[发明专利]一种高k栅介质界面优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高k栅介质界面优化方法，尤其涉及一种Hf基高k栅介质界面优化方法，其通过在高k栅介质与硅衬底界面引入界面优化层改善界面质量，同时通过在界面氧化硅层上形成界面反应层，在热退火工艺中，使界面反应层与界面优化层发生化学反应以减小界面氧化层的厚度，有助于获得界面良好且等效氧化层厚度小的高k栅介质层。

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。目前，金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的特征尺寸已进入亚50nm。伴随器件特征尺寸的不断减小，如果仍采用传统的氧化硅栅介质/多晶硅形成的栅堆叠，栅介质漏电会成指数规律急剧增加，多晶硅耗尽效应越来越严重，多晶硅电阻也会随之增大。为了克服以上困难，工业界开始采用高k栅介质和金属栅电极形成新型栅堆叠结构代替传统的栅堆叠。高k栅介质在保持具有相同的等效氧化层厚度的前提下，具有更高的物理厚度，从而有效减小了栅介质漏电，并且金属栅电极可以从根本上消除多晶硅耗尽效应。

高k栅介质要求栅介质材料具有较高的介电常数、良好的热力学与化学稳定性、较大的带隙宽度、较小的固定电荷和缺陷态密度。然而，常见的高k栅介质在硅衬底上的热力学稳定性较差，在高温下易与硅衬底发生反应，导致界面粗糙，界面态增多，从而使载流子迁移率下降，器件性能降低。因此，高k栅介质在硅衬底上的热力学稳定性在高k栅介质的研究中具有重要的意义，如何改善界面特性，获得良好的器件特性一直是高k栅介质研究的重点。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种高k栅介质的界面优化方法，该方法能够有效改善高k栅介质与硅衬底之间的界面特性。

该方法包括：提供半导体衬底；去除半导体衬底表面自然氧化层；在半导体衬底上形成界面优化层；在界面优化层上形成界面反应层；在界面反应层上形成介质层；对半导体衬底进行热退火处理，界面反应层与界面优化层发生反应减小界面优化层厚度。

优选地，所述去除半导体衬底表面自然氧化层的步骤包括：将半导体衬底置于氢氟酸、异丙醇和水的混合溶液中浸泡5至10分钟，去除半导体衬底表面自然氧化层，然后在氮气中吹干。

其中，所述氢氟酸、异丙醇和水的混合溶液中，氢氟酸的体积百分比含量为1%至2%，异丙醇的体积百分比含量为0.01%至0.1%。

优选地，所述在半导体衬底上形成界面优化层的步骤包括：采用热氧化的方法，在半导体衬底上形成4-10?的SiO₂层。

其中，所述热氧化的步骤包括：采用快速热退火工艺，退火温度为600℃至800℃，退火时间为20s至40s，退火气氛为氮气与氧气的混合气氛，其中氧气的体积百分含量为0.1%至2%。

优选地，所述在半导体衬底上形成界面优化层的步骤还可包括：采用注氮氧化的方法，在半导体衬底上形成4-10?的SiON层。

其中，所述注氮氧化的步骤包括：首先，在半导体衬底上注入氮离子，注入能量10-50keV，注入剂量是2×10¹⁴cm^-2，然后，在氧气与氮气的混合气氛中进行热氧化，氧气体积百分比含量为0.1%-1%，氧化温度为900-1050℃。

优选地，所述在界面氧化硅层上形成界面反应层的步骤包括：采用磁控溅射工艺或原子层淀积工艺，在界面优化层上形成界面反应层，所述界面反应层优选为金属或金属氮化物。

其中，所述金属包括Hf、Ti、Ta中的一种或多种的组合；所述金属氮化物包括HfN_x、TiN_x、TaN_x中的一种或多种的组合。

优选地，所述在界面反应层上形成介质层的步骤包括：采用磁控溅射工艺或原子层淀积工艺，在界面反应层上形成高k介质层。

优选地，所述高k介质层包括：HfON、HfSiON、HfTiON、HfTaON中的一种或多种的组合。

优选地，所述对半导体衬底进行热退火处理的步骤包括：采用快速热退火工艺，退火温度为600℃至1000℃，退火时间为20s至40s，退火气氛为氮气气氛。

本发明提供的这种高k栅介质的界面优化方法，其通过在高k栅介质与硅衬底界面引入SiO₂或SiON界面优化层改善界面质量，同时通过在界面优化层上形成界面反应层，在热退火工艺中，使界面反应层与界面优化层发生化学反应以减小界面氧化层的厚度，有助于获得界面良好且等效氧化层厚度小的高k栅介质层。

附图说明