一種柵極及其形成方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種柵極的形成方法，包括：在柵介質(zhì)層上形成單層且摻雜的金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層，以使得目標(biāo)功函數(shù)介于金屬功函數(shù)層與摻雜的粒子的功函數(shù)之間；在金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層上形成其他柵極層。該方法易于進(jìn)行閾值電壓的調(diào)節(jié)，且工藝簡單，無需通過多層金屬柵極來實現(xiàn)，降低了制造成本。
【專利說明】
一種柵極及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，特別涉及一種柵極及其形成方法。【背景技術(shù)】
[0002]隨著器件尺寸的不斷減小，以“高k金屬柵(高k柵介質(zhì)材料和金屬柵極)”技術(shù)為核心的CMOS器件柵工程研究是22納米及以下技術(shù)中最有代表性的核心工藝。
[0003]在高k金屬柵的柵極結(jié)構(gòu)中，通過金屬柵的功函數(shù)來起到調(diào)節(jié)閾值電壓Vt的作用，而為了獲得合適的閾值電壓，通常需要分別淀積多層不同的金屬柵極材料，其工藝復(fù)雜且不宜于實現(xiàn)，尤其是對于立體的鰭式器件，更加不易于實現(xiàn)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的旨在解決上述技術(shù)缺陷，提供一種柵極及其形成方法，簡單且易于進(jìn)行柵極的閾值電壓的調(diào)節(jié)。
[0005]本發(fā)明提供了一種柵極的形成方法，包括:
[0006]在柵介質(zhì)層上形成單層且摻雜的金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層，以使得目標(biāo)功函數(shù)介于金屬功函數(shù)層與摻雜的粒子的功函數(shù)之間；
[0007]在金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層上形成其他柵極層。
[0008]可選的，形成柵介質(zhì)層的步驟包括:
[0009]在半導(dǎo)體襯底或鰭上形成柵介質(zhì)層。
[0010]可選的，所述柵介質(zhì)層形成在開口的內(nèi)壁上，開口為去除偽柵后形成。
[0011]可選的，所述金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層為TiN、TiTa、TiAl或A1203。
[0012]可選的，摻雜的粒子包括:Al、Fe、Mg、N1、W、C、NSH。[〇〇13]在柵介質(zhì)層上形成單層且摻雜的金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層的步驟包括:在淀積金屬功函數(shù)層的同時，通入含有摻雜粒子的氣體，而后進(jìn)行退火。
[0014]在柵介質(zhì)層上形成單層且摻雜的金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層的步驟包括:
[0015]采用原子層沉積工藝，淀積單層的金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層；
[0016]采用化學(xué)氣相沉積工藝，繼續(xù)淀積金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層，并通入含有摻雜粒子的氣體；
[0017]進(jìn)行退火。
[0018]此外，本發(fā)明還提供了一種柵極，包括:
[0019]柵介質(zhì)層；
[0020]柵介質(zhì)層上的金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層，金屬功函數(shù)層中具有摻雜粒子，以使得目標(biāo)功函數(shù)介于金屬功函數(shù)層與摻雜的粒子的功函數(shù)之間；
[0021]金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層上的其他柵極層。
[0022]可選的，所述金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層為TiN、TiTa、TiAl或A1203。
[0023]可選的，摻雜的粒子包括:Al、Fe、Mg、N1、W、C、NSH。
[0024]本發(fā)明實施例提供的柵極及其形成方法，形成了單層的金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層，通過在其中進(jìn)行摻雜，來實現(xiàn)目標(biāo)功函數(shù)的調(diào)節(jié)，通過該方法使金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層具有期望的閾值電壓，易于進(jìn)行閾值電壓的調(diào)節(jié)，且工藝簡單，無需通過多層金屬柵極來實現(xiàn)，降低了制造成本?！靖綀D說明】
[0025]本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點從下面結(jié)合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0026]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的柵極的形成方法的流程圖；
[0027]圖2-4示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的柵極形成方法進(jìn)行器件加工的各個形成階段的結(jié)構(gòu)示意圖?！揪唧w實施方式】
[0028]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
[0029]本發(fā)明提出了一種柵極的形成方法，參考圖1所示，包括:在柵介質(zhì)層上形成單層的金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層；對金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層進(jìn)行摻雜，以使得目標(biāo)功函數(shù)介于金屬功函數(shù)層與摻雜的粒子的功函數(shù)之間；在金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層上形成接觸金屬層。
[0030]在本發(fā)明中，形成了單層的金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層，通過在其中進(jìn)行摻雜，來實現(xiàn)目標(biāo)功函數(shù)的調(diào)節(jié)，通過該方法使金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層具有期望的閾值電壓，易于進(jìn)行閾值電壓的調(diào)節(jié)，且工藝簡單，無需通過多層金屬柵極來實現(xiàn)，降低了制造成本。
[0031]本發(fā)明中的柵極可以形成在平面器件、立體器件及納米線器件等，平面器件在半導(dǎo)體襯底上形成器件的柵介質(zhì)層及柵極，立體器件如鰭式場效應(yīng)晶體管，在鰭上形成器件的柵介質(zhì)層及柵極，納米線器件在納米線上形成器件的柵介質(zhì)層及柵極。該形成方法可以是前柵工藝中形成的柵極，也可以是在后柵工藝中去除偽柵后形成的柵極。
[0032]為了更好的理解本發(fā)明的技術(shù)方案和技術(shù)效果，以下將結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明的實施例進(jìn)行詳細(xì)的描述，在下述實施例中，為在鰭式場效應(yīng)晶體管的后柵工藝中形成柵極。[〇〇33]首先，形成偽柵器件。
[0034]具體的，可以通過以下步驟形成偽柵器件。
[0035]首先，提供半導(dǎo)體襯底100,參考圖2所不。
[0036]在本發(fā)明實施例中，所述半導(dǎo)體襯底100可以為Si襯底、Ge襯底等。在其他實施例中，還可以為包括其他元素半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體的襯底，例如GaAs、InP或SiC等，還可以為疊層結(jié)構(gòu)，例如Si/SiGe等。在本實施例中，所述半導(dǎo)體襯底100為體硅襯底。
[0037]接著，可以通過在體硅的襯底100上形成氮化硅的第一硬掩膜(圖未示出)；而后，采用刻蝕技術(shù)，例如RIE (反應(yīng)離子刻蝕)的方法，刻蝕襯底100來形成鰭100,從而形成了襯底1〇〇上的鰭102,參考圖2所示。
[0038]而后，進(jìn)行填充二氧化硅的隔離材料(圖未示出)，并進(jìn)行化學(xué)機(jī)械平坦化，以第一硬掩膜為停止層；而后，可以使用濕法腐蝕，如高溫磷酸去除氮化硅的硬掩膜；接著，使用氫氟酸腐蝕去除一定厚度的隔離材料，保留部分的隔離材料在鰭之間，從而形成了隔離層104,參考圖2所示。
[0039]接著，分別淀積偽柵介質(zhì)材料和偽柵材料，偽柵介質(zhì)材料可以為熱氧化層或高k 介質(zhì)材料等，在本實施例中可以為二氧化硅，可以通過熱氧化的方法來形成。偽柵材料可以為非晶硅、多晶硅等，本實施例中，為非晶硅。圖案化后形成偽柵介質(zhì)層和偽柵極(圖未示出)。
[0040]而后，在偽柵極的側(cè)壁上形成側(cè)墻，側(cè)墻可以具有單層或多層結(jié)構(gòu)，可以由氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、碳化硅、氟化物摻雜硅玻璃、低k電介質(zhì)材料及其組合，和/或其他合適的材料形成。
[0041]接著，可以通過選擇性外延工藝在鰭的端部外延生長源漏區(qū)，同時進(jìn)行原位摻雜， 并進(jìn)行激活，從而形成源漏區(qū)。也可以通過摻雜注入，并進(jìn)行退火激活，在鰭的兩端中形成源漏區(qū)。
[0042]而后，接著覆蓋層間介質(zhì)層的材料，例如未摻雜的氧化硅(Si02)、摻雜的氧化硅 (如硼硅玻璃、硼磷硅玻璃等)、氮化硅(Si3N4)或其他低k介質(zhì)材料；而后，進(jìn)行平坦化，例如化學(xué)機(jī)械研磨，直到暴露出偽柵極，從而形成層間介質(zhì)層。
[0043]至此，形成了偽柵器件。
[0044]接著，去除偽柵介質(zhì)層和偽柵極，以形成開口。
[0045]具體的，可以使用刻蝕技術(shù)，例如使用濕法腐蝕去除非晶硅的偽柵極，并進(jìn)一步的去除偽柵介質(zhì)層，直至暴露出鰭的表面，從而，在偽柵極的區(qū)域形成了暴露鰭的開口。
[0046]而后，進(jìn)一步進(jìn)行柵介質(zhì)層110和金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層112的形成，如圖2所示。
[0047]通常的，在淀積柵介質(zhì)層之前，可以在鰭的表面上先形成界面層(圖未示出)，該界面層可以通過快速氧化來形成，以提高器件的界面特性。而后，進(jìn)行柵介質(zhì)層110的淀積，所述柵介質(zhì)層可以為高k介質(zhì)材料(例如，和氧化硅相比，具有高介電常數(shù)的材料)或其他合適的介質(zhì)材料，高k介質(zhì)材料例如鉿基氧化物，HF02、HfS1、HfS1N、HfTaO、HfT1 等，所述金屬柵電極可以為一層或多層結(jié)構(gòu)，可以包括金屬材料或多晶硅或他們的組合，在本實施例中，界面層的厚度為〇.7nm，柵介質(zhì)層為HF02,其厚度可以為2.5nm。
[0048]接著，進(jìn)行金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層112的淀積。
[0049]在本發(fā)明中，該金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層112為單層結(jié)構(gòu)，即為由某一功函數(shù)的材料層形成，目標(biāo)功函數(shù)介于金屬功函數(shù)層與摻雜的粒子的功函數(shù)之間，該金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層為金屬柵極中主要起到調(diào)節(jié)功函數(shù)的材料層，例如可以為TiN、TiTa、TiAl或A1203等，厚度范圍可以為3-1〇111]1，摻雜的粒子可以包括八1、？6、]\%、附或1等金屬粒子，還可以包括(]、1'1或 H等非金屬粒子。在形成該具有摻雜的金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層時，可以在淀積工藝的同時，通入具有摻雜粒子的氣體，在淀積的同時，使得金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層中形成摻雜的粒子，在淀積完成后，通過退火來激活摻雜，從而形成具有均勻摻雜的金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層。其中，目標(biāo)功函數(shù)介于金屬功函數(shù)層與摻雜的粒子的功函數(shù)之間，可以根據(jù)目標(biāo)功函數(shù)以及金屬功函數(shù)層的功函數(shù)來選擇合適的摻雜粒子，以獲得所需的功函數(shù)，該方法在金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層中形成了均勻的摻雜，進(jìn)而得到穩(wěn)定的閾值電壓的特性，無需多次淀積不同功函數(shù)的材料來進(jìn)行功函數(shù)的調(diào)節(jié)，工藝簡單易行。
[0050]在本實施例中，該金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層112為TiN，在具體形成該TiN的金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層時，首先，采用原子層沉積(ALD)工藝，淀積單層的金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層，厚度可以為 1.5nm，該ALD工藝形成的TiN的薄層具有較致密的結(jié)構(gòu)，可以充當(dāng)后續(xù)淀積及摻雜的阻擋層，以避免摻雜的粒子進(jìn)行柵介質(zhì)層及溝道區(qū)域；接著，采用化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝，繼續(xù)淀積TiN的金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層，其中，TiN的有效功函數(shù)為4.7eV，若目標(biāo)功函數(shù)(期望調(diào)整到的功函數(shù))為4.3eV，可以選擇A1的摻雜粒子，本實施例中，可以通入氟化鋁的氣體，流量可以為7L/min，而后，進(jìn)行退火工藝，以激活摻雜，退火后可以獲得大致為4.3eV的有效功函數(shù)的功函數(shù)調(diào)節(jié)層。
[0051]接著，進(jìn)行其他柵極層的填充。
[0052]在本實施例中，進(jìn)行接觸柵極層114的填充，如圖4所示，該接觸柵極層114可以為W、多晶硅、A1或W和Cu的混合結(jié)構(gòu)等。而后，可以通過平坦化工藝，去除開口外的柵介質(zhì)層、金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層以及其他柵極層，從而在開口中重新形成了柵介質(zhì)層和柵極。
[0053]至此，在鰭式場效應(yīng)晶體管的后柵工藝中，在鰭上形成了替代的柵極，該柵極中包括單層且摻雜的金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層，通過該層進(jìn)行器件功函數(shù)的調(diào)節(jié)，工藝簡單易行，且可控性強(qiáng)。
[0054]此外，本發(fā)明還提供了由上述方法形成的柵極，參考圖4所示，該柵極包括:柵介質(zhì)層110 ;柵介質(zhì)層110上的金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層112,金屬功函數(shù)層112中具有摻雜粒子，以使得目標(biāo)功函數(shù)介于金屬功函數(shù)層與摻雜的粒子的功函數(shù)之間；金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層112上的其他柵極層114。
[0055]在本發(fā)明的實施例中，所述金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層可以為TiN、TiTa、TiAl或A1203，摻雜的粒子可以包括:Al、Fe、Mg、Ni或W等金屬粒子，還可以包括C、N或H等非金屬粒子。
[0056]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。
[0057]雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此， 凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種柵極的形成方法，其特征在于，包括:在柵介質(zhì)層上形成單層且摻雜的金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層，以使得目標(biāo)功函數(shù)介于金屬功函 數(shù)層與摻雜的粒子的功函數(shù)之間；在金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層上形成其他柵極層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，形成柵介質(zhì)層的步驟包括:在半導(dǎo)體襯底或鰭上形成柵介質(zhì)層。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述柵介質(zhì)層形成在開口的內(nèi)壁上，開口 為去除偽柵后形成。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層為TiN、TiTa、TiAl 或 A1203。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，摻雜的粒子包括:Al、Fe、Mg、N1、W、C、NSH〇6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的方法，其特征在于，在柵介質(zhì)層上形成單層且摻 雜的金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層的步驟包括:在淀積金屬功函數(shù)層的同時，通入含有摻雜粒子的氣 體，而后進(jìn)行退火。7.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的方法，其特征在于，在柵介質(zhì)層上形成單層且摻 雜的金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層的步驟包括:采用原子層沉積工藝，淀積單層的金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層；采用化學(xué)氣相沉積工藝，繼續(xù)淀積金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層，并通入含有摻雜粒子的氣體； 進(jìn)行退火。8.—種柵極，其特征在于，包括:柵介質(zhì)層；柵介質(zhì)層上的金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層，金屬功函數(shù)層中具有摻雜粒子，以使得目標(biāo)功函數(shù) 介于金屬功函數(shù)層與摻雜的粒子的功函數(shù)之間；金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層上的其他柵極層。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的柵極，其特征在于，所述金屬功函數(shù)調(diào)節(jié)層為TiN、TiTa、TiAl 或 A1203。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的柵極，其特征在于，摻雜的粒子包括:Al、Fe、Mg、N1、W、C、N或H。
【文檔編號】H01L29/10GK105990403SQ201510048272
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年1月29日
【發(fā)明人】張青竹, 殷華湘, 閆江, 李俊峰, 楊濤, 劉金彪, 徐秋霞
【申請人】中國科學(xué)院微電子研究所