专利名称：一种钼铝氮金属栅的制备方法
技术领域：
本发明涉及纳米特征尺寸半导体器件制备技术领域，尤其涉及一种用于纳米尺度 P型金属氧化物半导体器件的钼铝氮金属栅的制备方法，采用该方法制备的钼铝氮金属栅 具有较高的功函数( 5. 14eV)，适于做P型金属氧化物半导体器件的金属栅。
背景技术：
40多年来，集成电路技术按摩尔定律持续发展，特征尺寸不断缩小，集成度不断提 高，功能越来越强。目前，金属氧化物半导体晶体管(MOSFET)的特征尺寸已进入亚50纳 米。伴随器件特征尺寸的不断减小，如果仍采用传统的多晶硅栅，则多晶硅耗尽效应越来越 严重，多晶硅电阻也会随之增大。为了克服以上困难，同时也为了与高介电常数栅介质材料 相集成，工业界开始采用金属栅技术。采用金属栅材料可以彻底解决多晶硅耗尽效应，同时其自身的低电阻率可大大减 小栅电阻。2007年，英特尔公司在45nm技术节点开始引入高介电常数栅介质和金属栅技 术，并应用于其新型处理器的制作。AMD和IBM等大型半导体公司也开始将研发重点转移到 高介电常数栅介质和金属栅技术。为了获得合适的阈值电压，通常要求PMOS金属栅材料的功函数在5. 2eV附近。研 究发现，一些三元金属氮化物，如钽铝氮和钛铝氮等，具有较高的功函数，适于做PMOS的金 属栅。在本发明中，我们提出了一种采用磁控反应溅射淀积技术制备MoAlN金属栅的方法， 并研究了其相关的电学特性。采用MoAlN金属栅，可以获得合适的PMOS金属栅功函数，同时，由于金属栅的采 用，解决了随着小尺寸器件特征尺寸的减小而带来的多晶硅耗尽效应和栅电阻严重增大的 问题。磁控反应溅射淀积技术是半导体工业中常用的薄膜淀积技术，具有成本低、操作简单 和产量高等优点，利用磁控反应溅射淀积技术制备金属栅有利于促进其产业化的发展。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明的主要目的在于提供一种MoAlN金属栅的制备方法，以解决PMOS金属栅功 函数的调整问题，同时由于金属栅的采用，可以解决随着小尺寸器件特征尺寸的减小而带 来的多晶硅栅耗尽效应、栅电阻严重增大、硼穿透和与高k介质不兼容的问题。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种钼铝氮金属栅的制备方法，该方法包括清洗硅片；对清洗后的硅片进行淀积前氧化；在氧化后的硅片上淀积高介电常数栅介质；在高介电常数栅介质上淀积氮化铝/钼叠层金属栅；对淀积了氮化铝/钼叠层金属栅的硅片进行超声清洗；
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对清洗后的硅片进行金属栅淀积后退火，形成钼铝氮金属栅。上述方法中，所述清洗硅片的步骤包括先用常规方法清洗，再用氢氟酸/异丙醇 /水在室温下浸泡1 10分钟，然后去离子水冲洗，甩干。上述方法中，所述常规方法为在3#液中清洗10分钟，然后在1#液中清洗5分 钟；所述3#液是体积比为(2 8) 1的H2S04+H202溶液，所述1#液是体积比为(0. 3 1) 1 5 的 ΝΗ40Η+Η202+Η20 溶液。上述方法中，所述对清洗后的硅片进行淀积前氧化的步骤包括在含有微量氧气 的氮气中，在600 800°C温度下快速热氧化10 120秒，生成5 8 A的氧化层。上述方法中，所述在氧化后的硅片上淀积高介电常数栅介质的步骤包括采用磁 控反应溅射工艺，在Ar/N2的混合气氛中溅射靶材，淀积形成高介电常数栅介质薄膜；然后， 将硅片经超声清洗后进行淀积后退火，形成致密的高介电常数栅介质。上述方法中，所述淀积氮化铝/钼叠层金属栅的步骤包括采用磁控反应溅射工 艺，溅射功率为200 1000W，工作压强为(2 8) X 10_3Torr，在Ar/N2的混合气氛中溅射 铝靶，在Ar气氛中溅射钼靶，淀积形成氮化铝/钼叠层金属栅。上述方法中，所述对淀积了氮化铝/钼叠层金属栅的硅片进行超声清洗的步骤包 括采用丙酮超声清洗5 10分钟，无水乙醇超声清洗5 10分钟，去离子水冲洗，甩干。上述方法中，所述金属栅淀积后退火工艺的步骤包括在氮气保护下，在700 1000°c温度下快速热退火3 40秒。上述方法中，该方法在形成钼铝氮金属栅后进一步包括背面溅铝与合金。上述方法中，所述背面溅铝是在Ar气中采用直流溅射工艺背面溅射Al电极，Al电 极厚度为5000 10000人；所述合金是在氮气保护下350 500°C温度下合金退火30 60 分钟。(三)有益效果本发明提供的这种MoAlN金属栅的制备方法的优点是1)、ΜοΑ1Ν金属栅中Al的引入有利于PMOS金属栅有效功函数的调节，有助于获得 较高的金属栅有效功函数；2)、界面处SiOx使界面良好，有利于提高器件的迁移率；3)、溅射工艺简单，易于获得极薄且厚度均勻的薄膜，成本低廉。4)、利用本发明制备的MoAlN金属栅具有非常高的有效功函数( 5. 14eV)，满足 PMOS器件对金属栅功函数的要求；同时，由于金属栅的采用，可以解决随着小尺寸器件特 征尺寸的减小而带来的多晶硅栅耗尽效应、栅电阻严重增大、硼穿透和与高k介质不兼容 的问题。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明图1是本发明制备MoAlN金属栅的方法流程图；图2是本发明制备MoAlN金属栅的结构示意图，其中，图2(a)是退火前MoAlN金 属栅结构的示意图，该结构包括201 =Mo金属栅薄膜；
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202 =AlN金属栅薄膜；203 =HfSiAlON 高 k 栅介质薄膜；204:SiOx 薄膜;205 =Si 衬底。图2(b)是退火后MoAlN金属栅结构的示意图，该结构包括206 =MoAlN 金属栅电极； 207 =HfSiAlON 高 k 栅介质薄膜；208:SiOx 薄膜；209 Si 衬底。图3是利用本发明制备MoAlN/HfSiAlON栅结构电容的“电容-电压(C-V)，，测试 曲线，通过计算获得MoAlN金属栅在Hf SiAlON上的功函数是5. 14eV,满足PMOS器件对金属 栅功函数的要求。图4是利用本发明制备的MoAlN/HfSiAlON栅结构电容的漏电特性(Ig-Vg)曲线， 漏电流密度是 9. 37X l(T5A/cm2(@Vg = V^+IV, EOT = 1. 8nm)。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。本发明采用磁控反应溅射工艺制备了 MoAlN金属栅，制备方法具体为在硅片经 过常规清洗后，为抑制自然氧化物生成，采用氢氟酸/异丙醇/水溶液室温下浸泡，去离子 水冲洗，甩干后立即进炉，用快速热氧化生长界面SiOx层，在氩气和氮气的混合气氛中利用 磁控反应溅射技术交替溅射铪(Hf)靶、硅(Si)靶和铝(Al)靶，淀积形成HfSiAlON高介电 常数(高k)栅介质薄膜，淀积后进行快速热退火处理形成HfSiAlON高k栅介质，在氩气和 氮气的混合气氛中利用磁控反应溅射技术先后溅射淀积AlN和Mo薄膜，形成AIN/Mo叠层 金属栅结构，经高温退火后形成MoAlN金属栅电极，背面溅铝与合金，以便电学测量。具体工艺步骤如下步骤1 清洗硅片；在本步骤中，先用常规方法清洗，再用氢氟酸/异丙醇/水在室温下浸泡1 10分 钟，然后去离子水冲洗，甩干两遍，立即进炉；所述常规方法为在3#液中清洗10分钟，然后 在1#液中清洗5分钟；所述3#液是体积比为(2 8) 1&H2S04+H202溶液，一般采用体积 比为5 1 &H2S04+H202溶液，所述1#液是体积比为(0. 3 1) 1 5的ΝΗ40Η+Η202+Η20 溶液，一般采用体积比为0.8 1 5的ΝΗ40Η+Η202+Η20溶液。步骤2 对清洗后的硅片进行淀积前氧化；在本步骤中，在含有微量氧气的氮气中600 800°C温度下快速热氧化10 120 秒，生成5 8入的氧化层。步骤3 在氧化后的硅片上淀积HfSiAlON高介电常数栅介质薄膜；在本步骤中，采用磁控反应溅射工艺，在氩气和氮气中交替溅射铪靶、硅靶和铝 靶，逐层淀积形成HfSiAlON高k栅介质薄膜。然后，将硅片经超声清洗后进行淀积后退火， 形成致密的HfSiAlON高k栅介质。
步骤4 在铪硅铝氧氮栅介质上淀积AIN/Mo叠层金属栅结构；在本步骤中，采用磁控反应溅射工艺，溅射功率为200 1000W，工作压强为(2 8) X ICT3Torr，一般采用5X ICT3Torr，在Ar/N2的混合气氛中溅射铝靶，在Ar气中溅射钼靶， 淀积形成氮化铝/钼(AIN/Mo)复合金属栅。步骤5 对硅片进行超声清洗在本步骤中，采用丙酮超声清洗5 10分钟，无水乙醇超声清洗5 10分钟，去 离子水冲洗，甩干。步骤6 对清洗后的硅片进行金属栅淀积后退火，形成MoAlN金属栅；在本步骤中，在氮气保护下，在700 1100°C温度下快速热退火3 40秒。步骤7 背面溅铝与合金；在本步骤中，所述背面溅铝是在Ar气中采用直流溅射工艺背面溅射Al电极，Al电 极厚度为5000 10000人；所述合金是在氮气保护下350 500°C ( 一般是400°C )温度下 合金退火30 60分钟(一般是50分钟)。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
一种钼铝氮金属栅的制备方法，其特征在于，该方法包括清洗硅片；对清洗后的硅片进行淀积前氧化；在氧化后的硅片上淀积高介电常数栅介质；在高介电常数栅介质上淀积氮化铝/钼叠层金属栅；对淀积了氮化铝/钼叠层金属栅的硅片进行超声清洗；对清洗后的硅片进行金属栅淀积后退火，形成钼铝氮金属栅。
2.根据权利要求1所述的钼铝氮金属栅的制备方法，其特征在于，所述清洗硅片的步 骤包括先用常规方法清洗，再用氢氟酸/异丙醇/水在室温下浸泡1 10分钟，然后去离子 水冲洗，甩干。
3.根据权利要求2所述的钼铝氮金属栅的制备方法，其特征在于，所述常规方法为在 3#液中清洗10分钟，然后在1#液中清洗5分钟；所述3#液是体积比为(2 8) 1的 H2S04+H202溶液，所述1#液是体积比为(0. 3 1) 1 5的ΝΗ40Η+Η202+Η20溶液。
4.根据权利要求1所述的钼铝氮金属栅的制备方法，其特征在于，所述对清洗后的硅 片进行淀积前氧化的步骤包括在含有微量氧气的氮气中，在600 800 °C温度下快速热氧化10 120秒，生成 5 8 A的氧化层。
5.根据权利要求1所述的钼铝氮金属栅的制备方法，其特征在于，所述在氧化后的硅 片上淀积高介电常数栅介质的步骤包括采用磁控反应溅射工艺，在Ar/N2的混合气氛中溅射靶材，淀积形成高介电常数栅介质 薄膜；然后，将硅片经超声清洗后进行淀积后退火，形成致密的高介电常数栅介质。
6.根据权利要求1所述的钼铝氮金属栅的制备方法，其特征在于，所述淀积氮化铝/钼 叠层金属栅的步骤包括采用磁控反应溅射工艺，溅射功率为200 1000W，工作压强为(2 8) X 10_3Torr，在 Ar/N2的混合气氛中溅射铝靶，在Ar气氛中溅射钼靶，淀积形成氮化铝/钼叠层金属栅。
7.根据权利要求1所述的钼铝氮金属栅的制备方法，其特征在于，所述对淀积了氮化 铝/钼叠层金属栅的硅片进行超声清洗的步骤包括采用丙酮超声清洗5 10分钟，无水乙醇超声清洗5 10分钟，去离子水冲洗，甩干。
8.根据权利要求1所述的钼铝氮金属栅的制备方法，其特征在于，所述金属栅淀积后 退火工艺的步骤包括在氮气保护下，在700 IOOiTC温度下快速热退火3 40秒。
9.根据权利要求1所述的钼铝氮金属栅的制备方法，其特征在于，该方法在形成钼铝 氮金属栅后进一步包括背面溅铝与合金。
10.根据权利要求9所述的钼铝氮金属栅的制备方法，其特征在于，所述背面溅铝是在 Ar气中采用直流溅射工艺背面溅射Al电极，Al电极厚度为5000 10000人；所述合金是在氮气保护下350 500°C温度下合金退火30 60分钟。
全文摘要
本发明涉及纳米特征尺寸半导体器件制备技术领域，公开了一种钼铝氮金属栅的制备方法，该方法包括清洗硅片；对清洗后的硅片进行淀积前氧化；在氧化后的硅片上淀积高介电常数栅介质；在高介电常数栅介质上淀积氮化铝/钼叠层金属栅；对淀积了氮化铝/钼叠层金属栅的硅片进行超声清洗；对清洗后的硅片进行金属栅淀积后退火，形成钼铝氮金属栅。利用本发明制备的MoAlN金属栅具有非常高的有效功函数(～5.14eV)，满足PMOS器件对金属栅功函数的要求；同时，由于金属栅的采用，可以解决随着小尺寸器件特征尺寸的减小而带来的多晶硅栅耗尽效应、栅电阻严重增大、硼穿透和与高k介质不兼容的问题。
文档编号H01L21/283GK101930915SQ200910087809
公开日2010年12月29日 申请日期2009年6月26日 优先权日2009年6月26日
发明者徐秋霞, 许高博 申请人:中国科学院微电子研究所