一种半导体器件及其制造方法技术

本发明专利技术提供一种半导体器件及其制造方法，该方法包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底上预定形成栅极结构的区域形成功函数层，所述功函数层包括TiAl；在真空环境下，对所述功函数层进行退火，将所述功函数层转变为包括位于不同层的富铝的TiAl合金和富钛的TiAl合金，以使所述功函数层在晶圆内的Ti和Al的比例分布更加均匀；对所述功函数层进行氧化，以在所述功函数层的表面形成氧化层。本发明专利技术的方法降低了Vt和IDsat在晶圆内的差异，进而提高了器件的性能和良率。

A semiconductor device and its manufacturing method

The invention provides a semiconductor device and a manufacturing method thereof. The method includes: providing a semiconductor substrate, forming a gate structured area shape success function layer on the semiconductor substrate, the work function layer including TiAl; annealing the work function layer in a vacuum environment, transforming the work function layer into an aluminum rich TiAl alloy and a aluminum rich TiAl alloy located in different layers Titanium TiAl alloy to make the ratio distribution of Ti and al of the work function layer in the wafer more uniform; the work function layer is oxidized to form an oxide layer on the surface of the work function layer. The method reduces the difference between VT and IDsat in the wafer, thereby improving the performance and yield of the device.

【技术实现步骤摘要】
一种半导体器件及其制造方法
本专利技术涉及半导体
，具体而言涉及一种半导体器件及其制造方法。
技术介绍
在集成电路制造领域，随着MOS晶体管尺寸的不断缩小，器件的物理极限对器件制备带来的影响也越来越大，器件的特征尺寸按比例缩小也变得更加困难，其中MOS晶体管及其电路制造领域容易出现从栅极向衬底的漏电问题。当前解决上述问题的方法是在半导体器件中采用高K金属栅极来代替常规的多晶硅栅极结构。所述金属栅极通常包括功函数层，在NMOS器件中通常选用TiAl作为功函数层，然而，在高K金属栅极的工艺发展过程中晶圆内(WIW)的阈值电压(Vt)和源漏饱和电流(IDsat)的均匀性(uniformity)变的越来越差。其中，下拉(pulldown，PD)电压和闸门(passgate，PG)电压表现为清晰的中心和边缘图案以及中心和边缘很大的电压差，例如，图1A和图1B示出了不同情况下Vtsat的中间值在半径范围内的二元变量，其中，如图1A所示的饱和阈值电压(Vtsat)中间值的基线(baseline，BL)的晶圆内波动范围为20mV，而经过破真空(Airbreak)工艺之后，如图1B所示，NMOS的金属栅极的饱和阈值电压(Vtsat)中间值的波动范围则达到45mV，从晶圆中心到边缘阈值电压的差异越来越大，从而影响器件的性能。因此，有必要提出一种新的半导体器件及其制造方法，以解决上述技术问题。
技术实现思路
在
技术实现思路
部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本专利技术的
技术实现思路
部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。针对目前存在的问题，本专利技术一方面提供一种半导体器件的制造方法，包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底上预定形成栅极结构的区域形成功函数层，所述功函数层包括TiAl；在真空环境下，对所述功函数层进行退火，将所述功函数层转变为包括位于不同层的富铝的TiAl合金和富钛的TiAl合金，以使所述功函数层在晶圆内的Ti和Al的比例分布更加均匀；对所述功函数层进行氧化，以在所述功函数层的表面形成氧化层。示例性地，进行所述退火后，所述功函数层包括位于下层的富钛的TiAl合金和位于上层的富铝的TiAl合金。示例性地，在不存在O、N、H2O和有机挥发物的环境下，进行所述退火。示例性地，所述退火的温度范围为350℃～450℃；和/或，所述退火过程中的压力范围为2mtorr～60mtorr。示例性地，对所述功函数层进行氧化的步骤具体包括：将形成有所述功函数层的所述半导体衬底置于空气中，由空气中的氧对所述功函数层氧化以形成所述氧化层。示例性地，所述栅极结构形成在所述半导体衬底上预定形成NMOS器件的区域。示例性地，所述栅极结构为金属栅极结构，在形成所述金属栅极结构之前在所述半导体衬底上形成有栅极沟槽，所述金属栅极结构形成在所述栅极沟槽中，其中，形成所述金属栅极结构的方法包括：在形成所述功函数层之前，在所述栅极沟槽的底部和侧壁上依次形成高K介电层和覆盖层；在形成所述氧化层之后，在所述氧化层上形成导电层以填充满所述栅极沟槽。本专利技术再一方面提供一种半导体器件，所述半导体器件包括：半导体衬底；栅极结构，设置在所述半导体衬底上，其中，所述栅极结构包括功函数层以及形成在所述功函数层表面的氧化层，所述功函数层包括位于不同层的富铝的TiAl合金和富钛的TiAl合金。示例性地，所述功函数层包括位于下层的富钛的TiAl合金和位于上层的富铝的TiAl合金。示例性地，所述栅极结构为金属栅极结构，所述栅极结构设置在形成在所述半导体衬底上的栅极沟槽中，所述栅极结构还包括：位于在所述功函数层下方、自下而上设置在所述栅极沟槽的底部和侧壁上的高k介电层和覆盖层；以及位于所述氧化层上并填充满所述栅极沟槽的导电层。综上所述，本专利技术的制造方法在沉积形成TiAl功函数层之后，通过在真空下对TiAl进行退火，使其转变为稳定的晶相，从而使TiAl内的Ti和Al的比例从晶圆的中心向边缘分布更加均匀，在之后的氧化过程中，可以形成在晶圆内数量分布均匀的Al-O偶极子，从而改善器件晶圆内(WIW)的阈值电压(Vt)和饱和电流(IDsat)等的均匀性，降低了Vt和IDsat在晶圆内的差异，进而提高了器件的性能和良率。附图说明本专利技术的下列附图在此作为本专利技术的一部分用于理解本专利技术。附图中示出了本专利技术的实施例及其描述，用来解释本专利技术的原理。附图中：图1A示出了在未对TiAl功函数层进行破真空工艺时在晶圆半径范围内饱和阈值电压(Vtsat)的中间值的二元变量的分布图；图1B示出了对TiAl功函数层进行破真空工艺时在晶圆半径范围内饱和阈值电压(Vtsat)的中间值的二元变量的分布图；图2A至图2B示出了目前常规的沉积TiAl的方法依次执行所获得的器件剖面示意图；图3A至图3C示出了本专利技术一个具体实施方式的半导体器件的制造方法依次执行所获得器件的剖面示意图；图4示出了本专利技术一个具体实施方式的半导体器件的制造方法的流程图；图5示出了本专利技术一个具体实施方式中制备获得的TiAl中Ti和铝的比例在晶圆内的分布图。具体实施方式在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本专利技术更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本专利技术可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本专利技术发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。应当理解的是，本专利技术能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本专利技术的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本专利技术教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体器件的制造方法，其特征在于，包括：/n提供半导体衬底，在所述半导体衬底上预定形成栅极结构的区域形成功函数层，所述功函数层包括TiAl；/n在真空环境下，对所述功函数层进行退火，将所述功函数层转变为包括位于不同层的富铝的TiAl合金和富钛的TiAl合金，以使所述功函数层在晶圆内的Ti和Al的比例分布更加均匀；/n对所述功函数层进行氧化，以在所述功函数层的表面形成氧化层。/n

【技术特征摘要】
1.一种半导体器件的制造方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，在所述半导体衬底上预定形成栅极结构的区域形成功函数层，所述功函数层包括TiAl；
在真空环境下，对所述功函数层进行退火，将所述功函数层转变为包括位于不同层的富铝的TiAl合金和富钛的TiAl合金，以使所述功函数层在晶圆内的Ti和Al的比例分布更加均匀；
对所述功函数层进行氧化，以在所述功函数层的表面形成氧化层。


2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，进行所述退火后，所述功函数层包括位于下层的富钛的TiAl合金和位于上层的富铝的TiAl合金。


3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在不存在O、N、H2O和有机挥发物的环境下，进行所述退火。


4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述退火的温度范围为350℃～450℃；和/或，
所述退火过程中的压力范围为2mtorr～60mtorr。


5.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，对所述功函数层进行氧化的步骤具体包括：将形成有所述功函数层的所述半导体衬底置于空气中，由空气中的氧对所述功函数层氧化以形成所述氧化层。


6.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述栅极结构形成在所述半导体衬底上...

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