[发明专利]高k金属栅极结构及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于半导体集成电路的器件结构及其制造方法，特别涉及一种高k金属栅极结构及其制造方法。

背景技术

随着晶体管尺寸的不断缩小，高k金属栅极（HKMG）技术由于能够减轻多晶Si栅极耗尽、杂质渗透和高栅极薄层电阻的问题而广泛应用于45nm节点的集成电路。

高k金属栅极的形成方法主要分为先栅（Gate-first）和后栅（Gate-last）。在后栅工艺中，以Si衬底为例，一般在Si衬底上依次形成SiO₂界面层、HfO₂基高k介电层、TiN层、多晶Si栅极层，形成栅极图案后，需要先去除多晶Si栅极层，然后再沉积金属栅极材料。

M.MacKenziea等人在Appl.Phys.Lett.88,192112(2006)的研究中表明，在TiN与多晶Si的界面处可能发生了界面反应，可能产生例如SiON的界面反应产物，如图1和图2所示。这样的界面反应产物将对集成电路中器件的阈值电压等电学性能带来不利的影响。

因此，需要去除TiN与多晶Si之间的界面层。由于通过利用HF酸的湿法刻蚀难以完全去除TiN的表面界面层，现有技术一般采用诸如等离子体刻蚀的干法刻蚀工艺来去除TiN的表面界面层。然而，在等离子刻蚀中，高k介电层容易受到等离子体的损伤，形成不平整的表面，如图3所示，从而对器件的阈值电压、饱和电流、漏电等电学性能带来不利的影响。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种新颖的高k金属栅极结构的制造方法，其能够完全去除TiN的表面界面层，而不会对器件的电学性能带来不利的影响。

根据本发明的第一方面，提供了一种制造高k金属栅极结构的方法，包括：在半导体衬底上依次形成界面层、高k介电层、底部TiN层/TaN层/顶部TiN层、替代栅极层；根据要形成的栅极图案对半导体衬底上的各层进行刻蚀；形成源漏区；依次沉积接触刻蚀停止层和层间介电层；利用替代栅极层作为停止层进行平坦化；利用干法刻蚀工艺去除替代栅极层和部分的顶部TiN层；利用湿法刻蚀工艺去除顶部TiN层的剩余部分；以及在底部TiN层/TaN层上形成金属栅极层。

优选地，所述界面层包括通过氧化形成的SiO₂或SiON。

优选地，所述高k介电层包括通过原子层沉积形成的氧化铪、氧化铪硅、氮氧化铪、氮氧化铪硅、氮氧化铪钽、氧化锆、氮氧化锆、氮氧化锆硅、氧化锆硅、氧化镧、氧化钛、氧化钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛和氧化铝中的一种或其任意组合，厚度为

优选地，所述底部TiN层/TaN层/顶部TiN层通过原子层沉积形成，其中顶部TiN层的厚度为TaN层的厚度为底部TiN层的厚度为

优选地，所述替代栅极层包括通过化学气相沉积或炉管沉积形成的多晶Si，厚度为

优选地，所述接触刻蚀停止层包括通过化学气相沉积形成的SiN或SiNO。

优选地，所述层间介电层包括通过化学气相沉积形成的SiO₂。

优选地，利用化学机械抛光工艺进行平坦化。

优选地，所述干法刻蚀工艺包括等离子体刻蚀。

优选地，所述湿法刻蚀工艺包括采用双氧水和氨水的混合液体或硫酸和双氧水的混合液体，其中，所述双氧水和氨水的混合液体的温度为40-70℃，由体积比为1∶2∶50的氨水（wt29％）、双氧水（wt31％）和去离子水组成，所述硫酸和双氧水的混合液体的温度为100-180℃，由体积比为4：1的硫酸（wt98％）和双氧水（wt31％）组成。

优选地，所述金属栅极层包括Al、Cu、Ag、Au、Pt、Ni、Ti、TiN、TaN、Ta、TaC、TaSiN、W、WN、WSi中的一种或多种的组合。

根据本发明的第二方面，提供了一种高k金属栅极结构，包括：半导体衬底，所述半导体衬底中形成有源漏区；位于半导体衬底上的图案化的界面层、高k介电层、TiN层/TaN层和金属栅极层的叠层；以及位于图案化的叠层的侧面上的接触刻蚀停止层和层间介电层。

优选地，所述界面层包括SiO₂或SiON。

优选地，所述高k介电层包括氧化铪、氧化铪硅、氮氧化铪、氮氧化铪硅、氮氧化铪钽、氧化锆、氮氧化锆、氮氧化锆硅、氧化锆硅、氧化镧、氧化钛、氧化钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛和氧化铝中的一种或其任意组合。

优选地，所述TiN层/TaN层中，TiN层的厚度为TaN层的厚度为