專利名稱：具有金屬柵極的半導體元件與其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有金屬柵極的半導體元件以及其制作方法，特別是涉及一種具有多層堆疊結(jié)構(gòu) 的半導體元件與其制作方法，且多層堆疊結(jié)構(gòu)的其中至少一層具有氧原子。
背景技術(shù)：
在已知半導體產(chǎn)業(yè)中，多晶硅廣泛地應用于半導體元件如金屬氧化物半導體(metal-oxide-semiconductor, M0S)晶體管中，作為標準的柵極材料選擇。然而，隨著MOS晶體管尺寸持續(xù)地微縮，傳統(tǒng)多晶娃柵極因硼穿透(boron penetration)效應導致元件效能降低，及其難以避免的空乏效應(depletion effect)等問題,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。因此，半導體業(yè)界更嘗以新的柵極材料，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。而在互補式金屬氧化物半導體(complementarymetal-oxide semiconductor,CMOS)元件中，雙功函數(shù)金屬柵極一方面需與N型金屬氧化物半導體(NMOS)元件搭配，另一方面則需與P型金屬氧化物半導體(PMOS)元件搭配，因此使得相關(guān)元件的整合技術(shù)以及工藝控制更形復雜，且各材料的厚度與成分控制要求亦更形嚴苛。一般而言，雙功函數(shù)金屬柵極的制作方法可概分為前柵極(gate first)工藝及后柵極(gate last)工藝兩大類。其中，前柵極工藝會在形成金屬柵極后始進行源極/漏極超淺接面活化回火以及形成金屬硅化物等高熱預算工藝，因此使得材料的選擇與調(diào)整面對較多的挑戰(zhàn)。而在后柵極工藝中，是先形成犧牲柵極(sacrifice gate)或取代柵極(replacement gate),并在完成一般金屬氧化物半導體(MOS)晶體管的制作后，將犧牲/取代柵極移除而形成柵極凹槽(gatetrench)，再依電性需求于柵極凹槽內(nèi)填入不同的金屬。然而為了無論是前柵極或后柵極工藝，都需要形成多層的金屬層以分別形成N型金屬氧化物半導體(NMOS)與P型金屬氧化物半導體(PMOS)的金屬柵極。而這些金屬層的材料往往會影響N型晶體管或P型晶體管的功函數(shù)，而成為影響產(chǎn)品效能的因素。目前，各廠商皆致力于研發(fā)不同的工藝以制造具有優(yōu)選功函數(shù)的金屬柵極。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種具有多層堆疊結(jié)構(gòu)的半導體元件與其制法，其中多層堆疊結(jié)構(gòu)的其中至少一層具有氧原子，而具有優(yōu)選的功函數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的實施例，本發(fā)明提出一種制作具有金屬柵極的半導體元件的方法。此方法中首先提供基底，并于基底上形成柵極介電層。于該柵極介電層上形成具有功函數(shù)金屬層(work function metal layer)的多層堆疊結(jié)構(gòu)，并于至少一層的該多層堆結(jié)構(gòu)進行氧處理。最后在多層堆疊結(jié)構(gòu)上形成導電層。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，本發(fā)明提出一種制作具有金屬柵極的半導體元件。此半導體元件包括基底、柵極介電層以及多層堆疊結(jié)構(gòu)。柵極介電層設(shè)置于基底上，而多層堆疊結(jié)構(gòu)設(shè)置于柵極介電層上，其中多層堆疊結(jié)構(gòu)的至少其中一層為功函數(shù)金屬層(workfunction metal),且多層堆疊結(jié)構(gòu)中，靠近柵極介電層的一側(cè)的氧原子濃度實質(zhì)上小于遠離柵極介電層層的一側(cè)的氧原子濃度。本發(fā)明提出了一種制作具有金屬柵極的半導體元件以及一種半導體元件。已知由于多層堆疊的金屬柵極往往會使得功函數(shù)效果不佳，而通過本發(fā)明所提出的氧處理步驟，可改善金屬柵極的功函數(shù)，而得到優(yōu)選的元件效能。


圖I至圖3所繪示為本發(fā)明第一實施例中制作金屬柵極的方法的第一實施例的步驟示意圖。圖4至圖10所繪示為本發(fā)明第二實施例中制作具有金屬柵極的半導體元件的方 法的示意圖。圖11至圖19所繪示為本發(fā)明第二實施例中制作具有金屬柵極的半導體元件的方法的示意圖。附圖標記說明100基底318P型功函數(shù)金屬層101柵極介電層319第一圖案化光致抗蝕劑層102介質(zhì)層320有機層104高介電常數(shù)層322N型功函數(shù)金屬層106第一堆疊層326金屬層108第二堆疊層400第一有源區(qū)域110第三堆疊層402第一導電型晶體管112多層堆疊結(jié)構(gòu)404第一介質(zhì)層114金屬層405第一高介電常數(shù)層116金屬柵極407第一蝕刻停止層118源極/漏極408第一蓋層120晶體管406第一犧牲柵極200步驟410第一間隙壁202步驟412第一輕摻雜漏極204步驟414第一源極/漏極206步驟416第一溝槽208步驟418第一金屬柵極210步驟500第二有源區(qū)域212步驟502第二導電型晶體管214步驟504第二介質(zhì)層216步驟505第二高介電常數(shù)層218步驟507第二蝕刻停止層300基底506第二犧牲柵極
302淺溝槽隔離508第二蓋層306接觸洞蝕刻停止層510第二間隙壁308層內(nèi)介電層512弟_■輕慘雜漏極312掩模層514第二源極/漏極314輔助層516第二溝槽316第一圖案化光致抗蝕劑層518第二金屬柵極317阻障層
具體實施例方式為使本領(lǐng)域一般技術(shù)人員能更進一步了解本發(fā)明，下文特列舉本發(fā)明的數(shù)個優(yōu)選實施例，并配合附圖，詳細說明本發(fā)明的構(gòu)成內(nèi)容及所欲達成的功效。請參考圖I并請一并參考圖2至圖3，圖I所繪示為本發(fā)明制作具有金屬柵極的半導體元件的方法的第一實施例的流程圖，圖2與圖3所繪示為本發(fā)明制作具有金屬柵極的半導體元件的方法的第一實施例的步驟示意圖。如圖2所示，首先提供基底100(步驟200)。接著于基底100上形成介質(zhì)層102以及高介電常數(shù)層104 (步驟202)。介質(zhì)層102的材料例如是例如二氧化硅(SiO2),可利用氧化工藝在基底100上形成。高介電常數(shù)層104的介電常數(shù)大約大于4，其可以是稀土金屬氧化物層或鑭系金屬氧化物層，例如氧化給(hafnium oxide, HfO2)、娃酸給氧化合物(hafnium silicon oxide, HfSiO4)、娃酸給氮氧化合物(hafnium silicon oxynitride, HfSiON)、氧化招(aluminum oxide, Al2O3)、氧化鑭(lanthanum oxide, La2O3)、招酸鑭(lanthanum aluminum oxide, LaAlO)、氧化組(tantalum oxide, Ta2O5)、氧化錯(zirconium oxide, ZrO2)、娃酸錯氧化合物(zirconiumsilicon oxide, ZrSiO4)、錯酸給(hafnium zirconium oxide, HfZrO)、氧化鐿(yttriumoxide,Yb2O3)、氧化娃鐿(yttrium silicon oxide, YbSiO)、招酸錯(zirconium aluminate,ZrAlO)、招酸給(hafnium aluminate, HfAlO)、氮化招(aluminum nitride, AIN)、氧化欽(titanium oxide, TiO2),氮氧化錯(zirconium oxynitride, ZrON)、氮氧化給(hafniumoxynitride, HfON)、氮氧娃錯(zirconium silicon oxynitride, ZrSiON)、氮氧娃給(hafnium silicon oxynitride,HfSiON)、,思秘組氧化物(strontium bismuth tantalate,SrBi2Ta2O9, SBT)、錯欽酸鉛(lead zirconate titanate, PbZrxTi1^O3, PZT)或欽酸鋇銀(barium strontium I^tanate7BaxSivxTiOpBST),但不以上述為限。然后，在高介電常數(shù)層104上形成多層堆疊結(jié)構(gòu)112 (步驟204、步驟206、步驟208)，多層堆疊結(jié)構(gòu)112包括至少兩層或兩層以上的金屬層或金屬氮化物層等具導電性的材料層。于本發(fā)明的實施例中，多層堆疊結(jié)構(gòu)112包括含TiN的第一堆疊層106、含TaN的第二堆疊層108以及含TiN的第三堆疊層110。接著于多層堆疊結(jié)構(gòu)112上形成導電層例如是金屬層114(步驟210)，其包括低電阻值、可耐高溫的金屬層或金屬化合物層等。接著如圖3所示，進行光刻暨蝕刻步驟以圖案化金屬層114、多層堆疊結(jié)構(gòu)112、高介電常數(shù)層104以及介質(zhì)層102，使得圖案化之后的金屬層114以及多層堆疊結(jié)構(gòu)112形成金屬柵極116，而圖案化之后的介質(zhì)層102與高介電常數(shù)層104則形成柵極介電層101 (步驟212)。接著后續(xù)再形成例如源極/漏極118等元件，并可選擇性搭配應變硅工藝，或在源極/漏極118上再形成金屬硅化物層、接觸洞蝕刻停止層(CESL)等其他工藝，而完成了晶體管120的制作。而為了增加晶體管120的效能，本發(fā)明的特點在于，在形成多層堆疊結(jié)構(gòu)112時，會對多層堆疊結(jié)構(gòu)112的至少一層進行至少一氧處理，也就是以具有氧原子的溶劑或環(huán)境進行處理。如圖I所示，在形成第一堆疊層106后，可對第一堆疊層106進行氧處理(步驟214);或者，在形成第二堆疊層108層后，可對第二堆疊層108進行氧處理(步驟216);或者，在形成第三堆疊層110后，可對第三堆疊層108進行氧處理(步驟218)。步驟214、步驟216與步驟218可擇一進行或擇二進行或者全部進行。氧處理包括回火步驟、等離子體處理步驟或化學溶液處理步驟。于本發(fā)明優(yōu)選實施例中，回火步驟例如是通入含O2的氣體在約攝氏300度至500度的環(huán)境下進行，優(yōu)選為100%的O2氣體在攝氏400度的環(huán)境下進行。等離子體處理步驟例如是使用含O2的等離子體氣體。而化學溶液處理步驟則例如是使用含氨水(NH4OH)、過氧化氫(H2O2)以及水(H2O)的溶液，例如是SCl溶液。通過上述對多層堆疊結(jié)構(gòu)112進行的氧處理，可使得多層堆疊結(jié)構(gòu)112的至少其中一層具有氧原子，且靠近金屬層114的一側(cè)的氧原子濃度實質(zhì)上大于遠離金屬層114的一側(cè)的氧原子濃度，進一步增加金屬柵極116的功函數(shù)表現(xiàn)。、本發(fā)明的第一實施例是以前柵極工藝為示例，而可以了解的是本發(fā)明的氧處理步驟亦可應用于后柵極工藝。請參考圖4至圖10，所繪示為本發(fā)明制作金屬柵極的方法的第二實施例的步驟示意圖。首先，提供基底300，例如是硅基底、含硅基底或硅覆絕緣(silicon-on-insulator, SOI)基底等。基底300上具有多個淺溝槽隔離(shallow trenchisolation, STI) 302，淺溝槽隔離302可具有適當?shù)膽?。通過淺溝槽隔離302所包圍的區(qū)域，可定義出彼此電性絕緣的第一有源區(qū)域400以及第二有源區(qū)域500。接著分別于第一有源區(qū)域400與第二有源區(qū)域500的基底300上形成第一導電型晶體管402與第二導電型晶體管502。在本實施例中，第一導電型晶體管402為P型晶體管，而第二導電型晶體管502則為N型晶體管。如圖4所示，第一導電型晶體管402包括第一介質(zhì)層404、第一高介電常數(shù)層405、第一蝕刻停止層407、第一犧牲柵極406、第一蓋層408、第一間隙壁410、第一輕摻雜漏極(light doped drain, LDD)412以及第一源極/漏極414。于本發(fā)明優(yōu)選實施例中，第一介質(zhì)層404為二氧化硅層，第一高介電常數(shù)層405包括如前文所述的高介電常數(shù)材料。第一蝕刻停止層407包括金屬層或金屬氮化物層，例如是氮化鈦(TiN)。第一犧牲柵極406則例如是多晶娃柵極，但也可以是由多晶娃層、非晶娃(amorphous Si)或者鍺層所組合的復合柵極，或者，在其他實施例中，第一犧牲柵極406可具有傾斜側(cè)壁，而具有「上大下小」的形狀。第一蓋層408則例如是氮化娃層。第一間隙壁410可為復合膜層的結(jié)構(gòu),其可包括高溫氧化娃層(high temperature oxide, HT0)、氮化娃、氧化娃或使用六氯二娃燒(hexachlorodisilane, Si2Cl6)形成的氮化娃(HCD-SiN)。于實施例中，第一間隙壁410亦可部分或完全被移除，使得接觸洞蝕刻停止層(contact etch stop layer, CESL)306對于第一導電型晶體管402以及第二導電型晶體管502能具有優(yōu)選應力。第一輕摻雜漏極412以及第一源極/漏極414則以適當濃度的摻質(zhì)加以形成。第二導電型晶體管502包括第二介質(zhì)層504、第二高介電常數(shù)層505、第二蝕刻停止層507、第二犧牲柵極506、第二蓋層508、第二間隙壁510、第二輕摻雜漏極512以及第二源極/漏極514。第二導電型晶體管502中各元件的實施方式大致與第一導電型晶體管402相同，在此不加以贅述。此外，雖然圖I中未明白繪出，但第一導電型晶體管402與第二導電型晶體管502仍可包括其他半導體結(jié)構(gòu),例如金屬娃化物層(salicide)、以選擇性外延生長(selective epitaxial growth, SEG)而形成具有六面體(hexagon,又叫 sigma E )或八面體(octangon)截面形狀的源極/漏極或是其他保護層。在形成了第一導電型晶體管402與第二導電型晶體管502后，在基底300上依序形成接觸洞蝕刻停止層(contact etchstop layer, CESL) 306 與內(nèi)層介電層(inter-layer dielectric, ILD) 308,覆蓋在第一導電型晶體管402與第二導電型晶體管502上。于實施例中，接觸洞蝕刻停止層306可包括兩種不同的應力層分設(shè)于第一有 區(qū)域400與第二有源區(qū)域500中，并分別覆蓋第一導電型晶體管402與第二導電型晶體管502而提供不同的應力(stress)，以作為選擇性應力系統(tǒng)(selective strain scheme, SSS);接觸洞蝕刻停止層306可為單一層或復合層,在第一導電型晶體管402上施加壓縮應力而在第二導電型晶體管502上施加伸張應力。如圖5所示,接著進行平坦化工藝,例如化學機械平坦化(chemical mechanicalpolish, CMP)工藝或者回蝕刻工藝或兩者的組合，以依序移除部分的內(nèi)層介電層308、部分的接觸洞蝕刻停止層306、部分的第一間隙壁410、部分的第二間隙壁510，并完全移除第一蓋層408、第二蓋層508，直到暴露出第一犧牲柵極406與第二犧牲柵極506的頂面。如圖6所示，進行濕蝕刻工藝以移除第一犧牲柵極406以及第二犧牲柵極506，其中此蝕刻步驟會停止在第一蝕刻停止層407以及第二蝕刻停止層507，并在第一導電型晶體管402中形成第一溝槽(trench)416，在第二導電型晶體管502中形成第二溝槽516。然后，對裸露出的第一蝕刻停止層407以及第二蝕刻停止層507同時或分別進行氧處理。此夕卜，此第一蝕刻停止層407以及第二蝕刻停止層507的氧處理亦可在其一開始全面性沉積形成時就進行氧處理。氧處理包括回火步驟、等離子體處理步驟或化學溶液處理步驟?；鼗鸩襟E例如是通入含O2的氣體在約攝氏300度至500度的環(huán)境下進行，優(yōu)選為100%的O2氣體在攝氏400度的環(huán)境下進行。等離子體處理步驟例如是使用含O2的等離子體氣體。而化學溶液處理步驟則例如是使用含NH40H、H202以及H2O的溶液，例如是SCl溶液。如圖7所示，在基底300上全面形成阻障層317，其會沿著第一溝槽416以及第二溝槽516的表面形成，但并不完全填滿第一溝槽416以及第二溝槽516。阻障層317包括金屬層或金屬氮化物層，在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，阻障層317是氮化鉭(TaN)。然后，對此阻障層317進行氧處理，氧處理包括回火步驟、等離子體處理步驟或化學溶液處理步驟?；鼗鸩襟E例如是通入含O2的氣體在約攝氏300度至500度的環(huán)境下進行，優(yōu)選為100%的O2氣體在攝氏400度的環(huán)境下進行。等離子體處理步驟例如是使用含O2的等離子體氣體。而化學溶液處理步驟則例如是使用含NH40H、H2O2以及H2O的溶液，例如是SCl溶液。接著在阻障層317上形成P型功函數(shù)金屬層318。P型功函數(shù)金屬層318為滿足P型晶體管所需功函數(shù)要求的金屬，例如是鎳(Ni)、鈀(Pd)、鉬(Pt)、鈹(Be)、銥(Ir)、碲(Te)、錸(Re)、釕(Ru)、銠(Rh)、鎢(W)、鑰(Mo);鎢、釕、鑰、鉭(Ta)、鈦(Ti)的氮化物；鎢、鉭、鈦的碳化物；或者TiAIN、TaAlN等。其中P型功函數(shù)金屬層318與阻障層317優(yōu)選有良好的蝕刻選擇比。然后，對此P型功函數(shù)金屬層318進行氧處理，氧處理包括回火步驟、等離子體處理步驟或化學溶液處理步驟。回火步驟例如是通入含O2的氣體在約攝氏300度至500度的環(huán)境下進行，優(yōu)選為100%的O2氣體在攝氏400度的環(huán)境下進行，并持續(xù)進行I 5分鐘，優(yōu)選為2分鐘。等離子體處理步驟例如是使用含O2的等離子體氣體。而化學溶液處理步驟則例如是使用含NH4OH、H2O2以及H2O的溶液，例如是SCl溶液。接著如圖8所示，圖案化P型功函數(shù)金屬層318以移除位于第二有源區(qū)域500中的P型功函數(shù)金屬層318，而由于阻障層317和P型功函數(shù)金屬層318具有蝕刻選擇比，因此第二有源區(qū)域500中的阻障層317并不會被移除。接著如圖9所示，在基底300上全面形成N型功函數(shù)金屬層322。N型功函數(shù)金屬層322會在第一有源區(qū)域400中沿著P型功函數(shù)金屬層318的表面，以及第二有源區(qū)域500中沿著阻障層317的表面形成，但并不完全填滿第二溝槽516以及第一溝槽416。于本發(fā)明優(yōu)選實施例中，N型功函數(shù)金屬層322為滿足N型晶體管所需功函數(shù)要求的金屬,例如是招化鈦(titanium aluminides, TiAl)、招化錯(aluminum zirconium, ZrAl)、招化鶴(aluminum tungsten, WAl)、招化組(aluminumtantalum,TaAl)或招化鉿(aluminum hafnium,HfAl),但不以上述為限。接著，在基底300上全面形成低電阻的金屬層326。金屬層326會形成于N型功函數(shù)金屬層322上，并填滿第 二溝槽516以及第一溝槽416。于本發(fā)明優(yōu)選實施例中，金屬層326包括鋁(Al)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎢(W)、鈮(Nb)、鑰(Mo)、銅(Cu)、氮化鈦(TiN)、碳化鈦(TiC)、氮化鉭(TaN)、鈦鎢(Ti/ff)或鈦與氮化鈦(Ti/TiN)等復合金屬層料，但不以此為限。最后，如圖10所示，進行平坦化工藝以同時移除第一溝槽416以及第二溝槽516以外的阻障層317、P型功函數(shù)金屬層318、N型功函數(shù)金屬層322以及金屬層326。如此一來，位于第一溝槽416內(nèi)的第一蝕刻停止層407、阻障層317、P型功函數(shù)金屬318、N型功函數(shù)金屬322以及金屬層326會形成第一導電型晶體管402 (P型晶體管)中的第一金屬柵極418，且其功函數(shù)大致上介于4. SeV與5. 2eV之間；而位于第二溝槽518內(nèi)的第二蝕刻停止層507、阻障層317、N型功函數(shù)金屬層322以及金屬層326會形成第二導電型晶體管502 (N型晶體管)中的第二金屬柵極518，且其功函數(shù)大致上介于3. 9eV與4. 3eV之間。于本發(fā)明另一實施例中，可調(diào)整P型功函數(shù)金屬層318以及N型功函數(shù)金屬層322的厚度，使其發(fā)揮優(yōu)選的功函數(shù)功能。由于本實施例在形成TiN的第一蝕刻停止層407、第二蝕刻停止層507、TaN的阻障層317以及TiN的P型功函數(shù)金屬層318后可選擇性的在前述三者形成后擇一進行或擇二進行或者全部進行氧處理，可使得第一金屬柵極418以及第二金屬柵極518具有優(yōu)選的功函數(shù)表現(xiàn)。在完成了第一金屬柵極418以及第二金屬柵極518之后，后續(xù)還可進行接觸插拴(contact plug)的制作,例如形成具有應力的接觸插栓?；蛘撸诮佑|插栓形成前，還可以先完全移除內(nèi)層介電層306以及接觸洞蝕刻停止層308，接著于基底300上再次形成至少另一接觸洞蝕刻停止層(圖未示)，并且通過施加紫外線或者熱能的步驟，以使新的接觸洞蝕刻停止層產(chǎn)生應力，以分別提升第一導電型晶體管402與第二導電型晶體管502的效能。接著再次形成另一內(nèi)層介電層(圖未示)，并于其中形成接觸插拴，此接觸插拴亦可具有適當?shù)膽ΑＶ档米⒁獾氖?，前述實施方式是先形成高介電常?shù)的柵極介電層為例(即high-Kfirst工藝)，而本領(lǐng)域一般技術(shù)人員應當了解，本發(fā)明亦可在形成金屬柵極之前再次形成高介電常數(shù)的柵極介電層(即high-K last工藝)，例如在第一溝槽416內(nèi)形成P型功函數(shù)金屬層318之前，可先去除原先生成的高介電常數(shù)層405，然后再在第一溝槽416的表面上形成高介電常數(shù)的柵極介電層，然后再依序形成P型功函數(shù)金屬層318以及金屬層326等結(jié)構(gòu)。此位于第一溝槽416內(nèi)的高介電常數(shù)的柵極介電層會和P型功函數(shù)金屬層318—樣具有U型剖面；同樣的，在第二溝槽516內(nèi)形成第二金屬層324之前，也可先去除原先生成的高介電常數(shù)層505，然后再在第二溝槽516的表面上形成高介電常數(shù)的柵極介電層，再依序形成N型功函數(shù)金屬層322以及金屬層326等結(jié)構(gòu)，位于第二溝槽516的高介電常數(shù)的柵極介電層會和N型功函數(shù)金屬層322 —樣具有U型剖面。此外，若是采用先形成高介電常數(shù)的柵極介電層(high-K last)工藝，在犧牲柵極之前所形成的介電層不限于高介電常數(shù)材料，而可以是例如SiO2等材料。請參考圖11至圖19，所繪示為本發(fā)明制作具有金屬柵極方法的第三實施例的步驟示意圖。第三實施例的前半段步驟與第二實施例的圖I至圖2相同，可參考前文說明，在此不加以贅述。而為了能夠清楚描述本發(fā)明的實施方式，相同的元件將以相同的元件符號表示。如圖11所示，在基底300上全面形成掩模層312以及選擇性的輔助層314。于本發(fā)明優(yōu)選實施例中，掩模層312優(yōu)選為氮化鈦(TiN)層，而輔助層314優(yōu)選為氧化硅(SiO2)層。輔助層314可提供后續(xù)圖案化的光致抗蝕劑層316優(yōu)選的附著力。于實施例中，掩模 層312的厚度大體上為50至150埃(angstrom)，優(yōu)選為100埃，而輔助層314的厚度大體上為0至50埃，優(yōu)選為20埃，但不以上述為限。接著，在基底300上形成第一圖案化光致抗蝕劑層316，其覆蓋至少第二有源區(qū)域500。如圖12所示，利用第一圖案化光致抗蝕劑層316為掩模，以移除未被第一圖案化光致抗蝕劑層316覆蓋的掩模層312、輔助層314以及第一犧牲柵極406，并在第一導電型晶體管402中形成第一溝槽416，其中第一溝槽416會蝕刻至第一蝕刻停止層407。第二導電型晶體管502的第二犧牲柵極506由于被掩模層312覆蓋，因此并不會被移除。接著對第一蝕刻停止層407進行氧處理，氧處理包括回火步驟、等離子體處理步驟或化學溶液處理步驟。同樣地，此第一蝕刻停止層407的氧處理亦可在其一開始全面性沉積形成時就進行氧處理?；鼗鸩襟E例如是通入含O2的氣體在約攝氏300度至500度的環(huán)境下進行，優(yōu)選為100%的O2氣體在攝氏400度的環(huán)境下進行。等離子體處理步驟例如是使用含O2的等離子體氣體。而化學溶液處理步驟則例如是使用含NH40H、H202以及H2O的溶液，例如是SCl溶液。然后于基底300上全面形成P型功函數(shù)金屬層318，P型功函數(shù)金屬層318會沿著第一溝槽416的表面形成，但并不完全填滿第一溝槽416。于本實施例中，P型功函數(shù)金屬層318為滿足P型晶體管所需功函數(shù)要求的金屬，例如是鎳(Ni)、鈀(Pd)、鉬(Pt)、鈹(Be)、銥(Ir)、碲(Te)、錸(Re)、釕(Ru)、銠(Rh)、鎢(W)、鑰(Mo);鶴、釕、鑰、鉭(Ta)、鈦(Ti)的氮化物；鎢、鉭、鈦的碳化物；或者TiAIN、TaAlN等，但不以上述為限。然后，對此P型功函數(shù)金屬層318進行氧處理，氧處理包括回火步驟、等離子體處理步驟或化學溶液處理步驟。回火步驟例如是通入含O2的氣體在約攝氏300度至500度的環(huán)境下進行，優(yōu)選為100%的O2氣體在攝氏400度的環(huán)境下進行，并持續(xù)進行I 5分鐘，優(yōu)選為2分鐘。等離子體處理步驟例如是使用含O2的等離子體。而化學溶液處理步驟則例如是使用含NH40H、H202以及H2O的溶液，例如是SCl溶液。而于本發(fā)明另一實施例中，亦可將第一蝕刻停止層407去除，請參考圖13，所繪示為本發(fā)明制作金屬柵極的方法的另一實施例的示意圖。如圖13所示，以氧處理的方式例如以SCl溶液將第一蝕刻停止層407去除，再形成P型功函數(shù)金屬層318。于另一實施例中，第一蝕刻停止層407亦可以其他方式去除。在此實施例中，由于第一蝕刻停止層407被去除，P型功函數(shù)金屬層318可直接接觸第一高介電常數(shù)層405，因此可以得到優(yōu)選的元件效果。接著如圖14所示，在基底300上全面形成有機層320。有機層320會至少填入于第一溝槽416中。有機層320例如是旋涂式玻璃層(spin-on glass, S0G)、抗反射底層(bottom anti-reflective coating,BARC layer)或光致抗蝕劑層等。接著如圖 15 所示，利用圖案化或回蝕刻工藝，以將第一溝槽416以外的有機層320去除。如圖16所示，再進行蝕刻工藝以移除第一溝槽416中部分的P型功函數(shù)金屬層318以及部分的有機層320，使得存留在第一溝槽416中的P型功函數(shù)金屬層318形成剖面具有U型結(jié)構(gòu)的金屬層，且此U型結(jié)構(gòu)的金屬層的最高部分會低于第一溝槽 416的開口處，也就是說，第一溝槽406位于開口處，并沒有覆蓋P型功函數(shù)金屬。然后如圖17所示，移除位于第一溝槽416中的有機層320。于本發(fā)明優(yōu)選實施例中，移除有機層320的方法可包括氧處理，例如是使用含O2/H2/N2的等離子體氣體，其中O2的濃度大體上小于10%。移除有機層320后，可選擇性的延長氧處理的時間，以繼續(xù)對P型功函數(shù)金屬層318進行氧處理。如圖18所示，進行另一蝕刻步驟，以移除第二犧牲柵極506，而在第二導電型晶體管502中形成了第二溝槽516。接著，在基底300上全面形成N型功函數(shù)金屬層322。N型功函數(shù)金屬層322會沿第二溝槽516的表面以及第一溝槽416中P型功函數(shù)金屬層318的表面形成，但并不完全填滿第二溝槽516以及第一溝槽416。于本發(fā)明優(yōu)選實施例中，N型功函數(shù)金屬層322為滿足N型晶體管所需功函數(shù)要求的金屬，例如是鋁化鈦(TiAl)、鋁化鋯(ZrAl)、鋁化鎢(WAl)、鋁化鉭(TaAl)或鋁化鉿(HfAl)，但不以上述為限。然后，在基底300上全面形成低電阻的金屬層326。金屬層326會形成于N型功函數(shù)金屬層322上，并填滿第二溝槽516以及第一溝槽416。于本發(fā)明優(yōu)選實施例中，金屬層326包括鋁(Al)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎢(W)、鈮(Nb)、鑰(Mo)、銅(Cu)、氮化鈦(TiN)、碳化鈦(TiC)、氮化鉭(TaN)、鈦鎢(Ti/ff)或鈦與氮化鈦(Ti/TiN)等復合金屬材料，但不以此為限。最后，如圖19所示，進行平坦化工藝以同時移除第一溝槽416以及第二溝槽516以外的P型功函數(shù)金屬層318、N型功函數(shù)金屬層322以及金屬層326。如此一來，位于第一溝槽416內(nèi)的P型功函數(shù)金屬318、N型功函數(shù)金屬322以及金屬層326會形成第一導電型晶體管402 (P型晶體管)中的第一金屬柵極418，且其功函數(shù)大致上介于4. SeV與5. 2eV之間；而位于第二溝槽518內(nèi)的N型功函數(shù)金屬層322以及金屬層326會形成第二導電型晶體管502 (N型晶體管)中的第二金屬柵極518，且其功函數(shù)大致上介于3. 9eV與4. 3eV之間。于本發(fā)明另一實施例中，可調(diào)整P型功函數(shù)金屬層318以及N型功函數(shù)金屬層322的厚度，使其發(fā)揮優(yōu)選的功函數(shù)功能。由于本實施例在形成TiN的第一蝕刻停止層407、第二蝕刻停止層507以及TiN的P型功函數(shù)金屬層318后可選擇性的前述兩者擇一進行或擇二進行氧處理，可使得第一金屬柵極418以及第二金屬柵極518具有優(yōu)選的功函數(shù)表現(xiàn)。此夕卜，由于本實施例移除了第一溝槽416中位于開口處附近的P型功函數(shù)金屬層318，因此后續(xù)填入N型功函數(shù)金屬層322以及金屬層326時可具有優(yōu)選的填洞能力。在完成了第一金屬柵極418以及第二金屬柵極518之后，后續(xù)還可進行接觸插拴(contact plug)的制作,例如形成具有應力的接觸插栓?；蛘?，在接觸插栓形成前，還可以先完全移除內(nèi)層介電層306以及接觸洞蝕刻停止層308，接著于基底300上再次形成至少另一接觸洞蝕刻停止層(圖未示)，并且通過施加紫外線或者熱能的步驟，以使新的接觸洞蝕刻停止層產(chǎn)生應力，以分別提升第一導電型晶體管402與第二導電型晶體管502的效能。接著再次形成另一內(nèi)層介電層(圖未示)，并于其中形成接觸插拴，此接觸插拴亦可具有適當?shù)膽?。值得注意的是，前述實施方式是先形成高介電常?shù)的柵極介電層為例(即high-Kfirst工藝)，而本領(lǐng)域一般技術(shù)人員應當了解，本發(fā)明亦可在形成金屬柵極之前才形成高介電常數(shù)的柵極介電層(即high-K last工藝)，例如在第一溝槽內(nèi)416形成P型功函數(shù)金屬層318之前，可先去除原先生成的高介電常數(shù)層405，然后再于第一溝槽416的表面上形成高介電常數(shù)的柵極介電層，然后再依序形成P型功函數(shù)金屬層318以及金屬層326等結(jié)構(gòu)。此位于第一溝槽416內(nèi)的高介電常數(shù)的柵極介電層會和P型功函數(shù)金屬層318—樣具有U型剖面；同樣的，在第二溝槽516內(nèi)形成第二金屬層324之前，也可先去除原先生成的高介電常數(shù)層505，然后再于第二溝槽516的表面上形成高介電常數(shù)的柵極介電層，再依序形成N型功函數(shù)金屬層322以及金屬層326等結(jié)構(gòu)，位于第二溝槽516的高介電常數(shù)的柵極介電層會和N型功函數(shù)金屬層322 —樣具有U型剖面。此外，若是采用先形成高介電常數(shù)的柵極介電層(high-K last)工藝，在犧牲柵極之前所形成的介電層不限于高介電常數(shù)材料，而可以是例如SiO2等材料。。、綜上而言，本發(fā)明提出了一種金屬柵極以及形成金屬柵極的方法。已知由于多層堆疊的金屬柵極往往會使得功函數(shù)效果不佳，而通過本發(fā)明所提出的氧處理步驟，可改善金屬柵極的功函數(shù)，而得到優(yōu)選的元件效能。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，皆應屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種制作具有金屬柵極的半導體元件的方法，包括 提供基底； 于該基底上形成柵極介電層； 于該柵極介電層上形成具有功函數(shù)金屬層的多層堆疊結(jié)構(gòu)，并于該多層堆結(jié)構(gòu)的至少一層進行氧處理；以及 于該多層堆疊結(jié)構(gòu)上形成導電層。
2.如權(quán)利要求I所述的制作具有金屬柵極的半導體元件的方法，其中該柵極介電層的介電常數(shù)大于4，且該柵極介電層包括氧化鉿、硅酸鉿氧化合物、硅酸鉿氮氧化合物、氧化鋁、氧化鑭、鋁酸鑭、氧化鉭、氧化鋯、硅酸鋯氧化合物、鋯酸鉿、氧化鐿、氧化硅鐿、鋁酸鋯、招酸鉿、氮化招、氧化鈦，氮氧化錯、氮氧化鉿、氮氧娃錯，氮氧娃鉿、銀秘鉭氧化物、錯鈦酸鉛或鈦酸鋇銀。
3.如權(quán)利要求I所述的制作具有金屬柵極的半導體元件的方法，其中該導電層為多晶娃層或金屬層。
4.如權(quán)利要求3所述的制作具有金屬柵極的半導體元件的方法，還包括于該基底上形成多晶硅層，并于該多晶硅層中形成柵極溝槽，且于該柵極溝槽中填入該金屬層。
5.如權(quán)利要求4所述的制作具有金屬柵極的半導體元件的方法，其中該柵極介電層形成于該柵極溝槽的底部。
6.如權(quán)利要求4所述的制作具有金屬柵極的半導體元件的方法，其中該柵極介電層形成于該柵極溝槽中并具有U型剖面。
7.如權(quán)利要求I所述的制作具有金屬柵極的半導體元件的方法，其中該晶體管包括P型晶體管或N型晶體管。
8.如權(quán)利要求I所述的制作具有金屬柵極的半導體元件的方法，其中該多層堆疊結(jié)構(gòu)包括至少兩層的金屬層或金屬氮化物層。
9.如權(quán)利要求8所述的制作具有金屬柵極的半導體元件的方法，其中該多層堆疊結(jié)構(gòu)包括阻障層、蝕刻停止層或功函數(shù)金屬層。
10.如權(quán)利要求9所述的制作具有金屬柵極的半導體元件的方法，其中該蝕刻停止層包括TiN，該阻障層包括TaN，該功函數(shù)金屬層包括TiN。
11.如權(quán)利要求9所述的制作具有金屬柵極的半導體元件的方法，其中該功函數(shù)金屬層包括多層金屬層，且該功函數(shù)金屬層選自TiAl、TaC、WC、TiN、TiC、TaN或TiAlN其中之一或上述組合。
12.如權(quán)利要求I所述的制作具有金屬柵極的半導體元件的方法，其中該氧處理包括回火步驟、等離子體處理步驟或化學溶液處理步驟。
13.如權(quán)利要求12所述的制作具有金屬柵極的半導體元件的方法，其中該等離子體處理步驟包括使用含O2的等離子體。
14.如權(quán)利要求12所述的制作具有金屬柵極的半導體元件的方法，其中該化學溶液處理步驟包括使用含NH40H、H2O2以及H2O的溶液。
15.如權(quán)利要求I所述的制作具有金屬柵極的半導體元件的方法，還包括于該基底上形成柵極凹槽，其中該柵極介電層于該柵極凹槽中形成，且該多層堆疊結(jié)構(gòu)形成于該柵極凹槽中的該柵極介電層上。
16.如權(quán)利要求15所述的制作具有金屬柵極的半導體元件的方法，其中該柵極介電層形成于該柵極凹槽的底部。
17.如權(quán)利要求15所述的制作具有金屬柵極的半導體元件的方法，其中該導電層及/或該柵極介電層形成于該柵極凹槽中。
18.如權(quán)利要求15所述的制作具有金屬柵極的半導體元件的方法，其中該導電層及/或該柵極介電層具有U型剖面。
19.如權(quán)利要求15所述的制作具有金屬柵極的半導體元件的方法，其中該導電層及/或該柵極介電層露出部分上部的柵極凹槽側(cè)壁。
20.如權(quán)利要求15所述的制作具有金屬柵極的半導體元件的方法，其中先形成該柵極凹槽，再形成該柵極介電層。
21.如權(quán)利要求20所述的制作具有金屬柵極的半導體元件的方法，還包括 于該基底上形成填充層于該柵極凹槽； 移除該多層堆疊結(jié)構(gòu)的其中一層的上部，使得該多層堆結(jié)構(gòu)的該層形成U型剖面結(jié)構(gòu)；以及 完全移除位于該柵極凹槽內(nèi)的該填充層。
22.如權(quán)利要求21所述的制作具有金屬柵極的半導體元件的方法，其中完全移除位于該柵極凹槽內(nèi)的該填充層時，一并進行該氧化處理。
23.如權(quán)利要求22所述的制作具有金屬柵極的半導體元件的方法，其中該氧化處理包括使用包括02、H2以及N2的等離子體，其中O2的重量百分比小于10%。
24.如權(quán)利要求15所述的制作具有金屬柵極的半導體元件的方法，其中先形成該柵極介電層，再形成該柵極凹槽。
25.一種具有金屬柵極的半導體元件，包括 基底； 柵極介電層，設(shè)置于該基底上；以及 多層堆疊結(jié)構(gòu)，設(shè)置于該柵極介電層上，其中該多層堆疊結(jié)構(gòu)的至少其中一層為功函數(shù)金屬層，且該多層堆疊結(jié)構(gòu)中，靠近該柵極介電層的一側(cè)的氧原子濃度小于遠離該柵極介電層的一側(cè)的氧原子濃度。
26.如權(quán)利要求25所述的具有金屬柵極的半導體元件，還包括金屬層，該金屬層設(shè)置于該多層堆疊結(jié)構(gòu)上，其中該多層堆疊結(jié)構(gòu)與該金屬層共同作為該半導體元件的金屬柵極。
27.如權(quán)利要求25所述的具有金屬柵極的半導體元件，其中該多層堆疊結(jié)構(gòu)包括至少兩層的金屬層或金屬氮化物層。
28.如權(quán)利要求25所述的具有金屬柵極的半導體元件，其中該多層堆疊結(jié)構(gòu)包括阻障層、蝕刻停止層或功函數(shù)金屬層。
29.如權(quán)利要求28所述的具有金屬柵極的半導體元件，其中該蝕刻停止層包括TiN，該阻障層包括TaN，該功函數(shù)金屬層包括TiN。
30.如權(quán)利要求25所述的具有金屬柵極的半導體元件，其中該柵極介電層的介電常數(shù)大于4，且該柵極介電層包括氧化鉿、硅酸鉿氧化合物、硅酸鉿氮氧化合物、氧化鋁、氧化鑭、鋁酸鑭、氧化鉭、氧化鋯、硅酸鋯氧化合物、鋯酸鉿、氧化鐿、氧化硅鐿、鋁酸鋯、鋁酸鉿、氮化銀、氧化鈦，氮氧化錯、氮氧化鉿、氮氧娃錯，氮氧娃鉿、銀秘鉭氧化物、錯鈦酸鉛或鈦酸鋇 銀。
全文摘要
本發(fā)明提出一種制作具有金屬柵極的半導體元件及其制造方法。該制造方法中，首先提供基底，并于基底上形成柵極介電層。于該柵極介電層上形成具有功函數(shù)金屬層的多層堆疊結(jié)構(gòu)，并于至少一層的該多層堆結(jié)構(gòu)進行氧處理。最后在多層堆疊結(jié)構(gòu)上形成導電層。
文檔編號H01L21/336GK102737971SQ20111009432
公開日2012年10月17日 申請日期2011年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月15日
發(fā)明者廖俊雄, 廖柏瑞, 徐韶華, 施宏霖, 曾榮宗, 李志成, 楊杰甯, 林俊賢, 林建廷, 洪文瀚, 蔡宗龍, 許哲華, 賴建銘, 陳奕文, 陳映璁, 陳正國, 馬誠佑, 黃光耀, 黃同雋 申請人:聯(lián)華電子股份有限公司