NMOS晶體管及其制作方法技術(shù)

一種NMOS晶體管及其制作方法，在鈦基化合物功函數(shù)層與鎢金屬柵擴散阻擋層之間引入硼離子擴散阻擋層，切斷了鈦基化合物功函數(shù)層中含Cl副產(chǎn)物對鎢金屬柵極形成引入的B的吸附，因而避免了由B引入導(dǎo)致的鈦基化合物功函數(shù)層的功函數(shù)向變大方向漂移。此外，硼離子擴散阻擋層不占用較多空間，有利于凹槽中后續(xù)其余材質(zhì)的填充，隨著半導(dǎo)體器件尺寸不斷減小，此種好處尤為明顯。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及半導(dǎo)體制造
，尤其涉及一種NMOS晶體管及其制作方法。
技術(shù)介紹
半導(dǎo)體制造，尤其超大規(guī)模集成電路中，其主要器件是金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOS晶體管)。自從MOS晶體管問世以來，其幾何尺寸按照摩爾定律不斷減小，然而器件的物理極限會導(dǎo)致器件按比例縮小變得越來越困難。其中，在MOS晶體管制造領(lǐng)域，最具挑戰(zhàn)的是傳統(tǒng)的MOS工藝在器件按比例縮小過程中由于多晶硅、二氧化硅柵介質(zhì)層的厚度減小所帶來的柵極向襯底的漏電流問題。為解決上述問題，現(xiàn)有技術(shù)中通過高K(介電常數(shù))柵介質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二氧化硅柵介質(zhì)材料，并使用金屬作為匹配的柵極。對于NMOS晶體管，為控制門限電壓，現(xiàn)有技術(shù)中采用了功函數(shù)層來調(diào)節(jié)金屬柵極的功函數(shù)，使其處于預(yù)期的門限電壓范圍，例如4.0eV～4.3eV內(nèi)。鈦基化合物的功函數(shù)層以及鎢的金屬柵極是一種常用的搭配。然而，實際使用表明，上述搭配調(diào)節(jié)的功函數(shù)經(jīng)常出現(xiàn)向變大方向漂移。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)解決的問題是如何避免NMOS晶體管中，鈦基化合物的功函數(shù)層以及鎢的金屬柵極調(diào)節(jié)的功函數(shù)出現(xiàn)向變大方向漂移。為解決上述問題，本專利技術(shù)的一方面提供一種NMOS晶體管，包括：半導(dǎo)體襯底、位于所述半導(dǎo)體襯底表面的柵極結(jié)構(gòu)以及位于所述柵極結(jié)構(gòu)兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底內(nèi)的源漏區(qū)；其中，所述柵極結(jié)構(gòu)至少包括：高K柵介質(zhì)層、位于所述高K柵介質(zhì)層上的功函數(shù)層、位于功函數(shù)層上的金屬柵擴散阻擋層以及位于所述金屬柵擴散阻擋層上的金屬柵極；所述功
函數(shù)層材質(zhì)為鈦基化合物，所述金屬柵極材質(zhì)為鎢；此外，所述功函數(shù)層與所述金屬柵擴散阻擋層之間具有硼離子擴散阻擋層。可選地，所述硼離子擴散阻擋層材質(zhì)為鉭基化合物、鈦基化合物功函數(shù)層的氧化物、鈦基化合物功函數(shù)層的氮化物中的至少一種。可選地，所述柵極結(jié)構(gòu)還包括位于所述高K柵介質(zhì)層與功函數(shù)層之間的帽層與功函數(shù)層刻蝕停止層，其中，所述帽層位于高K柵介質(zhì)層的表面。可選地，所述帽層的材質(zhì)為La2O3、Al2O3、Ga2O3、In2O3、MoO、Pt、Ru、TaCNO、Ir、TaC、MoN、WN、TixN1-x中的至少一種，厚度范圍為可選地，所述功函數(shù)層刻蝕停止層的材質(zhì)為TaN、Ta、TaAl中的至少一種，厚度范圍為可選地，所述功函數(shù)層的材質(zhì)為Ti、Al、TixAl1-x、TiC、TiAlC的至少一種，厚度范圍為可選地，所述硼離子擴散阻擋層的材質(zhì)為TaN、TaC、TaAl的至少一種，厚度范圍為可選地，所述高K柵介質(zhì)層的材質(zhì)為La2O3、BaZrO3、HfZrO、HfZrON、HfLaO、HfSiO、HfSiON、LaSiO、AlSiO、HfTaO、HfTiO、BaO、TiO、Ti2O3、TiO2、SrO、Al2O3、Si3N4中的至少一種，厚度范圍為可選地，所述柵極結(jié)構(gòu)兩側(cè)具有側(cè)墻。可選地，所述側(cè)墻的材質(zhì)為氮化硅、氮氧化硅、硼氮氧化硅、碳氮氧化硅或二氧化硅，厚度范圍為可選地，所述NMOS晶體管為平面型晶體管或鰭式場效應(yīng)晶體管。本專利技術(shù)的另一方面提供了三種NMOS晶體管的制作方法，第一種制作方法包括：提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上表面自下而上形成一氧化硅層以及多晶硅層；干法刻蝕所述氧化硅層以及多晶硅層以形成偽柵極氧化層以及偽柵極；在所述偽柵極氧化層以及偽柵極側(cè)壁形成側(cè)墻，以所述側(cè)墻為掩膜對所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行離子注入以形成源漏區(qū)；在所述偽柵極、側(cè)墻以及已形成源漏區(qū)的半導(dǎo)體襯底上形成介質(zhì)層，并化學(xué)機械研磨所述介質(zhì)層至所述偽柵極的頂部暴露出；去除所述偽柵極以及偽柵極氧化層以形成凹槽，在所述凹槽內(nèi)以及凹槽外的介質(zhì)層上表面至少依次沉積高K氧化層、功函數(shù)層、硼離子擴散阻擋層、金屬柵擴散阻擋層以及金屬并研磨去除凹槽外多余的材質(zhì)，所述凹槽內(nèi)的高K氧化層與金屬分別形成高K柵介質(zhì)層、金屬柵極；其中，所述功函數(shù)層材質(zhì)為鈦基化合物，通過攜帶Al、C的氣體與TiCl化合物反應(yīng)生成，所述金屬柵極材質(zhì)為鎢，先通過WF6與SiH4反應(yīng)成核，后經(jīng)B2H6處理生成。可選地，所述硼離子擴散阻擋層的形成方法為：沉積鉭基化合物、對所述鈦基化合物功函數(shù)層進(jìn)行低溫氧化處理以形成氧化物、或?qū)λ鲡伝衔锕瘮?shù)層進(jìn)行低溫氮化處理或氮等離子體處理以形成氮化物。可選地，對所述鈦基化合物功函數(shù)層進(jìn)行低溫氧化處理以形成氧化物的工藝條件為：溫度范圍300℃～500℃，O2與N2的比例小于3:17，壓強范圍為1torr～5torr；對所述鈦基化合物功函數(shù)層進(jìn)行低溫氮化處理或氮等離子體處理以形成氮化物的工藝條件為：溫度范圍300℃～500℃，等離子源功率小于500W，N2與NH3的比例小于3:17，壓強范圍為1torr～5torr。第二種制作方法包括：提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上表面自下而上形成一高K氧化層以及多晶硅層；干法刻蝕所述高K氧化層以及多晶硅層以形成高K柵介質(zhì)層以及偽柵極；在所述高K柵介質(zhì)層以及偽柵極側(cè)壁形成側(cè)墻，以所述側(cè)墻為掩膜對所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行離子注入以形成源漏區(qū)；在所述偽柵極、側(cè)墻以及已形成源漏區(qū)的半導(dǎo)體襯底上形成介質(zhì)層，并化學(xué)機械研磨所述介質(zhì)層至所述偽柵極的頂部暴露出；去除所述偽柵極以形成凹槽，在所述凹槽內(nèi)以及凹槽外的介質(zhì)層上表面至少依次沉積功函數(shù)層、硼離子擴散阻擋層、金屬柵擴散阻擋層以及金屬并研磨去除凹槽外多余的材質(zhì)，所述凹槽內(nèi)的金屬形成金屬柵極；其中，所述功函數(shù)層材質(zhì)為鈦基化合物，通過攜帶Al、C的氣體與TiCl化合物反應(yīng)生成，所述金屬柵極材質(zhì)為鎢，先通過WF6與SiH4反應(yīng)成核，后經(jīng)B2H6處理生成。可選地，所述硼離子擴散阻擋層的形成方法為：沉積鉭基化合物、對所述鈦基化合物功函數(shù)層進(jìn)行低溫氧化處理以形成氧化物、或?qū)λ鲡伝衔锕瘮?shù)層進(jìn)行低溫氮化處理或氮等離子體處理以形成氮化物。可選地，對所述鈦基化合物功函數(shù)層進(jìn)行低溫氧化處理以形成氧化物的工藝條件為：溫度范圍300℃～500℃，O2與N2的比例小于3:17，壓強范圍為1torr～5torr；對所述鈦基化合物功函數(shù)層進(jìn)行低溫氮化處理或氮等離子體處理以形成氮化物的工藝條件為：溫度范圍300℃～500℃，等離子源功率小于500W，N2與NH3的比例小于3:17，壓強范圍為1torr～5torr。第三種制作方法包括：提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上表面形成一介質(zhì)層；干法刻蝕所述介質(zhì)層以形成一凹槽，所述凹槽的底部暴露出所述半導(dǎo)體襯底；在所述凹槽內(nèi)以及凹槽外的介質(zhì)層上至少依次沉積高K氧化層、功函數(shù)層、硼離子擴散阻擋層、金屬柵擴散阻擋層以及金屬并研磨去除凹槽外多余的材質(zhì)，所述凹槽內(nèi)的高K氧化層與金屬分別形成高K柵介質(zhì)層、金屬柵極；其中，所述功函數(shù)層材質(zhì)為鈦基化合物，通過攜帶Al、C的氣體與TiCl化合物反應(yīng)生成，所述金屬柵極材質(zhì)為鎢，先通過WF6與SiH4反應(yīng)成核，后經(jīng)B2H6處理生成；去除介質(zhì)層，并在所述高K柵介質(zhì)層以及金屬柵極側(cè)壁形成側(cè)墻，以所
述側(cè)墻為掩膜對所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行離子注入以形成源漏區(qū)。可選地，所述硼離子擴散阻擋層的形成方法為：沉積鉭基化合物、對所述鈦基化合物功函數(shù)層進(jìn)行低溫氧化處理以形成氧化物、或?qū)λ鲡伝衔锕瘮?shù)層進(jìn)行低溫氮化處理或氮等離子體處理以形成氮化物。可選地，對所述鈦基化合物功函數(shù)層進(jìn)行低溫氧化處理以形成氧化物的工藝本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種NMOS晶體管，包括：半導(dǎo)體襯底、位于所述半導(dǎo)體襯底表面的柵極結(jié)構(gòu)以及位于所述柵極結(jié)構(gòu)兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底內(nèi)的源漏區(qū)；其中，所述柵極結(jié)構(gòu)至少包括：高K柵介質(zhì)層、位于所述高K柵介質(zhì)層上的功函數(shù)層、位于功函數(shù)層上的金屬柵擴散阻擋層以及位于所述金屬柵擴散阻擋層上的金屬柵極；所述功函數(shù)層材質(zhì)為鈦基化合物，所述金屬柵極材質(zhì)為鎢；其特征在于，所述功函數(shù)層與所述金屬柵擴散阻擋層之間具有硼離子擴散阻擋層。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種NMOS晶體管，包括：半導(dǎo)體襯底、位于所述半導(dǎo)體襯底表面的柵極結(jié)構(gòu)以及位于所述柵極結(jié)構(gòu)兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底內(nèi)的源漏區(qū)；其中，所述柵極結(jié)構(gòu)至少包括：高K柵介質(zhì)層、位于所述高K柵介質(zhì)層上的功函數(shù)層、位于功函數(shù)層上的金屬柵擴散阻擋層以及位于所述金屬柵擴散阻擋層上的金屬柵極；所述功函數(shù)層材質(zhì)為鈦基化合物，所述金屬柵極材質(zhì)為鎢；其特征在于，所述功函數(shù)層與所述金屬柵擴散阻擋層之間具有硼離子擴散阻擋層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的NMOS晶體管，其特征在于，所述硼離子擴散阻擋層材質(zhì)為鉭基化合物、鈦基化合物功函數(shù)層的氧化物、鈦基化合物功函數(shù)層的氮化物中的至少一種。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的NMOS晶體管，其特征在于，所述柵極結(jié)構(gòu)還包括位于所述高K柵介質(zhì)層與功函數(shù)層之間的帽層與功函數(shù)層刻蝕停止層，其中，所述帽層位于高K柵介質(zhì)層的表面。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的NMOS晶體管，其特征在于，所述帽層的材質(zhì)為La2O3、Al2O3、Ga2O3、In2O3、MoO、Pt、Ru、TaCNO、Ir、TaC、MoN、WN、TixN1-x中的至少一種，厚度范圍為5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的NMOS晶體管，其特征在于，所述功函數(shù)層刻蝕停止層的材質(zhì)為TaN、Ta、TaAl中的至少一種，厚度范圍為6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的NMOS晶體管，其特征在于，所述功函數(shù)層的材質(zhì)為Ti、Al、TixAl1-x、TiC、TiAlC的至少一種，厚度范圍為7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的NMOS晶體管，其特征在于，所述硼離子擴散阻擋層的材質(zhì)為TaN、TaC、TaAl的至少一種，厚度范圍為8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的NMOS晶體管，其特征在于，所述高K柵介質(zhì)層的材質(zhì)為La2O3、BaZrO3、HfZrO、HfZrON、HfLaO、HfSiO、HfSiON、LaSiO、AlSiO、HfTaO、HfTiO、BaO、TiO、Ti2O3、TiO2、SrO、Al2O3、Si3N4中的至少一種，厚度范圍為9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的NMOS晶體管，其特征在于，所述柵極結(jié)構(gòu)兩側(cè)具有側(cè)墻。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的NMOS晶體管，其特征在于，所述側(cè)墻的材質(zhì)為氮化硅、氮氧化硅、硼氮氧化硅、碳氮氧化硅或二氧化硅，厚度范圍為11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的NMOS晶體管，其特征在于，所述NMOS晶體管為平面型晶體管或鰭式場效應(yīng)晶體管。12.一種NMOS晶體管的制作方法，其特征在于，包括：提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上表面自下而上形成一氧化硅層以及多晶硅層；干法刻蝕所述氧化硅層以及多晶硅層以形成偽柵極氧化層以及偽柵極；在所述偽柵極氧化層以及偽柵極側(cè)壁形成側(cè)墻，以所述側(cè)墻為掩膜對所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行離子注入以形成源漏區(qū)；在所述偽柵極、側(cè)墻以及已形成源漏區(qū)的半導(dǎo)體襯底上形成介質(zhì)層，并化學(xué)機械研磨所述介質(zhì)層至所述偽柵極的頂部暴露出；去除所述偽柵極以及偽柵極氧化層以形成凹槽，在所述凹槽內(nèi)以及凹槽外的介質(zhì)層上表面至少依次沉積高K氧化層、功函數(shù)層、硼離子擴散阻擋層、金屬柵擴散阻擋層以及金屬并研磨去除凹槽外多余的材質(zhì)，所述凹槽內(nèi)的高K氧化層與金屬分別形成高K柵介質(zhì)層、金屬柵極；其中，所述功函數(shù)層材質(zhì)為鈦基化合物，通過攜帶Al、C的氣體與TiCl化合物反應(yīng)生成，所述金屬柵極材質(zhì)為鎢，先通過WF6與SiH4反應(yīng)成核，后經(jīng)B2H6處理生成。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的制作方法，其特征在于，所述硼離子擴散阻擋層的形成方法為：沉積鉭基化合物、對所述鈦基化合物功函數(shù)層進(jìn)行低溫氧化處理以形成氧化物、或?qū)λ鲡伝衔锕瘮?shù)層進(jìn)行低溫氮化處理或氮等離子體處理以形成氮化物。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的制作方法，其特征在于，對所述...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙杰，
申請(專利權(quán))人：中芯國際集成電路制造上海有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：上海;31