金属栅极结构制造技术

本发明专利技术公开一种金属栅极结构，该金属栅极结构包括有高介电常数栅极介电层、含氮层、功函数金属层、以及氮捕陷层。该含氮层设置于该功函数金属层与该高介电常数栅极介电层之间；而该氮捕陷层设置于该功函数金属层与该高介电常数栅极介电层之间，且该氮捕陷层不包括任何氮离子或包括低浓度氮离子。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种金属栅极结构，尤指一种n型金属栅极结构。
技术介绍
随着半导体元件尺寸持续微缩，传统方法中利用降低栅极介电层，例如降低二氧化硅层厚度，以达到最佳化目的的方法，面临到因电子的隧穿效应(tunneling effect)而导致漏电流过大的物理限制。为了有效延展逻辑元件的世代演进，高介电常数(以下简称为high-K)材料因具有可有效降低物理极限厚度，并且在相同的等效氧化厚度(equivalent oxide thickness,以下简称为EOT)下,有效降低漏电流并达成等效电容以控制沟道开关等优点，而被用以取代传统二氧化硅层或氮氧化硅层作为栅极介电层。传统的栅极材料多晶娃则面临硼穿透(boron penetration)效应,导致元件效能 降低等问题；且多晶硅栅极更遭遇难以避免的耗层效应(cbpletioneffect)，使得等效的栅极介电层厚度增加、栅极电容值下降，进而导致元件驱动能力的衰退等困境。针对此问题，半导体业界更提出以新的栅极材料，例如利用具有功函数(work function)金属层的金属栅极来取代传统的多晶硅栅极，用以作为匹配高介电常数(High-K)栅极介电层的控制电极。然而，即使利用高介电常数(high-K)栅极介电层取代传统二氧化硅或氮氧化硅栅极介电层，并以具有匹配功函数的金属栅极取代传统多晶硅栅极，如何持续地增加半导体元件效能及确保其可靠度仍为半导体业者所欲解决的问题。
技术实现思路
因此，本专利技术之一目的在于提供一种具有优选元件表现与可靠度的金属栅极结构。根据本专利技术所提供的权利要求，提供一种金属栅极结构，该金属栅极结构包括有高介电常数(high-K)栅极介电层、含氮(N-containing)层、功函数金属层、以及氮捕陷(N-trapping)层。该含氮层设置于该功函数金属层与该高介电常数栅极介电层之间；而该氮捕陷层设置于该功函数金属层与该高介电常数(high-K)栅极介电层之间，且该氮捕陷层不包括任何氮离子。根据本专利技术所提供的权利要求，另提供一种金属栅极结构，该金属栅极结构包括有高介电常数(high-K)栅极介电层、含氮层、功函数金属层、以及氮捕陷层。该含氮层设置于该功函数金属层与该高介电常数栅极介电层之间；而该氮捕陷层设置于该功函数金属层与该高介电常数栅极介电层之间，且该氮捕陷层包括低浓度氮离子。根据本专利技术所提供的金属栅极结构，利用完全不含氮离子的氮捕陷层捕捉含氮层中的氮离子，以增加功函数金属层的金属离子扩散速率并改善其扩散结果。因此，在完成功函数金属的调整之后，氮捕陷层会捕捉到含氮层中的氮离子而包括低浓度氮离子，且功函数金属层中金属的扩散率被提升而达到调整(tuning)金属栅极的功函数至预期的3. 9 4. 3电子伏特(eV)的目的。据此，本专利技术提供具有较高可靠度的金属栅极结构。附图说明图I至图2为本专利技术所提供的金属栅极结构的第一优选实施例的示意图。图3为第一优选实施例的变化型的示意图。图4为本专利技术所提供的金属栅极结构的第二优选实施例的示意图。图5与图6分别为为第二优选实施例的变化型的示意图。 图7至图8分别为本专利技术所提供的金属栅极结构的第三优选实施例及其变化型的示意图。 附图标记说明100、200、300 基底102、202、302 浅沟绝缘110、210、310 半导体元件112、212、312 轻掺杂漏极114、214、314 间隙壁116、216、316 源极 / 漏极118,218,318 金属硅化物120栅极沟槽120a、120b、220a、220b、320a、320b 金属栅极122、222、322高介电常数栅极介电层124、224、324含氮层124a、224a、324a氮化钛层124b、224b、324b氮化钽层126、226、326氮捕陷层128、228、328功函数金属层130、230、330顶部阻障层132、232、332低阻抗金属层140、240、340接触洞蚀刻停止层142、242、342内层介电层具体实施例方式请参阅图I至图2，图I至图2为本专利技术所提供的金属栅极结构的第一优选实施例的示意图，且本优选实施例是采用后栅极(gate-last)工艺。如图I所示，首先提供基底100，如硅基底、含硅基底或硅覆绝缘(silicon-on-insulator，SOI)基底等，且基底100内形成有多个用以提供电性隔离的浅沟绝缘(shallowtrench isolation, STI) 102。接下来于基底100上形成至少一半导体元件110。半导体元件110包括设置于栅极沟槽120内的金属栅极120a、轻掺杂漏极(light doped drain,LDD) 112。由于本优选实施例所提供的半导体元件110为n型半导体元件，因此轻掺杂漏极(LDD) 112为n型轻掺杂漏极(LDD)。且半导体元件110的金属栅极120a周围的侧壁尚包括间隙壁114 ;间隙壁114优选为复合膜层的结构。半导体元件110还包括n型源极/漏极116，与用以降低接触界面的电阻的金属硅化物118。在本优选实施例中，亦可利用选择性外延生长(selective epitaxial growth,SEG)方法来制作源极/漏极116。如前所述，由于本优选实施例中的半导体元件110为n型半导体元件，因此可利用包括有碳化硅(SiC)的外延层制作n型源极/漏极116。而在半导体元件110与基底100上,依序形成有接触洞蚀刻停止层(contact etch stop layer, CESL) 140与内层介电(inter-layer dielectric, ILD)层142。上述形成金属栅极120a、轻掺杂漏极(LDD) 112、间隙壁114、源极/漏极116、金属硅化物118、接触洞蚀刻停止层(CESL) 140与内层介电(ILD)层142等元件的步骤为该领域中普通技术人员所熟知，故于此不再赘述。请继续参阅图I。根据本第一优选实施例，金属栅极120a内依序包括栅极介电层122、含氮层124、氮捕陷层126、功函数金属层128、顶部阻障(topbarrier)层130与低阻抗金属(low-resistance metal)层132,这些膜层是由下而上依序堆叠于栅极沟槽120内，且低阻抗金属层132填满栅极沟槽120。低阻抗金属层132可为包括招(aluminum, Al),但不限于此。顶部阻障层130可包括氮化钛(titanium nitride, TiN),但亦不限于此,任何可成功阻障低阻抗金属层132与下层金属反应的材料皆适用于作为顶部阻障层130。功函 数金属层128则可包括招化钛单层结构、三招化钛(titanium tri-aluminide, TiA13)单层结构、或招/钛双层结构。含氮层124可包括TiN、氮化钽(tantalum nitride, TaN)或其组合，但优选为包括例如TiN层124a与TaN层124b的双层结构，但不限于此。且含氮层124中的TiN层124a作为底部阻障(bottom barrier)层，而TaN层124b则作为蚀刻停止(etch stop)层。另外,金属栅极120a的底部还可包括介质层(interfacial layer)(图未示)，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属栅极结构，包括有：高介电常数栅极介电层；功函数金属层；含氮层，设置于该功函数金属层与该高介电常数栅极介电层之间；以及氮捕陷层，设置于该功函数金属层与该高介电常数栅极介电层之间，且该氮捕陷层不包括任何氮离子。

【技术特征摘要】
1.一种金属栅极结构，包括有 高介电常数栅极介电层； 功函数金属层； 含氮层，设置于该功函数金属层与该高介电常数栅极介电层之间；以及 氮捕陷层，设置于该功函数金属层与该高介电常数栅极介电层之间，且该氮捕陷层不包括任何氮离子。2.如权利要求I所述的金属栅极结构，其中该氮捕陷层选自钛、钽、镧、钇、铪、铌、锆和钒所组成的群组。3.如权利要求I所述的金属栅极结构，其中该氮捕陷层设置于该功函数金属层与该含氮层之间，且该氮捕陷层与该功函数金属层的剖面结构具有U型形状。4.如权利要求I所述的金属栅极结构，其中该氮捕陷层设置于该功函数金属层与该含氮层之间，且该高介电常数栅极介电层、该含氮层、该氮捕陷层、该功函数金属层的剖面结构具有U型形状。5.如权利要求I所述的金属栅极结构，其中该含氮层还包括氮化钛、氮化钽或其组合。6.如权利要求5所述的金属栅极结构，其中该含氮层为双层结构。7.如权利要求6所述的金属栅极结构，其中该氮捕陷层夹设于该双层结构之中，且该功函数金属层的剖面结构具有U型形状。8.如权利要求6所述的金属栅极结构，其中该氮捕陷层夹设于该双层结构之中，且该高介电常数栅极介电层、该含氮层、该氮捕陷层、该功函数金属层的剖面结构具有U型形状。9.如权利要求I所述的金属栅极结构，其中该氮捕陷层设置于该含氮层与该高介电常数栅极介电层之间，且该功函数金属层的剖面结构具有U型形状。10.如权利要求I所述的金属栅极结构，其中该氮捕陷层设置于该含氮层与该高介电常数栅极介电层之间，且该高介电常数栅极介电层、该氮捕陷层、该含氮层、该功函数金属层的剖面结构具有U型形状。11.如权利要求I所述的金属栅极结构，其中该功函数金属层包括铝化钛单层结构、三铝化钛单层结构、或铝/钛双层结构。12.如权利要求I所述的金属栅极结构，还包括顶部阻障层与低阻抗金属层，该顶部阻障层与低阻抗金属层依序设置于该功函数金属层上。13.—种金属栅极结...

【专利技术属性】
技术研发人员：林坤贤，黄信富，李宗颖，蔡旻錞，许启茂，林进富，
申请(专利权)人：联华电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：