TW508678B - Method for fabricating a dual metal gate for a semiconductor device - Google Patents
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Description
508678 五 發明說明(1) 登2月之背景 . <發明之範圍〉 泛使ΐί!為::=製備半導體元件導電金屬閘結構的廣 術來隹"丰邋二Ϊ殊之部分為利用金屬層鑲嵌的製程技 術來衣仏+ v體兀件之雙重金屬閘極。 <相關技藝之描述〉 “ ΐ::ί導體元件製備技術的發展中,對於傳統習見 夕日日矽或金屬矽化物所構成的閘極結 小於0. 1微米以下的製裎太進0士 ^再右田其線見孜何 理之限制。 衣%水率% ’將面臨到許多元件的物 間極夕為閘極之元件,其所遇到的問題為當 ΓΐΓΐ! Γ厚度增加時所伴隨而來的將是閉極缺乏 離子植入摻雜技術所生成㈣的 生,而且當改變摻雜齙;产…> + .曰男牙透之現冢屋 變元件動作的啟始在70件内的分布時,亦將同時改 之導:':ί:製:ΐ ΐ於:ΐ到降低電阻所需減小 構。, 的考里下,其亦非一合適的元件結 動機口:發:二:=起了另-更新型的閘極的發展 為基礎來發展,以新型的材料及新的元件閘極結構 應此需求金屬材料:^習用閘極之更佳替代物。為因 為金屬閘極在本質上=1於本發展領域中才被引用之,因 、不雨進行離子摻雜的製程技術,因此 第5頁 五、發明說明(2) ' ---:-----— * .存j於傳統習用閘極所會發生的上述問題便自然地被迎刀 而解,其將不會發生於金屬閘極之使用上。 此外’傳統習見的金屬閘極因其為屬於單一金屬閘極 =構如此將可藉由金屬因具有於矽半導體能階之中間 此V間隙處的功函數動作值,故可在1^塑通道金屬氧化半 導體電晶體(NMOS)及Ρ型通道金屬氧化半導體電晶體 = MOS)區域中形成一對稱的啟始電壓。而該金屬間極的材 貝可由多種金屬製成,例如鎢(w),氮化鎢(WN),鈦 (τυ,氮化鈦(πν),鉬(Mo),氮化鉬(M〇N),鈕(Ta),氮 化鈕(TaN),鈦鋁合金(Ti3A1),氮化鈦鋁合金(Τΐ3ΑΐΝ) 等。 — 不幸地,當單一金屬閘極被使用在互補式金屬-氧化 場效應電晶體元件(CMOSFET)時.,其平坦的能帶電壓於元; 件的NMOS及PMOS區域處將會因此減小,所以啟始電壓也將. 因此而增加。而為了要使啟始電壓降低,則可利用植入相 反離子所形成的阻障通道來達成。然而,.此將會負面地造 成於革補式金屬-氧化場效應電晶體元件内的短通 及遺漏電流的增加。 μ ’因此,由上述的說明再另外發展了雙重金屬閘極的元 件構造’其主要精神為根據一已存在之雙重多晶矽閘極的 操作原—理,將二個分離且不同的金屬閘極分別置於相對的, NMOS及PMOS區域中,並以不同的功函數值動作之。 根據之前的習見技藝,第1A圖到第1E圖顯示了 一傳統 雙重金屬閘極半導體元件的連續製作步驟。 508678
由第1 A圖所示;於習异沾4士# :^ , A ^ 見的技蟄中為在1之半導體基底 材貝上先利用光罩微影技術及雜 ⑽㈣“㈣心 峨子植入製程形成兩個分離 的NM0S及PM0S區域,其於圖中為以“和扑表之。隨後並在 基Ϊ材【士形成2之場氧化層,並於半導體基底材質上再 形成一層薄的遮蔽氧化層(此未顯示在圖例),再利用光罩 微影技術及植入適當離子用以調整3a之關⑽區域及讥之 P Μ 0 S區域之個別的啟始電壓。 然後,再將薄的遮蔽氧化層移除。於第1β圖所示,4 =閘極絕緣層,而5和6則分別為在關〇s區域之金屬層及阻 金屬層此一種金屬層為連續依次地在整個半導體元件 基底材質上形成。5之金屬層為用在關⑽區域,其包含有 接近矽兀素傳導帶之費米能量。接著於題⑽區域上再形成 二適當的第一層蝕刻光罩(此未顯示在圖例)。而後6之阻 ¥金屬層及5之NM0S金屬層則可利用該第一層蝕刻光罩, 經由黃光微影及蝕刻製程連續地將3b之㈣⑽區域上的5及6 二層金屬層移除之,最後所得的結果如第lc圖所示。 然後於半導體元件上全面地沉積一層金屬層,第丨D圖 中以7表之。此金屬層再PM0S區域上與基底材質之間有4之 絕緣,層的結構存在,如第1 D圖所示。 並於PM0S區域上再形成一適當的第二蝕刻光幕(此未 顯示在.圖例),且利用此蝕刻光罩經過黃光微影及蝕刻製 程,將雙重閘極之8a及仙分別地於NM〇s APM〇s區域上形 成,結果如第1 E:圖所示。 接著於元件上全面地沉積上一層氮化物,其為一種絕
508678 五、發明說明(4) :緣的構造將作為後續間隙壁形成。經全面地毯覆式蝕刻 製程後,間隙壁即會於8a及8b之雙重金屬閘極的横向侧面 壁上开》成。然後再經離子植入的製程步驟,於每一 3 a之 NM0S及3b之?103區域上形成源極/集極.區域,如第1£;圖中 之10a及10b所示。以上之連續步騾後,即可完成一具 重金屬閘極的互補式金屬—氧化場效應電晶體元件之製又 備。 不幸地,上述習見之雙重金屬閘極的結構有多個缺 =,例如要在NMOS及PMOS區域上的金屬層欲形成金屬閘 ¥,其所使用的蝕刻製程配方不易設定調配,徐此之外, 另蝕刻製程及離子植入步驟中將可能使用到電 此將增加對元件的傷害’且當金屬閘極 :丄的 熱製程對於元件亦會產生更多的熱損害。 八後、戈的 而且,由於在NM0S區域與在PM〇s區域 者之間具有相當的高度|,此在丰導邱开土的金屬閘極- 損壞及姓刻製程能“ί 4 t” 基底材質被 的。]衣扛此力的考$下,確實是難以準確地被掌控 〈發明之總論〉 ,故本發明的目的為提供一蓋墓卿_ 閘極萝借的古氺甘4 〇牛¥肢凡件之雙重金屬 J似衣備的方法,其為·一更.簡县播 束私昍沾S — R 更間易且%疋可靠的製程方法。 · I月的另目的為提供一改善半導I#亓此+德义人 屬閘極掣锆沾古沬. 卞守奴兀件之雙重金 程對元件本身的所诰士沾為作~ Λ u包漿或熱相關製 及操作::…熱傷害,而且可強化間極的外貌.
第8頁 508678 五、發明說明(5) 本發明的再一目的為提供一改善半導體元件之雙重金 屬閘極製備的方法,其可達到更高階的元件整合積集度。 本發明之所有欲達成的目的為利用金屬層鐵嵌^程 技術來完成半導體元件之雙重金屬閘極的構造。 、根據本發明所提供的製程方法,其製造^半導體元件 為一具有PM0S區域及NM0S區域於其十的半導體基底材質, 並連續依次地在此基底材質上沈積第—閘極絕緣層及第一 ,屬層,且該第一金屬層及第一閘極絕緣層又再依序地經 黃光光罩微影及蝕刻等製程定義出元件之.圖案,最後社 為在介於PM0S區域及NM0S區域間的第—區域内 τ ^ 問極’而於另外相對的位置上之第二區域另了 = 義上的。亞閘極。 而後於每一第一閘極及啞閘極的橫向側面壁上形成絕 f的間隙壁,並於第一閘極及啞閘極相鄰之每一側面的 導體基底材質内形成了源極/汲極區域,並另於包含 極/汲極區域的絕緣體之結構層上再沉積一層内層介… ί二為了使第一金屬層所定義出的圖形可曝露出g來,$需再 ,荖光修整的步驟來達成。而為了使第二區的半 底材’質之圖案部分可爆露出來,需再將1閑=^ 修 2於+導體基底材質曝露的部分及内層介電連 第二開極絕緣層及第二金屬層。之後v為以; '包層可曝露出來需再經磨光修整第二金屬 二 絕緣層’如此就可製得在第二區域内的第二;;弟-開極 在本發明中,之第一及第二閘極可分別地被使用在關〇s
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508678 五、發明說明(7) ^ =驟中未被選定的區域,其部份的半導體基底材質將 疋曝鉻於外的,而由此則可定義出楚— 昂二區域。 第二閘極絕緣層及第二金屬層 ‘. 港朴…… ㉟為被連續依次地沈積並 覆盍於半導體基底材質的第二區域 七^八 ^ ^ t X所曝露的部份及内層介 :層與第二光罩層上。接著,為了使内層介電層可曝露出 來,故依序地將第二金屬層’第二閘極絕緣層和第二光罩 層進行磨光修整的程序,如此即可完成整個雙重金屬閉極 的結構。
對於第一金屬層而言,其較合宜的沈積厚度為介於 1 0 0 0到3 0 0 0埃之範圍内,而第一及第二金屬層則可視元件 的功能來疋義被使用於N Μ 0 S及P Μ 0 S區域上,亦即當腿q g被 定義為第一區域時,則PMOS就被定義為第二區域來作用。 相對地,亦可將二者分別定義成第二區域及第一區域,因 其為可轉換的。 對於在NMOS的金屬層而言,其所具有較合宜的功函數 值為小於專於4 · 2電子伏特。而相同地對於在ρ μ 〇 §的金屬 層而言’其所具有較合宜的‘功函數值為大於等於4· 8電子 伏特。 、,另外,幵》成第一閘極絕緣層及第二絕緣層的物質最好 為遥用由氧化物,氮-氧化物及其他具有高介電常數材料 所組成的族群。 " 而第一光罩層及第二光罩層所沈積之較合宜的厚声 介於8 0 0到1 〇 〇 〇埃之範圍内。對於内層介電層而言,又“、、 40 0 0到60 0 0埃之範圍内為宜。 、隹
第11頁 508678 五、發明說明(8) --—----- 而在形成第-金屬層及第—閘極絕緣層所使用 方法,可画乾蝕刻或濕蝕刻來完成。 本發明將完整地以文字及附隨的圖示於下說明,並以 較適^的具體實施例輔以說明。本發明將包含於許多不同 的形悲中,故不應將其只限制於所提出分析說明之 施例之内。 貝 <較佳具體實施例之詳細描述> 第2A圖中之11為半導體的基底材質,在其中先定義出 主動區域及場區域,而後並於場區域内形成以12表示之場 氧化層。
而後,在11之半導體基底材質上利甩習見之黃光光罩 微影技術及離子植入製程形成N—井(N —wel丨)及?-井 (Piell)在圖示中分別以13a及13b表示之。而該13 a之N-井^及13b之P-井分別又被成為pM〇s區域及題⑽區域。 在第⑼圖中顯示在含有13a及13b之PM0S及NM0S區域的 lj之半導體基底材質上形成了 一14之遮蔽,氧化層,此遮蔽 氧作層的較適宜的厚度為介於5〇到1〇〇埃之範圍内。再以 黃光光罩微影技術及離子植入製程調整13a及131)之PM〇s及 NM0S’之啟始電壓值。然後再將14之遮蔽氧化層移除之。
對於1 3a之PMOS區域而言,其較適宜的植入離子以石中 (As)或磷(P)為主而對於13b之龍〇8區域則以硼(B)或二說 化硼(BF2)為主要之植入離子。 接著於第2C圖中顯示在整個含有i3a之PM0S及13b之 NM0S區域之半導體基底材質上連續沈積了第一閘極絕緣層
.......… - ^極:::沾此:5分別以15及16表示。而形成15之第 其他且有古二千ί貝取好為選用由氧化物,氮-氧化物及 ^有;:介電常數材料所組成的族群。. 上,作i ί金屬層在本具體實施例中為用在NMOS區域 示在圖例)上可。具上體替,中用在區域(此未顯 有接近矽之傳導^的眷*之心屬其所使用的金屬材質須具 之第_么s 贡的費米旎量者為宜,亦即在NMOS上的1 6 的金屬材料i f以具有小於等於4.2電子伏特之功函數值 適宜4 I 另外,丨6之第一金屬所沈積的較 厗度為介於100〇到3 00 0埃的範圍内。 f著f第2D圖中,在13aiPM〇s及丨扑之關⑽區域上的 積ί;;ίί層上沈積了第一光罩層,以Η表示之。此沈 Ϊ 於8〇。到1〇°°埃之範圍為適宜。然後並利用 =疋的姓刻光罩經由姓刻製程將第一光罩層之圖案定義出 後“再將4守疋的钱刻光罩移除,並再以1 了之第一光 罩層已定義出的圖形作為飯刻製程的阻障物。經 !!ΓΓί即可$成16之第—金屬層及15之第1極絕緣層 的圖’/卞疋義在兀件上,如此就成功地在丨3a之⑽⑽區域及 13b之NMOS區域上分別形成二個閘極結構,在圖示中以4〇 和50表示。當於13b之關的上5〇之閘極結構作為雙重閘極 結構的第一閘極之功能時,在13a之pM〇s上的4〇 為擔任一啞閘極的功能。 # 接著’為了要在半導體基底材質上的源極/汲極區域
508678 五、發明說明(10) :禮入低劑量的齙;.+ LL & 極作為進行離子插,t為利用40之啞閘極及50之第一閘 以輕摻雜的S2 ^之阻¥物’植入低濃度之特定離子 覆蓋成在:後沈積上-層氮化物將 一 _ θ η μ t 果。在〇之啞閘極及50之第一閘極的每 棱向側壁上均形成18之間隙壁。 ]往的母 而後,再以1·8之間隙壁.你氣魏工姑 之丰篆轉a念从餅]f、土作為離子植入的阻障物,在11 V 基底材貝上植入高劑量的 口亞閘極及50之® _ μ托λα工, 如此在4 U之 、免κ及…之弟閘極的兩側形成了高摻雜離子的源極/ 沒極區域,在第2E圖中以19a及19b表示之。子的源極/ 上2㈣中所示’於包含有…及m之源極/没極區 =積一:層介電層形成—絕緣結構,此介電層於圖中 表示,其較適宜的厚度為介於4〇〇〇到6_埃的範圍 内。再將其與第一光罩層一起磨.敫 μ 第一金屬層頂部表面爆露出來為止刻之16的 接著於13a之PMOS區域或於13b之龍⑽區域中擇任一, 先將其以21之第二光罩層罩幕起來,在第2〇圖中之呈實 施例為以1 3 b之N Μ 0 S區域為說明,其上有覆蓋了 2丨之第二" 光罩’層的50之第一閘極,亦即在具有曝露於外之16第一一金 屬層的第一閘極5 0上沈積.覆蓋一層21之第二光罩層,其 積的厚度介於8 0 0到1 0 0 0埃的範圍内為宜。 八/ 再以第二光罩層作為阻障物’經由乾蝕刻或濕蝕刻之 製程,將16之第一金屬層及15之第一閘極絕緣層從13a之 PMOS區域完全地移除,如此得到—完全取代啞閘極的開.
第Ui頁 ^08678
此開洞使11之半導體基底材 出來。
洞,第2G圖中為以6〇表示 中的部份PM0S區域13a曝露 接著’如第2 Η圖中所示,在11之丰導麟其 所 露部份及20之内層介電層盥21之笫—氺¥ = 土、-材貝的曝 认、士社 _ 包尽之弟一先罩層之上連續依攻 =%上22之第二閘極絕緣層及23之第二金屬層。在此u 斤弟二閘極絕緣層所使用的材質最好為選用由氧化物,
〜虱化物及其他具有高介電常數材料所組成的族群。^ 在本具體實施例中23之第二金屬層為被PM〇s所使用, 而此23之PM0S區域金屬層所使用的金屬材質最好為具有與 石夕之價帶相當之費米能量者為宜,亦即作為pM〇s區域金屬 層的金屬材質其功函數值須大於等於4· 8電子伏特。 ^如第21圖所示,將23之第二金屬層,22之第二閘極絕 緣層及21之第二光罩層一起磨光修整到2 〇之內層介電.層的 頂部表面露出為止,此結果為2 1之第二光罩層將被完全地 移除,而23之第二金屬層及22之第二閘極絕緣層將被保留 在60之開洞中,而且覆蓋在13a之PMOS區域上,如此即形 成了雙重金屬閘極的第二閘極結構,在第2 I圖中以7 〇表 〇 ,雖然在本具體實施例中1 6之第一金屬層及23之第二金 屬層分別使用在NMOS及PMOS區域,但相對地,.在其他可替 代的實施例中其二者亦可分別地被使用在PM0S及NM0S區域 中。 如上所敘述的實施例中,本發明提供了 一種使用金屬 層鑲礙的製程技術來完成雙重金屬閘極結構的製備方法,
508678 五、發明說明(12) ,該製備方法為了形成除了雙重金屬閘極結構中的第一閘極 之單一閘極外,還考慮了第二閘極在雙重閘極結構中的形 成方式。 . . 如上所述的結果,本發明的整個製備流程及方法為相 當簡易且穩定的’。 . 再者,因金屬層鑲嵌的製程技術可更進一步減少製造 程序中所使用的電漿及周圍.熱效應對於元件之傷害。依據 本發明的方法所製,造的雙重金屬閘結構具有極隹的外貌, 且更能增進半導體元件之操作特性。而且,本發明一有效 地解除習見製造技藝所存在未能被解決的問題,且對於元 j 件整合積集度的提高將有相當正面的貢獻。
第16頁 508678 圖式簡單說明 第1A圖至第1 E圖為一傳統雙重金屬閘極半導體元件的 連續製作步驟。 第2 A圖到第2 I圖為根據本發明敘述之半導體元件使用 之金屬層鑲嵌製程技術,由其具體實施例所繪之雙重金屬 閘極結構的連續製備步驟之圖示。 · <圖式中元件名稱與符號對照>. 1 :半導體基底材質 11 半導體基底材質 12 :場氧化層 13a、13b : N-井、P- 井 14 :遮蔽氧化層 1 5、1 6 :第一閘極絕緣層及第一金屬層 1 ΐ :第一光罩層 18 :間隙壁 1 9 a、1 9 b :源極/汲極 1 0 a、1 0 b ·源極/ >及區埠極區域 2 :場氧化層 2 0 介 •0^ 層 21 第 -- 光 罩 層 2 2 第 二 閘 極 絕 緣 層 23 第 金 屬 層 3 a PM0S 區 域 之 啟 始 電 壓 3b NM0S 區 域 之 啟 始 電 壓
第17頁 508678 圖式簡單說明 4 :閘極絕緣層 40、50 :閘極結構 5 : NMOS區域之金屬層 6 : NMOS區域之阻障金屬層 6 0 :取代啞閘極的開洞 7 :金屬層 8a :雙重閘極 8 b :雙重閘極
第1.8頁
Claims (1)
- 508678 一 修正 範圍 I· 一種製備半導體元件之雙重金屬閘極之方法,其所 包含的步驟有·· 先在半導體的基底材質上形成具有PM0S及NM0S區 域; 並在此半導體基底材質上連續依次地沈積上第一閘極 絕緣層及第一金屬層,· 且在依序定義出第一金屬層及第一閘極絕緣層的圖 案’使得第一閘極形成在PM〇s區域或關〇s區域二者擇一之 第一區域中,而另一啞閘極則形成在相對的NM〇s區域或 PM0S區域二者則一之第二區域中; 於,一閘極及啞閘極之每一橫向侧壁上形成間隙壁; 於第一閘極及啞閘極間之相鄰的每一侧邊的半導體基 底材質中形成源極/汲極區域; "及極於區絕域緣結構上沈積一層内層介電層,並完全覆蓋源極 屬層:電層磨光修整’使得已定義好圖案的第-金 移除口亞閑極,徒得右楚_ 部份.地曝露出來;于在第—區域的半導體基底材質可以 於半導體基底材質所暖嘴 依次地沈積第-^的邙份及内層介電層上連續 將第層及第二金屬層; 電層曝露:來心c緣層磨光修整’使内層介 2.-種製備半導體元;間極的結構。 卞^雙重金屬閘極之方法,其所第19胃包含的步驟有: . 先在半導體的基底材質上形成具有PM〇s及題⑽區 域; n並在此半導體基底材質上連續依次地沈積上第一閘極 絕緣層、第一金屬層及第一光罩層; 且定義出第一光罩層的圖案; 一利用已疋義出的圖形的第一光罩層作為蝕刻的阻障物 ‘過連續的蝕刻第一金屬層及第一閘極絕緣層,如此可得 到分別在PM0S區域與在NM0S區域上的閘極結構; 於閘極結構之每一橫向側壁上形成間隙壁;於閘極間之相鄰的每一側邊的半導體基底材質中形成 源極/汲極區域,· /、於絶緣結構上沈積一層内層介電層,並完全覆蓋源極 /沒極區域; 將内層介電層及第一光罩層磨光修整,使得已定義好 圖案的第一金屬層曝露出來; 在絕緣結構上部分地沉積上第二光罩層,使得被選定 的PM0S區域或NM0S區域所曝露.出來的第一金屬層被覆蓋 住,,,故因此定義出第一區域,·利用第二光罩層作為蝕刻的阻障物,經連續依次地蝕 刻即可疋義出第一金屬層及第一閘極絕緣層之圖案, 此後二使得在前一步驟中未被選定之半導體基底材質的部 分曝露出,故因此定義出第二區域; 於半導體基底材質曝露的部分,和内層介電層與笫二第20頁 508678 六、申請專利範圍 光罩層上連續依次地陳基地二閘極絕緣層及第二金屬層; 將第二金屬層,第二閘極絕緣層及第二光罩層一起磨 光修整,使内層介電層曝露出來,如此即完全地形成雙重 金屬閘極結構。 3.如申請專利範圍第1項或第2項所述的方法,其第一 金屬層為被NM0S區域所使用,故因此定義出第一區域。而 相反地,第二金屬層為被PM〇s區域所使用,故因此定義出 弟·一區域。 4·如申請專利範圍第3項所述的方法,其於NM0S區域 上之第一金屬層所使用的金屬材質需為具有小於或等於4. 2電子伏特之功函數者。 5·如申請專利範圍第3項所述的方法,其於PM〇s區域 上之第二金屬層所使用的金屬材質需為具有大於或等於4. 8電子伏特之功函數者。 6·如申請專利範圍第1項或第2項所述的方法,若其第 一金屬為被PM0S區域所使用,則因此亦可定義出第一區 域。而相反地,第二金屬層為被NM〇s區域所使用,則因此 可定義出第二區域。 ’L·如申請專利範圍第6項所述的方法,其於NM0S區域 上之第二金屬層所使用的金屬材質需為具有小於或等於4 2電子伏特之功函數者。、· 8二如申請專利範圍第1項或第2項所述的方法,第一金 層 >儿積的厚度為介於1 00 0到30 0 0埃的範圍内。 9·如申請專利範圍第1項或第2項所述的方法,第一閘观678 /、申睛專利範圍 :極絕緣層及第二閘極絕緣層所使用的材質最好為選用由氧 化物,氤-氧化物及其他具有高介電常數材料所组成的族 群。 一 “ ί 〇 ·如申請專利範圍第2項所述的方法,其所沉積的第 ,罩層及第二光罩層的厚度均分別為介於8〇〇到1〇 〇〇埃 的乾圍内。 沉積H申介\專利=圍第1項或第2項所述的方法,其所 1 2如Φ性电曰的厚度為介於4 0⑽到㈣00埃的範圍内。 金屬層及"第一睛η專利範圍第1項或第2項所述的方法,第一 蝕刻來進行。,極絕緣層的蝕刻方法,玎使用乾蝕刻或濕
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