一種鉭鋁氮金屬柵的製備方法

2023-09-12 13:38:35 1

專利名稱：一種鉭鋁氮金屬柵的製備方法
技術領域：
本發明涉及納米特徵尺寸半導體器件製備技術領域，尤其涉及一種用於納米尺度P型金屬氧化物半導體器件的鉭鋁氮(TaAlN)金屬柵的製備方法，鉭鋁氮金屬柵中由於鋁 元素的引入，有助於金屬柵的平帶電壓向正向移動，即有助於P型金屬氧化物半導體器件 金屬柵功函數的調整。
背景技術：
40多年來，集成電路技術按摩爾定律持續發展，特徵尺寸不斷縮小，集成度不斷提 高，功能越來越強。目前，金屬氧化物半導體電晶體(MOSFET)的特徵尺寸已進入亞50納 米。伴隨器件特徵尺寸的不斷減小，如果仍採用傳統的多晶矽柵，則多晶矽耗盡效應越來越 嚴重，多晶矽電阻也會隨之增大。為了克服以上困難，同時也為了與高介電常數柵介質材料 相集成，工業界開始採用金屬柵技術。採用金屬柵材料可以徹底解決多晶矽耗盡效應，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技術節點開始引入高介電常數柵介質和金屬柵技 術，並應用於其新型處理器的製作。AMD和IBM等大型半導體公司也開始將研發重點轉移到 高介電常數柵介質和金屬柵技術。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在5. 2eV附近，然 而具有如此高功函數的金屬材料化學穩定性好，難於刻蝕，且非常昂貴，例如鉬和金等。研 究發現，在一些金屬氮化物(如氮化鉭和氮化鈦等)中引入鋁有利於PMOS金屬柵功函數的 調整。基於這種思想，本發明提出了一種採用磁控反應濺射澱積的技術製備鉭鋁氮金屬柵 的方法，並研究了其相關的電學特性。採用鉭鋁氮金屬柵，通過改變其中Al的含量可以在較大範圍內獲得PMOS金屬柵 功函數的調整，同時，由於金屬柵的採用，解決隨著小尺寸器件特徵尺寸的減小而帶來的多 晶矽耗盡效應和柵電阻嚴重增大的問題。磁控反應濺射澱積技術是半導體工業中常用的薄 膜澱積技術，具有成本低、操作簡單和產量高等優點，利用磁控反應濺射澱積技術製備金屬 柵有利於促進其產業化的發展。

發明內容
(一)要解決的技術問題本發明的主要目的在於提供一種鉭鋁氮金屬柵的製備方法，以解決PMOS金屬柵 功函數的調整問題，同時由於金屬柵的採用，可以解決隨著小尺寸器件特徵尺寸的減小而 帶來的多晶矽耗盡效應和柵電阻嚴重增大的問題。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種鉭鋁氮金屬柵的製備方法，該方法包括清洗矽片；對清洗後的矽片進行澱積前氧化；
在氧化後的矽片上澱積高介電常數柵介質；在高介電常數柵介質上澱積氮化鋁/氮化鉭疊層金屬柵；對澱積了氮化鋁/氮化鉭疊層金屬柵的矽片進行超聲清洗；對清洗後的矽片進行金屬柵澱積後退火，形成鉭鋁氮金屬柵；背面濺鋁並進行合金處理。上述方案中，所述清洗矽片的步驟包括先用常規方法清洗，再用氫氟酸/異丙醇 /水在室溫下浸泡1至10分鐘，然後去離子水衝洗，甩幹。上述方案中，所述常規方法為在3#液中清洗10分鐘，然後在1#液中清洗5分 鍾；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。上述方案中，所述對清洗後的矽片進行澱積前氧化的步驟包括在含有微量氧氣 的氮氣中600至800°C溫度下快速熱氧化30至120秒，生成5至8埃的氧化層。上述方案中，所述在氧化後的矽片上澱積高介電常數柵介質的步驟包括採用磁 控反應濺射工藝，在Ar/N2的混合氣氛中濺射靶材，澱積形成高介電常數柵介質薄膜；然後， 將矽片經超聲清洗後進行澱積後退火，形成緻密的高介電常數柵介質。上述方案中，所述澱積氮化鋁/氮化鉭疊層金屬柵的步驟包括採用磁控反應濺 射工藝，濺射功率為200至1000W，工作壓強為(2 8) X 10_3Torr，在Ar/N2的混合氣氛中 先後濺射鋁靶和鉭靶，澱積形成氮化鋁/氮化鉭疊層金屬柵。上述方案中，所述超聲清洗的步驟包括採用丙酮超聲清洗5至10分鐘，無水乙醇 超聲清洗5至10分鐘，去離子水衝洗，甩幹。上述方案中，所述金屬柵澱積後退火工藝的步驟包括在氮氣保護下，在700至 1000°c溫度下快速熱退火3至20秒。上述方案中，所述背面濺鋁並進行合金處理的步驟包括在Ar氣中採用直流濺射 工藝背面濺射Al電極，Al電極厚度為5000至10000埃；然後，在氮氣保護下350至500°C 溫度下合金退火30至60分鐘。(三)有益效果本發明提供的這種鉭鋁氮金屬柵的製備方法，由於Al元素的引入，使金屬柵的平 帶電壓向正向移動，有利於PMOS金屬柵功函數的調節；同時，由於金屬柵的採用，可以解決 隨著小尺寸器件特徵尺寸的減小而帶來的多晶矽耗盡效應和柵電阻嚴重增大的問題。本發明提供的這種鉭鋁氮金屬柵的製備方法的優點是=(I)TaAlN金屬柵中Al的 引入有利於PMOS金屬柵功函數的調整；(2)界面處SiOx使界面良好，有利於提高器件的遷 移率；(3)濺射工藝簡單，易於獲得極薄且厚度均勻的薄膜，成本低廉。


下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明圖1所示是本發明製備的TaAlN金屬柵的方法流程圖；圖2所示是本發明製備的TaAlN金屬柵的結構示意圖；其中，圖2(a)是退火前 TaAlN金屬柵結構的示意圖，圖2(b)是退火後TaAlN金屬柵結構的示意圖；圖3所示是利用本發明製備的TaAlN/HfSiON柵結構電容與TaN/HfSiON柵結構電容的「電容 電壓(C V)」測試曲線的對比示意圖；圖4所示是利用本發明製備的TaAlN/HfSiON柵結構電容的漏電特性(Ig Vg)曲 線。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。本發明採用磁控反應濺射工藝製備了鉭鋁氮金屬柵，製備方法為在矽片經過常 規清洗後，為抑制自然氧化物生成，採用氫氟酸/異丙醇/水溶液室溫下浸泡，去離子水衝 洗，甩幹後立即進爐，用快速熱氧化生長界面SiOx層，在氬氣和氮氣的混合氣氛中利用磁控 反應濺射技術交替濺射鉿(Hf)靶和矽(Si)靶，澱積形成HfSiON高介電常數柵介質薄膜， 澱積後進行快速熱退火處理形成HfSiON高介電常數柵介質，在氬氣和氮氣的混合氣氛中 利用磁控反應濺射技術先後濺射澱積AlN和TaN薄膜，形成AIN/TaN疊層金屬柵結構，經高 溫退火後形成TaAlN金屬柵電極，背面濺鋁與合金，以便電學測量。如圖1所示，圖1是本發明製備的TaAlN金屬柵的方法流程圖，該方法包括步驟101 清洗矽片；在本步驟中，先用常規方法清洗，再用氫氟酸/異丙醇/水在室溫下浸泡1至10 分鐘，然後去離子水衝洗，甩幹兩遍，立即進爐；所述常規方法為在3#液中清洗10分鐘，然 後在1#液中清洗5分鐘；所述3#液是體積比為(3 5) 1 WH2S04+H202溶液，所述1#液 是體積比為(0.7 1) 1 5的ΝΗ40Η+Η202+Η20溶液。步驟102 對清洗後的矽片進行澱積前氧化；在本步驟中，在含有微量氧氣的氮氣中600至800°C溫度下快速熱氧化30至120 秒，生成5至8埃的氧化層。步驟103 在氧化後的矽片上澱積高介電常數柵介質；在本步驟中，採用磁控反應濺射工藝，在氬氣和氮氣中交替濺射鉿靶和矽靶，逐層澱積形成HfSiON高介電常數(高k)柵介質薄膜。然後，將矽片經超聲清洗後進行澱積後 退火，形成緻密的HfSiON高k柵介質。步驟104 在高介電常數柵介質上澱積氮化鋁/氮化鉭疊層金屬柵；在本步驟中，採用磁控反應濺射工藝，濺射功率為200至1000W，工作壓強為(2 8) X IO-3Torr,在Ar/N2的混合氣氛中先後濺射鋁靶和鉭靶，澱積形成氮化鋁/氮化鉭(AlN/ TaN)複合金屬柵。步驟105 對澱積了氮化鋁/氮化鉭疊層金屬柵的矽片進行超聲清洗；在本步驟中，採用丙酮超聲清洗5至10分鐘，無水乙醇超聲清洗5至10分鐘，去 離子水衝洗，甩幹。步驟106 對清洗後的矽片進行金屬柵澱積後退火，形成鉭鋁氮金屬柵；在本步驟中，在氮氣保護下，在700至1100°C溫度下快速熱退火3至20秒。步驟107 背面濺鋁並進行合金處理。在本步驟中，所述背面濺鋁是在Ar氣中採用直流濺射工藝背面濺射Al電極，Al電 極厚度為5000至10000埃；所述合金是在氮氣保護下350至50(TC溫度下合金退火30至60分鐘。 圖2示出了本發明製備的TaAlN金屬柵的結構示意圖。其中，圖2(a)是退火前 TaAlN金屬柵結構的示意圖，該結構包括201 :TaN金屬柵薄膜；202 =AlN金屬柵薄膜；203 =HfSiON高介電常數柵介質薄膜；204:SiOx 薄膜；205 =Si 襯底。圖2(b)是退火後TaAlN金屬柵結構的示意圖，該結構包括206 =TaAlN 金屬柵電極；207 =HfSiON高介電常數柵介質薄膜；208:SiOx 薄膜；209 =Si 襯底。圖3示出了利用本發明製備的TaAlN/HfSiON柵結構電容與TaN/HfSiON柵結構 電容的「電容 電壓(C V)」測試曲線的對比，TaN/HfSiON柵結構電容的平帶電壓Vfb 是-0. 107V，TaAlN/HfSi0N柵結構電容的平帶電壓Vfb是0. 406V，由於Al的引入，導致平帶 電壓向正向漂移了 0. 513V。圖4示出了利用本發明製備的TaAlN/HfSiON柵結構電容的漏電特性(Ig Vg)曲 線，漏電流密度是 1. 68X10"3A/cm2(iVg = Vft+lV，EOT = 26 埃)。 以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡 在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保 護範圍之內。
權利要求
一種鉭鋁氮金屬柵的製備方法，其特徵在於，該方法包括清洗矽片；對清洗後的矽片進行澱積前氧化；在氧化後的矽片上澱積高介電常數柵介質；在高介電常數柵介質上澱積氮化鋁/氮化鉭疊層金屬柵；對澱積了氮化鋁/氮化鉭疊層金屬柵的矽片進行超聲清洗；對清洗後的矽片進行金屬柵澱積後退火，形成鉭鋁氮金屬柵；背面濺鋁並進行合金處理。
2.根據權利要求1所述的鉭鋁氮金屬柵的製備方法，其特徵在於，所述清洗矽片的步 驟包括先用常規方法清洗，再用氫氟酸/異丙醇/水在室溫下浸泡1至10分鐘，然後去離子 水衝洗，甩幹。
3.根據權利要求2所述的鉭鋁氮金屬柵的製備方法，其特徵在於，所述常規方法為在 3#液中清洗10分鐘，然後在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.根據權利要求1所述的鉭鋁氮金屬柵的製備方法，其特徵在於，所述對清洗後的矽 片進行澱積前氧化的步驟包括在含有微量氧氣的氮氣中600至800°C溫度下快速熱氧化30至120秒，生成5至8埃 的氧化層。
5.根據權利要求1所述的鉭鋁氮金屬柵的製備方法，其特徵在於，所述在氧化後的矽 片上澱積高介電常數柵介質的步驟包括採用磁控反應濺射工藝，在Ar/N2的混合氣氛中濺射靶材，澱積形成高介電常數柵介質 薄膜；然後，將矽片經超聲清洗後進行澱積後退火，形成緻密的高介電常數柵介質。
6.根據權利要求1所述的鉭鋁氮金屬柵的製備方法，其特徵在於，所述澱積氮化鋁/氮 化鉭疊層金屬柵的步驟包括採用磁控反應濺射工藝，濺射功率為200至1000W，工作壓強為(2 8) X 10_3Torr，在 Ar/N2的混合氣氛中先後濺射鋁靶和鉭靶，澱積形成氮化鋁/氮化鉭疊層金屬柵。
7.根據權利要求1所述的鉭鋁氮金屬柵的製備方法，其特徵在於，所述超聲清洗的步 驟包括採用丙酮超聲清洗5至10分鐘，無水乙醇超聲清洗5至10分鐘，去離子水衝洗，甩幹。
8.根據權利要求1所述的鉭鋁氮金屬柵的製備方法，其特徵在於，所述金屬柵澱積後 退火工藝的步驟包括在氮氣保護下，在700至IOOiTC溫度下快速熱退火3至20秒。
9.根據權利要求1所述的鉭鋁氮金屬柵的製備方法，其特徵在於，所述背面濺鋁並進 行合金處理的步驟包括在Ar氣中採用直流濺射工藝背面濺射Al電極，Al電極厚度為5000至10000埃；然後， 在氮氣保護下350至500°C溫度下合金退火30至60分鐘。
全文摘要
本發明公開了一種鉭鋁氮金屬柵的製備方法，該方法包括清洗矽片；對清洗後的矽片進行澱積前氧化；在氧化後的矽片上澱積高介電常數柵介質；在高介電常數柵介質上澱積氮化鋁/氮化鉭疊層金屬柵；對澱積了氮化鋁/氮化鉭疊層金屬柵的矽片進行超聲清洗；對清洗後的矽片進行金屬柵澱積後退火，形成鉭鋁氮金屬柵；背面濺鋁並進行合金處理。利用本發明製備的鉭鋁氮金屬柵，由於鋁的引入有助於金屬柵平帶電壓向正向漂移，即有助於P型金屬氧化物半導體場效應電晶體金屬柵功函數的調節。
文檔編號C23C14/34GK101800173SQ20091007762
公開日2010年8月11日 申請日期2009年2月9日 優先權日2009年2月9日
發明者徐秋霞, 許高博 申請人:中國科學院微電子研究所