一种形成高k金属栅极的方法技术

本发明专利技术提供一种形成高k金属栅极的方法，涉及半导体技术领域。本发明专利技术的形成高k金属栅极的方法包括：步骤S101：在反应室内提供形成有高k介电层的半导体衬底；步骤S102：利用ALD工艺在所述高k介电层上形成金属薄膜；步骤S103：对所述金属薄膜进行碳掺杂处理。本发明专利技术的形成高k金属栅极的方法，通过对形成的用于制作金属栅极的金属薄膜进行碳掺杂处理，降低了金属栅极的晶粒尺寸，减小了阈值电压变化，提高了半导体器件的性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体
，具体而言涉及一种形成高k金属栅极的方法。
技术介绍
高K金属栅极（HKMG）技术是半导体领域的重要技术。在现有技术中，高K金属栅极一般包括高k介电层和金属栅极形成的叠层结构。在高k介电层和金属栅极形成的叠层结构中，除了随机掺杂波动（random dopant fluctuations，RDF）引起阈值电压变化（thresholdvoltage variability，TVV）之外，金属栅极的晶体结构和晶粒大小（晶粒尺寸）也是引起阈值电压变化的重要原因之一。在高k金属栅极工艺中，氮化钛（TiN）和氮化钽（TaN）被广泛地作为金属栅极。由于形成的金属栅极具有良好的均一性和对高k介电层带来的损伤较小，ALD（atomic layer deposition，原子层沉积）被广泛地应用于金属栅极的制造工艺。然而，传统的ALD工艺方法，几乎不具备改善形成的金属栅极的晶粒大小和晶体结构的调节节点，形成的金属栅极的晶粒尺寸往往非常大并且无法进行调整。在现有技术中，应用ALD工艺形成金属栅极的方法（以金属栅极为TiN为例），一般主要包括如下步骤：步骤E1：在反应室内提供一形成有高k介电层的半导体衬底。步骤E2：利用TiCl4脉冲对该半导体衬底进行处理，在高k介电层上形成一层单层TiCl4薄膜。步骤E3：利用氮气清除反应室内多余的TiCl4。步骤E4：利用NH3脉冲对该半导体衬底进行处理。在该过程中，NH3会与TiCl4进行反应，生成TiN和HCl，生成的TiN即作为金属栅极的一部分。步骤E5：利用氮气清除反应室内的多余的NH3和反应副产物（比如HCl）。步骤E6：重复步骤E2至E5多次，以形成满足要求（主要指厚度方面）的金属栅极。在现有技术中，一般通过前述步骤E1至E6来形成金属栅极。然而，利用这一现有的ALD工艺形成的金属栅极，其晶粒尺寸往往非常大，并且无法进行调整。金属栅极的这一特点，将很容易引起最终制造的半导体器件的阈值电压的变化。因此，需要提出一种新的形成高k金属栅极的方法，以形成晶粒大小满足要求的金属栅极，减小阈值电压变化，提高半导体器件的性能。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种形成高k金属栅极的方法，该方法包括如下步骤：步骤S101：在反应室内提供形成有高k介电层的半导体衬底；步骤S102：利用ALD工艺在所述高k介电层上形成金属薄膜；步骤S103：对所述金属薄膜进行碳掺杂处理。其中，所述步骤S102包括：步骤S1021：利用TiCl4脉冲或TaCl4脉冲对所述半导体衬底进行处理；步骤S1022：清除所述反应室内多余的所述TiCl4或TaCl4；步骤S1023：利用NH3脉冲对所述半导体衬底进行处理，使所述NH3与所述TiCl4或TaCl4反应，以在所述高k介电层上形成金属薄膜；步骤S1024：清除所述反应室内多余的所述NH3及反应副产物。其中，在所述步骤S102中，所述TiCl4脉冲或TaCl4脉冲以及所述NH3脉冲的持续时间为0.01~10秒。其中，在所述步骤S102中，所述TiCl4脉冲或TaCl4脉冲以及所述NH3脉冲的气体流速为1~300sccm。其中，在所述步骤S1022中清除所述反应室内多余的所述TiCl4或TaCl4的方法以及在所述步骤S1024中清除所述反应室内多余的所述NH3及反应副产物的方法为：在所述反应室内通入氮气或氩气。其中，所述氮气或氩气的气体流速为1~300sccm。其中，通入所述氮气或氩气的持续时间为0.1~10秒。其中，在所述步骤S102中，在所述步骤S1024之后还包括步骤S1025：重复执行所述步骤S1021至所述步骤S1024至少一次。其中，在所述步骤S102中，重复执行所述步骤S1021至所述步骤S1024的次数为1~100次，优选为1~30次。其中，在所述步骤S103中，对所述金属薄膜进行碳掺杂处理的方法为：利用C2H4脉冲处理所述金属薄膜。其中，其特征在于，在所述步骤S103之后还包括步骤S104：重复执行所述步骤S102和步骤S103至少一次。其中，所述反应室的温度为300~700℃。本专利技术实施例的形成高k金属栅极的方法，通过对形成的用于制作金属栅极的金属薄膜（比如TiN薄膜或TaN薄膜）进行碳掺杂处理，降低了金属栅极的晶粒尺寸，减小了阈值电压变化，提高了半导体器件的性能。附图说明本专利技术的下列附图在此作为本专利技术的一部分用于理解本专利技术。附图中示出了本专利技术的实施例及其描述，用来解释本专利技术的原理。附图中：图1为本专利技术实施例提出的一种形成高k金属栅极的方法的流程图。具体实施方式在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本专利技术更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本专利技术可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本专利技术发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。应当理解的是，本专利技术能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本专利技术的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本专利技术教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明...

【技术保护点】
一种形成高k金属栅极的方法，其特征在于，所述方法包括：步骤S101：在反应室内提供形成有高k介电层的半导体衬底；步骤S102：利用ALD工艺在所述高k介电层上形成金属薄膜；步骤S103：对所述金属薄膜进行碳掺杂处理。

【技术特征摘要】
1.一种形成高k金属栅极的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S101：在反应室内提供形成有高k介电层的半导体衬底；
步骤S102：利用ALD工艺在所述高k介电层上形成金属薄膜；
步骤S103：对所述金属薄膜进行碳掺杂处理。
2.如权利要求1所述的形成高k金属栅极的方法，其特征在于，
所述步骤S102包括：
步骤S1021：利用TiCl4脉冲或TaCl4脉冲对所述半导体衬底进
行处理；
步骤S1022：清除所述反应室内多余的所述TiCl4或TaCl4；
步骤S1023：利用NH3脉冲对所述半导体衬底进行处理，使所
述NH3与所述TiCl4或TaCl4反应，以在所述高k介电层上形成金
属薄膜；
步骤S1024：清除所述反应室内多余的所述NH3及反应副产物。
3.如权利要求2所述的形成高k金属栅极的方法，其特征在于，
在所述步骤S102中，所述TiCl4脉冲或TaCl4脉冲以及所述NH3脉
冲的持续时间为0.01~10秒。
4.如权利要求2所述的形成高k金属栅极的方法，其特征在于，
在所述步骤S102中，所述TiCl4脉冲或TaCl4脉冲以及所述NH3脉
冲的气体流速为1~300sccm。
5.如权利要求2所述的形成高k金属栅极的方法，其特征在于，
在所述步骤S1022中清除所述反应室内多余的所述TiCl4或TaC...

【专利技术属性】
技术研发人员：何有丰，陈勇，
申请(专利权)人：中芯国际集成电路制造上海有限公司，
类型：发明
国别省市：