[發明專利]制造半導體器件的方法以及半導體器件

有效

• 申請號: 200980111511.8
• 申請日: 2009-03-30
• 公開（公告）號: CN101981688A
• 公開（公告）日: 2011-02-23
• 發明（設計）人: 芮古納斯塞恩·辛葛拉馬拉;雅各布·C·虎克;馬庫斯·J·H·范達綸
• 申請（專利權）人: NXP股份有限公司;校際微電子中心
• 主分類號: H01L21/8234
• 分類號: H01L21/8234;H01L21/8238;H01L21/28;H01L21/336
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 王波波

技術領域

本發明涉及一種制造半導體器件的方法，包括：提供具有多個有源區和覆蓋有源區的介電層的基板；以及在介電層上形成層疊層，包括在介電層上沉積具有第一厚度的第一金屬層以及在第一金屬層上沉積具有第二厚度的第二金屬層。

本發明還涉及提供根據所述方法來制造的電子器件。

背景技術

半導體制造在半導體特征尺寸的縮減方面的發展是顯著的。為了成功地實現縮減半導體的技術，需要解決與縮減有關的一些技術問題。例如，半導體特征尺寸的小型化包括減小電介質柵極材料的尺寸，已知這會引起晶體管泄漏電流的增大。該問題導致引入了所謂的高k電介質材料作為柵極電介質，所述柵極電介質是介電常數顯著大約SiO₂的材料。在一些情況下，高k電介質材料已經定義為介電常數至少為10的材料。

與高k材料的引入有關的問題是：在n型晶體管的情況下在硅的價帶附近以及在p型晶體管的情況下在硅的導帶附近，多晶硅(Poly-Si)柵極電極不再理想地適于實現柵極電極的功函，這能夠導致晶體管閾值電壓(V_th)的不期望的提高。這使得引入了基于金屬的柵極電極，這是因為與多晶硅相比，金屬、金屬氮化物、金屬硅化物以及其他合適的基于金屬的材料具有更高的電導率。在本發明的上下文中，金屬一詞表示金屬以及合適的金屬衍生物，如金屬氮化物、金屬硅化物、金屬碳化物等等。金屬必須是熱穩定的，即，能夠承受在半導體器件的制造期間不斷提高的溫度。

單個半導體器件可以包括具有不同V_th的晶體管，如，CMOS器件中的p型和n型晶體管。理論上可以在不同晶體管的柵極電極中使用不同金屬來實現這種晶體管所需的不同功函材料，然而由于相關制造工藝的復雜性，這種方法不可行。備選方法是在不同類型晶體管的柵極電介質上沉積相同的金屬層，并選擇性地修改金屬層的功函以將金屬的功函調節到下層晶體管的V_th。

US2001/0015463A1描述了起始段落中提到的類型的方法，其中，沉積大約100nm厚的鈦層作為第一金屬層。在該層中局部地注入氮離子以改變功函。沉積大約200nm厚的鎢層作為第二金屬層。

[]在鎢層上，形成氮化硅的蝕刻掩模，然后在疊加的鎢和氮化鈦層的封裝中蝕刻柵極電極。

在鎢用作柵極電極的金屬的情況下，如果當引入氮時鈦層完全轉化成氮化鈦層，則得到這種情況下功函的最大改變。這需要注入非常大量的氮；在厚度為100nm的鈦層中，必須注入每平方厘米5.10¹⁷以上的氮原子。實際上，這需要昂貴且非常耗時的工藝步驟。實際上，使用較薄的層從而將該鈦層完全轉化成氮化鈦層需要較少的氮是不可能的，因為在離子注入期間下層柵極電介質會被破壞。

WO2004/070833A1中處理了該問題，WO2004/070833A1描述了一種制造具有MOS晶體管的半導體器件的方法。在該方法中，為有源硅區提供柵極介電層。沉積第一金屬層，其中，在有源區的一部分的位置處局部地引入氮。然后在第一金屬層上沉積第二金屬層，此后在金屬層中蝕刻柵極電極。由于氮被引入到第一金屬層中，所以在第一金屬層上沉積氮可滲透的輔助的第三金屬層。因此，可以將第一金屬層局部地氮化而沒有破壞下層柵極電介質的風險。然而，該工藝需要沉積(以及可選地去除)附加的層，這提高了總成本和制造工藝的復雜度。

發明內容

本發明希望提供一種制造半導體器件的方法，其中，可以以較低成本的方式來操縱柵極電極的功函。

本發明還希望提供一種半導體器件，該半導體器件包括基于金屬的柵極電極，所述柵極電極具有被適當調節的功函。

根據本發明的第一方面，提供了一種制造半導體器件的方法，包括：提供襯底，襯底包括多個有源區和覆蓋有源區的介電層；以及在介電層上形成層的疊層，包括：在介電層上沉積具有第一厚度的第一金屬層；在第一金屬層上沉積具有第二厚度的第二金屬層，第二厚度比第一厚度大；將摻雜劑引入第二金屬層中；將器件暴露于升高的溫度，以使至少一些摻雜劑從第二金屬層遷移超過第一金屬層與第二金屬層之間的界面；以及將疊層圖案化成多個柵極電極。

本發明使用熱處理工藝來使引入第二金屬層中的摻雜劑分布遷移超過第一金屬層與第二金屬層之間的界面。這使得無需用于將摻雜劑引入柵極電極的附加層。向第二金屬層引入摻雜劑確保了由于摻雜劑的引入而對介電層造成破壞的風險降低。可以以任何合適的方式來實現摻雜劑的引入，如，注入、暴露于氣體環境，這可以包含等離子增強等。