專利名稱：一種互補型金屬氧化物半導體場效應晶體管的制備方法
技術領域：
本發明屬于半導體技術領域，特別指一種用于互補型金屬氧化物半導體(CMOS)場效應晶體管的雙金屬柵/雙高介電常 數(K)柵介質的集成方法，適合于32/22納米及以下技術代高性能納米尺度互補型金屬氧化物半導體(CMOS)器件的應用。
背景技術：
隨著集成電路技術飛速發展，CMOS器件特征尺寸不斷縮小(即器件的縱向尺寸和橫向尺寸都將等比例縮小)。為克服小尺寸器件嚴重的短溝道效應，柵介質要小于8埃，進一步要小于6埃，只有2 3個原子層厚，所以柵隧穿漏電流將成指數規律大幅度激增，器件將無法使用。必須采用高K柵介質來代替傳統的SiO2柵介質，這是由于高K柵介質在同樣的柵電容下有較厚的物理厚度，所以可以大幅度降低柵隧穿漏電流。但是傳統的多晶硅柵與高K柵介質不兼容，存在嚴重的費米釘扎效應，所以必須采用新型金屬柵電極代替之。金屬柵不僅能消除多晶硅柵的耗盡效應，減小柵電阻，還能消除硼穿透，提高器件可靠性。所以在先進的高性能納米集成電路技術中，高介電常數(K)柵介質和金屬柵電極的應用勢在必行。但是金屬柵集成到高K柵介質上仍有許多問題急待解決，如熱穩定性問題、界面態問題，尤其是費米釘扎效應使納米CMOS器件需要的適當低的閾值電壓的獲得面臨很大挑戰，特別是在先柵制備工藝中。為了得到納米CMOS器件合適的閾值電壓，其N管和P管的有效功函數分別應在Si的導帶底附近(NM0S 4. IeV左右)和價帶頂附近(PM0S 5. 2eV左右)。這樣對匪OS和PMOS往往需要各自合適的金屬柵和高K柵介質，即需要雙金屬柵雙高K柵介質的集成，以滿足45納米/32納米/22納米及以下技術代高性能CMOS器件的要求。
發明內容
本發明的目的在于提供一種用于CMOS器件的雙金屬柵雙高K柵介質的集成方法，以克服傳統CMOS技術中存在的挑戰。為實現上述目的，本發明提供一種用于CMOS器件的雙金屬柵雙高K柵介質的集成方法，其特點是在完成常規的STI或L0C0S隔離后，在半導體襯底上先形成SiO2界面層-1，接著形成第一種高K柵介質層/金屬柵疊層，并在其上生長非晶硅硬掩膜-I，光刻和刻蝕形成硬掩膜的圖形-1，采用濕法腐蝕對未被硬掩膜-I覆蓋的第一種金屬柵和第一種高K柵介質層疊層先后進行高選擇性腐蝕。然后形成SiO2界面層-2和第二種高K柵介質層/金屬柵疊層，并在其上生長非晶硅硬掩膜-2，光刻和刻蝕形成非晶硅硬掩膜的圖形_2，對未被非晶硅硬掩膜-2覆蓋的第二種金屬柵和高K柵介質層疊層先后進行高選擇性腐蝕，直到露出第一層金屬柵上面的非晶硅硬掩膜-I。然后采用濕法腐蝕液同時去凈非晶硅硬掩膜-I和非晶硅硬掩膜-2，此濕法腐蝕液對金屬柵和高K柵介質層的選擇比很高。接著淀積多晶硅和硬掩膜介質_3，再進行光刻和刻蝕，形成納米尺度的疊層柵結構，進行特殊清洗后淀積介質膜并刻蝕形成側墻-I。然后進行常規大角度離子注入和低能離子注入，淀積介質膜并刻蝕形成側墻-2和源漏注入并激活退火形成源漏區，硅化物形成后完成接觸和金屬化。
其具體步驟如下步驟I)清洗在器件隔離形成后，進行界面氧化層形成前的清洗，先采用常規方法清洗，然后用氫氟酸/異丙醇/水混合溶液在室溫下浸泡，去離子水沖洗，甩干后立即進爐；氫氟酸/異丙醇/水的體積比為O. 2-1. 5% : O. 01-0. 10% 1% ；步驟2)界面層SiO2-I形成于600_800°C下，20-120秒快速熱氧化；步驟3) Hf基高介電常數⑷柵介質-I薄膜的形成；步驟4)淀積高K介質-I后快速熱退火于600_1050°C下，4-120秒N2中熱退火；步驟5)采用物理汽相淀積在Hf基高K柵介質-I上淀積TaN金屬柵電極；步驟6)在所述TaN金屬柵電極層上形成非晶硅硬掩膜_1 ；·
步驟7)采用光刻和干法刻蝕非晶硅硬掩膜-I形成硬掩膜的圖形-I ；步驟8)采用含有NH4OH和H2O2的混合水溶液對未被所述硬掩膜圖形覆蓋的TaN金屬柵進行選擇性腐蝕；步驟9)采用含有HF、無機酸和水的混合溶液或HF、無機酸與有機溶劑的混合溶液實現Hf基高K材料的選擇性去除。步驟10)采用快速熱氧化形成界面層Si02_2和物理汽相淀積形成Hf基高介電常數⑷柵介質_2薄膜；步驟11)快速熱退火于450_600°C下，4-120秒N2中熱退火；步驟12)采用物理汽相淀積在Hf基高K柵介質-2上淀積金屬柵_2 ；步驟13)在所述金屬柵_2上形成非晶硅硬掩膜_2 ；步驟14)采用光刻和干法刻蝕非晶硅硬掩膜_2形成硬掩膜的圖形_2 ；步驟15)采用干法刻蝕對未被非晶硅硬掩膜_2覆蓋的金屬柵-2和高K柵介質層_2疊層先后進行高選擇比刻蝕，直到露出第一層金屬柵上面的非晶硅硬掩膜-I。步驟16)采用含有NH4OH的水溶液濕法腐蝕同時去凈非晶硅硬掩膜_1和非晶硅硬掩膜_2，此濕法腐蝕液對金屬柵和高K柵介質層的選擇比很高。步驟17)淀積多晶娃和硬掩膜介質_2 ;步驟18)進行光刻和刻蝕，同時形成兩種納米尺度的疊層柵結構；步驟19)緊接著進行清洗后淀積介質膜并刻蝕形成側墻-I。步驟20)然后進行常規大角度離子注入和低能離子注入，淀積介質膜并刻蝕形成側墻_2和源漏注入并激活退火形成源漏區，硅化物形成后完成接觸和金屬化。本發明的優點I.采用兩種金屬和兩種高K介質，可以靈活地獲得極好的分別滿足NMOS器件和PMOS器件所需求的功函數，獲得合適低的閾值電壓，滿足納米尺度高性能CMOS電路的要求；2.本發明中兩種金屬/高K結構在電路中是分離的，所以不會發生兩種性質不同的金屬/高K結構間離子互擴散導致的功函數改變和可靠性問題。兩種金屬/高K結構間的電連接由其上金屬硅化的摻雜多晶硅柵完成；3.所研發的TaN和高K濕法腐蝕液以及非晶硅硬掩膜去除液分別具有各自所要求的高腐蝕選擇比，滿足各自集成技術要求。
圖I為形成場隔離后，在界面SiO2-I上淀積高k介質-I/金屬柵-I/硬掩膜-I疊層的不意圖；圖2為選擇性去除PMOS (或NM0S)上的金屬柵-I、高k介質-I和界面SiO2-I后的不意圖；圖3為在界面Si02_2上淀積用于PMOS (或NM0S)的高k介質_2、金屬柵_2和硬掩膜_2后的示意圖；圖4為選擇性去除NMOS (或PM0S)上的硬掩膜-2/金屬柵-2/高k介質_2后的示意圖，此時硬掩膜-2/金屬柵-2/高k介質-2疊層與硬掩膜-I/高k介質-I/金屬柵-I疊層已分離；
圖5為去除剩余的硬掩膜-I和硬掩膜_2后,淀積多晶硅和硬掩膜介質_3后的示意圖；圖6為經過干法刻蝕形成NMOS和PMOS的疊柵結構后，又形成側墻_1和側墻_2以及源漏區后的示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。本領域技術人員可以做出多種替換和修改，這些替換和修改都應落在本發明的范圍之內。需要說明的是，本說明書附圖并非按照比例繪制，而僅為示意性的目的，因此，不應被理解為對本發明范圍的任何限制和約束。步驟I)清洗在器件隔離形成后，進行界面氧化層形成前的清洗，先采用常規方法清洗，然后用氫氟酸/異丙醇/水混合溶液在室溫下浸泡，去離子水沖洗，甩干后立即進爐；氫氟酸/異丙醇/水的體積比為O. 2-1. 5% : O. 01-0. 10% 1% ；步驟2)界面層SiO2-I形成于600_800°C下，20-120秒快速熱氧化；Si02厚度6_8埃；步驟3) Hf基高介電常數(K)柵介質-I薄膜的形成，如La203/Hf02、HfSi0、HfSi0N、HfLaO、HfLaON 等步驟4)淀積高K介質后快速熱退火于600-1000°C下，4-120秒N2中熱退火；步驟5)采用物理汽相淀積在Hf基高K柵介質-I上淀積金屬柵-1，如TaN、TiN等;步驟6)在所述TaN金屬柵電極層上形成非晶硅硬掩膜-1，見圖I ;步驟7)采用光刻和干法刻蝕非晶硅硬掩膜-I形成硬掩膜的圖形-I ;步驟8)采用含有NH4OH和H2O2的混合水溶液對未被所述硬掩膜圖形覆蓋的TaN金屬柵-I進行選擇性腐蝕；NH4OH H2O2 H2O 溶液體積比為 1-2 1-2 5-6 ；步驟9)采用含有HF、HCl和水的混合溶液或HF、HCl與有機溶劑的混合溶液實現Hf基高K介質-I的選擇性去除，見圖2 ；HF、HCl和水(或無水乙醇或異丙醇)的混合溶液中HF HCl H2O的體積比為O.1-1 8-12 100 ；步驟10)采用500-550°C下快速熱氧化40-120秒，形成界面層Si02_2和和物理汽相淀積Hf基高介電常數(K)柵介質-2薄膜，如Al203/Hf02、HfSiAlON, HfAlO, HfAlON,HfLaON 等；步驟11)快速熱退火于400_600°C下，4-120秒N2中熱退火；步驟12)采用物理汽相淀積在Hf基高K柵介質-2上淀積金屬柵_2，如MoAIN、MoAl.TiAlN,TiGaN,TaAlN 等；步驟13)在所述金屬柵_2上形成非晶硅硬掩膜_2，見圖3 ；步驟14)采用光刻和干法刻蝕非晶硅硬掩膜_2形成硬掩膜的圖形_2 ；
步驟15)采用干法刻蝕，對未被非晶硅硬掩膜_2覆蓋的金屬柵-2和高K柵介質層-2疊層先后進行高選擇比刻蝕，直到露出第一層金屬柵上面的非晶硅硬掩膜-1，此時硬掩膜-2/金屬柵-2/高k介質-2疊層與硬掩膜-I/金屬柵-I/高k介質-I疊層已分離，見圖4 ；步驟16)采用含有NH4OH的水溶液濕法腐蝕同時去凈非晶硅硬掩膜_1和非晶硅硬掩膜-2，此濕法腐蝕液對金屬柵和高K柵介質層的選擇比很高。濕法腐蝕液NH4OH H2O的體積比為1-5 10-60。步驟17)淀積多晶硅和硬掩膜介質_3，硬掩膜介質可以是低溫Si02、PESi3N4或它們的組合，見圖5;步驟18)進行光刻和刻蝕，采用氟基刻蝕硅硬掩膜_3，采用(Cl+Br)基刻蝕多晶硅，采用bci3/ci2基高密度等離子體刻蝕金屬柵-I和金屬柵-2，同時形成兩種納米尺度的疊層柵結構，最后Hf·基高介電常數柵介質用BCl3基高密度等離子體刻蝕。步驟19)緊接著進行專門清洗后淀積Si3N4薄膜并刻蝕形成側墻_1，見圖6。清洗采用HF/HC1/H20溶液，其體積比為O. 1-0. 5 10 100，清洗10秒-120秒，以去除殘留的Hf基高k介質和聚合物。步驟20)然后進行常規大角度離子注入和低能離子注入，淀積SiO2或Si02/Si3N4介質膜并刻蝕形成側墻_2和常規源漏注入并激活退火形成源漏區，見圖6 ;最后NiSi硅化物形成后完成接觸和金屬化。
權利要求
1.一種互補型金屬氧化物半導體場效應晶體管的制備方法，其主要步驟如下 1)在半導體硅襯底上形成界面層SiO2-I,厚度為4-12埃； 2)形成Hf基高介電常數柵介質-I薄膜，并于400-1050°C下，4-120秒N2中熱退火； 3)在Hf基高介電常數柵介質-I薄膜上淀積金屬柵-1，在金屬柵-I上形成非晶硅硬掩膜-1，并光刻和刻蝕非晶硅硬掩膜-I形成硬掩膜圖形-1，對未被硬掩膜圖形-I覆蓋的金屬柵-I和Hf基高介電常數柵介質層-I先后分別實現選擇性腐蝕去除； 4)在硅襯底上形成界面層Si02-2，厚度為4-12埃，接著形成Hf基高介電常數柵介質-2薄膜，并于400-600°C下，4-120秒N2中熱退火； 5)在Hf基高介電常數柵介質-2上淀積金屬柵_2，在金屬柵-2上形成非晶硅硬掩膜_2，并光刻和刻蝕非晶硅硬掩膜-2形成硬掩膜的圖形_2，對未被非晶硅硬掩膜-2覆蓋的金屬柵-2和Hf基高介電常數柵介質層-2疊層先后進行刻蝕，直到露出金屬柵-I上面的非晶硅硬掩膜-I ;用含NH4OH的水溶液濕法腐蝕同時去凈非晶硅硬掩膜-I和非晶硅硬掩膜-2 ； 6)形成多晶硅薄膜和硬掩膜_3，進行光刻和疊層柵結構刻蝕； 7)清洗后淀積介質膜并刻蝕形成側墻-1，然后進行常規大角度離子注入和低能離子注入，接著淀積介質膜并刻蝕形成側墻-2和源漏注入并激活退火形成源漏區，硅化物形成后完成接觸和金屬化。
2.根據權利要求I所述的制備方法，其中，步驟I中的半導體襯底先采用常規方法清洗，然后用氫氟酸/異丙醇/水混合溶液在室溫下浸泡，去離子水沖洗，甩干后立即進爐；氫氟酸異丙醇水的體積比為O. 2-1. 5% O. 01-0. 10% 1% ；
3.根據權利要求I所述的制備方法，其中，步驟I中的界面層SiO2采用600-800°C下，20-120秒快速熱氧化或O3化學氧化處理形成；
4.根據權利要求I所述的制備方法，其中，步驟2中的高介電常數柵介質-I膜是La2O3/HfO2, HfSiO, HfSiON, HfLaO或HfLaON ;形成的工藝是采用物理氣相淀積、金屬有機化學氣相沉積或原子層淀積工藝；
5.根據權利要求I所述的制備方法，其中，步驟3淀積的金屬柵為TaN或TiN薄膜，厚度為 2-50nm ； 非晶硅硬掩膜-I厚度為50-100nm ； 對金屬柵-I的選擇性腐蝕液為NH4OH H2O2 H2O,體積比為1-2 1-2 5-6 ； Hf基高介電常數柵介質-I的選擇性腐蝕液為含有HF、HC1和水或HF、HC1和有機溶劑的混合溶液，HF HCl H20(或有機溶劑)的體積比為O. 1-1 8-12 100。
6.根據權利要求I所述的制備方法，其中，步驟4中界面層Si02-2采用480-580°C下，40-120秒快速熱氧化或O3化學氧化處理形成； Hf 基高介電常數柵介質-2 薄膜是 Al203/Hf02、HfSiAlON, HfAlO, HfAlON 或 HfLaON ；
7.根據權利要求I所述的制備方法，其中，步驟5中的金屬柵-2是MoAlN、MoAl、TiAlN、TiGaN 或 TaAlN ； 金屬柵-2厚度為2-50nm ； 非晶硅硬掩膜-2厚度為50-100nm ； 對金屬柵-2的刻蝕采用BC13/C12基等離子體刻蝕，對Hf基高介電常數柵介質-2采用BCl3基等離子體刻蝕； 濕法腐蝕去凈非晶硅硬掩模-I和非晶硅硬掩膜_2的水溶液中NH4OH H2O的體積比為 1-5 10-60。
8.根據權利要求I所述的制備方法，其中，步驟6中硬掩膜-3是Si02、Si3N4、或其疊層Si02/Si3N4 或 Si02/Si3N4/Si02 ； 硅硬掩膜_3采用氟基刻蝕，多晶硅采用Cl基、F基、Br基、C1+F或Cl+Br基刻蝕，金屬柵-I和金屬柵_2采用BC13/C12基高密度等離子體刻蝕，同時形成兩種納米尺度的疊層柵結構，最后Hf基高介電常數柵介質用BCl3基高密度等離子體刻蝕。
9.根據權利要求I所述的制備方法，其中，步驟7中的清洗采用HF HCl H2O溶液，體積比為O. 1-0. 5 10 100，清洗時間10秒-120秒，去除殘留的Hf基高介電常數柵介質和聚合物；
10.根據權利要求I所述的制備方法，其中，步驟7中形成側墻-I的介質膜是CVDSi3N4或PE Si3N4薄膜；形成側墻-2的介質膜是Si02、Si02/Si3N4疊層；硅化物是NiSi或NiPtSi薄膜。
全文摘要
一種互補型金屬氧化物半導體場效應晶體管的制備方法，在完成常規介質隔離后，在硅襯底上形成界面SiO2-1，接著形成第一種高K柵介質/金屬柵疊層，并生長硬掩膜-1，光刻和刻蝕形成硬掩膜圖形-1，腐蝕未被圖形-1覆蓋的第一種金屬柵和高K柵介質。然后形成界面SiO2-2和第二種高K柵介質/金屬柵疊層，并生長硬掩膜-2，光刻和刻蝕形成硬掩膜圖形-2，腐蝕未被圖形-2覆蓋的第二種金屬柵和高K柵介質，露出第一金屬柵上的硬掩膜-1。腐蝕去凈硬掩膜-1和硬掩膜-2，淀積多晶硅和硬掩膜-3后進行柵圖形光刻和刻蝕，形成疊層柵結構，淀積介質膜并刻蝕形成側墻-1。然后按常規工藝形成源漏及其延伸區，硅化后完成接觸和金屬化。
文檔編號H01L21/28GK102915917SQ20111022137
公開日2013年2月6日 申請日期2011年8月3日 優先權日2011年8月3日
發明者徐秋霞, 李永亮, 許高博 申請人:中國科學院微電子研究所