半导体器件及其形成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体形成领域，尤其是涉及一种半导体器件及其形成方法。
【背景技术】
[0002] 随着集成电路制造技术的发展，集成电路的集成度不断增加，集成电路的特征尺 寸也不断减小，而基于集成电路结构的物理极限，集成电路出现了一系列的性能缺陷。
[0003] 如在CMOS集成电路工艺中，随着器件尺寸的不断缩小要求栅介质厚度不断减薄， 栅极漏电流则随着栅介质厚度的减薄而急剧增大。为此，现有的COMS制备工艺中，采用高 介电常数（HK)栅介质/金属栅结构代替传统的Si0 2/poly (多晶硅）栅结构使得CMOS集 成电路中漏电流增加问题得以缓解。
[0004] 然而，金属栅集成到高K栅介质上仍有许多问题急待解决，如热稳定性问题，界面 态，以及费米钉扎效应等问题。其中，费米钉扎效应最为严重。
[0005] 目前，解决费米钉扎效应最好的方法是调节PMOS晶体管和NMOS晶体管的阈值电 压，使得NMOS晶体管和PMOS晶体管的阈值电压对称，且适当低。
[0006] 栅极功函数直接影响半导体器件的阈值电压（Vt)。
[0007] 参考图1所示，现有的CMOS晶体管中的栅极中，在高K介质层10,以及金属栅极材 料层12之间设置功函数层11，从而调节栅极整体的功函数。
[0008] 其中，PMOS晶体管和NMOS晶体管中，采用功函数可调的两种金属分别作为PMOS 栅极和NOMS栅极的功函数层材料，以调节PMOS晶体管和NMOS晶体管的功函数，并由此调 节PMOS晶体管和NMOS晶体管的阈值电压，使得PMOS晶体管和NMOS晶体管达到预期的阈 值电压。
[0009] 现有CMOS晶体管制备工艺中，为了使得PMOS晶体管和NMOS晶体管达到预期的阈 值电压，PMOS晶体管中金属栅极的功函数范围需4. 8eV~5. IeV之间，NMOS晶体管中金属 栅极的功函数范围需位于4. 0~4. 3eV之间。
[0010] 然而实际制备过程中，PMOS晶体管的功函数在4. 8eV左右浮动，无法达到更高的 数值，其直接影响形成的CMOS晶体管的性能。
[0011] 为此，如何提高CMOS晶体管中PMOS晶体管的功函数是本领域技术人员亟需解决 的问题。
【发明内容】
[0012] 本发明解决的问题是，提高CMOS晶体管中，PMOS晶体管的功函数。
[0013] 为解决上述问题，本发明提供一种半导体器件的形成方法，包括：
[0014] 提供半导体衬底，在所述半导体衬底内开设有栅极凹槽；
[0015] 在所述栅极凹槽内，位于所述半导体衬底上形成栅介质层；
[0016] 在所述栅介质层上形成HK层；
[0017] 在所述HK层上形成功函数层；
[0018] 在所述功函数层上，以及所述栅极凹槽的侧壁上形成第一扩散阻挡层；
[0019] 向所述第一扩散阻挡层上形成金属材料层，所述金属材料层填充满所述栅极凹 槽，形成金属栅极。
[0020] 可选地，所述第一扩散阻挡层的材料为氧化钛。
[0021] 可选地，所述第一扩散阻挡层的厚度与所述金属材料层的厚度比为1:40~ 1:100。
[0022] 可选地，所述第一扩散阻挡层的形成工艺包括：
[0023] 采用PVD工艺，在所述功函数层，以及栅极凹槽的侧壁上沉积一层金属钛层；
[0024] 通入氧气或臭氧气体，在400~500°C下，对所述金属钛层进行退火工艺，形成氧 化钛。
[0025] 可选地，所述金属栅极为PMOS金属栅极。
[0026] 可选地，形成所述HK层后，在所述HK层上形成第二扩散阻挡层。
[0027] 可选地，所述金属材料层的材料为铝。
[0028] 本发明还提供了另一种半导体器件的形成方法，包括：
[0029] 提供半导体衬底，所述半导体衬底包括PMOS区域和NMOS区域，在所述PMOS区域 内开设有PMOS栅极凹槽，在所述NMOS区域内开设有NMOS栅极凹槽；
[0030] 在所述PMOS栅极凹槽和NMOS栅极凹槽内的半导体衬底上形成栅介质层；
[0031] 在所述PMOS栅极凹槽和NMOS栅极凹槽的栅介质层上形成HK层；
[0032] 在所述PMOS栅极凹槽内形成第一功函数层；
[0033] 在所述PMOS栅极凹槽的第一功函数层上，以及所述NMOS栅极凹槽的HK层上形成 第二功函数层；
[0034] 在所述PMOS栅极凹槽和NMOS栅极凹槽的第二功函数层上形成第一扩散阻挡层；
[0035] 去除所述NMOS栅极凹槽内的所述第一扩散阻挡层；
[0036] 向所述PMOS栅极凹槽和NMOS栅极凹槽的第一扩散阻挡层上形成金属材料层，所 述金属材料层填充满所述PMOS栅极凹槽和NMOS栅极凹槽，分别形成PMOS金属栅极和NMOS 金属栅极。
[0037] 可选地，去除所述NMOS栅极凹槽内的所述第一扩散阻挡层的工艺为湿法刻蚀工 艺，采用的湿法刻蚀剂包括双氧水和氨水的混合溶液。
[0038] 本发明还提供了一种半导体器件，包括：
[0039] 半导体衬底，在所述半导体衬底上开设有栅极凹槽；
[0040] 在所述栅极凹槽内，位于所述半导体衬底上的栅介质层；
[0041] 位于所述栅介质层上的HK层；
[0042] 位于所述HK层上的功函数层；
[0043] 位于所述功函数层上，并且覆盖所述栅极凹槽的侧壁的第一扩散阻挡层；
[0044] 位于所述第一扩散阻挡层上的金属材料层，所述金属材料层填充满所述栅极凹 槽，形成金属栅极。
[0045] 可选地，所述第一扩散阻挡层的材料为氧化钛。
[0046] 可选地，所述第一扩散阻挡层的厚度与所述金属材料层的厚度比为1:40~ 1:100。
[0047] 可选地，所述金属栅极为PMOS栅极。
[0048] 可选地，形成所述HK层后，在所述HK层上形成第二扩散阻挡层。
[0049] 可选地，所述金属材料层的材料为铝。
[0050] 可选地，所述金属栅极为PMOS金属栅极。
[0051] 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
[0052] 在位于半导体衬底的栅极凹槽内，由下至上依次形成栅介质层、HK层、功函数层 后，在所述功函数层上方，以及栅极凹槽的侧壁形成第一扩散阻挡层，之后在所述第一扩散 阻挡层上形成填充满所述栅极凹槽的金属材料层，以形成金属栅极。在上述技术方案中，形 成的金属栅极中，所述第一扩散阻挡层包裹住所述金属材料层，从而可有效抑制所述金属 材料层中的金属原子扩散至金属栅极的其他部分，从而避免基于所述金属原子扩散而导致 金属栅极整体功函数下降的缺陷。
【附图说明】
[0053] 图1为现有的含有功函数层的栅极的结构示意图；
[0054] 图2至图10为本发明是实例提供的半导体器件的形成方法中，各步骤中半导体器 件的结构示意图；
[0055] 图11为图10所示的半导体器件的PMOS金属栅极的结构示意图；
[0056] 图12为采用本发明实施例形成的半导体器件的电压-电容曲线和现有的半导体 器件的电压-电容曲线对比图谱。
【具体实施方式】
[0057] 正如【背景技术】中所述，在现有CMOS晶体管制备方法中，在栅极的HK层与金属栅极 材料层之间设置一层功函数层，从而调节栅极整体的功函数，进而调节CMOS晶体管的阈值 电压（Vt)。
[0058] 然而在实际制备过程中，发现即使设置了功函数层，但PMOS晶体管的功函数仍然 偏低，难以满足对于调节PMOS晶体管阈值电压（Vt)的要求。分析其原因，PMOS晶体管的功 函数层取决于PMOS晶体管的整体结构。如图1所示的栅极中，所述栅极的功函数取决于高 K介质层10、功函数层11以及金属栅极材料层12的