[發(fā)明專利]PMOS晶體管金屬柵極的制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110397349.X
• 申請日: 2011-12-02
• 公開（公告）號: CN103137456A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 平延磊
• 申請（專利權(quán)）人: 中芯國際集成電路制造（上海）有限公司
• 主分類號: H01L21/28
• 分類號: H01L21/28;H01L21/336;H01L29/49
• 代理公司: 上海思微知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31237
• 代理人: 屈蘅;李時云

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及集成電路制造領(lǐng)域，尤其涉及提高PMOS晶體管金屬柵極功函數(shù)的制造方法。

背景技術(shù)

隨著半導(dǎo)體器件的集成度越來越高，半導(dǎo)體器件工作需要的電壓和電流不斷降低，晶體管開關(guān)的速度也隨之加快，隨之對半導(dǎo)體工藝各方面要求大幅提高。現(xiàn)有技術(shù)工藝已經(jīng)將晶體管以及其他種類的半導(dǎo)體器件組成部分做到了幾個分子和原子的厚度，組成半導(dǎo)體的材料已經(jīng)達到了物理電氣特性的極限。

隨著柵極工藝進入了一個新的階段，最早達到極限的部分就是組成半導(dǎo)體器件的柵極氧化層，又稱柵介質(zhì)層，現(xiàn)有的工藝通常采用二氧化硅(SiO2)作為柵極介質(zhì)層的材料。同1995年晶體管中二氧化硅層相比，65納米工藝的晶體管中的二氧化硅層已經(jīng)縮小到只有前者的十分之一，達到僅有5個氧原子的厚度。作為阻隔柵極導(dǎo)電層和其下層(例如半導(dǎo)體襯底)之間的絕緣層，二氧化硅層已經(jīng)不能再縮小了，否則產(chǎn)生的漏電流會讓晶體管無法正常工作，如果提高有效工作的電壓和電流，更會使芯片功耗增大到驚人的地步。

因此，業(yè)界找到了比二氧化硅具有更高的介電常數(shù)和更好的場效應(yīng)特性的材料-高介電常數(shù)材料(High-K?Material)，用以更好的分隔柵極和晶體管其他部分，大幅減少漏電量。同時，為了與高介電常數(shù)材料兼容，采用金屬材料代替原有多晶硅作為柵導(dǎo)電層材料，從而形成了新的柵極結(jié)構(gòu)-金屬柵極。

對于業(yè)界廣泛使用的MOS晶體管(Metal?Oxide?Semiconductor?Transistors)在先進集成電路制造方法中亦開始采用金屬柵極結(jié)構(gòu)，以提高驅(qū)動電流。然而對于PMOS晶體管，金屬柵極的功函數(shù)與PMOS晶體管要求的功函數(shù)不同，采用金屬柵極結(jié)構(gòu)會使PMOS晶體管閾值電壓的提高，導(dǎo)致降低開啟速度、增大功耗，并且隨著柵極介質(zhì)層上的厚度逐漸減小，對CMOS晶體管性能的影響會越來越大，尤其在柵極介質(zhì)層的厚度達到2nm以下。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠調(diào)整于功函數(shù)金屬層的功函數(shù)值，以滿足工藝要求、并提高PMOS晶體管金屬柵極性能的制造方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種PMOS晶體管金屬柵極的制造方法，包括，

提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上形成有介質(zhì)層及位于所述介質(zhì)層中的虛設(shè)柵極；

去除所述虛設(shè)柵極，形成溝槽；

在所述溝槽的底面和內(nèi)壁上形成低氧濃度功函數(shù)金屬層；

在所述低氧濃度功函數(shù)金屬層上形成高氧濃度功函數(shù)金屬層，所述低氧濃度功函數(shù)金屬層與所述高氧濃度功函數(shù)金屬層共同構(gòu)成所述PMOS晶體管的功函數(shù)金屬層；

在所述溝槽中填充形成金屬柵極。

進一步的，采用原子沉積法形成所述低氧濃度功函數(shù)金屬層。

進一步的，所述低氧濃度功函數(shù)金屬層中氧的摩爾含量為2％～10％。

進一步的，所述低氧濃度功函數(shù)金屬層的厚度為5～30埃，功函數(shù)值大于等于5eV。

進一步的，原子沉積法形成所述高氧濃度功函數(shù)金屬層。

進一步的，所述高氧濃度功函數(shù)金屬層中氧的摩爾含量為10％～20％。

進一步的，所述高氧濃度功函數(shù)金屬層的厚度為5～30埃，功函數(shù)值大于5eV。

進一步的，在所述溝槽中位于半導(dǎo)體襯底與所述虛設(shè)柵極之間還形成有高介電常數(shù)介質(zhì)層及位于所述高介電常數(shù)介質(zhì)層上的阻隔層。

進一步的，所述阻隔層為氮化鈦或氮化鉭。

進一步的，所述低氧濃度功函數(shù)金屬層和高氧濃度功函數(shù)金屬層的材料包括氮化鈦(TiN)、鋁鈦化合物(TiAl)或鋁(Al)的其中一種或幾種組合。

進一步的，所述金屬柵極的材質(zhì)為鋁或鋁鈦化合物。

本發(fā)明還提供一種PMOS晶體管金屬柵極的制造方法，包括，

提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上形成有介質(zhì)層及位于所述介質(zhì)層中的虛設(shè)柵極；

去除所述虛設(shè)柵極，形成溝槽；

在所述溝槽的底面和內(nèi)壁上形成功函數(shù)金屬層；

在所述溝槽填充形成金屬柵極；

進行氧離子注入，在所述功函數(shù)金屬層中形成低氧濃度功函數(shù)金屬層和高氧濃度功函數(shù)金屬層，所述高氧濃度功函數(shù)金屬層位于所述金屬柵極和所述低氧濃度功函數(shù)金屬層之間。

進一步的，所述氧離子注入的注入離子為氧氣、一氧化氮、二氧化氮或一氧化二氮中的一種或其任意組合。

進一步的，所述低氧濃度功函數(shù)金屬層中氧的摩爾含量為2％～10％。