专利名称：晶体管的制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种功函数可调的晶体管的制造方法。
背景技术：
构成集成电路尤其超大规模集成电路的主要器件之一是金属-氧化物-半导体晶体管(M0S晶体管)。自MOS晶体管发明以来，其几何尺寸按照摩尔定律一直在不断缩小，目前其特征尺寸发展已进入深亚微米一下。在此尺度下，器件的特征尺寸按比例缩小变得越来越困难。另外，在MOS晶体管器件及其电路制造领域，最具挑战性的是传统CMOS工艺在器件按比例缩小过程中，由于多晶硅或者二氧化硅栅介质层高度减小所带来的从栅极向衬底的漏电流问题。为解决上述漏电问题，目前MOS晶体管工艺中，采用高K介质层代替传统的二氧化硅介质层，并使用金属作 为栅电极，两者配合构成MOS管的栅极结构。在这样的栅极结构中，采用厚度较小的高K介质层就可以达到减小漏电流的作用。在公开号为US2011210402A1的美国专利申请中公开了一种具有金属栅的MOS晶体管的结构。参考图1，示出了现有技术晶体管一实施例的示意图。所述晶体管包括:衬底，所述衬底中形成有隔离结构13，所述隔离结构13用于将衬底分为NMOS区域11和PMOS区域12，所述NMOS区域11上依次形成有中间层17、高K介质层14、第一功函数金属层151、金属电极层18，形成NMOS的栅极结构；所述PMOS区域12上依次形成有中间层17、高K介质层14、第二功函数金属层152、金属电极层18，构成PMOS的栅极结构。所述第一功函数金属层151和第二功函数金属层152的材料不同，可以分别向NM0S、PM0S提供不同的金属功函数。现有技术中，在NMOS的栅极结构上施加压缩应力(compressive stress),而在PMOS的栅极结构上施加拉伸应力(tensile stress)，可以增加NMOS、PMOS的电子迁移率，从而提闻MOS管的性能。如何提高图1所示晶体管的电子迁移率，提高晶体管的性能成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种晶体管的制造方法，提高晶体管的电子迁移率。为了解决上述问题，本发明提供一种晶体管的制造方法，包括:提供衬底，所述衬底分为NMOS区域和PMOS区域；在所述NMOS区域上依次形成高K介质层、第一功函数金属层、第一阻挡层、金属电极层，所述第一阻挡层具有压缩应力；在所述PMOS区域上依次形成高K介质层、第二功函数金属层、第二阻挡层、金属电极层，所述第二阻挡层具有拉伸应力。可选地，所述第一阻挡层和第二阻挡层的材料相同。可选地，所述第一阻挡层和第二阻挡层的材料为氮化钽或氮化钛中的一种或多种。可选地，形成第一阻挡层的步骤包括:采用等离子体进行沉积。可选地，形成第一阻挡层包括采用等离子体增强化学气相沉积或者物理气相沉积。可选地，形成第二阻挡层的步骤包括:采用热沉积形成所述第二阻挡层。可选地，形成第二阻挡层包括采用原子层沉积或者金属有机化合物化学气相沉积。可选地，所述第一功函数金属层、第二功函数金属层的材料为氮化钽、钛铝合金、氮化钨中的一种或多种。可选地，通过原子层沉积方法或者物理气相沉积方法形成所述第一功函数金属层或第二功函数金属层。可选地，在形成第一阻挡层之后，形成金属电极层之前，在第一阻挡层上形成金属浸润层，用于促进金属电极层的材料向第一阻挡层的扩散。可选地，在形成第二阻挡层之后，形成金属电极层之前，在第二阻挡层上形成金属浸润层，用于促进金属电极层的材料向第二阻挡层的扩散。可选地，所述金属电极层的材料为铝，所述金属浸润层的材料为钛或钛铝合金。可选地，通过物理气相沉积的方法形成所述金属浸润层。可选地，所述金属电极层的材料为铝。可选地，通过化学气相沉积或者物理气相沉积的方法形成所述金属电极层。可选地，所述第一功函数金属层的功函数在3.9eV 4.2eV的范围内。可选地，所述第二功函数金属层的功函数在4.9eV 5.2eV的范围内。与现有技术相比，本发明具有以下优点:所述NMOS区域上的第一阻挡层具有压缩应力，所述PMOS区域上的第二阻挡层具有拉伸应力，可以提高晶体管的电子迁移率，进而提闻晶体管的性能。
图1是现有技术晶体管一实施例的示意图；图2是本发明晶体管的制造方法一实施方式的流程示意图；图3至图11是本发明晶体管的制造方法一实施例形成的晶体管的侧面示意图。
具体实施例方式在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。为了解决现有技术的问题，本发明提供一种晶体管的制造方法，参考图2，示出了本发明晶体管制造方法一实施方式的流程示意图，所述制造方法大致包括以下步骤:步骤SI，提供衬底，所述衬底分为NMOS区域和PMOS区域；
步骤S2，在衬底上形成高K介质层；步骤S3，在所述NMOS区域的高K介质层上依次形成第一功函数金属层、第一阻挡层，所述第一阻挡层具有压缩应力；步骤S4，在所述第一阻挡层上依次形成金属浸润层、金属电极层；步骤S5，在所述PMOS区域的高K介质层上依次形成第二功函数金属层、第二阻挡层，所述第二阻挡层具有拉伸应力；步骤S6，在所述第二阻挡层上依次形成金属浸润层、金属电极层。下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。参考图3至图11，示出了本发明晶体管的制造方法一实施例形成的晶体管的侧面结构示意图。如图3所示，执行步骤SI，提供衬底，所述衬底可以是硅、锗或者绝缘体上硅(Silicon-On-1nsulator, SOI)。在所述衬底中形成隔离结构103，所述隔离结构103可将衬底分为匪OS区域101和PMOS区域102，后续在NMOS区域101上形成NMOS的栅极结构、在PMOS区域102上形成PMOS的栅极结构。如图4所示，执行步骤S2，在衬底上形成高K介质层104，所述高K介质层104覆盖所述NMOS区域101、PMOS区域102及隔离结构103。所述高K介质层104的材料包括氧化铪或氮氧化铪娃,可以通过原子层沉积(AtomLayer Deposition, ALD)、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD)或物理气相沉积(Physical Vapor Deposition, PVD)形成所述高 K 介质层 104。本实施例中，由于采用了高K介质层104作为栅极结构的介质层，所述高K介质层104可以采用较小的厚度即可达到MOS管的栅极结构所需的介电常数。而如果高K介质层104的厚度过大则容易增大后续氧或氮扩散至衬底表面的难度。因此，较佳地，所述高K介质层104的厚度在10 20A的范围内，所述高K介质层104降低了多层堆叠的栅极结构的厚度，提高了半导体器件的集成性。在高K介质层104上沉积多晶硅层105，之后图形化所述多晶硅层105、高K介质层104，去除所述隔离结构103上方的多晶硅材料和高K介质材料，形成位于NMOS区域101的第一多层结构、位于PMOS区域102上的第二多层结构,所述第一多层结构和所述第二多层结构相隔离。如图5所示，分别形成包围所述第一多层结构和第二多层结构的侧墙106，所述侧墙的材料可以是氧化硅或氮化硅。在第一多层结构、第二多层结构、侧墙106露出的衬底上形成层间介质层107，本实施例中所述层间介质层107的材料为氧化硅。如图6所示，去除NMOS区域101上方第一多层结构中的多晶硅层105，具体地，可以通过蚀刻的方法去除所述多晶硅层105，在去除多晶硅层105之后，在NMOS区域101的上方，在多晶硅层105原占据的空间形成由侧墙106、高K介质层104围成的第一凹槽114。如图7所示，执行步骤S3，向所述第一凹槽114底部的高K介质层104上沉积第一功函数金属材料，形成保型覆盖所述第一凹槽114的第一功函数金属层110。所述第一功函数金属层110位于NMOS区域101的上方，用作后续形成NMOS的功函数金属层，适用于NMOS管的功函数金属层所对应的功函数在3.9eV 4.2eV的范围内，本实施例中，所述第一功函数金属层110的材料为氮化钛、钛铝合金或者氮化钨中的一种或多种。具体地，可以通过原子层沉积方法或者物理气相沉积方法形成所述第一功函数金属层110。继续参考图7，在第一功函数金属层110上形成保型覆盖的第一阻挡层111，所述第一阻挡层111具有压缩应力，在用于防止后续形成的金属电极层扩散的同时，还具有使栅极结构压缩的压缩应力，进而提高NMOS的电子迁移率。本实施例中，采用等离子体进行沉积的方式形成所述第一阻挡层111，通过等离子体方式形成的第一阻挡层111具有一定的压缩应力。具体地，所述第一阻挡层111的材料为氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)中的一种或多种，可以采用诸如等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition, PECVD)、物理气相沉积(Physical Vapor Deposition, PVD)等在工艺过程中采用等离子体的方法形成所述氮化钽或者氮化钛。如图8所示，执行步骤S4，在第一阻挡层111上形成保型覆盖的金属浸润层112。所述金属浸润层112，用于通过浸润效应，使后续形成的金属电极层113向第一阻挡层111扩散。本实施例中，第一功函数金属层110、第一阻挡层111、金属浸润层112保型覆盖于第一凹槽114，形成由金属浸润层112围成的凹槽，向所述凹槽中填充金属材料形成金属电极层113。第一阻挡层111与金属材料的粘附性不好，在填充金属材料时容易在凹槽中形成空隙，通过在第一阻挡层111上形成金属浸润层112，通过浸润效应可以促进金属材料向第一阻挡层111的扩散，从而防止在金属电极层113中形成空隙。本实施例中，所述金属电极层113的材料为招,可以通过化学气相沉积(ChemicalVapor Deposition, CVD)或者物理气相沉积形成所述招材料的金属电极层113。金属电极层113的材料为铝，相应地，所述金属浸润层112的材料为钛或者钛铝合金，可以通过物理气相沉积的方式形成所述钛或者钛铝合金。在实际工艺中，在形成金属浸润层112之后，通过化学气相沉积或者物理气相沉积的方法向所述金属浸润层112围成的凹槽中填充铝材料，之后还通过化学机械抛光去除多余的第一功函数金属层110、第一阻挡层111、金属浸润层112和金属电极层113，从而形成NMOS的栅极结构。需要说明的是，在制造完成NMOS的栅极结构之后，还包括在NMOS栅极结构上覆盖光刻胶，用于在后续形成PMOS的栅极结构的过程中，保护已形成的NMOS的栅极结构。如图9所示，在NMOS栅极结构上覆盖光刻胶以后，去除PMOS区域102上方第二多层结构中的多晶硅层105，具体地，可以通过蚀刻的方法去除所述多晶硅层105，在去除多晶硅层105之后，在PMOS区域102的上方，在多晶硅层105原占据的空间形成由侧墙106、高K介质层104围成的第二凹槽118。如图10所示，执行步骤S5，向所述第二凹槽118底部的高K介质层104上沉积第二功函数金属材料，形成保型覆盖所述第二凹槽118的第二功函数金属层114。
所述第二功函数金属层114位于PMOS区域102的上方，用作后续形成PMOS的功函数金属层，适用于PMOS管的功函数金属层所对应的功函数在4.9eV 5.2eV的范围内，本实施例中，所述第二功函数金属层114的材料为氮化钛、钛铝合金或者氮化钨中的一种或多种，所述第二功函数金属层114与第一功函数金属层110材料的区别在于，第二功函数金属层114材料中非金属兀素和金属兀素的兀素比大于第一功函数金属层110材料中非金属元素和金属元素的元素比。具体地，可以通过原子层沉积方法或者物理气相沉积方法形成所述第二功函数金属层114。继续参考图10，在第二功函数金属层114上形成保型覆盖的第二阻挡层115，所述第二阻挡层115具有拉伸应力。所述第二阻挡层115在用于防止后续形成的金属电极层扩散的同时，还具有使栅极结构拉伸的拉伸应力，进而提高待形成的PMOS的电子迁移率。本实施例中，所述第二阻挡层115的材料与第一阻挡层111的材料相同，均为氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)中的一种或多种。但是本发明并不限制于此。本实施例中，采用热沉积形成所述第二阻挡层115，通过热沉积方式形成的第二阻挡层115具有一定的拉伸应力。具体地,所述热沉积的方式包括原子层沉积(Atom Layer Deposition, ALD)或者金属有机化合物化学气相沉积(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)。如图11所示，执行步骤S6，在第二阻挡层115上形成保型覆盖的金属浸润层116。所述金属浸润层116，用于通过浸润效应使后续形成的金属电极层117向第二阻挡层115扩散。本实施例中，第二功函数金属层114、第二阻挡层115、金属浸润层116保型覆盖于第二凹槽118,形成由金属浸润层116围成的凹槽，向所述凹槽中填充金属材料形成金属电极层117。第二阻挡层115与金属材料的粘附性不好，在填充金属材料时容易在凹槽中形成空隙，通过在第二阻挡层115上形成金属浸润层116，通过浸润效应可以促进金属材料向第二阻挡层115的扩散，从而防止在金属电极层117中形成空隙。本实施例中，所述金属电极层117的材料为铝，可以通过化学气相沉积(ChemicalVapor Deposition, CVD)或者物理气相沉积形成所述招材料的金属电极层117。金属电极层117的材料为铝，相应地，所述金属浸润层116的材料为钛或者钛铝合金，可以通过物理气相沉积的方式形成所述钛或者钛铝合金。在实际工艺中，在形成金属浸润层116之后，通过化学气相沉积或者物理气相沉积的方法向所述金属浸润层116围成的凹槽中填充铝材料，之后还通过化学机械抛光去除多余的第二功函数金属层114、第二阻挡层115、金属浸润层116和金属电极层117，从而形成PMOS的栅极结构。还需要说明的是，在上述实施例中，在形成PMOS之前，先在衬底上形成NM0S，但是本发明并不限制于此，还可以是在形成PMOS之后再形成NM0S，本领域技术人员可进行相应地修改、替换和变形。本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
权利要求
1.一种晶体管的制造方法，其特征在于，包括: 提供衬底，所述衬底分为NMOS区域和PMOS区域； 在衬底上形成高K介质层； 在所述NMOS区域的高K介质层上依次形成第一功函数金属层、第一阻挡层、金属电极层，所述第一阻挡层具有压缩应力； 在所述PMOS区域的高K介质层上依次形成第二功函数金属层、第二阻挡层、金属电极层，所述第二阻挡层具有拉伸应力。
2.按权利要求1所述的晶体管的制造方法，其特征在于，所述第一阻挡层和第二阻挡层的材料相同。
3.按权利要求2所述的晶体管的制造方法，其特征在于，所述第一阻挡层和第二阻挡层的材料为氮化钽或氮化钛中的一种或多种。
4.按权利要求1所述的晶体管的制造方法，其特征在于，形成第一阻挡层的步骤包括:采用等离子体进行沉积。
5.按权利要求4所述的晶体管的制造方法，其特征在于，形成第一阻挡层包括采用等离子体增强化学气相沉积或者物理气相沉积。
6.按权利要求1所述的晶体管的制造方法，其特征在于，形成第二阻挡层的步骤包括:采用热沉积形成所述第二阻挡层。
7.按权利要求6所述的晶体管的制造方法，其特征在于，形成第二阻挡层包括采用原子层沉积或者金属有机化合物化学气相沉积。
8.按权利要求1所述的晶体管的制造方法，其特征在于，所述第一功函数金属层、第二功函数金属层的材料为氮化钽、钛铝合金、氮化钨中的一种或多种。
9.按权利要求8所述的晶体管的制造方法，其特征在于，通过原子层沉积方法或者物理气相沉积方法形成所述第一功函数金属层或第二功函数金属层。
10.按权利要求1所述的晶体管的制造方法，其特征在于，在形成第一阻挡层之后，形成金属电极层之前，在第一阻挡层上形成金属浸润层，用于促进金属电极层的材料向第一阻挡层的扩散。
11.按权利要求1所述的晶体管的制造方法，其特征在于，在形成第二阻挡层之后，形成金属电极层之前，在第二阻挡层上形成金属浸润层，用于促进金属电极层的材料向第二阻挡层的扩散。
12.按权利要求10或11所述的晶体管的制造方法，其特征在于，所述金属电极层的材料为铝，所述金属浸润层的材料为钛或钛铝合金。
13.按权利要求12所述的晶体管的制造方法，其特征在于，通过物理气相沉积的方法形成所述金属浸润层。
14.按权利要求1所述的晶体管的制造方法，其特征在于，所述金属电极层的材料为招。
15.按权利要求14所述的晶体管的制造方法，其特征在于，通过化学气相沉积或者物理气相沉积的方法形成所述金属电极层。
16.按权利要求1所述的晶体管的制造方法，其特征在于，所述第一功函数金属层的功函数在3.9eV 4.2eV的范围内。
17.按权利要求1所述的晶体管的制造方法，其特征在于，所述第二功函数金属层的功函数在4.9eV 5.2eV的 范围内。
全文摘要
一种晶体管的制造方法，包括提供衬底，所述衬底分为NMOS区域和PMOS区域；在衬底上形成高K介质层；在所述NMOS区域的高K介质层上依次形成第一功函数金属层、第一阻挡层、金属电极层，所述第一阻挡层具有压缩应力；在所述PMOS区域的高K介质层上依次形成第二功函数金属层、第二阻挡层、金属电极层，所述第二阻挡层具有拉伸应力。本发明晶体管可以提高晶体管的电子迁移率，进而提高晶体管的性能。
文档编号H01L21/8234GK103094208SQ20111033844
公开日2013年5月8日 申请日期2011年10月31日 优先权日2011年10月31日
发明者平延磊 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司