[发明专利]金属栅极结构及其工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属栅极结构及其工艺，尤其涉及一种以氮化铝钛金属层作为阻障层及部分功函数金属层的金属栅极结构及其工艺。

背景技术

在已知半导体产业中，多晶硅广泛地应用于半导体元件如金氧半导体(metal-oxide-semiconductor，MOS)晶体管中，作为标准的栅极填充材料选择。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，半导体业界更尝试以新的栅极填充材料，例如利用功函数(work function)金属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。

在互补式金氧半导体(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)元件中，双功函数金属栅极一方面需与NMOS元件搭配，一方面则需与PMOS元件搭配，因此使得相关元件的整合技术以及工艺控制更加复杂，且各填充材料的厚度与成分控制要求亦更加严苛。

发明内容

本发明提出一种金属栅极结构及其工艺，可解决上述问题。

本发明提供一种金属栅极结构位于一基底上。金属栅极结构包含有一栅极介电层、一金属层以及一氮化铝钛金属层。栅极介电层位于基底上。金属层位于栅极介电层上。氮化铝钛金属层位于金属层上。

本发明提供一种金属栅极工艺，包含有下述步骤。首先，提供一基底。接着，形成一栅极介电层于基底上。接续，形成一铝钛金属层于栅极介电层上。继的，原位形成一氮化铝钛金属层于铝钛金属层上。

本发明提供一种金属栅极工艺，包含有有下述步骤。首先，提供一基底。接着，形成一栅极介电层于基底上。接续，形成一铝钛金属层于栅极介电层上。继的，进行一等离子体氮化工艺，以将铝钛金属层的上表面转换为一氮化铝钛金属层。

基于上述，本发明提出一种金属栅极结构及其工艺，其具有一氮化铝钛金属层于金属层上，而此氮化铝钛金属层可同时兼具功函数金属层以及阻障层的功用。因此，可取代部分的(功函数)金属层，而减少(功函数)金属层的厚度。并且，由于其可作为阻障层的用，故不须再另外形成一阻障层，即可达到防止其上方的电极层的成分渗透至其下，而污染其下方的金属栅极结构的目的。如此一来，即可解决已知问题，且不会降低工艺效率。

附图说明

图1所绘示为本发明一实施例的金属栅极结构的剖面示意图。

图2所绘示为本发明一实施例的金属栅极结构的剖面示意图。

图3所绘示为本发明一实施例的CMOS晶体管工艺的剖面示意图。

图4所绘示为本发明一实施例的CMOS晶体管工艺的剖面示意图。

图5所绘示为本发明一实施例的CMOS晶体管工艺的剖面示意图。

图6所绘示为本发明一实施例的CMOS晶体管工艺的剖面示意图。

图7所绘示为本发明一实施例的CMOS晶体管工艺的剖面示意图。

图8所绘示为本发明一实施例的CMOS晶体管工艺的剖面示意图。

【主要元件符号说明】

10：基底

20：层间介电层

22、316、326：侧壁

24：密封层

30、30a、30b：栅极凹槽

40、40a、40b：源/漏极区

100、200：金属栅极结构

110、110’、314、324：栅极介电层

120：金属层

130、340：氮化铝钛金属层

140：电极层

150、312、322：缓冲层

160、160’、318、328：阻障层

300：CMOS晶体管

310：NMOS晶体管

320：PMOS晶体管

327：第一功函数金属层

330：第二功函数金属层

350：主电极层

S1、S3：表面

S2：部分侧壁

具体实施方式