Cmos晶體管及其形成方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體技術領域，特別涉及CMOS晶體管及其形成方法。
【背景技術】
[0002]隨著半導體器件集成度的不斷提高，技術節(jié)點的降低，傳統(tǒng)的柵介質(zhì)層不斷變薄，晶體管漏電量隨之增加，引起半導體器件功耗浪費等問題。為解決上述問題，現(xiàn)有技術提供一種將金屬柵極替代多晶硅柵極的解決方案。其中，“后柵(gate last)”工藝為形成高K金屬柵極晶體管的一個主要工藝。
[0003]現(xiàn)有采用后柵極工藝形成高K金屬柵極晶體管的方法，包括:提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有偽柵結構和位于所述半導體襯底上并覆蓋所述偽柵結構的介質(zhì)層，所述偽柵結構包括位于所述半導體襯底表面的偽柵介質(zhì)層和所述偽柵介質(zhì)層表面的偽柵極，所述介質(zhì)層的表面與偽柵結構表面齊平；去除所述偽柵結構后形成凹槽；在所述凹槽內(nèi)依次形成高K柵介質(zhì)層、功函數(shù)層和金屬層，所述金屬層填充滿凹槽，作為晶體管的金屬柵極。隨著半導體集成電路的集成度的提高，功函數(shù)層、金屬柵極的厚度也隨之下降。
[0004]現(xiàn)有采用上述后柵工藝形成的CMOS晶體管的性能較差。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明解決的問題是提供一種CMOS晶體管的形成方法，提高CMOS晶體管的性能。
[0006]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種CMOS晶體管，包括:提供半導體襯底，所述半導體襯底包括NMOS區(qū)域和PMOS區(qū)域，所述半導體襯底表面形成有介質(zhì)層，所述NMOS區(qū)域上方的介質(zhì)層內(nèi)具有第一凹槽，所述PMOS區(qū)域上方的介質(zhì)層內(nèi)具有第二凹槽，所述第一凹槽和第二凹槽均暴露出部分半導體襯底的表面；在所述第一凹槽和第二凹槽的內(nèi)壁表面形成柵介質(zhì)層和位于柵介質(zhì)層表面的覆蓋層，所述覆蓋層內(nèi)摻雜有防擴散離子；在所述覆蓋層表面形成阻擋層；在所述第二凹槽內(nèi)的阻擋層表面形成第一功函數(shù)層；在所述第一凹槽內(nèi)的阻擋層表面以及第二凹槽內(nèi)的第一功函數(shù)層表面形成第二功函數(shù)層；在所述第二功函數(shù)層表面形成填充滿所述第一凹槽和第二凹槽的柵極層。
[0007]可選的，在從柵介質(zhì)層表面到遠離柵介質(zhì)層表面的方向上，所述覆蓋層內(nèi)的防擴散離子的濃度逐漸升高。
[0008]可選的，所述覆蓋層內(nèi)的防擴散離子的濃度范圍為O?lE13atom/cm3。
[0009]可選的，采用原子層沉積工藝形成所述覆蓋層，并且同時采用原位摻雜工藝使形成的覆蓋層內(nèi)摻雜防擴散離子。
[0010]可選的，在形成所述覆蓋層的過程中，隨著覆蓋層厚度的增加，逐漸提高原位摻雜工藝中的摻雜氣體的濃度。
[0011]可選的，所述覆蓋層的材料為氮化鈦，所述覆蓋層內(nèi)的防擴散離子為氧離子。
[0012]可選的，形成所述覆蓋層的方法包括:采用原子層沉積工藝形成所述覆蓋層，所述原子層沉積工藝的反應溫度為200°C?400°C，采用反應氣體包括:含鈦的第一前驅氣體，所述含鈦的前驅氣體包括Ti [N (C2H5CH3) ] 4、Ti [N (CH3) 2] 4或Ti [N (C2H5) 2] 4中的一種或幾種；第二前驅氣體，所述第二前驅氣體包括NH3、⑶或H2O中的一種或幾種，并且在其中通入摻雜氣體進行原位摻雜，所述摻雜氣體包括:02或O3中的一種或幾種。
[0013]可選的，所述第一功函數(shù)層的形成方法包括:原子層沉積工藝在NMOS區(qū)域上和PMOS區(qū)域上同時形成第一功函數(shù)材料層；去除NMOS區(qū)域上的第一功函數(shù)材料層。
[0014]可選的，所述第一功函數(shù)材料層內(nèi)摻雜有防擴散離子。
[0015]可選的，在形成所述第一功函數(shù)材料層的同時，采用原位摻雜工藝使形成的第一功函數(shù)材料層內(nèi)摻雜防擴散離子。
[0016]可選的，所述第一功函數(shù)層的材料為氮化鈦，所述第一功函數(shù)層內(nèi)的防擴散離子為氧離子。
[0017]可選的，在形成所述柵介質(zhì)層之前，在所述第一凹槽和第二凹槽底部的半導體襯底表面形成界面層。
[0018]可選的，采用氧化工藝形成所述界面層。
[0019]可選的，所述界面層的材料為氧化硅。
[0020]可選的，所述阻擋層的材料為氮化鉭或鉭。
[0021]可選的，所述第二功函數(shù)層的材料為鋁化鉭或碳化鉭。
[0022]可選的，所述柵介質(zhì)層的材料為氧化鉿、氧化鋯、硅氧化鉿、氧鋁化鉿、氧化鋁或氧化鑭中的一種或幾種。
[0023]可選的，所述柵極層的材料為鋁、銅、銀、鉬、鎢、氮化鎢、硅化物中的一種或幾種。
[0024]可選的，所述半導體襯底內(nèi)還包括:位于第一凹槽兩側的NMOS區(qū)域內(nèi)的第一源漏極，位于第二凹槽兩側的PMOS區(qū)域內(nèi)的第二源漏極。
[0025]為解決上述問題，本發(fā)明的技術案還提供一種采用上述方法形成的CMOS晶體管，包括:半導體襯底，所述半導體襯底包括NMOS區(qū)域和PMOS區(qū)域，所述半導體襯底表面形成有介質(zhì)層，所述NMOS區(qū)域上方的介質(zhì)層內(nèi)具有第一凹槽，所述PMOS區(qū)域上方的介質(zhì)層內(nèi)具有第二凹槽，所述第一凹槽和第二凹槽均暴露出部分半導體襯底的表面；位于所述第一凹槽和第二凹槽內(nèi)的柵介質(zhì)層和位于柵介質(zhì)層表面的覆蓋層，所述覆蓋層內(nèi)摻雜有防擴散離子；位于覆蓋層表面的阻擋層；位于第二凹槽內(nèi)的阻擋層表面的第一功函數(shù)層；位于所述第一凹槽內(nèi)的阻擋層表面以及第一凹槽內(nèi)的第一功函數(shù)層表面的第二功函數(shù)層；位于所述第二功函數(shù)層表面并填充滿所述第一凹槽和第二凹槽的柵極層。
[0026]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的技術方案具有以下優(yōu)點:
[0027]本發(fā)明的技術方案中，在半導體襯底表面的第一凹槽和第二凹槽內(nèi)形成柵介質(zhì)層之后，在所述柵介質(zhì)層表面形成覆蓋層，所述覆蓋層內(nèi)摻雜有防擴散離子；在所述阻擋層覆蓋層表面形成阻擋層；在所述第二凹槽內(nèi)的阻擋層表面形成第一功函數(shù)層；在第一功函數(shù)層和阻擋層表面形成第二功函數(shù)層；在第二功函數(shù)層表面形成填充滿所述第一凹槽和第二凹槽的柵極層。所述覆蓋層可以保護柵介質(zhì)層，并且所述覆蓋層內(nèi)摻雜有防擴散離子，可以阻擋柵極層內(nèi)的金屬原子向柵介質(zhì)層內(nèi)擴散，避免金屬原子進入柵介質(zhì)層內(nèi)后影響柵介質(zhì)層的介電常數(shù)而產(chǎn)生柵極漏電流等問題，從而可以提高晶體管的性能；并且，在所述覆蓋層表面還形成阻擋層，所述阻擋層可以進一步阻擋柵極層內(nèi)的金屬原子向柵介質(zhì)層內(nèi)擴散，提高對柵極層內(nèi)金屬原子的阻擋作用。
[0028]進一步的，在從柵介質(zhì)層表面到遠離柵介質(zhì)層表面的方向上，所述覆蓋層內(nèi)的防擴散離子的濃度逐漸升高，這樣，使得位于覆蓋層與柵介質(zhì)層502接觸面上的防擴散離子的濃度較低，所述防擴散離子的擴散速率較低，避免所述防擴散離子擴散進入柵介質(zhì)層內(nèi)，避免所述防擴散離子對柵介質(zhì)層的性能造成影響。
[0029]進一步的，所述第二凹槽內(nèi)的第一功函數(shù)層內(nèi)也可以摻雜有防擴散離子，所述防擴散離子可以阻擋柵極層內(nèi)的金屬原子擴散進入所述第一功函數(shù)層內(nèi)，避免由于金屬原子的進入而導致第一功函數(shù)層的功函數(shù)發(fā)生改變的問題，從而可以提高形成PMOS晶體管的功函數(shù)的穩(wěn)定性，使CMOS晶體管中NMOS晶體管和PMOS晶體管的功函數(shù)匹配，從而可以提高CMOS晶體管的性能。
【附圖說明】
[0030]圖1至圖12是本發(fā)明的實施例的CMOS晶體管的形成過程的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0031]如【背景技術】中所述，現(xiàn)有技術形成的CMOS晶體管的性能較差，有待進一步的提聞。
[0032]研究發(fā)明，所述CMOS晶體管的金屬柵極采用的材料一般為Al、Cu等金屬材料，所述金屬柵極內(nèi)的金屬原子會擴散進入功函數(shù)層內(nèi)，影響CMOS晶體管的功函數(shù)；并且，由于CMOS晶體管的尺寸較小，所述功函數(shù)層的厚度較低，金屬原子還會透過功函數(shù)層擴散進入高K柵介質(zhì)層中，影響所述高K柵介質(zhì)層的介電常數(shù)，并且容易形成柵極漏電流，從而影響CMOS晶體管的性能?？梢酝ㄟ^在柵介質(zhì)層表面形成阻擋層來阻擋金屬原子的擴散，但是由于凹槽的尺寸較小，只能形成厚度較小的阻擋層，對金屬原子的擴散阻擋作用較小。
[0033]本發(fā)明的實施例的CMOS晶體管中，在形成柵介質(zhì)層之后，在柵介質(zhì)層表面形成覆蓋層，所述覆蓋層內(nèi)摻雜有防擴散離子，可以阻擋后續(xù)形成的柵極層內(nèi)的金屬原子擴散進入柵介質(zhì)層中，然后再在所述覆蓋層上形成阻擋層，進一步提高對柵極層內(nèi)的金屬原子的擴散阻擋作用。
[0034]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施例做詳細的說明。
[0035]請參考圖1，提供半導體襯底100，所述半導體襯底100包括NMOS區(qū)域10和PMOS區(qū)域20。
[0036]所述半導體襯底100可以是硅或者絕緣體上硅(S0I)，所述半導體襯底100也可以是鍺、鍺硅、砷化鎵或者絕緣體上鍺，本實施中所述半導體襯底100的材料為體硅。所述NMOS區(qū)域10和PMOS區(qū)域20上后續(xù)分別形成NMOS晶體管和PMOS晶體管。
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