專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高k柵介質(zhì)界面優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高k柵介質(zhì)界面優(yōu)化方法，尤其涉及一種Hf基高k柵介質(zhì)界面優(yōu)化方法，其通過(guò)在高k柵介質(zhì)與硅襯底界面引入界面優(yōu)化層改善界面質(zhì)量，同時(shí)通過(guò)在界面氧化硅層上形成界面反應(yīng)層，在熱退火工藝中，使界面反應(yīng)層與界面優(yōu)化層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以減小界面氧化層的厚度，有助于獲得界面良好且等效氧化層厚度小的高k柵介質(zhì)層。
背景技術(shù)：
40多年來(lái)，集成電路技術(shù)按摩爾定律持續(xù)發(fā)展，特征尺寸不斷縮小，集成度不斷提高，功能越來(lái)越強(qiáng)。目前，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的特征尺寸已進(jìn)入亞50nm。伴隨器件特征尺寸的不斷減小，如果仍采用傳統(tǒng)的氧化硅柵介質(zhì)/多晶硅形成的柵堆疊，柵介質(zhì)漏電會(huì)成指數(shù)規(guī)律急劇增加，多晶硅耗盡效應(yīng)越來(lái)越嚴(yán)重，多晶硅電阻也會(huì)隨 之增大。為了克服以上困難，工業(yè)界開(kāi)始采用高k柵介質(zhì)和金屬柵電極形成新型柵堆疊結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的柵堆疊。高k柵介質(zhì)在保持具有相同的等效氧化層厚度的前提下，具有更高的物理厚度，從而有效減小了柵介質(zhì)漏電，并且金屬柵電極可以從根本上消除多晶硅耗盡效應(yīng)。高k柵介質(zhì)要求柵介質(zhì)材料具有較高的介電常數(shù)、良好的熱力學(xué)與化學(xué)穩(wěn)定性、較大的帶隙寬度、較小的固定電荷和缺陷態(tài)密度。然而，常見(jiàn)的高k柵介質(zhì)在硅襯底上的熱力學(xué)穩(wěn)定性較差，在高溫下易與硅襯底發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致界面粗糙，界面態(tài)增多，從而使載流子遷移率下降，器件性能降低。因此，高k柵介質(zhì)在硅襯底上的熱力學(xué)穩(wěn)定性在高k柵介質(zhì)的研究中具有重要的意義，如何改善界面特性，獲得良好的器件特性一直是高k柵介質(zhì)研究的重點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種高k柵介質(zhì)的界面優(yōu)化方法，該方法能夠有效改善高k柵介質(zhì)與硅襯底之間的界面特性。該方法包括提供半導(dǎo)體襯底；去除半導(dǎo)體襯底表面自然氧化層；在半導(dǎo)體襯底上形成界面優(yōu)化層；在界面優(yōu)化層上形成界面反應(yīng)層；在界面反應(yīng)層上形成介質(zhì)層；對(duì)半導(dǎo)體襯底進(jìn)行熱退火處理，界面反應(yīng)層與界面優(yōu)化層發(fā)生反應(yīng)減小界面優(yōu)化層厚度。優(yōu)選地，所述去除半導(dǎo)體襯底表面自然氧化層的步驟包括將半導(dǎo)體襯底置于氫氟酸、異丙醇和水的混合溶液中浸泡5至10分鐘，去除半導(dǎo)體襯底表面自然氧化層，然后在氮?dú)庵写蹈?。其中，所述氫氟酸、異丙醇和水的混合溶液中，氫氟酸的體積百分比含量為1%至2%，異丙醇的體積百分比含量為O. 01%至O. 1%。優(yōu)選地，所述在半導(dǎo)體襯底上形成界面優(yōu)化層的步驟包括采用熱氧化的方法，在半導(dǎo)體襯底上形成4-10A的SiO2層。其中，所述熱氧化的步驟包括采用快速熱退火工藝，退火溫度為600°C至800°C，退火時(shí)間為20s至40s，退火氣氛為氮?dú)馀c氧氣的混合氣氛，其中氧氣的體積百分含量為O. 1% 至 2%O優(yōu)選地，所述在半導(dǎo)體襯底上形成界面優(yōu)化層的步驟還可包括采用注氮氧化的方法，在半導(dǎo)體襯底上形成4-10A的SiON層。其中，所述注氮氧化的步驟包括首先，在半導(dǎo)體襯底上注入氮離子，注入能量10-50keV，注入劑量是2X 1014cm_2，然后，在氧氣與氮?dú)獾幕旌蠚夥罩羞M(jìn)行熱氧化，氧氣體積百分比含量為O. 1%_1%，氧化溫度為900-1050°C。優(yōu)選地，所述在界面氧化硅層上形成界面反應(yīng)層的步驟包括采用磁控濺射エ藝或原子層淀積エ藝，在界面優(yōu)化層上形成界面反應(yīng)層，所述界面反應(yīng)層優(yōu)選為金屬或金屬氮化物。其中，所述金屬包括Hf、Ti、Ta中的一種或多種的組合；所述金屬氮化物包括HfNx, TiNx, TaNx中的一種或多種的組合。·優(yōu)選地，所述在界面反應(yīng)層上形成介質(zhì)層的步驟包括采用磁控濺射エ藝或原子層淀積エ藝，在界面反應(yīng)層上形成高k介質(zhì)層。優(yōu)選地，所述高k介質(zhì)層包括HfON、HfSiON、HfTiON、HfTaON中的一種或多種的組
ム
ロ ο優(yōu)選地，所述對(duì)半導(dǎo)體襯底進(jìn)行熱退火處理的步驟包括采用快速熱退火エ藝，退火溫度為600°C至1000°C，退火時(shí)間為20s至40s，退火氣氛為氮?dú)鈿夥?。本發(fā)明提供的這種高k柵介質(zhì)的界面優(yōu)化方法，其通過(guò)在高k柵介質(zhì)與硅襯底界面引入SiO2或SiON界面優(yōu)化層改善界面質(zhì)量，同時(shí)通過(guò)在界面優(yōu)化層上形成界面反應(yīng)層，在熱退火エ藝中，使界面反應(yīng)層與界面優(yōu)化層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以減小界面氧化層的厚度，有助于獲得界面良好且等效氧化層厚度小的高k柵介質(zhì)層。


通過(guò)以下參照附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的描述，本發(fā)明的上述以及其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將更為清楚，在附圖中
圖1-5示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制造高k柵介質(zhì)的流程中各步驟對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)的截面圖。圖6示出了采用熱氧化工藝制備的SiO2界面優(yōu)化層，氧化硅厚度是6. 5A。圖7示出了沒(méi)有界面優(yōu)化層時(shí)，在700°C下退火30s后，HfON與硅襯底發(fā)生反應(yīng)，界面變得異常粗糙。圖8 (a)示出了采用SiO2作為界面優(yōu)化層，HfNx作為界面反應(yīng)層，HfSiON作為高k介質(zhì)層，在退火エ藝前，SiO2厚度是6. 1A。圖8 (b)示出了采用SiO2作為界面優(yōu)化層，HfNx作為界面反應(yīng)層，HfSiON作為高k介質(zhì)層，在900°C下退火30s后，SiO2厚度減小為3. 9A。圖9 (a)示出了采用SiON作為界面優(yōu)化層，HfNx作為界面反應(yīng)層，HfTaON作為高k介質(zhì)層，在退火エ藝前，SiON厚度是14. 9A。圖9 (b)示出了采用SiON作為界面優(yōu)化層，HfNx作為界面反應(yīng)層，HfTaON作為高k介質(zhì)層，在900°C下退火30s后，SiON厚度減小為8. 8A。
附圖標(biāo)記說(shuō)明
1000，半導(dǎo)體襯底；1002，界面優(yōu)化層；1004，界面反應(yīng)層；1006，高k介質(zhì)層;1008，界
面高k介質(zhì)層。
具體實(shí)施例方式以下，通過(guò)附圖中示出的具體實(shí)施例來(lái)描述本發(fā)明。但是應(yīng)該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。此外，在以下說(shuō)明中，省略了對(duì)公知結(jié)構(gòu)和技術(shù)的描述，以避免不必要地混淆本發(fā)明的概念。在附圖中示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的層結(jié)構(gòu)示意圖。這些圖并非是按比例繪制的，其中為了清楚的目的，放大了某些細(xì)節(jié)，并且可能省略了某些細(xì)節(jié)。圖中所示出的各種 區(qū)域、層的形狀以及它們之間的相對(duì)大小、位置關(guān)系僅是示例性的，實(shí)際中可能由于制造公差或技術(shù)限制而有所偏差，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際所需可以另外設(shè)計(jì)具有不同形狀、大小、相對(duì)位置的區(qū)域/層。圖I 5詳細(xì)示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制造半導(dǎo)體器件流程中各步驟的截面圖。以下，將參照這些附圖來(lái)對(duì)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的各個(gè)步驟予以詳細(xì)說(shuō)明。首先，如圖I所示，提供半導(dǎo)體襯底1000。半導(dǎo)體襯底1000可以包括任何適合的半導(dǎo)體襯底材料，具體可以是但不限于硅、鍺化硅、SOI (絕緣體上硅)或者碳化硅等。此外，半導(dǎo)體襯底1000可以可選地包括外延層。對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施例，優(yōu)選采用Si襯底。接著，去除半導(dǎo)體襯底1000上的自然氧化層。具體地，將半導(dǎo)體襯底1000置于氫氟酸、異丙醇和水的混合溶液中浸泡5至10分鐘，溶液中的氫氟酸有助于去除半導(dǎo)體襯底表面自然氧化層，溶液中的異丙醇有助于中和半導(dǎo)體襯底表面的懸掛鍵，抑制自然氧化層的形成，然后將半導(dǎo)體襯底在氮?dú)庵写蹈?。其中，所述氫氟酸、異丙醇和水的混合溶液中，氫氟酸的體積百分比含量為1%至2%，異丙醇的體積百分比含量為O. 01%至O. 1%。接著，在半導(dǎo)體襯底1000上形成界面優(yōu)化層1002。具體地，采用快速熱退火エ藝，退火溫度為600°C至800°C，退火時(shí)間為20s至40s，退火氣氛為氮?dú)馀c氧氣的混合氣氛，其中氧氣的體積百分含量為O. 1%至2%，在半導(dǎo)體襯底1000上形成4-10A的SiO2界面優(yōu)化層。然后,在界面優(yōu)化層1002上形成界面反應(yīng)層1004,所述界面反應(yīng)層包括Hf、Ti、Ta、HfNx, TiNx, TaNx中的一種或多種的組合。對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施例，優(yōu)選采用HfNx界面反應(yīng)層。以下具體描述根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的HfNx界面反應(yīng)層的形成。HfNx界面反應(yīng)層采用磁控反應(yīng)濺射エ藝進(jìn)行制備，濺射靶材選用Hf靶，純度為99. 999%，濺射氣氛為氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，濺射功率為200-500W，工作壓強(qiáng)為(2-8) X 10_3Torr，通過(guò)調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁靠梢哉{(diào)節(jié)HfNx薄膜中的N的含量，通過(guò)控制濺射時(shí)間，實(shí)現(xiàn)2-8A厚度的HfNx界面反應(yīng)層。然后，在界面反應(yīng)層1004上形成介質(zhì)層1006，所述介質(zhì)層包括HfON、HfSiON,HfTiON, HfTaON中的一種或多種的組合。對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施例，優(yōu)選采用HfSiON介質(zhì)層。以下具體描述根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的HfSiON介質(zhì)層的形成。HfSiON介質(zhì)層采用磁控濺射エ藝進(jìn)行制備，濺射靶材選用Hf靶和Si靶，純度為99. 999%，濺射氣氛為氬氣、氮?dú)夂脱鯕獾幕旌蠚怏w，濺射功率為200-500W，工作壓強(qiáng)為(2-8) X10_3Torr，通過(guò)共濺射Hf靶和Si靶實(shí)現(xiàn)HfSiON高k介質(zhì)層。最后，對(duì)半導(dǎo)體襯底進(jìn)行熱退火處理，具體地，熱退火處理采用快速熱退火エ藝，退火溫度為600°C至900°C，退火時(shí)間為5s至40s，退火氣氛為氮?dú)鈿夥铡＝?jīng)過(guò)熱退火處理，界面反應(yīng)層1004會(huì)與界面優(yōu)化層1002發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成界面高k柵介質(zhì)層1008，在本實(shí)施例中，HfNx界面反應(yīng)層會(huì)與SiO2界面優(yōu)化層發(fā)生反應(yīng)，生成HfSiON界面高k柵介質(zhì)層。在以上的描述中，對(duì)于各層的構(gòu)圖、刻蝕等技術(shù)細(xì)節(jié)并沒(méi)有做出詳細(xì)的說(shuō)明。但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)中的各種手段，來(lái)形成所需形狀的層、區(qū)域等。另外，為了形成同一結(jié)構(gòu)，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以設(shè)計(jì)出與以上描述的方法并不完全相同的方法。以上參照本發(fā)明的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明予以了說(shuō)明。但是，這些實(shí)施例僅僅是為了說(shuō)明的目的，而并非為了限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等價(jià)物限定。 不脫離本發(fā)明的范圍，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以做出多種替換和修改，這些替換和修改都應(yīng)落在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高k柵介質(zhì)界面優(yōu)化方法，包括 提供半導(dǎo)體襯底； 去除半導(dǎo)體襯底表面自然氧化層； 在半導(dǎo)體襯底上形成界面優(yōu)化層； 在界面優(yōu)化層上形成界面反應(yīng)層； 在界面反應(yīng)層上形成介質(zhì)層； 對(duì)半導(dǎo)體襯底進(jìn)行熱退火處理，界面反應(yīng)層與界面優(yōu)化層發(fā)生反應(yīng)減小界面優(yōu)化層厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述去除半導(dǎo)體襯底表面自然氧化層的步驟包括采用氫氟酸、異丙醇和水的混合溶液去除半導(dǎo)體襯底表面自然氧化層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述氫氟酸、異丙醇和水的混合溶液包括氫氟酸的體積百分比含量為1%至2%，異丙醇的體積百分比含量為0. 01%至0. 1%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其中，所述去除半導(dǎo)體襯底表面自然氧化層的步驟包括將硅片置于氫氟酸、異丙醇和水的混合溶液中5至10分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述在半導(dǎo)體襯底上形成界面優(yōu)化層的步驟包括采用熱氧化的方法，在半導(dǎo)體襯底上形成4-10A的SiO2層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述熱氧化包括采用快速熱退火工藝，退火溫度為600°C至800°C，退火時(shí)間為20s至40s，退火氣氛為氮?dú)馀c氧氣的混合氣氛，其中氧氣的體積百分含量為0. 1%至2%。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述在半導(dǎo)體襯底上形成界面優(yōu)化層的步驟還可包括采用注氮氧化的方法，在半導(dǎo)體襯底上形成4-10A的SiON層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述注氮氧化包括首先，在半導(dǎo)體襯底上注入氮離子，注入能量10_50keV，注入劑量是2X1014cm_2，然后，在氧氣與氮?dú)獾幕旌蠚夥罩羞M(jìn)行熱氧化，氧氣體積百分含量為0. 1%_1%，氧化溫度為900-1050°C，時(shí)間是20s至40s。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述在界面氧化硅層上形成界面反應(yīng)層的步驟包括采用磁控濺射工藝或原子層淀積工藝，在界面氧化硅層上形成界面反應(yīng)層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述界面反應(yīng)層為金屬或金屬氮化物中的一種或多種的組合。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述金屬包括Hf、Ti、Ta中的一種或多種的組口 o
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述金屬氮化物包括HfNx、TiNx,TaNx中的一種或多種的組合。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12所述的方法，其中，所述界面反應(yīng)層的厚度為2-8A。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述在界面反應(yīng)層上形成介質(zhì)層的步驟包括采用磁控濺射工藝或原子層淀積工藝，在界面反應(yīng)層上形成高k介質(zhì)層。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述高k介質(zhì)層包括HfON、HfSiON,HfTiON,HfTaON中的一種或多種的組合。
16.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述對(duì)半導(dǎo)體襯底進(jìn)行熱退火處理的步驟包括采用快速熱退火工藝，退火溫度為600°C至1000°C，退火時(shí)間為20s至40s，退火氣氛為氮?dú)鈿夥??！?br> 全文摘要
本申請(qǐng)公開(kāi)了一種高k柵介質(zhì)界面優(yōu)化方法。該方法包括提供半導(dǎo)體襯底；去除半導(dǎo)體襯底表面自然氧化層；在半導(dǎo)體襯底上形成界面優(yōu)化層；在界面優(yōu)化層上形成界面反應(yīng)層；在界面反應(yīng)層上形成介質(zhì)層；對(duì)半導(dǎo)體襯底進(jìn)行熱退火處理，使界面反應(yīng)層與界面優(yōu)化層發(fā)生反應(yīng)，減小界面優(yōu)化層厚度。
文檔編號(hào)H01L21/285GK102810468SQ20111014970
公開(kāi)日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者許高博, 徐秋霞 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所