CN101447454A - 一种调节全硅化金属栅的栅功函数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调节全硅化金属栅的栅功函数的方法，包括：局部氧化隔离或浅槽隔离，进行注入前氧化，然后注入¹⁴N⁺；漂净注入前氧化膜，栅氧化，并沉积多晶硅；光刻、刻蚀形成多晶硅栅电极；注入金属杂质；淀积金属镍Ni，退火硅化，使金属镍和多晶硅完全反应形成全硅化物金属栅；选择去除未反应的金属镍Ni。利用本发明，易于集成，实现了与CMOS工艺的良好兼容。

Description

一种调节全硅化金属栅的栅功函数的方法

技术领域

本发明涉及微电子超深亚微米技术互补金属氧化物半导体器件(CMOS)及超大规模集成技术领域，尤其涉及一种调节全硅化金属栅的栅功函数的方法。

背景技术

随着微电子产业的发展，多晶硅栅电极将被金属栅电极所替代。金属栅电极较多晶硅栅电极而言具有以下优点：消除了多晶硅耗尽效应、消除了PMOS管的硼穿透效应、栅电阻低。另外，金属栅电极能够与高K栅介质材料具有良好的兼容性。

为了满足高性能器件的需要，金属栅还应该具有栅功函数调节能力。迄今为止，研究人员已经提出了多种金属栅集成技术，如单功函数金属栅方法、双金属法、金属互扩散法、单金属双功函数法、全硅化法。在这些方法中，全硅化法通过硅化前向多晶硅栅内注入杂质，然后通过全硅化反应过程使杂质分凝至栅电极/栅介质界面附近形成堆积，从而能方便的调节栅功函数；并且全硅化方法工艺简单、与CMOS工艺兼容性好，使其成为一种很有希望应用于下一代CMOS工艺的技术。

全硅化方法通常采用注入常规的B、BF₂、As、P、Sb等杂质来调节全硅化金属栅的栅功函数。但是研究发现，常规杂质B、BF₂、As、P、Sb等的栅功函数调节能力有限，很难将全硅化金属栅的栅电极的栅功函数调节到导带底或价带顶，无法满足高性能体硅互补金属氧化物半导体器件(CMOS)对栅电极功函数的要求。而且注入的As、Sb杂质也会造成栅介质与栅电极之间的黏附性问题。

研究还发现，向栅内引入金属杂质也能有效的调节全硅化金属栅的栅功函数，但是金属杂质的引入一般采用溅射的方法，该方法将在整个硅片上都沉积一层金属，需要引入额外金属刻蚀工艺将不需要的地方的金属刻蚀掉。这增加了工艺的复杂性和难度，不利于器件的制备和集成。

因此，有必要寻找新的、易于集成的全硅化金属栅的栅功函数调节方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种调节全硅化金属栅的栅功函数的方法，以实现与CMOS工艺的良好兼容，并易于集成。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种调节全硅化金属栅的栅功函数的方法，该方法包括：

局部氧化隔离或浅槽隔离，进行注入前氧化，然后注入¹⁴N⁺；

漂净注入前氧化膜，栅氧化，并沉积多晶硅；

光刻、刻蚀形成多晶硅栅电极；

注入金属杂质；

淀积金属镍Ni，退火硅化，使金属镍和多晶硅完全反应形成全硅化物金属栅；

选择去除未反应的金属镍Ni。

上述方案中，所述局部氧化隔离或浅槽隔离的步骤中，氧化温度为1000℃，隔离层厚度为3000至5000

；所述注入前氧化的步骤中，氧化厚度为100至200

；所述注入¹⁴N⁺的步骤中，注入条件为：注入能量为10至30Kev，注入剂量为1×10¹⁴至6×10¹⁴cm^-2。

上述方案中，所述漂净注入前氧化膜的步骤中，采用体积比为H₂O∶HF＝9∶1的溶液进行漂洗，然后采用3^#腐蚀液清洗10分钟，1^#腐蚀液清洗5分钟，HF/异丙醇IPA溶液室温下浸渍5分钟；该3^#腐蚀液是体积比为5∶1的H₂SO₄与H₂O₂溶液；该1^#腐蚀液是体积比为0.8∶1∶5的NH₄OH+H₂O₂+H₂O溶液；氢氟酸/异丙醇/水是体积比为百分之0.2至0.7∶百分之0.01至0.04∶1的HF+IPA+H₂O溶液。

上述方案中，所述栅氧化并沉积多晶硅的步骤中，栅氧化的厚度为15至50

，沉积多晶硅采用化学气相淀积LPCVD方法，沉积的多晶硅的厚度为1000至2000

。

上述方案中，所述在光刻、刻蚀形成多晶硅栅电极之前进一步包括：去背面多晶硅，并漂净背面氧化层，然后进行背面注入，注入杂质³¹P，注入能量为50至100Kev，注入剂量为3×10¹⁵至6×10¹⁵cm^-2。

上述方案中，所述在光刻、刻蚀形成多晶硅栅电极的步骤包括：采用厚度为1.5微米的9918胶作为掩模进行光刻，采用反应离子刻蚀多晶硅，将场区内多晶硅刻蚀干净，形成多晶硅栅电极。

上述方案中，所述注入金属杂质的步骤中，注入的金属杂质为镱Yb，将金属杂质镱Yb注入多晶硅栅内，注入能量为50至150Kev，注入剂量为1×10¹⁵至1×10¹⁶cm^-2。

上述方案中，所述淀积金属镍Ni并退火硅化的步骤中，淀积金属镍Ni的厚度为600至1400

，退火条件为：温度500至580℃，时间30至60秒。

上述方案中，所述选择去除未反应的金属镍Ni的步骤中，采用3^#腐蚀液进行腐蚀去除，该3^#腐蚀液为体积比5∶1的H₂SO₄与H₂O₂溶液，腐蚀时间为20至30分钟。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种调节全硅化金属栅的栅功函数的方法，是一种新的全硅化金属栅栅功函数调节方法，易于集成，实现了与CMOS工艺的良好兼容。

2、本发明提供的这种调节全硅化金属栅的栅功函数的方法，具有较大的栅功函数调节能力，能够满足高性能体硅互补金属氧化物半导体器件对栅功函数的要求。

3、本发明提供的这种调节全硅化金属栅的栅功函数的方法，能够方便的调节全硅化金属栅的栅功函数，降低了制备的难度和成本，具有很高的应用性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明提供的调节全硅化金属栅的栅功函数的方法流程图；

图2是本发明提供的调节全硅化金属栅的栅功函数的工艺流程图；

图3是利用本发明提供的方法所制备的全硅化金属栅电极的TEM图；

图4是利用本发明提供的方法制备的全硅化金属栅电极所制备的电容的CV特性曲线；

图中的符号说明：

1—体硅衬底，2—栅氧化层，3—多晶硅栅电极，4—STI隔离，5—离子注入元素，6—淀积的金属镍Ni，7—反应生成的镍Ni金属硅化物栅电极。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明利用离子注入技术在硅化前向多晶硅栅内注入金属杂质镱Yb，然后淀积金属镍Ni并进行快速热退火RTA，使金属镍和多晶硅完全反应形成全硅化物金属栅；同时全硅化过程将注入的金属杂质镱Yb分凝至全硅化栅/栅介质界面附近并造成堆积，从而调节全硅化金属栅的栅功函数。

如图1所示，图1是本发明提供的调节全硅化金属栅的栅功函数的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤101：局部氧化隔离或浅槽隔离，进行注入前氧化，然后注入¹⁴N⁺；在本步骤中，氧化温度为1000℃，隔离层厚度为3000至5000

；所述注入前氧化的步骤中，氧化厚度为100至200

；所述注入¹⁴N⁺的步骤中，注入条件为：注入能量为10至30Kev，注入剂量为1×10¹⁴至6×10¹⁴cm^-2。

步骤102：漂净注入前氧化膜，栅氧化，并沉积多晶硅；

在本步骤中，采用体积比为H₂O：HF＝9：1的溶液进行漂洗，然后采用3^#腐蚀液清洗10分钟，1^#腐蚀液清洗5分钟，HF/异丙醇IPA溶液室温下浸渍5分钟；该3^#腐蚀液是体积比为5∶1的H₂SO₄与H₂O₂溶液；该1^#腐蚀液是体积比为0.8∶1∶5的NH₄OH+H₂O₂+H₂O溶液；氢氟酸/异丙醇/水是体积比为百分之0.2至0.7∶百分之0.01至0.04∶1的HF+IPA+H₂O溶液；

栅氧化的厚度为15至50

，沉积多晶硅采用化学气相淀积LPCVD方法，沉积的多晶硅的厚度为1000至2000

。

步骤103：光刻、刻蚀形成多晶硅栅电极；

在本步骤中，采用厚度为1.5微米的9918胶作为掩模进行光刻，采用反应离子刻蚀多晶硅，将场区内多晶硅刻蚀干净，形成多晶硅栅电极。

步骤104：注入金属杂质；

在本步骤中，注入的金属杂质为镱Yb，将金属杂质镱Yb注入多晶硅栅内，注入能量为50至150Kev，注入剂量为1×10¹⁵至1×10¹⁶cm^-2。

步骤105：淀积金属镍Ni，退火硅化，使金属镍和多晶硅完全反应形成全硅化物金属栅；

在本步骤中，淀积金属镍Ni的厚度为600至1400

，退火条件为：温度500至580℃，时间30至60秒。

步骤106：选择去除未反应的金属镍Ni；

在本步骤中，采用3^#腐蚀液进行腐蚀去除，该3^#腐蚀液为体积比5：1的H₂SO₄与H₂O₂溶液，腐蚀时间为20至30分钟。

上述在步骤102与步骤103之间进一步包括：去背面多晶硅，并漂净背面氧化层，然后进行背面注入，注入杂质³¹P，注入能量为50至100Kev，注入剂量为3×10¹⁵至6×10¹⁵cm^-2。

图2示出了本发明提供的调节全硅化金属栅的栅功函数的工艺流程图。其中，(a)为淀积多晶硅并光刻、刻蚀后形成的结构示意图；(b)为金属离子注入示意图；(c)为淀积金属镍Ni后示意图；(d)为硅化退火反应生成镍Ni金属硅化物栅电极示意图；(e)为选择去除未反应的金属镍Ni后示意图。以下结合具体实施例进一步详细说明本发明提供的技术方案：

步骤1：场氧化：1000℃，3000至5000

；

步骤2：注入前氧化：厚100至200

；

步骤3：注入¹⁴N⁺，能量为10至30Kev，剂量为1×10¹⁴至6×10¹⁴cm^-2；

步骤4：漂净注入前氧化层：H₂O：HF＝9：1溶液中漂净；

步骤5：清洗：3^#液清洗10分钟，1^#液清洗5分钟，HF/异丙醇(IPA)，室温下浸渍5分钟；

步骤6：栅氧化：厚度15至50

；

步骤7：化学气相淀积LPCVD多晶硅：1000至2000

；

步骤8：去背面多晶硅，并漂净背面氧化层；

步骤9：背面注入：注入杂质³¹P，能量50至100Kev，剂量3×10¹⁵至6×10¹⁵cm^-2；

步骤10：光刻多晶硅：9918胶，1.5微米；

步骤11：反应离子刻蚀多晶硅：场区刻干净多晶硅；

步骤12：栅注入：注入金属杂质Yb，注入能量50至150Kev，剂量1×10¹⁵至1×10¹⁶cm^-2；

步骤13：溅射金属镍Ni：厚度，600至1400

；

步骤14：快速热退火RTA：温度500至580℃，时间30至60秒；

步骤15：选择腐蚀：3^#液(H₂SO₄：H₂O₂＝5：1)，20至30分钟，将未反应的金属镍Ni去除。

图3示出了利用本发明提供的方法所制备的全硅化金属栅电极的TEM图。从图3中可以看出多晶硅栅电极已经完全转变为硅化物金属栅电极。

图4示出了利用本发明提供的方法制备的全硅化金属栅电极所制备的电容的CV特性曲线。从图4中可以看出CV曲线随着栅内注入条件的不同发生偏移，平带电压(V_fb)的变化反应了栅电极的栅功函数发生变化；在实验范围内，注入Yb后电容的平带电压较未掺杂的电容的平带电压最大变化了大约0.53eV，通过计算可得功函数调节范围达到0.549eV，为已报道的最好结果。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1、一种调节全硅化金属栅的栅功函数的方法，其特征在于，该方法包括：

局部氧化隔离或浅槽隔离，进行注入前氧化，然后注入¹⁴N⁺；

漂净注入前氧化膜，栅氧化，并沉积多晶硅；

光刻、刻蚀形成多晶硅栅电极；

注入金属杂质；

淀积金属镍Ni，退火硅化，使金属镍和多晶硅完全反应形成全硅化物金属栅；

选择去除未反应的金属镍Ni。

2、根据权利要求1所述的调节全硅化金属栅的栅功函数的方法，其特征在于，所述局部氧化隔离或浅槽隔离的步骤中，氧化温度为1000℃，隔离层厚度为3000至

所述注入前氧化的步骤中，氧化厚度为100至

所述注入¹⁴N⁺的步骤中，注入条件为：注入能量为10至30Kev，注入剂量为1×10¹⁴至6×10¹⁴cm^-2。

3、根据权利要求1所述的调节全硅化金属栅的栅功函数的方法，其特征在于，所述漂净注入前氧化膜的步骤中，采用体积比为H₂O：HF＝9：1的溶液进行漂洗，然后采用3^#腐蚀液清洗10分钟，1^#腐蚀液清洗5分钟，HF/异丙醇IPA溶液室温下浸渍5分钟；该3^#腐蚀液是体积比为5∶1的H₂SO₄与H₂O₂溶液；该1^#腐蚀液是体积比为0.8∶1：5的NH₄OH+H₂O₂+H₂O溶液；氢氟酸/异丙醇/水是体积比为百分之0.2至0.7∶百分之0.01至0.04∶1的HF+IPA+H₂O溶液。

4、根据权利要求1所述的调节全硅化金属栅的栅功函数的方法，其特征在于，所述栅氧化并沉积多晶硅的步骤中，栅氧化的厚度为15至沉积多晶硅采用化学气相淀积LPCVD方法，沉积的多晶硅的厚度为1000至

5、根据权利要求1所述的调节全硅化金属栅的栅功函数的方法，其特征在于，所述在光刻、刻蚀形成多晶硅栅电极之前进一步包括：

去背面多晶硅，并漂净背面氧化层，然后进行背面注入，注入杂质³¹P，注入能量为50至100Kev，注入剂量为3×10¹⁵至6×10¹⁵cm^-2。

6、根据权利要求1所述的调节全硅化金属栅的栅功函数的方法，其特征在于，所述在光刻、刻蚀形成多晶硅栅电极的步骤包括：

采用厚度为1.5微米的9918胶作为掩模进行光刻，采用反应离子刻蚀多晶硅，将场区内多晶硅刻蚀干净，形成多晶硅栅电极。

7、根据权利要求1所述的调节全硅化金属栅的栅功函数的方法，其特征在于，所述注入金属杂质的步骤中，注入的金属杂质为镱Yb，将金属杂质镱Yb注入多晶硅栅内，注入能量为50至150Kev，注入剂量为1×10¹⁵至1×10¹⁶cm^-2。

8、根据权利要求1所述的调节全硅化金属栅的栅功函数的方法，其特征在于，所述淀积金属镍Ni并退火硅化的步骤中，淀积金属镍Ni的厚度为600至

退火条件为：温度500至580℃，时间30至60秒。

9、根据权利要求1所述的调节全硅化金属栅的栅功函数的方法，其特征在于，所述选择去除未反应的金属镍Ni的步骤中，采用3^#腐蚀液进行腐蚀去除，该3^#腐蚀液为体积比5：1的H₂SO₄与H₂O₂溶液，腐蚀时间为20至30分钟。

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