[發明專利]NMOS器件的N型功函數層及其形成方法及MOSFET結構

有效

• 申請號: 202011084286.8
• 申請日: 2020-10-12
• 公開（公告）號: CN112259449B
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發明（設計）人: 鮑宇;徐建華
• 申請（專利權）人: 上海華力集成電路制造有限公司
• 主分類號: H01L21/28
• 分類號: H01L21/28;H01L21/285;H01L21/8238;H01L29/423;H01L29/49
• 代理公司: 上海浦一知識產權代理有限公司 31211
• 代理人: 張彥敏

本申請提供一種NMOS器件的N型功函數層形成方法，涉及半導體集成電路制造技術，針對NMOS的N型功函數層的PVD工藝，首先形成NMOS的用于形成金屬柵極的凹槽，然后采用低溫PVD工藝沉積一薄層TiAl，作為緩沖層，以減少高溫導致的鋁擴散，然后高溫退火，之后再采用高溫PVD工藝沉積TiAl主體層，較高溫度可增強沉積TiAl粒子在基底表面的移動性，產生回流現象，減小PVD的overhang，改善后續金屬柵極填充的工藝窗口，也即采用兩步PVD沉積，兼顧低溫TiAl對Al擴散的抑制及緩沖能力和高溫TiAl較小的overhang而改善填充效果。

技術領域

本申請涉及半導體集成電路制造技術，具體涉及NMOS器件的N型功函數層形成方法。

背景技術

隨著半導體技術的發展，高工藝節點的半導體器件的柵極結構中通常采用金屬柵(MG)，而柵介質層則通常采用高介電常數層(HK)，HK和MG疊加形成HKMG結構。隨著半導體器件的尺寸的進一步縮小，半導體器件會采用鰭式晶體管結構，鰭式晶體管包括鰭體，鰭體呈納米條或納米片結構，且鰭體由所述半導體襯底刻蝕而成。柵極結構覆蓋在部分長度的鰭體的頂部表面和側面。而源區和漏區則形成在柵極結構兩側的鰭體中。HKMG的柵極結構通常采用柵極替換工藝實現。也即先采用淀積加光刻和刻蝕工藝在所述柵極結構的形成區域形成所述偽柵極結構。所述偽柵極結構通常由柵氧化層和多晶硅柵疊加而成，之后在所述偽柵極結構的側面形成側墻，采用源漏離子注入工藝在所述偽柵極結構兩側形成源區和漏區。完成HKMG之前的所有正面工藝之后，再去除所述偽柵極結構，所述偽柵極結構去除區域會形成凹槽，之后在凹槽中形成HKMG。隨著，器件的尺寸縮小，凹槽會縮小，HKMG的填充厚度會受到限制。通常，在HKMG中，需要采用功函數層，N型半導體器件采用N型功函數層如TiAl，N型功函數層的功函數接近半導體襯底如硅襯底的導帶，有利于降低N型半導體器件的閾值電壓；P型半導體器件采用P型功函數層如TiN，P型功函數層的功函數接近半導體襯底如硅襯底的價帶，有利于降低P型半導體器件的閾值電壓即閾值電壓絕對值。通常，在同一半導體襯底上需要同時集成N型半導體器件和P型半導體器件。這時，需要先形成所述P型功函數層，之后再去除所述N型半導體器件形成區域中的所述P型功函數層，之后再形成N型功函數層，這時，在所述P型半導體器件形成區域中N型功函數層會疊加在所述P型功函數層的表面上，之后再形成所述金屬柵。

現有N型半導體器件的功函數層TiAl一般采用物理氣相沉積PVD(Physical VaporDeposition)工藝形成。由于TiAl中的Al有一定的擴散能力，所以熱預算(thermal budget)需要嚴格控制，一般采用低溫制程，但缺點是低溫PVD會產生較明顯的懸掛膜(overhang)，不利于后續的金屬柵填充。

發明內容

本申請在于提供一種高介電金屬柵極MOSFET結構的形成方法，包括：S1：提供半導體襯底，半導體襯底包括NMOS形成區域和PMOS形成區域，采用偽多晶硅柵的工藝方法在半導體襯底上完成金屬柵之前的工藝，而在半導體襯底的NMOS形成區域的表面形成NMOS的多晶硅柵極結構，在半導體襯底的PMOS形成區域的表面形成PMOS的多晶硅柵極結構，多晶硅柵極結構之間填充有層間介質層，其中各多晶硅柵極結構包括依次疊加的界面層、高介電常數層和底部阻擋層構成的柵介質層，形成于柵介質層之上的多晶硅柵；S2：去除多晶硅柵，形成第一功函數層，所述第一功函數層覆蓋在各所述多晶硅柵去除區域的側面和底部表面并延伸到所述多晶硅柵去除區域之外，并去除部分的所述第一功函數層，保留位于PMOS的多晶硅柵去除區域的第一功函數層，而由第一功函數層形成PMOS的P型功函數層；S3：用低溫PVD工藝沉積第一層TiAl層；S4：進行高溫退火工藝；S5：用高溫PVD工藝沉積第二層TiAl層，第二層TiAl層構成TiAl的主體層，并由經高溫退火工藝后的第一層TiAl層和第二層TiAl層構成NMOS和PMOS區域的N型功函數層；以及S6：在NMOS的N型功函數層上疊加形成頂部阻擋層，并同時在PMOS的N型功函數層上疊加形成頂部阻擋層，形成金屬層，金屬層將多晶硅柵去除區域完全填充，并進行平坦化，形成NMOS的金屬柵和PMOS的金屬柵。