專利名稱：用于mos器件的金屬柵極結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子技術(shù)中的MOS (金屬氧化物半導(dǎo)體)器件領(lǐng)域，且更具體地涉及一種 用于MOS器件的金屬柵極結(jié)構(gòu)及其制作方法。
技術(shù)背景隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，32/22納米工藝集成電路關(guān)鍵核心技術(shù)的應(yīng)用是集成電路 發(fā)展的必然趨勢，也是國際各大半導(dǎo)體公司和研究組織競相研發(fā)的重點。以"高介電常數(shù)( 高k)柵介質(zhì)/金屬柵"技術(shù)為核心的M0S器件柵工程技術(shù)是32/22納米技術(shù)中最具代表性的關(guān) 鍵核心工藝，因而與之相關(guān)的材料、工藝及結(jié)構(gòu)研發(fā)廣泛進(jìn)行。對于具有高k/金屬柵結(jié)構(gòu)的MOS器件， 一個很重要的參數(shù)是等效氧化層厚度( Equivalent Oxide Thickness, EOT)，足夠小的EOT是保證MOS器件微型化和高性能的必要 條件。 一般情況下，高k柵介質(zhì)層和硅襯底之間存在薄的Si02界面層(0. 5 l納米)。為提 高此高k柵介質(zhì)與硅襯底之間界面的質(zhì)量，Si02界面層通常采用高溫?zé)嵫趸椒ㄉL。另一 方面，為滿足32/22納米技術(shù)中M0S器件尺寸按比例縮小的要求，希望介電常數(shù)較低的Si02界 面層的厚度盡量小，以實現(xiàn)降低整個柵結(jié)構(gòu)E0T的目的。在現(xiàn)有的高k/金屬柵結(jié)構(gòu)MOS器件的制造工藝中，用化學(xué)方法(原子層沉積或者金屬氧 化物化學(xué)氣相沉積)生長的高k薄膜層一般具有較多缺陷和電荷陷阱，因而高k薄膜層不夠致 密。為使高k薄膜更加致密并同時減少缺陷和電荷陷阱， 一般需要在400 — 110(fC的溫度下進(jìn) 行一次PDA退火處理。不過，在此過程中，退火環(huán)境中的氧在高溫下由于擴(kuò)散作用會進(jìn)入具 有高k/金屬柵結(jié)構(gòu)的MOS器件中，并且穿過柵介質(zhì)層到達(dá)Si02/Si界面處與硅襯底反應(yīng)生成 Si02，從而使Si02界面層變厚。這一問題將導(dǎo)致整個金屬柵結(jié)構(gòu)EOT的增大，并最終影響到 MOS器件的整體性能。發(fā)明內(nèi)容為了形成低EOT的高質(zhì)量金屬柵極結(jié)構(gòu)，以滿足MOS器件的性能要求，本發(fā)明提供一種用 于MOS器件的金屬柵極結(jié)構(gòu)及其制作方法。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于金屬氧化物半導(dǎo)體器件的金屬柵極結(jié)構(gòu)的制作 方法，該方法包括以下步驟步驟A:在襯底上形成界面層；步驟B:在所述界面層上形成高介電常數(shù)柵介質(zhì)層；步驟C:在所述高介電常數(shù)柵介質(zhì)層上形成金屬柵極材料層；步驟D:對所述界面層、高介電常數(shù)柵介質(zhì)層和金屬柵極材料層進(jìn)行金屬化后退火處理 ，形成金屬柵極結(jié)構(gòu)。在一個實施例中，在所述金屬化后退火處理中，退火溫度為400 — 1100 °C，優(yōu)選地為 800 — 1100 °C，更優(yōu)選地為950 —1050 °C，例如為1000。C。在一個實施例中，在所述金屬化后退火處理中，退火時間為1一60秒，優(yōu)選地為5 — 40秒 ，更優(yōu)選地為10 — 30秒，例如為30秒。在一個實施例中，在所述金屬化后退火處理中，退火氣氛為氮氣氛、惰性氣體氣氛或氮 氫混合氣氛。在一個實施例中，所述界面層的厚度為0.3 — 1.0nm，優(yōu)選地為O. 3 — 0. 8nm，更優(yōu)選地為 0. 3 — 0. 7nm，例如為O. 5nm或0. 7nm;禾口/或所述高介電常數(shù)柵介質(zhì)層的厚度為2 — 10nm，優(yōu)選地為2 — 5nm，更優(yōu)選地為2 — 4nm，例 如為2. 5nm或3. Onm;禾口/或所述金屬柵極材料層的厚度為l一100nm，優(yōu)選地為5 — 70nm，更優(yōu)選地為19一50nm，例 如為30nm。在一個實施例中，所述高介電常數(shù)柵介質(zhì)層和/或所述金屬柵極材料層為單層或多層的 結(jié)構(gòu)。在一個實施例中，所述高介電常數(shù)柵介質(zhì)層通過以下材料中的至少一種形成Hf02、 HfSiOx、 HfON、 HfSiON、 HfA10x、 A1203、 Zr02、 ZrSiOx、 Ta205、 La203、 Y203、 HfLaOx、 LaA10x、 LaSiOx、上述材料的氮化物、上述材料的氮氧化物、其他稀土元素氧化物、其他稀 土元素氮化物、SiNx、 SiON，以及上述各種材料的組合。在一個實施例中，所述金屬柵極材料層通過以下材料中的至少一種形成TiN、 TaN、 MoN、腦、TaAlN、 TiAlN、 MoAlN、 HfAlN、 TaC、 HfC、 TaSiC、 HfSiC、 PtRu、 MoRu、 Pt、 Ru、 Ir、 W、 Mo、 Re、 RuOx、多晶硅、金屬全硅化物，以及上述各種材料的組合。在一個實施例中，所述高介電常數(shù)柵介質(zhì)層和/或所述金屬柵極材料層采用真空物理濺 射沉積、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積或原子層沉積形成。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種通過上述方法制成的用于金屬氧化物半導(dǎo)體器件的金 屬柵極結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種包括上述金屬柵極結(jié)構(gòu)的金屬氧化物半導(dǎo)體器件。綜上所述，通過本發(fā)明所提供的技術(shù)方案，通過對金屬柵極結(jié)構(gòu)進(jìn)行PMA處理，能夠形 成高質(zhì)量、低缺陷的金屬柵極結(jié)構(gòu)，并避免在退火過程中氧擴(kuò)散到Si02/Si界面與襯底硅反 應(yīng)形成Si02，從而使整個金屬柵極結(jié)構(gòu)EOT保持較小，以滿足MOS器件的性能要求。


圖1至圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的金屬柵極結(jié)構(gòu)制作過程示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的金屬柵極結(jié)構(gòu)的制作方法流程圖。
具體實施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，以下結(jié)合具體實施例并參照附圖對本發(fā) 明進(jìn)一步詳細(xì)說明。根據(jù)本發(fā)明提供的技術(shù)方案，在形成金屬柵極結(jié)構(gòu)的過程中，在形成Si02界面層和高k 柵介質(zhì)層之后，不是以傳統(tǒng)方式采用PDA (post d印osition annealing,沉積后退火)工藝 ，而是在沉積金屬柵極材料層之后采用PMA (post metallization annealing,金屬化后退 火)工藝，從而實現(xiàn)高質(zhì)量、低缺陷的金屬柵極結(jié)構(gòu)，其中，避免了由于Si02界面層變厚所 致的整個金屬柵極結(jié)構(gòu)EOT增大的問題，因而可滿足采用相應(yīng)MOS器件的性能要求。參見圖1一5，本發(fā)明的實施例提供了一種用于MOS器件的金屬柵極結(jié)構(gòu)的制作方法，包 括以下步驟步驟l:如圖1所示，在下方已完成前期工藝處理的硅襯底上生長界面層，例如Si02界面 層。Si02界面層的厚度可為0.3 — 1.0nm，優(yōu)選地為O. 3 — 0. 8nm，更優(yōu)選地為O. 3 — 0. 7nm，例 如為O. 5nm。步驟2:如圖2所示，在Si02界面層上沉積高k柵介質(zhì)層，例如，通過LaA10x形成的高k柵 介質(zhì)層。高k柵介質(zhì)層的厚度可為2 — 10nm，優(yōu)選地為2 — 5nm，更優(yōu)選地為2 — 4nm，例如為 3nm。根據(jù)實際需要，高k柵介質(zhì)層中可包括以下材料中的至少一種Hf02、 HfSi0x、 Hf0N、 HfSi0N、 HfA10x、 A1203、 Zr02、 ZrSi0x、 Ta205、 La203、 Y203、 HfLa0x、 LaA10x、 LaSi0x、上 述材料的氮化物、上述材料的氮氧化物、其他稀土元素氧化物、其他稀土元素氮化物、 SiNx、 Si0N，以及上述各種材料的組合。步驟3:如圖3所示，在高k柵介質(zhì)層上沉積金屬柵極材料層，例如，通過TiN形成的金屬 柵極材料層。金屬柵極材料層的厚度可為l一100nm，優(yōu)選地為5 — 70nm，更優(yōu)選地為19一 50nm，例如為30nm。根據(jù)實際需要，金屬柵極材料層中可包括以下材料中的至少一種TiN 、TaN、 MoN、腦、TaAlN、 TiAlN、 MoAlN、 HfAlN、 TaC、 HfC、 TaSiC、 HfSiC、 PtRu、 MoRu 、Pt、 Ru、 Ir、 W、 Mo、 Re、 Ru0x、多晶硅、金屬全硅化物，以及上述各種材料的組合。步驟4:如圖4所示，對于所形成的Si02界面層/高k柵介質(zhì)/金屬柵極材料層結(jié)構(gòu)進(jìn)行金屬化后退火(PMA)處理，從而形成金屬柵極結(jié)構(gòu)。在PMA處理中，對于金屬柵極材料層/高 k柵介質(zhì)層/Si02界面層/Si襯底結(jié)構(gòu)進(jìn)行PMA熱處理，通過控制PMA熱處理溫度、時間、氣氛 等參數(shù)來提高各界面層和高k柵介質(zhì)的質(zhì)量，以防止氧滲透至Si02/Si界面。與傳統(tǒng)PDA處理 相比，PMA處理使得形成的產(chǎn)品不僅具有更小的EOT值，而且還具有更高的界面質(zhì)量。通常的 PDA工藝中，高k柵介質(zhì)/Si02界面層/Si襯底結(jié)構(gòu)直接和退火氣氛接觸，這樣不僅退火氣氛中 的氧很容易擴(kuò)散到Si02/Si界面處并和Si反應(yīng)生成更厚的Si02，而且退火氣氛中的雜質(zhì)比較 容易直接吸附于高k柵介質(zhì)表面，這將嚴(yán)重影響到金屬柵/高k柵介質(zhì)的界面質(zhì)量。通過PMA熱 處理，可以有效地解決PDA工藝中出現(xiàn)的這些問題。在PMA處理中，退火溫度可為400 — 1100 °C，優(yōu)選地為800 — 1100 °C，更優(yōu)選地為950 — 1050 °C，例如為100(fC;退火時間可為1一60秒，優(yōu)選地為5 — 40秒，更優(yōu)選地為10 — 30秒， 例如為30秒；退火氣氛可為氮氣氛、惰性氣體氣氛或氮氫混合氣氛。在PMA處理中，可在以 上范圍內(nèi)根據(jù)需要采取退火溫度和退火時間以及退火氣氛的適當(dāng)組合。在以上實施例中所述的高k柵介質(zhì)層和金屬柵極材料層可以通過多種方式形成，例如 真空物理濺射沉積、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、或原子層沉積(ALD)等。在MOS器件金屬柵極結(jié)構(gòu)中，高k柵介質(zhì)結(jié)構(gòu)和/或金屬柵極材料層可為單層結(jié)構(gòu)，或者 可為多層結(jié)構(gòu)，例如，具有相同或不同的厚度和/或成分的多層結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，通過上述技術(shù)方案，還能夠形成一種采用所述金屬柵極結(jié)構(gòu)的 MOS器件。綜上所述，通過本發(fā)明所提供的技術(shù)方案，通過對金屬柵極結(jié)構(gòu)進(jìn)行PMA處理，能夠形 成高質(zhì)量、低缺陷的金屬柵極結(jié)構(gòu)，并避免在退火過程中氧擴(kuò)散到Si02/Si界面與襯底硅反 應(yīng)形成Si02，從而使整個金屬柵極結(jié)構(gòu)EOT保持較小，以滿足MOS器件的性能要求。以上描述的實施例僅是本發(fā)明提供的優(yōu)選實施方案，而并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍 。應(yīng)當(dāng)指出，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可進(jìn)行 各種改進(jìn)和變化，比如增加、刪減、替換或合并某些功能單元/模塊，而這些改進(jìn)和變化也 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于金屬氧化物半導(dǎo)體器件的金屬柵極結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟A在襯底上形成界面層；步驟B在所述界面層上形成高介電常數(shù)柵介質(zhì)層；步驟C在所述高介電常數(shù)柵介質(zhì)層上形成金屬柵極材料層；步驟D對所述界面層、高介電常數(shù)柵介質(zhì)層和金屬柵極材料層進(jìn)行金屬化后退火處理，形成金屬柵極結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于金屬氧化物半導(dǎo)體器件的金屬柵極結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征 在于，在所述金屬化后退火處理中，退火溫度為400 — 1100oC。
3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于金屬氧化物半導(dǎo)體器件的金屬柵極結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，在所述金屬化后退火處理中，退火時間為1一60秒。
4.根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于金屬氧化物半導(dǎo)體器件的金屬柵極結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征 在于，在所述金屬化后退火處理中，退火氣氛為氮氣氛、惰性氣體氣氛或氮氫混合氣氛。
5.根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于金屬氧化物半導(dǎo)體器件的金屬柵極結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征 在于，所述界面層的厚度為0.3 — 1.0nm;和/或 所述高介電常數(shù)柵介質(zhì)層的厚度為2 — 10nm;和/或 所述金屬柵極材料層的厚度為l一100nm。權(quán)利要求6
6.根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于金屬氧化物半導(dǎo)體器件的金屬柵極結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征 在于，所述高介電常數(shù)柵介質(zhì)層和/或所述金屬柵極材料層為單層或多層的結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于金屬氧化物半導(dǎo)體器件的金屬柵極結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征 在于，所述高介電常數(shù)柵介質(zhì)層通過Hf02、 HfSiOx、 HfON、 HfSiON、 HfA10x、 A1203、 Zr02、 ZrSiOx、 Ta205、 La203、 Y203、 HfLaOx、 LaA10x、 LaSiOx、稀土元素氧化物、稀土元素氮化物 、SiNx和SiON中的一種或幾種形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于金屬氧化物半導(dǎo)體器件的金屬柵極結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征 在于，所述金屬柵極材料層通過TiN、 TaN、 MoN、 H預(yù)、TaAlN、 TiAlN、 MoAlN、 HfAlN、 TaC 、HfC、 TaSiC、 HfSiC、 PtRu、 MoRu、 Pt、 Ru、 Ir、 W、 Mo、 Re、 RuOx、多晶硅禾口金屬全硅化 物中的一種或幾種形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于金屬氧化物半導(dǎo)體器件的金屬柵極結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征 在于，所述高介電常數(shù)柵介質(zhì)層和/或所述金屬柵極材料層采用真空物理濺射沉積、金屬有 機(jī)化學(xué)氣相沉積或原子層沉積形成。
10.一種用于金屬氧化物半導(dǎo)體器件的金屬柵極結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬柵極結(jié)構(gòu)通 過權(quán)利要求1一9中任意一項所述的方法制成。
11.一種金屬氧化物半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述器件包括如權(quán)利要求10所述的金屬柵 極結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于MOS器件的金屬柵極結(jié)構(gòu)及其制作方法，屬于微電子技術(shù)中的MOS器件技術(shù)領(lǐng)域。所述方法包括在襯底上形成界面層；在界面層上形成高介電常數(shù)柵介質(zhì)層；在高介電常數(shù)柵介質(zhì)層上形成金屬柵極材料層；對于界面層、高介電常數(shù)柵介質(zhì)層和金屬柵極材料層進(jìn)行金屬化后退火處理，以形成金屬柵極結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過對金屬柵極結(jié)構(gòu)進(jìn)行金屬化后退火處理，能夠形成高質(zhì)量、低缺陷金屬柵極結(jié)構(gòu)，并避免在退火過程中氧擴(kuò)散到SiO₂/Si界面與襯底硅反應(yīng)形成SiO₂，從而使整個金屬柵極結(jié)構(gòu)的等效氧化層厚度保持較小，以滿足MOS器件的性能要求。
文檔編號H01L21/283GK101599436SQ200910303980
公開日2009年12月9日 申請日期2009年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月3日
發(fā)明者王文武, 陳世杰, 陳大鵬 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所