專利名稱：一種鉬鋁氮金屬柵的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米特征尺寸半導(dǎo)體器件制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于納米尺度 P型金屬氧化物半導(dǎo)體器件的鉬鋁氮金屬柵的制備方法，采用該方法制備的鉬鋁氮金屬柵 具有較高的功函數(shù)( 5. 14eV)，適于做P型金屬氧化物半導(dǎo)體器件的金屬柵。
背景技術(shù)：
40多年來，集成電路技術(shù)按摩爾定律持續(xù)發(fā)展，特征尺寸不斷縮小，集成度不斷提 高，功能越來越強(qiáng)。目前，金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管(MOSFET)的特征尺寸已進(jìn)入亞50納 米。伴隨器件特征尺寸的不斷減小，如果仍采用傳統(tǒng)的多晶硅柵，則多晶硅耗盡效應(yīng)越來越 嚴(yán)重，多晶硅電阻也會隨之增大。為了克服以上困難，同時也為了與高介電常數(shù)柵介質(zhì)材料 相集成，工業(yè)界開始采用金屬柵技術(shù)。采用金屬柵材料可以徹底解決多晶硅耗盡效應(yīng)，同時其自身的低電阻率可大大減 小柵電阻。2007年，英特爾公司在45nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)開始引入高介電常數(shù)柵介質(zhì)和金屬柵技 術(shù)，并應(yīng)用于其新型處理器的制作。AMD和IBM等大型半導(dǎo)體公司也開始將研發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到 高介電常數(shù)柵介質(zhì)和金屬柵技術(shù)。為了獲得合適的閾值電壓，通常要求PMOS金屬柵材料的功函數(shù)在5. 2eV附近。研 究發(fā)現(xiàn)，一些三元金屬氮化物，如鉭鋁氮和鈦鋁氮等，具有較高的功函數(shù)，適于做PMOS的金 屬柵。在本發(fā)明中，我們提出了一種采用磁控反應(yīng)濺射淀積技術(shù)制備MoAlN金屬柵的方法， 并研究了其相關(guān)的電學(xué)特性。采用MoAlN金屬柵，可以獲得合適的PMOS金屬柵功函數(shù)，同時，由于金屬柵的采 用，解決了隨著小尺寸器件特征尺寸的減小而帶來的多晶硅耗盡效應(yīng)和柵電阻嚴(yán)重增大的 問題。磁控反應(yīng)濺射淀積技術(shù)是半導(dǎo)體工業(yè)中常用的薄膜淀積技術(shù)，具有成本低、操作簡單 和產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)，利用磁控反應(yīng)濺射淀積技術(shù)制備金屬柵有利于促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的主要目的在于提供一種MoAlN金屬柵的制備方法，以解決PMOS金屬柵功 函數(shù)的調(diào)整問題，同時由于金屬柵的采用，可以解決隨著小尺寸器件特征尺寸的減小而帶 來的多晶硅柵耗盡效應(yīng)、柵電阻嚴(yán)重增大、硼穿透和與高k介質(zhì)不兼容的問題。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種鉬鋁氮金屬柵的制備方法，該方法包括清洗硅片；對清洗后的硅片進(jìn)行淀積前氧化；在氧化后的硅片上淀積高介電常數(shù)柵介質(zhì)；在高介電常數(shù)柵介質(zhì)上淀積氮化鋁/鉬疊層金屬柵；對淀積了氮化鋁/鉬疊層金屬柵的硅片進(jìn)行超聲清洗；
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對清洗后的硅片進(jìn)行金屬柵淀積后退火，形成鉬鋁氮金屬柵。上述方法中，所述清洗硅片的步驟包括先用常規(guī)方法清洗，再用氫氟酸/異丙醇 /水在室溫下浸泡1 10分鐘，然后去離子水沖洗，甩干。上述方法中，所述常規(guī)方法為在3#液中清洗10分鐘，然后在1#液中清洗5分 鐘；所述3#液是體積比為(2 8) 1的H2S04+H202溶液，所述1#液是體積比為(0. 3 1) 1 5 的 ΝΗ40Η+Η202+Η20 溶液。上述方法中，所述對清洗后的硅片進(jìn)行淀積前氧化的步驟包括在含有微量氧氣 的氮?dú)庵?，?00 800°C溫度下快速熱氧化10 120秒，生成5 8 A的氧化層。上述方法中，所述在氧化后的硅片上淀積高介電常數(shù)柵介質(zhì)的步驟包括采用磁 控反應(yīng)濺射工藝，在Ar/N2的混合氣氛中濺射靶材，淀積形成高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜；然后， 將硅片經(jīng)超聲清洗后進(jìn)行淀積后退火，形成致密的高介電常數(shù)柵介質(zhì)。上述方法中，所述淀積氮化鋁/鉬疊層金屬柵的步驟包括采用磁控反應(yīng)濺射工 藝，濺射功率為200 1000W，工作壓強(qiáng)為(2 8) X 10_3Torr，在Ar/N2的混合氣氛中濺射 鋁靶，在Ar氣氛中濺射鉬靶，淀積形成氮化鋁/鉬疊層金屬柵。上述方法中，所述對淀積了氮化鋁/鉬疊層金屬柵的硅片進(jìn)行超聲清洗的步驟包 括采用丙酮超聲清洗5 10分鐘，無水乙醇超聲清洗5 10分鐘，去離子水沖洗，甩干。上述方法中，所述金屬柵淀積后退火工藝的步驟包括在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在700 1000°c溫度下快速熱退火3 40秒。上述方法中，該方法在形成鉬鋁氮金屬柵后進(jìn)一步包括背面濺鋁與合金。上述方法中，所述背面濺鋁是在Ar氣中采用直流濺射工藝背面濺射Al電極，Al電 極厚度為5000 10000人；所述合金是在氮?dú)獗Ｗo(hù)下350 500°C溫度下合金退火30 60 分鐘。(三)有益效果本發(fā)明提供的這種MoAlN金屬柵的制備方法的優(yōu)點(diǎn)是1)、ΜοΑ1Ν金屬柵中Al的引入有利于PMOS金屬柵有效功函數(shù)的調(diào)節(jié)，有助于獲得 較高的金屬柵有效功函數(shù)；2)、界面處SiOx使界面良好，有利于提高器件的遷移率；3)、濺射工藝簡單，易于獲得極薄且厚度均勻的薄膜，成本低廉。4)、利用本發(fā)明制備的MoAlN金屬柵具有非常高的有效功函數(shù)( 5. 14eV)，滿足 PMOS器件對金屬柵功函數(shù)的要求；同時，由于金屬柵的采用，可以解決隨著小尺寸器件特 征尺寸的減小而帶來的多晶硅柵耗盡效應(yīng)、柵電阻嚴(yán)重增大、硼穿透和與高k介質(zhì)不兼容 的問題。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明圖1是本發(fā)明制備MoAlN金屬柵的方法流程圖；圖2是本發(fā)明制備MoAlN金屬柵的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖2(a)是退火前MoAlN金 屬柵結(jié)構(gòu)的示意圖，該結(jié)構(gòu)包括201 =Mo金屬柵薄膜；
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202 =AlN金屬柵薄膜；203 =HfSiAlON 高 k 柵介質(zhì)薄膜；204:SiOx 薄膜;205 =Si 襯底。圖2(b)是退火后MoAlN金屬柵結(jié)構(gòu)的示意圖，該結(jié)構(gòu)包括206 =MoAlN 金屬柵電極； 207 =HfSiAlON 高 k 柵介質(zhì)薄膜；208:SiOx 薄膜；209 Si 襯底。圖3是利用本發(fā)明制備MoAlN/HfSiAlON柵結(jié)構(gòu)電容的“電容-電壓(C-V)，，測試 曲線，通過計算獲得MoAlN金屬柵在Hf SiAlON上的功函數(shù)是5. 14eV,滿足PMOS器件對金屬 柵功函數(shù)的要求。圖4是利用本發(fā)明制備的MoAlN/HfSiAlON柵結(jié)構(gòu)電容的漏電特性(Ig-Vg)曲線， 漏電流密度是 9. 37X l(T5A/cm2(@Vg = V^+IV, EOT = 1. 8nm)。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明采用磁控反應(yīng)濺射工藝制備了 MoAlN金屬柵，制備方法具體為在硅片經(jīng) 過常規(guī)清洗后，為抑制自然氧化物生成，采用氫氟酸/異丙醇/水溶液室溫下浸泡，去離子 水沖洗，甩干后立即進(jìn)爐，用快速熱氧化生長界面SiOx層，在氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚夥罩欣?磁控反應(yīng)濺射技術(shù)交替濺射鉿(Hf)靶、硅(Si)靶和鋁(Al)靶，淀積形成HfSiAlON高介電 常數(shù)(高k)柵介質(zhì)薄膜，淀積后進(jìn)行快速熱退火處理形成HfSiAlON高k柵介質(zhì)，在氬氣和 氮?dú)獾幕旌蠚夥罩欣么趴胤磻?yīng)濺射技術(shù)先后濺射淀積AlN和Mo薄膜，形成AIN/Mo疊層 金屬柵結(jié)構(gòu)，經(jīng)高溫退火后形成MoAlN金屬柵電極，背面濺鋁與合金，以便電學(xué)測量。具體工藝步驟如下步驟1 清洗硅片；在本步驟中，先用常規(guī)方法清洗，再用氫氟酸/異丙醇/水在室溫下浸泡1 10分 鐘，然后去離子水沖洗，甩干兩遍，立即進(jìn)爐；所述常規(guī)方法為在3#液中清洗10分鐘，然后 在1#液中清洗5分鐘；所述3#液是體積比為(2 8) 1&H2S04+H202溶液，一般采用體積 比為5 1 &H2S04+H202溶液，所述1#液是體積比為(0. 3 1) 1 5的ΝΗ40Η+Η202+Η20 溶液，一般采用體積比為0.8 1 5的ΝΗ40Η+Η202+Η20溶液。步驟2 對清洗后的硅片進(jìn)行淀積前氧化；在本步驟中，在含有微量氧氣的氮?dú)庵?00 800°C溫度下快速熱氧化10 120 秒，生成5 8入的氧化層。步驟3 在氧化后的硅片上淀積HfSiAlON高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜；在本步驟中，采用磁控反應(yīng)濺射工藝，在氬氣和氮?dú)庵薪惶鏋R射鉿靶、硅靶和鋁 靶，逐層淀積形成HfSiAlON高k柵介質(zhì)薄膜。然后，將硅片經(jīng)超聲清洗后進(jìn)行淀積后退火， 形成致密的HfSiAlON高k柵介質(zhì)。
步驟4 在鉿硅鋁氧氮柵介質(zhì)上淀積AIN/Mo疊層金屬柵結(jié)構(gòu)；在本步驟中，采用磁控反應(yīng)濺射工藝，濺射功率為200 1000W，工作壓強(qiáng)為(2 8) X ICT3Torr，一般采用5X ICT3Torr，在Ar/N2的混合氣氛中濺射鋁靶，在Ar氣中濺射鉬靶， 淀積形成氮化鋁/鉬(AIN/Mo)復(fù)合金屬柵。步驟5 對硅片進(jìn)行超聲清洗在本步驟中，采用丙酮超聲清洗5 10分鐘，無水乙醇超聲清洗5 10分鐘，去 離子水沖洗，甩干。步驟6 對清洗后的硅片進(jìn)行金屬柵淀積后退火，形成MoAlN金屬柵；在本步驟中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在700 1100°C溫度下快速熱退火3 40秒。步驟7 背面濺鋁與合金；在本步驟中，所述背面濺鋁是在Ar氣中采用直流濺射工藝背面濺射Al電極，Al電 極厚度為5000 10000人；所述合金是在氮?dú)獗Ｗo(hù)下350 500°C ( 一般是400°C )溫度下 合金退火30 60分鐘(一般是50分鐘)。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種鉬鋁氮金屬柵的制備方法，其特征在于，該方法包括清洗硅片；對清洗后的硅片進(jìn)行淀積前氧化；在氧化后的硅片上淀積高介電常數(shù)柵介質(zhì)；在高介電常數(shù)柵介質(zhì)上淀積氮化鋁/鉬疊層金屬柵；對淀積了氮化鋁/鉬疊層金屬柵的硅片進(jìn)行超聲清洗；對清洗后的硅片進(jìn)行金屬柵淀積后退火，形成鉬鋁氮金屬柵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉬鋁氮金屬柵的制備方法，其特征在于，所述清洗硅片的步 驟包括先用常規(guī)方法清洗，再用氫氟酸/異丙醇/水在室溫下浸泡1 10分鐘，然后去離子 水沖洗，甩干。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鉬鋁氮金屬柵的制備方法，其特征在于，所述常規(guī)方法為在 3#液中清洗10分鐘，然后在1#液中清洗5分鐘；所述3#液是體積比為(2 8) 1的 H2S04+H202溶液，所述1#液是體積比為(0. 3 1) 1 5的ΝΗ40Η+Η202+Η20溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉬鋁氮金屬柵的制備方法，其特征在于，所述對清洗后的硅 片進(jìn)行淀積前氧化的步驟包括在含有微量氧氣的氮?dú)庵?，?00 800 °C溫度下快速熱氧化10 120秒，生成 5 8 A的氧化層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉬鋁氮金屬柵的制備方法，其特征在于，所述在氧化后的硅 片上淀積高介電常數(shù)柵介質(zhì)的步驟包括采用磁控反應(yīng)濺射工藝，在Ar/N2的混合氣氛中濺射靶材，淀積形成高介電常數(shù)柵介質(zhì) 薄膜；然后，將硅片經(jīng)超聲清洗后進(jìn)行淀積后退火，形成致密的高介電常數(shù)柵介質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉬鋁氮金屬柵的制備方法，其特征在于，所述淀積氮化鋁/鉬 疊層金屬柵的步驟包括采用磁控反應(yīng)濺射工藝，濺射功率為200 1000W，工作壓強(qiáng)為(2 8) X 10_3Torr，在 Ar/N2的混合氣氛中濺射鋁靶，在Ar氣氛中濺射鉬靶，淀積形成氮化鋁/鉬疊層金屬柵。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉬鋁氮金屬柵的制備方法，其特征在于，所述對淀積了氮化 鋁/鉬疊層金屬柵的硅片進(jìn)行超聲清洗的步驟包括采用丙酮超聲清洗5 10分鐘，無水乙醇超聲清洗5 10分鐘，去離子水沖洗，甩干。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉬鋁氮金屬柵的制備方法，其特征在于，所述金屬柵淀積后 退火工藝的步驟包括在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在700 IOOiTC溫度下快速熱退火3 40秒。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉬鋁氮金屬柵的制備方法，其特征在于，該方法在形成鉬鋁 氮金屬柵后進(jìn)一步包括背面濺鋁與合金。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的鉬鋁氮金屬柵的制備方法，其特征在于，所述背面濺鋁是在 Ar氣中采用直流濺射工藝背面濺射Al電極，Al電極厚度為5000 10000人；所述合金是在氮?dú)獗Ｗo(hù)下350 500°C溫度下合金退火30 60分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及納米特征尺寸半導(dǎo)體器件制備技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種鉬鋁氮金屬柵的制備方法，該方法包括清洗硅片；對清洗后的硅片進(jìn)行淀積前氧化；在氧化后的硅片上淀積高介電常數(shù)柵介質(zhì)；在高介電常數(shù)柵介質(zhì)上淀積氮化鋁/鉬疊層金屬柵；對淀積了氮化鋁/鉬疊層金屬柵的硅片進(jìn)行超聲清洗；對清洗后的硅片進(jìn)行金屬柵淀積后退火，形成鉬鋁氮金屬柵。利用本發(fā)明制備的MoAlN金屬柵具有非常高的有效功函數(shù)(～5.14eV)，滿足PMOS器件對金屬柵功函數(shù)的要求；同時，由于金屬柵的采用，可以解決隨著小尺寸器件特征尺寸的減小而帶來的多晶硅柵耗盡效應(yīng)、柵電阻嚴(yán)重增大、硼穿透和與高k介質(zhì)不兼容的問題。
文檔編號H01L21/283GK101930915SQ200910087809
公開日2010年12月29日 申請日期2009年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者徐秋霞, 許高博 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所