本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種鉿硅鋁氧氮高介電常數(shù)柵介質(zhì)的制備方法，該方法是在鉿硅鋁氧氮高介電常數(shù)柵介質(zhì)的上下表面處淀積氮化鋁薄膜，再經(jīng)高溫退火形成鉿硅鋁氧氮高介電常數(shù)柵介質(zhì)，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鉿硅鋁氧氮高介電常數(shù)柵介質(zhì)；對淀積了鉿硅鋁氧氮高介電常數(shù)柵介質(zhì)的硅片進(jìn)行超聲清洗；對清洗后的硅片進(jìn)行淀積后退火；在退火后的硅片上形成金屬柵；對形成金屬柵的硅片進(jìn)行淀積后退火；背面濺鋁并進(jìn)行合金處理。利用本發(fā)明專利技術(shù)解決了隨著小尺寸器件柵介質(zhì)厚度的減薄而帶來柵介質(zhì)漏電急劇上升和功耗嚴(yán)重增大的問題，同時，由于鋁元素的引入有利于Ｐ型金屬氧化物半導(dǎo)體器件金屬柵功函數(shù)的調(diào)整。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及納米特征尺寸半導(dǎo)體器件制備
，尤其涉及一種用于納米尺度P型金屬氧化物半導(dǎo)體器件制造的鉿硅鋁氧氮(HfSiAlON)高介電常數(shù)柵介質(zhì)的制備方法， 以解決隨著小尺寸器件柵介質(zhì)厚度的減薄而帶來柵介質(zhì)漏電急劇上升和功耗嚴(yán)重增大的 問題，同時有利于解決P型金屬氧化物半導(dǎo)體器件金屬柵功函數(shù)調(diào)整的問題。
技術(shù)介紹
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。隨著器件尺寸的不斷減小，柵氧化層厚度隨之減薄。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，柵氧化層 厚度已減小到1. 2納米以下。柵氧化層如此之薄，如果仍采用傳統(tǒng)氧化硅或氮化氧化硅柵 介質(zhì)，直接隧穿電流將成指數(shù)規(guī)律急劇增加。依據(jù)2007年國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖(ITRS2007)預(yù)測，到2008年，平面體硅 器件氮化氧化硅柵介質(zhì)漏電流將達(dá)到9X 102A/cm2，超過器件所能承受的極限，將必須采用 高介電常數(shù)材料作為柵介質(zhì)。其原因是，在同樣等效氧化層厚度下，高介電常數(shù)材料具有更 厚的物理厚度，使柵與溝道間直接隧穿電流大大減小，功耗顯著降低。2007年，英特爾公司在45納米技術(shù)節(jié)點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)重點轉(zhuǎn)移到 高介電常數(shù)柵介質(zhì)和金屬柵技術(shù)。雖然近幾年在高介電常數(shù)柵介質(zhì)/金屬柵研究領(lǐng)域已取得了很多成果并開始應(yīng) 用于產(chǎn)業(yè)，但仍然存在許多問題需要進(jìn)一步改進(jìn)。伴隨半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，對高介電常數(shù)柵 介質(zhì)材料提出了更高的要求，例如高的介電常數(shù)、優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和可靠性等。同時，要求 高介電常數(shù)柵介質(zhì)材料的采用有利于與金屬柵技術(shù)相結(jié)合。因此，高介電常數(shù)柵介質(zhì)/金 屬柵技術(shù)的發(fā)展任重而道遠(yuǎn)。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，然 而具有如此高功函數(shù)的金屬材料化學(xué)穩(wěn)定性好，難于刻蝕，且非常昂貴，例如鉬和金等。研 究發(fā)現(xiàn)，在柵介質(zhì)中引入鋁有利于PMOS金屬柵功函數(shù)的調(diào)整。基于這種思想，本專利技術(shù)提出 了，并采用濺射淀積的方法進(jìn)行制備。
技術(shù)實現(xiàn)思路
(一)要解決的技術(shù)問題本專利技術(shù)的主要目的在于提供，以解 決隨著小尺寸器件柵介質(zhì)厚度的減薄而帶來柵介質(zhì)漏電急劇上升和功耗嚴(yán)重增大的問題， 同時，這項技術(shù)有利于促進(jìn)金屬柵電極平帶電壓向正向移動，即有利于PMOS金屬柵功函數(shù) 的調(diào)整。(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)提供了， 該方法是在鉿硅鋁氧氮高介電常數(shù)柵介質(zhì)的上下表面處淀積氮化鋁薄膜，再經(jīng)高溫退火形 成鉿硅鋁氧氮高介電常數(shù)柵介質(zhì)，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鉿硅鋁氧氮高介電常數(shù)柵介質(zhì)；對淀積了鉿硅鋁氧氮高介電常數(shù)柵介質(zhì)的硅片進(jìn)行超聲清洗；對清洗后的硅片進(jìn)行淀積后退火；在退火后的硅片上形成金屬柵；對形成金屬柵的硅片進(jìn)行淀積后退火；背面濺鋁并進(jìn)行合金處理。上述方案中，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至10分鐘，然后去離子水沖洗，甩干。上述方案中，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(3 5) 1 &H2S04+H202溶液，所述1#液是體積比為(1 0.7) 1 5 的 ΝΗ40Η+Η202+Η20 溶液。上述方案中，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，所述在氧化后的硅片上淀積鉿硅鋁氧氮高介電常數(shù)柵介質(zhì)的步驟包 括采用磁控反應(yīng)濺射工藝，濺射功率為200至600W，工作壓強為(2 8) X 10_3Torr，在氬 氣和氮氣中交替濺射鋁靶、鉿靶和硅靶，逐層淀積形成鉿硅鋁氧氮高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜， 其中氮化鋁主要分布于鉿硅鋁氧氮高介電常數(shù)柵介質(zhì)薄膜的上下界面，調(diào)整濺射功率和時 間能改變薄膜的厚度和組分。上述方案中，所述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。上述方案中，所述淀積后退火的步驟包括在氮氣保護(hù)下，在500至1000°C溫度下 快速熱退火5至90秒。上述方案中，所述形成金屬柵的步驟包括在Ar/N2的混合氣氛中濺射鉭靶，淀積 形成氮化鉭TaN金屬柵，其中TaN厚度為300至1500埃。上述方案中，該所述金屬柵淀積后退火工藝的步驟包括在氮氣保護(hù)下，在700至 1000°C溫度下快速熱退火2至20秒。上述方案中，所述背面濺鋁并進(jìn)行合金處理的步驟包括在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至10000埃；然后，在氮氣保護(hù)下350至500°C 溫度下合金退火30至60分鐘。(三)有益效果采用本專利技術(shù)提供的鉿硅鋁氧氮高介電常數(shù)柵介質(zhì)的制備方法，可以獲得具有較高 介電常數(shù)的柵介質(zhì)材料，解決隨著小尺寸器件柵介質(zhì)厚度的減薄而帶來柵介質(zhì)漏電急劇上 升和功耗嚴(yán)重增大的問題，同時Al的引入有利于P型金屬氧化物半導(dǎo)體器件金屬柵功函數(shù) 的調(diào)整。 此外，采用濺射淀積技術(shù)制備鉿硅鋁氧氮高介電常數(shù)柵介質(zhì)也是這一專利技術(shù)的創(chuàng)新 點之一，而且本專利技術(shù)具有成本低、操作簡單和產(chǎn)量高等優(yōu)點，利用濺射淀積技術(shù)制備高介電 常數(shù)柵介質(zhì)薄膜有利于促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。本專利技術(shù)提供的這種鉿硅鋁氧氮高介電常數(shù)柵介質(zhì)的制備方法，在同樣等效氧化層 厚度下，高介電常數(shù)柵介質(zhì)具有比氮化氧化硅柵介質(zhì)更厚的物理厚度，解決了隨著小尺寸 器件柵介質(zhì)厚度的減薄而帶來柵介質(zhì)漏電急劇上升和功耗嚴(yán)重增大的問題，同時由于Al 的存在，使金屬柵的平帶電壓向正向移動，有利于PMOS金屬柵功函數(shù)的調(diào)節(jié)。本專利技術(shù)提供的這種鉿硅鋁氧氮高介電常數(shù)柵介質(zhì)的制備方法的優(yōu)點是(I)Al的 存在有利于PMOS金屬柵功函數(shù)的調(diào)整；(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。附圖說明下面結(jié)合附圖和實施例對本專利技術(shù)進(jìn)一步說明圖1是本專利技術(shù)提供的鉿制備硅鋁氧氮高介電常數(shù)柵介質(zhì)的方法流程圖。圖2是本專利技術(shù)提供的鉿硅鋁氧氮高介電常數(shù)柵介質(zhì)結(jié)構(gòu)的示意圖，其中，圖2 (a) 是退火前鉿硅鋁氧氮高介電常數(shù)柵介質(zhì)結(jié)構(gòu)的示意圖，圖2(b)是退火后鉿硅鋁氧氮高介 電常數(shù)柵介質(zhì)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3是利用本專利技術(shù)制備的HfSiAlON/TaN柵介質(zhì)結(jié)構(gòu)電容與HfSiON/TaN柵結(jié)構(gòu)電 容的“電容-電壓(C-V)”測試曲線的對比示意圖。圖4是利用本專利技術(shù)制備的HfSiAlON高介電常數(shù)柵介質(zhì)的漏電特性(Ig-Vg)曲線。 具體實施例方式為使本專利技術(shù)的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本專利技術(shù)進(jìn)一步詳細(xì)說明。本專利技術(shù)采用磁控濺射工藝制備了鉿硅鋁氧氮(HfSiAlON)高介電常數(shù)柵介質(zhì)，制 備方法為在硅片經(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 氣的混合氣氛中利用磁控濺射技術(shù)濺射淀積AlN薄膜，然后在氬氣和氮氣的混合氣氛中利 用磁控濺射技術(shù)交替濺射鉿(Hf)本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點】
一種鉿硅鋁氧氮高介電常數(shù)柵介質(zhì)的制備方法，其特征在于，該方法是在鉿硅鋁氧氮高介電常數(shù)柵介質(zhì)的上下表面處淀積氮化鋁薄膜，再經(jīng)高溫退火形成鉿硅鋁氧氮高介電常數(shù)柵介質(zhì)，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鉿硅鋁氧氮高介電常數(shù)柵介質(zhì)；對淀積了鉿硅鋁氧氮高介電常數(shù)柵介質(zhì)的硅片進(jìn)行超聲清洗；對清洗后的硅片進(jìn)行淀積后退火；在退火后的硅片上形成金屬柵；對形成金屬柵的硅片進(jìn)行淀積后退火；背面濺鋁并進(jìn)行合金處理。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：許高博，徐秋霞，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院微電子研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：11[中國|北京]
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