半导体结构的形成方法技术

一种半导体结构的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有伪栅结构；形成覆盖所述半导体衬底和伪栅结构侧壁的介质层，所述介质层的表面与伪栅结构顶部表面齐平；去除所述伪栅结构，形成凹槽；在所述凹槽的侧壁和底部以及介质层的表面形成高K栅介质材料层；在所述高K栅介质层上形成铝钛成核层，所述铝钛成核层中钛原子的含量大于铝原子的含量；在所述铝钛成核层上形成铝钛体层，所述铝钛体层中钛原子的含量小于铝原子的含量，所述铝钛成核层和铝钛体层构成功函数材料层；在所述铝钛体层上形成金属层，所述金属层填充满凹槽。本发明专利技术形成的功函数材料层的表面平坦度提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体制作领域，特别涉及一种半导体结构的形成方法。
技术介绍
随着集成电路制造技术的不断发展，MOS晶体管的特征尺寸也越来越小，为了降低MOS晶体管栅极的寄生电容，提高器件速度，高K栅介电层与金属栅极的栅极叠层结构被引入到MOS晶体管中。为了避免金属栅极的金属材料对晶体管其他结构的影响，所述金属栅极与高K栅介电层的栅极叠层结构通常采用“后栅(gate last)”工艺制作。现有技术采用“后栅(gate last)”工艺制作金属栅极过程包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有替代栅结构，所述替代栅结构包括位于半导体衬底上的栅介质层和位于栅介质层上的替代栅，所述替代栅结构两侧的半导体衬底内形成有晶体管的源区和漏区；形成覆盖所述半导体衬底和替代栅结构的第一介质材料层；采用化学机械研磨工艺平坦化所述介质材料层，以伪栅结构的顶部表面为停止层，形成第一介质层，所述第一介质层的表面与替代栅结构的顶部表面齐平；去除所述替代栅结构，形成凹槽；在凹槽的侧壁和底部表面、以及第一介质层的表面形成高K介电材料层；在高K介电材料层表面形成金属层；平坦化去除第一介质层表面上的高K介电材料层和金属层，在凹槽的侧壁和底部表面形成高K栅介质层，在高K栅介质层上形成金属栅电极，所述金属栅电极填充凹槽。为了提高晶体管的性能，在金属栅极的制作过程中，在高K介电材料层上通常还会形成功函数层，所述功函数层用于调节晶体管的功函数，在形成功函数层后，在功函数层上形成金属层。在NMOS晶体管中，铝钛作为常用的功函数层材料得以广泛的应用。但是现有铝钛功函数层的性能仍有待提升。
技术实现思路
本专利技术解决的问题是怎样提高铝钛功函数层的表面平坦度。为解决上述问题，本专利技术提供一种半导体结构的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有伪栅结构；形成覆盖所述半导体衬底和伪栅结构侧壁的介质层，所述介质层的表面与伪栅结构顶部表面齐平；去除所述伪栅结构，形成凹槽；在所述凹槽的侧壁和底部以及介质层的表面形成高K栅介质材料层；在所述高K栅介质层上形成铝钛成核层，所述铝钛成核层中钛原子的含量大于铝原子的含量；在所述铝钛成核层上形成铝钛体层，所述铝钛体层中钛原子的含量小于铝原子的含量，所述铝钛成核层和铝钛体层构成功函数材料层；在所述铝钛体层上形成金属层，所述金属层填充满凹槽。可选的，所述铝钛成核层中钛原子的数量大于铝原子的数量的比例＞1。可选的，所述铝钛成核层的厚度为1～2nm。可选的，所述铝钛体层中钛原子的数量大于铝原子的数量的比例＜0.7。可选的，所述铝钛体层的厚度为3～5nm。可选的，所述铝钛体层的功函数为4.05ev～4.2ev。可选的，所述铝钛成核层和铝钛体层的形成工艺为原子层沉积工艺。可选的，形成铝钛成核层时的原子层沉积工艺采用的气体为TiCl4、二甲基乙基胺铝和二甲基氢化铝，载气为Ar，其中，TiCl4的流量为40～100sccm，二甲基乙基胺铝的流量为30～80sccm，二甲基氢化铝的流量为30～80sccm，腔室温度为80～150℃，腔室压力为1～5Torr。可选的，形成铝钛成核层时的原子层沉积工艺的循环次数为2～4次。可选的，形成铝钛体层时的原子层沉积工艺采用的气体为TiCl4、二甲基乙基胺铝和二甲基氢化铝，载气为Ar，其中，TiCl4的流量为40～100sccm，
二甲基乙基胺铝的流量为150～300sccm，二甲基氢化铝的流量为600～1000sccm，腔室温度为80～150℃，腔室压力为1～5Torr。可选的，形成铝钛体层时的原子层沉积工艺的循环次数为3～8次。可选的，还包括：采用化学机械研磨工艺平坦化去除介质层表面的金属层、功函数材料层和高K栅介质材料层，在所述凹槽中形成高K栅介质层、位于栅介质层上的功函数层、位于功函数层上的金属栅电极，所述功函数层包括铝钛成核层和位于铝钛成核层表面上的铝钛体层。可选的，所述铝钛成核层和高K栅介质材料层之间还形成有第一扩散阻挡层。可选的，所述第一扩散阻挡层的材料为TaN或TiN。可选的，所述金属层和铝钛体层之间还形成有第二扩散阻挡层。可选的，所述第二扩散阻挡层的材料为TaN或TiN。本专利技术还提供了一种半导体结构的形成方法，包括：提供基底；在所述基底上形成铝钛成核层，所述铝钛成核层中钛原子的含量大于铝原子的含量；在所述铝钛成核层上形成铝钛体层，所述铝钛体层中钛原子的含量小于铝原子的含量。可选的，所述铝钛成核层中钛原子的数量大于铝原子的数量的比例＞1。可选的，所述铝钛体层中钛原子的数量大于铝原子的数量的比例＜0.7。与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下优点：本专利技术的半导体结构的形成方法，在所述高K栅介质层上形成铝钛成核层，所述铝钛成核层中钛原子的含量大于铝原子的含量；然后，在所述铝钛成核层上形成铝钛体层，所述铝钛体层中钛原子的含量小于铝原子的含量，所述铝钛成核层和铝钛体层构成功函数材料层。在形成功函数材料层时，先形成铝钛成核层，然后在铝钛成核层上形成铝钛体层，铝钛成核层中钛原子
的含量大于铝原子的含量，一方面，钛元素为过渡元素，高K栅介质层材料或扩散阻挡层材料中也含有过渡元素，钛元素相对于铝元素与底部的高K栅介质层材料或扩散阻挡层材料的接触角较小，接触性能好，因而形成含钛更高的铝钛成核层容易在高K栅介质材料层表面上或扩散阻挡层表面上孵化，形成连续的成核，形成的铝钛成核层的表面形貌的平坦度较高；另一方面，铝钛成核层材料与铝钛体层的材料相同，铝钛成核层为形成铝钛体层生长提供了良好的成核表面，有助于提高铝钛体层表面的平坦度以及铝钛体层功函数的调节。进一步，所述铝钛成核层中钛原子的数量大于铝原子的数量的比例＞1，使得形成铝钛成核层表面具有较高平坦度的同时，利于后续铝钛体层的形成。进一步，所述铝钛成核层的厚度为1～2nm，使得形成的铝钛成核层具有较平坦的表面的同时，不会影响NMOS晶体管的功函数调节或者影响较小。附图说明图1～图7为本专利技术实施例半导体结构的形成过程的剖面结构示意图。具体实施方式如
技术介绍
所言，现有金属栅工艺中形成的铝钛功函数层的性能仍有待提升，比如铝钛功函数层存在表面粗糙，厚度均匀性差的问题，影响了形成的晶体管的电学性能。研究发现，现有技术通过沉积工艺形成铝钛功函数层，铝钛功函数层是直接形成在高K栅介质层或者扩散阻挡层表面上，由于铝钛材料与高K栅介质层材料和扩散阻挡层材料的接触角较大，采用沉积工艺形成铝钛功函数层时，高K栅介质层或者扩散阻挡层表面上的成核不连续，使得最终形成的铝钛功函数层的表面会较粗糙。为此本专利技术提供了一种半导体结构的形成方法，在形成功函数材料层时，先形成铝钛成核层，然后在铝钛成核层上形成铝钛体层，铝钛成核层中钛原子的含量大于铝原子的含量，一方面，钛元素为过渡元素，高K栅介质层材料或扩散阻挡层材料中也含有过渡元素，钛元素相对于铝元素与底部的高K栅介质层材料或扩散阻挡层材料的接触角较小，接触性能好，因而形成含钛
更高的铝钛成核层容易在高K栅介质材料层表面上或扩散阻挡层表面上孵化，形成连续的成核，形成的铝钛成核层的表面形貌的平坦度较高；另一方面，铝钛成核层材料与铝钛体层的材料相同，铝钛成核层为后续形成铝钛体层生长提供了良好的成核表面，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体结构的形成方法，其特征在于，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有伪栅结构；形成覆盖所述半导体衬底和伪栅结构侧壁的介质层，所述介质层的表面与伪栅结构顶部表面齐平；去除所述伪栅结构，形成凹槽；在所述凹槽的侧壁和底部以及介质层的表面形成高K栅介质材料层；在所述高K栅介质层上形成铝钛成核层，所述铝钛成核层中钛原子的含量大于铝原子的含量；在所述铝钛成核层上形成铝钛体层，所述铝钛体层中钛原子的含量小于铝原子的含量，所述铝钛成核层和铝钛体层构成功函数材料层；在所述铝钛体层上形成金属层，所述金属层填充满凹槽。

【技术特征摘要】
1.一种半导体结构的形成方法，其特征在于，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有伪栅结构；形成覆盖所述半导体衬底和伪栅结构侧壁的介质层，所述介质层的表面与伪栅结构顶部表面齐平；去除所述伪栅结构，形成凹槽；在所述凹槽的侧壁和底部以及介质层的表面形成高K栅介质材料层；在所述高K栅介质层上形成铝钛成核层，所述铝钛成核层中钛原子的含量大于铝原子的含量；在所述铝钛成核层上形成铝钛体层，所述铝钛体层中钛原子的含量小于铝原子的含量，所述铝钛成核层和铝钛体层构成功函数材料层；在所述铝钛体层上形成金属层，所述金属层填充满凹槽。2.如权利要求1所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述铝钛成核层中钛原子的数量大于铝原子的数量的比例＞1。3.如权利要求2所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述铝钛成核层的厚度为1～2nm。4.如权利要求2所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述铝钛体层中钛原子的数量大于铝原子的数量的比例＜0.7。5.如权利要求4所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述铝钛体层的厚度为3～5nm。6.如权利要求4所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述铝钛体层的功函数为4.05ev～4.2ev。7.如权利要求1或5所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述铝钛成核层和铝钛体层的形成工艺为原子层沉积工艺。8.如权利要求7所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，形成铝钛成核层时的原子层沉积工艺采用的气体为TiCl4、二甲基乙基胺铝和二甲基氢化
\t铝，载气为Ar，其中，TiCl4的流量为40～100sccm，二甲基乙基胺铝的流量为30～80sccm，二甲基氢化铝的流量为30～80sccm，腔室温度为80～150℃，腔室压力为1～5Torr。9.如权利要求8所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，形成铝钛成核层时的原子层沉积工艺的循环次数为2～4次。10.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐建华，
申请(专利权)人：中芯国际集成电路制造上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31