MOS晶体管及其形成方法技术

一种MOS晶体管及其形成方法，其中方法包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底表面具有层间介质层，所述层间介质层内具有贯穿所述层间介质层厚度的开口；形成覆盖所述开口底部和侧壁的栅介质层；形成覆盖所述栅介质层表面的第一功函数层；对所述第一功函数层进行第一离子注入，使得所述第一功函数层转变为第二功函数层；形成覆盖所述第二功函数层表面的栅电极层，所述栅电极层与所述层间介质层表面齐平。所述MOS晶体管的形成方法提高了MOS晶体管的性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体制造
，尤其涉及一种MOS晶体管及其形成方法。
技术介绍
MOS(金属-氧化物-半导体)晶体管，是现代集成电路中最重要的元件之一，MOS晶体管的基本结构包括：半导体衬底；位于半导体衬底表面的栅极结构；位于栅极结构两侧的源漏区。所述栅极结构包括：位于半导体衬底表面的栅介质层以及位于栅介质层表面的栅电极层。所述栅介质层的材料通常为氧化物，如SiO2。随着MOS晶体管集成度越来越高，MOS晶体管工作需要的电压和电流不断降低，晶体管开关的速度随之加快，随之对半导体工艺方面要求大幅度提高。因此，业界找到了替代SiO2的高介电常数材料(High-KMaterial)作为栅介质层，以更好的隔离栅极结构和MOS晶体管的其它部分，减少漏电。同时，为了与高K(K大于3.9)介电常数材料兼容，采用金属材料替代原有多晶硅作为栅电极层。高K栅介质层金属栅电极的MOS晶体管的漏电进一步降低。具有高K介质层和金属栅极结构的MOS晶体管，包括：半导体衬底；位于半导体衬底表面的栅极结构和介质层，且所述栅极结构的顶部表面与所述介质层表面齐平，所述栅极结构包括：位于半导体衬底表面的高K栅介质层、位于所述高K栅介质层表面的功函数层和位于所述功函数层表面的金属栅极层；位于所述栅极结构两侧半导体衬底内的源漏区。然后，现有技术中具有高K介质层和金属栅极结构的MOS晶体管的性能较差。
技术实现思路
本专利技术解决的问题是提供一种MOS晶体管及其形成方法，提高MOS晶体管的性能。为解决上述问题，本专利技术提供一种MOS晶体管的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底表面具有层间介质层，所述层间介质层内具有贯穿所述层间介质层厚度的开口；形成覆盖所述开口底部和侧壁的栅介质层；形成覆盖所述栅介质层表面的第一功函数层；对所述第一功函数层进行第一离子注入，使得所述第一功函数层转变为第二功函数层；形成覆盖所述第二功函数层表面的栅电极层，所述栅电极层与所述层间介质层表面齐平。可选的，所述第二功函数层具有固定的功函数。可选的，所述MOS晶体管为PMOS晶体管，所述第一功函数层的材料为TiN。可选的，所述MOS晶体管为NMOS晶体管，所述第一功函数层的材料为TiAl。可选的，采用原子层沉积形成所述第一功函数层，前驱反应物为氯化钛和氨气。可选的，对第一功函数层进行第一离子注入采用的离子为硅离子，注入能量为0.5KeV～3KeV，注入剂量为1E15atom/cm2～5E18atom/cm2，注入角度为7度～20度。可选的，采用原子层沉积形成所述第一功函数层，前驱反应物为氯化钛和三甲基铝。可选的，对第一功函数层进行第一离子注入采用的离子为碳离子，注入能量为0.3KeV～2.5KeV，注入剂量为1E15atom/cm2～5E18atom/cm2，注入角度为7度～20度。可选的，所述第二功函数层的厚度为10埃～40埃。可选的，所述MOS晶体管为PMOS晶体管，所述第二功函数层的材料为TiSiN。可选的，所述MOS晶体管为NMOS晶体管，所述第二功函数层的材料为TiCAl。可选的，还包括：在形成所述栅介质层之前，形成覆盖所述开口底部和侧壁的界面层。可选的，所述界面层的材料为氧化硅。可选的，还包括：在形成所述栅电极层之前，形成覆盖所述第二功函数层的阻挡层。可选的，所述阻挡层的材料为TiN、TaC、TaN、HfN或ZrN。可选的，所述栅介质层为高K栅介质层，所述高K栅介质层的材料为HfO2、HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfZrO、Al2O3或ZrO2。可选的，所述栅电极层为金属栅电极层，所述金属栅电极层的材料为Ti、TiW、TiN、Ti、W、Mo或Ru。本专利技术还提供了一种采用上述任意一项方法形成的MOS晶体管，包括：半导体衬底；位于所述半导体衬底表面的层间介质层；位于所述层间介质层内并贯穿层间介质层厚度的开口；覆盖所述开口底部和侧壁的栅介质层；覆盖所述栅介质层表面的第二功函数层，所述第二功函数层具有固定的功函数；覆盖所述第二功函数层表面的栅电极层，所述栅电极层与所述层间介质层表面齐平。与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下优点：本专利技术提供的MOS晶体管的形成方法，由于对所述第一功函数层进行了第一离子注入，使得所述第一功函数层转变为第二功函数层，使得在后续的退火中第二功函数层的功函数不会发生改变，进而不会导致MOS晶体管阈值电压的改变，提高了MOS晶体管的性能。进一步的，当待形成的MOS晶体管为PMOS晶体管时，所述第一功函数层的材料为TiN，对第一功函数层进行第一离子注入，所述第一离子注入的离子为硅离子，使得第一功函数转变为第二功函数，所述第二功函数为TiSiN，TiSiN具有非晶结构，不会存在晶向的变化，TiSiN在后续退火中将保持功函数不变，不会引起PMOS晶体管阈值电压的改变。进一步的，当待形成的MOS晶体管为NMOS晶体管时，所述第一功函数层的材料为TiAl，对第一功函数层进行第一离子注入，所述第一离子注入的离子为碳离子，使得第一功函数转变为第二功函数，所述第二功函数层的材料为TiCAl，碳离子和铝离子形成Al-C键，能有效的抑制铝的扩散，从而使得第二功函数层功函数保持固定，不会引起NMOS晶体管的阈值电压的改变。本专利技术提供的MOS晶体管，第二功函数层具有固定的功函数，所述第二功函数层的功函数保持固定的值，使得MOS晶体管的阈值电压不会发生改变，提高了MOS晶体管的性能。附图说明图1至图4是本专利技术一实施例中MOS晶体管的形成过程的剖面结构示意图。图5至图11是本专利技术另一实施例中MOS晶体管的形成过程的剖面结构示意图。具体实施方式现有技术中形成的MOS晶体管性能和可靠性较差。图1至图4是本专利技术一实施例中MOS晶体管的形成过程的剖面结构示意图。参考图1，提供半导体衬底100，半导体衬底100表面具有伪栅极结构110和层间介质层120，所述伪栅极结构110包括伪栅介质层111和位于所述伪栅介质层111表面的伪栅电极层112，且伪栅极结构110贯穿层间介质层120的厚度。参考图2，去除伪栅极结构110(参考图1)，形成开口113，所述开口113暴露半导体衬底100的表面。参考图3，形成覆盖开口123(参考图2)底部和侧壁的高K栅介质层130、覆盖所述高K栅介质层130表面的功函数层131、覆盖所述功函数层131且填充满开口113的金属栅电极层132。当待形成的MOS晶体管为P型MOS晶体管时，所述功函数层131的材料为TiN；当待形成的MOS晶体管为N型MOS晶体管时，所述功函数层131的材料为TiAl。采用沉积工艺，如等离子体化学气相沉积、低压化学气相沉积工艺或原子层沉积工艺等形成所述功函数层131。本实施例中，采用原子层沉积工艺形成所述功函数层131。参考图4，去除层间介质层120表面的部分高K栅介质层130、功函数层131和金属栅电极层132。以层间介质层120为停止层化学机械研磨(CMP)高K栅介质层130、功函数层131和金属栅电极层132，使得高K栅介质层130、功函数层131和金属栅电极层122与层间介质层120齐平。在化学机械研磨高K栅介质层130、功函数层131和金属本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MOS晶体管的形成方法，其特征在于，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底表面具有层间介质层，所述层间介质层内具有贯穿所述层间介质层厚度的开口；形成覆盖所述开口底部和侧壁的栅介质层；形成覆盖所述栅介质层表面的第一功函数层；对所述第一功函数层进行第一离子注入，使得所述第一功函数层转变为第二功函数层；形成覆盖所述第二功函数层表面的栅电极层，所述栅电极层与所述层间介质层表面齐平。

【技术特征摘要】
1.一种MOS晶体管的形成方法，其特征在于，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底表面具有层间介质层，所述层间介质层内具有贯穿所述层间介质层厚度的开口；形成覆盖所述开口底部和侧壁的栅介质层；形成覆盖所述栅介质层表面的第一功函数层；对所述第一功函数层进行第一离子注入，使得所述第一功函数层转变为第二功函数层；形成覆盖所述第二功函数层表面的栅电极层，所述栅电极层与所述层间介质层表面齐平。2.根据权利要求1所述的MOS晶体管的形成方法，其特征在于，所述第二功函数层具有固定的功函数。3.根据权利要求1所述的MOS晶体管的形成方法，其特征在于，所述MOS晶体管为PMOS晶体管，所述第一功函数层的材料为TiN。4.根据权利要求1所述的MOS晶体管的形成方法，其特征在于，所述MOS晶体管为NMOS晶体管，所述第一功函数层的材料为TiAl。5.根据权利要求3所述的MOS晶体管的形成方法，其特征在于，采用原子层沉积形成所述第一功函数层，前驱反应物为氯化钛和氨气。6.根据权利要求3所述的MOS晶体管的形成方法，其特征在于，对第一功函数层进行第一离子注入采用的离子为硅离子，注入能量为0.5KeV～3KeV，注入剂量为1E15atom/cm2～5E18atom/cm2，注入角度为7度～20度。7.根据权利要求4所述的MOS晶体管的形成方法，其特征在于，采用原子层沉积形成所述第一功函数层，前驱反应物为氯化钛和三甲基铝。8.根据权利要求4所述的MOS晶体管的形成方法，其特征在于，对第一功函数层进行第一离子注入采用的离子为碳离子，注入能量为0.3KeV～2.5KeV，注入剂量为1E15atom/cm2～5E18atom/cm2，注入角度为7度～20度。9.根据权利要求1所述的MOS晶体管的形成...

【专利技术属性】
技术研发人员：周飞，
申请(专利权)人：中芯国际集成电路制造上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31