CN105551957A

CN105551957A - Nmos晶体管及其形成方法

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Publication number: CN105551957A
Application number: CN201410598394.5A
Authority: CN
Inventors: 徐建华
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2034-10-30
Also published as: CN105551957B

Abstract

一种NMOS晶体管及其形成方法。其中，所述NMOS晶体管的形成方法包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上具有层间介质层，所述层间介质层中具有凹槽；在所述凹槽底部形成界面层；在所述界面层上形成高k介质层；在所述高k介质层上形成帽盖层；在所述帽盖层上形成粘附层；在所述粘附层上形成功函数层；在所述功函数层上形成金属栅极，所述金属栅电极填充满所述凹槽。所述形成方法形成的NMOS晶体管性能提高。

Description

NMOS晶体管及其形成方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种NMOS晶体管及其形成方法。

背景技术

随着半导体器件的特征尺寸的减小，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，采用高K(介电常数)介质层/金属栅结构代替传统的SiO2/poly-Si(氧化硅/多晶硅)栅结构已成为业界的共识，金属栅极技术得到广泛地发展。

金属栅极技术包括先形成栅(Gate-first)工艺和后形成栅(Gate-last)工艺。Gate-first工艺是指在对硅片进行漏/源区离子注入以及随后的高温退火步骤之前形成金属栅极，Gate-last工艺则与之相反。由于Gate-first工艺中金属栅极需经受高温工序，该工艺可能会引起热稳定性和阈值电压漂移等问题，因此在工艺节点进一步减小的过程中，Gate-last工艺成为主流。

在采用金属栅极技术时，NMOS晶体管的功函数层存在不同的形成工艺。业界趋向于采用高温方法形成NMOS晶体管的功函数层。

但是，现有NMOS晶体管的形成方法工艺难度高，且形成的功函数层质量不理想，无法满足相应的工艺需求。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种NMOS晶体管及其形成方法，以降低NMOS晶体管的制作工艺难度，并且提高NMOS晶体管中功函数层的质量，从而提高NMOS晶体管的性能。

为解决上述问题，本发明提供一种NMOS晶体管的形成方法，包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底上具有层间介质层，所述层间介质层中具有凹槽；

在所述凹槽底部形成界面层；

在所述界面层上形成高k介质层；

在所述高k介质层上形成帽盖层；

在所述帽盖层上形成粘附层；

在所述粘附层上形成功函数层；

在所述功函数层上形成金属栅极，所述金属栅电极填充满所述凹槽。

可选的，采用原子层沉积法形成所述粘附层。

可选的，所述原子层沉积法使用的温度范围为400℃～550℃。

可选的，所述粘附层材料为TiAlC或TaAlC。

可选的，所述粘附层厚度范围为

可选的，采用原子层沉积法形成所述功函数层。

可选的，所述原子层沉积法采用的温度范围为80℃～150℃。

可选的，所述功函数层的材料为TiAl。

可选的，所述功函数层厚度范围为

可选的，在所述高k介质层上形成帽盖层后，且在所述帽盖层上形成所述粘附层前，还包括在所述帽盖层上形成停止层的步骤，所述粘附层形成在所述停止层上。

可选的，在所述粘附层上形成所述功函数层后，且在所述功函数层上形成所述金属栅极前，还包括在所述功函数层上形成阻挡层的步骤，所述金属栅极形成在所述阻挡层上。

可选的，还包括对所述功函数金属层进行离子注入的步骤。

为解决上述问题，本发明还提供了一种NMOS晶体管，包括：

半导体衬底，所述半导体衬底上具有层间介质层，所述层间介质层中具有凹槽；

位于所述凹槽底部的界面层；

位于所述界面层上的高k介质层；

位于所述高k介质层上的帽盖层；

位于所述帽盖层上的粘附层；

位于所述粘附层上的功函数层；

位于所述功函数层上的金属栅极，所述金属栅电极填充满所述凹槽。

可选的，所述粘附层材料为TiAlC或TaAlC。

可选的，所述粘附层厚度范围为

可选的，所述功函数层的材料为TiAl。

可选的，所述功函数层厚度范围为

可选的，还包括位于所述功函数层和所述金属栅极之间的停止层。

可选的，还包括位于所述高k介质层和所述帽盖层之间的阻挡层。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明的技术方案中，在形成高k介质层之后，先形成粘附层，然后在粘附层上形成功函数层，之后才形成金属栅极。由于粘附层能够增强了功函数层与其它结构的粘附作用，因此形成粘附层可以防止功函数层发生剥离现象，不仅降低了NMOS晶体管的制作工艺难度，而且提高了NMOS晶体管中功函数层的质量，提高了NMOS晶体管的性能。

进一步，功函数层采用原子层沉积方法形成，因此功函数层具有近于100％的台阶覆盖率，进一步加强了功函数层与粘附层之间的粘附作用。

附图说明

图1是现有NMOS晶体管示意图；

图2至图6是本发明实施例所提供的NMOS晶体管的形成方法各步骤对应结构示意图。

具体实施方式

图1为目前常见的一种NMOS晶体管示意图。所述NMOS晶体管包括半导体衬底(半导体衬底未示出，同样未示出的还包括位于所述半导体衬底中的源区和漏区等结构)，所述半导体衬底上具有层间介质层101，层间介质层101中具有凹槽(未示出)。所述NMOS晶体管还包括位于凹槽底部的界面层111，位于所述界面层111上的高k介质层121，位于所述高k介质层121上的帽盖层131，位于帽盖层131上的停止层141，位于停止层141上的功函数层151，位于功函数层151上的阻挡层161，以及位于阻挡层161上的金属栅极171，金属栅电极171填充满所述凹槽。

NMOS晶体管的功函数层存在不同的形成工艺。其中一种功函数层151的形成工艺为：采用低温原子气相沉积法(ALD)形成TiAl作为NMOS晶体管的功函数层。但是这种工艺形成的功函数层质量较差，与其它层之间会出现剥离问题(peelingissue)。另一种功函数层151的形成工艺为：采用高温原子气相沉积法形成TiAlC或者TaAlC作为NMOS晶体管的功函数层。但是这种工艺形成的功函数层中碳含量太高，导致电阻太大，造成阈值电压上升。

为此，本发明提供一种新的NMOS晶体管的形成方法，所述形成方法在形成功函数层之前，先形成粘附层，所述粘附层能够增强后续形成的功函数层与其它层结构的粘附作用，从而降低了NMOS晶体管的制作工艺难度，并提高NMOS晶体管功函数层的质量，此外，所述粘附层本身也具有初步调节功函数的作用，从而使所形成的NMOS晶体管性能进一步提高。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本发明实施例提供一种NMOS晶体管的形成方法，请结合参考图2至图6。

请参考图2，提供半导体衬底(未示出)，所述半导体衬底上具有层间介质层201，层间介质层201中具有凹槽2011(凹槽2011的底部为部分所述半导体衬底上表面)。

NMOS晶体管的形成方法分为多种，主要分为先栅极(gatefirst)和后栅极(gatelate)，其中后栅极又分为先高K(highKfirst)和后高K(highKlast)，本实施例提供一种后高K后金属栅极的形成。具体的，本实施例中，带有凹槽2011的层间介质层201形成过程可以为：在所述半导体衬底上形成伪栅结构；在所述伪栅结构两侧的半导体衬底中形成源区和漏区；在所述半导体衬底上形成覆盖所述源区和漏区的层间介质层201，所述层间介质层201上表面与所述伪栅结构齐平；去除所述伪栅结构，以在层间介质层201中形成凹槽2011。

本实施例中，所述半导体衬底为硅衬底。在本发明的其它实施例中，所述半导体衬底也可以为锗硅衬底、Ⅲ-Ⅴ族元素化合物衬底、碳化硅衬底或其叠层结构衬底，或绝缘体上硅衬底，还可以是本领域技术人员公知的其他半导体衬底。

请参考图3，在凹槽2011底部形成界面层211。

本实施例中，界面层211为氧化硅，可以采用化学氧化法或者热氧化法在衬底上直接形成界面层211。在本发明的其它实施例中，界面层211也可以为其它具有低介电常数的材料制作而成，例如氧化镧(L₂O₃)。界面层211能够提高沟道(trench)载流子迁移率，并可以修复所述半导体衬底在形成凹槽2011的刻蚀过程受到的损伤。

请继续参考图3，在界面层211上形成高k介质层221。

本实施例中，具体在界面层211上和凹槽2011侧壁形成高k介质层221。高k介质层221的材料可以为氧化铪(HfO₂)、硅氧化铪(HfSiO)、氮氧化铪(HfON)、氮氧化铪硅(HfSiON)，氧化镧(La₂O₃)、氧化锆(ZrO₂)、硅氧化锆(ZrSiO)、氧化钛(TiO₂)和氧化钇(Y₂O₃)中的一种或多种的任意组合。高k介质层221可以采用溅射、脉冲激光沉积法(PulsedLaserDeposition，PLD)、金属有机化合物化学气相沉淀法(Metal-organicChemicalVaporDeposition，MOCVD)、原子层沉积法(Atomiclayerdeposition，ALD)或其他合适的方法形成。

请参考图4，在高k介质层221上形成帽盖层231。

本实施例中，具体在高k介质层221的侧面和底部上表面形成帽盖层231。帽盖层231的材料可以是砷化铟镓或砷化铟铝，帽盖层231可以避免后续工艺对高k介质层221造成损伤，并防止后续形成的层结构扩散到高k介质层221，也防止高k介质层221扩散到其它层结构，即防止高k介质层221与其它层结构发生交叉扩散。可知，形成帽盖层231能够保护高k介质层221，从而使得形成的NMOS晶体管性能更加稳定。

请参考图5，在帽盖层231上形成停止层241。

本实施例中，停止层241的材料可以为TiN和TaN的至少其中之一。停止层241的作用是出于工艺需要，具体的，通常NMOS晶体管和PMOS晶体管成对的形成以构成CMOS晶体管。由于PMOS晶体管和NMOS晶体管的阈值电压不同，因此，PMOS晶体管和NMOS晶体管需要采用功函数不同的功函数层。因此，两者的功函数层需要分别制作。当先形成PMOS晶体管的功函数层时，就需要先采用填充材料填充NMOS晶体管的凹槽2011。后续重新刻蚀去除填充材料，以重新显露出NMOS晶体管的凹槽2011。为了重新刻蚀去除填充材料以重新显露出凹槽2011时，不对已经形成在凹槽2011内的高k介质层221和帽盖层231等结构造成破坏，本实施例在帽盖层231上形成停止层241，这样，后续的刻蚀工艺就能够以停止层241为刻蚀终点，从而保护高k介质层221和帽盖层231等结构。

需要说明的是，在本发明的其它实施例中，也可以不形成停止层，而将帽盖层同时作为上述刻蚀工艺的刻蚀终点。

请继续参考图5，在停止层241上形成粘附层251，即粘附层251形成在停止层241上。

需要说明的是，当不形成停止层，粘附层可以直接形成在帽盖层上。

本实施例中，粘附层251的材料可以为TiAlC或TaAlC。前面已经提到，TiAlC和TaAlC等材料本身也可以作为功函数层，只是当碳含量过高时，其电阻太大，会导致阈值电压上升。而本实施例采用TiAlC和TaAlC等材料作为粘附层，不仅能够达到增强功函数层粘附作用的目的，还能够起到初步调整功函数的作用。

本实施例中，采用原子层沉积法形成粘附层251。原子层沉积法具有接近100％的阶梯覆盖率，满足窄缝填充的需要，能够保证粘附层251良好地形成在停止层241上，具体的，粘附层251形成在位于凹槽2011底部的停止层241上表面和凹槽2011侧壁的停止层241侧面上，如图5所示。

本实施例中，所述原子层沉积法使用的温度范围为400℃～550℃。当所述原子层沉积法使用的温度范围为400℃～550℃时，所形成的粘附层251的功函数落在4.3eV～4.6eV。可知，粘附层251还同时起到初步调整功函数的作用，即本实施例所形成的粘附层251同时作为一部分的功函数层。并且，当温度范围控制在400℃～550℃时，粘附层251中碳(C)的含量落在20％～40％之间，此时粘附层251的粘附作用较强，更加适合工艺整合的需要。

前面已经提到，粘附层251的材料可以为TiAlC或TaAlC，停止层241的材料可以为TiN和TaN的至少其中之一，而TiAlC和TaAlC与TiN和TaN的粘附作用较佳。并且，本实施例采用较高的温度(400℃～550℃)形成致密度较高的粘附层251，粘附层251与停止层241的界面缺陷少，进一步加强了粘附层251与停止层241的粘附作用。同时，在TiAlC和TaAlC内部，碳可与铝形成较强的键合，使铝不易扩散。

本实施例中，粘附层251厚度范围为粘附层251主要作用是加强与停止层241(或者帽盖层231)的粘附作用，如果其厚度小于，较难起到相应的粘附作用，而如果其厚度大于，会造成后续其它工艺造成不利影响，例如后续形成的层结构厚度受限。

请继续参考图5，在粘附层251上形成功函数层261。

本实施例中，功函数层261的材料可以为TiAl。TiAl能够采用较低的工艺温度形成，并且不易含杂质(即杂质含量低)，并且能够有效地调节栅极的功函数。

本实施例中，粘附层251采用TiAlC或TaAlC形成，功函数层261采用TiAl形成。由于TiAl无论与TiAlC还是与TaAlC，较具有良好的粘附作用，因此，TiAl可以采用较低的工艺温度形成。而采用较低的工艺温度形成TiAl能够降低功函数层261中碳的含量，从而进一步降低功函数层261的电阻，进一步防止阈值电压上升。

本实施例中，采用原子层沉积法形成功函数层261。原子层沉积法使功函数层具有近于100％的台阶覆盖率，进一步加强了功函数层261与粘附层之间的粘附作用。

本实施例中，形成功函数层261的原子层沉积法采用的温度范围为80℃～150℃。当将工艺温度控制在80℃～150℃时，所形成的功函数层261能够调整功函数至4.05～4.25，并且功函数层261中碳的含量能够控制在10％以下，不仅降低了功函数层261的电阻，而且适合工艺整合需要。

本实施例中，功函数层261厚度范围可以为功函数层261厚度需要在以上，以保证功函数调节到所需要求。但是，如果功函数层261厚度大于会增加后续工艺的工艺难度。

通过制作粘附层251，能够防止后续形成的功函数层261出现剥离现象。而现有方法通常直接形成功函数层，由于功函数层无论是与帽盖层还是与停止层，都不具有较好的粘附作用。因此，制作粘附层251能够降低NMOS晶体管的工艺难度。

请参考图6，在功函数层261上形成阻挡层271。

本实施例中，阻挡层271的材料可以为氮化钛。阻挡层271可以防止功函数层261中的铝发生扩散，因而能够防止NMOS晶体管结构被金属损害，防止时变击穿效应的加剧，使NMOS晶体管的使用寿命延长。

请继续参考图6，在阻挡层271上形成金属栅极281，金属栅极281填充满凹槽2011。

本实施例中，金属栅极281的材料可以为铝或者钨(W)。在金属栅极281之后，可以进行平坦化。

需要说明的是，在本发明的其它实施例中，也可以不形成阻挡层，而在功函数层上直接形成金属栅极，金属栅电极填充满凹槽。

图中虽未显示，但本实施例还可以包括对功函数层261进行离子注入的步骤，以对功函数层261的功函数进行进一步的调整。

本实施例所提供的NMOS晶体管的形成方法中，先形成粘附层251，然后在粘附层251上形成功函数层261，从而增强了功函数层261与其它结构的粘附作用，防止功函数层261发生剥离现象，降低了NMOS晶体管的工艺难度，并且提高了功函数层261的质量。

本实施例中，功函数层261采用原子层沉积方法形成，因此功函数层261具有近于100％的台阶覆盖率，进一步加强了功函数层261与粘附层251之间的粘附作用。

本发明实施例还提供了一种NMOS晶体管，所述NMOS晶体管可以由前述实施例所提供的形成方法形成，因此，可以结合参考图2至图6。

具体的，请参考图2和图6，所述NMOS晶体管包括半导体衬底(半导体衬底未示出，同样未示出的还包括位于所述半导体衬底中的源区和漏区等结构)，所述半导体衬底上具有层间介质层201，层间介质层201中具有凹槽2011。所述NMOS晶体管还包括位于凹槽2011底部的界面层211，位于所述界面层211上的高k介质层221，位于所述高k介质层221上的帽盖层231，位于帽盖层231上的停止层241，位于停止层241上的粘附层251，位于粘附层251上的功函数层261，位于功函数层261上的阻挡层271，以及位于阻挡层271上的金属栅极281，金属栅电极281填充满凹槽2011(请结合参考图5和图6)。

本实施例中，粘附层251材料可以为TiAlC或TaAlC，粘附层251厚度范围可以为功函数层261的材料可以为TiAl，功函数层261厚度范围可以为具体各参数的选择原因可参考前述实施例相应内容。

需要说明的是，在本发明的其它实施例中，NMOS晶体管也可以省去停止层和阻挡层。

本实施例所提供的NMOS晶体管中，由于粘附层251的存在，功函数层261和停止层241之间具有更好的粘附作用，防止功函数层261发生剥离。同时，帽盖层231能够防止高k介质层221与粘附层251之间发生交叉扩散，阻挡层271能够防止功函数层261与金属栅极281之间发生交叉扩散。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种NMOS晶体管的形成方法，其特征在于，包括：

在所述凹槽底部形成界面层；

在所述界面层上形成高k介质层；

在所述高k介质层上形成帽盖层；

在所述帽盖层上形成粘附层；

在所述粘附层上形成功函数层；

2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，采用原子层沉积法形成所述粘附层。

3.如权利要求2所述的形成方法，其特征在于，所述原子层沉积法使用的温度范围为400℃～550℃。

4.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述粘附层材料为TiAlC或TaAlC。

5.如权利要求4所述的形成方法，其特征在于，所述粘附层厚度范围为

6.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，采用原子层沉积法形成所述功函数层。

7.如权利要求6所述的形成方法，其特征在于，所述原子层沉积法采用的温度范围为80℃～150℃。

8.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述功函数层的材料为TiAl。

9.如权利要求8所述的形成方法，其特征在于，所述功函数层厚度范围为

10.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在所述高k介质层上形成帽盖层后，且在所述帽盖层上形成所述粘附层前，还包括在所述帽盖层上形成停止层的步骤，所述粘附层形成在所述停止层上。

11.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在所述粘附层上形成所述功函数层后，且在所述功函数层上形成所述金属栅极前，还包括在所述功函数层上形成阻挡层的步骤，所述金属栅极形成在所述阻挡层上。

12.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，还包括对所述功函数金属层进行离子注入的步骤。

13.一种NMOS晶体管，包括：

位于所述凹槽底部的界面层；

位于所述界面层上的高k介质层；

位于所述高k介质层上的帽盖层；

其特征在于，还包括：

位于所述帽盖层上的粘附层；

位于所述粘附层上的功函数层；

14.如权利要求13所述的NMOS晶体管，其特征在于，所述粘附层材料为TiAlC或TaAlC。

15.如权利要求14所述的NMOS晶体管，其特征在于，所述粘附层厚度范围为

16.如权利要求13所述的NMOS晶体管，其特征在于，所述功函数层的材料为TiAl。

17.如权利要求16所述的NMOS晶体管，其特征在于，所述功函数层厚度范围为

18.如权利要求13所述的NMOS晶体管，其特征在于，还包括位于所述功函数层和所述金属栅极之间的停止层。

19.如权利要求13所述的NMOS晶体管，其特征在于，还包括位于所述高k介质层和所述帽盖层之间的阻挡层。