[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，尤指一种n型金属栅极结构及其制作方法。

背景技术

随着半导体元件尺寸持续微缩，传统方法中利用降低栅极介电层，例如降低二氧化硅层厚度，以达到最佳化目的的方法，面临到因电子的穿隧效应(tunneling effect)而导致漏电流过大的物理限制。为了有效延展逻辑元件的世代演进，高介电常数(以下简称为High-K)材料因具有可有效降低物理极限厚度，并且在相同的等效氧化厚度(equivalent oxide thickness，以下简称为EOT)下，有效降低漏电流并达成等效电容以控制沟道开关等优点，而被用以取代传统二氧化硅层或氮氧化硅层作为栅极介电层。

而传统的栅极材料多晶硅则面临硼穿透(boron penetration)效应，导致元件效能降低等问题；且多晶硅栅极更遭遇难以避免的耗层效应(depletion effect)，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。针对此问题，半导体业界更提出以新的栅极材料，例如利用具有功函数(work function)金属层的金属栅极来取代传统的多晶硅栅极，用以作为匹配High-K栅极介电层的控制电极。

然而，即使利用High-K栅极介电层取代传统二氧化硅或氮氧化硅介电层，并以具有匹配功函数的金属栅极取代传统多晶硅栅极，如何持续地增加半导体元件效能及可靠度一直为半导体业者所欲解决的问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种具有优选元件表现与可靠度的金属栅极结构及其制作方法。

根据本发明所提供的权利要求，提供一种金属栅极结构，该金属栅极结构包括高介电常数(high-K)栅极介电层、设置于该高介电常数栅极介电层上的底部阻障(bottom barrier)层、设置于该底部阻障层上的三铝化钛(titanium tri-aluminide，TiAl₃)功函数金属层、设置于该TiAl₃功函数金属层上的顶部阻障(top barrier)层、以及设置于该顶部阻障层上的低阻抗(low resistance)金属层。

根据本发明所提供的权利要求，还提供一种金属栅极结构的制作方法，该制作方法首先提供基底，且该基底上依序形成有高介电常数栅极介电层与底部阻障层。接下来于该基底上形成功函数金属(work function metal)层，最后对该功函数金属层同位(in-situ)进行热(anneal)处理。

根据本发明所提供的金属栅极结构及其制作方法，是利用同位进行的热处理使功函数金属进行相变化(phase transformation)，而形成TiAl₃功函数金属层；同时提升铝的扩散率而达到调整(tuning)金属栅极的功函数至预期的3.9～4.3电子伏特(eV)的目的。据此，本发明所提供的金属栅极结构的制作方法可提供具有较高可靠度的金属栅极结构。

附图说明

图1至图7为本发明所提供的具有金属栅极结构的半导体元件的制作方法的第一优选实施例的示意图；其中图4为第一优选实施例的变化型的示意图。

图8至图10为本发明所提供的具有金属栅极结构的半导体元件的制作方法的第二优选实施例的示意图。

附图标记说明

100、200    基底

102、202    浅沟绝缘

108、208    栅极沟槽

110、210    半导体元件

112、212    轻掺杂漏极

114、214    间隙壁

116、216    源极/漏极

118、218    金属硅化物

120         栅极结构

120a、220a  金属栅极结构

122、222    高介电常数栅极介电层

124、224    氮化钛层

126         氮化钽层

128         虚置栅极层

130、230    接触洞蚀刻停止层

132、232    内层介电层

140、240    铝化钛层

140a、240a  三铝化钛功函数金属层

142、242    顶部阻障层

144、244    低阻抗金属层