NMOS晶体管及其制作方法技术

一种NMOS晶体管及其制作方法，在钛基化合物功函数层与钨金属栅扩散阻挡层之间引入硼离子扩散阻挡层，切断了钛基化合物功函数层中含Cl副产物对钨金属栅极形成引入的B的吸附，因而避免了由B引入导致的钛基化合物功函数层的功函数向变大方向漂移。此外，硼离子扩散阻挡层不占用较多空间，有利于凹槽中后续其余材质的填充，随着半导体器件尺寸不断减小，此种好处尤为明显。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体制造
，尤其涉及一种NMOS晶体管及其制作方法。
技术介绍
半导体制造，尤其超大规模集成电路中，其主要器件是金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOS晶体管)。自从MOS晶体管问世以来，其几何尺寸按照摩尔定律不断减小，然而器件的物理极限会导致器件按比例缩小变得越来越困难。其中，在MOS晶体管制造领域，最具挑战的是传统的MOS工艺在器件按比例缩小过程中由于多晶硅、二氧化硅栅介质层的厚度减小所带来的栅极向衬底的漏电流问题。为解决上述问题，现有技术中通过高K(介电常数)栅介质材料代替传统的二氧化硅栅介质材料，并使用金属作为匹配的栅极。对于NMOS晶体管，为控制门限电压，现有技术中采用了功函数层来调节金属栅极的功函数，使其处于预期的门限电压范围，例如4.0eV～4.3eV内。钛基化合物的功函数层以及钨的金属栅极是一种常用的搭配。然而，实际使用表明，上述搭配调节的功函数经常出现向变大方向漂移。
技术实现思路
本专利技术解决的问题是如何避免NMOS晶体管中，钛基化合物的功函数层以及钨的金属栅极调节的功函数出现向变大方向漂移。为解决上述问题，本专利技术的一方面提供一种NMOS晶体管，包括：半导体衬底、位于所述半导体衬底表面的栅极结构以及位于所述栅极结构两侧的半导体衬底内的源漏区；其中，所述栅极结构至少包括：高K栅介质层、位于所述高K栅介质层上的功函数层、位于功函数层上的金属栅扩散阻挡层以及位于所述金属栅扩散阻挡层上的金属栅极；所述功
函数层材质为钛基化合物，所述金属栅极材质为钨；此外，所述功函数层与所述金属栅扩散阻挡层之间具有硼离子扩散阻挡层。可选地，所述硼离子扩散阻挡层材质为钽基化合物、钛基化合物功函数层的氧化物、钛基化合物功函数层的氮化物中的至少一种。可选地，所述栅极结构还包括位于所述高K栅介质层与功函数层之间的帽层与功函数层刻蚀停止层，其中，所述帽层位于高K栅介质层的表面。可选地，所述帽层的材质为La2O3、Al2O3、Ga2O3、In2O3、MoO、Pt、Ru、TaCNO、Ir、TaC、MoN、WN、TixN1-x中的至少一种，厚度范围为可选地，所述功函数层刻蚀停止层的材质为TaN、Ta、TaAl中的至少一种，厚度范围为可选地，所述功函数层的材质为Ti、Al、TixAl1-x、TiC、TiAlC的至少一种，厚度范围为可选地，所述硼离子扩散阻挡层的材质为TaN、TaC、TaAl的至少一种，厚度范围为可选地，所述高K栅介质层的材质为La2O3、BaZrO3、HfZrO、HfZrON、HfLaO、HfSiO、HfSiON、LaSiO、AlSiO、HfTaO、HfTiO、BaO、TiO、Ti2O3、TiO2、SrO、Al2O3、Si3N4中的至少一种，厚度范围为可选地，所述栅极结构两侧具有侧墙。可选地，所述侧墙的材质为氮化硅、氮氧化硅、硼氮氧化硅、碳氮氧化硅或二氧化硅，厚度范围为可选地，所述NMOS晶体管为平面型晶体管或鳍式场效应晶体管。本专利技术的另一方面提供了三种NMOS晶体管的制作方法，第一种制作方法包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底上表面自下而上形成一氧化硅层以及多晶硅层；干法刻蚀所述氧化硅层以及多晶硅层以形成伪栅极氧化层以及伪栅极；在所述伪栅极氧化层以及伪栅极侧壁形成侧墙，以所述侧墙为掩膜对所述半导体衬底进行离子注入以形成源漏区；在所述伪栅极、侧墙以及已形成源漏区的半导体衬底上形成介质层，并化学机械研磨所述介质层至所述伪栅极的顶部暴露出；去除所述伪栅极以及伪栅极氧化层以形成凹槽，在所述凹槽内以及凹槽外的介质层上表面至少依次沉积高K氧化层、功函数层、硼离子扩散阻挡层、金属栅扩散阻挡层以及金属并研磨去除凹槽外多余的材质，所述凹槽内的高K氧化层与金属分别形成高K栅介质层、金属栅极；其中，所述功函数层材质为钛基化合物，通过携带Al、C的气体与TiCl化合物反应生成，所述金属栅极材质为钨，先通过WF6与SiH4反应成核，后经B2H6处理生成。可选地，所述硼离子扩散阻挡层的形成方法为：沉积钽基化合物、对所述钛基化合物功函数层进行低温氧化处理以形成氧化物、或对所述钛基化合物功函数层进行低温氮化处理或氮等离子体处理以形成氮化物。可选地，对所述钛基化合物功函数层进行低温氧化处理以形成氧化物的工艺条件为：温度范围300℃～500℃，O2与N2的比例小于3:17，压强范围为1torr～5torr；对所述钛基化合物功函数层进行低温氮化处理或氮等离子体处理以形成氮化物的工艺条件为：温度范围300℃～500℃，等离子源功率小于500W，N2与NH3的比例小于3:17，压强范围为1torr～5torr。第二种制作方法包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底上表面自下而上形成一高K氧化层以及多晶硅层；干法刻蚀所述高K氧化层以及多晶硅层以形成高K栅介质层以及伪栅极；在所述高K栅介质层以及伪栅极侧壁形成侧墙，以所述侧墙为掩膜对所述半导体衬底进行离子注入以形成源漏区；在所述伪栅极、侧墙以及已形成源漏区的半导体衬底上形成介质层，并化学机械研磨所述介质层至所述伪栅极的顶部暴露出；去除所述伪栅极以形成凹槽，在所述凹槽内以及凹槽外的介质层上表面至少依次沉积功函数层、硼离子扩散阻挡层、金属栅扩散阻挡层以及金属并研磨去除凹槽外多余的材质，所述凹槽内的金属形成金属栅极；其中，所述功函数层材质为钛基化合物，通过携带Al、C的气体与TiCl化合物反应生成，所述金属栅极材质为钨，先通过WF6与SiH4反应成核，后经B2H6处理生成。可选地，所述硼离子扩散阻挡层的形成方法为：沉积钽基化合物、对所述钛基化合物功函数层进行低温氧化处理以形成氧化物、或对所述钛基化合物功函数层进行低温氮化处理或氮等离子体处理以形成氮化物。可选地，对所述钛基化合物功函数层进行低温氧化处理以形成氧化物的工艺条件为：温度范围300℃～500℃，O2与N2的比例小于3:17，压强范围为1torr～5torr；对所述钛基化合物功函数层进行低温氮化处理或氮等离子体处理以形成氮化物的工艺条件为：温度范围300℃～500℃，等离子源功率小于500W，N2与NH3的比例小于3:17，压强范围为1torr～5torr。第三种制作方法包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底上表面形成一介质层；干法刻蚀所述介质层以形成一凹槽，所述凹槽的底部暴露出所述半导体衬底；在所述凹槽内以及凹槽外的介质层上至少依次沉积高K氧化层、功函数层、硼离子扩散阻挡层、金属栅扩散阻挡层以及金属并研磨去除凹槽外多余的材质，所述凹槽内的高K氧化层与金属分别形成高K栅介质层、金属栅极；其中，所述功函数层材质为钛基化合物，通过携带Al、C的气体与TiCl化合物反应生成，所述金属栅极材质为钨，先通过WF6与SiH4反应成核，后经B2H6处理生成；去除介质层，并在所述高K栅介质层以及金属栅极侧壁形成侧墙，以所
述侧墙为掩膜对所述半导体衬底进行离子注入以形成源漏区。可选地，所述硼离子扩散阻挡层的形成方法为：沉积钽基化合物、对所述钛基化合物功函数层进行低温氧化处理以形成氧化物、或对所述钛基化合物功函数层进行低温氮化处理或氮等离子体处理以形成氮化物。可选地，对所述钛基化合物功函数层进行低温氧化处理以形成氧化物的工艺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种NMOS晶体管，包括：半导体衬底、位于所述半导体衬底表面的栅极结构以及位于所述栅极结构两侧的半导体衬底内的源漏区；其中，所述栅极结构至少包括：高K栅介质层、位于所述高K栅介质层上的功函数层、位于功函数层上的金属栅扩散阻挡层以及位于所述金属栅扩散阻挡层上的金属栅极；所述功函数层材质为钛基化合物，所述金属栅极材质为钨；其特征在于，所述功函数层与所述金属栅扩散阻挡层之间具有硼离子扩散阻挡层。

【技术特征摘要】
1.一种NMOS晶体管，包括：半导体衬底、位于所述半导体衬底表面的栅极结构以及位于所述栅极结构两侧的半导体衬底内的源漏区；其中，所述栅极结构至少包括：高K栅介质层、位于所述高K栅介质层上的功函数层、位于功函数层上的金属栅扩散阻挡层以及位于所述金属栅扩散阻挡层上的金属栅极；所述功函数层材质为钛基化合物，所述金属栅极材质为钨；其特征在于，所述功函数层与所述金属栅扩散阻挡层之间具有硼离子扩散阻挡层。2.根据权利要求1所述的NMOS晶体管，其特征在于，所述硼离子扩散阻挡层材质为钽基化合物、钛基化合物功函数层的氧化物、钛基化合物功函数层的氮化物中的至少一种。3.根据权利要求1所述的NMOS晶体管，其特征在于，所述栅极结构还包括位于所述高K栅介质层与功函数层之间的帽层与功函数层刻蚀停止层，其中，所述帽层位于高K栅介质层的表面。4.根据权利要求3所述的NMOS晶体管，其特征在于，所述帽层的材质为La2O3、Al2O3、Ga2O3、In2O3、MoO、Pt、Ru、TaCNO、Ir、TaC、MoN、WN、TixN1-x中的至少一种，厚度范围为5.根据权利要求3或4所述的NMOS晶体管，其特征在于，所述功函数层刻蚀停止层的材质为TaN、Ta、TaAl中的至少一种，厚度范围为6.根据权利要求1所述的NMOS晶体管，其特征在于，所述功函数层的材质为Ti、Al、TixAl1-x、TiC、TiAlC的至少一种，厚度范围为7.根据权利要求1所述的NMOS晶体管，其特征在于，所述硼离子扩散阻挡层的材质为TaN、TaC、TaAl的至少一种，厚度范围为8.根据权利要求1所述的NMOS晶体管，其特征在于，所述高K栅介质层的材质为La2O3、BaZrO3、HfZrO、HfZrON、HfLaO、HfSiO、HfSiON、LaSiO、AlSiO、HfTaO、HfTiO、BaO、TiO、Ti2O3、TiO2、SrO、Al2O3、Si3N4中的至少一种，厚度范围为9.根据权利要求1所述的NMOS晶体管，其特征在于，所述栅极结构两侧具有侧墙。10.根据权利要求9所述的NMOS晶体管，其特征在于，所述侧墙的材质为氮化硅、氮氧化硅、硼氮氧化硅、碳氮氧化硅或二氧化硅，厚度范围为11.根据权利要求1所述的NMOS晶体管，其特征在于，所述NMOS晶体管为平面型晶体管或鳍式场效应晶体管。12.一种NMOS晶体管的制作方法，其特征在于，包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底上表面自下而上形成一氧化硅层以及多晶硅层；干法刻蚀所述氧化硅层以及多晶硅层以形成伪栅极氧化层以及伪栅极；在所述伪栅极氧化层以及伪栅极侧壁形成侧墙，以所述侧墙为掩膜对所述半导体衬底进行离子注入以形成源漏区；在所述伪栅极、侧墙以及已形成源漏区的半导体衬底上形成介质层，并化学机械研磨所述介质层至所述伪栅极的顶部暴露出；去除所述伪栅极以及伪栅极氧化层以形成凹槽，在所述凹槽内以及凹槽外的介质层上表面至少依次沉积高K氧化层、功函数层、硼离子扩散阻挡层、金属栅扩散阻挡层以及金属并研磨去除凹槽外多余的材质，所述凹槽内的高K氧化层与金属分别形成高K栅介质层、金属栅极；其中，所述功函数层材质为钛基化合物，通过携带Al、C的气体与TiCl化合物反应生成，所述金属栅极材质为钨，先通过WF6与SiH4反应成核，后经B2H6处理生成。13.根据权利要求12所述的制作方法，其特征在于，所述硼离子扩散阻挡层的形成方法为：沉积钽基化合物、对所述钛基化合物功函数层进行低温氧化处理以形成氧化物、或对所述钛基化合物功函数层进行低温氮化处理或氮等离子体处理以形成氮化物。14.根据权利要求13所述的制作方法，其特征在于，对所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵杰，
申请(专利权)人：中芯国际集成电路制造上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31