一種防止高k材料氧擴散的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體集成電路制造技術領域，更具體地，涉及一種可防止高K材料氧擴散的方法。
【背景技術】
[0002]S12介質長期作為柵極氧化層應用于CMOS技術領域，并為維持器件的縮小而逐漸減薄。然而，進入45nm技術節點，太薄的Si02介質已達到物理極限，即便采用S1N代替Si02將傳統技術沿用至45-32nm技術代，仍無法避免漏電流增大的問題。
[0003]目前，在32nm及以下技術代，業界普遍采用高K(High-k，高介電常數)材料代替S12,其不但擁有高的介電常數，同時還具備類似S12的優越性能。但高k介質材料與作為柵電極材料的多晶硅并不兼容，兩者界面缺陷引起的費米能級釘扎效應會導致閾值電壓升高，且高k材料本身的表面聲子散射效應也會導致載流子迀移率的降低。此外，多晶硅耗盡層效應也會降低器件的性能。
[0004]采用金屬代替多晶硅作為柵電極材料，可以解決上述問題，進一步提高器件的性能。然而，高K材料由于其熱穩定差，在高溫沉積過程中會與溝道以及柵電極發生反應，生成S12和硅酸鹽，導致其與溝道和柵極之間容易發生界面反應。如Hf O2和Si之間會發生如下反應:
[0005]2Si+Hf02——HfSi+Si02
[0006]上述反應形成的S12等中間層介電常數低，會導致柵介質層的有效介電性能降低，增大EOT。而且，此中間層具有高的氧化物缺陷密度，會降低溝道表面載流子濃度和迀移率。另外，高K材料的結晶溫度普遍較低，熱處理會導致內部非晶變為多晶，而多晶的晶界之間存在缺陷，這些有缺陷的晶界會變成漏電流的通道，導致漏電流增大。
[0007]為了減緩上述問題，業界在襯底硅和高K材料之間增加了一層超薄界面層(IL)，這種界面層通常由一薄層S12或S1N形成緩沖層，層厚約為4-10A。通常這層緩沖層采用化學氧化層的方式生長，但是，由化學方式生長的界面層呈多孔結構，其表面O『會使高K材料生成Hf的亞氧化物HfO2H2X,并會在介質層中產生氧空位，導致電子由Hf向功函數金屬轉移形成界面，造成有效功函數的降低，并因此降低電路的電學特性和可靠性。
[0008]因此，鑒于以上原因，急需開發一種防止高K材料氧擴散的方法，以解決上述問題。
【發明內容】
[0009]本發明的目的在于克服現有技術存在的上述缺陷，提供一種防止高K材料氧擴散的方法。
[0010]為實現上述目的，本發明的技術方案如下:
[0011 ]—種防止高K材料氧擴散的方法，包括:
[0012]步驟一:提供一硅襯底，在所述硅襯底上淀積一層超薄界面層(IL);
[00?3]步驟二:在所述超薄界面層上淀積一層金屬Ru ；[ΟΟ? 4]步驟三:在所述金屬Ru上繼續淀積高K材料；
[0015]步驟四:退火，使所述高K材料中的氧和金屬Ru結合，形成穩定的Ru〇2。
[0016]優選地，步驟一中，采用化學氧化方法淀積所述超薄界面層。
[0017]優選地，步驟一中，所述超薄界面層的厚度為5?20A。
[0018]優選地，所述超薄界面層材料為S12或S1N。
[0019]優選地，步驟二中，采用原子層淀積(ALD)方法淀積所述金屬Ru。
[0020]優選地，所述金屬Ru的厚度為50?200A。
[0021 ]優選地，步驟三中，采用原子層淀積方法淀積所述高K材料。
[0022]優選地，步驟四中，所述退火的溫度為500?800度。
[0023]從上述技術方案可以看出，本發明通過在超薄界面層和高K材料界面處增加淀積一層金屬Ru作為緩沖層，并在高K材料淀積完好后進行退火，使高K材料中的氧和金屬Ru結合，形成穩定的RuO2，從而可防止氧和襯底中的硅反應形成氧擴散；同時，還可阻止超薄界面層中的O『和高K材料生成Hf的亞氧化物HfO2H2X,避免電子由Hf向功函數金屬轉移形成界面，造成有效功函數的降低，從而提高了電路的電學特性和可靠性。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發明的一種防止高K材料氧擴散的方法流程圖；
[0025]圖2?圖4是本發明一較佳實施例中根據圖1的方法形成的工藝結構示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖，對本發明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0027]需要說明的是，在下述的【具體實施方式】中，在詳述本發明的實施方式時，為了清楚地表示本發明的結構以便于說明，特對附圖中的結構不依照一般比例繪圖，并進行了局部放大、變形及簡化處理，因此，應避免以此作為對本發明的限定來加以理解。
[0028]在以下本發明的【具體實施方式】中，請參閱圖1，圖1是本發明的一種防止高K材料氧擴散的方法流程圖；同時，請對照參閱圖2?圖4，圖2?圖4是本發明一較佳實施例中根據圖1的方法形成的工藝結構示意圖，圖2?圖4中形成的工藝結構，可與圖1中的各制作步驟相對應，以便于對本發明的方法進行理解。
[0029]如圖1所示，本發明提供了一種防止高K材料氧擴散的方法，包括以下步驟:
[0030]如框SOl所示，步驟一:提供一硅襯底，在所述硅襯底上淀積一層超薄界面層。
[0031]請參考圖2。首先，在襯底100上淀積一層超薄界面層(IL)lOl。作為一可選的實施方式，可采用化學氧化方法淀積所述超薄界面層。并且，所述超薄界面層的厚度優選為5?20A。所述超薄界面層的淀積材料可為Si02或S1N。
[0032]如框S02所示，步驟二:在所述超薄界面層上淀積一層金屬Ru。
[0033]請參考圖3。接下來，在所述超薄界面層101上繼續淀積一層金屬Rul02。作為一可選的實施方式，可采用原子層淀積(ALD)方法淀積所述金屬Ru。并且，所述金屬Ru的厚度優選為50?200A。
[0034]如框S03所示，步驟三:在所述金屬Ru上繼續淀積高K材料。
[0035]請參考圖4。接下來，在所述金屬Rul02上繼續淀積一層高K材料103。作為一可選的實施方式，可采用原子層淀積方法淀積所述高K材料，其厚度可根據工藝需要確定。
[0036]如框S04所示，步驟四:退火，使所述高K材料中的氧和金屬Ru結合，形成穩定的Ru02o
[0037]最后，對上述形成的工藝結構層進行整體退火處理，使所述高K材料中的氧和金屬Ru結合，形成穩定的R11O2，從而防止了高K材料中的氧發生擴散和襯底中的娃反應。作為一可選的實施方式，退火時的溫度可為500?800度。
[0038]綜上所述，相較于現有技術，本發明通過在超薄界面層和高K材料界面處增加淀積一層金屬Ru作為緩沖層，并在高K材料淀積完好后進行退火，使高K材料中的氧和金屬Ru結合，形成穩定的RuO2，從而可防止氧和襯底中的硅反應形成氧擴散；同時，還可阻止超薄界面層中的O『和高K材料生成Hf的亞氧化物HfO2H2X,避免電子由Hf向功函數金屬轉移形成界面，造成有效功函數的降低，從而提高了電路的電學特性和可靠性。
[0039]以上所述的僅為本發明的優選實施例，所述實施例并非用以限制本發明的專利保護范圍，因此凡是運用本發明的說明書及附圖內容所作的等同結構變化，同理均應包含在本發明的保護范圍內。
【主權項】
1.一種防止高K材料氧擴散的方法，其特征在于，包括: 步驟一:提供一硅襯底，在所述硅襯底上淀積一層超薄界面層； 步驟二:在所述超薄界面層上淀積一層金屬Ru; 步驟三:在所述金屬Ru上繼續淀積高K材料； 步驟四:退火，使所述高K材料中的氧和金屬Ru結合，形成穩定的Ru〇2。2.根據權利要求1所述的防止高K材料氧擴散的方法，其特征在于，步驟一中，采用化學氧化方法淀積所述超薄界面層。3.根據權利要求1所述的防止高K材料氧擴散的方法，其特征在于，步驟一中，所述超薄界面層的厚度為5?20A。4.根據權利要求1?3任意一項所述的防止高K材料氧擴散的方法，其特征在于，所述超薄界面層材料為S12或S1N。5.根據權利要求1所述的防止高K材料氧擴散的方法，其特征在于，步驟二中，采用原子層淀積方法淀積所述金屬Ru。6.根據權利要求1或5所述的防止高K材料氧擴散的方法，其特征在于，所述金屬Ru的厚度為50?200A。7.根據權利要求1所述的防止高K材料氧擴散的方法，其特征在于，步驟三中，采用原子層淀積方法淀積所述高K材料。8.根根據權利要求1所述的防止高K材料氧擴散的方法，其特征在于，步驟四中，所述退火的溫度為500?800度。
【專利摘要】本發明公開了一種防止高K材料氧擴散的方法，通過在超薄界面層和高K材料界面處增加淀積一層金屬Ru作為緩沖層，并在高K材料淀積完好后進行退火，使高K材料中的氧和金屬Ru結合，形成穩定的RuO2，從而可防止氧和襯底中的硅反應形成氧擴散；同時，還可阻止超薄界面層中的OH—和高K材料生成Hf的亞氧化物HfO2H2x,避免電子由Hf向功函數金屬轉移形成界面，造成有效功函數的降低，從而提高了電路的電學特性和可靠性。
【IPC分類】H01L21/02, H01L27/146
【公開號】CN105575988
【申請號】CN201511002977
【發明人】曾紹海, 李銘
【申請人】上海集成電路研發中心有限公司
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2015年12月28日