[发明专利]金属栅极结构与其形成方法

说明书

本发明公开一种金属栅极结构与其形成方法，该金属栅极结构形成在一介电层的一沟槽中，该金属栅极结构包含一功函数金属层设置在沟槽中，功函数金属层包含一底部以及一侧部，其中底部的一厚度与侧部的一厚度的比值为2至5，以及一金属层填满该沟槽。本发明还提供了一种形成金属栅极结构的方法。

技术领域

本发明涉及一种金属栅极结构与其形成方法，特别是涉及一种具有稳定晶形与特殊结构的功函数金属层的金属栅极结构与其形成方法。

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，半导体业界更尝以新的栅极材料，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，用以作为匹配高介电常数(High-K)栅极介电层的控制电极。

一般而言，具有金属栅极的制作方法可概分为前栅极(gate first)制作工艺及后栅极(gate last)制作工艺两大类。其中前栅极制作工艺会在形成金属栅极后始进行源极/漏极超浅接面活化回火以及形成金属硅化物等高热预算制作工艺，因此使得材料的选择与调整面对较多的挑战。而在后栅极制作工艺中，先形成一牺牲栅极(sacrifice gate)或取代栅极(replacement gate)，并在完成一般MOS晶体管的制作后，将牺牲/取代栅极移除而形成一栅极凹槽(gate trench)，再依电性需求于栅极凹槽内填入不同的金属。

然而为了无论是前栅极或后栅极制作工艺，都需要形成多层的金属层以形成适合不同电性或驱动电压的金属栅极。而这些金属层的材料往往会影响晶体管的功函数，而成为影响产品效能的因素。目前，各厂商都致力于研发不同的制作工艺以制造具有较佳电性表现的金属栅极。

发明内容

本发明于是提供了一种金属栅极结构与其形成方法，以获得较佳电性的金属栅极。

根据本发明的一实施例，本发明提供了一种金属栅极结构，其形成在一介电层的一沟槽中，该金属栅极结构包含一功函数金属层设置在沟槽中，功函数金属层包含一底部以及一侧部，其中底部的一厚度与侧部的一厚度的比值为2至5，以及一金属层填满该沟槽。

根据本发明的另一实施例，本发明还提供了一种形成金属栅极结构的方法。首先提供一介电层，介电层中具有一沟槽。然后于沟槽中形成一功函数金属层，功函数金属层形成在高于摄氏200度的环境下，接着对功函数金属层进行一氧化制作工艺，以形成一氧化金属层。后续在氧化金属层上形成一金属层，以填满沟槽。

本发明所提供的一种金属栅极结构以及其形成方法，能形成稳定晶形以及较厚底部的功函数金属层，可避免现有技术的诸多问题。

附图说明

图1至图8为本发明制作一种集成电路的方法的步骤示意图；

图9为本发明稳定型态功函数金属层的X光绕射图；

图10为本发明功函数金属层的显微镜图。

主要元件符号说明

600 基底 624 层内介电层

602 浅沟槽隔离 626 沟槽

604 晶体管 628 底阻障层

606 介质层 630 功函数金属层