[发明专利]CMOS半导体装置及其制造方法

说明书

技术领域

示例实施例涉及一种互补金属氧化物半导体(CMOS)半导体装置和一种制造该CMOS半导体装置的方法，例如，涉及一种双金属栅极(dual metalgate)CMOS半导体装置和一种制造该CMOS半导体装置的方法。

背景技术

为了满足对于CMOS半导体装置的更高的集成度和更快的操作速度的需要，可以将栅极绝缘层和栅电极做薄。可以开发介电常数高于SiO₂的介电常数的高k栅极绝缘层，从而改进物理特性和/或由于使SiO₂绝缘层变薄所引入的制造工艺。高k栅极绝缘材料可以用于使绝缘层变厚至大于有效氧化物的厚度，并且可以降低绝缘层的漏电流。由于一些因素，例如，与多晶硅的兼容性问题、固定电荷的基础的缺乏、界面控制困难、迁移率的降低、更高的栅极耗尽层以及其它的许多因素，导致难以将高k材料用作栅极绝缘层。

在现有技术中的具有金属插入多晶硅堆叠(metal inserted poly-Sistack)(MIPS)结构的MOS晶体管中，耗尽层不会形成在栅极中，并且掺杂物不会渗透到绝缘层中。通过插入的金属引起的掺杂物的注入会导致难以调节逸出功(work function)。因此，在CMOS半导体装置的示例中，具有不同的逸出功的栅极结构或栅极材料可以用于nMOS晶体管和pMOS晶体管。

相关技术还公开了一种采用用于nMOS区域的具有n+逸出功的金属和用于pMOS区域的具有p+逸出功的金属的双金属栅极。

相关技术还提出一种使用可以附加地将金属层插入到nMOS区域或pMOS区域中的方法来形成双金属栅极的方法。

发明内容

示例实施例涉及一种包括由均质材料形成在nMOS区域和pMOS区域中的金属栅极的互补金属氧化物半导体(CMOS)半导体装置，该CMOS半导体装置可以简化制造工艺并提高产量。示例实施例还涉及一种制造该COMS半导体装置的方法。

一种可以包括nMOS区域和pMOS区域的CMOS半导体装置，包括：栅极，在nMOS区域和pMOS区域中；多晶硅覆盖层；金属氮化物层，在多晶硅覆盖层之下。一种CMOS半导体装置还可以包括栅极之下的栅极绝缘层，并且nMOS区域和pMOS区域的金属氮化物层可以由相同类型的材料形成，并具有不同的逸出功。例如，由于掺杂物密度之间的差异会导致金属氮化物层的逸出功的差异。

例如，栅极绝缘层可以由HfO₂形成，金属氮化物层可以包含作为掺杂物的C、Cl、F、N、O，并可以包含N和/或Ti、Ta、W、Mo、Al、Hf、Zr。

nMOS区域和pMOS区域的金属氮化物层可以具有不同的厚度，并且至少一个金属氮化物层可以包括多个单位金属氮化物层。厚的金属氮化物层的多个单位金属氮化物层可以包含不同密度的掺杂物。

示例实施例还提供一种制造CMOS半导体装置的方法，并可以包括：在包括nMOS区域和pMOS区域的硅基底上形成栅极绝缘层。一种制造CMOS半导体装置的方法包括在栅极绝缘层上形成栅极。栅极可以包括与nMOS区域和pMOS区域相对应的金属氮化物层和形成在金属氮化物层上的多晶硅覆盖层。nMOS区域和pMOS区域的金属氮化物层可以由相同类型的材料形成，并且在金属氮化物层之间的掺杂物的差异可以被调节，使得金属氮化物层具有不同的逸出功。

可以通过利用臭氧气体或臭氧水清洁硅基底来在所述硅基底上形成界面层，界面层的厚度可以为1.5nm或更薄。

例如，可以通过调节金属氮化物层的沉积温度来调节金属氮化物层之间的掺杂物差异。pMOS区域的金属氮化物层可以厚于nMOS区域的金属氮化物层，并且pMOS区域的金属氮化物层的逸出功可以高于nMOS区域的金属氮化物层的逸出功。

栅极的形成可以包括：在栅极绝缘层上形成第一金属氮化物层；从第一金属氮化物层去除与nMOS区域相对应的部分；在第一金属氮化物层和nMOS区域上形成第二金属氮化物层。栅极的形成还可以包括：在第二金属氮化物层上形成多晶硅覆盖层；将堆叠在栅极绝缘层上的层图案化，以在硅基底上形成与nMOS区域和pMOS区域相对应的栅极。

可以在不同的处理温度下形成第一金属氮化物层和第二金属氮化物层。第一金属氮化物层的处理温度可以比所述第二氮化物层的处理温度低大约100℃或更低。例如，第一金属氮化物层的处理温度可以为大约450℃，第二金属氮化物层的处理温度可以为大约680℃。