專(zhuān)利名稱(chēng)：一種柵介質(zhì)/金屬柵集成結(jié)構(gòu)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別指一種高介電常數(shù)(K) HfLaON柵介質(zhì)/TaN金屬 柵集成結(jié)構(gòu)的制備方法，適合于32納米及以下技術(shù)代高性能納米CMOS器件的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
40多年來(lái)，集成電路按摩爾定理規(guī)律持續(xù)發(fā)展，隨著器件特征尺寸不斷縮小，柵氧 化層厚度也隨之減薄，當(dāng)柵長(zhǎng)進(jìn)入亞50納米時(shí)，柵氧化層厚度將減小到1. 2納米以下，如果 仍采用傳統(tǒng)多晶硅柵電極和氧化層?xùn)沤橘|(zhì)，將會(huì)面臨巨大挑戰(zhàn)，如柵直接隧穿電流成指數(shù) 規(guī)律急增、多晶硅柵耗盡效應(yīng)嚴(yán)重、柵電阻急劇增大等。特別是柵介質(zhì)的隧穿漏電流超過(guò)了 器件所能承受的極限，為此，必須采用高介電常數(shù)(K)材料作為新型柵介質(zhì)。同時(shí)為消除多 晶硅耗盡效應(yīng)，將采用金屬柵代替多晶硅柵作為柵電極。雖然最近幾年在高K/金屬柵研究 領(lǐng)域已取得很多成果，但仍有很多問(wèn)題沒(méi)有解決好，如材料的熱穩(wěn)定性問(wèn)題、界面問(wèn)題、費(fèi) 米扎釘問(wèn)題等，要按時(shí)應(yīng)用于生產(chǎn)仍存在不少挑戰(zhàn)。為克服常規(guī)SiON柵介質(zhì)/多晶硅柵結(jié) 構(gòu)已不能滿(mǎn)足器件尺寸進(jìn)一步縮小的要求的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種高介電常數(shù)柵介質(zhì)/ 金屬柵集成結(jié)構(gòu)的制備方法，即HfLaON柵介質(zhì)/TaN金屬柵集成結(jié)構(gòu)的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種HfLaON柵介質(zhì)/TaN金屬柵集成結(jié)構(gòu)的制備方法。
為實(shí)現(xiàn)上述方法，本發(fā)明采用物理汽相沉積(PVD)方法，利用交替反應(yīng)濺射鉿 (Hf)-鑭(La)靶和Hf靶的工藝技術(shù)制備了一種介電常數(shù)達(dá)21的高介電常數(shù)柵介質(zhì)鉿鑭氧 氮(HfLaON)薄膜，并有很高的熱穩(wěn)定性，在100(TC高溫快速熱退火(RTA)后仍能保持非晶 化結(jié)構(gòu)。采用TaN為金屬柵電極的TaN/HfLaON柵結(jié)構(gòu)，其柵隧穿漏電流密度比具有同樣等 效氧化層厚度(EOT)的poly-Si/Si02柵結(jié)構(gòu)的小5個(gè)數(shù)量級(jí)。TaN金屬柵/HfLaON結(jié)構(gòu)集 成的柵功函數(shù)為4. 06eV，極好地滿(mǎn)足了高性能納米NMOS器件制造的需求。
本發(fā)明不僅具有上述優(yōu)越性，而且與原子層沉積(ALD)比較，PVD方法比較簡(jiǎn)便、 成本低，與現(xiàn)有的大生產(chǎn)技術(shù)兼容性更好。
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2-10分，去離子水沖洗，甩干后 立即進(jìn)爐； 步驟2)界面層Si0x或Si0N的形成在600-80(TC溫度下，在N2中快速熱退火 (RTA) 20-120秒；其中界面層SiON可采用先注入氮再快速熱退火形成，也可以先快速熱退 火形成SiOx，再氮化形成SiON ; 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 藝在N2/Ar氣氛中交替濺射Hf-La靶和Hf靶淀積形成HfLaON，改變交替時(shí)間，可以獲得不 同的La和Hf比例的薄膜；
步驟4)淀積高K介質(zhì)后快速熱退火溫度500-1000°C ，時(shí)間10-120秒； 步驟5)金屬柵電極形成采用PVD方法，利用磁控反應(yīng)濺射工藝在N2/Ar氣氛中
濺射淀積TaN金屬柵，刻蝕后形成TaN金屬電極； 步驟6)背面歐姆接觸形成采用PVD方法，利用直流濺射工藝背面沉積Al-Si膜 600-1000納米； 步驟7)380-45(TC溫度下，在合金爐內(nèi)N2中合金退火30_60分。


圖1是本發(fā)明HfLaON/界面SiOx結(jié)構(gòu)的高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)照片， 其中(a)為不退火樣品；(b)為IOO(TC快速熱退火樣品。 圖2是在同樣等效氧化層厚度下，本發(fā)明的TaN/HfLaON/SiOx柵結(jié)構(gòu)的柵隧穿漏 電流與常規(guī)poly-Si/Si(^柵結(jié)構(gòu)的比較。
具體實(shí)施例方式
為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖作詳細(xì)說(shuō)明。 本發(fā)明制備高介電常數(shù)HfLaON薄膜/TaN金屬柵集成結(jié)構(gòu)的步驟如下 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=(o. 3-o. 8) % : (o. oi-o. 04) % : i (體積比)混合
溶液在室溫下浸泡2-10分，去離子水沖洗，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N2中快速熱退火(RTA) 20-120 秒，生成6-8丄的氧化層，如圖Ua)所示; 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 5X 10—3Torr，濺射功率為100-500W，淀積形成HfLaON高k柵介質(zhì)薄膜10-60埃。圖1 (a) 給出了 HfLaON/SiOx不退火樣品的高分辨率透射電子顯微鏡剖面照片，其中HfLaON膜為 19. 01埃，界面層SIOx為7. 34埃。 步驟4)淀積高K介質(zhì)后快速熱退火丙酮、無(wú)水乙醇各超聲清洗5分鐘，去離子 水沖洗，甩干后立即進(jìn)爐，溫度500-100(TC，時(shí)間10-120秒。圖1(b)給出了 HfLaON/SiOx 快速熱退火100(TC，20秒后的高分辨率透射電子顯微鏡剖面照片，由于界面反應(yīng)，界面層 SIOx減薄為2. 93埃； 步驟5)金屬柵電極形成采用PVD方法，利用磁控反應(yīng)濺射工藝在N2/Ar氣氛中 濺射鉭(Ta)靶淀積TaN金屬柵，濺射工作壓強(qiáng)為5 X 10—3乇，氮?dú)饬髁繛?_8SCCM，濺射功 率為600-1000W, TaN厚度10-200納米，采用Cl2等離子體刻蝕形成TaN金屬電極；
步驟6)背面歐姆接觸形成采用PVD方法，利用直流濺射工藝背面沉積Al-Si膜 600-1000納米； 步驟7)合金380-450。C溫度下，在合金爐內(nèi)N2中合金退火30-60分。
圖2給出了在同樣等效氧化層厚度(EOT)下，該方法制備的TaN/HfLaON/SiOx柵結(jié) 構(gòu)的柵隧穿漏電流與常規(guī)poly-Si/Si(^柵結(jié)構(gòu)的比較，表明采用TaN為金屬柵電極的TaN/ HfLaON/SiOx柵結(jié)構(gòu)，其柵隧穿漏電流密度比具有同樣等效氧化層厚度(EOT)的poly-Si/Si02柵結(jié)構(gòu)的小5個(gè)數(shù)量級(jí)。C-V測(cè)量和擬合獲得TaN金屬柵/HfLa0N/Si0x結(jié)構(gòu)集成的柵 功函數(shù)為4. 06eV，結(jié)合HRTEM分析計(jì)算得到HfLaON高K柵介質(zhì)薄膜的介電常數(shù)為21。這 些研究結(jié)果表明新方法制備的TaN/HfLaON/SiOx柵集成結(jié)構(gòu)特性?xún)?yōu)良，極好地滿(mǎn)足了高性 能納米NMOS器件制造的需要。
權(quán)利要求
一種HfLaON柵介質(zhì)/TaN金屬柵集成結(jié)構(gòu)的制備方法，其主要步驟如下步驟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，并用氫氟酸/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；步驟2)界面層SiOx或SiON的形成采用快速熱退火；步驟3)柵介質(zhì)薄膜的形成采用物理汽相沉積方法，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；步驟4)淀積柵介質(zhì)后快速熱退火；步驟5)金屬柵電極形成采用物理汽相沉積方法，利用磁控濺射工藝濺射淀積TaN金屬柵，刻蝕后形成TaN金屬電極；步驟6)背面歐姆接觸形成采用物理汽相沉積方法，利用直流濺射工藝在背面沉積Al-Si膜；步驟7)380-450℃下，在合金爐內(nèi)N2中退火30-60分鐘。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的制備方法，其特征在于，步驟l中氫氟酸/異丙醇/水混合溶液的體積比為o.2-1.5% : 0.01-0.10%: 1，浸泡2-io分鐘。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟2中快速熱退火溫度為600-800°C，時(shí)間20-120秒。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟2中界面層SiON的形成是采用先注入氮再快速熱退火形成，或先快速熱退火形成SiOx，再氮化形成SiON。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟3中的柵介質(zhì)膜濺射是在N2/Ar氣氛中進(jìn)行，通過(guò)改變交替濺射Hf-La靶和Hf靶的時(shí)間來(lái)調(diào)控La和Hf的比例和膜厚。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟4中快速熱退火溫度為600-1050。C，時(shí)間為4-120秒。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟5中淀積金屬柵膜是在N2/Ar氣氛中反應(yīng)濺射Ta靶形成，或在Ar氣氛中濺射TaN靶。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟5中TaN金屬柵電極是采用Cl基等離子體刻蝕形成，或用化學(xué)濕法腐蝕形成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟6中背面濺射沉積的A1-Si膜厚度為600-1000納米。
全文摘要
一種HfLaON柵介質(zhì)/TaN金屬柵集成結(jié)構(gòu)的制備方法，步驟為(1)在常規(guī)清洗后，在氫氟酸/異丙醇/水溶液中浸泡，以抑制顆粒和自然氧化物的生長(zhǎng)；(2)緊接著用RTA生長(zhǎng)超薄界面氧化層SiOx或氮氧化層SiON；(3)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HfLaON高介電常數(shù)(K)柵介質(zhì)；(4)淀積HfLaON后，快速熱退火；(5)采用PVD方法，磁控反應(yīng)濺射TaN金屬薄膜；(6)TaN金屬電極和背面歐姆接觸形成后，進(jìn)行合金退火處理。
文檔編號(hào)H01L21/28GK101728257SQ200810224908
公開(kāi)日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2008年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月24日
發(fā)明者徐秋霞, 柴淑敏, 許高博 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所