[发明专利]具有高k栅电介质和金属栅电极的半导体器件

说明书

本申请是申请日为2005年7月8日、申请号为200580024431.0、发明名称为“具有高k栅电介质和金属栅电极的半导体器件”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及半导体器件，具体地说，涉及包括高k栅电介质和金属栅电极的那些半导体器件。

背景技术

具有由二氧化硅制成的非常薄的栅电介质的MOS场效应晶体管可能会经历不能接受的栅极漏电流。由特定高k介电材料替代二氧化硅形成栅电介质可以减小栅泄漏。然而，由于这种电介质可能与多晶硅不兼容，在包括高k栅电介质的器件中使用金属栅电极可能会令人满意。具有低于4.3eV的功函数的某些金属可以被用来制作用于NMOS晶体管的金属栅电极。然而，那些金属在40O℃以上的温度可能会热不稳定，导致它们与高k栅电介质不利地反应。

因此，存在对具有高k栅电介质以及具有低于4.3eV的功函数的在400℃热稳定的NMOS金属栅电极的半导体器件的需要。本发明提供这种半导体器件。

发明内容

根据第一实施例，提供了一种半导体器件，包括：

高k栅电介质，所述高k栅电介质包括从由氧化铪、氧化铪硅、氧化镧、氧化镧铝、氧化锆、氧化锆硅、氧化钛、氧化钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛、氧化钇、氧化铝、氧化铅钪钽以及铌酸铅锌构成的组中选择的材料；

金属栅电极，其形成在栅电介质上，其包括具有成分M_xAl_y的铝化物，其中M是过渡金属；

形成在铝化物上的填充金属；以及

PMOS金属栅电极，其布置在所述高k栅电介质上，所述PMOS金属栅电极不包括铝化物。

根据第二实施例，提供了一种半导体器件，包括：

高k栅电介质，所述高k栅电介质包括从由氧化铪、氧化铪硅、氧化镧、氧化镧铝、氧化锆、氧化锆硅、氧化钛、氧化钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛、氧化钇、氧化铝、氧化铅钪钽以及铌酸铅锌构成的组中选择的材料；

NMOS金属栅电极，其包括具有成分M_xAl_y的铝化物，其中M为过渡金属；和

PMOS金属栅电极，其布置在所述高k栅电介质上，所述PMOS金属栅电极不包括铝化物。

根据第三实施例，提供了一种CMOS半导体器件，包括：

高k栅电介质，所述高k栅电介质包括从由氧化铪、氧化锆以及氧化铝构成的组中选择的材料；

NMOS金属栅电极，其包括具有成分M_xAl_y的铝化物，其中M为过渡金属；以及

PMOS金属栅电极，其布置在所述高k栅电介质上，所述PMOS金属栅电极不包括铝化物。

附图说明

图1a-1i表示当实施可以被用来制作本发明的半导体器件的替换栅方法的实施例时可以形成的结构的截面。

在这些图中示出的特征并不意味着按比例绘制。

具体实施方式

描述半导体器件。该半导体器件包括栅电介质和包括铝化物的金属栅电极。在以下描述中，许多细节被提出以提供对本发明的详尽的理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，可以以除了在这里明确描述的那些之外的许多方式实施本发明。因此本发明并不被以下所公开的特定细节所限制。

本发明的一个实施例包括其上形成了包括铝化物的NMOS金属栅电极的高k栅电介质。该高k栅电介质可以包括氧化铪、氧化铪硅、氧化镧、氧化镧铝、氧化锆、氧化锆硅、氧化钛、氧化钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛、氧化钇、氧化铝、氧化铅钪钽、以及铌酸铅锌。特别优选的是氧化铪、氧化锆、以及氧化铝。尽管在这里描述了可以用来形成这种高k栅电介质的材料的几个实例，但是也可以由其它用来减小栅泄漏的材料制成该电介质。

用来制成NMOS金属栅电极的铝化物是有序的金属间合金。这种合金的原子排列不同于常规金属合金的原子排列。与常规的铝合金不同，当保持在临界排序温度以下时，在铝化物中的合金原子是周期性排列的，形成超晶格晶体结构。在与常规的铝合金相比较时，铝化物可以表现出增强的结构稳定性和对高温变形的抵抗力。