一种新型铪硅钽氧氮高介电常数栅介质的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种新型铪硅钽氧氮（HfSiTaON）高介电常数栅介质的制备方法，其特征在于：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五氧化二钽（Ta2O5）、氧化硅（SiO2）和铪氧氮（HfON）叠层栅介质，其中，Ta2O5位于叠层栅介质的上下界面处，SiO2位于HfON和Ta2O5之间；对淀积了叠层栅介质的硅片进行超声清洗；对清洗后的硅片进行淀积后退火，形成铪硅钽氧氮（HfSiTaON）高介电常数栅介质；在退火后的硅片上形成金属栅；背面溅铝与合金。本发明通过在栅介质中引入Ta可以获得具有较高介电常数的栅介质材料，解决随着小尺寸器件栅介质厚度的减薄而带来栅介质漏电急剧上升和功耗严重增大的问题，其具有更大的金属栅功函数调整能力。
【专利说明】
-种新型給括结氧氮高介电常数栅介质的制备方法
技术领域
[0001] 本发明设及半导体器件制备技术领域，尤其设及一种用于纳米尺度N型金属氧化 物半导体器件制造的给娃粗氧氮(HfSi化ON)高介电常数栅介质的制备方法。
【背景技术】
[0002] 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。随着器件尺寸的不断减小，栅氧化层厚度随之减薄。当金属氧化物场效应晶体管 (M0SFET)的特征尺寸进入45纳米W后，栅氧化层厚度已减小到1.2纳米W下。如果仍采用 传统氧化娃或氮化氧化娃栅介质，直接隧穿电流将成指数规律急剧增加。因此，2007年，英 特尔公司在45纳米技术节点开始引入高介电常数栅介质和金属栅技术。在同样等效氧化层 厚度下，高介电常数材料具有更厚的物理厚度，使栅与沟道间直接隧穿电流大大减小，功耗 显著降低。现今，高介电常数栅介质/金属栅技术广泛应用于半导体器件的制作，成为集成 电路技术的关键技术之一。但是，伴随半导体技术的发展，对高介电常数栅介质材料提出了 更高的要求，例如高的介电常数、优良的热稳定性和可靠性等。同时，要求高介电常数栅介 质材料与金属栅技术相结合，获得合适的金属栅功函数调整能力，W获得合适的阔值电压， 其中，NM0S器件要求金属栅材料的功函数在3.9eV附近，PM0S器件要求金属栅材料的功函数 在5.2eV附近。研究发现，在栅介质中引入粗(Ta)有利于高k栅介质介电常数的提高和醒0S 金属栅功函数的调整。基于运种思想，我们提出了一种给娃粗氧氮(HfSiTaON)高介电常数 栅介质的制备方法。采用给娃粗氧氮(HfSiTaON)高介电常数栅介质的制备方法，通过在栅 介质中引入化可W获得具有较高介电常数的栅介质材料，解决随着小尺寸器件栅介质厚度 的减薄而带来栅介质漏电急剧上升和功耗严重增大的问题，同时Ta的引入有利于N型金属 栅功函数的调整。
【发明内容】
[0003] 本发明的主要目的在于提供一种新型给娃粗氧氮(HfSiTaON)高介电常数栅介质 的制备方法，实现本发明的目的所采取的技术方案是:一种新型给娃粗氧氮(HfSiTaON)高 介电常数栅介质的制备方法，其特征在于:该方法包括:清洗娃片，对清洗后的娃片进行淀 积前氧化；在氧化后的娃片上淀积五氧化二粗(Ta205)、氧化娃(Si〇2)和给氧氮(HfON)叠 层栅介质，其中，Ta2化位于叠层栅介质的上下界面处，Si〇2位于HfON和化2〇5之间；对淀积了 叠层栅介质的娃片进行超声清洗；对清洗后的娃片进行淀积后退火，形成给娃粗氧氮 (HfSi化ON)高介电常数栅介质;在退火后的娃片上形成金属栅;背面瓣侣与合金。
[0004] 本发明通过在栅介质中引入化可W获得具有较高介电常数的栅介质材料，解决随 着小尺寸器件栅介质厚度的减薄而带来栅介质漏电急剧上升和功耗严重增大的问题，同 时，界面处化说5的引入有利于N型金属氧化物半导体器件金属栅功函数的调整，Si〇2的引入 有利于降低HfON对化2〇5功函数调整能力的影响，使其具有更大的金属栅功函数调整能力。
【附图说明】
[0005] 图1是本发明流程中各步骤对应的栅介质结构的截面图。
[0006] 图中，100、娃片，102、Si〇2,104、化2〇日薄膜，106、Si02,108、Hf0N高介电常数栅介质 薄膜，110、Si02薄膜，112、Ta2化薄膜，114、为104~112的复合体，116、金属栅，118、A1电极。
【具体实施方式】
[0007] 通过W下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述W及其他目的、特征和 优点将更为清楚：图1示出了本发明实施例制造 HfSi化ON高介电常数栅介质的流程中各步 骤对应的栅介质结构的截面图。下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图 中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的 元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本 发明的限制。在附图中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。运些图并非是按比例绘 制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各 种区域、层的形状W及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造 公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可W另外设计具有不同形 状、大小、相对位置的区域/层。一种新型给娃粗氧氮(HfSiTaON)高介电常数栅介质的制备 方法，其特征在于:该方法包括:清洗娃片，对清洗后的娃片进行淀积前氧化；在氧化后的 娃片上淀积五氧化二粗(Ta地5)、氧化娃(Si〇2)和给氧氮(HfON)叠层栅介质，其中，化2〇5位于 叠层栅介质的上下界面处，Si〇2位于HfON和化205之间；对淀积了叠层栅介质的娃片进行超 声清洗;对清洗后的娃片进行淀积后退火，形成给娃粗氧氮(HfS 口 aON)高介电常数栅介质； 在退火后的娃片上形成金属栅;背面瓣侣与合金。
[0008] 所述清洗娃片的步骤包括:在3#液中清洗10分钟，然后在1#液中清洗5分钟，最后 用氨氣酸和水溶液浸泡1至3分钟去除自然氧化层，然后去离子水冲洗，甩干;其中，所述3# 液是硫酸和双氧水溶液，所述1#液是氨水、双氧水和水溶液。
[0009] 所述对清洗后的娃片进行淀积前氧化的步骤包括:采用热氧化工艺或化学氧化工 艺在娃衬底上形成5至10义的氧化层。
[0010] 所述在氧化后的娃片上淀积叠层栅介质的步骤包括:采用瓣射工艺或原子层淀积 工艺在娃衬底上逐层淀积化2〇5、Si化和Hf ON，形成叠层栅介质，其中化2化分布于叠层栅介质 的上下界面处，Si〇2位于HfON和化2〇5之间。
[0011] 所述淀积后退火的步骤包括:在氮气保护下，在500至1000 °C溫度下快速热退火5 至90秒。
[0012] 所述形成金属栅的步骤包括：采用瓣射工艺或原子层淀积工艺淀积形成氮化粗 (化N)金属栅。
[0013] 所述背面瓣侣与合金的步骤包括:所述背面瓣侣是在氣气中采用瓣射工艺背面瓣 射侣(A1)电极，A1电极厚度为5000至10000 所述合金是在氮气保护下350至500 °C溫度下 合金退火30至60分钟。
[0014] 本发明通过在栅介质中引入化可W获得具有较高介电常数的栅介质材料，解决随 着小尺寸器件栅介质厚度的减薄而带来栅介质漏电急剧上升和功耗严重增大的问题，同 时，界面处化地5的引入有利于N型金属氧化物半导体器件金属栅功函数的调整，Si〇2的引入 有利于降低HfON对化2〇5功函数调整能力的影响，使其具有更大的金属栅功函数调整能力。 为了更好的理解本发明，W下将结合附图对具体的实施例进行详细的描述。
[001引首先，提供娃片100，如图所示； 接着，清洗娃片； 具体地，在本实施例中，在3#液中清洗10分钟，然后在1#液中清洗5分钟，最后用氨氣 酸/水溶液浸泡1至3分钟去除自然氧化层，然后去离子水冲洗，甩干;其中，所述3#液是体积 比为5:1的硫酸和双氧水溶液，所述1#液是体积比为1: 2:10的氨水、双氧水和水溶液，所述 氨氣酸/水溶液是体积比为1:10的氨氣酸和水溶液，然后，对清洗后的娃片进行淀积前氧 化，形成Si化薄膜102，如图所示； 具体地，在本实施例中，在含有部分氧气的氮气中600至800 °C溫度下快速热退火30至 120秒，生成5至7|；的氧化层。接着，在氧化后的娃片上淀积化205薄膜104,如图所示； 具体地，在本实施例中，采用原子层淀积工艺在氧化后的娃片上淀积形成化205薄膜。
[0016] 然后，在化2〇5薄膜104上淀积Si化薄膜106,如图所示； 具体地，在本实施例中，采用原子层淀积工艺在Si化薄膜上淀积形成Si化薄膜。接着， 在Si化薄膜106上淀积HfON高介电常数栅介质薄膜108，如图所示； 具体地，在本实施例中，采用磁控瓣射技术，在氧气和氮气气氛中，瓣射给祀，淀积形成 HfON高k栅介质薄膜，通过改变氮气流量可改变薄膜中的氮含量，调整瓣射功率和时间可改 变薄膜的厚度与组分。
[0017] 然后，在HfON高介电常数栅介质薄膜108上淀积Si化薄膜110,如图所示； 具体地，在本实施例中，采用原子层淀积工艺在HfON高介电常数栅介质薄膜上淀积形 成Si化薄膜。接着，在Si化薄膜110上淀积化2〇5薄膜112，如图所示； 具体地，在本实施例中，采用原子层淀积工艺在Si02薄膜上淀积形成化2〇5薄膜。然后， 对淀积了Ta2〇日、Si〇2和HfON叠层栅介质的娃片进行超声清洗； 具体地，在本实施例中，采用丙酬超声清洗5分钟，无水乙醇超声清洗5分钟，去离子水 冲洗，甩干两遍，立即进炉。接着，对清洗后的娃片进行淀积后退火，形成HfSi化ON高k栅介 质薄膜，如图所示。
[001引具体地，在本实施例中，在氮气保护下，在500至1000 %溫度下快速热退火5至90 秒，使化205、Si02和HfON叠层栅介质中各元素互扩散形成Hf Si化ON高k栅介质薄膜，此时化 元素主要分布在栅介质的上下界面，起到提高栅介质介电常数和调整N型金属栅功函数的 作用，Si02有效避免了 HfON栅介质对化元素金属栅功函数调整的不利影响，使金属栅功函 数调整能力更强。然后，在退火后的娃片上形成金属栅116,如图所示。
[0019]具体地，在本实施例中，在Ar/N2的混合气氛中瓣射粗祀，淀积形成TaN金属栅，TaN 厚度为300至700|^|。最后，背面瓣侣与合金，形成背面A1电极118,如图所示。
[0020] 具体地，在本实施例中，在氣气中采用直流瓣射工艺背面瓣射电极A1电极，A1电极 厚度为5000至lOOOOj^;所述合金是在氮气保护下350至500 °C溫度下合金退火30至60分钟。
[0021] W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，w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。
【主权项】
1. 一种新型铪硅钽氧氮(HfSiTaON)高介电常数栅介质的制备方法，其特征在于: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五氧化二钽(Ta 205)、氧化 娃(Si〇2)和铪氧氮(HfON)叠层栅介质，其中，Ta2〇5位于叠层栅介质的上下界面处，Si〇2位 于HfON和Ta 2〇5之间；对淀积了叠层栅介质的硅片进行超声清洗;对清洗后的硅片进行淀积 后退火，形成铪硅钽氧氮(HfSiTaON)高介电常数栅介质;在退火后的硅片上形成金属栅;背 面溅铝与合金。2. 根据权利要求1所述的新型铪硅钽氧氮高介电常数栅介质的制备方法，其特征在于， 所述清洗硅片的步骤包括:在3#液中清洗10分钟，然后在1 #液中清洗5分钟，最后用氢氟酸 和水溶液浸泡1至3分钟去除自然氧化层，然后去离子水冲洗，甩干;其中，所述3#液是硫酸 和双氧水溶液，所述1#液是氨水、双氧水和水溶液。3. 根据权利要求1所述的新型铪硅钽氧氮高介电常数栅介质的制备方法，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:采用热氧化工艺或化学氧化工艺在硅衬 底上形成5至10.又的氧化层。4. 根据权利要求1所述的新型铪硅钽氧氮高介电常数栅介质的制备方法，其特征在于， 所述在氧化后的硅片上淀积叠层栅介质的步骤包括:采用溅射工艺或原子层淀积工艺在硅 衬底上逐层淀积Ta2〇5、Si〇2和HfON，形成叠层栅介质，其中Ta2〇5分布于叠层栅介质的上下界 面处，Si〇2位于HfON和Ta2〇5之间。5. 根据权利要求1所述的新型铪硅钽氧氮高介电常数栅介质的制备方法，其特征在于， 所述淀积后退火的步骤包括:在氮气保护下，在500至1000 °C温度下快速热退火5至90秒。6. 根据权利要求1所述的新型铪硅钽氧氮高介电常数栅介质的制备方法，其特征在于， 所述形成金属栅的步骤包括:采用溅射工艺或原子层淀积工艺淀积形成氮化钽(TaN)金属 栅。7. 根据权利要求1所述的铪硅钽氧氮高介电常数栅介质的制备方法，其特征在于，所述 背面溅铝与合金的步骤包括:所述背面溅铝是在氩气中采用溅射工艺背面溅射铝(A1)电 极，A1电极厚度为5000至10000又;所述合金是在氮气保护下350至500 °C温度下合金退火30 至60分钟。
【文档编号】H01L29/51GK105869992SQ201610197936
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】滕昭新
【申请人】国网山东省电力公司夏津县供电公司