一種新型鉿硅鉭氧氮高介電常數柵介質的制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種新型鉿硅鉭氧氮（HfSiTaON）高介電常數柵介質的制備方法，其特征在于：清洗硅片，對清洗后的硅片進行淀積前氧化；在氧化后的硅片上淀積五氧化二鉭（Ta2O5）、氧化硅（SiO2）和鉿氧氮（HfON）疊層柵介質，其中，Ta2O5位于疊層柵介質的上下界面處，SiO2位于HfON和Ta2O5之間；對淀積了疊層柵介質的硅片進行超聲清洗；對清洗后的硅片進行淀積后退火，形成鉿硅鉭氧氮（HfSiTaON）高介電常數柵介質；在退火后的硅片上形成金屬柵；背面濺鋁與合金。本發明通過在柵介質中引入Ta可以獲得具有較高介電常數的柵介質材料，解決隨著小尺寸器件柵介質厚度的減薄而帶來柵介質漏電急劇上升和功耗嚴重增大的問題，其具有更大的金屬柵功函數調整能力。
【專利說明】
-種新型給括結氧氮高介電常數柵介質的制備方法
技術領域
[0001] 本發明設及半導體器件制備技術領域，尤其設及一種用于納米尺度N型金屬氧化 物半導體器件制造的給娃粗氧氮(HfSi化ON)高介電常數柵介質的制備方法。
【背景技術】
[0002] 40多年來，集成電路技術按摩爾定律持續發展，特征尺寸不斷縮小，集成度不斷提 高。隨著器件尺寸的不斷減小，柵氧化層厚度隨之減薄。當金屬氧化物場效應晶體管 (M0SFET)的特征尺寸進入45納米W后，柵氧化層厚度已減小到1.2納米W下。如果仍采用 傳統氧化娃或氮化氧化娃柵介質，直接隧穿電流將成指數規律急劇增加。因此，2007年，英 特爾公司在45納米技術節點開始引入高介電常數柵介質和金屬柵技術。在同樣等效氧化層 厚度下，高介電常數材料具有更厚的物理厚度，使柵與溝道間直接隧穿電流大大減小，功耗 顯著降低。現今，高介電常數柵介質/金屬柵技術廣泛應用于半導體器件的制作，成為集成 電路技術的關鍵技術之一。但是，伴隨半導體技術的發展，對高介電常數柵介質材料提出了 更高的要求，例如高的介電常數、優良的熱穩定性和可靠性等。同時，要求高介電常數柵介 質材料與金屬柵技術相結合，獲得合適的金屬柵功函數調整能力，W獲得合適的闊值電壓， 其中，NM0S器件要求金屬柵材料的功函數在3.9eV附近，PM0S器件要求金屬柵材料的功函數 在5.2eV附近。研究發現，在柵介質中引入粗(Ta)有利于高k柵介質介電常數的提高和醒0S 金屬柵功函數的調整。基于運種思想，我們提出了一種給娃粗氧氮(HfSiTaON)高介電常數 柵介質的制備方法。采用給娃粗氧氮(HfSiTaON)高介電常數柵介質的制備方法，通過在柵 介質中引入化可W獲得具有較高介電常數的柵介質材料，解決隨著小尺寸器件柵介質厚度 的減薄而帶來柵介質漏電急劇上升和功耗嚴重增大的問題，同時Ta的引入有利于N型金屬 柵功函數的調整。
【發明內容】
[0003] 本發明的主要目的在于提供一種新型給娃粗氧氮(HfSiTaON)高介電常數柵介質 的制備方法，實現本發明的目的所采取的技術方案是:一種新型給娃粗氧氮(HfSiTaON)高 介電常數柵介質的制備方法，其特征在于:該方法包括:清洗娃片，對清洗后的娃片進行淀 積前氧化；在氧化后的娃片上淀積五氧化二粗(Ta205)、氧化娃(Si〇2)和給氧氮(HfON)疊 層柵介質，其中，Ta2化位于疊層柵介質的上下界面處，Si〇2位于HfON和化2〇5之間；對淀積了 疊層柵介質的娃片進行超聲清洗；對清洗后的娃片進行淀積后退火，形成給娃粗氧氮 (HfSi化ON)高介電常數柵介質;在退火后的娃片上形成金屬柵;背面瓣侶與合金。
[0004] 本發明通過在柵介質中引入化可W獲得具有較高介電常數的柵介質材料，解決隨 著小尺寸器件柵介質厚度的減薄而帶來柵介質漏電急劇上升和功耗嚴重增大的問題，同 時，界面處化說5的引入有利于N型金屬氧化物半導體器件金屬柵功函數的調整，Si〇2的引入 有利于降低HfON對化2〇5功函數調整能力的影響，使其具有更大的金屬柵功函數調整能力。
【附圖說明】
[0005] 圖1是本發明流程中各步驟對應的柵介質結構的截面圖。
[0006] 圖中，100、娃片，102、Si〇2,104、化2〇日薄膜，106、Si02,108、Hf0N高介電常數柵介質 薄膜，110、Si02薄膜，112、Ta2化薄膜，114、為104~112的復合體，116、金屬柵，118、A1電極。
【具體實施方式】
[0007] 通過W下參照附圖對本發明實施例的描述，本發明的上述W及其他目的、特征和 優點將更為清楚：圖1示出了本發明實施例制造 HfSi化ON高介電常數柵介質的流程中各步 驟對應的柵介質結構的截面圖。下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖 中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的 元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能解釋為對本 發明的限制。在附圖中示出了根據本發明實施例的層結構示意圖。運些圖并非是按比例繪 制的，其中為了清楚的目的，放大了某些細節，并且可能省略了某些細節。圖中所示出的各 種區域、層的形狀W及它們之間的相對大小、位置關系僅是示例性的，實際中可能由于制造 公差或技術限制而有所偏差，并且本領域技術人員根據實際所需可W另外設計具有不同形 狀、大小、相對位置的區域/層。一種新型給娃粗氧氮(HfSiTaON)高介電常數柵介質的制備 方法，其特征在于:該方法包括:清洗娃片，對清洗后的娃片進行淀積前氧化；在氧化后的 娃片上淀積五氧化二粗(Ta地5)、氧化娃(Si〇2)和給氧氮(HfON)疊層柵介質，其中，化2〇5位于 疊層柵介質的上下界面處，Si〇2位于HfON和化205之間；對淀積了疊層柵介質的娃片進行超 聲清洗;對清洗后的娃片進行淀積后退火，形成給娃粗氧氮(HfS 口 aON)高介電常數柵介質； 在退火后的娃片上形成金屬柵;背面瓣侶與合金。
[0008] 所述清洗娃片的步驟包括:在3#液中清洗10分鐘，然后在1#液中清洗5分鐘，最后 用氨氣酸和水溶液浸泡1至3分鐘去除自然氧化層，然后去離子水沖洗，甩干;其中，所述3# 液是硫酸和雙氧水溶液，所述1#液是氨水、雙氧水和水溶液。
[0009] 所述對清洗后的娃片進行淀積前氧化的步驟包括:采用熱氧化工藝或化學氧化工 藝在娃襯底上形成5至10義的氧化層。
[0010] 所述在氧化后的娃片上淀積疊層柵介質的步驟包括:采用瓣射工藝或原子層淀積 工藝在娃襯底上逐層淀積化2〇5、Si化和Hf ON，形成疊層柵介質，其中化2化分布于疊層柵介質 的上下界面處，Si〇2位于HfON和化2〇5之間。
[0011] 所述淀積后退火的步驟包括:在氮氣保護下，在500至1000 °C溫度下快速熱退火5 至90秒。
[0012] 所述形成金屬柵的步驟包括：采用瓣射工藝或原子層淀積工藝淀積形成氮化粗 (化N)金屬柵。
[0013] 所述背面瓣侶與合金的步驟包括:所述背面瓣侶是在氣氣中采用瓣射工藝背面瓣 射侶(A1)電極，A1電極厚度為5000至10000 所述合金是在氮氣保護下350至500 °C溫度下 合金退火30至60分鐘。
[0014] 本發明通過在柵介質中引入化可W獲得具有較高介電常數的柵介質材料，解決隨 著小尺寸器件柵介質厚度的減薄而帶來柵介質漏電急劇上升和功耗嚴重增大的問題，同 時，界面處化地5的引入有利于N型金屬氧化物半導體器件金屬柵功函數的調整，Si〇2的引入 有利于降低HfON對化2〇5功函數調整能力的影響，使其具有更大的金屬柵功函數調整能力。 為了更好的理解本發明，W下將結合附圖對具體的實施例進行詳細的描述。
[001引首先，提供娃片100，如圖所示； 接著，清洗娃片； 具體地，在本實施例中，在3#液中清洗10分鐘，然后在1#液中清洗5分鐘，最后用氨氣 酸/水溶液浸泡1至3分鐘去除自然氧化層，然后去離子水沖洗，甩干;其中，所述3#液是體積 比為5:1的硫酸和雙氧水溶液，所述1#液是體積比為1: 2:10的氨水、雙氧水和水溶液，所述 氨氣酸/水溶液是體積比為1:10的氨氣酸和水溶液，然后，對清洗后的娃片進行淀積前氧 化，形成Si化薄膜102，如圖所示； 具體地，在本實施例中，在含有部分氧氣的氮氣中600至800 °C溫度下快速熱退火30至 120秒，生成5至7|；的氧化層。接著，在氧化后的娃片上淀積化205薄膜104,如圖所示； 具體地，在本實施例中，采用原子層淀積工藝在氧化后的娃片上淀積形成化205薄膜。
[0016] 然后，在化2〇5薄膜104上淀積Si化薄膜106,如圖所示； 具體地，在本實施例中，采用原子層淀積工藝在Si化薄膜上淀積形成Si化薄膜。接著， 在Si化薄膜106上淀積HfON高介電常數柵介質薄膜108，如圖所示； 具體地，在本實施例中，采用磁控瓣射技術，在氧氣和氮氣氣氛中，瓣射給祀，淀積形成 HfON高k柵介質薄膜，通過改變氮氣流量可改變薄膜中的氮含量，調整瓣射功率和時間可改 變薄膜的厚度與組分。
[0017] 然后，在HfON高介電常數柵介質薄膜108上淀積Si化薄膜110,如圖所示； 具體地，在本實施例中，采用原子層淀積工藝在HfON高介電常數柵介質薄膜上淀積形 成Si化薄膜。接著，在Si化薄膜110上淀積化2〇5薄膜112，如圖所示； 具體地，在本實施例中，采用原子層淀積工藝在Si02薄膜上淀積形成化2〇5薄膜。然后， 對淀積了Ta2〇日、Si〇2和HfON疊層柵介質的娃片進行超聲清洗； 具體地，在本實施例中，采用丙酬超聲清洗5分鐘，無水乙醇超聲清洗5分鐘，去離子水 沖洗，甩干兩遍，立即進爐。接著，對清洗后的娃片進行淀積后退火，形成HfSi化ON高k柵介 質薄膜，如圖所示。
[001引具體地，在本實施例中，在氮氣保護下，在500至1000 %溫度下快速熱退火5至90 秒，使化205、Si02和HfON疊層柵介質中各元素互擴散形成Hf Si化ON高k柵介質薄膜，此時化 元素主要分布在柵介質的上下界面，起到提高柵介質介電常數和調整N型金屬柵功函數的 作用，Si02有效避免了 HfON柵介質對化元素金屬柵功函數調整的不利影響，使金屬柵功函 數調整能力更強。然后，在退火后的娃片上形成金屬柵116,如圖所示。
[0019]具體地，在本實施例中，在Ar/N2的混合氣氛中瓣射粗祀，淀積形成TaN金屬柵，TaN 厚度為300至700|^|。最后，背面瓣侶與合金，形成背面A1電極118,如圖所示。
[0020] 具體地，在本實施例中，在氣氣中采用直流瓣射工藝背面瓣射電極A1電極，A1電極 厚度為5000至lOOOOj^;所述合金是在氮氣保護下350至500 °C溫度下合金退火30至60分鐘。
[0021] W上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，w上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡 在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保 護范圍之內。
【主權項】
1. 一種新型鉿硅鉭氧氮(HfSiTaON)高介電常數柵介質的制備方法，其特征在于:清洗 硅片，對清洗后的硅片進行淀積前氧化；在氧化后的硅片上淀積五氧化二鉭(Ta 205)、氧化 娃(Si〇2)和鉿氧氮(HfON)疊層柵介質，其中，Ta2〇5位于疊層柵介質的上下界面處，Si〇2位 于HfON和Ta 2〇5之間；對淀積了疊層柵介質的硅片進行超聲清洗;對清洗后的硅片進行淀積 后退火，形成鉿硅鉭氧氮(HfSiTaON)高介電常數柵介質;在退火后的硅片上形成金屬柵;背 面濺鋁與合金。2. 根據權利要求1所述的新型鉿硅鉭氧氮高介電常數柵介質的制備方法，其特征在于， 所述清洗硅片的步驟包括:在3#液中清洗10分鐘，然后在1 #液中清洗5分鐘，最后用氫氟酸 和水溶液浸泡1至3分鐘去除自然氧化層，然后去離子水沖洗，甩干;其中，所述3#液是硫酸 和雙氧水溶液，所述1#液是氨水、雙氧水和水溶液。3. 根據權利要求1所述的新型鉿硅鉭氧氮高介電常數柵介質的制備方法，其特征在于， 所述對清洗后的硅片進行淀積前氧化的步驟包括:采用熱氧化工藝或化學氧化工藝在硅襯 底上形成5至10.又的氧化層。4. 根據權利要求1所述的新型鉿硅鉭氧氮高介電常數柵介質的制備方法，其特征在于， 所述在氧化后的硅片上淀積疊層柵介質的步驟包括:采用濺射工藝或原子層淀積工藝在硅 襯底上逐層淀積Ta2〇5、Si〇2和HfON，形成疊層柵介質，其中Ta2〇5分布于疊層柵介質的上下界 面處，Si〇2位于HfON和Ta2〇5之間。5. 根據權利要求1所述的新型鉿硅鉭氧氮高介電常數柵介質的制備方法，其特征在于， 所述淀積后退火的步驟包括:在氮氣保護下，在500至1000 °C溫度下快速熱退火5至90秒。6. 根據權利要求1所述的新型鉿硅鉭氧氮高介電常數柵介質的制備方法，其特征在于， 所述形成金屬柵的步驟包括:采用濺射工藝或原子層淀積工藝淀積形成氮化鉭(TaN)金屬 柵。7. 根據權利要求1所述的鉿硅鉭氧氮高介電常數柵介質的制備方法，其特征在于，所述 背面濺鋁與合金的步驟包括:所述背面濺鋁是在氬氣中采用濺射工藝背面濺射鋁(A1)電 極，A1電極厚度為5000至10000又;所述合金是在氮氣保護下350至500 °C溫度下合金退火30 至60分鐘。
【文檔編號】H01L29/51GK105869992SQ201610197936
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月31日
【發明人】滕昭新
【申請人】國網山東省電力公司夏津縣供電公司