[發(fā)明專利]具有金屬柵極的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410075694.5
• 申請日: 2014-03-03
• 公開（公告）號: CN104733298B
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 程仲良;陳彥羽;陳韋任;李昌盛;張偉
• 申請（專利權(quán)）人: 臺灣積體電路制造股份有限公司
• 主分類號: H01L21/28
• 分類號: H01L21/28;H01L21/336;H01L29/49;H01L29/78
• 代理公司: 北京德恒律治知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11409
• 代理人: 章社杲,孫征

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及具有金屬柵極的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制造方法。

背景技術(shù)

半導(dǎo)體集成電路（IC）工業(yè)已經(jīng)經(jīng)歷了快速發(fā)展。在IC演進(jìn)的過程中，在幾何尺寸減小（即，使用制造工藝可以創(chuàng)建的最小組件（或線路））的同時，功能密度（即，單位芯片面積上的互連器件的數(shù)量）通常會增加。該按比例縮小工藝通常通過提高生產(chǎn)效率和降低相關(guān)成本來提供益處。這樣的按比例縮小還增加處理和制造IC的復(fù)雜性，并且為了實(shí)現(xiàn)這些進(jìn)步，需要IC處理和制造的類似發(fā)展。由于晶體管的尺寸減小，柵極氧化物的厚度必須減小，以保持具有減小的柵極長度的性能。然而，為了減少柵極泄漏，使用高介電常數(shù)（高k）柵極絕緣層，從而在保持與由用于更大技術(shù)節(jié)點(diǎn)的典型柵極氧化物提供的相同有效電容的同時，允許更大物理厚度。

另外，由于技術(shù)節(jié)點(diǎn)縮小，在一些IC設(shè)計(jì)中，期望用金屬柵（MG）電極來代替通常的多晶硅柵電極，以提高具有減小的特征尺寸的器件性能。與被稱為“先柵極”的另一種MG電極形成工藝相反，形成MG電極的一種工藝被稱為“后柵極”工藝。“后柵極”工藝允許減少必須在形成柵極之后實(shí)施的隨后工藝數(shù)量，包括高溫處理。

因此，期望一種為形成在襯底上的每個NMOS和PMOS晶體管提供不同配置的金屬柵極結(jié)構(gòu)的方法和半導(dǎo)體器件。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種用于制造金屬柵極結(jié)構(gòu)的方法，包括：在柵極溝槽中形成高k介電層；在所述高k介電層上方形成蝕刻停止層；在所述蝕刻停止層上方通過形成具有晶界工程層、摻雜層以及覆蓋層的順序的三層來形成功函調(diào)整層，所述晶界工程層被配置為允許摻雜劑原子滲透穿過，所述摻雜層被配置為將所述摻雜劑原子提供給所述晶界工程層，并且所述覆蓋層被配置為防止所述摻雜層氧化；以及填充金屬以使所述柵極溝槽填平。

在用于制造金屬柵極結(jié)構(gòu)的方法中，形成具有所述晶界工程層、所述摻雜層和所述覆蓋層的順序的所述三層包括：使用原子層沉積（ALD）操作。

在用于制造金屬柵極結(jié)構(gòu)的方法中，將氫化二甲基鋁（DMAH）或二甲基乙基胺鋁烷（DMEAA）用作在所述ALD操作中形成所述摻雜層的前體。

在用于制造金屬柵極結(jié)構(gòu)的方法中，形成所述晶界工程層包括：在約200攝氏度至約350攝氏度的溫度范圍內(nèi)，執(zhí)行ALD操作。

在用于制造金屬柵極結(jié)構(gòu)的方法中，形成所述晶界工程層包括：執(zhí)行足夠的ALD周期以形成封閉膜。

在用于制造金屬柵極結(jié)構(gòu)的方法中，在真空條件下將所述金屬柵極結(jié)構(gòu)從形成所述晶界工程層的室傳送到形成所述摻雜層的另一個室。

該方法進(jìn)一步包括：在形成所述功函調(diào)整層之前，形成P功函層；以及在形成所述功函調(diào)整層之前，去除所述P功函層。

該用于制造金屬柵極結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)一步包括：限定偽柵極區(qū)；以及去除所述偽柵極區(qū)的一部分以露出所述柵極溝槽。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于制造FinFET中的金屬柵極結(jié)構(gòu)的方法，包括：形成鰭；在所述鰭上方形成偽柵極和層間介電層（ILD）；去除所述偽柵極的一部分以露出柵極溝槽；通過形成晶界工程層和所述晶界工程層上方的摻雜層，在所述柵極溝槽中形成功函調(diào)整層。

在用于制造FinFET中的金屬柵極結(jié)構(gòu)的方法中，形成所述晶界工程層包括：在約200攝氏度至約350攝氏度的范圍內(nèi)所選擇的生長溫度下，執(zhí)行ALD操作。

在用于制造FinFET中的金屬柵極結(jié)構(gòu)的方法中，形成所述晶界工程層和所述摻雜層包括：通過在真空條件下將所述FinFET中的所述金屬柵極結(jié)構(gòu)從執(zhí)行所述晶界工程層的形成的室傳送到執(zhí)行所述摻雜層的形成的另一個室來防止所述晶界工程層的表面氧化。

該用于制造FinFET中的金屬柵極結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)一步包括：在所述摻雜層上方形成覆蓋層。

根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種具有金屬柵極的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括：高k介電層；功函調(diào)整層，包括：晶界工程層，被配置為允許摻雜劑原子滲透穿過；摻雜層，位于所述晶界工程層上方，被配置為將所述摻雜劑原子提供給所述晶界工程層；和覆蓋層，位于所述摻雜層上方，被配置為防止所述摻雜層氧化；以及金屬層；其中，所述功函調(diào)整層夾置在所述高k介電層和所述金屬層之間。

在該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，具有所述金屬柵極的所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)是鰭式場效應(yīng)晶體管（FinFET）。

在該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，所述金屬柵極的柵極長度小于16nm。