高介電層金屬柵器件的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高介電層金屬柵器件的制造方法，在去除偽多晶硅及介電層后執(zhí)行氟離子注入，并在形成襯墊氧化物后進(jìn)行第一次退火，在形成高介電層后執(zhí)行第二次退火，使氟離子由襯底的溝道區(qū)擴(kuò)散至襯墊氧化層和高介電層，與不穩(wěn)定的氫鍵結(jié)合形成氟硅基團(tuán)，降低了氟離子由偽多晶硅擴(kuò)散入高介電層過(guò)程中工藝的不可控性和工藝難度。
【專利說(shuō)明】高介電層金屬柵器件的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件制造領(lǐng)域，尤其涉及一種高介電層金屬柵(HKMG)器件的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體集成電路的發(fā)展，現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件，如互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件中普遍使用的多晶硅柵極逐漸顯露出以下問(wèn)題:因柵極損耗引起柵極絕緣層有效厚度增加，摻雜物容易通過(guò)多晶硅柵極滲透到襯底引起閥值電壓變化，難以實(shí)現(xiàn)細(xì)小寬度上低電阻值等。為解決上述問(wèn)題，半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展了以金屬柵極替代現(xiàn)有多晶硅柵極的半導(dǎo)體器件，并使用高介電常數(shù)(high k)材料作為柵絕緣層的半導(dǎo)體器件，稱之為高介電層金屬柵(HKMG, high-k metal-gate)器件。
[0003]高介電層金屬柵器件在高介電層與硅的界面具有大量的界面態(tài)，這是由于在半導(dǎo)體制程中會(huì)形成不穩(wěn)定的氫鍵，導(dǎo)致NMOS晶體管和PMOS晶體管工作過(guò)程中產(chǎn)生大量界面態(tài)，從而改變MOS晶體管性能,具體表現(xiàn)為NMOS晶體管HCI (Hot CarrierInjection,熱載流子注入)效應(yīng)和 PMOS 晶體管的 NBTI (Negative Bias TemperatureInstability,負(fù)偏壓不穩(wěn)定性)效應(yīng)。
[0004]為了解決由不穩(wěn)定氫鍵導(dǎo)致的大量界面態(tài)，現(xiàn)有技術(shù)通常通過(guò)注入氟離子，使氟離子進(jìn)入高介電層取代高介電層中的部分氧離子，與不穩(wěn)定的氫鍵結(jié)合，從而形成氟硅基團(tuán)，由于氟硅健比硅氫鍵更為牢固，因此，提高了高介電層和半導(dǎo)體襯底間的界面品質(zhì)，對(duì)于NMOS晶體管而言，阻止形成了電荷陷阱，防止在加電壓下輕摻雜源/漏區(qū)聚集電荷，從而大大改善了 NMOS晶體管的HCI效應(yīng)，對(duì)于PMOS晶體管而言，可防止在高溫下生成硅懸掛鍵，從而減輕由于NBTI效應(yīng)對(duì)PMOS晶體管的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種高介電層金屬柵器件的制造方法，以解決現(xiàn)有工藝實(shí)現(xiàn)難度高的問(wèn)題。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:一種高介電層金屬柵器件的制造方法，包括:
[0007]在襯底上形成包括介電層、偽多晶硅和側(cè)壁氧化層的柵極結(jié)構(gòu)；
[0008]在襯底上沉積形成夾層絕緣層，并進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨以露出所述偽多晶硅；
[0009]刻蝕去除偽多晶硅和介電層，以形成底部暴露與偽多晶硅對(duì)應(yīng)的襯底的凹槽；
[0010]執(zhí)行氟離子注入以對(duì)暴露的襯底進(jìn)行摻雜；
[0011]在所述凹槽底部形成襯墊氧化層并執(zhí)行第一次退火；
[0012]在所述襯墊氧化層上沉積形成高介電層并執(zhí)行第二次退火；
[0013]在所述高介電層上形成金屬柵極。
[0014]進(jìn)一步，在襯底上形成包括介電層、偽多晶硅和側(cè)壁氧化層的柵極結(jié)構(gòu)包括:
[0015]在襯底上形成NMOS有源區(qū)及PMOS有源區(qū)，并在NMOS有源區(qū)和PMOS有源區(qū)之間形成淺溝槽隔離；在NMOS有源區(qū)及PMOS有源區(qū)上分別形成NMOS介電層及PMOS介電層，及NMOS偽多晶硅和PMOS偽多晶硅，并在NMOS介電層、NMOS偽多晶硅的兩側(cè)及PMOS介電層、PMOS偽多晶硅的兩側(cè)形成側(cè)壁氧化層；
[0016]在所述凹槽底部形成襯墊氧化層包括通過(guò)熱氧化或化學(xué)氧化在所述凹槽底部形成襯墊氧化層；
[0017]在高介電層上形成金屬柵極包括:在高介電層上形成金屬功函數(shù)層；在所述金屬功函數(shù)層上沉積金屬層；執(zhí)行化學(xué)機(jī)械研磨以暴露夾層絕緣層。
[0018]進(jìn)一步，執(zhí)行氟離子注入以對(duì)暴露的襯底進(jìn)行摻雜后，氟離子雜質(zhì)的濃度低于3e15atom/ cm3。
[0019]進(jìn)一步，所述第一次退火為溫度范圍900攝氏度至1200攝氏度的毫秒級(jí)退火；所述第二次退火為溫度范圍600攝氏度至800攝氏度的快速退火。
[0020]進(jìn)一步，所述金屬層的材料為鈷。
[0021]采用在本發(fā)明所提供的高介電層金屬柵器件的制造方法，在去除偽多晶硅及介電層后執(zhí)行氟離子注入，并在形成襯墊氧化物后進(jìn)行第一次退火，在形成高介電層后執(zhí)行第二次退火，使氟離子由襯底的溝道區(qū)擴(kuò)散至襯墊氧化層和高介電層，與不穩(wěn)定的氫鍵結(jié)合形成氟硅基團(tuán)，降低了氟離子由偽多晶硅擴(kuò)散入高介電層過(guò)程中工藝的不可控性和工藝難度。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明一種高介電層金屬柵器件的制造方法流程圖；
[0023]圖2a?圖2e為本發(fā)明典型實(shí)施例的制造方法流程結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0025]如圖1所示，本發(fā)明提供了一種高介電層金屬柵器件的制造方法，包括:
[0026]在襯底上形成包括介電層、偽多晶硅和側(cè)壁氧化層的柵極結(jié)構(gòu)；
[0027]在襯底上沉積形成夾層絕緣層，并進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨以露出所述偽多晶硅；
[0028]刻蝕去除偽多晶硅和介電層，以形成底部暴露與偽多晶硅對(duì)應(yīng)的襯底的凹槽；
[0029]執(zhí)行氟離子注入以對(duì)暴露的襯底進(jìn)行摻雜；
[0030]在所述凹槽底部形成襯墊氧化層并執(zhí)行第一次退火；
[0031]在所述襯墊氧化層上沉積形成高介電層并執(zhí)行第二次退火；
[0032]在所述高介電層上形成金屬柵極。
[0033]作為本發(fā)明的典型實(shí)施例，以下結(jié)合圖2a?圖2e對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)闡述。
[0034]如圖2a所示，首先提供半導(dǎo)體襯底，在襯底上形成NMOS有源區(qū)及PMOS有源區(qū)，并在NMOS有源區(qū)和PMOS有源區(qū)之間形成淺溝槽隔離8 ;在NMOS有源區(qū)及PMOS有源區(qū)上分別形成NMOS介電層I及PMOS介電層2，及NMOS偽多晶硅6和PMOS偽多晶硅7，并在NMOS介電層1、NMOS偽多晶硅6的兩側(cè)及PMOS介電層2、PMOS偽多晶硅7的兩側(cè)形成側(cè)壁氧化層5 ;接著在襯底上沉積形成夾層絕緣層3，并進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨以露出偽多晶硅6和7 ;[0035]利用干法刻蝕去除偽多晶硅6、7和介電層1、2，以形成底部暴露與偽多晶硅對(duì)應(yīng)的襯底的凹槽9和10 ;其中，在干法刻蝕前在夾層絕緣層3的表面、偽多晶硅6和7的表面形成光刻膠(未示出)，圖案化光刻膠以暴露偽多晶硅6和7，以圖案化的光刻膠(未示出)進(jìn)行干法刻蝕；進(jìn)行干法刻蝕時(shí)，首先以介電層I和2作為刻蝕阻擋層刻蝕去除偽多晶硅6和7，再繼續(xù)刻蝕以去除介電層I和2 ;凹槽9和10的底部暴露出與偽多晶硅6和7對(duì)應(yīng)的襯底，而暴露的襯底為NMOS晶體管和PMOS晶體管溝道區(qū)的位置；
[0036]接著，執(zhí)行氟離子注入以對(duì)暴露的襯底進(jìn)行摻雜，作為有選的，氟離子雜質(zhì)的濃度低于3e15at0m/cm3，氟離子注入的能量不應(yīng)高過(guò)使氟離子穿過(guò)夾層絕緣層3的能量，以避免對(duì)后續(xù)工藝中形成源漏區(qū)產(chǎn)生不良影響；
[0037]如圖2c所示，通過(guò)熱氧化或化學(xué)氧化在凹槽9和10底部形成襯墊氧化層11和12，并執(zhí)行第一次退火，作為優(yōu)選的，第一次退火為溫度范圍900攝氏度至1200攝氏度的毫秒級(jí)退火，以將氟離子由溝道區(qū)擴(kuò)散至襯墊氧化層11和12 ;
[0038]如圖2d所示，在襯墊氧化層11和12上沉積形成高介電層13和14，并執(zhí)行第二次退火，作為優(yōu)選的，第二次退火為溫度范圍600攝氏度至800攝氏度的快速退火，以將氟離子擴(kuò)散入高介電層13和14，并激活氟離子，取代高介電層中的氧原子；
[0039]如圖2e所不,在高介電層上形成金屬功函數(shù)層15和16,在金屬功函數(shù)層15和16上沉積金屬鈷層(未示出);執(zhí)行化學(xué)機(jī)械研磨以暴露夾層絕緣層3，形成金屬柵極17和18。
[0040]本發(fā)明所提供的高介電層金屬柵器件的制造方法，在去除偽多晶硅及介電層后執(zhí)行氟離子注入，并在形成襯墊氧化物后進(jìn)行第一次退火，在形成高介電層后執(zhí)行第二次退火，使氟離子由襯底的溝道區(qū)擴(kuò)散至襯墊氧化層和高介電層，與不穩(wěn)定的氫鍵結(jié)合形成氟硅基團(tuán)，降低了氟離子由偽多晶硅擴(kuò)散入高介電層過(guò)程中工藝的不可控性和工藝難度。
[0041]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(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(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明保護(hù)的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高介電層金屬柵器件的制造方法，包括: 在襯底上形成包括介電層、偽多晶硅和側(cè)壁氧化層的柵極結(jié)構(gòu)； 在襯底上沉積形成夾層絕緣層，并進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨以露出所述偽多晶硅； 刻蝕去除偽多晶硅和介電層，以形成底部暴露與偽多晶硅對(duì)應(yīng)的襯底的凹槽； 執(zhí)行氟離子注入以對(duì)暴露的襯底進(jìn)行摻雜； 在所述凹槽底部形成襯墊氧化層并執(zhí)行第一次退火； 在所述襯墊氧化層上沉積形成高介電層并執(zhí)行第二次退火； 在所述高介電層上形成金屬柵極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在襯底上形成包括介電層、偽多晶硅和側(cè)壁氧化層的柵極結(jié)構(gòu)包括: 在襯底上形成NMOS有源區(qū)及PMOS有源區(qū)，并在NMOS有源區(qū)和PMOS有源區(qū)之間形成淺溝槽隔離；在NMOS有源區(qū)及PMOS有源區(qū)上分別形成NMOS介電層及PMOS介電層，及NMOS偽多晶硅和PMOS偽多晶硅，并在NMOS介電層、NMOS偽多晶硅的兩側(cè)及PMOS介電層、PMOS偽多晶硅的兩側(cè)形成側(cè)壁氧化層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在所述凹槽底部形成襯墊氧化層包括通過(guò)熱氧化或化學(xué)氧化在所述凹槽底部形成襯墊氧化層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在高介電層上形成金屬柵極包括:在高介電層上形成金屬功函數(shù)層；在所述金屬功函數(shù)層上沉積金屬層；執(zhí)行化學(xué)機(jī)械研磨以暴露夾層絕緣層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，執(zhí)行氟離子注入以對(duì)暴露的襯底進(jìn)行摻雜后，氟離子雜質(zhì)的濃度低于3e15atom/cm3。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一次退火為溫度范圍900攝氏度至1200攝氏度的毫秒級(jí)退火；所述第二次退火為溫度范圍600攝氏度至800攝氏度的快速退火。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述金屬層的材料為鈷。
【文檔編號(hào)】H01L21/28GK103779280SQ201210415303
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月26日
【發(fā)明者】謝欣云 申請(qǐng)人:中芯國(guó)際集成電路制造(上海)有限公司