金屬柵極結(jié)構(gòu)及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的金屬柵極。
【背景技術(shù)】
[0002] 半導(dǎo)體集成電路（IC)工業(yè)已經(jīng)經(jīng)歷了快速發(fā)展。在IC演進(jìn)的過(guò)程中，在幾何尺 寸（即，使用制造工藝可以形成的最小組件（或線））減小的同時(shí)，功能密度（即，每芯片面 積的互連器件的數(shù)量）普遍增加。該按比例縮小工藝通常通過(guò)提高生產(chǎn)效率以及降低相關(guān) 成本來(lái)提供益處。這種按比例縮小還增加了處理和制造 IC的復(fù)雜性，并且為了實(shí)現(xiàn)這些進(jìn) 步，需要IC加工和制造中的類似發(fā)展。隨著晶體管尺寸的減小，必須降低柵極氧化物的厚 度以在柵極長(zhǎng)度減小的情況下保持性能。然而，為了降低柵極泄漏，使用高介電常數(shù)（高k) 柵極絕緣層，這在保持與由較大技術(shù)節(jié)點(diǎn)中使用的典型柵極氧化物會(huì)提供的相同的有效電 容的同時(shí)，形成較大的物理厚度。
[0003] 此外，在一些IC設(shè)計(jì)中，隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)縮小，期望用金屬柵（MG)電極替代典型的 多晶硅柵電極以改進(jìn)具有減小的部件尺寸的器件性能。將形成MG電極的一種工藝稱為"后 柵"工藝，與稱為"前柵"的另一種MG電極形成工藝相反。"后柵"工藝允許降低隨后的工藝 的次數(shù)，包括必須在形成柵極之后實(shí)施的高溫處理。
[0004] 這樣，所期望的是一種為形成在襯底上的每個(gè)NFET和PFET都提供不同配置的金 屬柵極結(jié)構(gòu)的方法和半導(dǎo)體器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括：半導(dǎo)體層，具有第一表面； 以及層間介電質(zhì)（ILD)，限定位于半導(dǎo)體層的第一表面上方的金屬柵極，其中，金屬柵極包 括：高k介電層，與金屬柵極的底部和側(cè)壁共形；阻擋層，與高k介電層共形；和功函金屬 層，與阻擋層和高k介電層共形，其中，阻擋層中位于金屬柵極的側(cè)壁處的第一部分的厚度 遠(yuǎn)小于阻擋層中位于金屬柵極的底部處的厚度。
[0006] 優(yōu)選地，阻擋層中位于金屬柵極的側(cè)壁處的第一部分的厚度是零。
[0007] 優(yōu)選地，阻擋層中位于金屬柵極的側(cè)壁處的第二部分的高度大于2A。
[0008] 優(yōu)選地，在金屬柵極的側(cè)壁處沒(méi)有阻擋層。
[0009] 優(yōu)選地，阻擋層包括雙層。
[0010] 優(yōu)選地，阻擋層的第一部分的厚度小于阻擋層的第二部分的厚度。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括：高k介電層，與金屬柵極 的底部和側(cè)壁共形；阻擋層，與高k介電層共形；功函金屬層，與阻擋層和高k介電層共形； 以及柵極填充金屬，由功函金屬層圍繞，其中，接近于金屬柵極的底角的阻擋層包括階梯狀 輪廓。
[0012] 優(yōu)選地，階梯狀輪廓的高度介于約2A和約2〇A之間。
[0013] 優(yōu)選地，阻擋層是位于功函金屬層和高k介電層之間的雙層。
[0014] 優(yōu)選地，阻擋層的厚度介于約2λ至和40人之間。
[0015] 優(yōu)選地，功函金屬層的厚度介于約lA和約2〇Α之間。
[0016] 優(yōu)選地，功函金屬層包括鋁。
[0017] 優(yōu)選地，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)是N-MOSFET或N-FinFET。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種用于制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，包括：在層間介 電質(zhì)（ILD)中形成金屬柵極溝槽；在金屬柵極溝槽的底部和側(cè)壁處形成阻擋層；去除阻擋 層中位于金屬柵極溝槽的側(cè)壁處的第一部分；形成與阻擋層共形的功函金屬層；以及過(guò)填 充柵極填充金屬以使柵極溝槽平齊。
[0019] 優(yōu)選地，去除阻擋層中位于金屬柵極溝槽的側(cè)壁處的第一部分包括：將可蝕刻材 料填充到金屬柵極溝槽中；將可蝕刻材料回蝕至金屬柵極溝槽中的預(yù)定高度以暴露阻擋層 的第一部分；去除阻擋層的第一部分；以及去除剩余的可蝕刻材料。
[0020] 優(yōu)選地，可蝕刻材料選自由旋涂玻璃（SOG)、光刻膠、氧化物和硼磷硅酸鹽玻璃 (BPSG)組成的組中的至少一種。
[0021] 優(yōu)選地，將可蝕刻材料回蝕至金屬柵極溝槽中的預(yù)定高度以暴露阻擋層的第一部 分包括將可蝕刻材料回蝕至介于約2 A和約20 A之間的高度。
[0022] 優(yōu)選地，去除阻擋層的第一部分包括實(shí)施在氮化物和氧化物之間具有選擇性的濕 蝕刻操作或干蝕刻操作。
[0023] 優(yōu)選地，該方法還包括：從ILD的頂面處去除過(guò)填充的柵極填充金屬以及功函金 屬層。
[0024] 優(yōu)選地，該方法還包括：在形成功函金屬層之后的離子注入操作。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 當(dāng)結(jié)合附圖進(jìn)行閱讀時(shí)，通過(guò)以下詳細(xì)描述可以最佳理解本發(fā)明的各方面。應(yīng)該 強(qiáng)調(diào)的是，根據(jù)工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，各個(gè)部件未按比例繪出。事實(shí)上，為了清楚的討論，各個(gè) 部件的尺寸可以任意地增大或減小。
[0026] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有金屬柵極的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0027] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有金屬柵極的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0028] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有金屬柵極的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0029] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的具有金屬柵極的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0030] 圖5是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的用于金屬柵極結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制造方法的 操作。
[0031] 圖6是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的用于金屬柵極結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制造方法的 操作。
[0032] 圖7是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的用于金屬柵極結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制造方法的 操作。
[0033] 圖8是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的用于金屬柵極結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制造方法的 操作。
[0034] 圖9是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的用于金屬柵極結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制造方法的 操作。
[0035] 圖10是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的用于金屬柵極結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制造方法的 操作。
[0036] 圖11是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的用于金屬柵極結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制造方法的 操作。
[0037] 圖12是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的用于金屬柵極結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制造方法的 操作。
[0038] 圖13是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的用于金屬柵極結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制造方法的 操作。
[0039] 圖14是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的用于金屬柵極結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制造方法的 操作。
[0040] 圖15是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的用于金屬柵極結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制造方法的 操作。
[0041] 圖16是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的用于金屬柵極結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制造方法的 操作。
[0042] 圖17是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的用于金屬柵極結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制造方法的 操作。
[0043] 圖18是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的用于金屬柵極結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制造方法的 操作。
【具體實(shí)施方式】
[0044] 在以下詳細(xì)描述中，闡明了許多具體細(xì)節(jié)以提供對(duì)本發(fā)明的深入理解。然而，本領(lǐng) 域的技術(shù)人員將理解，可以在沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施本發(fā)明。在其他實(shí)例中，未詳 細(xì)描述眾所周知的方法、過(guò)程、組件和電路，以便不模糊本發(fā)明。應(yīng)該理解，以下公開(kāi)提供了 許多不同的實(shí)施例或?qū)嵗詫?shí)現(xiàn)各個(gè)實(shí)施例的不同特征。下面描述了組件和布置的具體實(shí) 例以簡(jiǎn)化本發(fā)明。當(dāng)然，這些僅僅是實(shí)例且并不旨在限制。
[0045] 下面詳細(xì)討論了實(shí)施例的制作和使用。然而，應(yīng)該理解，本發(fā)明提供了許多可以在 各種具體環(huán)境中體現(xiàn)的可應(yīng)用的發(fā)明構(gòu)思。所討論的具體實(shí)施例僅說(shuō)明制作和使用本發(fā)明 的具體方式，而不限制本發(fā)明的范圍。
[0046] 使用鋁注入以降低接近晶體管的溝道區(qū)的金屬柵極（MG)結(jié)構(gòu)的平帶電壓（Vfb)和 有效功函。鑒于金屬元素吸引N型晶體管的溝道區(qū)中的負(fù)載流子并且因此降低閾值電壓的 能力，已將諸如鋁的金屬元素用作突出的載體以調(diào)整N型晶體管的閾值電壓。在MG結(jié)構(gòu)中， 將鋁離子注入到N-功函金屬層，這允許鋁原子向更接近N型晶體管的溝道區(qū)的位于下方的 阻擋層或介電層擴(kuò)散。
[0047] 如先前所討論的，在溝道長(zhǎng)度（即，在金屬柵極結(jié)構(gòu)下面的源極區(qū)和漏極區(qū)之間 的距離）足夠長(zhǎng)（例如，大于40nm)的情況下，鋁原子減小N型晶體管的閾值電壓。然而， 隨著根據(jù)摩爾定律溝道長(zhǎng)度按比例減小，弱角啟動(dòng)（WCTO)效應(yīng)成為防止閾值電壓減小的 問(wèn)題。由于N功函金屬層和金屬柵極的底角之間的距離遠(yuǎn)大于N功函金屬層和金屬柵極的 中下部之間的距離，所以接近金屬柵極的底角的阻擋層或介電層比接近金屬柵極的中下部 的阻擋層或介電層接收更少的鋁原子。因此，接近金屬柵極的底角的閾值電壓不能降低到 與接近金屬柵極的中下部的閾值電壓相同的程度。
[0048] WCTO效應(yīng)在短溝道長(zhǎng)度的金屬柵極中尤其嚴(yán)重，因?yàn)槎虦系篱L(zhǎng)度的金屬柵極