栅极及其制作方法
【技术领域】
[0001] 本申请涉及半导体集成电路制作技术领域，具体而言，涉及一种栅极及其制作方 法。
【背景技术】
[0002] 随着半导体器件的特征尺寸不断缩小，晶体管中栅极介质层的尺寸已缩小至临界 极限。比如，在采用65纳米工艺时，栅极介质层的厚度已降至1~2纳米。如果栅极介质 层的尺寸进一步缩小，则晶体管的漏电流和功耗将急剧增加。目前，技术人员已开始着手开 发面向32纳米以及以下世代的HKMG(高K介质层/金属栅极），以降低晶体管中的漏电流 和功耗。其中高K介质层主要为Hf02，金属栅极主要为TiN。
[0003] 然而现有金属栅极的晶界上存在很多缺陷，比如杂质原子、孔洞等，同时高K介质 层与金属栅极之间界面上也存在过剩电荷等缺陷。这些缺陷会捕获栅极中的载流子，使得 载流子发生复合，进而降低了栅极中载流子的迁移率，使得半导体器件中的阈值电压分布 不均匀，甚至造成半导体器件失效。
[0004] 现有技术中在形成金属栅极结构后，通过对HKMG进行高温退火处理，以减少HKMG 中的缺陷，改善半导体器件阈值电压的分布不均匀性，从而进一步提高半导体器件的性能。 然而采用高温退火处理容易造成金属栅极产生蒸发，进而依然会使得HKMG受到损害。
【发明内容】
[0005] 本申请旨在提供一种栅极及其制作方法，以改善现有栅极中阈值电压分布不均匀 的问题。
[0006] 为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种栅极，该栅极至少包括非 晶态的栅极金属层，其中非晶态的栅极金属层为非晶态金属合金材料层或非晶态金属化合 物材料层，非晶态金属合金材料层由包括至少两种金属元素的非晶态物质形成；非晶态金 属化合物材料层由包括至少一种金属元素和至少一种选自IIIA主族、IVA主族、和VA主族 中的非金属元素的非晶态物质形成。
[0007] 进一步地，在本申请上述的栅极中，金属元素为Ti、W、Cu、Al、Pd、Zr、La或Ni。
[0008] 进一步地，在本申请上述的栅极中，非金属元素为氮、碳、磷或硅。
[0009] 进一步地，在本申请上述的栅极中，非晶态物质中至少含有三种原子，且不同的原 子之间的原子半径之差> 10%。
[0010] 进一步地，在本申请上述的栅极中，非晶态金属合金材料层为ZrCuAl材料层或 TiAlW材料层。
[0011] 进一步地，在本申请上述的栅极中，非晶态金属化合物材料层为非晶态的TiAIN 材料层、TiPC材料层、TiPN材料层或WPC材料层。
[0012] 进一步地，在本申请上述的栅极中，非晶态金属合金材料层或非晶态金属化合物 材料层中原子半径最小的元素的原子含量为10%~40%，原子半径最大的元素的原子含量 为5%~15%，原子半径介于最大值和最小值之间的元素的原子含量为45%~85%。
[0013] 进一步地，在本申请上述的栅极中，栅极中包含多层非晶态的栅极金属层，不同非 晶态的栅极金属层中非晶态物质成分相同或不同。
[0014] 进一步地，在本申请上述的栅极中，该栅极进一步包括：设置于非晶态的栅极金属 层上的栅极材料层。
[0015] 进一步地，在本申请上述的栅极中，栅极材料层的材料为多晶硅、Cu或A1。
[0016] 进一步地，在本申请上述的栅极中，该栅极进一步包括：设置于非晶态的栅极金属 层下方的栅极介质层。
[0017] 进一步地，在本申请上述的栅极中，栅极介质层的材料为High-K介质材料。
[0018] 进一步地，在本申请上述的栅极中，栅极介质层的材料为Hf02、HfON、HfSiON、Zr02 和La203中任一种或多种。
[0019] 根据本申请的另一方面，提供了一种栅极的制作方法，该制作方法至少包括形成 非晶态的栅极金属层的步骤，其中非晶态的栅极金属为非晶态金属合金材料层或非晶态金 属化合物材料层，非晶态金属合金材料层由包括至少两种金属元素的非晶态物质形成；非 晶态金属化合物材料层由包括至少一种金属元素和至少一种选自IIIA主族、IVA主族、或 VA主族中的非金属元素的非晶态物质形成。
[0020] 进一步地，在本申请上述的栅极的制作方法中，形成非晶态的栅极金属层的工艺 为原子层沉积或化学气相沉积。
[0021] 进一步地，在本申请上述的栅极的制作方法中，采用原子层沉积工艺形成非晶态 的栅极金属层时，沉积温度为200~450°C，沉积压力为0. 1~6Torr。
[0022] 进一步地，在本申请上述的栅极的制作方法中，采用化学气相沉积工艺形成非晶 态的栅极金属层时，功率为300~500w，沉积压力为0. 001~0. 2Torr，沉积温度为200~ 500。。。
[0023] 进一步地，在本申请上述的栅极的制作方法中，制作方法包括形成多层非晶态的 栅极金属层，不同非晶态的栅极金属层中非晶态物质成分相同或不同。
[0024] 进一步地，在本申请上述的栅极的制作方法中，在形成非晶态的栅极金属层的步 骤后，还包括在非晶态的栅极金属层上形成栅极材料层的步骤。
[0025] 进一步地，在本申请上述的栅极的制作方法中，在形成非晶态的栅极金属层的步 骤后，还包括先形成栅极介质层的步骤，在形成栅极介质层后，在栅极介质层上形成非晶态 的栅极金属层。
[0026] 应用本申请的所提供的栅极及其制作方法，制得的栅极至少包括非晶态的栅极金 属层，其中非晶态的栅极金属层为非晶态金属合金材料层或非晶态金属化合物材料层。由 于非晶态的栅极金属层中至少包括两种不同的原子，不同的原子之间更容易相互配位形成 非晶态物质，进而有利于形成均匀分布的非晶态的栅极金属层。同时在非晶态的栅极金属 层中不同的原子间呈无规则、均匀分布，不存在晶粒及晶界，因此非晶态的栅极金属层中能 够引起载流子发生复合的缺陷很少，使得栅极中载流子的迁移率得到增加，且载流子能够 均匀分布，进而改善栅极中阈值电压分布不均匀的问题。
【具体实施方式】
[0027] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相 互组合。下面将结合实施例来详细说明本申请。
[0028] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述【具体实施方式】，而非意图限制根 据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式 也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于"包含"和/或"包 括"时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0029] 正如【背景技术】中所介绍的，现有栅极具有阈值电压分布不均匀的问题，本申请的 发明人针对上述问题进行分析，提出了一种栅极。该栅极至少包括非晶态的栅极金属层，该 非晶态的栅极金属层为非晶态金属合金材料层或非晶态金属化合物材料层，其中非晶态金 属合金材料层由包括至少两种金属元素的非晶态物质形成，非晶态金属化合物材料层为包 括至少一种金属元素和至少一种选自IIIA主族、IVA主族、或VA主族中的非金属元素的非 晶态物质形成。
[0030] 在上述栅极中由于非晶态的栅极金属层中至少包括两种不同的原子，不同的原子 之间更容易相互配位形成非晶态物质，进而有利于形成均匀分布的非晶态的栅极金属层。 同时在非晶态的栅极金属层中不同的原子间呈无规则、均匀分布，不存在晶粒及晶界，因此 非晶态的栅极金属层中能够引起载流子发生复合的缺陷很少，使得栅极中载流子的迁移率 得到增加，且载流子能够均匀分布，进而改善栅极中阈值电压分布不均匀的问题。
[0031] 上述非晶态金属合金材料层由包括至少两种金属元素的非晶态物质形成。其中金 属元素可以为主族金属或过渡金属。优选地，金属元素为Ti、W、Cu、Al、Pd、Zr、La或Ni。 上述金属元素之间的原子半径差比较大，因此有利于形成结构均匀的非晶态金属合金材料 层，进而有利于提高栅极中阈值电压的分布均匀性。
[0032] 上述非晶态金属化合物材料层可由包括至少一种金属元素与IIIA主族、IVA主族、 或VA主族中至少一种非金属元素的非晶态物质形成。优选地，金属元素为Ti、W、Cu、Al、 Pd、Zr、La或Ni;非金属兀素为氮、碳、磷或娃。由于上述非金属兀素和金属兀素之间的原 子半径差比较大，因此所形成的非晶态金属化合物材料层的结构均匀，进而有利于提高栅 极中阈值电压的分布均匀性。
[0033] 在上述的非晶态的栅极金属层中，原子种类越多、原子半径之差越大，形成的非晶 态的栅极金属层的结构越均匀。在本申请的一种优选实施方式中，上述非晶态物质中至少 含有三种原子，且不同的原子之间的原子半径之差> 10%。优选地，非晶态金属合金材料层 为ZrCuAl材料层或TiAlW材料层。非晶态金属化合物材料层优选包括但不限于非晶态的 TiAIN材料层、TiPC材料层、TiPN材料层或WPC材料层。
[0