[发明专利]一种半导体器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺，具体而言涉及一种形成具有高k-金属栅极结构的NMOS的方法。

背景技术

随着集成电路制造技术的不断革新，集成电路中的各种元件的尺寸不断缩小，同时功能化密度不断增大。在按比例缩小的原则下不断发展的集成电路制造技术提高了生产效率，降低了制造成本；同时，也带来了集成电路高功耗的问题。通过应用具有低功耗特点的半导体器件构成集成电路，例如互补金属氧化物半导体（CMOS），可以解决集成电路高功耗的问题。

典型的CMOS包括衬底上依次层叠的栅氧化物和多晶硅栅极。由于半导体器件特征尺寸的不断减小，用高k栅介电质和金属栅极分别替代CMOS中的栅氧化物和多晶硅栅极，可以改善CMOS的性能，进而衍生出形成具有高k-金属栅极结构的CMOS的高k-金属栅工艺。对于具有较高工艺节点的CMOS而言，所述高k-金属栅工艺通常为后栅极(gate-last)工艺，其典型的实施过程包括：首先，在半导体衬底上形成伪栅极结构，所述伪栅极结构由自下而上层叠的界面层、高k介电层、覆盖层（capping layer）和牺牲栅电极层构成；然后，在所述伪栅极结构的两侧形成侧壁结构，之后去除所述伪栅极结构中的牺牲栅电极层，在侧壁结构之间留下一沟槽；接着，在所述沟槽内依次沉积功函数金属层（workfunction metal layer）、阻挡层（barrier layer）和浸润层（wetting layer）；最后进行金属栅极材料的填充，以在覆盖层上形成金属栅极结构。

然而，对于CMOS而言，分别形成于NMOS和PMOS的高k-金属栅极结构中的功函数金属层的功函数是不同的，通常来说，形成于PMOS的功函数金属层的功函数的范围为4.9-5.2eV，形成于NMOS的功函数金属层的功函数的范围为3.9-4.1eV，二者相差较大。在位于PMOS的功函数金属层的传统形成工艺中，通常选用钛铝合金（TiAl）作为构成其所需功函数金属层的材料，当选用TiAl作为位于NMOS的功函数金属层的材料时，需要调整其具有的功函数以满足NMOS对于其所需功函数金属层的功函数的要求。实施所述功函数的调整通常需要对形成于NMOS的功函数金属层执行退火处理，在此过程中，TiAl中的Al向下方的覆盖层乃至高k介电层扩散，导致最终形成的具有高k-金属栅极结构的NMOS存在较为严重的漏电现象，影响CMOS的整体性能。

因此，需要提出一种方法，以解决上述问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种半导体器件的制造方法，包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成伪栅极结构，所述伪栅极结构包括自下而上层叠的界面层、高k介电层、Al₂O₃保护层、覆盖层和牺牲栅电极层；去除所述伪栅极结构中的牺牲栅电极层，形成栅沟槽；在所述栅沟槽内形成金属栅极结构。

进一步，在去除所述牺牲栅电极层之前，还包括在所述伪栅极结构的两侧形成侧壁结构以及在所述半导体衬底上形成层间绝缘层的步骤。

进一步，所述侧壁结构至少包括氧化物层和/或氮化物层。

进一步，所述Al₂O₃保护层的厚度为2-10埃。

进一步，采用热氧化工艺形成所述界面层。

进一步，采用化学气相沉积工艺形成所述高k介电层和所述牺牲栅电极层。

进一步，采用化学气相沉积工艺或原子层沉积工艺形成所述Al₂O₃保护层。

进一步，采用物理气相沉积工艺、化学气相沉积工艺或原子层沉积工艺形成所述覆盖层。

进一步，所述金属栅极结构包括自下而上层叠的功函数金属层和金属栅极材料层。

进一步，所述功函数金属层和所述金属栅极材料层之间还包括自下而上层叠的阻挡层和浸润层。

进一步，采用干法蚀刻或湿法蚀刻实施所述牺牲栅电极层的去除。

进一步，在实施所述牺牲栅电极层的去除之后，还包括执行湿法清洗的步骤，以去除所述栅沟槽内残留的蚀刻物质和杂质。

本发明还提供一种半导体器件，包括：半导体衬底；形成在所述半导体衬底上的自下而上层叠的界面层、高k介电层、Al₂O₃保护层和覆盖层；形成在所述覆盖层上的金属栅极结构；形成在所述金属栅极结构两侧的间隙壁结构。

进一步，所述Al₂O₃保护层的厚度为2-10埃。