双工函数半导体元件及其制法制造技术

一种制作双功函数半导体元件的方法，包括提供具有第一区与第二区的基底，于第一区与第二区上形成栅极介电层，于栅极介电层上形成金属栅极层，其中金属栅极层具有第一（初镀）功函数，第一（初镀）功函数可以通过于其上引发应变而调整，以及选择性形成第一应变导电层于第一区的金属栅极层上，第一应变导电层施加选定的应变于金属栅极层上，因而引发第一区的金属栅极层的第一（初镀）功函数产生第一预定功函数偏移（ΔＷＦ１）。本发明专利技术还提供以上述方法而制得的双功函数半导体元件。本发明专利技术能够使金属氧化物半导体场效应晶体管元件中的启始电压得到改善，并且工艺简单，成本较低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及制作CMOS元件的方法，特别涉及具有金属栅极的栅极堆叠 的CMOS元件。
技术介绍
为了增进性能，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的持续縮小 化造成栅极漏电流随氧化硅栅极介电层的薄化而增加。为了处理此问题，已 使用高介电常数(high-k)材料来取代氧化硅栅极介电层，其中高介电常数材料 泛指介电常数大于氧化硅的材料。随着高介电常数材料的导入，引起了新的 问题，称作费米能阶钉止(Fermi level pinning)。费米能阶钉止效应发生于多 晶硅与金属氧化物之间的界面，且于金属氧化物半导体场效应晶体管元件中 造成高启始电压(threshold voltage)。一种解决此问题的公知方法是导入金属栅极。然而，目前已证实难以找 出与公知CMOS工艺相容的能带边缘金属(band-edge metals)，即具有n型或 p型功函数(work function, WF)的金属。CMOS可使用具有单介电层或双介电 层的双金属栅极(dual metal gates沐制作。在这两种情形中，皆需要选择性地 移除其中一金属栅极，增加工艺的实质复杂度与成本。另一种CMOS制作上的公知解决方法是使用完全硅化(Fully Silicided， FUSI)栅极，不需选择性移除栅极或栅极介电层。然而，完全硅化栅极在nMOS 与pMOS上需要不同的硅化晶相(silicide phases)。在小元件上，完全硅化栅 极的晶相或成分倾向不规则分布，会造成严重的晶片内启始电压 (within-wafer threshold voltage)不均匀。
技术实现思路
为了解决上述现有技术的缺陷，本专利技术提供一种制作双功函数半导体元 件的方法，包括提供具有第一区与第二区的基底，于第一区与第二区上形成栅极介电层，于栅极介电层上形成金属栅极层，其中金属栅极层具有第一(初 镀)功函数，第一(初镀)功函数可以通过于其上引发应变而调整，以及选择性 形成第一应变导电层于第一区的金属栅极层上，第一应变导电层施加选定的 应变于金属栅极层上，因而引发第一区的金属栅极层的第一(初镀)功函数产 生第一预定功函数偏移(A WF1)。本专利技术另提供一种由上述方法制得的双功函数半导体元件。 本专利技术又提供一种由上述方法制得的双功函数半导体元件，且双功函数半导体元件于第一区上包括NMOS晶体管，且于第二区上包括PMOS晶体 管。本专利技术能够使金属氧化物半导体场效应晶体管元件中的启始电压得到 改善，并且工艺简单，成本较低。为让本专利技术的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举 出优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。附图说明图1显示计算而得的功函数偏移(eV)与施加于Ta(110)层上的应变(。/。)的关系图，其中菱形点代表单轴应变，而方形点代表双轴应变。图2显示热处理对硅上TiN层的应力(dynes/cm2)的影响，其中(l)代表初 镀、(2)代表预先退火(30(TC-65(TC)、 (3)代表快速热退火(650。C)、 (4)代表尖 峰退火(105(TC)。图3a-图3b显示通道应力(MPa)与薄膜本质应力(GPa)的关系图，其中菱 形点代表填充金属(即应变金属层)、方形点代表厚度5nm的功函数金属、三 角形点代表厚度50nm的接触蚀刻停止层。图4a-图4f显示制作包括至少一应变导电层的半导体元件的不同工艺步骤。图5显示包括第一与第二应变导电层的半导体元件。 上述附图中的附图标记说明如下3 金属栅极层；8 多晶硅层；2 栅极介电层；5 介电间隙壁；4、 10、 7 应变导电层；6 、 6， 介电层。具体实施例方式现有技术已公开应变层(strained layers)及其应变加强技术，例如绝缘层 上覆应变硅(SSOI)或再外延硅锗(SiGe re-growth)，可用于CMOSFET(互补式 金属氧化物半导体场效应晶体管)技术中以增进元件性能。所引发的应变可传 播至通道区(channel)，进一步调整能带图而使驱动电流(drive current)增加。 可将应变层移除而利用应力记忆技术(stress memorization, SMT)保留应变层 所带来的好处，或者也可保留应变层而作为例如接触蚀刻停止层(CESL)。本专利技术的数个实施例包括一种制作双功函数(dual work function)半导体 元件的方法，其使用应变导电层(strained conductive layers)来调整功函数。接着将进一步详细叙述本专利技术的数个特定实施例。本领域普通技术人员 应当明白，在不脱离本专利技术实施例的精神与教示下，还可有许多其他的实施 例变化。在本文中，提到某特定化合物的名称或分子式时，其可包括精确的化学 计量组成与非化学计量组成的材料。在化学式中，元素的下标不具有数字时， 表示其化学计量组成是1。在本专利技术实施例中，实际的化学计量组成与化合 物名称或分子式所代表的精确化学计量组成可有着加减20%的差异。即当给 定一数字下标时，实际的化学计量组成与所给予的下标数值可有加减20%的 差异。这些数值差异可不需加总为一整数，且此偏移是可预期的。这些变化 可能是因刻意选择或控制工艺而造成，或者可能是由于不预期的工艺变化造 成。本专利技术公开一种制作双功函数半导体元件的方法，包括-提供具有第一与第二区的基底；-于第一区与第二区上形成栅极介电层；-于栅极介电层上形成金属栅极层，其中金属栅极层具有第一(或初镀， as deposited)功函数，可借着于其上引发应力而调整；-选择性地于第一区上的金属栅极层上形成第一应变导电层，第一应变导电层于金属栅极层上施加选定的应变，因而引发第一区上金属栅极层的第 一(初镀)功函数产生第一预定功函数偏移(work flmction shift, △ WF1)。栅极介电层可包括一或多层的介电材料，例如Si02、 SiON或高介电常 数材料。栅极包括栅极介电层上的金属栅极层及金属栅极层上的一或多层导电 层。与栅极介电层接触的金属栅极层的功函数决定元件的启始电压。金属栅极层可包括金属或共溅镀(co-sputtered)的金属硅化物。金属栅极层上的导电层可包括金属、多晶硅、或硅化物。导电层的物理 特性，如材质、厚度、沉积方法等，经选择以于金属栅极上施加选定的应变， 因而引发金属栅极层的功函数产生预定的功函数偏移。导电层有助于降低栅 极的接触电阻。此方法的优点之一在于金属栅极的有效(effective)功函数通过导入应变 导电层而调整。此方法的另一优点在于通过导入应变导电层以施加应力于通 道区上，可增进载流子移动率。本专利技术的一实施例中，公开通过如图4a-图4e所示的栅极最后方法 (gate-last approach)而选择性形成第一应变导电层，包括_于第一与第二区的金属栅极层3上沉积多晶硅层8;-将多晶硅层8、金属栅极层3、及栅极介电层2图案化以于第一与第二 区上皆形成栅极结构；-形成介电间隙壁5，覆盖栅极结构的侧壁；-于第一区进行栅极置换工艺，包括将第一区上的多晶硅层8以第一应 变导电层4置换。本专利技术的另一实施例公开通过栅极最先方法(gate-first approach)而选择 性形成第一应变导电层，包括-于第一与第二区的金属栅极层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制作双功函数半导体元件的方法，包括：　提供具有一第一区与一第二区的一基底；　于该第一区与该第二区上形成一栅极介电层；　于该栅极介电层上形成一金属栅极层，其中该金属栅极层具有一第一功函数，该第一功函数可以通过于其上引发应 变而调整；以及　选择性形成一第一应变导电层于该第一区的该金属栅极层上，该第一应变导电层施加一选定的应变于该金属栅极层上，因而引发该第一区的该金属栅极层的该第一功函数产生一第一预定功函数偏移。

【技术特征摘要】
US 2007-11-13 60/987,712;EP 2008-6-10 0815794.21. 一种制作双功函数半导体元件的方法，包括提供具有一第一区与一第二区的一基底；于该第一区与该第二区上形成一栅极介电层；于该栅极介电层上形成一金属栅极层，其中该金属栅极层具有一第一功函数，该第一功函数可以通过于其上引发应变而调整；以及选择性形成一第一应变导电层于该第一区的该金属栅极层上，该第一应变导电层施加一选定的应变于该金属栅极层上，因而引发该第一区的该金属栅极层的该第一功函数产生一第一预定功函数偏移。2. 如权利要求1所述的制作双功函数半导体元件的方法，其中选择性形 成该第一应变导电层的步骤包括沉积一多晶硅层于该第一区与该第二区的金属栅极层上； 将该多晶硅层、该金属栅极层、及该栅极介电层图案化以形成一栅极结 构于该第一区与该第二区上；形成介电间隙壁，覆盖于该栅极结构的侧壁；以及于该第一区进行一置换栅极工艺，包括以该第一应变导电层置换该第一 区上的该多晶硅层。3. 如权利要求1所述的制作双功函数半导体元件的方法，其中选择性形 成该第一应变导电层的步骤包括沉积一第一应变导电层于该第一区与该第二区的金属栅极层上；以及 选择性移除该第二区的该金属栅极层上的该第一应变导电层。4. 如权利要求1所述的制作双功函数半导体元件的方法，还包括选择性 形成一第二应变导电层于该第二区的该金属栅极层上，该第二应变导电层施 加一选定的应变于该金属栅极层上，因而引发该第二区的该金属栅极层的该 第一功函数产生一第二预定功函数偏移。5. 如权利要求2所述的制作双功函数半导体元件的方法，还包括选择性 形成一第三应变导电层于至少一该第一区及该第二区的该栅极结构与该间 隙壁上，该第三应变导电层施加一选定的应变于包括该金属栅极层的该栅极 结构上，因而分别引发至少一该第一区与该第二区的该金属栅极层的该第一 功函数产生一第三预定功函数偏移。6. 如权利要求5所述的制作双功函数半...

【专利技术属性】
技术研发人员：张守仁，汤玛斯Y哈夫曼，玻陀斯杰佛瑞，于洪宇，
申请(专利权)人：台湾积体电路制造股份有限公司，跨大学校际微电子卓越研究中心，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]