专利名称：一种用于pmos器件的金属栅功函数的调节方法
技术领域：
本发明属于半导体技术领域，特别指一种适用于PMOS器件的金属栅功函数的调 节方法，适合于45纳米及以下技术代高性能纳米尺度互补型金属氧化物半导体(CMOS)器 件的制备应用。
背景技术：
随着CMOS器件的特征尺寸进入到45nm技术节点及以下时，为了大幅度减小栅隧 穿电流和栅电阻，消除多晶硅耗尽效应和PM0SFET(P型金属-氧化物-半导体场效应晶体 管)中硼穿透问题，提高器件可靠性，缓解费米能级钉扎效应，采用高K(介电常数)/金属 栅材料代替传统的Si02/poly (多晶硅)结构已成为业界的共识。但是金属栅集成到高K栅 介质上仍有许多问题急待解决，如热稳定性问题，界面态问题，特别是费米钉扎效应使纳米 CMOS器件需要的适当低的阈值电压的获得面临很大挑战，尤其是PMOS器件，因为PMOS器件 需要的高的功函数更难达到。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于PMOS器件的金属栅功函数的调节方法。为实现上述目的，本发明利用物理汽相淀积(PVD)方法，在高K介质如HfLaOH、 HfSiON等上面淀积一层金属氮化物膜或金属膜，作为金属栅电极，然后采用离子注入方法 将往金属栅电极中注入Al、Pt、Ru、Ga、Ir等元素，通过高温热退火将掺杂金属离子驱进到 金属栅电极与高K栅介质的界面上形成堆积或者通过界面反应生成偶极子，导致栅功函数 的改变。改变量与金属栅材料及掺杂离子的种类、浓度的剖面分布及其与界面的反应情况 有关。优化离子注入的能量、剂量和热处理条件，可以获得合适的栅功函数，以期获得合适 的阈值电压。这个方法具有普适性，工艺简单方便，调节金属栅功函数的能力强，与CMOS工 艺兼容性很好。其主要步骤如下步骤1)清洗在器件隔离形成后，进行界面氧化层形成前的清洗，先采用常规方 法清洗，然后用氢氟酸/异丙醇/水混合溶液在室温下浸泡，去离子水冲洗，甩干后立即进 炉；氢氟酸/异丙醇/水的重量比为0.2-1. 5% 0.01-0. 10% 1%;浸泡时间为0.5分-8 分钟。步骤2)界面层SiOx或SiON的形成于600_900°C下，20-120秒快速热退火；步骤3)高介电常数(K)栅介质薄膜的形成采用PVD方法，利用磁控反应溅射工 艺交替溅射Hf-La靶和Hf靶淀积形成HfLaON或交替溅射Hf靶和Si靶淀积形成HfSiON 栅介质；改变溅射功率或交替溅射的时间，以获得不同比例和厚度的高K介质膜。步骤4)淀积高K介质后快速热退火于600_1050°C下，4-120秒热退火；步骤幻金属栅电极形成采用PVD方法，利用磁控反应溅射淀积金属氮化物栅，如 TiN, TaN, MoN 等；
步骤6)P型金属离子(如Al，Pt，Ru，Ga，Ir等)注入对金属氮化物栅进行掺杂；步骤7)采用Cl基反应离子刻蚀形成金属栅电极；步骤8)高温快速热退火于500-1050°C下，2-30秒热退火；步骤9)背面欧姆接触形成采用PVD方法，利用直流溅射工艺在背面沉积Al-Si 膜，膜厚度80-120nm;步骤10)合金380-450°C温度下，在合金炉内N2中或(N2+10% H2)中合金退火 30-60 分。本发明采用离子注入方法将金属离子注入到金属栅薄膜电极中，经快速热退火 后，离子在金属栅与高K栅介质的界面上堆积或与界面反应生成偶极子，达到调节金属栅 功函数的目的，进而实现适当低的阈值电压的控制。此方法简单易行，具有好的热稳定性和 调节金属栅功函数的能力，而且与CMOS工艺完全兼容，便于集成电路产业化。
图1为不同( 注入剂量下，金属栅TiGaN中( 含量不同的PMOS电容TiGaN/ HfLa0N/ILSi02/N(100)Si栅结构高频C-V特性的比较。图2 为 PMOS 电容 TiGaN/HfLa0N/ILSi02/N(100)Si 栅结构的平带电压(Vra)与栅 介质等效氧化层厚度之间的关系。
具体实施例方式步骤1.清洗在器件隔离形成后，进行界面氧化层形成前的清洗，先采用常规方 法清洗，然后用氢氟酸异丙醇水(重量比)=0. 3-0. 8% 0. 01-0. 08% 混合溶 液在室温下浸泡2-10分，去离子水冲洗，N2中甩干后立即进炉；步骤2.界面层SiOx形成在600-800°C温度下，在队中快速热退火(RTA) 20-120 秒，；生成5_7义的氧化层；步骤3.高介电常数⑷栅介质薄膜的形成采用PVD方法，利用磁控反应溅 射工艺在N2/Ar气氛中交替溅射Hf-La靶和Hf靶淀积形成Hf LaON，溅射工作压强为 5 X IO-3Torr,溅射功率为100-500W，淀积形成的HfLaON高k栅介质薄膜厚10-40埃；步骤4.超声清洗；采用丙酮、无水乙醇先后各超声清洗5-10分钟，去离子水冲洗， N2中甩干；步骤5.淀积高K介质后快速热退火片子甩干后立即进炉，温度600-1000°C，时 间 10-120 秒。步骤6.金属氮化物栅薄膜淀积采用磁控反应溅射工艺在队/Ar气氛中溅射Ti 靶形成TiN金属栅薄膜，工作压强5 X 10_3 ，N2流量2-8SCCm，溅射功率为600_1000w，TiN 膜厚度5-100纳米。步骤7.离子注入 Ga 能量 ^(ev-80Kev，剂量 5 X 1014_6 X 1015/cm2步骤8.刻蚀TiGaN电极金属栅采用Cl基反应离子体刻蚀，射频功率100-400W， 形成TiGaN金属栅电极图形；步骤9.快速热退火对先栅工艺，在氮气保护下，在700至1050°C温度下快速热 退火2至30秒；对后栅工艺，在氮气保护下，在400-50(TC温度下在炉子里热退火20-60分；步骤10.背面欧姆接触形成采用PVD方法，在Ar气氛中利用直流溅射工艺背面 沉积Al-Si膜60-100纳米；步骤11.合金380-450°C下，在氮气保护下合金30_60分钟。从图1可以看出随( 注入剂量增加，C-V特性曲线向正方向大幅度移动，表明平 带电压向正方向大幅度移动，即PMOS器件的功函数大幅度增加。在中等( 注入剂量下，与 不掺杂( 比较，平带电压向正方向大幅度移动了 IV，非常可观。而且等效氧化层厚度大大 减薄，这是由于( 扩散到金属栅与高K界面处，与其中的氧、氮反应，进一步提高了介质的 K值，从而使等效氧化层厚度大大降低所致。由图2可见，在EOT = 0时，Vra = 0. 86V,由此可以推导出PMOS的有效功函数为 5. 17V,到达了价带顶，极好地满足了金属栅PMOS器件制备的需求。
权利要求
1.一种用于PMOS器件的金属栅功函数的调节方法，其主要步骤如下1)清洗在器件隔离形成后，进行界面氧化层形成前的清洗，先采用常规方法清洗，然 后用氢氟酸/异丙醇/水混合溶液中于室温下浸泡，去离子水冲洗，甩干后立即进炉；2)界面层SiOx或SiON的形成于600-900°C下，20-120秒快速热氧化形成；3)高介电常数栅介质薄膜的形成采用物理汽相淀积方法，利用磁控反应溅射工艺交 替溅射Hf-La靶和Hf靶淀积形成HfLaON或交替溅射Hf靶和Si靶淀积形成HfSiON栅介 质；改变溅射功率或交替溅射的时间，以获得不同比例和厚度的高介电常数介质膜。4)淀积高介电常数介质后快速热退火于600-1050°C下，10-120秒热退火；5)金属栅电极形成采用物理汽相淀积方法，利用磁控反应溅射淀积金属氮化物栅；6)P型金属离子注入对金属氮化物栅进行掺杂；7)刻蚀形成金属栅电极；8)热退火温度350-1050°C；9)背面欧姆接触形成采用物理汽相淀积方法，利用直流溅射工艺在背面沉积Al-Si膜；10)合金380-450°C温度下，在合金炉内队中合金退火30-60分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤1中氢氟酸/异丙醇/水混合溶液浓度比为 0.2-1.5%: 0. 01-0. 10% 1%，浸泡时间为 2-10 分钟。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤2中界面层SiON采用先注入氮再快速热氧 化形成或先氧化再等离子氮化形成。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤3中高介电常数栅介质膜的溅射是在N2/Ar 气氛中进行，通过改变交替溅射Hf-La靶和Hf靶或Hf靶和Si靶的功率和时间来调控各元 素的比例和膜厚。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤5中淀积金属氮化物栅采用在队/Ar气氛中 反应溅射Ti靶或Ta靶或Mo靶相应分别形成TiN或TaN或MoN。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤6中金属离子注入对PMOS器件，选择的离子 注入元素分别为Al、Pt、Ru、( 或Ir。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤7中TiN或TaN金属栅电极采用Cl基反应 离子刻蚀形成，或采用化学湿法腐蚀形成。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤8中的热退火分两类，一类是适用先栅工艺 的，可采用快速热退火或尖峰退火或激光退火，温度950-1200°C，时间5毫秒-30秒；另-类 是适用后栅工艺的，可采用炉子退火，温度350-550°C，时间20-60分。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤9背面溅射沉积的Al-Si膜厚度为80-120 纳米。
全文摘要
一种用于PMOS器件的金属栅功函数的调节方法，首先利用物理汽相淀积方法，在高K介质上面淀积一层金属氮化物膜或金属膜，作为金属栅电极，然后采用离子注入方法往金属栅电极中注入Al、Pt、Ru、Ga或Ir等元素，通过高温热退火将掺杂金属离子驱进到金属栅电极与高K栅介质的界面上形成堆积或者通过界面反应生成偶极子，达到调节金属栅有效功函数的目的。此方法具有普适性，工艺简单方便，调节金属栅功函数的能力强，与CMOS工艺兼容性很好。
文档编号H01L21/28GK102074469SQ200910241539
公开日2011年5月25日 申请日期2009年11月25日 优先权日2009年11月25日
发明者徐秋霞, 许高博 申请人:中国科学院微电子研究所