金属栅极结构及其形成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种金属栅极结构及其形成方法。
【背景技术】
[0002] 随着半导体技术发展，半导体器件的集成度不断增加，半导体器件特征尺寸 (Critical Dimension,⑶）越来越小，这对晶体管等元器件的性能提出了更高的要求。
[0003] 由于多晶硅栅极的电阻较大，现有技术晶体管开始采用金属材料作为栅极，金属 栅极电阻较低，可以提高晶体管性能。
[0004] 此外，在CMOS的金属栅极制备过程中，多采用后栅极工艺（gate last)制备金属 栅极，以避免金属栅极的金属材料对晶体管其他结构的影响。
[0005] 现有的后栅工艺包括：先参考图1所示，在半导体衬底上形成伪栅（如多晶硅栅 极）；在形成源/漏区13后，在半导体衬底上形成介质层11，并去除伪栅，在介质层11内形 成栅极凹槽12 ;接着，参考图2所示，向栅极凹槽12内填充金属材料，以形成金属栅极15。
[0006] 此外，继续参考图1所示，为了避免金属栅极中的金属原子向介质层11内扩散，而 影响后续形成的半导体器件性能，在向栅极凹槽12内填充金属材料前，需要在所述栅极凹 槽12的侧壁形成一层扩散阻挡层14,用于减少金属栅极中的金属原子向介质层11中的扩 散问题。
[0007] 然而，即便如此，现有的扩散阻挡层技术已无法满足半导体器件发展要求。为此， 如何进一步防止金属原子扩散是本领域技术人员亟需解决的问题。
【发明内容】
[0008] 本发明解决的问题是提供一种金属栅极结构及其形成方法，以抑制金属原子扩散 的现象。
[0009] 为了解决上述问题，本发明提供一种金属栅极结构包括：
[0010] 基底；
[0011] 位于基底上介质层，所述介质层中设有凹槽；
[0012] 位于所述凹槽的侧壁和底部的扩散阻挡层，所述扩散阻挡层包括氮化钛层，所述 氮化钛层从靠近所述凹槽内表面到远离所述凹槽内表面的方向依次为TiNx、TiN和TiNy， 其中 x< l，y > 1 ;
[0013] 位于所述凹槽内的金属栅极。
[0014] 可选地，所述扩散阻挡层从靠近所述凹槽内表面到远离所述凹槽内表面的方向依 次包括：第一氮化钛层、第二氮化钛层和第三氮化钛层，所述第一氮化钛层为TiNx，所述第 二氮化钛层为TiN，第三氮化钛层为TiNy。
[0015] 可选地，所述第一氮化钛层、第二氮化钛层和第三氮化钛层的厚度均为5~60/\。
[0016] 可选地，所述扩散阻挡层还包括：位于所述氮化钛层表面的氮化铝钛层。
[0017] 可选地，所述氮化铝钛层的厚度为5~50 A。
[0018] 可选地，所述扩散阻挡层还包括：
[0019] 覆盖在所述凹槽的侧壁和底面上的钽层，所述氮化钛层位于所述钽层上。
[0020] 可选地，所述扩散阻挡层还包括：
[0021 ] 位于所述钽层和氮化钛层之间的氮化钽层。
[0022] 可选地，所述金属栅极结构还包括：位于所述凹槽底部且位于所述扩散阻挡层下 方的高K介质层，用作栅极介质层。
[0023] 可选地，所述金属栅极为铝栅极。
[0024] 本发明还提供了一种金属栅极结构的形成方法，包括：
[0025] 提供基底；
[0026] 在基底上形成介质层，在所述介质层内形成凹槽；
[0027] 在所述凹槽的侧壁和底部形成扩散阻挡层，所述扩散阻挡层包括氮化钛层，所述 氮化钛层从靠近所述凹槽内表面到远离所述凹槽内表面的方向依次为TiNx、TiN和TiNy， 其中 x< l，y > 1 ;
[0028] 向所述凹槽内填充金属材料，形成金属栅极。
[0029] 可选地，所述氮化钛层的形成步骤包括：
[0030] 在所述凹槽侧壁和底部形成第一氮化钛层，所述第一氮化钛层为TiNx ;
[0031] 在所述第一氮化钛层表面形成第二氮化钛层，所述第二氮化钛层为TiN ;
[0032] 在所述第二氮化钛层表面形成第三氮化钛层，所述第三氮化钛层为TiNy。
[0033] 可选地，
[0034] 形成第一氮化钛层的步骤包括：在所述凹槽的侧壁和底面形成第一钛层，对所述 第一钛层进行第一氮等离子体处理，使所述第一钛层转化为第一氮化钛层；
[0035] 形成第二氮化钛层的步骤包括：在所述第一氮化钛层的表面形成第二钛层，对所 述第二钛层进行第二氮等离子体处理，使所述第二钛层转化为第二氮化钛层，所述第二氮 等离子处理中氮气的流量大于所述第一氮等离子体处理中氮气流量；
[0036] 形成第三氮化钛层的步骤包括：在所述第二氮化钛层的表面形成第三钛层，对所 述第三钛层进行第三氮等离子体处理，使所述第三钛层转化为第三氮化钛层，所述第三氮 等离子处理中氮气的流量大于所述第二氮等离子体处理中氮气流量。
[0037] 可选地，形成所述第一钛层、第二钛层和第三钛层的工艺为物理气相沉积法；
[0038] 所述第一氮等离子体处理的步骤包括：控制气压为0. 01~lOtorr、功率为50~ 500W，通入流量为100~500sccm的氮气持续1~100s ;
[0039] 所述第二氮等离子体处理的步骤包括：控制气压为0. 01~lOtorr、功率为50~ 500W，通入流量为500~lOOOsccm的氮气持续1~100s ;
[0040] 所述第三氮等离子体处理的步骤包括：控制气压为0. 01~lOtorr、功率为20~ 2000W，通入流量为1000~2000sccm的氮气持续1~100s。
[0041] 可选地，形成扩散阻挡层的步骤还包括：
[0042] 形成所述氮化钛层后，在所述氮化钛层表面形成氮化铝钛层。
[0043] 可选地，形成氮化铝钛层的步骤包括：
[0044] 在所述氮化钛层表面形成钛铝合金层；
[0045] 进行第四氮等离子体处理，使所述钛铝合金层转化为氮化铝钛层。
[0046] 可选地，所述第四氮等离子体处理的方法包括：控制气压为0. 01~lOtorr、功率 为50~500W，通入流量为100~500sccm的氮气持续1~100s。
[0047] 可选地，形成扩散阻挡层的步骤还包括：
[0048] 在形成所述氮化钛层前，先在所述凹槽的侧壁和底面形成钽层。
[0049] 可选地，形成扩散阻挡层的步骤还包括：
[0050] 在形成所述钽层后，形成所述氮化钛层前，在所述钽层表面形成氮化钽层。
[0051] 可选地，在所述介质层内形成凹槽的步骤包括：
[0052] 在形成所述介质层前，先在所述基底上形成伪栅；
[0053] 之后形成与所述表面齐平的介质层，去除所述伪栅以形成所述凹槽。
[0054] 可选地，在形成扩散阻挡层前，所述金属栅极结构的形成方法还包括：在所述凹槽 底部形成用作栅极介质层的高K介质层。
[0055] 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
[0056] 在本发明提供的金属栅极结构中，介质层的凹槽的侧壁以及底部设有作为扩散阻 挡层的氮化钛层，所述氮化钛层从靠近所述凹槽内表面到远离所述凹槽内表面的方向依次 包括TiNx、TiN和TiNy，其中X < 1，y > 1。相比与现有的扩散阻挡层，具有上述结构的氮 化钛层可有效减少金属栅极内金属原子向介质层的扩散的问题，所述扩散阻挡层具有较好 的扩散阻挡能力，从而提高了后续形成的半导体器件的性能。
【附图说明】
[0057] 图1和图2现有技术一种金属栅极形成方法的结构示意图；
[0058] 图3~图14是本发明金属栅极结构的形成方法一实施例中各步骤的示意图；
[0059] 图15是本发明金属栅极结构一实施例的结构示意图。
【具体实施方式】
[0060] 如【背景技术】所述，现有金属栅极结构中，在介质层与金属栅极之间会设置扩散阻 挡层，以抑制金属栅极中的金属原子扩散进入介质层中，进而提高半导体器件的性能。
[0061] 而随着半导体技术发展，现有技术形成的扩散阻挡层对于金属栅极中金属原子扩 散进入介质层