半导体衬底包括半导体基底20,在所述半导体基底20上的介 质层30。
[0095] 所述半导体基底20包括PMOS区域21和NMOS区域22,在PMOS区域21上设有 PMOS金属栅极61，而在所述NMOS区域22上设有NMOS金属栅极62。
[0096] 参考图11所示,所述PMOS金属栅极61包括：
[0097] 开设在所述PMOS区域21上的介质层30内有PMOS栅极凹槽（图中未标示）；
[0098] 在所述PMOS栅极凹槽内，位于所述半导体基底20的表面设置有栅介质层23 ;
[0099] 在所述PMOS栅极凹槽内，位于所述栅介质层上的HK层32、位于所述HK层32上的 第二扩散阻挡层33,以及位于所述第二扩散阻挡层33上的功函数层。
[0100] 本实施例中，所述功函数层为双层结构，包括位于所述第二扩散阻挡层33表面的 第一功函数层34,和位于所述第一功函数层34表面的第二功函数层35。
[0101] 本实施例中，所述第一功函数层34的材料可选为TiN，所述第二功函数层35的材 料为可选TiAl。所述第二扩散阻挡层33的材料可选为TiN，所述第二扩散阻挡层33的材 料可选为TiN。
[0102] 所述 HK 层 32 的材料可选为 HfO2、Ti02、HfZr0、HfSiN0、Ta205、Zr0 2、ZrSi02、Al203、 SrTiO3 *BaSrTiO。
[0103] 所述栅介质层的材料可选为氧化硅。
[0104] 所述PMOS金属栅极61还包括：位于所述第二功函数层35表面且覆盖PMOS栅极 凹槽侧壁的第一扩散阻挡层36。
[0105] 本实施例中，所述第一扩散阻挡层36的材料为氧化钛（TiO)。
[0106] 在所述第一扩散阻挡层36的表面，设有栅金属层38,所述栅金属层38填充满所述 PMOS栅极凹槽。可选地，所述栅金属层38的表面与所述介质层30表面齐平。
[0107] 本实施例中，所述栅金属层38的材料可选为Al。所述栅金属层38与所述第一扩 散阻挡层36的厚度比可选为1:40~1:100,进一步可选为1:50左右。
[0108] 在所述PMOS金属栅极61中，所述第一扩散阻挡层61包裹在所述栅金属层38的 下方和周边，从而可有效防止Al原子扩散至所述PMOS金属栅极61的其余部位。基于所述 Al本身功函数较低，本实施例中的PMOS金属栅极中，通过抑制Al原子扩散，从而抑制基于 Al原子扩散而引起的PMOS金属栅极61整体功函数下降的缺陷。
[0109] 图12为采用本发明实施例形成的半导体器件的电压-电容曲线和现有的半导体 器件的电压电容曲线对比图谱。
[0110] 其中，曲线100为如图11所示的，本实施例提供的设有第一扩散阻挡层的PMOS金 属栅极的实施例的电容-电压曲线；曲线200为现有的不含有第一扩散层的PMOS金属栅极 的对比例的电容-电压曲线。其中，对比例提供的PMOS金属栅极与图11提供的PMOS金属 栅极的唯一区别在于没有所述第一扩散阻挡层。
[0111] 下表1为根据图12中的电容-电压曲线得到的，对比例和实施例的PMOS金属栅 极的功函数数据表。
[0112]
【主权项】
1. 一种半导体器件的形成方法，其特征在于：包括： 提供半导体衬底，在所述半导体衬底内开设有栅极凹槽； 在所述栅极凹槽内，位于所述半导体衬底上形成栅介质层； 在所述栅介质层上形成HK层； 在所述HK层上形成功函数层； 在所述功函数层上，以及所述栅极凹槽的侧壁上形成第一扩散阻挡层； 向所述第一扩散阻挡层上形成金属材料层，所述金属材料层填充满所述栅极凹槽，形 成金属栅极。
2. 如权利要求1所述的半导体器件的形成方法，其特征在于，所述第一扩散阻挡层的 材料为氧化钛。
3. 如权利要求2所述的半导体器件的形成方法，其特征在于，所述第一扩散阻挡层的 厚度与所述金属材料层的厚度比为1:40~1:100。
4. 如权利要求2所述的半导体器件的形成方法，其特征在于，所述第一扩散阻挡层的 形成工艺包括： 采用PVD工艺，在所述功函数层，以及栅极凹槽的侧壁上沉积一层金属钛层； 通入氧气或臭氧气体，在400~500°C下，对所述金属钛层进行退火工艺，形成氧化钛。
5. 如权利要求1所述的半导体器件的形成方法，其特征在于，所述金属栅极为PMOS金 属栅极。
6. 如权利要求1所述的半导体器件的形成方法，其特征在于，形成所述HK层后，在所述 HK层上形成第二扩散阻挡层。
7. 如权利要求1所述的半导体器件的形成方法，其特征在于，所述金属材料层的材料 为错。
8. -种半导体器件的形成方法，其特征在于：包括： 提供半导体衬底，所述半导体衬底包括PMOS区域和NMOS区域，在所述PMOS区域内开 设有PMOS栅极凹槽，在所述NMOS区域内开设有NMOS栅极凹槽； 在所述PMOS栅极凹槽和NMOS栅极凹槽内的半导体衬底上形成栅介质层； 在所述PMOS栅极凹槽和NMOS栅极凹槽的栅介质层上形成HK层； 在所述PMOS栅极凹槽内形成第一功函数层； 在所述PMOS栅极凹槽的第一功函数层上，以及所述NMOS栅极凹槽的HK层上形成第二 功函数层； 在所述PMOS栅极凹槽和NMOS栅极凹槽的第二功函数层上形成第一扩散阻挡层； 去除所述NMOS栅极凹槽内的所述第一扩散阻挡层； 向所述PMOS栅极凹槽和NMOS栅极凹槽的第一扩散阻挡层上形成金属材料层，所述金 属材料层填充满所述PMOS栅极凹槽和NMOS栅极凹槽，分别形成PMOS金属栅极和NMOS金 属栅极。
9. 如权利要求8所述的半导体器件的形成方法，其特征在于，去除所述NMOS栅极凹槽 内的所述第一扩散阻挡层的工艺为湿法刻蚀工艺，采用的湿法刻蚀剂包括双氧水和氨水的 混合溶液。
10. -种半导体器件，其特征在于，包括： 半导体衬底，在所述半导体衬底上开设有栅极凹槽； 在所述栅极凹槽内，位于所述半导体衬底上的栅介质层； 位于所述栅介质层上的HK层； 位于所述HK层上的功函数层； 位于所述功函数层上，并且覆盖所述栅极凹槽的侧壁的第一扩散阻挡层；位于所述第 一扩散阻挡层上的金属材料层，所述金属材料层填充满所述栅极凹槽，形成金属栅极。
11. 如权利要求10所述的半导体器件，其特征在于，所述第一扩散阻挡层的材料为氧 化钛。
12. 如权利要求11所述的半导体器件，其特征在于，所述第一扩散阻挡层的厚度与所 述金属材料层的厚度比为1:40~1:100。
13. 如权利要求10所述的半导体器件，其特征在于，所述金属栅极为PMOS栅极。
14. 如权利要求10所述的半导体器件，其特征在于，形成所述HK层后，在所述HK层上 形成第二扩散阻挡层。
15. 如权利要求10所述的半导体器件，其特征在于，所述金属材料层的材料为铝。
16. 如权利要求10所述的半导体器件，其特征在于，所述金属栅极为PMOS金属栅极。
【专利摘要】一种半导体器件及其形成方法。所述半导体器件的形成方法中，在位于半导体衬底的栅极凹槽内，由下至上依次形成栅介质层、HK层、功函数层后，在所述功函数层上方，以及栅极凹槽的侧壁形成第一扩散阻挡层，之后在所述第一扩散阻挡层上形成填充满所述栅极凹槽的金属材料层，以形成金属栅极。在上述技术方案中，形成的金属栅极中，所述第一扩散阻挡层包裹住所述金属材料层，从而可有效抑制所述金属材料层中的金属原子扩散至金属栅极的其他部分，从而避免基于所述金属原子扩散而导致金属栅极整体功函数下降的缺陷。
【IPC分类】H01L21-8238, H01L29-78, H01L21-28
【公开号】CN104752179
【申请号】CN201310745754
【发明人】高汉杰, 赵杰, 宋伟基
【申请人】中芯国际集成电路制造(上海)有限公司
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2013年12月30日