高介电层金属栅器件的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种高介电层金属栅器件的制造方法，在去除伪多晶硅及介电层后执行氟离子注入，并在形成衬垫氧化物后进行第一次退火，在形成高介电层后执行第二次退火，使氟离子由衬底的沟道区扩散至衬垫氧化层和高介电层，与不稳定的氢键结合形成氟硅基团，降低了氟离子由伪多晶硅扩散入高介电层过程中工艺的不可控性和工艺难度。
【专利说明】高介电层金属栅器件的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件制造领域，尤其涉及一种高介电层金属栅(HKMG)器件的制造方法。
【背景技术】
[0002]随着半导体集成电路的发展，现有的半导体器件，如互补金属氧化物半导体(CMOS)器件中普遍使用的多晶硅栅极逐渐显露出以下问题:因栅极损耗引起栅极绝缘层有效厚度增加，掺杂物容易通过多晶硅栅极渗透到衬底引起阀值电压变化，难以实现细小宽度上低电阻值等。为解决上述问题，半导体技术发展了以金属栅极替代现有多晶硅栅极的半导体器件，并使用高介电常数(high k)材料作为栅绝缘层的半导体器件，称之为高介电层金属栅(HKMG, high-k metal-gate)器件。
[0003]高介电层金属栅器件在高介电层与硅的界面具有大量的界面态，这是由于在半导体制程中会形成不稳定的氢键，导致NMOS晶体管和PMOS晶体管工作过程中产生大量界面态，从而改变MOS晶体管性能,具体表现为NMOS晶体管HCI (Hot CarrierInjection,热载流子注入)效应和 PMOS 晶体管的 NBTI (Negative Bias TemperatureInstability,负偏压不稳定性)效应。
[0004]为了解决由不稳定氢键导致的大量界面态，现有技术通常通过注入氟离子，使氟离子进入高介电层取代高介电层中的部分氧离子，与不稳定的氢键结合，从而形成氟硅基团，由于氟硅健比硅氢键更为牢固，因此，提高了高介电层和半导体衬底间的界面品质，对于NMOS晶体管而言，阻止形成了电荷陷阱，防止在加电压下轻掺杂源/漏区聚集电荷，从而大大改善了 NMOS晶体管的HCI效应，对于PMOS晶体管而言，可防止在高温下生成硅悬挂键，从而减轻由于NBTI效应对PMOS晶体管的影响。
【发明内容】
[0005]鉴于现有技术的问题，本发明提供了一种高介电层金属栅器件的制造方法，以解决现有工艺实现难度高的问题。
[0006]本发明采用的技术方案如下:一种高介电层金属栅器件的制造方法，包括:
[0007]在衬底上形成包括介电层、伪多晶硅和侧壁氧化层的栅极结构；
[0008]在衬底上沉积形成夹层绝缘层，并进行化学机械研磨以露出所述伪多晶硅；
[0009]刻蚀去除伪多晶硅和介电层，以形成底部暴露与伪多晶硅对应的衬底的凹槽；
[0010]执行氟离子注入以对暴露的衬底进行掺杂；
[0011]在所述凹槽底部形成衬垫氧化层并执行第一次退火；
[0012]在所述衬垫氧化层上沉积形成高介电层并执行第二次退火；
[0013]在所述高介电层上形成金属栅极。
[0014]进一步，在衬底上形成包括介电层、伪多晶硅和侧壁氧化层的栅极结构包括:
[0015]在衬底上形成NMOS有源区及PMOS有源区，并在NMOS有源区和PMOS有源区之间形成浅沟槽隔离；在NMOS有源区及PMOS有源区上分别形成NMOS介电层及PMOS介电层，及NMOS伪多晶硅和PMOS伪多晶硅，并在NMOS介电层、NMOS伪多晶硅的两侧及PMOS介电层、PMOS伪多晶硅的两侧形成侧壁氧化层；
[0016]在所述凹槽底部形成衬垫氧化层包括通过热氧化或化学氧化在所述凹槽底部形成衬垫氧化层；
[0017]在高介电层上形成金属栅极包括:在高介电层上形成金属功函数层；在所述金属功函数层上沉积金属层；执行化学机械研磨以暴露夹层绝缘层。
[0018]进一步，执行氟离子注入以对暴露的衬底进行掺杂后，氟离子杂质的浓度低于3e15atom/ cm3。
[0019]进一步，所述第一次退火为温度范围900摄氏度至1200摄氏度的毫秒级退火；所述第二次退火为温度范围600摄氏度至800摄氏度的快速退火。
[0020]进一步，所述金属层的材料为钴。
[0021]采用在本发明所提供的高介电层金属栅器件的制造方法，在去除伪多晶硅及介电层后执行氟离子注入，并在形成衬垫氧化物后进行第一次退火，在形成高介电层后执行第二次退火，使氟离子由衬底的沟道区扩散至衬垫氧化层和高介电层，与不稳定的氢键结合形成氟硅基团，降低了氟离子由伪多晶硅扩散入高介电层过程中工艺的不可控性和工艺难度。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本发明一种高介电层金属栅器件的制造方法流程图；
[0023]图2a?图2e为本发明典型实施例的制造方法流程结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0025]如图1所示，本发明提供了一种高介电层金属栅器件的制造方法，包括:
[0026]在衬底上形成包括介电层、伪多晶硅和侧壁氧化层的栅极结构；
[0027]在衬底上沉积形成夹层绝缘层，并进行化学机械研磨以露出所述伪多晶硅；
[0028]刻蚀去除伪多晶硅和介电层，以形成底部暴露与伪多晶硅对应的衬底的凹槽；
[0029]执行氟离子注入以对暴露的衬底进行掺杂；
[0030]在所述凹槽底部形成衬垫氧化层并执行第一次退火；
[0031]在所述衬垫氧化层上沉积形成高介电层并执行第二次退火；
[0032]在所述高介电层上形成金属栅极。
[0033]作为本发明的典型实施例，以下结合图2a?图2e对本发明进行详细阐述。
[0034]如图2a所示，首先提供半导体衬底，在衬底上形成NMOS有源区及PMOS有源区，并在NMOS有源区和PMOS有源区之间形成浅沟槽隔离8 ;在NMOS有源区及PMOS有源区上分别形成NMOS介电层I及PMOS介电层2，及NMOS伪多晶硅6和PMOS伪多晶硅7，并在NMOS介电层1、NMOS伪多晶硅6的两侧及PMOS介电层2、PMOS伪多晶硅7的两侧形成侧壁氧化层5 ;接着在衬底上沉积形成夹层绝缘层3，并进行化学机械研磨以露出伪多晶硅6和7 ;[0035]利用干法刻蚀去除伪多晶硅6、7和介电层1、2，以形成底部暴露与伪多晶硅对应的衬底的凹槽9和10 ;其中，在干法刻蚀前在夹层绝缘层3的表面、伪多晶硅6和7的表面形成光刻胶(未示出)，图案化光刻胶以暴露伪多晶硅6和7，以图案化的光刻胶(未示出)进行干法刻蚀；进行干法刻蚀时，首先以介电层I和2作为刻蚀阻挡层刻蚀去除伪多晶硅6和7，再继续刻蚀以去除介电层I和2 ;凹槽9和10的底部暴露出与伪多晶硅6和7对应的衬底，而暴露的衬底为NMOS晶体管和PMOS晶体管沟道区的位置；
[0036]接着，执行氟离子注入以对暴露的衬底进行掺杂，作为有选的，氟离子杂质的浓度低于3e15at0m/cm3，氟离子注入的能量不应高过使氟离子穿过夹层绝缘层3的能量，以避免对后续工艺中形成源漏区产生不良影响；
[0037]如图2c所示，通过热氧化或化学氧化在凹槽9和10底部形成衬垫氧化层11和12，并执行第一次退火，作为优选的，第一次退火为温度范围900摄氏度至1200摄氏度的毫秒级退火，以将氟离子由沟道区扩散至衬垫氧化层11和12 ;
[0038]如图2d所示，在衬垫氧化层11和12上沉积形成高介电层13和14，并执行第二次退火，作为优选的，第二次退火为温度范围600摄氏度至800摄氏度的快速退火，以将氟离子扩散入高介电层13和14，并激活氟离子，取代高介电层中的氧原子；
[0039]如图2e所不,在高介电层上形成金属功函数层15和16,在金属功函数层15和16上沉积金属钴层(未示出);执行化学机械研磨以暴露夹层绝缘层3，形成金属栅极17和18。
[0040]本发明所提供的高介电层金属栅器件的制造方法，在去除伪多晶硅及介电层后执行氟离子注入，并在形成衬垫氧化物后进行第一次退火，在形成高介电层后执行第二次退火，使氟离子由衬底的沟道区扩散至衬垫氧化层和高介电层，与不稳定的氢键结合形成氟硅基团，降低了氟离子由伪多晶硅扩散入高介电层过程中工艺的不可控性和工艺难度。
[0041]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明保护的范围之内。
【权利要求】
1.一种高介电层金属栅器件的制造方法，包括: 在衬底上形成包括介电层、伪多晶硅和侧壁氧化层的栅极结构； 在衬底上沉积形成夹层绝缘层，并进行化学机械研磨以露出所述伪多晶硅； 刻蚀去除伪多晶硅和介电层，以形成底部暴露与伪多晶硅对应的衬底的凹槽； 执行氟离子注入以对暴露的衬底进行掺杂； 在所述凹槽底部形成衬垫氧化层并执行第一次退火； 在所述衬垫氧化层上沉积形成高介电层并执行第二次退火； 在所述高介电层上形成金属栅极。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在衬底上形成包括介电层、伪多晶硅和侧壁氧化层的栅极结构包括: 在衬底上形成NMOS有源区及PMOS有源区，并在NMOS有源区和PMOS有源区之间形成浅沟槽隔离；在NMOS有源区及PMOS有源区上分别形成NMOS介电层及PMOS介电层，及NMOS伪多晶硅和PMOS伪多晶硅，并在NMOS介电层、NMOS伪多晶硅的两侧及PMOS介电层、PMOS伪多晶硅的两侧形成侧壁氧化层。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述凹槽底部形成衬垫氧化层包括通过热氧化或化学氧化在所述凹槽底部形成衬垫氧化层。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在高介电层上形成金属栅极包括:在高介电层上形成金属功函数层；在所述金属功函数层上沉积金属层；执行化学机械研磨以暴露夹层绝缘层。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，执行氟离子注入以对暴露的衬底进行掺杂后，氟离子杂质的浓度低于3e15atom/cm3。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一次退火为温度范围900摄氏度至1200摄氏度的毫秒级退火；所述第二次退火为温度范围600摄氏度至800摄氏度的快速退火。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述金属层的材料为钴。
【文档编号】H01L21/28GK103779280SQ201210415303
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年10月26日 优先权日:2012年10月26日
【发明者】谢欣云 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司