專利名稱：一種適用于nmos器件的金屬柵功函數(shù)的調(diào)節(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別指一種適用于NMOS器件的金屬柵功函數(shù)的調(diào)節(jié)方法，適合于45納米及以下技術(shù)代高性能納米尺度互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件的制備應(yīng)用。
背景技術(shù)：
隨著CMOS器件的特征尺寸進(jìn)入到45nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)及以下時(shí)，為了大幅度減小柵隧穿電流和柵電阻，消除多晶硅耗盡效應(yīng)，提高器件可靠性，緩解費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)，采用高 K (介電常數(shù))/金屬柵材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Si02/poly-Si (多晶硅)結(jié)構(gòu)已成為業(yè)界的共識(shí)。但是金屬柵集成到高K柵介質(zhì)上仍有許多問題急待解決，如熱穩(wěn)定性問題，界面態(tài)問題，特別是費(fèi)米釘扎效應(yīng)使納米CMOS器件需要的適當(dāng)?shù)偷拈撝惦妷旱墨@得面臨很大挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種適用于NMOS器件的金屬柵功函數(shù)的調(diào)節(jié)方法，以獲得合適的柵功函數(shù)，以期獲得合適的閾值電壓。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的適用于NMOS器件的金屬柵功函數(shù)的調(diào)節(jié)方法，其主要步驟如下步驟1)器件隔離形成后界面氧化層SiOx或SiON的形成于600-900°C下，20-120 秒快速熱氧化形成；步驟2、高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜的形成采用PVD方法，利用磁控反應(yīng)濺射工藝交替濺射Hf-La靶和Hf靶淀積形成HfLaON或交替濺射Hf靶和Si靶淀積形成HfSiON柵介質(zhì)；步驟幻淀積高介電常數(shù)介質(zhì)薄膜后快速熱退火于600-1050°C下，10-120秒熱退火；步驟4)金屬柵電極形成采用PVD方法，利用磁控反應(yīng)濺射淀積金屬氮化物柵；步驟幻N型金屬離子注入對(duì)金屬氮化物柵進(jìn)行摻雜；步驟6)刻蝕形成金屬柵電極；步驟7)熱退火溫度;350-1050°C ；步驟8)背面歐姆接觸形成采用PVD方法，利用直流濺射工藝在背面沉積Al-Si 膜；步驟9)合金380-450°C溫度下，在合金爐內(nèi)隊(duì)中合金退火30_60分。所述的調(diào)節(jié)方法，其中，步驟1中在器件隔離形成后，界面氧化層形成前，先采用常規(guī)方法清洗，然后用氫氟酸/異丙醇/水混合溶液中于室溫下浸泡，去離子水沖洗，甩干后立即進(jìn)行界面氧化層的形成。所述的調(diào)節(jié)方法，其中，步驟1中氫氟酸/異丙醇/水混合溶液濃度比為 0.2-1.5%: 0. 01-0. 10% 1%，浸泡時(shí)間為 2-10 分鐘。
所述的調(diào)節(jié)方法，其中，步驟2中界面氧化層SiON采用先注入氮再快速熱氧化形成或先氧化再等離子氮化形成。所述的調(diào)節(jié)方法，其中，步驟2中高介電常數(shù)柵介質(zhì)膜的濺射是在隊(duì)/Ar氣氛中進(jìn)行，通過改變交替濺射Hf-La靶和Hf靶或Hf靶和Si靶的功率和時(shí)間來調(diào)控各元素的比例和膜厚。所述的調(diào)節(jié)方法，其中，步驟4中淀積金屬氮化物柵采用在N2/Ar氣氛中反應(yīng)濺射 Ti靶或Ta靶或Mo靶相應(yīng)分別形成TiN或TaN或MoN。所述的調(diào)節(jié)方法，其中，步驟5中金屬離子注入對(duì)NMOS器件，選擇的離子注入元素分別有 或Er或％或Sr。所述的調(diào)節(jié)方法，其中，步驟6中TiN或TaN金屬柵電極采用Cl基反應(yīng)離子刻蝕形成，或采用化學(xué)濕法腐蝕形成。所述的調(diào)節(jié)方法，其中，步驟7中的熱退火分兩類，一類是適用先柵工藝的，采用快速熱退火或尖峰退火或激光退火，溫度950-1200°C，時(shí)間5毫秒-30秒；另一類是適用后柵工藝的，采用爐子退火，溫度350-550°C，時(shí)間20-60分。所述的調(diào)節(jié)方法，其中，步驟8背面濺射沉積的Al-Si膜厚度為80-120納米。本發(fā)明采用離子注入方法將金屬離子注入到金屬柵薄膜電極中，經(jīng)快速熱退火后，離子在金屬柵與高K柵介質(zhì)的界面上堆積或在高K柵介質(zhì)與SiO2的界面上通過界面反應(yīng)生成偶極子，達(dá)到調(diào)節(jié)金屬柵功函數(shù)的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)偷拈撝惦妷旱目刂啤４朔椒ê?jiǎn)單易行，具有好的熱穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)金屬柵功函數(shù)的能力，而且與CMOS工藝完全兼容，便于集成電路產(chǎn)業(yè)化。


圖1為不同Tb注入劑量下，金屬柵TWbN中1 含量不同的NMOS電容TWbN/ HfLa0N/ILSi02/N(100)Si柵結(jié)構(gòu)高頻C-V特性的比較。從圖可以看出隨Tb注入劑量增加， C-V特性曲線向負(fù)方向大幅度移動(dòng)，表明平帶電壓向負(fù)方向大幅度移動(dòng)，即NMOS器件的功函數(shù)大幅度減小。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明利用物理汽相淀積(PVD)方法，在高K介質(zhì)如HfLaOH、HfSiON等上面淀積一層金屬氮化物膜或金屬膜，作為金屬柵電極，然后采用離子注入方法對(duì)金屬柵電極進(jìn)行摻雜，對(duì)NMOS器件，選擇的離子注入元素分別有Tb，或Er，或％，或Sr等元素，然后通過高溫?zé)嵬嘶饘诫s金屬離子驅(qū)進(jìn)到金屬柵電極與高K柵介質(zhì)的界面上形成堆積或者通過界面反應(yīng)在高K柵介質(zhì)與Si02的界面上形成偶極子，導(dǎo)致柵功函數(shù)的改變。改變量與金屬柵材料及摻雜離子的種類、濃度的剖面分布及其與界面的反應(yīng)情況有關(guān)。優(yōu)化離子注入的能量、劑量和熱處理?xiàng)l件，可以獲得合適的柵功函數(shù)，以期獲得合適的閾值電壓。這個(gè)方法具有普適性，工藝簡(jiǎn)單方便，調(diào)節(jié)金屬柵功函數(shù)的能力強(qiáng)，與CMOS工藝兼容性很好。本發(fā)明的主要步驟如下步驟1)清洗在器件隔離形成后，進(jìn)行界面氧化層形成前的清洗，先采用常規(guī)方法清洗，然后用氫氟酸/異丙醇/水混合溶液在室溫下浸泡，去離子水沖洗，甩干后立即進(jìn)爐；氫氟酸/異丙醇/水的重量比為0.2-1. 5% 0.01-0. 10% 1%;浸泡時(shí)間為0.5分-8分鐘。步驟2)界面層SiOx或SiON的形成于600-900°C下，20-120秒快速熱退火；步驟3)高介電常數(shù)(K)柵介質(zhì)薄膜的形成采用PVD方法，利用磁控反應(yīng)濺射工藝交替濺射Hf-La靶和Hf靶淀積形成HfLaON或交替濺射Hf靶和Si靶淀積形成HfSiON 柵介質(zhì)；改變?yōu)R射功率或交替濺射的時(shí)間，以獲得不同比例和厚度的高K介質(zhì)膜。步驟4)淀積高K介質(zhì)后快速熱退火于600_1050°C下，4-120秒熱退火；步驟5)金屬柵電極形成采用PVD方法，利用磁控反應(yīng)濺射淀積金屬氮化物柵，如 TiN, TaN, MoN 等；步驟6) N型金屬離子(如Tb，或Er，或％，或Sr等)注入對(duì)金屬氮化物柵進(jìn)行摻雜；步驟7)采用Cl基反應(yīng)離子刻蝕形成金屬柵電極；步驟8)高溫快速熱退火于500_1050°C下，2-30秒熱退火；步驟9)背面歐姆接觸形成采用PVD方法，利用直流濺射工藝在背面沉積Al-Si 膜，膜厚度80-120nm;步驟10)合金380-450°C溫度下，在合金爐內(nèi)N2中或(N2+10% H2)中合金退火 30-60 分。以下結(jié)合實(shí)施例作進(jìn)一步的說明。步驟1.清洗在器件隔離形成后，進(jìn)行界面氧化層形成前的清洗，先采用常規(guī)方法清洗，然后用氫氟酸異丙醇水(重量比)=0. 3-0. 8% 0. 01-0. 08% 混合溶液在室溫下浸泡2-10分，去離子水沖洗，N2中甩干后立即進(jìn)爐；步驟2.界面層SiOx形成在600-800°C溫度下，在隊(duì)中快速熱退火(RTA) 20-120 秒；生成5-7A的氧化層；步驟3.高介電常數(shù)⑷柵介質(zhì)薄膜的形成采用PVD方法，利用磁控反應(yīng)濺射工藝在N2/Ar氣氛中交替濺射Hf-La靶和Hf靶淀積形成Hf LaON，濺射工作壓強(qiáng)為 5 X IO-3Torr,濺射功率為100-500W，淀積形成的HfLaON高k柵介質(zhì)薄膜厚10-40埃；步驟4.超聲清洗；采用丙酮、無水乙醇先后各超聲清洗5-10分鐘，去離子水沖洗， N2中甩干；步驟5.淀積高K介質(zhì)后快速熱退火片子甩干后立即進(jìn)爐，溫度600-1000°C，時(shí)間 10-120 秒。步驟6.金屬氮化物柵薄膜淀積采用磁控反應(yīng)濺射工藝在隊(duì)/Ar氣氛中濺射Ti靶形成TiN金屬柵薄膜，工作壓強(qiáng)5 X 10_3 ，N2流量2-8SCCm，濺射功率為600-1000w，TiN膜厚度5-100納米。步驟7.離子注入 Tb 能量 10Kev_120Kev，劑量 2X 10W_6X 1015/cm2步驟8.刻蝕TiTbN電極金屬柵采用Cl基反應(yīng)離子體刻蝕，射頻功率100-400W， 形成TiTbN金屬柵電極圖形；步驟9.快速熱退火對(duì)先柵工藝，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在700至1050°C溫度下快速熱退火2至30秒；步驟10.背面歐姆接觸形成采用PVD方法，在Ar氣氛中利用直流濺射工藝背面沉積Al-Si膜60-100納米；步驟11.合金380-450°C下，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下合金30_60分鐘。表1給出了平帶電壓隨Tb注入劑量的變化。在Tb注入劑量為5. 5E14cm 2下，與不摻雜Tb比較，平帶電壓向負(fù)方向大幅度移動(dòng)了 0. 38V，很有效，極好地滿足了 NMOS器件的需要。表 權(quán)利要求
1.一種適用于NMOS器件的金屬柵功函數(shù)的調(diào)節(jié)方法，其主要步驟如下步驟1)器件隔離形成后界面氧化層SiOx或SiON的形成于600-900°C下，20-120秒快速熱氧化形成；步驟2、高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜的形成采用PVD方法，利用磁控反應(yīng)濺射工藝交替濺射Hf-La靶和Hf靶淀積形成HfLaON或交替濺射Hf靶和Si靶淀積形成HfSiON柵介質(zhì)；步驟幻淀積高介電常數(shù)介質(zhì)薄膜后快速熱退火于600-1050°C下，10-120秒熱退火；步驟4)金屬柵電極形成采用PVD方法，利用磁控反應(yīng)濺射淀積金屬氮化物柵；步驟ON型金屬離子注入對(duì)金屬氮化物柵進(jìn)行摻雜；步驟6)刻蝕形成金屬柵電極；步驟7)熱退火溫度350-1050°C ；步驟8)背面歐姆接觸形成采用PVD方法，利用直流濺射工藝在背面沉積Al-Si膜；步驟9)合金380-450°C溫度下，在合金爐內(nèi)隊(duì)中合金退火30-60分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)方法，其中，步驟1中在器件隔離形成后，界面氧化層形成前，先采用常規(guī)方法清洗，然后用氫氟酸/異丙醇/水混合溶液中于室溫下浸泡，去離子水沖洗，甩干后立即進(jìn)行界面氧化層的形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的調(diào)節(jié)方法，其中，步驟1中氫氟酸/異丙醇/水混合溶液濃度比為0. 2-1. 5% 0. 01-0. 10% 1%，浸泡時(shí)間為2-10分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)方法，其中，步驟2中界面氧化層SiON采用先注入氮再快速熱氧化形成或先氧化再等離子氮化形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)方法，其中，步驟2中高介電常數(shù)柵介質(zhì)膜的濺射是在 N2/Ar氣氛中進(jìn)行，通過改變交替濺射Hf-La靶和Hf靶或Hf靶和Si靶的功率和時(shí)間來調(diào)控各元素的比例和膜厚。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)方法，其中，步驟4中淀積金屬氮化物柵采用在隊(duì)/Ar氣氛中反應(yīng)濺射Ti靶或Ta靶或Mo靶相應(yīng)分別形成TiN或TaN或MoN。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)方法，其中，步驟5中金屬離子注入對(duì)NMOS器件，選擇的離子注入元素分別有Tb或Er或％或Sr。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)方法，其中，步驟6中TiN或TaN金屬柵電極采用Cl基反應(yīng)離子刻蝕形成，或采用化學(xué)濕法腐蝕形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)方法，其中，步驟7中的熱退火分兩類，一類是適用先柵工藝的，采用快速熱退火或尖峰退火或激光退火，溫度950-1200°C，時(shí)間5毫秒-30秒 ’另一類是適用后柵工藝的，采用爐子退火，溫度350-550°C，時(shí)間20-60分。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)方法，其中，步驟8背面濺射沉積的Al-Si膜厚度為 80-120 納米。
全文摘要
一種適用于NMOS器件的金屬柵功函數(shù)的調(diào)節(jié)方法，利用物理汽相淀積方法在高K介質(zhì)上面淀積一層金屬氮化物膜或金屬膜，作為金屬柵電極，然后采用離子注入方法往金屬柵電極中注入Tb或Er或Yb或Sr等元素，通過高溫?zé)嵬嘶饘诫s金屬離子驅(qū)進(jìn)到金屬柵電極與高K柵介質(zhì)的界面上形成堆積或者通過界面反應(yīng)在高K柵介質(zhì)與SiO2的界面上形成偶極子，達(dá)到調(diào)節(jié)金屬柵有效功函數(shù)的目的。此方法具有普適性，工藝簡(jiǎn)單方便，調(diào)節(jié)金屬柵功函數(shù)的能力強(qiáng)，與CMOS工藝兼容性很好。
文檔編號(hào)H01L21/28GK102254805SQ201010183450
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2010年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月19日
發(fā)明者徐秋霞, 許高博 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院微電子研究所