[发明专利]金属碳化物栅极结构和制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及包括金属碳化物的栅极结构。本发明在并入了双功函数金属栅电极的互补金属氧化物半导体(CMOS)器件中找到了特殊应用。更具体地说，本发明涉及双功函数金属栅极，其中双功函数由金属和金属碳化物提供。

本发明也涉及一种制造本发明的金属栅极器件的方法。

背景技术

高级的互补金属氧化物半导体(CMOS)器件越来越多地利用金属栅电极来避免通过掺杂的多晶硅(poly-Si)的传统栅电极观测的“多晶硅耗尽”和“硼穿透”效应。用于栅极材料的特定金属的选择基于多方面的考虑，包括栅极所需的功函数和电阻率、预计栅极金属继续存在的热平衡、栅极电介质的类型(高-k的或常规的)和无损害的栅极金属淀积处理的存在。虽然中间能隙的金属(比如钨)可用于在CMOS中的n型场效应晶体管(nFET)和p型FET(pFET)，但理想的是，在称为“双金属/双功函数”CMOS的设计方法中使用适合于pFET的一个(高功函数)栅极金属和适合于nFET的另一(低功函数)栅极金属。

如果两种不同的金属要求不同的淀积和构图处理，则这种双金属/双功函数设计方案可能非常复杂。在负向地构图时特别是这样的，因为要淀积的第二种金属必须被清除而且不能损坏第一种金属。这种用于CMOS金属栅极的双金属/双功函数方案的复杂性导致“单金属/双功函数”方案更加受到关注，在单金属/双功函数方案中单种栅极材料被淀积在nFET和pFET器件区域上，然后修改以使它在nFET器件区域中具有nFET适合的功函数和在pFET器件区域中具有pFET适合的功函数。

在文献中已经描述过“单金属/双功函数”方法。一种方法〔V.Misra等人，IEEE Electron Device Letters 23354(2002)和H.Zhong等人，IEDM Tech.Dig.467(2001)〕建议在n-FET和pFET器件区域上淀积具有nFET功函数的Ru-Ta合金层，然后通过淀积附加的Ru并退火将Ru-Ta合金转化为具有pFET功函数的富含Ru的Ru-Ta合金(在pFET器件区域中)。

在另一方法中，通过氮的离子注入〔P.Ranade等人，Mat.Res.Soc.Proc.670K5.2(2001)；R.Lin等人，IEEE Electron Device Letters 2349(2002)〕或者氮从富含N的TiN叠层的固态扩散/反应〔R.J.P.Lander等人，Mat.Res.Soc.Symp.Proc.716B5.11(2002)〕，将具有pFET功函数的金属比如Mo淀积在n-FET和pFET器件区域上并转化为具有nFET功函数的Mo氮化物(在n-FET器件区域中)。

氮化物离子注入方法的缺陷在于它可能损坏下面的栅极电介质〔T.Amada等人，Mat.Res.Soc.Symp.Proc.716B7.5(2002)〕。氮从TiN的固态扩散产生更少的损坏，但不能提供足够的功函数的变化(针对SiO₂上的Mo达到～-0.5eV，要求～-0.75eV)。Ru-Ta合金方法的缺陷包括钽与栅极电介质反应的可能，并且缺乏用于Ru-Ta合金的化学汽相淀积(CVD)方法(因为CVD是无需电介质损坏的带电颗粒轰击的少数淀积方法中的一种)。

发明内容

本发明涉及提供形成用于CMOS的单金属/双功函数栅电极的替代方法。本发明解决了上述问题。

本发明涉及一种包含源漏极/区和栅极区的半导体器件，其中至少一个栅电极包括通过使金属和含碳层反应获得的金属碳化物。

本发明的另一方面涉及一种双功函数互补金属氧化物半导体(CMOS)电路，这种电路包括具有由导电材料形成的栅电极的至少一个FET和具有包括通过使金属和含碳层反应获得的金属碳化物的栅电极的至少一个FET，其中该金属不同于该导电材料。

本发明还涉及一种双功函数互补金属氧化物半导体(CMOS)电路，这种电路包括

具有由第一金属形成的栅电极的至少一个FET，和

具有由所说的第一金属的碳化物形成的栅电极的至少一个FET。

本发明的另一方面涉及一种形成用于FET的栅极的方法，该方法包括提供衬底、在所说的衬底上淀积金属和含碳层并使所说的金属和含碳层反应以形成用于提供栅电极的金属碳化物。

本发明的进一方面涉及一种在衬底上形成双功函数CMOS器件的方法。该方法包括：

在第一和第二组栅极区上淀积金属层；