[发明专利]一种双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，特别指一种双金属栅功函数的调节方 法，适合于32纳米及以下技术代高性能纳米互补型金属氧化物半导体 (CMOS)器件的应用。

背景技术

随着CMOS器件特征尺寸的不断缩小，高介电常数(K)栅介质和金属 栅电极的应用势在必行。采用高K介质，由于其在同样等效氧化物厚度 (EOT)下有较厚的物理厚度，所以可以大幅度降低栅隧穿漏电流。但是 传统的多晶硅栅与高K栅介质不兼容，存在严重的费米钉扎效应，所以必 须采用新型金属栅电极代替之。金属栅不仅能消除多晶硅栅的耗尽效应， 减小栅电阻，还能消除硼穿透，提高器件可靠性。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双金属栅功函数的调节方法，本发明利用 物理汽相淀积(PVD)方法，在高K介质如HfLaOH、HfSiON等上面淀积一 层金属氮化物膜或金属膜，作为金属栅电极，然后采用离子注入方法将金 属离子注入到金属栅薄膜电极内，通过高温热退火将掺杂金属离子驱进到 金属栅电极与高K栅介质的界面上形成堆积或者通过界面反应生成偶极 子，导致栅功函数的改变。改变量与金属栅材料及掺杂离子的种类、浓度 的剖面分布及其与界面的反应情况有关。优化离子注入的能量、剂量和热 处理条件，可以获得合适的栅功函数，以期获得合适的阈值电压。这个方 法具有普适性，对NMOS器件，可以往金属栅电极中注入Yb或Er或Sr等 元素，对PMOS器件，可以往金属栅电极中注入Al或Ga或Pt等元素，分 别达到调节NMOS和PMOS双金属栅功函数的目的，以实现纳米CMOS器件 阈值电压的控制。

本发明提供的双金属栅功函数的调节方法，其主要步骤如下：

步骤1)清洗：在器件隔离形成后，进行界面氧化层形成前的清洗， 先采用常规方法清洗，然后用氢氟酸/异丙醇/水混合溶液在室温下浸泡， 去离子水冲洗，甩干后立即进炉；氢氟酸/异丙醇/水的重量比为0.2-1.5 ％∶0.01-0.10％∶1％；

步骤2)界面层SiOx或SiON的形成：于600-800℃下，20-120秒快 速热退火；

步骤3)高介电常数(K)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；改变溅射功率或交替溅射的时间，以 获得不同比例和厚度的高K介质膜。

步骤4)淀积高K介质后快速热退火：于600-1050℃下，4-120秒热 退火；

步骤5)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6)金属离子注入对金属氮化物栅进行掺杂；

步骤7)刻蚀形成金属栅电极；

步骤8)高温快速热退火：于500-1050℃下，2-30秒热退火；

步骤9)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10)合金：380-450℃温度下，在合金炉内N₂中合金退火30-60 分。

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与界面反应生成 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为金属栅TiAlN中Al含量不同的TiAlN/HfLaON栅结构高频C-V 特性的比较。

图2为HfLaON/TiAlN栅结构栅漏电流特性。

具体实施方式

步骤1.清洗：在器件隔离形成后，进行界面氧化层形成前的清洗，先 采用常规方法清洗，然后用氢氟酸∶异丙醇∶水(重量比) ＝0.3-0.8％∶0.01-0.08％∶1％混合溶液在室温下浸泡2-10分，去离子水冲洗， N₂中甩干后立即进炉；