[发明专利]一种适用于NMOS器件的金属栅功函数的调节方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别指一种适用于NMOS器件的金属栅功函数的调节方法，适合于45纳米及以下技术代高性能纳米尺度互补型金属氧化物半导体(CMOS)器件的制备应用。

背景技术

随着CMOS器件的特征尺寸进入到45nm技术节点及以下时，为了大幅度减小栅隧穿电流和栅电阻，消除多晶硅耗尽效应，提高器件可靠性，缓解费米能级钉扎效应，采用高K(介电常数)/金属栅材料代替传统的SiO₂/poly-Si(多晶硅)结构已成为业界的共识。但是金属栅集成到高K栅介质上仍有许多问题急待解决，如热稳定性问题，界面态问题，特别是费米钉扎效应使纳米CMOS器件需要的适当低的阈值电压的获得面临很大挑战。

发明内容

本发明的目的在于提出一种适用于NMOS器件的金属栅功函数的调节方法，以获得合适的栅功函数，以期获得合适的阈值电压。

为实现上述目的，本发明提供的适用于NMOS器件的金属栅功函数的调节方法，其主要步骤如下：

步骤1)器件隔离形成后界面氧化层SiOx或SiON的形成：于600-900℃下，20-120秒快速热氧化形成；

步骤2)高介电常数栅介质薄膜的形成：采用PVD方法，利用磁控反应溅射工艺交替溅射Hf-La靶和Hf靶淀积形成HfLaON或交替溅射Hf靶和Si靶淀积形成HfSiON栅介质；

步骤3)淀积高介电常数介质薄膜后快速热退火：于600-1050℃下，10-120秒热退火；

步骤4)金属栅电极形成：采用PVD方法，利用磁控反应溅射淀积金属氮化物栅；

步骤5)N型金属离子注入对金属氮化物栅进行掺杂；

步骤6)刻蚀形成金属栅电极；

步骤7)热退火：温度350-1050℃；

步骤8)背面欧姆接触形成：采用PVD方法，利用直流溅射工艺在背面沉积Al-Si膜；

步骤9)合金：380-450℃温度下，在合金炉内N₂中合金退火30-60分。

所述的调节方法，其中，步骤1中在器件隔离形成后，界面氧化层形成前，先采用常规方法清洗，然后用氢氟酸/异丙醇/水混合溶液中于室温下浸泡，去离子水冲洗，甩干后立即进行界面氧化层的形成。

所述的调节方法，其中，步骤1中氢氟酸/异丙醇/水混合溶液浓度比为0.2-1.5％∶0.01-0.10％∶1％，浸泡时间为2-10分钟。

所述的调节方法，其中，步骤2中界面氧化层SiON采用先注入氮再快速热氧化形成或先氧化再等离子氮化形成。

所述的调节方法，其中，步骤2中高介电常数栅介质膜的溅射是在N₂/Ar气氛中进行，通过改变交替溅射Hf-La靶和Hf靶或Hf靶和Si靶的功率和时间来调控各元素的比例和膜厚。

所述的调节方法，其中，步骤4中淀积金属氮化物栅采用在N₂/Ar气氛中反应溅射Ti靶或Ta靶或Mo靶相应分别形成TiN或TaN或MoN。

所述的调节方法，其中，步骤5中金属离子注入对NMOS器件，选择的离子注入元素分别有：Tb或Er或Yb或Sr。

所述的调节方法，其中，步骤6中TiN或TaN金属栅电极采用Cl基反应离子刻蚀形成，或采用化学湿法腐蚀形成。

所述的调节方法，其中，步骤7中的热退火分两类，一类是适用先栅工艺的，采用快速热退火或尖峰退火或激光退火，温度950-1200℃，时间5毫秒-30秒；另一类是适用后栅工艺的，采用炉子退火，温度350-550℃，时间20-60分。

所述的调节方法，其中，步骤8背面溅射沉积的Al-Si膜厚度为80-120纳米。

本发明采用离子注入方法将金属离子注入到金属栅薄膜电极中，经快速热退火后，离子在金属栅与高K栅介质的界面上堆积或在高K栅介质与SiO₂的界面上通过界面反应生成偶极子，达到调节金属栅功函数的目的，进而实现适当低的阈值电压的控制。此方法简单易行，具有好的热稳定性和调节金属栅功函数的能力，而且与CMOS工艺完全兼容，便于集成电路产业化。

附图说明

图1为不同Tb注入剂量下，金属栅TiTbN中Tb含量不同的NMOS电容TiTbN/HfLaON/ILSiO₂/N(100)Si栅结构高频C-V特性的比较。从图可以看出随Tb注入剂量增加，C-V特性曲线向负方向大幅度移动，表明平带电压向负方向大幅度移动，即NMOS器件的功函数大幅度减小。