[发明专利]完全和均匀地硅化的栅极结构及其形成方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求美国专利申请S/N 11/566848的权益，其名称为“Fully andUniformly Silicided Gate Structure and Method for Forming Same”，其于2006年12月5日提交于美国专利和商标局，其全部内容通过引用的方式引入于此。

技术领域

本发明涉及半导体器件中晶体管结构的形成，并且更具体地涉及MOS/CMOS(金属氧化物半导体/互补金属氧化物半导体)器件中硅化物导体的形成。

背景技术

随着复杂的集成半导体器件的设计的进化，存在对于单个器件中更多的功能、增加的性能和降低的功耗的持续的要求。为了满足这些要求，设计者发现了缩减晶体管几何、减小寄生效应和泄漏和增加速度的途径。每次具体的技术到达其性能的极限，设计者都提出新技术和设计策略以便允许整个新一代的更小、更密、更有效的半导体器件。该在半导体器件设计中的持续进化的模式已经基本未衰退地持续了接近四十年并且没有停止的迹象。

当前，半导体制造工艺中的临界尺寸已经被减小至进入深亚微米范围。然而某些临界尺寸的减小，(例如MOS晶体管的栅极长度)，要付出代价：相关器件特性的降低。经常该降低足够明显使得通过减小特征尺寸所获得的优点可以被抵消。例如：随着栅极电介质的厚度已经被减小(现在在厚度方面远小于20埃)，一结果是增加了栅极泄漏电流和增加了从多晶硅栅极结构的掺杂剂的扩散(经常称作“多晶硅耗尽效应”)。现在在栅极结构中使用掺杂多晶硅的替代物，例如金属和硅化物，以便缓和多晶硅耗尽效应并且控制泄漏电流，并且因而确保高度集成CMOS器件的电性能。

硅化物是硅和金属的合金。在现代半导体工艺中，在硅器件制造中使用硅化物作为导体材料变得日益普遍。钛的硅化物(例如TiSi₂)、钴的硅化物(CoSi₂)、镍的硅化物(NiSi₂)和各种其它金属的硅化物已经被成功地用作导体材料。当以该方式被使用时，硅化物结合了金属和多晶硅的优点，展示了非常低的电阻率-明显地低于多晶硅-和极小或没有电迁移。

硅化物通过导致起导体或电极作用的金属-硅合金(硅化物)形成的称为“硅化”的退火(烧结)工艺而形成。例如，Ti可以被沉积于硅上并且在RTA(快速热退火)工艺中被退火以便形成TiSi₂。硅化物形成工艺在Si和被沉积的金属之间的界面开始，并且从此向外“生长”。任何未转换的金属可以随后通过选择性的蚀刻而被去除。

硅化工艺的自对准变体，称为“自对准多晶硅化(salicidation)”或“自对准多晶硅化工艺(salicide process)”(通过合并“自对准(Self-Aligning)”中的字母“S”和“A”和硅化“(silicidation and silicide)”而形成的术语)，是其中硅化物导体仅在其中被沉积的金属(它在退火之后变为硅化物的金属成份)与硅直接接触的区域中形成的工艺。

硅化物栅极典型地通过自对准多晶硅化而形成，其中掺杂的多晶硅栅极被硅化物形成金属(例如Co)的层覆盖并且随后被转换为金属硅化物(通过硅化)。硅化物栅极导体提供了比传统多晶硅栅极更好的器件性能，由于减小了栅极掺杂剂耗尽，然而，仅当栅极是完全和均匀硅化时才可以实现最佳整体性能。尽管许多工艺宣称生产“完全硅化的”栅极导体，但是其对于硅化物形成的“梯度”性质的依赖趋于在栅极中生产非均匀的硅化物成份(由于栅极多晶硅至硅化物的非均匀的转换)。通常难于在栅极中均匀地和完全地将多晶硅转换为硅化物，因为长的扩散路径和由于与硅化工艺相关的体积膨胀引起的压应力。当多晶硅未被完全地和均匀地转换为硅化物时，器件性能下降，并且由于在栅极硅化物成份上的器件到器件的变化，器件到器件参数变化增加。

通过将临界尺寸持续减小至深亚微米范围所产生的另一问题(通常与栅极硅化无关)是传统光刻构图技术被推至其最小特征尺寸界限之外。已经变得需要考虑用于在半导体晶片上构图的亚光刻特征的技术(即构图比使用传统光刻技术可以实现的更小的特征尺寸)。