一种高k栅介质界面优化方法技术

本申请公开了一种高k栅介质界面优化方法。该方法包括：提供半导体衬底；去除半导体衬底表面自然氧化层；在半导体衬底上形成界面优化层；在界面优化层上形成界面反应层；在界面反应层上形成介质层；对半导体衬底进行热退火处理，使界面反应层与界面优化层发生反应，减小界面优化层厚度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，尤其涉及一种Hf基高k栅介质界面优化方法，其通过在高k栅介质与硅衬底界面引入界面优化层改善界面质量，同时通过在界面氧化硅层上形成界面反应层，在热退火工艺中，使界面反应层与界面优化层发生化学反应以减小界面氧化层的厚度，有助于获得界面良好且等效氧化层厚度小的高k栅介质层。
技术介绍
40多年来，集成电路技术按摩尔定律持续发展，特征尺寸不断缩小，集成度不断提高，功能越来越强。目前，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的特征尺寸已进入亚50nm。伴随器件特征尺寸的不断减小，如果仍采用传统的氧化硅栅介质/多晶硅形成的栅堆叠，栅介质漏电会成指数规律急剧增加，多晶硅耗尽效应越来越严重，多晶硅电阻也会随 之增大。为了克服以上困难，工业界开始采用高k栅介质和金属栅电极形成新型栅堆叠结构代替传统的栅堆叠。高k栅介质在保持具有相同的等效氧化层厚度的前提下，具有更高的物理厚度，从而有效减小了栅介质漏电，并且金属栅电极可以从根本上消除多晶硅耗尽效应。高k栅介质要求栅介质材料具有较高的介电常数、良好的热力学与化学稳定性、较大的带隙宽度、较小的固定电荷和缺陷态密度。然而，常见的高k栅介质在硅衬底上的热力学稳定性较差，在高温下易与硅衬底发生反应，导致界面粗糙，界面态增多，从而使载流子迁移率下降，器件性能降低。因此，高k栅介质在硅衬底上的热力学稳定性在高k栅介质的研究中具有重要的意义，如何改善界面特性，获得良好的器件特性一直是高k栅介质研究的重点。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提出了一种高k栅介质的界面优化方法，该方法能够有效改善高k栅介质与硅衬底之间的界面特性。该方法包括提供半导体衬底；去除半导体衬底表面自然氧化层；在半导体衬底上形成界面优化层；在界面优化层上形成界面反应层；在界面反应层上形成介质层；对半导体衬底进行热退火处理，界面反应层与界面优化层发生反应减小界面优化层厚度。优选地，所述去除半导体衬底表面自然氧化层的步骤包括将半导体衬底置于氢氟酸、异丙醇和水的混合溶液中浸泡5至10分钟，去除半导体衬底表面自然氧化层，然后在氮气中吹干。其中，所述氢氟酸、异丙醇和水的混合溶液中，氢氟酸的体积百分比含量为1%至2%，异丙醇的体积百分比含量为O. 01%至O. 1%。优选地，所述在半导体衬底上形成界面优化层的步骤包括采用热氧化的方法，在半导体衬底上形成4-10A的SiO2层。其中，所述热氧化的步骤包括采用快速热退火工艺，退火温度为600°C至800°C，退火时间为20s至40s，退火气氛为氮气与氧气的混合气氛，其中氧气的体积百分含量为O. 1% 至 2%O优选地，所述在半导体衬底上形成界面优化层的步骤还可包括采用注氮氧化的方法，在半导体衬底上形成4-10A的SiON层。其中，所述注氮氧化的步骤包括首先，在半导体衬底上注入氮离子，注入能量10-50keV，注入剂量是2X 1014cm_2，然后，在氧气与氮气的混合气氛中进行热氧化，氧气体积百分比含量为O. 1%_1%，氧化温度为900-1050°C。优选地，所述在界面氧化硅层上形成界面反应层的步骤包括采用磁控溅射エ艺或原子层淀积エ艺，在界面优化层上形成界面反应层，所述界面反应层优选为金属或金属氮化物。其中，所述金属包括Hf、Ti、Ta中的一种或多种的组合；所述金属氮化物包括HfNx, TiNx, TaNx中的一种或多种的组合。·优选地，所述在界面反应层上形成介质层的步骤包括采用磁控溅射エ艺或原子层淀积エ艺，在界面反应层上形成高k介质层。优选地，所述高k介质层包括HfON、HfSiON、HfTiON、HfTaON中的一种或多种的组ムロ ο优选地，所述对半导体衬底进行热退火处理的步骤包括采用快速热退火エ艺，退火温度为600°C至1000°C，退火时间为20s至40s，退火气氛为氮气气氛。本专利技术提供的这种高k栅介质的界面优化方法，其通过在高k栅介质与硅衬底界面引入SiO2或SiON界面优化层改善界面质量，同时通过在界面优化层上形成界面反应层，在热退火エ艺中，使界面反应层与界面优化层发生化学反应以减小界面氧化层的厚度，有助于获得界面良好且等效氧化层厚度小的高k栅介质层。附图说明通过以下參照附图对本专利技术实施例的描述，本专利技术的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中图1-5示出了根据本专利技术实施例制造高k栅介质的流程中各步骤对应的结构的截面图。图6示出了采用热氧化工艺制备的SiO2界面优化层，氧化硅厚度是6. 5A。图7示出了没有界面优化层时，在700°C下退火30s后，HfON与硅衬底发生反应，界面变得异常粗糙。图8 (a)示出了采用SiO2作为界面优化层，HfNx作为界面反应层，HfSiON作为高k介质层，在退火エ艺前，SiO2厚度是6. 1A。图8 (b)示出了采用SiO2作为界面优化层，HfNx作为界面反应层，HfSiON作为高k介质层，在900°C下退火30s后，SiO2厚度减小为3. 9A。图9 (a)示出了采用SiON作为界面优化层，HfNx作为界面反应层，HfTaON作为高k介质层，在退火エ艺前，SiON厚度是14. 9A。图9 (b)示出了采用SiON作为界面优化层，HfNx作为界面反应层，HfTaON作为高k介质层，在900°C下退火30s后，SiON厚度减小为8. 8A。附图标记说明1000，半导体衬底；1002，界面优化层；1004，界面反应层；1006，高k介质层;1008，界面高k介质层。具体实施例方式以下，通过附图中示出的具体实施例来描述本专利技术。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本专利技术的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本专利技术的概念。在附图中示出了根据本专利技术实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种 区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。图I 5详细示出了根据本专利技术实施例制造半导体器件流程中各步骤的截面图。以下，将參照这些附图来对根据本专利技术实施例的各个步骤予以详细说明。首先，如图I所示，提供半导体衬底1000。半导体衬底1000可以包括任何适合的半导体衬底材料，具体可以是但不限于硅、锗化硅、SOI (绝缘体上硅)或者碳化硅等。此外，半导体衬底1000可以可选地包括外延层。对于本专利技术的实施例，优选采用Si衬底。接着，去除半导体衬底1000上的自然氧化层。具体地，将半导体衬底1000置于氢氟酸、异丙醇和水的混合溶液中浸泡5至10分钟，溶液中的氢氟酸有助于去除半导体衬底表面自然氧化层，溶液中的异丙醇有助于中和半导体衬底表面的悬挂键，抑制自然氧化层的形成，然后将半导体衬底在氮气中吹干。其中，所述氢氟酸、异丙醇和水的混合溶液中，氢氟酸的体积百分比含量为1%至2%，异丙醇的体积百分比含量为O. 01%至O. 1%。接着，在半导体衬底1000上形成界面优化层1002。具体地，采用快速热退火エ艺，退火温度为600°C至800°C，退火时间为20s至40s，退火本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高k栅介质界面优化方法，包括：提供半导体衬底；去除半导体衬底表面自然氧化层；在半导体衬底上形成界面优化层；在界面优化层上形成界面反应层；在界面反应层上形成介质层；对半导体衬底进行热退火处理，界面反应层与界面优化层发生反应减小界面优化层厚度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：许高博，徐秋霞，
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：