CN101447421B - 一种制备金属栅电极的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超深亚微米技术互补金属氧化物半导体器件以及电路的金属栅电极的制备方法，包括：局部氧化隔离或浅槽隔离，进行注入前氧化，然后注入¹⁴N⁺；漂净注入前氧化膜，栅氧化，并沉积多晶硅；光刻、刻蚀形成多晶硅栅电极；注入杂质，并进行杂质激活；淀积金属镍Ni，退火硅化，使金属镍和多晶硅完全反应形成全硅化物金属栅；选择去除未反应的金属镍Ni。利用本发明，达到了调节栅电极的功函数的目的。

Description

一种制备金属栅电极的方法

技术领域

本发明涉及微电子超深亚微米技术互补金属氧化物半导体器件(CMOS)及超大规模集成技术领域，尤其涉及一种用于超深亚微米技术互补金属氧化物半导体器件以及电路的金属栅电极的制备方法。

背景技术

自从第一个晶体管发明以来，经过半个多世纪的飞速发展，晶体管的横向和纵向尺寸都迅速缩小。根据国际半导体技术发展蓝图(ITRS)的预测，到2018年晶体管的特征尺寸将达到7nm。尺寸的持续缩小使晶体管的性能(速度)不断提高，也使得我们能够在相同面积的芯片上集成更多的器件，集成电路的功能越来越强，同时降低了单位功能成本。

在集成电路的发展中，多晶硅作为栅电极已有四十多年的历史，但是当传统的多晶硅栅晶体管尺寸缩小到一定程度后，将出现多晶硅耗尽效应和PMOS管硼穿透效应以及过高的栅电阻，这将阻碍晶体管性能的提升，成为进一步提高互补金属氧化物半导体(CMOS)器件性能的瓶颈。

为了解决这些问题，研究人员进行了大量的研究工作以寻找合适的替代技术。而金属栅被认为是最有希望的替代技术。用金属作栅电极，可以从根本上消除多晶硅栅耗尽效应和PMOS管的硼(B)穿透效应，同时获得非常低的栅极薄层电阻。

另外，研究发现当栅介质为Ta₂O₅或ZrO₂等高介电常数栅介质时，多晶硅栅的热稳定性变得比较差，并且会产生费米钉扎效应，使得栅功函数很难被调节，成为引入高介电常数栅介质的一个障碍。

而金属栅则能很好的与高介电常数栅介质兼容，有效地克服费米钉扎效应。因此金属栅制备技术和方法成为非常重要的研究内容。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于超深亚微米互补金属氧化物半导体器件和电路的栅功函数可调的金属栅电极的制备方法，以达到调节栅电极的功函数的目的。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种制备金属栅电极的方法，该方法包括：

局部氧化隔离或浅槽隔离，进行注入前氧化，然后注入¹⁴N⁺；

漂净注入前氧化膜，栅氧化，并沉积多晶硅；

光刻、刻蚀形成多晶硅栅电极；

注入杂质，并进行杂质激活；

淀积金属镍Ni，退火硅化，使金属镍和多晶硅完全反应形成全硅化物金属栅；

选择去除未反应的金属镍Ni。

上述方案中，所述局部氧化隔离或浅槽隔离的步骤中，氧化温度为1000℃，隔离层厚度为3000至

所述注入前氧化的步骤中，氧化厚度为100至

所述注入^14N+的步骤中，注入条件为：注入能量为10至30Kev，注入剂量为1×10¹⁴至6×10¹⁴cm^-2。

上述方案中，所述漂净注入前氧化膜的步骤中，采用体积比为H₂O∶HF＝9∶1的溶液进行漂洗，然后采用3^#腐蚀液清洗10分钟，1^#腐蚀液清洗5分钟，HF/异丙醇IPA溶液室温下浸渍5分钟；该3^#腐蚀液是体积比为5∶1的H₂SO₄与H₂O₂溶液；该1^#腐蚀液是体积比为0.8∶1∶5的NH₄OH+H₂O₂+H₂O溶液。

上述方案中，所述栅氧化并沉积多晶硅的步骤中，栅氧化的厚度为15至

沉积多晶硅采用化学气相淀积LPCVD方法，沉积的多晶硅的厚度为1000至

上述方案中，所述在光刻、刻蚀形成多晶硅栅电极之前进一步包括：去背面多晶硅，并漂净背面氧化层，然后进行背面注入，注入杂质³¹P，注入能量为50至100Kev，注入剂量为3×10¹⁵至6×10¹⁵cm^-2。

上述方案中，所述在光刻、刻蚀形成多晶硅栅电极的步骤包括：采用厚度为1.5微米的9918胶作为掩模进行光刻，采用反应离子刻蚀多晶硅，将场区内多晶硅刻蚀干净，形成多晶硅栅电极。

上述方案中，所述注入杂质的步骤中，注入的杂质为P型杂质BF₂，或者N型杂质As或P；对于P型杂质BF₂，注入条件为：注入能量5至30Kev，注入剂量为1×10¹⁵至5×10¹⁵cm^-2；对于N型杂质As，注入条件为：注入能量30至60Kev，注入剂量为1×10¹⁵至5×10¹⁵cm^-2；对于N型杂质P，注入条件为：注入能量40至60Kev，注入剂量为1×10¹⁵至3×10¹⁵cm^-2。

上述方案中，所述进行杂质激活的步骤中，杂质激活的条件为：温度950至1020℃，时间2至20秒。

上述方案中，所述淀积金属镍Ni并退火硅化的步骤中，淀积金属镍Ni的厚度为600至

退火条件为：温度500至580℃，时间30至60秒。

上述方案中，所述选择去除未反应的金属镍Ni的步骤中，采用3^#腐蚀液进行腐蚀去除，该3^#腐蚀液为体积比5∶1的H₂SO₄与H₂O₂溶液，腐蚀时间为20至30分钟。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种制备金属栅电极的方法，采用金属硅化物作为金属互补氧化物半导体器件的栅电极，同时采用注入的方法在硅化前向多晶硅栅内掺入杂质并激活，然后通过全硅化反应过程中杂质分凝从而在栅电极/栅介质界面附近形成堆积，达到了调节栅电极的功函数的目的。

2、本发明提供的这种制备金属栅电极的方法，能够方便的调节栅电极的功函数，满足互补金属氧化物半导体器件的要求。

3、本发明提供的这种制备金属栅电极的方法，其制备方法简单，易于集成，与CMOS工艺具有很好的兼容性，具有很大的应用价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明提供的制备金属栅电极的方法流程图；

图2是本发明提供的制备金属栅电极的工艺流程图；

图3是利用本发明提供的方法所制备的金属栅电极的TEM图；

图4是利用本发明提供的方法制备的金属栅电极所制备的电容的CV特性曲线；

图中的符号1-体硅衬底，2-栅氧化层，3-多晶硅栅电极，4-STI隔离，5-离子注入元素，6-淀积的金属镍Ni，7-反应生成的镍Ni金属硅化物栅电极。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明采用硅化前向多晶硅栅内注入杂质并激活，然后淀积金属镍Ni并进行快速热退火RTA使金属镍Ni和多晶硅完全反应形成全硅化物金属栅；金属栅的栅功函数能够通过改变向栅内注入杂质的类型和剂量来调节。

如图1所示，图1是本发明提供的制备金属栅电极的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤101：局部氧化隔离或浅槽隔离，进行注入前氧化，然后注入¹⁴N⁺；在本步骤中，氧化温度为1000℃，隔离层厚度为3000至

所述注入前氧化的步骤中，氧化厚度为100至

所述注入¹⁴N⁺的步骤中，注入条件为：注入能量为10至30Kev，注入剂量为1×10¹⁴至6×10¹⁴cm^-2

步骤102：漂净注入前氧化膜，栅氧化，并沉积多晶硅；

在本步骤中，采用体积比为H₂O∶HF＝9∶1的溶液进行漂洗，然后采用3^#腐蚀液清洗10分钟，1^#腐蚀液清洗5分钟，HF/异丙醇IPA溶液室温下浸渍5分钟；该3^#腐蚀液是体积比为5∶1的H₂SO₄与H₂O₂溶液；该1^#腐蚀液是体积比为0.8∶1∶5的NH₄OH+H₂O₂+H₂O溶液；氢氟酸/异丙醇/水是体积比为百分之0.2至0.7∶百分之0.01至0.04∶1的HF+IPA+H₂O溶液；

栅氧化的厚度为15至

沉积多晶硅采用化学气相淀积LPCVD方法，沉积的多晶硅的厚度为1000至

步骤103：光刻、刻蚀形成多晶硅栅电极；

在本步骤中，采用厚度为1.5微米的9918胶作为掩模进行光刻，采用反应离子刻蚀多晶硅，将场区内多晶硅刻蚀干净，形成多晶硅栅电极。

步骤104：注入杂质，并进行杂质激活；

在本步骤中，杂质激活的条件为：温度950至1020℃，时间2至20秒，注入的杂质为P型杂质BF₂，或者N型杂质As或P；对于P型杂质BF₂，注入条件为：注入能量5至30Kev，注入剂量为1×10¹⁵至5×10¹⁵cm^-2；对于N型杂质As，注入条件为：注入能量30至60Kev，注入剂量为1×10¹⁵至5×10¹⁵cm^-2；对于N型杂质P，注入条件为：注入能量40至60Kev，注入剂量为1×10¹⁵至3×10¹⁵cm^-2；所述杂质激活的条件为：温度950至1020℃，时间2至20秒。

步骤105：淀积金属镍Ni，退火硅化，使金属镍和多晶硅完全反应形成全硅化物金属栅；

在本步骤中，淀积金属镍Ni的厚度为600至

退火条件为：温度500至580℃，时间30至60秒。

步骤106：选择去除未反应的金属镍Ni；

在本步骤中，采用3^#腐蚀液进行腐蚀去除，该3^#腐蚀液为体积比5∶1的H₂SO₄与H₂O₂溶液，腐蚀时间为20至30分钟。

上述在步骤102与步骤103之间进一步包括：去背面多晶硅，并漂净背面氧化层，然后进行背面注入，注入杂质³¹P，注入能量为50至100Kev，注入剂量为3×10¹⁵至6×10¹⁵cm^-2。

图2示出了本发明提供的制备金属栅电极的工艺流程图；其中，(a)为淀积多晶硅并光刻、刻蚀后形成的结构示意图；(b)为离子注入并退火激活示意图；(c)为淀积金属镍Ni后示意图；(d)为硅化退火反应生成镍Ni金属硅化物栅电极示意图；(e)为选择去除未反应的金属镍Ni后示意图。以下结合具体实施例进一步详细说明本发明提供的技术方案：

步骤1：场氧化；1000℃，3000至

步骤2：注入前氧化；厚100至

步骤3：注入¹⁴N⁺，能量为10至30Kev，剂量为1×10¹⁴至6×10¹⁴cm^{- 2}；

步骤4：漂净注入前氧化层；H₂O∶HF＝9∶1溶液中漂净；

步骤5：清洗；3^#液清洗10分钟，1^#液清洗5分钟，HF/异丙醇(IPA)，室温下浸渍5分钟；

步骤6：栅氧化；厚度15至

步骤7：化学气相淀积LPCVD多晶硅；1000至

步骤8：去背面多晶硅，并漂净背面氧化层；

步骤9：背面注入；注入杂质³¹P，能量50至100Kev，剂量3×10¹⁵至6×10¹⁵cm^-2；

步骤10：光刻多晶硅；9918胶，1.5微米；

步骤11：反应离子刻蚀多晶硅；场区刻干净多晶硅；

步骤12：栅注入；注入杂质As，注入能量10至50Kev，剂量1×10¹⁵至5×10¹⁵cm^-2；

步骤13：杂质激活；950至1020℃，时间2至20秒；

步骤14：溅射金属镍Ni；厚度，600至

步骤15：快速热退火RTA；温度500至580℃，时间30至60秒；

步骤16：选择腐蚀；3^#液(H₂SO₄∶H₂O₂＝5∶1)，20至30分钟，将未反应的金属镍Ni去除。

图3示出了利用本发明提供的方法所制备的金属栅电极的TEM图。从图3中可以看出多晶硅栅电极已经完全转变为硅化物金属栅电极。

图4示出了利用本发明提供的方法制备的金属栅电极所制备的电容的CV特性曲线。从图4中可以看出C-V曲线随着栅内注入条件的不同发生偏移，平带电压(V_fb)的变化反映了栅电极的栅功函数发生变化；在图示的实验范围内，利用BF₂杂质能够将栅功函数调高0.13eV左右，利用As杂质能够将栅功函数调低0.3eV左右，而利用P杂质能够将栅功函数调低0.15eV左右，如果提高P杂质浓度，栅功函数能进一步调低。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种制备金属栅电极的方法，其特征在于，该方法包括：

局部氧化隔离或浅槽隔离，进行注入前氧化，然后注入¹⁴N⁺；

漂净注入前氧化膜，栅氧化，并沉积多晶硅；

光刻、刻蚀形成多晶硅栅电极；

注入杂质，并进行杂质激活；

淀积金属镍Ni，退火硅化，使金属镍和多晶硅完全反应形成全硅化物金属栅；

选择去除未反应的金属镍Ni。

2.根据权利要求1所述的制备金属栅电极的方法，其特征在于，所述局部氧化隔离或浅槽隔离的步骤中，氧化温度为1000℃，隔离层厚度为3000至

所述注入前氧化的步骤中，氧化厚度为100至

所述注入¹⁴N⁺的步骤中，注入条件为：注入能量为10至30Kev，注入剂量为1×10¹⁴至6×10¹⁴cm^-2。

3.根据权利要求1所述的制备金属栅电极的方法，其特征在于，所述漂净注入前氧化膜的步骤中，采用体积比为H₂O∶HF＝9∶1的溶液进行漂洗，然后采用3^#腐蚀液清洗10分钟，1^#腐蚀液清洗5分钟，HF/异丙醇IPA溶液室温下浸渍5分钟；该3^#腐蚀液是体积比为5∶1的H₂SO₄与H₂O₂溶液；该1^#腐蚀液是体积比为0.8∶1∶5的NH₄OH+H₂O₂+H₂O溶液。

4.根据权利要求1所述的制备金属栅电极的方法，其特征在于，所述栅氧化并沉积多晶硅的步骤中，栅氧化的厚度为15至

沉积多晶硅采用化学气相淀积LPCVD方法，沉积的多晶硅的厚度为1000至

5.根据权利要求1所述的制备金属栅电极的方法，其特征在于，所述在光刻、刻蚀形成多晶硅栅电极之前进一步包括：

去背面多晶硅，并漂净背面氧化层，然后进行背面注入，注入杂质³¹P，注入能量为50至100Kev，注入剂量为3×10¹⁵至6×10¹⁵cm^-2。

6.根据权利要求1所述的制备金属栅电极的方法，其特征在于，所述在光刻、刻蚀形成多晶硅栅电极的步骤包括：

采用厚度为1.5微米的9918胶作为掩模进行光刻，采用反应离子刻蚀多晶硅，将场区内多晶硅刻蚀干净，形成多晶硅栅电极。

7.根据权利要求1所述的制备金属栅电极的方法，其特征在于，所述注入杂质的步骤中，注入的杂质为P型杂质BF₂，或者N型杂质As或P；

对于P型杂质BF₂，注入条件为：注入能量5至30Kev，注入剂量为1×10¹⁵至5×10¹⁵cm^-2；

对于N型杂质As，注入条件为：注入能量30至60Kev，注入剂量为1×10¹⁵至5×10¹⁵cm^-2；

对于N型杂质P，注入条件为：注入能量40至60Kev，注入剂量为1×10¹⁵至3×10¹⁵cm^-2。

8.根据权利要求1所述的制备金属栅电极的方法，其特征在于，所述进行杂质激活的步骤中，杂质激活的条件为：温度950至1020℃，时间2至20秒。

9.根据权利要求1所述的制备金属栅电极的方法，其特征在于，所述淀积金属镍Ni并退火硅化的步骤中，淀积金属镍Ni的厚度为600至

退火条件为：温度500至580℃，时间30至60秒。

10.根据权利要求1所述的制备金属栅电极的方法，其特征在于，所述选择去除未反应的金属镍Ni的步骤中，采用3^#腐蚀液进行腐蚀去除，该3^#腐蚀液为体积比5∶1的H₂SO₄与H₂O₂溶液，腐蚀时间为20至30分钟。

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