專利名稱：一種鉭鋁氮金屬柵的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米特征尺寸半導(dǎo)體器件制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于納米尺度P型金屬氧化物半導(dǎo)體器件的鉭鋁氮(TaAlN)金屬柵的制備方法，鉭鋁氮金屬柵中由于鋁 元素的引入，有助于金屬柵的平帶電壓向正向移動(dòng)，即有助于P型金屬氧化物半導(dǎo)體器件 金屬柵功函數(shù)的調(diào)整。
背景技術(shù)：
40多年來，集成電路技術(shù)按摩爾定律持續(xù)發(fā)展，特征尺寸不斷縮小，集成度不斷提 高，功能越來越強(qiáng)。目前，金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管(MOSFET)的特征尺寸已進(jìn)入亞50納 米。伴隨器件特征尺寸的不斷減小，如果仍采用傳統(tǒng)的多晶硅柵，則多晶硅耗盡效應(yīng)越來越 嚴(yán)重，多晶硅電阻也會(huì)隨之增大。為了克服以上困難，同時(shí)也為了與高介電常數(shù)柵介質(zhì)材料 相集成，工業(yè)界開始采用金屬柵技術(shù)。采用金屬柵材料可以徹底解決多晶硅耗盡效應(yīng)，同時(shí)其自身的低電阻率可大大減 小柵電阻。2007年，英特爾公司在45nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)開始引入高介電常數(shù)柵介質(zhì)和金屬柵技 術(shù)，并應(yīng)用于其新型處理器的制作。AMD和IBM等大型半導(dǎo)體公司也開始將研發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到 高介電常數(shù)柵介質(zhì)和金屬柵技術(shù)。為了獲得合適的閾值電壓，通常要求PMOS金屬柵材料的功函數(shù)在5. 2eV附近，然 而具有如此高功函數(shù)的金屬材料化學(xué)穩(wěn)定性好，難于刻蝕，且非常昂貴，例如鉬和金等。研 究發(fā)現(xiàn)，在一些金屬氮化物(如氮化鉭和氮化鈦等)中引入鋁有利于PMOS金屬柵功函數(shù)的 調(diào)整?；谶@種思想，本發(fā)明提出了一種采用磁控反應(yīng)濺射淀積的技術(shù)制備鉭鋁氮金屬柵 的方法，并研究了其相關(guān)的電學(xué)特性。采用鉭鋁氮金屬柵，通過改變其中Al的含量可以在較大范圍內(nèi)獲得PMOS金屬柵 功函數(shù)的調(diào)整，同時(shí)，由于金屬柵的采用，解決隨著小尺寸器件特征尺寸的減小而帶來的多 晶硅耗盡效應(yīng)和柵電阻嚴(yán)重增大的問題。磁控反應(yīng)濺射淀積技術(shù)是半導(dǎo)體工業(yè)中常用的薄 膜淀積技術(shù)，具有成本低、操作簡(jiǎn)單和產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)，利用磁控反應(yīng)濺射淀積技術(shù)制備金屬 柵有利于促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的主要目的在于提供一種鉭鋁氮金屬柵的制備方法，以解決PMOS金屬柵 功函數(shù)的調(diào)整問題，同時(shí)由于金屬柵的采用，可以解決隨著小尺寸器件特征尺寸的減小而 帶來的多晶硅耗盡效應(yīng)和柵電阻嚴(yán)重增大的問題。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種鉭鋁氮金屬柵的制備方法，該方法包括清洗硅片；對(duì)清洗后的硅片進(jìn)行淀積前氧化；
在氧化后的硅片上淀積高介電常數(shù)柵介質(zhì)；在高介電常數(shù)柵介質(zhì)上淀積氮化鋁/氮化鉭疊層金屬柵；對(duì)淀積了氮化鋁/氮化鉭疊層金屬柵的硅片進(jìn)行超聲清洗；對(duì)清洗后的硅片進(jìn)行金屬柵淀積后退火，形成鉭鋁氮金屬柵；背面濺鋁并進(jìn)行合金處理。上述方案中，所述清洗硅片的步驟包括先用常規(guī)方法清洗，再用氫氟酸/異丙醇 /水在室溫下浸泡1至10分鐘，然后去離子水沖洗，甩干。上述方案中，所述常規(guī)方法為在3#液中清洗10分鐘，然后在1#液中清洗5分 鐘；所述3#液是體積比為(2 8) 1的H2S04+H202溶液，所述1#液是體積比為(0. 3 1) 1 5 的 ΝΗ40Η+Η202+Η20 溶液。上述方案中，所述對(duì)清洗后的硅片進(jìn)行淀積前氧化的步驟包括在含有微量氧氣 的氮?dú)庵?00至800°C溫度下快速熱氧化30至120秒，生成5至8埃的氧化層。上述方案中，所述在氧化后的硅片上淀積高介電常數(shù)柵介質(zhì)的步驟包括采用磁 控反應(yīng)濺射工藝，在Ar/N2的混合氣氛中濺射靶材，淀積形成高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜；然后， 將硅片經(jīng)超聲清洗后進(jìn)行淀積后退火，形成致密的高介電常數(shù)柵介質(zhì)。上述方案中，所述淀積氮化鋁/氮化鉭疊層金屬柵的步驟包括采用磁控反應(yīng)濺 射工藝，濺射功率為200至1000W，工作壓強(qiáng)為(2 8) X 10_3Torr，在Ar/N2的混合氣氛中 先后濺射鋁靶和鉭靶，淀積形成氮化鋁/氮化鉭疊層金屬柵。上述方案中，所述超聲清洗的步驟包括采用丙酮超聲清洗5至10分鐘，無水乙醇 超聲清洗5至10分鐘，去離子水沖洗，甩干。上述方案中，所述金屬柵淀積后退火工藝的步驟包括在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在700至 1000°c溫度下快速熱退火3至20秒。上述方案中，所述背面濺鋁并進(jìn)行合金處理的步驟包括在Ar氣中采用直流濺射 工藝背面濺射Al電極，Al電極厚度為5000至10000埃；然后，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下350至500°C 溫度下合金退火30至60分鐘。(三)有益效果本發(fā)明提供的這種鉭鋁氮金屬柵的制備方法，由于Al元素的引入，使金屬柵的平 帶電壓向正向移動(dòng)，有利于PMOS金屬柵功函數(shù)的調(diào)節(jié)；同時(shí)，由于金屬柵的采用，可以解決 隨著小尺寸器件特征尺寸的減小而帶來的多晶硅耗盡效應(yīng)和柵電阻嚴(yán)重增大的問題。本發(fā)明提供的這種鉭鋁氮金屬柵的制備方法的優(yōu)點(diǎn)是=(I)TaAlN金屬柵中Al的 引入有利于PMOS金屬柵功函數(shù)的調(diào)整；(2)界面處SiOx使界面良好，有利于提高器件的遷 移率；(3)濺射工藝簡(jiǎn)單，易于獲得極薄且厚度均勻的薄膜，成本低廉。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明圖1所示是本發(fā)明制備的TaAlN金屬柵的方法流程圖；圖2所示是本發(fā)明制備的TaAlN金屬柵的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，圖2(a)是退火前 TaAlN金屬柵結(jié)構(gòu)的示意圖，圖2(b)是退火后TaAlN金屬柵結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3所示是利用本發(fā)明制備的TaAlN/HfSiON柵結(jié)構(gòu)電容與TaN/HfSiON柵結(jié)構(gòu)電容的“電容 電壓(C V)”測(cè)試曲線的對(duì)比示意圖；圖4所示是利用本發(fā)明制備的TaAlN/HfSiON柵結(jié)構(gòu)電容的漏電特性(Ig Vg)曲 線。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明采用磁控反應(yīng)濺射工藝制備了鉭鋁氮金屬柵，制備方法為在硅片經(jīng)過常 規(guī)清洗后，為抑制自然氧化物生成，采用氫氟酸/異丙醇/水溶液室溫下浸泡，去離子水沖 洗，甩干后立即進(jìn)爐，用快速熱氧化生長(zhǎng)界面SiOx層，在氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚夥罩欣么趴?反應(yīng)濺射技術(shù)交替濺射鉿(Hf)靶和硅(Si)靶，淀積形成HfSiON高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜， 淀積后進(jìn)行快速熱退火處理形成HfSiON高介電常數(shù)柵介質(zhì)，在氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚夥罩?利用磁控反應(yīng)濺射技術(shù)先后濺射淀積AlN和TaN薄膜，形成AIN/TaN疊層金屬柵結(jié)構(gòu)，經(jīng)高 溫退火后形成TaAlN金屬柵電極，背面濺鋁與合金，以便電學(xué)測(cè)量。如圖1所示，圖1是本發(fā)明制備的TaAlN金屬柵的方法流程圖，該方法包括步驟101 清洗硅片；在本步驟中，先用常規(guī)方法清洗，再用氫氟酸/異丙醇/水在室溫下浸泡1至10 分鐘，然后去離子水沖洗，甩干兩遍，立即進(jìn)爐；所述常規(guī)方法為在3#液中清洗10分鐘，然 后在1#液中清洗5分鐘；所述3#液是體積比為(3 5) 1 WH2S04+H202溶液，所述1#液 是體積比為(0.7 1) 1 5的ΝΗ40Η+Η202+Η20溶液。步驟102 對(duì)清洗后的硅片進(jìn)行淀積前氧化；在本步驟中，在含有微量氧氣的氮?dú)庵?00至800°C溫度下快速熱氧化30至120 秒，生成5至8埃的氧化層。步驟103 在氧化后的硅片上淀積高介電常數(shù)柵介質(zhì)；在本步驟中，采用磁控反應(yīng)濺射工藝，在氬氣和氮?dú)庵薪惶鏋R射鉿靶和硅靶，逐層淀積形成HfSiON高介電常數(shù)(高k)柵介質(zhì)薄膜。然后，將硅片經(jīng)超聲清洗后進(jìn)行淀積后 退火，形成致密的HfSiON高k柵介質(zhì)。步驟104 在高介電常數(shù)柵介質(zhì)上淀積氮化鋁/氮化鉭疊層金屬柵；在本步驟中，采用磁控反應(yīng)濺射工藝，濺射功率為200至1000W，工作壓強(qiáng)為(2 8) X IO-3Torr,在Ar/N2的混合氣氛中先后濺射鋁靶和鉭靶，淀積形成氮化鋁/氮化鉭(AlN/ TaN)復(fù)合金屬柵。步驟105 對(duì)淀積了氮化鋁/氮化鉭疊層金屬柵的硅片進(jìn)行超聲清洗；在本步驟中，采用丙酮超聲清洗5至10分鐘，無水乙醇超聲清洗5至10分鐘，去 離子水沖洗，甩干。步驟106 對(duì)清洗后的硅片進(jìn)行金屬柵淀積后退火，形成鉭鋁氮金屬柵；在本步驟中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在700至1100°C溫度下快速熱退火3至20秒。步驟107 背面濺鋁并進(jìn)行合金處理。在本步驟中，所述背面濺鋁是在Ar氣中采用直流濺射工藝背面濺射Al電極，Al電 極厚度為5000至10000埃；所述合金是在氮?dú)獗Ｗo(hù)下350至50(TC溫度下合金退火30至60分鐘。 圖2示出了本發(fā)明制備的TaAlN金屬柵的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，圖2(a)是退火前 TaAlN金屬柵結(jié)構(gòu)的示意圖，該結(jié)構(gòu)包括201 :TaN金屬柵薄膜；202 =AlN金屬柵薄膜；203 =HfSiON高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜；204:SiOx 薄膜；205 =Si 襯底。圖2(b)是退火后TaAlN金屬柵結(jié)構(gòu)的示意圖，該結(jié)構(gòu)包括206 =TaAlN 金屬柵電極；207 =HfSiON高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜；208:SiOx 薄膜；209 =Si 襯底。圖3示出了利用本發(fā)明制備的TaAlN/HfSiON柵結(jié)構(gòu)電容與TaN/HfSiON柵結(jié)構(gòu) 電容的“電容 電壓(C V)”測(cè)試曲線的對(duì)比，TaN/HfSiON柵結(jié)構(gòu)電容的平帶電壓Vfb 是-0. 107V，TaAlN/HfSi0N柵結(jié)構(gòu)電容的平帶電壓Vfb是0. 406V，由于Al的引入，導(dǎo)致平帶 電壓向正向漂移了 0. 513V。圖4示出了利用本發(fā)明制備的TaAlN/HfSiON柵結(jié)構(gòu)電容的漏電特性(Ig Vg)曲 線，漏電流密度是 1. 68X10"3A/cm2(iVg = Vft+lV，EOT = 26 埃)。 以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種鉭鋁氮金屬柵的制備方法，其特征在于，該方法包括清洗硅片；對(duì)清洗后的硅片進(jìn)行淀積前氧化；在氧化后的硅片上淀積高介電常數(shù)柵介質(zhì)；在高介電常數(shù)柵介質(zhì)上淀積氮化鋁/氮化鉭疊層金屬柵；對(duì)淀積了氮化鋁/氮化鉭疊層金屬柵的硅片進(jìn)行超聲清洗；對(duì)清洗后的硅片進(jìn)行金屬柵淀積后退火，形成鉭鋁氮金屬柵；背面濺鋁并進(jìn)行合金處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉭鋁氮金屬柵的制備方法，其特征在于，所述清洗硅片的步 驟包括先用常規(guī)方法清洗，再用氫氟酸/異丙醇/水在室溫下浸泡1至10分鐘，然后去離子 水沖洗，甩干。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鉭鋁氮金屬柵的制備方法，其特征在于，所述常規(guī)方法為在 3#液中清洗10分鐘，然后在1#液中清洗5分鐘；所述3#液是體積比為(2 8) 1的 H2S04+H202溶液，所述1#液是體積比為(0. 3 1) 1 5的ΝΗ40Η+Η202+Η20溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉭鋁氮金屬柵的制備方法，其特征在于，所述對(duì)清洗后的硅 片進(jìn)行淀積前氧化的步驟包括在含有微量氧氣的氮?dú)庵?00至800°C溫度下快速熱氧化30至120秒，生成5至8埃 的氧化層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉭鋁氮金屬柵的制備方法，其特征在于，所述在氧化后的硅 片上淀積高介電常數(shù)柵介質(zhì)的步驟包括采用磁控反應(yīng)濺射工藝，在Ar/N2的混合氣氛中濺射靶材，淀積形成高介電常數(shù)柵介質(zhì) 薄膜；然后，將硅片經(jīng)超聲清洗后進(jìn)行淀積后退火，形成致密的高介電常數(shù)柵介質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉭鋁氮金屬柵的制備方法，其特征在于，所述淀積氮化鋁/氮 化鉭疊層金屬柵的步驟包括采用磁控反應(yīng)濺射工藝，濺射功率為200至1000W，工作壓強(qiáng)為(2 8) X 10_3Torr，在 Ar/N2的混合氣氛中先后濺射鋁靶和鉭靶，淀積形成氮化鋁/氮化鉭疊層金屬柵。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉭鋁氮金屬柵的制備方法，其特征在于，所述超聲清洗的步 驟包括采用丙酮超聲清洗5至10分鐘，無水乙醇超聲清洗5至10分鐘，去離子水沖洗，甩干。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉭鋁氮金屬柵的制備方法，其特征在于，所述金屬柵淀積后 退火工藝的步驟包括在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在700至IOOiTC溫度下快速熱退火3至20秒。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉭鋁氮金屬柵的制備方法，其特征在于，所述背面濺鋁并進(jìn) 行合金處理的步驟包括在Ar氣中采用直流濺射工藝背面濺射Al電極，Al電極厚度為5000至10000埃；然后， 在氮?dú)獗Ｗo(hù)下350至500°C溫度下合金退火30至60分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鉭鋁氮金屬柵的制備方法，該方法包括清洗硅片；對(duì)清洗后的硅片進(jìn)行淀積前氧化；在氧化后的硅片上淀積高介電常數(shù)柵介質(zhì)；在高介電常數(shù)柵介質(zhì)上淀積氮化鋁/氮化鉭疊層金屬柵；對(duì)淀積了氮化鋁/氮化鉭疊層金屬柵的硅片進(jìn)行超聲清洗；對(duì)清洗后的硅片進(jìn)行金屬柵淀積后退火，形成鉭鋁氮金屬柵；背面濺鋁并進(jìn)行合金處理。利用本發(fā)明制備的鉭鋁氮金屬柵，由于鋁的引入有助于金屬柵平帶電壓向正向漂移，即有助于P型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管金屬柵功函數(shù)的調(diào)節(jié)。
文檔編號(hào)C23C14/34GK101800173SQ20091007762
公開日2010年8月11日 申請(qǐng)日期2009年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月9日
發(fā)明者徐秋霞, 許高博 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所