[發明專利]一種適用于NMOS器件的金屬柵功函數的調節方法

有效

• 申請號: 201010183450.0
• 申請日: 2010-05-19
• 公開（公告）號: CN102254805A
• 公開（公告）日: 2011-11-23
• 發明（設計）人: 徐秋霞;許高博
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所
• 主分類號: H01L21/28
• 分類號: H01L21/28
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周長興

技術領域

本發明屬于半導體技術領域，特別指一種適用于NMOS器件的金屬柵功函數的調節方法，適合于45納米及以下技術代高性能納米尺度互補型金屬氧化物半導體(CMOS)器件的制備應用。

背景技術

隨著CMOS器件的特征尺寸進入到45nm技術節點及以下時，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，提高器件可靠性，緩解費米能級釘扎效應，采用高K(介電常數)/金屬柵材料代替傳統的SiO₂/poly-Si(多晶硅)結構已成為業界的共識。但是金屬柵集成到高K柵介質上仍有許多問題急待解決，如熱穩定性問題，界面態問題，特別是費米釘扎效應使納米CMOS器件需要的適當低的閾值電壓的獲得面臨很大挑戰。

發明內容

本發明的目的在于提出一種適用于NMOS器件的金屬柵功函數的調節方法，以獲得合適的柵功函數，以期獲得合適的閾值電壓。

為實現上述目的，本發明提供的適用于NMOS器件的金屬柵功函數的調節方法，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℃下，20-120秒快速熱氧化形成；

步驟2)高介電常數柵介質薄膜的形成：采用PVD方法，利用磁控反應濺射工藝交替濺射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；

步驟3)淀積高介電常數介質薄膜后快速熱退火：于600-1050℃下，10-120秒熱退火；

步驟4)金屬柵電極形成：采用PVD方法，利用磁控反應濺射淀積金屬氮化物柵；

步驟5)N型金屬離子注入對金屬氮化物柵進行摻雜；

步驟6)刻蝕形成金屬柵電極；

步驟7)熱退火：溫度350-1050℃；

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℃溫度下，在合金爐內N₂中合金退火30-60分。

所述的調節方法，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，甩干后立即進行界面氧化層的形成。

所述的調節方法，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％，浸泡時間為2-10分鐘。

所述的調節方法，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。

所述的調節方法，其中，步驟2中高介電常數柵介質膜的濺射是在N₂/Ar氣氛中進行，通過改變交替濺射Hf-La靶和Hf靶或Hf靶和Si靶的功率和時間來調控各元素的比例和膜厚。

所述的調節方法，其中，步驟4中淀積金屬氮化物柵采用在N₂/Ar氣氛中反應濺射Ti靶或Ta靶或Mo靶相應分別形成TiN或TaN或MoN。

所述的調節方法，其中，步驟5中金屬離子注入對NMOS器件，選擇的離子注入元素分別有：Tb或Er或Yb或Sr。

所述的調節方法，其中，步驟6中TiN或TaN金屬柵電極采用Cl基反應離子刻蝕形成，或采用化學濕法腐蝕形成。

所述的調節方法，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℃，時間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℃，時間20-60分。

所述的調節方法，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，經快速熱退火后，離子在金屬柵與高K柵介質的界面上堆積或在高K柵介質與SiO₂的界面上通過界面反應生成偶極子，達到調節金屬柵功函數的目的，進而實現適當低的閾值電壓的控制。此方法簡單易行，具有好的熱穩定性和調節金屬柵功函數的能力，而且與CMOS工藝完全兼容，便于集成電路產業化。

附圖說明

圖1為不同Tb注入劑量下，金屬柵TiTbN中Tb含量不同的NMOS電容TiTbN/HfLaON/ILSiO₂/N(100)Si柵結構高頻C-V特性的比較。從圖可以看出隨Tb注入劑量增加，C-V特性曲線向負方向大幅度移動，表明平帶電壓向負方向大幅度移動，即NMOS器件的功函數大幅度減小。