[发明专利]互补式金氧半导体元件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体元件和形成半导体元件的方法，特别是涉及一种适用于具有高介电系数的介电材料的金属栅极半导体元件的方法和结构。

背景技术

现今半导体制造工业迅速发展，用最有效率的方法，制造出最高多功能和最高集成度的半导体，在制程中显得相当重要。在制程操作为了符合经济效率，元件的制造上有相当程度上的复杂性和集积性，借此达到以最小的制造成本达到最大的生产量。

随着元件的复杂度和性能提升，高介电系数的介电材料应用在MOSFET的栅极电极上，也随着增加。一互补金氧半导体CMOS元件以高介电系数介电材料作为栅极介电材料时，须在P型金氧半导体PMOS和N型金氧半导体NMOS晶体管的栅极电极上使用不同的适当金属。在习知惯例上，不同材料需要分开进行制造和图刻操作。换言之，如果进行单一图刻，即，在两不同的材料上，要进行相同的蚀刻操作时，则其中至少有一材料会因为蚀刻进行过度或不足，而使元件的功能受到损害或元件完全失效。

由此，需要能仅提供一单一材料层，并在此单一材料层上使用一种蚀刻操作进行图刻，但是却能分别具有如同可与高介电系数材料及NMOS和PMOS元件结合的P型金属和N型金属的功能。这样的目的在于，使具有N型金属和P型金属元件在同一基板上的CMOS元件有效地的制造出来，并在制程操作上能提升经济产量。

有鉴于上述现有的互补金氧半导体CMOS元件存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型的高介电系数金属栅极元件和制造方法，能够改进一般现有的互补金氧半导体CMOS元件，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经过反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的互补金氧半导体CMOS元件存在的缺陷，而提供一种新型的高介电系数金属栅极元件，所要解决的技术问题是使其大幅简化互补金氧半导体CMOS元件原有复杂的制造流程。

在同一材料的原始膜层上形成，同时进行图刻形成的P型金属和N型金属材料以形成对应的PMOS和NMOS的半导体元件。P型金属和N型金属是分别对应适用于N型和P型半导体元件上的材料，从而更加适于实用。

本发明的另一目的在于，提供一种形成金属栅极半导体元件的方法。此形成方法包括在基板表面上，形成一合适的N型金属层当作栅极电极或N型金属半导体元件，以及将部分N型金属层转换成P型金属层，作为P型金属半导体元件的栅极电极。本方法更提供利用N型金属层的未转换区形成N型金属半导体元件，利用P型金属部份的区域形成P型金属半导体元件。

根据本发明的另一目的，提出一种配置在基板上CMOS元件，包括至少一种NMOS半导体元件，此NMOS半导体元件包括一部分的碳化钽(TaC)层；和至少一PMOS半导体元件进一步包括一部分的碳化钽(TaC)层，这些进一步的部分包括至少添加一种氧、碳、氮和硅的杂质。

根据本发明又另一目的，提出一种配置在基板上的CMOS元件，包括至少一种NMOS晶体管，在二元材料层的一部分形成一栅极，其功函数值约等于或小于4.5eV；以及包括至少一种PMOS晶体管，在二元材料层的另一部位形成一栅极，其功函数值约等于或大于4.7eV。此二元材料层的另一部位包括至少添加一种氧、碳、氮和硅的杂质。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种半导体元件的形成方法，包括以下步骤：形成一N型金属层于一基板的一表面上，该N型金属层适用作为一N型金属半导体元件上的一栅极电极；转换部分该N型金属层成P型金属层部分，P型金属层适用作为一P型金属半导体元件上的栅极电极；以及形成N型金属半导体元件和P型金属半导体元件，这些N型金属半导体元件使用该N型金属层的未转换区，该P型金属半导体元件使用该P型金属部分其中该转换过程包含在N型金属层添加至少一碳(C)、氧(O)和硅(Si)，用来将该N型金属层的该部分转换成P型金属部分。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的方法，其中所述的N型金属层包括碳化钽(TaC)或氮化钽(TaN)。

前述的方法，其中所述的N型金属层具有一功函数值为4.4电子伏特(eV)或小于4.4电子伏特。

前述的方法，其中所述的转换过程包括该P型金属区具有一功函数值4.8电子伏特(eV)或大于4.8电子伏特。