一种分子尺度界面SiO2的形成和控制方法技术

一种分子尺度界面SiO2的形成和控制方法，主要包括：界面SiO2生长前的清洗方法；一种分子尺度超薄界面SiO2生长技术；热退火控制高K栅介质与界面SiO2反应，以进一步减薄界面SiO2；在工艺集成过程中严格防止氧的入侵方法。本发明专利技术能获得EOT小的优质高K栅介质膜，制备工艺简单可行，易于集成，与平面CMOS工艺兼容性好，能满足45纳米及以下技术代高性能纳米尺度CMOS金属栅/高K器件的应用需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体
，特别指一种适用于CMOS器件的具有超薄等效氧化层厚度(EOT)的金属栅/高K(介电常数)/界面SiO2的叠层结构的制备，并主要聚焦在分子尺度界面SiO2的形成方法和器件制备过程中的控制方法。适合于45纳米及以下技术代高性能纳米尺度互补型金属氧化物半导体(CMOS)器件的制备应用。
技术介绍
随着CMOS器件的特征尺寸进入到45nm技术节点及以下时，为了大幅度减小栅隧穿电流和栅电阻，消除多晶硅耗尽效应，提高器件可靠性，缓解费米能级钉扎效应，采用金属栅/高K (介电常数)/界面SiO2栅结构代替传统的POly-Si (多晶硅)/SiO2栅结构已成为业界的共识。但是金属栅/高K栅介质/界面SiO2结构仍有许多问题急待解决，如热稳定性问题，界面态问题，小的EOT和低阈值电压的获得等都面临很大的挑战。其中获得等效氧化层厚度(EOT)小的优质高K栅介质膜是大家孜孜以求的，除了要求高K栅介质材料具有适当高的K值外，界面工程-即超薄界面SiO2的形成是关键。否者EOT很难降下来，因为界面SiO2的K值低，产生的影响大。但是超薄界面SiO2的形成比较难，因为自然氧化层一般就有5-6A，另外流片过程中还可能发生界面SiO2再生长问题等。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一适用于CMOS金属栅/高K器件的一种分子尺度界面SiO2的形成和控制方法，以解决EOT很难降下来的问题。为实现上述目的，本专利技术提供的适用于CMOS金属栅/高K器件的分子尺度界面SiO2的形成和控制方法，其主要步骤如下:I)清洗:分别在先栅工艺的局部氧化隔离或浅槽隔离完成后以及后栅工艺的假栅去净后，进行界面氧化层形成前的清洗，先采用常规方法清洗，然后用氢氟酸/异丙醇/水混合溶液在室温下浸泡，去离子水冲洗，甩干后立即进炉；氢氟酸/异丙醇/水的体积比为 0.15-1.5%: 0.01-0.10%: 1% ；2)界面层SiO2的形成:后栅工艺于500-600°C，先栅工艺于600-800°C下，在N2中30-90秒快速热退火；3)高介电常数(K)栅介质薄膜的形成:采用物理气相淀积或原子层淀积方法形成多种高K栅介质膜；4)淀积高K介质后快速热退火:在N2中，后栅工艺于500_600°C热退火30_90秒，先栅工艺于800-1000°C下热退火20-40秒；5)金属栅形成:采用物理气相淀积方法，利用磁控反应溅射淀积金属氮化物栅；6)在金属栅上磁控反应溅射淀积势垒层；7)对先栅工艺低压化学气相淀积多晶硅；对后栅工艺磁控溅射淀积低电阻率金属；8)在栅光刻图形形成后，采用Cl基或F基或它们的混合气体进行等离子刻蚀分别形成多晶硅/金属栅/高K/界面SiO2叠层栅结构和金属栅/高K/界面SiO2叠层栅结构；9)等离子化学气相淀积氮化硅，300-400°C，厚度200-600A ；10)各向异性等离子刻蚀氮化硅形成氮化硅侧墙-1 ；11)对先栅工艺，在源漏延伸区注入和侧墙-2形成后，进行源漏注入；12)对先栅工艺，源漏激活热退火:在队保护下，在950_1050°C温度下快速热退火I至15秒；13)接触和金属化:380-450°C温度下，在合金炉内N2或队+10% H2中合金退火。所述的方法，其中，步骤I中的清洗是界面氧化层形成前的清洗，先采用常规方法清洗，然后氢氟酸/异丙醇/水混合溶液在室温下浸泡I分-8分钟。所述的方法，其中，步骤2中的界面层SiO2的厚度为0.5-0.7nm ；所述的方法，其中，步骤3中的高K栅介质膜厚为2_5nm。所述的方法，其中，步骤3中的高K栅介质膜为:HfLaON、HfSiON或HfSiAlON膜。所述的方法，其中，步骤5中的金属氮化物栅厚为3_40nm ;金属氮化物栅为:TiN、TaN、MoN、MoAIN、TiAlN 或 TiGaN 金属栅。所述的方法，其中，步骤6中势垒层厚4_7nm;势垒层为TaN或AlN层。所述的方法，其中，步骤7中多晶硅膜厚50-120nm ;低电阻率金属膜厚50_120nm，低电阻率金属膜为Mo、W或TiAl膜。本专利技术的适用于CMOS器件的具有超薄等效氧化层厚度(EOT)的金属栅/高K/界面SiO2的叠层栅结构，并主要聚焦在分子尺度界面SiO2的形成方法和器件制备过程中的控制方法。以期获得EOT小的优质高K栅介质膜，满足45纳米及以下技术代高性能纳米尺度CMOS器件的应用需求。本专利技术的界面工程-超薄界面SiO2形成和控制方法包含以下4个创新点:I)界面SiO2生长前的清洗。本专利技术采用清洗溶液(含IPA和微量HF)，一方面使硅表面的悬挂键被H+饱和钝化，同时能抑制自然氧化物的生成和颗粒的污染，并改善界面微粗糙度；2)提出并实现了一种超薄界面SiO2生长技术:在快速热退火过程中利用超纯N2中含有的极微量氧来生成超薄界面SiO2,重复性很好。这一独特的技术，是获得EOT小的优质闻K棚介质I旲的关键。3)在射频磁控反应溅射高K介质后，利用超纯N2中快速热退火一方面加固高K栅介质，使栅漏电和界面态进一步改善；另一方面使高K栅介质与界面SiO2反应，进一步减薄界面SiO2 ；4)在工艺集成过程中严格防止氧的入侵，如在刻蚀完金属栅/高K/界面SiO2叠层栅结构后，采用Si3N4侧墙把金属栅高K/界面SiO2叠层栅结构保护起来，以防止外来氧原子从叠层栅侧面入侵而导致EOT增大的问题。附图说明图1给出了 HfLaON/界面Si02/Si结构的HRTEM照片，其等效氧化层厚度0.62nm，界面SiO2厚度0.29nm。图2给出了 TaN/HfLaON/界面SiO2结构栅介质漏电流密度与等效氧化层厚度的关系，并与Poly_Si/Si02栅结构进行了比较:在同样等效氧化层厚度下，TaN/HfLaON/界面SiO2结构栅介质漏电流密度比Poly-Si/Si02栅结构小5个数量级。应当注意的是，本说明书附图仅为举例说明的目的，因此，不应被理解为对本专利技术范围的任何限制和约束。具体实施例方式本专利技术提供的适用于CMOS器件的分子尺度界面SiO2的形成方法和器件制备过程中的控制方法，其主要步骤如下:步骤I)清洗:分别在先栅工艺的局部氧化隔离或浅槽隔离完成后以及后栅工艺的假栅去净后，进行界面氧化层形成前的清洗，先采用常规方法清洗，然后用氢氟酸/异丙醇/水混合溶液在室温下浸泡，去离子水冲洗，甩干后立即进炉；氢氟酸/异丙醇/水的体积比为0.15-1.5%: 0.01-0.10%: 1% ;浸泡时间为I分-8分钟。步骤2)界面层SiO2的形成:分别于500_600°C (后栅工艺)和600_800°C (先栅工艺)下，在超纯N2中，30-90秒快速热退火；Si02厚度0.5-0.7nm ；步骤3)高介电常数(K)栅介质薄膜的形成:采用物理气相淀积(PVD)方法或原子层淀积(ALD)形成多种高K栅介质膜，膜厚度2-5nm(本专利技术的高K栅介质膜可以是HfLaON、HfSiON、HfSiAlON等高K栅介质，此为公知技术，不作详细说明)；步骤4)超声清洗；采用丙酮、无水乙醇先后各超声清洗5-10分钟，去离子水冲洗，N2中甩干；步骤5)淀积高K介质后快速热退火:片子甩干后立即进炉，在超纯N2中，分别于500-600°C，热退火30-9本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于CMOS金属栅/高K器件的分子尺度界面SiO2的形成和控制方法，其主要步骤如下：1)清洗：分别在先栅工艺的局部氧化隔离或浅槽隔离完成后以及后栅工艺的假栅去净后，进行界面氧化层形成前的清洗，先采用常规方法清洗，然后用氢氟酸/异丙醇/水混合溶液在室温下浸泡，去离子水冲洗，甩干后立即进炉；氢氟酸/异丙醇/水的体积比为0.15?1.5％∶0.01?0.10％∶1％；2)界面层SiO2的形成：后栅工艺于500?600℃，先栅工艺于600?800℃下，在N2中30?90秒快速热退火；3)高介电常数(K)栅介质薄膜的形成：采用物理气相淀积或原子层淀积方法形成多种高K栅介质膜；4)淀积高K介质后快速热退火：在N2中，后栅工艺于500?600℃热退火30?90秒，先栅工艺于800?1000℃下热退火20?40秒；5)金属栅形成：采用物理气相淀积方法，利用磁控反应溅射淀积金属氮化物栅；6)在金属栅上磁控反应溅射淀积势垒层；7)对先栅工艺低压化学气相淀积多晶硅；对后栅工艺磁控溅射淀积低电阻率金属；8)在栅光刻图形形成后，采用Cl基或F基或它们的混合气体进行等离子刻蚀分别形成多晶硅/金属栅/高K/界面SiO2叠层栅结构和金属栅/高K/界面SiO2叠层栅结构；9)等离子化学气相淀积氮化硅，300?400℃，厚度200?600A；10)各向异性等离子刻蚀氮化硅形成氮化硅侧墙?1；11)对先栅工艺，在源漏延伸区注入和侧墙?2形成后，进行源漏注入；12)对先栅工艺，源漏激活热退火：在N2保护下，在950?1050℃温度下快速热退火1至15秒；13)接触和金属化：380?450℃温度下，在合金炉内N2或N2+10％H2中合金退火。...

【技术特征摘要】
1.一种适用于CMOS金属栅/高K器件的分子尺度界面SiO2的形成和控制方法，其主要步骤如下: 1)清洗:分别在先栅工艺的局部氧化隔离或浅槽隔离完成后以及后栅工艺的假栅去净后，进行界面氧化层形成前的清洗，先采用常规方法清洗，然后用氢氟酸/异丙醇/水混合溶液在室温下浸泡，去离子水冲洗，甩干后立即进炉；氢氟酸/异丙醇/水的体积比为0.15-1.5%: 0.01-0.10%: 1% ； 2)界面层SiO2的形成:后栅工艺于500-600°C，先栅工艺于600-800°C下，在队中30-90秒快速热退火； 3)高介电常数(K)栅介质薄膜的形成:采用物理气相淀积或原子层淀积方法形成多种高K栅介质膜； 4)淀积高K介质后快速热退火:在队中，后栅工艺于500-600°C热退火30-90秒，先栅工艺于800-1000°C下热退火20-40秒； 5)金属栅形成:采用物理气相淀积方法，利用磁控反应溅射淀积金属氮化物栅； 6)在金属栅上磁控反应溅射淀积势垒层； 7)对先栅工艺低压化学气相淀积多晶硅；对后栅工艺磁控溅射淀积低电阻率金属； 8)在栅光刻图形形成后，采用Cl基或F基或它们的混合气体进行等离子刻蚀分别形成多晶硅/金属栅/高K/界面SiO2叠层栅结构和金属栅/高K/界面SiO2叠层栅结构； 9)等离子化学气相淀积氮化硅，300-400°C，厚度200-600A； 10)各向异性等离子刻蚀氮...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐秋霞，许高博，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：