一种低功函数金属栅形成方法
【专利摘要】本发明实施例公开了一种低功函数金属栅形成方法，该方法包括：提供衬底；在衬底上生长界面层薄膜；在界面层薄膜上生长高K栅介质层；在高K栅介质层上沉积金属栅功函数层；在金属栅功函数层上沉积功函数调节层；在功函数调节层上沉积填充金属，并进行热处理；进行一次热退火处理和/或二次热退火处理，其中，所述一次热退火处理在生长高K栅介质层完成后进行，所述二次热退火处理在沉积金属栅功函数层完成后进行。通过本发明实施例所提供的技术方案，可以有效增强调节层低功函数金属对于功函数的调节能力，从而实现CMOS器件在低漏电流情况下的低阈值电压。
【专利说明】一种低功函数金属栅形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体领域，更具体地说，涉及一种低功函数金属栅形成方法。
【背景技术】
[0002]随着半导体技术的不断发展，集成电路集成化程度越来越高，器件的尺寸也不断减小。然而器件尺寸的不断减小导致器件的性能也收到很大的影响。
[0003]例如，随着CMOS器件特征尺寸越来越小，为了实现大的饱和电流，必须降低阈值电压。目前，减低阈值电压的一个方法是利用带边函数金属栅来降低阈值电压。针对CMOS电路中的NMOS管，需要低功函数的金属栅来降低阈值电压，为实现该目的，一般利用在带中或高功函数的金属栅中掺入低功函数金属来实现，例如可以掺入TiAl或Al等金属，但此种调节是有上限的，因为如果低功函数金属掺入太多的话，会导致漏电流急剧增大。而漏电流过大，容易增大电子器件的功耗，导致电子器件温度升高，从而影响电子器件的寿命。
[0004]因此，为解决上述问题，需要一种新的低功函数金属栅形成方法。
【发明内容】
[0005]本发明实施例是这样实现的:
[0006]本发明实施例提供了一种低功函数金属栅形成方法，包括:
[0007]提供衬底；
[0008]在衬底上生长界面层薄膜；
[0009]在界面层上生长高K栅介质层；
[0010]热退火处理；
[0011]在高K栅介质层上沉积金属栅功函数层；
[0012]在金属栅功函数层上沉积功函数调节层；
[0013]在功函数调节层上沉积填充金属，并进行热处理；
[0014]进行一次热退火处理和/或二次热退火处理，其中，所述一次热退火处理在生长高K栅介质层完成后进行，所述二次热退火处理在沉积金属栅功函数层完成后进行。
[0015]与现有技术相比，本发明实施例提供的技术方案具有以下优点:通过在金属栅的形成过程中适当引入热退火处理，有效增强低功函数金属对于功函数的调节能力，从而实现CMOS器件在低漏电流情况下的低阈值电压。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]图1为本发明实施例所涉及的一种低功函数金属栅结构示意图；[0018]图2为本发明实施例所提供的一种低功函数金属栅形成方法流程图；
[0019]图3为本发明实施例所提供的另一种低功函数金属栅形成方法流程图；
[0020]图4为本发明实施例所提供的第三种低功函数金属栅形成方法流程图。
【具体实施方式】
[0021]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0022]本公开通过在金属栅形成过程中适当引入退火工艺，从而有效提高低功函数金属在带中或高功函数的金属栅中的调节能力，这样，无需在带中或高功函数金属栅中掺入太多的低功金属，就可实现CMOS器件阈值电压的降低，且不会导致漏电流过大。
[0023]如图1所示，为本公开所涉及的低功金属栅结构示意图。该结构从下至上依次包括:半导体衬底101 ;界面层薄膜102 ;高1(栅介质层103 ;金属栅功函数层104 ;功函数调节层105和填充金属层106。
[0024]实施例一
[0025]为此，本实施例提供了一种低功函数金属栅的形成方法，具体步骤可参考图2所示，包括:
[0026]步骤S201:提供半导体衬底101 ；
[0027]在本步骤中，衬底101以Si为例，但在实际应用中，衬底可以包括任何适合的半导体衬底材料，具体可以是但不限于S1、Ge、GeS1、GaAs、InP, GaInAs、SiC, SOI (绝缘体上硅)或者任何III /V族化合物半导体等。根据现有技术公知的设计要求(例如P型衬底或者η型衬底)，衬底101可以包括各种掺杂配置。此外，衬底101可以可选地包括外延层，可以被应力改变以增强性能。
[0028]步骤S202:在衬底101上生长界面层薄膜102 ；
[0029]在本实施例中，界面层薄膜102可以为SiO2薄膜。
[0030]步骤S203:在界面层薄膜102上生长高K栅介质层103 ；
[0031]在本实施例中，高K栅介质层103可以包括Hf02、HfSiO, HfSiON, HfTaO, HfTiO,HfZrO及其组合，以及/或者其他合适的材料。高K栅介质层103可以通过例如化学气相沉积(CVD)或者原子层沉积(ALD)的工艺来形成。在本发明实施例中，该高K介质层103为HfO2薄膜，并且采用ALD技术生成，其厚度可在2-4nm之间。
[0032]步骤S204:对该结构进行热退火处理；
[0033]在本实施例中，热处理温度范围可在300-600° C之间，时间可控制在5s到2min之间。其中，在进行热退火处理时，可以选择在氮气或者有少量氧气的氛围内进行。
[0034]步骤S205:在高K栅介质层103上沉积金属栅功函数层104 ；
[0035]在实际应用中，金属栅功函数层的材料可以包括TaC、HfC、TiC、TiN、TiSiN、TaTbN、TaErN, TaYbN, TaSiN, HfSiN, RuTax, NiTax, TaN、MoSiN、MoNx, TiCN、TaAlC、TiAIN、PtSix,NiSix、Pt、Ru、Ir、Mo、HfRux、RuOx或其组合等，在本实施例中，金属栅功函数层采用TiN、TaN等，其厚度范围可选择在l_5nm之间。[0036]步骤S206:在金属栅功函数层104上沉积功函数调节层105 ；
[0037]为降低CMOS器件的阈值电压，可采用在金属栅功函数层上沉积一层低功函数金属的方式来实现。通常情况下，可采用TiAl、Al或Ti等金属来充当功函数调节层材料，其厚度范围可选择在0.2-7nm之间。
[0038]步骤S207:在功函数调节层105上沉积填充金属层106，并对该结构进行热处理。
[0039]在本步骤中，可在功函数调节层105上沉积W、TiAl、TiN的金属以形成填充金属层，为该金属栅提供互联和应力。
[0040]在完成上述步骤后，需要对整个结构进行快速热退火处理，使功函数调节层中的低功函数金属能够充分扩散。
[0041]在本实施例中，在完成高K栅介质层的沉积后，引入了热退火处理，可以有效增强低功函数金属对于功函数的调节能力，从而实现CMOS器件在低漏电流情况下的低阈值电压。
[0042]实施例二
[0043]本公开实施例提供了另一种低功函数金属栅的形成方法，具体步骤可参考图3所示，包括:
[0044]步骤S301:提供半导体衬底101 ；
[0045]在本实施例中，衬底具体采用何种材料可参考实施例一，在此不做赘述，以下涉及到的步骤做相同处理。
[0046]步骤S302:在衬底101上生长界面层薄膜102 ；
[0047]步骤S303:在界面层薄膜103上生长高K栅介质层103 ；
[0048]步骤S304:在高K栅介质层103上沉积金属栅功函数层104 ；
[0049]步骤S305:对该结构进行热退火处理；
[0050]在本实施例中，热退火处理温度范围可控制在300-600° C之间，时间可控制在5s到5min之间。其中，在进行热退火处理时，可以选择在氮气或者有少量氧气的氛围内进行。
[0051]步骤S306:在金属栅功函数层104上沉积功函数调节层105 ；
[0052]步骤S307:在功函数调节层105上沉积填充金属层106，并对该结构进行热处理。
[0053]可以看出，本实施例与实施例一相比较，在完成沉积金属栅功函数步骤之后，再进行热退火处理。通过此方法，可以有效增强低功函数金属对于功函数的调节能力，从而实现CMOS器件在低漏电流情况下的低阈值电压。
[0054]实施例三
[0055]本公开实施例提供了第三种低功函数金属栅的形成方法，具体步骤可参考图4所示，包括:
[0056]步骤S401:提供半导体衬底101 ；
[0057]在本实施例中，衬底具体采用何种材料可参考实施例一，在此不做赘述，以下涉及到的步骤做相同处理。
[0058]步骤S402:在衬底101上生长界面层薄膜102 ；
[0059]步骤S403:在界面层薄膜102上生长高K栅介质层103 ；
[0060]步骤S404:对该结构进行热退火处理；
[0061]在本实施例中，热处理温度范围可在300-600° C之间，时间可控制在5s到2min之间。其中，在进行热退火处理时，可以选择在氮气或者有少量氧气的氛围内进行。
[0062]步骤S405:在高K栅介质层103上沉积金属栅功函数层104 ；
[0063]步骤S406:再次对该结构进行热退火处理；
[0064]在本步骤的热退火处理中，热退火处理温度范围可控制在300-600° C之间，时间可控制在5s到5min之间。其中，在进行热退火处理时，可以选择在氮气或者有少量氧气的氛围内进行。
[0065]步骤S407:在金属栅功函数层104上沉积功函数调节层105 ；
[0066]步骤S408:在功函数调节层105上沉积填充金属层106，并对该结构进行热处理。
[0067]与前两个实施例相比较，本实施例为提高低功函数金属对于功函数的调节能力，分别在完成高K介质层102的生长和完成沉积金属栅功函数层后进行热退火处理，从而实现CMOS器件在低漏电流情况下的低阈值电压。
[0068]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【权利要求】
1.一种低功函数金属栅形成方法，其特征在于，包括: 提供衬底； 在衬底上生长界面层薄膜； 在界面层薄膜上生长高K栅介质层； 在高K栅介质层上沉积金属栅功函数层； 在金属栅功函数层上沉积功函数调节层； 在功函数调节层上沉积填充金属，并进行热处理； 进行一次热退火处理和/或二次热退火处理，其中，所述一次热退火处理在生长高K栅介质层完成后进行，所述二次热退火处理在沉积金属栅功函数层完成后进行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括:所述一次热退火处理温度为.300-600° Co
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括:所述一次热退火处理时间为.5s-2min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括:所述一次热退火处理在氮气或少量氧气的环境中进行。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括:所述二次热退火处理温度为.300-600° Co
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括:所述二次热退火处理时间为.5s_5min0
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，包括:所述二次热退火处理在氮气或少量氧气的环境中进行。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于:所述金属栅功函数层材料为 TiN 或 TaN0
9.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述功函数调节层材料为Al 或 TiAl 或 Ti。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述高K栅介质层厚度为.2-4nm。
11.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述金属栅功函数层厚度为 l_5nm0
12.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述功函数调节层厚度为.0.2_7nm。
【文档编号】H01L21/28GK103545182SQ201210241699
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年7月12日 优先权日:2012年7月12日
【发明者】韩锴, 王晓磊, 王文武, 杨红, 马雪丽 申请人:中国科学院微电子研究所