[發明專利]柵極堆疊的制造方法和半導體器件

有效

• 申請號: 201010197080.6
• 申請日: 2010-06-03
• 公開（公告）號: CN102270607A
• 公開（公告）日: 2011-12-07
• 發明（設計）人: 鐘匯才;駱志炯;梁擎擎
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所
• 主分類號: H01L21/8238
• 分類號: H01L21/8238;H01L27/092;H01L29/10
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 趙偉

技術領域

本發明涉及半導體領域，尤其涉及半導體器件及其制造方法，更具體地，涉及一種具有犧牲金屬去氧側墻的柵極堆疊的制造方法和一種具有利用所述方法制造出的柵極堆疊結構的半導體器件。

背景技術

傳統的CMOSFET(互補金屬氧化物半導體場效應晶體管)的制造工藝包括先柵(Gate-First)工藝和后柵(Gate-Last)工藝。在32nm工藝和更高級的工藝中，廣泛采用了具有低等效氧化物厚度(EOT)的高K電介質/金屬柵極電極堆疊結構。高K電介質與襯底溝道(通常采用半導體襯底)之間的界面層使得要想獲得EOT＜1nm變得非常困難，因為界面層本身的EOT為大約在傳統的CMOSFET工藝中，采用了犧牲金屬層(如Ta、Ti等)，置于高K電介質和金屬柵極電極之間來去除電介質薄膜中的氧元素。利用這種方法，可以實現具有較低的EOT的柵極堆疊結構。

圖1是示出了根據傳統的先柵工藝制造的半導體器件的示意圖。如圖1所示，根據傳統工藝制造的半導體器件主要包括：半導體襯底100、STI(淺溝槽隔離)110、界面氧化物層120、高K介電層130、犧牲金屬去氧層140和金屬柵電極150，其中STI?110形成在半導體襯底100中，用于實現柵極與源極/漏極之間的隔離；界面氧化物層120形成在半導體襯底100上，高K介電層130形成在界面氧化物層120上，犧牲金屬去氧層140形成在高K介電層130上，金屬柵電極150形成在犧牲金屬去氧層140上，由此，界面氧化物層120、高K介電層130、犧牲金屬去氧層140和金屬柵電極150形成了半導體器件的柵極堆疊結構。在圖1所示的半導體器件中，犧牲金屬去氧層140位于高K介電層130和金屬柵電極150之間。在退火和/或其他工藝步驟之后，犧牲金屬去氧層140將去除高K介電層130中的氧元素，而轉變成金屬氧化物電介質。設置犧牲金屬去氧層140的目的在于：消耗柵極堆疊結構中的氧元素，從而減少襯底所消耗的氧元素，由此使EOT最小。

但是，無論是對于先柵工藝還是后柵工藝，傳統的CMOSFET制造工藝仍然存在下述缺點：

1、由于在通過去氧反應去除電介質層(高K介電層130)中的氧元素之后，犧牲金屬層(犧牲金屬去氧層140)將轉變成金屬氧化物層(電介質層)，而這一層也將被計算為EOT中的一部分，從而導致EOT增加；以及

2、犧牲金屬層可能并未完全轉變成金屬氧化物(電介質層)(例如，由于氧元素并不足以犧牲金屬層的完全轉變)，在這種情況下，可能導致金屬氧化物(電介質層)厚度的不同，而使得不同的器件可能具有不同的功函數。

發明內容

考慮到傳統工藝的上述缺陷，本發明提出了一種具有犧牲金屬去氧側墻的柵極的制造方法，其中以犧牲金屬側墻取代傳統工藝中的犧牲金屬層，沿柵極堆疊結構的側壁設置，以用作犧牲金屬去氧側墻。本發明的柵極堆疊制造方法可以用于先柵工藝和后柵工藝。此外，本發明還提出了一種具有利用所述方法制造出的柵極的半導體器件。

根據本發明的第一方案，提出了一種具有犧牲金屬去氧側墻的柵極堆疊的制造方法，包括：在半導體襯底上形成由界面氧化物層、高K介電層和金屬柵電極上構成的柵極堆疊結構；保形地沉積覆蓋所述半導體襯底和所述柵極堆疊結構的金屬層；以及對所述金屬層進行選擇性刻蝕處理，去除覆蓋所述柵極堆疊結構頂部和所述半導體襯底的所述金屬層，僅保留在所述柵極堆疊結構的外周圍繞所述柵極堆疊結構的犧牲金屬去氧側墻。

優選地，根據本發明的第一方案所述的具有犧牲金屬去氧側墻的柵極堆疊的制造方法還包括：保形地沉積覆蓋所述柵極堆疊結構頂部、所述犧牲金屬去氧側墻頂部和所述半導體襯底的電介質層；以及對所述電介質層進行選擇性刻蝕處理，去除覆蓋所述柵極堆疊結構頂部、所述犧牲金屬去氧側墻頂部和所述半導體襯底的所述電介質層，僅保留在所述犧牲金屬去氧側墻的外周圍繞所述犧牲金屬去氧側墻的電介質側墻。

優選地，在保形地沉積所述金屬層之后，在對所述金屬層進行選擇性刻蝕處理之前，根據本發明的第一方案所述的具有犧牲金屬去氧側墻的柵極的制造方法還包括：保形地沉積覆蓋所述金屬層的電介質層；以及對所述電介質層進行選擇性刻蝕處理，去除覆蓋所述金屬層頂部的所述電介質層，僅保留在犧牲金屬去氧側墻的外周圍繞所述犧牲金屬去氧側墻的電介質側墻。

優選地，根據本發明的第一方案所述的具有犧牲金屬去氧側墻的柵極堆疊的制造方法還包括：在完成去氧反應過程后，全部去除或部分去除所述犧牲金屬去氧側墻，或者在完成去氧反應過程后，全部去除或部分去除所述犧牲金屬去氧側墻和所述電介質側墻。