專利名稱：一種利用等離子體釋放費(fèi)米能級(jí)釘扎的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種釋放金屬柵/高k柵介質(zhì)體系費(fèi)米能級(jí)釘扎的方法，具體涉及一 種利用含氟(F)等離子體釋放金屬柵/高k柵介質(zhì)體系費(fèi)米能級(jí)釘扎的方法，屬于半導(dǎo)體 集成電路技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)特征尺寸的不斷縮小，絕緣 柵介質(zhì)層也按照等比例縮小的原則變得越來越薄，當(dāng)柵介質(zhì)層薄到一定程度后，其可靠性 問題，尤其是與時(shí)間相關(guān)的擊穿及柵電極中的雜質(zhì)向襯底的擴(kuò)散等問題，將嚴(yán)重影響器件 的穩(wěn)定性和可靠性?，F(xiàn)在，SiO2作為柵介質(zhì)已經(jīng)達(dá)到其物理極限，會(huì)由于量子直接隧穿效應(yīng) 而導(dǎo)致柵極漏電流顯著增加，使器件功耗變大，同時(shí)可靠性變壞。用高k柵介質(zhì)取代3102柵 介質(zhì)，可以在保持等效氧化層厚度(EOT)不變的情況下大大增加其物理厚度，從而減小柵 極漏電流。高k柵介質(zhì)材料因?yàn)榻鉀Q了 SiO2接近物理厚度極限引發(fā)的諸多問題，而成為了代 替SiA的熱門材料。然而，高k柵介質(zhì)材料大多是離子金屬氧化物，且沒有固定的原子配 位，穩(wěn)定程度與Si的界面鍵合Si02/Si相比要差得多，造成高k柵介質(zhì)和金屬柵之間存在著 大量的界面缺陷。當(dāng)金屬柵和高k柵介質(zhì)相接觸時(shí)，高k柵介質(zhì)界面缺陷當(dāng)中的電子就會(huì)流
入金屬柵，使得金屬的費(fèi)米能級(jí)Ef
升高，直至達(dá)到一個(gè)平衡費(fèi)米能級(jí)Sy ( 即是被釘扎的費(fèi)米等級(jí)位置)。這時(shí)，金屬柵/ 高k柵介質(zhì)界面產(chǎn)生正的凈電荷σ2，金屬中相應(yīng)地產(chǎn)生假想的負(fù)電荷σ 1 (σ1 = _ 02)。 凈電荷σ 和σ2會(huì)在金屬柵當(dāng)中和金屬柵/高k柵介質(zhì)表面分別引起靜電勢(shì)降落，從而
導(dǎo)致了金屬和界面真空能級(jí)的變形，變形總量即是￡^和5；·的差值。這種情況下，金屬的有
效功函數(shù)偏離了它在真空中的數(shù)值。費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)的原理圖如圖1所示。費(fèi)米能級(jí)釘 扎效應(yīng)已經(jīng)成為控制金屬柵/高k柵介質(zhì)晶體管的平帶電壓漂移的一個(gè)主要障礙。含N元 素的氣體如N2和NH3等雖然能夠?qū)Ω遦柵介質(zhì)中的缺陷進(jìn)行鈍化，但是其鈍化效果比較弱， 釋放費(fèi)米能級(jí)釘扎的效果不明顯。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提出一種鈍化高k柵介質(zhì)的方法，以達(dá)到釋放費(fèi)米能級(jí)釘扎的 目的，使金屬柵/高k介質(zhì)晶體管的亞閾值特性和閾值電壓漂移得到改善。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出了一種利用含氟(F)等離子體釋放費(fèi)米能級(jí)釘扎的 方法，具體步驟包括
提供一個(gè)半導(dǎo)體襯底； 形成第一層絕緣薄膜； 形成一層多晶硅；形成第二層絕緣薄膜；
刻蝕所述第二層絕緣薄膜形成邊墻；
形成源區(qū)與漏區(qū)；
形成第三層絕緣薄膜；
刻蝕掉多晶硅層；
利用含氟(F)等離子體對(duì)樣品進(jìn)行處理；
退火；
形成電極。進(jìn)一步地，所述的第一層絕緣薄膜材料為Τει205、Pr2O3> TiO2, HfO2, Al2O3或^O2等 高k柵介質(zhì)材料，其厚度范圍為3-20納米。所述的第二層、第三層絕緣薄膜為氧化硅或者 為氮化硅。所述含氟(F)等離子體如CF4、C2F4, C3F6等。高k柵介質(zhì)材料中缺陷的主要類型是氧空位，F(xiàn)具有較小的離子半徑能夠?qū)ρ蹩?位進(jìn)行填補(bǔ)，它是電負(fù)性最強(qiáng)的元素，也是唯一一種電負(fù)性比氧強(qiáng)的元素。以這些特點(diǎn)為基 礎(chǔ)，利用含F(xiàn)的等離子體對(duì)淀積好的高k柵介質(zhì)進(jìn)行處理，能夠很好地對(duì)高k柵介質(zhì)中的氧 空位進(jìn)行鈍化，從而達(dá)到釋放費(fèi)米能級(jí)釘扎的目的，使金屬柵/高k介質(zhì)晶體管的亞閾值特 性和閾值電壓漂移得到改善。


圖1為費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)的原理圖。圖2為本發(fā)明提出的利用等離子體釋放金屬柵/高k柵介質(zhì)體系費(fèi)米能級(jí)釘扎的 方法的實(shí)施例工藝流程圖。圖3至圖9為本發(fā)明所提供的以CF4等離子體對(duì)HfO2柵介質(zhì)進(jìn)行淀積后處理為實(shí) 施例的制造工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，在圖中，為了方便 說明，放大或縮小了層和區(qū)域的厚度，所示大小并不代表實(shí)際尺寸。盡管這些圖并不能完全 準(zhǔn)確的反映出器件的實(shí)際尺寸，但是它們還是完整的反映了區(qū)域和組成結(jié)構(gòu)之間的相互位 置，特別是組成結(jié)構(gòu)之間的上下和相鄰關(guān)系。同時(shí)在下面的描述中，所使用的術(shù)語襯底可以 理解為包括正在工藝加工中的半導(dǎo)體襯底，可能包括在其上所制備的其它薄膜層。圖2為本發(fā)明所提出的利用含F(xiàn)等離子體釋放金屬柵/高k柵介質(zhì)體系費(fèi)米能級(jí) 釘扎的方法的實(shí)施例工藝流程圖，其工藝流程可簡(jiǎn)要描述為RCA標(biāo)準(zhǔn)工藝清洗wafer ；形 成高k柵介質(zhì)層；淀積多晶硅；光刻形成源、漏區(qū)；形成邊墻；源、漏擴(kuò)散；淀積絕緣體層并 刻蝕掉多晶硅；用含F(xiàn)的等離子體對(duì)高k柵介質(zhì)進(jìn)行處理；退火；形成電極。本發(fā)明所提出的利用含F(xiàn)等離子體釋放費(fèi)米能級(jí)釘扎的方法可以廣泛應(yīng)用于釋 放金屬柵/高k柵介質(zhì)體系的費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)，以下所敘述的是本發(fā)明所提供的以0&等 離子體對(duì)HfO2柵介質(zhì)進(jìn)行淀積后處理為實(shí)施例的制造工藝流程。首先，將N型硅襯底利用RCA標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行清洗，然后把N型硅襯底201放入原子層淀積(ALD)反應(yīng)腔中，進(jìn)行ALD生長(zhǎng)一層高k柵介質(zhì)202。在本發(fā)明實(shí)施例中，高k柵介 質(zhì)采用HfO2,反應(yīng)以四(乙基甲基氨基)鉿(TEMAH)和H2O為前軀體。反應(yīng)前，將ALD反應(yīng)腔 加熱到300°C，前驅(qū)體TEMAH加熱到70°C，并在整個(gè)生長(zhǎng)過程中保持溫度不變，反應(yīng)進(jìn)行100 個(gè)周期，得到大約8納米厚的Η 2。生長(zhǎng)結(jié)束后的結(jié)構(gòu)如圖3所示。接下來，利用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)方法在HfO2柵介質(zhì)層202上淀積一層厚 度約為0. 5微米的多晶硅203，多晶硅203是作為犧牲介質(zhì)層使用的，然后光刻出源區(qū)和漏 區(qū)的圖形如圖4所示。接下來，淀積一層厚度約為0. 5微米的S^2覆蓋層，再利用各向異性刻蝕的方法 刻出源區(qū)和漏區(qū)的圖形，僅留下多晶硅旁邊的一層SW2作為邊墻204，結(jié)構(gòu)如圖5所示。接下來，通過硼離子注入，形成源區(qū)205和漏區(qū)206，如圖6所示。然后淀積一層較 厚的S^2層207，并利用CMP工藝將其平坦化，如圖7所示。接下來，將作為犧牲介質(zhì)層的多晶硅層203刻蝕掉，并將樣品放入等離子體增強(qiáng) 化學(xué)氣相沉積(PECVD)設(shè)備中，用CF4等離子體對(duì)樣品進(jìn)行5分鐘的處理，反應(yīng)過程中壓強(qiáng) 為600 mTorr, CF4的流量為500 sccm，RF功率為40W。然后將樣品在700°C的氮?dú)庵型嘶?1分鐘，退火的目的是為了消除CF4等離子造成的損害，得到的結(jié)構(gòu)如圖8所示。最后，利用蒸發(fā)、光刻工藝及后道工藝形成源極電極208、柵極電極209及漏電極 210，如圖9所示。如上所述，在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下，還可以構(gòu)成許多有很大差別的 實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，除了如所附的權(quán)利要求所限定的，本發(fā)明不限于在說明書中所述的具體 實(shí)例。
權(quán)利要求
1.一種利用等離子體釋放費(fèi)米能級(jí)釘扎的方法，其特征在于具體步驟為 提供一個(gè)半導(dǎo)體襯底；形成第一層絕緣薄膜；形成一層犧牲介質(zhì)層；光刻形成源、漏圖形；形成第二層絕緣薄膜；刻蝕所述第二層絕緣薄膜形成邊墻；形成源區(qū)與漏區(qū)；形成第三層絕緣薄膜；刻蝕掉所述的犧牲介質(zhì)層；用含氟等離子體對(duì)樣品進(jìn)行處理；退火；形成電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用等離子體釋放費(fèi)米能級(jí)釘扎的方法，其特征在于，所述 的第一層絕緣薄膜材料為T 05、ft~203、Ti02、Hf02、Al203、或&02，其厚度范圍為3-20納米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的利用等離子體釋放費(fèi)米能級(jí)釘扎的方法，其特征在于，所 述的犧牲介質(zhì)層為多晶硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的利用等離子體釋放費(fèi)米能級(jí)釘扎的方法，其特征在于，所 述的第二層、第三層絕緣薄膜材料為氧化硅或者為氮化硅。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的利用等離子體釋放費(fèi)米能級(jí)釘扎的方法，其特征在于，所 述的含氟等離子體為CF4、C2F4或C3F6等離子體。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用等離子體釋放費(fèi)米能級(jí)釘扎的方法，其特征在于，所述 的含氟等離子體為CF4、C2F4或C3F6等離子體。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種利用含氟(F)等離子體釋放金屬柵/高k柵介質(zhì)體系費(fèi)米能級(jí)釘扎的方法。高k柵介質(zhì)中缺陷的主要類型是氧空位，F(xiàn)具有較小的離子半徑能夠?qū)ρ蹩瘴贿M(jìn)行填補(bǔ)，它是電負(fù)性最強(qiáng)的元素，也是唯一一種電負(fù)性比氧強(qiáng)的元素。用含F(xiàn)的等離子體對(duì)淀積好的高k柵介質(zhì)進(jìn)行處理，能夠很好地對(duì)高k柵介質(zhì)中的氧空位進(jìn)行鈍化，從而達(dá)到釋放費(fèi)米能級(jí)釘扎的目的，使金屬柵/高k介質(zhì)晶體管的亞閾值特性和閾值電壓漂移得到改善。
文檔編號(hào)H01L21/28GK102064111SQ20101057412
公開日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月6日
發(fā)明者孫清清, 張衛(wèi), 楊雯, 江安全, 王鵬飛 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)