高k金屬柵器件及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高K金屬柵器件及其制備方法，采用硅材料層作為NMOS區(qū)域下層氮化硅的阻擋層，利用退火工藝使硅充分擴散到上層氮化硅和下層氮化硅中，形成PMOS區(qū)域的TiSiN中間層和NMOS區(qū)域的TiSiN層，TiSiN材料可以阻擋后續(xù)上層金屬原子向下擴散，提高了金屬柵器件的穩(wěn)定性；并且在后續(xù)移除NMOS區(qū)域表面殘留的硅材料層，從而消除了硅材料層剩余厚度波動及其帶來的NMOS閾值電壓的波動，進一步提高了NMOS器件的穩(wěn)定性，從而整體上提高了高K金屬柵器件的穩(wěn)定性。
【專利說明】
高K金屬柵器件及其制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及半導體工藝技術領域，具體涉及一種高K金屬柵器件及其制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著超大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展，MOSFET器件的尺寸在不斷減小，通常包括MOSFET器件溝道長度的減小，柵氧化層厚度的減薄等以獲得更快的器件速度。但是發(fā)展至超深亞微米級時，特別是45納米及以下技術節(jié)點時，已無法承受持續(xù)降低柵氧厚度所帶來的高漏電。業(yè)界在45納米及以下工藝引入了高k和金屬柵的設計。
[0003]在高k金屬柵半導體工藝中，通常選用氮化鉭(TaN)作為NMOS區(qū)域P型功函數(shù)層TiN移除的阻擋層，而TiN刻蝕制程本身會有一定的波動，這種波動會造成作為阻擋層的TaN剩余厚度的波動，最終也就反映到了匪OS金屬柵器件的閾值電壓波動上。同時，TaN作為PMOS的功函數(shù)中間層，晶格結構也決定了，在一定的熱力學條件下其無法有效地阻擋上下層金屬元素的擴散行為。因此，對于某些制程來說，高k金屬柵PMOS器件的穩(wěn)定性也不理想。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]為了克服以上問題，本發(fā)明旨在提供一種高K金屬柵器件及其制備方法。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種高K金屬柵器件，包括匪OS區(qū)域和PMOS區(qū)域，匪OS區(qū)域和PMOS區(qū)域的硅襯底上均具有高K介質(zhì)層、下層氮化鈦層、以及上層氮化鈦層，匪OS區(qū)域的硅襯底上具有高K介質(zhì)層以及下層氮化鈦層，所述NMOS區(qū)域中在下層氮化鈦層表面形成有TiSiN層，所述PMOS區(qū)域中在下層氮化鈦層和上層氮化鈦層之間具有TiSiN中間層。
[0006]優(yōu)選地，所述TiSiN層為無定形態(tài)，所述TiSiN中間層為無定形態(tài)。
[0007]優(yōu)選地，所述TiSiN中間層的厚度大于所述TiSiN層的厚度。
[0008]優(yōu)選地，所述TiSiN層的厚度為2?80埃，所述TiSiN中間層的厚度為2?80埃。
[0009]為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種上述的高K金屬柵器件的制備方法，其包括以下步驟:
[0010]步驟01:提供一硅襯底;硅襯底具有PMOS區(qū)域和NMOS區(qū)域，PMOS區(qū)域和NMOS區(qū)域均具有高K介質(zhì)層和下層氮化鈦層；
[0011 ]步驟02:在所述下層氮化鈦層上形成硅材料層；
[0012]步驟03:在所述硅材料層上形成上層氮化鈦層；
[0013]步驟04:去除所述NMOS區(qū)域的上層氮化鈦層；
[0014]步驟05:經(jīng)退火工藝，使硅材料層中的硅產(chǎn)生擴散進入上層氮化鈦層和下層氮化鈦層，從而在PMOS區(qū)域的上層氮化鈦層和下層氮化鈦層之間形成TiSiN中間層，以及在NMOS區(qū)域的下層氮化鈦層表面形成TiSiN層；
[0015]步驟06:去除所述NMOS區(qū)域殘留的硅材料層。
[0016]優(yōu)選地，所述步驟02中，采用原子層沉積工藝在所述下層氮化鈦層上沉積硅材料層。
[0017]優(yōu)選地，所述上氮化鈦層為P型功函數(shù)層，所述步驟06之后，還包括:在完成所述步驟06的硅襯底上形成N型功函數(shù)層。
[0018]優(yōu)選地，所述步驟05中，所述退火工藝中采用的退火溫度為50?120°C，所述退火時間為0.1?1000秒。
[0019]優(yōu)選地，所述步驟06中，采用四甲基氫氧化氨來去除所述匪OS區(qū)域殘留的硅材料層。
[0020]優(yōu)選地，所述TiSiN中間層的厚度大于所述TiSiN層的厚度。
[0021]本發(fā)明的高K金屬柵器件及其制備方法，采用硅材料層作為NMOS區(qū)域下層氮化硅的阻擋層，利用退火工藝使硅充分擴散到上層氮化硅和下層氮化硅中，形成PMOS區(qū)域的TiSiN中間層和NMOS區(qū)域的TiSiN層，TiSiN材料可以阻擋后續(xù)上層金屬原子向下擴散，提高了金屬柵器件的穩(wěn)定性;并且在后續(xù)移除NMOS區(qū)域表面殘留的硅材料層，從而消除了硅材料層剩余厚度波動及其帶來的匪OS閾值電壓的波動，進一步提高了匪OS器件的穩(wěn)定性，從而整體上提高了高K金屬柵器件的穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的一個較佳實施例的高K金屬柵器件的結構示意圖
[0023]圖2為本發(fā)明的一個較佳實施例的高K金屬柵器件的制備方法的流程示意圖
[0024]圖3?8為本發(fā)明的一個較佳實施例的高K金屬柵器件的制備方法的各制備步驟示意圖
【具體實施方式】
[0025]為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結合說明書附圖，對本發(fā)明的內(nèi)容作進一步說明。當然本發(fā)明并不局限于該具體實施例，本領域內(nèi)的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
[0026]以下結合附圖1-8和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式、使用非精準的比例，且僅用以方便、清晰地達到輔助說明本實施例的目的。
[0027]請參閱圖1，本實施例的高K金屬柵器件，包括匪OS區(qū)域和PMOS區(qū)域，匪OS區(qū)域和PMOS區(qū)域的硅襯底01上均具有溝槽、溝槽底部形成有氧化層02、氧化層02上以及溝槽側壁沉積有高K介質(zhì)層03，在溝槽內(nèi)的高K介質(zhì)層03表面形成有下層氮化鈦層04; NMOS區(qū)域的溝槽內(nèi)的下層氮化鈦層04表面具有TiSiN層051; PMOS區(qū)域的溝槽內(nèi)，下層氮化鈦層04表面具有TiSiN中間層052，在TiSiN中間層052表面具有上層氮化鈦層06;本實施例中，上層氮化鈦層06為P型功函數(shù)層;在PMOS區(qū)域的上層氮化鈦層06上還具有N型功函數(shù)層以及金屬柵，在NMOS區(qū)域的TiSiN層051上還具有N型功函數(shù)層以及金屬柵；
[0028]本實施例中，TiSiN層051為無定形態(tài)，TiSiN中間層052為無定形態(tài)，TiSiN中間層052的厚度大于TiSiN層051的厚度，較佳的，TiSiN層051的厚度為2?80埃，TiSiN中間層052為2?80埃；因此，無定形態(tài)的TiSiN層051和TiSiN中間層052具有較小的功函數(shù)波動，且可以阻擋后續(xù)沉積的金屬原子向下擴散，提高了 NMOS器件和PMOS器件的穩(wěn)定性。高K介質(zhì)層03的材料可以為HfO2。
[0029]為了達到上述目的，本發(fā)明還提供了一種上述的高K金屬柵器件的制備方法，請參閱圖2，其包括以下步驟:
[0030]步驟01:提供一硅襯底;硅襯底具有PMOS區(qū)域和NMOS區(qū)域，PMOS區(qū)域和NMOS區(qū)域均具有高K介質(zhì)層和下層氮化鈦層；
[0031 ] 具體的，請參閱圖3，分別在PMOS區(qū)域和匪OS區(qū)域同時形成溝槽，分別在PMOS區(qū)域和NMOS區(qū)域的溝槽底部同時形成氧化層02，分別在PMOS區(qū)域和NMOS區(qū)域的氧化層02和溝槽側壁同時形成高K介質(zhì)層03，分別在PMOS區(qū)域和NMOS區(qū)域的高K介質(zhì)層03表面同時形成下層氮化鈦層04;關于此過程可以常規(guī)工藝，這里不再贅述。高K介質(zhì)層03的材料可以為Hf02。
[0032]步驟02:在下層氮化鈦層上形成硅材料層；
[0033]具體的，請參閱圖4，采用原子層沉積工藝分別在PMOS和NMOS的下層氮化鈦層04上同時沉積硅材料層05;硅材料層05作為后續(xù)步驟04中的阻擋層以及后續(xù)步驟05中的犧牲層。
[0034]步驟03:在硅材料層上形成上層氮化鈦層；
[0035]具體的，請參閱圖5，這里上層氮化鈦層06為P型功函數(shù)層，沉積上層氮化鈦層06的工藝可以采用常規(guī)工藝這里不再贅述。
[0036]步驟04:去除NMOS區(qū)域的上層氮化鈦層；
[0037]具體的，請參閱圖6，采用光刻和刻蝕工藝來去除NMOS區(qū)域的溝槽內(nèi)的上層氮化鈦層06，刻蝕停止于NMOS區(qū)域的硅材料層05表面。
[0038]步驟05:經(jīng)退火工藝，使硅材料層中的硅產(chǎn)生擴散進入上層氮化鈦層和下層氮化鈦層，從而在PMOS區(qū)域的上層氮化鈦層和下層氮化鈦層之間形成TiSiN中間層，以及在NMOS區(qū)域的下層氮化鈦層表面形成TiSiN層；
[0039]具體的，請參閱圖7，退火工藝可以使匪OS區(qū)域和PMOS區(qū)域的硅材料層05充分擴散，PMOS區(qū)域中，硅材料層05向上層氮化鈦層06、下層氮化鈦層04充分擴散，與上層氮化鈦層06、下層氮化鈦層04形成TiSiN材料，從而在下層氮化鈦層04和上層氮化鈦層06之間形成TiSiN中間層052 ;NM0S區(qū)域中，硅材料層05與下層氮化鈦層04充分擴散，與下層氮化鈦層04的氮化鈦形成TiSiN材料，從而形成下層氮化鈦層04表面的TiSiN層051;較佳的，本實施例中退火工藝中采用的退火溫度為50?120°C，退火時間為0.1?1000秒，所形成的TiSiN中間層052的厚度大于TiSiN層051的厚度，較佳的，TiSiN層051的厚度為2?80埃，TiSiN中間層052為2?80埃。需要說明的是，NMOS區(qū)域中由于硅材料層05上沒有上層氮化鈦層06，因此，在退火工藝中，TiSiN層051表面仍然殘留有硅材料層05，后續(xù)工藝中需要將其取出，從而避免Ti SiN層051上殘留硅材料層05的厚度波動對NMOS器件穩(wěn)定性的影響。
[0040 ] 步驟06:去除NMOS區(qū)域殘留的硅材料層。
[0041]具體的，請參閱圖8，采用四甲基氫氧化氨來去除匪OS區(qū)域殘留的硅材料層06;四甲基氫氧化氨的濃度為I?20 %，所采用的溫度為5?50 °C。
[0042]本實施例中，步驟06之后，還包括:在完成步驟06的硅襯底上形成N型功函數(shù)層，在N型功函數(shù)層上形成金屬柵等后續(xù)金屬柵工藝的步驟，這里不再贅述。
[0043]雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭示如上，然所述實施例僅為了便于說明而舉例而已，并非用以限定本發(fā)明，本領域的技術人員在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下可作若干的更動與潤飾，本發(fā)明所主張的保護范圍應以權利要求書所述為準。
【主權項】
1.一種高K金屬柵器件，包括匪OS區(qū)域和PMOS區(qū)域，匪OS區(qū)域和PMOS區(qū)域的硅襯底上均具有高K介質(zhì)層、下層氮化鈦層、以及上層氮化鈦層，NMOS區(qū)域的硅襯底上具有高K介質(zhì)層以及下層氮化鈦層，其特征在于，所述NMOS區(qū)域中在下層氮化鈦層表面形成有TiSiN層，所述PMOS區(qū)域中在下層氮化鈦層和上層氮化鈦層之間具有TiSiN中間層。2.根據(jù)權利要求1所述的高K金屬柵器件，其特征在于，所述TiSiN層為無定形態(tài)，所述TiSiN中間層為無定形態(tài)。3.根據(jù)權利要求1所述的高K金屬柵器件，其特征在于，所述TiSiN中間層的厚度大于所述TiSiN層的厚度。4.根據(jù)權利要求3所述的高K金屬柵器件，其特征在于，所述TiSiN層的厚度為2?80埃，所述TiSiN中間層的厚度為2?80埃。5.—種權利要求1所述的高K金屬柵器件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟01:提供一硅襯底;硅襯底具有PMOS區(qū)域和WOS區(qū)域，PMOS區(qū)域和NMOS區(qū)域均具有高K介質(zhì)層和下層氮化鈦層； 步驟02:在所述下層氮化鈦層上形成硅材料層； 步驟03:在所述硅材料層上形成上層氮化鈦層； 步驟04:去除所述NMOS區(qū)域的上層氮化鈦層； 步驟05:經(jīng)退火工藝，使硅材料層中的硅產(chǎn)生擴散進入上層氮化鈦層和下層氮化鈦層，從而在PMOS區(qū)域的上層氮化鈦層和下層氮化鈦層之間形成TiSiN中間層，以及在NMOS區(qū)域的下層氮化鈦層表面形成TiSiN層； 步驟06:去除所述NMOS區(qū)域殘留的硅材料層。6.根據(jù)權利要求5所述的高K金屬柵器件的制備方法，其特征在于，所述步驟02中，采用原子層沉積工藝在所述下層氮化鈦層上沉積硅材料層。7.根據(jù)權利要求5所述的高K金屬柵器件的制備方法，其特征在于，所述上氮化鈦層為P型功函數(shù)層，所述步驟06之后，還包括:在完成所述步驟06的硅襯底上形成N型功函數(shù)層。8.根據(jù)權利要求5所述的高K金屬柵器件的制備方法，其特征在于，所述步驟05中，所述退火工藝中采用的退火溫度為50?1200C，所述退火時間為0.1?1000秒。9.根據(jù)權利要求5所述的高K金屬柵器件的制備方法，其特征在于，所述步驟06中，采用四甲基氫氧化氨來去除所述NMOS區(qū)域殘留的硅材料層。10.根據(jù)權利要求5所述的高K金屬柵器件的制備方法，其特征在于，所述TiSiN中間層的厚度大于所述TiSiN層的厚度。
【文檔編號】H01L21/28GK106024893SQ201610367945
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】何志斌, 景旭斌
【申請人】上海華力微電子有限公司