[发明专利]双功函数栅极结构

说明书

技术领域

本发明的领域总地涉及半导体器件，并且更重要地涉及双功函数栅极结构。

背景技术

图1和2提供了关于诸如CMOS等互补型半导体器件技术的相关细节。图1示出了处于平衡的NMOS器件和PMOS器件两者的MOS结构的能带图。根据图1的方法（其为通常的方法），两种器件都设计为使得：处于平衡时，高K电介质102_N/NMOS P-势阱103_N界面的费米能级和高K电介质102_P/PMOS N-势阱103_P界面的费米能级在导带（Ec）与价带（Ev）之间的大约一半处。在这里，平衡实质上对应于“截止”器件，并且在Ec与Ev之间的一半处设置费米能级将器件保持在其最小的导通状态（因为导带大量缺乏自由电子，并且价带大量缺乏自由空穴）。

为了如上所述地将费米能级设置在Ec与Ev之间的一半处，选择了特定的栅极金属材料，所述栅极金属材料在NMOS P-势阱103_N和PMOS N-势阱103_P中引起适当的能带弯曲（band bending）量。尤其，为了获得期望的能带弯曲，用于NMOS栅极101_N的材料的功函数104_N通常小于用于PMOS栅极104_P的材料的功函数（即，PMOS功函数104_P通常大于NMOS功函数104_N）。

图2示出在激活状态而非截止状态下的图1的器件。在NMOS器件的情况下，正的栅极到源极电压主要导致额外的能带弯曲，所述额外的能带弯曲将导带置于电介质/势阱界面205_N处的费米能级之下。当导带Ec在费米能级之下时，存在大量的自由电子。因此，在对应于“导通”器件的界面205_N处形成导通沟道。同样地，在PMOS器件的情况下，负的栅极到源极电压主要导致额外的能带弯曲，所述额外的能带弯曲将价带置于电介质/势阱界面205_P处的费米能级之上。当价带Ev在费米能级之上时，存在大量自由空穴。因此，在对应于“导通”器件的界面205_P处形成了导通沟道。

附图说明

通过示例而非限制的方式在附图的图示中示出了本发明，在附图中相似的附图标记指代类似的元素，并且在附图中：

图1示出了处于平衡的常规NMOS和PMOS器件；

图2示出了在激活模式下的常规NMOS和PMOS器件；

图3a和3b示出了沿常规NMOS器件的沟道的能带图；

图4a和4b示出了沿改进的NMOS器件的沟道的能带图；

图5a和5b示出了沿改进的PMOS器件的沟道的能带弯曲图；

图6a至6f示出了常规双金属栅极制造过程；

图7a至7f示出了能够制造图4a、4b和5a、5b的改进的器件的双金属栅极制造过程；

图8a示出了均具有双金属栅极的非对称NMOS和PMOS器件的实施例；

图8b示出了具有双金属栅极的垂直漏极NMOS（VDNMOS）器件的实施例；

图8c示出了具有双金属栅极的横向扩散MOS（LDMOS）器件的实施例。

具体实施方式

图3a和3b示出了沿针对图1和2a所描述的NMOS器件的沟道的能带图。图3a对应于“截止”器件而图3b则对应于“导通”器件。参考图3a，n+源极/漏极延伸（extension）的存在导致P势阱内的能带弯曲301。当先前几代器件中的栅极长度较长时，能带弯曲301仅表示栅极之下的P势阱内的能带轮廓的小部分。然而，随着栅极长度的持续缩短，能带弯曲301表示栅极之下的能带轮廓的越来越大的百分比，并且能带弯曲301的效应变得越来越显著。例如，能带弯曲301的存在被认为有助于减小阈值电压。

参考图3b，n+漏极延伸的存在导致在P势阱和n+漏极延伸的界面处/附近的尖锐的能带弯曲302。尖锐的弯曲302对应于极高的电场，所述极高的电场被认为导致了大量与“热载流子”有关的问题，诸如衬底电流、雪崩击穿、降低的能量势垒和阈值偏移。

图4a和4b示出了与图3a和3b的NMOS器件相比，在栅极电极之下具有改进的能带弯曲特性的NMOS器件的设计。图4a示出了在截止状态下的器件，而图4b则示出了在导通状态下的器件。

尤其，能够将器件的栅极结构视为具有三个部分：1）外部部分402a和402b；以及2）内部部分403。在实施例中，对于如在图4a和4b中所观察到的N型器件而言，外部部分402a和402b由P型器件栅极金属构成，而内部部分403则由N型器件栅极金属构成。因此，外部部分402a、402b的功函数高于内部部分403的功函数。