一種防止高k材料氧擴(kuò)散的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種可防止高K材料氧擴(kuò)散的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]S12介質(zhì)長期作為柵極氧化層應(yīng)用于CMOS技術(shù)領(lǐng)域，并為維持器件的縮小而逐漸減薄。然而，進(jìn)入45nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，太薄的Si02介質(zhì)已達(dá)到物理極限，即便采用S1N代替Si02將傳統(tǒng)技術(shù)沿用至45-32nm技術(shù)代，仍無法避免漏電流增大的問題。
[0003]目前，在32nm及以下技術(shù)代，業(yè)界普遍采用高K(High-k，高介電常數(shù))材料代替S12,其不但擁有高的介電常數(shù)，同時(shí)還具備類似S12的優(yōu)越性能。但高k介質(zhì)材料與作為柵電極材料的多晶硅并不兼容，兩者界面缺陷引起的費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致閾值電壓升高，且高k材料本身的表面聲子散射效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致載流子迀移率的降低。此外，多晶硅耗盡層效應(yīng)也會(huì)降低器件的性能。
[0004]采用金屬代替多晶硅作為柵電極材料，可以解決上述問題，進(jìn)一步提高器件的性能。然而，高K材料由于其熱穩(wěn)定差，在高溫沉積過程中會(huì)與溝道以及柵電極發(fā)生反應(yīng)，生成S12和硅酸鹽，導(dǎo)致其與溝道和柵極之間容易發(fā)生界面反應(yīng)。如Hf O2和Si之間會(huì)發(fā)生如下反應(yīng):
[0005]2Si+Hf02——HfSi+Si02
[0006]上述反應(yīng)形成的S12等中間層介電常數(shù)低，會(huì)導(dǎo)致柵介質(zhì)層的有效介電性能降低，增大EOT。而且，此中間層具有高的氧化物缺陷密度，會(huì)降低溝道表面載流子濃度和迀移率。另外，高K材料的結(jié)晶溫度普遍較低，熱處理會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部非晶變?yōu)槎嗑?，而多晶的晶界之間存在缺陷，這些有缺陷的晶界會(huì)變成漏電流的通道，導(dǎo)致漏電流增大。
[0007]為了減緩上述問題，業(yè)界在襯底硅和高K材料之間增加了一層超薄界面層(IL)，這種界面層通常由一薄層S12或S1N形成緩沖層，層厚約為4-10A。通常這層緩沖層采用化學(xué)氧化層的方式生長，但是，由化學(xué)方式生長的界面層呈多孔結(jié)構(gòu)，其表面O『會(huì)使高K材料生成Hf的亞氧化物HfO2H2X,并會(huì)在介質(zhì)層中產(chǎn)生氧空位，導(dǎo)致電子由Hf向功函數(shù)金屬轉(zhuǎn)移形成界面，造成有效功函數(shù)的降低，并因此降低電路的電學(xué)特性和可靠性。
[0008]因此，鑒于以上原因，急需開發(fā)一種防止高K材料氧擴(kuò)散的方法，以解決上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種防止高K材料氧擴(kuò)散的方法。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0011 ]—種防止高K材料氧擴(kuò)散的方法，包括:
[0012]步驟一:提供一硅襯底，在所述硅襯底上淀積一層超薄界面層(IL);
[00?3]步驟二:在所述超薄界面層上淀積一層金屬Ru ；[ΟΟ? 4]步驟三:在所述金屬Ru上繼續(xù)淀積高K材料；
[0015]步驟四:退火，使所述高K材料中的氧和金屬Ru結(jié)合，形成穩(wěn)定的Ru〇2。
[0016]優(yōu)選地，步驟一中，采用化學(xué)氧化方法淀積所述超薄界面層。
[0017]優(yōu)選地，步驟一中，所述超薄界面層的厚度為5?20A。
[0018]優(yōu)選地，所述超薄界面層材料為S12或S1N。
[0019]優(yōu)選地，步驟二中，采用原子層淀積(ALD)方法淀積所述金屬Ru。
[0020]優(yōu)選地，所述金屬Ru的厚度為50?200A。
[0021 ]優(yōu)選地，步驟三中，采用原子層淀積方法淀積所述高K材料。
[0022]優(yōu)選地，步驟四中，所述退火的溫度為500?800度。
[0023]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明通過在超薄界面層和高K材料界面處增加淀積一層金屬Ru作為緩沖層，并在高K材料淀積完好后進(jìn)行退火，使高K材料中的氧和金屬Ru結(jié)合，形成穩(wěn)定的RuO2，從而可防止氧和襯底中的硅反應(yīng)形成氧擴(kuò)散；同時(shí)，還可阻止超薄界面層中的O『和高K材料生成Hf的亞氧化物HfO2H2X,避免電子由Hf向功函數(shù)金屬轉(zhuǎn)移形成界面，造成有效功函數(shù)的降低，從而提高了電路的電學(xué)特性和可靠性。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明的一種防止高K材料氧擴(kuò)散的方法流程圖；
[0025]圖2?圖4是本發(fā)明一較佳實(shí)施例中根據(jù)圖1的方法形成的工藝結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0027]需要說明的是，在下述的【具體實(shí)施方式】中，在詳述本發(fā)明的實(shí)施方式時(shí)，為了清楚地表示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)以便于說明，特對(duì)附圖中的結(jié)構(gòu)不依照一般比例繪圖，并進(jìn)行了局部放大、變形及簡化處理，因此，應(yīng)避免以此作為對(duì)本發(fā)明的限定來加以理解。
[0028]在以下本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】中，請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明的一種防止高K材料氧擴(kuò)散的方法流程圖；同時(shí)，請(qǐng)對(duì)照參閱圖2?圖4，圖2?圖4是本發(fā)明一較佳實(shí)施例中根據(jù)圖1的方法形成的工藝結(jié)構(gòu)示意圖，圖2?圖4中形成的工藝結(jié)構(gòu)，可與圖1中的各制作步驟相對(duì)應(yīng)，以便于對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)行理解。
[0029]如圖1所示，本發(fā)明提供了一種防止高K材料氧擴(kuò)散的方法，包括以下步驟:
[0030]如框SOl所示，步驟一:提供一硅襯底，在所述硅襯底上淀積一層超薄界面層。
[0031]請(qǐng)參考圖2。首先，在襯底100上淀積一層超薄界面層(IL)lOl。作為一可選的實(shí)施方式，可采用化學(xué)氧化方法淀積所述超薄界面層。并且，所述超薄界面層的厚度優(yōu)選為5?20A。所述超薄界面層的淀積材料可為Si02或S1N。
[0032]如框S02所示，步驟二:在所述超薄界面層上淀積一層金屬Ru。
[0033]請(qǐng)參考圖3。接下來，在所述超薄界面層101上繼續(xù)淀積一層金屬Rul02。作為一可選的實(shí)施方式，可采用原子層淀積(ALD)方法淀積所述金屬Ru。并且，所述金屬Ru的厚度優(yōu)選為50?200A。
[0034]如框S03所示，步驟三:在所述金屬Ru上繼續(xù)淀積高K材料。
[0035]請(qǐng)參考圖4。接下來，在所述金屬Rul02上繼續(xù)淀積一層高K材料103。作為一可選的實(shí)施方式，可采用原子層淀積方法淀積所述高K材料，其厚度可根據(jù)工藝需要確定。
[0036]如框S04所示，步驟四:退火，使所述高K材料中的氧和金屬Ru結(jié)合，形成穩(wěn)定的Ru02o
[0037]最后，對(duì)上述形成的工藝結(jié)構(gòu)層進(jìn)行整體退火處理，使所述高K材料中的氧和金屬Ru結(jié)合，形成穩(wěn)定的R11O2，從而防止了高K材料中的氧發(fā)生擴(kuò)散和襯底中的娃反應(yīng)。作為一可選的實(shí)施方式，退火時(shí)的溫度可為500?800度。
[0038]綜上所述，相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明通過在超薄界面層和高K材料界面處增加淀積一層金屬Ru作為緩沖層，并在高K材料淀積完好后進(jìn)行退火，使高K材料中的氧和金屬Ru結(jié)合，形成穩(wěn)定的RuO2，從而可防止氧和襯底中的硅反應(yīng)形成氧擴(kuò)散；同時(shí)，還可阻止超薄界面層中的O『和高K材料生成Hf的亞氧化物HfO2H2X,避免電子由Hf向功函數(shù)金屬轉(zhuǎn)移形成界面，造成有效功函數(shù)的降低，從而提高了電路的電學(xué)特性和可靠性。
[0039]以上所述的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述實(shí)施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，因此凡是運(yùn)用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種防止高K材料氧擴(kuò)散的方法，其特征在于，包括: 步驟一:提供一硅襯底，在所述硅襯底上淀積一層超薄界面層； 步驟二:在所述超薄界面層上淀積一層金屬Ru; 步驟三:在所述金屬Ru上繼續(xù)淀積高K材料； 步驟四:退火，使所述高K材料中的氧和金屬Ru結(jié)合，形成穩(wěn)定的Ru〇2。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的防止高K材料氧擴(kuò)散的方法，其特征在于，步驟一中，采用化學(xué)氧化方法淀積所述超薄界面層。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的防止高K材料氧擴(kuò)散的方法，其特征在于，步驟一中，所述超薄界面層的厚度為5?20A。4.根據(jù)權(quán)利要求1?3任意一項(xiàng)所述的防止高K材料氧擴(kuò)散的方法，其特征在于，所述超薄界面層材料為S12或S1N。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的防止高K材料氧擴(kuò)散的方法，其特征在于，步驟二中，采用原子層淀積方法淀積所述金屬Ru。6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的防止高K材料氧擴(kuò)散的方法，其特征在于，所述金屬Ru的厚度為50?200A。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的防止高K材料氧擴(kuò)散的方法，其特征在于，步驟三中，采用原子層淀積方法淀積所述高K材料。8.根根據(jù)權(quán)利要求1所述的防止高K材料氧擴(kuò)散的方法，其特征在于，步驟四中，所述退火的溫度為500?800度。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種防止高K材料氧擴(kuò)散的方法，通過在超薄界面層和高K材料界面處增加淀積一層金屬Ru作為緩沖層，并在高K材料淀積完好后進(jìn)行退火，使高K材料中的氧和金屬Ru結(jié)合，形成穩(wěn)定的RuO2，從而可防止氧和襯底中的硅反應(yīng)形成氧擴(kuò)散；同時(shí)，還可阻止超薄界面層中的OH—和高K材料生成Hf的亞氧化物HfO2H2x,避免電子由Hf向功函數(shù)金屬轉(zhuǎn)移形成界面，造成有效功函數(shù)的降低，從而提高了電路的電學(xué)特性和可靠性。
【IPC分類】H01L21/02, H01L27/146
【公開號(hào)】CN105575988
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201511002977
【發(fā)明人】曾紹海, 李銘
【申請(qǐng)人】上海集成電路研發(fā)中心有限公司
【公開日】2016年5月11日
【申請(qǐng)日】2015年12月28日