[发明专利]PMOS晶体管金属栅极的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，尤其涉及提高PMOS晶体管金属栅极功函数的制造方法。

背景技术

随着半导体器件的集成度越来越高，半导体器件工作需要的电压和电流不断降低，晶体管开关的速度也随之加快，随之对半导体工艺各方面要求大幅提高。现有技术工艺已经将晶体管以及其他种类的半导体器件组成部分做到了几个分子和原子的厚度，组成半导体的材料已经达到了物理电气特性的极限。

随着栅极工艺进入了一个新的阶段，最早达到极限的部分就是组成半导体器件的栅极氧化层，又称栅介质层，现有的工艺通常采用二氧化硅(SiO2)作为栅极介质层的材料。同1995年晶体管中二氧化硅层相比，65纳米工艺的晶体管中的二氧化硅层已经缩小到只有前者的十分之一，达到仅有5个氧原子的厚度。作为阻隔栅极导电层和其下层(例如半导体衬底)之间的绝缘层，二氧化硅层已经不能再缩小了，否则产生的漏电流会让晶体管无法正常工作，如果提高有效工作的电压和电流，更会使芯片功耗增大到惊人的地步。

因此，业界找到了比二氧化硅具有更高的介电常数和更好的场效应特性的材料-高介电常数材料(High-K Material)，用以更好的分隔栅极和晶体管其他部分，大幅减少漏电量。同时，为了与高介电常数材料兼容，采用金属材料代替原有多晶硅作为栅导电层材料，从而形成了新的栅极结构-金属栅极。

对于业界广泛使用的MOS晶体管(Metal Oxide Semiconductor Transistors)在先进集成电路制造方法中亦开始采用金属栅极结构，以提高驱动电流。然而对于PMOS晶体管，金属栅极的功函数与PMOS晶体管要求的功函数不同，采用金属栅极结构会使PMOS晶体管阈值电压的提高，导致降低开启速度、增大功耗，并且随着栅极介质层上的厚度逐渐减小，对CMOS晶体管性能的影响会越来越大，尤其在栅极介质层的厚度达到2nm以下。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种能够调整于功函数金属层的功函数值，以满足工艺要求、并提高PMOS晶体管金属栅极性能的制造方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种PMOS晶体管金属栅极的制造方法，包括，

提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有介质层及位于所述介质层中的虚设栅极；

去除所述虚设栅极，形成沟槽；

在所述沟槽的底面和内壁上形成低氧浓度功函数金属层；

在所述低氧浓度功函数金属层上形成高氧浓度功函数金属层，所述低氧浓度功函数金属层与所述高氧浓度功函数金属层共同构成所述PMOS晶体管的功函数金属层；

在所述沟槽中填充形成金属栅极。

进一步的，采用原子沉积法形成所述低氧浓度功函数金属层。

进一步的，所述低氧浓度功函数金属层中氧的摩尔含量为2％～10％。

进一步的，所述低氧浓度功函数金属层的厚度为5～30埃，功函数值大于等于5eV。

进一步的，原子沉积法形成所述高氧浓度功函数金属层。

进一步的，所述高氧浓度功函数金属层中氧的摩尔含量为10％～20％。

进一步的，所述高氧浓度功函数金属层的厚度为5～30埃，功函数值大于5eV。

进一步的，在所述沟槽中位于半导体衬底与所述虚设栅极之间还形成有高介电常数介质层及位于所述高介电常数介质层上的阻隔层。

进一步的，所述阻隔层为氮化钛或氮化钽。

进一步的，所述低氧浓度功函数金属层和高氧浓度功函数金属层的材料包括氮化钛(TiN)、铝钛化合物(TiAl)或铝(Al)的其中一种或几种组合。

进一步的，所述金属栅极的材质为铝或铝钛化合物。

本发明还提供一种PMOS晶体管金属栅极的制造方法，包括，

提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有介质层及位于所述介质层中的虚设栅极；

去除所述虚设栅极，形成沟槽；

在所述沟槽的底面和内壁上形成功函数金属层；

在所述沟槽填充形成金属栅极；

进行氧离子注入，在所述功函数金属层中形成低氧浓度功函数金属层和高氧浓度功函数金属层，所述高氧浓度功函数金属层位于所述金属栅极和所述低氧浓度功函数金属层之间。

进一步的，所述氧离子注入的注入离子为氧气、一氧化氮、二氧化氮或一氧化二氮中的一种或其任意组合。

进一步的，所述低氧浓度功函数金属层中氧的摩尔含量为2％～10％。