專利名稱：具有金屬柵極的半導(dǎo)體元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有金屬柵極(metal gate)的半導(dǎo)體元件的制作方法，尤其是涉及一種實(shí)施后柵極(gate last)制作工藝與后柵極介電層(high_k last)的具有金屬柵極的半導(dǎo)體元件的制作方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體元件持續(xù)地微縮,功函數(shù)金屬(work function metal)是用以取代傳統(tǒng)多晶娃作為匹配高介電常數(shù)(high dielectric constant,以下簡稱為high_k)介電層的控制電極。而雙功能函數(shù)金屬柵極的制作方法可大概分為前柵極(gate first)與后柵極(gate last)制作工藝兩大類，其中后柵極制作工藝又因可避免源極/漏極超淺接面活化回火以及金屬硅化物等高熱預(yù)算制作工藝，而具有較寬的材料選擇，故漸漸地取代前柵極制作工藝。而現(xiàn)有后柵極制作工藝中，先形成一虛置柵極(dummy gate)或取代柵極(replacement gate),并在完成一般MOS晶體管的制作后,將虛置/取代柵極移除而形成一柵極溝槽(gate trench)，再依電性需求于柵極溝槽內(nèi)填入不同的金屬。然而，隨著晶體管元件線寬持續(xù)微縮的趨勢(shì)，柵極溝槽的深寬比(aspect ratio)成為金屬膜層是否能順利填入柵極溝槽的一大挑戰(zhàn)。簡單地說，隨著晶體管元件線寬縮小，柵極溝槽的開口寬度也隨之縮小，造成金屬膜層不易填入柵極溝槽的問題，甚至發(fā)生無法填入柵極溝槽形成空隙、影響晶體管元件的電性表現(xiàn)等問題。由此可知，后柵極制作工藝雖可避免源極/漏極超淺接面活化回火以及形成金屬硅化物等高熱預(yù)算制作工藝，而具有較寬廣的材料選擇，但仍面臨復(fù)雜制作工藝的整合性以及柵極溝槽填補(bǔ)能力等可靠度問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一目的在于提供一種具有金屬柵極的半導(dǎo)體元件的制作方法，用以改善柵極溝槽填補(bǔ)能力。為達(dá)上述目的，本發(fā)明提供一種具有金屬柵極的半導(dǎo)體元件的制作方法，該制作方法首先提供一基底，該基底表面形成有一第一半導(dǎo)體元件與一第二半導(dǎo)體元件，且該第一半導(dǎo)體元件與該第二半導(dǎo)體元件內(nèi)分別形成有一第一柵極溝槽(gate trench)與一第二柵極溝槽。接下來，在該基底上依序形成一 high-k柵極介電層與一復(fù)合金屬層(multiplemetal layer)。隨后于該第一柵極溝槽內(nèi)形成一第一功函數(shù)金屬(work function metal)層，且該復(fù)合金屬層暴露于該第二柵極溝槽內(nèi)。在形成該第一功函數(shù)金屬層之后，進(jìn)行一第一回拉(pull back)步驟，以移除該第一柵極溝槽內(nèi)的部分該第一功函數(shù)金屬層。而在該第一回拉步驟之后，在該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽內(nèi)形成一第二功函數(shù)金屬層。最后進(jìn)行一第二回拉步驟，用以移除該第一柵極溝槽內(nèi)與該第二柵極溝槽內(nèi)的部分該第二功函數(shù)金屬層。
本發(fā)明另提供一種具有金屬柵極的半導(dǎo)體元件，該半導(dǎo)體元件包含有一基底，該基底表面形成有一第一半導(dǎo)體元件與一第二半導(dǎo)體元件，且該第一半導(dǎo)體元件與該第二半導(dǎo)體兀件內(nèi)分別形成有一第一柵極溝槽與一第二柵極溝槽；一柵極介電層，分別設(shè)置于該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽內(nèi)；一第一 U形金屬層,設(shè)置于該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽內(nèi)，且該第一U形金屬層的最高點(diǎn)低于該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽的開口 ；一第二 U形金屬層,設(shè)置于該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽內(nèi)的第一 U形金屬層上，該第二 U形金屬層的最高點(diǎn)低于該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽的開口，且第二 U形金屬層的最高點(diǎn)與該第一 U形金屬層的最高點(diǎn)不共平面；以及一第三U形金屬層，設(shè)置于該第一柵極溝槽內(nèi)的該第一 U形金屬層與該第二 U型金屬層之間，且第三U形金屬層的最高點(diǎn)與該第二 U形金屬層的最高點(diǎn)不共平面。根據(jù)本發(fā)明所提供的具有金屬柵極的半導(dǎo)體元件的制作方法，在形成該第一功函數(shù)金屬層之后對(duì)該第一柵極溝槽，且較佳為同時(shí)對(duì)該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽，進(jìn)行該第一回拉步驟，用以移除該第一柵極溝槽內(nèi)的部分第一功函數(shù)金屬層，使得該第一柵極溝槽享有較寬的開口，而有利于后續(xù)第二功函數(shù)金屬層的填入。而在形成該第二功函數(shù)金屬層之后，更通過該第二回拉步驟移除該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽內(nèi)的部分第二功函數(shù)金屬層，使該第一功函數(shù)金屬層與該第二功函數(shù)金屬層的最高部分皆低于柵極溝槽的開口，并分別具有U形的形狀特征。因此，后續(xù)欲填入的膜層如填充金屬層可順利地填入柵極溝槽內(nèi)，而可避免空隙的形成，并避免空隙對(duì)半導(dǎo)體元件電性的負(fù)面影響。


圖1至圖7為本發(fā)明所提供的具有金屬柵極的半導(dǎo)體元件的制作方法的一第一較佳實(shí)施例的示意圖；圖8至圖13為本發(fā)明所提供的具有金屬柵極的半導(dǎo)體元件的制作方法的一第二較佳實(shí)施例的示意圖。 主要元件符號(hào)說明100、200基底102、202淺溝隔離104、204高介電常數(shù)柵極介電層106,206復(fù)合金屬層106a、206a底部阻障層106b、206b蝕刻停止層106c、206c、206dU 形復(fù)合金屬層110,210第一半導(dǎo)體元件112,212第二半導(dǎo)體元件120,220第一輕摻雜漏極122,222第二輕摻雜漏極124、224側(cè)壁子130,230第一源極/漏極132,232第二源極/漏極
140、240接觸洞蝕刻停止層142,242內(nèi)層介電層150,250第一柵極溝槽152,252第二柵極溝槽160、260第一功函數(shù)金屬層160a,260aU形第一功函數(shù)金屬層162,262第二功函數(shù)金屬層162a,262aU形第二功函數(shù)金屬層164、264填充金屬層170、172、174、270、272、274 圖案化掩模
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1至圖7，圖1至圖7為本發(fā)明所提供的具有金屬柵極的半導(dǎo)體元件的制作方法的一第一較佳實(shí)施例的示意圖。如圖1所示，本較佳實(shí)施例首先提供一基底100，例如一硅基底、含硅基底、或硅覆絕緣(silicon-on-1nsulator，SOI)基底?；?00上形成有一第一半導(dǎo)體元件110與一第二半導(dǎo)體元件112，而第一半導(dǎo)體元件110與第二半導(dǎo)體元件112之間的基底100內(nèi)形成有提供電性隔離的淺溝隔離(shallow trench isolation,STI) 102。第一半導(dǎo)體元 件110具有一第一導(dǎo)電型式，而第二半導(dǎo)體元件112具有一第二導(dǎo)電型式，且第一導(dǎo)電型式與第二導(dǎo)電型式互補(bǔ)(complementary)。在本較佳實(shí)施例中，第一半導(dǎo)體元件110為一 P型半導(dǎo)體元件；而第二半導(dǎo)體元件112則為一 η型半導(dǎo)體元件。請(qǐng)繼續(xù)參閱圖1。第一半導(dǎo)體元件110與第二半導(dǎo)體元件112各包含一介電層(圖未不)與一虛置柵極(圖未不)。虛置柵極可為一多晶娃層，而介電層則可為一傳統(tǒng)二氧化硅層。第一半導(dǎo)體元件110與第二半導(dǎo)體元件112分別包含一第一輕摻雜漏極(lightdoped drain, LDD) 120與一第二 LDD 122、一側(cè)壁子124、與一第一源極/漏極130與一第二源極/漏極132。另外，第一源極/漏極130與第二源極/漏極132的表面分別包含有一金屬娃化物(圖未不)。而在第一半導(dǎo)體兀件Iio與第二半導(dǎo)體兀件112上,依序形成一接觸洞蝕刻停止層(contact etch stop layer, CESL) 140 與一內(nèi)層介電(inter-layerdielectric, ILD)層142。上述元件的制作步驟以及材料選擇，甚至是半導(dǎo)體業(yè)界中為提供應(yīng)力作用更改善電性表現(xiàn)而實(shí)施選擇性嘉晶成長(selective epitaxial growth, SEG)方法形成源極/漏極130、132等，皆為該領(lǐng)域的人士所熟知，故于此皆不再贅述。請(qǐng)仍然參閱圖1。在形成CESL 140與ILD層142后，通過一平坦化制作工藝移除部分的ILD層142與CESL 140，直至暴露出第一半導(dǎo)體元件110與第二半導(dǎo)體元件112的虛置柵極。隨后利用一適合的蝕刻制作工藝移除第一半導(dǎo)體元件110與第二半導(dǎo)體元件112的虛置柵極，而同時(shí)于第一半導(dǎo)體元件110與第二半導(dǎo)體元件112內(nèi)分別形成一第一柵極溝槽150與一第二柵極溝槽152，并暴露出介電層或基底100。隨后，如圖1所示，在基底100上依序形成一 high-k柵極介電層104、一底部阻障層106a、與一蝕刻停止層106b。值得注意的是，由于本較佳實(shí)施例與后柵極介電層(high-k last)制作工藝整合，因此暴露于柵極溝槽150/152底部的介電層可作為一界面層(interfacial layer)。High_k柵極介電層104可以是一金屬氧化物層,例如一稀土金屬氧化物層。High-k柵極介電層104可選自氧化鉿(hafnium oxide,HfO2)、娃酸鉿氧化合物(hafnium siliconoxide, 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)、氧化組(tantalum oxide, Ta2O5)、氧化宇乙(yttrium oxide, Y2O3)、氧化錯(cuò)(zirconium oxide,ZrO2)、欽酸銀(strontium titanate oxide, SrTiO3)、娃酸錯(cuò)氧化合物(zirconium siliconoxide, ZrSiO4)、錯(cuò)酸給(hafnium zirconium oxide, HfZrO4)、銀秘組氧化物(strontiumbismuth tantalate, SrBi2Ta2O9, SBT)、,告欽酸鉛(lead zirconate titanate, PbZrxTi1^O3,PZT)與鈦酸鋇銀(barium strontium titanate, BaxSr1^TiO3, BST)所組成的群組。底部阻障層106a可包含氮化鈦(titanium nitride, TiN);而蝕刻停止層106b可包含氮化鉭(tantalum nitride, TaN),但皆不限于此。在本較佳實(shí)施例中，底部阻障層106a與蝕刻停止層106b可視為一不影響金屬柵極功函數(shù)的復(fù)合金屬層106。請(qǐng)?jiān)俅螀㈤唸D1。在形成蝕刻停止層106b后，進(jìn)行一化學(xué)氣相沈積(chemicalvapor deposition,CVD)制作工藝、一物理氣相沈積(physical vapor deposition,PVD)制作工藝、或一原子層沉積(atomic layer deposition,ALD)制作工藝,于第一柵極溝槽150與第二柵極溝槽152內(nèi)形成一第一功函數(shù)金屬層160。第一功函數(shù)金屬層160可為一具有P型導(dǎo)電型式的P型功函數(shù)金屬層，例如氮化鈦(titanium nitride, TiN)、碳化鈦(titaniumcarbide, TiC)、氮化組(tantalum nitride, TaN)、碳化組(tantalum carbide, TaC)、碳化鶴(tungsten carbide, WC)、或氮化招欽(aluminum titanium nitride, TiAlN),但不限于此。此外，第一功函數(shù)金屬層160可為一單層結(jié)構(gòu)或一復(fù)合層結(jié)構(gòu)。而在形成第一功函數(shù)金屬層160之后，在基底100上形成一圖案化掩模170，例如一圖案化光致抗蝕劑，但不限于此。圖案化掩模170用以遮蓋第一半導(dǎo)體元件110，并暴露出第二半導(dǎo)體元件112，尤其暴露出第二柵極溝槽152內(nèi)的第一功函數(shù)金屬層160。請(qǐng)參閱 圖2。接下來隨后利用一合適的蝕刻劑移除第二柵極溝槽152內(nèi)暴露的第一功函數(shù)金屬層160，使得蝕刻停止層106b重新暴露于第二柵極溝槽152之內(nèi)。在移除第一功函數(shù)金屬層160時(shí),蝕刻停止層106b可保護(hù)其下方的底部阻障層106a、high-k柵極介電層104、與ILD層142。在蝕刻暴露的第一功函數(shù)金屬層160之后,第一功函數(shù)金屬層160如圖2所示，僅存留于第一柵極溝槽150以及第一半導(dǎo)體元件110處，而復(fù)合金屬層106則暴露于第二柵極溝槽152內(nèi)。請(qǐng)繼續(xù)參閱圖2。接下來，移除圖案化掩模170，隨后進(jìn)行一第一回拉步驟。根據(jù)本較佳實(shí)施例，第一回拉步驟首先于第一柵極溝槽150與第二柵極溝槽152內(nèi)分別形成另一圖案化掩模172。圖案化掩模172的材質(zhì)較佳可為一填洞能力良好的膜層，例如可用旋轉(zhuǎn)涂布方式形成的一光致抗蝕劑材料、一介電抗反射底層(dielectric ant1-reflectioncoating, DARC)、一光吸收氧化層(light absorbing oxide, DUO)、一底部抗反射(bottomant1-reflective coating, BARC)層、一犧牲吸光材料(sacrificial light absorbingmaterial, SLAM)層等,但不限于此。值得注意的是，圖案化掩模172的表面如圖2所示,低于第一柵極溝槽150與第二柵極溝槽152的開口。因此，可暴露出第一柵極溝槽150開口處的第一功函數(shù)金屬層160與第二柵極溝槽152開口處的復(fù)合金屬層106。請(qǐng)參閱圖3。接下來第一回拉步驟進(jìn)行一蝕刻制作工藝，用以同時(shí)移除第一柵極溝槽150內(nèi)暴露出的部分第一功函數(shù)金屬層160以及暴露出的部分的復(fù)合金屬層106,且蝕刻制作工藝同時(shí)移除第二柵極溝槽152內(nèi)暴露出的部分復(fù)合金屬層106。因此，在第一回拉步驟之后，在第一柵極溝槽150內(nèi)形成一 U形第一功函數(shù)金屬層160a與一 U形復(fù)合金屬層106c,同時(shí)于第二柵極溝槽152內(nèi)形成一 U形復(fù)合金屬層106c。值得注意的是,第一柵極溝槽150內(nèi)U形第一功函數(shù)金屬層160a的最高部分與第一柵極溝槽150和第二柵極溝槽152內(nèi)的U形復(fù)合金屬層106c的最高部分如圖3所示，低于第一柵極溝槽150的開口與第二柵極溝槽152的開口，且第一柵極溝槽150內(nèi)的U形第一功函數(shù)金屬層160a的最高部分與第一柵極溝槽150和第二柵極溝槽152內(nèi)的U形復(fù)合金屬層106c的最高部分是共平面。換句話說，在第一回拉步驟之后，high-k柵極介電層104暴露于基底100上，尤其是ILD層142上。High-k柵極介電層104更是如圖3所示，暴露于第一柵極溝槽150的開口與第二柵極溝槽152的開口。請(qǐng)參閱圖4。在完成第一回拉步驟之后，移除圖案化掩模172。隨后進(jìn)行另一 CVD制作工藝或PVD制作工藝，在基底100上形成一第二功函數(shù)金屬層162。第二功函數(shù)金屬層162可為一具有η型導(dǎo)電型式的η型功函數(shù)金屬層,例如招化鈦(titanium aluminide,TiAl)層、招化錯(cuò)(zirconium aluminide,ZrAl)層、招化鶴(tungsten aluminide,WAl)層、招化組(tantalum aluminide,TaAl)層或招化給(hafnium aluminide,HfAl)層，但不限于此。此外，第二功函數(shù)金屬層162可為一單層結(jié)構(gòu)或一復(fù)合層結(jié)構(gòu)。請(qǐng)繼續(xù)參閱圖4。在形成第二功函數(shù)金屬層162之后，進(jìn)行一第二回拉步驟。在本較佳實(shí)施例中，第二回拉步驟首先于第二功函數(shù)金屬層162上形成一圖案化掩模174，例如一圖案化光致抗蝕劑，但不限于此。此外值得注意的是，圖案化掩模174的表面如圖4所不，低于第一柵極溝槽150與第二柵極溝槽152的開口。另外，圖案化掩模174的材質(zhì)如前所述，較佳可為一填洞能力良好的膜層。請(qǐng)參閱圖4與圖5。接下來，第二回拉步驟進(jìn)行一蝕刻步驟，用以同時(shí)移除第一柵極溝槽150與第二柵極溝槽152內(nèi)暴露出來的第二功函數(shù)金屬層162。因此，在第二回拉步驟之后，同時(shí)于第一柵極溝槽150與第二柵極溝槽152內(nèi)分別形成一 U形第二功函數(shù)金屬層162a。值得注意的是，U形第二功函數(shù)金屬層162a的最高部分如圖5所示，分別低于第一柵極溝槽150的開口與第二柵極溝槽152的開口，且與U形第一功函數(shù)金屬層160a的最高部分與U形復(fù)合金屬層106c的最高部分共平面。換句話說，在第二回拉步驟之后，high-k柵極介電層104重新暴露于基底100上，尤其是ILD層142上。High-k柵極介電層104更是如圖5所不,暴露于第一柵極溝槽150的開口與第二柵極溝槽152的開口。此外，本發(fā)明可通過調(diào)整第一柵極溝槽150與第二柵極溝槽152內(nèi)的圖案化掩模174的厚度決定U形第二功函數(shù)金屬層162a的最高部分的位置。舉例來說，在本較佳實(shí)施例中U形第二功函數(shù)金屬層162a的最高部分、U形第一功函數(shù)金屬層160a的最高部分以及U形復(fù)合金屬層106c最高部分皆共平面。然而，在本較佳實(shí)施例的一變化型中，U形第二功函數(shù)金屬層162a的最高部分與U形第一功函數(shù)金屬層160a的最高部分以及U形復(fù)合金屬層106c最高部分可不共平面。舉例來說，U形第二功函數(shù)金屬層162a的最高部分可如圖6所不,覆蓋U形第一功函數(shù)金屬層160a的最高部分以及U形復(fù)合金屬層106c的最高部分。請(qǐng)參閱圖7。接下來，在第一柵極溝槽150與第二柵極溝槽152內(nèi)形成一填充金屬層164。此外U形第二功函數(shù)金屬層162a與填充金屬層164之間較佳可設(shè)置一頂部阻障層(圖未示)，而頂部阻障層可包含TiN，但不限于此。填充金屬層164用以填滿第一柵極溝槽150與第二柵極溝槽152，并可選擇具有優(yōu)良填充能力與較低阻值的金屬或金屬氧化物，例如招(aluminum, Al)、招化鈦(titanium aluminide, TiAl)或氧化招鈦(titaniumaluminum oxide, TiAlO),但不限于此。最后，進(jìn)行一平坦化制作工藝，例如一 CMP制作工藝，用以移除多余的填充金屬層164,甚至是ILD層142上多余的high-k柵極介電層104,而完成一第一金屬柵極與一第二金屬柵極的制作。此外，本實(shí)施例也可再選擇性去除ILD層142與CESL 140等，然后重新形成CESL與介電層，以有效提升半導(dǎo)體元件的電性表現(xiàn)。由于上述CMP制作工藝等步驟為該技術(shù)領(lǐng)域中具通常知識(shí)者所知，故于此不再贅述與繪示。根據(jù)本較佳實(shí)施例所提供的具有金屬柵極的半導(dǎo)體元件的制作方法，在形成第一功函數(shù)金屬層160后，尤其是移除第二柵極溝槽152內(nèi)的第一功函數(shù)金屬層160之后，通過第一回拉步驟移除第一柵極溝槽150內(nèi)的部分第一功函數(shù)金屬層160與第二柵極溝槽152內(nèi)的部分復(fù)合金屬層106，而于第一柵極溝槽150與第二柵極溝槽152的開口處暴露出high-k柵極介電層104。因此，第一柵極溝槽150與第二柵極溝槽152可不受復(fù)合金屬層106與第一功函數(shù)金屬層160厚度的影響，獲得一較寬的開口，使后續(xù)形成的第二功函數(shù)金屬層162得以順利填入第一柵極溝槽150與第二柵極溝槽152內(nèi)。同理,本較佳實(shí)施例于形成第二功函數(shù)金屬層162之后，通過第二回拉步驟移除第一柵極溝槽150與第二柵極溝槽152內(nèi)的部分第二功函數(shù)金屬層162，使得第一柵極溝槽150與第二柵極溝槽152可不受第二功函數(shù)金屬層162厚度的影響，獲得一較寬的開口，改善后續(xù)填充金屬層164的填充結(jié)果，并得以避免填補(bǔ)第一柵極溝槽150與第二柵極溝槽152時(shí)發(fā)生縫隙(seam)，確保第一半導(dǎo)體元件110與第二半導(dǎo)體元件112的可靠度。請(qǐng)參閱圖8至圖13，圖8至圖13為本發(fā)明所提供的具有金屬柵極的半導(dǎo)體元件的制作方法的一第二較佳實(shí)施例的示意圖。首先注意的是，在第二較佳實(shí)施例中，與第一較佳實(shí)施例相同的元件的材料選擇于此不再贅述。如圖8所示，本較佳實(shí)施例首先提供一基底200,基底200上形成有一第一半導(dǎo)體兀件210與一第二半導(dǎo)體兀件212,而第一半導(dǎo)體元件210與第二半導(dǎo)體元件212之間的基底200內(nèi)形成有提供電性隔離的STI 202。在本較佳實(shí)施例中，第一半導(dǎo)體元件210為一 P型半導(dǎo)體元件；第二半導(dǎo)體元件212則為一 η型半導(dǎo)體元件。請(qǐng)繼續(xù)參閱圖8。第一半導(dǎo)體元件210與第二半導(dǎo)體元件212各包含一介電層(圖未示)與一虛置柵極(圖未示)。此外第一半導(dǎo)體元件210與第二半導(dǎo)體元件212分別包含一第一 LDD 220與一第二 LDD 222、一側(cè)壁子224、與一第一源極/漏極230與一第二源極/漏極232。另外，第一源極/漏極230與第二源極/漏極232的表面分別包含有一金屬娃化物(圖未不)。而在第一半導(dǎo)體兀件210與第二半導(dǎo)體兀件212上,依序形成一 CESL240 與一 ILD 層 242。請(qǐng)仍然參閱圖8。之后通過一平坦化制作工藝移除部分的ILD層242與CESL 240，并利用一適合的蝕刻制作工藝移除第一半導(dǎo)體元件210與第二半導(dǎo)體元件212的虛置柵極，而同時(shí)于第一半導(dǎo)體兀件210與第二半導(dǎo)體兀件212內(nèi)分別形成一第一柵極溝槽250與一第二柵極溝槽252，并暴露出介電層或基底200。隨后,如圖8所不,在基底200上依序形成一 high-k柵極介電層204、一底部阻障層206a、與一蝕刻停止層206b。值得注意的是，本較佳實(shí)施例也與后柵極介電層制作工藝整合，因此，因此暴露于柵極溝槽250/252底部的介電層可作為一界面層。另外如前所述，底部阻障層206a與蝕刻停止層206b可視為一復(fù)合金屬層206。請(qǐng)繼續(xù)參閱圖8。在形成蝕刻停止層206b后，進(jìn)行一 CVD制作工藝、一 PVD制作工藝、或一 ALD制作工藝，在第一柵極溝槽250與第二柵極溝槽252內(nèi)形成一第一功函數(shù)金屬層260，第一功函數(shù)金屬層260可為一具有P型導(dǎo)電型式的P型功函數(shù)金屬層。此外，第一功函數(shù)金屬層260可為一單層結(jié)構(gòu)或一復(fù)合層結(jié)構(gòu)。而在形成第一功函數(shù)金屬層260之后，于基底200上形成一圖案化掩模270，例如一圖案化光致抗蝕劑，但不限于此。圖案化掩模270用以遮蓋第一半導(dǎo)體元件210，并暴露出第二半導(dǎo)體元件212處，尤其暴露出第二柵極溝槽252內(nèi)的第一功函數(shù)金屬層260。請(qǐng)參閱圖9。接下來隨后利用一合適的蝕刻劑移除第二柵極溝槽252內(nèi)暴露的第一功函數(shù)金屬層260，使得蝕刻停止層206b重新暴露于第二柵極溝槽252之內(nèi)。在移除第一功函數(shù)金屬層260時(shí)，蝕刻停止層206b可保護(hù)其下方的底部阻障層206a、high-k柵極介電層204、與ILD層242。在蝕刻暴露的第一功函數(shù)金屬層260之后,第一功函數(shù)金屬層260如圖9所示，僅存留于第一柵極溝槽250以及第一半導(dǎo)體元件210處，而復(fù)合金屬層206則暴露于第二柵極溝槽252內(nèi)。請(qǐng)參閱圖9。接下來，移除圖案化掩模270，隨后進(jìn)行一第一回拉步驟。根據(jù)本較佳實(shí)施例，第一回拉步驟首先于基底200上形成另一圖案化掩模272，且圖案化掩模272的材質(zhì)較佳可為一填洞能力良好的膜層。值得注意的是，圖案化掩模272完全覆蓋第二半導(dǎo)體元件212處，尤其填滿第二柵極溝槽252，此外圖案化掩模272填入第一柵極溝槽250內(nèi)。然而需注意的是，第一柵極溝槽250內(nèi)的圖案化掩模272如圖9所示，其表面低于第一柵極溝槽250的開口。因此，可暴露出第一柵極溝槽250開口處的第一功函數(shù)金屬層260。請(qǐng)參閱圖9與圖10。接下來第一回拉步驟進(jìn)行一蝕刻制作工藝，用以移除第一柵極溝槽250內(nèi)暴露出的部分第一功函數(shù)金屬層260以及暴露出的部分復(fù)合金屬層206。因此，在第一回拉步驟之后，在第一柵極溝槽250內(nèi)形成一如圖10所示的U形第一功函數(shù)金屬層260a與一 U形復(fù)合金屬層206c。此時(shí)第二柵極溝槽252內(nèi)的復(fù)合金屬層206是到圖案化掩模272的保護(hù)，因此在第一回拉步驟中并未受到影響。值得注意的是，第一柵極溝槽250內(nèi)的U形第一功函數(shù)金屬層260a的最高部分與U形復(fù)合金屬層206c的最高部分如圖10所示，皆低于第一柵極溝槽250的開口，且U形第一功函數(shù)金屬層260a的最高部分與U形復(fù)合金屬層206c的最高部分是共平面。換句話說，在第一回拉步驟之后，high-k柵極介電層204暴露于第一柵極溝槽250的開口。請(qǐng)參閱圖11。在完成第一回拉步驟之后，移除圖案化掩模272。隨后進(jìn)行另一 CVD制作工藝或PVD制作工藝，在基底200上形成一第二功函數(shù)金屬層262，第二功函數(shù)金屬層262可為一具有η型導(dǎo)電型式的η型功函數(shù)金屬層。此外，第二功函數(shù)金屬層262可為一單層結(jié)構(gòu)或一復(fù)合層結(jié)構(gòu)。請(qǐng)繼續(xù)參閱圖11。在形成第二功函數(shù)金屬層262之后，進(jìn)行一第二回拉步驟。在本較佳實(shí)施例中，第二回拉步驟首先于第二功函數(shù)金屬層262上形成一圖案化掩模274，例如一圖案化光致抗蝕劑，但不限于此。此外值得注意的是，圖案化掩模274的表面如圖11所不，低于第一柵極溝槽250與第二柵極溝槽252的開口。另外，圖案化掩模274的材質(zhì)如前所述，可為一填洞能力良好的膜層。請(qǐng)參閱圖11與圖12。接下來，第二回拉步驟是進(jìn)行一蝕刻步驟，用以同時(shí)移除第一柵極溝槽250與第二柵極溝槽252內(nèi)暴露出來的第二功函數(shù)金屬層262。因此，在第二回拉步驟之后，同時(shí)于第一柵極溝槽250與第二柵極溝槽252內(nèi)分別形成一 U形第二功函數(shù)金屬層262a,同時(shí)更于第二柵極溝槽252內(nèi)形成一 U形復(fù)合金屬層206d。U形第二功函數(shù)金屬層262a與U形復(fù)合金屬層206d的最高部分如圖11所不，低于第一柵極溝槽250的開口與第二柵極溝槽252的開口。但值得注意的是，在本較佳實(shí)施例中，U形第二功函數(shù)金屬層262a以及U形復(fù)合金屬層206d的最高部分與U形第一功函數(shù)金屬層260a以及U形復(fù)合金屬層206c的最高部分不共平面。如圖12所示，第二柵極溝槽252內(nèi)的U形第二功函數(shù)金屬層262a以及U形復(fù)合金屬層206d的最高部分,高于第一柵極溝槽250內(nèi)的U形第一功函數(shù)金屬層260a與U形復(fù)合金屬層206c的最高部分；且第一柵極溝槽250內(nèi)的U形第二功函數(shù)金屬層262a覆蓋U形第一功函數(shù)金屬層260a與U形復(fù)合金屬層206c。在第二回拉步驟之后，high-k柵極介電層204重新暴露于基底200上，尤其是ILD層242上。此外High-k柵極介電層204更是如圖12所示，重新暴露于第一柵極溝槽250的開口與第二柵極溝槽252的開口。此外，本發(fā)明也可通過調(diào)整第一柵極溝槽250與第二柵極溝槽252內(nèi)的圖案化掩模274的厚度決定U形第二功函數(shù)金屬層262a的最高部分的位置。舉例來說，在本較佳實(shí)施例中U形第二功函數(shù)金屬層262a與U形復(fù)合金屬層206d的最高部分與U形第一功函數(shù)金屬層260與U形復(fù)合金屬層206c的最高部分不共平面，且第一柵極溝槽250內(nèi)的U形第二功函數(shù)金屬層262a更是覆蓋U形第一功函數(shù)金屬層260的最高部分。然而，在本較佳實(shí)施例的一變化型中，U形第二功函數(shù)金屬層262a與U形復(fù)合金屬層206d的最高部分也可與U形第一功函數(shù)金屬層260與U形復(fù)合金屬層206c的最高部分共平面。請(qǐng)參閱圖13。接下來，在第一柵極溝槽250與第二柵極溝槽252內(nèi)形成一填充金屬層264。此外U形第二功函數(shù)金屬層262a與填充金屬層264之間較佳可設(shè)置一頂部阻障層。最后，進(jìn)行一平坦化制作工藝，例如一 CMP制作工藝，用以移除多余的填充金屬層264，甚至是ILD層242上多余的high-k柵極介電層204,而完成一第一金屬柵極與一第二金屬柵極的制作。根據(jù)本較佳實(shí)施例所提供的具有金屬柵極的半導(dǎo)體元件的制作方法，在形成第一功函數(shù)金屬層260之后，尤其是移除第二柵極溝槽252內(nèi)的第一功函數(shù)金屬層260之后，通過第一回拉步驟單獨(dú)移除第一柵極溝槽250內(nèi)的部分第一功函數(shù)金屬層260與部分復(fù)合金屬層206,而于第一柵極溝槽250的開口處暴露出high-k柵極介電層204。因此,第一柵極溝槽250可不受復(fù)合金屬層206與第一功函數(shù)金屬層260厚度的影響，獲得一較寬的開口，使后續(xù)形成的第二功函數(shù)金屬層262得以順利填入第一柵極溝槽250與第二柵極溝槽252內(nèi)。同理，本較佳實(shí)施例于形成第二功函數(shù)金屬層262之后，通過第二回拉步驟移除第一柵極溝槽250與第二柵極溝槽252內(nèi)的部分第二功函數(shù)金屬層260，使得第一柵極溝槽250與第二柵極溝槽252可不受第二功函數(shù)金屬層262厚度的影響，獲得一較寬的開口，改善后續(xù)填充金屬層264的填充結(jié)果，并得以避免填補(bǔ)第一柵極溝槽250與第二柵極溝槽252時(shí)發(fā)生縫隙，確保第一半導(dǎo)體元件210與第二半導(dǎo)體元件212的可靠度。綜上所述，本發(fā)明所提供的具有金屬柵極的半導(dǎo)體元件的制作方法，于形成該第一功函數(shù)金屬層之后對(duì)該第一柵極溝槽，且較佳為同時(shí)對(duì)該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽，進(jìn)行該第一回拉步驟，用以移除該第一柵極溝槽內(nèi)的部分第一功函數(shù)金屬層，使得該第一柵極溝槽享有較寬的開口，而有利于后續(xù)第二功函數(shù)金屬層的填入。而在形成該第二功函數(shù)金屬層之后，更通過該第二回拉步驟移除該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽內(nèi)的部分第二功函數(shù)金屬層，使該第一功函數(shù)金屬層與該第二功函數(shù)金屬層的最高部分皆低于柵極溝槽的開口，并分別具有U形的形狀特征。因此，后續(xù)欲填入的膜層如填充金屬層可順利地填入柵極溝槽內(nèi)，而可避免空隙的形成，并避免空隙對(duì)半導(dǎo)體元件電性的負(fù)面影響。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種具有金屬柵極的半導(dǎo)體元件的制作方法，包含有: 提供一基底，該基底表面形成有一第一半導(dǎo)體兀件與一第二半導(dǎo)體兀件，該第一半導(dǎo)體元件與該第二半導(dǎo)體元件內(nèi)分別形成有一第一柵極溝槽(gate trench)與一第二柵極溝槽； 在該基底上依序形成一高介電常數(shù)柵極介電層與一復(fù)合金屬層(multiple metallayer)； 在該第一柵極溝槽內(nèi)形成一第一功函數(shù)金屬(work function metal)層,且該復(fù)合金屬層暴露于該第二柵極溝槽內(nèi)； 進(jìn)行一第一回拉(pull back)步驟，以移除該第一柵極溝槽內(nèi)的部分該第一功函數(shù)金屬層； 在該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽內(nèi)形成一第二功函數(shù)金屬層；以及 進(jìn)行一第二回拉步驟，用以移除該第一柵極溝槽內(nèi)與該第二柵極溝槽內(nèi)的部分該第二功函數(shù)金屬層。
2.如權(quán)利要求1所述的制作方法，其中該第一半導(dǎo)體元件具有一第一導(dǎo)電型式，該第二半導(dǎo)體元件具有一第二導(dǎo)電型式，且該第一導(dǎo)電型式與該第二導(dǎo)電型式互補(bǔ)(complementary)。
3.如權(quán)利要求1所述的制作方法，其中該復(fù)合金屬層至少包含一底部阻障(bottombarrier)層與一蝕刻停止層。
4.如權(quán)利要求1所述的制 作方法，其中于該第一柵極溝槽內(nèi)形成該第一功函數(shù)金屬層的步驟還包含: 在該基底上形成該第一功函數(shù)金屬層； 在該基底上形成一第一圖案化掩模，且該第一圖案化掩模至少暴露出該第二柵極溝槽內(nèi)的該第一功函數(shù)金屬層；以及 移除暴露的該第一功函數(shù)金屬層。
5.如權(quán)利要求1所述的制作方法，其中該第一回拉步驟還包含: 在該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽內(nèi)分別形成一第二圖案化掩模，且該第二圖案化掩模的表面低于該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽的開口 ；以及 同時(shí)移除該第一柵極溝槽內(nèi)暴露的該第一功函數(shù)金屬層與該第二柵極溝槽內(nèi)暴露的該復(fù)合金屬層。
6.如權(quán)利要求5所述的制作方法，其中該第一回拉步驟之后，在該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽內(nèi)分別形成一 U形第一功函數(shù)金屬層與一 U形復(fù)合金屬層。
7.如權(quán)利要求6所述的制作方法，其中該U形第一功函數(shù)金屬層的最高部分與該U形復(fù)合金屬層的最高部分分別低于該第一柵極溝槽的開口與該第二柵極溝槽的開口。
8.如權(quán)利要求7所述的制作方法，其中該高介電常數(shù)介電層于進(jìn)行第一回拉步驟之后，暴露于該基底上、該第一柵極溝槽的開口、與該第二柵極溝槽的開口。
9.如權(quán)利要求1所述的制作方法，其中該第一回拉步驟還包含: 在該基底上形成一第二圖案化掩模，該第二圖案化掩模填滿該第二柵極溝槽，且該第二圖案化掩模的表面低于該第一柵極溝槽的開口 ；以及 移除該第一柵極溝槽內(nèi)暴露出的該第一功函數(shù)金屬層。
10.如權(quán)利要求9所述的制作方法，其中該第二柵極溝槽內(nèi)的該復(fù)合金屬層被該第二圖案化掩模保護(hù)。
11.如權(quán)利要求9所述的制作方法，其中該第一回拉步驟之后，于該第一柵極溝槽內(nèi)形成一 U形第一功函數(shù)金屬層。
12.如權(quán)利要求11所述的制作方法，其中該U形第一功函數(shù)金屬層的最高部分低于該第一柵極溝槽的開口。
13.如權(quán)利要求12所述的制作方法，其中該高介電常數(shù)介電層于進(jìn)行第一回拉步驟之后，暴露于該第一柵極溝槽的開口。
14.如權(quán)利要求1所述的制作方法，其中該第二回拉步驟還包含: 在該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽內(nèi)分別形成一第三圖案化掩模，且該第三圖案化掩模的表面低于該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽的開口 ；以及 同時(shí)移除該第一柵極溝槽內(nèi)與該第二柵極溝槽內(nèi)暴露出的該第二功函數(shù)金屬層。
15.如權(quán)利要求14所述的制作方法，其中該第二回拉步驟之后，在該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽內(nèi)分別形成一 U形第二功函數(shù)金屬層。
16.如權(quán)利要求15所述的制作方法，其中該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽內(nèi)的該多個(gè)U形第二功函數(shù)金屬層的最高部分分別低于該第一柵極溝槽的開口與該第二柵極溝槽的開口。
17.如權(quán)利要求1所述的制作方法，其中進(jìn)行該第二回拉步驟之后，該第二功函數(shù)金屬層的最高部分與該第一功函數(shù)金屬層的最高部分與該復(fù)合金屬層的最高部分共平面。
18.如權(quán)利要求1所述的制作方法，其中進(jìn)行該第二回拉步驟之后，該第二功函數(shù)金屬層的最高部分與該第一功函數(shù)金屬層的最高部分不共平面。
19.如權(quán)利要求18所述的制作方法，其中該第一柵極溝槽內(nèi)的該第一功函數(shù)金屬層的最高部分與該復(fù)合金屬層的最高部分共平面，而該第二柵極溝槽內(nèi)的該第二功函數(shù)金屬層的最高部分與該復(fù)合金屬層的最高部分共平面。
20.如權(quán)利要求1所述的制作方法，還包含于該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽內(nèi)分別形成一填充金屬(filling metal)層的步驟，進(jìn)行于該第二回拉步驟之后。
21.一種具有金屬柵極的半導(dǎo)體元件，包含有: 基底，該基底表面形成有一第一半導(dǎo)體兀件與一第二半導(dǎo)體兀件，且該第一半導(dǎo)體兀件與該第二半導(dǎo)體元件內(nèi)分別形成有一第一柵極溝槽與一第二柵極溝槽； 柵極介電層，分別設(shè)置于該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽內(nèi)； 第一 U形金屬層，設(shè)置于該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽內(nèi)，且該第一 U形金屬層的最高點(diǎn)低于該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽的開口； 第二 U形金屬層，設(shè)置于該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽內(nèi)的第一 U形金屬層上，該第二 U形金屬層的最高點(diǎn)低于該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽的開口，且第二 U形金屬層的最高點(diǎn)與該第一U形金屬層的最高點(diǎn)不共平面；以及 第三U形金屬層，設(shè)置于該第一柵極溝槽內(nèi)的該第一 U形金屬層與該第二 U型金屬層之間，且第三U形金屬層的最高點(diǎn)與該第二 U形金屬層的最高點(diǎn)不共平面。
22.如權(quán)利要求21所述的半導(dǎo)體元件，其中該柵極介電層是一高介電常數(shù)(high-K)柵極介電層。
23.如權(quán)利要求22所述的半導(dǎo)體元件，其中該高介電常數(shù)柵極介電層覆蓋該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽的側(cè)壁與底部。
24.如權(quán)利要求21所述的半導(dǎo)體元件，其中該第一U形金屬層至少包含一底部阻障層與一蝕刻停止層。
25.如權(quán)利要求21所述的半導(dǎo)體元件，其中該第二U形金屬層包含一第一功函數(shù)金屬層，該第三U形金屬層包含一第二功函數(shù)金屬層，且第一功函數(shù)金屬層與該第二功函數(shù)金屬層互補(bǔ)。
26.如權(quán)利要求21所述的半導(dǎo)體元件，其中該第一U形金屬層的最高點(diǎn)與該第三U形金屬層的最高點(diǎn)是共平面。
27.如權(quán)利要求21所述的半導(dǎo)體元件，還包含一填充金屬層，覆蓋該第二U形金屬層，且填滿該第一柵極溝槽 與該第二柵極溝槽。
全文摘要
本發(fā)明公開一種具有金屬柵極的半導(dǎo)體元件的制作方法，其首先提供一基底，該基底表面形成有一第一柵極溝槽與一第二柵極溝槽。在該基底上依序形成一高介電常數(shù)柵極介電層與一復(fù)合金屬層，隨后于該第一柵極溝槽內(nèi)形成一第一功函數(shù)金屬層，而該復(fù)合金屬層暴露于該第二柵極溝槽內(nèi)。之后進(jìn)行一第一回拉步驟，以移除該第一柵極溝槽內(nèi)的部分該第一功函數(shù)金屬層。第一回拉步驟之后，于該第一柵極溝槽與該第二柵極溝槽內(nèi)形成一第二功函數(shù)金屬層。最后進(jìn)行一第二回拉步驟，用以移除該第一柵極溝槽內(nèi)與該第二柵極溝槽內(nèi)的部分該第二功函數(shù)金屬層。
文檔編號(hào)H01L29/423GK103187367SQ20111045194
公開日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者傅思逸, 江文泰, 陳映璁, 蔡世鴻, 林建廷, 許啟茂, 林進(jìn)富 申請(qǐng)人:聯(lián)華電子股份有限公司