[發(fā)明專利]金屬柵極結(jié)構(gòu)及其制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010167177.2
• 申請日: 2010-04-23
• 公開（公告）號: CN102237270A
• 公開（公告）日: 2011-11-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊玉如;李宗穎;林進(jìn)富;許啟茂
• 申請（專利權(quán)）人: 聯(lián)華電子股份有限公司
• 主分類號: H01L21/28
• 分類號: H01L21/28;H01L21/336
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務(wù)所 11105
• 代理人: 彭久云

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體元件及其制造方法，且特別是涉及一種金屬柵極結(jié)構(gòu)及其制造方法。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝中，大多是使用氧化硅(SiO₂)為柵介電層，但隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，為了提高元件的集成度并增加其驅(qū)動能力，必須將整個電路元件大小的設(shè)計往尺寸縮小的方向前進(jìn)。當(dāng)柵極的線寬設(shè)計縮小時，而柵介電層的厚度也必須隨之變薄，如此會造成直接隧穿(direct?tunneling)機(jī)率的增加，進(jìn)而引起柵極漏電流(leakage?current)急遽增加。為解決此問題，具有高介電常數(shù)(high-k)的介電層，成了眾所矚目的柵介電層材料。

但是，因?yàn)楦呓殡姵?shù)材料的使用會降低遷移率及元件可靠度，目前要將高介電常數(shù)的介電層整合入晶體管，仍然遭遇到一些技術(shù)性的困難。另外，隨著柵介電層的厚度的變薄，硼原子隧穿(B?penetration)與多晶硅柵極耗層(poly?depletion)的現(xiàn)象更加嚴(yán)重。其中，硼原子隧穿可通過摻雜少量氮于氧化層中予以緩和，但多晶硅柵極耗層的影響卻難以避免。再加上，由于高介電常數(shù)的介電層的使用會使元件的臨界電壓增加，而使高介電常數(shù)的介電層無法與多晶硅柵極整合在一起。因此，有人提出以金屬柵極(metal?gate)取代多晶硅的作法，除了可以免除多晶硅柵極耗層外，亦可降低柵極寄生電阻。

圖1為已知金屬柵極結(jié)構(gòu)的局部剖面示意圖。請參照圖1，金屬柵極結(jié)構(gòu)100是堆疊于半導(dǎo)體基底101上，其包括柵介電層110、金屬柵極120以及多晶硅層130，且其形成方法是在半導(dǎo)體基底101上依序沉積具有高介電常數(shù)的介電材料層、金屬層以及多晶硅材料層，之后再對這些膜層進(jìn)行圖案化工藝，以形成由柵介電層110、金屬柵極120以及多晶硅層130堆疊而成的柵極結(jié)構(gòu)100。

然而，在將多晶硅層沉積于金屬材料層上時，由于金屬層對多晶硅材料層的沉積有催化作用，使得多晶硅材料層因沉積速率不均而產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致在后續(xù)的圖案化工藝中因曝光失焦而無法精準(zhǔn)地形成所需尺寸的柵極結(jié)構(gòu)100。此外，具有缺陷的多晶硅層130在后段蝕刻工藝中也會產(chǎn)生蝕刻輪廓不佳的問題。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供一種金屬柵極結(jié)構(gòu)的制造方法，其可避免硅層產(chǎn)生缺陷，以提高工藝良率。

本發(fā)明再提供一種金屬柵極結(jié)構(gòu)，以同時兼顧元件效能與工藝良率。

本發(fā)明提出一種金屬柵極結(jié)構(gòu)的制造方法，其先在半導(dǎo)體基底上形成具有高介電常數(shù)的柵介電層，接著在柵介電層上方形成第一含金屬層(metal-containing?layer)，其中此第一含金屬層具有遠(yuǎn)離柵介電層的表面。然后，對第一含金屬層的上述表面進(jìn)行表面處理，以提高此表面的含氮量。接續(xù)，在第一含金屬層的上述表面上形成硅層。之后，圖案化柵介電層、第一含金屬層及硅層，以形成堆疊結(jié)構(gòu)。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，上述表面處理為快速高溫氮化(rapid?thermalnitridation，RTN)處理工藝。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，上述快速高溫氮化處理工藝的工作溫度大于攝氏500度。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，上述快速高溫氮化處理工藝的工作氣體包括氮?dú)饣虬睔狻?!-- SIPO -->

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，上述表面處理包括干式處理或濕式處理。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，上述表面處理是采用等離子體進(jìn)行干式處理。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，上述表面處理是采用含銨的液體進(jìn)行濕式處理。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，上述第一含金屬層的材料包括氮化鈦、氮化鉭或氮化鋁。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，形成上述第一含金屬層的方法包括物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積或原子層沉積。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，還包括在形成上述第一含金屬層時，改變含氮?dú)怏w的通入濃度，以使所形成的第一含金屬層中的含氮量在垂直其表面的方向上非均化。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，上述金屬柵極結(jié)構(gòu)的制造方法還包括在半導(dǎo)體基底上形成具有開口的介電層，其中此開口暴露出上述堆疊結(jié)構(gòu)。接著，移除硅層以暴露出第一含金屬層的表面。然后，此開口內(nèi)填入第二含金屬層，以使其覆蓋開口的側(cè)壁及第一含金屬層的表面，之后再于第二含金屬層上形成導(dǎo)電層。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，上述金屬柵極結(jié)構(gòu)的制造方法還包括在形成上述柵介電層前，在半導(dǎo)體基底上形成中介層(inter?layer)。