[發明專利]高介電層金屬柵器件的制造方法

有效

• 申請號: 201210415303.0
• 申請日: 2012-10-26
• 公開（公告）號: CN103779280B
• 公開（公告）日: 2017-07-28
• 發明（設計）人: 謝欣云
• 申請（專利權）人: 中芯國際集成電路制造（上海）有限公司
• 主分類號: H01L21/8238
• 分類號: H01L21/8238;H01L21/28
• 代理公司: 北京德琦知識產權代理有限公司11018
• 代理人: 牛崢,王麗琴

技術領域

本發明涉及半導體器件制造領域，尤其涉及一種高介電層金屬柵(HKMG)器件的制造方法。

背景技術

隨著半導體集成電路的發展，現有的半導體器件，如互補金屬氧化物半導體(CMOS)器件中普遍使用的多晶硅柵極逐漸顯露出以下問題：因柵極損耗引起柵極絕緣層有效厚度增加，摻雜物容易通過多晶硅柵極滲透到襯底引起閥值電壓變化，難以實現細小寬度上低電阻值等。為解決上述問題，半導體技術發展了以金屬柵極替代現有多晶硅柵極的半導體器件，并使用高介電常數(high k)材料作為柵絕緣層的半導體器件，稱之為高介電層金屬柵(HKMG，high-k metal-gate)器件。

高介電層金屬柵器件在高介電層與硅的界面具有大量的界面態，這是由于在半導體制程中會形成不穩定的氫鍵，導致NMOS晶體管和PMOS晶體管工作過程中產生大量界面態，從而改變MOS晶體管性能，具體表現為NMOS晶體管HCI(Hot Carrier Injection，熱載流子注入)效應和PMOS晶體管的NBTI(Negative Bias Temperature Instability，負偏壓不穩定性)效應。

為了解決由不穩定氫鍵導致的大量界面態，現有技術通常通過注入氟離子，使氟離子進入高介電層取代高介電層中的部分氧離子，與不穩定的氫鍵結合，從而形成氟硅基團，由于氟硅健比硅氫鍵更為牢固，因此，提高了高介電層和半導體襯底間的界面品質，對于NMOS晶體管而言，阻止形成了電荷陷阱，防止在加電壓下輕摻雜源/漏區聚集電荷，從而大大改善了NMOS晶體管的HCI效應，對于PMOS晶體管而言，可防止在高溫下生成硅懸掛鍵，從而減輕由于NBTI效應對PMOS晶體管的影響。

發明內容

鑒于現有技術的問題，本發明提供了一種高介電層金屬柵器件的制造方法，以解決現有工藝實現難度高的問題。

本發明采用的技術方案如下：一種高介電層金屬柵器件的制造方法，包括：

在襯底上形成包括介電層、偽多晶硅和側壁氧化層的柵極結構；

在襯底上沉積形成夾層絕緣層，并進行化學機械研磨以露出所述偽多晶硅；

刻蝕去除偽多晶硅和介電層，以形成底部暴露與偽多晶硅對應的襯底的凹槽；

執行氟離子注入以對暴露的襯底進行摻雜；

在所述凹槽底部形成襯墊氧化層并執行第一次退火；

在所述襯墊氧化層上沉積形成高介電層并執行第二次退火；

在所述高介電層上形成金屬柵極。

進一步，在襯底上形成包括介電層、偽多晶硅和側壁氧化層的柵極結構包括：

在襯底上形成NMOS有源區及PMOS有源區，并在NMOS有源區和PMOS有源區之間形成淺溝槽隔離；在NMOS有源區及PMOS有源區上分別形成NMOS介電層及PMOS介電層，及NMOS偽多晶硅和PMOS偽多晶硅，并在NMOS介電層、NMOS偽多晶硅的兩側及PMOS介電層、PMOS偽多晶硅的兩側形成側壁氧化層；

在所述凹槽底部形成襯墊氧化層包括通過熱氧化或化學氧化在所述凹槽底部形成襯墊氧化層；

在高介電層上形成金屬柵極包括：在高介電層上形成金屬功函數層；在所述金屬功函數層上沉積金屬層；執行化學機械研磨以暴露夾層絕緣層。

進一步，執行氟離子注入以對暴露的襯底進行摻雜后，氟離子雜質的濃度低于3e¹⁵atom/cm³。

進一步，所述第一次退火為溫度范圍900攝氏度至1200攝氏度的毫秒級退火；所述第二次退火為溫度范圍600攝氏度至800攝氏度的快速退火。

進一步，所述金屬層的材料為鈷。

采用在本發明所提供的高介電層金屬柵器件的制造方法，在去除偽多晶硅及介電層后執行氟離子注入，并在形成襯墊氧化物后進行第一次退火，在形成高介電層后執行第二次退火，使氟離子由襯底的溝道區擴散至襯墊氧化層和高介電層，與不穩定的氫鍵結合形成氟硅基團，降低了氟離子由偽多晶硅擴散入高介電層過程中工藝的不可控性和工藝難度。

附圖說明

圖1為本發明一種高介電層金屬柵器件的制造方法流程圖；

圖2a～圖2e為本發明典型實施例的制造方法流程結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。

如圖1所示，本發明提供了一種高介電層金屬柵器件的制造方法，包括：