Nmos晶体管及其形成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种NM0S晶体管及其形成方法。
【背景技术】
[0002] 随着半导体器件的特征尺寸的减小，为了大幅度减小栅隧穿电流和栅电阻，消除 多晶硅耗尽效应，提高器件可靠性，缓解费米能级钉扎效应，采用高K (介电常数）介质层/ 金属栅结构代替传统的Si02/poly-Si (氧化硅/多晶硅）栅结构已成为业界的共识，金属 栅极技术得到广泛地发展。
[0003] 金属栅极技术包括先形成栅（Gate-first)工艺和后形成栅（Gate-last)工艺。 Gate-first工艺是指在对硅片进行漏/源区离子注入以及随后的高温退火步骤之前形成金 属栅极，Gate-last工艺则与之相反。由于Gate-first工艺中金属栅极需经受高温工序，该 工艺可能会引起热稳定性和阈值电压漂移等问题，因此在工艺节点进一步减小的过程中， Gate-last工艺成为主流。
[0004] 在采用金属栅极技术时，NM0S晶体管的功函数层存在不同的形成工艺。业界趋向 于采用高温方法形成NM0S晶体管的功函数层。
[0005] 但是，现有NM0S晶体管的形成方法工艺难度高，且形成的功函数层质量不理想， 无法满足相应的工艺需求。
【发明内容】
[0006] 本发明解决的问题是提供一种NM0S晶体管及其形成方法，以降低NM0S晶体管的 制作工艺难度，并且提高NM0S晶体管中功函数层的质量，从而提高NM0S晶体管的性能。
[0007] 为解决上述问题，本发明提供一种NM0S晶体管的形成方法，包括：
[0008] 提供半导体衬底，所述半导体衬底上具有层间介质层，所述层间介质层中具有凹 槽；
[0009] 在所述凹槽底部形成界面层；
[0010] 在所述界面层上形成高k介质层；
[0011] 在所述高k介质层上形成帽盖层；
[0012] 在所述帽盖层上形成粘附层；
[0013] 在所述粘附层上形成功函数层；
[0014] 在所述功函数层上形成金属栅极，所述金属栅电极填充满所述凹槽。
[0015] 可选的，采用原子层沉积法形成所述粘附层。
[0016] 可选的，所述原子层沉积法使用的温度范围为400°C~550°C。
[0017] 可选的，所述粘附层材料为TiAlC或TaAlC。
[0018] 可选的，所述粘附层厚度范围为j〇.A~20入。
[0019] 可选的，采用原子层沉积法形成所述功函数层。
[0020] 可选的，所述原子层沉积法采用的温度范围为80°C~150°C。
[0021] 可选的，所述功函数层的材料为TiAl。
[0022] 可选的，所述功函数层厚度范围为3 〇 A~40 A。
[0023] 可选的，在所述高k介质层上形成帽盖层后，且在所述帽盖层上形成所述粘附层 前，还包括在所述帽盖层上形成停止层的步骤，所述粘附层形成在所述停止层上。
[0024] 可选的，在所述粘附层上形成所述功函数层后，且在所述功函数层上形成所述金 属栅极前，还包括在所述功函数层上形成阻挡层的步骤，所述金属栅极形成在所述阻挡层 上。
[0025] 可选的，还包括对所述功函数金属层进行离子注入的步骤。
[0026] 为解决上述问题，本发明还提供了一种NM0S晶体管，包括：
[0027] 半导体衬底，所述半导体衬底上具有层间介质层，所述层间介质层中具有凹槽；
[0028] 位于所述凹槽底部的界面层；
[0029] 位于所述界面层上的高k介质层；
[0030] 位于所述高k介质层上的帽盖层；
[0031] 位于所述帽盖层上的粘附层；
[0032] 位于所述粘附层上的功函数层；
[0033] 位于所述功函数层上的金属栅极，所述金属栅电极填充满所述凹槽。
[0034] 可选的，所述粘附层材料为TiAlC或TaAlC。
[0035] 可选的，所述粘附层厚度范围为1〇人~2:〇1,
[0036] 可选的，所述功函数层的材料为TiAl。
[0037] 可选的，所述功函数层厚度范围为3〇A~4()A。
[0038] 可选的，还包括位于所述功函数层和所述金属栅极之间的停止层。
[0039] 可选的，还包括位于所述高k介质层和所述帽盖层之间的阻挡层。
[0040] 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
[0041] 本发明的技术方案中，在形成高k介质层之后，先形成粘附层，然后在粘附层上形 成功函数层，之后才形成金属栅极。由于粘附层能够增强了功函数层与其它结构的粘附作 用，因此形成粘附层可以防止功函数层发生剥离现象，不仅降低了 NM0S晶体管的制作工艺 难度，而且提高了 NM0S晶体管中功函数层的质量，提高了 NM0S晶体管的性能。
[0042] 进一步，功函数层采用原子层沉积方法形成，因此功函数层具有近于100%的台阶 覆盖率，进一步加强了功函数层与粘附层之间的粘附作用。
【附图说明】
[0043] 图1是现有NM0S晶体管不意图；
[0044] 图2至图6是本发明实施例所提供的NM0S晶体管的形成方法各步骤对应结构示 意图。
【具体实施方式】
[0045] 图1为目前常见的一种NM0S晶体管示意图。所述NM0S晶体管包括半导体衬底 (半导体衬底未示出，同样未示出的还包括位于所述半导体衬底中的源区和漏区等结构）， 所述半导体衬底上具有层间介质层101，层间介质层101中具有凹槽（未示出）。所述NMOS 晶体管还包括位于凹槽底部的界面层111，位于所述界面层111上的高k介质层121，位于 所述高k介质层121上的帽盖层131，位于帽盖层131上的停止层141，位于停止层141上的 功函数层151，位于功函数层151上的阻挡层161，以及位于阻挡层161上的金属栅极171， 金属栅电极171填充满所述凹槽。
[0046] NM0S晶体管的功函数层存在不同的形成工艺。其中一种功函数层151的形成工艺 为：采用低温原子气相沉积法（ALD)形成TiAl作为NM0S晶体管的功函数层。但是这种工 艺形成的功函数层质量较差，与其它层之间会出现剥离问题（peeling issue)。另一种功函 数层151的形成工艺为：采用高温原子气相沉积法形成TiAlC或者TaAlC作为NM0S晶体管 的功函数层。但是这种工艺形成的功函数层中碳含量太高，导致电阻太大，造成阈值电压上 升。
[0047] 为此，本发明提供一种新的NM0S晶体管的形成方法，所述形成方法在形成功函数 层之前，先形成粘附层，所述粘附层能够增强后续形成的功函数层与其它层结构的粘附作 用，从而降低了 NM0S晶体管的制作工艺难度，并提高NM0S晶体管功函数层的质量，此外，所 述粘附层本身也具有初步调节功函数的作用，从而使所形成的NM0S晶体管性能进一步提 商。
[0048] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明 的具体实施例做详细的说明。
[0049] 本发明实施例提供一种NM0S晶体管的形成方法，请结合参考图2至图6。
[0050] 请参考图2,提供半导体衬底（未示出），所述半导体衬底上具有层间介质层201， 层间介质层201中具有凹槽2011 (凹槽2011的底部为部分所述半导体衬底上表面）。
[0051] NM0S晶体管的形成方法分为多种，主要分为先栅极（gate first)和后栅极（gate late),其中后栅极又分为先高K(high K first)和后高K(high K last),本实施例提供一种 后高K后金属栅极的形成。具体的，本实施例中，带有凹槽2011的层间介质层201形成过 程可以为：在所述半导体衬底上形成伪栅结构；在所述伪栅结构两侧的半导体衬底中形成 源区和漏区；在所述半导体衬底上形成覆盖所述源区和漏区的层间介质层201，所述层间 介质层201上表面与所述伪栅结构齐平；去除所述伪栅结构，以在层间介质层201中形成凹 槽 2011。
[0052] 本实施例中，所述半导体衬底为硅衬底。在本发明的其它实施例中，所述半导体衬 底也可以为锗硅衬底、III- V族元素化合物衬底、碳化硅衬底或其叠层结构衬底，或绝缘体 上硅衬底，还可以是本领域技术人员公知的其他半导体衬底。
[0053] 请参考图3,在凹槽2011底部形成界面层211。
[0054] 本实施例中，界面层211为氧化硅，可以采用化学氧化法或者热氧化法在衬底上 直接形成界面层211。在本发明的其它实施例中，界面层211也可以为其它具有低介电常数 的材料制作而成，例如氧化镧（L 203)。界面层211能够提高沟道（trench)载流子迁移率， 并可以修复所述半导体衬底在形成凹槽2011的刻蚀过程受到的损伤。
[0055] 请继续参考图3,在界面层211上形成高k介质层221。
[0056] 本实施例中，具体在界面层211上和凹槽2011侧壁形成高k介质层221。高k介 质层221的材料可以为氧化铪（Hf0 2)、硅氧化铪（HfSiO)、氮氧化铪（HfON)、氮氧化铪硅 (HfSiON),氧化镧（La203)、氧化错（Zr02)、娃氧化错（ZrSiO)、氧化钛（Ti0 2)和氧化钇（Y203) 中的一种或多种的任意组合。高k介质层221可以采用溅射、脉冲激光沉积法（Pulsed Laser Deposition，PLD)、金属有机化合物化学气相沉淀法（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)、原子层沉积法（Atomic layer deposition，ALD)或其他合适的 方法形成。
[0057] 请参考图4,在高k介质层221上形成帽盖层231。
[0058] 本实施例中，具体在高k介质层221的侧面和底部上表面形成帽盖层231。帽盖层 231的材料可以是砷化铟镓或砷化铟铝，帽盖层231可以避免后续工艺对高k介质层221造 成损伤，并防止后续形成的层结构扩散到高k介质层221，也防止高k介质层221扩散到其 它层结构，即防止高k介质层221与其它层结构发生交叉扩散。可知，形成帽盖层231能够 保护高k介质层221，从而使得形成的NM0S晶体管性能更加稳定。
[0059] 请参考图5,在帽盖层231上形成停止层241。
[0060] 本实施例中，停止层241的材料可以为TiN和TaN的至少其中之一。停止层241 的作用是出于工艺需要，具体的，通常NM0S晶体管和PM0S晶体管成对的形成以构成CMOS 晶体管。由于PM0S晶体管和NM0S晶体管的阈值电压不同，因此，PM0S晶体管和NM0S晶体 管需要采用功函数不同的功函数层。因此，两者的功函数层需要分别制作。当先形成PM0S 晶体管的功函数层时，就需要先采用填充材料填充NM0S晶体管的凹槽2011。后续重新刻蚀 去除填充材料，以重新显露出NM0S晶体管的凹槽2011。为了重新刻蚀去除填充材料以重新 显露出凹槽2011时，不对已经形成在凹槽2011内的高k介质层221和帽盖层231等结构 造成破坏，本实施例在帽盖层231上形成停止层241，这样，后续的刻蚀工艺就能够以停止 层241为刻蚀终点，从而保护高k介质层221和帽盖层231等结构。
[0061] 需要说明的是，在本发明的其