退火工艺，使具有光照射其上的栅极介电层82的露出表面暂时升温至高于或等于约600℃，比如高于或等于约800℃，例如介于约850℃至约1400℃之间。照射时间可介于约0.1毫秒至约100毫秒之间，比如介于约0.2毫秒至约5毫秒之间，例如介于约1.4毫秒至约2毫秒之间。

接着关闭光源以冷却半导体装置40。半导体装置40的冷却方法可采用冷却基板的任何技术，比如通过氮、氩、或任何合适的冷却液体如水循环通过基板支撑物。可以预期的是，上述条件与具有光照其上的部分可达的最终温度，可依闪光灯强度与被退火的材料其光学性质而定。

本技术领域中技术人员应理解，上述工艺与参数一样可应用在栅极堆叠中的其他层，比如后续沉积于栅极介电层82上的一或多个阻障及/或盖层与一或多个功函数调整层。本发明所述的参数可依半导体装置结构的个别构件的尺寸及/或应用而改变。

如图8所示，阻障层86顺应性地沉积于栅极介电层82上。阻障层86可包含或可为氮化钽、氮化钽硅、碳氮化钽、氮化钽铝、氮化钛、氮化钛硅、碳氮化钛、氮化钛铝、氮化铝、类似物、或上述的组合，且其沉积方法可为原子层沉积、等离子体增强化学气相沉积、分子束沉积、或任何合适的沉积技术。在一些实施例中，阻障层86为氮化钛硅。阻障层86的厚度可介于约至约之间。

如图9所示，依序形成第一功函数调整层100、第二功函数调整层102、阻障/粘着层104、与栅极金属充填层106于阻障层86上。第一功函数调整层100可顺应性地沉积于阻障层86上。第一功函数调整层100可包含或可为氮化钛、氮化钛硅、碳氮化钛、氮化钛铝、氮化钽、氮化钽硅、碳氮化钽、氮化钨、碳化钨、碳氮化钨、钴、铂、类似物、或上述的组合，且其沉积方法可为原子层沉积、等离子体增强化学气相沉积、分子束沉积、或任何合适的沉积技术。第一功函数调整层100的厚度可介于约至约之间。第二功函数调整层102可顺应性地沉积于第一功函数调整层100上。第二功函数调整层102可包含或可为碳化钛铝、钛铝合金、碳化钽铝、类似物、或上述的组合，且其沉积方法可为原子层沉积、等离子体增强化学气相沉积、分子束沉积、或任何合适的沉积技术。第二功函数调整层102的厚度可介于约至约之间。在一些例子中，可省略第一功函数调整层100与第二功函数调整层102。其他例子可具有功函数调整层的多种其他设置，以达欲形成的装置所需的效能。举例来说，可采用不同数目的功函数调整层，其具有多种材料及/或厚度。在一些例子中，p型场效晶体管与n型场效晶体管可具有不同的功函数调整层。

阻障/粘着层104可顺应性地沉积于第二功函数调整层102上。阻障/粘着层104可包含或可为氮化钛、氮化钛硅、碳氮化钛、氮化钛铝、氮化钽、氮化钽硅、碳氮化钽、氮化钨、碳化钨、碳氮化钨、类似物、或上述的组合，且其沉积方法可为原子层沉积、等离子体增强化学气相沉积、分子束沉积、或任何合适的沉积技术。阻障/粘着层104的厚度可介于约至约之间。接着可沉积栅极金属充填层106于阻障/粘着层104上。栅极金属充填层106可填入移除虚置栅极堆叠处的凹陷74。栅极金属充填层106可为或包括含金属材料如钨、钴、钌、铝、铜、上述的多层、或上述的组合。栅极金属充填层106的沉积方法可为原子层沉积、等离子体增强化学气相沉积、分子束沉积、物理气相沉积、或任何合适的沉积技术。

如图10所示，移除栅极金属充填层106、阻障/粘着层104、第二功函数调整层102、第一功函数调整层100、阻障层86、与栅极介电层82高于第一层间介电层72与栅极间隔物68的上表面的多余部分。举例来说，可采用平坦化工艺(如化学机械研磨)移除栅极金属充填层106、阻障/粘着层104、第二功函数调整层102、第一功函数调整层100、阻障层86、与栅极介电层82高于第一层间介电层72与栅极间隔物68的上表面的部分。因此可形成包含栅极金属充填层106、阻障/粘着层104、第二功函数调整层102、第一功函数调整层100、阻障层86、与栅极介电层82的置换栅极结构。

如图10所示，形成第二层间介电层110。第二层间介电层110沉积于第一层间介电层72、置换栅极结构、与栅极间隔物68上。可在第一层间介电层72与第二层间介电层110之间形成蚀刻停止层。举例来说，蚀刻停止层可沉积于第一层间介电层72、置换栅极结构、与栅极间隔物68上。举例来说，接着可沉积第二层间介电层110于蚀刻停止层上。蚀刻停止层与第二层间介电层110可为或包含相同或类似的材料，且其形成方法可采用任何可接受的技术。上述两者可分别如前述的接点蚀刻停止层与第一层间介电层72。在沉积第二层间介电层110之后，可采用化学机械研磨等工艺平坦化第二层间介电层110。

如图10所示，形成导电结构穿过第二层间介电层110与第一层间介电层72至源极/漏极区70。开口可穿过第二层间介电层110与第一层间介电层72。每一开口露出个别的源极/漏极区70。举例来说，开口的形成方法可采用合适的光刻与蚀刻工艺。衬垫112可形成于开口中。可沿着开口的侧壁与源极/漏极区70的上表面顺应性地沉积衬垫112。衬垫112可为扩散阻障层、粘着层、或类似物。衬垫112可包含或可为钛、氮化钛、钽、氮化钽、或类似物，且其沉积方法可为任何合适的沉积技术。可进行退火工艺以利衬垫112的至少个别部分与源极/漏极区70之间的反应，进而形成硅化物区114于个别的源极/漏极区70。接着形成导电材料116于开口中的衬垫112上。导电材料116可为或包含金属如钴、钨、铜、铝、金、银、上述的合金、类似物、或上述的组合，且其沉积方法可为任何合适的沉积技术。可进行平坦化工艺如化学机械研磨，以自第二层间介电层110的上表面移除多余的导电材料116与衬垫112。保留的衬垫112、硅化物区114、与导电材料116形成导电结构至个别的源极/漏极区70。

可对半导体装置进行后续工艺以形成多种结构与区域。举例来说，后续工艺可形成多种接点/通孔/线路与内连线结构的多层(如金属层与层间或金属间介电层)于含半导体装置40的半导体基板42上，其设置以连接多种结构以形成功能电路。功能电路可含有一或多种装置(如一或多种的半导体装置40)。

本发明所述的实施例关于形成装置的栅极结构，比如置换栅极工艺与其形成的装置。在一些例子中，沉积界面介电层与栅极介电层之后，可在控制下的含氮环境中进行快速退火工艺如激光退火或闪光灯退火工艺，以形成氮化部分于栅极介电层中。氮化部分可钝化栅极介电层表面的缺陷，并可作为阻障以避免蚀刻化学剂与来自后续栅极堆叠层的缺陷/掺质影响或扩散穿过栅极介电层。具体而言，毫秒等级的快速热退火工艺可限制氮原子在栅极介电层中，而不会扩散至下方的界面介电层及/或任何相邻的结构如鳍状物。在控制下的含氮环境中进行毫秒退火工艺，可得栅极介电层中所需的氮浓度，且不会多余地再生长界面层。在形成最初的层间介电层(如第一层间介电层72)或栅极间隔物时，此超短退火工艺亦可再活化源极/漏极区中的掺质，并使来自源极/漏极区的掺质扩散最小化。如此一来，可避免短通道效应。除了其他优点以外，还可改善装置劣化的问题如时间相关的介电崩溃，并可改善装置效能。

在一实施例中，提供半导体工艺所用的方法。方法包括顺应性地形成栅极介电层于自基板延伸的鳍状物上，且栅极介电层顺应性地沿着鳍状物上的多个栅极间隔物的多个侧壁；在含氨环境中采用激光退火工艺或闪光灯退火工艺以氮化栅极介电层；以及形成一或多个含金属层于栅极介电层上。

在一些实施例中，氮化栅极介电层的步骤是激光退火工艺，其腔室压力介于650Torr至850Torr之间，且激光束的停留时间介于0.1毫秒至1毫秒之间。

在一些实施例中，方法还包括在进行激光退火工艺之前，预加热基板位于其上的基板支撑物，且预加热的温度介于200℃至600℃之间并历时2秒至20秒之间。

在一些实施例中，激光束扫描横越栅极介电层的露出表面，其扫描速率介于15mm/秒至650mm/秒之间。

在一些实施例中，激光退火工艺使栅极介电层具有激光束照射其上的每一部分升温到850℃至1400℃之间。

在一些实施例中，氮化栅极介电层的步骤为闪光灯退火工艺，其腔室压力介于10Torr至100Torr之间，且采用的射线放射灯的照射时间介于0.2毫秒至5毫秒之间。

在一些实施例中，进行闪光灯退火使栅极介电层具有射线放射灯的射线照射其上的露出表面升温到850℃至1400℃之间。

在一些实施例中，含氨环境还包含氮气，且含氨环境中的氮气体积％介于约10％至约100％之间。

在一些实施例中，方法还包括在进行闪光灯退火工艺之前，预加热基板位于其上的基板支撑物，且预加热的温度介于约450℃至约850℃之间并历时约3秒至约20秒之间。

在另一实施例中，提供半导体工艺所用的方法。方法包括沿着自基板延伸的鳍状物表面形成界面介电层；形成栅极介电层于界面介电层上；在含氨环境中采用激光束或射线放射灯氮化栅极介电层；以及形成金属栅极于栅极介电层上。

在一些实施例中，环境还包含氮气。

在一些实施例中，方法还包括在氮化栅极介电层之前，预加热基板位于其上的基板支撑物，且预加热的温度介于450℃至850℃之间。

在一些实施例中，环境中的氨体积％介于10％至100％之间。

在一些实施例中，氮化栅极介电层的步骤为以射线放射灯的射线照射栅极介电层的露出表面，使射线照射其上的栅极介电层的露出表面升温到850℃至1400℃之间，且照射时间介于0.2毫秒至5毫秒之间。

在一些实施例中，氮化栅极介电层的步骤为依序以激光束扫描横越栅极介电层的部分，使激光束照射其上的栅极介电层的每一部分升温到850℃至1400℃之间，且照射时间介于0.1毫秒至1毫秒之间。

在另一实施例中，提供结构。结构包括具有自基板延伸的鳍状物的基板；沿着鳍状物的表面的无氮界面介电层；鳍状物上的栅极结构；栅极介电层上的功函数调整层；以及功函数调整层上的栅极金属充填层。栅极结构包括：界面介电层上的栅极介电层，其具有氮化物部分，且氮化物部分的氮浓度介于约0.5×10²¹原子/cm³至约8×10²¹原子/cm³之间。

在一些实施例中，栅极介电层的结晶度介于约45％至约100％之间。

在一些实施例中，栅极结构位于第一栅极间隔物与第二栅极间隔物之间，第一栅极间隔物与第二栅极间隔物位于鳍状物上，栅极介电层亦沿着第一栅极间隔物与第二栅极间隔物的个别侧壁，且栅极结构还包括：栅极介电层上的阻障层，且功函数调整层位于阻障层上；以及功函数调整层上的阻障/粘着层，且栅极金属充填层位于阻障/粘着层上。

在一些实施例中，栅极介电层包含氧化铪、氧化钛、氧化铪锆、氧化钽、氧化铪硅、氧化锆、或氧化锆硅。

在一些实施例中，氮化物部分包括横越或沿着栅极介电层的露出表面分布的多个局部氮化区，或者横越或沿着栅极介电层的露出表面形成的氮化层。

上述实施例的特征有利于本技术领域中技术人员理解本发明。本技术领域中技术人员应理解可采用本发明作基础，设计并变化其他工艺与结构以完成上述实施例的相同目的及/或相同优点。本技术领域中技术人员亦应理解，这些等效置换并未脱离本发明精神与范围，并可在未脱离本发明的精神与范围的前提下进行改变、替换、或变动。