專利名稱：半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件，尤其涉及一種在同一基片上集成 兩種導(dǎo)電類型的場效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體器件。例如，本發(fā)明涉及CMOS電路。
技術(shù)背景CMOS電路包括具有第一源極和漏極區(qū)以及第一導(dǎo)電類型的第 一溝道的第一場效應(yīng)晶體管。第一柵極區(qū)通過第一電介質(zhì)區(qū)與第一溝 道分隔開。第二場效應(yīng)晶體管具有第二源極和漏極區(qū)以及與第一導(dǎo)電 類型不同的第二導(dǎo)電類型的第二溝道。第二柵極區(qū)通過第二電介質(zhì)區(qū) 與第二溝道分隔開。公知的是，兩個(gè)不同晶體管類型內(nèi)的柵極疊層應(yīng)當(dāng)不同，尤其 使得得到的柵極的逸出功適于特定的晶體管類型。這些差異需要通過 對(duì)CMOS工藝的最小附加復(fù)雜度來實(shí)現(xiàn)。金屬柵極的使用是公知的，其中第一柵極區(qū)包括第一導(dǎo)電材料， 而第二柵極區(qū)包括不同于第一導(dǎo)電材料的第二導(dǎo)電材料。在有些方案 中，第一導(dǎo)電類材料和第二導(dǎo)電材料每一個(gè)都包括含有普通金屬和其 他元素兩者的化合物。在亞O.lnm區(qū)以下的高級(jí)CMOS器件中，出 于各種原因，由金屬柵極或其合金來替代多晶硅柵極是理想的。US 6,130,123公開了一種針對(duì)NMOS器件和PMOS器件的柵極 具有不同金屬材料的CMOS結(jié)構(gòu)。適于NMOS器件(其逸出功大約 為4.2eV)的金屬或金屬合金的示例是Ru、 Zr、 Nb、 Ta、 MoSi和 TaSi。對(duì)于逸出功大約為5.2eV的PMOS器件來說，Ni、 Ru02、 MoN 和TaN是所有材料當(dāng)中適合的材料。公知的導(dǎo)電材料的缺點(diǎn)是它們與現(xiàn)有的IC技術(shù)并不總是十分兼 容。這包括材料應(yīng)當(dāng)與柵極疊層的材料(即，柵極電介質(zhì)、蓋層和間5隔層的材料)兼容的需求。WO2006/021907公開了一種結(jié)構(gòu)和方法，其中兩種器件類型的 柵極疊層包括鉬或鎢。PMOS柵極疊層中的金屬暴露于氧氣中轉(zhuǎn)換成 金屬氧化物，并且對(duì)NMOS柵極疊層中的金屬進(jìn)行硫族化物(如碲) 的離子注入。WO2006/021906公開了一種與WO2006/021907類似的 結(jié)構(gòu)和方法，其中PMOS柵極疊層中的金屬暴露于氧氣中轉(zhuǎn)換成金 屬氧化物，并且NMOS柵極疊層中的金屬暴露于含碳的氣態(tài)化合物 中。盡管這些工藝提供了適于特定晶體管類型的柵極金屬逸出功， 但是它們?nèi)匀辉黾恿酥圃旃に囍械母郊拥膹?fù)雜度。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明，提供了一種半導(dǎo)體器件，包括具有第一源極和漏極區(qū)和n型溝道以及第一柵極區(qū)的第一 n型 場效應(yīng)晶體管，其中第一柵極區(qū)通過第一電介質(zhì)區(qū)與n型溝道分隔 開；以及具有第二源極和漏極區(qū)和p型溝道以及第二柵極區(qū)的第二 p型 場效應(yīng)晶體管，其中第二柵極區(qū)通過第二電介質(zhì)區(qū)與p型溝道分隔 開，其中第一柵極區(qū)包括金屬層，第二柵極區(qū)包括金屬層和上覆金 屬氧化物層，并且其中金屬氧化物層存在于第二柵極區(qū)內(nèi)而并不存在 于第一柵極區(qū)內(nèi)。該器件考慮到在CMOS器件中的兩個(gè)相關(guān)逸出功(即，分別針 對(duì)PMOS和NMOS器件的5.2eV和4.1eV)的良好覆蓋。金屬層優(yōu)選地包括釕(Ru)、鉬(Mo)、鎢(W)或者其合金。 這些金屬還可以與硅(Si)、碳(C)以及氮(N)相結(jié)合形成硅化 物、碳化物和/或氮化物的間隙化合物的任意組合。這些過渡金屬的 特性相似，并且全都與現(xiàn)有的IC技術(shù)兼容。第一柵極區(qū)內(nèi)的金屬層部分可以包括注入的硫族元素，例如碲 (Te)。在優(yōu)選實(shí)施例中，選擇Mo作為所述金屬并且選擇Te作為所述 硫族元素。通過這些元素得到了良好結(jié)果。當(dāng)把Te注入Mo膜中時(shí)， 得到的材料的逸出功非常接近4.1eV，由此非常適合用于NMOS晶體 管。金屬氧化物層優(yōu)選地包括導(dǎo)電金屬氧化物，例如Ru、 Mo或W 的氧化物或者其化合物。例如，氧化鉬(尤其是2或2以下的氧元素 下標(biāo))得到逸出功非常接近5.2eV的材料，由此非常適于用于PMOS 晶體管。每個(gè)柵極區(qū)還可以包括在金屬層和電介質(zhì)層之間的逸出功改變 層。這可被用來修改柵極的逸出功，其優(yōu)選地的厚度為小于10nm。 逸出功改變層可以包括其他過渡金屬及其化合物，如TiN。在第一柵極區(qū)和第二柵極區(qū)的頂部優(yōu)選地提供了蓋層，例如， 金屬氮化物。本發(fā)明還提供了一種制造半導(dǎo)體器件的方法，該半導(dǎo)體器件包 括具有第一源極和漏極區(qū)和n型溝道以及第一柵極區(qū)的第一n型場效應(yīng)晶體管，其中第一柵極區(qū)通過第一電介質(zhì)區(qū)與n型溝道分隔開；以 及具有第二源極和漏極區(qū)和p型溝道以及第二柵極區(qū)的第二p型場效應(yīng)晶體管，其中第二柵極區(qū)通過第二電介質(zhì)區(qū)與p型溝道分隔開，該方法包括步驟制備基片以形成第一類型和相反類型的半導(dǎo)體基體；在基片上沉積柵極電介質(zhì)層； 在柵極電介質(zhì)層上沉積柵極金屬層； 在柵極電介質(zhì)層上沉積固態(tài)金屬氧化物層； 去除在基片區(qū)域上對(duì)應(yīng)于n型晶體管的一部分固態(tài)金屬氧化物 層；以及完成用于n型晶體管和p型晶體管的柵極疊層并且形成源極和 漏極區(qū)，從而定義半導(dǎo)體基體上的多個(gè)晶體管之一以及阱上的另一個(gè) 晶體管。本發(fā)明因此提供了一種與IC技術(shù)非常兼容并且易于制造的器 件。通過避免了氧氣曝射(oxygen gas exposure)的復(fù)雜度，固態(tài)金屬氧化物層的沉積提供一種簡單的制造工藝。在金屬氧化物層上優(yōu)選地沉積掩模并且該掩模用于金屬氧化物 層的蝕刻以去除固態(tài)金屬氧化物層的部分。該相同的掩模可以用來把 硫族元素(如碲)注入基片區(qū)域上對(duì)應(yīng)于n型晶體管的金屬層中。這 被用來改變NMOS器件柵極的逸出功?？梢栽诔练e金屬層之前在電介質(zhì)層上沉積逸出功改變層，例如 厚度小于10nm的TiN。優(yōu)選地在第一柵極區(qū)和第二柵極區(qū)的頂部上沉積蓋層，并且作 為對(duì)硅的阻擋層。蓋層可以是金屬氮化物，如氮化鈦。還可以使用其 他金屬氮化物，如氮化鉭。


現(xiàn)在將參考所附的示意性附圖僅以示例方式來描述本發(fā)明，其中圖1到圖4是在通過根據(jù)本發(fā)明的方法實(shí)施例制造器件的各個(gè) 階段的根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件示例的截面圖。
具體實(shí)施方式
這些附圖是概略性的并且并非按比例繪制，為了更加清楚在厚 度方向上的尺寸經(jīng)過了特殊放大。在各個(gè)附圖中對(duì)應(yīng)部件通常賦予相 同的標(biāo)號(hào)和相同的影線。圖1到圖4示出了在通過根據(jù)本發(fā)明的方法實(shí)施例制造器件的 各個(gè)階段的根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件示例的截面圖。圖4中所示的(幾乎)成型器件IO包括半導(dǎo)體基體12，在本示 例中為p型硅并且由基片11形成。第一晶體管l被形成為NMOS晶 體管。在N阱區(qū)33中，第二晶體管2被形成為PMOS晶體管。晶體管l、 2包括分別為p型和n型導(dǎo)電率的源極區(qū)1A、 2A和 漏極區(qū)1B、 2B，電介質(zhì)區(qū)1C、 2C (例如二氧化硅)，以及柵極區(qū) 1D、 2D。在半導(dǎo)體基體12的表面上，以填充二氧化硅(或其他柵極電介質(zhì)，如金屬氧化物)的淺槽隔離(STI)區(qū)的形式形成隔離區(qū)25。本發(fā)明具體涉及用于柵極區(qū)1D、 2D的層以及柵極區(qū)的制造方 法。以下給出所述層的一個(gè)示例。NMOS晶體管1的柵極區(qū)1D包括金屬層22，該金屬層包括Mo 和Te，并且其逸出功大約為4.1eV，非常接近大約4.2eV的最優(yōu)值。PMOS晶體管2的柵極區(qū)2D包括相同的金屬層22，但是不含 Te。另外，PMOS器件具有金屬氧化物層15，尤其是氧化鉬(MoOx)， 例如Mo02。逸出功可以很容易地調(diào)整到大約5.3eV的最優(yōu)值。另外，兩個(gè)柵極區(qū)都包括TiN 50或其他蓋層的區(qū)域以及在逸出 功材料頂部的多晶硅52。如下制造器件IO。圖1的起始點(diǎn)是p型基片11，其中形成了n 阱33和STI (淺槽隔離)區(qū)域25。接著，形成電介質(zhì)層21，并且在 其上形成柵極金屬層22。在該示例中，柵極金屬層是通過汽相沉積 方法沉積的多孔Mo，并且其厚度為5nm-20nm的范圍。如圖2所示，例如通過基于PVD或CVD的方法把金屬氧化物 層15沉積為固態(tài)層。在該示例中的金屬氧化物層包括氧化鉬。固態(tài)沉積比傳統(tǒng)氧氣曝射具有優(yōu)勢(shì)，這是由于在氧氣曝射處理 期間(諸如在氧氣中退火期間)，可能會(huì)形成會(huì)污染退火烘爐的揮發(fā) 成分。在固態(tài)沉積的金屬氧化物的情況下，在后續(xù)的退火步驟之前， 可以將其封裝。而且，在用于氧氣曝射處理的柵極疊層蝕刻期間，金屬氧化物 是薄層，并且由于比非氧化物蝕刻得快，所以會(huì)存在蝕刻到硅基片中 的問題。使用較厚的金屬氧化物疊層，可以平衡在用于兩個(gè)疊層的蝕刻 速率中的差異。因此，在兼容性以及提供清潔處理的便利性方面，具 有很多綜合優(yōu)勢(shì)。在PMOS晶體管2的位置處形成掩模16作為例如0.5-2pm厚的光致抗蝕劑層。該掩模16不僅用于蝕刻金屬氧化物層15以將其從NMOS器件91的柵極疊層中去除，接著還用于將碲離子注入處于NMOS器件1的位置處的金屬層22中。蝕刻是針對(duì)底層金屬層22并且可以是濕法 蝕刻處理或干法蝕刻處理。箭頭30表示使用掩模16來蝕刻金屬氧化 物層15并且注入碲離子，盡管這些步驟自然是分開的步驟并且可以 按照任意的順序。碲離子是以l-4X1015cm'2范圍的流量以及 10-20keV范圍的注入能量注入的。所得到的結(jié)構(gòu)覆蓋了蓋層50 (在本示例中是TiN)以及多晶硅 層'52，如圖3所示。蓋層通常是由導(dǎo)電材料(諸如金屬氮化物)制成并且均勻沉積 到器件10上。該材料將阻擋逸出功材料與隨后沉積的硅的反應(yīng)，并 且因?yàn)槭菍?dǎo)電材料，所以其存在于柵極疊層中是允許的。而且，在適 度條件下它使得器件免于過多的暴露。隨后繼續(xù)以通常方式來制造，通過光刻法和蝕刻法形成柵極疊 層。在形成淺的源極區(qū)1A、 2A和漏極區(qū)1B、 2B部分之后形成間隔 層44和深源極和漏極注入。在圖中未示出進(jìn)一步的步驟，如金屬前 電介質(zhì)的沉積及其圖案化，接觸金屬沉積及其圖案化。對(duì)器件10進(jìn)行熱退火步驟，例如在氮環(huán)境下并且溫度在 700-1050攝氏度條件下的尖峰退火。以上示例使用碲注入來改變NMOS器件的逸出功。應(yīng)該理解的 是，這并不是必要的步驟，因?yàn)椴恍枰摬襟E柵極特性可能足夠。碲 是優(yōu)選的，但是可以使用其他的硫族元素。在以上示例中，注入使用 了蝕刻掩模，但是在處理的其他階段(例如到圖3中所示的結(jié)構(gòu))可 以使用PMOS有源區(qū)的替代掩模進(jìn)行注入。附加的蓋層也可以提供在金屬氧化物層15之上和掩模16之下。 這可用來控制注入處理，尤其防止注入到柵極電介質(zhì)的深度，并且作 為封裝層/阻擋層?？梢允褂萌?-20nm厚的TiN層。優(yōu)選地，蓋層是 一種金屬層，其氧親和力比金屬層中的金屬的氧親和力要差。這有助 于氧向金屬氧化物層下面的層中的擴(kuò)散。金屬層通?？砂≧u、 Mo、 W或者其合金。金屬氧化物層通常可包括導(dǎo)電金屬氧化物，例如Ru、 Mo或W的氧化物。盡管在附圖中未示出，但是在金屬層與電介質(zhì)層之間可以提供附加的逸出功改變層。這優(yōu)選地是超薄金屬層，諸如小于5nm的TiN。 更具體地說，可以使用能以期望的方式改變逸出功的任何電介質(zhì)材 料。該層還可以提供阻氧特性從而使氧化物生長最小化。電介質(zhì)層可以是標(biāo)準(zhǔn)的Si02或SiON或者其他的高介電常數(shù)材料。本發(fā)明可以提供逸出功的期望的顯著變化，使得所得到的逸出 功與n型和p型硅的逸出功相匹配。優(yōu)選地，逸出功應(yīng)當(dāng)在硅的價(jià)帶 邊緣的+0.2eV和導(dǎo)帶邊緣的-0.2eV范圍內(nèi)，即對(duì)于n型硅處于 4.1-4.2eV范圍以及對(duì)于p型硅處于5.0-5.2eV范圍。主要應(yīng)用是用于CMOS器件，但是公共基片上具有兩種類型的 器件的其他半導(dǎo)體器件可以從本發(fā)明受益，諸如雙極性和BiCMOS 技術(shù)，并且對(duì)于應(yīng)用范圍來說，應(yīng)用于諸如存儲(chǔ)器(MIM-金屬絕緣 體金屬、DRAM-動(dòng)態(tài)RAM、 NVM-非易失性存儲(chǔ)器)、A/D和D/A 轉(zhuǎn)換器、RF電路等等。顯而易見的是，本發(fā)明并不限于在此所述的示例，并且對(duì)于本 領(lǐng)域技術(shù)人員來說在本發(fā)明范圍內(nèi)進(jìn)行許多變型和修改是可能的。例 如為了精細(xì)調(diào)節(jié)逸出功，其他微量元素可以被引入導(dǎo)電材料中。而且， 為此可以使用元素的混合物，如Se和Te。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件(10)，包括第一n型場效應(yīng)晶體管(1)，其具有第一源極和漏極區(qū)(1A、1B)和n型溝道以及第一柵極區(qū)，其中第一柵極區(qū)通過第一電介質(zhì)區(qū)(1C)與n型溝道分隔開；以及第二p型場效應(yīng)晶體管(2)，其具有第二源極和漏極區(qū)(2A、2B)和p型溝道以及第二柵極區(qū)，其中第二柵極區(qū)通過第二電介質(zhì)區(qū)(2C)與p型溝道分隔開，其中第一柵極區(qū)包括金屬層，第二柵極區(qū)包括金屬層和上覆金屬氧化物層，并且其中金屬氧化物層存在于第二柵極區(qū)內(nèi)而并不存在于第一柵極區(qū)內(nèi)。
2. 如權(quán)利要求l所述的器件，其中金屬層包括Ru、 Mo、 W或 Ru、 Mo、 W的合金。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的器件，其中第一柵極區(qū)內(nèi)的金屬層 部分包括注入的硫族元素。
4. 如權(quán)利要求3所述的器件，其中硫族元素是碲。
5. 如前述任一權(quán)利要求所述的器件，其中金屬氧化物層包括導(dǎo) 電金屬氧化物。
6. 如權(quán)利要求5所述的器件，其中導(dǎo)電金屬氧化物包括Ru、 Mo或W的氧化物。
7. 如前述任一權(quán)利要求所述的器件，其中每個(gè)柵極區(qū)還包括在 金屬層與電介質(zhì)層之間的逸出功改變層。
8. 如權(quán)利要求7所述的器件，其中逸出功改變層的厚度小于5mn。
9. 如權(quán)利要求8所述的器件，其中逸出功改變層包括TiN。
10. 如前述任一權(quán)利要求所述的器件(10)，還包括在第一柵極 區(qū)和第二柵極區(qū)頂部上的蓋層。
11. 如權(quán)利要求10所述的器件(10)，其中蓋層包括金屬氮化物。
12. —種制造半導(dǎo)體器件(10)的方法，所述半導(dǎo)體器件包括具 有第一源極和漏極區(qū)(1A、 1B)和n型溝道以及第一柵極區(qū)的第一 n型場效應(yīng)晶體管(1)，其中第一柵極區(qū)通過第一電介質(zhì)區(qū)(1C) 與n型溝道分隔開；以及具有第二源極和漏極區(qū)(2A、 2B)和p型 溝道以及第二柵極區(qū)的第二p型場效應(yīng)晶體管(2)，其中第二柵極 區(qū)通過第二電介質(zhì)區(qū)(2C)與p型溝道分隔開，所述方法包括步驟制備基片以形成第一類型和相反類型的半導(dǎo)體基體； 在基片上沉積柵極電介質(zhì)層； 在柵極電介質(zhì)層上沉積柵極金屬層； 在柵極電介質(zhì)層上沉積固態(tài)金屬氧化物層；去除在基片區(qū)域上對(duì)應(yīng)于n型晶體管的一部分固態(tài)金屬氧化物 層；以及完成用于n型晶體管和p型晶體管的柵極疊層并且形成源極和 漏極區(qū)，從而定義半導(dǎo)體基體上的多個(gè)晶體管之一以及阱上的另一個(gè) 晶體管。
13. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中金屬層包括Ru、 Mo、 W 或Ru、 Mo、 W的合金。
14. 如權(quán)利要求12或13所述的方法，其中將掩模沉積在金屬氧化物層上并且用于蝕刻金屬氧化物層以去除部分固態(tài)金屬氧化物層。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，還包括將硫族元素注入到基片 區(qū)域上對(duì)應(yīng)于n型晶體管的金屬層。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其中掩模還用作用于注入的屏蔽層。
17. 如權(quán)利要求15或16所述的方法，其中硫族元素是碲。
18. 如權(quán)利要求12-17中任一所述的方法，其中金屬氧化物層包 括導(dǎo)電金屬氧化物。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中導(dǎo)電金屬氧化物包括Ru、 Mo或W的氧化物。
20. 如權(quán)利要求12-20中任一所述的方法，還包括在沉積金屬層 之前在電介質(zhì)層上沉積逸出功改變層。
21. 如權(quán)利要求20所述的方法，其中逸出功改變層被沉積為厚 度小于5nm。
22. 如權(quán)利要求21所述的方法，其中逸出功改變層包括TiN。
23. 如權(quán)利要求12-22中任一所述的方法，其中完成柵極疊層包 括在第一柵極區(qū)和第二柵極區(qū)頂部上沉積蓋層。
全文摘要
提供了一種制造半導(dǎo)體器件的方法，該半導(dǎo)體器件包括第一n型場效應(yīng)晶體管(1)和第二p型場效應(yīng)晶體管(2)。該方法包括步驟在基片上沉積柵極電介質(zhì)層；在柵極電介質(zhì)層上沉積柵極金屬層(22)；在柵極電介質(zhì)層上沉積固態(tài)金屬氧化物層(15)；去除在基片區(qū)域上對(duì)應(yīng)于n型晶體管的一部分固態(tài)金屬氧化物層(15)；以及完成用于n型晶體管和p型晶體管的柵極疊層并且形成源極區(qū)和漏極區(qū)。本發(fā)明因此提供了一種可與IC技術(shù)兼容并且易于制造的器件。通過避免形成氧化物層的氣體曝射復(fù)雜度，固態(tài)金屬氧化物層的沉積提供了一種簡單的制造工藝。
文檔編號(hào)H01L21/8238GK101558493SQ200780046414
公開日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2007年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月15日
發(fā)明者雅各布·C·胡克 申請(qǐng)人:Nxp股份有限公司