一种铝钽竞争偶极补偿的高介电常数金属栅半导体器件及其多阈值调控方法

本发明涉及半导体集成电路制造，特别涉及一种铝钽竞争偶极补偿的高介电常数金属栅半导体器件及其多阈值调控方法。

背景技术：

1、高介电常数（k）介质与金属栅组成的栅叠层目前已广泛用于先进逻辑器件，用于满足器件对运行速度、静态功耗与电路工作裕量的综合要求。在同一制造平台上制备具有不同阈值电压的器件，是实现芯片多功耗域设计、兼顾高性能与低功耗的核心技术手段。

2、目前，实现高k金属栅器件多阈值调控的技术路线主要包括以下三类：

3、第一类方法为沟道掺杂调控，通过调整沟道区域的掺杂类型与浓度改变阈值电压，但该方法易加剧短沟道效应与杂质离散性，在深纳米节点下的调控空间受限。

4、第二类方法为功函数金属调控，通过采用不同功函数的金属材料或改变功函数金属层的厚度实现阈值调节，但该方法需引入多种金属材料与多次图形化工艺，显著提升了制程复杂度与成本。

5、第三类方法为偶极层调控，通过在高介电常数介质层附近引入偶极调控材料，经热处理后使偶极相关物种向高介电常数介质内部及介质界面邻近区域迁移，改变栅叠层内的局域电势分布，进而调节器件的平带电压与阈值电压。该方法无需改变沟道掺杂与金属栅材料体系，工艺兼容性较好，已成为多阈值调控领域的重要研究方向。

6、在现有偶极调控技术中，通常采用单一组分的氧化物作为偶极源材料，例如铝基氧化物或钽基氧化物，通过改变偶极源层的厚度或材料引入量来调节电压偏移的幅度。然而，单组分偶极材料通常仅能在单一方向上调节平带电压偏移：例如铝基偶极层通常使平带电压向负向偏移，钽基偶极层通常使平带电压向正向偏移。若需相对于同一基准器件同时实现正、负两个方向的电压设定，往往需要切换偶极材料种类、更换功函数金属体系或调整热处理工艺，难以在同一复合材料体系内建立统一的组成-电压标定关系，增加了工艺整合的难度与批次间的波动风险。

7、并且，偶极源层多采用原子层沉积（ald）工艺制备，而不同金属氧化物的ald过程具有不同的初始成核行为、单循环有效生长增量以及金属原子面密度。现有技术通常以alox沉积循环数与taox沉积循环数的总和相同作为厚度一致的控制依据，但该方式无法保证不同组成的复合源层具有相同的物理厚度或一致的金属总面密度，易将材料的组成效应与厚度效应相互混淆，导致阈值电压调控精度下降，同时造成不同器件区域间等效氧化层厚度（eot）的差异，影响器件电学性能的一致性。

8、此外，栅叠层的平带电压变化同时受高介电常数介质内固定电荷、界面陷阱态、介质层物理厚度以及氧迁移效应等多种因素的共同影响。现有偶极调控工艺普遍缺少无偶极源层的基准参照结构，也缺乏对复合源层实际组成与实际厚度的联合标定流程，因而难以稳定确定复合体系的偶极补偿组成点，也无法精准量化补偿组成两侧不同配方的电压偏移特性，导致多阈值调控的可重复性与稳定性不足，难以满足大规模量产的工艺要求。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术中的不足之处，在于提供一种铝钽竞争偶极补偿的高k金属栅半导体器件及其多阈值调控方法。

2、本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种铝钽竞争偶极补偿的高介电常数金属栅半导体器件的多阈值调控方法，包括以下步骤：

3、s1：在半导体衬底表面依次形成界面介质层和高介电常数介质层；

4、s2：在所述高介电常数介质层上制备同时含有al和ta的复合偶极源层；基于复合偶极源层中al的金属原子面密度与ta的金属原子面密度确定组成控制参数；待制备器件上的不同的电压调控区域配置有不同组成控制参数的复合偶极源层，以配置多个不同的阈值电压；

5、s3：对复合偶极源层进行驱入退火处理，使al相关物种和ta相关物种向高介电常数介质层与界面介质层交界邻近区域迁移，形成al相关物种和ta相关物种共存分布的竞争偶极调控区域；复合偶极源层在进行驱入退火处理后形成残余源层；

6、s4：在残余源层上依次沉积功函数金属层和栅电极层。

7、作为优选，所述复合偶极源层的组成控制参数x通过以下公式定义：

8、x=dal/(dal+dta)；

9、其中，dal为复合偶极源层中al的金属原子面密度，dta为复合偶极源层中ta的金属原子面密度。

10、作为优选，步骤s2中，复合偶极源层采用原子层沉积工艺制备，通过交替执行alox完整原子层沉积循环和taox完整原子层沉积循环得到；针对预设的目标组成控制参数和目标厚度，分别标定alox完整原子层沉积循环和taox完整原子层沉积循环的有效生长增量，根据复合偶极源层的实测组成控制参数及实测物理厚度调整alox完整原子层沉积循环和taox完整原子层沉积循环的数量和排列方式。

11、作为优选，不同组成控制参数的复合偶极源层的实际物理厚度差不超过其目标厚度的10%。

12、作为优选，所述复合偶极源层的目标厚度为0.3～1.2nm。

13、作为优选，步骤s3中，驱入退火处理在惰性气氛中进行，峰值温度为700～950℃，峰值保持时间为0.5～5s。

14、作为优选，步骤s2中，阈值电压的配置方式具体为：

15、以未设置复合偶极源层的参照器件的平带电压作为基准平带电压，设置不小于测量不确定度的电压判别容差；

16、计算不同组成控制参数的复合偶极源层所属的器件的平带电压与基准平带电压的差值作为平带电压偏移量；

17、将平带电压偏移量大于电压判别容差的复合偶极源层对应的组成控制参数确定为正向偏移组成控制参数，将平带电压偏移量小于电压判别容差的负值的复合偶极源层对应的组成控制参数确定为负向偏移组成控制参数，

18、将平带电压偏移量的绝对值不大于电压判别容差的复合偶极源层对应的组成控制参数确定为补偿组成控制参数；

19、基于第一组成控制参数组合或第二组成控制参数组合在待制备器件上的多个不同的电压调控区域中制备复合偶极源层，以形成对应数量的阈值电压等级；

20、其中，第一组成控制参数组合包括正向偏移组成控制参数和负向偏移组成控制参数；第二组成控制参数组合包括正向偏移组成控制参数、负向偏移组成控制参数和补偿组成控制参数。

21、作为优选，应用于平面mos器件、finfet器件或全环绕栅器件的制备。

22、一种铝钽竞争偶极补偿的高k金属栅半导体器件，包括：半导体衬底、依次形成于半导体衬底上的界面介质层、高介电常数介质层、竞争偶极调控层、功函数金属层和栅电极层；所述竞争偶极调控层为al相关物种与ta相关物种共存分布的区域，由同时含有al和ta的复合偶极源层经驱入退火迁移形成；所述器件包含至少两个不同阈值电压的电压调控区域，每个电压调控区域对应不同组成控制参数的复合偶极源层。

23、作为优选，所述界面介质层的材质为氮氧化硅或二氧化硅中的任意一种或组合，其厚度为0.5～3nm；所述高介电常数介质层的材质为二氧化铪，其厚度为1～5nm；所述功函数金属层的材质为氮化钛或氮化钽，所述栅电极层的材质为钨。

24、本发明的有益效果是：

25、1、本发明解决了传统单组分偶极材料仅能单向偏移平带电压的局限，利用al、ta两类偶极物种在高介电常数介质层与界面介质层邻近区域的共存竞争机制，通过改变复合偶极源层的al/ta原子面密度比，即可在同一材料体系内实现负向、近零补偿、正向三个方向的平带电压调控，无需切换偶极材料、更改功函数金属体系或调整热处理工艺，降低了多阈值工艺的整合难度与设计复杂度。

26、2、本发明以实测的金属原子面密度定义组成参数，以实测物理厚度作为独立约束，将偶极的组成效应与厚度效应完全解耦，避免了二者混淆导致的阈值电压调控误差；同时通过严格控制不同调控区域的复合偶极源层的厚度差，有效降低了不同器件区域间等效氧化层厚度（eot）的波动，保证了器件电学性能的均一性。

27、3、本发明的工艺中，所有电压调控区域共享同一界面介质层、高介电常数介质层、驱入退火工艺、功函数金属层及栅电极层的全套制备工艺，无需引入多种功函数金属材料，也无需多次图形化沉积与刻蚀工序；相较于传统的沟道掺杂调控以及多金属功函数调控方案，简化了制程步骤，降低了工艺成本，并可与现有先进逻辑器件的制造工艺兼容。