金属栅极的形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体制造领域，尤其是涉及一种金属栅极的形成方法。
【背景技术】
[0002]集成电路尤其是超大规模集成电路中的主要器件是金属-氧化物-半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor,简称 MOS 晶体管)。自从MOS管被发明以来，其几何尺寸一直在不断缩小。在此情况下，各种限制和技术挑战开始出现，器件尺寸的进一步缩小正变得越来越困难。随着复合金属氧化物半导体结构(CMOS,Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)制造工艺缩减到 32nm 以下级别，引入了米用新的设计和材料的技术。在MOS晶体管器件和电路制备中，最具挑战性的是传统CMOS器件在缩小的过程中由多晶硅和氧化硅(或氮氧化硅)形成的栅结构厚度减小带来的较高的栅泄露电流。为此，已提出的解决方案是，采用金属栅和高介电常数(K)栅介质替代传统的重掺杂多晶硅栅和氧化硅(或氮氧化硅)栅介质。
[0003]现有金属栅极的形成方法如图1至图5所示。
[0004]请参考图1，提供半导体衬底100，半导体衬底100具有PMOS区域和NMOS区域，图1中半导体衬底100左半部分区域为PMOS区域，半导体衬底100右半部分为NMOS区域。在PMOS区域上形成第一高K栅介质层111、第一阻挡层112和第一伪栅极113，在NMOS区域上形成第二高K栅介质层121、第二阻挡层122和第二伪栅极123，并形成层间介质层101覆盖半导体衬底100，层间介质层101的表面和第一伪栅极113与第二伪栅极123的表面齐平。
[0005]请参考图2，形成掩膜层102保护第二伪栅极123，并以掩膜层102为掩模，蚀刻去除图1所示第一伪栅极113，形成第一凹槽114。
[0006]请参考图3，在图2所示第一凹槽114的底部和侧壁形成第一功函数金属层115，之后再用金属材料填充满图2所示第一凹槽114直至形成第一金属栅极116。
[0007]请参考图4，去除图3所示掩膜层102和第二伪栅极123，形成第二凹槽124。
[0008]请参考图5，在图4所示第二凹槽124的底部和侧壁形成第二功函数金属层125，之后再用金属材料填充满图4所示第二凹槽124直至形成第二金属栅极126。
[0009]由以上描述可知，现有金属栅极的形成方法需要用不同的金属材料分别形成不同的功函数金属层，因此，其制作工艺复杂，并且工艺成本高。
[0010]为此，需要一种新的金属栅极的形成方法，以防止克服现有方法制作工艺复杂和工艺成本高的问题。
【发明内容】
[0011]本发明解决的问题是提供一种金属栅极的形成方法，以简化制作工艺，并降低工艺成本。
[0012]为解决上述问题，本发明提供一种金属栅极的形成方法，包括:
[0013]提供半导体衬底，所述半导体衬底具有PMOS区域和NMOS区域，所述PMOS区域从下到上形成有第一高K栅介质层、第一阻挡层和第一伪栅极，所述NMOS区域从下到上形成有第二高K栅介质层、第二阻挡层和第二伪栅极，所述半导体衬底上还具有层间介质层，所述层间介质层表面与所述第一伪栅极和所述第二伪栅极表面齐平；
[0014]去除所述第一伪栅极形成第一沟槽；
[0015]对所述第一阻挡层和所述第一高K栅介质层进行贮气退火处理；
[0016]去除所述第二伪栅极形成第二沟槽；
[0017]在所述第一沟槽和所述第二沟槽的底部和侧壁同时形成功函数金属层；
[0018]采用金属材料同时填充满所述第一沟槽和所述第二沟槽。
[0019]可选的，所述贮气退火处理为氦气退火处理或者氧气退火处理。
[0020]可选的，所述氦气退火处理采用的温度范围为500°C?1500°C，采用的氦气流量范围为1sccm?100sccm,米用的退火时间为1s?600s。
[0021]可选的，所述氧气退火处理采用的温度范围为100°C?400°C，采用的氧气流量范围为1sccm?100sccm,米用的退火时间为Is?600s。
[0022]可选的，在形成所述第一沟槽后，且在进行所述氦气退火处理前，所述形成方法还包括:进行干燥处理。
[0023]为解决上述问题，本发明还提供了另外一种金属栅极的形成方法，包括:
[0024]提供半导体衬底，所述半导体衬底具有PMOS区域和NMOS区域，所述PMOS区域从下到上形成有第一界面层和第一伪栅极，所述NMOS区域从下到上形成有第二界面层和第二伪栅极，所述半导体衬底上还具有层间介质层，所述层间介质层表面与所述第一伪栅极和所述第二伪栅极表面齐平；
[0025]去除所述第一界面层和所述第一伪栅极形成第一沟槽，去除所述第二界面层和所述第二伪栅极形成第二沟槽；
[0026]在所述第一沟槽内形成第一高K栅介质层、第一阻挡层和第一填充层，在所述第二沟槽内形成第二高K栅介质层、第二阻挡层和第二填充层；
[0027]去除所述第一填充层直至重新形成所述第一沟槽；
[0028]对所述第一高K栅介质层和所述第一阻挡层进行贮气退火处理；
[0029]去除所述第二填充层直至重新形成所述第二沟槽；
[0030]在所述第一沟槽和所述第二沟槽的底部和侧壁同时形成功函数金属层；
[0031]采用金属材料同时填充满所述第一沟槽和所述第二沟槽。
[0032]可选的，所述贮气退火处理为氦气退火处理或者氧气退火处理。
[0033]可选的，所述氦气退火处理采用的温度范围为500°C?1500°C，采用的氦气流量范围为1sccm?100sccm,米用的退火时间为1s?600s。
[0034]可选的，所述氧气退火处理采用的温度范围为100°C?400°C，采用的氧气流量范围为1sccm?100sccm,米用的退火时间为Is?600s。
[0035]可选的，在形成所述第一沟槽后，且在进行所述氦气退火处理前，所述形成方法还包括:进行干燥处理。
[0036]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:
[0037]本发明的技术方案中，在PMOS区域和NMOS区域上形成阻挡层和高K栅介质层之后，对位于PMOS区域上的阻挡层和高K栅介质层进行贮气退火处理，然后同时在PMOS区域和NMOS区域上形成功函数金属层，此后同时在PMOS区域和NMOS区域上形成金属栅极。所形成的功函数金属层的功函数满足NMOS晶体管的要求。而对于位于PMOS区域上的功函数金属层而言，其形成在经过贮气退火处理后的阻挡层和高K栅介质层上，退火处理后贮存在阻挡层和高K栅介质层中的气体原子会扩散到其内部，使其功函数升高，达到PMOS晶体管的所需要求，因此，只需同时形成的功函数金属层，即可同时满足PMOS晶体管和NMOS晶体管的要求，简化了工艺，节省了工艺成本。
[0038]进一步，当所述贮气退火处理为氧气退火处理时，采用的氧气流量范围为1sccm?lOOOsccm。在1sccm?100sccm流量范围内，氧气流量越大，后续忙存在第一阻挡层212 (以及第一高K栅介质层211)的氧原子越多，越有助于提高后续功函数金属层的功函数，但是，流量超过lOOOsccm之后，对氧原子在第一阻挡层212 (以及第一高K栅介质层211)中的贮存量基本没有影响，而如果流量小于lOsccm，则可能无法在第一阻挡层212(以及第一高K栅介质层211)贮存足够的氧原子。
[0039]进一步，所述贮气退火处理为氦气退火处理时，采用的氦气浓度为1sccm?lOOOsccm。在1sccm?100sccm流量范围内，氦气流量越大，后续贮存在第一阻挡层212(以及第一高K栅介质层211)的氦原子越多，越有助于提高后续功函数金属层的功函数，但是，流量超过lOOOsccm之后，对氦原子在第一阻挡层212 (以及第一高K栅介质层211)中的贮存量基本没有影响，而如果流量小于lOsccm，则可能无法在第一阻挡层212 (以及第一高K栅介质层211)贮存足够的氦原子。
【附图说明】
[0040]图1至图5为现有金属栅极的形成方法各步骤对应的结构示意图；
[0041]图6至图10为本发明一实施例金属栅极的形成方法各步骤对应的结构示意图；
[0042]图11至图16为本发明又一实施例金属栅极的形成方法各步骤对应的结构示意图。
【具体实施方式】
[0043]由于PMOS晶体管和NMOS晶体管的阈值电压不同，因此，PMOS晶体管和NMOS晶体管需要采用功函数不同的功函数金属层。现有金属栅极的形成方法是通过不同金属材料形成不同的功函数金属层，因此，现有金属栅极的形成方法需要分别在PMOS晶体管和NMOS晶体管单独地进行功函数金属层的形成工艺，导致金属栅极的