專利名稱：晶體管的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種功函數(shù)可調(diào)的晶體管的制造方法。
背景技術(shù)：
構(gòu)成集成電路尤其超大規(guī)模集成電路的主要器件之一是金屬-氧化物-半導(dǎo)體晶體管(M0S晶體管)。自MOS晶體管發(fā)明以來，其幾何尺寸按照摩爾定律一直在不斷縮小，目前其特征尺寸發(fā)展已進入深亞微米以下。在此尺度下，器件的特征尺寸按比例縮小變得越來越困難。另外，在MOS晶體管器件及其電路制造領(lǐng)域，最具挑戰(zhàn)性的是傳統(tǒng)CMOS工藝在器件按比例縮小過程中，由于多晶硅或者二氧化硅柵介質(zhì)層高度減小所帶來的從柵極向襯底的漏電流問題。為解決上述漏電問題，目前MOS晶體管工藝中，采用高K介質(zhì)層代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二氧化硅介質(zhì)層，并使用金屬作為柵電極，兩者配合構(gòu)成MOS管的柵極結(jié)構(gòu)。在這樣的柵極結(jié)構(gòu)中，采用厚度較小的高K介質(zhì)層就可以達到減小漏電流的作用。在公開號為US2011210402A1的美國專利申請中公開了一種具有金屬柵的MOS晶體管的結(jié)構(gòu)。參考圖1，示出了現(xiàn)有技晶體管一實施例的示意圖。所述晶體管包括:襯底，所述襯底中形成有隔離結(jié)構(gòu)13，所述隔離結(jié)構(gòu)13用于將襯底分為NMOS區(qū)域11和PMOS區(qū)域12，所述NMOS區(qū)域11上依次形成有中間層17、高K介質(zhì)層14、第一帽層151、金屬層18，所述PMOS區(qū)域12上依次形成有中間層17、高K介質(zhì)層
14、第二帽層152、金屬層18。所述第一帽層151和第二帽層152的材料不同，可以分別向NM0S.PM0S提供不同的金屬功函數(shù)。

對于NM0S，其金屬功函數(shù)需在3.9ev 4.lev的范圍內(nèi)，而對于PMOS而言，其金屬功函數(shù)需在4.9ev 5.2ev的范圍內(nèi)，如何調(diào)節(jié)NMOS、PMOS的金屬功函數(shù)成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種功函數(shù)可調(diào)的晶體管的制造方法。為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種晶體管的制造方法，包括:提供襯底；在襯底上形成高K介質(zhì)層；在高K介質(zhì)層上形成具有第一功函數(shù)的帽層；在帽層上形成具有第二功函數(shù)的金屬材料；通過熱退火使所述金屬材料向所述帽層擴散，形成功函數(shù)金屬層；在功函數(shù)金屬層上形成金屬電極層。可選地，所述襯底包括NMOS區(qū)域，在NMOS區(qū)域上形成的所述帽層的材料為氮化鈦，所述金屬材料為鋁；所述功函數(shù)金屬層為氮鋁化鈦?？蛇x地，通過原子層沉積或者物理氣相沉積的方法形成所述帽層。可選地，所述帽層的厚度在20 50A的范圍內(nèi)?？蛇x地，通過化學(xué)氣相沉積或者物理氣相沉積的方法形成所述金屬材料。可選地，所述金屬材料的厚度在IO 30 A的范圍內(nèi)。
可選地，所述熱退火的工藝條件包括:熱退火的溫度在400 500°C的范圍內(nèi)，熱退火的時間在120 300秒的范圍內(nèi)?？蛇x地，所述金屬電極層的材料為鋁。可選地，通過化學(xué)氣相沉積或者物理氣相沉積的方法形成鋁材料的金屬電極層。可選地，還包括在形成金屬電極層之前，在功函數(shù)金屬層上形成阻擋層?？蛇x地，所述阻擋層的材料為氮化鉭或者氮化鈦。可選地，所述阻擋層的材料為氮化鉭，通過原子層沉積的方法形成所述阻擋層。可選地，所述阻擋層的材料為氮化鈦，通過物理氣相沉積的方法形成所述阻擋層。
可選地，還包括在形成金屬電極層之前，在阻擋層上形成金屬浸潤層?？蛇x地，所述金屬浸潤層的材料為鈦或者鈦鋁合金?？蛇x地，通過物理氣相沉積的方法形成所述金屬浸潤層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:1.通過熱退火使所述金屬材料向所述帽層擴散，形成功函數(shù)金屬層，可以通過調(diào)節(jié)金屬材料和帽層的厚度，或者通過調(diào)節(jié)熱退火的工藝條件，獲得功函數(shù)可調(diào)節(jié)的功函數(shù)
金屬層。2.可選方案中，所述襯底包括NMOS區(qū)域，在NMOS區(qū)域上形成的所述帽層的材料為氮化鈦，所述金屬材料為鋁；所述功函數(shù)金屬層為氮鋁化鈦，通過調(diào)節(jié)氮化鈦、鋁的厚度來調(diào)節(jié)各元素的元素比，或者通過調(diào)節(jié)熱退火的工藝條件，獲得NMOS的功函數(shù)可調(diào)節(jié)的功函
數(shù)金屬層。3.可選方案中，在形成金屬電極層之前，在功函數(shù)金屬層上形成阻擋層，可以防止金屬電極層向功函數(shù)金屬層發(fā)生擴散。4.可選方案中，在形成金屬電極層之前，在阻擋層上形成金屬浸潤層，所述金屬浸潤層可以使金屬電極層向阻擋層擴散，從而防止在金屬電極層形成空隙。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)晶體管一實施例的示意圖；圖2是本發(fā)明晶體管的制造方法一實施方式的流程示意圖；圖3至圖10是本發(fā)明柵極結(jié)構(gòu)的制造方法一實施例形成的柵極結(jié)構(gòu)的側(cè)面示意圖。
具體實施例方式在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施的限制。其次，本發(fā)明利用示意圖進行詳細描述，在詳述本發(fā)明實施例時，為便于說明，所述示意圖只是實例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護的范圍。為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提供一種晶體管的制造方法，參考圖2，示出了本發(fā)明晶體管制造方法一實施方式的流程示意圖，所述制造方法大致包括以下步驟:步驟SI，提供襯底；
步驟S2，在襯底上形成高K介質(zhì)層；步驟S3，在高K介質(zhì)層上形成具有第一功函數(shù)的帽層；步驟S4，在帽層上形成具有第二功函數(shù)的金屬材料；步驟S5，通過熱退火使所述金屬材料向所述帽層擴散，形成功函數(shù)金屬層；步驟S6，在功函數(shù)金屬層上形成金屬電極層。下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步說明。參考圖3至圖10，示出了本發(fā)明柵極結(jié)構(gòu)的制造方法一實施例形成的柵極結(jié)構(gòu)的側(cè)面示意圖。本實施例以形成具有可調(diào)功函數(shù)的功函數(shù)金屬層的NMOS管為例，但是本發(fā)明并不限制于此。如圖3所示，執(zhí)行步驟SI，提供襯底，所述襯底可以是硅、鍺或者絕緣體上硅(Silicon-On-1nsulator, SOI)。在所述襯底中形成隔離結(jié)構(gòu)103，所述隔離結(jié)構(gòu)103可將襯底分為NMOS區(qū)域101和PMOS區(qū)域102，后續(xù)在NMOS區(qū)域101上形成NMOS的柵極結(jié)構(gòu)、在PMOS區(qū)域102上形成PMOS的柵極結(jié)構(gòu)。如圖4所示，執(zhí)行步驟S2，在襯底上形成高K介質(zhì)層104，所述高K介質(zhì)層104覆蓋所述NMOS區(qū)域101、PMOS區(qū)域102及隔離結(jié)構(gòu)103。所述高K介質(zhì)層104的材料包括氧化鉿或氮氧化鉿娃,可以通過原子層沉積(AtomLayer Deposition, ALD)、化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition, CVD)或物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition, PVD)形成所述高 K 介質(zhì)層 104。本實施例中，由于采用了高K介質(zhì)層104作為柵極結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層，所述高K介質(zhì)層104可以采用較小的厚度即可達到MOS管的柵極結(jié)構(gòu)所需的介電常數(shù)。而如果高K介質(zhì)層104的厚度過大則容易增大后續(xù)氧或氮擴散至襯底表面的難度。因此，較佳地，所述高K介質(zhì)層104的厚度在10 20A的范圍內(nèi)，所述高K介質(zhì)層104降低了多層堆疊的柵極結(jié)構(gòu)的厚度，提高了半導(dǎo)體器件的集成性。在高K介質(zhì)層104上沉積多晶硅層105，之后圖形化所述多晶硅層105、高K介質(zhì)層104，去除所述隔離結(jié)構(gòu)103上方的多晶硅材料和高K介質(zhì)材料，形成位于NMOS區(qū)域101的第一多層結(jié)構(gòu)、位于PMOS區(qū)域102上的第二多層結(jié)構(gòu),所述第一多層結(jié)構(gòu)和所述第二多層結(jié)構(gòu)相隔離。如圖5所示，分別形成包圍所述第一多層結(jié)構(gòu)和第二多層結(jié)構(gòu)的側(cè)墻106，所述側(cè)墻106的材料可以是氧化硅或氮化硅。在第一多層結(jié)構(gòu)、第二多層結(jié)構(gòu)、側(cè)墻106露出的襯底上形成層間介質(zhì)層107，本實施例中所述層間介質(zhì)層107的材料為氧化硅。如圖6所示，去除NMOS區(qū)域101上方第一多層結(jié)構(gòu)中的多晶硅層105，具體地，可以通過蝕刻的方法去除所述多晶硅層105，在去除多晶硅層105之后，在NMOS區(qū)域101的上方，在多晶硅層105原占據(jù)的空間形成由側(cè)墻106、高K介質(zhì)層104圍成的凹槽114。如圖7所示，執(zhí)行步驟S3，向所述凹槽114底部的高K介質(zhì)層104上沉積帽層材料，形成保型覆蓋所述凹槽114的帽層108。所述帽層108位于NMOS區(qū)域101的上方,一方面用于和后續(xù)形成的金屬材料形成用于NMOS的功函數(shù)金屬層；另一方面，還用于防止金屬材料向高K介質(zhì)層104的擴散。
本實施例中，所述帽層108的材料為氮化鈦。具體地，可以通過原子沉積方法或者物理氣相沉積的方法形成所述帽層108。如果帽層108的厚度過小容易造成后續(xù)形成的金屬材料向高K介質(zhì)層104的擴散，如果帽層108的厚度過大，與后續(xù)形成的金屬材料相配合無法獲得符合設(shè)計規(guī)格的功函數(shù)金屬層。本實施例中，NMOS管對應(yīng)的功函數(shù)在3.9ev 4.2ev的范圍內(nèi)，較佳地，所述帽層108的厚度在20-50A的范圍內(nèi)，但是本發(fā)明并不限制于此。如圖8所示，執(zhí)行步驟S4，在帽層108上形成金屬材料109，本實施例中，所述金屬材料109為鋁，可以通過物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積的方法形成所述鋁的金屬材料109。本實施例中，所述金屬材料109為鋁’帽層108的材料為氮化鈦。由于鋁的功函數(shù)小于氮化鈦的功函數(shù)，通過調(diào)節(jié)鋁和氮化鈦的厚度，可以對后續(xù)形成的功函數(shù)金屬層110的功函數(shù)進行調(diào)節(jié)，從而形成功函數(shù)可調(diào)的功函數(shù)金屬層110。具體地，在保持氮化鈦厚度不變的情況下，增大鋁的厚度會降低功函數(shù)金屬層110的功函數(shù)；在保持鋁的厚度不變的情況下，增大氮化鈦的厚度會增大功函數(shù)金屬層110的功函數(shù)。本實施例中，為了使金屬材料109和帽層108相擴散形成的功函數(shù)金屬層110符合NMOS功函數(shù)的調(diào)·節(jié)范圍(3.9ev 4.2ev)，所述帽層108的厚度在20 50A的范圍內(nèi)，所述金屬材料109的厚度在10-30 A的范圍內(nèi)，但是本發(fā)明并不限制于此。如圖9所示，執(zhí)行步驟S5，通過熱退火使所述金屬材料109向所述帽層108擴散，形成功函數(shù)金屬層110。具體地，所述熱退火可以是快速熱氧化(Rapid Thermal Oxidation, RT0)的方法進行。為了使金屬材料109有效地向帽層108擴散，同時又能避免金屬材料109擴散至高K介質(zhì)層104，需要調(diào)節(jié)熱退火的工藝條件。本實施例中，所述金屬材料109和帽層108的功函數(shù)不相同，通過調(diào)節(jié)熱退火的工藝條件，可使金屬材料109向帽層108產(chǎn)生不同程度的擴散，從而對后續(xù)形成的功函數(shù)金屬層110的功函數(shù)進行調(diào)節(jié)，進而形成功函數(shù)可調(diào)的功函數(shù)金屬層110。熱退火的溫·度越大、時間越長，金屬材料109向帽層108會發(fā)生較大程度的擴散，從而越會降低功函數(shù)金屬層110的功函數(shù)。較佳地，所述熱退火的溫度在400 500°C的范圍內(nèi)，熱退火的時間在120 300秒的范圍內(nèi)，但是本發(fā)明并不限制于此。
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本實施例中，所述金屬材料109為鋁，而所述帽層108的材料為氮化鈦(TiN)，在熱退火之后形成的功函數(shù)金屬層110的材料為氮鋁化鈦。具體地，通過調(diào)節(jié)帽層108和金屬材料109的厚度、調(diào)節(jié)熱退火的工藝條件(例如溫度、時間)，來調(diào)節(jié)所形成的氮鋁化鈦中各元素的元素比，從而使氮鋁化鈦中各元素的元素比滿足以下關(guān)系=TihyAlyNx，其中，O < y < 1,0 ≤ X < I，進而使NMOS的功函數(shù)金屬層110的功函數(shù)在3.9ev 4.lev的范圍內(nèi)。如圖10所示，執(zhí)行步驟S6，在功函數(shù)金屬層110上形成金屬電極層113之前，還包括在功函數(shù)金屬層Iio上依次形成保型覆蓋的阻擋層111、金屬浸潤層112。其中，阻擋層111，用于防止金屬電極層113向功函數(shù)金屬層110的擴散，本實施例中，所述金屬電極層113的材料為鋁，所述阻擋層111的材料可以是氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)中的一種或多種。具體地，可以通過原子層沉積的方法形成所述氮化鉭，或者，通過物理氣相沉積的方法形成所述氮化鈦。金屬浸潤層112，用于通過浸潤效應(yīng)，使金屬電極層113向阻擋層111擴散。本實施例中，所述阻擋層111、金屬浸潤層112保型覆蓋于所述功函數(shù)金屬層110，形成由金屬浸潤層112圍成的凹槽，所述金屬電極層113通過向所述凹槽中填充金屬材料而形成，由于阻擋層111與金屬材料的粘附性不好，在填充金屬材料時容易在凹槽中形成空隙，通過在阻擋層111上形成金屬浸潤層112，通過浸潤效應(yīng)可以促進金屬材料向阻擋層111的擴散，從而防止在金屬電極層113中形成空隙。本實施例中，所述金屬電極層113的材料為鋁，所述金屬浸潤層112的材料為鈦或
者鈦招合金。在形成金屬浸潤層112之后，通過化學(xué)氣相沉積或者物理氣相沉積的方法向所述金屬浸潤層112圍成的凹槽中填充鋁材料，之后通過化學(xué)機械拋光去除多余的功函數(shù)金屬層110、阻擋層111、金屬浸潤層112和金屬電極層113。最終形成用作柵電極的鋁的金屬電極層113。在形成NMOS之后，在PMOS區(qū)域102形成PM0S。所述形成PMOS的步驟與形成NMOS的步驟類似，在PMOS區(qū)域102上形成功函數(shù)金屬層時通過選擇合適的帽層材料和金屬材料，通過調(diào)節(jié)帽層和金屬材料的厚度或者通過調(diào)節(jié)熱退火工藝的條件調(diào)節(jié)功函數(shù)金屬層的功函數(shù)，使形成的功函數(shù)金屬層的功函數(shù)在4.9ev 5.2ev的范圍內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員，可以根據(jù)上述實施例進行相應(yīng)地修改、替換和變形。還需要說明的是，在上述實施例中，在形成PMOS之前，在襯底上形成NMOS，但是本發(fā)明并不限制于此，還可以是在形成PMOS之后再形成NMOS，也可以同時形成PMOS和NMOS，本領(lǐng)域技術(shù)人員可進行相應(yīng)地修改、替換和變形。本發(fā)明雖然已以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種晶體管的制造方法，其特征在于，包括: 提供襯底； 在襯底上形成高K介質(zhì)層； 在高K介質(zhì)層上形成具有第一功函數(shù)的帽層； 在帽層上形成具有第二功函數(shù)的金屬材料； 通過熱退火使所述金屬材料向所述帽層擴散，形成功函數(shù)金屬層； 在功函數(shù)金屬層上形成金屬電極層。
2.按權(quán)利要求1所述的晶體管的制造方法，其特征在于， 所述襯底包括NMOS區(qū)域，在NMOS區(qū)域上形成的所述帽層的材料為氮 化鈦，所述金屬材料為鋁；所述功函數(shù)金屬層為氮鋁化鈦。
3.按權(quán)利要求2所述的晶體管的制造方法，其特征在于，通過原子層沉積或者物理氣相沉積的方法形成所述帽層。
4.按權(quán)利要求2所述的晶體管的制造方法，其特征在于，所述帽層的厚度在20-50A的范圍內(nèi)。
5.按權(quán)利要求2所述的晶體管的制造方法，其特征在于，通過化學(xué)氣相沉積或者物理氣相沉積的方法形成所述金屬材料。
6.按權(quán)利要求2所述的晶體管的制造方法，其特征在于，所述金屬材料的厚度在10-30A的范圍內(nèi)。
7.按權(quán)利要求2所述的晶體管的制造方法，其特征在于，所述熱退火的工藝條件包括:熱退火的溫度在400 500°C的范圍內(nèi)，熱退火的時間在120 300秒的范圍內(nèi)。
8.按權(quán)利要求1所述的晶體管的制造方法，其特征在于，所述金屬電極層的材料為鋁。
9.按權(quán)利要求8所述的晶體管的制造方法，其特征在于，通過化學(xué)氣相沉積或者物理氣相沉積的方法形成鋁材料的金屬電極層。
10.按權(quán)利要求1所述的晶體管的制造方法，其特征在于，還包括在形成金屬電極層之前，在功函數(shù)金屬層上形成阻擋層。
11.按權(quán)利要求10所述的晶體管的制造方法，其特征在于，所述阻擋層的材料為氮化鉭或者氮化鈦。
12.按權(quán)利要求11所述的晶體管的制造方法，其特征在于，所述阻擋層的材料為氮化鉭，通過原子層沉積的方法形成所述阻擋層。
13.按權(quán)利要求11所述的晶體管的制造方法，其特征在于，所述阻擋層的材料為氮化鈦，通過物理氣相沉積的方法形成所述阻擋層。
14.按權(quán)利要求10所述的晶體管的制造方法，其特征在于，還包括在形成金屬電極層之前，在阻擋層上形成金屬浸潤層。
15.按權(quán)利要求14所述的晶體管的制造方法，其特征在于，所述金屬浸潤層的材料為鈦或者鈦招合金。
16.按權(quán)利要求15所述的晶體管的制造方法，其特征在于，通過物理氣相沉積的方法形成所述金屬浸潤層。
全文摘要
一種晶體管的制造方法，包括提供襯底；在襯底上形成高K介質(zhì)層；在高K介質(zhì)層上形成具有第一功函數(shù)的帽層；在帽層上形成具有第二功函數(shù)的金屬材料；通過熱退火使所述金屬材料向所述帽層擴散，形成功函數(shù)金屬層；在功函數(shù)金屬層上形成金屬電極層。本發(fā)明通過熱退火使所述金屬材料向所述帽層擴散，形成功函數(shù)金屬層，可以通過調(diào)節(jié)金屬材料和帽層的厚度，或者通過調(diào)節(jié)熱退火的工藝條件，獲得功函數(shù)可調(diào)節(jié)的功函數(shù)金屬層。
文檔編號H01L21/28GK103094114SQ20111033888
公開日2013年5月8日 申請日期2011年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月31日
發(fā)明者平延磊, 鮑宇 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司