專利名稱：一種調(diào)節(jié)金屬柵的柵功函數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子超深亞微米技術(shù)互補金屬氧化物半導(dǎo)體器件(CMOS)及超大規(guī) 模集成技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種用于調(diào)節(jié)全硅化金屬柵的柵功函數(shù)的方法。
背景技術(shù)：
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的多晶硅柵電極已不能滿足納米器件的要求。納米 器件多晶硅柵電極存在以下問題a、PMOS管的硼穿透效應(yīng)；b、多晶硅耗盡效應(yīng)；C、柵串聯(lián) 電阻過大、d、與下一代柵介質(zhì)材料(高介電常數(shù)柵介質(zhì))不兼容，存在費米釘扎效應(yīng)。而金 屬柵電極能夠很好的解決多晶硅柵電極存在的以上問題，成為多晶硅柵電極的替代者，并 成為國際上研究的熱點。但是制備金屬柵器件，還有很多的問題需要解決。首先考慮的因素就是柵材料的 選擇問題。在決定選擇何種材料作為柵材料時要考慮很多因素。比如(1)與CMOS工藝的 兼容性(如熱穩(wěn)定性，可刻蝕等)；(2)對柵介質(zhì)可靠性的影響(3)工藝的可擴展性(如高 介電常數(shù)柵介質(zhì))。除了上面的因素以外，選擇的最主要考慮的因素是柵功函數(shù)的匹配問題。由于柵功函數(shù)直接影響器件的閾值電壓(Vth)和晶體管的性能。為了獲得良好的 性能，必須選擇合適的柵功函數(shù)使NMOS和PMOS管的閾值電壓對稱并適當(dāng)?shù)?。對于先進(jìn)的新 結(jié)構(gòu)的器件而言，柵功函數(shù)尤為重要。這些新器件結(jié)構(gòu)，很多工作在全耗盡的工作模式下。 襯底摻雜濃度很低甚至未摻雜。這樣可以避免摻雜引起的閾值浮動，減少雜質(zhì)對溝道區(qū)載 流子的散射作用，提高載流子的遷移率，獲得更高的驅(qū)動電流。但是這樣做的結(jié)果是不能采 用向溝道內(nèi)注入雜質(zhì)的方法來調(diào)節(jié)閾值電壓，只能通過改變柵極的功函數(shù)來調(diào)節(jié)器件的閾 值，對柵電極功函數(shù)的調(diào)節(jié)能力有比較高的要求。迄今為止，研究人員已經(jīng)提出了多種金屬柵集成技術(shù)，如單功函數(shù)金屬柵方法、雙 金屬法、金屬互擴散法、單金屬雙功函數(shù)法、全硅化法。在這些方法中，由于全硅化法柵功函 數(shù)調(diào)節(jié)方法簡單、制備工藝簡單、與CMOS工藝兼容性好，使其成為一種很有希望應(yīng)用于下 一代金屬柵制備工藝的技術(shù)。最初全硅化方法通常采用注入常規(guī)雜質(zhì)(B、BF2、As、P、Sb)等來調(diào)節(jié)全硅化金屬柵 的功函數(shù)。但是研究發(fā)現(xiàn)常規(guī)的雜質(zhì)的柵功函數(shù)調(diào)節(jié)能力有限，無法滿足高性能體硅互補 金屬氧化物半導(dǎo)體器件(CMOS)對柵電極功函數(shù)的要求；而且注入的As、Sb雜質(zhì)也會造成柵 介質(zhì)與柵電極之間的黏附性問題。為了滿足高性能互補金屬氧化物半導(dǎo)體器件(CMOS)對 柵電極功函數(shù)的要求，需要尋找新的雜質(zhì)來調(diào)節(jié)全硅化金屬柵的柵功函數(shù)。新的雜質(zhì)既要 能獲得較大的柵功函數(shù)調(diào)節(jié)能力，還要能夠與CMOS工藝兼容，易于集成到CMOS工藝中去。 因此有必要尋找新的、易于集成的全硅化金屬柵功函數(shù)調(diào)節(jié)方法。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種新的、易于集成的、與CMOS工藝兼容性好的調(diào)節(jié)金屬柵的柵功函數(shù)的方法。( 二 )技術(shù)方案為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明利用離子注入技術(shù)在硅化前向多晶硅柵內(nèi)注入雜質(zhì)鎵 (Ga)并激活雜質(zhì)，然后淀積金屬鎳(Ni)并進(jìn)行快速熱退火(RTA)使金屬鎳和多晶硅完全反 應(yīng)形成全硅化物金屬柵；同時全硅化過程將注入的雜質(zhì)鎵(Ga)分凝至全硅化柵/柵介質(zhì)界 面附近并造成堆積，從而調(diào)節(jié)全硅化金屬柵的柵功函數(shù)。 具體采用的技術(shù)方案如下一種調(diào)節(jié)金屬柵的柵功函數(shù)的方法，該方法包括局部氧化隔離或淺槽隔離，進(jìn)行注入前氧化，然后注入14N+ ；漂凈注入前氧化膜，柵氧化，并沉積多晶硅；光刻、刻蝕形成多晶硅柵電極；注入雜質(zhì)，雜質(zhì)激活；淀積金屬鎳，退火硅化，使金屬鎳和多晶硅完全反應(yīng)形成全硅化物金屬柵；選擇去除未反應(yīng)的金屬鎳。上述方案中，所述局部氧化隔離或淺槽隔離的步驟中，氧化溫度為1000°C，隔離層 厚度為3000至5000 A;所述注入前氧化的步驟中，氧化厚度為loo至300 A;所述注入14N+ 的步驟中，注入條件為注入能量為10至35Kev，注入劑量為IX IO14至SXlO14Cnr2。上述方案中，所述漂凈注入前氧化膜的步驟中，采用體積比為H2O HF = 9 1的 溶液進(jìn)行漂洗，然后采用3#腐蝕液清洗10分鐘，1#腐蝕液清洗5分鐘，HF/異丙醇IPA溶液 室溫下浸漬5分鐘；該3#腐蝕液是體積比為(3 5) 1的H2SO4與H2O2溶液；該1#腐蝕 液是體積比為(1 0.7) 1 5的ΝΗ40Η+Η202+Η20溶液；氫氟酸/異丙醇/水是體積比 為百分之0.2至1 百分之0.01至0.08 1的HF+IPA+H20溶液。上述方案中，所述柵氧化并沉積多晶硅的步驟中，柵氧化的厚度為15至50 A，沉 積多晶硅采用化學(xué)氣相淀積LPCVD方法，沉積的多晶硅的厚度為1000至2000 A。上述方案中，所述在光刻、刻蝕形成多晶硅柵電極之前進(jìn)一步包括去背面多晶 硅，并漂凈背面氧化層，然后進(jìn)行背面注入，注入雜質(zhì)31P,注入能量為50至lOOKev，注入劑 量為 3X IO15 至 6X IO15CnT2。上述方案中，所述在光刻、刻蝕形成多晶硅柵電極的步驟包括采用厚度為1. 5微 米的9918膠作為掩模進(jìn)行光刻，采用反應(yīng)離子刻蝕多晶硅，將場區(qū)內(nèi)多晶硅刻蝕干凈，形 成多晶硅柵電極。上述方案中，所述注入雜質(zhì)的步驟中，注入的雜質(zhì)為鎵，將雜質(zhì)鎵注入多晶硅柵 內(nèi)，注入能量為50至150Kev,注入劑量為1 X IO14至6 X IO1W0上述方案中，所述雜質(zhì)激活的步驟中，采用退火激活注入雜質(zhì)，退火溫度950至 1050°C，退火時間3秒至10秒。上述方案中，所述淀積金屬鎳并退火硅化的步驟中，淀積金屬鎳的厚度為600至1400 A，退火條件為溫度500至580°C，時間30至60秒。上述方案中，所述選擇去除未反應(yīng)的金屬鎳的步驟中，采用3#腐蝕液進(jìn)行腐蝕去 除未反應(yīng)的金屬鎳，該3#腐蝕液為體積比(3 5) 1 WH2SO4與H2O2溶液，腐蝕時間為20至30分鐘。
(三)有益效果本發(fā)明利用離子注入技術(shù)在硅化前向多晶硅柵內(nèi)注入雜質(zhì)鎵(Ga)，然后淀積金屬 鎳(Ni)并進(jìn)行快速熱退火(RTA)使金屬鎳和多晶硅完全反應(yīng)形成全硅化物金屬柵；同時全 硅化過程將注入的雜質(zhì)鎵(Ga)分凝至全硅化柵/柵介質(zhì)界面附近并造成堆積，從而調(diào)節(jié)全 硅化金屬柵的柵功函數(shù)。另外，本發(fā)明提供的調(diào)節(jié)金屬柵的柵功函數(shù)的方法，易于集成，與CMOS工藝兼容 性好。


圖1是本發(fā)明提供的調(diào)節(jié)金屬柵的柵功函數(shù)的方法流程圖；圖2(a) (e)是本發(fā)明金屬柵的制備工藝步驟；其中(a)為淀積多晶硅并光刻、 刻蝕后形成的結(jié)構(gòu)；(b)為雜質(zhì)注入示意圖；(c)為淀積金屬(Ni)后示意圖；(d)為硅化退 火反應(yīng)生成(Ni)金屬硅化物柵電極示意圖；(e)為選擇去除未反應(yīng)的金屬(Ni)后示意圖； 圖1中的符號說明1-體硅襯底，2-柵氧化層，3-多晶硅柵電極，4-L0C0S隔離，5-離子注 入元素，6-淀積的金屬(Ni)，7_反應(yīng)生成的(Ni)金屬硅化物柵電極；圖3是本發(fā)明所制備的金屬柵電極的TEM圖；圖4是利用本發(fā)明制備的電容的CV特性曲線。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的調(diào)節(jié)金屬柵的柵功函數(shù)的方法流程圖，該方法包 括步驟101 局部氧化隔離或淺槽隔離，進(jìn)行注入前氧化，然后注入14N+ ；本步驟中， 局部氧化隔離或淺槽隔離時，氧化溫度為loocrc，隔離層厚度為3000至5000 A;注入前氧 化的氧化厚度為100至300 A;注入14N+的注入條件為注入能量為10至35Kev，注入劑量 為 IX IO14 至 8X IO14cnT2。步驟102 漂凈注入前氧化膜，柵氧化，并沉積多晶硅；本步驟中，漂凈注入前氧化膜采用體積比為H2O HF = 9 1的溶液進(jìn)行漂洗， 然后采用3#腐蝕液清洗10分鐘，1#腐蝕液清洗5分鐘，HF/異丙醇IPA溶液室溫下浸漬5 分鐘；該3#腐蝕液是體積比為(3 5) 1的H2SO4與H2O2溶液；該1#腐蝕液是體積比為 (1 0.7) 1 5的ΝΗ40Η+Η202+Η20溶液；氫氟酸/異丙醇/水是體積比為百分之0.2至 1 百分之0.01至0.08 1的HF+IPA+H20溶液。柵氧化并沉積多晶硅的步驟中，柵氧化的 厚度為15至50 A，沉積多晶硅采用化學(xué)氣相淀積LPCVD方法，沉積的多晶硅的厚度為1000 至2000A。步驟103 光刻、刻蝕形成多晶硅柵電極；本步驟中，采用厚度為1. 5微米的9918膠作為掩模進(jìn)行光刻，采用反應(yīng)離子刻蝕 多晶硅，將場區(qū)內(nèi)多晶硅刻蝕干凈，形成多晶硅柵電極。
在光刻、刻蝕形成多晶硅柵電極之前進(jìn)一步包括去背面多晶硅，并漂凈背面氧化層，然后進(jìn)行背面注入，注入雜質(zhì)31P,注入能量為50至lOOKev，注入劑量為3X IO15至 6 X IO15CnT2。步驟104 注入雜質(zhì)，雜質(zhì)激活；本步驟中，注入的雜質(zhì)為鎵，將雜質(zhì)鎵注入多晶硅柵內(nèi)，注入能量為50至150Kev， 注入劑量為IX IO14至6X IO15CnT2。雜質(zhì)激活采用退火激活注入雜質(zhì)，退火條件為溫度950 至1050°C，時間3秒至10秒。步驟105 淀積金屬鎳，退火硅化，使金屬鎳和多晶硅完全反應(yīng)形成全硅化物金屬 柵；本步驟中，淀積金屬鎳的厚度為600至1400 A，退火條件為溫度500至580°C， 時間30至60秒。步驟106 選擇去除未反應(yīng)的金屬鎳。本步驟中，采用3#腐蝕液進(jìn)行腐蝕去除未反應(yīng)的金屬鎳，該3#腐蝕液為體積比 (3 5) 1的H2SO4與H2O2溶液，腐蝕時間為20至30分鐘。圖2(a) (e)是本發(fā)明金屬柵的制備工藝步驟。其中(a)為淀積多晶硅并光刻、 刻蝕后形成的結(jié)構(gòu)；(b)為雜質(zhì)注入示意圖；(c)為淀積金屬(Ni)后示意圖；(d)為硅化退 火反應(yīng)生成(Ni)金屬硅化物柵電極示意圖；(e)為選擇去除未反應(yīng)的金屬(Ni)后示意圖。 該工藝具體包括以下步驟步驟1 場氧化1000°C，3000 5000 A;步驟2 注入前氧化厚100 A 300 A；步驟3 注入 14N+，能量為 10 35Kev，劑量為 1 X IO14CnT2 8 X IO14CnT2 ；步驟4 漂凈注入前氧化層=H2O HF = 9 1溶液中漂凈；步驟5 清洗3#液清洗10分鐘，1#液清洗5分鐘，HF/異丙醇(IPA)，室溫下浸漬 5分鐘；步驟6 柵氧化厚度44 A;步驟7 化學(xué)氣相淀積(LPCVD)多晶硅1000 A 2000 A;步驟8 去背面多晶硅，并漂凈背面氧化層；步驟9 背面注入注入雜質(zhì)31P,能量50-100Kev，劑量3X IO15 6 X IO15 ；步驟10 光刻多晶硅9918膠，1. 5微米；步驟11 反應(yīng)離子刻蝕多晶硅場區(qū)刻干凈多晶硅；步驟12 柵注入:注入雜質(zhì)6 注入能量50-1501(饑，劑量1\1014 6\1015(^2 ；步驟13 雜質(zhì)激活退火溫度950至1050°C，退火時間3秒至10秒；步驟14 濺射 金屬鎳(Ni)厚度，600-1400步驟15 快速熱退火(RTA)溫度500_580°C，時間30 60秒；步驟16 選擇腐蝕3#液(H2SO4 H2O2 = 5 1)，20 30分鐘，將未反應(yīng)的金屬 鎳(Ni)去除；圖3是本發(fā)明所制備的金屬柵電極的TEM圖，從圖中可以看出多晶硅柵電極已經(jīng) 完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣杌锝饘贃烹姌O。
圖4是利用本發(fā)明制備的電容的CV特性曲線，從中可以看出柵內(nèi)注入雜質(zhì)后CV 曲線發(fā)生偏移，平帶電壓(Vfb)的變化反映了柵電極的柵功函數(shù)發(fā)生變化；在實驗范圍內(nèi)， 注入Ga后電容的平帶電壓較未摻雜的電容的平帶電壓最大變化了大約0. 9V;通過計算，功 函數(shù)可調(diào)節(jié)到4. 989eV,能夠滿足高性能體硅PMOS器件的要求。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的 任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種調(diào)節(jié)金屬柵的柵功函數(shù)的方法，其特征在于，該方法包括局部氧化隔離或淺槽隔離，進(jìn)行注入前氧化，然后注入14N+；漂凈注入前氧化膜，柵氧化，并沉積多晶硅；光刻、刻蝕形成多晶硅柵電極；注入雜質(zhì)，雜質(zhì)激活；淀積金屬鎳，退火硅化，使金屬鎳和多晶硅完全反應(yīng)形成全硅化物金屬柵；選擇去除未反應(yīng)的金屬鎳。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)金屬柵的柵功函數(shù)的方法，其特征在于，所述局部氧化 隔離或淺槽隔離的步驟中，氧化溫度為1000°C，隔離層厚度為3000至5000 A;所述注入前氧化的步驟中，氧化厚度為100至300 A；所述注入14N+的步驟中，注入條件為注入能量為10至35Kev，注入劑量為IX IO14至 8 X IO14CnT2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)金屬柵的柵功函數(shù)的方法，其特征在于，所述漂凈注入 前氧化膜的步驟中，采用體積比為H2O HF = 9 1的溶液進(jìn)行漂洗，然后采用3#腐蝕液 清洗10分鐘，1#腐蝕液清洗5分鐘，HF/異丙醇IPA溶液室溫下浸漬5分鐘；該3#腐蝕液 是體積比為(3 5) 1的H2SO4與H2O2溶液；該1#腐蝕液是體積比為(1 0.7) 1 5 的ΝΗ40Η+Η202+Η20溶液；氫氟酸/異丙醇/水是體積比為百分之0. 2至1 百分之0. 01至 0.08 1 的 HF+IPA+H20 溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)金屬柵的柵功函數(shù)的方法，其特征在于，所述柵氧化并 沉積多晶硅的步驟中，柵氧化的厚度為15至50 A，沉積多晶硅采用化學(xué)氣相淀積LPCVD方 法，沉積的多晶硅的厚度為1000至2000入。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)金屬柵的柵功函數(shù)的方法，其特征在于，所述在光刻、刻 蝕形成多晶硅柵電極之前進(jìn)一步包括去背面多晶硅，并漂凈背面氧化層，然后進(jìn)行背面注入，注入雜質(zhì)31P,注入能量為50至 lOOKev，注入劑量為 3X IO15 至 6X IO15CnT2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)金屬柵的柵功函數(shù)的方法，其特征在于，所述在光刻、刻 蝕形成多晶硅柵電極的步驟包括采用厚度為1. 5微米的9918膠作為掩模進(jìn)行光刻，采用反應(yīng)離子刻蝕多晶硅，將場區(qū) 內(nèi)多晶硅刻蝕干凈，形成多晶硅柵電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)金屬柵的柵功函數(shù)的方法，其特征在于，所述注入雜質(zhì) 的步驟中，注入的雜質(zhì)為鎵，將雜質(zhì)鎵注入多晶硅柵內(nèi)，注入能量為50至150Kev，注入劑量 為 IX IO14 至 6X IO15CnT2。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)金屬柵的柵功函數(shù)的方法，其特征在于，所述雜質(zhì)激活 的步驟中，采用退火激活注入雜質(zhì)，退火溫度950至1050°C，退火時間3秒至10秒。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)金屬柵的柵功函數(shù)的方法，其特征在于，所述淀積金 屬鎳并退火硅化的步驟中，淀積金屬鎳的厚度為600至1400 A，退火條件為溫度500至 580°C，時間30至60秒。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)金屬柵的柵功函數(shù)的方法，其特征在于，所述選擇去除未反應(yīng)的金屬鎳的步驟中，采用3#腐蝕液進(jìn)行腐蝕去除未反應(yīng)的金屬鎳，該3#腐蝕液為體積比(3 5) 1的H2SO4與H2O2溶液，腐蝕時間為20至30分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種調(diào)節(jié)金屬柵的柵功函數(shù)的方法，該方法包括局部氧化隔離或淺槽隔離，進(jìn)行注入前氧化，然后注入14N+；漂凈注入前氧化膜，柵氧化，并沉積多晶硅；光刻、刻蝕形成多晶硅柵電極；注入雜質(zhì)，雜質(zhì)激活；淀積金屬鎳，退火硅化，使金屬鎳和多晶硅完全反應(yīng)形成全硅化物金屬柵；選擇去除未反應(yīng)的金屬鎳。本發(fā)明提供的方法，易于集成，實現(xiàn)了與CMOS工藝的良好兼容。
文檔編號H01L21/8238GK101800197SQ20091007762
公開日2010年8月11日 申請日期2009年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月9日
發(fā)明者周華杰, 徐秋霞 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所