用于检测金属栅扩散的半导体结构及检测方法与流程

1.本发明属于集成电路生产制造领域，涉及一种用于检测金属栅扩散的半导体结构及检测方法。


背景技术：

2.随着半导体技术的发展，高工艺节点的半导体器件的栅极结构中通常采用金属栅(mg)，而栅介质层则通常采用高介电常数层(hk)，hk和mg叠加形成hkmg结构。hkmg的栅极结构通常采用栅极替换工艺实现，也即先采用沉积、光刻和刻蚀工艺在栅极结构的形成区域形成伪栅极结构，其中，伪栅极结构通常由栅氧化层和多晶硅栅叠加而成，之后在伪栅极结构的侧面形成侧墙，采用源漏离子注入工艺在伪栅极结构两侧形成源区和漏区，完成hkmg之前的所有正面工艺之后，再去除伪栅极结构，在伪栅极结构去除区域形成凹槽，之后在凹槽中形成hkmg。
3.随着器件尺寸的缩小，伪栅极结构去除后的凹槽会缩小，hkmg的填充厚度会受到限制。通常在hkmg中需要采用功函数层，即在n型半导体器件中采用n型功函数层如tial，n型功函数层的功函数接近半导体衬底如硅衬底的导带，有利于降低n型半导体器件的阈值电压，在p型半导体器件中则采用p型功函数层如tin，p型功函数层的功函数接近半导体衬底如硅衬底的价带，有利于降低p型半导体器件的阈值电压即阈值电压绝对值。通常，在同一半导体衬底上需要同时集成n型半导体器件和p型半导体器件，这时，需要先形成p型功函数层，之后再去除n型半导体器件形成区域中的p型功函数层，之后再形成n型功函数层，这时，在p型半导体器件形成区域中n型功函数层会叠加在p型功函数层的表面上，之后再形成金属栅。
4.在高介电常数金属栅极(high-k metal gate，hkmg)的制程中，由于金属栅的扩散，会让位于下层的功函数层的功函数发生改变，进而使其阀值电压(threshold voltage，vt)及导通电流发生改变，影响器件效能，影响产品相关可靠性的评估，甚至产生产品良率的损失。然而，目前在制程过程中仍没有有效的可以及时检测反应金属扩散的检测结构及检测方法，从而在产品良率量测中展现出问题。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于检测金属栅扩散的半导体结构及检测方法，用于解决现有技术中难以检测金属栅中金属扩散的问题。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于检测金属栅扩散的半导体结构及检测方法，所述半导体结构包括：
7.半导体衬底，所述半导体衬底中设置有多个有源区，所述有源区包括对应设置的源极及漏极，且临近的所述有源区由隔离结构分割；
8.金属栅极，所述金属栅极位于所述半导体衬底上，且所述金属栅极与所述有源区一一对应接触设置；
9.检测金属栅极，所述金属栅极位于所述半导体衬底上，所述检测金属栅极与所述金属栅极同步形成，且所述检测金属栅极跨越多个所述有源区并与至少一个所述有源区接触设置；
10.金属接触，所述金属接触包括位于所述有源区上的源区金属接触、位于所述金属栅极上的栅极金属接触以及位于所述检测金属栅极上的检测栅极金属接触，且对应设置的所述检测栅极金属接触与所述源区金属接触之间的距离大于对应设置的所述栅极金属接触与所述源区金属接触之间的距离。
11.可选地，所述检测金属栅极跨越n个所述有源区，其中2≤n；所述检测金属栅极均与跨越的每个所述有源区接触设置。
12.可选地，所述有源区包括p型有源区及n型有源区中的一种或组合。
13.可选地，所述检测金属栅极包括位于所述半导体衬底表面自下而上的栅介质层、底部阻挡层、功函数层、顶部阻挡层及金属层。
14.可选地，所述功函数层包括p型功函数层及n型功函数层的叠层，所述p型功函数层包括tin层及tan层中的至少一种，所述n型功函数层包括tial层、tialc层、tialn层及aln层中的至少一种；所述栅介质层包括自下而上叠置的界面层及高介电常数层，所述界面层包括sio2层及sion层中的至少一种，所述高介电常数层包括hfo2层、hfsio层、hfsion层、hftao层、hftio层、hfzro层、zro2层及al2o3层中的至少一种；所述底部阻挡层包括tin层及tan层中的至少一种；所述顶部阻挡层包括tin层；所述金属层包括al层、cu层、ag层、w层及ni层中的至少一种。
15.可选地，所述半导体结构的特征尺寸为28nm以下。
16.本发明还提供一种用于检测金属栅扩散的半导体结构的检测方法，包括以下步骤：
17.提供任一上述半导体结构；
18.通过所述金属接触获取所述检测金属栅极的导通电流；
19.将所述导通电流与所述金属栅极的目标导通电流进行比对，获取所述金属栅极的扩散情况。
20.如上所述，本发明的用于检测金属栅扩散的半导体结构及检测方法，在制备金属栅极的同时制备检测金属栅极，且使得检测金属栅极跨越多个有源区并与至少一个有源区接触，且使得对应设置的检测栅极金属接触与源区金属接触之间的距离大于对应设置的栅极金属接触与源区金属接触之间的距离，从而在对金属栅极进行金属扩散检测时，拉长的检测金属栅极(mg)接出的检测栅极金属接触(contact)的位置由于经过数个有源区(aa)及隔离结构(如sti)，从而可及时有效的检测出导通电流较小的金属扩散效应，以能适时的改善制作工艺，进而稳定器件效能，确保产品良率及后续可靠性的评估。
附图说明
21.图1显示为本发明实施例中pmos hkmg的结构示意图。
22.图2显示为本发明对比实施例中半导体结构的俯视结构分布示意图。
23.图3显示为本发明实施例中半导体结构的俯视结构分布示意图。
24.图4显示为本发明对比例中的半导体结构与实施例中的半导体结构在检测金属栅
扩散中获得的导通电流对比图。
25.元件标号说明
26.110栅介质层
27.111界面层
28.112高介电常数层
29.120底部阻挡层
30.121底部阻挡tin层
31.122底部阻挡tan层
32.130功函数层
33.131 p型功函数tin层
34.132 n型功函数tial层
35.140顶部阻挡tin层
36.150 al金属层
37.10、100有源区
38.20、200检测金属栅极
39.21、201金属栅极
40.31、301源区金属接触
41.32、302检测栅极金属接触
42.33、303栅极金属接触
43.a、b检测单元
具体实施方式
44.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，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。
45.如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
46.为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。其中，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
47.此处可能使用诸如“介于
……
之间”，该表达表示包括两端点值，以及可能使用诸如“多个”，该表达表示两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特
征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
48.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。
49.如图3所示，本实施例提供一种用于检测金属栅扩散的半导体结构，所述半导体结构包括：半导体衬底(未图示)、金属栅极201、检测金属栅极200及金属接触，其中，所述半导体衬底中设置有多个有源区100，所述有源区100包括对应设置的源极及漏极，且临近的所述有源区100由隔离结构(未图示)分割；所述金属栅极201位于所述半导体衬底上，且所述金属栅极201与所述有源区100一一对应接触设置；所述金属栅极201位于所述半导体衬底上，所述检测金属栅极200与所述金属栅极201同步形成，且所述检测金属栅极201跨越多个所述有源区100并与至少一个所述有源区100接触设置；所述金属接触包括位于所述有源区100上的源区金属接触301、位于所述金属栅极201上的栅极金属接触303以及位于所述检测金属栅极200上的检测栅极金属接触302，且对应设置的所述检测栅极金属接触302与所述源区金属接触301之间的距离大于对应设置的所述栅极金属接触303与所述源区金属接触301之间的距离。
50.本实施例中，在制备所述金属栅极201的同时制备所述检测金属栅极200，且使得所述检测金属栅极200跨越多个所述有源区100并与至少一个所述有源区100接触，且使得对应设置即图3中虚线框对应的检测单元b中的所述检测栅极金属接触302与所述源区金属接触301之间的距离大于对应设置的所述栅极金属接触303与所述源区金属接触301之间的距离，从而在对所述金属栅极201进行金属扩散检测时，拉长的所述检测金属栅极200接出的所述检测栅极金属接触302的位置由于经过数个所述有源区100及所述隔离结构，从而可及时有效的检测出导通电流较小的金属扩散效应，以能适时的改善制作工艺，进而稳定器件效能，确保产品良率及后续可靠性的评估。
51.具体的，提供的所述半导体衬底中的所述有源区可包括p型有源区及n型有源区中的一种或组合，即可在所述半导体衬底的p型有源区制备pmos，在所述半导体衬底的n型有源区制备nmos，且临近的所述有源区100可由隔离结构如沟槽隔离结构及掺杂隔离结构中的一种或组合进行隔离，关于所述有源区100的种类及所述隔离结构的种类此处不作限制。
52.其中，用以进行金属栅扩散检测的所述检测单元b的制备优选与晶圆中的mos单元同步形成，以便于提高测试精准度，即位于所述半导体衬底中的所述有源区100可同步形成具有相同结构包括检测单元b中的所述有源区100及晶圆有效区中的mos单元的所述有源区100，所述检测金属栅极200与所述金属栅极201可具有相同结构且同步形成，从而通过对所述检测单元b的电性能检测可反映出所述晶圆中的mos单元的性能，以便于及时改善制作工艺，稳定器件效能，确保产品良率及后续可靠性的评估。
53.参阅图1示意了一种pmoshkmg的结构示意图，即示意了所述检测金属栅极200及所述金属栅极201的结构示意图，其中，所述pmoshkmg的结构可包括位于所述半导体衬底表面自下而上的栅介质层110、底部阻挡层120、功函数层130、顶部阻挡层及金属层，但所述检测金属栅极200及所述金属栅极201的结构并非局限于此，可根据需要进行适应性的变化，此
处不作过分限制。
54.作为示例，所述功函数层130可包括p型功函数层及n型功函数层的叠层，所述p型功函数层可包括tin层及tan层中的至少一种，所述n型功函数层可包括tial层、tialc层、tialn层及aln层中的至少一种。
55.本实施例中，所述p型功函数层采用p型功函数tin层131，所述n型功函数层采用n型功函数tial层132，但所述p型功函数层及所述n型功函数层的种类并非局限于此，可根据需要进行选择。
56.作为示例，所述栅介质层110包括自下而上叠置的界面层111及高介电常数层112，且所述界面层110可包括sio2层及sion层中的至少一种，所述高介电常数层112可包括hfo2层、hfsio层、hfsion层、hftao层、hftio层、hfzro层、zro2层及al2o3层中的至少一种；所述底部阻挡层可包括tin层及tan层中的至少一种；所述顶部阻挡层可包括tin层；所述金属层可包括al层、cu层、ag层、w层及ni层中的至少一种。
57.本实施例中，所述底部阻挡层包括底部阻挡tin层121及底部阻挡tan层122，但所述底部阻挡层的种类并非局限于此，可根据需要进行选择。所述顶部阻挡层采用顶部阻挡tin层140，但所述顶部阻挡层的种类并非局限于此，可根据需要进行选择；所述金属层采用al金属层150，但所述金属层的种类并非局限于此，可根据需要进行选择。
58.作为示例，所述检测金属栅极200位于晶圆的切割道中。
59.具体的，当将所述检测金属栅极200设置于晶圆的切割道中时，可有效的节约晶圆的有效面积，提高产能，即优选将所述检测单元b设置于晶圆的切割道中，但并非局限于此，当然根据需要，所述检测单元b也可设置于晶圆的有效区域内，此处不作过分限制。
60.作为示例，所述检测金属栅极200跨越n个所述有源区100，其中2≤n。
61.具体的，本实施例中，参阅图3，所述检测金属栅极200跨越6个所述有源区100，以延长所述检测金属栅极200的长度，从而当晶圆的有效区域中的所述金属栅极201在制备过程中出现金属扩散时，所述检测单元b可用以检测出导通电流较小的金属扩散效应，避免漏检。但所述检测金属栅极200跨越的所述有源区100的个数并非局限于此，也可包括如2个、3个、5个、8个、10个等，具体可根据需要进行设置，此处不作过分限制。
62.进一步的，优选所述检测金属栅极200均与跨越的每个所述有源区100接触设置，从而可便捷的根据测试需要灵活的连接所述检测栅极金属接触302与所述源区金属接触301之间的距离，以灵活的变换所述检测金属栅极200的长度，即通过改变外接电源与金属接触的位置即可灵活的变换所述检测单元b以便捷的进行检测。
63.作为示例，所述半导体结构的特征尺寸可为28nm以下，如20nm、16nm、14nm、10nm、7nm等。
64.本实施例还提供了一种用于检测金属栅扩散的半导体结构的检测方法，包括以下步骤：
65.s1：提供上述半导体结构；
66.s2：通过所述金属接触获取所述检测金属栅极200的导通电流；
67.s3：将所述导通电流与所述金属栅极201的目标导通电流进行比对，获取所述金属栅极201的扩散情况。
68.为进一步介绍本实施例中提供的所述半导体结构，以下列举一对比实施例，具体
如下：
69.参阅图2示意了对比例中的所述半导体结构的俯视结构分布示意图，其中，该半导体结构包括半导体衬底(未图示)、金属栅极21、检测金属栅极20及金属接触，其中，所述半导体衬底中设置有多个有源区10，所述有源区10包括对应设置的源极及漏极，且临近的所述有源区10由隔离结构(未图示)分割；所述金属栅极21位于所述半导体衬底上，且所述金属栅极21与所述有源区10一一对应接触设置；所述金属栅极21位于所述半导体衬底上，所述检测金属栅极20与所述金属栅极21同步形成，且所述检测金属栅极20与所述有源区10一一对应接触设置；所述金属接触包括位于所述有源区10上的源区金属接触31、位于所述金属栅极21上的栅极金属接触33以及位于所述检测金属栅极20上的检测栅极金属接触32，且对应设置的所述检测栅极金属接触32与所述源区金属接触31之间的距离等于对应设置的所述栅极金属接触33与所述源区金属接触31之间的距离。
70.该对比例与上述实施例中的所述半导体结构的区别在于对比例中检测单元a与晶圆中的mos单元具有相同结构且同步形成。
71.作为示例，所述检测金属栅极201的导通电流的范围可为100μa/μm～1000μa/μm，如100μa/μm、500μa/μm、800μa/μm、1000μa/μm等。
72.具体的，当采用对比例中的所述检测单元a及实施例中的所述检测单元b进行金属栅扩散的检测时，在相同的测试条件下，获得的所述导通电流对比图如图4所示，其中，a代表对比例中采用所述检测单元a获得的导通电流范围，b代表实施例中采用所述检测单元b获得的导通电流范围，c则代表晶圆有效区域中的mos的目标导通电流。由此可知，采用所述检测单元b可及时有效的检测出导通电流较小的金属扩散效应，以能适时的改善制作工艺，进而稳定器件效能，确保产品良率及后续可靠性的评估，避免漏检。
73.综上所述，本发明的用于检测金属栅扩散的半导体结构及检测方法，在制备金属栅极的同时制备检测金属栅极，且使得检测金属栅极跨越多个有源区并与至少一个有源区接触，且使得对应设置的检测栅极金属接触与源区金属接触之间的距离大于对应设置的栅极金属接触与源区金属接触之间的距离，从而在对金属栅极进行金属扩散检测时，拉长的检测金属栅极(mg)接出的检测栅极金属接触(contact)的位置由于经过数个有源区(aa)及隔离结构(如sti)，从而可及时有效的检测出导通电流较小的金属扩散效应，以能适时的改善制作工艺，进而稳定器件效能，确保产品良率及后续可靠性的评估。
74.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。