一种栅极及其形成方法
【专利摘要】本发明提供了一种栅极的形成方法，包括：在栅介质层上形成单层且掺杂的金属功函数调节层，以使得目标功函数介于金属功函数层与掺杂的粒子的功函数之间；在金属功函数调节层上形成其他栅极层。该方法易于进行阈值电压的调节，且工艺简单，无需通过多层金属栅极来实现，降低了制造成本。
【专利说明】
一种栅极及其形成方法
技术领域
[0001]本发明涉及半导体器件领域，特别涉及一种栅极及其形成方法。【背景技术】
[0002]随着器件尺寸的不断减小，以“高k金属栅(高k栅介质材料和金属栅极)”技术为核心的CMOS器件栅工程研究是22纳米及以下技术中最有代表性的核心工艺。
[0003]在高k金属栅的栅极结构中，通过金属栅的功函数来起到调节阈值电压Vt的作用，而为了获得合适的阈值电压，通常需要分别淀积多层不同的金属栅极材料，其工艺复杂且不宜于实现，尤其是对于立体的鳍式器件，更加不易于实现。
【发明内容】
[0004]本发明的目的旨在解决上述技术缺陷，提供一种栅极及其形成方法，简单且易于进行栅极的阈值电压的调节。
[0005]本发明提供了一种栅极的形成方法，包括:
[0006]在栅介质层上形成单层且掺杂的金属功函数调节层，以使得目标功函数介于金属功函数层与掺杂的粒子的功函数之间；
[0007]在金属功函数调节层上形成其他栅极层。
[0008]可选的，形成栅介质层的步骤包括:
[0009]在半导体衬底或鳍上形成栅介质层。
[0010]可选的，所述栅介质层形成在开口的内壁上，开口为去除伪栅后形成。
[0011]可选的，所述金属功函数调节层为TiN、TiTa、TiAl或A1203。
[0012]可选的，掺杂的粒子包括:Al、Fe、Mg、N1、W、C、NSH。[〇〇13]在栅介质层上形成单层且掺杂的金属功函数调节层的步骤包括:在淀积金属功函数层的同时，通入含有掺杂粒子的气体，而后进行退火。
[0014]在栅介质层上形成单层且掺杂的金属功函数调节层的步骤包括:
[0015]采用原子层沉积工艺，淀积单层的金属功函数调节层；
[0016]采用化学气相沉积工艺，继续淀积金属功函数调节层，并通入含有掺杂粒子的气体；
[0017]进行退火。
[0018]此外，本发明还提供了一种栅极，包括:
[0019]栅介质层；
[0020]栅介质层上的金属功函数调节层，金属功函数层中具有掺杂粒子，以使得目标功函数介于金属功函数层与掺杂的粒子的功函数之间；
[0021]金属功函数调节层上的其他栅极层。
[0022]可选的，所述金属功函数调节层为TiN、TiTa、TiAl或A1203。
[0023]可选的，掺杂的粒子包括:Al、Fe、Mg、N1、W、C、NSH。
[0024]本发明实施例提供的栅极及其形成方法，形成了单层的金属功函数调节层，通过在其中进行掺杂，来实现目标功函数的调节，通过该方法使金属功函数调节层具有期望的阈值电压，易于进行阈值电压的调节，且工艺简单，无需通过多层金属栅极来实现，降低了制造成本。【附图说明】
[0025]本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0026]图1示出了根据本发明实施例的栅极的形成方法的流程图；
[0027]图2-4示出了根据本发明实施例的栅极形成方法进行器件加工的各个形成阶段的结构示意图。【具体实施方式】
[0028]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0029]本发明提出了一种栅极的形成方法，参考图1所示，包括:在栅介质层上形成单层的金属功函数调节层；对金属功函数调节层进行掺杂，以使得目标功函数介于金属功函数层与掺杂的粒子的功函数之间；在金属功函数调节层上形成接触金属层。
[0030]在本发明中，形成了单层的金属功函数调节层，通过在其中进行掺杂，来实现目标功函数的调节，通过该方法使金属功函数调节层具有期望的阈值电压，易于进行阈值电压的调节，且工艺简单，无需通过多层金属栅极来实现，降低了制造成本。
[0031]本发明中的栅极可以形成在平面器件、立体器件及纳米线器件等，平面器件在半导体衬底上形成器件的栅介质层及栅极，立体器件如鳍式场效应晶体管，在鳍上形成器件的栅介质层及栅极，纳米线器件在纳米线上形成器件的栅介质层及栅极。该形成方法可以是前栅工艺中形成的栅极，也可以是在后栅工艺中去除伪栅后形成的栅极。
[0032]为了更好的理解本发明的技术方案和技术效果，以下将结合具体的实施例对本发明的实施例进行详细的描述，在下述实施例中，为在鳍式场效应晶体管的后栅工艺中形成栅极。[〇〇33]首先，形成伪栅器件。
[0034]具体的，可以通过以下步骤形成伪栅器件。
[0035]首先，提供半导体衬底100,参考图2所不。
[0036]在本发明实施例中，所述半导体衬底100可以为Si衬底、Ge衬底等。在其他实施例中，还可以为包括其他元素半导体或化合物半导体的衬底，例如GaAs、InP或SiC等，还可以为叠层结构，例如Si/SiGe等。在本实施例中，所述半导体衬底100为体硅衬底。
[0037]接着，可以通过在体硅的衬底100上形成氮化硅的第一硬掩膜(图未示出)；而后，采用刻蚀技术，例如RIE (反应离子刻蚀)的方法，刻蚀衬底100来形成鳍100,从而形成了衬底1〇〇上的鳍102,参考图2所示。
[0038]而后，进行填充二氧化硅的隔离材料(图未示出)，并进行化学机械平坦化，以第一硬掩膜为停止层；而后，可以使用湿法腐蚀，如高温磷酸去除氮化硅的硬掩膜；接着，使用氢氟酸腐蚀去除一定厚度的隔离材料，保留部分的隔离材料在鳍之间，从而形成了隔离层104,参考图2所示。
[0039]接着，分别淀积伪栅介质材料和伪栅材料，伪栅介质材料可以为热氧化层或高k 介质材料等，在本实施例中可以为二氧化硅，可以通过热氧化的方法来形成。伪栅材料可以为非晶硅、多晶硅等，本实施例中，为非晶硅。图案化后形成伪栅介质层和伪栅极(图未示出)。
[0040]而后，在伪栅极的侧壁上形成侧墙，侧墙可以具有单层或多层结构，可以由氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、碳化硅、氟化物掺杂硅玻璃、低k电介质材料及其组合，和/或其他合适的材料形成。
[0041]接着，可以通过选择性外延工艺在鳍的端部外延生长源漏区，同时进行原位掺杂， 并进行激活，从而形成源漏区。也可以通过掺杂注入，并进行退火激活，在鳍的两端中形成源漏区。
[0042]而后，接着覆盖层间介质层的材料，例如未掺杂的氧化硅(Si02)、掺杂的氧化硅 (如硼硅玻璃、硼磷硅玻璃等)、氮化硅(Si3N4)或其他低k介质材料；而后，进行平坦化，例如化学机械研磨，直到暴露出伪栅极，从而形成层间介质层。
[0043]至此，形成了伪栅器件。
[0044]接着，去除伪栅介质层和伪栅极，以形成开口。
[0045]具体的，可以使用刻蚀技术，例如使用湿法腐蚀去除非晶硅的伪栅极，并进一步的去除伪栅介质层，直至暴露出鳍的表面，从而，在伪栅极的区域形成了暴露鳍的开口。
[0046]而后，进一步进行栅介质层110和金属功函数调节层112的形成，如图2所示。
[0047]通常的，在淀积栅介质层之前，可以在鳍的表面上先形成界面层(图未示出)，该界面层可以通过快速氧化来形成，以提高器件的界面特性。而后，进行栅介质层110的淀积，所述栅介质层可以为高k介质材料(例如，和氧化硅相比，具有高介电常数的材料)或其他合适的介质材料，高k介质材料例如铪基氧化物，HF02、HfS1、HfS1N、HfTaO、HfT1 等，所述金属栅电极可以为一层或多层结构，可以包括金属材料或多晶硅或他们的组合，在本实施例中，界面层的厚度为〇.7nm，栅介质层为HF02,其厚度可以为2.5nm。
[0048]接着，进行金属功函数调节层112的淀积。
[0049]在本发明中，该金属功函数调节层112为单层结构，即为由某一功函数的材料层形成，目标功函数介于金属功函数层与掺杂的粒子的功函数之间，该金属功函数调节层为金属栅极中主要起到调节功函数的材料层，例如可以为TiN、TiTa、TiAl或A1203等，厚度范围可以为3-1〇111]1，掺杂的粒子可以包括八1、？6、]\%、附或1等金属粒子，还可以包括(]、1'1或 H等非金属粒子。在形成该具有掺杂的金属功函数调节层时，可以在淀积工艺的同时，通入具有掺杂粒子的气体，在淀积的同时，使得金属功函数调节层中形成掺杂的粒子，在淀积完成后，通过退火来激活掺杂，从而形成具有均匀掺杂的金属功函数调节层。其中，目标功函数介于金属功函数层与掺杂的粒子的功函数之间，可以根据目标功函数以及金属功函数层的功函数来选择合适的掺杂粒子，以获得所需的功函数，该方法在金属功函数调节层中形成了均匀的掺杂，进而得到稳定的阈值电压的特性，无需多次淀积不同功函数的材料来进行功函数的调节，工艺简单易行。
[0050]在本实施例中，该金属功函数调节层112为TiN，在具体形成该TiN的金属功函数调节层时，首先，采用原子层沉积(ALD)工艺，淀积单层的金属功函数调节层，厚度可以为 1.5nm，该ALD工艺形成的TiN的薄层具有较致密的结构，可以充当后续淀积及掺杂的阻挡层，以避免掺杂的粒子进行栅介质层及沟道区域；接着，采用化学气相沉积(CVD)工艺，继续淀积TiN的金属功函数调节层，其中，TiN的有效功函数为4.7eV，若目标功函数(期望调整到的功函数)为4.3eV，可以选择A1的掺杂粒子，本实施例中，可以通入氟化铝的气体，流量可以为7L/min，而后，进行退火工艺，以激活掺杂，退火后可以获得大致为4.3eV的有效功函数的功函数调节层。
[0051]接着，进行其他栅极层的填充。
[0052]在本实施例中，进行接触栅极层114的填充，如图4所示，该接触栅极层114可以为W、多晶硅、A1或W和Cu的混合结构等。而后，可以通过平坦化工艺，去除开口外的栅介质层、金属功函数调节层以及其他栅极层，从而在开口中重新形成了栅介质层和栅极。
[0053]至此，在鳍式场效应晶体管的后栅工艺中，在鳍上形成了替代的栅极，该栅极中包括单层且掺杂的金属功函数调节层，通过该层进行器件功函数的调节，工艺简单易行，且可控性强。
[0054]此外，本发明还提供了由上述方法形成的栅极，参考图4所示，该栅极包括:栅介质层110 ;栅介质层110上的金属功函数调节层112,金属功函数层112中具有掺杂粒子，以使得目标功函数介于金属功函数层与掺杂的粒子的功函数之间；金属功函数调节层112上的其他栅极层114。
[0055]在本发明的实施例中，所述金属功函数调节层可以为TiN、TiTa、TiAl或A1203，掺杂的粒子可以包括:Al、Fe、Mg、Ni或W等金属粒子，还可以包括C、N或H等非金属粒子。
[0056]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。
[0057]虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此， 凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
【主权项】
1.一种栅极的形成方法，其特征在于，包括:在栅介质层上形成单层且掺杂的金属功函数调节层，以使得目标功函数介于金属功函 数层与掺杂的粒子的功函数之间；在金属功函数调节层上形成其他栅极层。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成栅介质层的步骤包括:在半导体衬底或鳍上形成栅介质层。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述栅介质层形成在开口的内壁上，开口 为去除伪栅后形成。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属功函数调节层为TiN、TiTa、TiAl 或 A1203。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，掺杂的粒子包括:Al、Fe、Mg、N1、W、C、NSH〇6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，在栅介质层上形成单层且掺 杂的金属功函数调节层的步骤包括:在淀积金属功函数层的同时，通入含有掺杂粒子的气 体，而后进行退火。7.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，在栅介质层上形成单层且掺 杂的金属功函数调节层的步骤包括:采用原子层沉积工艺，淀积单层的金属功函数调节层；采用化学气相沉积工艺，继续淀积金属功函数调节层，并通入含有掺杂粒子的气体； 进行退火。8.—种栅极，其特征在于，包括:栅介质层；栅介质层上的金属功函数调节层，金属功函数层中具有掺杂粒子，以使得目标功函数 介于金属功函数层与掺杂的粒子的功函数之间；金属功函数调节层上的其他栅极层。9.根据权利要求8所述的栅极，其特征在于，所述金属功函数调节层为TiN、TiTa、TiAl 或 A1203。10.根据权利要求9所述的栅极，其特征在于，掺杂的粒子包括:Al、Fe、Mg、N1、W、C、N或H。
【文档编号】H01L29/10GK105990403SQ201510048272
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年1月29日
【发明人】张青竹, 殷华湘, 闫江, 李俊峰, 杨涛, 刘金彪, 徐秋霞
【申请人】中国科学院微电子研究所