CN104051252B - 高k金属栅结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高K金属栅结构的制备方法，至少包括以下步骤：首先提供一衬底，在所述衬底上自下而上依次形成界面层及高K电介质层；然后在所述高K电介质层上沉积阻挡层；再采用化学气相沉积法在所述阻挡层上沉积硅层以使硅原子或硅离子进入所述阻挡层中，形成硅掺杂的阻挡层；最后在制作金属栅极层。本发明的方法不用经过后续的快速高温热处理，避免了高K介质层晶化及界面层增厚的问题，并简化了工艺，硅掺杂的阻挡层作为金属扩散阻挡层，更有效地阻止了金属栅极层中的金属扩散到高K介质中，从而保持器件的良好性能。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造领域，涉及一种栅结构的制备方法，特别是涉及一种高K金属栅结构的制备方法。
背景技术
在传统的MOS晶体管工艺中，通常采用SiO2作为栅介质、重掺杂的多晶硅作为栅电极材料，但随着特征尺寸的不断缩小，MOS晶体管中的SiO2栅电介质已临近了极限。例如，在65纳米工艺中，SiO2栅的厚度已降至1.2纳米，约为5个硅原子层厚度，如果再继续缩小，漏电流和功耗将急剧增加。同时，由多晶硅栅电极引起的掺杂硼原子扩散、多晶硅耗尽效应以及过高的栅电阻等问题也将变得越来越严重。因此，对于32纳米及以下各技术代，急剧增加的漏电流和功耗等问题将亟待新材料、新工艺及新器件结构的开发来解决。
目前，国际上各主要半导体公司都已开始着手面向32纳米及以下技术代的“高k/金属栅”技术的开发，即采用高K介质/金属栅(HKMG)结构代替栅氧化层/多晶硅栅极结构。据Intel报道，采用高K电介质材料后，其栅漏电流降为原来的十分之一。目前来看，高K介质/金属栅结构的应用成为32纳米及以下技术代集成电路发展的必然趋势。
在高K介质/金属栅结构中，根据金属栅极层材料的不同，有的金属栅极层中的金属会扩散到高K介质中，对器件造成不良影响。因此在高K介质层和金属栅极层之间需要加入金属扩散阻挡层。研究中已发现硅掺杂的TiN可以更有效的阻挡金属的扩散。现有技术中制备硅掺杂TiN的方法包括如下步骤：首先沉积一层TiN，然后在TiN上用物理气相沉积法（PVD）沉积硅层，最后通过快速高温热处理（600℃以上至1000℃）得到硅掺杂的TiN。
但是现有技术的方法不适用于高K金属栅结构中金属扩散阻挡层的制备，因为现有技术的方法中的高温热处理会导致阻挡层下的高K介质层晶化，并使界面层再生长从而使得界面层增厚，这些都会对器件造成不利影响。因此提供一种高K金属栅结构中金属扩散阻挡层的制备方法实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高K金属栅结构的制备方法，用于解决现有技术中金属栅极层中的金属扩散问题及高温热处理导致阻挡层下的高K介质层晶化，并使界面层再生长从而使得界面层增厚，对器件造成不利影响的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高K金属栅结构的制备方法，该方法至少包括以下步骤：
1）提供一衬底，在所述衬底上自下而上依次形成界面层及高K电介质层；
2）在所述高K电介质层上沉积阻挡层；
3）采用化学气相沉积法在所述阻挡层上沉积硅层以使硅原子或硅离子进入所述阻挡层上部或整个阻挡层中，形成硅掺杂的阻挡层；
4）在所述步骤3）形成的结构上制作金属栅极层。
可选地，于所述步骤3）中，在形成硅掺杂的阻挡层之后还包括一去除所述硅层的步骤。
可选地，所述化学气相沉积法的温度范围是400~600 ℃。
可选地，所述高K电介质层的材料包括ZrO2、HfO2、Al2O3、HfSiO、HfSiON中的一种或多种。
可选地，所述金属栅极层的材料包括TiAl、Al、Ta、Ti、W、Cu、HfCN、HfC、Pt、Ru、Mo或Ir中的一种或多种。
可选地，所述阻挡层的材料包括TiN、TaN、HfN、ZrN、HfC或TaC中的一种或多种。
可选地，所述阻挡层的材料为TiN，硅原子或硅离子进入所述TiN中形成TiSiN层。
可选地，所述阻挡层的厚度范围是0.5~5nm。
可选地，所述硅层的厚度范围是1~10nm。
可选地，所述硅层为无定形硅层。
如上所述，本发明的高K金属栅结构的制备方法，具有以下有益效果：采用化学气相沉积法在所述阻挡层上沉积硅层，在沉积过程中，硅原子或硅离子便进入所述阻挡层中，不用经过后续的快速高温热处理，避免了阻挡层下的高K介质层晶化及界面层增厚的问题；并且硅层中的硅原子或硅离子进入到阻挡层的晶界并占据其中，形成硅掺杂的阻挡层，更有效地阻止了金属栅极层中的金属扩散到高K介质中，从而保持器件的良好性能。
附图说明
图1显示为本发明的高K金属栅结构的制备方法的流程图。
图2显示为本发明的高K金属栅结构的制备方法中在衬底上依次形成界面层及高K电介质层的示意图。
图3显示为本发明的高K金属栅结构的制备方法中在高K电介质层上沉积阻挡层的示意图。
图4显示为本发明的高K金属栅结构的制备方法中采用化学气相沉积法在所述阻挡层上沉积硅层的示意图。
图5显示为本发明的高K金属栅结构的制备方法中硅进入阻挡层上部形成硅掺杂的阻挡层的示意图。
图6显示为本发明的高K金属栅结构的制备方法中硅进入整个阻挡层形成硅掺杂的阻挡层的示意图。
图7显示为本发明的高K金属栅结构的制备方法中在未去除硅层的结构上制作金属栅极层的示意图。
图8显示为本发明的高K金属栅结构的制备方法中在去除硅层之后的结构上制作金属栅极层的示意图。
元件标号说明
S1~S4步骤
1衬底
2界面层
3高K电介质层
4阻挡层
5硅层
6硅掺杂的阻挡层
7金属栅极层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
首先请参阅图1，如图所示，显示为本发明的高K金属栅结构的制备方法的流程图，本发明的高K金属栅结构的制备方法至少包括以下步骤：
步骤S1：请参阅图2，如图所示，提供一衬底1，在所述衬底1上自下而上依次形成界面层2及高K电介质层3。
具体的，所述衬底1可包括形成于其上的多种特征，包括有源区、隔离区等。所述衬底1的材料可以为任何合适的半导体衬底材料，如硅、锗、锗硅、绝缘体上硅等，根据设计要求其中还可包括各种不同的掺杂配置，如P型衬底或N型衬底。本实施例中所述衬底1的材料以硅为例。
具体的，可采用化学气相沉积法、原子层淀积法、溅射等方法在所述衬底1上形成所述界面层2。所述界面层2的材料为SiO2、SiON或HfSiOx。本实施例中，所述界面层2的材料优选为SiO2，可直接在硅衬底上采用热氧化工艺得到。
具体的，可采用原子层淀积法、化学气相沉积法、热氧化等合适的方法形成所述高K电介质层3。所述高K电介质层3为具有高介电常数的材料（相对于二氧化硅），可以包括ZrO2、HfO2、Al2O3、HfSiO、HfSiON中的一种或多种，但不仅限于上述材料。本实施例中，所述高K电介质层3的材料优选为HfO2，采用原子层淀积法形成。
步骤S2：请参阅图3，如图所示，在所述高K电介质层3上沉积阻挡层4。
具体的，可采用原子层淀积法、溅射法等合适的方法在所述高K电介质层3上沉积阻挡层4。所述阻挡层4的材料包括TiN、TaN、HfN、ZrN、HfC或TaC中的一种或多种，但不仅限于上述材料。所述阻挡层4的厚度范围是0.5~5nm。
步骤S3：请参阅图4至图6，首先请参阅图4，如图所示，采用化学气相沉积法在所述阻挡层4上沉积硅层5。
具体的，所述硅层的厚度范围是1~10nm。所述硅层可以为无定形硅层、单晶硅层或多晶硅层等。本实施例中，所述硅层优选为无定形硅层。
具体的，所述化学气相沉积法的温度范围是400~600℃，如可采用450℃、500℃、550℃、580℃等温度。此温度范围内，在化学气相沉积形成硅层5的过程中，部分硅原子或硅离子便可同时进入所述阻挡层4上部或整个阻挡层4中，形成硅掺杂的阻挡层。
需要指出的是，为了便于说明，硅掺杂的阻挡层未在图4中示出，但是硅掺杂的阻挡层在沉积硅层的同时便形成。
再请参阅图5，显示为硅原子或硅离子进入所述阻挡层4上部形成硅掺杂的阻挡层6的示意图，所述硅掺杂的阻挡层6作为金属扩散阻挡层，可以更有效阻止金属离子从其中通过。
再请参阅图6，显示为硅原子或硅离子进入整个阻挡层4中形成硅掺杂的阻挡层6的示意图。
需要指出的是，所述阻挡层4本身具有较强的阻挡金属离子的能力，硅原子或硅离子进入其中之后，由于硅原子或硅离子占据了其中的晶界间隙，从而使得其阻挡金属离子通过的能力大大增强。本实施例中，所述阻挡层4的材料优选为TiN，在采用化学气相沉积法沉积所述硅层5的过程中，硅原子或硅离子进入所述TiN中形成TiSiN层，即形成硅掺杂的TiN层，其可以更有效的阻止金属离子的通过。
此外，本发明通过化学气相沉积法实现了一步法直接在沉积过程中使硅原子或硅离子进入阻挡层，形成硅掺杂的阻挡层，而不用经过后续高温退火，有效避免了高K电介质层3的晶化，并防止了界面层2的再生长而引起的界面层增厚，消除了工艺的不良影响。
步骤S4：请参阅图6，如图所示，在图5所示的结构上制作金属栅极层7。
具体的，采用物理气相沉积法等沉积方法在所述硅层5上沉积金属栅极层7，所述金属栅极层7的材料可包括金属、金属化合物或金属硅化物中的一种或多种，如可包括TiAl、Al、Ta、Ti、W、Cu、HfCN、HfC、Pt、Ru、Mo或Ir中的一种或多种，但不仅限于上述材料。所述金属栅极层7可以是单层结构或多层结构，可以包含不同的功函数层、栅电极层等，即可以为复合结构。根据不同的器件类型（如PMOS或NMOS），所述金属栅极层7的材料可进行不同的选择。
本实施例中，所述金属栅极层7采用射频溅射法形成，其材料优选为TiAl，本实施例中，TiAl层的作用是作为N型功函数金属层。若没有金属扩散阻挡层，TiAl层中的Al很容易扩散到高K电介质层3中，对器件造成不利影响。本发明的高K金属栅结构中包括硅掺杂的阻挡层6，其作为金属扩散阻档层，可以更有效的阻挡Al通过，从而有效防止Al扩散到高K电介质层3中。
需要指出的是，对于不同材料的金属栅极层7，所述阻挡层4的材料可以进行有针对性的选择，如本实施例中，金属栅极层的材料为TiAl，阻挡层的材料为TiN，TiN本身对Al有较强的阻挡能力，而硅掺杂可以进一步提高阻挡效果，在其它实施例中，若金属栅极层为其它材料，阻挡层的材料可以根据金属栅极层中的金属进行特定的选择，从而实现更有效的阻挡效果。
本实施例中为直接在所述硅层5上制作金属栅极层7，在另一实施例中，在制作金属栅极层7之前还包括一去除所述硅层的步骤，因为根据不同的工艺要求，在一些器件中，所述硅层5有可能影响金属栅极层7的功函数。请参阅图8，如图所示，显示为在去除硅层之后的结构上制作金属栅极层的示意图。具体的，在形成硅掺杂的阻挡层6之后，采用湿法腐蚀等方法去除其表面的所述硅层5，然后再在所述硅掺杂的阻挡层6上制作金属栅极层7。
综上所述，本发明高K金属栅结构的制备方法，采用化学气相沉积法在所述阻挡层上沉积硅层，在沉积过程中，硅原子或硅离子便进入所述阻挡层中，不用经过后续的快速高温热处理，避免了阻挡层下的高K介质层晶化及界面层增厚的问题，并简化了工艺，即由两步简化为一步；并且硅层中的硅原子或硅离子进入到阻挡层的晶界并占据其中，形成硅掺杂的阻挡层，更有效地阻止了金属栅极层中的金属扩散到高K介质中，从而保持了器件的良好性能。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种高K金属栅结构的制备方法，其特征在于，该方法至少包括以下步骤：
1)提供一衬底，在所述衬底上自下而上依次形成界面层及高K电介质层；
2)在所述高K电介质层上沉积阻挡层；
3)采用化学气相沉积法在所述阻挡层上沉积硅层，在沉积过程中，硅原子或硅离子便进入所述阻挡层上部或整个阻挡层中，形成硅掺杂的阻挡层，不用经过后续的快速高温热处理，避免了阻挡层下的高K电介质层晶化及界面层增厚；所述化学气相沉积法的温度范围是400～600℃；
4)在所述步骤3)形成的结构上制作金属栅极层。
2.根据权利要求1所述的高K金属栅结构的制备方法，其特征在于：于所述步骤3)中，在形成硅掺杂的阻挡层之后还包括一去除所述硅层的步骤。
3.根据权利要求1所述的高K金属栅结构的制备方法，其特征在于：所述高K电介质层的材料包括ZrO2、HfO2、Al2O3、HfSiO、HfSiON中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的高K金属栅结构的制备方法，其特征在于：所述金属栅极层的材料包括TiAl、Al、Ta、Ti、W、Cu、HfCN、HfC、Pt、Ru、Mo或Ir中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的高K金属栅结构的制备方法，其特征在于：所述阻挡层的材料包括TiN、TaN、HfN、ZrN、HfC或TaC中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的高K金属栅结构的制备方法，其特征在于：所述阻挡层的材料为TiN，硅原子或硅离子进入所述TiN中形成TiSiN层。
7.根据权利要求1所述的高K金属栅结构的制备方法，其特征在于：所述阻挡层的厚度范围是0.5～5nm。
8.根据权利要求1所述的高K金属栅结构的制备方法，其特征在于：所述硅层的厚度范围是1～10nm。
9.根据权利要求1所述的高K金属栅结构的制备方法，其特征在于：所述硅层为无定形硅层。
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6436840B1 (en) * | 2000-10-19 | 2002-08-20 | Advanced Micro Devices, Inc. | Metal gate with CVD amorphous silicon layer and a barrier layer for CMOS devices and method of making with a replacement gate process |
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| KR100755636B1 (ko) * | 2001-06-29 | 2007-09-04 | 매그나칩 반도체 유한회사 | 반도체 소자의 제조 방법 |
| US6943097B2 (en) * | 2003-08-19 | 2005-09-13 | International Business Machines Corporation | Atomic layer deposition of metallic contacts, gates and diffusion barriers |
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6436840B1 (en) * | 2000-10-19 | 2002-08-20 | Advanced Micro Devices, Inc. | Metal gate with CVD amorphous silicon layer and a barrier layer for CMOS devices and method of making with a replacement gate process |
| CN101027770A (zh) * | 2004-09-27 | 2007-08-29 | 英特尔公司 | 金属栅电极半导体器件 |
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