金屬柵極結(jié)構(gòu)與其形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種金屬柵極結(jié)構(gòu)與其形成方法，特別是涉及一種具有穩(wěn)定晶形與特 殊結(jié)構(gòu)的功函數(shù)金屬層的金屬柵極結(jié)構(gòu)與其形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，多晶硅廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體元件如金屬氧化物半導(dǎo)體 (metal-oxide-semiconductor，M0S)晶體管中，作為標(biāo)準(zhǔn)的柵極材料選擇。然而，隨著M0S 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(yīng)導(dǎo)致元件效 能降低，及其難以避免的空乏效應(yīng)（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(jìn)而導(dǎo)致元件驅(qū)動(dòng)能力的衰退等困境。因此，半導(dǎo)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。
[0003] -般而言，具有金屬柵極的制作方法可概分為前柵極（gate first)制作工藝及后 柵極（gate last)制作工藝兩大類。其中前柵極制作工藝會(huì)在形成金屬柵極后始進(jìn)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(yù)算制作工藝，因此使得材料的選擇 與調(diào)整面對(duì)較多的挑戰(zhàn)。而在后柵極制作工藝中，先形成一犧牲柵極（sacrifice gate)或 取代柵極（r印lacement gate)，并在完成一般M0S晶體管的制作后，將犧牲/取代柵極移除 而形成一柵極凹槽（gate trench)，再依電性需求于柵極凹槽內(nèi)填入不同的金屬。
[0004] 然而為了無論是前柵極或后柵極制作工藝，都需要形成多層的金屬層以形成適合 不同電性或驅(qū)動(dòng)電壓的金屬柵極。而這些金屬層的材料往往會(huì)影響晶體管的功函數(shù)，而成 為影響產(chǎn)品效能的因素。目前，各廠商都致力于研發(fā)不同的制作工藝以制造具有較佳電性 表現(xiàn)的金屬柵極。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明于是提供了一種金屬柵極結(jié)構(gòu)與其形成方法，以獲得較佳電性的金屬柵 極。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，本發(fā)明提供了一種金屬柵極結(jié)構(gòu)，其形成在一介電層的 一溝槽中，該金屬柵極結(jié)構(gòu)包含一功函數(shù)金屬層設(shè)置在溝槽中，功函數(shù)金屬層包含一底部 以及一側(cè)部，其中底部的一厚度與側(cè)部的一厚度的比值為2至5,以及一金屬層填滿該溝 槽。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，本發(fā)明還提供了一種形成金屬柵極結(jié)構(gòu)的方法。首先 提供一介電層，介電層中具有一溝槽。然后于溝槽中形成一功函數(shù)金屬層，功函數(shù)金屬層形 成在高于攝氏200度的環(huán)境下，接著對(duì)功函數(shù)金屬層進(jìn)行一氧化制作工藝，以形成一氧化 金屬層。后續(xù)在氧化金屬層上形成一金屬層，以填滿溝槽。
[0008] 本發(fā)明所提供的一種金屬柵極結(jié)構(gòu)以及其形成方法，能形成穩(wěn)定晶形以及較厚底 部的功函數(shù)金屬層，可避免現(xiàn)有技術(shù)的諸多問題。
【附圖說明】
[0009] 圖1至圖8為本發(fā)明制作一種集成電路的方法的步驟示意圖；
[0010] 圖9為本發(fā)明穩(wěn)定型態(tài)功函數(shù)金屬層的X光繞射圖；
[0011] 圖10為本發(fā)明功函數(shù)金屬層的顯微鏡圖。
[0012] 主要元件符號(hào)說明
[0013] 600 基底 624 層內(nèi)介電層
[0014] 602 淺溝槽隔離 626 溝槽
[0015] 604 晶體管 628 底阻障層
[0016] 606 介質(zhì)層 630 功函數(shù)金屬層
[0017] 608 高介電常數(shù)層 630A 底部
[0018] 610 蝕刻停止層 630B 側(cè)部
[0019] 612 犧牲柵極 630C 突部
[0020] 614 蓋層 632 氧化制作工藝
[0021] 616 間隙壁 634 氧化金屬層
[0022] 618 輕摻雜漏極 636 頂阻障層
[0023] 620 源極/漏極 638 金屬層
[0024] 622 接觸洞蝕刻停止層640 金屬柵極
【具體實(shí)施方式】
[0025] 為使熟悉本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的一般技術(shù)者能更進(jìn)一步了解本發(fā)明，下文特列舉 本發(fā)明的數(shù)個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，并配合所附的附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明的構(gòu)成內(nèi)容及所欲達(dá)成的 功效。
[0026] 請(qǐng)參考圖1至圖8,所繪示為本發(fā)明制作一種集成電路的方法的步驟示意圖。首 先，提供一基底600,例如是娃基底（silicon substrate)、外延娃（epitaxial silicon substrate)、娃鍺半導(dǎo)體基底（silicon germanium substrate)、碳化娃基底（silicon carbide substrate)或娃覆絕緣（silicon-on-insulator, SOI)基底等，但并不以此為限。 基底600上具有多個(gè)淺溝槽隔離（shallow trench isolation，STI)602。接著于基底600 上淺隔渠隔離602所包圍的區(qū)域中形成一晶體管604。晶體管604可以是P型晶體管也可 以是N型晶體管。下文的實(shí)施例將以N型晶體管為示例。
[0027] 如圖1所示，在本發(fā)明的一實(shí)施例中，晶體管604包含一介質(zhì)層606、一高介 電常數(shù)層608、一蝕刻停止層610、一犧牲柵極612、一蓋層614、一間隙壁616、一輕摻 雜漏極（light doped drain，LDD)618以及一源極/漏極620。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例 中，介質(zhì)層606為一二氧化硅層。高介電常數(shù)層608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，例如氧化鉿（hafnium oxide, Η??2)、硅酸鉿 氧化合物（hafnium silicon oxide, HfSi04)、娃酸給氮氧化合物（hafnium silicon oxynitride, HfSiON)、氧化錯(cuò)（aluminum oxide, A1203)、氧化鑭（lanthanum oxide, La203)、 錯(cuò)酉愛鑭(lanthanum aluminum oxide, LaAlO)、氧化組（tantalum oxide, Ta205)、氧化錯(cuò) (zirconium oxide, Zr02)、石圭酉愛錯(cuò)氧化合物（zirconium silicon oxide, ZrSi04)、錯(cuò)酉愛給 (hafnium zirconium oxide, HfZrO)、氧化鐿（yttrium oxide, Yb203)、氧化石圭鐿（yttrium silicon oxide, YbSiO)、錯(cuò)酉愛錯(cuò)(zirconium aluminate, ZrAlO)、錯(cuò)酉愛給(hafnium aluminate, HfAlO)、氮化錯(cuò)(aluminum nitride, AIN)、氧化欽（titanium oxide, Ti02), 氮氧化錯(cuò)(zirconium oxynitride, ZrON)、氮氧化給(hafnium oxynitride, HfON)、 氮氧石圭錯(cuò)(zirconium silicon oxynitride, ZrSiON)、氮氧石圭給(hafnium silicon oxynitride, HfSiON)、鎖祕(mì)組氧化物（strontium bismuth tantalate，SrBi2Ta209，SBT)、錯(cuò) 欽酸鉛（lead zirconate titanate，PbZrxTilx03，PZT)或欽酸鋇鎖（barium strontium ti tanate, BaxSi^ xTi03, BST)，但不以上述為限。蝕刻停止層610包含金屬層或金屬氮化物層， 例如是氣化欽（TiN)。犧牲概極612則例如是多晶娃概極，但也可以是由多晶娃層、非晶娃 (amorphous Si)或者鍺層所組合的復(fù)合柵極。蓋層614則例如是一氮化娃層。間隙壁616 可為一復(fù)合膜層的結(jié)構(gòu)，其可包含高溫氧化娃層（high temperature oxide, HT0)、氮化娃、 氧化娃或使用六氯二硅烷〇iexachlorodisilane，Si2Cl6)形成的氮化娃（HCD-SiN)。輕摻 雜漏極618以及第一源極/漏極620則以適當(dāng)濃度的摻質(zhì)加以形成。而于另一實(shí)施例中， 介質(zhì)層606以及蝕刻停止層610則可以省略。
[0028] 后續(xù)，在基底600上依序形成一接觸洞蝕刻停止層（contact etch stop layer, CESL) 622 與一內(nèi)層介電層（inter-layer dielectric, ILD) 624 覆蓋在晶體管 604 上。在一實(shí)施例中，接觸洞蝕刻停止層622可提供應(yīng)力（stress)，以作為一選擇性應(yīng)力系統(tǒng) (selective strain scheme, SSS)。在一實(shí)施例中，接觸洞蝕刻停止層622也可以省略。
[0029] 接著，如圖2所示，進(jìn)行一平坦化制作工藝，例如一化學(xué)機(jī)械平坦化（chemical mechanical polish, CMP)制作工藝或者一回蝕刻制作工藝或兩者的組合，以依序移除部分 的內(nèi)層介電層624、部分的接觸洞蝕刻停止層622、部分的間隙壁616,并完全移除蓋層614， 直到暴露出犧牲柵極612的頂面。
[0030] 如圖3所示，進(jìn)行一濕蝕刻制作工藝及/或干蝕刻制作工藝以移除犧牲柵極612， 其中此蝕刻步驟會(huì)停止在蝕刻停止層610上，而在晶體管604中形成一溝槽（trench) 626。 在本發(fā)明的一實(shí)施例中，在形成了溝槽626后，可選擇性地移除蝕刻停止層610。
[0031] 如圖4所示，接著在基底600全面形成一底阻障層628。底阻障層628會(huì)沿著溝槽 626的表面形成，但不會(huì)完全填滿溝槽626。底阻障層626的材質(zhì)例如是氮化鈦（TiN)、鈦/ 氮化鈦（Ti/TiN)、氮化鉭（TaN)或鉭/氮化鉭（Ta/TaN)，但并不以此為限。在本發(fā)明的一 實(shí)施例中，底阻障層628可以是多層結(jié)構(gòu)，例如包含一第一阻障層（圖未示）以及位于其上 的第二阻障層（圖未示），其中第一阻障層例如是氮化鈦，而第二阻障層例如是氮化鉭。
[0032] 如圖5所示，在基底600上形成一功函數(shù)金屬層630填入在溝槽626中，覆蓋在 底阻障層628上。在一實(shí)施例中，若晶體管604是P型晶體管，則功函數(shù)金屬層630的材 質(zhì)例如是鎳（Ni)、鈀（Pd)、鉑（Pt)、鈹（Be)、銥（Ir)、碲（Te