一种三栅极结构的形成方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，具体涉及栅极结构的优化；更具体地说，本发明涉及一种三栅极结构的形成方法。

背景技术：

当栅极的长度减小到与沟道的深度在一个数量级的时候，就会产生短沟道效应(short channel effect)。阈值电压漂移，漏电流增大。目前，已经量产的技术节点均采用单一功函数的栅极材料，但随着栅极尺寸的进一步减小，短沟道效应越发不可忽视，具有水平可变功函数的栅极结构被提了出来。研究表明采用双栅极(dual gate)结构可以屏蔽漏极电压，从而有效的克服短沟道效应。所谓双栅极结构，就是用具有不同功函数的材料作为栅极，在接近源极和漏极的沟道上得到不同的阈值电压。相对于双栅极这种不对称的结构，还有专利报道过三栅极的对称或不对称结构。

但是，如何从整合的角度制造出这种栅极结构还是个难题。有专利提出针对栅极最后(gate-last scheme)的整合方案，利用层间介质层作为硬掩膜，用倾斜角度的离子注入在栅极的不同部分产生不同的功函数。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种更加方便的制造方法，能够在不增加光罩的基础上，通过一道硬掩膜，让栅极在沿着沟道的水平方向得到不同的功函数金属层。

为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种三栅极结构的形成方法，包括：第一步骤：在衬底上依次形成介质层、第一功函数金属层和硬掩膜层；第二步骤：形成硬掩膜层的图案；第三步骤：采用形成图案的硬掩膜层刻蚀第一功函数金属层，以形成第一功函数金属凸块；第四步骤：沉积第二功函数金属层，其中第二功函数金属层与第一功函数金属层为不同材料；第五步骤：对第二功函数金属层进行化学机械研磨，直到露出第一功函数金属凸块；第六步骤：刻蚀第二功函数金属层和介质层，从而形成在第一功函数金属凸块侧壁包围第二功函数金属侧壁的结构。

优选地，第一功函数金属层和第二功函数金属层是金属氮化物、金属硅化物、单质金属或者金属合金中的一种。

优选地，第一功函数金属层和第二功函数金属层的厚度为2nm～nm。

为了实现上述技术目的，根据本发明，还提供了一种三栅极结构的形成方法，其特征在于包括：第一步骤：在衬底上依次形成介质层、第一功函数金属层和硬掩膜层；第二步骤：形成硬掩膜层的图案；第三步骤：采用形成图案的硬掩膜层刻蚀第一功函数金属层，以形成凹槽；第四步骤：沉积第二功函数金属层以填充凹槽，其中第二功函数金属层与第一功函数金属层为不同材料；第五步骤：对第二功函数金属层进行化学机械研磨以露出第一功函数金属层；第六步骤：刻蚀第一功函数金属层和介质层，从而形成在第一功函数金属凸块侧壁包围第一功函数金属侧壁的结构。

优选地，第一功函数金属层和第二功函数金属层是金属氮化物、金属硅化物、单质金属或者金属合金中的一种。

优选地，第一功函数金属层和第二功函数金属层的厚度为2nm～nm。

为了实现上述技术目的，根据本发明，还提供了一种三栅极结构的形成方法，其特征在于包括：第一步骤：在衬底上依次形成介质层、第一功函数金属层和硬掩膜层；第二步骤：形成硬掩膜层的图案；第三步骤：采用形成图案的硬掩膜层刻蚀第一功函数金属层，以形成第一功函数金属凸块；第四步骤：沉积第二功函数金属层，其中第二功函数金属层与第一功函数金属层为不同材料；第五步骤：刻蚀第二功函数金属层和介质层，从而形成在第一功函数金属凸块侧壁包围第二功函数金属侧壁的结构；第六步骤：去除第一功函数金属凸块上的硬掩膜。

优选地，第一功函数金属层和第二功函数金属层是金属氮化物、金属硅化物、单质金属或者金属合金中的一种。

优选地，第一功函数金属层和第二功函数金属层的厚度为2nm～nm。

本发明提供了一种更加方便的制造方法，能够在不增加光罩的基础上，通过一道硬掩膜，让栅极在沿着沟道的水平方向得到不同的功函数金属层。通过使栅极在沿着沟道的水平方向产生不同的功函数，能够得到不同的阈值电压，从而解决由于栅极尺寸减小而带来的一系列问题，如短沟道效应等。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1示意性地示出了根据本发明第一优选实施例的三栅极结构的形成方法的第一步骤。

图2示意性地示出了根据本发明第一优选实施例的三栅极结构的形成方法的第二步骤。

图3示意性地示出了根据本发明第一优选实施例的三栅极结构的形成方法的第三步骤。

图4示意性地示出了根据本发明第一优选实施例的三栅极结构的形成方法的第四步骤。

图5示意性地示出了根据本发明第一优选实施例的三栅极结构的形成方法的第五步骤。

图6示意性地示出了根据本发明第一优选实施例的三栅极结构的形成方法的第六步骤。

图7示意性地示出了根据本发明第二优选实施例的三栅极结构的形成方法的第一步骤。

图8示意性地示出了根据本发明第二优选实施例的三栅极结构的形成方法的第二步骤。

图9示意性地示出了根据本发明第二优选实施例的三栅极结构的形成方法的第三步骤。

图10示意性地示出了根据本发明第二优选实施例的三栅极结构的形成方法的第四步骤。

图11示意性地示出了根据本发明第二优选实施例的三栅极结构的形成方法的第五步骤。

图12示意性地示出了根据本发明第二优选实施例的三栅极结构的形成方法的第六步骤。

图13示意性地示出了根据本发明第三优选实施例的三栅极结构的形成方法的第一步骤。

图14示意性地示出了根据本发明第三优选实施例的三栅极结构的形成方法的第二步骤。

图15示意性地示出了根据本发明第三优选实施例的三栅极结构的形成方法的第三步骤。

图16示意性地示出了根据本发明第三优选实施例的三栅极结构的形成方法的第四步骤。

图17示意性地示出了根据本发明第三优选实施例的三栅极结构的形成方法的第五步骤。

图18示意性地示出了根据本发明第三优选实施例的三栅极结构的形成方法的第六步骤。

需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。

具体实施方式

为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。

<第一优选实施例>

图1至图6示意性地示出了根据本发明第一优选实施例的三栅极结构的形成方法的各个步骤。

如图1至图6所示，根据本发明第一优选实施例的三栅极结构的形成方法包括：

第一步骤：在衬底100上依次形成介质层10、第一功函数金属层20和硬掩膜层30；

第二步骤：形成硬掩膜层30的图案；

第三步骤：采用形成图案的硬掩膜层刻蚀第一功函数金属层20，以形成第一功函数金属凸块40；

第四步骤：沉积第二功函数金属层50，其中第二功函数金属层50与第一功函数金属层20为不同材料；

第五步骤：对第二功函数金属层50进行化学机械研磨，直到露出第一功函数金属凸块40；

第六步骤：刻蚀第二功函数金属层50和介质层10，从而形成在第一功函数金属凸块40侧壁包围第二功函数金属侧壁51的结构。

优选地，第一功函数金属层20是金属氮化物、金属硅化物、单质金属或者金属合金中的一种。优选地，第一功函数金属层20的厚度为2nm～10nm。

优选地，第二功函数金属层50是金属氮化物、金属硅化物、单质金属或者金属合金中的一种。优选地，第二功函数金属层50的厚度为2nm～10nm。

<第二优选实施例>

图7至图12示意性地示出了根据本发明第二优选实施例的三栅极结构的形成方法的各个步骤。

如图7至图12所示，根据本发明第二优选实施例的三栅极结构的形成方法包括：

第一步骤：在衬底100上依次形成介质层10、第一功函数金属层20和硬掩膜层30；

第二步骤：形成硬掩膜层30的图案；

第三步骤：采用形成图案的硬掩膜层刻蚀第一功函数金属层20，以形成凹槽60；

第四步骤：沉积第二功函数金属层50以填充凹槽60，其中第二功函数金属层50与第一功函数金属层20为不同材料；

第五步骤：对第二功函数金属层50进行化学机械研磨以露出第一功函数金属层20；

第六步骤：刻蚀第一功函数金属层20和介质层10，从而形成在第一功函数金属凸块52侧壁包围第一功函数金属侧壁21的结构。

优选地，第一功函数金属层20是金属氮化物、金属硅化物、单质金属或者金属合金中的一种。优选地，第一功函数金属层20的厚度为2nm～10nm。

优选地，第二功函数金属层50是金属氮化物、金属硅化物、单质金属或者金属合金中的一种。优选地，第二功函数金属层50的厚度为2nm～10nm。

<第三优选实施例>

图13至图18示意性地示出了根据本发明第三优选实施例的三栅极结构的形成方法的各个步骤。

如图13至图18所示，根据本发明第三优选实施例的三栅极结构的形成方法包括：

第一步骤：在衬底100上依次形成介质层10、第一功函数金属层20和硬掩膜层30；

第二步骤：形成硬掩膜层30的图案；

第三步骤：采用形成图案的硬掩膜层刻蚀第一功函数金属层20，以形成第一功函数金属凸块40；

第四步骤：沉积第二功函数金属层50，其中第二功函数金属层50与第一功函数金属层20为不同材料；

第五步骤：刻蚀第二功函数金属层50和介质层10，从而形成在第一功函数金属凸块40侧壁包围第二功函数金属侧壁51的结构；

第六步骤：去除第一功函数金属凸块40上的硬掩膜。

优选地，第一功函数金属层20是金属氮化物、金属硅化物、单质金属或者金属合金中的一种。优选地，第一功函数金属层20的厚度为2nm～10nm。

优选地，第二功函数金属层50是金属氮化物、金属硅化物、单质金属或者金属合金中的一种。优选地，第二功函数金属层50的厚度为2nm～10nm。

本发明提供了一种更加方便的制造方法，能够在不增加光罩的基础上，通过一道硬掩膜，让栅极在沿着沟道的水平方向得到不同的功函数金属层。通过使栅极在沿着沟道的水平方向产生不同的功函数，能够得到不同的阈值电压，从而解决由于栅极尺寸减小而带来的一系列问题，如短沟道效应等。

此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

而且还应该理解的是，本发明并不限于此处描述的特定的方法、化合物、材料、制造技术、用法和应用，它们可以变化。还应该理解的是，此处描述的术语仅仅用来描述特定实施例，而不是用来限制本发明的范围。必须注意的是，此处的以及所附权利要求中使用的单数形式“一个”、“一种”以及“该”包括复数基准，除非上下文明确表示相反意思。因此，例如，对“一个元素”的引述意味着对一个或多个元素的引述，并且包括本领域技术人员已知的它的等价物。类似地，作为另一示例，对“一个步骤”或“一个装置”的引述意味着对一个或多个步骤或装置的引述，并且可能包括次级步骤以及次级装置。应该以最广义的含义来理解使用的所有连词。因此，词语“或”应该被理解为具有逻辑“或”的定义，而不是逻辑“异或”的定义，除非上下文明确表示相反意思。此处描述的结构将被理解为还引述该结构的功能等效物。可被解释为近似的语言应该被那样理解，除非上下文明确表示相反意思。

而且，本发明实施例的方法和/或系统的实现可包括手动、自动或组合地执行所选任务。而且，根据本发明的方法和/或系统的实施例的实际器械和设备，可利用操作系统通过硬件、软件或其组合实现几个所选任务。