一种具有金属栅电极的半导体器件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体集成电路制造工艺技术领域，涉及一种具有金属栅电极的半导体器件及其制造方法。
【背景技术】
[0002]半个多世纪以来，集成电路(IC)制造技术一直遵循着摩尔定律，实现集成密度每1.5年翻一番，相应地，金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)的尺寸持续缩小，且栅极氧化层的厚度也不断减薄。然而进入45nm技术节点，传统的S12栅极氧化层的厚度已接近物理极限，出现严重的可靠性问题，业界开始采用S1N代替S12,将传统的栅极结构延续至32nm技术代。但进入28nn技术节点，S1N栅极氧化层已无法满足高性能器件要求，只能应用于一些低端的低功耗器件。
[0003]为了维持摩尔定律，在28nm及以下的技术代，业界普遍采用高介电常数介质(High-k)材料，它拥有高的介电常数，同时具有类似Si02的优越性能。新材料的引入总会带来一定风险，High-k材料与传统栅电极材料(多晶硅)并不兼容，采用金属代替多晶硅作为栅电极可进一步提高器件性能。HKMG(high-k绝缘层+金属栅电极)技术有效支持CMOS技术向28nm及以下技术代前进。
[0004]现有的金属栅电极通常采用的材料一般为铝、钛铝合金、钨和铝铜等。图1为现有的制备具有金属栅电极的半导体器件的工艺流程图，该方法包括以下步骤:
[0005]请参见图la，步骤SOl、提供一具有介质层102的半导体衬底101，在所述介质层102中形成凹槽103，所述凹槽103的底部形成高k栅介质层104，所述凹槽103的侧壁具有侧墙保护层105;
[0006]请参见图lb，步骤S02、在所述高k栅介质层104的上表面、侧墙保护层105的侧壁以及介质层102的上表面依次形成功函数金属层106以及阻挡层107;
[0007]请参见图lc，步骤S03、在所述凹槽103中填满栅金属层108，且所述栅金属层108覆盖所述阻挡层107的上表面；
[0008]请参见图ld，步骤S04、采用化学机械抛光工艺(CMP)将依次去除所述介质层102上表面的栅金属层108、阻挡层107以及功函数金属层106，以形成金属栅电极109。
[0009]然而，采用上述制备方法会出现以下两个问题:
[0010]首先，请参见图2a，在阻挡层填充凹槽时，如果采用物理气相沉积的方式，会容易出现沟槽顶部的悬突200(OVerhang)，使凹槽轮廓形貌发生变化，凹槽的开口尺寸会变小，对后续的栅金属层的填充造成困难，容易在凹槽中产生空洞201等缺陷，影响器件的可靠性。
[0011 ]其次，采用常见的化学气相沉积、物理气相沉积或非选择性电镀工艺在凹槽中填充栅金属层时，考虑到后续的CMP工艺的工艺窗口问题，需要填充过量的栅金属层。而在较长时间的CMP工艺去除表面的栅金属层、阻挡层和功函数金属层时，由于栅金属层抛光采用的高选择性抛光液，同时CMP工艺易受到图形密度效应(loading effect)的影响，请参见图2b，与正常金属栅电极203相比，在图形密集区会出现凹陷204(eros1n)从而造成金属栅电极高度不一致的现象，使器件的良率和一致性降低。因此，本领域技术人员亟需提供一种具有金属栅电极的半导体器件及其制造方法，改善现有金属栅电极的形貌，提高器件的良率和一致性。
【发明内容】
[0012]本发明所要解决的技术问题是提供一种具有金属栅电极的半导体器件及其制造方法，改善现有金属栅电极的形貌，提高器件的良率和一致性。
[0013]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有金属栅电极的半导体器件，所述半导体器件包括:
[0014]衬底；
[0015]绝缘层，所述绝缘层覆盖在所述衬底的上表面，且所述绝缘层上具有一凹槽；
[0016]金属栅电极结构，形成在所述凹槽内；其中，所述金属栅电极结构包括:
[0017]高K栅介质层，覆盖在所述凹槽的底部；
[0018]功函数金属层，覆盖在所述高K栅介质层的上表面以及凹槽的侧壁；
[0019]石墨烯阻挡层，覆盖在所述功函数金属层的上表面以及侧壁；
[0020]金属籽晶层，覆盖在所述石墨烯阻挡层的上表面以及侧壁；
[0021]栅金属，填充在所述凹槽内，且所述栅金属的上表面与所述绝缘层的上表面平齐。
[0022]优选的，所述功函数金属层的材料为TiN、TiAl、TaN、TiC、TaC、T1、TiCu、TiNi ,AlNi中的一种或多种。
[0023]优选的，所述栅金属的材料为Cu、CuAl、W、Al、AlW或Au。
[0024]优选的，所述凹槽的侧壁还具有侧墙保护层。
[0025]本发明还提供一种制造具有金属栅电极的半导体器件的方法，包括以下步骤:
[0026]步骤SOl，提供一具有绝缘层的衬底，所述绝缘层上形成一凹槽，在所述凹槽的底部形成高K栅介质层，在所述凹槽的侧壁形成侧墙保护层；
[0027]步骤S02，在具有高K栅介质层的凹槽中依次生长功函数金属层、石墨烯阻挡层以及金属籽晶层；
[0028]步骤S03，在所述凹槽内形成光刻胶，并以其为掩膜去除所述石墨烯阻挡层上表面的金属籽晶层；
[0029]步骤S04，去除所述光刻胶，并清洗半导体器件表面；
[0030]步骤S05，采用选择性金属电镀工艺在所述凹槽内填充栅金属，且所述栅金属的上表面与所述绝缘层的上表面平齐；
[0031]步骤S06，去除所述绝缘层上表面的石墨稀阻挡层以及功函数金属层，以形成金属栅电极结构。
[0032]优选的，步骤SOl中，所述侧墙保护层为氮化硅、氧化硅或两者的组合。
[0033]优选的，步骤S02中，采用化学气相沉积工艺或原子气相沉积工艺形成所述石墨烯阻挡层，所述石墨稀阻挡层的厚度为I nm-3nm。
[0034]优选的，步骤S03中，采用湿法刻蚀工艺去除所述石墨烯阻挡层上表面的金属籽晶层，刻蚀溶液为HF和NH4F的混合液、HNO3和NH4F的混合液、H2SO4和H2O2的混合液、稀HF中的一种或多种。
[0035]优选的，步骤S04中，采用湿法刻蚀工艺去除所述光刻胶，刻蚀溶液为二甲亚砜、氟化氨和氢氟酸的混合溶液或乙醇胺、叔胺、氟化氢和氢氧化铵的混合液。
[0036]优选的，步骤S06中，采用化学机械抛光工艺或光刻与刻蚀工艺去除所述绝缘层上表面的石墨烯阻挡层以及功函数金属层。
[0037]本发明提供了一种具有金属栅电极的半导体器件及其制造方法，采用石墨烯材质的阻挡层替代传统的阻挡层，石墨烯阻挡层不仅具有较薄的厚度，同时可以很好的保持金属栅凹槽的轮廓形貌，不影响后续的栅金属电镀的填充性；同时，由于石墨烯所有sp2杂化的碳原子均饱和成键，其结构非常稳定，从而使得石墨烯阻挡层具有优良的热稳定性和化学稳定性，可以有效阻止栅金属向功函数金属层中扩散，从而保证器件的功函数稳定性。此夕卜，石墨烯阻挡层由于其导电性能，可以实现后续的选择性金属电镀工艺，使栅金属的上表面与绝缘层的上表面平齐，减少了由于栅金属填充过多需要较长的表面平坦化时间，避免造成金属栅高度不一致的缺陷，提高了器件的良率和一致性。
【附图说明】
[0038]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0039]图1a-图1d为现有的具有金属栅电极的半导体器件的结构示意图；
[0040]图2a_图2b为现有的具有金属栅电极的半导体器件中的缺陷示意图；
[0041]图3为本发明提出的具有金属栅电极的半导体器件的制造方法的流程示意图；
[0042]图4a_图4f为本发明提出的形成具有金属栅电极的半导体器件的工艺步骤的示意图。
【具体实施方式】
[0043]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0044]上述及其它技术特征和有益效果，将结合实施例及附图对本发明提出的具有金属栅电极的半导体器件及其制造方法进行详细说明。图3为本发明提出的具有金属栅电极的半导体器件的制造方法的流程示意图；图4a_图4f为本发明提出的形成具有金属栅电极的半导体器件的工艺步骤的示意图。
[0045]本发明提供了一种具有金属栅电极的半导体器件，半导体器件包括衬底、绝缘层以及金属栅电极结构；其中，绝缘层覆盖在衬底的上表面，且绝缘层上具有一凹槽，金属栅电极结构形成在凹槽内。
[0046]本实施例中，金属栅电极结构具体包括:覆盖在凹槽的底部的高K栅介质层，凹槽的侧壁具有侧墙保护层，覆盖在高K栅介质层的上表面以及凹槽的侧壁的功函数金属层，覆盖在功函数金属层的上表面以及侧壁的石墨烯阻挡层，覆盖在石墨烯阻挡层的上表面以及侧壁的金属籽晶层，填充在凹槽内的栅金属，且