TW200849485A - Strained metal gate structure for CMOS devices with improved channel mobility and methods of forming the same - Google Patents

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TW200849485A
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metal
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Michael P Chudzik
Wei He
Renee T Mo
Naim Moumen
Vijay Narayanan
Dae-Gyu Park
Vamsi K Paruchuri
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Ibm
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Description

200849485 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於半導體裝置處理技術，更特別地，本發 明係關於產生改良的通道遷移率之互補式金屬氧化半導 體裝置之應變金屬閘極結構及其形成方法。 【先前技術】 應變工程技術近來已廣用於製造CMOS裝置，以在p 型MOS (PMOS)裝置與N型MOS (NMOS)裝置上提供不 同的應力。舉例而言，第一類型的氮化物襯層係形成於 CMOS裝置的p型場效電晶體(PFET)上，而第二類型的氮 化物襯層則形成於CMOS裝置的N型場效電晶體(NFET) 上。更具體而言，習知技術發現在PFET通道中應用壓縮 應力可改進其中的載子(孔洞)遷移率，而在NFET通道中 應，拉伸應力則可改進其中的載子(電子)遷移率，以得到 較尚的導通電流(on_current)與產品速率。因此，第一類型 ^化物襯層仙可達雌縮應力的方式而形成於Pfet 衣置上，而第二類型的氮化物襯層則以可達到拉伸應力的 方式而形成於NFET裝置上。 ,隨著電晶體的物理尺寸持續減縮，習知技術已致力於 利用同介電材料閘極絕緣膜以及金屬閘極等方式，以透過 5 200849485 閘極漏電流來降低功率消耗、降低相等的氧化厚度、以及 降低反轉厚度(inversion thickness)。猶如習知多晶石夕間極裝 置一般，其較佳將閘極電極的功函數調至接近；g夕的導帶^ 價帶，以降低電晶體的臨界電壓，並可從而促進高驅=電 流。因此，在具有PMOS與NMOS電晶體的半導體裝置 中使用雙功函數閘極是有其優點的。 & 在理想的情況下’雙功函數金屬閘極應與習知的閘極 介電材料相容，並且具有可適當調整的功函數；再者，金 屬閘極的製作應可簡易地適用於習知的半導體装置掣 程。然而實際上，光是沉積和_金屬以形成閘極結構= 已面臨了相當的挑戰，例如要找出可以較高選擇性蝕刻閘 極金屬的蝕刻劑與蝕刻條件(即在不破壞基礎閘極絕緣體 與矽基板的情況下)並不容易；再者，若使用不同的金屬來 提供雙功函數閘極，則在沉積-與_蝕刻的製作設計上又將 會面臨選祕刻某-閘極金屬、朗時侧兩金屬閑極時 更為複雜的難題。 ，為了在圖案化與蝕刻金屬層時保護閘極介電質，有些 製造商提έΗ-種在問極介ff與金屬層間沉積—钱刻阻 擔層的方法’ ^而此程料僅增加了閘極介電質的厚度， ^需涉及額外的處理步驟。為了避免在—金屬層上需面臨 選擇性倾其他金屬的要求，有些人料—種湘具有中 間能隙之功函數值的單—金屬作綱極材料，，然而可惜的 6 200849485 是’利用此鮮—金相極f極的電晶體卻具有高臨界電 壓的不良特性。 另有人^出一種後閘極(gate-last)的製作流程，其一開 始整製作習知電晶體，包括形成具有基礎植入 才參雜區 的夕曰曰夕閘極接者移除多晶發閘極與基礎閘極介電質以 提供-閘極開口，在閘極開口的邊緣與底部共沉積新的閘 Ο 極；丨電貝，接著再以金屬填充此閘極開口以取代多晶矽閘 極。在上述後閘極的製作流程中，於形成新的閘極介電質 與取代金屬閘極之步驟前，其已先將摻雜物植入電晶體的 夕個元件中(例如源極與汲極），因此後問極的製作流程一 般需於低溫(例如約700。0以下)下進行沉積問極金屬與閉 極介電質後的所有後續步驟，以避免摻雜物擴散。
然而，不管製作金屬閘極裝置的特定技術為何，業者 仍期待種可具備上述應變秒通道工程之優勢 整合目前習知製程的運作方式 【發明内容】 上述習知技術的缺點與不足可藉喊供—種新的互 補式金屬氧辨導體(CM〇s)裝置之概結構 -範例實施例中，本結構包含第—閘極堆疊，歧右= 於基板上之第1極介電層，以及形成於第—間極介電層 7 200849485 上之弟一金屬層，以及弟一閘極堆疊，包含形成於基板上 之第二閘極介電層，以及形成於第二閘極介電層上之第二 金屬層。其中第一金屬層係以得以給予基板一拉伸應力的 方式形成，而第二金屬層則以得以給予基板一壓縮應力的 方式形成。 在另一實施例中，互補式金屬氧化半導體(CM〇s)裝 置包含具有形成於基板上之壓縮應力金屬層的NFET金屬 閘極堆疊，以及具有形成於基板上之拉伸應力金屬層的 PFET金屬閘極堆疊。上述鹏丁與pFET金屬閑極堆疊 之結構各包含一咼介電閘極介電層，且其*NEFT金屬閘 極堆疊結構的壓縮應力金屬層係用以在基板上給予一拉 伸應力，而PFET金相姆疊結構陳伸應力金屬層則 用以在基板上給予一壓縮應力。 在另-實施例中，形成互補式金屬氧化半導體(CM〇s) 裝置之閘極結構的方法係包含形成閘極介電層在半導體 基板上升>成第金屬層在閘極介電層上 第-金屬層上，移除在裝置之PFET部分上_蓋層j -金屬層’並㈣健置之刪τ部分上的魅層*第一 金屬層’形成第二金屬層在裝㈣NFET與PFET部分上， 以及^除在裝置之NFET部分的第.二金屬層等步驟。其中 '屬層係以得以在基板上給予一拉伸應力的方 式成，而弟二金屬層則以得以在基板上給予-壓縮應力 8 200849485 的方式形成。 在又一實施例中，形成互補式金屬氧化半導體(CMOS) 裝置之閘極結構的方法則包含在—半導體基板上形成一 閘極介電層，在閘極介電層上形成-第-金屬層，在第-，屬層上形成-帽蓋層^錄在裝置之ρρΕΤ部分上的帽 蓋層與第-金屬層，並糾在裝置^NFET部分上的帽蓋 f與第—金屬層，在裝置之NFET與PFET部分上形成一 Ϊ二金屬層，以及移除裝置之NFET部分上的第二金屬層 =驟。其中上述第二金屬層細__的方式形成於 、置的PFET部分之上，且其中第一金屬層係以得以在基 予-拉伸應力的方式而形成，而第二金屬層則以得 以在基板上給予一壓縮應力的方式而形成。 【實施;方式】 本發明揭露-觀良金相極互補式金屬氧化 體(CMOS)裝置的通if遷移率之方法。簡單而言 辦 了具有殘留應變於其中:金屬閘極 之結構，其方向上係取決於間極與NM0S聚置或 裝置間的Μ性。本發啊如餘於介電 金屬閘極，並使閘極能根據電晶體的導電類型^ = 性的殘留應變，以將其載子的遷移率提升至超越I述= 技術方法之上；再者，本發明所提供之應變金屬閉極^藉口 9 200849485 由與習知金屬閘極製作程序相容的方式形成。 =圖⑽到呦’其綠示一系鄉 以說明= 康本發明之一實施例形成具有諧雜ned stressed)金屬閘極之CM0S裝置的方法。如圖 ， Ο 半導體基板100具有-閘極介電層1〇2形成於豆上。舉例 而言’基板100可包含-塊石夕或絕緣層上石夕_結構缺 而例如錯、石夕錯、絕緣層上石夕鍺、碳化石夕、銻化銦、石申化 明 銦、構化銦，化鎵等其他半導體材料亦均可適用於本發 〇 在-範例實施例中，閘極介電層102係以高介電材料 形成之，好比例如氧化銓、石夕氧化給、氧化彌、氧化錯、 石夕氧化錯、氧化组、鋇總鈦氧化物、鋇鈦氧化物、鎖欽氧 化物、氧脑、氧化!g、純組氧化物、以及峨錯辞。 然而’本發明亦可使用其他可降侧漏之閘極介電材料。 如圖1⑻所示，基板觸具有複數個淺溝渠隔離( 區104形成於其中，用以定義互補式CM〇s裝置區域 NFET與PFET。閘極介電層1 〇2係可利用習知的沉積方法 (例如化學氣相沉積(CVD)、低壓CVD、電漿輔助@CVD (PECVD)、原子層CVD、或物理氣相沉積(pvD)等程序）， 而形成於基板100與STI區104。而在自選沉積額外的 200849485 NMOS功函數調諧層(tuning iayer)(未圖示)後，將第一金屬 層106形成於閘極介電層丨〇2上。在此實施例中，第一金 屬層106係供裝置之nfet區使用，且係以可在基板1〇0 上呈現拉伸應力的方式沉積。換句話說，第一金屬層106 係形成為一壓縮應力膜。 在一範例實施例中，第一金屬層106係氮化鈦(丁iN) 膜’其形成之厚度約在10-200埃(A)。形成此範例厚度， 並具有相對較高的密度及較少氧含量之壓縮應力第一金 屬層1〇6(除了具有適合NFET裝置的適當功函數外），係 以可在閘極下的電晶體通道上給予拉伸應力的方式形 成。其他有關形成高密度之壓縮應力TiN膜的資訊，係可 在1998年費城物理出版機構所發行，由大衛葛洛克所出 版之「薄膜製程技術手冊(Handbook of Thin Film Process Technology)」中找到，其全文在此併入參考。 形成第一金屬層106之後，接著形成帽蓋層1〇8(例如 介於50-200 A的非晶矽)於第一金屬層1〇6上，以保護其 中所選部分不會受到後續蝕刻的影響。接著，如圖1(b)所 示，圖案化此裝置，使其移除裝置的PFET部分上的帽蓋 層108與壓縮應力第一金屬層1〇6。參照圖i(c)，在自選 沉積額外的PM0S功函數調諧層(未圖示)後，將第二金屬 層110沉積於裝置的NFET區上，以及裝置之pFET區中 暴露的閘極介電層102上。 11 200849485 (:、 在-範例實施例中，第二金屬層110亦為氮化欽(TiN) 膜’其形成之總厚度約在50·500埃㈧。在一較佳實 中’NFET與PFET金屬的厚度係大抵相等，例如約彻_5〇〇 埃。而第二金顧106可選擇性地_單—沉積步声 疊）”戈透過許多層疊沉積步驟而形成。不管在哪一 ^ 下，與第一金屬層106相比，第二金屬層11〇可形成例如 、-具有較多孔_結構，_能作為在閘極下之電晶體通 道中給予-驗應力的拉伸應力膜。有_是，相對於麼 縮應力TiN膜106❿言，含有較高氧含量且膜厚較厚的拉 伸應力TiN膜11〇具有更適於pFET金屬閘極之功函數的 額外優勢(2〇〇5年VLSI會議，；[BM，艾德華卡特爾）。 接著參照圖1(d)，再次圖案化此裝置，以從NFET區 移除拉伸應力第二金屬層110(與.額外的調諧層）。接著，於 圖1(e) ’多晶矽層112(例如約在5〇〇_1〇〇〇 A的厚度何形 成於此裝置上，以完成NFET與PFET _極堆‘構^ 非晶石夕帽蓋層108包含在NFET堆疊結構巾，而多日^石夕層 ⑴的沉麵可伴隨一適當的原师n-Situ)|U共培及/或^ 釋氫氟酸(DHF)預先清潔步驟，以確保多晶矽層112可 好地依附於非晶石夕層1〇8。 又 驟，其 最後’圖1(f)顯示閘極接觸圖案化與定義之步 12 200849485 伴隨了習知技術在進行源極/汲極摻雜物之植入步驟前所 形成的侧壁間隙壁114結構。依上述方式所形成的新穎 CMOS閘極結構，其特徵在於所形成的]^17]5丁閘極堆疊 除了具有第一 TiN(壓縮應力)金屬層106與閘極介電層1〇2 外，還包含選擇的多晶矽層112以及非晶矽帽蓋層1〇8， 而PFET閘極堆疊118貝除了具有第二TiN(拉伸的)金屬層 110與閘極介電層102外，還包含選擇的多晶石夕層112。曰 如上述本發明所提供之雙應金屬閘極結構係可和習 知^屬閘極結構之其他變化以及製程技術相容。另一範例 為前述後閘極的製作流程方案，其—開脚完整製作習知 ，晶體，包括形成具有基礎植入摻雜區的多晶矽閘極，接 著移除多晶;^閘極與基礎閘極介電質以提供—問極開 口，在閘極開口的邊緣與底部共沉積新的閘極介電質，接 著再以金屬填充此閘極開σ以取代多晶秒閘極。圖2顯示 以此方式所形成之一範例雙應金屬閘極結構200。 本發明雖以較佳實施例作描述，但熟此技藝者當知其 亦可做許多潤_不偏離本發明之齡。再者，許多修飾 係，用於特定情況或材如教授本發明，料偏離本發明 之範< 因此’本發明並不受限於在此所揭露之較佳實施 例’而係包含所有落人以下請求項之範脅的實施例。 13 200849485 【圖式簡單說明】 參照範例圖式，其中類似元件係以類似符號代表·· 圖1⑻到1(f)為一系列的剖面圖，其繪示依據本發明 之了實施射形成具有諧應金屬閘極力CM0S裝置的方 Ο 圖2繪示依據本發明之另一 閘極的CMOS之剖面圖。 實施例形成具有諧應金屬
【主要元件符號說明】 100 基板 102 閘極介電層 104 淺溝渠隔離區 106 第一金屬層 108 帽蓋層 110 第二金屬層 112 多晶矽層 114 側壁間隙壁 116 NFET閘極堆疊 118 PFET閘極堆疊 200 雙應金屬閘極結構 14

Claims (1)

  1. 200849485 十、申請專利範圍·· 含·· •一種互補式金屬氧化半導體(CMOS)裝置的閘極結構，包 一第一閘極堆疊，包含形成於一基板上之一第一閘 極介電層，以及形成於該第一閘極介電層上之一第一金 屬層；以及 ’ Ο 一第二閘極堆疊，包含形成於該基板上之一第二閘 極介電層，以及形成於該第二閘極介電層上之—第 屬層； —w 其巾料-金屬層仙得在該基板上給予—拉 2了式形成’ μ該第二金屬層係以得在該基板I 給予―壓縮腌摘一方式形成。 2. 層包如含贿構，料該第-能第二金 屬 3. 層^構，財該第—與該第二金屬 如請求項1所述之閘極結構，其中： 堆疊:包:―Ν型場效電晶體(丽)閘極 隹且，、有料—金屬層作為—_應力膜；以及 15 4. 200849485 田該第二閘極堆疊包含一P型場效電晶體(PFET)閘極 堆s:，具有該苐二金屬層作為一拉伸應力膜。 5. 如請求項4所述之閘極結構，其中該]^型場效電 極堆疊更包含-壓縮應力氮化鈦卿成於該 層上，以及一帽蓋層形成於該壓縮應力氮化鈦膜上。 Γ 6· 如μ求項5所述之閘極結構，其愤P型場效電晶體閘 f堆疊更包含-拉伸應力氮化鈦膜形成於該第二閘極介電 7. 8. 極堆如 雜結構，射該p型場效電晶體閉 效電力德鈦膜所形成的厚度大於該N型場 體_知之雌縮應力氮化鈦膜所形成的厚度。 500 埃。 埃(A)，以及其中該p、電·約卿至約 力氮化鈦_形成之極堆_拉伸應 如請求項6所述之閘極姓 介電層包含相同材料。、4、中該第—與該第二閘極 16 200849485 ίο. 介之難結構，其中鄕—_第二閘極 二電層為m電材料’其包含至少—種以下材料：氧化 、^矽乳化給、氧化鑭、氧化錯、石夕氧化錯、氧化纽、鎖在田 ，氧化物、鋇鈦氧化物、贼氧化物、氧她、氧化紹、、夢 銳鈕氧化物、以及鈮酸鉛鋅。 (、11·—種互補式金>1氧化半導體(CMOS)裝置，包含： N型場效電晶體金屬閘極堆疊結構， 一基板上之一壓縮應力金屬層； y成、 P型場效電晶體金屬閘極堆疊結構，包含形成於該 基板上之一拉伸應力金屬層；以及 田該N型場效電晶體與該p型場效電晶體之金屬閘極 堆璺結構各包含一高介電閘極介電層； 其中該N型場效電晶體金屬閘極堆疊結構之該壓縮 應力金屬層係得以在該基板上給予一拉伸應力，而該p型 %效電晶體金屬閘極堆疊結構之該拉伸應力金屬層則得 以在该基板上給予一壓縮應力。 如請求項11所述之互補式金屬氧化半導體裝置，其中該 拉伸應力與該壓縮應力之金屬層皆包含一氮化鈦膜。 17 200849485 13. 如請求項12所叙式金魏化半導财置， f場效電晶體與該P型場效電晶體的金屬閘極堆疊結禮二 南介電，極介電層係、包含至少—種以下材料：氧化給^ ，給、氧化鑭、氧倾、魏倾、氧脸、鋇細^化物、 ==*τ氧化物、氧她、氧她、輪氧化物、 η 14. 如請求項13所述之互補式金屬氧化半導體裝置，並中該 全金屬閘極堆叠結構更包含形成於該壓嶋 :屬」上非晶㈣蓋層’以及形成於該帽蓋層上之-多 秒層 15. 16. Ρ 如請求項14所述之賴式金屬半導财置，其中該 入效電晶體金制姆疊結毅包含形成於雜伸應力 孟屬層上之一多晶矽層。 如β睛求項15所述之互補式金屬氧化半導體裝置，其中該 ^效電晶體_堆疊結構之雜伸應力氮化鈦膜所形成 j予又大於該Ν型場效電雜酿堆疊結構之該壓縮應力 虱化鈦膜所形成的厚度。 如:月求項I6所述之互補式金屬氧化半導體裝置，其中該 里場效電晶體_堆疊結構之該壓縮應減化鈦膜所形成 18 17. 200849485 之-厚度係約_至約埃，以及其中該 閉極堆疊結構之雜伸應力氮化鈦膜所形成之—厚度係約 400至约500埃。 18. 一種形成一互補式金屬氧化半導體(CM0S)裝置之一閘 極結構的方法，該方法包含·· 形成一閘極介電層在一半導體基板上； C1 形成一第一金屬層在該閘極介電層上； 形成一帽蓋層在該第一金屬層上； 移除在該裝置之一 p型場效電晶體部分上之該帽蓋 層與該第一金屬層，保留在該裝置之-N型場效電晶體部 分上之該帽蓋層與該第一金屬層； 形成一第二金屬層在該裝置之該N型場效電晶體與 該P型場效電晶體部分上；以及 移除在該裝置之該N型場效電晶體部分上的該第二 I 金屬層； 中0玄弟金屬層係以得在該基板上給予一拉伸應 力的方式形成，而該第二金屬層則以得以在該基板上給 予一壓縮應力的方式形成。 19·如請求項18所述之方法，更包含圖案化及侧一 N型場 效電晶體閘極堆疊以及_ p型場效電晶體閘輯疊之一步 19 200849485 驟’其中該N型場效電晶體閘極堆疊包含該閘極介電層、該 第一金屬層及該帽蓋層，而該P型場效電晶體閘極堆疊包含 該閘極介電層及該第二金屬層。 如請求項丨9所述之方法，其中該Ν型場效電晶體閘極堆 疊之該第一金屬層包含一壓縮應力氮化鈦膜，而該Ρ型場效 電晶體閘極堆疊之該第二金屬層包含一拉伸應力氮化鈦膜。 21 · 如請求項20所述之方法，其中該Ρ型場效電晶體閘極堆 疊之該拉伸應力氮化鈦膜所形成的厚度大於該Ν型場效電 晶體閘極堆疊之該壓縮應力氮化鈦膜所形成的厚度。 22· 〇 23. 田如口月求項21所述之方法，其中制型場效電晶體閘極堆 =之該壓縮應減化鈦_形成之—厚度係約1()至約· 鈦腺ΖΪ、巾^㈣效電晶體雜堆4之雜伸應力氮化 、斤形成之一厚度係約5〇至約5〇〇埃。 *所Γ之方法’其中該Ν型場效電晶體問極堆 埃，+ 成厗度係約400至約500 如請求項20所述之方法’其中該第—與該第二閘極介 20 24. 200849485 層包含相同材料。 25·、如請士求項24所述之方法，其中該第一與該第二間極介電 ，為電材料’其包含至少—種以下材料：氧化給、石夕 氧化铪氧化鋼、氧化錯、石夕氧化錯、氧化组、鋇錯欽氧化 物、鋇鈦氧化物、錄鈦氧化物、氧化紀、氧化銘、錯銳 化物、以及銳酸船辞。 〇 26· 27· U 如請求項20所述之方法，更包含在圖案化與韻刻該 場效電晶體與該P型場效電晶體的閘極堆疊之該步驟前 形成-多祕層於雜置之該N型場效電晶體與該 電晶體的部分上。 双 一種形成一互補式金屬氧化半導體(CM0S)裝置之一 極結構的方·法，該方法包含： W 形成一閘極介電層在一半導體基板上； 形成秦’金屬層在該間極介電層上· 形成一帽蓋層在該第一金屬層上； 移除在域置之-P觸效電晶體部分上之該帽菩 層與該第-金屬層，保留在該裝置之一 N型場效電晶體ς 分上之該帽蓋層與該第一金屬層； 形成-第二金屬層在該裝置之該_場效電晶體與 21 200849485 該P型場效電晶體的部分上；以及 移除在該裝置之該N型場效電晶體部分上的該第二 金屬層； 其中該第二金屬層係藉由鑲嵌填充形成於該裝置之 該P型場效電晶體部分；及 該金屬層係以得在該基板上給予一拉伸應
    予一麵應力的方式形成。 似基板上給 22
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