Nmos晶體管及其形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，尤其涉及一種NM0S晶體管及其形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著半導(dǎo)體器件的特征尺寸的減小，為了大幅度減小柵隧穿電流和柵電阻，消除 多晶硅耗盡效應(yīng)，提高器件可靠性，緩解費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)，采用高K (介電常數(shù)）介質(zhì)層/ 金屬柵結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Si02/poly-Si (氧化硅/多晶硅）柵結(jié)構(gòu)已成為業(yè)界的共識(shí)，金屬 柵極技術(shù)得到廣泛地發(fā)展。
[0003] 金屬柵極技術(shù)包括先形成柵（Gate-first)工藝和后形成柵（Gate-last)工藝。 Gate-first工藝是指在對(duì)硅片進(jìn)行漏/源區(qū)離子注入以及隨后的高溫退火步驟之前形成金 屬柵極，Gate-last工藝則與之相反。由于Gate-first工藝中金屬柵極需經(jīng)受高溫工序，該 工藝可能會(huì)引起熱穩(wěn)定性和閾值電壓漂移等問題，因此在工藝節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步減小的過程中， Gate-last工藝成為主流。
[0004] 在采用金屬柵極技術(shù)時(shí)，NM0S晶體管的功函數(shù)層存在不同的形成工藝。業(yè)界趨向 于采用高溫方法形成NM0S晶體管的功函數(shù)層。
[0005] 但是，現(xiàn)有NM0S晶體管的形成方法工藝難度高，且形成的功函數(shù)層質(zhì)量不理想， 無法滿足相應(yīng)的工藝需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明解決的問題是提供一種NM0S晶體管及其形成方法，以降低NM0S晶體管的 制作工藝難度，并且提高NM0S晶體管中功函數(shù)層的質(zhì)量，從而提高NM0S晶體管的性能。
[0007] 為解決上述問題，本發(fā)明提供一種NM0S晶體管的形成方法，包括：
[0008] 提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上具有層間介質(zhì)層，所述層間介質(zhì)層中具有凹 槽；
[0009] 在所述凹槽底部形成界面層；
[0010] 在所述界面層上形成高k介質(zhì)層；
[0011] 在所述高k介質(zhì)層上形成帽蓋層；
[0012] 在所述帽蓋層上形成粘附層；
[0013] 在所述粘附層上形成功函數(shù)層；
[0014] 在所述功函數(shù)層上形成金屬柵極，所述金屬柵電極填充滿所述凹槽。
[0015] 可選的，采用原子層沉積法形成所述粘附層。
[0016] 可選的，所述原子層沉積法使用的溫度范圍為400°C~550°C。
[0017] 可選的，所述粘附層材料為TiAlC或TaAlC。
[0018] 可選的，所述粘附層厚度范圍為j〇.A~20入。
[0019] 可選的，采用原子層沉積法形成所述功函數(shù)層。
[0020] 可選的，所述原子層沉積法采用的溫度范圍為80°C~150°C。
[0021] 可選的，所述功函數(shù)層的材料為TiAl。
[0022] 可選的，所述功函數(shù)層厚度范圍為3 〇 A~40 A。
[0023] 可選的，在所述高k介質(zhì)層上形成帽蓋層后，且在所述帽蓋層上形成所述粘附層 前，還包括在所述帽蓋層上形成停止層的步驟，所述粘附層形成在所述停止層上。
[0024] 可選的，在所述粘附層上形成所述功函數(shù)層后，且在所述功函數(shù)層上形成所述金 屬柵極前，還包括在所述功函數(shù)層上形成阻擋層的步驟，所述金屬柵極形成在所述阻擋層 上。
[0025] 可選的，還包括對(duì)所述功函數(shù)金屬層進(jìn)行離子注入的步驟。
[0026] 為解決上述問題，本發(fā)明還提供了一種NM0S晶體管，包括：
[0027] 半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上具有層間介質(zhì)層，所述層間介質(zhì)層中具有凹槽；
[0028] 位于所述凹槽底部的界面層；
[0029] 位于所述界面層上的高k介質(zhì)層；
[0030] 位于所述高k介質(zhì)層上的帽蓋層；
[0031] 位于所述帽蓋層上的粘附層；
[0032] 位于所述粘附層上的功函數(shù)層；
[0033] 位于所述功函數(shù)層上的金屬柵極，所述金屬柵電極填充滿所述凹槽。
[0034] 可選的，所述粘附層材料為TiAlC或TaAlC。
[0035] 可選的，所述粘附層厚度范圍為1〇人~2:〇1,
[0036] 可選的，所述功函數(shù)層的材料為TiAl。
[0037] 可選的，所述功函數(shù)層厚度范圍為3〇A~4()A。
[0038] 可選的，還包括位于所述功函數(shù)層和所述金屬柵極之間的停止層。
[0039] 可選的，還包括位于所述高k介質(zhì)層和所述帽蓋層之間的阻擋層。
[0040] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0041] 本發(fā)明的技術(shù)方案中，在形成高k介質(zhì)層之后，先形成粘附層，然后在粘附層上形 成功函數(shù)層，之后才形成金屬柵極。由于粘附層能夠增強(qiáng)了功函數(shù)層與其它結(jié)構(gòu)的粘附作 用，因此形成粘附層可以防止功函數(shù)層發(fā)生剝離現(xiàn)象，不僅降低了 NM0S晶體管的制作工藝 難度，而且提高了 NM0S晶體管中功函數(shù)層的質(zhì)量，提高了 NM0S晶體管的性能。
[0042] 進(jìn)一步，功函數(shù)層采用原子層沉積方法形成，因此功函數(shù)層具有近于100%的臺(tái)階 覆蓋率，進(jìn)一步加強(qiáng)了功函數(shù)層與粘附層之間的粘附作用。
【附圖說明】
[0043] 圖1是現(xiàn)有NM0S晶體管不意圖；
[0044] 圖2至圖6是本發(fā)明實(shí)施例所提供的NM0S晶體管的形成方法各步驟對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)示 意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0045] 圖1為目前常見的一種NM0S晶體管示意圖。所述NM0S晶體管包括半導(dǎo)體襯底 (半導(dǎo)體襯底未示出，同樣未示出的還包括位于所述半導(dǎo)體襯底中的源區(qū)和漏區(qū)等結(jié)構(gòu)）， 所述半導(dǎo)體襯底上具有層間介質(zhì)層101，層間介質(zhì)層101中具有凹槽（未示出）。所述NMOS 晶體管還包括位于凹槽底部的界面層111，位于所述界面層111上的高k介質(zhì)層121，位于 所述高k介質(zhì)層121上的帽蓋層131，位于帽蓋層131上的停止層141，位于停止層141上的 功函數(shù)層151，位于功函數(shù)層151上的阻擋層161，以及位于阻擋層161上的金屬柵極171， 金屬柵電極171填充滿所述凹槽。
[0046] NM0S晶體管的功函數(shù)層存在不同的形成工藝。其中一種功函數(shù)層151的形成工藝 為：采用低溫原子氣相沉積法（ALD)形成TiAl作為NM0S晶體管的功函數(shù)層。但是這種工 藝形成的功函數(shù)層質(zhì)量較差，與其它層之間會(huì)出現(xiàn)剝離問題（peeling issue)。另一種功函 數(shù)層151的形成工藝為：采用高溫原子氣相沉積法形成TiAlC或者TaAlC作為NM0S晶體管 的功函數(shù)層。但是這種工藝形成的功函數(shù)層中碳含量太高，導(dǎo)致電阻太大，造成閾值電壓上 升。
[0047] 為此，本發(fā)明提供一種新的NM0S晶體管的形成方法，所述形成方法在形成功函數(shù) 層之前，先形成粘附層，所述粘附層能夠增強(qiáng)后續(xù)形成的功函數(shù)層與其它層結(jié)構(gòu)的粘附作 用，從而降低了 NM0S晶體管的制作工藝難度，并提高NM0S晶體管功函數(shù)層的質(zhì)量，此外，所 述粘附層本身也具有初步調(diào)節(jié)功函數(shù)的作用，從而使所形成的NM0S晶體管性能進(jìn)一步提 商。
[0048] 為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明 的具體實(shí)施例做詳細(xì)的說明。
[0049] 本發(fā)明實(shí)施例提供一種NM0S晶體管的形成方法，請(qǐng)結(jié)合參考圖2至圖6。
[0050] 請(qǐng)參考圖2,提供半導(dǎo)體襯底（未示出），所述半導(dǎo)體襯底上具有層間介質(zhì)層201， 層間介質(zhì)層201中具有凹槽2011 (凹槽2011的底部為部分所述半導(dǎo)體襯底上表面）。
[0051] NM0S晶體管的形成方法分為多種，主要分為先柵極（gate first)和后柵極（gate late),其中后柵極又分為先高K(high K first)和后高K(high K last),本實(shí)施例提供一種 后高K后金屬柵極的形成。具體的，本實(shí)施例中，帶有凹槽2011的層間介質(zhì)層201形成過 程可以為：在所述半導(dǎo)體襯底上形成偽柵結(jié)構(gòu)；在所述偽柵結(jié)構(gòu)兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底中形成 源區(qū)和漏區(qū)；在所述半導(dǎo)體襯底上形成覆蓋所述源區(qū)和漏區(qū)的層間介質(zhì)層201，所述層間 介質(zhì)層201上表面與所述偽柵結(jié)構(gòu)齊平；去除所述偽柵結(jié)構(gòu)，以在層間介質(zhì)層201中形成凹 槽 2011。
[0052] 本實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體襯底為硅襯底。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體襯 底也可以為鍺硅襯底、III- V族元素化合物襯底、碳化硅襯底或其疊層結(jié)構(gòu)襯底，或絕緣體 上硅襯底，還可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其他半導(dǎo)體襯底。
[0053] 請(qǐng)參考圖3,在凹槽2011底部形成界面層211。
[0054] 本實(shí)施例中，界面層211為氧化硅，可以采用化學(xué)氧化法或者熱氧化法在襯底上 直接形成界面層211。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，界面層211也可以為其它具有低介電常數(shù) 的材料制作而成，例如氧化鑭（L 203)。界面層211能夠提高溝道（trench)載流子遷移率， 并可以修復(fù)所述半導(dǎo)體襯底在形成凹槽2011的刻蝕過程受到的損傷。
[0055] 請(qǐng)繼續(xù)參考圖3,在界面層211上形成高k介質(zhì)層221。
[0056] 本實(shí)施例中，具體在界面層211上和凹槽2011側(cè)壁形成高k介質(zhì)層221。高k介 質(zhì)層221的材料可以為氧化鉿（Hf0 2)、硅氧化鉿（HfSiO)、氮氧化鉿（HfON)、氮氧化鉿硅 (HfSiON),氧化鑭（La203)、氧化錯(cuò)（Zr02)、娃氧化錯(cuò)（ZrSiO)、氧化鈦（Ti0 2)和氧化釔（Y203) 中的一種或多種的任意組合。高k介質(zhì)層221可以采用濺射、脈沖激光沉積法（Pulsed Laser Deposition，PLD)、金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀法（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)、原子層沉積法（Atomic layer deposition，ALD)或其他合適的 方法形成。
[0057] 請(qǐng)參考圖4,在高k介質(zhì)層221上形成帽蓋層231。
[0058] 本實(shí)施例中，具體在高k介質(zhì)層221的側(cè)面和底部上表面形成帽蓋層231。帽蓋層 231的材料可以是砷化銦鎵或砷化銦鋁，帽蓋層231可以避免后續(xù)工藝對(duì)高k介質(zhì)層221造 成損傷，并防止后續(xù)形成的層結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到高k介質(zhì)層221，也防止高k介質(zhì)層221擴(kuò)散到其 它層結(jié)構(gòu)，即防止高k介質(zhì)層221與其它層結(jié)構(gòu)發(fā)生交叉擴(kuò)散?？芍?，形成帽蓋層231能夠 保護(hù)高k介質(zhì)層221，從而使得形成的NM0S晶體管性能更加穩(wěn)定。
[0059] 請(qǐng)參考圖5,在帽蓋層231上形成停止層241。
[0060] 本實(shí)施例中，停止層241的材料可以為TiN和TaN的至少其中之一。停止層241 的作用是出于工藝需要，具體的，通常NM0S晶體管和PM0S晶體管成對(duì)的形成以構(gòu)成CMOS 晶體管。由于PM0S晶體管和NM0S晶體管的閾值電壓不同，因此，PM0S晶體管和NM0S晶體 管需要采用功函數(shù)不同的功函數(shù)層。因此，兩者的功函數(shù)層需要分別制作。當(dāng)先形成PM0S 晶體管的功函數(shù)層時(shí)，就需要先采用填充材料填充NM0S晶體管的凹槽2011。后續(xù)重新刻蝕 去除填充材料，以重新顯露出NM0S晶體管的凹槽2011。為了重新刻蝕去除填充材料以重新 顯露出凹槽2011時(shí)，不對(duì)已經(jīng)形成在凹槽2011內(nèi)的高k介質(zhì)層221和帽蓋層231等結(jié)構(gòu) 造成破壞，本實(shí)施例在帽蓋層231上形成停止層241，這樣，后續(xù)的刻蝕工藝就能夠以停止 層241為刻蝕終點(diǎn)，從而保護(hù)高k介質(zhì)層221和帽蓋層231等結(jié)構(gòu)。
[0061] 需要說明的是，在本發(fā)明的其