一种半导体器件及其制作方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种半导体器件及其制作方法。

背景技术：

集成电路(ic)尤其是超大规模集成电路中的主要器件是金属氧化物半导体场效应晶体管(mos)，随着半导体集成电路工业技术日益的成熟，超大规模的集成电路的迅速发展，具有更高性能和更强功能的集成电路要求更大的元件密度，而且各个部件、元件之间或各个元件自身的尺寸、大小和空间也需要进一步缩小。

对于具有更先进的技术节点的cmos而言，后高k/后金属栅极(high-kandmetalgatelast)技术已经广泛地应用于cmos器件中，以避免高温处理工艺对器件的损伤。在目前的后高k/后金属栅极技术中，包括形成界面层(il)和高k(hk)介电层，接着在高k介电层上沉积形成功函数金属层(wf)和金属栅极(mg)。

然而，在现有的后高k介电层/后金属栅极工艺中，金属栅极的材料通常为铝，因此易发生铝原子扩散，铝原子扩散到功函数金属层甚至高k介电层，降低了器件的有效功函数(ewf)，进而影响器件的性能以及可靠性，因此，防止金属栅极的原子扩散，是提高半导体器件性能的关键。

因此，有必要提出一种新的半导体器件的制作方法，以解决上述问题。

技术实现要素：

在发明内容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。本发明的发明内容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。

针对现有技术的不足，本发明提供一种半导体器件的制作方法，包括以下步骤：

提供半导体衬底；

在所述半导体衬底上形成高k介电层；

在所述高k介电层上形成覆盖层或功函数金属层；

对所述覆盖层或功函数金属层执行离子注入；

在所述覆盖层或功函数金属层上形成金属栅极。

进一步，所述离子注入注入的离子包括氮或氧。

进一步，所述离子注入的源气体包括n2、n2o或no，注入的能量为1kev-100kev，注入的剂量为1e11atom/cm²-1e15atom/cm²。

进一步，所述金属栅极的材料包括铝。

进一步，所述覆盖层或功函数金属层的材料包括tin。

本发明还包括一种半导体器件，包括：

半导体衬底；

所述半导体衬底上形成有高k介电层；

所述高k介电层上形成有覆盖层或功函数金属层，所述覆盖层或功函数金属层中掺杂有掺杂离子；

所述覆盖层或功函数金属层上形成有金属栅极。

进一步，所述掺杂离子包括氮或氧。

进一步，所述金属栅极的材料包括铝。

进一步，所述覆盖层或功函数金属层的材料包括tin。

根据本发明提供的半导体器件的制作方法，通过在形成覆盖层或功函数金属层之后执行离子注入，以避免后续形成的金属栅极中的金属原子发生扩散，从而提高了半导体器件的有效功函数，进而提高半导体器件的性能与可靠性。

附图说明

通过结合附图对本发明实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。

附图中：

图1a-1e是根据本发明的方法依次实施的步骤所分别获得的器件的示意性剖面图；

图2是根据本发明的半导体器件的制作方法的示意性流程图；

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发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明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，为了避免与本发明发生混淆，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，本发明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，并且将本发明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，在不脱离本发明教导之下，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系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

对于具有更先进的技术节点的cmos而言，后高k/后金属栅极(high-kandmetalgatelast)技术已经广泛地应用于cmos器件中，以避免高温处理工艺对器件的损伤。在目前的后高k/后金属栅极技术中，包括形成界面层(il)和高k(hk)介电层，接着在高k介电层上沉积形成功函数金属层(wf)和金属栅极(mg)。

然而，在现有的后高k介电层/后金属栅极工艺中，金属栅极的材料通常为铝，因此易发生铝原子扩散，铝原子扩散到功函数金属层甚至高k介电层，降低了器件的有效功函数(ewf)，进而影响器件的性能以及可靠性，因此，防止金属栅极的原子扩散，是提高半导体器件性能的关键。

因此，有必要提出一种新的半导体器件的制作方法，以解决上述问题。

针对上述问题，本发明提供一种半导体器件的制作方法，包括：

提供半导体衬底；

在所述半导体衬底上形成高k介电层；

在所述高k介电层上形成覆盖层或功函数金属层；

对所述覆盖层或功函数金属层执行离子注入；

在所述覆盖层或功函数金属层上形成金属栅极。

其中，所述离子注入注入的离子包括氮或氧；所述离子注入的源气体包括n2、n2o或no，注入的能量为1kev-100kev，注入的剂量为1e11atom/cm²-1e15atom/cm²；所述金属栅极的材料包括铝；所述覆盖层或功函数金属层的材料包括tin。

根据本发明提供的半导体器件的制作方法，通过在形成覆盖层或功函数金属层之后执行离子注入，以避免后续形成的金属栅极中的金属原子发生扩散，从而提高了半导体器件的有效功函数，进而提高半导体器件的性能与可靠性。

下面将参考图1a-1e和图2对本发明所述半导体器件的制备方法进行详细描述。其中，图1a-1e为根据本发明的方法依次实施的步骤所分别获得的器件的示意性剖面图；图2是根据本发明的半导体器件的制作方法的示意性流程图。

本发明提供一种半导体器件的制备方法，如图2所示，该制备方法的主要步骤包括：

s201：提供半导体衬底；

s202：在所述半导体衬底上形成高k介电层；

s203：在所述高k介电层上形成覆盖层或功函数金属层；

s204：对所述覆盖层或功函数金属层执行离子注入；

s205：在所述覆盖层或功函数金属层上形成金属栅极。

下面，对本发明的半导体器件的制作方法的具体实施方式做详细的说明。

首先，执行步骤s201，如图1a所示，提供半导体衬底100。

示例性地，在本发明中所述半导体衬底100可以是以下所提到的材料中的至少一种：单晶硅、绝缘体上硅(soi)、绝缘体上层叠硅(ssoi)、绝缘体上层叠锗化硅(s-sigeoi)、绝缘体上锗化硅(sigeoi)以及绝缘体上锗(geoi)等。在半导体衬底100中还形成有隔离结构，所述隔离结构为浅沟槽隔离(sti)结构或者局部氧化硅(locos)隔离结构，隔离结构将半导体衬底100分为不同的有源区，有源区中可以形成各种半导体器件，例如nmos和pmos等。在半导体衬底100中还形成有各种阱(well)结构，为了简化，图示中予以省略。

接下来，执行步骤s202，如图1所示，在所述半导体衬底100上形成高k介电层102。

示例性地，在形成所述高k介电层102之前还可以在所述半导体衬底100上形成界面层101。界面层(il)可以为热氧化层、氮的氧化物层、化学氧化层或者其他适合的薄膜层。可以采用cvd、ald或者pvd等适合的工艺形成界面层101。界面层101的厚度范围为5埃至10埃。

示例性地，在所述界面层101上沉积形成高k(hk)介电层102。高k介电层102的材料包括但不限于lao、bazro、alo、hfo2、hfzro、hfzron、hflao、hfsion、hfsio、lasio、alsio、hftao、hftio、(ba，sr)tio3(bst)、al2o3、si3n4、氮氧化物或者其他适合的材料，在本发明中，所述高k介电层102可以为hfo2层。可以采用cvd、ald或者pvd等适合的工艺形成高k介电层102。高k介电层102的厚度范围为10埃至30埃。

接下来，执行步骤s203，如图1a所示，在所述高k介电层102上形成覆盖层103。

示例性地，在高k介电层102上沉积形成覆盖层103，覆盖层103的材料包括但不限于la2o3、al2o3、ga2o3、in2o3、moo、pt、ru、tacno、ir、tac、mon、wn、tixn1-x或者其他适合的薄膜层，在本发明中，所述覆盖层103为tin层。可以采用cvd、ald或者pvd等适合的工艺形成覆盖层103。覆盖层103的厚度范围为5埃至20埃。

接下来，执行步骤s204，如图1b所示，对所述覆盖层103执行第一离子注入。

示例性地，执行第一离子注入注入的离子包括氮或氧。在本发明中，注入的离子为氮离子，氮离子注入的源气体为n2、n2o或no，所述氮离子注入的能量为1kev-100kev，剂量为1e11atom/cm²-1e15atom/cm²。

对覆盖层103执行第一离子注入，注入的离子聚集在覆盖层103和高k介电层102界面附近，以阻止后续形成的金属栅极中的金属原子向高k介电层102扩散。此外，上述步骤s203中形成的tin具有柱状的晶体结构，后续形成的金属栅极中的铝原子极易通过柱状的晶体结构之间的间隙进入tin层下面的高k介电层102中，从而导致器件的有效功函数的降低，本发明上述第一离子注入注入的离子还能够破坏覆盖层103中tin的晶体结构，同时掺杂的离子位于所述柱状的晶体结构之间的间隙，从而有效避免铝原子的向下扩散。

接着，执行步骤s203，如图1c所示，在所述高k介电层102上形成功函数金属层105。

示例性地，在形成功函数金属层105之前还可以在覆盖层103上形成阻挡层104，阻挡层104的材料包括但不限于tan，ta，taal或者其他适合的薄膜层。可以采用cvd、ald或者pvd等适合的工艺形成阻挡层104。阻挡层104的厚度范围为5埃至20埃。

示例性地，在阻挡层104上沉积形成功函数金属层105，功函数金属层105包括p型功函数金属层(pwf)。功函数金属层105的材料包括但不限于tixn1-x,tac,mon,tan或者其他适合的薄膜层，在本发明中，所述功函数金属层105为tin层。可以采用cvd、ald或者pvd等适合的工艺形成功函数金属层105。功函数金属层105的厚度范围为10埃至580埃。

接下来，执行步骤s204，如图1d所示，对所述功函数金属层105执行第二离子注入。

示例性地，执行第二离子注入注入的离子包括氮或氧。在本发明中，注入的离子为氮离子，氮离子注入的源气体为n2、n2o或no，所述氮离子注入的能量为1kev-100kev，剂量为1e11atom/cm²-1e15atom/cm²。

对功函数金属层105执行第二离子注入，注入的离子聚集在功函数金属层105和阻挡层104界面附近，以阻止后续形成的金属栅极中的金属原子向阻挡层104扩散。此外，上述步骤s203中形成的tin具有柱状的晶体结构，后续形成的金属栅极中的铝原子极易通过柱状的晶体结构之间的间隙进入tin层下面的阻挡层104中，从而导致器件的有效功函数的降低，本发明上述第二离子注入注入的离子还能够破坏功函数金属层105中tin的晶体结构，同时掺杂的离子位于所述柱状的晶体结构之间的间隙，从而有效避免铝原子的向下扩散。

需要说明的是，在本发明中，对覆盖层103执行第一离子注入和对功函数金属层105执行第二离子注入的步骤可以择一执行或全部执行，即，在本发明中，包括对覆盖层103执行第一离子注入和/或对功函数金属层105执行第二离子注入的步骤。

接下来，执行步骤s205，如图1e所示，在所述覆盖层103或功函数金属层105上形成金属栅极106。

示例性地，在形成金属栅极106前还可以形成隔离层(图中未示出)。隔离层的材料包括但不限于tan、tin、ti或者其他适合的薄膜层。可以采用cvd、ald或者pvd等适合的工艺形成隔离层。

示例性地，在所述覆盖层103或功函数金属层105上形成金属栅极106，金属栅极的材料包括但不限于al、w或者其他适合的薄膜层，在本发明中，所述金属栅极为al层。可以采用cvd、ald或者pvd等适合的工艺形成金属栅极106。

本发明还提供一种半导体器件，下面结合附图1e，对本发明提供的半导体器件的结构进行描述。该半导体器件包括半导体衬底100、高k介电层102、掺杂有掺杂离子的覆盖层103或功函数金属层105、金属栅级106。其中：

半导体衬底100可以是以下所提到的材料中的至少一种：单晶硅、绝缘体上硅(soi)、绝缘体上层叠硅(ssoi)、绝缘体上层叠锗化硅(s-sigeoi)、绝缘体上锗化硅(sigeoi)以及绝缘体上锗(geoi)等。在半导体衬底100中还形成有隔离结构，所述隔离结构为浅沟槽隔离(sti)结构或者局部氧化硅(locos)隔离结构，隔离结构将半导体衬底100分为不同的有源区，有源区中可以形成各种半导体器件，例如nmos和pmos等。在半导体衬底100中还形成有各种阱(well)结构，为了简化，图示中予以省略。

所述半导体衬底100上形成有高k介电层102。

示例性地，所述半导体衬底100和所述高k介电层102之间还可以形成有界面层101。界面层(il)可以为热氧化层、氮的氧化物层、化学氧化层或者其他适合的薄膜层。

示例性地，高k介电层102的材料包括但不限于lao、bazro、alo、hfo2、hfzro、hfzron、hflao、hfsion、hfsio、lasio、alsio、hftao、hftio、(ba，sr)tio3(bst)、al2o3、si3n4、氮氧化物或者其他适合的材料，在本发明中，所述高k介电层102可以为hfo2层。

所述高k介电层102上形成有覆盖层103或功函数金属层105，所述覆盖层103或功函数金属层105中掺杂有掺杂离子。

示例性地，覆盖层103的材料包括但不限于la2o3、al2o3、ga2o3、in2o3、moo、pt、ru、tacno、ir、tac、mon、wn、tixn1-x或者其他适合的薄膜层，在本发明中，所述覆盖层103为tin层。

示例性地，所述覆盖层103上还可以形成阻挡层104，所述阻挡层104的材料包括但不限于tan，ta，taal或者其他适合的薄膜层。

示例性地，功函数金属层105为p型功函数金属层(pwf)，功函数金属层105的材料包括但不限于tixn1-x,tac,mon,tan或者其他适合的薄膜层。在本发明中，所述功函数金属层105为tin层。

示例性地，所述覆盖层103或功函数金属层105中掺杂有掺杂离子，所述掺杂离子包括氮或氧，在本发明中，掺杂离子包括氮。掺杂离子聚集在覆盖层103或功函数金属层105与下方膜层的界面附近，以阻止后续形成的金属栅极中的金属原子向下方膜层扩散。此外，上述掺杂前的tin具有柱状的晶体结构，金属栅极106中的铝原子极易通过柱状的晶体结构之间的间隙进入tin层下面的下方膜层中，从而导致器件的有效功函数的降低，本发明上述掺杂离子还能够破坏tin的晶体结构，同时掺杂的离子位于所述柱状的晶体结构之间的间隙，从而有效避免铝原子的向下扩散。

所述覆盖层103或功函数金属层105上形成有金属栅极106。

示例性地，在金属栅极106与覆盖层103或功函数金属层105之间还可以形成有隔离层(图中未示出)。隔离层的材料包括但不限于tan、tin、ti或者其他适合的薄膜层。

示例性地，金属栅极106的材料包括但不限于al、w或者其他适合的薄膜层，在本发明中，所述金属栅极的材料为铝。

根据本发明提供的半导体器件的制作方法，通过在形成覆盖层或功函数金属层之后执行离子注入，以避免后续形成的金属栅极中的金属原子发生扩散，从而提高了半导体器件的有效功函数，进而提高半导体器件的性能与可靠性。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。