专利名称：一种利用等离子体释放费米能级钉扎的方法
技术领域：
本发明涉及一种释放金属栅/高k栅介质体系费米能级钉扎的方法，具体涉及一 种利用含氟(F)等离子体释放金属栅/高k栅介质体系费米能级钉扎的方法，属于半导体 集成电路技术领域。
背景技术：
随着金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)特征尺寸的不断缩小，绝缘 栅介质层也按照等比例缩小的原则变得越来越薄，当栅介质层薄到一定程度后，其可靠性 问题，尤其是与时间相关的击穿及栅电极中的杂质向衬底的扩散等问题，将严重影响器件 的稳定性和可靠性。现在，SiO2作为栅介质已经达到其物理极限，会由于量子直接隧穿效应 而导致栅极漏电流显著增加，使器件功耗变大，同时可靠性变坏。用高k栅介质取代3102栅 介质，可以在保持等效氧化层厚度(EOT)不变的情况下大大增加其物理厚度，从而减小栅 极漏电流。高k栅介质材料因为解决了 SiO2接近物理厚度极限引发的诸多问题，而成为了代 替SiA的热门材料。然而，高k栅介质材料大多是离子金属氧化物，且没有固定的原子配 位，稳定程度与Si的界面键合Si02/Si相比要差得多，造成高k栅介质和金属栅之间存在着 大量的界面缺陷。当金属栅和高k栅介质相接触时，高k栅介质界面缺陷当中的电子就会流
入金属栅，使得金属的费米能级Ef
升高，直至达到一个平衡费米能级Sy ( 即是被钉扎的费米等级位置)。这时，金属栅/ 高k栅介质界面产生正的净电荷σ2，金属中相应地产生假想的负电荷σ 1 (σ1 = _ 02)。 净电荷σ 和σ2会在金属栅当中和金属栅/高k栅介质表面分别引起静电势降落，从而
导致了金属和界面真空能级的变形，变形总量即是￡^和5；·的差值。这种情况下，金属的有
效功函数偏离了它在真空中的数值。费米能级钉扎效应的原理图如图1所示。费米能级钉 扎效应已经成为控制金属栅/高k栅介质晶体管的平带电压漂移的一个主要障碍。含N元 素的气体如N2和NH3等虽然能够对高k栅介质中的缺陷进行钝化，但是其钝化效果比较弱， 释放费米能级钉扎的效果不明显。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种钝化高k栅介质的方法，以达到释放费米能级钉扎的 目的，使金属栅/高k介质晶体管的亚阈值特性和阈值电压漂移得到改善。为达到上述目的，本发明提出了一种利用含氟(F)等离子体释放费米能级钉扎的 方法，具体步骤包括
提供一个半导体衬底； 形成第一层绝缘薄膜； 形成一层多晶硅；形成第二层绝缘薄膜；
刻蚀所述第二层绝缘薄膜形成边墙；
形成源区与漏区；
形成第三层绝缘薄膜；
刻蚀掉多晶硅层；
利用含氟(F)等离子体对样品进行处理；
退火；
形成电极。进一步地，所述的第一层绝缘薄膜材料为Τει205、Pr2O3> TiO2, HfO2, Al2O3或^O2等 高k栅介质材料，其厚度范围为3-20纳米。所述的第二层、第三层绝缘薄膜为氧化硅或者 为氮化硅。所述含氟(F)等离子体如CF4、C2F4, C3F6等。高k栅介质材料中缺陷的主要类型是氧空位，F具有较小的离子半径能够对氧空 位进行填补，它是电负性最强的元素，也是唯一一种电负性比氧强的元素。以这些特点为基 础，利用含F的等离子体对淀积好的高k栅介质进行处理，能够很好地对高k栅介质中的氧 空位进行钝化，从而达到释放费米能级钉扎的目的，使金属栅/高k介质晶体管的亚阈值特 性和阈值电压漂移得到改善。
图1为费米能级钉扎效应的原理图。图2为本发明提出的利用等离子体释放金属栅/高k栅介质体系费米能级钉扎的 方法的实施例工艺流程图。图3至图9为本发明所提供的以CF4等离子体对HfO2栅介质进行淀积后处理为实 施例的制造工艺流程图。
具体实施例方式下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明，在图中，为了方便 说明，放大或缩小了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。尽管这些图并不能完全 准确的反映出器件的实际尺寸，但是它们还是完整的反映了区域和组成结构之间的相互位 置，特别是组成结构之间的上下和相邻关系。同时在下面的描述中，所使用的术语衬底可以 理解为包括正在工艺加工中的半导体衬底，可能包括在其上所制备的其它薄膜层。图2为本发明所提出的利用含F等离子体释放金属栅/高k栅介质体系费米能级 钉扎的方法的实施例工艺流程图，其工艺流程可简要描述为RCA标准工艺清洗wafer ；形 成高k栅介质层；淀积多晶硅；光刻形成源、漏区；形成边墙；源、漏扩散；淀积绝缘体层并 刻蚀掉多晶硅；用含F的等离子体对高k栅介质进行处理；退火；形成电极。本发明所提出的利用含F等离子体释放费米能级钉扎的方法可以广泛应用于释 放金属栅/高k栅介质体系的费米能级钉扎效应，以下所叙述的是本发明所提供的以0&等 离子体对HfO2栅介质进行淀积后处理为实施例的制造工艺流程。首先，将N型硅衬底利用RCA标准工艺进行清洗，然后把N型硅衬底201放入原子层淀积(ALD)反应腔中，进行ALD生长一层高k栅介质202。在本发明实施例中，高k栅介 质采用HfO2,反应以四(乙基甲基氨基)铪(TEMAH)和H2O为前躯体。反应前，将ALD反应腔 加热到300°C，前驱体TEMAH加热到70°C，并在整个生长过程中保持温度不变，反应进行100 个周期，得到大约8纳米厚的Η 2。生长结束后的结构如图3所示。接下来，利用低压化学气相沉积(LPCVD)方法在HfO2栅介质层202上淀积一层厚 度约为0. 5微米的多晶硅203，多晶硅203是作为牺牲介质层使用的，然后光刻出源区和漏 区的图形如图4所示。接下来，淀积一层厚度约为0. 5微米的S^2覆盖层，再利用各向异性刻蚀的方法 刻出源区和漏区的图形，仅留下多晶硅旁边的一层SW2作为边墙204，结构如图5所示。接下来，通过硼离子注入，形成源区205和漏区206，如图6所示。然后淀积一层较 厚的S^2层207，并利用CMP工艺将其平坦化，如图7所示。接下来，将作为牺牲介质层的多晶硅层203刻蚀掉，并将样品放入等离子体增强 化学气相沉积(PECVD)设备中，用CF4等离子体对样品进行5分钟的处理，反应过程中压强 为600 mTorr, CF4的流量为500 sccm，RF功率为40W。然后将样品在700°C的氮气中退火 1分钟，退火的目的是为了消除CF4等离子造成的损害，得到的结构如图8所示。最后，利用蒸发、光刻工艺及后道工艺形成源极电极208、栅极电极209及漏电极 210，如图9所示。如上所述，在不偏离本发明精神和范围的情况下，还可以构成许多有很大差别的 实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体 实例。
权利要求
1.一种利用等离子体释放费米能级钉扎的方法，其特征在于具体步骤为 提供一个半导体衬底；形成第一层绝缘薄膜；形成一层牺牲介质层；光刻形成源、漏图形；形成第二层绝缘薄膜；刻蚀所述第二层绝缘薄膜形成边墙；形成源区与漏区；形成第三层绝缘薄膜；刻蚀掉所述的牺牲介质层；用含氟等离子体对样品进行处理；退火；形成电极。
2.根据权利要求1所述的利用等离子体释放费米能级钉扎的方法，其特征在于，所述 的第一层绝缘薄膜材料为T 05、ft~203、Ti02、Hf02、Al203、或&02，其厚度范围为3-20纳米。
3.根据权利要求1或2所述的利用等离子体释放费米能级钉扎的方法，其特征在于，所 述的牺牲介质层为多晶硅。
4.根据权利要求1或2所述的利用等离子体释放费米能级钉扎的方法，其特征在于，所 述的第二层、第三层绝缘薄膜材料为氧化硅或者为氮化硅。
5.根据权利要求1或2所述的利用等离子体释放费米能级钉扎的方法，其特征在于，所 述的含氟等离子体为CF4、C2F4或C3F6等离子体。
6.根据权利要求3所述的利用等离子体释放费米能级钉扎的方法，其特征在于，所述 的含氟等离子体为CF4、C2F4或C3F6等离子体。
全文摘要
本发明属于半导体集成电路技术领域，具体为一种利用含氟(F)等离子体释放金属栅/高k栅介质体系费米能级钉扎的方法。高k栅介质中缺陷的主要类型是氧空位，F具有较小的离子半径能够对氧空位进行填补，它是电负性最强的元素，也是唯一一种电负性比氧强的元素。用含F的等离子体对淀积好的高k栅介质进行处理，能够很好地对高k栅介质中的氧空位进行钝化，从而达到释放费米能级钉扎的目的，使金属栅/高k介质晶体管的亚阈值特性和阈值电压漂移得到改善。
文档编号H01L21/28GK102064111SQ20101057412
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月6日 优先权日2010年12月6日
发明者孙清清, 张卫, 杨雯, 江安全, 王鹏飞 申请人:复旦大学