[发明专利]半导体装置及形成半导体装置的方法

说明书

一种半导体装置及形成半导体装置的方法。半导体装置包含设置在第一半导体鳍片上的n型栅极结构，其中n型栅极结构是结合氟，且包含设置在第一高介电常数介电层上的n型功函数金属层。n型功函数金属层包含钛铝(TiAl)合金，其中钛对铝的原子比实质介于1至3之间。半导体装置还包含设置在第二半导体鳍片上的p型栅极结构，其中p型栅极结构是结合氟，且包含设置在第二高介电常数介电层上的p型功函数金属层。p型功函数金属层包含氮化钛(TiN)，其中钛对氮的原子比实质介于1:0.9至1:1.1之间。

技术领域

本揭露是有关于半导体装置，特别是有关于鳍式场效晶体管(Fin-like FieldEffect Transistor；FinFET)的栅极结构与其制造方法。

背景技术

半导体集成电路(Integrated Circuit；IC)产业已经历快速的成长。在IC进化的过程中，功能密度(functional density)(定义为每个晶片面积上互相连接的元件数目)普遍随着几何尺寸(意即，可以利用制程做出的最小组件或线路)的减小而增加。一个缩小的制程一般可以提供增加产率和降低相关成本的优势。然而，这样的缩小会增加制程和生产IC的复杂度。为了达成这些进步，在IC生产中的类似发展是必要的。

当半导体IC产业进入到纳米科技制程世代以追求较高的元件密度，较高效能和较低成本时，同时来自制造和设计的挑战导致了如鳍式场效晶体管(FinFET)的3D装置的发展。FinFET装置的优点包含减少短通道效应及较高电流量。当其特征尺寸持续减小时，一直有使用具有高介电常数的栅极介电层和金属栅极的FinFET装置来增进装置性能的要求。n型金氧半(NMOS)装置和p型金氧半(PMOS)装置的栅极结构分别需要不同的功函数。具有高介电常数金属栅极的已知FinFET装置与其制作方法已无法满足所有态样，特别是将NMOS装置和PMOS装置制作在一起。

发明内容

本揭露的一态样是在提供一种半导体装置，其包含有半导体基材；在半导体基材上的第一半导体鳍片；设置在第一半导体鳍片上的n型栅极结构。阻挡金属层包含氮化钛(TiN)。n型栅极结构是结合氟，且n型栅极结构包含设置在第一半导体鳍片上的第一初始层；设置在第一初始层上且被第一栅极间隙壁包围的第一高介电常数介电层；设置在第一高介电常数介电层上的n型功函数金属层，其中n型功函数金属层含有钛铝(TiAl)合金，且钛对铝的原子比实质为从1至3，n型功函数金属层的相对两个表面含有实质低于10原子百分比的氧浓度；设置在n型功函数金属层上的阻挡金属层；以及周边包围有阻挡金属层的第一金属填充层，以使第一金属填充层是被第一堆叠结构所包围，其中第一堆叠结构的侧壁包含实质为从5原子百分比至20原子百分比的氟浓度，且第一堆叠结构的底部包含实质为从1原子百分比至15原子百分比的氟浓度。

本揭露的另一态样是提供一种半导体装置，包含半导体基材；在半导体基材上的第一半导体鳍片和第二半导体鳍片、n型栅极结构和p型栅极结构。第一半导体鳍片和第二半导体鳍片被隔离结构所分开。n型栅极结构是结合氟，且包含有设置在第一半导体鳍片上且被第一栅极间隙壁包围的第一初始层，而p型栅极结构是结合氟，且包含有设置在第二半导体鳍片上且被第二栅极间隙壁所包围的第二初始层。每一个n型栅极结构及p型栅极结构包含有设置在第一初始层及第二初始层上的高介电常数介电层；设置在高介电常数介电层上的第一氮化钛层；设置在第一氮化钛层上的氮化钽(TaN)层；设置在氮化钽层上的第二氮化钛层；设置在第二氮化钛层上的钛铝合金层；设置在钛铝合金层上的第三氮化钛层；以及周边包围有第三氮化钛层的金属填充层，以使金属填充层被堆叠结构所包围，其中堆叠结构的侧壁包括实质为从5原子百分比至20原子百分比的氟浓度，且第二堆叠结构的底部包括实质为从1原子百分比至15原子百分比的氟浓度。被第一栅极间隙壁包围的钛铝合金层是做为n型功函数金属层，其钛对铝的原子比实质介于1至3之间。被第二栅极间隙壁包围的第二氮化钛层是做为p型功函数金属层，其钛对氮的原子比实质介于1:0.9至1:1.1之间，p型功函数金属层含有低于10原子百分比的氧浓度。