金屬柵極結(jié)構(gòu)及其形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種金屬柵極結(jié)構(gòu)及其形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展，半導(dǎo)體器件的集成度不斷增加，半導(dǎo)體器件特征尺寸 (Critical Dimension,⑶）越來(lái)越小，這對(duì)晶體管等元器件的性能提出了更高的要求。
[0003] 由于多晶硅柵極的電阻較大，現(xiàn)有技術(shù)晶體管開(kāi)始采用金屬材料作為柵極，金屬 柵極電阻較低，可以提高晶體管性能。
[0004] 此外，在CMOS的金屬柵極制備過(guò)程中，多采用后柵極工藝（gate last)制備金屬 柵極，以避免金屬柵極的金屬材料對(duì)晶體管其他結(jié)構(gòu)的影響。
[0005] 現(xiàn)有的后柵工藝包括：先參考圖1所示，在半導(dǎo)體襯底上形成偽柵（如多晶硅柵 極）；在形成源/漏區(qū)13后，在半導(dǎo)體襯底上形成介質(zhì)層11，并去除偽柵，在介質(zhì)層11內(nèi)形 成柵極凹槽12 ;接著，參考圖2所示，向柵極凹槽12內(nèi)填充金屬材料，以形成金屬柵極15。
[0006] 此外，繼續(xù)參考圖1所示，為了避免金屬柵極中的金屬原子向介質(zhì)層11內(nèi)擴(kuò)散，而 影響后續(xù)形成的半導(dǎo)體器件性能，在向柵極凹槽12內(nèi)填充金屬材料前，需要在所述柵極凹 槽12的側(cè)壁形成一層擴(kuò)散阻擋層14,用于減少金屬柵極中的金屬原子向介質(zhì)層11中的擴(kuò) 散問(wèn)題。
[0007] 然而，即便如此，現(xiàn)有的擴(kuò)散阻擋層技術(shù)已無(wú)法滿足半導(dǎo)體器件發(fā)展要求。為此， 如何進(jìn)一步防止金屬原子擴(kuò)散是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明解決的問(wèn)題是提供一種金屬柵極結(jié)構(gòu)及其形成方法，以抑制金屬原子擴(kuò)散 的現(xiàn)象。
[0009] 為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種金屬柵極結(jié)構(gòu)包括：
[0010] 基底；
[0011] 位于基底上介質(zhì)層，所述介質(zhì)層中設(shè)有凹槽；
[0012] 位于所述凹槽的側(cè)壁和底部的擴(kuò)散阻擋層，所述擴(kuò)散阻擋層包括氮化鈦層，所述 氮化鈦層從靠近所述凹槽內(nèi)表面到遠(yuǎn)離所述凹槽內(nèi)表面的方向依次為T(mén)iNx、TiN和TiNy， 其中 x< l，y > 1 ;
[0013] 位于所述凹槽內(nèi)的金屬柵極。
[0014] 可選地，所述擴(kuò)散阻擋層從靠近所述凹槽內(nèi)表面到遠(yuǎn)離所述凹槽內(nèi)表面的方向依 次包括：第一氮化鈦層、第二氮化鈦層和第三氮化鈦層，所述第一氮化鈦層為T(mén)iNx，所述第 二氮化鈦層為T(mén)iN，第三氮化鈦層為T(mén)iNy。
[0015] 可選地，所述第一氮化鈦層、第二氮化鈦層和第三氮化鈦層的厚度均為5~60/\。
[0016] 可選地，所述擴(kuò)散阻擋層還包括：位于所述氮化鈦層表面的氮化鋁鈦層。
[0017] 可選地，所述氮化鋁鈦層的厚度為5~50 A。
[0018] 可選地，所述擴(kuò)散阻擋層還包括：
[0019] 覆蓋在所述凹槽的側(cè)壁和底面上的鉭層，所述氮化鈦層位于所述鉭層上。
[0020] 可選地，所述擴(kuò)散阻擋層還包括：
[0021 ] 位于所述鉭層和氮化鈦層之間的氮化鉭層。
[0022] 可選地，所述金屬柵極結(jié)構(gòu)還包括：位于所述凹槽底部且位于所述擴(kuò)散阻擋層下 方的高K介質(zhì)層，用作柵極介質(zhì)層。
[0023] 可選地，所述金屬柵極為鋁柵極。
[0024] 本發(fā)明還提供了一種金屬柵極結(jié)構(gòu)的形成方法，包括：
[0025] 提供基底；
[0026] 在基底上形成介質(zhì)層，在所述介質(zhì)層內(nèi)形成凹槽；
[0027] 在所述凹槽的側(cè)壁和底部形成擴(kuò)散阻擋層，所述擴(kuò)散阻擋層包括氮化鈦層，所述 氮化鈦層從靠近所述凹槽內(nèi)表面到遠(yuǎn)離所述凹槽內(nèi)表面的方向依次為T(mén)iNx、TiN和TiNy， 其中 x< l，y > 1 ;
[0028] 向所述凹槽內(nèi)填充金屬材料，形成金屬柵極。
[0029] 可選地，所述氮化鈦層的形成步驟包括：
[0030] 在所述凹槽側(cè)壁和底部形成第一氮化鈦層，所述第一氮化鈦層為T(mén)iNx ;
[0031] 在所述第一氮化鈦層表面形成第二氮化鈦層，所述第二氮化鈦層為T(mén)iN ;
[0032] 在所述第二氮化鈦層表面形成第三氮化鈦層，所述第三氮化鈦層為T(mén)iNy。
[0033] 可選地，
[0034] 形成第一氮化鈦層的步驟包括：在所述凹槽的側(cè)壁和底面形成第一鈦層，對(duì)所述 第一鈦層進(jìn)行第一氮等離子體處理，使所述第一鈦層轉(zhuǎn)化為第一氮化鈦層；
[0035] 形成第二氮化鈦層的步驟包括：在所述第一氮化鈦層的表面形成第二鈦層，對(duì)所 述第二鈦層進(jìn)行第二氮等離子體處理，使所述第二鈦層轉(zhuǎn)化為第二氮化鈦層，所述第二氮 等離子處理中氮?dú)獾牧髁看笥谒龅谝坏入x子體處理中氮?dú)饬髁浚?br>[0036] 形成第三氮化鈦層的步驟包括：在所述第二氮化鈦層的表面形成第三鈦層，對(duì)所 述第三鈦層進(jìn)行第三氮等離子體處理，使所述第三鈦層轉(zhuǎn)化為第三氮化鈦層，所述第三氮 等離子處理中氮?dú)獾牧髁看笥谒龅诙入x子體處理中氮?dú)饬髁俊?br>[0037] 可選地，形成所述第一鈦層、第二鈦層和第三鈦層的工藝為物理氣相沉積法；
[0038] 所述第一氮等離子體處理的步驟包括：控制氣壓為0. 01~lOtorr、功率為50~ 500W，通入流量為100~500sccm的氮?dú)獬掷m(xù)1~100s ;
[0039] 所述第二氮等離子體處理的步驟包括：控制氣壓為0. 01~lOtorr、功率為50~ 500W，通入流量為500~lOOOsccm的氮?dú)獬掷m(xù)1~100s ;
[0040] 所述第三氮等離子體處理的步驟包括：控制氣壓為0. 01~lOtorr、功率為20~ 2000W，通入流量為1000~2000sccm的氮?dú)獬掷m(xù)1~100s。
[0041] 可選地，形成擴(kuò)散阻擋層的步驟還包括：
[0042] 形成所述氮化鈦層后，在所述氮化鈦層表面形成氮化鋁鈦層。
[0043] 可選地，形成氮化鋁鈦層的步驟包括：
[0044] 在所述氮化鈦層表面形成鈦鋁合金層；
[0045] 進(jìn)行第四氮等離子體處理，使所述鈦鋁合金層轉(zhuǎn)化為氮化鋁鈦層。
[0046] 可選地，所述第四氮等離子體處理的方法包括：控制氣壓為0. 01~lOtorr、功率 為50~500W，通入流量為100~500sccm的氮?dú)獬掷m(xù)1~100s。
[0047] 可選地，形成擴(kuò)散阻擋層的步驟還包括：
[0048] 在形成所述氮化鈦層前，先在所述凹槽的側(cè)壁和底面形成鉭層。
[0049] 可選地，形成擴(kuò)散阻擋層的步驟還包括：
[0050] 在形成所述鉭層后，形成所述氮化鈦層前，在所述鉭層表面形成氮化鉭層。
[0051] 可選地，在所述介質(zhì)層內(nèi)形成凹槽的步驟包括：
[0052] 在形成所述介質(zhì)層前，先在所述基底上形成偽柵；
[0053] 之后形成與所述表面齊平的介質(zhì)層，去除所述偽柵以形成所述凹槽。
[0054] 可選地，在形成擴(kuò)散阻擋層前，所述金屬柵極結(jié)構(gòu)的形成方法還包括：在所述凹槽 底部形成用作柵極介質(zhì)層的高K介質(zhì)層。
[0055] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0056] 在本發(fā)明提供的金屬柵極結(jié)構(gòu)中，介質(zhì)層的凹槽的側(cè)壁以及底部設(shè)有作為擴(kuò)散阻 擋層的氮化鈦層，所述氮化鈦層從靠近所述凹槽內(nèi)表面到遠(yuǎn)離所述凹槽內(nèi)表面的方向依次 包括TiNx、TiN和TiNy，其中X < 1，y > 1。相比與現(xiàn)有的擴(kuò)散阻擋層，具有上述結(jié)構(gòu)的氮 化鈦層可有效減少金屬柵極內(nèi)金屬原子向介質(zhì)層的擴(kuò)散的問(wèn)題，所述擴(kuò)散阻擋層具有較好 的擴(kuò)散阻擋能力，從而提高了后續(xù)形成的半導(dǎo)體器件的性能。
【附圖說(shuō)明】
[0057] 圖1和圖2現(xiàn)有技術(shù)一種金屬柵極形成方法的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0058] 圖3~圖14是本發(fā)明金屬柵極結(jié)構(gòu)的形成方法一實(shí)施例中各步驟的示意圖；
[0059] 圖15是本發(fā)明金屬柵極結(jié)構(gòu)一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0060] 如【背景技術(shù)】所述，現(xiàn)有金屬柵極結(jié)構(gòu)中，在介質(zhì)層與金屬柵極之間會(huì)設(shè)置擴(kuò)散阻 擋層，以抑制金屬柵極中的金屬原子擴(kuò)散進(jìn)入介質(zhì)層中，進(jìn)而提高半導(dǎo)體器件的性能。
[0061] 而隨著半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)有技術(shù)形成的擴(kuò)散阻擋層對(duì)于金屬柵極中金屬原子擴(kuò) 散進(jìn)入介質(zhì)層