專利名稱：一種半導(dǎo)體器件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造工藝，具體而言涉及一種調(diào)整用于NMOS的高k金屬柵結(jié)構(gòu)中的功函數(shù)金屬層的功函數(shù)的方法。
背景技術(shù)：
隨著集成電路制造技術(shù)的不斷革新，集成電路中的各種元件的尺寸不斷縮小，同時功能化密度不斷增大。在按比例縮小的原則下不斷發(fā)展的集成電路制造技術(shù)提高了生產(chǎn)效率，降低了制造成本；同時，也帶來了高功耗的問題。通過應(yīng)用具有低功耗特點的半導(dǎo)體器件，例如互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)，可以解決上述高功耗的問題。典型的CMOS包括柵氧化物和多晶硅柵極。由于半導(dǎo)體器件特征尺寸的不斷減小，用高k柵介電質(zhì)和金屬柵極分別替代CMOS中的柵氧化物和多晶硅柵極，可以改善CMOS器件的性能。然而，用于NMOS和PMOS的高k金屬柵結(jié)構(gòu)中的功函數(shù)金屬層的功函數(shù)是不同的，用于PMOS的所述功函數(shù)金屬層的功函數(shù)的范圍為4. 9-5. 2eV ;用于NMOS的所述功函數(shù)金屬層的功函數(shù)的范圍為3.9-4. IeV0在用于PMOS的功函數(shù)金屬層的傳統(tǒng)形成工藝中，通常選用鈦鋁合金(TiAl)作為所述功函數(shù)金屬層的材料，當(dāng)選用鈦鋁合金作為用于NMOS的功函數(shù)金屬層的材料時，調(diào)整其具有的功函數(shù)以滿足NMOS對于所述功函數(shù)的要求是非常具有挑戰(zhàn)性的。因此，需要提出一種方法，在選用鈦鋁合金作為用于NMOS的高k金屬柵結(jié)構(gòu)中的功函數(shù)金屬層的材料時，可以滿足NMOS對于所述功函數(shù)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體器件的制造方法，包括提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上形成有虛擬柵極結(jié)構(gòu)，所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)包括犧牲柵電極層，且在所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)的兩側(cè)形成有緊靠所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)的間隙壁結(jié)構(gòu)；去除所述犧牲柵電極層，以在所述間隙壁結(jié)構(gòu)的中間形成一柵溝槽，且在所述柵溝槽中依次形成第一功函數(shù)金屬層和第二功函數(shù)金屬層；執(zhí)行一退火處理，以在所述柵溝槽中形成一合金層；實施金屬柵的回填。進(jìn)一步，所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)包括自下而上依次層疊的界面層、高k介電層、覆蓋層和犧牲柵電極層。進(jìn)一步，蝕刻所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)，去除所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)最上層的所述犧牲柵電極層，以形成所述柵溝槽。進(jìn)一步，采用物理氣相沉積工藝形成所述第一功函數(shù)金屬層和第二功函數(shù)金屬層。進(jìn)一步，所述第一功函數(shù)金屬層的材料為鈦。進(jìn)一步，所述第二功函數(shù)金屬層的材料為鈦鋁合金。進(jìn)一步，所述第一功函數(shù)金屬層的厚度為10-40埃。
進(jìn)一步，所述第二功函數(shù)金屬層的厚度為20-50埃。進(jìn)一步，所述退火處理的溫度為400-500°C。進(jìn)一步，所述退火處理持續(xù)的時間為120-300S。進(jìn)一步，所述合金層的構(gòu)成為TixAl, χ>1。進(jìn)一步，在實施金屬柵的回填之前依次形成阻擋層和浸潤層，覆蓋所述合金層。進(jìn)一步，采用原子層沉積工藝或物理氣相沉積工藝形成所述阻擋層。進(jìn)一步，所述阻擋層的材料為氮化鉭或氮化鈦。進(jìn)一步，采用物理氣相沉積工藝形成所述浸潤層。進(jìn)一步，所述浸潤層的材料為鈦。· 進(jìn)一步，所述金屬柵的材料為鋁。進(jìn)一步，采用化學(xué)氣相沉積工藝或物理氣相沉積工藝進(jìn)行所述金屬鋁柵的回填。進(jìn)一步，在實施金屬鋁柵的回填之后，采用化學(xué)機械研磨工藝去除所述間隙壁結(jié)構(gòu)頂部的所述金屬鋁柵、浸潤層、阻擋層和合金層。進(jìn)一步，所述半導(dǎo)體器件為NM0S。根據(jù)本發(fā)明，在選用鈦鋁合金作為用于NMOS的高k金屬柵結(jié)構(gòu)中的功函數(shù)金屬層的材料時，可以滿足NMOS對于功函數(shù)的要求。


本發(fā)明的下列附圖在此作為本發(fā)明的一部分用于理解本發(fā)明。附圖中示出了本發(fā)明的實施例及其描述，用來解釋本發(fā)明的原理。附圖中
圖IA-圖IF為本發(fā)明提出的調(diào)整用于NMOS的高k金屬柵結(jié)構(gòu)中的功函數(shù)金屬層的功函數(shù)的方法的各步驟的示意性剖面 圖2為本發(fā)明提出的調(diào)整用于NMOS的高k金屬柵結(jié)構(gòu)中的功函數(shù)金屬層的功函數(shù)的方法的流程圖。
具體實施例方式在下文的描述中，給出了大量具體的細(xì)節(jié)以便提供對本發(fā)明更為徹底的理解。然而，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，本發(fā)明可以無需一個或多個這些細(xì)節(jié)而得以實施。在其他的例子中，為了避免與本發(fā)明發(fā)生混淆，對于本領(lǐng)域公知的一些技術(shù)特征未進(jìn)行描述。為了徹底理解本發(fā)明，將在下列的描述中提出詳細(xì)的步驟，以便闡釋本發(fā)明如何調(diào)整用于匪OS的高k金屬柵結(jié)構(gòu)中的功函數(shù)金屬層的功函數(shù)。顯然，本發(fā)明的施行并不限定于半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟習(xí)的特殊細(xì)節(jié)。本發(fā)明的較佳實施例詳細(xì)描述如下，然而除了這些詳細(xì)描述外，本發(fā)明還可以具有其他實施方式。應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，其指明存在所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或組件，但不排除存在或附加一個或多個其他特征、整體、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組合。下面，參照圖IA-圖IF和圖2來描述本發(fā)明提出的調(diào)整用于NMOS的高k金屬柵結(jié)構(gòu)中的功函數(shù)金屬層的功函數(shù)的方法的詳細(xì)步驟。參照圖IA-圖1F，其中示出了本發(fā)明提出的調(diào)整用于NMOS的高k金屬柵結(jié)構(gòu)中的功函數(shù)金屬層的功 函數(shù)的方法的各步驟的示意性剖面圖。首先，如圖IA所示，提供半導(dǎo)體襯底100，所述半導(dǎo)體襯底100的構(gòu)成材料可以采用未摻雜的單晶硅、摻雜有雜質(zhì)的單晶硅、絕緣體上硅(SOI)等。作為示例，在本實施例中，半導(dǎo)體襯底100選用單晶硅材料構(gòu)成。在半導(dǎo)體襯底100中形成有隔離槽、埋層等，為了簡化，圖示中予以省略。在所述半導(dǎo)體襯底100上形成有虛擬柵極結(jié)構(gòu)101，作為一個示例，所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)101可包括自下而上依次層疊的界面層、高k介電層、覆蓋層(capping layer)和犧牲柵電極層。界面層的材料可包括氧化物，如二氧化硅(SiO2)。高k介電層的材料可包括氧化鉿、氧化鉿娃、氮氧化鉿娃、氧化鑭、氧化錯、氧化錯娃、氧化鈦、氧化鉭、氧化鋇銀鈦、氧化鋇鈦、氧化鍶鈦、氧化鋁等，特別優(yōu)選的是氧化鉿、氧化鋯和氧化鋁。覆蓋層的材料可包括氮化鈦和氮化鉭。犧牲柵電極層的材料可包括多晶硅。此外，作為示例，在所述半導(dǎo)體襯底100上還形成有位于所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)101兩側(cè)且緊靠所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)的間隙壁結(jié)構(gòu)102。其中，所述間隙壁結(jié)構(gòu)102可以包括至少一層氧化物層和/或至少一層氮化物層。接著，如圖IB所示，以所述間隙壁結(jié)構(gòu)102為掩膜，蝕刻所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)，去除所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)最上層的犧牲柵電極層，在所述間隙壁結(jié)構(gòu)102的中間形成一柵溝槽103。采用傳統(tǒng)工藝完成對所述犧牲柵電極層的蝕刻，例如干法蝕刻。接下來，在所述柵溝槽103中依次形成第一功函數(shù)金屬層104和第二功函數(shù)金屬層105。采用物理氣相沉積工藝形成所述第一功函數(shù)金屬層104和第二功函數(shù)金屬層105。所述第一功函數(shù)金屬層104的材料為鈦(Ti)，所述第二功函數(shù)金屬層105的材料為鈦鋁合金(TiAl)。所述第一功函數(shù)金屬層104的厚度為10-40埃，所述第二功函數(shù)金屬層105的厚度為20-50埃。在所述柵溝槽103中形成所述第一功函數(shù)金屬層104和第二功函數(shù)金屬層105的同時，在所述間隙壁結(jié)構(gòu)102的頂部也會形成所述第一功函數(shù)金屬層104和第二功函數(shù)金屬層105。接著，如圖IC所示，執(zhí)行一退火處理，使所述第二功函數(shù)金屬層中的Al匯流到所述第一功函數(shù)金屬層中，以形成TixAl (χ>1)合金層106。通過調(diào)整所述合金層106中的Ti與Al的比例(即X的數(shù)值)，使所述合金層106的功函數(shù)處于3. 9-4. IeV之間，即滿足NMOS對于功函數(shù)金屬層的功函數(shù)的要求。所述退火處理的溫度為400-500°C，持續(xù)時間為120-300S。接著，如圖ID所示，在所述柵溝槽103中依次形成阻擋層107和浸潤層108，覆蓋所述合金層106。采用原子層沉積工藝或物理氣相沉積工藝形成所述阻擋層107。所述阻擋層107的材料包括氮化鉭和氮化鈦。同樣，在所述柵溝槽103中形成所述阻擋層107的同時，在所述間隙壁結(jié)構(gòu)102的頂部也會形成所述阻擋層107。采用物理氣相沉積工藝形成所述浸潤層108。所述浸潤層108的材料為鈦。在所述柵溝槽103中形成所述浸潤層108的同時，在所述間隙壁結(jié)構(gòu)102的頂部也會形成所述浸潤層108。接著，如圖IE所示，實施金屬柵109的回填。本實例中，所述金屬柵109的材料為鋁。采用化學(xué)氣相沉積工藝(CVD)或物理氣相沉積工藝(PVD)進(jìn)行所述金屬鋁柵的回填。接著，采用化學(xué)機械研磨工藝(CMP)去除所述間隙壁結(jié)構(gòu) 102頂部的所述金屬鋁柵、浸潤層、阻擋層和合金層，得到的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)110如圖IF所示，所述金屬鋁柵、浸潤層、阻擋層和合金層的表面與所述間隙壁結(jié)構(gòu)102的頂部平齊。至此，完成了根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的方法實施的全部工藝步驟，在形成的兩層功函數(shù)金屬層中，下層功函數(shù)金屬層的材料為鈦，上層功函數(shù)金屬層的材料為鈦鋁合金(TiAl)，通過控制退火處理的工藝條件，可以使上層功函數(shù)金屬層中的Al匯流到下層功函數(shù)金屬層中，從而形成合金層TixAl (χ>1)，所形成的具有不同鈦鋁比例(即不同X值)的合金層的功函數(shù)可以滿足不同器件對于功函數(shù)的要求。根據(jù)本發(fā)明，在選用鈦鋁合金作為用于NMOS的高k金屬柵結(jié)構(gòu)中的功函數(shù)金屬層的材料時，可以滿足NMOS對于功函數(shù)的要求。參照圖2，其中示出了本發(fā)明提出的調(diào)整用于NMOS的高k金屬柵結(jié)構(gòu)中的功函數(shù)金屬層的功函數(shù)的方法的流程圖，用于簡要示出整個制造工藝的流程。在步驟201中，提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上形成有虛擬柵極結(jié)構(gòu)，所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)包括犧牲柵電極層，且在所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)的兩側(cè)形成有緊靠所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)的間隙壁結(jié)構(gòu)；
在步驟202中，去除所述犧牲柵電極層，以在所述間隙壁結(jié)構(gòu)的中間形成一柵溝槽，且在所述柵溝槽中依次形成第一功函數(shù)金屬層和第二功函數(shù)金屬層；
在步驟203中，執(zhí)行一退火處理，以在所述柵溝槽中形成一合金層；
在步驟204中，實施金屬柵的回填。本發(fā)明已經(jīng)通過上述實施例進(jìn)行了說明，但應(yīng)當(dāng)理解的是，上述實施例只是用于舉例和說明的目的，而非意在將本發(fā)明限制于所描述的實施例范圍內(nèi)。此外本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，本發(fā)明并不局限于上述實施例，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍以內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍由附屬的權(quán)利要求書及其等效范圍所界定。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件的制造方法，包括 提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上形成有虛擬柵極結(jié)構(gòu)，所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)包括犧牲柵電極層，且在所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)的兩側(cè)形成有緊靠所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)的間隙壁結(jié)構(gòu)； 去除所述犧牲柵電極層，以在所述間隙壁結(jié)構(gòu)的中間形成一柵溝槽，且在所述柵溝槽中依次形成第一功函數(shù)金屬層和第二功函數(shù)金屬層； 執(zhí)行一退火處理，以在所述柵溝槽中形成一合金層； 實施金屬柵的回填。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)包括自下而上依次層疊的界面層、高k介電層、覆蓋層和犧牲柵電極層。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，蝕刻所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)，去除所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)最上層的所述犧牲柵電極層，以形成所述柵溝槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，采用物理氣相沉積工藝形成所述第一功函數(shù)金屬層和第二功函數(shù)金屬層。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或4所述的方法，其特征在于，所述第一功函數(shù)金屬層的材料為鈦。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或4所述的方法，其特征在于，所述第二功函數(shù)金屬層的材料為鈦鋁I=I -Wl O
7.根據(jù)權(quán)利要求I或4所述的方法，其特征在于，所述第一功函數(shù)金屬層的厚度為10-40 埃。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或4所述的方法，其特征在于，所述第二功函數(shù)金屬層的厚度為20-50 埃。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述退火處理的溫度為400-500°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述退火處理持續(xù)的時間為120-300S。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述合金層的構(gòu)成為TixAl,χ>1。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，還包括在實施金屬柵的回填之前依次形成阻擋層和浸潤層，覆蓋所述合金層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，采用原子層沉積工藝或物理氣相沉積工藝形成所述阻擋層。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述阻擋層的材料為氮化鉭或氮化鈦。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，采用物理氣相沉積工藝形成所述浸潤層。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述浸潤層的材料為鈦。
17.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述金屬柵的材料為鋁。
18.根據(jù)權(quán)利要求I或17所述的方法，其特征在于，采用化學(xué)氣相沉積工藝或物理氣相沉積工藝進(jìn)行所述金屬鋁柵的回填。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括在實施金屬鋁柵的回填之后，采用化學(xué)機械研磨工藝去除所述間隙壁結(jié)構(gòu)頂部的所述金屬鋁柵、浸潤層、阻擋層和合金層。
20.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體器件為NMOS。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體器件的制造方法，包括提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上形成有虛擬柵極結(jié)構(gòu)，所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)包括犧牲柵電極層，且在所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)的兩側(cè)形成有緊靠所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)的間隙壁結(jié)構(gòu)；去除所述犧牲柵電極層，以在所述間隙壁結(jié)構(gòu)的中間形成一柵溝槽，且在所述柵溝槽中依次形成第一功函數(shù)金屬層和第二功函數(shù)金屬層；執(zhí)行一退火處理，以在所述柵溝槽中形成一合金層；實施金屬柵的回填。根據(jù)本發(fā)明，在選用鈦鋁合金作為用于NMOS的高k金屬柵結(jié)構(gòu)中的功函數(shù)金屬層的材料時，可以滿足NMOS對于功函數(shù)的要求。
文檔編號H01L21/336GK102956455SQ20111023927
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月19日
發(fā)明者平延磊, 鮑宇 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司