[發(fā)明專利]雙功函數(shù)柵極結(jié)構(gòu)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201080053547.8
• 申請日: 2010-12-02
• 公開（公告）號: CN102714207A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: W·M·哈菲茲;A·拉赫曼
• 申請（專利權(quán)）人: 英特爾公司
• 主分類號: H01L27/092
• 分類號: H01L27/092
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 陳松濤;王英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的領(lǐng)域總地涉及半導(dǎo)體器件，并且更重要地涉及雙功函數(shù)柵極結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

圖1和2提供了關(guān)于諸如CMOS等互補型半導(dǎo)體器件技術(shù)的相關(guān)細節(jié)。圖1示出了處于平衡的NMOS器件和PMOS器件兩者的MOS結(jié)構(gòu)的能帶圖。根據(jù)圖1的方法（其為通常的方法），兩種器件都設(shè)計為使得：處于平衡時，高K電介質(zhì)102_N/NMOS?P-勢阱103_N界面的費米能級和高K電介質(zhì)102_P/PMOS?N-勢阱103_P界面的費米能級在導(dǎo)帶（Ec）與價帶（Ev）之間的大約一半處。在這里，平衡實質(zhì)上對應(yīng)于“截止”器件，并且在Ec與Ev之間的一半處設(shè)置費米能級將器件保持在其最小的導(dǎo)通狀態(tài)（因為導(dǎo)帶大量缺乏自由電子，并且價帶大量缺乏自由空穴）。

為了如上所述地將費米能級設(shè)置在Ec與Ev之間的一半處，選擇了特定的柵極金屬材料，所述柵極金屬材料在NMOS?P-勢阱103_N和PMOS?N-勢阱103_P中引起適當(dāng)?shù)哪軒澢╞and?bending）量。尤其，為了獲得期望的能帶彎曲，用于NMOS柵極101_N的材料的功函數(shù)104_N通常小于用于PMOS柵極104_P的材料的功函數(shù)（即，PMOS功函數(shù)104_P通常大于NMOS功函數(shù)104_N）。

圖2示出在激活狀態(tài)而非截止狀態(tài)下的圖1的器件。在NMOS器件的情況下，正的柵極到源極電壓主要導(dǎo)致額外的能帶彎曲，所述額外的能帶彎曲將導(dǎo)帶置于電介質(zhì)/勢阱界面205_N處的費米能級之下。當(dāng)導(dǎo)帶Ec在費米能級之下時，存在大量的自由電子。因此，在對應(yīng)于“導(dǎo)通”器件的界面205_N處形成導(dǎo)通溝道。同樣地，在PMOS器件的情況下，負的柵極到源極電壓主要導(dǎo)致額外的能帶彎曲，所述額外的能帶彎曲將價帶置于電介質(zhì)/勢阱界面205_P處的費米能級之上。當(dāng)價帶Ev在費米能級之上時，存在大量自由空穴。因此，在對應(yīng)于“導(dǎo)通”器件的界面205_P處形成了導(dǎo)通溝道。

附圖說明

通過示例而非限制的方式在附圖的圖示中示出了本發(fā)明，在附圖中相似的附圖標記指代類似的元素，并且在附圖中：

圖1示出了處于平衡的常規(guī)NMOS和PMOS器件；

圖2示出了在激活模式下的常規(guī)NMOS和PMOS器件；

圖3a和3b示出了沿常規(guī)NMOS器件的溝道的能帶圖；

圖4a和4b示出了沿改進的NMOS器件的溝道的能帶圖；

圖5a和5b示出了沿改進的PMOS器件的溝道的能帶彎曲圖；

圖6a至6f示出了常規(guī)雙金屬柵極制造過程；

圖7a至7f示出了能夠制造圖4a、4b和5a、5b的改進的器件的雙金屬柵極制造過程；

圖8a示出了均具有雙金屬柵極的非對稱NMOS和PMOS器件的實施例；

圖8b示出了具有雙金屬柵極的垂直漏極NMOS（VDNMOS）器件的實施例；

圖8c示出了具有雙金屬柵極的橫向擴散MOS（LDMOS）器件的實施例。

具體實施方式

圖3a和3b示出了沿針對圖1和2a所描述的NMOS器件的溝道的能帶圖。圖3a對應(yīng)于“截止”器件而圖3b則對應(yīng)于“導(dǎo)通”器件。參考圖3a，n+源極/漏極延伸（extension）的存在導(dǎo)致P勢阱內(nèi)的能帶彎曲301。當(dāng)先前幾代器件中的柵極長度較長時，能帶彎曲301僅表示柵極之下的P勢阱內(nèi)的能帶輪廓的小部分。然而，隨著柵極長度的持續(xù)縮短，能帶彎曲301表示柵極之下的能帶輪廓的越來越大的百分比，并且能帶彎曲301的效應(yīng)變得越來越顯著。例如，能帶彎曲301的存在被認為有助于減小閾值電壓。

參考圖3b，n+漏極延伸的存在導(dǎo)致在P勢阱和n+漏極延伸的界面處/附近的尖銳的能帶彎曲302。尖銳的彎曲302對應(yīng)于極高的電場，所述極高的電場被認為導(dǎo)致了大量與“熱載流子”有關(guān)的問題，諸如襯底電流、雪崩擊穿、降低的能量勢壘和閾值偏移。

圖4a和4b示出了與圖3a和3b的NMOS器件相比，在柵極電極之下具有改進的能帶彎曲特性的NMOS器件的設(shè)計。圖4a示出了在截止狀態(tài)下的器件，而圖4b則示出了在導(dǎo)通狀態(tài)下的器件。

尤其，能夠?qū)⑵骷臇艠O結(jié)構(gòu)視為具有三個部分：1）外部部分402a和402b；以及2）內(nèi)部部分403。在實施例中，對于如在圖4a和4b中所觀察到的N型器件而言，外部部分402a和402b由P型器件柵極金屬構(gòu)成，而內(nèi)部部分403則由N型器件柵極金屬構(gòu)成。因此，外部部分402a、402b的功函數(shù)高于內(nèi)部部分403的功函數(shù)。