半导体器件制造方法技术

本发明专利技术半导体器件制造方法,提供了一种CMOS金属栅极的形成方法，采用了新的金属栅极堆栈结构，不需要在高K栅极绝缘层与刻蚀停止层之间形成扩散阻挡层也可阻挡Al扩散，避免了由金属原子扩散而引起的高K栅极绝缘层和PMOS栅极功函数控制层的劣化；同时，由于取消了扩散阻挡层，在NMOS区域的NMOS栅极功函数控制层更加接近高K栅极绝缘层，从而能够更有效地控制NMOS功函数。本发明专利技术的金属栅极结构简化，厚度减小，适用于高集成度、小尺寸的CMOS器件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及领域，特别地，涉及一种CMOS器件金属栅极的制造方法。
技术介绍
半导体集成电路技术在进入到90nm特征尺寸的技术节点后，维持或提高晶体管性能越来越具有挑战性。在90nm节点后，应力技术逐渐被采用以提高器件的性能。与之同时，在制造工艺方面，后栅工艺(gate last)中的高K金属栅技术(HKMG)也逐渐被采用以应对随着器件不断减小而带来的挑战。HKMG的应用，可以在抑制泄露电流的同时，确保栅极绝缘层的 EOT (Effective Oxide Thickness)。 通常，CMOS器件的金属栅极结构和制造方法如下(可以参见副图8 (a)和9 (a)):在衬底上先后依次形成高K栅极绝缘层31，扩散阻挡层32(通常为TiN)，刻蚀停止层33(通常为TaN)，PMOS栅极功函数控制层34 (通常为TiN)，然后，去除覆盖在NMOS区域的PMOS栅极功函数控制层34 ;接着，依次形成NMOS栅极功函数控制层35(通常为TiAl )，金属填充层36 (通常为TiN/Al叠层或TiN/W叠层)；进行平坦化处理，去除多余的栅极堆栈材料，从而形成所需要的栅极堆栈。其中，扩散阻挡层32的作用是为了阻挡NMOS栅极功函数控制层35中的金属元素扩散而引起的高K栅极绝缘层31和PMOS栅极功函数控制层34的劣化。由此可以看出，在现有技术中，PMOS金属栅极堆栈至少包括高K栅极绝缘层31，扩散阻挡层32，刻蚀停止层33，PMOS栅极功函数控制层34，NMOS栅极功函数控制层35，金属填充层36这样6层结构，而NMOS金属栅极堆栈至少包括高K栅极绝缘层31，扩散阻挡层32，刻蚀停止层33，NMOS栅极功函数控制层35，金属填充层36这样5层结构，它们的结构均较为复杂，层数繁多。更不利的情况是，随着器件尺寸缩小，以及诸如FinFET等立体结构器件的出现，金属栅极堆栈的尺寸也越来越小，所要填充的空间的深宽比变大，使得多层结构、厚度较大的传统金属栅极堆栈在形成过程中存在问题，参见附图1，其中在衬底I上形成有容纳栅极凹槽的结构层2，结构层2在平面CMOS器件中通常为层间介质层，在FinFET器件中通常为相邻的半导体鳍片(Fin)，尤其是对于FinFET器件，由于半导体鳍片高度较高，例如通常为25-40nm，覆盖鳍片的栅极高度通常为25_75nm，因此，在鳍片顶部的栅极表面距离鳍片之间的STI结构表面的高度为50-115nm，而鳍片间距较小，通常为30_50nm，FinFET结构体现出高低不平的三维表面，尤其是在栅极特征尺寸小于35nm时候，往往会出现了较大深宽比的结构需要填充栅极，因此，在形成金属栅极堆栈3时，往往会形成空洞4，这将严重影响器件性能，甚至导致器件失效。 因此，需要提供一种新的CMOS金属栅极结构和工艺，适用于高集成度、小尺寸的CMOS器件，能够克服上述缺陷，确保器件性能以及正常工作。
技术实现思路
针对CMOS金属栅极填充过程中存在的问题，本专利技术提出了一种半导体制造方法，采用新的金属栅极堆栈结构以及材料来克服现有技术中的问题。 本专利技术提供一种，其中，包括如下步骤: 提供半导体衬底，在该半导体衬底上形成STI结构，所述STI结构将NMOS区域和PMOS区域隔离； 在所述NMOS区域和所述PMOS区域形成栅极凹槽； 依次形成高K栅极绝缘层，刻蚀停止层，NMOS栅极功函数控制层，其中，所述NMOS栅极功函数控制层材料为TiAlC，厚度为0.l-5nm ； 去除位于所述PMOS区域的所述NMOS栅极功函数控制层； 形成PMOS栅极功函数控制层； 沉积金属填充层，将所述栅极凹槽完全填充； 进行CMP工艺，去除所述栅极凹槽以外的所述金属填充层、所述PMOS栅极功函数控制层、所述NMOS栅极功函数控制层、所述刻蚀停止层以及所述高K栅极绝缘层，在所述栅极凹槽内形成金属栅极堆栈。 根据本专利技术的一个方面，形成NMOS栅极功函数控制层的工艺为ALD。 根据本专利技术的一个方面，所述NMOS栅极功函数控制层材料TiAlC中的Al原子含量不大于50%。 根据本专利技术的一个方面，所述高K栅极绝缘层与所述刻蚀停止层之间不形成扩散阻挡层。 根据本专利技术的一个方面，在去除位于所述PMOS区域的所述NMOS栅极功函数控制层的步骤之后，将位于所述PMOS区域的所述刻蚀停止层完全去除，使得在所述PMOS区域的所述金属栅极堆栈中，所述PMOS栅极功函数控制层直接接触所述高K栅极绝缘层。 根据本专利技术的一个方面，在去除位于所述PMOS区域的所述NMOS栅极功函数控制层的步骤之后，将位于所述PMOS区域的所述刻蚀停止层部分去除，使得在所述PMOS区域的所述金属栅极堆栈中，所述PMOS栅极功函数控制层与所述高K栅极绝缘层之间残留部分厚度的所述刻蚀停止层，其厚度为0.l-3nm。 根据本专利技术的一个方面，所述栅极凹槽位于FinFET结构CMOS器件相邻半导体鳍片之间，或者，所述栅极凹槽位于平面结构CMOS器件的层间介质层之中。 根据本专利技术的一个方面，所述PMOS栅极功函数控制层为单层TiN。 另外，本专利技术提供一种半导体器件，其包括: 半导体衬底，在该半导体衬底上的STI结构，以及被所述STI结构隔离的NMOS区域和PMOS区域； 所述NMOS区域和所述PMOS区域分别具有金属栅极堆栈； 所述NMOS的金属栅极堆栈由下而上依次包括:高K栅极绝缘层，刻蚀停止层，NMOS栅极功函数控制层，PMOS栅极功函数控制层，金属填充层；所述PMOS的金属栅极堆栈由下而上依次包括:高K栅极绝缘层，刻蚀停止层，PMOS栅极功函数控制层，金属填充层； 其中，所述NMOS栅极功函数控制层材料为TiAlC，厚度为0.l_5nm。 根据本专利技术的一个方面，所述NMOS栅极功函数控制层材料TiAlC中的Al原子含量不大于50%。 根据本专利技术的一个方面，在所述NMOS区域和所述PMOS区域的金属栅极堆栈中，所述高K栅极绝缘层与所述刻蚀停止层之间不存在扩散阻挡层。 根据本专利技术的一个方面，所述PMOS栅极功函数控制层为单层TiN。 本专利技术的优点在于:在CMOS金属栅极形成工艺中，采用了新的金属栅极堆栈结构，具体为采用了 TiAlC材料的NMOS栅极功函数控制层，其Al原子含量较现有技术中的NMOS栅极功函数控制层更小，并且，在PMOS区域选择性地去除了 NMOS栅极功函数控制层，因此，不需要在高K栅极绝缘层与刻蚀停止层之间形成扩散阻挡层去阻挡Al扩散，并从根本上避免了由于金属原子扩散而引起的高K栅极绝缘层和PMOS栅极功函数控制层的劣化，这样，金属栅极堆栈的结构简化，厚度减小；同时，由于取消了扩散阻挡层，在NMOS区域的NMOS栅极功函数控制层更加接近高K栅极绝缘层，从而能够更有效地控制NMOS功函数，在此基础上也可以将NMOS栅极功函数控制层的厚度减薄，从而获得厚度更小的栅极堆栈。综上所述，本专利技术的金属栅极结构简化，厚度减小，适用于高集成度、小尺寸的CMOS器件，能够克服现有技术中填充工艺出现空洞的缺陷，确保器件性能以及正常工作。 【附图说明】 图1现有技术中金属栅极堆栈填充出现空洞的示意图； 图2-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体器件制造方法，其特征在于，包括如下步骤：提供半导体衬底，在该半导体衬底上形成STI结构，所述STI结构将NMOS区域和PMOS区域隔离；在所述NMOS区域和所述PMOS区域形成栅极凹槽；依次形成高K栅极绝缘层，刻蚀停止层，NMOS栅极功函数控制层，其中，所述NMOS栅极功函数控制层材料为TiAlC，厚度为0.1‑5nm；去除位于所述PMOS区域的所述NMOS栅极功函数控制层；形成PMOS栅极功函数控制层；沉积金属填充层，将所述栅极凹槽完全填充；进行CMP工艺，去除所述栅极凹槽以外的所述金属填充层、所述PMOS栅极功函数控制层、所述NMOS栅极功函数控制层、所述刻蚀停止层以及所述高K栅极绝缘层，在所述栅极凹槽内形成金属栅极堆栈。

【技术特征摘要】
1.一种半导体器件制造方法，其特征在于，包括如下步骤: 提供半导体衬底，在该半导体衬底上形成STI结构，所述STI结构将NMOS区域和PMOS区域隔离； 在所述NMOS区域和所述PMOS区域形成栅极凹槽； 依次形成高K栅极绝缘层，刻蚀停止层，NMOS栅极功函数控制层，其中，所述NMOS栅极功函数控制层材料为TiAlC，厚度为0.l-5nm ； 去除位于所述PMOS区域的所述NMOS栅极功函数控制层； 形成PMOS栅极功函数控制层； 沉积金属填充层，将所述栅极凹槽完全填充； 进行CMP工艺，去除所述栅极凹槽以外的所述金属填充层、所述PMOS栅极功函数控制层、所述NMOS栅极功函数控制层、所述刻蚀停止层以及所述高K栅极绝缘层，在所述栅极凹槽内形成金属栅极堆栈。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成NMOS栅极功函数控制层的工艺为ALD。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述NMOS栅极功函数控制层材料TiAlC中的Al原子含量不大于50%。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高K栅极绝缘层与所述刻蚀停止层之间不形成扩散阻挡层。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在去除位于所述PMOS区域的所述NMOS栅极功函数控制层的步骤之后，将位于所述PMOS区域的所述刻蚀停止层完全去除，使得在所述PMOS区域的所述金属栅极堆栈中，所述PMOS栅极功函数控制层直接接触所述高K栅极绝缘层。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在去除位于所述PMOS区域的所述NMOS栅极功函数控制层的步...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷华湘，项金娟，杨红，
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：北京;11