专利名称：适用于pmos器件全硅化金属栅功函数的调节方法
技术领域：
本发明涉及微电子超深亚微米技术互补金属氧化物半导体器件(CM0Q及超大规 模集成技术领域，特别是指一种用于调节PMOS器件全硅化金属栅栅功函数的方法。
背景技术：
随着微电子技术的发展，传统的多晶硅栅电极已不能满足纳米器件的要求。纳米 器件多晶硅栅电极存在以下问题a、PMOS管的硼穿透效应；b、多晶硅耗尽效应；C、栅串联电阻过大；d、与下一代栅介质材料(高介电常数栅介质)不兼容，存在费米钉扎效应。而金属栅电极能够很好的解决多晶硅栅电极存在的以上问题，成为多晶硅栅电极 的替代者，并成为国际上研究的热点。但是制备金属栅器件，还有很多的问题需要解决。首先考虑的因素就是栅材料的 选择问题。在决定选择何种材料作为栅材料时要考虑很多因素。比如1)与CMOS工艺的兼容性(如热稳定性，可刻蚀等)；2)对栅介质可靠性的影响；3)工艺的可扩展性(如高介电常数栅介质)。除了上面的因素以外，选择的最主要考虑的因素是合适的栅功函数的匹配问题。由于栅功函数直接影响器件的阈值电压(Vth)和晶体管的性能。为了获得良好的 性能，必须选择合适的栅功函数使NMOS和PMOS管的阈值电压对称并适当低。对于先进的新 结构的器件而言，栅功函数尤为重要。这些新器件结构，很多工作在全耗尽的工作模式下。 衬底掺杂浓度很低甚至未掺杂。这样可以避免掺杂引起的阈值浮动，减少杂质对沟道区载 流子的散射作用，提高载流子的迁移率，获得更高的驱动电流。但是这样做的结果是不能采 用向沟道内注入杂质的方法来调节阈值电压，只能通过改变栅极的功函数来调节器件的阈 值，对栅电极功函数的调节能力有比较高的要求。迄今为止，研究人员已经提出了多种金属栅集成技术，如单功函数金属栅方法、双 金属法、金属互扩散法、单金属双功函数法、全硅化法。在这些方法中，由于全硅化法栅功函 数调节方法简单、制备工艺简单、与CMOS工艺兼容性好，使其成为一种很有希望应用于下 一代金属栅制备工艺的技术。最初全硅化方法通常采用注入常规杂质(B、BF2、As、P、Sb)等来调节全硅化金属栅 的功函数。但是研究发现常规的杂质的栅功函数调节能力有限，无法满足高性能体硅互补 金属氧化物半导体器件(CM0Q对栅电极功函数的要求；而且注入的As、Sb杂质也会造成栅 介质与栅电极之间的黏附性问题。为了满足高性能互补金属氧化物半导体器件(CMOS)对 栅电极功函数的要求，需要寻找新的杂质来调节全硅化金属栅的栅功函数。新的杂质既要 能获得较大的栅功函数调节能力，还要能够与CMOS工艺兼容，易于集成到CMOS工艺中去。研究发现PMOS器件的栅共功函数较难调节，因此有必要寻找新的、易于集成的PMOS器件的 全硅化金属栅功函数调节方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种易于集成的、与CMOS工艺兼容性好的调节PMOS器件 全硅化金属栅栅功函数的方法。为了实现上述目的，本发明利用离子注入技术在硅化前向多晶硅栅内注入杂质铝 (Al)并激活杂质，然后淀积金属镍(Ni)并进行快速热退火(RTA)使金属镍和多晶硅完全反 应形成全硅化物金属栅；同时全硅化过程将注入的杂质铝(Al)分凝至全硅化栅/栅介质界 面附近与氧发生反应形成Al-Ox键，此时的Al是以氧化态的形式存在。Al-Ox键在界面处 形成电偶极子(dipole)，形成一个局部电场，从而改变了界面处的能带结构，导致栅电极功 函数增加，从而调节全硅化金属栅的栅功函数。具体采用的技术方案包括如下步骤1)局部氧化隔离或浅槽隔离，进行注入前氧化，然后注入14N+ ；2)漂净注入前氧化膜，栅氧化，并沉积多晶硅；3)光刻、刻蚀形成多晶硅栅电极；4)注入Al杂质，杂质激活；5)淀积金属镍，退火硅化，使金属镍和多晶硅完全反应形成全硅化物金属栅；6)选择去除未反应的金属镍。上述技术方案中，所述局部氧化隔离或浅槽隔离的步骤中，氧化温度为1000°C，隔 离层厚度为3000至5000 A;所述注入前氧化的步骤中，氧化厚度为loo至300 A;所述注入 14N+的步骤中，注入条件为注入能量为10至35Kev，注入剂量为1 X IOw至8 X IO14CnT2。上述技术方案中，所述漂净注入前氧化膜的步骤中，采用体积比为H2O HF = 9 1的溶液进行漂洗，然后采用3#腐蚀液清洗10分钟，1#腐蚀液清洗5分钟，HF/异丙醇 IPA溶液室温下浸渍5分钟；该3#腐蚀液是体积比为3-5 1的H2SO4与H2R溶液；该1#腐 蚀液是体积比为1-0. 7 1 5的ΝΗ40Η+Η202+Η20溶液；氢氟酸/异丙醇/水是体积比为 百分之 0.2-1 百分之 0.01-0. 08 1 的 HF+IPA+H20 溶液。上述技术方案中，所述栅氧化并沉积多晶硅的步骤中，栅氧化的厚度为15至 50 A，沉积多晶硅采用化学气相淀积LPCVD方法，沉积的多晶硅的厚度为1000至2000 A0上述技术方案中，所述在光刻、刻蚀形成多晶硅栅电极之前进一步包括去背面多 晶硅，并漂净背面氧化层，然后进行背面注入，注入杂质31P,注入能量为50至lOOKev，注入 剂量为 3X IO15 至 6X IO15CnT2。上述技术方案中，所述在光刻、刻蚀形成多晶硅栅电极的步骤包括采用厚度为 1. 5微米的9918胶作为掩模进行光刻，采用反应离子刻蚀多晶硅，将场区内多晶硅刻蚀干 净，形成多晶硅栅电极。上述技术方案中，所述注入Al杂质的步骤中，注入的杂质为铝，将杂质铝注入多 晶硅栅内，注入能量为30至90Kev,注入剂量为1 X IO15至8 X IO1W0上述技术方案中，所述杂质激活的步骤中，采用退火激活注入杂质，退火温度950 至1050°C，退火时间3秒至10秒。
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上述技术方案中，所述淀积金属镍并退火硅化的步骤中，淀积金属镍的厚度为600 至1400 A，退火条件为温度500至580°C，时间30至60秒。上述技术方案中，所述选择去除未反应的金属镍的步骤中，采用3#腐蚀液进行腐 蚀去除未反应的金属镍，该3#腐蚀液为体积比(3 5) 1的H2SO4与H2O2溶液，腐蚀时间 为20至30分钟。本发明的有益效果本发明利用离子注入技术在硅化前向多晶硅栅内注入杂质铝(Al)，然后淀积金属 镍(Ni)并进行快速热退火(RTA)使金属镍和多晶硅完全反应形成全硅化物金属栅；同时全 硅化过程将注入的杂质铝(Al)分凝至全硅化栅/栅介质界面附近与氧发生反应形成Al-Ox 键，此时的Al是以氧化态的形式存在。Al-Ox键在界面处形成电偶极子(dipole)，形成一 个局部电场，从而改变了界面处的能带结构，导致栅电极功函数增加，从而调节PMOS全硅 化金属栅的栅功函数。另外，本发明提供的调节金属栅的栅功函数的方法，易于集成，与CMOS工艺兼容 性好。
图1是本发明提供的调节P型全硅化金属栅电容栅功函数的方法流程图；2e是本发明制备P型全硅化金属栅电容的制备工艺步骤；其中(a)为淀积多晶硅并光刻、刻蚀后形成的结构；(b)为Al杂质注入示意图；(C)为 淀积金属(Ni)后示意图；(d)为硅化退火反应生成(Ni)金属硅化物栅电极示意图；(e)为 选择去除未反应的金属(Ni)后示意图；图2中的符号说明1-体硅衬底，2-栅氧化层，3-多晶硅栅电极，4-L0C0S隔离，5_离子注入Al元素， 6-淀积的金属(Ni)，7-反应生成的(Ni)金属硅化物栅电极；图3是本发明所制备的金属栅电极的TEM图；图4是利用本发明制备的栅内注入Al杂质电容的CV特性曲线。
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。如图1所示，图1是本发明提供的调节P型全硅化金属栅电容栅功函数的方法流 程图，该方法包括步骤101 局部氧化隔离或浅槽隔离，进行注入前氧化，然后注入14N+ ；本步骤中，局部氧化隔离或浅槽隔离时，氧化温度为1000°C，隔离层厚度为3000 至5000 A;注入前氧化的氧化厚度为100至300 A;注入14N+的注入条件为注入能量为10 至35Kev,注入剂量为1 X IO14至8 X IO1W20步骤102 漂净注入前氧化膜，栅氧化，并沉积多晶硅；本步骤中，漂净注入前氧化膜采用体积比为H2O HF = 9 1的溶液进行漂洗， 然后采用3#腐蚀液清洗10分钟，1#腐蚀液清洗5分钟，HF/异丙醇IPA溶液室温下浸渍5分钟；该3#腐蚀液是体积比为3-5 1 WH2SO4与H2O2溶液；该1#腐蚀液是体积比为 1-0.7 1 5的ΝΗ40Η+Η2Α+Η20溶液；氢氟酸/异丙醇/水是体积比为百分之0. 2-1 百分之0.01-0. 08 1的HF+IPA^120溶液。栅氧化并沉积多晶硅的步骤中，栅氧化的厚度 为15至50 A，沉积多晶硅采用化学气相淀积LPCVD方法，沉积的多晶硅的厚度为1000至
2000 A0步骤103 光刻、刻蚀形成多晶硅栅电极；本步骤中，采用厚度为1. 5微米的9918胶作为掩模进行光刻，采用反应离子刻蚀 多晶硅，将场区内多晶硅刻蚀干净，形成多晶硅栅电极。在光刻、刻蚀形成多晶硅栅电极之前进一步包括去背面多晶硅，并漂净背面氧 化层，然后进行背面注入，注入杂质31P,注入能量为50至lOOKev，注入剂量为3X IO15至 6 X IO15CnT2。步骤104 注入Al杂质，杂质激活；本步骤中，注入的杂质为铝，将杂质铝注入多晶硅栅内，注入能量为30至90Kev， 注入剂量为IXio15至8X1015cm_2。杂质激活采用退火激活注入杂质，退火条件为温度950 至1050°C，时间3秒至10秒。步骤105 淀积金属镍，退火硅化，使金属镍和多晶硅完全反应形成全硅化物金属 栅；本步骤中，淀积金属镍的厚度为600至1400 A，退火条件为温度500至580°C， 时间30至60秒。步骤106 选择去除未反应的金属镍。本步骤中，采用3#腐蚀液进行腐蚀去除未反应的金属镍，该3#腐蚀液为体积比 3-5 1的H2SO4与H2O2溶液，腐蚀时间为20至30分钟。图加-e是本发明制备P型全硅化金属栅电容的工艺步骤。其中(a)为淀积多晶硅并光刻、刻蚀后形成的MOS电容结构；(b)为杂质注入示意图； (c)为淀积金属(Ni)后示意图；(d)为硅化退火反应生成(Ni)金属硅化物栅电极示意图； (e)为选择去除未反应的金属(Ni)后示意图。该工艺具体包括以下步骤步骤1 场氧化=IOOO0C,3000-5000 A；步骤2 注入前氧化厚100 A-300 A；步骤3 注入 14N+，能量为 10-35Kev,剂量为 1 X 1014cnT2-8 X IO14CnT2 ；步骤4 漂净注入前氧化层=H2O HF = 9 1溶液中漂净；步骤5 清洗3#液清洗10分钟，1#液清洗5分钟，HF/异丙醇(IPA)，室温下浸渍 5分钟；步骤6 栅氧化厚度44 A ；步骤7 化学气相淀积(LPCVD)多晶硅1000 A-2000 A;步骤8 去背面多晶硅，并漂净背面氧化层；步骤9 背面注入注入杂质31P,能量50-100Kev，剂量3X1015-6X1015 ；步骤10 光刻多晶硅9918胶，1. 5微米；步骤11 反应离子刻蚀多晶硅场区刻干净多晶硅；步骤12 栅注入注入杂质Al，注入能量60Kev，剂量4X IO15CnT2 ；
步骤13 杂质激活退火温度950至1050°C，退火时间3秒至10秒；步骤14 溅射金属镍(Ni)厚度，600-1400人；步骤15 快速热退火(RTA)温度500_580°C，时间30-60秒；步骤16 选择腐蚀3#液(H2SO4 H2O2 = 5 1)，20_30分钟，将未反应的金属镍 (Ni)去除；图3是本发明所制备的全硅化金属栅电极的TEM图，从图中可以看出多晶硅栅电 极已经完全转变为硅化物金属栅电极。图4是利用本发明制备的电容的CV特性曲线，从中可以看出栅内注入杂质Al后 CV曲线发生偏移，平带电压(Vfb)的变化反映了栅电极的栅功函数发生变化；在实验范围 内，注入Al后电容的平带电压较未掺杂的电容的平带电压最大变化了大约0. 3V ；通过计 算，功函数可调节到4. 639eV。以上用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
1.一种适用于PMOS器件全硅化金属栅功函数的调节的方法，其主要步骤包括1)局部氧化隔离或浅槽隔离，进行注入前氧化，然后注入14N+；2)漂净注入前氧化膜，栅氧化，并沉积多晶硅；3)光刻、刻蚀形成多晶硅栅电极；4)注入Al杂质，杂质激活；5)淀积金属镍，退火硅化，使金属镍和多晶硅完全反应形成全硅化物金属栅；6)选择去除未反应的金属镍。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述局部氧化隔离或浅槽隔离的步骤中，氧化温 度为800-1000°C，隔离层厚度为3000-5000 A;所述注入前氧化的步骤中，氧化厚度为100-300 A；所述注入14N+的步骤中，注入条件为注入能量为10-35Kev，注入剂量为 IXIO14-SXIO1W2O
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述漂净注入前氧化膜的步骤中，采用体积比为 H2O HF = 6-9 4-1的溶液进行漂洗，然后采用3#腐蚀液清洗6-10分钟，1#腐蚀液清洗 3-5分钟，HF/异丙醇IPA溶液室温下浸渍3-5分钟；该3#腐蚀液是体积比为3-5 1的 H2SO4与H2O2溶液；该1#腐蚀液是体积比为1-0. 7 1 5的ΝΗ40Η+Η2Α+Η20溶液；氢氟酸 /异丙醇/水是体积比为0.2-1% 0. 01-0. 08% 1的HF+IPA+H20溶液。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述栅氧化并沉积多晶硅的步骤中，栅氧化的厚 度为15-50 A，沉积多晶硅采用化学气相淀积方法，沉积的多晶硅的厚度为1000-2000 Ao
5.根据权利要求1所述的的方法，其中，所述在光刻、刻蚀形成多晶硅栅电极之前包括去背面多晶硅，并漂净背面氧化层，然后进行背面注入，注入杂质31P,注入能量为 50-100Kev，注入剂量为 3 X IO15-BXIOiW2ο
6.根据权利要求1所述的的方法，其中，所述在光刻、刻蚀形成多晶硅栅电极的步骤包括采用厚度为1. 0-1. 5微米的9918胶作为掩模进行光刻，采用反应离子刻蚀多晶硅，将 场区内多晶硅刻蚀干净，形成多晶硅栅电极。
7.根据权利要求1所述的的方法，其中，所述注入Al杂质的步骤中，注入的杂质为铝， 将杂质铝注入多晶硅栅内，注入能量为30-90Kev，注入剂量为1 X 1015-8 X IO15cnT2。
8.根据权利要求1所述的的方法，其中，所述杂质激活的步骤中，采用退火激活注入杂 质，退火温度950-1050°C，退火时间3秒-10秒。
9.根据权利要求1所述的的方法，其中，所述淀积金属镍并退火硅化的步骤中，淀积金 属镍的厚度为600-1400 A，退火温度500-580°C，退火时间30-60秒。
10.根据权利要求1所述的的方法，其中，所述选择去除未反应的金属镍的步骤中，采 用3#腐蚀液进行腐蚀去除未反应的金属镍，该3#腐蚀液为体积比3-5 1的H2SO4与H2A 溶液，腐蚀时间为20至30分钟。
全文摘要
一种适用于PMOS器件的全硅化金属栅功函数的调节方法，包括局部氧化隔离或浅槽隔离，进行注入前氧化，然后注入14N+；漂净注入前氧化膜，栅氧化，并沉积多晶硅；光刻、刻蚀形成多晶硅栅电极；注入Al杂质，杂质激活；淀积金属镍，退火硅化，使金属镍和多晶硅完全反应形成全硅化物金属栅；选择去除未反应的金属镍。本发明提供的方法，易于集成，实现了与CMOS工艺的良好兼容。
文档编号H01L21/8238GK102110598SQ200910243739
公开日2011年6月29日 申请日期2009年12月23日 优先权日2009年12月23日
发明者周华杰, 徐秋霞 申请人:中国科学院微电子研究所