CN101800178B - 一种铪硅铝氧氮高介电常数栅介质的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铪硅铝氧氮高介电常数栅介质的制备方法，该方法是在铪硅铝氧氮高介电常数栅介质的上下表面处淀积氮化铝薄膜，再经高温退火形成铪硅铝氧氮高介电常数栅介质，该方法包括：清洗硅片；对清洗后的硅片进行淀积前氧化；在氧化后的硅片上淀积铪硅铝氧氮高介电常数栅介质；对淀积了铪硅铝氧氮高介电常数栅介质的硅片进行超声清洗；对清洗后的硅片进行淀积后退火；在退火后的硅片上形成金属栅；对形成金属栅的硅片进行淀积后退火；背面溅铝并进行合金处理。利用本发明解决了随着小尺寸器件栅介质厚度的减薄而带来栅介质漏电急剧上升和功耗严重增大的问题，同时，由于铝元素的引入有利于P型金属氧化物半导体器件金属栅功函数的调整。
Description
技术领域
本发明涉及纳米特征尺寸半导体器件制备技术领域，尤其涉及一种用于纳米尺度P型金属氧化物半导体器件制造的铪硅铝氧氮(HfSiAlON)高介电常数栅介质的制备方法，以解决随着小尺寸器件栅介质厚度的减薄而带来栅介质漏电急剧上升和功耗严重增大的问题，同时有利于解决P型金属氧化物半导体器件金属栅功函数调整的问题。
背景技术
40多年来，集成电路技术按摩尔定律持续发展，特征尺寸不断缩小，集成度不断提高，功能越来越强。随着器件尺寸的不断减小，栅氧化层厚度随之减薄。
目前，金属氧化物半导体晶体管(MOSFET)的特征尺寸已进入亚50纳米，栅氧化层厚度已减小到1.2纳米以下。栅氧化层如此之薄，如果仍采用传统氧化硅或氮化氧化硅栅介质，直接隧穿电流将成指数规律急剧增加。
依据2007年国际半导体技术发展路线图(ITRS2007)预测，到2008年，平面体硅器件氮化氧化硅栅介质漏电流将达到9×102A/cm2，超过器件所能承受的极限，将必须采用高介电常数材料作为栅介质。其原因是，在同样等效氧化层厚度下，高介电常数材料具有更厚的物理厚度，使栅与沟道间直接隧穿电流大大减小，功耗显著降低。
2007年，英特尔公司在45纳米技术节点开始引入高介电常数栅介质和金属栅技术，并应用于其新型处理器的制作。AMD和IBM等大型半导体公司也开始将研发重点转移到高介电常数栅介质和金属栅技术。
虽然近几年在高介电常数栅介质/金属栅研究领域已取得了很多成果并开始应用于产业，但仍然存在许多问题需要进一步改进。伴随半导体技术的发展，对高介电常数栅介质材料提出了更高的要求，例如高的介电常数、优良的热稳定性和可靠性等。同时，要求高介电常数栅介质材料的采用有利于与金属栅技术相结合。因此，高介电常数栅介质/金属栅技术的发展任重而道远。
为了获得合适的阈值电压，通常要求PMOS金属栅材料的功函数在5.2eV附近，然而具有如此高功函数的金属材料化学稳定性好，难于刻蚀，且非常昂贵，例如铂和金等。研究发现，在栅介质中引入铝有利于PMOS金属栅功函数的调整。基于这种思想，本发明提出了一种铪硅铝氧氮高介电常数栅介质的制备方法，并采用溅射淀积的方法进行制备。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的在于提供一种铪硅铝氧氮高介电常数栅介质的制备方法，以解决随着小尺寸器件栅介质厚度的减薄而带来栅介质漏电急剧上升和功耗严重增大的问题，同时，这项技术有利于促进金属栅电极平带电压向正向移动，即有利于PMOS金属栅功函数的调整。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种铪硅铝氧氮高介电常数栅介质的制备方法，该方法是在铪硅铝氧氮高介电常数栅介质的上下表面处淀积氮化铝薄膜，再经高温退火形成铪硅铝氧氮高介电常数栅介质，该方法包括：
清洗硅片；
对清洗后的硅片进行淀积前氧化；
在氧化后的硅片上淀积铪硅铝氧氮高介电常数栅介质；
对淀积了铪硅铝氧氮高介电常数栅介质的硅片进行超声清洗；
对清洗后的硅片进行淀积后退火；
在退火后的硅片上形成金属栅；
对形成金属栅的硅片进行淀积后退火；
背面溅铝并进行合金处理。
上述方案中，所述清洗硅片的步骤包括：先用常规方法清洗，再用氢氟酸/异丙醇/水在室温下浸泡1至10分钟，然后去离子水冲洗，甩干。
上述方案中，所述常规方法为在3#液中清洗10分钟，然后在1#液中清洗5分钟；所述3#液是体积比为(3～5)∶1的H2SO4+H2O2溶液，所述1#液是体积比为(1～0.7)∶1∶5的NH4OH+H2O2+H2O溶液。
上述方案中，所述对清洗后的硅片进行淀积前氧化的步骤包括：在含有微量氧气的氮气中600至800℃温度下快速热氧化30至120秒，生成5至8埃的氧化层。
上述方案中，所述在氧化后的硅片上淀积铪硅铝氧氮高介电常数栅介质的步骤包括：采用磁控反应溅射工艺，溅射功率为200至600W，工作压强为(2～8)×10-3Torr，在氩气和氮气中交替溅射铝靶、铪靶和硅靶，逐层淀积形成铪硅铝氧氮高介电常数栅介质薄膜，其中氮化铝主要分布于铪硅铝氧氮高介电常数栅介质薄膜的上下界面，调整溅射功率和时间能改变薄膜的厚度和组分。
上述方案中，所述超声清洗的步骤包括：采用丙酮超声清洗5～10分钟，无水乙醇超声清洗5～10分钟，去离子水冲洗，甩干。
上述方案中，所述淀积后退火的步骤包括：在氮气保护下，在500至1000℃温度下快速热退火5至90秒。
上述方案中，所述形成金属栅的步骤包括：在Ar/N2的混合气氛中溅射钽靶，淀积形成氮化钽TaN金属栅，其中TaN厚度为300至1500埃。
上述方案中，该所述金属栅淀积后退火工艺的步骤包括：在氮气保护下，在700至1000℃温度下快速热退火2至20秒。
上述方案中，所述背面溅铝并进行合金处理的步骤包括：在Ar气中采用直流溅射工艺背面溅射Al电极，Al电极厚度为5000至10000埃；然后，在氮气保护下350至500℃温度下合金退火30至60分钟。
(三)有益效果
采用本发明提供的铪硅铝氧氮高介电常数栅介质的制备方法，可以获得具有较高介电常数的栅介质材料，解决随着小尺寸器件栅介质厚度的减薄而带来栅介质漏电急剧上升和功耗严重增大的问题，同时Al的引入有利于P型金属氧化物半导体器件金属栅功函数的调整。
此外，采用溅射淀积技术制备铪硅铝氧氮高介电常数栅介质也是这一发明的创新点之一，而且本发明具有成本低、操作简单和产量高等优点，利用溅射淀积技术制备高介电常数栅介质薄膜有利于促进其产业化的发展。
本发明提供的这种铪硅铝氧氮高介电常数栅介质的制备方法，在同样等效氧化层厚度下，高介电常数栅介质具有比氮化氧化硅栅介质更厚的物理厚度，解决了随着小尺寸器件栅介质厚度的减薄而带来栅介质漏电急剧上升和功耗严重增大的问题，同时由于Al的存在，使金属栅的平带电压向正向移动，有利于PMOS金属栅功函数的调节。
本发明提供的这种铪硅铝氧氮高介电常数栅介质的制备方法的优点是：(1)Al的存在有利于PMOS金属栅功函数的调整；(2)界面处SiOx使界面良好，有利于提高器件的迁移率；(3)溅射工艺简单，易于获得极薄且厚度均匀的薄膜，成本低廉。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明提供的铪制备硅铝氧氮高介电常数栅介质的方法流程图。
图2是本发明提供的铪硅铝氧氮高介电常数栅介质结构的示意图，其中，图2(a)是退火前铪硅铝氧氮高介电常数栅介质结构的示意图，图2(b)是退火后铪硅铝氧氮高介电常数栅介质结构的示意图；
图3是利用本发明制备的HfSiAlON/TaN栅介质结构电容与HfSiON/TaN栅结构电容的“电容-电压(C-V)”测试曲线的对比示意图。
图4是利用本发明制备的HfSiAlON高介电常数栅介质的漏电特性(Ig-Vg)曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明采用磁控溅射工艺制备了铪硅铝氧氮(HfSiAlON)高介电常数栅介质，制备方法为：在硅片经过常规清洗后，为抑制自然氧化物生成，采用氢氟酸/异丙醇/水溶液室温下浸泡，去离子水冲洗，甩干后立即进炉，用快速热氧化生长界面SiOx层，在氩气和氮气的混合气氛中利用磁控溅射技术溅射淀积AlN薄膜，然后在氩气和氮气的混合气氛中利用磁控溅射技术交替溅射铪(Hf)靶和硅(Si)靶，淀积形成HfSiON高介电常数栅介质薄膜，在HfSiON栅介质上再淀积一层氮化铝薄膜，淀积后进行快速热退火处理形成HfSiAlON高介电常数栅介质，然后形成金属栅电极，背面溅铝与合金，以便电学测量。
如图1所示，图1是本发明提供的铪制备硅铝氧氮高介电常数栅介质的方法流程图，该方法是在铪硅铝氧氮高介电常数栅介质的上下表面处淀积氮化铝薄膜，再经高温退火形成铪硅铝氧氮高介电常数栅介质，该方法包括：
步骤1：清洗硅片；
在本步骤中，先用常规方法清洗，再用氢氟酸/异丙醇/水在室温下浸泡1至10分钟，然后去离子水冲洗，甩干两遍，立即进炉；所述常规方法为在3#液中清洗10分钟，然后在1#液中清洗5分钟；所述3#液是体积比为5∶1的H2SO4+H2O2溶液，所述1#液是体积比为0.7∶1∶5的NH4OH+H2O2+H2O溶液。
步骤2：对清洗后的硅片进行淀积前氧化；
在本步骤中，在含有微量氧气的氮气中600至800℃温度下快速热氧化30至120秒，生成5至8埃的氧化层。
步骤3：在氧化后的硅片上淀积铪硅铝氧氮高介电常数栅介质；
在本步骤中，首先在氧化后的硅片上淀积极薄的氮化铝薄膜，溅射功率为300至600W，工作压强为2～5×10-3Torr，在氩气和氮气，溅射铝靶，淀积形成AlN薄膜，调整溅射功率和时间可改变薄膜的厚度；然后，在淀积有氮化铝的硅片上淀积铪硅氧氮高介电常数栅介质薄膜，溅射功率为300至500W，工作压强为5×10-3Torr，在氩气和氮气中，交替溅射铪靶和硅靶，逐层淀积形成HfSiON高k栅介质薄膜，调整溅射功率和时间可改变薄膜的厚度与组分；最后，在铪硅氧氮栅介质上再淀积一层极薄的氮化铝薄膜。
步骤4：对淀积了铪硅铝氧氮高介电常数栅介质的硅片进行超声清洗；
在本步骤中，采用丙酮超声清洗5～10分钟，无水乙醇超声清洗5～10分钟，去离子水冲洗，甩干。
步骤5：对清洗后的硅片进行淀积后退火；
在本步骤中，在氮气保护下，在500至1000℃温度下快速热退火5至90秒。
步骤6：在退火后的硅片上形成金属栅；
在本步骤中，在Ar/N2的混合气氛中溅射钽靶，淀积形成氮化钽TaN金属栅，TaN厚度为300至1500埃。
步骤7：对形成金属栅的硅片进行淀积后退火；
在本步骤中，在氮气保护下，在700至1100℃温度下快速热退火2至20秒。
步骤8：背面溅铝并进行合金处理；
在本步骤中，所述背面溅铝是在Ar气中采用直流溅射工艺背面溅射Al电极，Al电极厚度为5000至10000埃；所述合金是在氮气保护下350至500℃温度下合金退火30至60分钟。
图2所示是本发明提供的铪硅铝氧氮高介电常数栅介质结构的示意图，其中，图2(a)是退火前铪硅铝氧氮高介电常数栅介质结构的示意图，该结构包括：
101：TaN金属栅电极；
102：AlN薄膜；
103：HfSiON高k栅介质薄膜；
104：AlN薄膜；
105：SiO2薄膜；
106：Si衬底。
图2(b)是退火后铪硅铝氧氮高介电常数栅介质结构的示意图，该结构包括：
107：TaN金属栅电极；
108：HfSiAlON高k栅介质薄膜；
109：SiO2薄膜；
110：Si衬底。
图3示出了利用本发明制备的HfSiAlON/TaN栅介质结构电容与HfSiON/TaN栅结构电容的“电容-电压(C-V)”测试曲线的对比。HfSiON/TaN栅结构电容的平带电压Vfb是-0.107V，HfSiAlON/TaN栅介质结构电容的平带电压Vfb是0.206V，由于Al的引入，导致平带电压向正向漂移了0.313V。
图4示出了利用本发明制备的HfSiAlON高介电常数栅介质的漏电特性(Ig-Vg)曲线。HfSiAlON栅介质漏电流密度是3.89×10-3A/cm2(Vg＝Vfb+1V)。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种铪硅铝氧氮高介电常数栅介质的制备方法，其特征在于，该方法是在铪硅氧氮高介电常数栅介质的上下表面处淀积氮化铝薄膜，再经高温退火形成铪硅铝氧氮高介电常数栅介质，该方法包括：
清洗硅片；
对清洗后的硅片进行淀积前氧化；
在氧化后的硅片上淀积氮化铝薄膜；
在所述氮化铝薄膜上淀积铪硅氧氮高介电常数栅介质薄膜；
在所述铪硅氧氮高介电常数栅介质薄膜上淀积氮化铝薄膜；
对淀积了铪硅铝氧氮高介电常数栅介质薄膜的硅片进行超声清洗；
对清洗后的硅片进行淀积后退火以形成铪硅铝氧氮高介电常数栅介质，该退火是在氮气保护下，在500至1000℃温度下快速热退火5至90秒；
在退火后的硅片上形成金属栅；
对形成金属栅的硅片进行淀积后退火；
背面溅铝并进行合金处理。
2.根据权利要求1所述的铪硅铝氧氮高介电常数栅介质的制备方法，其特征在于，所述清洗硅片的步骤包括：
先用常规方法清洗，再用氢氟酸和异丙醇与水的混合溶液在室温下浸泡1至10分钟，然后去离子水冲洗，甩干。
3.根据权利要求2所述的铪硅铝氧氮高介电常数栅介质的制备方法，其特征在于，所述常规方法为在3#液中清洗10分钟，然后在1#液中清洗5分钟；所述3#液是体积比为(3～5)∶1的H2SO4+H2O2溶液，所述1#液是体积比为(1～0.7)∶1∶5的NH4OH+H2O2+H2O溶液。
4.根据权利要求1所述的铪硅铝氧氮高介电常数栅介质的制备方法，其特征在于，所述对清洗后的硅片进行淀积前氧化的步骤包括：
在含有微量氧气的氮气中600至800℃温度下快速热氧化30至120秒，生成5至8埃的氧化层。
5.根据权利要求1所述的铪硅铝氧氮高介电常数栅介质的制备方法，其特征在于，
所述在氧化后的硅片上淀积氮化铝薄膜，溅射功率为300至600W，工作压强为2～5×10-3Torr，在氩气和氮气，溅射铝靶，淀积形成AlN薄膜；
所述在氮化铝薄膜上淀积铪硅氧氮高介电常数栅介质薄膜，溅射功率为300至500W，工作压强为5×10-3Torr，在氩气和氮气中，交替溅射铪靶和硅靶，逐层淀积形成HfSiON高k栅介质薄膜。
6.根据权利要求1所述的铪硅铝氧氮高介电常数栅介质的制备方法，其特征在于，所述超声清洗的步骤包括：
采用丙酮超声清洗5～10分钟，无水乙醇超声清洗5～10分钟，去离子水冲洗，甩干。
7.根据权利要求1所述的铪硅铝氧氮高介电常数栅介质的制备方法，其特征在于，所述形成金属栅的步骤包括：
在Ar/N2的混合气氛中溅射钽靶，淀积形成氮化钽TaN金属栅，其中TaN厚度为300至1500埃。
8.根据权利要求1所述的铪硅铝氧氮高介电常数栅介质的制备方法，其特征在于，该所述金属栅淀积后退火工艺的步骤包括：
在氮气保护下，在700至1000℃温度下快速热退火2至20秒。
9.根据权利要求1所述的铪硅铝氧氮高介电常数栅介质的制备方法，其特征在于，所述背面溅铝并进行合金处理的步骤包括：
在Ar气中采用直流溅射工艺背面溅射Al电极，Al电极厚度为5000至10000埃；然后，在氮气保护下350至500℃温度下合金退火30至60分钟。
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