专利名称：一种适用于nmos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NMOS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，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-Si (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。
发明内容
本发明的目的在于提出一种适用于NMOS器件的金属栅功函数的调节方法，以获得合适的栅功函数，以期获得合适的阈值电压。为实现上述目的，本发明提供的适用于NMOS器件的金属栅功函数的调节方法，其主要步骤如下步骤1)器件隔离形成后界面氧化层SiOx或SiON的形成于600-900°C下，20-120 秒快速热氧化形成；步骤2、高介电常数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；步骤幻淀积高介电常数介质薄膜后快速热退火于600-1050°C下，10-120秒热退火；步骤4)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；步骤幻N型金属离子注入对金属氮化物栅进行掺杂；步骤6)刻蚀形成金属栅电极；步骤7)热退火温度;350-1050°C ；步骤8)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；步骤9)合金380-450°C温度下，在合金炉内队中合金退火30_60分。所述的调节方法，其中，步骤1中在器件隔离形成后，界面氧化层形成前，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，甩干后立即进行界面氧化层的形成。所述的调节方法，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。
所述的调节方法，其中，步骤2中界面氧化层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。所述的调节方法，其中，步骤2中高介电常数栅介质膜的溅射是在队/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。所述的调节方法，其中，步骤4中淀积金属氮化物栅采用在N2/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。所述的调节方法，其中，步骤5中金属离子注入对NMOS器件，选择的离子注入元素分别有 或Er或％或Sr。所述的调节方法，其中，步骤6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。所述的调节方法，其中，步骤7中的热退火分两类，一类是适用先栅工艺的，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；另一类是适用后栅工艺的，采用炉子退火，温度350-550°C，时间20-60分。所述的调节方法，其中，步骤8背面溅射沉积的Al-Si膜厚度为80-120纳米。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在高K栅介质与SiO2的界面上通过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Tb注入剂量下，金属栅TWbN中1 含量不同的NMOS电容TWbN/ HfLa0N/ILSi02/N(100)Si栅结构高频C-V特性的比较。从图可以看出随Tb注入剂量增加， C-V特性曲线向负方向大幅度移动，表明平带电压向负方向大幅度移动，即NMOS器件的功函数大幅度减小。
具体实施例方式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对金属栅电极进行掺杂，对NMOS器件，选择的离子注入元素分别有Tb，或Er，或％，或Sr等元素，然后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在高K栅介质与Si02的界面上形成偶极子，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。本发明的主要步骤如下步骤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5)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) N型金属离子(如Tb，或Er，或％，或Sr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。以下结合实施例作进一步的说明。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5-7A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 Tb 能量 10Kev_120Kev，剂量 2X 10W_6X 1015/cm2步骤8.刻蚀TiTbN电极金属栅采用Cl基反应离子体刻蚀，射频功率100-400W， 形成TiTbN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；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。表1给出了平带电压随Tb注入剂量的变化。在Tb注入剂量为5. 5E14cm 2下，与不掺杂Tb比较，平带电压向负方向大幅度移动了 0. 38V，很有效，极好地满足了 NMOS器件的需要。表 权利要求
1.一种适用于NMOS器件的金属栅功函数的调节方法，其主要步骤如下步骤1)器件隔离形成后界面氧化层SiOx或SiON的形成于600-900°C下，20-120秒快速热氧化形成；步骤2、高介电常数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；步骤幻淀积高介电常数介质薄膜后快速热退火于600-1050°C下，10-120秒热退火；步骤4)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；步骤ON型金属离子注入对金属氮化物栅进行掺杂；步骤6)刻蚀形成金属栅电极；步骤7)热退火温度350-1050°C ；步骤8)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；步骤9)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所述的调节方法，其中，步骤1中在器件隔离形成后，界面氧化层形成前，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，甩干后立即进行界面氧化层的形成。
3.根据权利要求1或2所述的调节方法，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。
4.根据权利要求1所述的调节方法，其中，步骤2中界面氧化层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。
5.根据权利要求1所述的调节方法，其中，步骤2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。
6.根据权利要求1所述的调节方法，其中，步骤4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。
7.根据权利要求1所述的调节方法，其中，步骤5中金属离子注入对NMOS器件，选择的离子注入元素分别有Tb或Er或％或Sr。
8.根据权利要求1所述的调节方法，其中，步骤6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。
9.根据权利要求1所述的调节方法，其中，步骤7中的热退火分两类，一类是适用先栅工艺的，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 ’另一类是适用后栅工艺的，采用炉子退火，温度350-550°C，时间20-60分。
10.根据权利要求1所述的调节方法，其中，步骤8背面溅射沉积的Al-Si膜厚度为 80-120 纳米。
全文摘要
一种适用于NMOS器件的金属栅功函数的调节方法，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Tb或Er或Yb或Sr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在高K栅介质与SiO2的界面上形成偶极子，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H01L21/28GK102254805SQ201010183450
公开日2011年11月23日 申请日期2010年5月19日 优先权日2010年5月19日
发明者徐秋霞, 许高博 申请人:中国科学院微电子研究所