[发明专利]金属栅极结构及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属栅极结构及其制作方法，尤其是涉及一种具有多层结构的P型功函数层的金属栅极结构及其制作方法，其中多层结构的P型功函数层包含至少一非结晶状(amorphous)P型功函数层。

背景技术

在现有半导体产业中，多晶硅广泛地应用于半导体元件如金属氧化物半导体(metal-oxide-semiconductor,MOS)晶体管中，作为标准的栅极材料选择。然而，随着MOS晶体管尺寸持续地微缩，传统多晶硅栅极因硼穿透(boron penetration)效应导致元件效能降低，及其难以避免的空乏效应(depletion effect)等问题，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。因此，半导体业界尝试以新的栅极材料，例如利用功函数(work function)金属来取代传统的多晶硅栅极，用以作为匹配高介电常数(high-k)栅极介电层的金属栅极。

在互补式金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)元件中，双功函数金属栅极一需与NMOS元件搭配，一则需与PMOS元件搭配，因此使得相关元件的整合技术以及制作工艺控制更形复杂，且各填充材料的厚度与成分控制要求也更形严苛。现有PMOS元件中可依序设置一P型功函数层以及一N型功函数层于栅极介电层上，且搭配导电金属层作为金属栅极，使金属栅极具有介于4.8电子伏特(eV)至5.2eV左右的功函数。当N型功函数层由铝化钛(titanium aluminide,TiAl)所组成时，在后续进行源极/漏极活化回火、形成金属硅化物或后段热处理等高热预算制作工艺时，N型功函数层中的铝原子将可能向下扩散至P型功函数层中，而影响金属栅极的功函数值，造成PMOS元件的电性偏移。

因此，如何改善P型功函数层的结构与制作工艺以避免N型功函数层的金属原子的扩散，且维持PMOS元件的预期效能实为相关技术者所欲改进的课题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种具有多层结构的P型功函数层的金属栅极结构及其制作工艺，以避免非预期的金属原子的扩散现象，使半导体装置具有所需的电性表现。

本发明的一较佳实施例提供一种金属栅极结构，其包含一半导体基底、一栅极介电层、一多层结构的P型功函数层以及一导电金属层。栅极介电层设置于半导体基底上。多层结构的P型功函数层设置于栅极介电层上，且多层结构的P型功函数层包含至少一结晶状(crystalline)P型功函数层以及至少一非结晶状(amorphous)P型功函数层。此外，导电金属层设置于多层结构的P型功函数层上。

本发明的另一较佳实施例提供一种金属栅极结构的制作方法，其包含下列步骤：首先，形成一层间介电层于一半导体基底上，且形成一栅极沟槽于层间介电层中；接着，形成一栅极介电层于栅极沟槽中；随后，形成一多层结构的P型功函数层于栅极沟槽中的栅极介电层上，其中形成多层结构的P型功函数层的方法至少包含在形成一结晶状P型功函数层后，形成一非结晶状P型功函数层；最后，形成一导电金属层填满该栅极沟槽。

本发明多层结构的P型功函数层中是将非结晶状含硅的P型功函数层设置于结晶状未含硅的P型功函数层上方，由于含硅的P型功函数层未具有规则的结晶界面(grain boundary)，因此非结晶状含硅的P型功函数层可用于有效阻挡来自N型功函数层或导电金属层的金属原子在后续热处理制作工艺进行时扩散至P型功函数层中，以避免金属栅极的功函数值的偏移，使半导体装置具有预期的电性表现。

附图说明

图1至图9绘示了本发明的一较佳实施例的金属栅极结构的制作方法的示意图；

图10绘示了本发明的一较佳实施例的金属栅极结构的示意图。

主要元件符号说明

10        第一区域               20   第二区域

100，200                         半导体基底

102，201                         浅沟槽隔离

104        第一堆叠结构          106       第二堆叠结构

108，204                         介质层

110，206                         栅极介电层