CN102651313B - Pmos器件叠层结构的制备和栅功函数调节方法 - Google Patents
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Abstract
一种PMOS器件叠层结构的制备和栅功函数的调节方法，在完成常规的LOCOS或STI介质隔离后，用快速热氧化或化学法在半导体衬底上生长超薄界面氧化层或氮氧化层；淀积高介电常数(K)栅介质，接着快速热退火；淀积复合金属栅；淀积势垒金属层；淀积多晶硅膜和硬掩模，然后进行光刻和硬掩膜的刻蚀；去胶后，依次刻蚀多晶硅膜/势垒金属层/金属栅/高K介质/界面氧化层形成多晶硅膜/势垒金属层/金属栅/高K栅介质叠层结构。然后进行常规的侧墙形成、源/漏注入及快速热退火，在完成源/漏杂质激活的同时，实现了PMOS器件金属栅有效功函数的调节。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是涉及先栅工艺中一种PMOS金属栅/高K栅介质叠层结构的制备和栅功函数的调节方法，适合于32/22纳米及以下技术代高性能纳米互补型金属氧化物半导体(CMOS)器件的应用。
背景技术
随着CMOS器件的特征尺寸按Moore定律持续缩小，CMOS集成电路的发展遇到了严峻的挑战。为克服小尺寸器件成指数规律急增的栅漏电流、严重的多晶硅栅耗尽、增大的栅电阻及PMOS器件严重的硼穿透等问题，采用高介电常数(K)栅介质/金属栅结构代替传统的SiO2/多晶硅栅结构已成为业界的共识。但是金属栅集成到高K栅介质上仍有许多问题急待解决，如热稳定性问题，界面态问题，特别是费米钉扎效应使纳米CMOS器件需要的适当低的阈值电压的获得面临很大挑战，尤其是PMOS器件，因为PMOS器件需要的高的功函数更难达到。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于PMOS器件的金属栅/高K栅介质叠层结构的制备和栅功函数调节方法。
为实现上述目的，本发明利用物理汽相淀积(PVD)方法，在高K介质上面淀积金属栅膜，它由3层金属膜组成：先淀积TiN膜(记为TiN-1，即第一TiN膜)，然后淀积一薄层金属Al膜，接着再淀积一层TiN膜(记为TiN-2，即第二TiN膜)，这样完成整个金属栅的淀积；然后淀积势垒金属层；淀积多晶硅膜和硬掩膜，接着进行光刻和硬掩膜的刻蚀；去胶后，依次刻蚀多晶硅膜/势垒金属层/金属栅/高K介质/界面氧化层形成多晶硅膜/势垒金属层/金属栅/高K栅介质/界面氧化层叠层栅结构。然后进行常规的侧墙形成、源/漏注入及快速热退火，在完成源/漏杂质激活的同时，将金属Al离子驱动到高K栅介质薄膜与界面氧化层间界面上，通过界面反应生成Al-O偶极子，从而实现了对PMOS器件金属栅有效功函数的调节。其调节效果与Al的淀积厚度、Al层与TiN/Hf基高K介质界面的距离，即TiN-1的厚度、热处理条件以及Hf基高K介质中接近高K介质/SiO2界面处的状态等因数有关。
本发明提供的用于PMOS器件的金属栅/高K栅介质叠层结构的制备和栅功函数调节方法，其主要步骤如下：
步骤1)在完成常规的LOCOS或STI介质隔离后，用快速热氧化或化学法在半导体衬底上生长超薄界面氧化层或氮氧化层；
步骤2)高介电常数(K)栅介质薄膜的形成，并于500-1050℃下，4-120秒热退火；
步骤3)淀积金属栅；所述金属栅由3层组成，依次为TiN-1/Al/TiN-2，其中TiN-1金属栅厚度为2-6nm，金属Al膜厚度为2-5nm，TiN-2金属栅厚度为10-20nm；
步骤4)淀积势垒金属层；
步骤5)低压化学汽相淀积多晶硅膜和硬掩膜，然后进行光刻和硬掩膜的刻蚀；
步骤6)去胶，以硬掩膜为掩蔽，依次刻蚀多晶硅膜/势垒金属/金属栅/高K栅介质/界面SiO2形成叠层栅结构；
步骤7)形成第一侧墙和源/漏延伸区低能离子注入和大角度注入；
步骤8)形成第二侧墙和源/漏和离子注入；
步骤9)快速热退火：于600-1050℃下，于N2退火2-30秒；在完成源/漏杂质激活的同时，将金属Al离子驱动到高K栅介质薄膜与界面氧化层界面上，通过界面反应生成Al-O偶极子，实现对PMOS器件金属栅有效功函数的调节；
步骤10)形成NiSi膜；
步骤11)接触和金属化：380-430℃温度下，在合金炉内于N2或(N2+H2)中合金退火30-60分。
所述的方法中，步骤1)之前对完成常规LOCOS或STI隔离后的器件进行清洗，先采用常规方法清洗，然后用氢氟酸/异丙醇/水混合溶液在室温下浸泡2～10分钟，去离子水冲洗，甩干后立即进炉；氢氟酸：异丙醇：水的重量比为0.2～1.5％：0.01～0.10％：1％。
所述的方法中，步骤1)中界面氮氧化层可采用先注入氮到Si中再快速热氧化形成，或先快速热氧化形成SiOx，再用NO氮化或等离子氮化形成SiON；SiOx也可用O3化学处理形成。
所述的方法中，步骤2)中高K栅介质膜为Hf基氧化物，可以是HfAlO、HfAlON、HfSiAlON或HfLaON等，所述高K栅介质膜可通过物理气相淀积、金属有机化学气相沉积或原子层淀积工艺形成。
所述的方法中，步骤3)中的金属氮化物TiN栅薄膜和Al薄膜可通过物理气相淀积、金属有机化学气相沉积或原子层淀积工艺形成。
所述的方法中，步骤4)中的势垒金属层可以是AlN或TaN薄膜，通过物理气相淀积、金属有机化学气相沉积或原子层淀积工艺形成，厚度4～10nm。
所述的方法中，步骤5)中的硬掩膜是SiO2(O)、Si3N4(N)或其叠层O/N或O/N/O。硬掩膜采用氟基刻蚀。
所述的方法中，步骤6)中多晶硅膜采用F基加Cl基，或HBr加Cl基刻蚀，TaN/TiN(Al)/高K栅介质叠层栅结构采用Cl基反应离子刻蚀或感应偶合等离子刻蚀形成，或采用化学湿法腐蚀形成。TiN(Al)即掺Al的TiN。
所述的方法中，步骤10)中的NiSi膜由溅射8～20nm Ni薄膜后，通过两步退火和其间的选择腐蚀完成，NiSi膜厚15～40nm。
本发明提供的方法，其特点是在TiN等金属栅中淀积掺杂金属Al膜，通过热处理，将金属Al离子驱动到高K栅介质薄膜与界面氧化层界面上，通过界面反应生成Al-O偶极子，实现对PMOS器件金属栅有效功函数的调节。其调节效果与Al的淀积厚度、Al层与TiN/Hf基高K介质界面的距离，即TiN-1的厚度、热处理条件以及Hf基高K介质中接近高K介质/SiO2界面处的状态等因数有关。优化这些参量，可以获得合适的有效栅功函数，以期获得合适低的阈值电压。本发明对PMOS器件金属栅有效功函数的调节效果好，操作简便可控，成本低，与常规CMODS工艺完全兼容，便于集成电路产业化。
附图说明
图1是TiN金属栅中掺Al和不掺Al的多晶Si/TiN-1/Al/TiN-2金属栅PMOS电容C-V特性比较。
图2是不同TiN-1薄膜厚度的多晶Si/TiN-1/Al/TiN-2金属栅PMOS电容C-V特性比较。
具体实施方式
本发明提供的用于PMOS器件的金属栅/高K栅介质叠层结构的制备和栅功函数调节方法，在完成常规的LOCOS或STI介质隔离后，其主要步骤如下：
步骤1)用快速热氧化或化学法在半导体衬底上生长超薄界面氧化层或氮氧化层；
步骤2)高介电常数(K)栅介质薄膜的形成，并于500～1000℃下，10～120秒热退火；
步骤3)淀积金属栅：采用物理汽相淀积完成，先反应溅射淀积一薄层TiN-1(第一TiN膜)，接着溅射淀积一薄层金属Al(Al膜)，然后再反应溅射淀积一层TiN-2(第二TiN膜)；
步骤4)淀积势垒金属层；
步骤5)低压化学汽相淀积多晶硅膜和硬掩膜，然后进行光刻和硬掩膜的刻蚀；
步骤6)去胶，以硬掩膜为掩蔽，依次刻蚀多晶硅膜/势垒金属/金属栅/高K栅介质/界面SiO2形成叠层栅结构；
步骤7)形成第一侧墙和源/漏延伸区低能离子注入和大角度注入；
步骤8)形成第二侧墙和源/漏离子注入；
步骤9)快速热退火：于600～1050℃下，于N2中退火2～30秒；在完成源/漏杂质激活的同时，将金属Al离子驱动到高K栅介质薄膜与界面氧化层间界面上，通过界面反应生成Al-O偶极子，实现对PMOS器件金属栅有效功函数的调节；
步骤10)形成NiSi膜；
步骤11)接触和金属化：380～430℃温度下，在合金炉内于N2或(N2+H2)中退火30～60分。
以下对本发明作进一步的介绍。
步骤1)清洗：在器件隔离形成后，进行界面氧化层形成前的清洗，先采用常规方法清洗，然后按重量比氢氟酸：异丙醇：水＝0.3～0.8％：0.01～0.08％：1％混合溶液在室温下浸泡2～10分，去离子水冲洗，N2中甩干后立即进炉；
步骤2)界面层SiOx形成：在600～800℃温度下，在N2中快速热退火(RTA)20～120秒，生成6～8埃的氧化层；
步骤3)高介电常数(K)栅介质薄膜的形成：采用磁控反应溅射工艺在N2/Ar气氛中交替溅射Al靶、Hf靶和Si靶淀积形成HfSiAlON，溅射工作压强为5×10-3Torr，溅射功率为100～500W，淀积形成的HfSiAlON高K栅介质薄膜厚10～50埃；
步骤4)超声清洗；采用丙酮、无水乙醇先后各超声清洗5～10分钟，去离子水冲洗，N2中甩干；
步骤5)淀积高K介质后快速热退火：片子甩干后立即进炉，温度500～1000℃，时间10～120秒。
步骤6)金属栅薄膜淀积：由TiN-1/Al/TiN-2三层金属组成，其中TiN-1和TiN-2金属栅薄膜采用磁控反应溅射工艺在N2/Ar气氛中溅射Ti靶形成，工作压强5×10-13モ，N2流量2～8sccm，溅射功率为600～1000w，TiN-1金属栅厚度为2～5nm，TiN-2金属栅厚度为10～20nm。Al薄膜2～5nm，采用磁控溅射工艺在Ar气氛中溅射Al靶形成工作压强5×10-13モ，Ar流量20～24sccm，溅射功率为100～500w。
步骤7)磁控反应溅射淀积势垒金属层TaN薄膜，工作压强5×10-13モ，N2流量2～8sccm，溅射功率为600～1000w，厚度4～8nm。
步骤8)低压化学汽相淀积多晶硅膜和SiO2硬掩膜，然后进行光刻和采用氟基刻蚀硬掩膜。
步骤9)去胶，以硬掩膜为掩蔽，依次刻蚀多晶硅膜/TaN/TiN(Al)金属栅/高K栅介质HfSiAlON/界面SiO2形成叠层栅结构；
其中多晶硅膜采用F基加Cl基或HBr加Cl基刻蚀，TaN/TiN(Al)金属栅/高K栅介质HfSiAlON/界面SiO2叠层结构采用Cl基反应离子刻蚀或感应偶合等离子刻蚀形成，或采用化学湿法腐蚀形成。
步骤10)常规形成第一侧墙和源/漏延伸区低能离子注入和大角度注入；
步骤11)常规形成第二侧墙和源/漏和离子注入；
步骤12)快速热退火：于600～1050℃下，于N2中退火2～30秒；在完成源/漏杂质热激活的同时，将金属Al离子驱动到高K栅介质薄膜与界面氧化层界面上，通过界面反应生成Al-O偶极子，实现对PMOS器件金属栅有效功函数的调节；
步骤13)形成NiSi膜：由溅射8～15nm Ni薄膜后，通过两步退火和其间的选择腐蚀完成，NiSi膜厚15～30nm。
步骤11)接触和金属化：380～430℃温度下，在合金炉内于N2或(N2+H2)中合金退火30～60分。
由图1可见，当在TiN-1膜和TiN-2膜之间加入3nm Al膜后，平带电压(VFB)向正方向大幅度移动，VFB的增加量为0.135V，表明PMOS器件的有效栅功函数得到大幅度增加，满足了PMOS器件对栅功函数的要求。而且掺Al样品的栅介质等效厚度大幅度减薄(电容增大)，从34埃减薄到23埃，这对提高器件驱动能力和增强栅控能力都十分有利。参数见表1。
由图2可见，对同样的Al薄膜厚度(3nm)，TiN-1膜的厚度不同，平带电压向正方向移动的幅度不同，TiN-1膜的厚度需要优化，如薄了，栅漏电会增加，见图2中TiN-1为2nm样品的C-V特性可知。如厚了，栅功函数调节能力减弱，见图2中TiN-1为4nm样品的C-V特性可知。TiN-1为3nm样品的C-V特性较好，没有漏电，且平带电压也更大些。表2给出了TiN-1膜厚度不同的样品的特征参数比较，其电极结构同为多晶Si/TaN/TiN-1/Al 3nm/TiN-2/HfSiAlON/SiO2。
以上参照本发明的实施例对本发明予以了说明。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替换和修改，这些替换和修改都应落在本发明的范围之内。
表1
表2
| TiN-1膜厚度(纳米) | 栅介质厚度(埃) | 平带电压(V) |
| 2 | 13 | 0.596 |
| 4 | 23 | 0.623 |
| 3 | 21 | 0.684 |
Claims (9)
1.一种PMOS器件叠层结构的制备和栅功函数调节方法，包括如下步骤：
1)在完成LOCOS或STI介质隔离后，在半导体衬底上生长界面氧化层或界面氮氧化层，其中，界面氮氧化层采用先注入氮到Si中再快速热氧化形成，或先快速热氧化形成SiOx，再用NO氮化或等离子氮化形成SiON；界面氧化层采用O3化学处理形成SiOx；
2)形成高K栅介质薄膜，并于500～1020℃下进行4～120秒热退火；
3)淀积金属栅，所述金属栅由三层组成，依次为第一TiN膜、Al膜、第二TiN膜；
4)淀积势垒金属层；
5)低压化学汽相淀积多晶硅膜和硬掩膜，然后进行光刻和硬掩膜的刻蚀，所述硬掩膜是SiO2、Si3N4或其叠层O/N或O/N/O，该O/N和O/N/O中的O表示SiO2，N表示Si3N4；
6)去胶，并以所述硬掩膜为掩蔽，依次刻蚀多晶硅膜/势垒金属层/金属栅/高K栅介质/界面氧化层或界面氮氧化层，形成叠层栅结构；
7)形成第一侧墙和源/漏延伸区低能离子注入和大角度注入；
8)形成第二侧墙和源/漏离子注入；
9)快速热退火：于600～1050℃下，于N2中退火2～30秒；在完成源/漏杂质激活的同时，将金属Al离子驱动到高K栅介质薄膜与界面氧化层间的，或高K栅介质薄膜与氮氧化层间的界面上，通过界面反应生成Al-O偶极子，实现对PMOS器件金属栅有效功函数的调节；
10)形成NiSi膜；
11)接触和金属化：在380～430℃温度下，在合金炉内于N2或N2和H2的混合气体中退火30～60分。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)之前对完成LOCOS或STI隔离后的器件进行清洗，然后用氢氟酸/异丙醇/水混合溶液在室温下浸泡2～10分钟，去离子水冲洗，甩干后立即进炉，其中氢氟酸：异丙醇：水的重量比为0.2～1.5％：0.01～0.10％：1％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中高K栅介质膜是HfAlO、HfAlON、HfSiAlON或HfLaON，所述高K栅介质膜通过物理气相淀积、金属有机化学气相沉积或原子层淀积工艺形成。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤3)中的金属栅中，所述第一TiN膜的厚度为2～6nm，所述Al膜的厚度为2～5nm，所述第二TiN膜的厚度为10～20nm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中所述第一TiN膜、Al膜和第二TiN膜采用物理气相淀积、金属有机化学气相沉积或原子层淀积工艺形成。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中势垒金属层是TaN或AlN，厚度4～10nm，采用物理气相淀积、金属有机化学气相沉积或原子层淀积工艺形成。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5)中的硬掩膜采用氟基刻蚀。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤6)中多晶硅膜采用F基加Cl基，或HBr加Cl基刻蚀，所述势垒金属层/金属栅/高K栅介质/界面氧化层或界面氮氧化层形成的叠层结构采用Cl基反应离子刻蚀或感应偶合等离子刻蚀形成，或采用化学湿法腐蚀形成。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤10)中的NiSi膜是由溅射8～20nm的Ni薄膜后通过两步退火和其间的选择腐蚀形成，该NiSi膜厚15～40nm。
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