CN102810468B - 一种高k栅介质界面优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高k栅介质界面优化方法。该方法包括：提供半导体衬底；去除半导体衬底表面自然氧化层；在半导体衬底上形成界面优化层；在界面优化层上形成界面反应层；在界面反应层上形成介质层；对半导体衬底进行热退火处理，使界面反应层与界面优化层发生反应，减小界面优化层厚度。

Description

一种高 k 栅介质界面优化方法

技术领域

本发明涉及一种高k栅介质界面优化方法，尤其涉及一种Hf基高k栅介质界面优化方法，其通过在高k栅介质与硅衬底界面引入界面优化层改善界面质量，同时通过在界面氧化硅层上形成界面反应层，在热退火工艺中，使界面反应层与界面优化层发生化学反应以减小界面氧化层的厚度，有助于获得界面良好且等效氧化层厚度小的高k栅介质层。

背景技术

40多年来，集成电路技术按摩尔定律持续发展，特征尺寸不断缩小，集成度不断提高，功能越来越强。目前，金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的特征尺寸已进入亚50nm。伴随器件特征尺寸的不断减小，如果仍采用传统的氧化硅栅介质/多晶硅形成的栅堆叠，栅介质漏电会成指数规律急剧增加，多晶硅耗尽效应越来越严重，多晶硅电阻也会随之增大。为了克服以上困难，工业界开始采用高k栅介质和金属栅电极形成新型栅堆叠结构代替传统的栅堆叠。高k栅介质在保持具有相同的等效氧化层厚度的前提下，具有更高的物理厚度，从而有效减小了栅介质漏电，并且金属栅电极可以从根本上消除多晶硅耗尽效应。

高k栅介质要求栅介质材料具有较高的介电常数、良好的热力学与化学稳定性、较大的带隙宽度、较小的固定电荷和缺陷态密度。然而，常见的高k栅介质在硅衬底上的热力学稳定性较差，在高温下易与硅衬底发生反应，导致界面粗糙，界面态增多，从而使载流子迁移率下降，器件性能降低。因此，高k栅介质在硅衬底上的热力学稳定性在高k栅介质的研究中具有重要的意义，如何改善界面特性，获得良好的器件特性一直是高k栅介质研究的重点。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种高k栅介质的界面优化方法，该方法能够有效改善高k栅介质与硅衬底之间的界面特性。

该方法包括：提供半导体衬底；去除半导体衬底表面自然氧化层；在半导体衬底上形成界面优化层；在界面优化层上形成界面反应层；在界面反应层上形成介质层；对半导体衬底进行热退火处理，界面反应层与界面优化层发生反应减小界面优化层厚度。

优选地，所述去除半导体衬底表面自然氧化层的步骤包括：将半导体衬底置于氢氟酸、异丙醇和水的混合溶液中浸泡5至10分钟，去除半导体衬底表面自然氧化层，然后在氮气中吹干。

其中，所述氢氟酸、异丙醇和水的混合溶液中，氢氟酸的体积百分比含量为1%至2%，异丙醇的体积百分比含量为0.01%至0.1%。

优选地，所述在半导体衬底上形成界面优化层的步骤包括：采用热氧化的方法，在半导体衬底上形成4-10Å的SiO₂层。

其中，所述热氧化的步骤包括：采用快速热退火工艺，退火温度为600℃至800℃，退火时间为20s至40s，退火气氛为氮气与氧气的混合气氛，其中氧气的体积百分含量为0.1%至2%。

优选地，所述在半导体衬底上形成界面优化层的步骤还可包括：采用注氮氧化的方法，在半导体衬底上形成4-10Å的SiON层。

其中，所述注氮氧化的步骤包括：首先，在半导体衬底上注入氮离子，注入能量10-50keV，注入剂量是2×10¹⁴cm^-2，然后，在氧气与氮气的混合气氛中进行热氧化，氧气体积百分比含量为0.1%-1%，氧化温度为900-1050℃。

优选地，所述在界面氧化硅层上形成界面反应层的步骤包括：采用磁控溅射工艺或原子层淀积工艺，在界面优化层上形成界面反应层，所述界面反应层优选为金属或金属氮化物。

其中，所述金属包括Hf、Ti、Ta中的一种或多种的组合；所述金属氮化物包括HfN_x、TiN_x、TaN_x中的一种或多种的组合。

优选地，所述在界面反应层上形成介质层的步骤包括：采用磁控溅射工艺或原子层淀积工艺，在界面反应层上形成高k介质层。

优选地，所述高k介质层包括：HfON、HfSiON、HfTiON、HfTaON中的一种或多种的组合。

优选地，所述对半导体衬底进行热退火处理的步骤包括：采用快速热退火工艺，退火温度为600℃至1000℃，退火时间为20s至40s，退火气氛为氮气气氛。

本发明提供的这种高k栅介质的界面优化方法，其通过在高k栅介质与硅衬底界面引入SiO₂或SiON界面优化层改善界面质量，同时通过在界面优化层上形成界面反应层，在热退火工艺中，使界面反应层与界面优化层发生化学反应以减小界面氧化层的厚度，有助于获得界面良好且等效氧化层厚度小的高k栅介质层。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1-5示出了根据本发明实施例制造高k栅介质的流程中各步骤对应的结构的截面图。

图6示出了采用热氧化工艺制备的SiO₂界面优化层，氧化硅厚度是6.5Å。

图7示出了没有界面优化层时，在700℃下退火30s后，HfON与硅衬底发生反应，界面变得异常粗糙。

图8（a）示出了采用SiO₂作为界面优化层，HfN_x作为界面反应层，HfSiON作为高k介质层，在退火工艺前，SiO₂厚度是6.1Å。

图8（b）示出了采用SiO₂作为界面优化层，HfN_x作为界面反应层，HfSiON作为高k介质层，在900℃下退火30s后，SiO₂厚度减小为3.9Å。

图9（a）示出了采用SiON作为界面优化层，HfN_x作为界面反应层，HfTaON作为高k介质层，在退火工艺前，SiON厚度是14.9Å。

图9（b）示出了采用SiON作为界面优化层，HfN_x作为界面反应层，HfTaON作为高k介质层，在900℃下退火30s后，SiON厚度减小为8.8Å。

附图标记说明：

1000，半导体衬底；1002，界面优化层；1004，界面反应层；1006，高k介质层；1008，界面高k介质层。

具体实施方式

以下，通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在附图中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

图1～5详细示出了根据本发明实施例制造半导体器件流程中各步骤的截面图。以下，将参照这些附图来对根据本发明实施例的各个步骤予以详细说明。

首先，如图1所示，提供半导体衬底1000。半导体衬底1000可以包括任何适合的半导体衬底材料，具体可以是但不限于硅、锗化硅、SOI（绝缘体上硅）或者碳化硅等。此外，半导体衬底1000可以可选地包括外延层。对于本发明的实施例，优选采用Si衬底。

接着，去除半导体衬底1000上的自然氧化层。具体地，将半导体衬底1000置于氢氟酸、异丙醇和水的混合溶液中浸泡5至10分钟，溶液中的氢氟酸有助于去除半导体衬底表面自然氧化层，溶液中的异丙醇有助于中和半导体衬底表面的悬挂键，抑制自然氧化层的形成，然后将半导体衬底在氮气中吹干。

其中，所述氢氟酸、异丙醇和水的混合溶液中，氢氟酸的体积百分比含量为1%至2%，异丙醇的体积百分比含量为0.01%至0.1%。

接着，在半导体衬底1000上形成界面优化层1002。具体地，采用快速热退火工艺，退火温度为600℃至800℃，退火时间为20s至40s，退火气氛为氮气与氧气的混合气氛，其中氧气的体积百分含量为0.1%至2%，在半导体衬底1000上形成4-10Å的SiO₂界面优化层。

然后，在界面优化层1002上形成界面反应层1004，所述界面反应层包括Hf、Ti、Ta、HfN_x、TiN_x、TaN_x中的一种或多种的组合。对于本发明的实施例，优选采用HfN_x界面反应层。

以下具体描述根据本发明的一个优选实施例的HfN_x界面反应层的形成。HfN_x界面反应层采用磁控反应溅射工艺进行制备，溅射靶材选用Hf靶，纯度为99.999%，溅射气氛为氩气和氮气的混合气体，溅射功率为200-500W，工作压强为（2-8）×10^-3Torr，通过调节氮气流量可以调节HfN_x薄膜中的N的含量，通过控制溅射时间，实现2-8Å 厚度的HfN_x界面反应层。

然后，在界面反应层1004上形成介质层1006，所述介质层包括HfON、HfSiON、HfTiON、HfTaON中的一种或多种的组合。对于本发明的实施例，优选采用HfSiON介质层。

以下具体描述根据本发明的一个优选实施例的HfSiON介质层的形成。HfSiON介质层采用磁控溅射工艺进行制备，溅射靶材选用Hf靶和Si靶，纯度为99.999%，溅射气氛为氩气、氮气和氧气的混合气体，溅射功率为200-500W，工作压强为（2-8）×10^-3Torr，通过共溅射Hf靶和Si靶实现HfSiON高k介质层。

最后，对半导体衬底进行热退火处理，具体地，热退火处理采用快速热退火工艺，退火温度为600℃至900℃，退火时间为5s至40s，退火气氛为氮气气氛。经过热退火处理，界面反应层1004会与界面优化层1002发生化学反应生成界面高k栅介质层1008，在本实施例中，HfN_x界面反应层会与SiO₂界面优化层发生反应，生成HfSiON界面高k栅介质层。

在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过现有技术中的各种手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。

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。

Claims (15)

1.一种高k栅介质界面优化方法，包括：

提供半导体衬底；

去除半导体衬底表面自然氧化层；

在半导体衬底上形成界面优化层,所述优化层厚度为

在界面优化层上形成界面反应层；

在界面反应层上形成介质层；

对半导体衬底进行热退火处理，界面反应层与界面优化层发生反应减小界面优化层厚度，退火温度为600℃至1000℃，退火时间为20s至40s，退火气氛为氮气气氛。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述去除半导体衬底表面自然氧化层的步骤包括：采用氢氟酸、异丙醇和水的混合溶液去除半导体衬底表面自然氧化层。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述氢氟酸、异丙醇和水的混合溶液包括：氢氟酸的体积百分比含量为1％至2％，异丙醇的体积百分比含量为0.01％至0.1％。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述去除半导体衬底表面自然氧化层的步骤包括：将硅片置于氢氟酸、异丙醇和水的混合溶液中5至10分钟。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在半导体衬底上形成界面优化层的步骤包括：采用热氧化的方法，在半导体衬底上形成SiO₂层。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述热氧化包括：采用快速热退火工艺，退火温度为600℃至800℃，退火时间为20s至40s，退火气氛为氮气与氧气的混合气氛，其中氧气的体积百分含量为0.1％至2％。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在半导体衬底上形成界面优化层的步骤还可包括：采用注氮氧化的方法，在半导体衬底上形成SiON层。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述注氮氧化包括：首先，在半导体衬底上注入氮离子，注入能量10-50keV，注入剂量是2×10¹⁴cm^-2，然后，在氧气与氮气的混合气氛中进行热氧化，氧气体积百分含量为0.1％-1％，氧化温度为900-1050℃，时间是20s至40s。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在界面优化层上形成界面反应层的步骤包括：采用磁控溅射工艺或原子层淀积工艺，在界面优化层上形成界面反应层。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述界面反应层为金属或金属氮化物中的一种或多种的组合。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述金属包括Hf、Ti、Ta中的一种或多种的组合。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述金属氮化物包括HfN_x、TiN_x、TaN_x中的一种或多种的组合。

13.根据权利要求9至12中的任何一项所述的方法，其中，所述界面反应层的厚度为

14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在界面反应层上形成介质层的步骤包括：采用磁控溅射工艺或原子层淀积工艺，在界面反应层上形成高k介质层。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述高k介质层包括HfON、HfSiON、HfTiON、HfTaON中的一种或多种的组合。