利用冗余硅工艺降低高k金属栅器件阈值电压波动的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体制造领域，更具体地说，本发明涉及一种利用冗余硅工艺降低 高k金属栅器件阈值电压波动的方法。
【背景技术】
[0002] 在高K (高介电常数）金属栅半导体工艺中，由于金属栅各层金属化合物最终晶向 形成的不确定性，造成了功函数的不确定性，最终使得器件的阈值电压存在着很大的波动 性。
[0003]目前，有许多工艺都在尝试降低这种器件的波动性，金属栅层间的冗余硅技术便 是其中之一，但是这类应用并不成熟，方法也不够优化。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种降低高k 金属栅器件阈值电压波动的方法，其利用冗余硅的淀积和扩散，与其上下层的栅极金属分 别形成氮硅化合物，从而获得良好的材料性能以抑制功函数的波动和阻挡后续上层金属原 子的向下扩散，最终降低金属栅器件的阈值电压波动性和不确定性。
[0005] 为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种利用冗余硅工艺降低高k金属 栅器件阈值电压波动的方法，包括：第一步骤：在晶圆上形成氮化硅层，并且在氮化硅层中 形成凹槽，而且在凹槽的底部形成内层，并且在内层表面以及凹槽侧壁上依次沉积高k材 料介电层和氮化钛层；第二步骤：在所述氮化钛层上淀积冗余硅层；第三步骤：在所述冗余 硅层上淀积氮化钽阻挡层；第四步骤：执行退火，以使得所述冗余硅层分别与所述氮化钛 层和所述氮化钽阻挡层融合而分别形成氮硅化钛层和氮硅化钽层。
[0006] 优选地，在高k金属栅器件工艺中执行所述利用冗余硅工艺降低高k金属栅器件 阈值电压波动的方法。
[0007] 优选地，所述利用冗余硅工艺降低高k金属栅器件阈值电压波动的方法还包括： 淀积P型金属栅并最终形成P型金属栅极。
[0008] 优选地，所述冗余娃层的厚度为5-50埃。
[0009] 优选地，在第四步骤中，退火温度为50-1250摄氏度。
[0010] 优选地，在第四步骤中，退火时间为0. 1-1000秒。
[0011] 优选地，所述高k材料介电层的材料为Hf02。
[0012] 优选地，所述冗余娃层的材料为无定形娃。
[0013] 在本发明中，提供一种降低高k金属栅器件阈值电压波动的方法，其利用冗余硅 的淀积和扩散，与其上下层的栅极金属分别形成氮硅化合物TaSiN和TiSiN，这两种氮硅化 合物因其无定形性，本身具有较小的功函数波动，且可以阻挡后续上层金属原子的向下扩 散，最终降低金属栅器件的阈值电压波动性和不确定性。由此，本发明能够获得良好的材料 性能以抑制功函数的波动和阻挡后续上层金属原子的向下扩散，最终降低金属栅器件的阈 值电压波动性和不确定性。
【附图说明】
[0014] 结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解 并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
[0015] 图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的利用冗余硅工艺降低高k金属栅器 件阈值电压波动的方法的第一步骤。
[0016] 图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的利用冗余硅工艺降低高k金属栅器 件阈值电压波动的方法的第二步骤。
[0017] 图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的利用冗余硅工艺降低高k金属栅器 件阈值电压波动的方法的第三步骤。
[0018] 图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的利用冗余硅工艺降低高k金属栅器 件阈值电压波动的方法的第四步骤。
[0019] 需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可 能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
【具体实施方式】
[0020] 为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内 容进行详细描述。
[0021] 图1至图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的利用冗余硅工艺降低高k金 属栅器件阈值电压波动的方法的各个步骤。
[0022] 如图1至图4所示，根据本发明优选实施例的利用冗余硅工艺降低高k金属栅器 件阈值电压波动的方法包括在高k金属栅器件工艺中执行下述各个步骤：
[0023] 第一步骤：在晶圆10上按照正常工艺流程至高k介电层上方的氮化钛（TiN)淀积 完成；换言之，在晶圆10上形成氮化硅层20,并且在氮化硅层20中形成凹槽，而且在凹槽 的底部形成内层11，并且在内层11表面以及凹槽侧壁上依次沉积高k材料介电层30和氮 化钛层40 ;优选地，所述高k材料介电层30的材料为Hf02。
[0024] 第二步骤：在所述氮化钛层40上淀积冗余硅层50 ;优选地，所述冗余硅层50的材 料为无定形硅。优选地，所述冗余硅层50的厚度为5-50埃(1)。
[0025] 第三步骤：在所述冗余硅层50上淀积氮化钽阻挡层60 ;
[0026] 第四步骤：充分退火，以使得所述冗余硅层50分别与所述氮化钛层40和所述氮化 钽阻挡层60融合而分别形成氮硅化钛（TiSiN)层70和氮硅化钽（TaSiN)层80。优选地， 在第四步骤中，退火温度为50-1250摄氏度（°C )，退火时间为0. 1-1000秒（s)。
[0027] 随后，即可执行后续的工艺，例如P型金属栅淀积以及后续正常金属栅工艺以形 成P型金属栅极。
[0028] 在本发明中，提供一种降低高k金属栅器件阈值电压波动的方法，其利用冗余硅 的淀积和扩散，与其上下层的栅极金属分别形成氮硅化合物TaSiN和TiSiN，这两种氮硅化 合物因其无定形性，本身具有较小的功函数波动，且可以阻挡后续上层金属原子的向下扩 散，最终降低金属栅器件的阈值电压波动性和不确定性。由此，本发明能够获得良好的材料 性能以抑制功函数的波动和阻挡后续上层金属原子的向下扩散，最终降低金属栅器件的阈 值电压波动性和不确定性。
[0029] 此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语"第一"、"第 二"、"第三"等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个 组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
[0030] 可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以 限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下， 都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等 同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对 以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围 内。
【主权项】
1. 一种利用冗余硅工艺降低高k金属栅器件阈值电压波动的方法，其特征在于包括： 第一步骤：在晶圆上形成氮化硅层，并且在氮化硅层中形成凹槽，而且在凹槽的底部形 成内层，并且在内层表面以及凹槽侧壁上依次沉积高k材料介电层和氮化钛层； 第二步骤：在所述氮化钛层上淀积冗余硅层； 第三步骤：在所述冗余硅层上淀积氮化钽阻挡层； 第四步骤：执行退火，以使得所述冗余硅层分别与所述氮化钛层和所述氮化钽阻挡层 融合而分别形成氮硅化钛层和氮硅化钽层。2. 根据权利要求1所述的利用冗余硅工艺降低高k金属栅器件阈值电压波动的方法， 其特征在于，在高k金属栅器件工艺中执行所述利用冗余硅工艺降低高k金属栅器件阈值 电压波动的方法。3. 根据权利要求1或2所述的利用冗余硅工艺降低高k金属栅器件阈值电压波动的方 法，其特征在于还包括：淀积P型金属栅并最终形成P型金属栅极。4. 根据权利要求1或2所述的利用冗余硅工艺降低高k金属栅器件阈值电压波动的方 法，其特征在于，所述冗余硅层的厚度为5-50埃。5. 根据权利要求1或2所述的利用冗余硅工艺降低高k金属栅器件阈值电压波动的方 法，其特征在于，在第四步骤中，退火温度为50-1250摄氏度。6. 根据权利要求1或2所述的利用冗余硅工艺降低高k金属栅器件阈值电压波动的方 法，其特征在于，在第四步骤中，退火时间为0. 1-1000秒。7. 根据权利要求1或2所述的利用冗余硅工艺降低高k金属栅器件阈值电压波动的方 法，其特征在于，所述高k材料介电层的材料为Hf02。8. 根据权利要求1或2所述的利用冗余硅工艺降低高k金属栅器件阈值电压波动的方 法，其特征在于，所述冗余娃层的材料为无定形娃。
【专利摘要】本发明提供了一种利用冗余硅工艺降低高k金属栅器件阈值电压波动的方法，包括：在晶圆上形成氮化硅层，并且在氮化硅层中形成凹槽，而且在凹槽的底部形成内层，并且在内层表面以及凹槽侧壁上依次沉积高k材料介电层和氮化钛层；在所述氮化钛层上淀积冗余硅层；在所述冗余硅层上淀积氮化钽阻挡层；执行退火，以使得所述冗余硅层分别与所述氮化钛层和所述氮化钽阻挡层融合而分别形成氮硅化钛层和氮硅化钽层。
【IPC分类】H01L21/28
【公开号】CN105047549
【申请号】CN201510375660
【发明人】何志斌, 景旭斌
【申请人】上海华力微电子有限公司
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年6月30日