[發明專利]制造半導體結構的方法

有效

• 申請號: 200810083457.8
• 申請日: 2008-03-05
• 公開（公告）號: CN101276787A
• 公開（公告）日: 2008-10-01
• 發明（設計）人: 張郢;閻紅雯;B·B·多麗斯;楊慶云;R·加甘納桑;陳自強
• 申請（專利權）人: 國際商業機器公司
• 主分類號: H01L21/8234
• 分類號: H01L21/8234;H01L21/8238
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 屠長存

技術領域

本發明涉及制造半導體結構的方法，并且具體地涉及在同一半導體襯底上制造具有多晶硅柵極MOSFET和高K電介質金屬柵極MOSFET的半導體結構的方法。

背景技術

互補金屬氧化物半導體(CMOS)電路的改進需要提高p型金屬氧化物半導體場效應晶體管(PMOSFET)和n型金屬氧化物半導體場效應晶體管(NMOSFET)兩者的性能。盡管過去在PMOSFET和NMOSFET之間共享相同的材料和處理步驟，但是近來高性能PMOSFET和NMOSFET的趨勢顯示出在兩種類型的晶體管中不同材料和不同處理步驟的使用在增加。

優選不同地制造晶體管的示例是對柵導體材料的選擇。在NMOSFET的情況下，使柵電極材料的功函數接近導帶邊緣是優選的。相反，在PMOSFET的情況下，使柵電極材料的功函數接近平衡帶邊緣是優選的。由于在半導體材料中導帶邊緣由平衡帶邊緣分開一帶間隙，所以用于PMOSFET的柵電極材料的功函數需要不同于用于NMOSFET的柵電極材料的功函數。因此，對于高性能CMOS電路來講，提出了使用兩種不同柵電極材料的需要，其中，一種材料被用于PMOSFET的柵極，而另一種材料被用于NMOSFET的柵極。

在本技術領域中，已知具有兩種不同柵電極材料的各種CMOS器件結構及其制造方法。例如，Rhee等人在美國專利申請公開No.2002/0113294中公開了具有摻雜了硅鍺合金柵電極的CMOS器件，該摻雜了硅鍺合金柵電極在PMOSFET電極和NMOSFET電極之間具有鍺的不同濃度梯度。類似地，Takayanagi等人在美國專利No.6,746,943中公開了利用在PMOSFET電極和NMOSFET電極之間具有不同鍺濃度的多晶硅鍺合金材料來補償p型摻雜劑和n型摻雜劑的活性差異。此外，Polishchuk等人在美國專利No.6,794,234中公開了一種CMOS器件，其中PMOSFET柵電極包括第一金屬，而NMOSFET柵電極包括第二金屬。以上列出的現有技術也使得在金屬柵極結構中能夠使用至少一種高K電介質材料。

對于一種類型的柵電極使用一種金屬而對于另一種類型的柵電極使用多晶硅是對以上列出的現有技術的替代。這種方法的優點在于集成工藝與利用兩種金屬柵極材料的集成方案相比相對簡單，這是因為每種金屬柵極材料的處理傾向于帶來難題。同時，金屬柵極的使用提供了對柵極功函數的控制機制，這足以有效地實現一種類型的晶體管性能的實質改進。

由于使用具有高K電介質的金屬柵電極經常帶來額外的具有挑戰性并且常有高成本的處理步驟，所以通過使用金屬柵電極對器件性能的提高需要根據附加工藝的成本來進行估計。例如，通過使用金屬柵電極和高K電介質，NMOSFET的性能可顯著地提高，從而證明相關的成本增加是合理的，而PMOSFET的性能的提高可能不足以證明相關的成本增加是合理的。

所以，需要對于一種類型的MOSFET采用金屬柵極材料和高K電介質而對于另一類型的MOSFET采用多晶硅柵極的集成方案。

此外，對于利用盡可能小的附加工藝復雜度和處理成本來講，需要在同一半導體襯底上制造高K電介質金屬柵極MOSFET和多晶硅柵極MOSFET的集成方案。

發明內容

本發明通過提供制造相同的半導體襯底上在具有多晶硅柵電極和高K電介質金屬柵電極的半導體結構的方法而解決了上述的需要。

一種形成根據本發明的半導體結構的方法包括：直接在半導體襯底的第一部分上形成第一柵極電介質層和第一多晶硅層的第一堆疊；直接在第一堆疊上和在半導體襯底的第二部分上形成第二柵極電介質、金屬柵極層和含硅層的第二堆疊；以及直接在第一多晶硅層上和直接在含硅層上形成第二多晶硅層。

根據本發明的第一實施例、第二實施例和第三實施例，形成半導體結構的方法還包括在第二多晶硅層上形成柵極帽電介質層。

根據本發明的第一實施例，形成半導體結構的方法還進一步包括：在第一部分上的第一多晶硅層中和在第二部分上的含硅層中形成圖案；利用光致抗蝕劑遮蔽第一部分；將圖案轉移到第二部分上的第二柵極電介質層；將光致抗蝕劑從第一部分上去除；以及從第一部分的上方將圖案轉移到第一柵極電介質層；

根據本發明的第二實施例，形成半導體結構的方法還進一步包括：在柵極帽電介質中形成圖案；利用第一光致抗蝕劑遮蔽第二部分；從第一部分的上方將圖案轉移到第一多晶硅層；利用第二光致抗蝕劑遮蔽第一部分；將圖案轉移到第二部分上的金屬柵極層和第二柵極電介質層；以及從第一部分對第一柵極電介質層進行蝕刻。