阅读说明：本技术 一种高k金属栅极结构及其制作方法 (A kind of high-K metal gate structure and preparation method thereof ) 是由 雷海波 田明 宋洋 廖端泉 于 2019-08-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种高K金属栅极结构及其制作方法,在TiN和TiAl之间,新增一层TaN阻挡层,使TiN内外均由TaN阻挡层保护,内部沉积填充金属层无法扩散进入PMOS功函数金属TiN层,提高PMOS器件的稳定性。在新增TaN阻挡层沉积完成后,通过光刻和蚀刻的工艺,使NMOS结构暴露出来,PMOS结构整体为牺牲层保护,之后对于新增TaN层做氟化处理,置换TaN层中的N元素,使此TaN层完全形成TaFx化合物,水洗移除,从而在不影响其他层的情况下,完全移除新增TaN层,进而实现上述改进的PMOS栅极结构,并且不影响NMOS结构。(The present invention provides a kind of high-K metal gate structure and preparation method thereof; between TiN and TiAl, one layer of TaN barrier layer is increased newly, make TiN is inside and outside to be protected by TaN barrier layer; inside deposition filling metal layer can not diffuse into PMOS workfunction metal TiN layer, improve the stability of PMOS device.After the completion of newly-increased TaN barrier layer deposition; by the technique of photoetching and etching, NMOS structure is exposed, PMOS structure generally sacrificial layer is protected; fluorination treatment is done for newly-increased TaN layers later; N element in TaN layers of displacement makes this TaN layers to form TaFx compound completely, and washing removes; to in the case where not influencing other layers; it removes completely TaN layers newly-increased, and then realizes above-mentioned improved PMOS gate structure, and do not influence NMOS structure.)

一种高K金属栅极结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体制作领域，特别是涉及一种高K金属栅极结构及其制作方法。

背景技术

随着晶体管尺寸的不断缩小和器件性能要求的不断提高，HKMG(高介电常数介质/金属栅极)技术几乎已经成为28nm高性能器件的必备技术。为了减少栅极漏电，降低栅极电容，提升晶体管性能，在28nm技术节点，普遍采用HKMG架构和技术方案。

高介电常数材料代替传统二氧化硅，其拥有高的介电常数，同时拥有二氧化硅的优越性能，良好的绝缘，耐高温等。高介电常数材料与多晶硅兼容性差，两者界面缺陷引起的费米能级钉扎效应导致阈值电压升高，高K值(High-K)材料本身的表面声子散射效应会导致载流子迁移率降低。引入金属代替多晶硅栅极可以解决上述问题。

在金属栅极(metal gate)工艺中，优化金属电极的功函数是调节器件性能的重要手段。在后栅极(Gate-last)技术中，采用了双金属电极技术，分别对PMOS和NMOS沉积不同金属功函数的金属膜层，来获得最佳的功函数控制。PMOS管的功函数金属采用TiN，功函数接近价带，NMOS管的功函数金属采用TiAl，功函数接近导带。为保护功函数金属，外部必须额外覆盖阻挡层，如TiN、TaN、Ta等。

如图1至图6所示，目前代工厂(Foundry)主流技术是先沉积P型功函数金属TaN/TiN，光刻曝出NMOS区域，并湿法刻蚀掉P型金属，高选择比地停在TaN上，然后沉积N型功函数金属TiAl，最后填充金属Al或W。这里所使用的金属均为业界熟知材料，只能通过沉积工艺来调节金属功函数，以达到价带和导带的不同功函数要求，其中，PMOS功函数金属膜层为TiN/TaN/TiN，而NMOS功函数金属为TiAl和TiN相互扩散形成的TiAlN。

目前现有的HKMG制作流程为：提供硅衬底，依次进行浅沟槽，多晶硅栅极，源漏区成型等工艺，在层间介质层(ILD0)进行化学机械研磨(CMP)之后，进行伪栅去除；沉积PMOS金属功函数TiN；依次通过光刻蚀刻等工艺去除NMOS区域沉积的TiN；在NMOS和PMOS区域沉积NMOS金属功函数TiN/Ti,并进行Al的填充，最后进行金属栅极(Metal gate)CMP工艺。

在HKMG结构方案中，PMOS栅极结构中功函数金属为TiN，其外部有一层TaN阻挡层，内部为沉积填充TiAl层和金属层，而该TiAl层很容易扩散至功函数金属层TiN，进而影响PMOS的稳定性。

因此，需要提出一种新的高K金属栅极结构及其制作方法来解决上述问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高K金属栅极结构及其制作方法，用于解决现有技术中PMOS栅极结构中功函数金属为TiN，其外部有一层TaN阻挡层，内部为沉积填充TiAl层和金属层，而该TiAl层很容易扩散至功函数金属层TiN，进而影响PMOS的稳定性的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高K金属栅极结构，至少包括：凹槽及沉积于该凹槽内的外部阻挡层；沉积于该外部阻挡层上的金属功函数层；沉积于所述金属功函数层上的内部阻挡层；沉积于所述内部阻挡层上的金属化合物层；沉积于所述金属化合物层上的粘合层，填充于所述凹槽内、所述粘合层表面的金属。

优选地，所述高K金属栅极结构为PMOS的高K金属栅极。

优选地，所述外部阻挡层为第一TaN层。

优选地，所述金属功函数层为TiN层。

优选地，所述内部阻挡层为第二TaN层。

优选地，所述金属化合物层为TiAl层。

优选地，所述金属化合物层为与所述PMOS同一制程中的NMOS的金属功函数层。

优选地，所述粘合层为由TiN和Ti构成的叠层。

优选地，所述金属为铝。

优选地，所述高K金属栅极结构还包括位于所述凹槽型的外部阻挡层与硅衬底之间叠层；所述叠层自下而上依次为层间介质层、HfO2层、TiN层。

优选地，所述叠层中所述层间介质层的厚度为8～10埃；所述HfO2层的厚度为20埃；所述TiN层的厚度为20埃。

本发明还提供该高K金属栅极结构的制作方法，该方法包括以下步骤：步骤一、提供分别用于制作PMOS、NMOS高K金属栅极结构的凹槽，所述凹槽位于同一半导体结构上；步骤二、在所述半导体结构上沉积第一TaN层，沉积在所述凹槽内的所述第一TaN层形成凹槽型的外部阻挡层；步骤三、在所述第一TaN层上沉积一层TiN层，沉积在所述用于制作PMOS高K金属栅极结构的凹槽内的所述TiN层形成金属功函数层；步骤四、在所述TiN层上沉积第二TaN层，沉积在所述用于制作PMOS高K金属栅极结构的凹槽内的该第二TaN层形成内部阻挡层；步骤五、利用光刻和刻蚀工艺将所述用于制作NMOS高K金属栅极结构的凹槽上表面区域暴露出来；步骤六、对所述用于制作NMOS高K金属栅极结构的凹槽内的第二TaN层进行氟化处理，使其形成TaFx化合物；步骤七、水洗去除所述TaFx化合物；步骤八、湿法刻蚀去除所述用于制作NMOS高K金属栅极结构的凹槽内的TiN层；步骤九、依次在所述半导体结构上表面及所述凹槽内沉积金属化合物层、依附于该金属化合物层上的粘合层以及金属；步骤十、对所述半导体结构上表面进行平坦化研磨，至暴露出凹槽间的层间介质层为止。

优选地，所述半导体结构至少包括：硅衬底及位于该硅衬底上的PWell区、NWell区；所述PWell区和NWell区之间由STI隔离；所述NMOS高K金属栅极结构位于所述PWell区上方；所述PMOS高K金属栅极结构位于所述NWell区上方；所述PWell区、NWell区的两侧各形成有源、漏区。

优选地，步骤六中所述氟化处理过程中所用的气体由含有CxFy、NF3、BF3、SiF4、Ar、H2、N2的等离子气体组合产生。

优选地，步骤八中采用热SC1清洗液进行所述湿法刻蚀。

优选地，所述热SC1清洗液中包含去离子水、双氧水、NH₄OH。

优选地，所述热SC1清洗液中去离子水、双氧水、NH₄OH的配比为：5:1.1：1。

优选地，步骤八中采用热SC1清洗液进行所述湿法刻蚀的温度为60摄氏度。

优选地，步骤九中的金属化合物层为TiAl层。

如上所述，本发明的高K金属栅极结构及其制作方法，具有以下有益效果：本发明在TiN和TiAl之间，新增一层TaN阻挡层，使TiN内外均由TaN阻挡层保护，内部沉积填充金属层无法扩散进入PMOS功函数金属TiN层，提高PMOS器件的稳定性。在PMOS沉积功函数TiN之后，沉积此新增TaN阻挡层，PMOS内部TaN阻挡层的沉积同时，NMOS也会沉积上这一层TaN，需要将NMOS侧的TaN和TiN一并移除，并且不损伤到外层的阻挡层TaN层。如果使用传统的酸洗去除方法，在去除新增TaN层的时候，由于酸洗对于TiN的蚀刻速率远大于TaN的蚀刻速率，下层TiN层极易被一并去除掉，使外层阻挡层TaN暴露出来，被酸损伤。本发明针对实现上述PMOS栅极结构，避免NMOS结构损伤做了一并揭示。在新增TaN阻挡层沉积完成后，通过光刻和蚀刻的工艺，使NMOS结构暴露出来，PMOS结构整体为牺牲层保护，之后使用等离子体(Plasma)设备，对于新增TaN层做氟化处理，置换TaN层中的N元素，使此TaN层完全形成TaFx化合物，且水洗移除，从而在不影响其他层的情况下，完全移除新增TaN层。进而实现上述改进的PMOS栅极结构，并且不影响NMOS结构。

附图说明

图1显示为本发明用于制作PMOS高K金属栅极结构的半导体结构示意图；

图2显示的是本发明的半导体结构中去除伪栅极形成凹槽01的结构示意图；

图3显示为本发明的半导体结构上沉积外部阻挡层和金属功函数层后的结构示意图；

图4显示为本发明中在金属功函数层上沉积内部阻挡层后的半导体结构示意图；

图5显示为本发明中将用于制作NMOS高K金属栅极结构的凹槽上表面区域暴露出来后的半导体结构示意图；

图6显示为将用于制作NMOS高K金属栅极结构的凹槽内的第二TaN层和金属功函数层移除后的结构示意图；

图7显示为本发明中在半导体结构上沉积金属化合物层、粘合层以及金属后的结构示意图；

图8显示为本发明中的半导体结构表面研磨后的结构示意图；

图9为现有技术中的PMOS高K金属栅极结构示意图；

图10为本发明的PMOS高K金属栅极结构示意图；

图11显示为本发明的高K金属栅极结构的制作方法流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图11。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种高K金属栅极结构，如图8所示，该高K金属栅极结构至少包括：凹槽及沉积于该凹槽内的外部阻挡层02；沉积于该外部阻挡层02上的金属功函数层03；沉积于所述金属功函数层03上的内部阻挡层04；沉积于所述内部阻挡层04上的金属化合物层06；沉积于所述金属化合物层06上的粘合层07，填充于所述凹槽内、所述粘合层表面的金属08。如图8所示，所述高K金属栅极结构为PMOS的高K金属栅极。图8中，所述PMOS的高K金属栅极和所述NMOS的高K金属栅极结构形成于同一硅衬底上。所述NMOS的高K金属栅极结构利用图8左侧的凹槽形成。本发明中的所述凹槽为经过伪栅极去除多晶硅后形成。

在所述PMOS的高K金属栅极结构中，沉积在所述凹槽内的所述外部阻挡层02为第一TaN层，即所述外部阻挡层的材料为TaN，所述第一TaN层是在所述凹槽的内侧壁和底部形成一层TaN，作为阻挡层。因此所述外部阻挡层02的结构形状亦为凹槽型。在所述外部阻挡层内沉积了一层金属功函数层03，所述金属功函数层03在本发明中优选为TiN层，亦即在所述凹槽型的外部阻挡层02的内侧壁和底部都沉积了一层TiN，形成本发明的所述金属功函数层03，所述金属功函数层03亦为凹槽型。

如图8，沉积于所述金属功函数层03上的内部阻挡层04，所述内部阻挡层04作为所述PMOS高K金属栅极结构的第二TaN层，亦即所述内部阻挡层04在本发明中优选为TaN层。所述第二TaN层沉积在所述内部阻挡层04的内侧壁和底部，因此所述第二TaN层亦为凹槽型。所述PMOS高K金属栅极结构还包括沉积于所述内部阻挡层04上的金属化合物层06，本发明优选地，所述金属化合物层为TiAl层。亦即在所述内部阻挡层04的内侧壁和底部沉积一层TiAl，所述TiAl层亦为凹槽型。如图8所示，由于所述NMOS高K金属栅极结构与所述PMOS高K金属栅极结构形成于同一硅衬底上，二者在同一制程中，而沉积所述金属化合物层TiAl的作用是将其作为与所述PMOS同一制程中的NMOS的金属功函数层。

所述PMOS高K金属栅极结构还包括沉积于所述金属化合物层上的粘合层07，本发明进一步地，所述粘合层为由TiN和Ti构成的叠层。所述PMOS高K金属栅极结构还包括填充于所述凹槽内、所述粘合层表面的金属，所述金属优选为铝。所述粘合层的作用是将所述金属铝和所述金属化合物TiAl层更好的粘合在一起。

如图10所示，图10为图8中所述PMOS高K金属栅极结构的放大示意图，而图9为现有技术中PMOS高K金属栅极结构示意图，图9中的结构和图10相比，本发明的所述高K金属栅极结构在所述金属化合物层06与所述金属功函数层03之间增加一层内部阻挡层04，防止金属化合物层06(TiAl层)向金属功函数层03(TiN层)扩散。提高了PMOS器件的稳定性。

如图10所示，进一步地，本发明的所述高K金属栅极结构还包括位于所述凹槽型的外部阻挡层与硅衬底之间叠层；所述叠层自下而上依次为层间介质层、HfO₂层、TiN层。更进一步地，所述叠层中所述层间介质层的厚度为8～10埃；所述HfO₂层的厚度为20埃；所述TiN层的厚度为20埃。

本发明还提供所述高K金属栅极结构的制作方法，如图11所示，图11显示为本发明的高K金属栅极结构的制作方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤一、提供分别用于制作PMOS、NMOS高K金属栅极结构的凹槽，所述凹槽位于同一半导体结构上；如图1所示，图1显示为本发明用于制作PMOS高K金属栅极结构的半导体结构示意图，图1中的所述半导体结构中伪栅极还没有被去除，因此，用于制作所述PMOS、NMOS高K金属栅极结构的凹槽还没有形成。所述半导体结构中包含硅衬底及位于该硅衬底上的PWell区、NWell区；所述PWell区和NWell区之间由STI隔离；所述NMOS高K金属栅极结构位于所述PWell区上方；所述PMOS高K金属栅极结构位于所述NWell区上方；所述PWell区、NWell区的两侧各形成有源、漏区。

如图2所示，图2显示的是本发明的半导体结构中去除伪栅极形成凹槽01的结构示意图；所述半导体结构上的所述凹槽为多个，可以用于分别制作PMOS高K金属栅极结构和NMOS金属栅极结构。如2中右端的凹槽为形成PMOS高K金属栅极结构所用，图2左端的凹槽为形成NMOS高K金属栅极结构所用，所述凹槽为在经过层间介质层(LD0)CMP(化学机械研磨)后，去除了伪栅极后形成。

步骤二、在所述半导体结构上沉积第一TaN层，沉积在所述凹槽内的所述第一TaN层形成凹槽型的外部阻挡层；如图3所示，图3显示为本发明的半导体结构上沉积外部阻挡层和金属功函数层后的结构示意图，在所述半导体结构上沉积所述第一TaN层的同时，所述凹槽内部也被沉积了一层TaN，形成所述第一TaN层，作为所述PMOS高K金属栅极结构的外部阻挡层02。所述第一TaN层不仅沉积在所述用于制作PMOS高K金属栅极结构的凹槽内，同时也沉积在用于制作所述NMOS高K金属栅极结构的凹槽内，以及该半导体结构的上表面。

步骤三、在所述第一TaN层上沉积一层TiN层，沉积在所述用于制作PMOS高K金属栅极结构的凹槽内的所述TiN层形成金属功函数层；如图3所示，沉积在所述外部阻挡层02上的TiN层作为所述PMOS高K金属栅极结构的金属功函数层03。所述金属功函数层03(TiN层)同时沉积在用于制作PMOS、NMOS高K金属栅极结构的凹槽中的第一TaN层上以及半导体结构上表面的第一TaN层上。

步骤四、在所述TiN层上沉积第二TaN层，沉积在所述用于制作PMOS高K金属栅极结构的凹槽内的该第二TaN层形成内部阻挡层；如图4所示，图4显示为本发明中在金属功函数层上沉积内部阻挡层后的半导体结构示意图。所述内部阻挡层04同时沉积在用于制作PMOS、NMOS高K金属栅极结构的凹槽中的所述TiN层上以及该半导体结构上表面的TiN层上。

步骤五、利用光刻和刻蚀工艺将所述用于制作NMOS高K金属栅极结构的凹槽上表面区域暴露出来；如图5所示，图5显示为本发明中将用于制作NMOS高K金属栅极结构的凹槽上表面区域暴露出来后的半导体结构示意图，而在所述制作PMOS高K金属栅极结构上表面区域还覆盖有光刻胶05。PMOS结构区域整体为牺牲层保护。

步骤六、对所述用于制作NMOS高K金属栅极结构的凹槽内的第二TaN层进行氟化处理，使其形成TaFx化合物；该步骤中所述氟化处理过程中所用的气体由含有CxFy、NF3、BF3、SiF4、Ar、H2、N2的等离子气体组合产生。使用等离子体(Plasma)设备，对于所述第二TaN层做氟化处理，置换TaN层中的N元素，使此TaN层完全形成TaFx化合物。

步骤七、水洗去除所述TaFx化合物；所述TaFx化合物很容易被水洗过程移除，从而在不影响其他层的情况下，完全移除所述第二TaN层。如图6所示，图6显示为将用于制作NMOS高K金属栅极结构的凹槽内的第二TaN层和金属功函数层移除后的结构示意图。在所述用于制作NMOS高K金属栅极结构的凹槽内留下所述第一TaN层(外部阻挡层02)。水洗使得NMOS区TaN去除而不损伤所述TiN层。如果使用传统的酸洗去除方法，在去除所述第二TaN层的时候，由于酸洗对于TiN的蚀刻速率远大于TaN的蚀刻速率，下层TiN层极易被一并去除掉，使外部阻挡层TaN暴露出来，被酸损伤。

步骤八、湿法刻蚀去除所述用于制作NMOS高K金属栅极结构的凹槽内的TiN层；如图6所示，图6显示为将用于制作NMOS高K金属栅极结构的凹槽内的第二TaN层和金属功函数层移除后的结构示意图。步骤八中采用热SC1清洗液进行所述湿法刻蚀。进一步地，所述热SC1清洗液中包含去离子水、双氧水、NH₄OH。更进一步地，本发明中所述热SC1清洗液中去离子水、双氧水、NH₄OH的配比为：5:1.1：1。并且所述热SC1清洗液中去离子水、双氧水、NH₄OH的配比为：5:1.1：1。

步骤九、依次在所述半导体结构上表面及所述凹槽内沉积金属化合物层、依附于该金属化合物层上的粘合层以及金属；如图7所示，图7显示为本发明中在半导体结构上沉积金属化合物层、粘合层以及金属后的结构示意图。其中所述金属化合物层06为TiAl层，粘合层07由TiN和Ti构成的叠层，该步骤中沉积的金属08为铝。

步骤十、对所述半导体结构上表面进行平坦化研磨，至暴露出凹槽间的层间介质层为止。如图8所示，图8显示为本发明中的半导体结构表面研磨后的结构示意图。因此，在所述用于制作NMOS高K金属栅极结构的凹槽内壁沉积有外部阻挡层02、金属化合物层06、粘合层07以及金属08，而在制作PMOS高K金属栅极结构的凹槽内壁沉积有外部阻挡层02、金属功函数层03、内部阻挡层04、金属化合物层06、粘合层07以及金属08。

综上所述，本发明在TiN和TiAl之间，新增一层TaN阻挡层，使TiN内外均由TaN阻挡层保护，内部沉积填充金属层无法扩散进入PMOS功函数金属TiN层，提高PMOS器件的稳定性。在PMOS沉积功函数TiN之后，沉积此新增TaN阻挡层，PMOS内部TaN阻挡层的沉积同时，NMOS也会沉积上这一层TaN，需要将NMOS侧的TaN和TiN一并移除，并且不损伤到外层的阻挡层TaN层。如果使用传统的酸洗去除方法，在去除新增TaN层的时候，由于酸洗对于TiN的蚀刻速率远大于TaN的蚀刻速率，下层TiN层极易被一并去除掉，使外层阻挡层TaN暴露出来，被酸损伤。本发明针对实现上述PMOS栅极结构，避免NMOS结构损伤做了一并揭示。在新增TaN阻挡层沉积完成后，通过光刻和蚀刻的工艺，使NMOS结构暴露出来，PMOS结构整体为牺牲层保护，之后使用等离子体设备，对于新增TaN层做氟化处理，置换TaN层中的N元素，使此TaN层完全形成TaFx化合物，这一化合物，很容易被水洗过程移除，从而在不影响其他层的情况下，完全移除新增TaN层，进而实现上述改进的PMOS栅极结构，并且不影响NMOS结构。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。