晶体管的形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种晶体管的形成方法。
【背景技术】
[0002]随着半导体器件集成度的不断提高，技术节点的降低，传统的栅介质层不断变薄，晶体管漏电量随之增加，引起半导体器件功耗浪费等问题。为解决上述问题，现有技术提供一种将金属栅极替代多晶硅栅极的解决方案。其中，“后栅(gate last)”工艺为形成高K金属栅极晶体管的一个主要工艺。
[0003]现有采用后栅极工艺形成高K金属栅极晶体管的方法，包括:提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有伪栅结构和位于所述半导体衬底上并覆盖所述伪栅结构的介质层，所述伪栅结构包括位于所述半导体衬底表面的伪栅介质层和所述伪栅介质层表面的伪栅极，所述介质层的表面与伪栅结构表面齐平；去除所述伪栅结构后形成凹槽；在所述凹槽内依次形成高K栅介质层、保护层、功函数层和金属层，所述金属层填充满凹槽，作为晶体管的金属栅极。所述功函数层层的形成方法一般为物理气相沉积工艺，具有较快的沉积效率并且形成的功函数层的杂质含量较低，材料致密度较高。
[0004]随着工艺节点的降低，去除伪栅结构后形成的凹槽尺寸进一步降低，使得在所述凹槽内形成功函数层的难度提高，在采用物理气相沉积工艺形成所述功函数层的过程中，容易在凹槽开口出发生封闭现象，影响后续金属层的填充，进而影响晶体管的性能。
【发明内容】
[0005]本发明解决的问题是提供一种晶体管的形成方法，提高晶体管的性能。
[0006]为解决上述问题，本发明提供一种晶体管的形成方法，包括:提供半导体衬底，所述半导体衬底包括第一区域，所述半导体衬底表面形成有介质层，所述介质层内具有暴露出部分半导体衬底第一区域表面的第一凹槽；在所述第一凹槽内壁表面和介质层上形成栅介质材料层；在所述栅介质材料层上形成保护材料层；采用物理气相沉积工艺，在所述保护材料层上形成粘附材料层；采用原子层沉积工艺，在所述粘附材料层上表面形成第一功函数材料层，所述粘附材料层与第一功函数材料层的材料相同；在所述第一功函数材料层上形成栅极金属层，所述栅极金属层填充满所述凹槽；以所述介质层表面为停止层，对所述栅极金属层、第一功函数材料层、粘附材料层、保护材料层和栅介质材料层进行平坦化处理，形成位于所述第一凹槽内的第一栅极结构。
[0007]可选的，所述粘附材料层的材料为TiAl，所述第一功函数材料层的材料为TiAl。
[0008]可选的，所述粘附材料层的厚度小于lnm。
[0009]可选的，所述物理气相沉积工艺为溅射工艺。
[0010]可选的，所述溅射工艺采用Ti靶和A1靶或者单独采用TiAl合金靶材，Ar作为溅射气体，Ar的流量为lOOsccm?lOOOsccm，溅射室的压强为lE_2Pa?lE_3Pa，温度为0°C?300。。。
[0011]可选的，所述原子层沉积工艺采用的反应气体包括含钛前驱物和含铝前驱物，反应温度为50°c?150°c，含钛前驱物的流量为50SCCm?200SCCm，含铝前驱物的流量为30sccm ?900sccmo
[0012]可选的，所述含钛前驱物为TiCl4，含铝前驱物为包含二甲基乙基胺铝在内的一种或多种化合物。
[0013]可选的，所述介质层及介质层内第一凹槽的形成方法包括:在所述半导体衬底的第一区域上形成第一伪栅结构，所述第一伪栅结构覆盖部分半导体衬底表面；在所述半导体衬底表面形成覆盖所述伪栅结构的介质材料层；以所述第一伪栅结构顶部表面作为停止层，对所述介质材料层进行平坦化，形成介质层，使所述介质层的表面与第一伪栅结构的顶部表面齐平；去除所述第一伪栅结构，形成第一凹槽。
[0014]可选的，所述半导体衬底还包括第二区域，所述介质层内还具有暴露出部分半导体衬底第二区域表面的第二凹槽；在第一凹槽内壁表面和介质层表面形成的栅介质材料层也覆盖第二凹槽内壁表面；在形成所述保护材料层之后，在所述保护材料层表面形成刻蚀停止材料层；在所述刻蚀停止材料层表面形成第二功函数材料层，然后去除位于第一区域上的第二功函数材料层；再在所述第一区域的刻蚀停止材料层表面以及第二区域的第二功函数材料层表面形成所述粘附材料层。
[0015]可选的，在形成所述第一凹槽内的第一栅极结构的同时，形成位于第二凹槽内的第二栅极结构。
[0016]可选的，所述保护材料层的材料为TiN,厚度为lnm?3nm。
[0017]可选的，所述刻蚀停止材料层的材料为TaN,厚度为lnm?3nm。
[0018]可选的，所述第二功函数材料层的材料为TiN,厚度为3nm?6nm。
[0019]可选的，还包括:在形成所述栅介质材料层之前，在所述第一凹槽和第二凹槽底部的半导体衬底表面形成界面层。
[0020]可选的，采用氧化工艺形成所述界面层，所述界面层的材料为氧化硅，所述界面层的厚度为lnm?2nm。
[0021]可选的，在形成所述栅极金属层之前，在所述第一功函数材料层表面形成扩散阻挡材料层。
[0022]可选的，所述扩散阻挡层的材料为TiN,所述扩散阻挡材料层的厚度为2nm?4nm。
[0023]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:
[0024]本发明的技术方案中，在所述第一凹槽内壁表面依次形成栅介质材料层、位于栅介质材料层表面的保护材料层之后，采用物理气相沉积工艺在所述保护材料层表面形成粘附材料层；然后再采用原子层沉积工艺在所述粘附材料层表面形成第一功函数材料层，并且所述粘附材料层与第一功函数材料层的材料相同。由于物理气相沉积工艺的沉积气体的能量较大，可以形成较为致密的粘附材料层，使得所述粘附材料层与相邻的保护材料层之间具有较高的粘附性；并且，由于所述第一功函数材料层与粘附材料层的材料相同，所以，所述第一功函数材料层与粘附材料层之间具有较高的粘附性和较高的界面质量，与现有技术相比，所述粘附材料层使得第一功函数材料层与保护材料层之间具有较高的粘附力，从而避免第一功函数层产生剥离，从而可以提高晶体管的性能。并且，由于原子层沉积工艺的沉积速率较为均匀，具有较高的沟槽填充能力，采用所述原子层沉积工艺形成所述第一功函数材料层，可以避免所述第一功函数材料层在形成过程中在第一凹槽顶部发生闭合现象，从而提闻形成的晶体管的性能。
[0025]进一步，所述粘附材料层的厚度小于lnm，虽然所述粘附材料层的材料与第一功函数材料层的材料相同，但是由于所述粘附材料层的厚度较小，对功函数几乎没有影响，不会影响到晶体管的功函数。而且，所述粘附材料层的厚度较小，不会在第一凹槽的顶部开口处造成封闭，也不会对第一凹槽的深宽比造成影响，从而不会提高在第一凹槽内形成第一功函数层的难度。
【附图说明】
[0026]图1至图15是本发明的实施例的晶体管形成过程的结构示意图。
【具体实施方式】
[0027]如【背景技术】中所述，现有技术采用物理气相沉积工艺形成的功函数层在凹槽内的沉积质量较差，容易造成凹槽顶部封闭而影响形成的晶体管的性能。
[0028]研究发现，可以采用具有较高凹槽填充性能的原子层沉积工艺替代所述物理气相沉积工艺形成所述功函数层。
[0029]但是进一步研究发现，虽然采用原子层沉积工艺形成功函数层，具有较高的凹槽填充能力，不会造成凹槽顶部封闭的现象，但是在形成NM0S功函数层的过程中发现，采用原子层沉积工艺形成的NM0S功函数层的自身沉积质量以及与相邻层(例如:保护层)之间的界面质量却比物理气相沉积形成的功函数层要差。经过研究发现，由于物理气相沉积工艺形成功函数层的过程中，反应温度以及沉积原子能量都较高，形成的NM0S功函数层的致密度较高，与相邻层之间的粘附性较高，从而使得形成的NM0S功函数层的质量较好，并且与相邻层之间具有较高的界面质量。而采用原子层沉积工艺形成NM0S功函数层的过程中，由于反应物的特性要求，以及降低所述NM0S功函数层的电阻及含碳量等要求，所述原子层沉积工艺的反应温度较低，一般为50°C?150°C左右，导致形成的NM0S功函数层的致密度不高，并且NM0S功函数层内还可能具有反应物杂质,导致NM0S功函数层的沉积质量不高；而且，由于原子层沉积工艺反应温度不高，反应气体的能量较低，最终形成的