[发明专利]金属栅极、MOS晶体管及CMOS结构分别的形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制作领域，特别涉及金属栅极的形成方法、具有对应金属栅极的MOS晶体管的形成方法及CMOS结构的形成方法。

背景技术

随着半导体技术的不断发展，MOS晶体管的特征尺寸不断缩小，MOS晶体管的栅介质层的厚度也按等比例缩小的原则变得越来越薄，当所述栅介质层的厚度薄到一定的程度后，其可靠性问题，尤其是与时间相关的击穿、热载流子效应、栅电极中的杂质向衬底的扩散等问题，将严重影响器件的稳定性和可靠性。现在，SiO₂层作为栅介质层已经达到其物理极限，利用高K栅介质层替代SiO₂栅介质层，可以在保持等效氧化层厚度（EOT）不变的情况下大大增加其物理厚度，从而减小了栅极漏电流。

但是由于高K栅介质层大多是金属离子氧化物，且没有固定的原子配位，其与硅衬底之间键合的稳定程度较SiO₂与硅衬底之间键合的稳定程度相比要差得多，造成高K栅介质层与硅衬底之间具有大量的界面缺陷。所述界面缺陷会与氧相结合产生间隙氧原子和带正电的氧空穴，会与氢相结合形成不稳定的氢键。所述不稳定的氢键会使得PMOS晶体管产生严重的负偏压温度不稳定性（Negative Bias Temperature Instability，NBTI），即在高温和栅极施加负偏压时所述PMOS晶体管的电学参数会发生漂移。所述间隙氧原子和带正电的氧空穴会使得NMOS晶体管产生严重的正偏压温度不稳定性（Positive Bias Temperature Instability，PBTI），即在高温和栅极施加正偏压时NMOS晶体管的电学参数会发生漂移。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种金属栅极的形成方法、MOS晶体管的形成方法及CMOS结构的形成方法，通过氟化处理降低高K栅介质层与硅衬底之间的界面缺陷数量，避免发生严重的负偏压温度不稳定性和正偏压温度不稳定性。

为解决上述问题，本发明技术方案提供了一种金属栅极的形成方法，包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成多晶硅伪栅，在所述半导体衬底表面形成层间介质层，所述层间介质层表面与多晶硅伪栅表面齐平；去除所述多晶硅伪栅，形成沟槽；在所述沟槽的底部和侧壁表面、层间介质层表面形成高K栅介质层；对所述高K栅介质层进行氟化处理；在所述高K栅介质层表面形成功能层；在所述功能层表面形成金属层，所述金属层填充满所述沟槽，并对所述位于层间介质层表面的金属层、功能层、高K栅介质层进行化学机械抛光，直到暴露出所述层间介质层表面，位于所述沟槽内的金属层、功能层和高K栅介质层形成金属栅极。

可选的，所述氟化处理包括含氟离子注入工艺、含氟气氛下的退火工艺、含氟等离子体环境下的退火工艺其中的一种或几种。

可选的，所述含氟离子注入工艺具体包括：将含氟气体等离子体化，并将含氟的等离子体注入到所述高K栅介质层内，所述注入能量为2KeV~20KeV，注入剂量为1×10¹⁷个原子每立方米~1×10²⁰个原子每立方米。

可选的，所述含氟气氛下的退火工艺具体包括：反应腔内的压强范围为0.5托～5托，温度范围为300摄氏度~800摄氏度，退火时间范围为5秒~60秒。

可选的，所述含氟等离子体环境下的退火工艺具体包括：在反应腔中将含氟气体等离子体化后形成含氟等离子体，所述反应腔内的压强范围为0.5托～5托，温度范围为300摄氏度~800摄氏度，退火时间范围为5秒~60秒。

可选的，所述氟化处理的氟源为F₂、HF、NF₃、PF₅、PF₃、CF₄、CH₂F₂、CHF₃其中的一种或几种。

可选的，所述高K栅介质层的材料为HfO₂、La₂O₃、HfSiON或者HfAlO₂。

可选的，所述功能层的材料为Ti、Ta、TiN、TaN、TiAl、TaC、TaSiN、TiAlN其中一种或几种。

可选的，在所述沟槽的底部和侧壁表面、层间介质层表面形成第一氧化硅层，在所述第一氧化硅层表面形成高K栅介质材料层。

可选的，在所述半导体衬底和多晶硅伪栅之间形成有第二氧化硅层。