高k金屬柵結構的製備方法
2023-06-21 18:16:56 2
高k金屬柵結構的製備方法
【專利摘要】本發明提供一種高K金屬柵結構的製備方法，至少包括以下步驟：首先提供一襯底，在所述襯底上自下而上依次形成界面層及高K電介質層；然後在所述高K電介質層上沉積阻擋層；再採用化學氣相沉積法在所述阻擋層上沉積矽層以使矽原子或矽離子進入所述阻擋層中，形成矽摻雜的阻擋層；最後在製作金屬柵極層。本發明的方法不用經過後續的快速高溫熱處理，避免了高K介質層晶化及界面層增厚的問題，並簡化了工藝，矽摻雜的阻擋層作為金屬擴散阻擋層，更有效地阻止了金屬柵極層中的金屬擴散到高K介質中，從而保持器件的良好性能。
【專利說明】高K金屬柵結構的製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於半導體製造領域，涉及一種柵結構的製備方法，特別是涉及一種高K金屬柵結構的製備方法。
【背景技術】
[0002]在傳統的MOS電晶體工藝中，通常採用S12作為柵介質、重摻雜的多晶矽作為柵電極材料，但隨著特徵尺寸的不斷縮小，MOS電晶體中的S12柵電介質已臨近了極限。例如，在65納米工藝中，S12柵的厚度已降至1.2納米，約為5個矽原子層厚度，如果再繼續縮小，漏電流和功耗將急劇增加。同時，由多晶矽柵電極引起的摻雜硼原子擴散、多晶矽耗盡效應以及過高的柵電阻等問題也將變得越來越嚴重。因此，對於32納米及以下各技術代，急劇增加的漏電流和功耗等問題將亟待新材料、新工藝及新器件結構的開發來解決。
[0003]目前，國際上各主要半導體公司都已開始著手面向32納米及以下技術代的「高k/金屬柵」技術的開發，即採用高K介質/金屬柵(HKMG)結構代替柵氧化層/多晶矽柵極結構。據Intel報導，採用高K電介質材料後，其柵漏電流降為原來的十分之一。目前來看，高K介質/金屬柵結構的應用成為32納米及以下技術代集成電路發展的必然趨勢。
[0004]在高K介質/金屬柵結構中，根據金屬柵極層材料的不同，有的金屬柵極層中的金屬會擴散到高K介質中，對器件造成不良影響。因此在高K介質層和金屬柵極層之間需要加入金屬擴散阻擋層。研究中已發現矽摻雜的TiN可以更有效的阻擋金屬的擴散。現有技術中製備矽摻雜TiN的方法包括如下步驟:首先沉積一層TiN，然後在TiN上用物理氣相沉積法(PVD)沉積矽層，最後通過快速高溫熱處理(600°C以上至1000°C)得到矽摻雜的TiN。
[0005]但是現有技術的方法不適用於高K金屬柵結構中金屬擴散阻擋層的製備，因為現有技術的方法中的高溫熱處理會導致阻擋層下的高K介質層晶化，並使界面層再生長從而使得界面層增厚，這些都會對器件造成不利影響。因此提供一種高K金屬柵結構中金屬擴散阻擋層的製備方法實屬必要。
【發明內容】
[0006]鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種高K金屬柵結構的製備方法，用於解決現有技術中金屬柵極層中的金屬擴散問題及高溫熱處理導致阻擋層下的高K介質層晶化，並使界面層再生長從而使得界面層增厚，對器件造成不利影響的問題。
[0007]為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種高K金屬柵結構的製備方法，該方法至少包括以下步驟:
[0008]I)提供一襯底，在所述襯底上自下而上依次形成界面層及高K電介質層；
[0009]2)在所述高K電介質層上沉積阻擋層；
[0010]3)採用化學氣相沉積法在所述阻擋層上沉積矽層以使矽原子或矽離子進入所述阻擋層上部或整個阻擋層中，形成矽摻雜的阻擋層；
[0011]4)在所述步驟3)形成的結構上製作金屬柵極層。
[0012]可選地，於所述步驟3 )中，在形成矽摻雜的阻擋層之後還包括一去除所述矽層的步驟。
[0013]可選地，所述化學氣相沉積法的溫度範圍是40(T600 °C。
[0014]可選地，所述高K電介質層的材料包括Zr02、Hf02、A1203、HfSi0、HfS1N中的一種或多種。
[0015]可選地，所述金屬柵極層的材料包括TiAl、Al、Ta、T1、W、Cu、HfCN, Hf C、Pt、Ru、Mo或Ir中的一種或多種。
[0016]可選地，所述阻擋層的材料包括TiN、TaN, HfN, ZrN, HfC或TaC中的一種或多種。
[0017]可選地，所述阻擋層的材料為TiN，矽原子或矽離子進入所述TiN中形成TiSiN層。
[0018]可選地，所述阻擋層的厚度範圍是0.5飛nm。
[0019]可選地，所述矽層的厚度範圍是f 10nm。
[0020]可選地，所述矽層為無定形矽層。
[0021]如上所述，本發明的高K金屬柵結構的製備方法，具有以下有益效果:採用化學氣相沉積法在所述阻擋層上沉積矽層，在沉積過程中，矽原子或矽離子便進入所述阻擋層中，不用經過後續的快速高溫熱處理，避免了阻擋層下的高K介質層晶化及界面層增厚的問題；並且矽層中的矽原子或矽離子進入到阻擋層的晶界並佔據其中，形成矽摻雜的阻擋層，更有效地阻止了金屬柵極層中的金屬擴散到高K介質中，從而保持器件的良好性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1顯示為本發明的高K金屬柵結構的製備方法的流程圖。
[0023]圖2顯示為本發明的高K金屬柵結構的製備方法中在襯底上依次形成界面層及高K電介質層的示意圖。
[0024]圖3顯示為本發明的高K金屬柵結構的製備方法中在高K電介質層上沉積阻擋層的示意圖。
[0025]圖4顯示為本發明的高K金屬柵結構的製備方法中採用化學氣相沉積法在所述阻擋層上沉積矽層的示意圖。
[0026]圖5顯示為本發明的高K金屬柵結構的製備方法中矽進入阻擋層上部形成矽摻雜的阻擋層的示意圖。
[0027]圖6顯示為本發明的高K金屬柵結構的製備方法中矽進入整個阻擋層形成矽摻雜的阻擋層的示意圖。
[0028]圖7顯示為本發明的高K金屬柵結構的製備方法中在未去除矽層的結構上製作金屬柵極層的示意圖。
[0029]圖8顯示為本發明的高K金屬柵結構的製備方法中在去除矽層之後的結構上製作金屬柵極層的示意圖。
[0030]元件標號說明
[0031]SI?S4 步驟
[0032]I 襯底
[0033]2界面層
[0034]3高K電介質層
[0035]4阻擋層
[0036]5 矽層
[0037]6娃摻雜的阻擋層
[0038]7金屬柵極層
【具體實施方式】
[0039]以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
[0040]請參閱圖1至圖8。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。
[0041]首先請參閱圖1，如圖所示，顯示為本發明的高K金屬柵結構的製備方法的流程圖，本發明的高K金屬柵結構的製備方法至少包括以下步驟:
[0042]步驟S1:請參閱圖2，如圖所示，提供一襯底1，在所述襯底I上自下而上依次形成界面層2及高K電介質層3。
[0043]具體的，所述襯底I可包括形成於其上的多種特徵，包括有源區、隔離區等。所述襯底I的材料可以為任何合適的半導體襯底材料，如矽、鍺、鍺矽、絕緣體上矽等，根據設計要求其中還可包括各種不同的摻雜配置，如P型襯底或N型襯底。本實施例中所述襯底I的材料以矽為例。
[0044]具體的，可採用化學氣相沉積法、原子層澱積法、濺射等方法在所述襯底I上形成所述界面層2。所述界面層2的材料為Si02、Si0N或HfS1x。本實施例中，所述界面層2的材料優選為S12，可直接在矽襯底上採用熱氧化工藝得到。
[0045]具體的，可採用原子層澱積法、化學氣相沉積法、熱氧化等合適的方法形成所述高K電介質層3。所述高K電介質層3為具有高介電常數的材料(相對於二氧化矽)，可以包括Zr02、Hf02、A1203、HfSi0、HfS1N中的一種或多種，但不僅限於上述材料。本實施例中，所述高K電介質層3的材料優選為Η--2，採用原子層澱積法形成。
[0046]步驟S2:請參閱圖3,如圖所示,在所述高K電介質層3上沉積阻擋層4。
[0047]具體的，可採用原子層澱積法、濺射法等合適的方法在所述高K電介質層3上沉積阻擋層4。所述阻擋層4的材料包括TiN、TaN, HfN, ZrN, HfC或TaC中的一種或多種，但不僅限於上述材料。所述阻擋層4的厚度範圍是0.5~5nm。
[0048]步驟S3:請參閱圖4至圖6,首先請參閱圖4,如圖所示,採用化學氣相沉積法在所述阻擋層4上沉積矽層5。
[0049] 具體的，所述矽層的厚度範圍是flOnm。所述矽層可以為無定形矽層、單晶矽層或多晶矽層等。本實施例中，所述矽層優選為無定形矽層。
[0050]具體的，所述化學氣相沉積法的溫度範圍是40(T600 °C，如可採用450 °C、500 °C、550°C、580°C等溫度。此溫度範圍內，在化學氣相沉積形成矽層5的過程中，部分矽原子或矽離子便可同時進入所述阻擋層4上部或整個阻擋層4中，形成矽摻雜的阻擋層。
[0051]需要指出的是，為了便於說明，矽摻雜的阻擋層未在圖4中示出，但是矽摻雜的阻擋層在沉積矽層的同時便形成。
[0052]再請參閱圖5，顯示為矽原子或矽離子進入所述阻擋層4上部形成矽摻雜的阻擋層6的示意圖，所述矽摻雜的阻擋層6作為金屬擴散阻擋層，可以更有效阻止金屬離子從其中通過。
[0053]再請參閱圖6，顯示為矽原子或矽離子進入整個阻擋層4中形成矽摻雜的阻擋層6的示意圖。
[0054]需要指出的是，所述阻擋層4本身具有較強的阻擋金屬離子的能力，矽原子或矽離子進入其中之後，由於矽原子或矽離子佔據了其中的晶界間隙，從而使得其阻擋金屬離子通過的能力大大增強。本實施例中，所述阻擋層4的材料優選為TiN，在採用化學氣相沉積法沉積所述矽層5的過程中，矽原子或矽離子進入所述TiN中形成TiSiN層，即形成矽摻雜的TiN層，其可以更有效的阻止金屬離子的通過。
[0055]此外，本發明通過化學氣相沉積法實現了一步法直接在沉積過程中使矽原子或矽離子進入阻擋層，形成矽摻雜的阻擋層，而不用經過後續高溫退火，有效避免了高K電介質層3的晶化，並防止了界面層2的再生長而引起的界面層增厚，消除了工藝的不良影響。
[0056]步驟S4:請參閱圖6,如圖所示,在圖5所示的結構上製作金屬柵極層7。
[0057]具體的，採用物理氣相沉積法等沉積方法在所述矽層5上沉積金屬柵極層7，所述金屬柵極層7的材料可包括金屬、金屬化合物或金屬矽化物中的一種或多種，如可包括TiAl、Al、Ta、T1、W、Cu、HfCN, HfC, Pt、Ru、Mo或Ir中的一種或多種，但不僅限於上述材料。所述金屬柵極層7可以是單層結構或多層結構，可以包含不同的功函數層、柵電極層等，SP可以為複合結構。根據不同的器件類型(如PMOS或NM0S)，所述金屬柵極層7的材料可進行不同的選擇。
[0058]本實施例中，所述金屬柵極層7採用射頻濺射法形成，其材料優選為TiAl，本實施例中，TiAl層的作用是作為N型功函數金屬層。若沒有金屬擴散阻擋層，TiAl層中的Al很容易擴散到高K電介質層3中，對器件造成不利影響。本發明的高K金屬柵結構中包括矽摻雜的阻擋層6，其作為金屬擴散阻檔層，可以更有效的阻擋Al通過，從而有效防止Al擴散到高K電介質層3中。
[0059]需要指出的是，對於不同材料的金屬柵極層7，所述阻擋層4的材料可以進行有針對性的選擇，如本實施例中，金屬柵極層的材料為TiAl，阻擋層的材料為TiN，TiN本身對Al有較強的阻擋能力，而矽摻雜可以進一步提高阻擋效果，在其它實施例中，若金屬柵極層為其它材料，阻擋層的材料可以根據金屬柵極層中的金屬進行特定的選擇，從而實現更有效的阻擋效果。
[0060]本實施例中為直接在所述娃層5上製作金屬柵極層7,在另一實施例中,在製作金屬柵極層7之前還包括一去除所述矽層的步驟，因為根據不同的工藝要求，在一些器件中，所述矽層5有可能影響金屬柵極層7的功函數。請參閱圖8，如圖所示，顯示為在去除矽層之後的結構上製作金屬柵極層的示意圖。具體的，在形成矽摻雜的阻擋層6之後，採用溼法腐蝕等方法去除其表面的所述矽層5，然後再在所述矽摻雜的阻擋層6上製作金屬柵極層7。
[0061]綜上所述，本發明高K金屬柵結構的製備方法，採用化學氣相沉積法在所述阻擋層上沉積矽層，在沉積過程中，矽原子或矽離子便進入所述阻擋層中，不用經過後續的快速高溫熱處理，避免了阻擋層下的高K介質層晶化及界面層增厚的問題，並簡化了工藝，即由兩步簡化為一步；並且矽層中的矽原子或矽離子進入到阻擋層的晶界並佔據其中，形成矽摻雜的阻擋層，更有效地阻止了金屬柵極層中的金屬擴散到高K介質中，從而保持了器件的良好性能。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
[0062]上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術領域】中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
【權利要求】
1.一種高K金屬柵結構的製備方法，其特徵在於，該方法至少包括以下步驟: 1)提供一襯底，在所述襯底上自下而上依次形成界面層及高K電介質層； 2)在所述高K電介質層上沉積阻擋層； 3)採用化學氣相沉積法在所述阻擋層上沉積矽層以使矽原子或矽離子進入所述阻擋層上部或整個阻擋層中，形成矽摻雜的阻擋層； 4)在所述步驟3)形成的結構上製作金屬柵極層。
2.根據權利要求1所述的高K金屬柵結構的製備方法，其特徵在於:於所述步驟3)中，在形成矽摻雜的阻擋層之後還包括一去除所述矽層的步驟。
3.根據權利要求1所述的高K金屬柵結構的製備方法，其特徵在於:所述化學氣相沉積法的溫度範圍是400~600 0C。
4.根據權利要求1所述的高K金屬柵結構的製備方法，其特徵在於:所述高K電介質層的材料包括Zr02、Hf02、A1203、HfSi0、HfSi0N中的一種或多種。
5.根據權利要求1所述的高K金屬柵結構的製備方法，其特徵在於:所述金屬柵極層的材料包括11六1、六1、1&、11、胃、01、!1代^、!1江、？扒1?11、]\10或Ir中的一種或多種。
6.根據權利要求1所述的高K金屬柵結構的製備方法，其特徵在於:所述阻擋層的材料包括TiN、TaN, HfN, ZrN, HfC或TaC中的一種或多種。
7.根據權利要求1所述的高K金屬柵結構的製備方法，其特徵在於:所述阻擋層的材料為TiN，矽原子或矽離子進入所述TiN中形成TiSiN層。
8.根據權利要求1所述的高K金屬柵結構的製備方法，其特徵在於:所述阻擋層的厚度範圍是0.5~5nm。
9.根據權利要求1所述的高K金屬柵結構的製備方法，其特徵在於:所述矽層的厚度範圍是I~10nm。
10.根據權利要求1所述的高K金屬柵結構的製備方法，其特徵在於:所述矽層為無定形娃層。
【文檔編號】H01L21/28GK104051252SQ201310077624
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2013年3月11日 優先權日:2013年3月11日
【發明者】張子瑩 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司