TW200417015A - MOSFET threshold voltage tuning with metal gate stack control - Google Patents

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Description

200417015 ⑴ 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種互補金氧半導體（CMOS )製造 @胃’更詳而言之，係關於使用堆疊金屬閘極控制閘極功 函數以及電晶體臨限電壓之CMOS裝置。 【先前技術】 於互補金氧半導體（CMOS)電路中NMOS與PMOS 構件之臨限電壓（Vth )大抵上支配著速度、待命電流、 以及操作電流性能特性。必須設定Vth使、、on 〃電流最 大化’同時最小化、、off〃電流。通常這是由電路設計與 應用所決定之取捨。一般而言，使用Vth調整佈植物來微 調電晶體之通道區域中摻雜程度，藉此調整Vth。當電晶 體之特徵尺寸持續縮小，試圖努力將短通道效應最小化以 及衝穿效應與隨著佈値與退火降低汲極誘發阻障之減少， 最終限制了裝置的速度。 另一種代替Vth調整之方法係控制閘極之功函數。通 常藉由佈植閘極多晶矽，其中施體（donor )摻質係置於 NMOS之閘極中，以及受體（acceptor )摻質係置於 NMOS之閘極中。惟，使用佈植多晶矽閘極產生另一系列 的問題。透過閘極介電質至通道之摻質擴散影響接近閘極 介電質之Vth與多晶矽耗竭，並限制電晶體性能。使用金 屬閘極材料來解決此擴散問題。 金屬閘極技術中，需要選擇適合N與P Μ 0 S F E T s功 (2) (2)200417015 函數材料。功函數係從費米能階（Fermi leve：i )移除—個 電子到真空中所需之能量。不同材料，甚至不同金屬有不 同的功函數。因爲NMOS與PMOS功函數需求不同，通常 係不同金屬材料。 習知製程已利用通道佈植與多晶矽或金屬閘極材料之 選擇的結合。因此，閘極功函數通常支配閘極金屬材料的 選擇。製造不同閘極功函數之材料於同樣一片晶圓上，例 如互補NMOS與PMOS電晶體之需求，需要不同閘極材料 。NMOS與PMOS閘極使用完全不同之金屬材料導致製造 步驟增加以及不希望得到的複雜度。 若能令CMOS裝置中PMOS與NMOS之閘極使用共 同金屬材料係有益的。 若相同閘極金屬材料能產生不同功函數係有好處的。 【發明內容】 本發明允許依照閘極介電質上雙金屬堆疊中金屬厚度 之調整來微調電晶體Vth。藉由修改例如雙金屬閘極堆疊 中底部金屬，可變更閘極之功函數自一金屬値到另一金屬 値之間。 依此，本發明提供一種設定具有金屬閘極堆疊之 Μ Ο S F E T電晶體臨限電壓之方法。該方法包括下列步驟： 形成一閘極氧化層於一通道區域之上；形成具有第一厚度 之第一金屬層於該閘極氧化層上；形成具有第二厚度之第 二金屬層於該第一金屬層上；以及建立閘極功函數，依據 (3) (3)200417015 第一金屬第一厚度與第二金屬第二厚度之結合。 於一實施例中，形成第一金屬包括第一厚度約小於 1 .5奈米（nm )，以及形成第二金屬包括第二厚度約大於 1 0奈米（nm )。接著，建立閘極功函數包括建立主要對 應於該第二金屬第二厚度之閘極功函數。或者，形成第一 金屬包括第一厚度約大於2 0奈米（nm )，以及建立閘極 功函數包括建立主要對應於該第一金屬第一厚度之閘極功 函數。 又另一種方式爲，形成第一金屬包括具有低功函數之 第一金屬，以及形成第二金屬包括具有高功函數之第二金 屬。接著，建立閘極功函數包括建立主要對應於該高功函 數與低功函數之結合的功函數。或者，第一金屬能具有高 功函數而第二金屬能具有低功函數。 將由下說明上述方法的其他細節以及具有雙金屬閘極 之MOSFET裝置。 【實施方式】 第1圖至第5圖顯示於完成本發明金屬閘極堆疊 MOSFET之過程中的步驟。第1圖爲在製造閘極前，本發 明之MOSFET 100之部分剖面圖。於沉積所希望之雙金屬 閘極前，MOSFET結構係用任何習知方法形成。一範例方 法顯示閘極代替過程。惟’本發明之過程亦可應用於自動 對準閘極過程。顯示有一矽（S i )基板1 0 2、場效氧化區 域1 〇 4、以及位於基板1 〇2與場效氧化區域1 〇 4之上的一 -6- (4) (4)200417015 閘極介電質1 0 6。閘極介電質可爲任何能被沉積或生成之 傳統材料。 第2圖顯示第1圖之MOSFET在沉積第一金屬層之 後的部分剖面圖。利用習知技術沉積一層具有約5 〇人之 所希望厚度之薄的第一金屬層200(或其他金屬材料）。 根據結構設計，該薄膜之成分可譬如爲W、Ti、Ta之元 件式薄膜、譬如Ta- N或Ti— N之雙材料、或由兩種以 上的元件組成之化合物。本發明並不限於特定種類的材料 〇 第3圖顯示第2圖之MOSFET在沉積第二金屬層之 後的部分剖面圖。利用習知技術沉積一層具有約2 〇 〇 〇人 之所希望厚度之薄的第二金屬層300 (或其他金屬材料） 。根據結構設計，該薄膜之成分可譬如爲Al、Pt、或Cu 之元件式薄膜、譬如W— N或Ti— N之雙材料、或由兩種 以上的元件組成之化合物。同樣的，本發明並不限於特定 材料。 第4圖顯示第3圖之Μ Ο S F E T在蝕刻過程後的部分 剖面圖。金屬堆疊200/300。該金屬堆疊200/300係由 蝕刻或化學機械拋光（C Μ Ρ ’ d )以形成所要的金屬閘極堆 疊。可依需要熱處理、電處理、電處理、或機械處理所得 之結構。 第5圖顯示完成之MOSFET的部分剖面圖。MOSFET 100包括矽通道區域5〇〇以及位於該通道區域5〇〇之上的 閘極氧化層106。閘極5 02包括具有第一厚度504之第一 (5) (5)200417015 金屬層200，覆蓋於閘極氧化層106之上。具有第二厚度 506之第二金屬層300，不與第一金屬層200相互擴散（ non-diffused)，並覆於第一金屬層 200之上。該閘極 502具有對應第一金屬第一厚度504與第二金屬第二厚度 506之閘極功函數。 如在此所用， ''不相互擴散〃意指並不故意利用譬如 確保兩金屬完全的混合達到平衡狀態之退火過程退火，使 兩金屬層互相擴散。大體而言，金屬會於接觸時相互擴散 。但在某些情況下，例如當使用如TiN/ Pt之化合物/金 屬時，可能會發生並不顯著之擴散量。覆蓋之金屬具有不 顯著之擴散量可被視爲不相互擴散者。換句話說，當使用 如Ti/ Pt之金屬組合時，其中無可避免會有小量的擴散 ，但此部份地擴散並不至於與金屬之較籠統的不相互擴散 狀態矛盾。在某些態樣中，當組成改變時，可形成介面層 於兩金屬層之間。因而形成兩層不相互擴散之金屬層，以 及自一小部份不相互擴散金屬堆疊厚度形成之介面層。在 某些M0SFET態樣中，第一金屬層第一厚度5 04小於約 1.5奈米（nm)以及第二金屬層第二厚度506大於約10 nm。用 ''大約〃 一詞來形容這些厚度（以及下述之其他 厚度）係由於習知IC製造公差。於上個範例中，閘極功 函數主要對應第二金屬第二厚度，因爲考慮到第一金屬第 一厚度相對較薄。如在此所用之''主要〃一詞意指、、絕大 部分〃。例如，若閘極功函數係主要對應第二金屬第二厚 度時，則第一金屬第一厚度之相對較大的改變，於整體功 -8- (6) (6)200417015 函數中產生相對較小的改變。實際上，第一金屬第一厚度 504範圍在〇至20 nm內。當第一金屬第一厚度504大於 2 00 nm時，第一厚度被視爲相對地厚且閘極功函數則主 要地對應第一金屬第一厚度。這些由第一或第二金屬厚度 主導爲極端的狀況。當第一金屬第一厚度5 04範圍在1·5 至20 nm內時，功函數變成取決於兩金屬層厚度。當第一 金屬第一厚度5 04範圍在1 .5至1 〇 nm內時，此結合的效 果更突出。 通常 Al、Ti、Ta、Hf、Zr、TaN、以及等效之金屬具 有低功函數，而 Pt、Ir、Ni、Co、WN、以及等效之金屬 具有高功函數。於MO SFET之某些態樣中，第一金屬層 2〇〇具有低功函數，而第二金屬層3 00具有高功函數。則 閘極功函數取決於高與低功函數之結合。例如，第一金屬 層2 00可爲譬如爲w、Ti、Ta之元件金屬材料或譬如Ta 一 N或Ti 一 N之雙金屬。第二金屬層300可爲譬如爲Ir、 Pt、或Cii之元件金屬材料或譬如爲W — Ν或Ti — Ν之雙 金屬。或者，第一金屬層200具有高功函數，而第二金屬 層3 00具有低功函數。例如，第二金屬層3 00可爲譬如爲 W、Ti、Ta之元件金屬材料或譬如Ta— N或Ti—N之雙 金屬。第一金屬層2〇〇可爲譬如爲Ir、Pt、或Cu之元件 金屬材料或譬如爲W-Ν或Ti- N之雙金屬。上述列舉之 金屬並非列舉全部可能包括之材料，亦可使用其他材料。 第 6圖顯示本發明具有金屬閘極堆疊之雙閘極 M0SFET 600之部分剖面圖。M0SFET 600包括閘極氧化 -9- 200417015 層602/604，分別覆於NMOS與PMOS通道區域606/ 608之上。具有第一厚度612之第一金屬層610，覆於 NM0S閘極氧化層602上。具有第二厚度616之第二金屬 層614，並不擴散至第一金屬層610，並且覆於NM0S閘 極氧化層602上。NM0S閘極功函數取決於第一金屬第一 厚度612與第二金屬第二厚度616之結合。 第一金屬層610具有第三厚度618覆於PM0S閘極氧 化層604上。第二金屬層614具有第四厚度620，並不擴 散至第一金屬層610，並且覆於第一金屬第三厚度618上 。PM0S閘極功函數取決於第一金屬第三厚度618與第二 金屬第四厚度620之結合。 於某些態樣中，NM0S閘極功函數主要取決於第一金 屬第一厚度以及PM0S閘極功函數主要取決於第二金屬第 四厚度。例如，當第一厚度大於20 nm且第三厚度小於 1.5 nm。或者’ NM0S閘極功函數主要取決於第二金屬第 二厚度（當第一厚度小於1 .5 nm )以及PM0S閘極功函數 主要取決於第一金屬第三厚度（當第三厚度相對地較厚， 例如，大於1 〇 n m )。 第一金屬層610具有低功函數，而第二金屬層614具 有高功函數，使NM0S與PM0S閘極功函數取決於高與低 功函數之結合。例如，第一金屬層610可爲譬如爲W、Ti 、Ta之元件金屬材料或譬如Ta— n或Ti-N之雙金屬。 弟一金屬層614可爲譬如爲ir、pt、或Cu之元件金屬材 料或譬如爲W— N或Ti—N之雙金屬。 -10- (8) (8)200417015 或者’第一金屬層610具有高功函數，而第二金屬層 614具有低功函數，使Nm〇s與pM〇s閘極功函數取決於 问與低功函數之結合。例如，第二金屬層6〗4可爲譬如爲 W、Tl、丁a之元件金屬材料或譬如Ta— n或Ti—N之雙 亞屬。第一金屬層610可爲譬如爲lr、pt、或Cll之元件 金屬材料或譬如爲W— N或Ti— N之雙金屬。 於某些態樣中’當第一金屬第一厚度6 1 2約小於1 . 5 nm’第二金屬第二厚度616約大於1〇 nm，則NMOS閘極 功函數主要取決於第二金屬第二厚度616。同樣的，當第 一金屬第三厚度61 8約小於1 .5 nm，第二金屬第四厚度 620約大於1〇 nm，則PM0S閘極功函數主要取決於第二 金屬第四厚度620。 於某些態樣中，當第一金屬第一厚度6 1 2約大於2 0 nm，則NMOS閘極功函數主要取決於第一金屬第一厚度 612。同樣的，當第一金屬第三厚度618約大於20 nm， 則P Μ 0 S閘極功函數主要取決於第一金屬第三厚度6 1 8。 因此，由第一金屬層第一厚度612位於0至20 nm之範圍 內，以及第一金屬層第三厚度618位於0至20 nm之範圍 內，來大致上控制NMOS與PMOS閘極功函數。 功能描述 第7圖顯示臨限電壓爲第一閘極金屬厚度之函數。根 據兩金屬之間不同功函數’可藉由調整第一金屬之厚度’ 控制電晶體之臨限電壓。例如’閘極金屬堆疊可爲TiN / -11 - (9) (9)200417015 A1堆疊，其中TiN爲第一金屬。當TiN非常薄 （<1.5 nm ) 時，功函數與由 A1完全構成之閘極一致。當TiN 層厚度朝6 nm增加時，臨限電壓增加。當TiN層厚度增 加到超過20 nm時，TiN層主導功函數，而功函數與由 T i N完全構成之金屬閘極一致。因此，對於變更有效堆疊 功函數’使功函數同時取決於第一與第二金屬厚度兩者， 1至1 0 nm之低（第一）金屬厚度係非常關鍵的。 第8圖顯示本發明一種設定具有一個金屬閘極堆疊之 Μ Ο S F E T電晶體臨限電壓之方法的流程圖。雖然該方法（ 以及以下之第9圖的方法）係由一系列的依照數字排列的 步驟來淸楚說明’除非特別說明否則不應將其視爲特定順 序。應了解，可能省略某些步驟，而係平行執行，或無須 維持嚴格先後順序之需要來執行。該方法從步驟8 0 0開始 〇 步驟8 0 2形成覆於通道區域上之閘極氧化層。步驟 804形成具有桌一厚度之第一金屬層於該閘極氧化層上。 步驟806形成具有第二厚度之第二金屬層於該第一金屬層 上。步驟808建立閘極功函數，取決於第一金屬第一厚度 與第二金屬第二厚度之結合。於本方法之某些態樣中，建 取決於弟一*金屬弟一厚度與弟—金屬第二厚度之結合的 閘極功函數包括建立臨限電壓（Vth )。 於某些態樣中，於步驟8 0 4中形成具有第一厚度之第 一金屬層於該閘極氧化層上包括該第一厚度小於約1 . 5奈 米（nm)。於步驟806中形成具有第二厚度之第二金屬 -12 - (10) (10)200417015 層於該第一金屬層上包括該第二厚度大於約10 nm。因此 ，於步驟808中建立取決於第一金屬第一厚度與第二金屬 第二厚度之結合的閘極功函數包括建立主要取決於第二金 屬第二厚度之閘極功函數。 或者，於步驟804中形成具有第一厚度之第一金屬層 於該閘極氧化層上包括該第一厚度大於約2 0奈米（nm ) 。因此，於步驟808中建立取決於第一金屬第一厚度與第 二金屬第二厚度之結合的閘極功函數包括建立主要取決於 第一金屬第一厚度之閘極功函數。 於某些態樣中，於步驟8 0 4中形成具有第一厚度之第 一金屬層於該閘極氧化層上包括該第一金屬具有低功函數 ，以及於步驟806中形成具有第二厚度之第二金屬層於該 第一金屬層上包括該第二金屬具有高功函數。因此，於步 驟8 0 8中建立閘極功函數包括建立主要取決於高與低功函 數之結合。例如，於步驟804中形成具有具有低功函數之 第一金屬層可包括使用譬如爲W、Ti、Ta之元件金屬材 料或譬如爲Ta— N或Ti 一 N之雙金屬。於步驟806中形 成具有高功函數之第二金屬層可包括使用譬如爲Ir、pt、 或Cu之元件金屬材料或譬如爲w__n或Ti 一 N之雙金屬 〇 或者’於步驟804中形成第一金屬層包括具有高功函 數之第一金屬層，可使用譬如爲Ir、Pt、或Cu之元件金 屬材料或譬如爲W—N或Ti— N之雙金屬。於步驟806中 形成第二金屬層包括具有低功函數之第二金屬層，可使用 -13- (11) 200417015 譬如爲W、Ti、Ta之元件金屬材料或譬爲如Ta-一 N之雙金屬。因此，於步驟808中建立閘極功函 建立主要取決於高與低功函數之結合。 於該方法某些態樣中，於步驟8 0 6中形成具有 度之第二金屬層於第一金屬層上包括次步驟。步| 沉積第二金屬至一大於第二厚度之初始厚度。步| 藉由如化學蝕刻或化學機械硏磨（CMP )之處理， 第二金屬層厚度，其厚度等於初始厚度減去第二厚 於一些態樣中，於步驟8 04中形成具有第一厚 一金屬層於閘極氧化層上包括次步驟。步驟8 0 4 a 一金屬至一大於第一厚度之初始厚度。步驟8 04b 化學蝕刻或CMP之處理，移除一第一金屬層厚度 度等於初始厚度減去第一厚度。 第9圖顯示本發明一種設定具有多個金屬閘極 雙金屬MOSFET電晶體臨限電壓之方法的流程圖 900開始。步驟902形成覆於NMOS與PMOS通道 之一閘極氧化層。步驟904形成具有第一厚度之第 層於該NMOS閘極氧化層上。步驟906形成具有第 之第一金屬層於該PMOS閘極氧化層上。步驟908 有第二厚度之第二金屬層於該第一金屬第一厚度上 910形成具有第四厚度之第二金屬層於該第一金屬 度上。步驟912建立取決於第一金屬第一厚度與第 第二厚度之結合的NMOS閘極功函數。步驟914建 於第一金屬第三厚度與第二金屬第四厚度之結合的
N或T i 數包括 第二厚 W 8 0 6a 聚 8 0 6b 移除一 度。 度之第 沉積第 藉由如 ，其厚 堆疊之 。步驟 區域上 一金屬 三厚度 形成具 。步驟 第三厚 二金屬 立取決 PMOS -14- (12) (12)200417015 聞極功函數。 於某些態樣中，於步驟906中形成具有第三厚度之第 一金屬層於PMOS閘極氧化層上包括次步驟（未圖示）。 步驟9 0 6a沉積第一金屬至第一厚度。步驟90 6b蝕刻第一 金屬至第三厚度。例如，第一厚度可能厚於第三厚度，以 區分NMOS與PMOS閘極功函數。例如，於某些態樣中， 步驟906b可蝕刻第一金屬至第三厚度，等於零。於某些 情控，第一厚度可能小於第三厚度，或第一厚度可等於第 三厚度。 於某些態樣中，於步驟9 1 2中建立取決於第一金屬第 一厚度與第二金屬第二厚度之結合的NMOS閘極功函數包 括建立一功函數主要取決於第一金屬第一厚度，例如，當 第一厚度相對地厚（如上定義）。於一些實施例中，於步 驟914中建立取決於第一金屬第三厚度與第二金屬第四厚 度之結合的PMOS閘極功函數包括建立一功函數主要取決 於第二金屬第四厚度，例如，當第三厚度相對地薄（如上 定義）。 或者，於步驟912中建立NMOS閘極功函數包括建立 一功函數主要取決於第二金屬第二厚度（當第一厚度相對 地薄，例如小於1 · 5 nm )。於步驟9 1 4中建立P Μ 0 S閘極 功函數包括建立一功函數主要取決於第一金屬第三厚度（ 當第二厚度相對地厚，例如，大於2 0 n m )。 於某些態樣中，於步驟9 0 4及步驟9 0 6中形成第一金 屬層於NMOS與PMOS閘極氧化層上包括該第一金屬具有 -15- (13) 200417015 低功函數，使用譬如爲W、Ti、Ta之元件金屬材 爲如Ta— N或Ti— N之雙金屬。於步驟908與步 中形成具有第二金屬層於該第一金屬層上包括該第 具有高功函數，使用譬如爲Ir、Pt、或Cu之元件 料或譬如爲W— N或Ti— N之雙金屬。 或者，於步驟904及步驟906中形成第一金 NMOS與PMOS閘極氧化層上包括該第一金屬具有 數，以及於步驟90 8與步驟910中形成具有第二金 該第一金屬層上包括該第二金屬具有低功函數。可 述例子之高與低功函數金屬。 於某些態樣中，於步驟9 0 4中形成具有第一厚 一金屬層於該NMOS閘極氧化層上包括第一厚度 1.5 nm。於步驟908形成具有第二厚度之第二金屬 第一金屬第一厚度上包括第二厚度大於約10 nm。 於步驟912中建立取決於第一金屬第一厚度與第二 二厚度之結合的NMOS閘極功函數包括建立主要取 二金屬第二厚度之閘極功函數。 同樣的，於步驟906中形成具有第三厚度之第 層於該P Μ 0 S閘極氧化層上包括第三厚度小於約1 . 於步驟910中形成具有第四厚度之第二金屬層於該 屬第三厚度上包括第四厚度大於約10 nm。接著， 914建立取決於第一金屬第三厚度與第二金屬第四 結合的PM0S閘極功函數包括建立主要取決於第二 四厚度之閘極功函數。 料或譬 驟910 二金屬 金屬材 屬層於 局功函 屬層於 使用上 度之第 小於約 層於該 接著， 金屬第 決於第 一金屬 5 n m 〇 第一金 於步驟 厚度之 金屬第 -16- (14) (14)200417015 於某些態樣中，於步驟9 04中形成具有第一厚度之第 一金屬層於該Ν Μ Ο S閘極氧化層上包括第一厚度大於約 2 0 nm。接著，於步驟912中建立取決於第一金屬第一厚 度與第二金屬第二厚度之結合的NMOS閘極功函數包括建 立主要取決於第一金屬第一厚度之NMOS閘極功函數。同 樣的，當（步驟906 )第三厚度大於約20 nm時，於步驟 914建立取決於第一金屬第三厚度與第二金屬第四厚度之 結合的PMOS閘極功函數包括建立主要取決於第一金屬第 三厚度之PMOS閘極功函數。 通常，於步驟904中形成具有第一厚度之第一金屬層 於該NMOS閘極氧化層上包括第一厚度於〇至20 nm範 圍內。同樣的，於步驟906中形成具有第三厚度之第一金 屬層於該PMOS閘極氧化層上包括第三厚度於〇至20 nm 範圍內。 已於上揭露堆疊金屬閘極M0SFET裝置與相關製程 。對於完整的CMOS應用，其中NM0SFET之金屬堆疊不 同於PMOS FET之金屬堆疊，第一金屬層通常沉積於整個 晶圓表面上。接著執行圖形化與蝕刻步驟。因爲第一（較 低）金屬層係極薄，於1 〇奈米等級，可用施或乾過程輕 易地蝕刻。若第一金屬層被完全的蝕刻移除，電晶體則輕 而易舉的使用第二金屬閘極材料作爲其閘極。 已揭露各種閘極金屬以及第一和第二閘極金屬之結合 之範例。但本發明並不僅限於這些例子。再者，這些範例 僅使用金屬閘極材料來說明。本發明亦可使用其他材料或 -17- (15) (15)200417015 金屬與其他材料之結合來據以實施。例如，第一層可爲金 屬而第二層可爲多晶矽。熟悉該項技藝者應可了解本發明 之其他變化與實施例。 【圖式之簡單說明】 第1圖至第 5圖顯示於完成本發明金屬閘極堆疊 MOSFET之過程中的步驟。 第 6圖顯示本發明具有金屬閘極堆疊之雙閘極 MOSFET之部分咅ij面圖。 第7圖顯示臨限電壓爲第一閘極金屬厚度之函數。 第8圖顯示本發明一種設定具有一個金屬閘極堆疊之 MOSFET電晶體臨限電壓之方法的流程圖。 第9圖顯示本發明一種設定具有多個金屬閘極堆疊之 雙金屬MOSFET電晶體臨限電壓之方法的流程圖。 [元件符號說明] 1〇〇 金氧半導體場效電晶體 102 矽基板 10 4 場效氧化區域 10 6 間極電介質 200 第一金屬層 3 00 第二金屬層 5 0 0 通道區域 5 02 閘極 -18- (16) 200417015 5 04 第一厚度 5 06 第二厚度 600 金氧半導體場效電晶體 6 02 Ν Μ Ο S閘極氧化層 6 04 PMOS閘極氧化層 606 NMOS通道區域 60 8 PMOS通道區域
6 10 第一金屬層 6 12 第一厚度 614 第二金屬層 6 16 第二厚度 6 18 第三厚度 62 0 第四厚度
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Claims (1)

  1. (1) (1)200417015 拾、申請專利範圍 1. 一種於具有金屬閘極堆疊之MOSFET中的設定臨 限電壓之方法，該方法包括步驟如下： 形成一閘極氧化層於一通道區域上； 形成一'具有一第一^厚度之第一金屬層於該聞極氧化層 上； 形成一具有一第二厚度之第二金屬層於該第一金屬層 上；以及 建立取決於第一金屬第一厚度與第二金屬第二厚度之 結合的閘極功函數。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，形成一具 有一第一厚度之第一金屬層於該閘極氧化層上包括第一厚 度小於約1.5奈米（nm)； 其中形成一具有一第二厚度之第二金屬層於該第一金 屬層上包括第二厚度約大於I 〇 nm ;以及 建立取決於第一金屬第一厚度與第二金屬第二厚度之 結合的閘極功函數包括建立主要取決於第二金屬第二厚度 之閘極功函數。 3 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中，形成一具 有一第一厚度之第一金屬層於該閘極氧化層上包括第一厚 度大於約20奈米（nm ):以及 建立取決於第一金屬第一厚度與第二金屬第二厚度之 結合的閘極功函數包括建立主要取決於第一金屬第一厚度 之閘極功函數。 - 20- (2) (2)200417015 4 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中，形成一具 有一第一厚度之第一金屬層於該閘極氧化層上包括該第一 金屬層具有低功函數； 其中形成一具有一第二厚度之第二金屬層於該第一金 屬層上包括該第二金屬層具有高功函數；以及 建取決於第一金屬第一厚度與第二金屬第二厚度之 結合的閘極功函數包括建立取決於高與低功函數之結合的 閘極功函數。 5 .如申請專利範圍第4項之方法，其中，形成第一 金屬層具有低功函數包括第一金屬材料選自包括譬如爲w 、Ti、Ta之元件金屬材料以及譬如爲Ta — N或Ti — N之 雙金屬的群組中；以及 其中形成第二金屬層具有高功函數包括第二金屬材料 選自包括譬如爲Ir、Pt、或Cu之元件金屬材料以及譬如 爲W— N或Ti 一 N之雙金屬的群組。 6 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中，形成一具 有一桌一厚度之第一金屬層於該閘極氧化層上包括該第一 金屬層具有高功函數； 其中形成一具有一第二厚度之第二金屬層於該第一金 屬層上包括該第二金屬層具有低功函數；以及 建立取決於第一金屬第一厚度與第二金屬第二厚度之 結合的闊極功函數包括建立主要取決於局與低功函數之糸吉 合的閘極功函數。 7 ·如申請專利範圍第6項之方法，其中，形成第一 -21 - (3) (3)200417015 金屬層具有局功函數包括第一金屬材料選自包括譬如爲Ir 、Pt、或cu之元件金屬材料以及譬如爲W_N或Ti—N 之雙金屬的群組；以及 其中形成第二金屬層具有低功函數包括第二金屬材料 選自包括譬如爲W、Ti、Ta之元件金屬材料以及譬如爲 Ta— N或Ti— N之雙金屬的群組中。 8 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中，形成一具 有一第一厚度之第一金屬層於該第一金屬層上包括： 沉積該第二金屬層至一大於該第二厚度之初始厚度； 以及 藉由選自包括化學蝕刻與化學機械硏磨（c Μ P )之群 組的處理過程，移除一層第二金屬層厚度等於該初始厚度 減去該第二厚度。 9 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中，形成具有 第一厚度之第一金屬層於閘極氧化層上包括： 沉積該第一金屬層至一大於第一厚度之初始厚度；以 及 藉由選自包括化學蝕刻與化學機械硏磨（CMP )之群 組的處理過程，移除一層第一金屬層厚度等於該初始厚度 減去該第一厚度。 10·如申請專利範圍第1項之方法，其中，形成具有 第一厚度之第一金屬層於該閘極·氧化層上包括形成第一金 屬第一厚度於0至20 nm範圍內。 11·如申請專利範圍第1項之方法，其中，建立取決 -22- (4) (4)200417015 於第一金屬第一厚度與第二金屬第二厚度之結合的閘極功 函數包括建立一臨限電壓（Vth) ° 12· —種於具有複數個金屬鬧極堆疊之雙金屬 MOSFET中的設定臨限電壓之方法，該方法包括步驟如下 形成一閘極氧化層於NMOS與PMOS通道區域上； 形成一具有一第一厚度之第一金屬層於該NMOS閛極 氧化層上； 形成一具有一第三厚度之第一金屬層於該PMOS閘極 氧化層上； 形成一具有一第二厚度之第二金屬層於該第一金屬層 第一厚度上； 形成一具有一第四厚度之第二金屬層於該第一金屬層 第三厚度上； 建立取決於第一金屬第一厚度與第二金屬第二厚度之 結合的NMOS閘極功函數；以及 建立取決於第一金屬第三厚度與第二金屬第四厚度之 結合的PMOS閘極功函數。 1 3 ·如申請專利範圍第1 2項之方法，其中，形成一 具有一第三厚度之第一金屬層於該PMOS閘極氧化層上包 括· 沉積該第一金屬至該第一厚度；以及 蝕刻該第一金屬至第三厚度。 14.如申請專利範圍第12項之方法，其中，形成一 -23- (5) (5)200417015 具有一第三厚度之第一金屬層於該PMOS閘極氧化層上包 括： 沉積該第一金屬至該第一厚度；以及 蝕刻該第一金屬至等於零之第三厚度。 15. 如申請專利範圍第12項之方法，其中建立取決 於第一金屬第一厚度與第二金屬第二厚度之結合的NM0S 閘極功函數包括建立主要取決於該第一金屬第一厚度之功 函數；以及 其中建立取決於第一金屬第三厚度與第二金屬第四厚 度之結合的PM0S閘極功函數包括建立主要取決於該第二 金屬第四厚度之功函數。 16. 如申請專利範圍第12項之方法，其中建立取決 於第一金屬第一厚度與第二金屬第二厚度之結合的NM0S 閘極功函數包括建立主要取決於該第二金屬第二厚度之功 函數；以及 其中建立取決於第一金屬第三厚度與第二金屬第四厚 度之結合的PM0S閘極功函數包括建立主要取決於該第一 金屬第三厚度之功函數。 17. 如申請專利範圍第12項之方法，其中形成第一 金屬層於該NM0S與該PM0S閘極氧化層包括第一金屬層 具有低功函數；以及 其中形成第二金屬層於該第一金屬層包括第二金屬層 具有高功函數。 1 8 .如申請專利範圍第1 7項之方法，其中，形成第 -24- (6) (6)200417015 一金屬層具有低功函數包括第一金屬材料選自包括譬如爲 w、Ti、Ta之元件金屬材料以及譬如爲Ta—N或Ti— N 之雙金屬的群組中；以及 其中形成第二金屬層具有高功函數包括第二金屬材料 選自包括譬如爲Ir、Pt、或Cu之元件金屬材料以及譬如 爲W—N或Ti— N之雙金屬的群組。 19.如申請專利範圍第12項之方法，其中形成第一 金屬層於該NMOS與該PMOS閘極氧化層包括第一金屬層 具有高功函數；以及 其中形成第二金屬層於該第一金屬層包括第二金屬層 具有低功函數。 20·如申請專利範圍第19項之方法，其中，形成第 一金屬層具有高功函數包括第一金屬材料選自包括譬如爲 Ir、Pt、或Cu之元件金屬材料以及譬如爲W—N或Ti— N 之雙金屬的群組；以及 其中形成第二金屬層具有低功函數包括第二金屬材料 選自包括譬如爲W、Ti、Ta之元件金屬材料以及譬如爲 Ta— N或Ti— N之雙金屬的群組中。 2 1 ·如申請專利範圍第1 2項之方法，其中形成一具 有一第一厚度之第一金屬層於該NMOS閘極氧化層包括該 第一厚度小於約1.5奈米（nm)； 其中形成一具有一第二厚度之第二金屬層於該第一金 屬層上包括該第二厚度約大於10 nm;以及 建立取決於第一金屬第一厚度與第二金屬第二厚度之 -25- (7) 200417015 結合的NMOS閘極功函數包括建立主要取決於第 二厚度之閘極功函數。 22.如申請專利範圍第12項之方法，其中 有一^第二厚度之弟一*金屬層於該PMOS闊極氧化 第三厚度小於約1.5奈米（nm); 其中形成一具有一第四厚度之第二金屬層於 屬層上包括第四厚度約大於10 nm;以及 建立取決於第一金屬第三厚度與第二金屬第 結合的PM0S閘極功函數包括建立主要取決於第 四厚度之閘極功函數。 23·如申請專利範圍第12項之方法，其中 有一第一厚度之第一金屬層於該NMOS閘極氧化 第一厚度大於約20奈米（nm);以及 建立取決於第一金屬第一厚度與第二金屬第 結合的NMOS閘極功函數包括建立主要取決於第 一厚度之閘極功函數。 24. 如申請專利範圍第12項之方法，其中 有一第三厚度之第一金屬層於該PM0S閘極氧化 第三厚度大於約20奈米（nm);以及 建立取決於第一金屬第三厚度與第二金屬第 結合的PM0S閘極功函數包括建立主要取決於第 三厚度之閘極功函數。 25. 如申請專利範圍第12項之方法，其中 有第一厚度之第一金屬層於該NMOS閘極氧化層 二金屬第 形成一具 層包括該 該第一金 四厚度之 二金屬第 形成一具 層包括該 二厚度之 一金屬第 形成一具 層包括該 四厚度之 一金屬第 ，形成具 上包括形 -26 - (8) (8)200417015 成第一金屬第一厚度於〇至2〇11111範圍內；以及 形成具有第三厚度之第一金屬層於該PM〇s閘極氧化 層上包括形成第一金屬第三厚度於0至20 11111範圍內。 26. —種具有雙金屬閘極之M〇SFET，包括： 一矽通道區域； 一閘極氧化層於一通道區域上； 一閘極，包括： 一具有一第一厚度之第一金屬層於該閘極氧化層 上； 一具有一第二厚度之第二金屬層於該第一金屬層 上；以及 一取決於第一金屬第一厚度與第二金屬第二厚度之結 合的閘極功函數。 27. 如申請專利範圍第26項之MOSFET，其中，該 第一金屬層第一厚度小於約1.5奈米（nm)； 其中該第二金屬層第二厚度約大於10 nm;以及 其中閘極功函數主要取決於第二金屬第二厚度。 28·如申請專利範圍第26項之MOSFET，其中，該 桌一金屬層第一厚度大於約20奈米（nm):以及 其中該閘極功函數主要取決於第一金屬第一厚度。 29·如申請專利範圍第26項之MOSFET，其中，該 第一金屬層具有低功函數； 其中該第二金屬層具有高功函數；以及 其中該閘極功函數取決於高與低功函數之結合。 -27- (9) (9)200417015 3〇*如申請專利範圍第29項之MOSFET，其中，第 金屬材料選自包括譬如爲W、Ti、Ta之元件金屬材料 以及譬如爲Ta〜N或Ti — N之雙金屬的群組中；以及 其中第二金屬材料選自包括譬如爲Ir、Pt、或CU之 兀件金屬材料以及譬如爲W - N或Ti— N之雙金屬的群組 〇 31·如申請專利範圍第26項之MOSFET，其中，該 第一金屬層具有高功函數； 其中該第二金屬層具有低功函數；以及 其中該閘極功函數取決於高與低功函數之結合。 32·如申請專利範圍第31項之MOSFET，其中，該 第一金屬材料選自包括譬如爲Ir、Pt、或Cu之元件金屬 材料以及譬如爲W - N或Ti - N之雙金屬的群組；以及 其中該第二金屬材料選自包括譬如爲W、Ti、Ta之 元件金屬材料以及譬如爲Ta- N或Ti - N之雙金屬的群 組中。 33.如申請專利範圍第26項之MOSFET，其中，該 第一金屬層第一厚度於0至20 nm範圍內。 34· —種具有金屬閘極堆疊之雙閘極M0SFET，包括 一閘極氧化層於NM0S與PM0S通道區域上； 一具有一第一厚度之第一金屬層於該NM0S閘極氧化 餍上； 一具有一第二厚度之第二金屬層於該第一金屬層第一 -28- (10) (10)200417015 厚度上，該第二金屬層並不擴散至該第一金屬層中； 一具有一第三厚度之第一金屬層於該PMOS閘極氧化 層上； 一具有一第四厚度之第二金屬層於該第一金屬層第三 厚度上，該第二金屬層並不擴散至該第一金屬層中； 取決於第一金屬第一厚度與第二金屬第二厚度之結合 的NMOS閘極功函數；以及 取決於第一金屬第三厚度與第二金屬第四厚度之結合 的PMOS閘極功函數。 35. 如申請專利範圍第 34項之 MOSFET，其中該 NMOS閘極功函數主要取決於該第一金屬第一厚度；以及 其中該PMOS閘極功函數主要取決於該第二金屬第四 厚度。 36. 如申請專利範圍第 34項之 MOSFET，其中該 NMOS閘極功函數主要取決於該第二金屬第二厚度；以及 其中該PMOS閘極功函數主要取決於該第一金屬第三 厚度。 37·如申請專利範圍第34項之MOSFET，其中該第 一金屬層具有低功函數； 其中該第二金屬層具有高功函數；以及 其中該NMOS與PMOS閘極功函數取決於高與低功函 數之結合。 38.如申請專利範圍第37項之MOSFET，其中，該 第一金屬材料選自包括譬如爲W、Ti、Ta之元件金屬材 -29- (11) (11)200417015 料以及譬如爲Ta—N或Ti—N之雙金屬的群組中；以及 其中該第二金屬材料選自包括譬如爲Ir、Pt、或Cu 之元件金屬材料以及譬如爲W—N或Ti- N之雙金屬的群 組。 39·如申請專利範圍第34項之MOSFET，其中該第 一金屬層具有高功函數；以及 其中該第二金屬層具有低功函數；以及 其中該NMOS與PMOS閘極功函數取決於高與低功函 數之結合。 40. 如申請專利範圍第39項之MOSFET，其中，該 第一金屬材料選自包括譬如爲Ir、Pt、或Cu之元件金屬 材料以及譬如爲W— N或Ti_N之雙金屬的群組；以及 其中該第二金屬材料選自包括譬如爲W、Ti、Ta之 元件金屬材料以及譬如爲Ta- N或Ti-N之雙金屬的群 組中。 41. 如申請專利範圍第34項之MOSFET，其中該第 〜金屬層第一厚度小於約1.5奈米（nm)； 其中該第二金屬層於該第一金屬層第二厚度約大於 Μ nm ;以及 NMOS閘極功函數主要取決於該第二金屬第二厚度。 42. 如申請專利範圍第34項之MOSFET，其中該第 一金屬層第三厚度小於約1.5奈米（nm); 其中該第二金屬層第四厚度約大於1〇 nm;以及 PMOS閘極功函數主要取決於第二金屬第四厚度。 -30- (12) 200417015 43. 如申請專利範圍第34項之MOSFET，其中該第 一金屬層第一厚度大於約20奈米（nm);以及 該NM0S閘極功函數主要取決於第一金屬第一厚度。 44. 如申請專利範圍第34項之MOSFET，其中該第 一金屬層於該PM0S閘極氧化層第三厚度大於約20奈米 (nm );以及 該PM0S閘極功函數主要取決於第一金屬第三厚度。
    45. 如申請專利範圍第34項之MOSFET，其中，該 第一金屬層第一厚度於〇至20 nm範圍內；以及 第一金屬第三厚度於〇至20 nm範圍內。
    -31 -
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