半导体器件以及用于制造其的方法
阅读：851发布：2020-05-11
专利汇可以提供半导体器件以及用于制造其的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了 半导体 器件以及用于制造其的方法。所述半导体器件包括： 电介质 层；形成在电介质层之上的导电层；以及形成在电介质层与导电层之间的还原牺牲层，其中，所述还原牺牲层包括第一还原牺牲材料和第二还原牺牲材料，所述第一还原牺牲材料具有比电介质层高的电负性，并且所述第二还原牺牲材料具有比第一还原牺牲材料高的电负性。，下面是半导体器件以及用于制造其的方法专利的具体信息内容。
1.一种电容器，包括：
底部电极；
电介质层，其形成在所述底部电极之上；
顶部电极，其形成在所述电介质层之上；以及
还原牺牲层，其形成在所述电介质层与所述顶部电极之间，
其中，所述还原牺牲层包括：
第一还原牺牲材料，其具有比所述电介质层高的电负性；以及
第二还原牺牲材料，其具有比所述第一还原牺牲材料高的电负性。
2.根据权利要求1所述的电容器，其中，所述还原牺牲层包括所述第一还原牺牲材料和所述第二还原牺牲材料被层叠的叠层结构，并且所述第二还原牺牲材料与所述顶部电极或所述电介质层接触。
3.根据权利要求1所述的电容器，其中，所述还原牺牲层包括所述第一还原牺牲材料和所述第二还原牺牲材料被交替地层叠的层压结构，并且所述第二还原牺牲材料与所述顶部电极或所述电介质层接触。
4.根据权利要求1所述的电容器，其中，所述还原牺牲层包括所述第一还原牺牲材料和所述第二还原牺牲材料被混合的结构。
5.根据权利要求1所述的电容器，其中，所述电介质层包括基于氧化锆的层或基于氧化铪的层，并且所述第一还原牺牲材料和所述第二还原牺牲材料包括电负性高于所述基于氧化锆的层和所述基于氧化铪的层的材料。
6.根据权利要求1所述的电容器，其中，所述第一还原牺牲材料和所述第二还原牺牲材料中的每一个包括氧化钛、氧化钽、氧化铝、氧化锡、氧化铌、氧化锗、氧化硅、氧化钼、氧化钌、氧化铱或其组合，并且所述第一还原牺牲材料与所述第二还原牺牲材料彼此不同。
7.根据权利要求1所述的电容器，其中，所述第一还原牺牲材料包括氧化钛或氧化钽，并且所述第二还原牺牲材料包括氧化铝、氧化锡、氧化铌、氧化锗、氧化硅、氧化钼、氧化钌、氧化铱或其组合。
8.根据权利要求1所述的电容器，其中，所述第一还原牺牲材料和所述第二还原牺牲材料中的每一个包括选自钛、钽、铝、锡、钼、钌、铱、铌、锗、硅及其组合中的材料的一种低价氧化物，并且所述第一还原牺牲材料与所述第二还原牺牲材料彼此不同。
9.根据权利要求1所述的电容器，还包括在所述底部电极与所述电介质层之间的界面控制层。
10.根据权利要求9所述的电容器，其中，所述界面控制层和所述还原牺牲层包括相同的材料，并且具有比所述电介质层高的电负性。
11.根据权利要求9所述的电容器，其中，所述界面控制层和所述还原牺牲层包括不同的材料，并且具有比所述电介质层高的电负性。
12.根据权利要求1所述的电容器，其中，所述还原牺牲层比所述电介质层薄。
13.根据权利要求1所述的电容器，其中，所述还原牺牲层包括导电金属氧化物。
14.一种制造电容器的方法，包括：
在底部电极之上形成电介质层；
在所述电介质层之上形成还原牺牲层，所述还原牺牲层包括第一还原牺牲材料和第二还原牺牲材料，所述第一还原牺牲材料具有比所述电介质层高的电负性，并且所述第二还原牺牲材料具有比所述第一还原牺牲材料高的电负性；以及
在还原气氛中在所述还原牺牲层之上形成顶部电极。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，形成所述还原牺牲层的步骤包括形成所述第一还原牺牲材料和所述第二还原牺牲材料被层叠的叠层结构，其中，所述第二还原牺牲材料与所述顶部电极或所述电介质层接触。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，形成所述还原牺牲层的步骤包括形成所述第一还原牺牲材料和所述第二还原牺牲材料交替地被层叠的层压结构，其中，所述第二还原牺牲材料与所述顶部电极或所述电介质层接触。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，形成所述还原牺牲层的步骤包括形成所述第一还原牺牲材料和所述第二还原牺牲材料被混合的结构。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一还原牺牲材料和所述第二还原牺牲材料中的每一个包括钛、钽、铝、锡、钼、钌、铱、铌、锗、硅或其组合。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一还原牺牲材料和所述第二还原牺牲材料中的每一个包括选自钛、钽、铝、锡、钼、钌、铱、铌、锗、硅及其组合中的材料的一种氧化物。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一还原牺牲材料和所述第二还原牺牲材料中的每一个包括选自钛、钽、铝、锡、钼、钌、铱、铌、锗、硅及其组合中的材料的一种低价氧化物。
21.根据权利要求14所述的方法，还包括在形成所述电介质层之前在所述底部电极之上形成界面控制层，所述界面控制层具有比所述电介质层高的电负性。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述界面控制层和所述还原牺牲层包括相同的材料，并且具有比所述电介质层高的电负性。
23.根据权利要求21所述的方法，还包括在形成所述顶部电极之前执行用于将所述还原牺牲层还原的退火工艺。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述退火工艺通过激光退火、等离子体氧化或等离子体氮化来执行，或者在NH3气氛中执行。
25.根据权利要求14所述的方法，其中，所述电介质层包括基于氧化锆的层或基于氧化铪的层。
26.根据权利要求14所述的方法，其中，所述还原牺牲层包括在在还原气氛中形成所述顶部电极期间失去氧之后能够导电的导电金属氧化物或电介质金属氧化物。
半导体器件以及用于制造其的方法
[0001] 相关申请的交叉引用
技术领域
[0003] 本发明总体而言涉及半导体器件。更特别地，本发明涉及包括还原牺牲层的半导体器件以及用于制造该半导体器件的方法。
背景技术
[0004] 半导体器件的电容器可以包括底部电极、电介质层和顶部电极。随着半导体器件的集成度提高，电介质层的厚度会减小，这可能增加泄漏电流。增加电介质层的厚度以减小泄漏电流会导致等效氧化物厚度(equivalent oxide thickness，EOT)的增加。
发明内容
[0005] 本发明的示例性实施例涉及可以防止电介质层的还原的半导体器件，以及用于制造该半导体器件的方法。
[0006] 示例性实施例涉及可以防止高k材料还原的电容器，以及制造该电容器的方法。
[0007] 根据本发明的实施例，一种半导体器件包括：电介质层；形成在电介质层之上的导电层；以及形成在电介质层与导电层之间的还原牺牲层，其中，所述还原牺牲层包括第一还原牺牲材料和第二还原牺牲材料，所述第一还原牺牲材料的电负性高于电介质层，并且所述第二还原牺牲材料的电负性高于第一还原牺牲材料。
[0008] 根据本发明的实施例，一种电容器包括：底部电极；形成在底部电极之上的电介质层；形成在电介质层之上的顶部电极；以及形成在电介质层与顶部电极之间的还原牺牲层，其中，所述还原牺牲层包括第一还原牺牲材料和第二还原牺牲材料，所述第一还原牺牲材料的电负性高于电介质层，并且所述第二还原牺牲材料的电负性高于第一还原牺牲材料。所述还原牺牲层包括叠层结构，在该叠层结构中第一还原牺牲材料和第二还原牺牲材料被层叠，并且第二还原牺牲材料与顶部电极或电介质层接触。所述还原牺牲层包括层压结构，在该层压结构中第一还原牺牲材料和第二还原牺牲材料被交替地层叠，并且第二还原牺牲材料与顶部电极或电介质层接触。所述还原牺牲层包括在其中第一还原牺牲材料和第二还原牺牲材料被混合的结构。所述电介质层包括基于氧化锆的层或基于氧化铪的层，并且第一还原牺牲材料和第二还原牺牲材料包括电负性高于所述基于氧化锆的层和所述基于氧化铪的层的材料。第一还原牺牲材料和第二还原牺牲材料中的每一个包括氧化钛、氧化钽、氧化铝、氧化锡、氧化铌、氧化锗、氧化硅、氧化钼、氧化钌、氧化铱或其组合，并且第一还原牺牲材料与第二还原牺牲材料彼此不同。第一还原牺牲材料包括氧化钛或氧化钽，并且第二还原牺牲材料包括氧化铝、氧化锡、氧化铌、氧化锗、氧化硅、氧化钼、氧化钌、氧化铱或其组合。第一还原牺牲材料和第二还原牺牲材料中的每一个包括选自钛、钽、铝、锡、钼、钌、铱、铌、锗、硅及其组合的材料的一种低价氧化物，并且第一还原牺牲材料与第二还原牺牲材料彼此不同。电容器还包括在底部电极与电介质层之间的界面控制层。界面控制层和还原牺牲层包括相同的材料，并且包括电负性高于电介质层的材料。界面控制层和还原牺牲层包括不同的材料，并且包括电负性高于电介质层的材料。还原牺牲层比电介质层薄。还原牺牲层包括导电金属氧化物。
[0009] 根据本发明的实施例，一种用于制造电容器的方法包括：在底部电极之上形成电介质层；在电介质层之上形成还原牺牲层，所述还原牺牲层包括第一还原牺牲材料和第二还原牺牲材料，所述第一还原牺牲材料的电负性高于电介质层，并且所述第二还原牺牲材料的电负性高于第一还原牺牲材料；以及在还原气氛中在还原牺牲层之上形成顶部电极。形成还原牺牲层包括：形成在其中层叠第一还原牺牲材料和第二还原牺牲材料的叠层结构，其中，第二还原牺牲材料与顶部电极或电介质层接触。形成还原牺牲层包括：形成在其中交替地层叠第一还原牺牲材料和第二还原牺牲材料的层压结构，其中，第二还原牺牲材料与顶部电极或电介质层接触。形成还原牺牲层包括：形成在其中第一还原牺牲材料和第二还原牺牲材料被混合的结构。第一还原牺牲材料和第二还原牺牲材料中的每一个包括钛、钽、铝、锡、钼、钌、铱、铌、锗、硅或其组合。第一还原牺牲材料和第二还原牺牲材料中的每一个包括选自钛、钽、铝、锡、钼、钌、铱、铌、锗、硅及其组合的材料的一种氧化物。第一还原牺牲材料和第二还原牺牲材料中的每一个包括选自钛、钽、铝、锡、钼、钌、铱、铌、锗、硅及其组合的材料的一种低价氧化物。该方法还包括：在形成电介质层之前，在底部电极之上形成界面控制层，所述界面控制层的电负性高于电介质层。界面控制层和还原牺牲层包括相同的材料，并且包括电负性高于电介质层的材料。该方法还包括在形成顶部电极之前执行用于将还原牺牲层还原的退火工艺。退火工艺通过激光退火、等离子体氧化或等离子体氮化来执行，或者在NH3气氛中执行。电介质层包括基于氧化锆的层或基于氧化铪的层。
附图说明
[0011] 图1A是根据本发明的一个实施例的半导体器件的截面图。
[0012] 图1B至图1D是示出根据图1A的变型的半导体器件的截面图。
[0013] 图2至图5D是根据本发明的实施例的半导体器件的截面图。
[0014] 图6A是描述根据比较示例的半导体器件界面的能带偏移(band offset)的示图。
[0015] 图6B是描述根据本发明的实施例的半导体器件中的界面的能带偏移的示图。
[0016] 图7A至图14D是示出半导体器件的应用示例的示图。
[0017] 图15A至图15C是示出用于形成半导体器件的方法的示例的示图。
[0018] 图16A至图16D是示出用于形成半导体器件的方法的另一示例的示图。
[0019] 图17A至图17C是示出存储单元的图。
[0020] 图18A至图18F是示出图17B中所示的电容器的应用示例的截面图。
具体实施方式
[0021] 将参考截面图、平面图和框图来描述本文中所描述的示例性实施例，所述截面图、平面图和框图是本发明的理想示意图。因此，附图的结构可以依据制造技术和/或公差而被修改。本发明的实施例不限于附图中所示的特定结构，而是包括根据制造工艺可以产生的结构中的任何改变。因此，附图中示出的区域具有示意性属性，并且附图中示出的区域的形状旨在示出元件的区域的具体结构，而不旨在限制本发明的范围。
[0022] 电容器可以包括底部电极、电介质层和顶部电极。随着电介质层的厚度减小，泄漏电流可能增加。电介质层的能带隙(energy bandgap)和介电常数(dielectric constant)彼此成反比。为了抑制泄漏电流，可以增加电介质层的厚度，或者可以使用具有低介电常数的电介质层。电介质层的低介电常数以及电介质层的厚度的增加可以增加电介质层的电厚度(electrical thickness)，即等效氧化物厚度(EOT)。当减小电介质层的厚度以减小EOT时，被减小的电介质层的厚度变得小于电介质层的晶化(crystallization)所需的最小厚度，从而增加了非晶特性(amorphous characteristic)。因此，尽管电介质层的厚度被减小，但是电容的增加存在限制。
[0023] 此外，电容器的顶部电极可以在强还原气氛(strong reducing atmosphere)中形成。例如，强还原气氛可以包括诸如NH3、SiHx、GeHx和BHx的气体。由于强还原气氛引起电介质层中的氧损失，所以电介质层的质量可能被降低。
[0024] 具有低介电常数的死层(DL，dead layer)可以存在于电介质层与顶部电极之间的界面处。当沉积顶部电极时，可以在还原气氛中形成DL。此外，DL可以由于顶部电极的氧化而形成。DL可能成为降低EOT的障碍。
[0025] 在下文中，实施例涉及可以防止电介质层的还原的界面工程。另外，实施例涉及可以提高电介质层的介电常数的界面工程。此外，实施例涉及可以减小泄漏电流的界面工程。
[0026] 在下面将被描述的实施例中，可以在电介质层与导电层之间的界面处形成还原牺牲层(reduction sacrificial layer，RSL)。RSL可以是在电介质层之前被还原的材料。RSL可以是导电材料。RSL可以防止电介质层与导电层之间的界面氧化，而不作为电介质层。当RSL被还原时，RSL可以用作具有大的有效功函数(effective work function，eWF)和大的导带偏移(conduction band offset，CBO)的泄漏电流阻挡层(barrier)。另外，RSL可能不会增加EOT。RSL可以是具有高电负性的材料。
[0027] 如上所述，根据本发明的实施例，包括RSL可以改善电介质层与顶部电极之间的界面特性。包括RSL可以防止DL的形成。可以还原RSL而不是电介质层，从而防止电介质层的还原。另外，尽管RSL被还原，但具有导电性的RSL增大了顶部电极的CBO和eWF，而没有作为电介质层。
[0028] RSL可以具有比电介质层102高的鲍林电负性(Pauling electronegativity)。RSL可以包括具有比氧化锆(ZrO2)和氧化铪(HfO2)高的鲍林电负性(在下文中被缩写为“电负性”)的材料。当电负性为高时，RSL可能难以被氧化并且易于被还原。因此，RSL可以为了电介质层而失去氧。结果是，RSL可以防止电介质层的氧损失。
[0029] RSL可以包括还原牺牲材料。还原牺牲材料可以包括具有高电负性的材料。还原牺牲材料可以包括具有高电负性的原子，例如金属原子、硅原子或锗原子。还原牺牲材料可以包括钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)、锡(Sn)、钼(Mo)、钌(Ru)、铱(Ir)、铌(Nb)、锗(Ge)、硅(Si)或其组合。
[0030] [表1]
[0031]元素 Hf Zr
EN(鲍林) 1.3 1.33
氧化物 HfO2 ZrO2
EN(鲍林) 1.3 1.33
氧化物 HfO2 ZrO2
[0032] [表2]
[0033]
[0034] 在表1和表2中，“元素”指原子，“EN”指电负性，“氧化物”是指原子的氧化物。
[0035] 表1示出了可以被包括在电介质层中的示例性材料的电负性。表2示出了可以被包括在RSL中的示例性还原牺牲材料的电负性。电介质层和还原牺牲材料不限于表1和表2中所示的材料。
[0036] 参考表1，铪(Hf)具有1.3的电负性而锆(Zr)具有1.33的电负性。
[0037] 参考表2，示例性还原牺牲材料可以具有约1.5至2.2的电负性。还原牺牲材料可以具有比被包括在电介质层中的材料(例如Hf和Zr)高的电负性。
[0038] RSL可以包括还原牺牲材料的氧化物。例如，RSL可以包括氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化铌(Nb2O5)、氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化锡(SnO2)、氧化锗(GeO2)、二氧化钼(MoO2)、三氧化钼(MoO3)、氧化铱(IrO2)、氧化钌(RuO2)或其组合。
[0039] RSL可以包括单一结构(single structure)、叠层结构(stack structure)、层压结构(laminated structure)、混合结构或其组合。单一结构可以包括单层还原牺牲材料。叠层结构可以是具有不同电负性的还原牺牲材料的层叠的结构。层压结构可以包括具有不同电负性并且以小厚度来层压的还原牺牲材料。混合结构可以包括具有不同电负性并且被混合在其中的还原牺牲材料。
[0040] 在叠层结构、层压结构和混合结构中，具有不同电负性的还原牺牲材料可以包括第一还原牺牲材料和第二还原牺牲材料。第一还原牺牲材料可以具有第一电负性，并且第二还原牺牲材料可以具有第二电负性。第一电负性和第二电负性可以具有不同的电负性。例如，第二电负性可以高于第一电负性。第二还原牺牲材料可以具有比第一还原牺牲材料高的电负性。
[0041] 在一些实施例中，第二还原牺牲材料可以比第一还原牺牲材料早地暴露于还原气氛。
[0042] 在一些实施例中，第一还原牺牲材料可以比第二还原牺牲材料早地暴露于还原气氛。在这种情况下，尽管具有低电负性的第一还原牺牲材料早于第二还原牺牲材料被还原，但是可以通过第二还原牺牲材料来防止电介质层的还原。
[0043] 第一还原牺牲材料和第二还原牺牲材料可以具有比被包括在电介质层中的材料高的电负性。第一还原牺牲材料和第二还原牺牲材料中的每一个可以包括钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)、铝(Al)、硅(Si)、锡(Sn)、锗(Ge)、钼(Mo)、钌(Ru)、铱(Ir)或其组合。第一还原牺牲材料和第二还原牺牲材料可以是不同的材料。第一还原牺牲材料和第二还原牺牲材料中的每一个可以包括氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化铌(Nb2O5)、氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化锡(SnO2)、氧化锗(GeO2)、二氧化钼(MoO2)、三氧化钼(MoO3)、氧化铱(IrO2)、氧化钌(RuO2)或其组合。第一还原牺牲材料和第二还原牺牲材料可以是不同的材料。
[0044] 第一还原牺牲材料和第二还原牺牲材料可以通过电负性的差异来控制有效功函数(eWF)。
[0045] 第一还原牺牲材料与第二还原牺牲材料之间可以具有面氧密度(areal oxygen density)方面的差异。面氧密度的差异可以诱导界面偶极子(dipole)以控制有效功函数(eWF)和导带偏移(CBO)。
[0046] 图1A是根据本发明的一个实施例的半导体器件111的截面图。
[0047] 参考图1A，半导体器件111可以包括第一导电层101、电介质层102和第二导电层103。半导体器件111还可以包括设置在电介质层102与第二导电层103之间的还原牺牲层RSL。还原牺牲层RSL可以与电介质层102和第二导电层103二者直接接触。
[0048] 用于第一导电层101的合适材料可以包括含金属的材料。例如，第一导电层101可以包括金属、金属氮化物、导电金属氧化物或其组合。在一些实施例中，第一导电层101可以包括钛(Ti)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、钨(W)、氮化钨(WN)、钌(Ru)、铱(Ir)、氧化钌(RuO2)、氧化铱(IrO2)或其组合。在一些实施例中，第一导电层101可以包括含硅的材料。例如，第一导电层101可以包括硅(Si)衬底、硅层、硅锗(SiGe)层或其组合。第一导电层101也可以被称为“底部导电层”。在一些实施例中，第一导电层101可以包括含硅的材料和含金属的材料的叠层结构。
[0049] 用于第二导电层103的合适材料可以包括含硅的材料、含锗的材料、含金属的材料或其任何组合。例如，第二导电层103可以包括金属、金属氮化物、金属碳化物、导电金属氮化物或其任何组合。在一些实施例中，第二导电层103可以包括钛(Ti)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、碳氮化钛(TiCN)、碳氮化钽(TaCN)、钨(W)、氮化钨(WN)、钌(Ru)、铱(Ir)、氧化钌(RuO2)、氧化铱(IrO2)或其任何组合。在一些实施例中，第二导电层103可以包括硅(Si)层、锗(Ge)层、硅锗(SiGe)层或其任何组合。在一些实施例中，第二导电层103可以具有通过在硅层上层叠硅锗层而形成的多层结构(Si/SiGe)。在一些实施例中，第二导电层103可以具有通过在锗层上层叠硅锗层而形成的多层结构(Ge/SiGe)。在一些实施例中，可以通过层叠硅锗层和金属氮化物来形成第二导电层103。例如，第二导电层103可以具有通过在氮化钛上层叠硅锗层而形成的多层结构(SiGe/TiN)。第二导电层103也可以被称为“顶部导电层”。
[0050] 电介质层102可以具有单层结构、多层结构、层压结构、掺杂结构或混合结构。电介质层102可以与第一导电层101直接接触。电介质层102可以包括高k材料。电介质层102可以具有比氧化硅(SiO2)高的介电常数。氧化硅可具有约3.9的介电常数。电介质层102可以包括介电常数约为4或更高的材料。高k材料可以具有约20或更高的介电常数。合适的高k材料可以包括氧化铪(HfO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化铌(Nb2O5)或锶钛氧化物(SrTiO3,strontium titanium oxide)。在一些实施例中，电介质层102可以是包括上述高k材料中的两种或更多种的复合层。在一些实施例中，电介质层102可以由基于锆(Zr)的氧化物形成。例如，电介质层102可以具有包括氧化锆(ZrO2)的叠层结构。在一些实施例中，包括氧化锆(ZrO2)的叠层结构可以包括ZA(ZrO2/Al2O3)结构(其中氧化铝被层叠在氧化锆上)，或ZAZ(ZrO2/Al2O3/ZrO2)结构(其中氧化锆、氧化铝和氧化锆被顺序地层叠)。ZrO2结构、ZA结构和ZAZ结构中的每一个结构也可以被称为“基于氧化锆(ZrO2)的层”。在一些实施例中，电介质层102可以由基于铪(Hf)的氧化物形成。例如，电介质层102可以具有包括氧化铪(HfO2)的叠层结构。例如，包括氧化铪(HfO2)的叠层结构可以包括HA(HfO2/Al2O3)结构(其中氧化铝被层叠在氧化铪上)，或HAH(HfO2/Al2O3/HfO2)结构(其中氧化铪、氧化铝和氧化铪被顺序地层叠)。HfO2结构、HA结构和HAH结构中的每一个结构也可以被称为“基于氧化铪(HfO2)的层”。
[0051] ZA结构、ZAZ结构、HA结构和HAH结构中的氧化铝Al2O3可以具有比氧化锆(ZrO2)和氧化铪(HfO2)高的带隙(bandgap)。氧化铝(Al2O3)的介电常数可以低于氧化锆(ZrO2)和氧化铪(HfO2)的介电常数。因此，电介质层102可以包括高k材料和高带隙材料的叠层，该高带隙材料具有比高k材料高的带隙。在一些实施例中，电介质层102可以包括氧化硅SiO2(而非氧化铝)作为高带隙材料。包括高带隙材料的电介质层102可以抑制泄漏电流。高带隙材料可以是超薄的。高带隙材料可以比高k材料薄。
[0052] 在一些实施例中，电介质层102可以包括在其中交替地层叠高k材料和高带隙材料被的层压结构。例如，层压结构可以包括ZAZA(ZrO2/Al2O3/ZrO2/Al2O3)、ZAZAZ(ZrO2/Al2O3/ZrO2/Al2O3/ZrO2)、HAHA(HfO2/Al2O3/HfO2/Al2O3)或HAHAH(HfO2/Al2O3/HfO2/Al2O3/HfO2)结构。在层压结构中，氧化铝(Al2O3)可以是超薄的。
[0053] 还原牺牲层RSL的顶表面可以与第二导电层103的底表面直接接触。还原牺牲层RSL的底表面可以与电介质层102的顶表面直接接触。
[0054] 用于还原牺牲层RSL的合适材料可以包括具有高电负性(EN)的材料。例如，还原牺牲层RSL可以包括具有比电介质层102高的电负性(EN)的材料。还原牺牲层RSL可以包括具有高带隙的材料。当形成第二导电层103时，还原牺牲层RSL可以防止电介质层102的还原。还原牺牲层RSL可以包括早于电介质层102被还原的材料。还原牺牲层RSL可以包括比电介质层102容易被还原的材料。还原牺牲层RSL可以包括还原牺牲材料。还原牺牲材料可以包括具有高电负性的材料。还原牺牲材料可以包括具有高电负性的原子，例如金属原子、硅原子或锗原子。还原牺牲材料可以包括钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)、锡(Sn)、钼(Mo)、钌(Ru)、铱(Ir)、铌(Nb)、锗(Ge)、硅(Si)或其组合。
[0055] 还原牺牲层RSL可以包括还原牺牲材料的氧化物。还原牺牲层RSL可以包括氧化钛(TiO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化铝(Al2O3)、氧化锡(SnO2)、二氧化钼(MoO2)、三氧化钼(MoO3)、氧化钌(RuO2)、氧化铱(IrO2)、氧化铌(Nb2O5)、氧化锗(GeO2)、氧化硅(SiO2)或其组合。
[0056] 还原牺牲层RSL可以被还原成低价氧化物(suboxide)。低价氧化物可以具有绝缘的、半导电的或导电的性质。
[0057] 在一些实施例中，还原牺牲层RSL可以包括具有高电负性且易于被还原的氧化物。该氧化物可以被还原并变成低价氧化物。低价氧化物可能比氧化物缺氧。低价氧化物可以包括还原牺牲材料的低价氧化物。还原牺牲材料可以包括选自钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)、锡(Sn)、钼(Mo)、钌(Ru)、铱(Ir)、铌(Nb)、锗(Ge)、硅(Si)及其组合的材料的任何一种低价氧化物。低价氧化物可以包括低价钛氧化物、低价钽氧化物、低价锡氧化物、低价钼氧化物、低价钌氧化物、低价铱氧化物、低价铌氧化物、低价锗氧化物、低价铝氧化物、低价硅氧化物或其组合。低价钛氧化物可以包括TiO2-x(x<2)或Ti4O7。低价钽氧化物可以包括Ta2O5-x(x<5)。
低价铝氧化物可以包括Al2O3-x(x<3)。低价锡氧化物可以包括SnO或SnO2-x(x<2)。低价钼氧化物可以包括MoO2、MoO2-x(x<2)和MoO 3-x(x<3)。低价钌氧化物可以包括RuO2-x(x<2)。低价铱氧化物可以包括IrO2-x(x<2)。低价铌氧化物可以包括Nb2O5-x(x<5)、NbO2或NbO。低价锗氧化物可以包括GeO或GeO2-x(x<2)。低价硅氧化物可以包括SiO2-x(x<2)。Ta2O5-x(x<5)、TiO2-x(x<2)、Ti4O7、NbO、SnO、SnO2-x(x<2)、MoO2、MoO2-x(x<2)、MoO3-x(x<3)、RuO2-x(x<2)和IrO2-x(x<
2)可以是导电的低价氧化物。Nb2O5-x(x<5)和NbO2可以是半导体低价氧化物。Al2O3-x(x<3)、SiO2-x(x<2)、GeO和GeO2-x(x<2)可以是绝缘的低价氧化物。
低价铝氧化物可以包括Al2O3-x(x<3)。低价锡氧化物可以包括SnO或SnO2-x(x<2)。低价钼氧化物可以包括MoO2、MoO2-x(x<2)和MoO 3-x(x<3)。低价钌氧化物可以包括RuO2-x(x<2)。低价铱氧化物可以包括IrO2-x(x<2)。低价铌氧化物可以包括Nb2O5-x(x<5)、NbO2或NbO。低价锗氧化物可以包括GeO或GeO2-x(x<2)。低价硅氧化物可以包括SiO2-x(x<2)。Ta2O5-x(x<5)、TiO2-x(x<2)、Ti4O7、NbO、SnO、SnO2-x(x<2)、MoO2、MoO2-x(x<2)、MoO3-x(x<3)、RuO2-x(x<2)和IrO2-x(x<
2)可以是导电的低价氧化物。Nb2O5-x(x<5)和NbO2可以是半导体低价氧化物。Al2O3-x(x<3)、SiO2-x(x<2)、GeO和GeO2-x(x<2)可以是绝缘的低价氧化物。
[0058] 还原牺牲层RSL可以包括金属氧化物或导电金属低价氧化物。金属氧化物可以被还原然后变成导电金属低价氧化物。导电金属低价氧化物可以比金属氧化物缺氧。还原牺牲层RSL中的较低的氧含量还可以增加还原牺牲层RSL的导电性并且具有更高的有效功函数。例如，低价钛氧化物(例如TiO)可以比TiO2更导电。导电金属低价氧化物可以包括低价钛氧化物、低价钽氧化物、低价锡氧化物、低价钼氧化物、低价钌氧化物、低价铱氧化物、低价铌氧化物或其组合。导电金属低价氧化物可以不影响电介质层102的EOT。导电金属低价氧化物可以与第二导电层103一起用作导电材料。
[0059] 低价锡氧化物、低价钼氧化物、低价钌氧化物和低价铱氧化物可以具有约5eV或更高的高功函数。具有高功函数的还原牺牲层RSL可以减小泄漏电流。
[0060] 低价铝氧化物和低价硅氧化物可以具有约8eV或更高的高带隙。具有高带隙的还原牺牲层RSL可以减小泄漏电流。
[0061] 还原牺牲层RSL可以是超薄的。还原牺牲层RSL可以比电介质层102薄。例如，还原牺牲层RSL可以具有约2nm或更小的厚度。超薄还原牺牲层RSL可以不影响电介质层102的EOT。此外，超薄导电还原牺牲层RSL可以不影响电介质层102的EOT。
[0062] 图1B是根据图1A所示的半导体器件的变型的半导体器件的截面图。
[0063] 参考图1B，半导体器件112可以包括还原牺牲层RSL。还原牺牲层RSL可以包括比电介质层102容易被还原的材料。还原牺牲层RSL可以具有比电介质层102高的电负性。还原牺牲层RSL可以包括低浓度区D1和高浓度区D2。低浓度区D1和高浓度区D2可以包括具有不同浓度的还原牺牲材料。高浓度区D2中的还原牺牲材料的浓度可以大于低浓度区D1中的还原牺牲材料的浓度。低浓度区D1和高浓度区D2可以包括相同的还原牺牲材料，并且高浓度区D2中的还原牺牲材料的浓度可以大于低浓度区D1中的还原牺牲材料的浓度。高浓度区D2可以与第二导电层103直接接触，并且低浓度区D1可以与电介质层102直接接触。在一些实施例中，高浓度区D2可以与电介质层直接102接触，并且低浓度区D1可以与第二导电层103直接接触。
[0064] 低浓度区D1和高浓度区D2可以包括具有高电负性的还原牺牲材料。低浓度区D1和高浓度区D2可以包括钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)、锡(Sn)、钼(Mo)、钌(Ru)、铱(Ir)、锗(Ge)、硅(Si)或其组合。
[0065] 低浓度区D1和高浓度区D2可以包括氧化钛(TiO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化铝(Al2O3)、氧化锡(SnO2)、二氧化钼(MoO2)、三氧化钼(MoO3)、氧化钌(RuO2)、氧化铱(IrO2)、氧化铌(Nb2O5)、氧化锗(GeO2)、氧化硅(SiO2)或其组合。低浓度区D1和高浓度区D2可以包括选自钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)、锡(Sn)、钼(Mo)、钌(Ru)、铱(Ir)、铌(Nb)、锗(Ge)、硅(Si)及其组合的材料的一种低价氧化物。
[0066] 例如，低浓度区D1和高浓度区D2可以包括氧化钛(TiO2)，并且高浓度区D2可以具有比低浓度区D1高的钛浓度。例如，高浓度区D2可以包括富Ti的氧化钛(富Ti的TiO2)。
[0067] 参考示出图1A的另一变型的图1C，半导体器件113可以包括还原牺牲层RSL。还原牺牲层RSL可以包括比电介质层102容易被还原的材料。还原牺牲层RSL可以具有比电介质层102高的电负性。还原牺牲层RSL可以包括具有高电负性的还原牺牲材料。还原牺牲层RSL中的还原牺牲材料的浓度可以被分级(即，图中的“G”)。还原牺牲材料的浓度在接触电介质层102的一部分中可以是最小的，并且在接触第二导电层103的一部分中可以是最大的。离电介质层102越远(即越接近第二导电层103)，还原牺牲材料的浓度越大。
[0068] 在一些实施例中，还原牺牲材料的浓度在接触电介质层102的一部分中可以是最大的，并且在接触第二导电层103的一部分中可以是最小的。
[0069] 参考示出图1A的又一变型的图1D，半导体器件114可以包括还原牺牲层RSL。还原牺牲层RSL可以包括比电介质层102容易被还原的材料。还原牺牲层RSL可以具有比电介质层102高的电负性。还原牺牲层RSL可以包括具有高电负性的还原牺牲材料。还原牺牲层RSL可以包括金属氧化物MO和导电金属低价氧化物CM。金属氧化物MO和导电金属低价氧化物CM可以包括具有高电负性的还原牺牲材料。金属氧化物MO可以与电介质层102直接接触，并且导电金属低价氧化物CM可以与第二导电层103直接接触。在一些实施例中，金属氧化物MO可以与第二导电层103直接接触，并且导电金属低价氧化物CM可以与电介质层102直接接触。
[0070] 金属氧化物MO可以包括氧化钛(TiO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化铝(Al2O3)、氧化锡(SnO2)、二氧化钼(MoO2)、三氧化钼(MoO3)、氧化钌(RuO2)、氧化铱(IrO2)、氧化铌(Nb2O5)或其组合。
[0071] 导电金属低价氧化物CM可以包括低价钛氧化物、低价钽氧化物、低价铝氧化物、低价锡氧化物、低价钼氧化物、低价钌氧化物、低价铱氧化物、低价铌氧化物或其组合。导电金属低价氧化物CM可以比金属氧化物MO缺氧。
[0072] 在一些实施例中，还原牺牲层RSL可以包括具有不同电负性的金属氧化物MO的叠层结构、层压结构或混合结构。
[0073] 在一些实施例中，还原牺牲层RSL可以包括具有不同电负性的导电金属低价氧化物CM的叠层结构、层压结构或混合结构。
[0074] 图2是根据本发明的一个实施例的半导体器件的截面图。
[0075] 参考图2，半导体器件121可以包括第一导电层101、电介质层102和第二导电层103。半导体器件121还可以包括设置在电介质层102与第二导电层103之间的还原牺牲层RSL。还原牺牲层RSL可以包括具有比电介质层102高的电负性的材料。还原牺牲层RSL可以包括早于电介质层102被还原的材料。还原牺牲层RSL可以包括第一还原牺牲材料R1和第二种还原牺牲材料R2。第二还原牺牲材料R2可以被层叠在第一还原牺牲材料R1上。第一还原牺牲材料R1的底表面可以与电介质层102的顶表面直接接触。第二还原牺牲材料R2的顶表面可以与第二导电层103的底表面直接接触。
[0076] 第一还原牺牲材料R1和第二还原牺牲材料R2中的每一个可以包括具有高电负性的材料。当形成第二导电层103时，第二还原牺牲材料R2可以防止电介质层102的还原。第一还原牺牲材料R1和第二还原牺牲材料R2中的每一个可以包括具有比电介质层102高的电负性的材料。第一还原牺牲材料R1和第二还原牺牲材料R2中的每一个可以包括早于电介质层102被还原的材料。第一还原牺牲材料R1和第二还原牺牲材料R2中的每一个可以包括比电介质层102容易被还原的材料。第一还原牺牲材料R1和第二还原牺牲材料R2中的每一个可以包括钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)、锡(Sn)、钼(Mo)、钌(Ru)、铱(Ir)、铌(Nb)、锗(Ge)、硅(Si)或其组合。
[0077] 第一还原牺牲材料R1和第二还原牺牲材料R2中的每一个可以包括氧化钛(TiO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化铝(Al2O3)、氧化锡(SnO2)、二氧化钼(MoO2)、三氧化钼(MoO3)、氧化钌(RuO2)、氧化铱(IrO2)、氧化铌(Nb2O5)、氧化锗(GeO2)、氧化硅(SiO2)或其组合。在一些实施例中，第一还原牺牲材料R1和第二还原牺牲材料R2中的每一个可以包括选自钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)、锡(Sn)、钼(Mo)、钌(Ru)、铱(Ir)、铌(Nb)、锗(Ge)、硅(Si)及其组合的材料的一种低价氧化物。
[0078] 第一还原牺牲材料R1和第二还原牺牲材料R2可以是相同的材料或不同的材料。第二还原牺牲材料R2可以是比第一还原牺牲材料R1容易被还原的材料。与第二导电层103接触的第二还原牺牲材料R2的电负性可以是最高的。第二还原牺牲材料R2的电负性可以高于第一还原牺牲材料R1的电负性。
[0079] 在一些实施例中，第一还原牺牲材料R1可以与第二导电层103直接接触，并且第二还原牺牲材料R2可以与电介质层102直接接触。
[0080] 还原牺牲层RSL的总厚度可以为约2nm或更小，并且第一还原牺牲材料R1和第二还原牺牲材料R2中的每一个可以具有约1nm或更小的厚度。在一些实施例中，第二还原牺牲材料R2可以比第一还原牺牲材料R1厚。
[0081] 图3是根据本发明的一个实施例的半导体器件的截面图。
[0082] 参考图3，半导体器件131可以包括第一导电层101、电介质层102和第二导电层103。半导体器件131还可以包括设置在电介质层102与第二导电层103之间的还原牺牲层RSL。还原牺牲层RSL可以包括多个层压层(laminated layer)。例如，还原牺牲层RSL可以具有在其中顺序地层叠第一层压层L1、第二层压层L2、第三层压层L3和第四层压层L4的结构。
第一层压层L1的底表面可以与电介质层102的顶表面直接接触。第四层压层L4的顶表面可以与第二导电层103的底表面直接接触。
第一层压层L1的底表面可以与电介质层102的顶表面直接接触。第四层压层L4的顶表面可以与第二导电层103的底表面直接接触。
[0083] 第一层压层L1、第二层压层L2、第三层压层L3和第四层压层L4中的每一个可以包括具有高电负性(EN)的材料。当形成第二导电层103时，第一层压层L1、第二层压层L2、第三层压层L3和第四层压层L4中的每一个可以防止电介质层102的还原。第一层压层L1、第二层压层L2、第三层压层L3和第四层压层L4中的每一个可以包括早于电介质层102被还原的材料。第一层压层L1、第二层压层L2、第三层压层L3和第四层压层L4中的每一个可以比电介质层102容易被还原。第一层压层L1、第二层压层L2、第三层压层L3和第四层压层L4中的每一个可以包括钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)、锡(Sn)、钼(Mo)、钌(Ru)、铱(Ir)、铌(Nb)、锗(Ge)、硅(Si)或其组合。
[0084] 第一层压层L1、第二层压层L2、第三层压层L3和第四层压层L4中的每一个可以包括氧化钛(TiO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化铝(Al2O3)、氧化锡(SnO2)、二氧化钼(MoO2)、三氧化钼(MoO3)、氧化钌(RuO2)、氧化铱(IrO2)、氧化铌(Nb2O5)、氧化锗(GeO2)、氧化硅(SiO2)或其组合。第一层压层L1、第二层压层L2、第三层压层L3和第四层压层L4中的每一个可以包括选自钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)、锡(Sn)、钼(Mo)、钌(Ru)、铱(Ir)、铌(Nb)、锗(Ge)、硅(Si)及其组合的材料的一种低价氧化物。
[0085] 第一层压层L1、第二层压层L2、第三层压层L3和第四层压层L4中的每一个可以包括远离电介质层102更容易被还原的材料。也就是说，与第二导电层103接触的第四层压层L4的电负性可以是最高的。例如，第四层压层L4可以是比第一层压层L1至第三层压层L3容易被还原的材料。第一层压层L1可以包括比电介质层102容易被还原的材料。第二层压层L2可以比第一层压层L1和电介质层102容易被还原。第三层压层L3可以比电介质层102、第一层压层L1和第二层压层L2容易被还原。第四层压层L4可以比电介质层102、第一层压层L1、第二层压层L2和第三层压层L3容易被还原。
[0086] 在一些实施例中，第一层压层L1、第二层压层L2和第三层压层L3可以具有相同的第一电负性，并且第四层压层L4可以具有高于第一电负性的第二电负性。
[0087] 在一些实施例中，第一层压层L1、第二层压层L2、第三层压层L3和第四层压层L4可以具有不同的电负性。在一些实施例中，第一层压层L1至第四层压层L2的电负性可以随着距电介质层102的距离的增加而增加。
[0088] 在一些实施例中，第一层压层L1和第三层压层L3可以具有相同的第一电负性，并且第二层压层L2和第四层压层L4可以具有相同的第二电负性。在这里，第二电负性可以高于第一电负性。第一层压层L1和第三层压层L3可以是第一还原牺牲材料R1，并且第二层压层L2和第四层压层L4可以是第二还原牺牲材料R2。因此，还原牺牲层RSL可以具有通过交替地层叠第一还原牺牲材料R1和第二还原牺牲材料R2而形成的层压结构，其中第二还原牺牲材料R2可以与第二导电层103直接接触。
[0089] 在一些实施例中，第一层压层L1、第二层压层L2、第三层压层L3和第四层压层L4中的每一个可以包括随着它们更靠近电介质层102而更容易被还原的材料。即，与第二导电层103接触的第四层压层L4的电负性可以是最低的，并且与电介质层102接触的第一层压层L1的电负性可以是最高的。
[0090] 图4是根据本发明的一个实施例的半导体器件的截面图。
[0091] 参考图4，半导体器件141可以包括第一导电层101、电介质层102和第二导电层103。半导体器件141还可以包括设置在电介质层102与第二导电层103之间的还原牺牲层RSL。还原牺牲层RSL可以具有在其中第二还原牺牲材料R2和第一还原牺牲材料R1被混合的结构。还原牺牲层RSL可以具有在其中第一还原牺牲材料R1掺杂有第二还原牺牲材料R2的结构。
[0092] 第二还原牺牲材料R2和第一还原牺牲材料R1中的每一个可以包括具有高电负性(EN)的材料。第一还原牺牲材料R1和第二还原牺牲材料R2可以具有不同的电负性。例如，第二还原牺牲材料R2可以具有比第一还原牺牲材料R1高的电负性。第一还原牺牲材料R1和第二还原牺牲材料R2中的每一个可以包括氧化铌(Nb2O5)、氧化锗(GeO2)、氧化硅(SiO2)、氧化钛(TiO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化铝(Al2O3)、氧化钼(MoO2和MoO3)、氧化钌(RuO2)或氧化铱(IrO2)。第一还原牺牲材料R1和第二还原牺牲材料R2中的每一个可以包括选自钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)、锡(Sn)、钼(Mo)、钌(Ru)、铱(Ir)、铌(Nb)、锗(Ge)、硅(Si)及其组合的材料的一种低价氧化物。
[0093] 第二还原牺牲材料R2可以在沉积第一还原牺牲材料R1期间或之后被掺杂，以便形成具有混合结构的还原牺牲层RSL。在一些实施例中，可以在第一还原牺牲材料R1和第二还原牺牲材料R2被层叠之后执行后热退火(post thermal anneal)工艺。后热退火工艺可以在NH3气氛、等离子体氮化或等离子体氧化中执行。后热退火工艺可以包括激光退火工艺。在第一还原牺牲材料R1和第二还原牺牲材料R2如图2所示地被层叠之后，可以执行后热退火工艺，并且第一还原牺牲材料R1和第二还原牺牲材料R2如图3所示地被层叠在层压结构中之后，可以执行后热退火工艺。
[0094] 可以在形成第二导电层103之前执行后热退火工艺，从而在形成第二导电层103之前预先将还原牺牲层RSL还原。
[0095] 在上述实施例中，电介质层102可以包括ZrO2、ZA、ZAZ、ZAZA、ZAZAZ、HfO2、HA、HAH、HAHA和HAHAH叠层中的任何一个。还原牺牲层RSL可以包括第一还原牺牲材料R1和第二还原牺牲材料R2。第一还原牺牲材料R1和第二还原牺牲材料R2可以是不同的材料。第一还原牺牲材料R1和第二还原牺牲材料R2可以包括氧化钛(TiO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化铌(Nb2O5)、氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化锡(SnO2)、氧化锗(GeO2)、二氧化钼(MoO2)、三氧化钼(MoO3)、氧化铱(IrO2)和氧化钌(RuO2)中的任何一种。
[0096] 第一还原牺牲材料R1和第二还原牺牲材料R2中的任何一个可以与电介质层102直接接触，另一个可以与第二导电层103直接接触。
[0097] 第一还原牺牲材料R1可以具有比第二还原牺牲材料R2高的电负性。还原牺牲层RSL可以包括接触电介质层102的第一还原牺牲材料R1和接触第二导电层103的第二还原牺牲材料R2。
[0098] 在一些实施例中，第一还原牺牲材料R1可以包括TiO2或Ta2O5，并且第二还原牺牲材料R2可以包括氧化铌(Nb2O5)、氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化锡(SnO2)、氧化锗(GeO2)、二氧化钼(MoO2)、三氧化钼(MoO3)、氧化铱(IrO2)和氧化钌(RuO2)中的任何一种。
[0099] 例如，还原牺牲层RSL可以包括TA(TiO2/Al2O3)、TNb(TiO2/Nb2O5)、TS(TiO2/SiO2)、TSn(TiO2/SnO2)、TGe(TiO2/GeO2)、TM(TiO2/MoO2或TiO2/MoO3)、TIr(TiO2/IrO2)和TR(TiO2/RuO2)叠层中的任何一种叠层。在一些实施例中，电介质层102和还原牺牲层RSL的叠层可以包括Z-TA、ZA-TA、ZAZ-TA、ZAZA-TA、ZAZAZ-TA、H-TA、HA-TA、HAH-TA、HAHA-TA或HAHAH-TA叠层。
[0100] 在一些实施例中，还原牺牲层RSL可以包括接触电介质层102的第二还原牺牲材料R2和接触第二导电层103的第一还原牺牲材料R1。
[0101] 例如，还原牺牲层RSL可以包括AT(Al2O3/TiO2)、NbT(Nb2O5/TiO2)、ST(SiO2/TiO2)、SnT(SnO2/TiO2)、GeT(GeO2/TiO2)、MT(MoO2/TiO2或MoO3/TiO2)、IrT(IrO2/TiO2)和RT(RuO2/TiO2)叠层中的任何一种叠层。在一些实施例中，电介质层102和还原牺牲层RSL的叠层可以包括Z-AT、ZA-AT、ZAZ-AT、ZAZA-AT、ZAZAZ-AT、H-AT、HA-AT、HAH-AT、HAHA-AT或HAHAH-AT叠层。
[0102] 可以对电介质层102和还原牺牲层RSL的叠层进行各种变型(参考图7A至图14D)。电介质层102和还原牺牲层RSL的叠层也可以被称为“高k叠层”。
[0103] 图5A至5D是根据实施例的半导体器件的截面图。
[0104] 参考图5A，半导体器件151可以包括第一导电层101、电介质层102、还原牺牲层RSL和第二导电层103。半导体器件151还可以包括设置在第一导电层101与电介质层102之间的界面控制层ICL(interface control layer)。界面控制层ICL和还原牺牲层RSL可以是相同的材料或不同的材料。界面控制层ICL可以包括比电介质层102高的电负性。界面控制层ICL和还原牺牲层RSL可以具有相同的电负性或不同的电负性。界面控制层ICL可以包括钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)、锡(Sn)、钼(Mo)、钌(Ru)、铱(Ir)、铌(Nb)、锗(Ge)、硅(Si)或其组合。界面控制层ICL可以包括氧化钛(TiO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化铝(Al2O3)、氧化锡(SnO2)、二氧化钼(MoO2)、三氧化钼(MoO3)、氧化钌(RuO2)、氧化铱(IrO2)、氧化铌(Nb2O5)、氧化锗(GeO2)、氧化硅(SiO2)或其组合。界面控制层ICL可以包括选自钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)、锡(Sn)、钼(Mo)、钌(Ru)、铱(Ir)、铌(Nb)、锗(Ge)、硅(Si)及其组合的材料的一种低价氧化物。
[0105] 界面控制层ICL和还原牺牲层RSL可以具有单一结构。
[0106] 参考图5B，半导体器件152可以包括第一导电层101、电介质层102、还原牺牲层RSL和第二导电层103。半导体器件152还可以包括设置在第一导电层101与电介质层102之间的界面控制层ICL。界面控制层ICL和还原牺牲层RSL可以是相同的材料或不同的材料。界面控制层ICL可以包括具有比电介质层102高的电负性的材料。界面控制层ICL和还原牺牲层RSL可以具有比电介质层102高的电负性。界面控制层ICL可以包括钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)、锡(Sn)、钼(Mo)、钌(Ru)、铱(Ir)、铌(Nb)、锗(Ge)、硅(Si)或其组合。界面控制层ICL可以包括氧化钛(TiO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化铝(Al2O3)、氧化锡(SnO2)、二氧化钼(MoO2)、三氧化钼(MoO3)、氧化钌(RuO2)、氧化铱(IrO2)、氧化铌(Nb2O5)、氧化锗(GeO2)、氧化硅(SiO2)或其组合。
[0107] 界面控制层ICL和还原牺牲层RSL可以具有叠层结构。
[0108] 界面控制层ICL可以包括第一界面控制材料I1和第二界面控制材料I2的叠层。还原牺牲层RSL可以包括第一还原牺牲材料R1和第二还原牺牲材料R2的叠层。第一界面控制材料I1和第一还原牺牲材料R1可以是相同的材料，并且第二界面控制材料I2和第二还原牺牲材料R2可以是相同的材料。第一界面控制材料I1和第二还原牺牲材料R2可以是相同的材料，并且第二界面控制材料I2和第一还原牺牲材料R1可以是相同的材料。第一界面控制材料I1可以与第一导电层101直接接触，并且第二还原牺牲材料R2可以与第二导电层103直接接触。第一界面控制材料I1和第二还原牺牲材料R2可以分别具有比第二界面控制材料I2和第一还原牺牲材料R1高的电负性。
[0109] 第一界面控制材料I1、第二界面控制材料I2、第一还原牺牲材料R1和第二还原牺牲材料R2中的每一个可以包括氧化钛(TiO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化铝(Al2O3)、氧化锡(SnO2)、二氧化钼(MoO2)、三氧化钼(MoO3)、氧化钌(RuO2)、氧化铱(IrO2)、氧化铌(Nb2O5)、氧化锗(GeO2)、氧化硅(SiO2)或其组合。第一界面控制材料I1、第二界面控制材料I2、第一还原牺牲材料R1和第二还原牺牲材料R2中的每一个可以包括选自钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)、锡(Sn)、钼(Mo)、钌(Ru)、铱(Ir)、铌(Nb)、锗(Ge)、硅(Si)及其组合的材料的一种低价氧化物。
[0110] 参考图5C，半导体器件153可以包括第一导电层101、电介质层102、还原牺牲层RSL和第二导电层103。半导体器件153还可以包括设置在第一导电层101与电介质层102之间的界面控制层ICL。界面控制层ICL和还原牺牲层RSL可以是相同的材料或不同的材料。界面控制层ICL可以包括具有比电介质层102高的电负性的材料。界面控制层ICL和还原牺牲层RSL可以具有比电介质层102高的电负性。界面控制层ICL可以包括钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)、锡(Sn)、钼(Mo)、钌(Ru)、铱(Ir)、铌(Nb)、锗(Ge)、硅(Si)或其组合。界面控制层ICL可以包括氧化钛(TiO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化铝(Al2O3)、氧化锡(SnO2)、二氧化钼(MoO2)、三氧化钼(MoO3)、氧化钌(RuO2)、氧化铱(IrO2)、氧化铌(Nb2O5)、氧化锗(GeO2)、氧化硅(SiO2)或其组合。界面控制层ICL可以包括多个层压层。例如，界面控制层ICL可以具有在其中顺序地层叠第一层压界面层LI1、第二层压界面层LI2、第三层压界面层LI3和第四层压界面层LI4的结构。第一层压界面层LI1至第四层压界面层LI4可以与图3中所示的第一层压层L1至第四层压层L4相同。
[0111] 参考图5D，半导体器件154可以包括第一导电层101、电介质层102、还原牺牲层RSL和第二导电层103。半导体器件154还可以包括设置在第一导电层101与电介质层102之间的界面控制层ICL。界面控制层ICL和还原牺牲层RSL可以是相同的材料或不同的材料。界面控制层ICL可以包括具有比电介质层102高的电负性的材料。界面控制层ICL和还原牺牲层RSL可以具有比电介质层102高的电负性。界面控制层ICL可以包括钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)、锡(Sn)、钼(Mo)、钌(Ru)、铱(Ir)、铌(Nb)、锗(Ge)、硅(Si)或其组合。界面控制层ICL可以包括氧化钛(TiO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化铝(Al2O3)、氧化锡(SnO2)、二氧化钼(MoO2)、三氧化钼(MoO3)、氧化钌(RuO2)、氧化铱(IrO2)、氧化铌(Nb2O5)、氧化锗(GeO2)、氧化硅(SiO2)或其组合。界面控制层ICL可以包括选自钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)、锡(Sn)、钼(Mo)、钌(Ru)、铱(Ir)、铌(Nb)、锗(Ge)、硅(Si)及其组合的材料的一种低价氧化物。界面控制层ICL可以包括在其中第一界面控制材料IB和第二界面控制材料ID彼此混合的材料。
[0112] 第一界面控制材料IB和第二界面控制材料ID可以包括具有比电介质层102高的电负性EN的材料。第二界面控制材料ID可以是比第一界面控制材料IB容易被还原的材料。
[0113] 在上述图5A至5D中，还原牺牲层RSL和界面控制层ICL中的每一个可以具有单一结构、叠层结构、层压结构和混合结构中的任何一种结构。
[0114] 在一些实施例中，还原牺牲层RSL和界面控制层ICL可以由相同的材料形成并且具有相同的结构。
[0115] 在一些实施例中，还原牺牲层RSL和界面控制层ICL可以由不同的材料形成并且具有不同的结构。例如，还原牺牲层RSL可以具有单一结构，并且界面控制层ICL可以具有单一结构、叠层结构、层压结构和混合结构中的任何一种结构。例如，界面控制层ICL可以是单层，并且还原控制层RSL可以具有单一结构、叠层结构、层压结构和混合结构中的任何一种结构。
[0116] 在一些实施例中，还原牺牲层RSL也可以称为“上界面控制层(上ICL)”，并且界面控制层ICL也可以称为“下界面控制层(下ICL)”。因此，还原牺牲层RSL有助于电介质层102与第二导电层103之间的界面工程，并且界面控制层ICL有助于第一导电层101和电介质层102之间的界面工程。
[0117] 电介质层102、还原牺牲层RSL和界面控制层ICL的叠层也可以称为“高k叠层”。
[0118] 在上述实施例中，第二导电层103可以在还原气氛中形成。还原气氛可以包括还原材料，诸如氢、氢化合物或氮-氢化合物。例如，第二导电层103可以由氮化钛(TiN)形成，并且氮化钛(TiN)可以由TiCl4和NH3形成。在此，NH3可以是还原材料。在一些实施例中，氮化钛(TiN)可以由金属有机源和NH3形成。金属有机源可以包括TEMAT(四(乙基甲基氨基)钛)、TDMAT(四(二甲氨基)钛)或TDEAT(四(二乙氨基)钛)。
[0119] 当形成第二导电层103时，还原牺牲层RSL可以早于电介质层102被还原，从而防止电介质层102被还原。当诸如氧化锆和氧化铪的电介质层102直接暴露于还原气氛时，可能容易发生还原。由于还原牺牲层RSL具有比电介质层102高的电负性，所以还原牺牲层RSL可以比电介质层102容易被还原。因此，还原牺牲层RSL可以抑制电介质层102的诸如氧损失的缺陷。
[0120] 由于通过还原牺牲层RSL抑制了电介质层102的缺陷，所以电介质层102的EOT可以减小，电容可以增加。由于缺陷引起的泄漏电流也可以减少。
[0121] 当在第二导电层103与电介质层102之间形成还原牺牲层RSL时，价带偏移(valence band offset，VBO)可以减小。随着价带偏移(VBO)减小，导带偏移(conduction band offset，CBO)可以增大。导带偏移的增大可以提高电子穿过的势垒(barrier)，从而减少泄漏电流。
[0122] 图6A是描述根据比较示例的半导体器件中的界面的能带偏移的示图。图6B是描述根据本发明的一个实施例的半导体器件中的界面的能带偏移的示图。在图6A和6B中，作为示例，第二导电层103可以是氮化钛(TiN)，电介质层102可以是氧化锆(ZrO2)，并且还原牺牲层RSL可以是氧化锗(GeO2)。图6A的比较示例的结构可以具有不包括还原牺牲层RSL的结构。
[0123] 参考图6A，在第二导电层103与电介质层102之间的界面处容易发生还原，在该还原中电介质层102的氧(O-2)由第二导电层103带走。由于该还原，在电介质层102中出现氧空位(V2+)。换句话说，电介质层102的还原可以降低第二导电层103与电介质层102之间的导带偏移(CBO)(参考附图标记200)。随着导带偏移CBO降低，第二导电层103和电介质层102之间的势垒(potential barrier)可以降低。当势垒降低时，存储在电介质层102中的电子可以容易地移动到第二导电层103，从而增加了泄漏电流。
[0124] 参考图6B，当在第二导电层103与电介质层102之间存在还原牺牲层RSL时，可以防止第二导电层103与电介质层102之间的导带偏移(CBO)降低。换句话说，由于还原牺牲层RSL早于电介质层102被还原，所以导带偏移(CBO)可以高于比较示例中的导带偏移(CBO)。由于导带偏移CBO高，所以第二导电层103与电介质层102之间的势垒可以增加。当势垒增加时，可以防止电介质层102的电子移动到第二导电层103。以这种方式，通过插入设置在电介质层102与第二导电层103之间的还原牺牲层RSL，可以防止电介质层102失去电子的泄漏电流现象。
[0125] 随着还原牺牲层RSL中所包括的还原牺牲材料的电负性变得更高，可以进一步防止导带偏移降低现象(CBO降低)。
[0126] 图7A至14D是示出根据本实施例的半导体器件的应用示例的示图。图7A、8A、9A、10A、11A、12A、13A和14A是具有单一结构的还原牺牲层的应用实例。图7B、8B、9B、10B、11B、
12B、13B和14B是具有叠层结构的还原牺牲层的应用示例。图7C、8C、9C、10C、11C、12C、13C和
14C是具有层压结构的还原牺牲层的应用示例。图7D、8D、9D、10D、11D、12D、13D和14D是具有混合结构的还原牺牲层的应用示例。为了便于描述，放大了图7A至图14D中的还原牺牲层RSL的厚度，还原牺牲层RSL的厚度可以是超薄的且比电介质层102的厚度薄。
12B、13B和14B是具有叠层结构的还原牺牲层的应用示例。图7C、8C、9C、10C、11C、12C、13C和
14C是具有层压结构的还原牺牲层的应用示例。图7D、8D、9D、10D、11D、12D、13D和14D是具有混合结构的还原牺牲层的应用示例。为了便于描述，放大了图7A至图14D中的还原牺牲层RSL的厚度，还原牺牲层RSL的厚度可以是超薄的且比电介质层102的厚度薄。
[0127] 在图7A至14D中，作为示例，电介质层102可以包括氧化锆(ZrO2)。然而，电介质层102不限于氧化锆，并且可以例如包括ZA、ZAZ、ZAZA、氧化铪(HfO2)、HA、HAH或HAHA。
[0128] 还原牺牲层RSL可以具有比被用于电介质层102的氧化锆(ZrO2)高的电负性。因此，当形成第二导电层103时，还原牺牲层RSL可能早于氧化锆(ZrO2)被还原。
[0129] 在图7A至14D中，作为示例，第二导电层103可以包括氮化钛(TiN)。然而，第二导电层103不限于氮化钛(TiN)，并且可以例如通过在氮化钛(TiN)上层叠硅锗(SiGe)而形成。在一些实施例中，第二导电层103可以通过在硅锗(SiGe)上层叠氮化钛(TiN)来形成。在一些实施例中，第二导电层103可以包括金属氮化物，诸如氮化钨(WN)。
[0130] 在图7A至14D中，作为示例，第一导电层101可以包括氮化钛(TiN)。然而，第一导电层101不限于氮化钛(TiN)，并且可以例如包括诸如氮化钨(WN)的金属氮化物。
[0131] 在图7A至图7D中，例如，还原牺牲层RSL可以包括氧化铝(Al2O3)。然而，包括氧化铝的还原牺牲层RSL也可以称为“基于氧化铝的还原牺牲层”。
[0132] 在图7A中，例如，具有单一结构的还原牺牲层RSL可以是氧化铝(Al2O3)。在图7B中，例如，还原牺牲层RSL可以具有TA(TiO2/Al2O3)结构。在图7C中，例如，还原牺牲层RSL可以具有TATA(TiO2/Al2O3/TiO2/Al2O3)结构。在图7D中，例如，还原牺牲层RSL可以具有掺铝氧化钛(掺杂Al的TiO2)结构。
[0133] 在一些实施例中，还原牺牲层RSL可以包括AT(Al2O3/TiO2)、ATAT(Al2O3/TiO2/Al2O3/TiO2)或ATA(Al2O3/TiO2/Al2O3)结构。
[0134] 在一些实施例中，基于氧化铝的还原牺牲层RSL可以被层叠在或层压在除了氧化钛(TiO2)之外的还原牺牲材料上，或者与除了氧化钛(TiO2)之外的还原牺牲材料混合。其他的还原牺牲材料可以包括氧化钽(Ta2O5)、氧化锡(SnO2)、二氧化钼(MoO2)、三氧化钼(MoO3)、氧化钌(RuO2)、氧化铱(IrO2)、氧化铌(Nb2O5)、氧化锗(GeO2)或氧化硅(SiO2)。
[0135] 在图8A至8D中，例如，还原牺牲层RSL可以包括氧化锡。包括氧化锡的还原牺牲层RSL也可以称为“基于氧化锡的还原牺牲层”。
[0136] 在图8A中，例如，具有单一结构的还原牺牲层RSL可以是氧化锡(SnO2)。在图8B中，例如，还原牺牲层RSL可以具有TSn(TiO2/SnO2)结构。在图8C中，例如，还原牺牲层RSL可以具有TSnTSn(TiO2/SnO2/TiO2/SnO2)结构。在图8D中，例如，还原牺牲层RSL可以具有掺锡氧化钛(掺杂Sn的TiO2)结构。
[0137] 在一些实施例中，还原牺牲层RSL可以包括SnT(SnO2/TiO2)、SnTSnT(SnO2/TiO2/SnO2/TiO2)或SnTSn(SnO2/TiO2/SnO2)结构。
[0138] 在一些实施例中，基于氧化锡的还原牺牲层RSL可以被层叠在或层压在除了氧化钛(TiO2)之外的还原牺牲材料上，或者与除了氧化钛(TiO2)之外的还原牺牲材料混合。其他的还原牺牲材料可以例如包括氧化钽(Ta2O5)、氧化铝(Al2O3)、二氧化钼(MoO2)、三氧化钼(MoO3)、氧化钌(RuO2)、氧化铱(IrO2)、氧化铌(Nb2O5)、氧化锗(GeO2)或氧化硅(SiO2)。
[0139] 在图9A至9D中，例如，还原牺牲层RSL可以包括氧化钼。包括氧化钼的还原牺牲层RSL也可以称为“基于氧化钼的还原牺牲层”。
[0140] 在图9A中，例如，具有单一结构的还原牺牲层RSL可以是氧化钼(MoOx)。氧化钼(MoOx)可以包括二氧化钼(MoO2)或三氧化钼(MoO3)。在图9B中，例如，还原牺牲层RSL可以具有TMo(TiO2/MoOx)结构。在图9C中，例如，还原牺牲层RSL可以具有TMoTMo(TiO2/MoOx/TiO2/MoOx)结构。在图9D中，例如，还原牺牲层RSL可以具有掺钼氧化钛(掺杂Mo的TiO2)结构。
[0141] 在一些实施例中，还原牺牲层RSL可以包括MoT(MoOx/TiO2)、MoTMoT(MoOx/TiO2/MoOx/TiO2)或MoTMo(MoOx/TiO2/MoOx)结构。
[0142] 在一些实施例中，基于氧化钼的还原牺牲层RSL可以被层叠在或层压在除了氧化钛(TiO2)之外的还原牺牲材料上，或者与除了氧化钛(TiO2)之外的还原牺牲材料混合。其他的还原牺牲材料可以包括氧化钽(Ta2O5)、氧化铝(Al2O3)、氧化锡(SnO2)、氧化钌(RuO2)、氧化铱(IrO2)、氧化铌(Nb2O5)、氧化锗(GeO2)或氧化硅(SiO2)。
[0143] 在图10A至10D中，例如，还原牺牲层RSL可以包括氧化钌(RuO2)。包括氧化钌的还原牺牲层RSL也可以称为“基于氧化钌的还原牺牲层”。
[0144] 在图10A中，例如，具有单一结构的还原牺牲层RSL可以是氧化钌(RuO2)。在图10B中，例如，还原牺牲层RSL可以具有TR(TiO2/RuO2)结构。在图10C中，例如，还原牺牲层RSL可以具有TRTR(TiO2/RuO2/TiO2/RuO2)结构。在图10D中，例如，还原牺牲层RSL可以具有掺钌氧化钛(掺杂Ru的TiO2)结构。
[0145] 在一些实施例中，还原牺牲层RSL可以包括RT(RuO2/TiO2)、RTRT(RuO2/TiO2/RuO2/TiO2)或RTR(RuO2/TiO2/RuO2)结构。
[0146] 在一些实施例中，基于氧化钌的还原牺牲层RSL可以被层叠在或层压在除了氧化钛(TiO2)之外的还原牺牲材料上，或者与除了氧化钛(TiO2)之外的还原牺牲材料混合。其他的还原牺牲材料可以包括氧化钽(Ta2O5)、氧化铝(Al2O3)、氧化锡(SnO2)、二氧化钼(MoO2)、三氧化钼(MoO3)、氧化铱(IrO2)、氧化铌(Nb2O5)、氧化锗(GeO2)或氧化硅(SiO2)。
[0147] 在图11A至11D中，例如，还原牺牲层RSL可以包括氧化铱(IrO2)。包括氧化铱的还原牺牲层RSL也可以称为“基于氧化铱的还原牺牲层”。
[0148] 在图11A中，例如，具有单一结构的还原牺牲层RSL可以是氧化铱(IrO2)。在图11B中，例如，还原牺牲层RSL可以具有TIr(TiO2/IrO2)结构。在图11C中，例如，还原牺牲层RSL可以具有TIrTIr(TiO2/IrO2/TiO2/IrO2)结构。在图11D中，例如，还原牺牲层RSL可以具有掺铱氧化钛(掺杂Ir的TiO2)结构。
[0149] 在一些实施例中，还原牺牲层RSL可以包括IrT(IrO2/TiO2)、IrTIrT(IrO2/TiO2/IrO2/TiO2)或IrTIr(IrO2/TiO2/IrO2)结构。
[0150] 在一些实施例中，基于氧化铱的还原牺牲层RSL可以被层叠在或层压在除了氧化钛(TiO2)之外的还原牺牲材料上，或者与除了氧化钛(TiO2)之外的还原牺牲材料混合。其他的还原牺牲材料可以包括氧化钽(Ta2O5)、氧化铝(Al2O3)、氧化锡(SnO2)、二氧化钼(MoO2)、三氧化钼(MoO3)、氧化钌(RuO2)、氧化铌(Nb2O5)、氧化锗(GeO2)或氧化硅(SiO2)。
[0151] 在图12A至12D中，例如，还原牺牲层RSL可以包括氧化铌(Nb2O5)。包括氧化铌的还原牺牲层RSL也可以称为“基于氧化铌的还原牺牲层”。
[0152] 在图12A中，例如，具有单一结构的还原牺牲层RSL可以是氧化铌(Nb2O5)。在图12B中，例如，还原牺牲层RSL可以具有TNb(TiO2/Nb2O5)结构。在图12C中，例如，还原牺牲层RSL可以具有TNbTNb(TiO2/Nb2O5/TiO2/Nb2O5)结构。在图12D中，例如，还原牺牲层RSL可以具有掺铌氧化钛(掺杂Nb的TiO2)结构。
[0153] 在一些实施例中，还原牺牲层RSL可以包括NbT(Nb2O5/TiO2)、NbTNbT(Nb2O5/TiO2/Nb2O5/TiO2)或NbTNb(Nb2O5/TiO2/Nb2O5)结构。
[0154] 在一些实施例中，基于氧化铌的还原牺牲层RSL可以被层叠在或层压在除了氧化钛(TiO2)之外的还原牺牲材料上，或者与除了氧化钛(TiO2)之外的还原牺牲材料混合。其他的还原牺牲材料可以包括氧化钽(Ta2O5)、氧化铝(Al2O3)、氧化锡(SnO2)、二氧化钼(MoO2)、三氧化钼(MoO3)、氧化钌(RuO2)、氧化铱(IrO2)、氧化锗(GeO2)或氧化硅(SiO2)。
[0155] 在图13A至13D中，例如，还原牺牲层RSL可以包括氧化锗(GeO2)。包括氧化锗的还原牺牲层RSL也可以称为“基于氧化锗的还原牺牲层”。
[0156] 在图13A中，例如，具有单一结构的还原牺牲层RSL可以是氧化锗(GeO2)。在图13B中，例如，还原牺牲层RSL可以具有TGe(TiO2/GeO2)结构。在图13C中，例如，还原牺牲层RSL可以具有TGeTGe(TiO2/GeO2/TiO2/GeO2)结构。在图13D中，例如，还原牺牲层RSL可以具有掺锗氧化钛(掺杂Ge的TiO2)结构。
[0157] 在一些实施例中，还原牺牲层RSL可以包括GeT(GeO2/TiO2)、GeTGeT(GeO2/TiO2/GeO2/TiO2)或GeTGe(GeO2/TiO2/GeO2)结构。
[0158] 在一些实施例中，基于氧化锗的还原牺牲层RSL可以被层叠在或层压在除了氧化钛(TiO2)之外的还原牺牲材料上，或者与除了氧化钛(TiO2)之外的还原牺牲材料混合。其他的还原牺牲材料可以包括氧化钽(Ta2O5)、氧化铝(Al2O3)、氧化锡(SnO2)、二氧化钼(MoO2)、三氧化钼(MoO3)、氧化钌(RuO2)、氧化铱(IrO2)、氧化铌(Nb2O5)或氧化硅(SiO2)。
[0159] 在图14A至14D中，例如，还原牺牲层RSL可以包括氧化硅(SiO2)。包括氧化硅的还原牺牲层RSL也可以称为“基于氧化硅的还原牺牲层”。
[0160] 在图14A中，例如，具有单一结构的还原牺牲层RSL可以是氧化硅(SiO2)。在图14B中，例如，还原牺牲层RSL可以具有TS(TiO2/SiO2)结构。在图14C中，例如，还原牺牲层RSL可以具有TSTS(TiO2/SiO2/TiO2/SiO2)结构。在图14D中，例如，还原牺牲层RSL可以具有掺硅氧化钛(掺杂Si的TiO2)结构。
[0161] 在一些实施例中，还原牺牲层RSL可以包括ST(SiO2/TiO2)、STST(SiO2/TiO2/SiO2/TiO2)或STS(SiO2/TiO2/SiO2)结构。
[0162] 在一些实施例中，基于氧化硅的还原牺牲层RSL可以被层叠在或层压在除了氧化钛(TiO2)之外的还原牺牲材料上，或者与除了氧化钛(TiO2)之外的还原牺牲材料混合。其他的还原牺牲材料可以包括氧化钽(Ta2O5)、氧化铝(Al2O3)、氧化锡(SnO2)、二氧化钼(MoO2)、三氧化钼(MoO3)、氧化钌(RuO2)、氧化铱(IrO2)、氧化铌(Nb2O5)或氧化锗(GeO2)。
[0163] 在图7A至14D中，还原牺牲层RSL可以包括金属低价氧化物、不同金属低价氧化物的叠层、不同金属低价氧化物的层压结构或不同金属低价氧化物的混合结构。
[0164] 在图7A至14D中，可以通过原子层沉积(atomic layer deposition，ALD)来沉积第一导电层101、电介质层102、还原牺牲层RSL和第二导电层103。在图7A至14D中，可以通过金属有机原子层沉积(metal organic atomic layer deposition，MOALD)来沉积第一导电层101、电介质层102、还原牺牲层RSL和第二导电层103。
[0165] 在图7A、8A、9A、10A、11A、12A、13A和14A中，具有单一结构的还原牺牲层RSL可以具有与图1B和1C的还原牺牲层RSL类似的结构。
[0166] 在图7A至14D中，界面控制层ICL还可以被包括在第一导电层101与电介质层102之间。界面控制层ICL可以对应于图5A至5D中所示的界面控制层。
[0167] 在图7A至14D中，还原牺牲层RSL可以包括选自钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)、锡(Sn)、钼(Mo)、钌(Ru)、铱(Ir)、铌(Nb)、锗(Ge)、硅(Si)及其组合的材料的一种低价氧化物。
[0168] 图15A至15C是示出用于形成半导体器件的方法的示例的示图。图15A至15C示出了用于形成具有叠层结构的还原牺牲层的方法的示例。
[0169] 如图15A中所示，可以形成第一导电层101。可以在第一导电层101上形成电介质层102。第一导电层101可以包括氮化钛(TiN)。第一导电层101不限于氮化钛。第一导电层101可以通过ALD来形成。第一导电层101可以包括“ALD TiN”。可以使用钛源材料和氮源材料来沉积ALD TiN。钛源材料可以包括TiCl4，并且氮源材料可以包括NH3。
[0170] 电介质层102可以包括基于氧化锆的层。电介质层102可以包括氧化锆(ZrO2)。电介质层102可以通过ALD来形成。
[0171] 如图15B中所示，可以在电介质层102上形成还原牺牲层RSL。可以通过顺序地层叠氧化钛(TiO2)和氧化锡(SnO2)来形成还原牺牲层RSL。氧化锡(SnO2)可以具有比氧化钛(TiO2)高的电负性。还原牺牲层RSL可以具有小的厚度。还原牺牲层RSL可以具有约0.1nm至2nm的厚度。还原牺牲层RSL可以通过ALD来形成。
[0172] 如图15C中所示，可以在还原牺牲层RSL上形成第二导电层103。第二导电层103可以包括金属、金属氮化物、导电金属氧化物或其组合。第二导电层103可以包括钛(Ti)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、钨(W)、氮化钨(WN)、钌、铱、氧化钌、氧化铱或其组合。在该实施例中，第二导电层103可以包括氮化钛。可以通过ALD来形成第二导电层103。因此，第二导电层103可以包括“ALD TiN”。可以使用钛源材料和氮源材料来沉积ALD TiN。钛源材料可以包括TiCl4，并且氮源材料可以包括NH3。
[0173] 当形成第二导电层103时，还原牺牲层RSL可以通过作为氮源材料的NH3而早于电介质层102被还原。因此，可以防止电介质层102的还原，并且可以抑制电介质层102的氧损失。在该还原之后，还原牺牲层RSL可以变成缺氧还原牺牲层RSL'。缺氧还原牺牲层RSL'可以是低价锡氧化物(SnO2-x)或SnO。低价锡氧化物(SnO2-x)具有导电性，因为它比氧化锡(SnO2)缺氧。因此，低价锡氧化物(SnO2-x)可以与第二导电层103一起用作导电材料。
[0174] 由于氧化锡(SnO2)早于氧化钛(TiO2)被还原，所以氧化钛(TiO2)可以不被还原。
[0175] 在一些实施例中，当形成第二导电层103时，氧化钛(TiO2)可以早于电介质层102被还原。因此，在该还原之后，氧化钛(TiO2)可以变成低价钛氧化物(TiO2-x)。
[0176] 图16A至16D是示出用于形成半导体器件的方法的示例的示图。图16A至16D示出了形成具有混合结构的还原牺牲层的方法的示例。
[0177] 如图16A中所示，可以形成第一导电层101。可以在第一导电层101上形成电介质层102。第一导电层101可以包括氮化钛(TiN)。第一导电层101不限于氮化钛。可以通过ALD来形成第一导电层101。第一导电层101可以包括“ALD TiN”。可以使用钛源材料和氮源材料来沉积ALD TiN。钛源材料可以包括TiCl4，并且氮源材料可以包括NH3。
[0178] 电介质层102可以包括基于氧化锆的层。电介质层102可以包括氧化锆(ZrO2)。可以通过ALD来形成电介质层102。
[0179] 如图16B中所示，可以在电介质层102上形成还原牺牲层RSL。可以通过顺序地层叠氧化钛(TiO2)和氧化铝(Al2O3)来形成还原牺牲层RSL。氧化铝(Al2O3)可以具有比氧化钛(TiO2)高的电负性。还原牺牲层RSL可以具有小的厚度。还原牺牲层RSL可以具有约0.1nm到2nm的厚度。可以通过ALD来形成还原牺牲层RSL。
[0180] 如图16C中所示，可以执行退火工艺300。还原牺牲层RSL可以被暴露于退火工艺300。可以通过退火工艺300来使氧化钛(TiO2)和氧化铝(Al2O3)彼此混合。氧化钛(TiO2)和氧化铝(Al2O3)的混合复合物可以包括掺铝氧化钛(掺杂Al的TiO2)。掺铝氧化钛可以用作还原牺牲层RSL。掺铝氧化钛可以在随后沉积第二导电层103时防止电介质层102的还原。因此，可以通过将具有高带隙的铝掺杂到具有高介电常数的氧化钛中来减小泄漏电流。
[0181] 可以通过NH3气氛、等离子体氮化或等离子体氧化来执行退火工艺300。退火工艺300可以包括激光退火工艺。
[0182] 可以在随后形成第二导电层103之前执行退火工艺300。因此，可以在形成第二导电层103之前预先使还原牺牲层RSL还原。退火工艺300可以使电介质层102晶化以增加介电常数。
[0184] 如16D中所示，可以在还原牺牲层RSL上形成第二导电层103。第二导电层103可以包括金属、金属氮化物、导电金属氧化物或其组合。第二导电层103可以包括钛(Ti)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、钨(W)、氮化钨(WN)、钌、铱、氧化钌、氧化铱或其组合。在该实施例中，第二导电层103可以包括氮化钛。可以通过ALD来形成第二导电层103。因此，第二导电层103可以包括“ALD TiN”。可以使用钛源材料和氮源材料来沉积ALD TiN。钛源材料可以包括TiCl4，并且氮源材料可以包括NH3。在一些实施例中，金属有机源可以被用作钛源材料。
[0185] 当形成第二导电层103时，可以通过作为氮源材料的NH3来将电介质层102还原。在该实施例中，由于在形成第二导电层103之前预先形成了还原牺牲层RSL，所以可以防止电介质层102的还原。因此，可以抑制电介质层102的氧损失。
[0186] 在上述实施例中，半导体器件111至154中的每一个可以是电容器。例如，半导体器件111至154中的每一个可以对应于DRAM的电容器。在半导体器件111至154中，第一导电层101可以是电容器的底部电极，电介质层102可以是电容器的电介质层，并且第二导电层103可以是电容器的顶部电极。因此，电容器可以包括设置在电介质层和顶部电极之间的还原牺牲层RSL。
[0187] 图17A至17C是示出存储单元400的示图。图17B是沿图17的线A-A'截取的存储单元400的截面图。图17C是沿图17A的B-B'线截取的存储单元400的截面图。
[0188] 存储单元400可以包括单元晶体管，该单元晶体管包括掩埋字线408、位线414和电容器CAP。电容器CAP可以对应于半导体器件111至154中的任何一个。电容器CAP可以对应于图7A至14D中所示的结构中的任何一种结构。
[0189] 详细描述存储单元400。
[0190] 可以在衬底401中形成隔离层403和有源区404。可以通过隔离层403来限定多个有源区404。衬底401可以是适于半导体工艺的材料。衬底401可以包括半导体衬底。衬底401可以由含硅的材料形成。衬底401可以包括硅、单晶硅、多晶硅、非晶硅、硅锗、单晶硅锗、多晶硅锗、掺碳硅、其任何组合或它们的多层。衬底401可以包括另一种半导体材料，诸如锗。衬底401可以包括III/V族半导体衬底，例如化合物(chemical compound)半导体衬底(诸如砷化镓(GaAs))。衬底401可以包括绝缘体上硅(SOI)衬底。可以通过浅沟槽隔离(STI)工艺来在隔离沟槽402中形成隔离层403。
[0191] 可以在衬底401中形成字线沟槽406。字线沟槽406也可以称为栅极沟槽。可以在字线沟槽406的表面上形成栅极电介质层407。可以在栅极电介质层407上形成填充字线沟槽406的一部分的掩埋字线408。掩埋字线408也可以称为掩埋栅电极。字线覆盖层409可以形成在掩埋字线408上。掩埋字线408的顶表面可以低于衬底401的顶表面。掩埋字线408可以是低电阻率金属材料。在一些实施例中，可以通过顺序地层叠氮化钛和钨来形成掩埋字线
408。在一些实施例中，掩埋字线408可以仅由氮化钛(TiN)形成。
408。在一些实施例中，掩埋字线408可以仅由氮化钛(TiN)形成。
[0192] 可以在衬底401中形成第一杂质区410和第二杂质区411。第一杂质区410和第二杂质区411可以通过字线沟槽406而彼此间隔开。第一杂质区410和第二杂质区411也可以分别称为第一源极区/漏极区和第二源极区/漏极区。第一杂质区410和第二杂质区411可以包括诸如砷(As)和磷(P)的N型杂质。因此，掩埋字线408以及第一杂质区410和第二杂质区411可以变成单元晶体管。由于掩埋字线408的存在，单元晶体管可以改善短沟道效应。
[0193] 可以在衬底401之上形成位线接触插塞413。位线接触插塞413可以耦接到第一杂质区410。位线接触插塞413可以位于位线接触孔412内部。位线接触孔412可以形成在硬掩模层405中。硬掩模层405可以形成在衬底401之上。位线接触孔412可以暴露出第一杂质区410。位线接触插塞413的底表面可以低于衬底401的顶表面。位线接触插塞413可以由多晶硅或金属材料形成。位线接触插塞413的一部分可以具有小于位线接触孔412的直径的线宽。位线414可以形成在位线接触插塞413上。可以在位线414上形成位线硬掩模415。位线
414和位线硬掩模415的层叠结构也可以称为位线结构BL。位线414可以具有沿着与掩埋字线408交叉的方向而延伸的线性形状。位线414的一部分可以耦接到位线接触插塞413。位线
414可以包括金属材料。位线硬掩模415可以包括电介质材料。
414和位线硬掩模415的层叠结构也可以称为位线结构BL。位线414可以具有沿着与掩埋字线408交叉的方向而延伸的线性形状。位线414的一部分可以耦接到位线接触插塞413。位线
414可以包括金属材料。位线硬掩模415可以包括电介质材料。
[0194] 位线间隔件416可以形成在位线结构BL的侧壁上。位线间隔件416的底部可以延伸以形成在位线接触插塞413的两个侧壁上。位线间隔件416可以包括氧化硅、氮化硅或其组合。在一些实施例中，位线间隔件416可以包括气隙(air gap)。例如，位线间隔件416可以具有氮化物-气隙-氮化物(NAN)结构，在该结构中气隙位于氮化硅之间。
[0195] 存储节点接触插塞SNC可以形成在相邻的位线结构BL之间。存储节点接触插塞SNC可以形成在存储节点接触孔418中。存储节点接触孔418可以具有高的纵横比。存储节点接触插塞SNC可以耦接到第二杂质区411。存储节点接触插塞SNC可以包括底部插塞419和顶部插塞421。存储节点接触插塞SNC还可以包括在底部插塞419与顶部插塞421之间的欧姆接触层420。欧姆接触层420可以包括金属硅化物。顶部插塞421可以包括金属材料，并且底部插塞419可以包括含硅的材料。
[0196] 当从与位线结构BL平行的方向看时，插塞隔离层417可以形成在相邻的存储节点接触插塞SNC之间。插塞隔离层417可以形成在相邻的位线结构BL之间，并且可以与硬掩模层405一起提供存储节点接触孔418。
[0197] 电容器CAP可以形成在顶部插塞421上。
[0198] 图18A至18F是示出图17B中所示的电容器CAP的应用示例的截面图。
[0199] 参考图18A，电容器511可以包括底部电极501、电介质层502、还原牺牲层504和顶部电极503。底部电极501可以被形成为圆柱形。电介质层502可以形成在底部电极501上，并且还原牺牲层504可以形成在电介质层502上。顶部电极503可以形成在还原牺牲层504上。还原牺牲层504可以对应于根据实施例的上述还原牺牲层中的任何一个。
[0200] 在下文中，将省略对与图18A中所示的电容器511的组件相同或相似的组件的详细描述。
[0201] 参考图18B，电容器512可以包括圆柱形(cylinder shape)的底部电极501、电介质层502、还原牺牲层504和顶部电极503。电容器512还可以包括支撑件505。支撑件505可以是用于支撑底部电极501的外壁的结构。支撑件505可以例如包括氮化硅。
[0202] 参考图18C和18D，电容器513和514中的每一个可以包括柱形(pillar shape)的底部电极501P、电介质层502、还原牺牲层504和顶部电极503。图18D中所示的电容器514还可以包括支撑件505。
[0203] 参考图18E和18F，电容器515和516中的每一个可以包括柱圆混合形(pylinder shape)的底部电极501L、电介质层502、还原牺牲层504和顶部电极503。图18F中所示的电容器516还可以包括支撑件505。底部电极501L可以包括底部区和顶部区。底部电极501L的底部区可以是柱形，并且底部电极501L的顶部区可以是圆柱形。柱形和圆柱形的混合结构也可以称为柱圆混合形。
[0204] 如上所述，可以在形成电容器511至516的工艺中形成还原牺牲层504，从而防止电介质层502被还原、减小电介质层502的EOT并防止泄漏。因此，可以制造刷新(refresh)特性和可靠性得到改善的高集成度的动态随机存取存储器(DRAM)。
[0205] 根据上述实施例的半导体器件不限于DRAM，而是可以被应用于诸如静态随机存取存储器(SRAM)、快闪存储器、铁电随机存取存储器(FeRAM)、磁性随机存取存储器(MRAM)和相变随机存取存储器(PRAM)的存储器。
[0206] 根据实施例，可以在电介质层与导电层之间形成还原防止材料，从而抑制电介质层的氧损失。
[0207] 根据实施例，可以在电介质层与导电层之间形成高带隙材料和高功函数材料，从而减小电介质层的等效氧化物层的厚度，并防止泄漏电流。
[0208] 虽然已经在特定实施例方面对本发明进行了描述，但是应该注意，实施例用于描述而非限制本发明。此外，应当注意，本领域技术人员可以在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下通过替换、改变和修改来以各种方式实现本发明。
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