[发明专利]高K金属栅极P-型MOSFET的低阈值电压和反转氧化物厚度按比例缩小

说明书

技术领域

本发明总体上涉及半导体器件，并且具体涉及包含在pMOSFET中的高k栅极电介质上的电极中的金属栅极叠层以及制造pMOSFET的方法。

背景技术

栅极电介质的按比例缩小（scaling）是改进高级场效应晶体管的性能的挑战。在采用基于氧化硅的栅极电介质的场效应晶体管（FET）中，穿过栅极电介质的漏电流随着栅极电解质厚度的减小指数增加。在氧化硅栅极电介质的厚度为1.1nm或以下时，这种器件通常变得泄漏太严重而不能提供高性能。

高k栅极电介质提供了一种技术来按比例缩小栅极电介质的厚度而不过多增加栅极泄漏电流。然而，高k栅极电介质材料有等效氧化物厚度（EOT）变化倾向，因为高k栅极电介质材料与穿过栅极电极或栅极间隔物扩散的氧反应。高温处理步骤期间硅衬底和高k栅极电介质之间的氧化硅界面层的再生长是成功的等效氧化物厚度按比例缩小的主要障碍。具体地，已知高k栅极电介质和金属栅极的典型叠层易受在氧气环境中在各种温度下的退火的影响。氧气环境下的这种退火导致氧化硅界面层的再生长和/或场效应晶体管的阈值电压的不稳定。

此外，对于高k/金属栅极叠层，反转氧化物厚度（inversion oxide thickness）T_inv和pFET阈值电压（V_t）显示出折衷关系。这方面可以参考例如M.Chudzik等的“High-Performance High-k/Metal Gates for45nm CMOS and Beyond with Gate-First Processing”（VLSI symposium2007,p.194-195）。

发明内容

本发明的实施例的一个方面包括：包括半导体材料的半导体衬底；p-型场效应晶体管（pFET），所述p-型场效应晶体管（pFET）布置在所述半导体衬底上并且包括由形成在所述半导体衬底的表面上或内的SiGe构成的半导体沟道区；栅极电介质，其包括覆盖在所述由SiGe构成的半导体沟道区上的氧化物层和覆盖在所述氧化物层上的高介电常数（高k）电介质层；以及栅极电极，其覆盖所述高k电介质层并且包括邻接所述高k电介质层的下金属层、邻接所述下金属层的清除金属层以及邻接所述清除金属层的上金属层。所述清除金属层包括金属（M），对于该金属（M），化学反应的吉布斯自由能变化是正的，在所述化学反应中，硅原子与包括该清除金属和氧的金属氧化物材料相结合以形成元素形式的清除金属和二氧化硅。所述结构还包括n-型场效应晶体管（nFET），所述n-型场效应晶体管（nFET）也布置在所述半导体衬底上并且包括由Si构成的半导体沟道区，其中所述nFET的栅极电极也包括清除金属层。

根据本发明的实施例的另一方面，提供了一种形成半导体结构的方法。所述方法包括：提供包括半导体材料的半导体衬底；形成p-型场效应晶体管（pFET），所述p-型场效应晶体管（pFET）布置在所述半导体衬底上并且包括由形成在所述半导体衬底的表面上或内的SiGe构成的半导体沟道区；形成栅极电介质，其包括覆盖在所述由SiGe构成的半导体沟道区上的氧化物层和覆盖在所述氧化物层上的高介电常数（高k）电介质层；以及形成栅极电极，其覆盖所述高k电介质层并且包括邻接所述高k电介质层的下金属层、邻接所述下金属层的清除金属层以及邻接所述清除金属层的上金属层。所述清除金属层包括金属（M），对于该金属（M），化学反应的吉布斯自由能变化是正的，在所述化学反应中，硅原子与包括清除金属和氧的金属氧化物材料相结合以形成元素形式的清除金属和二氧化硅。所述方法还包括形成n-型场效应晶体管（nFET），所述n-型场效应晶体管（nFET）布置在所述半导体衬底上并且包括由Si构成的半导体沟道区，其中所述nFET的栅极电极也包括清除金属层。