專利名稱：金屬柵極結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬柵極結(jié)構(gòu)，尤指一種n型金屬柵極結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著半導體元件尺寸持續(xù)微縮，傳統(tǒng)方法中利用降低柵極介電層，例如降低二氧化硅層厚度，以達到最佳化目的的方法，面臨到因電子的隧穿效應(yīng)(tunneling effect)而導致漏電流過大的物理限制。為了有效延展邏輯元件的世代演進，高介電常數(shù)(以下簡稱為high-K)材料因具有可有效降低物理極限厚度，并且在相同的等效氧化厚度(equivalent oxide thickness,以下簡稱為EOT)下,有效降低漏電流并達成等效電容以控制溝道開關(guān)等優(yōu)點，而被用以取代傳統(tǒng)二氧化硅層或氮氧化硅層作為柵極介電層。傳統(tǒng)的柵極材料多晶娃則面臨硼穿透(boron penetration)效應(yīng),導致元件效能 降低等問題；且多晶硅柵極更遭遇難以避免的耗層效應(yīng)(cbpletioneffect)，使得等效的柵極介電層厚度增加、柵極電容值下降，進而導致元件驅(qū)動能力的衰退等困境。針對此問題，半導體業(yè)界更提出以新的柵極材料，例如利用具有功函數(shù)(work function)金屬層的金屬柵極來取代傳統(tǒng)的多晶硅柵極，用以作為匹配高介電常數(shù)(High-K)柵極介電層的控制電極。然而，即使利用高介電常數(shù)(high-K)柵極介電層取代傳統(tǒng)二氧化硅或氮氧化硅柵極介電層，并以具有匹配功函數(shù)的金屬柵極取代傳統(tǒng)多晶硅柵極，如何持續(xù)地增加半導體元件效能及確保其可靠度仍為半導體業(yè)者所欲解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明之一目的在于提供一種具有優(yōu)選元件表現(xiàn)與可靠度的金屬柵極結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明所提供的權(quán)利要求，提供一種金屬柵極結(jié)構(gòu)，該金屬柵極結(jié)構(gòu)包括有高介電常數(shù)(high-K)柵極介電層、含氮(N-containing)層、功函數(shù)金屬層、以及氮捕陷(N-trapping)層。該含氮層設(shè)置于該功函數(shù)金屬層與該高介電常數(shù)柵極介電層之間；而該氮捕陷層設(shè)置于該功函數(shù)金屬層與該高介電常數(shù)(high-K)柵極介電層之間，且該氮捕陷層不包括任何氮離子。根據(jù)本發(fā)明所提供的權(quán)利要求，另提供一種金屬柵極結(jié)構(gòu)，該金屬柵極結(jié)構(gòu)包括有高介電常數(shù)(high-K)柵極介電層、含氮層、功函數(shù)金屬層、以及氮捕陷層。該含氮層設(shè)置于該功函數(shù)金屬層與該高介電常數(shù)柵極介電層之間；而該氮捕陷層設(shè)置于該功函數(shù)金屬層與該高介電常數(shù)柵極介電層之間，且該氮捕陷層包括低濃度氮離子。根據(jù)本發(fā)明所提供的金屬柵極結(jié)構(gòu)，利用完全不含氮離子的氮捕陷層捕捉含氮層中的氮離子，以增加功函數(shù)金屬層的金屬離子擴散速率并改善其擴散結(jié)果。因此，在完成功函數(shù)金屬的調(diào)整之后，氮捕陷層會捕捉到含氮層中的氮離子而包括低濃度氮離子，且功函數(shù)金屬層中金屬的擴散率被提升而達到調(diào)整(tuning)金屬柵極的功函數(shù)至預(yù)期的3. 9 4. 3電子伏特(eV)的目的。據(jù)此，本發(fā)明提供具有較高可靠度的金屬柵極結(jié)構(gòu)。


圖I至圖2為本發(fā)明所提供的金屬柵極結(jié)構(gòu)的第一優(yōu)選實施例的示意圖。圖3為第一優(yōu)選實施例的變化型的示意圖。圖4為本發(fā)明所提供的金屬柵極結(jié)構(gòu)的第二優(yōu)選實施例的示意圖。圖5與圖6分別為為第二優(yōu)選實施例的變化型的示意圖。
圖7至圖8分別為本發(fā)明所提供的金屬柵極結(jié)構(gòu)的第三優(yōu)選實施例及其變化型的示意圖。 附圖標記說明100、200、300 基底102、202、302 淺溝絕緣110、210、310 半導體元件112、212、312 輕摻雜漏極114、214、314 間隙壁116、216、316 源極 / 漏極118,218,318 金屬硅化物120柵極溝槽120a、120b、220a、220b、320a、320b 金屬柵極122、222、322高介電常數(shù)柵極介電層124、224、324含氮層124a、224a、324a氮化鈦層124b、224b、324b氮化鉭層126、226、326氮捕陷層128、228、328功函數(shù)金屬層130、230、330頂部阻障層132、232、332低阻抗金屬層140、240、340接觸洞蝕刻停止層142、242、342內(nèi)層介電層
具體實施例方式請參閱圖I至圖2，圖I至圖2為本發(fā)明所提供的金屬柵極結(jié)構(gòu)的第一優(yōu)選實施例的示意圖，且本優(yōu)選實施例是采用后柵極(gate-last)工藝。如圖I所示，首先提供基底100，如硅基底、含硅基底或硅覆絕緣(silicon-on-insulator，SOI)基底等，且基底100內(nèi)形成有多個用以提供電性隔離的淺溝絕緣(shallowtrench isolation, STI) 102。接下來于基底100上形成至少一半導體元件110。半導體元件110包括設(shè)置于柵極溝槽120內(nèi)的金屬柵極120a、輕摻雜漏極(light doped drain,LDD) 112。由于本優(yōu)選實施例所提供的半導體元件110為n型半導體元件，因此輕摻雜漏極(LDD) 112為n型輕摻雜漏極(LDD)。且半導體元件110的金屬柵極120a周圍的側(cè)壁尚包括間隙壁114 ;間隙壁114優(yōu)選為復(fù)合膜層的結(jié)構(gòu)。半導體元件110還包括n型源極/漏極116，與用以降低接觸界面的電阻的金屬硅化物118。在本優(yōu)選實施例中，亦可利用選擇性外延生長(selective epitaxial growth,SEG)方法來制作源極/漏極116。如前所述，由于本優(yōu)選實施例中的半導體元件110為n型半導體元件，因此可利用包括有碳化硅(SiC)的外延層制作n型源極/漏極116。而在半導體元件110與基底100上,依序形成有接觸洞蝕刻停止層(contact etch stop layer, CESL) 140與內(nèi)層介電(inter-layer dielectric, ILD)層142。上述形成金屬柵極120a、輕摻雜漏極(LDD) 112、間隙壁114、源極/漏極116、金屬硅化物118、接觸洞蝕刻停止層(CESL) 140與內(nèi)層介電(ILD)層142等元件的步驟為該領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所熟知，故于此不再贅述。請繼續(xù)參閱圖I。根據(jù)本第一優(yōu)選實施例，金屬柵極120a內(nèi)依序包括柵極介電層122、含氮層124、氮捕陷層126、功函數(shù)金屬層128、頂部阻障(topbarrier)層130與低阻抗金屬(low-resistance metal)層132,這些膜層是由下而上依序堆疊于柵極溝槽120內(nèi)，且低阻抗金屬層132填滿柵極溝槽120。低阻抗金屬層132可為包括招(aluminum, Al),但不限于此。頂部阻障層130可包括氮化鈦(titanium nitride, TiN),但亦不限于此,任何可成功阻障低阻抗金屬層132與下層金屬反應(yīng)的材料皆適用于作為頂部阻障層130。功函 數(shù)金屬層128則可包括招化鈦單層結(jié)構(gòu)、三招化鈦(titanium tri-aluminide, TiA13)單層結(jié)構(gòu)、或招/鈦雙層結(jié)構(gòu)。含氮層124可包括TiN、氮化鉭(tantalum nitride, TaN)或其組合，但優(yōu)選為包括例如TiN層124a與TaN層124b的雙層結(jié)構(gòu)，但不限于此。且含氮層124中的TiN層124a作為底部阻障(bottom barrier)層，而TaN層124b則作為蝕刻停止(etch stop)層。另外,金屬柵極120a的底部還可包括介質(zhì)層(interfacial layer)(圖未示)，形成于柵極介電層122之前。另外，由于本優(yōu)選實施例與先柵極介電層(high-K first)工藝整合，因此柵極介電層122包括高介電常數(shù)(high-K)柵極介電層122,其可選自包括氧化鉿(hafnium oxide,HfO2)、娃酸鉿氧化合物(hafnium silicon oxide, HfSiO4)、娃酸鉿氮氧化合物(hafniumsilicon oxynitride,HfSiON)、氧化招(aluminumoxide,Al2O3)、氧化鑭(lanthanum oxide,La2O3)、氧化組(tantalum oxide，Ta2O5)、氧化 乙(yttrium oxide，Y2O3)、氧化錯(zirconiumoxide, ZrO2)、欽酸銀(strontiumtitanate oxide, SrTiO3)、娃酸錯氧化合物(zirconiumsilicon oxide, ZrSiO4)、與錯酸給(hafnium zirconium oxide, HfZrO4)所組成的群組。值得注意的是，本優(yōu)選實施例于含氮層124與功函數(shù)金屬層128之間提供氮捕陷層126,其厚度介于10埃(angstrom)至70埃。氮捕陷層126不包括任何氮離子，且氮捕陷層 126 選自欽(titanium, Ti)、組(tantalum, Ta)、鑭(lanthanum, La)、 乙(yttrium, Y)、給(hafnium, Hf)、銀(niobium, Nb)、錯(zirconium, Zr)和 凡(vanadium, V)所組成的群組。該領(lǐng)域中普通技術(shù)人員應(yīng)知，在調(diào)整金屬柵極的功函數(shù)時，功函數(shù)金屬層128內(nèi)的鋁離子會經(jīng)由擴散進入高介電常數(shù)(high-K)柵極介電層122與含氮層124的界面來調(diào)整n型金屬柵極120a的功函數(shù)。此時，本優(yōu)選實施例所提供的氮捕陷層126是用以捕捉下方含氮層124中的氮離子，以降低含氮層124的阻障作用、增加鋁離子的擴散速率、并改善鋁離子的擴散結(jié)果。請參閱圖2。因此，在調(diào)整金屬柵極120a的功函數(shù)后，原本完全不含氮離子的氮捕陷層126內(nèi)會包括由含氮層124所捕捉來的低濃度氮離子。而在經(jīng)過平坦化工藝如化學機械拋光(chemical mechanical polishing, CMP)工藝移除多余的低阻抗金屬層132、頂部阻障層130、功函數(shù)金屬層128、氮捕陷層126與TaN層124b之后，獲得具有理想功函數(shù)的金屬柵極120a,且金屬柵極120a中的TaN層124b、氮捕陷層126、功函數(shù)金屬層128、與頂部阻障層130的剖面結(jié)構(gòu)具有如圖2所示的U型形狀。另外，請參閱圖3，圖3為第一優(yōu)選實施例的變化型的示意圖。本變化型所提供的金屬柵極120b與后柵極介電層(high-K last)工藝整合，而氮捕陷層128仍設(shè)置于功函數(shù)金屬層128與該含氮層124之間。也就是說，在形成柵極溝槽120之后，基底100或介質(zhì)層(圖未示)暴露于柵極溝槽120底部，隨后才于柵極溝槽120內(nèi)依序形成高介電常數(shù)(high-K)柵極介電層122、含氮層124、氮捕陷層126、功函數(shù)金屬層128、頂部阻障層130、與低阻抗金屬層132。因此，在化學機械拋光(CMP)工藝移除多余的膜層之后，本變化型所提供的金屬柵極120b中的高介電常數(shù)(high-K)柵極介電層122、含氮層124、氮捕陷層126、功函數(shù)金屬層128、頂部阻障層130的剖面結(jié)構(gòu)如圖3所示皆具有U型形狀。

根據(jù)本發(fā)明所提供的第一優(yōu)選實施例，于金屬柵極結(jié)構(gòu)120a/120b內(nèi)的功函數(shù)金屬層128與含氮層124之間設(shè)置完全不含氮離子的氮捕陷層126，并利用不含氮離子的氮捕陷層126捕捉含氮層中124的氮離子，以降低含氮層124的阻障作用、增加功函數(shù)金屬層128的金屬離子擴散速率并改善其擴散結(jié)果。因此完成金屬柵極120a/120b的調(diào)整之后，金屬柵極120a/20b內(nèi)的氮捕陷層126會捕捉到含氮層124中的氮離子而包括低濃度氮離子，且功函數(shù)金屬層128中金屬的擴散率被提升，使金屬柵極120a/120b的功函數(shù)調(diào)整至預(yù)期的 3. 9 4. 3eV0請參閱圖4至圖5，圖4至圖5分別為本發(fā)明所提供的金屬柵極結(jié)構(gòu)的第二優(yōu)選實施例及其變化型的示意圖，且第二優(yōu)選實施例亦采用后柵極工藝，此外第二優(yōu)選實施例中與第一優(yōu)選實施例相同的元件其材料與配置可徑行參考第一優(yōu)選實施例所揭示，故于此不再贅述。如圖4所示，首先提供基底200，且基底200內(nèi)形成有多個用以提供電性隔離的淺溝絕緣(STI) 202。基底200上形成至少一半導體元件210。半導體元件210包括金屬柵極220a、輕摻雜漏極(LDD) 212。由于本優(yōu)選實施例所提供的半導體元件210亦為n型半導體元件，因此輕摻雜漏極(LDD) 212為n型輕摻雜漏極(LDD)。且半導體元件210的金屬柵極220a周圍的側(cè)壁尚包括間隙壁214;間隙壁214優(yōu)選為復(fù)合膜層的結(jié)構(gòu)。半導體元件210還包括n型源極/漏極216，與用以降低接觸界面的電阻的金屬硅化物218。在本優(yōu)選實施例中，亦可整合選擇性外延生長(SEG)方法利用包括有SiC的外延層制作n型源極/漏極216。而在半導體元件210與基底200上依序形成有接觸洞蝕刻停止層(CESL)240與內(nèi)層介電(ILD)層242。請繼續(xù)參閱圖4。根據(jù)本優(yōu)選實施例可與先柵極介電層(high-K first)工藝整合，金屬柵極220a內(nèi)依序包括柵極介電層222、含氮層224、氮捕陷層226、功函數(shù)金屬層228、頂部阻障層230、與低阻抗金屬層232，這些膜層是由下而上依序堆疊于金屬柵極220a的柵極溝槽(圖未示)內(nèi)，且低阻抗金屬層232填滿金屬柵極220a的柵極溝槽。值得注意的是，本優(yōu)選實施例中含氮層224為包括TiN層224a與TaN層224b的雙層結(jié)構(gòu)，其中TiN層224a作為底部阻障層，而TaN層224b則作為蝕刻停止層，且氮捕陷層226夾設(shè)于此雙層結(jié)構(gòu)內(nèi)，也就是TiN層224a與TaN層224b之間。另外，金屬柵極220a的底部還可包括介質(zhì)層(圖未示)，形成于柵極介電層222之前。值得注意的是，本優(yōu)選實施例于含氮層224的雙層結(jié)構(gòu)中提供氮捕陷層226，其厚度介于10埃至70埃。氮捕陷層226不包括任何氮離子，且氮捕陷層226選自Ti、Ta、La、Y、Hf、Nb、Zr和V所組成的群組。因此在調(diào)整金屬柵極220a的功函數(shù)時，功函數(shù)金屬層228內(nèi)的鋁離子會經(jīng)由擴散進入高介電常數(shù)(high-K)柵極介電層222與含氮層224的界面來調(diào)整n型金屬柵極220a的功函數(shù)。此時，本優(yōu)選實施例所提供的氮捕陷層226是用以捕捉上、下方含氮層224中的氮離子、甚或氧離子或碳離子，不但降低上、下方含氮層224的阻障作用，而增加鋁離子的擴散速率并改善鋁離子的擴散結(jié)果；還可造成傳導帶邊緣遷移(conduction band edge shift)，導致費米能階(Fermi level)下降，而有利于n型金屬氧化物半導體(nMOS)晶體管的電性表現(xiàn)。請繼續(xù)參閱圖4。因此，在調(diào)整金屬柵極220a的功函數(shù)后，原本完全不含氮離子的氮捕陷層226內(nèi)會包括由含氮層224所捕捉來的低濃度氮離子。而在經(jīng)過平坦化工藝如化學機械拋光(CMP)工藝移除多余的低阻抗金屬層232、頂部阻障層230、功函數(shù)金屬層228與TaN層224b之后，獲得如圖4所示的具有理想功函數(shù)的金屬柵極220a，且金屬柵極220a中的TaN層224b、功函數(shù)金屬層228與頂部阻障層230的剖面結(jié)構(gòu)具有如圖4所示的U型形狀。此外請參閱圖5，圖5為第二優(yōu)選實施例的變化型的示意圖。在本變化型中，金屬柵極220a中的氮捕陷層226、TaN層224b、功函數(shù)金屬層228與頂部阻障層230的剖面結(jié)構(gòu) 具有如圖5所示的U型形狀。另外，請參閱圖6，圖6為第二優(yōu)選實施例的另一變化型的示意圖。本變化型所提供的金屬柵極220b與后柵極介電層工藝整合，而氮捕陷層226仍設(shè)置于含氮層224的雙層結(jié)構(gòu)之間。也就是說，在形成柵極溝槽之后，基底200或介質(zhì)層暴露于柵極溝槽底部，隨后才于柵極溝槽內(nèi)依序形成高介電常數(shù)(high-K)柵極介電層222、含氮層224的TiN層224a、氮捕陷層226、含氮層224的TaN層224b、功函數(shù)金屬層228、頂部阻障層230、與低阻抗金屬層232。因此，本變化型所提供的金屬柵極220b中的高介電常數(shù)(high-K)柵極介電層222、含氮層224 (包括TiN層224a與TaN層224b)、氮捕陷層226、功函數(shù)金屬層228、頂部阻障層230的剖面結(jié)構(gòu)皆具有U型形狀。根據(jù)本發(fā)明所提供的第二優(yōu)選實施例，于含氮層224的雙層結(jié)構(gòu)，即TiN層224a與TaN層224b中間設(shè)置完全不含氮離子的氮捕陷層226，并利用不含氮離子的氮捕陷層226捕捉其上、下方的含氮層中224的氮離子、氧離子或碳離子，以增加功函數(shù)金屬層228的金屬離子擴散速率并改善其擴散結(jié)果。因此完成金屬柵極220a/220b的調(diào)整之后，氮捕陷層226會捕捉到含氮層224中的氮離子而包括低濃度氮離子，且功函數(shù)金屬層228中金屬的擴散率被提升，而達到調(diào)整金屬柵極220a/220b的功函數(shù)至預(yù)期的3. 9 4. 3eV的目的。請參閱圖7至圖8，圖7至圖8分別為本發(fā)明所提供的金屬柵極結(jié)構(gòu)的第三優(yōu)選實施例及其變化型的示意圖，且第三優(yōu)選實施例亦采用后柵極工藝，此外第三優(yōu)選實施例中與第一優(yōu)選實施例相同的元件其材料與配置可徑行參考第一優(yōu)選實施例所揭示，故于此不再贅述。如圖7所示，本優(yōu)選實施例首先提供基底300，且基底300內(nèi)形成有多個用以提供電性隔離的淺溝絕緣(STI)302。基底300上形成至少一半導體元件310。半導體元件310包括金屬柵極320a、輕摻雜漏極(LDD)312。由于本優(yōu)選實施例所提供的半導體兀件310亦為n型半導體元件，因此輕摻雜漏極(LDD) 312為n型輕摻雜漏極(LDD)。且半導體元件310的金屬柵極320a周圍的側(cè)壁尚包括間隙壁314 ;間隙壁314優(yōu)選為復(fù)合膜層的結(jié)構(gòu)。半導體元件310還包括n型源極/漏極316，與用以降低接觸界面的電阻的金屬硅化物318。在本優(yōu)選實施例中，亦可整合選擇性外延生長(SEG)方法利用包括有SiC的外延層制作n型源極/漏極316。而在半導體元件310與基底300上依序形成有接觸洞蝕刻停止層(CESL) 340與內(nèi)層介電(ILD)層342。請繼續(xù)參閱圖7。本第三優(yōu)選實施例可與先柵極介電層工藝整合，金屬柵極320a內(nèi)依序包括柵極介電層322、氮捕陷層326、含氮層324、功函數(shù)金屬層328、頂部阻障層330、與低阻抗金屬層332，這些膜層由下而上依序堆疊于金屬柵極320a的柵極溝槽(圖未示)內(nèi)，且低阻抗金屬層332填滿金屬柵極320a的柵極溝槽。含氮層324可包括TiN、TaN或其組合，但優(yōu)選為包括例如TiN層324a與TaN層324b的雙層結(jié)構(gòu)，但不限于此。如前所述含氮層324中的TiN層324a作為底部阻障層，而TaN層324b則作為蝕刻停止層。另外，金屬柵極320a的底部還可包括介質(zhì)層(圖未示)，形成于柵極介電層322之前。值得注意的是，本優(yōu)選實施例于高介電常數(shù)(high-K)柵極介電層322與含氮層324之間設(shè)置氮捕陷層326，其厚度介于10埃至70埃。氮捕陷層326不包括任何氮離子，且氮捕陷層326選自Ti、Ta、La、Y、Hf、Nb、Zr和V所組成的群組。該領(lǐng)域中普通技術(shù)人員 應(yīng)知，在調(diào)整金屬柵極320a的功函數(shù)時，功函數(shù)金屬層328內(nèi)的鋁離子會經(jīng)由擴散進入高介電常數(shù)(high-K)柵極介電層322與含氮層324的界面來調(diào)整n型金屬柵極320a的功函數(shù)。此時，本優(yōu)選實施例所提供的氮捕陷層326是用以捕捉上方含氮層324中的氮離子，降低含氮層324的阻障效果，以增加鋁離子的擴散速率并改善鋁離子的擴散結(jié)果。請繼續(xù)參閱圖7。因此，在調(diào)整金屬柵極320a的功函數(shù)后，原本完全不含氮離子的氮捕陷層326內(nèi)會包括由含氮層324所捕捉來的低濃度氮離子。而在經(jīng)過平坦化工藝如化學機械拋光(CMP)工藝移除多余的低阻抗金屬層332、頂部阻障層330、功函數(shù)金屬層328與TaN層324b之后，獲得金屬柵極320a，且金屬柵極320a中的TaN層324b、功函數(shù)金屬層328與頂部阻障層330的剖面結(jié)構(gòu)具有如圖6所示的U型形狀。另外，請參閱圖8，圖8為第一優(yōu)選實施例的變化型的示意圖。本變化型所提供的金屬柵極320b與后柵極介電層工藝整合，而氮捕陷層326仍設(shè)置于高介電常數(shù)(high-K)柵極介電層322與含氮層324之間。也就是說，在形成柵極溝槽之后，基底300或介質(zhì)層暴露于柵極溝槽底部，隨后才于柵極溝槽內(nèi)依序形成高介電常數(shù)(high-K)柵極介電層322、氮捕陷層326、含氮層324、功函數(shù)金屬層328、頂部阻障層330、與低阻抗金屬層332。因此本變化型所提供的金屬柵極320b中的高介電常數(shù)(high-K)柵極介電層322、氮捕陷層326、含氮層324 (包括TiN層324a與TaN層324b)、功函數(shù)金屬層328、頂部阻障層330的剖面結(jié)構(gòu)皆具有U型形狀。根據(jù)本發(fā)明所提供的第三優(yōu)選實施例，于含氮層324與高介電常數(shù)(high-K)柵極介電層322之間設(shè)置完全不含氮離子的氮捕陷層326，并利用不含氮離子的氮捕陷層326捕捉上方含氮層中324的氮離子，以降低含氮層324的阻障作用、增加功函數(shù)金屬層328的金屬離子擴散速率并改善其擴散結(jié)果。因此完成金屬柵極320a/320b的調(diào)整之后，氮捕陷層326會捕捉到含氮層324中的氮離子而包括低濃度氮離子，且功函數(shù)金屬層328中特定金屬的擴散率被提升，而調(diào)整金屬柵極320a/320b的功函數(shù)至預(yù)期的3. 9 4. 3eV。綜上所述，根據(jù)本發(fā)明所提供的金屬柵極結(jié)構(gòu)，是利用設(shè)置于功函數(shù)金屬層與高介電常數(shù)柵極介電層之間，完全不含氮離子的氮捕陷層捕捉含氮層中的氮離子，以降低含氮層的阻障效果、增加功函數(shù)金屬層的金屬離子擴散速率并改善其擴散結(jié)果。因此完成功函數(shù)金屬的調(diào)整之后，氮捕陷層會捕捉到含氮層中的氮離子而包括低濃度氮離子，且功函數(shù)金屬層中特定金屬的擴散率被提升而達到調(diào)整金屬柵極的功函數(shù)至預(yù)期的3. 9 4. 3eV的目的。據(jù)此，本發(fā)明具有較高可靠度的金屬柵極結(jié)構(gòu)。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求所做的等同變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種金屬柵極結(jié)構(gòu)，包括有 高介電常數(shù)柵極介電層； 功函數(shù)金屬層； 含氮層，設(shè)置于該功函數(shù)金屬層與該高介電常數(shù)柵極介電層之間；以及 氮捕陷層，設(shè)置于該功函數(shù)金屬層與該高介電常數(shù)柵極介電層之間，且該氮捕陷層不包括任何氮離子。
2.如權(quán)利要求I所述的金屬柵極結(jié)構(gòu)，其中該氮捕陷層選自鈦、鉭、鑭、釔、鉿、鈮、鋯和釩所組成的群組。
3.如權(quán)利要求I所述的金屬柵極結(jié)構(gòu)，其中該氮捕陷層設(shè)置于該功函數(shù)金屬層與該含氮層之間，且該氮捕陷層與該功函數(shù)金屬層的剖面結(jié)構(gòu)具有U型形狀。
4.如權(quán)利要求I所述的金屬柵極結(jié)構(gòu)，其中該氮捕陷層設(shè)置于該功函數(shù)金屬層與該含氮層之間，且該高介電常數(shù)柵極介電層、該含氮層、該氮捕陷層、該功函數(shù)金屬層的剖面結(jié)構(gòu)具有U型形狀。
5.如權(quán)利要求I所述的金屬柵極結(jié)構(gòu)，其中該含氮層還包括氮化鈦、氮化鉭或其組合。
6.如權(quán)利要求5所述的金屬柵極結(jié)構(gòu)，其中該含氮層為雙層結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求6所述的金屬柵極結(jié)構(gòu)，其中該氮捕陷層夾設(shè)于該雙層結(jié)構(gòu)之中，且該功函數(shù)金屬層的剖面結(jié)構(gòu)具有U型形狀。
8.如權(quán)利要求6所述的金屬柵極結(jié)構(gòu)，其中該氮捕陷層夾設(shè)于該雙層結(jié)構(gòu)之中，且該高介電常數(shù)柵極介電層、該含氮層、該氮捕陷層、該功函數(shù)金屬層的剖面結(jié)構(gòu)具有U型形狀。
9.如權(quán)利要求I所述的金屬柵極結(jié)構(gòu)，其中該氮捕陷層設(shè)置于該含氮層與該高介電常數(shù)柵極介電層之間，且該功函數(shù)金屬層的剖面結(jié)構(gòu)具有U型形狀。
10.如權(quán)利要求I所述的金屬柵極結(jié)構(gòu)，其中該氮捕陷層設(shè)置于該含氮層與該高介電常數(shù)柵極介電層之間，且該高介電常數(shù)柵極介電層、該氮捕陷層、該含氮層、該功函數(shù)金屬層的剖面結(jié)構(gòu)具有U型形狀。
11.如權(quán)利要求I所述的金屬柵極結(jié)構(gòu)，其中該功函數(shù)金屬層包括鋁化鈦單層結(jié)構(gòu)、三鋁化鈦單層結(jié)構(gòu)、或鋁/鈦雙層結(jié)構(gòu)。
12.如權(quán)利要求I所述的金屬柵極結(jié)構(gòu)，還包括頂部阻障層與低阻抗金屬層，該頂部阻障層與低阻抗金屬層依序設(shè)置于該功函數(shù)金屬層上。
13.—種金屬柵極結(jié)構(gòu),包括有 高介電常數(shù)柵極介電層； 功函數(shù)金屬層 含氮層，設(shè)置于該功函數(shù)金屬層與該高介電常數(shù)柵極介電層之間；以及 氮捕陷層，設(shè)置于該功函數(shù)金屬層與該高介電常數(shù)柵極介電層之間，且該氮捕陷層包括低濃度氮離子。
14.如權(quán)利要求13所述的金屬柵極結(jié)構(gòu)，其中該氮捕陷層選自鈦、鉭、鑭、釔、鉿、鈮、鋯、和釩所組成的群組。
15.如權(quán)利要求13所述的金屬柵極結(jié)構(gòu)，其中該氮捕陷層設(shè)置于該功函數(shù)金屬層與該含氮層之間，且該氮捕陷層與該功函數(shù)金屬層的剖面結(jié)構(gòu)具有U型形狀。
16.如權(quán)利要求13所述的金屬柵極結(jié)構(gòu)，其中該氮捕陷層設(shè)置于該功函數(shù)金屬層與該含氮層之間，且該高介電常數(shù)柵極介電層、該含氮層、該氮捕陷層、該功函數(shù)金屬層的剖面結(jié)構(gòu)具有U型形狀。
17.如權(quán)利要求13所述的金屬柵極結(jié)構(gòu)，其中該含氮層還包括氮化鈦、氮化鉭或其組口 o
18.如權(quán)利要求17所述的金屬柵極結(jié)構(gòu)，其中該含氮層為雙層結(jié)構(gòu)。
19.如權(quán)利要求18所述的金屬柵極結(jié)構(gòu)，其中該氮捕陷層夾設(shè)于該雙層結(jié)構(gòu)之中，且該功函數(shù)金屬層的剖面結(jié)構(gòu)具有U型形狀。
20.如權(quán)利要求18所述的金屬柵極結(jié)構(gòu)，其中該氮捕陷層夾設(shè)于該雙層結(jié)構(gòu)之中，且該高介電常數(shù)柵極介電層、該含氮層、該氮捕陷層、該功函數(shù)金屬層的剖面結(jié)構(gòu)具有U型形狀。
21.如權(quán)利要求13所述的金屬柵極結(jié)構(gòu)，其中該氮捕陷層設(shè)置于該含氮層與該高介電常數(shù)柵極介電層之間，且該功函數(shù)金屬層的剖面結(jié)構(gòu)具有U型形狀。
22.如權(quán)利要求13所述的金屬柵極結(jié)構(gòu)，其中該氮捕陷層設(shè)置于該含氮層與該高介電常數(shù)柵極介電層之間，且該高介電常數(shù)柵極介電層、該氮捕陷層、該含氮層、該功函數(shù)金屬層的剖面結(jié)構(gòu)具有U型形狀。
23.如權(quán)利要求13所述的金屬柵極結(jié)構(gòu)，其中該功函數(shù)金屬層包括鋁化鈦單層結(jié)構(gòu)、三鋁化鈦單層結(jié)構(gòu)、或鋁/鈦雙層結(jié)構(gòu)。
24.如權(quán)利要求13所述的金屬柵極結(jié)構(gòu)，還包括頂部阻障層與低阻抗金屬層，該頂部阻障層與低阻抗金屬層依序設(shè)置于該功函數(shù)金屬層上。
全文摘要
本發(fā)明公開一種金屬柵極結(jié)構(gòu)，該金屬柵極結(jié)構(gòu)包括有高介電常數(shù)柵極介電層、含氮層、功函數(shù)金屬層、以及氮捕陷層。該含氮層設(shè)置于該功函數(shù)金屬層與該高介電常數(shù)柵極介電層之間；而該氮捕陷層設(shè)置于該功函數(shù)金屬層與該高介電常數(shù)柵極介電層之間，且該氮捕陷層不包括任何氮離子或包括低濃度氮離子。
文檔編號H01L29/51GK102760758SQ20111010478
公開日2012年10月31日 申請日期2011年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月26日
發(fā)明者李宗穎, 林坤賢, 林進富, 蔡旻錞, 許啟茂, 黃信富 申請人:聯(lián)華電子股份有限公司