專利名稱：一種克服鉬基金屬柵疊層結(jié)構(gòu)制備中鉬與硅反應的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種克服鉬(Mo)基金屬柵疊層結(jié) 構(gòu)制備中Mo與硅反應的方法。
背景技術(shù)：
隨著半導體器件的特征尺寸進入到45nm技術(shù)節(jié)點以后，為了減小柵隧穿電流，降 低器件的功耗，并徹底消除多晶硅耗盡效應和PM0SFET (P型金屬-氧化物-半導體場效應 晶體管)中B擴散引起的可靠性問題，緩解費米能級釘扎效應，采用高K (介電常數(shù))/金屬 柵材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Si02/poly (多晶硅)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為了必然的選擇。雖然高K、金屬柵材 料的制備問題已經(jīng)基本解決，但是如何將他們集成到現(xiàn)有的CMOS工藝中更是一個難題。對于引入高K、金屬柵材料的納米級CMOS器件來說，為了得到較好的短溝效應以 及合適的閾值，N管和P管的功函數(shù)應在Si的導帶底附近(4. IeV左右)和Si的價帶頂附 近(5.2eV左右)。金屬柵材料中適合做N管柵電極的金屬柵材料較多，但P管中一直缺少 功函數(shù)高的柵材料作為柵電極。只有Ni (5. 15eV)、Ir(5. 27eV)和Pt (5. 65eV)有接近5. 2eV 的功函數(shù)。但由于Pt和Ir金屬柵難于刻蝕，使得該材料不易集成到高K/金屬柵結(jié)構(gòu)中。 Ir和M易向高K介質(zhì)中擴散且化學性質(zhì)活潑，易引起金屬柵/高K結(jié)構(gòu)失效的問題。而 Mo金屬柵由于具有低的電阻率(5X10-6 Ω .cm)、高的熔點(大于沈00度)以及(100)晶向 的Mo金屬柵展現(xiàn)出5eV附近的功函數(shù)，且Mo金屬柵材料比Pt等材料易于刻蝕，這些特性 使得Mo基金屬柵成為P管金屬柵材料的有力候選者。在先柵工藝中實現(xiàn)高K/金屬柵的集成時，并不是整個柵電極都采用純金屬柵，而 是采用金屬柵和硅柵的疊層結(jié)構(gòu)，其中金屬柵材料決定器件的閾值。這樣做不僅可以盡可 能多的利用原有的CMOS工藝，還降低了刻蝕的難度，減小金屬柵對溝道的應力(避免載流 子遷移率降低)，避免后續(xù)源漏離子注入工藝對金屬柵電極的影響。因此，Mo基金屬柵疊層 結(jié)構(gòu)的制備是實現(xiàn)P管高K/金屬柵的集成有效途徑之一。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明針對引入高K/金屬柵材料后，為實現(xiàn)高K/金屬柵集成的新課 題，提供一種克服Mo基金屬柵疊層結(jié)構(gòu)制備中Mo與硅反應的方法。( 二 )技術(shù)方案本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下一種克服Mo基金屬柵疊層結(jié)構(gòu)制備中Mo與硅反應的方法，包括以下步驟步驟10 在半導體襯底100上形成高K柵介質(zhì)層101 ；步驟20 高K柵介質(zhì)層101經(jīng)過快速熱退火處理后，在其上形成Mo基金屬柵電極 層 102 ；步驟30 在Mo基金屬柵電極層102上形成勢壘層103 ；
步驟40 在勢壘層103上形成硅柵層104。上述方案中，步驟10中所述高K柵介質(zhì)層101為Hf02、Hf0N、HfA10、HfA10N、HfTa0、 HfTaON, HfSiO、HfSiON、HfLaO或HfLaON，所述高K柵介質(zhì)層101是通過物理氣相淀積、金 屬有機化學氣相沉積或者原子層淀積形成的。上述方案中，步驟20中所述高K柵介質(zhì)層101的快速熱退火處理溫度為500至 950攝氏度，處理時間為10至60秒。上述方案中，步驟20中所述Mo基金屬柵電極層102由Μο、ΜοΝ、ΜοΑ1Ν或者MoAIN、 MoN, Mo中任意兩種材料的疊層結(jié)構(gòu)構(gòu)成；所述Mo基金屬柵電極層102是通過物理氣相淀 積、金屬有機化學氣相沉積或者原子層淀積形成的。上述方案中，步驟30中所述勢壘層103是由與多晶接觸時熱穩(wěn)定性高的金屬氮化 物TiN或AlN構(gòu)成的。上述方案中，步驟30中所述勢壘層103是通過物理氣相淀積、金屬有機化學氣相 沉積或者原子層淀積形成的。上述方案中，步驟40中所述硅柵層104是多晶硅，或者是非晶硅。上述方案中，步驟40中所述硅柵層104是通過低壓化學氣相淀積工藝形成的。(三)有益效果本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提出的這種Mo基金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備方法，在Mo 基金屬柵和硅柵之間加入一層勢壘層，可以防止Mo基金屬柵在硅柵淀積的過程中與硅柵 發(fā)生反應。另外，該結(jié)構(gòu)的功函數(shù)由處于底層的Mo基金屬柵決定，所以該方法不會影響P 管功函數(shù)需要的Mo基金屬柵的功函數(shù)，為實現(xiàn)高K/Mo基金屬柵的疊層結(jié)構(gòu)制備清除了障 礙。


圖1為依照本發(fā)明實施例制備Mo基金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的工藝流程圖；圖2為依照本發(fā)明實施例在Mo基金屬柵上直接淀積多晶硅后的掃描電鏡圖；圖3為依照本發(fā)明實施例在Mo基金屬柵上直接淀積非晶硅后的掃描電鏡圖；圖4為依照本發(fā)明實施例在Mo基金屬柵上先淀積勢壘層再淀積多晶硅后的掃描 電鏡圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范 圍。圖1為本發(fā)明實施例Mo基金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備流程圖。如圖1所示，所述方法 包括以下步驟步驟10 在半導體襯底100上形成高K柵介質(zhì)層101 ；所述高K 柵介質(zhì)層 101 為 HfO2、HfON、HfAlO, HfAlON、HfTaO, HfTaON、HfSiO, HfSiON, HfLaO或HfLaON，所述高K柵介質(zhì)層101是通過物理氣相淀積、金屬有機化學氣相 沉積或者原子層淀積形成的。
步驟20 高K柵介質(zhì)層101經(jīng)過快速熱退火處理后，在其上形成Mo基金屬柵電極 層 102 ；所述高K柵介質(zhì)層101的快速熱退火處理溫度為500至950攝氏度，處理時間為 10至60秒。所述Mo基金屬柵電極層102通過物理氣相淀積工藝形成，厚度為14納米。步驟30 在Mo基金屬柵電極層102上形成勢壘層103 ；所述勢壘層103可由TiN、AlN等與多晶接觸時熱穩(wěn)定性高的金屬氮化物構(gòu)成。所述勢壘層103可通過物理氣相淀積、金屬有機化學氣相沉積或者原子層淀積形 成。步驟40 在所述勢壘層103上形成硅柵層104。所述硅柵層104可以是多晶硅，也可以是非晶硅。所述硅柵層104通過低壓化學氣相淀積工藝形成。圖2為本發(fā)明實施例Mo基金屬柵上直接淀積多晶硅后的掃描電鏡圖。從圖2可 以看出，直接在Mo基金屬柵電極層102采用低壓化學氣相淀積工藝形成多晶硅柵后，Mo基 金屬柵與多晶存在嚴重的界面反應，即Mo基金屬柵與多晶硅的熱穩(wěn)定性很差，該結(jié)構(gòu)不適 于集成。圖3為本發(fā)明實施例Mo基金屬柵上直接淀積非晶硅后的掃描電鏡圖。從圖3可以 看出，直接在Mo基金屬柵電極層102采用低壓化學氣相淀積工藝形成非晶硅柵后(淀積溫 度為550攝氏度)，Mo基金屬柵與非晶也存在嚴重的界面反應，該結(jié)構(gòu)不適于集成?？梢?， 降低硅柵的淀積溫度并不能消除Mo基金屬柵與非晶硅柵的界面反應。圖4為本發(fā)明實施例Mo基金屬柵上先淀積勢壘層再淀積多晶硅后的掃描電鏡圖。 通過物理氣相淀積工藝依次形成MoAlN金屬柵電極層102和AlN勢壘層103后，在所述勢 壘層103上通過低壓化學氣相淀積工藝形成多晶硅柵層104，厚度為110納米。從圖4可以 看出，在Mo基金屬柵電極層102和多晶硅柵層104之間加入一層熱穩(wěn)定性較高的金屬氮化 物可以防止Mo基金屬柵電極層102和多晶硅柵層104發(fā)生反應，實現(xiàn)了 Mo基金屬柵疊層 結(jié)構(gòu)的制備。綜上所述，本發(fā)明實施例Mo基金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備方法具有以下三個有意效 果1)、本發(fā)明提出的Mo基金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備方法，在Mo基金屬柵和硅柵之間加 入一層勢壘層，可以防止Mo基金屬柵在硅柵淀積的過程中因其熱穩(wěn)定性差而與硅柵發(fā)生 反應。2)、本發(fā)明提出的Mo基金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備方法，在Mo基金屬柵和硅柵之間加 入一層勢壘層后，不影響器件的閾值。器件的閾值仍由處在底層Mo基金屬柵的功函數(shù)決定。3)、本發(fā)明提出的Mo基金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備方法，為實現(xiàn)高K/Mo基金屬柵的疊 層結(jié)構(gòu)制備清除了障礙。因此，本發(fā)明所提供的Mo基金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備方法適用于納米級CMOS器件 中高k介質(zhì)/金屬柵的集成。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種克服鉬基金屬柵疊層結(jié)構(gòu)制備中鉬與硅反應的方法，其特征在于，包括以下步驟步驟10 在半導體襯底(100)上形成高K柵介質(zhì)層(101)；步驟20:高K柵介質(zhì)層(101)經(jīng)過快速熱退火處理后，在其上形成Mo基金屬柵電極層 (102)；步驟30:在Mo基金屬柵電極層(10 上形成勢壘層(103)；步驟40 在勢壘層(10 上形成硅柵層(104)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的克服鉬基金屬柵疊層結(jié)構(gòu)制備中鉬與硅反應的方法，其特 征在于，步驟 10 中所述高 K 柵介質(zhì)層(101)為 Hf02、HfON, HfAlO, HfAlON, HfTaO, HfTaON, !1巧丨0、!1巧丨(^、!1江￡10或!1江￡10隊所述高1(柵介質(zhì)層(101)是通過物理氣相淀積、金屬有機 化學氣相沉積或者原子層淀積形成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的克服鉬基金屬柵疊層結(jié)構(gòu)制備中鉬與硅反應的方法，其特征 在于，步驟20中所述高K柵介質(zhì)層(101)的快速熱退火處理溫度為500至950攝氏度，處 理時間為10至60秒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的克服鉬基金屬柵疊層結(jié)構(gòu)制備中鉬與硅反應的方法，其特征 在于，步驟20中所述Mo基金屬柵電極層(102)由Μο、ΜοΝ、ΜοΑ1Ν或者ΜοΑ1Ν、ΜοΝ、Μο中任 意兩種材料的疊層結(jié)構(gòu)構(gòu)成；所述Mo基金屬柵電極層(10 是通過物理氣相淀積、金屬有 機化學氣相沉積或者原子層淀積形成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的克服鉬基金屬柵疊層結(jié)構(gòu)制備中鉬與硅反應的方法，其特征 在于，步驟30中所述勢壘層(10 是由與多晶接觸時熱穩(wěn)定性高的金屬氮化物TiN或AlN 構(gòu)成的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述克服鉬基金屬柵疊層結(jié)構(gòu)制備中鉬與硅反應的方法，其特征在 于，步驟30中所述勢壘層(10 是通過物理氣相淀積、金屬有機化學氣相沉積或者原子層 淀積形成的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的克服鉬基金屬柵疊層結(jié)構(gòu)制備中鉬與硅反應的方法，其特征 在于，步驟40中所述硅柵層(104)是多晶硅，或者是非晶硅。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的克服鉬基金屬柵疊層結(jié)構(gòu)制備中鉬與硅反應的方法，其特征 在于，步驟40中所述硅柵層(104)是通過低壓化學氣相淀積工藝形成的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種克服鉬基金屬柵疊層結(jié)構(gòu)制備中鉬與硅反應的方法，包括以下步驟步驟10在半導體襯底(100)上形成高K柵介質(zhì)層(101)；步驟20高K柵介質(zhì)層(101)經(jīng)過快速熱退火處理后，在其上形成鉬基金屬柵電極層(102)；步驟30在鉬基金屬柵電極層(102)上形成勢壘層(103)；步驟40在勢壘層(103)上形成硅柵層(104)。本發(fā)明在鉬基金屬柵和硅柵之間加入一層勢壘層，可以防止鉬基金屬柵在硅柵淀積的過程中與硅柵發(fā)生反應。另外，該結(jié)構(gòu)的功函數(shù)由處于底層的鉬基金屬柵決定，所以該方法不會影響P管功函數(shù)需要的鉬基金屬柵的功函數(shù)，為實現(xiàn)高K/鉬基金屬柵的疊層結(jié)構(gòu)制備清除了障礙。
文檔編號H01L21/285GK102054680SQ20091023709
公開日2011年5月11日 申請日期2009年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月4日
發(fā)明者徐秋霞, 李永亮 申請人:中國科學院微電子研究所