專利名稱：使用硅化的金屬柵極電極以及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大致上系關(guān)于一種半導(dǎo)體技術(shù)，特別是關(guān)于與硅化過程有關(guān)的半導(dǎo)體裝置。
背景技術(shù)：
目前集成電路制造的普遍趨勢(shì)是將晶體管的結(jié)構(gòu)尺寸盡可能地做小。為完成高密度集成電路，而必須將諸如導(dǎo)體、源極和漏極接合處，以及互聯(lián)機(jī)(interconnection)至接合處等結(jié)構(gòu)盡可能地做到最小。當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸減小時(shí)，合成的晶體管的尺寸和晶體管之間的互聯(lián)機(jī)亦減小。當(dāng)晶體管變小，我們就可以在單一整體基材上設(shè)置更多的晶體管。因此，相當(dāng)大的電路可置于單一且相當(dāng)小的晶粒區(qū)域。再者，一般較小的晶體管在運(yùn)作時(shí)，具有較低的導(dǎo)通臨限電壓、較快的切換速率，并消耗較少的功率。所有這些特征使得較高速集成電路得以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)我們依比例減少半導(dǎo)體晶體管的尺寸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生若干問題。例如，使用非常薄的柵極電介質(zhì)，卻造成高柵極漏電流，如此弱化了裝置的性能。再者，當(dāng)晶體管依比例減少時(shí)，為確保晶體管確實(shí)的切斷，信道中需要較高位準(zhǔn)的摻雜物以減少短信道效應(yīng)。此一信道中非常高濃度的摻雜物減弱了電流驅(qū)動(dòng)，并導(dǎo)致不需要的漏極至信道穿隧電流 (drain-to-channel tunneling current)0再者，使用一般多晶硅柵極技術(shù)時(shí)，亦伴隨著額外的問題。例如，多晶硅柵極傾向于遭遇到多晶硅耗盡或硼穿透效應(yīng)，使得性能退化。另外，多晶硅柵極具有固定的功函數(shù)，由特定物種或種類的某一高位準(zhǔn)的摻雜質(zhì)所定義。例如，在一般的制程中在N型晶體管中，柵極、源極和漏極被摻雜著選定(高)濃度的砷，合成的功函數(shù)將近4. IeV;在P型晶體管中，柵極、源極和漏極被摻雜著選定(高) 濃度的硼，合成的功函數(shù)將近5. OeV0盡管此數(shù)值對(duì)于一般裝置是可接受的(例如上述依比例減少的裝置)，不過在N型裝置中提高功函數(shù)數(shù)值至某一程度，并在P裝置中降低功函數(shù)數(shù)值至某一程度，對(duì)于相同臨限電壓而言，可以降低信道中摻雜質(zhì)濃度的位準(zhǔn)，克服與上述信道中高摻雜質(zhì)位準(zhǔn)相關(guān)的問題。利用金屬取代多晶硅做為晶體管柵極具有許多優(yōu)點(diǎn)。例如，一般金屬比多晶硅具有較高的導(dǎo)電性。再者，我們有機(jī)會(huì)選擇金屬，使其特定功函數(shù)適合裝置，如此可降低信道中摻雜質(zhì)濃度的位準(zhǔn)。另外，亦可避免多晶硅耗盡或硼穿透等問題，如此我們可使用具有金屬柵極的較厚柵極氧化物，實(shí)質(zhì)上降低柵極漏電流。不過，所提的制程一般涉及金屬沉積， 而非多晶硅沉積，需要復(fù)雜的制程整合技術(shù)。因此，我們需要一種可以克服上述問題的方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的方法中，我們提供基材并在基材上提供電介質(zhì)以制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。多晶硅體設(shè)于電介質(zhì)上，而金屬層則設(shè)于多晶硅體上。進(jìn)行硅化過程以大致上硅化整個(gè)多晶硅體，然后在電介質(zhì)上形成柵極。在另一個(gè)制程中，帽罩層設(shè)于多晶硅體上，而在硅化過程之前移除此帽罩層。在硅化過程之前，多晶硅體摻雜著選定的物種，在硅化過程中摻雜物被驅(qū)往電介質(zhì)以形成柵極部位，此柵極部位毗鄰于電介質(zhì)處具有高濃度的摻雜物。物種的型式與濃度可用作對(duì)于決定形成的柵極的功函數(shù)的手段。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明公開一種制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于提供基材(8 ；在該基材(8 上提供電介質(zhì)(84)；于該電介質(zhì)(84)上提供多晶硅體(86)，該多晶硅體(86)含有摻雜物(89)；在該多晶硅體(86)上提供帽罩層(90)；以該帽罩層(90) 和該多晶硅體(86)做為光罩，將另一種摻雜物(98)導(dǎo)入該基材(8 之內(nèi)；從該多晶硅體 (86)上去除該帽罩層(90)；在該多晶硅體(86)上提供金屬層(120)；經(jīng)歷硅化過程以實(shí)質(zhì)上在整個(gè)該多晶硅體(86)上進(jìn)行硅化，以在該電介質(zhì)(84)上形成柵極(122)；以及在該多晶硅體(86)內(nèi)選擇摻雜物(89)，該摻雜物的選擇取決于該柵極(122)所需的功函數(shù)。閱讀以下的詳細(xì)說明并參照隨附的圖標(biāo)，將使我們更了解本發(fā)明。透過以下的敘述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將可輕易地了解本發(fā)明，此處所示與所述的本發(fā)明的實(shí)施例只是用來說明完成本發(fā)明的最佳模式。我們需了解到在不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求的前提下，本發(fā)明可以有其它的實(shí)施例，其若干細(xì)節(jié)可以修飾，亦可有多種顯而易知的態(tài)樣。因此，圖標(biāo)和詳細(xì)說明在本質(zhì)上用來解說，而非限制本發(fā)明。


隨附的權(quán)利要求書記載了本發(fā)明的新穎的特征。然而，通過以上參照實(shí)施例的詳細(xì)說明并配合隨附的圖標(biāo)，我們將更了解發(fā)明本身的較佳使用模式，以及其目的和優(yōu)點(diǎn)。圖1至圖6顯示本發(fā)明第一實(shí)施例中的制程步驟；而圖7至圖14顯示本發(fā)明第二實(shí)施例中的制程步驟。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在，請(qǐng)?jiān)敿?xì)參照本發(fā)明的特定實(shí)施例，其揭示了發(fā)明人完成本發(fā)明的最佳模式。圖1顯示眾所皆知的半導(dǎo)體裝置30，其包含有硅基材32，在硅基材32上設(shè)有由柵極氧化物34形成的電介質(zhì)，在柵極氧化物34上則依次設(shè)有多晶硅層36。圖2顯示離子植入的進(jìn)行過程38。舉例來說，N型裝置我們可利用砷或P型裝置我們則利用硼，如此離子39 可植入硅基材32之內(nèi)(利用多晶硅層36和氧化物34做為全面性光罩41)，使得多晶硅層 36與硅基材32的區(qū)域40、42形成輕度摻雜質(zhì)區(qū)域。舉例來說，就N型裝置而言，摻雜物砷可以3keV的能量位準(zhǔn)，lel5/cm2的劑量位準(zhǔn)植入；就P型裝置而言，摻雜物硼可以4keV的能量位準(zhǔn)，2. 5el4/cm2的劑量位準(zhǔn)植入。之后，圖3顯示氧化層44沉積在完成的結(jié)構(gòu)上，此氧化層44受到非等向性的蝕刻以在多晶硅層36的兩側(cè)形成間隔物46、48，如圖4所示。圖4亦顯示另一個(gè)植入步驟50。再次舉例來說，N型裝置我們可利用砷或P型裝置我們則利用硼，如此離子39可植入硅基材32之內(nèi)(利用多晶硅層36、柵極氧化物34和間隔物46，48做為全面性光罩51)和在多晶硅體內(nèi)形成重度摻雜質(zhì)區(qū)域52、54。舉例來說，就N型裝 置而言，摻雜物砷可以30keV的能量位準(zhǔn)，4el5/cm2的劑量位準(zhǔn)植入；就P型裝置而言，摻雜物硼可以3. 5keV的能量位準(zhǔn)，2el5/cm2的劑量位準(zhǔn)植入。植入形成之后，舉例來說，我們可以在1050°C進(jìn)行積極退火(如快速熱退火， rapid thermal anneal) 30秒，以驅(qū)使植入物形成裝置30的源極區(qū)域56和漏極區(qū)域58。接下來，如圖5中所示，金屬層60 (例如鎳)沉積在完成的結(jié)構(gòu)(即多晶硅層36、 間隔物46、48、位在硅基材32上的源極區(qū)域56和漏極區(qū)域58)上。然后，舉例來說，完成的結(jié)構(gòu)在500°C進(jìn)行快速熱退火，導(dǎo)致鎳60與多晶硅層36和硅基材32的硅產(chǎn)生反應(yīng)以生成進(jìn)入多晶硅層36與進(jìn)入源極區(qū)域56和漏極區(qū)域58的硅化鎳62、64、66。相較于多晶硅層 36的厚度，鎳層60足夠厚，且經(jīng)歷的硅化步驟足夠長(zhǎng)，以提供大致上整個(gè)多晶硅層36的硅化(由于在此過程中，多晶硅層36的消耗速率大約是鎳層60的兩倍，所以我們最好選擇的鎳層60厚度為多晶硅層36厚度的一半以上。舉例來說，對(duì)于厚度為700埃的多晶硅層36， 我們最好選擇厚度超過350埃的鎳層60。)此一步驟形成硅化鎳柵極62，以及源極區(qū)域56 和漏極區(qū)域58內(nèi)的硅化鎳區(qū)域64、66。然后未反應(yīng)的鎳部分被移除，留下圖6中的結(jié)構(gòu)。我們將看到在硅化步驟中，金屬柵極62透過多晶硅層36的完全消耗而形成。如此，我們克服上述關(guān)于多晶硅柵極的問題。也就是，相較于多晶硅柵極，柵極的導(dǎo)電性獲得改善，而且我們也避免多晶硅耗盡與硼穿透的問題。在此硅化過程中，先前于多晶硅層36內(nèi)大致上均勻分布的多晶硅層36中的摻雜物39(在上述例子中N型裝置中為砷，P型裝置中為硼)，通過向下前進(jìn)的硅化鎳與多晶硅體接口而受到往下的驅(qū)動(dòng)，直到實(shí)質(zhì)數(shù)量的摻雜物39位于毗鄰于柵極氧化物34的柵極62 部位68之中，如此毗鄰于柵極氧化物34的柵極62部位68比遠(yuǎn)離柵極氧化物34的柵極部位70含有實(shí)質(zhì)上較高的摻雜物濃度。上述摻雜物39的鏟雪(snowplowing)現(xiàn)象導(dǎo)致非預(yù)期的合成柵極功函數(shù)。舉例來說，在N型裝置的場(chǎng)合中，摻雜物39為砷，通過上述步驟，柵極 62的合成柵極功函數(shù)為4. 35eV至4. 4eV，相較之下多晶硅柵極的柵極功函數(shù)只有4. 15eV。 就相同的裝置臨限電壓而言，N型裝置中的功函數(shù)增加使得裝置信道中的摻雜物濃度位準(zhǔn)下降。借著信道中摻雜物濃度的下降位準(zhǔn)，我們可確保適當(dāng)?shù)木w管關(guān)閉，同時(shí)避免上述減少的電流驅(qū)動(dòng)與不要的漏極至信道穿隧電流等問題。同理，在P型裝置的場(chǎng)合中，摻雜物39為硼，通過上述步驟，柵極62的合成柵極功函數(shù)為4. 9eV，相較之下多晶硅柵極的功函數(shù)則為5. 05eV。就相同的裝置臨限電壓而言，P 型裝置中的功函數(shù)減少使得裝置信道中的摻雜物濃度位準(zhǔn)下降，克服上述問題。完成此一過程之后，我們了解到可依需要選擇各種合成柵極的功函數(shù)，取決于例如，摻雜物的型態(tài)、摻雜物的濃度(或摻雜物的缺乏)、金屬層的型態(tài)，和/或硅化過程的步驟。適當(dāng)?shù)倪x擇這些參數(shù)，我們將可依需要來修正合成的柵極功函數(shù)。圖7至14顯示本發(fā)明的第二實(shí)施例。圖7顯示一個(gè)半導(dǎo)體裝置80，其包括硅基材 82，其上設(shè)有由氧化層84形成的電介質(zhì)，以及設(shè)于氧化層84之上的多晶硅層86 (實(shí)質(zhì)上較圖1至6的過程中所示者為薄)。我們以預(yù)定型式及濃度(其可異于即將植入以形成裝置的源極與漏極區(qū)域的型式及濃度)的摻雜物89植入(88)多晶硅層86，或不對(duì)多晶硅層進(jìn)行摻雜質(zhì)。摻雜物的選擇與濃度(或選擇欠缺摻雜物)對(duì)于決定隨后敘述的合成結(jié)構(gòu)的柵極功函數(shù)是有幫助的。光罩層(例如氮化層90)形成于多晶硅層86上，且多晶硅層86、帽罩層90和柵極氧化物層84(圖8)是以眾所皆知的方法形成的。然后，進(jìn)行離子植入步驟92 (圖9)以形成輕度摻雜質(zhì)區(qū)域94、96，針對(duì)于待制造的裝置型態(tài)，選擇適當(dāng)?shù)膿诫s物98(例如N型裝置中為砷，或P型裝置中為硼)，利用帽罩層90、多晶硅層86和柵極氧化物層84做為全面性光罩100。參照?qǐng)D10，氧化層102沉積在合成結(jié)構(gòu)上，并受到非等向性蝕刻以在多晶硅層86和帽罩層90的相對(duì)側(cè)形成間隔物104、 106(圖11中)。然后，沿著做為全面性光罩110的帽罩層90、多晶硅層86和柵極氧化物層 84利用間隔物104、106進(jìn)行離子植入步驟108，以形成重度摻雜質(zhì)區(qū)域112、114，再次針對(duì)于待制造的裝置型態(tài)，選擇此摻雜物98 (例如N型裝置中為砷，或P型裝置中為硼)，如圖 11所示。進(jìn)行退火(如快速熱退火)，激活植入以形成裝置80的源極和漏極區(qū)域116、118。 參照?qǐng)D12，我們利用適當(dāng)?shù)氖侄?例如蝕刻)移除帽罩層90 (如上所述，帽罩層90和間隔物104、106可以是不同的材料，所以帽罩層90的移除不會(huì)影響間隔物104、106)。參照?qǐng)D13，接下來，金屬層120(例如鎳)沉積在合成結(jié)構(gòu)上，即沉積在多晶硅層 86上，間隔物104、106和基材82則覆蓋著源極區(qū)域116和漏極區(qū)域118，鎳層120寬度大于多晶硅層86寬度的一半。然后，合成結(jié)構(gòu)經(jīng)歷快速熱退火，導(dǎo)致鎳120與多晶硅層86和硅基材82的硅產(chǎn)生反應(yīng)以生成進(jìn)入多晶硅層86 (以形成柵極12 與進(jìn)入源極區(qū)域116和漏極區(qū)域118的硅化鎳122、124、126。再次，相較于多晶硅層86的厚度，鎳層120足夠厚，且經(jīng)歷的硅化步驟足夠長(zhǎng)，以提供大致上整個(gè)多晶硅層86的硅化。然而，多晶硅層86實(shí)質(zhì)上較圖1至6所示的實(shí)施例中的多晶硅層36為薄，所以合成的硅化柵極122以及源極區(qū)域116和漏極區(qū)域118 中的硅化區(qū)域124、1沈?qū)嵸|(zhì)上較圖1至6所示的實(shí)施例中的對(duì)應(yīng)部分為薄或淺，即硅化區(qū)域124、1沈進(jìn)入源極區(qū)域116和漏極區(qū)域118中的深度不如第一實(shí)施例所示者深，如此避免源極區(qū)域和/或漏極區(qū)域不足的可能問題。如此，即使源極和漏極區(qū)域相當(dāng)淺，我們亦可達(dá)成適當(dāng)?shù)难b置架構(gòu)。在離子植入步驟108期間(圖11)，在多晶硅層86上加入帽罩層90 可提供較薄的多晶硅層86，同時(shí)確保半導(dǎo)體本體82在全面性光罩110下可達(dá)成適當(dāng)?shù)恼诠?(masking) 0類似于先前的過程，先前于多晶硅層86內(nèi)大致上均勻分布的多晶硅層86中的摻雜物89，通過向下前進(jìn)的硅化鎳與多晶硅接口而受到往下的驅(qū)動(dòng)，直到實(shí)質(zhì)數(shù)量的摻雜物 89推進(jìn)毗鄰于柵極氧化物層84的柵極122部位150之中為止，如此毗鄰于柵極氧化物層 84的柵極122部位150比遠(yuǎn)離柵極氧化物層84的柵極部位152含有實(shí)質(zhì)上較高的摻雜物濃度。如此導(dǎo)致上述決定的柵極122功函數(shù)。然而，在本實(shí)施例中，柵極122功函數(shù)不是取決于用于裝置80的源極116和漏極118的摻雜物98，而是取決于在多晶硅層86中獨(dú)立選擇的摻雜物89。因此，我們了解到可依特定需求選擇并修正柵極122的功函數(shù)，與為裝置 80的源極和漏極而選的摻雜物無關(guān)。然后移除未反應(yīng)的鎳部分，留下圖14中的結(jié)構(gòu)。我們了解到除了上述特定N型和P型摻雜物，任何其它適當(dāng)?shù)膿诫s物，包括N型、 P型或既非N型亦非P型者皆可有效地利用。最初，我們了解到設(shè)有金屬層的優(yōu)點(diǎn)，即相較于多晶硅柵極裝置具有較高的導(dǎo)電性，并避免多晶硅的耗盡與穿透等問題。此外，我們可以修正柵極的功函數(shù)，無需在裝置的性能上妥協(xié)，即可降低裝置信道(具有其伴隨的優(yōu)點(diǎn))中的摻雜物濃度。

為了圖解與說明起見，我們?cè)敿?xì)敘述本發(fā)明的實(shí)施例如上。我們并不欲將本發(fā)明限制于以上的詳細(xì)內(nèi)容。在上述的揭示啟發(fā)之下，我們可做出其它的修正或變化。在此所選與所述的實(shí)施例已對(duì)本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用提供最佳的說明，如此本領(lǐng)域技術(shù)人員可針對(duì)各種實(shí)施方式以及適于特定使用考量下的各種修飾而使用本發(fā)明。 所有的此等修飾和變化在由所附的權(quán)利要求書所決定的本發(fā)明的范圍內(nèi)，而該權(quán)利要求書依公平、合法、等效的原則作最廣范圍的解釋。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于 提供基材(82)；在該基材(8 上提供電介質(zhì)(84)；在該電介質(zhì)(84)上提供多晶硅體(86)，該多晶硅體(86)含有摻雜物(89)； 在該多晶硅體(86)上提供帽罩層(90)；以該帽罩層(90)和該多晶硅體(86)做為光罩，將另一種摻雜物(98)導(dǎo)入該基材(82) 之內(nèi)；從該多晶硅體(86)上去除該帽罩層(90)； 在該多晶硅體(86)上提供金屬層(120)；經(jīng)歷硅化過程以實(shí)質(zhì)上在整個(gè)該多晶硅體(86)上進(jìn)行硅化，以在該電介質(zhì)(84)上形成柵極(122)；以及在該多晶硅體(86)內(nèi)選擇摻雜物(89)，該摻雜物的選擇取決于該柵極(122)所需的功函數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步的特征在于在該帽罩層(90)與該多晶硅體 (86)的兩相對(duì)側(cè)設(shè)有間隔物(104、106)，該間隔物(104,106)沿著該帽罩層(90)與該多晶硅體(86)充當(dāng)光罩以將該另一種摻雜物(98)導(dǎo)入該基材(8 之內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步的特征為在該多晶硅體上提供金屬層(120)的該步驟是提供超過該多晶硅體(86)厚度一半厚度的鎳層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種使用硅化的金屬柵極電極以及其形成方法。本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置由提供基材(32)，并在基材(32)上提供介電層(34)而制成。多晶硅體(36)設(shè)于介電層(34)上，而金屬層(60)則設(shè)于多晶硅體(36)上。進(jìn)行硅化過程以大致上硅化整個(gè)多晶硅體(36)，然后在介電層(34)上形成柵極(62)。在另一個(gè)制程中，帽罩層(90)設(shè)于多晶硅體(86)上，而此帽罩層(90)在硅化過程之前被移除。在二個(gè)實(shí)施例中，在硅化過程之前，多晶硅體摻雜著選定的物種，在硅化過程中摻雜劑驅(qū)往介電層以形成柵極部位，其毗鄰于電介質(zhì)處具有高濃度的摻雜物。物種的型式與濃度可用作對(duì)于決定形成的柵極的功函數(shù)的手段。
文檔編號(hào)H01L21/285GK102157362SQ201110047290
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2003年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月30日
發(fā)明者W·P·毛薩爾拉, Z·克里沃卡皮奇 申請(qǐng)人:先進(jìn)微裝置公司