[发明专利]半导体器件及其制造方法

说明书

本发明公开了一种半导体器件，包括衬底、衬底上的多个栅极堆叠结构、每个栅极堆叠结构两侧的多个栅极侧墙结构、每个栅极侧墙结构两侧衬底中的多个源漏区，多个栅极堆叠结构包括多个第一栅极堆叠结构和多个第二栅极堆叠结构，其特征在于：第一栅极堆叠结构包括第一栅极绝缘层、第一阻挡层、第一功函数调节层、和电阻调节层，第二栅极堆叠结构包括第二栅极绝缘层、第一阻挡层、第二功函数调节层、第一功函数调节层、和电阻调节层。依照本发明的半导体器件及其制造方法，先选择性沉积NMOS功函数调节层然后再沉积PMOS功函数调节层，简化了PMOS金属栅极结构，在有效控制金属栅功函数的同时还能提高电阻调节层填充的空间，从而有效降低栅极电阻。

技术领域

本发明涉及一种半导体器件及其制造方法，特别是涉及一种更有效控制功函数并且降低栅极电阻的CMOS及其制造方法。

背景技术

从45nm CMOS集成电路工艺起，随着器件特征尺寸的不断缩小，为了抑制短沟道效应，CMOS器件中栅绝缘介质层的等效氧化层厚度(EOT)必需同步减少。然而，超薄的(例如10nm)常规氧化层或氮氧化层由于(相对)介电常数不高(例如3.9左右)，绝缘性能难以承受这种超小器件中相对高的场强，将产生严重的栅漏电。因此，传统的多晶硅(poly-si)/SiON体系不再适用。

有鉴于此，业界开始使用高介电常数(高k，HK)材料来作为栅绝缘介质层。然而，高k材料的界面电荷与极化电荷导致器件的阈值调节困难，poly-si与高k结合将产生费米能级钉扎效应，因而不能用于MOSFET的阈值调节，故栅电极必需应用不同金属材料来调节器件阈值，也即采用金属栅(MG)/HK结构。

对于不同MOSFET的阈值调节，比如对于NMOS与PMOS，需要不同功函数的金属电极。可采用单一金属栅工艺调节方法，然而调节范围有限。例如采用了单一金属栅工艺的具有较低待机功率的平面SOI多栅器件，对应于n+poly-si的4.1eV功函数以及p+poly-si的5.2eV功函数，可以选择合适的金属电极使得栅极功函数在两者之间的中位值附近，例如为4.65eV或者4.65±0.3eV。但这种小范围微调难以有效控制器件阈值。最优工艺方法应当是采用不同金属材料的栅电极，例如NMOS采用导带金属，PMOS采用价带金属，以使得NMOS和PMOS的栅极功函数分别位于导带和价带边缘处，例如4.1±0.1eV和5.2±0.1eV。业界已经就这些栅极金属(包括金属氮化物)的材料选择做了详尽研究，在此不再赘述。

现有的CMOS双金属栅集成工艺方法，一般包括：在PMOS和NMOS基础结构中刻蚀去除假栅极，形成PMOS栅极沟槽和NMOS栅极沟槽，并且在两个栅极沟槽中沉积高k材料的栅极绝缘层；在PMOS栅极沟槽和NMOS栅极沟槽中栅极绝缘层上依次沉积例如TiN的第一阻挡层(和/或刻蚀停止层，例如Ta、TaN)、PMOS功函数调节层(例如TiN)、第二阻挡层(例如TaN)；选择性干法刻蚀去除NMOS区域的PMOS功函数调节层、第二阻挡层，暴露并停止在第一阻挡层上；在PMOS区第二阻挡层以及NMOS区暴露的第一阻挡层上沉积NMOS功函数调节层(例如TiAl、Al)；在整个器件也即NMOS功函数调节层上依次沉积第三阻挡层(例如TiN、Ti)和电阻调节层；CMP平坦化直至暴露层间介质层(ILD)；刻蚀ILD形成源漏接触孔并且填充金属形成源漏接触塞。

在上述现有工艺中，NMOS功函数调节层中含有的Al离子有利于快速扩散，可以有效扩散至栅极绝缘层与第一阻挡层之间的界面附近，从而有效控制NMOS功函数。然而，为了防止NMOS功函数调节层中Al离子对于PMOS功函数调节层的影响，必须在PMOS区域形成并且保留第二阻挡层。这样，在PMOS区的器件结构中，金属栅结构极度复杂(含有三个阻挡层)，在特征尺寸-栅极长度逐步缩减的条件下，特别是栅极长度在22nm之下，此时由于多层阻挡层的结构使得PMOS区电阻调节层可以填充的空间减少，存在电阻调节层体积小难以有效降低栅极电阻以及填充不充分造成孔洞反而提高电阻率的问题。

发明内容