[发明专利]栅极堆叠的制造方法和半导体器件

说明书

技术领域

本发明涉及半导体领域，尤其涉及半导体器件及其制造方法，更具体地，涉及一种具有牺牲金属去氧侧墙的栅极堆叠的制造方法和一种具有利用所述方法制造出的栅极堆叠结构的半导体器件。

背景技术

传统的CMOSFET(互补金属氧化物半导体场效应晶体管)的制造工艺包括先栅(Gate-First)工艺和后栅(Gate-Last)工艺。在32nm工艺和更高级的工艺中，广泛采用了具有低等效氧化物厚度(EOT)的高K电介质/金属栅极电极堆叠结构。高K电介质与衬底沟道(通常采用半导体衬底)之间的界面层使得要想获得EOT＜1nm变得非常困难，因为界面层本身的EOT为大约在传统的CMOSFET工艺中，采用了牺牲金属层(如Ta、Ti等)，置于高K电介质和金属栅极电极之间来去除电介质薄膜中的氧元素。利用这种方法，可以实现具有较低的EOT的栅极堆叠结构。

图1是示出了根据传统的先栅工艺制造的半导体器件的示意图。如图1所示，根据传统工艺制造的半导体器件主要包括：半导体衬底100、STI(浅沟槽隔离)110、界面氧化物层120、高K介电层130、牺牲金属去氧层140和金属栅电极150，其中STI 110形成在半导体衬底100中，用于实现栅极与源极/漏极之间的隔离；界面氧化物层120形成在半导体衬底100上，高K介电层130形成在界面氧化物层120上，牺牲金属去氧层140形成在高K介电层130上，金属栅电极150形成在牺牲金属去氧层140上，由此，界面氧化物层120、高K介电层130、牺牲金属去氧层140和金属栅电极150形成了半导体器件的栅极堆叠结构。在图1所示的半导体器件中，牺牲金属去氧层140位于高K介电层130和金属栅电极150之间。在退火和/或其他工艺步骤之后，牺牲金属去氧层140将去除高K介电层130中的氧元素，而转变成金属氧化物电介质。设置牺牲金属去氧层140的目的在于：消耗栅极堆叠结构中的氧元素，从而减少衬底所消耗的氧元素，由此使EOT最小。

但是，无论是对于先栅工艺还是后栅工艺，传统的CMOSFET制造工艺仍然存在下述缺点：

1、由于在通过去氧反应去除电介质层(高K介电层130)中的氧元素之后，牺牲金属层(牺牲金属去氧层140)将转变成金属氧化物层(电介质层)，而这一层也将被计算为EOT中的一部分，从而导致EOT增加；以及

2、牺牲金属层可能并未完全转变成金属氧化物(电介质层)(例如，由于氧元素并不足以牺牲金属层的完全转变)，在这种情况下，可能导致金属氧化物(电介质层)厚度的不同，而使得不同的器件可能具有不同的功函数。

发明内容

考虑到传统工艺的上述缺陷，本发明提出了一种具有牺牲金属去氧侧墙的栅极的制造方法，其中以牺牲金属侧墙取代传统工艺中的牺牲金属层，沿栅极堆叠结构的侧壁设置，以用作牺牲金属去氧侧墙。本发明的栅极堆叠制造方法可以用于先栅工艺和后栅工艺。此外，本发明还提出了一种具有利用所述方法制造出的栅极的半导体器件。

根据本发明的第一方案，提出了一种具有牺牲金属去氧侧墙的栅极堆叠的制造方法，包括：在半导体衬底上形成由界面氧化物层、高K介电层和金属栅电极上构成的栅极堆叠结构；保形地沉积覆盖所述半导体衬底和所述栅极堆叠结构的金属层；以及对所述金属层进行选择性刻蚀处理，去除覆盖所述栅极堆叠结构顶部和所述半导体衬底的所述金属层，仅保留在所述栅极堆叠结构的外周围绕所述栅极堆叠结构的牺牲金属去氧侧墙。

优选地，根据本发明的第一方案所述的具有牺牲金属去氧侧墙的栅极堆叠的制造方法还包括：保形地沉积覆盖所述栅极堆叠结构顶部、所述牺牲金属去氧侧墙顶部和所述半导体衬底的电介质层；以及对所述电介质层进行选择性刻蚀处理，去除覆盖所述栅极堆叠结构顶部、所述牺牲金属去氧侧墙顶部和所述半导体衬底的所述电介质层，仅保留在所述牺牲金属去氧侧墙的外周围绕所述牺牲金属去氧侧墙的电介质侧墙。

优选地，在保形地沉积所述金属层之后，在对所述金属层进行选择性刻蚀处理之前，根据本发明的第一方案所述的具有牺牲金属去氧侧墙的栅极的制造方法还包括：保形地沉积覆盖所述金属层的电介质层；以及对所述电介质层进行选择性刻蚀处理，去除覆盖所述金属层顶部的所述电介质层，仅保留在牺牲金属去氧侧墙的外周围绕所述牺牲金属去氧侧墙的电介质侧墙。

优选地，根据本发明的第一方案所述的具有牺牲金属去氧侧墙的栅极堆叠的制造方法还包括：在完成去氧反应过程后，全部去除或部分去除所述牺牲金属去氧侧墙，或者在完成去氧反应过程后，全部去除或部分去除所述牺牲金属去氧侧墙和所述电介质侧墙。