專利名稱：Pmos器件疊層結(jié)構(gòu)的制備和柵功函數(shù)調(diào)節(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導體技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及先柵エ藝中ー種PMOS金屬柵/高K柵介質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)的制備和柵功函數(shù)的調(diào)節(jié)方法，適合于32/22納米及以下技術(shù)代高性能納米互補型金屬氧化物半導體(CMOS)器件的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
隨著CMOS器件的特征尺寸按Moore定律持續(xù)縮小，CMOS集成電路的發(fā)展遇到了嚴峻的挑戰(zhàn)。為克服小尺寸器件成指數(shù)規(guī)律急増的柵漏電流、嚴重的多晶硅柵耗盡、増大的柵電阻及PMOS器件嚴重的硼穿透等問題，采用高介電常數(shù)(K)柵介質(zhì)/金屬柵結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Si02/poly (多晶硅)柵結(jié)構(gòu)已成為業(yè)界的共識。但是金屬柵集成到高K柵介質(zhì)上仍有許多問題急待解決，如熱穩(wěn)定性問題，界面態(tài)問題，特別是費米釘扎效應(yīng)使納米CMOS器 件需要的適當?shù)偷拈撝惦妷旱墨@得面臨很大挑戰(zhàn)，尤其是PMOS器件，因為PMOS器件需要的高的功函數(shù)更難達到。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種用于PMOS器件的金屬柵/高K柵介質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)的制備和柵功函數(shù)調(diào)節(jié)方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明利用物理汽相淀積(PVD)方法，在高K介質(zhì)上面淀積金屬柵膜，它由3層金屬膜組成先淀積TiN-I膜，然后淀積ー薄層金屬Al膜，接著再淀積ー層TiN-2膜，這樣完成整個金屬柵的淀積；然后淀積勢壘金屬層；淀積多晶硅膜和硬掩模，接著進行光刻和硬掩膜的刻蝕；去膠后，依次刻蝕多晶硅膜/勢壘金屬層/金屬柵/高K介質(zhì)/界面氧化層形成多晶硅膜/勢壘金屬層/金屬柵/高K柵介質(zhì)/界面氧化層疊層柵結(jié)構(gòu)。然后進行常規(guī)的側(cè)墻形成、源/漏注入及快速熱退火，在完成源/漏雜質(zhì)激活的同時，將金屬Al離子驅(qū)動到高K柵介質(zhì)薄膜與界面氧化層間界面上，通過界面反應(yīng)生成Al-O偶極子，從而實現(xiàn)了對PMOS器件金屬柵有效功函數(shù)的調(diào)節(jié)。其調(diào)節(jié)效果與Al的淀積厚度、Al層與TiN/Hf基高K介質(zhì)界面的距離，即TiN-I的厚度、熱處理條件以及Hf基高K介質(zhì)中接近高K介質(zhì)/Si02界面處的狀態(tài)等因數(shù)有夫。本發(fā)明提供的用于PMOS器件的金屬柵/高K柵介質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)的制備和柵功函數(shù)調(diào)節(jié)方法，其主要步驟如下步驟I)在完成常規(guī)的LOCOS或STI介質(zhì)隔離后，用快速熱氧化或化學法在半導體襯底上生長超薄界面氧化層或氮氧化層；步驟2)高介電常數(shù)(K)柵介質(zhì)薄膜的形成，并于500-1050°C下，4-120秒熱退火；步驟3)淀積金屬柵；所述金屬柵由3層組成，依次為TiN-l/Al/TiN-2，其中TiN-I金屬柵厚度為2-6nm，金屬Al膜厚度為2_5nm，TiN-2金屬柵厚度為10_20nm ；步驟4)淀積勢壘金屬層；步驟5)低壓化學汽相淀積多晶硅膜和硬掩模，然后進行光刻和硬掩膜的刻蝕；
步驟6)去膠，以硬掩膜為掩蔽，依次刻蝕多晶硅膜/勢壘金屬/金屬柵/高K柵介質(zhì)/界面SiO2形成疊層柵結(jié)構(gòu)；步驟7)形成側(cè)墻I和源/漏延伸區(qū)低能離子注入和大角度注入；步驟8)形成側(cè)墻2和源/漏和離子注入；步驟9)快速熱退火于600-1050°C下，于N2退火2_30秒；在完成源/漏雜質(zhì)激活的同時，將金屬Al離子驅(qū)動到高K柵介質(zhì)薄膜與界面氧化層界面上，通過界面反應(yīng)生成Al-O偶極子，實現(xiàn)對PMOS器件金屬柵有效功函數(shù)的調(diào)節(jié)；步驟10) NiSi硅化物形成；
步驟11)接觸和金屬化380-430°C溫度下，在合金爐內(nèi)于N2或(N2+H2)中合金退火30-60分。所述的方法中，步驟I之前對完成常規(guī)LOCOS或STI隔離后的器件進行清洗，先采用常規(guī)方法清洗，然后用氫氟酸/異丙醇/水混合溶液在室溫下浸泡2-10分鐘，去離子水沖洗，甩干后立即進爐；氫氟酸異丙醇水的重量比為O. 2-1. 5% O. 01-0. 10% : 1%。所述的方法中，步驟I中界面氮氧化層可采用先注入氮到Si中再快速熱氧化形成，或先快速熱氧化形成SiOx，再用NO氮化或等離子氮化形成SiON ；Si0x也可用O3化學處理形成。所述的方法中，步驟2中高K柵介質(zhì)膜為Hf基氧化物，可以是HfAlO、HfAlON,HfSiAlON或HfLaON等，所述高介電常數(shù)柵介質(zhì)膜可通過物理氣相淀積、金屬有機化學氣相沉積或原子層淀積エ藝形成。所述的方法中，步驟3中的金屬氮化物TiN柵薄膜和Al薄膜可通過物理氣相淀積、金屬有機化學氣相沉積或原子層淀積エ藝形成。所述的方法中，步驟4中的勢壘金屬層可以是AlN或TaN薄膜，通過物理氣相淀積、金屬有機化學氣相沉積或原子層淀積エ藝形成，厚度4-10nm。所述的方法中，步驟5中的硬掩膜是SiO2 (O)、Si3N4 (N)或其疊層0/N或0/N/0。硬掩膜采用氟基刻蝕。所述的方法中，步驟6中多晶硅采用F基加Cl基或HBr加Cl基刻蝕，TaN/TiN(Al) /高K柵介質(zhì)疊層柵結(jié)構(gòu)采用Cl基反應(yīng)離子刻蝕或感應(yīng)偶合等離子刻蝕形成，或采用化學濕法腐蝕形成。所述的方法中，步驟10中的NiSi由派射8_20nm Ni薄膜后,通過兩步退火和其間的選擇腐蝕完成，NiSi膜厚15-40nm。本發(fā)明提供的方法，其特點是在TiN等金屬柵中淀積摻雜金屬Al膜，通過熱處理，將金屬Al離子驅(qū)動到高K柵介質(zhì)薄膜與界面氧化層界面上，通過界面反應(yīng)生成Al-O偶極子，實現(xiàn)對PMOS器件金屬柵有效功函數(shù)的調(diào)節(jié)。其調(diào)節(jié)效果與Al的淀積厚度、Al層與TiN/Hf基高K介質(zhì)界面的距離，即TiN-I的厚度、熱處理條件以及Hf基高K介質(zhì)中接近高K介質(zhì)/SiO2界面處的狀態(tài)等因數(shù)有夫。優(yōu)化這些參量，可以獲得合適的有效柵功函數(shù)，以期獲得合適低的閾值電壓。本發(fā)明對PMOS器件金屬柵有效功函數(shù)的調(diào)節(jié)效果好，操作簡便可控，成本低，與常規(guī)CMODSエ藝完全兼容，便于集成電路產(chǎn)業(yè)化。


圖I是TiN金屬柵中摻Al和不摻Al的poly-Si/TiN-l/Al/TiN-2金屬柵PMOS電容C-V特性比較。圖2是不同TiN-I薄膜厚度的poly-Si/TiN-l/Al/TiN-2金屬柵PMOS電容C-V特性比較。
具體實施例方式本發(fā)明提供的用于PMOS器件的金屬柵/高K柵介質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)的制備和柵功函數(shù)調(diào)節(jié)方法，在完成常規(guī)的LOCOS或STI介質(zhì)隔離后，其主要步驟如下步驟I)用快速熱氧化或化學法在半導體襯底上生長超薄界面氧化層或氮氧化層；
步驟2)高介電常數(shù)⑷柵介質(zhì)薄膜的形成，并于500-1000°C下，10-120秒熱退火；步驟3)淀積金屬柵采用物理汽相淀積完成，先反應(yīng)濺射淀積ー薄層TiN-Ι，接著濺射淀積ー薄層金屬Al，然后再反應(yīng)濺射淀積ー層TiN-2 ；步驟4)淀積勢壘金屬層；步驟5)低壓化學汽相淀積多晶硅膜和硬掩模，然后進行光刻和硬掩膜的刻蝕；步驟6)去膠，以硬掩膜為掩蔽，依次刻蝕多晶硅膜/勢壘金屬/金屬柵/高K柵介質(zhì)/界面SiO2形成疊層柵結(jié)構(gòu)；步驟7)形成側(cè)墻I和源/漏延伸區(qū)低能離子注入和大角度注入；步驟8)形成側(cè)墻2和源/漏離子注入；步驟9)快速熱退火于600-1050°C下，于N2中退火2_30秒；在完成源/漏雜質(zhì)激活的同時，將金屬Al離子驅(qū)動到高K柵介質(zhì)薄膜與界面氧化層間界面上，通過界面反應(yīng)生成Al-O偶極子，實現(xiàn)對PMOS器件金屬柵有效功函數(shù)的調(diào)節(jié)；步驟10) NiSi硅化物形成；步驟11)接觸和金屬化380-430°C溫度下，在合金爐內(nèi)于N2或(N2+H2)中合金退火30-60分。以下對本發(fā)明作進ー步的介紹。步驟I)清洗在器件隔離形成后，進行界面氧化層形成前的清洗，先采用常規(guī)方法清洗，然后按重量比氫氟酸異丙醇水=O. 3-0. 8% O. 01-0. 08% I %混合溶液在室溫下浸泡2-10分，去離子水沖洗，N2中甩干后立即進爐；步驟2)界面層SiOx形成在600_800°C溫度下，在N2中快速熱退火(RTA) 20-120秒，生成6-8埃的氧化層；步驟3)高介電常數(shù)(K)柵介質(zhì)薄膜的形成采用磁控反應(yīng)濺射エ藝在N2/Ar氣氛中交替濺射Al靶、Hf靶和Si靶淀積形成HfSiAlON,濺射工作壓強為5 X KT3Torr，濺射功率為100-500W，淀積形成的HfSiAlON高K柵介質(zhì)薄膜厚10-50埃；步驟4)超聲清洗；采用丙酮、無水こ醇先后各超聲清洗5-10分鐘，去離子水沖洗，N2中甩干；步驟5)淀積高K介質(zhì)后快速熱退火片子甩干后立即進爐，溫度500-1000°C，時間 10-120 秒。
步驟6)金屬柵薄膜淀積由TiN-l/Al/TiN-2三層金屬組成，其中TiN-I和TiN_2金屬柵薄膜采用磁控反應(yīng)濺射エ藝在N2/Ar氣氛中濺射Ti靶形成，工作壓強5X 10_13モ，N2流量2-8SCCm，濺射功率為600-1000 ，TiN-I金屬柵厚度為2-5nm，Ti-N_2金屬柵厚度為10-20nm。Al薄膜2_5nm，采用磁控濺射エ藝在Ar氣氛中濺射Al靶形成工作壓強5X 10_13モ，Ar流量20-24sccm，濺射功率為100_500w。
步驟7)磁控反應(yīng)濺射淀積勢壘金屬層TaN薄膜，工作壓強5X 10_13モ，N2流量2-8sccm，濺射功率為 600-1000w，厚度 4_8nm。步驟8)低壓化學汽相淀積多晶硅膜和SiO2硬掩模，然后進行光刻和采用氟基刻蝕硬掩膜。步驟9)去膠，以硬掩膜為掩蔽，依次刻蝕多晶硅膜/TaN/TiN(Al)金屬柵/高K柵介質(zhì)HfSiAlON/界面SiO2形成疊層柵結(jié)構(gòu)；其中多晶硅采用F基加Cl基或HBr加Cl基刻蝕，TaN/TiN(Al)金屬柵/高K柵介質(zhì)HfSiAlON/界面SiO2疊層結(jié)構(gòu)采用Cl基反應(yīng)離子刻蝕或感應(yīng)偶合等離子刻蝕形成，或采用化學濕法腐蝕形成。步驟10)常規(guī)形成側(cè)墻I和源/漏延伸區(qū)低能離子注入和大角度注入；步驟11)常規(guī)形成側(cè)墻2和源/漏和離子注入；步驟12)快速熱退火于600_1050°C下，于N2中退火2_30秒；在完成源/漏雜質(zhì)熱激活的同時，將金屬Al離子驅(qū)動到高K柵介質(zhì)薄膜與界面氧化層界面上，通過界面反應(yīng)生成Al-O偶極子，實現(xiàn)對PMOS器件金屬柵有效功函數(shù)的調(diào)節(jié)；步驟13)祖5;[娃化物形成由派射8-1511111 Ni薄膜后,通過兩步退火和其間的選擇腐蝕完成，NiSi膜厚15-30nm。步驟11)接觸和金屬化380-430°C溫度下，在合金爐內(nèi)于N2或(N2+H2)中合金退火30-60分。由圖I可見，當在TiN-I膜和TiN-2膜之間加入3nm Al膜后，平帶電壓(Vfb)向正方向大幅度移動，Vfb的増加量為O. 135V，表明PMOS器件的有效柵功函數(shù)得到大幅度増加，滿足了 PMOS器件對柵功函數(shù)的要求。而且摻Al樣品的柵介質(zhì)等效厚度大幅度減薄(電容増大)，從34埃減薄到23埃，這對提高器件驅(qū)動能力和增強柵控能力都十分有利。參數(shù)見表I。由圖2可見，對同樣的Al薄膜厚度(3nm)，TiN-I膜的厚度不同，平帶電壓向正方向移動的幅度不同，TiN-I膜的厚度需要優(yōu)化，如薄了，柵漏電會増加，見圖2中TiN-I為2nm樣品的C-V特性可知。如厚了，柵功函數(shù)調(diào)節(jié)能力減弱，見圖2中TiN-I為4nm樣品的C-V特性可知。TiN-I為3nm樣品的C-V特性較好，沒有漏電，且平帶電壓也更大些。表2給出了 TiN-I膜厚度不同的樣品的特征參數(shù)比較，其電極結(jié)構(gòu)同為Poly-Si/TaN/TiN-1/Al3nm/TiN-2/HfSiA10N/Si02。以上參照本發(fā)明的實施例對本發(fā)明予以了說明。但是，這些實施例僅僅是為了說明的目的，而并非為了限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等價物限定。不脫離本發(fā)明的范圍，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以做出多種替換和修改，這些替換和修改都應(yīng)落在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。表I
權(quán)利要求
1.ー種PMOS器件疊層結(jié)構(gòu)的制備和柵功函數(shù)調(diào)節(jié)方法，包括如下步驟 1)在完成常規(guī)的LOCOS或STI介質(zhì)隔離后，在半導體襯底上生長界面氧化層或氮氧化層； 2)高介電常數(shù)(K)柵介質(zhì)薄膜的形成，并于500-1020°C下，4-120秒熱退火； 3)淀積金屬柵，所述金屬柵由三層組成，依次為TiN-l/Al/TiN-2； 4)淀積勢壘金屬層； 5)低壓化學汽相淀積多晶硅膜和硬掩模，然后進行光刻和硬掩膜的刻蝕； 6)去膠，以硬掩膜為掩蔽，依次刻蝕多晶硅膜/勢壘金屬/金屬柵/高K柵介質(zhì)/界面SiO2形成疊層柵結(jié)構(gòu)； 7)形成側(cè)墻I和源/漏延伸區(qū)低能離子注入和大角度注入； 8)形成側(cè)墻2和源/漏離子注入； 9)快速熱退火于600-1050°C下，于隊中退火2-30秒；在完成源/漏雜質(zhì)激活的同吋，將金屬Al離子驅(qū)動到高K柵介質(zhì)薄膜/界面氧化層界面上，通過界面反應(yīng)生成Al-O偶極子，實現(xiàn)對PMOS器件金屬柵有效功函數(shù)的調(diào)節(jié)； 10)NiSi硅化物形成； 11)接觸和金屬化380-430°C溫度下，在合金爐內(nèi)于N2或(N2+H2)中合金退火30-60分。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，步驟I之前對完成常規(guī)的LOCOS或STI隔離后的器件進行清洗，先采用常規(guī)方法清洗，然后用氫氟酸/異丙醇/水混合溶液在室溫下浸泡2-10分鐘，去離子水沖洗，甩干后立即進爐；氫氟酸異丙醇水的重量比為0.2-1. 5% 0. 01-0. 10% 1%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，步驟I中是采用快速熱氧化或化學法生長界面氧化層或氮氧化層；界面氮氧化層可采用先注入氮到Si中再快速熱氧化形成，或先快速熱氧化形成SiOx,再用NO氮化或等離子氮化形成SiON ；Si0x可用O3化學處理形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，步驟2中高K柵介質(zhì)膜是Hf基高K柵介質(zhì)，可以是HfAlO、HfAlON, HfSiAlON或HfLaON，所述高介電常數(shù)柵介質(zhì)膜通過物理氣相淀積、金屬有機化學氣相沉積或原子層淀積エ藝形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，步驟3中的金屬柵中，TiN-I金屬柵厚度為2-6nm，金屬Al膜厚度為2_5nm，TiN-2金屬柵厚度為10_20nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，步驟3中金屬氮化物柵薄膜和Al薄膜采用物理氣相淀積、金屬有機化學氣相沉積或原子層淀積エ藝形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，步驟4中勢壘金屬層是TaN或A1N，厚度4_10nm，采用物理氣相淀積、金屬有機化學氣相沉積或原子層淀積エ藝形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，步驟5中的硬掩膜是Si02(0)、Si3N4(N)或其疊層0/N或0/N/0 ;硬掩膜采用氟基刻蝕。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，步驟6中多晶硅采用F基加Cl基或HBr加Cl基刻蝕，TaN/TiN(Al)/高K柵介質(zhì)/界面SiO2疊層結(jié)構(gòu)采用Cl基反應(yīng)離子刻蝕或感應(yīng)偶合等離子刻蝕形成，或采用化學濕法腐蝕形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法,其中，步驟10中的NiSi由濺射8-20nmNi薄膜后，通過兩步退火和其間的選擇腐蝕完成，NiSi膜厚15-40nm。全文摘要
一種PMOS器件疊層結(jié)構(gòu)的制備和柵功函數(shù)的調(diào)節(jié)方法，在完成常規(guī)的LOCOS或STI介質(zhì)隔離后，用快速熱氧化或化學法在半導體襯底上生長超薄界面氧化層或氮氧化層；淀積高介電常數(shù)(K)柵介質(zhì)，接著快速熱退火；淀積復合金屬柵；淀積勢壘金屬層；淀積多晶硅膜和硬掩模，然后進行光刻和硬掩膜的刻蝕；去膠后，依次刻蝕多晶硅膜/勢壘金屬層/金屬柵/高K介質(zhì)/界面氧化層形成多晶硅膜/勢壘金屬層/金屬柵/高K柵介質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)。然后進行常規(guī)的側(cè)墻形成、源/漏注入及快速熱退火，在完成源/漏雜質(zhì)激活的同時，實現(xiàn)了PMOS器件金屬柵有效功函數(shù)的調(diào)節(jié)。
文檔編號H01L21/28GK102651313SQ201110046360
公開日2012年8月29日 申請日期2011年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月25日
發(fā)明者徐秋霞, 李永亮 申請人:中國科學院微電子研究所