專利名稱：制造具有高k柵極介電層和金屬柵電極的半導(dǎo)體器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造半導(dǎo)體器件，尤其是包括金屬柵電極的半導(dǎo)體器件的方法。
背景技術(shù)：
具有由二氧化硅制成的非常薄的柵極電介質(zhì)的MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管可能會(huì)有無法讓人接受的柵極漏電流。用特定的高k介電材料代替二氧化硅來形成柵極電介質(zhì)能夠減小柵極泄漏。然而，因?yàn)檫@樣的電介質(zhì)可能與多晶硅不兼容，所以可能需要在包括高k柵極電介質(zhì)的器件中使用金屬柵電極。
在制造包括金屬柵電極的CMOS器件時(shí)，可以使用取代柵工藝來用不同金屬形成柵電極。在該工藝的一種變型中，除去多晶硅層以生成第一和第二溝槽。用第一金屬層填充兩個(gè)溝槽。然后從第一溝槽除去第一金屬層。然后在第二溝槽中在第一金屬層上以及在第一溝槽中在高k柵極電介質(zhì)上淀積第二金屬層。
在該取代柵工藝的變型中，當(dāng)從第一溝槽除去第一金屬層時(shí)，(第一溝槽內(nèi)的)高k柵極電介質(zhì)可以充當(dāng)蝕刻停止。當(dāng)該高k柵極電介質(zhì)執(zhí)行蝕刻停止功能時(shí)，用于蝕刻第一金屬層的工藝可能損傷下面的電介質(zhì)，這可能對(duì)包括高k柵極電介質(zhì)的晶體管的性能和可靠性帶來不利影響。

發(fā)明內(nèi)容
因此，需要一種改進(jìn)的工藝來制造包括高k柵極電介質(zhì)和金屬柵電極的半導(dǎo)體器件。需要一種取代柵工藝來制造這樣的器件當(dāng)從其表面除去金屬層時(shí)其不需要高k柵極電介質(zhì)充當(dāng)蝕刻停止。本發(fā)明的方法提供了這樣的工藝。


圖1a-1i示出了在執(zhí)行本發(fā)明的方法的實(shí)施例時(shí)可以形成的結(jié)構(gòu)的截面。
圖2提供了一圖表，示出了多種元素的功函數(shù)是如何與它們的負(fù)電性一起按比例變化的。
圖3a-3e示出了在執(zhí)行圖1a-1i的實(shí)施例以生成包括溝槽內(nèi)的P/N結(jié)的器件時(shí)可以形成的結(jié)構(gòu)的截面。
圖4a-4e示出了在執(zhí)行本發(fā)明的方法的第二實(shí)施例時(shí)可以形成的結(jié)構(gòu)的截面。
這些圖中示出的特征并未按照比例繪制。
具體實(shí)施例方式
描述了一種制造半導(dǎo)體器件的方法。該方法包括在襯底上形成第一介電層，在第一介電層之內(nèi)形成溝槽，以及在襯底上形成第二介電層。第二介電層具有形成于溝槽底部的第一部分，以及第二部分。具有第一功函數(shù)的第一金屬層形成于第二介電層的第一部分上以及第二介電層的第二部分上。然后將形成于第二介電層的第一部分上的第一金屬層轉(zhuǎn)變成具有第二功函數(shù)的第二金屬層。
在以下的描述中，給出了多個(gè)細(xì)節(jié)以為本發(fā)明提供透徹的理解。然而，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，顯然可以以除了這里明確描述的那些之外的許多方式實(shí)踐本發(fā)明。因此本發(fā)明不限于以下披露的特定細(xì)節(jié)。
圖1a-1i示出了在執(zhí)行本發(fā)明的方法的實(shí)施例時(shí)可以形成的結(jié)構(gòu)。圖1a表示在制造CMOS器件時(shí)可以形成的中間結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括襯底100的第一部分101和第二部分102。隔離區(qū)103分隔第一部分101與第二部分102。多晶硅層104和106分別形成于虛(dummy)介電層105和107上。多晶硅層104和106分別位于側(cè)壁間隔物108和109以及側(cè)壁間隔物110和111之間。第一介電層112隔開這些側(cè)壁間隔物。
襯底100可以包括能夠充當(dāng)在其上可以建立半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)的任何材料。隔離區(qū)103可以包括二氧化硅，或者其他可以分隔晶體管的有源區(qū)的材料。虛介電層105和107均可以包括二氧化硅或其他可以將襯底與其他物質(zhì)絕緣的材料。第一和第二多晶硅層104和106優(yōu)選均為在大約100和大約2,000埃之間厚，且更優(yōu)選為在大約500和大約1,600埃之間厚。那些層均可以是未摻雜的或摻雜有類似的物質(zhì)?；蛘?，一個(gè)層可以是摻雜的，而另一個(gè)是未摻雜的，或者一個(gè)層可以是n型摻雜(例如，利用砷、磷或另一種n型材料)，而另一個(gè)是p型摻雜(例如，利用硼或另一種p型材料)。間隔物108、109、110、111優(yōu)選包括氮化硅，而第一介電層112可以包括二氧化硅或低k材料。
對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，顯然可以使用常規(guī)的工藝步驟、材料和設(shè)備產(chǎn)生圖1a的結(jié)構(gòu)。如所示，可以例如通過常規(guī)的化學(xué)機(jī)械拋光(“CMP”)操作向后拋光第一介電層112，以暴露第一和第二多晶硅層104和106。盡管未示出，圖1a的結(jié)構(gòu)可以包括許多其他可以用常規(guī)工藝形成的特征(例如，氮化硅蝕刻停止層、源極和漏極區(qū)，以及一個(gè)或多個(gè)緩沖層)。
形成圖1a的結(jié)構(gòu)之后，除去第一和第二多晶硅層104和106。在優(yōu)選實(shí)施例中，通過應(yīng)用一次或多次濕法蝕刻工藝除去那些層。這樣的濕法蝕刻工藝可以包括在足夠的溫度下將層104和106暴露于包括氫氧化物的源的水溶液足夠的時(shí)間，以除去基本全部的那些層。該氫氧化物的源可以在去離子水中按體積包括在大約2％和大約30％之間的氫氧化銨或氫氧化四烴基銨，例如氫氧化四甲銨(“TMAH”)。
可以通過將它暴露于溶液中來除去n型多晶硅層，其維持在大約15℃和大約90℃之間(并且優(yōu)選在大約40℃以下)的溫度，其在去離子水中按體積包括在大約2％和大約30％之間的氫氧化銨。在該暴露步驟期間，其優(yōu)選持續(xù)至少一分鐘，可以期望施加在大約10KHz和大約2,000KHz之間的頻率的聲能，同時(shí)以在大約1和大約10瓦/cm2之間消耗。例如，可以通過下述來除去大約1,350埃厚的n型多晶硅層將其在大約25℃暴露于在去離子水中按體積包括大約15％的氫氧化銨的溶液中大約30分鐘，同時(shí)施加在大約1,000KHz的聲能-以大約5瓦/cm2消耗。
作為替換，可以通過下述來除去n型多晶硅層將其暴露于溶液中至少一分鐘，其維持在大約60℃和大約90℃之間的溫度，其在去離子水中按體積包括在大約20％和大約30％之間的TMAH，同時(shí)施加聲能?？梢酝ㄟ^下述除去基本全部的大約1,350埃厚的這種n型多晶硅層將其在大約80℃暴露于在去離子水中按體積包括大約25％的TMAH的溶液中大約2分鐘，同時(shí)施加在大約1,000KHz的聲能-以大約5瓦/cm2消耗。
也可以通過在足夠的溫度(例如在大約60℃和大約90℃之間)將其暴露于在去離子水中按體積包括在大約20％和大約30％之間的TMAH的溶液足夠的時(shí)間，同時(shí)施加聲能來除去p型多晶硅層。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，根據(jù)那些層中是沒有一個(gè)、其中一個(gè)還是兩個(gè)都摻雜，例如一層是n型摻雜且另一個(gè)是p型，除去第一和第二多晶硅層104和106應(yīng)當(dāng)使用的一個(gè)或多個(gè)特定濕法蝕刻工藝將改變。
例如，如果層104摻雜n型且層106摻雜p型，則可取的是首先使用基于氫氧化銨的濕法蝕刻工藝以除去n型層，其后使用基于TMAH的濕法蝕刻工藝以除去p型層?；蛘?，可取的是用適當(dāng)?shù)幕赥MAH的濕法蝕刻工藝同時(shí)除去層104和106。
在除去第一和第二多晶硅層104和106之后，暴露出虛介電層105和107。在該實(shí)施例中，除去虛層105和107。當(dāng)虛介電層105和107包括二氧化硅時(shí)，可以使用對(duì)于二氧化硅有選擇性的蝕刻工藝除去它們。這樣的蝕刻工藝可以包括將層105和107暴露于在去離子水中包括大約1％的HF的溶液。暴露層105和107的時(shí)間應(yīng)當(dāng)受到限制，因?yàn)橛糜诔ツ切拥奈g刻工藝也可以除去部分第一介電層112。鑒于此，如果使用基于1％的HF的溶液除去層105和107，則優(yōu)選應(yīng)當(dāng)將器件暴露于該溶液少于大約60秒，且更優(yōu)選為大約30秒或更少。如圖1b所示，除去虛介電層105和107在第一介電層112之內(nèi)留下了分別位于側(cè)壁間隔物108和109以及側(cè)壁間隔物110和111之間的第一和第二溝槽113和114。
在該實(shí)施例中，在除去虛介電層105和107之后，在襯底100上形成第二介電層115。第二介電層115具有形成于第一溝槽113底部的第一部分130，以及第二部分131，在該實(shí)施例中第二部分131形成于第二溝槽114的底部。優(yōu)選地，第二介電層115包括高k柵極介電層。可以用于制造這種高k柵極介電層的一些材料包括氧化鉿、氧化鉿硅、氧化鑭、氧化鑭鋁、氧化鋯、氧化鋯硅、氧化鉭、氧化鈦、氧化鋇鍶鈦、氧化鋇鈦、氧化鍶鈦、氧化釔、氧化鋁、氧化鉛鈧鉭、以及鈮酸鉛鋅。特別優(yōu)選的是氧化鉿、氧化鋯、和氧化鋁。盡管這里描述了可用于形成高k柵極介電層的材料的幾個(gè)例子，但是該層可以由其他材料制成。
可以使用常規(guī)淀積方法，例如常規(guī)的化學(xué)汽相淀積(“CVD”)、低壓CVD、或物理汽相淀積(“PVD”)工藝在襯底100上形成高k柵極介電層115。優(yōu)選地，使用常規(guī)的原子層CVD工藝。在這種工藝中，可以將金屬氧化物前體(例如金屬氯化物)和蒸汽以選定的流量饋送到CVD反應(yīng)器中，然后其工作在選定的溫度和壓力下以在襯底100和高k柵極介電層115之間產(chǎn)生原子級(jí)平滑的界面。應(yīng)當(dāng)以足夠長時(shí)間操作CVD反應(yīng)器以形成具有所需厚度的層。在大部分應(yīng)用中，高k柵極介電層115應(yīng)當(dāng)為小于大約60埃厚，以及更優(yōu)選為在大約5埃和大約40埃之間厚。
如圖1c所示，當(dāng)使用原子層CVD工藝形成高k柵極介電層115時(shí)，除了形成于溝槽113和114的底部上之外，該層還將形成于那些溝槽的側(cè)上。如果高k柵極介電層115包括氧化物，則根據(jù)用于形成其的工藝，其可能在任意表面位置處顯現(xiàn)氧空位和不可接受的雜質(zhì)能級(jí)。可取的是在淀積層115之后從層115除去雜質(zhì)并氧化它以生成具有幾乎理想化的金屬氧化學(xué)計(jì)量關(guān)系的層。
為了從該層除去雜質(zhì)并提高該層的氧含量，可以對(duì)高k柵極介電層115應(yīng)用濕法化學(xué)處理。這種濕法化學(xué)處理可以包括在足夠的溫度下將高k柵極介電層115暴露于包括過氧化氫的溶液足夠的時(shí)間以從高k柵極介電層115除去雜質(zhì)并提高高k柵極介電層115的氧含量。暴露高k柵極介電層115的合適時(shí)間和溫度可以取決于高k柵極介電層115所需的厚度和其他特性。
當(dāng)將高k柵極介電層115暴露于基于過氧化氫的溶液時(shí)，可以使用按體積包含在大約2％和大約30％的過氧化氫的水溶液。該暴露步驟應(yīng)當(dāng)在大約15℃和大約40℃之間進(jìn)行至少大約一分鐘。在特別優(yōu)選的實(shí)施例中，將高k柵極介電層115在大約25℃的溫度下暴露于按體積包含大約6.7％的H2O2的水溶液中大約10分鐘。在該暴露步驟中，可取的是施加在大約10KHz和大約2,000KHz之間的頻率的聲能，同時(shí)以在大約1和大約10瓦/cm2之間消耗。在優(yōu)選實(shí)施例中，可以施加在大約1,000KHz的頻率的聲能，同時(shí)以大約5瓦/cm2消耗。
盡管未在圖1c中示出，但是可取的是在高k柵極介電層115上形成不超過大約五個(gè)單層厚的蓋層。這樣的蓋層可以通過將一到五個(gè)單層的硅或另一種材料濺射到高k柵極介電層115的表面上來形成。然后可以例如通過使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積工藝或含有氧化劑的溶液氧化該蓋層，以形成蓋層電介質(zhì)氧化物。
盡管在一些實(shí)施例中，可取的是在高k柵極介電層115上形成蓋層，然而在圖示的實(shí)施例中，在層115上直接形成了第一金屬層116以產(chǎn)生圖1c的結(jié)構(gòu)。第一金屬層116具有第一功函數(shù)并形成于高k柵極介電層115的第一部分130上以及高k柵極介電層115的第二部分131上。第一金屬層116可以包括任何能夠由其得到金屬柵電極的導(dǎo)電材料且可以使用公知的PVD或CVD工藝形成于高k柵極介電層115上。
可用于形成第一金屬層116的n型材料的例子包括鉿、鋯、鈦、鉭、鋁、和包括這些元素的金屬碳化物，即，碳化鈦、碳化鋯、碳化鉭、碳化鉿和碳化鋁。如果為n型金屬，則第一金屬層116或者可以包括鋁化物，例如包括鉿、鋯、鈦、鉭、或鎢的鋁化物?？梢允褂玫膒型金屬的例子包括釕、鈀、鉑、鈷、鎳、和導(dǎo)電金屬氧化物，例如氧化釕。盡管這里描述了可用于形成第一金屬層116的材料的幾個(gè)例子，但是該層可以由許多其他材料制成。
第一金屬層116應(yīng)當(dāng)足夠厚以確保任何形成于其上的材料將不顯著影響其功函數(shù)。優(yōu)選地，第一金屬層116為在大約25埃和大約300埃之間厚，以及更優(yōu)選為在大約25埃和大約200埃之間厚。當(dāng)?shù)谝唤饘賹?16包括n型材料時(shí)，層116優(yōu)選具有在大約3.9eV和大約4.2eV之間的功函數(shù)。當(dāng)?shù)谝唤饘賹?16包括p型材料時(shí)，層116優(yōu)選具有在大約4.9eV和大約5.2eV之間的功函數(shù)。
在優(yōu)選實(shí)施例中，第一金屬層116具有適于形成第一類型的柵電極，例如NMOS或PMOS，但不適于形成第二類型的柵電極的第一功函數(shù)。例如，如果第一金屬層116具有適于形成NMOS柵電極的第一功函數(shù)，那么必須把第一金屬層116的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂羞m于形成PMOS柵電極的第二功函數(shù)的第二金屬層。類似地，如果第一金屬層116具有適于形成PMOS柵電極的第一功函數(shù)，那么必須把第一金屬層116的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂羞m于形成NMOS柵電極的第二功函數(shù)的第二金屬層。
在所示實(shí)施例中，將形成于高k柵極介電層115的第一部分130上的第一金屬層116轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂械诙瘮?shù)的第二金屬層?？梢酝ㄟ^向其加入功函數(shù)偏移成分來將一部分第一金屬層116轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂械诙瘮?shù)的第二金屬層。例如，可以通過掩蔽第一金屬層116的一部分，然后將功函數(shù)偏移成分加入到第一金屬層116的未被掩蔽的部分中，來將功函數(shù)偏移成分加入到第一金屬層116的一部分中。用于將這種功函數(shù)偏移成分加入到第一金屬層116的未被掩蔽的部分中的工藝的例子包括離子注入、等離子體增強(qiáng)離子注入、爐擴(kuò)散、和等離子體淀積。
此外，可以通過下述將功函數(shù)偏移成分加入第一金屬層116中在第一金屬層116上淀積施主金屬層，在第一金屬層116不應(yīng)被改性的地方除去該層，然后引入功函數(shù)偏移成分以從施主金屬層擴(kuò)散到第一金屬層116中。在一個(gè)實(shí)施例中，在將這種施主金屬層淀積到第一金屬層116上之后，掩蔽施主金屬層的第一部分，并且在使功函數(shù)偏移成分從施主金屬層擴(kuò)散到第一金屬層116中之前除去施主金屬層的未被掩蔽的第二部分?；蛘?，可以在第一金屬層116的一部分上形成掩蔽層，在第一金屬層116的暴露部分和掩蔽層上淀積施主金屬層，并且在使功函數(shù)偏移成分從施主金屬層擴(kuò)散到第一金屬層116中之前可以將掩蔽層與淀積于其上的施主金屬層的該部分一起除去。
圖1d-1i示出了本發(fā)明的實(shí)施例，其中，在于高k柵極介電層115上形成第一金屬層116之后掩蔽第一金屬層116的一部分，然后將第一金屬層116的暴露部分轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂械诙瘮?shù)的第二金屬層。為了掩蔽例如形成于高k柵極介電層115的第二部分131上的第一金屬層116，最開始可以在第一金屬層116上形成掩蔽層132，如圖1d所示。
在優(yōu)選實(shí)施例中，掩蔽層132包括犧牲性光吸收材料(“SLAM”)132，其可以被旋涂到第一金屬層116上。SLAM 132的第一部分133覆蓋高k柵極介電層115的第一部分130，且SLAM 132的第二部分134覆蓋高k柵極介電層115的第二部分131。在第一金屬層116上淀積SLAM 132之后，除去SLAM 132的第一部分133而保留SLAM 132的第二部分134。可以用如下方式除去SLAM 132的第一部分133。首先，在SLAM 132上淀積光致抗蝕劑層(未示出)，然后對(duì)其構(gòu)圖使得其僅覆蓋SLAM 132的第二部分134。然后可以例如通過應(yīng)用適當(dāng)?shù)臐穹ㄎg刻工藝除去暴露的部分133。在除去SLAM 132的部分133之后，可以除去圖案化的光致抗蝕劑層。結(jié)果，如圖1e所示，形成于高k柵極介電層115的第一部分130上的第一金屬層116被暴露。
SLAM 132可以包括例如旋涂玻璃(spin on glass)(“SOG”)層或旋涂聚合物(spin on polymer)(“SOP”)層，其包括光吸收染料。該光吸收染料優(yōu)選吸收被用于構(gòu)圖上覆的光致抗蝕劑層的波長的光。此外，SLAM 132(無論是SOG還是SOP)應(yīng)當(dāng)完全且均勻地填充溝槽113和114，且應(yīng)當(dāng)具有能夠使其相對(duì)于第一金屬層116被選擇性除去的濕法蝕刻特性。
在除去覆蓋高k柵極介電層115的第一部分130的SLAM 132之后，將(形成于高k柵極介電層115的第一部分130上的)第一金屬層116轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙饘賹?35，如圖1f所示。如上所述，可以用多種方式將第一金屬層116的暴露部分轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙饘賹?35-例如，通過借助適當(dāng)?shù)碾x子注入、等離子體增強(qiáng)離子注入、爐擴(kuò)散或等離子體淀積工藝將功函數(shù)偏移成分加入第一金屬層116的未被掩蔽的部分中?；蛘撸梢韵虻谝唤饘賹?16的暴露部分和SLAM 132上淀積施主金屬層，之后除去SLAM 132(連同淀積于其上的施主金屬層的部分)，其后使功函數(shù)偏移成分從施主金屬層擴(kuò)散到第一金屬層116的暴露部分中。
在優(yōu)選實(shí)施例中，第一金屬層116的暴露部分暴露于至少部分源自功函數(shù)偏移成分的等離子體。如果第一金屬層116包括n型金屬，那么功函數(shù)偏移成分優(yōu)選包括具有相對(duì)高負(fù)電性的元素，例如，大于約2.8的負(fù)電性值。如果第一金屬層116包括p型金屬，那么功函數(shù)偏移成分優(yōu)選包括具有相對(duì)低負(fù)電性的元素，例如，小于約1.7的負(fù)電性值。
圖2給出了圖表，示出了材料的功函數(shù)是如何與負(fù)電性一起成比例變化的。向第一金屬層116的暴露部分加入大量具有相對(duì)高負(fù)電性的材料可以提高第一金屬層116的該部分的功函數(shù)。向第一金屬層116加入大量具有相對(duì)低負(fù)電性的材料可以降低第一金屬層116的功函數(shù)。
正如從該圖表中明顯得到的，可以提高n型金屬層的功函數(shù)，使其潛在地適于形成PMOS柵電極的元素包括氮、氯、氧、氟、和溴。氟可以是用于提高n型金屬層的功函數(shù)的特別優(yōu)選的元素?？梢越档蚿型金屬層的功函數(shù)，使其潛在地適于形成NMOS柵電極的元素包括鑭系金屬、鈧、鋯、鉿、鋁、鈦、鉭、鈮和鎢。其他潛在有用的元素包括堿金屬和堿土金屬。鋁和鈰可以是用于降低p型金屬層的功函數(shù)的特別優(yōu)選的元素。
最好地用于將第一金屬層116的功函數(shù)提高或降低到所需水平的元素可以取決于第一金屬層116的成分和特性。盡管這里確定了能夠使第一金屬層116的功函數(shù)偏移的元素的幾個(gè)實(shí)例，但也可以用其他元素替代。由此本發(fā)明的工藝考慮使用能夠用于將第一金屬層116的暴露部分轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂械诙瘮?shù)的第二金屬層的任何元素。是向?qū)?16加入單種元素最好，還是加入多種元素最好，可以取決于特定的應(yīng)用。加入第一金屬層116的暴露部分中以將其功函數(shù)偏移到目標(biāo)水平的功函數(shù)偏移成分(或多種成分)的最佳濃度也可以取決于層116的成分和特性(包括其初始功函數(shù))、所使用的功函數(shù)偏移成分的類型、和目標(biāo)功函數(shù)。
在特別優(yōu)選的實(shí)施例中，第一金屬層116包括具有在大約3.9和大約4.2之間的第一功函數(shù)的n型金屬，并且該n型金屬的暴露部分被轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂薪橛诖蠹s4.9和大約5.2之間的第二功函數(shù)的第二金屬層?？梢酝ㄟ^將該n型金屬層暴露于氟基等離子體來將這種n型金屬層轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂械诙瘮?shù)的第二金屬層。
這種轉(zhuǎn)變可以發(fā)生在電子回旋共振(“ECR”)等離子體反應(yīng)器中。可以通過如下方式在這種反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生氟基等離子體。最初，將含氟化合物，例如六氟化硫(“SF6”)與惰性氣體，例如氬一起饋送到反應(yīng)器中。應(yīng)當(dāng)向反應(yīng)器中饋送足夠量的該化合物以確保發(fā)生所需的轉(zhuǎn)變。接著，應(yīng)當(dāng)在適當(dāng)?shù)臈l件(例如溫度、壓力、射頻和功率)下操作反應(yīng)器足夠的時(shí)間，以向第一金屬層116加入足夠的氟來生成具有至少約4.9eV的功函數(shù)的第二金屬層?？梢韵Ｍ诘凸β?，例如在大約100瓦和150瓦之間進(jìn)行該操作。
人們認(rèn)為，這種工藝將使高能氟離子從等離子體中分離并與第一金屬層116發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以生成第二金屬層135。因?yàn)榈谝唤饘賹?16相對(duì)薄，所以可能需要針對(duì)不同類型的金屬層和不同的厚度改變操作條件以確保這種等離子體淀積處理不濺蝕第一金屬層116。在將第一金屬層116的暴露部分轉(zhuǎn)變成第二金屬層135之后，可以除去SLAM 132的第二部分134以生成圖1g的結(jié)構(gòu)。可以使用適當(dāng)?shù)臐穹ㄎg刻工藝除去SLAM 132。
盡管在該實(shí)施例中使用SLAM 132來掩蔽第一金屬層116的一部分，但是也可以替代地使用其他常規(guī)掩蔽材料。然而，在本發(fā)明的方法中施加犧牲性光吸收材料作為掩蔽材料至少出于如下原因可以是有利的。這種犧牲性光吸收材料可以填充其他材料，例如光致抗蝕劑不能充分填充的窄溝槽。此外，常規(guī)的用于除去各種犧牲性光吸收材料的蝕刻工藝可以有效地除去這種材料而不除去下面的金屬層的顯著部分。
在該實(shí)施例中，在將第一金屬層116的部分轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙饘賹?35(并除去SLAM 132)之后，可以用容易拋光的材料，例如鎢、鋁、鈦或氮化鈦填充溝槽113和114的剩余部分?？梢岳贸Ｒ?guī)金屬淀積工藝在整個(gè)器件上方淀積這種溝槽填充金屬，例如金屬121，以生成圖1h的結(jié)構(gòu)。然后可以例如借助適當(dāng)?shù)腃MP工藝從第一介電層112的表面除去填充金屬121、第二金屬層135、第一金屬層116和高k柵極介電層115，如圖1i所示。
在該實(shí)施例中，在從第一介電層112除去填充金屬121的同時(shí)從第一介電層112的表面除去第二金屬層135、第一金屬層116和高k柵極介電層115。在其他實(shí)施例中，可以在于第一金屬層116和第二金屬層135上淀積填充金屬121之前從第一介電層112的表面除去第二金屬層135、第一金屬層116和高k柵極介電層115。
在除去除其填充溝槽113和114的地方之外的溝槽填充金屬121之后，可以使用任何常規(guī)淀積工藝向所得到的結(jié)構(gòu)上淀積蓋層介電層(未示出)。在該蓋層介電層的淀積之后的用于制成該器件的工藝步驟，例如形成器件的接觸、金屬互連和鈍化層，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是公知的，并且將不在這里描述。
圖3a-3e示出了在執(zhí)行圖1a-1i的實(shí)施例以生成包括P/N結(jié)的器件時(shí)可以形成的結(jié)構(gòu)的截面。這種器件例如可以包括SRAM，其可以用于工藝開發(fā)工作中。圖3a-3e示出了垂直于圖1a-1i所示的對(duì)應(yīng)截面的平面取向的結(jié)構(gòu)。在這方面，圖3a-3e示出了當(dāng)器件從圖1a-1i所示的位置旋轉(zhuǎn)90°時(shí)得到的截面。圖3a-3e對(duì)應(yīng)于在圖1a-1i所示的溝槽113內(nèi)構(gòu)建的結(jié)構(gòu)。
在該實(shí)施例中，圖3a示出了形成于介電層105上的多晶硅層104和122，介電層105形成于襯底100上?？梢杂蒙鲜霾牧虾凸に嚿稍摻Y(jié)構(gòu)。盡管該實(shí)施例示出了可以進(jìn)行不同摻雜的兩個(gè)多晶硅層，但是在替換實(shí)施例中，可以在介電層105上形成單個(gè)多晶硅層。
在形成圖3a的結(jié)構(gòu)之后，例如使用上述工藝步驟除去多晶硅層104和122以及介電層105，以生成溝槽113，如圖3b所示。然后用高k柵極介電層115和第一金屬層116涂布溝槽113，以生成圖3c的結(jié)構(gòu)。由于前面已經(jīng)描述了用于形成那些層的工藝步驟和材料，因此這里不再提供額外的復(fù)述。
然后掩蔽第一金屬層116的部分141，并將該層的另一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙饘賹?35，生成圖3d的結(jié)構(gòu)。在除去該掩模之后，用可以容易拋光的材料(例如溝槽填充金屬121)填充溝槽113的剩余部分。然后，除了其填充溝槽113的地方之外，該溝槽填充金屬連同下面部分的第二金屬層135、第一金屬層116、和高k柵極介電層115一起被除去，如圖3e所示?？梢允褂贸Ｒ?guī)的CMP操作向后拋光溝槽填充金屬和下面的材料。省略了用于完成該器件的工藝步驟，因?yàn)樗鼈兪潜绢I(lǐng)域的技術(shù)人員公知的。
在圖3a-3e所示的實(shí)施例中，如果第一金屬層116是n型的，那么第二金屬層135是p型的。如果第一金屬層116是p型的，那么第二金屬層135是n型的。在所得到的器件中，P/N結(jié)124位于第一金屬層116與第二金屬層135會(huì)合的地方。在具有圖3e的結(jié)構(gòu)的器件中，相鄰的溝槽(例如圖1a-1i中的溝槽114，圖3e未示出)可以具有相反取向的P/N結(jié)。在這種相鄰的溝槽內(nèi)，第二金屬層135可以在圖3e中第一金屬層116接觸介電層的地方接觸高k柵極介電層115，而第一金屬層116可以在圖3e中第二金屬層135接觸介電層的地方接觸高k柵極介電層115。
盡管圖3a-3e的實(shí)施例示出了一種用于形成具有P/N結(jié)的結(jié)構(gòu)的方法，但是其他實(shí)施例可以形成不包括P/N結(jié)的器件。例如，在其他器件中，圖1i所示的第一金屬層116可以沿其整個(gè)寬度涂布溝槽114，而圖1i所示的第二金屬層135可以沿其整個(gè)寬度涂布溝槽113。由此本發(fā)明的方法不限于形成具有P/N結(jié)的器件。
由此可見，前述第二介電層的前述第二部分可以形成于與容納第二介電層的第一部分的第一溝槽不同的第二溝槽內(nèi)，或者替代地可以形成于與容納第二介電層的第一部分的溝槽相同的溝槽內(nèi)。在所示的實(shí)施例中，該第二介電層可以包括高k柵極介電層，并且在形成第一介電層之后形成。在替換實(shí)施例中，可以在形成第一介電層之前形成這種第二介電層。
圖4a-4e示出了在執(zhí)行本發(fā)明的方法的第二實(shí)施例時(shí)可以形成的結(jié)構(gòu)的截面。在該第二實(shí)施例中，在形成類似圖1c所示的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)之后，在第一金屬層416上淀積施主金屬層420，生成如圖4a所示的結(jié)構(gòu)。施主金屬層420包括功函數(shù)偏移成分。如果第一金屬層416包括n型金屬，那么施主金屬層420可以包括釕、鈀、鉑、銥、多種難熔金屬氮化物(例如氮化鎢或氮化鉭)，或包括一種或多種那些材料的合金或化合物。如果第一金屬層416包括p型金屬，那么施主金屬層420可以包括鉿、鋯、鈦、鋁、鑭、或包括那些材料中的一種或多種的合金或化合物。
盡管這里描述了可用于形成施主金屬層420的材料的幾個(gè)實(shí)例，但是該層可以由許多其他材料制成?？梢允褂贸Ｒ?guī)的PVD或CVD工藝在第一金屬層416上形成施主金屬層420，其優(yōu)選為在大約25埃和大約300埃之間厚，以及更優(yōu)選為在大約25埃和大約200埃之間厚。
在第一金屬層416上淀積施主金屬層420之后，在淀積于高k柵極介電層415的第一部分430上的第一金屬層416上的施主金屬層420上形成掩蔽層440。掩蔽層440可以包括基于SOG或SOP的犧牲性光吸收材料，或另一種常規(guī)掩蔽材料?？梢岳贸Ｒ?guī)工藝步驟淀積并構(gòu)圖掩蔽層440以生成圖4b的結(jié)構(gòu)。然后可以例如通過適當(dāng)?shù)奈g刻操作除去施主金屬層420的暴露部分，其后除去掩蔽層440，如圖4c所示。
然后施加高溫退火將形成于高k柵極介電層415的第一部分430上的第一金屬層416轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙饘賹?35，生成圖4d的結(jié)構(gòu)?？焖贌嵬嘶?“RTA”)，即其中溫度斜升和斜降時(shí)間相對(duì)短的退火工藝，足以勝任。在優(yōu)選實(shí)施例中，這種RTA工藝應(yīng)當(dāng)在惰性環(huán)境中或在真空下在大約300℃和大約600℃之間進(jìn)行。盡管RTA工藝可以是優(yōu)選的，但是在替換實(shí)施例中可以進(jìn)行發(fā)生在大約1分鐘和大約2小時(shí)之間的高溫退火。
高溫退火發(fā)生的適當(dāng)時(shí)間、溫度和其他操作條件可以取決于第一金屬層416和施主金屬層420的性質(zhì)。所希望的結(jié)果還可以取決于那些金屬層的性質(zhì)。例如，如果第一金屬層416包括n型金屬，那么應(yīng)當(dāng)在將該n型金屬層的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂薪橛诖蠹s4.9和大約5.2之間的功函數(shù)的p型金屬層的條件下施加退火。反之，如果第一金屬層416包括p型金屬，那么應(yīng)當(dāng)在將p型金屬層的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂薪橛诖蠹s3.9和大約4.2之間的功函數(shù)的n型金屬層的條件下施加退火。
在將第一金屬層416的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙饘賹?35之后，可以將填充金屬421淀積到第一金屬層416和第二金屬層435上。然后除去部分的填充金屬421、第二金屬層435、第一金屬層416和高k柵極介電層415，除它們填充溝槽的地方之外，生成圖4e的結(jié)構(gòu)。省略了用于完成該器件的工藝步驟，因?yàn)樗鼈兪潜绢I(lǐng)域的技術(shù)人員公知的。類似圖1a-1i的實(shí)施例，圖4e的第一金屬層416可以沿其整個(gè)寬度涂布溝槽413，而圖4e的第二金屬層435沿其整個(gè)寬度涂布溝槽414?；蛘?，可以使用圖4a-4e的實(shí)施例形成類似圖3e的結(jié)構(gòu)的具有P/N結(jié)的結(jié)構(gòu)。
如上所述，本發(fā)明的方法使得能夠制造包括高k柵極介電層和具有既適于NMOS晶體管又適于PMOS晶體管的功函數(shù)的金屬柵電極的CMOS器件。該方法可以使得取代柵工藝能夠產(chǎn)生這種CMOS器件，而不需要從下面的高k柵極介電層除去金屬柵極層的一部分。結(jié)果，本發(fā)明的工藝可以防止這種除去步驟損傷高k柵極介電層。盡管上述實(shí)施例提供了可以受益于本發(fā)明的應(yīng)用的用于形成CMOS器件的工藝的實(shí)例，但是本發(fā)明不限于這些特定實(shí)施例。
盡管前面的描述具有可用于本發(fā)明的特定步驟和材料，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，可以作出許多修改和替換。因此，所有這些修改、改變、替換和增加都落在由所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括在襯底上形成第一介電層；在所述第一介電層內(nèi)形成溝槽；在所述襯底上形成第二介電層，所述第二介電層具有形成于所述溝槽底部的第一部分，以及第二部分；在所述第二介電層的所述第一部分上以及所述第二介電層的所述第二部分上形成具有第一功函數(shù)的第一金屬層；以及將形成于所述第二介電層的所述第一部分上的所述第一金屬層轉(zhuǎn)變成具有第二功函數(shù)的第二金屬層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第二介電層包括在于所述襯底上形成所述第一介電層之后在所述襯底上形成的高k柵極介電層。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述高k柵極介電層包括選自包含下述的組的材料氧化鉿、氧化鉿硅、氧化鑭、氧化鑭鋁、氧化鋯、氧化鋯硅、氧化鉭、氧化鈦、氧化鋇鍶鈦、氧化鋇鈦、氧化鍶鈦、氧化釔、氧化鋁、氧化鉛鈧鉭、以及鈮酸鉛鋅。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一金屬層包括選自包含下述的組的材料鉿、鋯、鈦、鉭、鋁、金屬碳化物、鋁化物、釕、鈀、鉑、鈷、鎳和導(dǎo)電金屬氧化物。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中通過下述將形成于所述第二介電層的所述第一部分上的所述第一金屬層轉(zhuǎn)變成具有第二功函數(shù)的第二金屬層掩蔽形成于所述第二介電層的所述第二部分上的所述第一金屬層；然后向形成于所述第二介電層的所述第一部分上的所述第一金屬層添加功函數(shù)偏移成分。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中通過將所述第一金屬層暴露于氟基等離子體來將所述功函數(shù)偏移成分添加到所述第一金屬層。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中通過下述將形成于所述第二介電層的所述第一部分上的所述第一金屬層轉(zhuǎn)變成具有第二功函數(shù)的第二金屬層在所述第一金屬層上形成犧牲性光吸收材料，所述犧牲性光吸收材料的第一部分覆蓋所述第二介電層的所述第一部分，以及所述犧牲性光吸收材料的第二部分覆蓋所述第二介電層的所述第二部分；除去所述犧牲性光吸收材料的所述第一部分而保留所述犧牲性光吸收材料的所述第二部分，暴露形成于所述第二介電層的所述第一部分上的所述第一金屬層；使形成于所述第二介電層的所述第一部分上的所述第一金屬層經(jīng)受至少部分源自六氟化硫的等離子體的處理；然后除去所述犧牲性光吸收材料的所述第二部分。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中通過下述將形成于所述第二介電層的所述第一部分上的所述第一金屬層轉(zhuǎn)變成具有第二功函數(shù)的第二金屬層在形成于所述第二介電層的所述第一部分上的所述第一金屬層上形成包括功函數(shù)偏移成分的施主金屬層；然后施加高溫退火處理以使所述功函數(shù)偏移成分從所述施主金屬層擴(kuò)散到所述第一金屬層。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括在所述第一金屬層上淀積所述施主金屬層；在淀積于所述第二介電層的所述第一部分上的所述第一金屬層上的施主金屬層上形成掩蔽層；除去淀積于所述第二介電層的所述第二部分上的所述第一金屬層上的施主金屬層的暴露部分；除去所述掩蔽層；以及施加高溫退火處理；并且其中所述施主金屬層包括選自包含下述的組的材料釕、鈀、鉑、銥、難熔金屬氮化物、鉿、鋯、鈦、鋁、和鑭；以及所述高溫退火在至少約300℃的溫度下進(jìn)行至少約一分鐘，以生成具有第二功函數(shù)的所述第二金屬層。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一金屬層為在大約25和大約300埃之間厚，且具有介于大約3.9eV和大約4.2eV之間的功函數(shù)，以及所述第二金屬層具有介于大約4.9eV和大約5.2eV之間的功函數(shù)。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一金屬層為在大約25和大約300埃之間厚，且具有介于大約4.9eV和大約5.2eV之間的功函數(shù)，以及所述第二金屬層具有介于大約3.9eV和大約4.2eV之間的功函數(shù)。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在于所述襯底上形成所述第一介電層之前在所述襯底上形成所述第二介電層，并且其中，所述第二介電層的所述第二部分類似所述第二介電層的所述第一部分那樣形成于所述溝槽的底部。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第二介電層的所述第二部分形成于在所述第一介電層內(nèi)形成的第二溝槽的底部。
14.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括在襯底上形成第一介電層；在所述第一介電層內(nèi)形成溝槽；在所述襯底上形成高k柵極介電層，所述高k柵極介電層具有形成于所述溝槽底部的第一部分，以及第二部分；在所述高k柵極介電層的所述第一和第二部分上都形成第一金屬層，所述第一金屬層具有第一功函數(shù)；在所述第一金屬層上形成犧牲性光吸收材料，所述犧牲性光吸收材料的第一部分覆蓋所述高k柵極介電層的所述第一部分，以及所述犧牲性光吸收材料的第二部分覆蓋所述高k柵極介電層的第二部分；除去所述犧牲性光吸收材料的所述第一部分同時(shí)保留所述犧牲性光吸收材料的所述第二部分，暴露所述第一金屬層的一部分；將所述第一金屬層的暴露部分轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂械诙瘮?shù)的第二金屬層；以及除去所述犧牲性光吸收材料的所述第二部分。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中通過用氟基等離子體處理所述第一金屬層的所述暴露部分將所述第一金屬層的所述暴露部分轉(zhuǎn)變成具有第二功函數(shù)的所述第二金屬層。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第一金屬層為在大約25和大約300埃之間厚，具有介于大約3.9eV和大約4.2eV之間的功函數(shù)，并包括選自包含下述的組的材料鉿、鋯、鈦、鉭、鋁、金屬碳化物、和鋁化物，以及所述第二金屬層具有介于大約4.9eV和大約5.2eV之間的功函數(shù)。
17.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括在襯底上形成第一介電層；在所述第一介電層內(nèi)形成溝槽；在所述襯底上形成高k柵極介電層，所述高k柵極介電層具有形成于所述溝槽底部的第一部分，以及第二部分；在所述高k柵極介電層的所述第一和第二部分上都形成第一金屬層，所述第一金屬層為在大約25和大約300埃之間厚且具有第一功函數(shù)；在所述第一金屬層的第一部分上形成包括功函數(shù)偏移成分的施主金屬層；以及對(duì)所述施主金屬層施加高溫退火處理以使所述功函數(shù)偏移成分從所述施主金屬層擴(kuò)散到所述第一金屬層中，以將所述第一金屬層的所述第一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂械诙瘮?shù)的第二金屬層。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括在所述第一金屬層上淀積所述施主金屬層；在淀積于所述高k柵極介電層的所述第一部分上的所述第一金屬層上的施主金屬層上形成掩蔽層；除去淀積于所述高k柵極介電層的所述第二部分上的所述第一金屬層上的所述施主金屬層的暴露部分；除去所述掩蔽層；以及施加高溫退火處理；并且其中所述施主金屬層包括選自包含下述的組的材料釕、鈀、鉑、銥、難熔金屬氮化物、鉿、鋯、鈦、鋁、和鑭；以及所述高溫退火在至少約300℃的溫度下進(jìn)行至少約一分鐘，以生成具有第二功函數(shù)的所述第二金屬層。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述第一金屬層具有介于大約3.9eV和大約4.2eV之間的功函數(shù)，并包括選自包含下述的組的材料鉿、鋯、鈦、鉭、鋁、金屬碳化物、和鋁化物，以及所述第二金屬層具有介于大約4.9eV和大約5.2eV之間的功函數(shù)。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述第一金屬層具有介于大約4.9eV和大約5.2eV之間的功函數(shù)，并包括選自包含下述的組的材料釕、鈀、鉑、鈷、鎳、和導(dǎo)電金屬氧化物，以及所述第二金屬層具有介于大約3.9eV和大約4.2eV之間的功函數(shù)。
全文摘要
描述了一種制造半導(dǎo)體器件的方法。該方法包括在襯底上形成第一介電層，在第一介電層之內(nèi)形成溝槽，以及在襯底上形成第二介電層。第二介電層具有形成于溝槽中的第一部分，以及第二部分。在于所述第二介電層的所述第一和第二部分上形成具有第一功函數(shù)的第一金屬層之后，將部分所述第一金屬層轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂械诙瘮?shù)的第二金屬層。
文檔編號(hào)H01L21/8238GK101095223SQ200580030142
公開日2007年12月26日 申請(qǐng)日期2005年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月8日
發(fā)明者M·多茨, J·布拉斯克, J·卡瓦利羅斯, U·邵, M·梅茨, S·達(dá)塔, R·納吉塞蒂, R·曹 申請(qǐng)人:英特爾公司