高压低热预算高K后退火工艺制造技术

提供了一种通过加入增强型退火工艺来制造高k/金属栅极半导体器件的方法。根据本公开内容的增强型退火工艺可在相对较低的温度和高压下进行，由此可改善k值并修复HK层的上述缺陷。在根据本公开内容的增强型退火工艺下，H+由于高压而能够从氨气中扩散并修复断裂键，同时又由于低温而避免了不利地影响NiSi以及HK层中注入的离子。根据本公开内容的增强型退火工艺在一些实施例中可在300℃到500℃之间在15‑20个大气压的压力下执行15到50分钟。

High pressure, low heat budget, high K annealing process

A method of manufacturing a high k/ metal gate semiconductor device by adding an enhanced annealing process is provided. The enhanced annealing process according to the present disclosure can be performed at relatively low temperatures and high pressures, thereby improving K values and repairing the above-mentioned defects in the HK layer. In accordance with the enhanced annealing process of this disclosure, H+ due to high pressure can spread from ammonia and repair the broken key, at the same time due to the low temperature and avoid the adverse effects of ion implantation in the HK layer and NiSi. According to the enhanced annealing process in some embodiments may be in the 300 to 500 DEG C. between 15 20 atmospheric pressure 15 to 50 minutes of this disclosure.

【技术实现步骤摘要】
高压低热预算高K后退火工艺
本专利技术涉及半导体工艺与器件。
技术介绍
自从早年德州仪器的JackKilby博士专利技术了集成电路之时起，科学家们和工程师们已经在半导体器件和工艺方面作出了众多专利技术和改进。近50年来，半导体尺寸已经有了明显的降低，这转化成不断增长的处理速度和不断降低的功耗。迄今为止，半导体的发展大致遵循着摩尔定律，摩尔定律大致是说密集集成电路中晶体管的数量约每两年翻倍。现在，半导体工艺正在朝着20nm以下发展，其中一些公司正在着手14nm工艺。这里仅提供一个参考，一个硅原子约为0.2nm，这意味着通过20nm工艺制造出的两个独立组件之间的距离仅仅约为一百个硅原子。半导体器件制造因此变得越来越具有挑战性，并且朝着物理上可能的极限推进。华力微电子有限公司TM是致力于半导体器件和工艺研发的领先的半导体制造公司之一。在制造典型栅极尺寸小于50nm的晶体管时，所谓的“高k/金属栅极”(HKMG)技术已经普及。根据HKMG制造工艺流程，包括在栅电极中的绝缘层由高k材料构成。这与常规的氧化物/多晶硅(poly/SiON)方法相反，在常规的氧化物/多晶硅方法中，栅电极绝缘层通常由氧化物构成，在基于硅的器件情况下优选二氧化硅或氮氧化硅。典型的HKMG叠层结构可包含基于氧化硅的界面层(IL)、高k(HK)电介质、继之以金属栅电极。基于铪的电介质(特别是HfO2)是当前CMOS技术中最广泛使用的高k电介质，且通常沉积在IL的顶端，IL的主要作用是为与Si的界面提供良好电气质量。一般采用亚纳米的化学氧化物(SiOx)或氮氧化物(SiON)层作为IL。目前，有两种不同的方法在半导体制造工艺流程中实现HKMG。第一种方法称为栅极-首先，制造工艺流程类似于传统poly/SiON方法过程中采取的流程。首先形成栅电极，包括高k电介质膜和功函数金属膜，继之以后续的晶体管制造阶段，例如，源极区域和漏极区域的限定、部分衬底表面的硅化、金属化等等。另一方面，根据也称之为栅极-最后或替代栅极的第二种方案，在存在牺牲虚栅极的情况下执行各个制造阶段，诸如掺杂剂离子注入、源极区域和漏极区域形成以及衬底硅化。该虚栅极在高温源极/漏极成型以及所有硅化物退火周期都已执行之后由真实的栅极替代。
技术实现思路
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。根据本专利技术的一方面，提供了一种用于制造半导体器件的方法，该方法包括：形成衬底，所述衬底包括硅材料；使用氢化合物清洁所述衬底的上表面；在所述衬底上形成绝缘层，所述绝缘层包括形成于所述衬底的上表面上的界面层，以及形成于所述界面层上的高k介电层，所述高k介电层包括氧化铪HfO2；以及在形成所述绝缘层之后用氮气对所述绝缘层执行退火工艺，其中所述退火工艺是在300℃至500℃之间的温度及高于15个大气压的压力下执行的。附图说明图1示出了含有根据本公开的增强型退火工艺的制造工艺可以在衬底顶部上形成高k绝缘层来开始。图2示出了包含在该制造工艺中的增强型退火工艺的示例。图3示出了由于根据本公开的退火工艺的相对较高压力所导致的H+扩散效果。参照以下附图，可实现对各个实施例的本质和优点的进一步理解。在附图中，类似组件或特征可具有相同的附图标记。此外，相同类型的各个组件可通过在附图标记后跟随破折号以及在类似组件间进行区分的副标记来区分。如果在说明书中仅使用第一附图标记，则该描述适用于具有相同第一附图标记的任何一个类似组件而不管副附图标记。具体实施方式本公开内容涉及用于半导体的高k/金属栅极(HKMG)叠层的制造，尤其涉及降低该HKMG叠层形成之后O2向IL中的扩散。给出以下描述以使得本领域技术人员能够实施和使用本专利技术并将其结合到具体应用背景中。各种变型、以及在不同应用中的各种使用对于本领域技术人员将是容易显见的，并且本文定义的一般性原理可适用于较宽范围的实施例。由此，本专利技术并不限于本文中给出的实施例，而是应被授予与本文中公开的原理和新颖性特征相一致的最广义的范围。在以下详细描述中，阐述了许多特定细节以提供对本专利技术的更透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本专利技术的实践可不必局限于这些具体细节。换言之，公知的结构和器件以框图形式示出而没有详细显示，以避免模糊本专利技术。请读者注意与本说明书同时提交的且对公众查阅本说明书开放的所有文件及文献，且所有这样的文件及文献的内容以参考方式并入本文。除非另有明确说明，否则本说明书(包含任何所附权利要求、摘要和附图)中所揭示的所有特征皆可由用于达到相同、等效或类似目的的可替代特征来替换。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每一个特征仅是一系列常规等效或类似特征的一个示例。而且，权利要求中未明确表示用于执行特定功能的装置、或用于执行特定功能的步骤的任意组件皆不应被理解为如35USC第112章节第6段中所规定的装置或步骤条款。特别地，在本文的权利要求中使用“….的步骤”或“….的动作”并不表示涉及35USC第112章第6段的规定。注意，在使用到的情况下，标志左、右、前、后、顶、底、正、反、顺时针和逆时针仅仅是出于方便的目的所使用的，而并不暗示任何具体的固定方向。事实上，它们被用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。由于高k栅极介电层(HK层)主要包括没有固定的原子配位的金属离子氧化物(例如，HfO2)，所以HK层往往具有断裂悬空键。这会影响HK层的稳定性，进而影响k值。通常，高k栅极叠层的可靠性可使用约1000°C高温下的掺杂剂活化退火来改善。这可以通过在超过1000℃的温度下用氨穿透栅极氧化物的氮化氧化物工艺来实现。氨退火是一种流行的后续高k退火工艺，因为氨气(NH3)中的N离子在高温下能够扩散到HK层中以修复断裂键或缺失键，使得HK层的结构能够成为Hf-O-N结构而得到改善。以此方式，氨退火使得HK层中的HfO2更加稳定并且也提高了k值。然而，一旦已经开始高温反应，就难以控制加入到HK层中的氮的浓度。在高温退火过程中，高温可能不利地影响NiSi以及HK层中注入的离子。这是因为高温可能导致NiSi低电阻转变为NiSi高电阻。此效应进而可能导致接触电阻升高。而且，高温可能导致注入的离子扩散并从而导致漏电。本公开内容致力于解决上述提到的目前的高温退火问题。本公开内容的一方面是一种通过加入增强型退火工艺来制造高k/金属栅极半导体器件的方法。根据本公开内容的增强型退火工艺可在相对较低的温度和高压下进行，由此可改善k值并修复HK层的上述缺陷。在根据本公开内容的增强型退火工艺下，H+由于高压而能够从氨气中扩散并修复断裂键，同时又由于低温而避免了不利地影响NiSi以及HK层中注入的离子。根据本公开内容的增强型退火工艺因此能够得到优异的电气器件性能、机械稳定性和高可靠性。本公开内容的附加的方面以及其他特征将在以下说明书中陈述，且在本领域普通技术人员分析了以下内容后将部分地变得显而易见，或可从本公开内容的实施中获知。本公开内容的优点可特别如在所附权利要求中所指出地那样实现本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造半导体器件的方法，所述方法包括：形成衬底，所述衬底包括硅材料；使用氢化合物清洁所述衬底的上表面；在所述衬底上形成绝缘层，所述绝缘层包括：形成于所述衬底的上表面上的界面层，以及形成于所述界面层上的高k介电层，所述高k介电层包括氧化铪HfO2；以及在形成所述绝缘层之后用氮气对所述绝缘层执行退火工艺，其中所述退火工艺是在300℃至500℃之间的温度及高于15个大气压的压力下执行的。

【技术特征摘要】
1.一种用于制造半导体器件的方法，所述方法包括：形成衬底，所述衬底包括硅材料；使用氢化合物清洁所述衬底的上表面；在所述衬底上形成绝缘层，所述绝缘层包括：形成于所述衬底的上表面上的界面层，以及形成于所述界面层上的高k介电层，所述高k介电层包括氧化铪HfO2；以及在形成所述绝缘层之后用氮气对所述绝缘层执行退火工艺，其中所述退火工艺是在300℃至500℃之间的温度及高于15个大气压的压力下执行的。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述退火工艺中使用的所述氮气包括氨NH3。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述退火工艺操作达1...

【专利技术属性】
技术研发人员：温振平，
申请(专利权)人：上海华力微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31