[发明专利]CMOS器件及其制造方法

说明书

一种CMOS器件，包括多个NMOS和多个PMOS，每个NMOS以及每个PMOS均包括在衬底上的由栅极绝缘层和栅极金属层构成的栅极堆叠、衬底中栅极堆叠两侧的源漏区、以及栅极堆叠下方的沟道区，其中，每个NMOS的栅极金属层包括第一阻挡层、NMOS功函数调节层、第二阻挡层、以及填充层，每个PMOS的栅极金属层包括第一阻挡层、第二阻挡层以及填充层。依照本发明的半导体器件及其制造方法，在PMOS区域中以较厚的顶部阻挡层作为PMOS功函数调节层，简化了PMOS器件金属栅堆叠结构，提高了超短取代栅中金属栅的填充率，极大提高短栅长下MG的CMOS应用性。

技术领域

本发明涉及一种半导体器件及其制造制造方法，特别是涉及一种CMOSFET器件金属栅结构与制造方法。

背景技术

从45nm CMOS集成电路工艺起始，随着器件特征尺寸的不断，为了抑制短沟道效应，栅绝缘介质层的等效氧化层厚度(EOT)必需同步减小。然而，超薄的常规氧化层或者氮氧化层将产生严重的栅漏电，因此传统的多晶硅/SiON栅极堆叠结构的体系不再适用于小尺寸器件。

一种解决方案是采用常规平面CMOS双金属栅集成工艺，典型的制造方法步骤如下：在POMS和NMOS区域分别形成假栅极堆叠结构，在假栅极堆叠结构两侧衬底上形成栅极侧墙以及衬底中形成源漏区；在整个器件上旋涂层间介质层(ILD)，选择性去除假栅极堆叠结构，分别在PMOS和NMOS区域中形成栅极沟槽；在所有栅极沟槽中沉积氧化硅的衬垫层(IL)和高介电常数(HK)的栅极绝缘层；在所有栅极沟槽中栅极绝缘层上依次沉积形成TiN的第一阻挡层(BR1)、TaN的刻蚀停止层以及TiN的PMOS功函数金属层；选择性刻蚀去除NMOS区域中的TiN的PMOS功函数金属层，停止在TaN的刻蚀停止层或者TiN的第一阻挡层上；在整个器件上依次沉积TiAl的NMOS功函数金属层、TiN或Al的第三阻挡层、Al或W的填充层，CMP平坦化直至暴露ILD，随后刻蚀源漏接触孔完成器件电连接。在此过程中，由于NMOS的功函数层为TiAl，其中的Al离子有利于快速扩散，可以有效扩散到HK/BR1的界面附近，导致可以有效的控制NMOS功函数。但是这种沉积多个叠层然后再选择性刻蚀去除的工艺使得PMOS区域堆叠的薄膜数目过多，栅极结构极度复杂，在栅极长度缩减的条件下，低电阻的填充层空间减少，容易造成填充不均匀、形成孔洞等问题。

另一种抑制短沟道效应的方案是采用鳍片场效应晶体管(FinFET)结构，典型的制造方法步骤如下：刻蚀衬底形成沿第一方向延伸分布的多个鳍片以及鳍片之间的沟槽；在鳍片之间沟槽中填充并且回刻蚀(etch-back)绝缘介质形成浅沟槽隔离(STI)；在露出STI的鳍片结构上形成沿第二方向延伸分布的假栅极堆叠结构；在假栅极堆叠结构沿第一方向的两侧形成栅极侧墙以及源漏区；沉积层间介质层(ILD)覆盖整个器件；选择性刻蚀去除假栅极堆叠结构，在ILD中留下栅极沟槽；在栅极沟槽中依次沉积HK/MG的栅极堆叠结构。这种器件结构通过立体沟道有效的实现了小尺寸器件并且保持了原有设计的电学性能。然而，FinFET金属栅集成工艺继续沿用了平面的结构与集成方法，立体沟道的形成使得栅极沟槽以及填充栅极沟槽形成的HK/MG栅极堆叠结构的栅长线宽持续减小、深宽比持续增大，在下一代器件集成中金属的填充问题变得越来越重要，急需新方法、新结构以改善小尺寸器件金属栅极的填充率。

发明内容

由上所述，本发明的目的在于克服上述技术困难，提出一种新的CMOS金属栅结构及其制造方法，简化了PMOS器件金属栅堆叠结构，提高了超短取代栅中金属栅的填充率，极大提高短栅长下MG的CMOS应用性。

为此，本发明提供了一种CMOS器件，包括多个NMOS和多个PMOS，每个NMOS以及每个PMOS均包括在衬底上的由栅极绝缘层和栅极金属层构成的栅极堆叠、衬底中栅极堆叠两侧的源漏区、以及栅极堆叠下方的沟道区，其中，每个NMOS的栅极金属层包括第一阻挡层、NMOS功函数调节层、第二阻挡层、以及填充层，每个PMOS的栅极金属层包括第一阻挡层、第二阻挡层以及填充层。