具有高k柵電介質(zhì)和金屬柵電極的半導體器件制造技術

本發(fā)明專利技術的名稱是“具有高k柵電介質(zhì)和金屬柵電極的半導體器件”。描述了一種半導體器件，其包括柵電介質(zhì)和包含鋁化物的金屬柵電極。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術涉及半導體器件，具體地說，涉及包括高k柵電介質(zhì)和金屬柵電極的那些半導體器件。
技術介紹
具有由二氧化硅制成的非常薄的柵電介質(zhì)的MOS場效應晶體管可能會經(jīng)歷不能接受的柵極漏電流。由特定高k介電材料替代二氧化硅形成柵電介質(zhì)可以減小柵泄漏。然而，由于這種電介質(zhì)可能與多晶硅不兼容，在包括高k柵電介質(zhì)的器件中使用金屬柵電極可能會令人滿意。具有低于4. 3eV的功函數(shù)的某些金屬可以被用來制作用于NMOS晶體管 的金屬柵電極。然而，那些金屬在400°C以上的溫度可能會熱不穩(wěn)定，導致它們與高k柵電介質(zhì)不利地反應。因此，存在對具有高k柵電介質(zhì)以及具有低于4. 3eV的功函數(shù)的在400°C熱穩(wěn)定的NMOS金屬柵電極的半導體器件的需要。本專利技術提供這種半導體器件。
技術實現(xiàn)思路
根據(jù)第一實施例，提供了一種半導體器件，包括高k柵電介質(zhì)，所述高k柵電介質(zhì)包括從由氧化鉿、氧化鉿硅、氧化鑭、氧化鑭鋁、氧化錯、氧化錯娃、氧化鈦、氧化鉭、氧化鋇銀鈦、氧化鋇鈦、氧化銀鈦、氧化釔、氧化招、氧化鉛鈧鉭以及銀酸鉛鋅構(gòu)成的組中選擇的材料；金屬柵電極，其形成在柵電介質(zhì)上，其包括具有成分凡八‘的鋁化物，其中M是過渡金屬；形成在鋁化物上的填充金屬；以及PMOS金屬柵電極，其布置在所述高k柵電介質(zhì)上，所述PMOS金屬柵電極不包括鋁化物。根據(jù)第二實施例，提供了一種半導體器件，包括高k柵電介質(zhì)，所述高k柵電介質(zhì)包括從由氧化鉿、氧化鉿硅、氧化鑭、氧化鑭鋁、氧化錯、氧化錯娃、氧化鈦、氧化鉭、氧化鋇銀鈦、氧化鋇鈦、氧化銀鈦、氧化釔、氧化招、氧化鉛鈧鉭以及銀酸鉛鋅構(gòu)成的組中選擇的材料；NMOS金屬柵電極，其包括具有成分MxAly的鋁化物，其中M為過渡金屬；和PMOS金屬柵電極，其布置在所述高k柵電介質(zhì)上，所述PMOS金屬柵電極不包括鋁化物。根據(jù)第三實施例，提供了一種CMOS半導體器件，包括高k柵電介質(zhì)，所述高k柵電介質(zhì)包括從由氧化鉿、氧化鋯以及氧化鋁構(gòu)成的組中選擇的材料；NMOS金屬柵電極，其包括具有成分MxAly的鋁化物，其中M為過渡金屬；以及PMOS金屬柵電極，其布置在所述高k柵電介質(zhì)上，所述PMOS金屬柵電極不包括鋁化物。附圖說明圖Ia-Ii表示當實施可以被用來制作本專利技術的半導體器件的替換柵方法的實施例時可以形成的結(jié)構(gòu)的截面。在這些圖中示出的特征并不意味著按比例繪制。具體實施方式 描述半導體器件。該半導體器件包括柵電介質(zhì)和包括鋁化物的金屬柵電極。在以下描述中，許多細節(jié)被提出以提供對本專利技術的詳盡的理解。然而，對本領域的技術人員來說顯而易見的是，可以以除了在這里明確描述的那些之外的許多方式實施本專利技術。因此本專利技術并不被以下所公開的特定細節(jié)所限制。本專利技術的一個實施例包括其上形成了包括鋁化物的NMOS金屬柵電極的高k柵電介質(zhì)。該高k柵電介質(zhì)可以包括氧化鉿、氧化鉿硅、氧化鑭、氧化鑭鋁、氧化鋯、氧化鋯硅、氧化鈦、氧化鉭、氧化鋇銀鈦、氧化鋇鈦、氧化銀鈦、氧化釔、氧化招、氧化鉛鈧鉭、以及銀酸鉛鋅。特別優(yōu)選的是氧化鉿、氧化鋯、以及氧化鋁。盡管在這里描述了可以用來形成這種高k柵電介質(zhì)的材料的幾個實例，但是也可以由其它用來減小柵泄漏的材料制成該電介質(zhì)。用來制成NMOS金屬柵電極的鋁化物是有序的金屬間合金。這種合金的原子排列不同于常規(guī)金屬合金的原子排列。與常規(guī)的鋁合金不同，當保持在臨界排序溫度以下時，在鋁化物中的合金原子是周期性排列的，形成超晶格晶體結(jié)構(gòu)。在與常規(guī)的鋁合金相比較時，鋁化物可以表現(xiàn)出增強的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和對高溫變形的抵抗力。在本專利技術的半導體器件的優(yōu)選實施例中，該鋁化物具有成分MxAly，其中M是過渡金屬，并且X與I的比率代表在該鋁化物中包含的該過渡金屬與鋁的相對原子百分比。具有該成分的鋁化物可以例如包括鋯、鎢、鉭、鉿、鈦、以及其它過渡金屬，其當與鋁結(jié)合時產(chǎn)生具有期望的功函數(shù)和熱穩(wěn)定性的成分。被包括在本專利技術的半導體中的鋁化物也可以包括被束縛在具有鋁合金的超晶格晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的多種過渡金屬，例如利用相對少量的硼或鎂摻雜的包括招的合金。當用來形成NMOS金屬柵電極時，這些鋁化物優(yōu)選具有成分MxAly，其中X在I和4之間并且y在I和4之間。用于制作NMOS金屬柵電極的特別優(yōu)選的鋁化物包括ZrAl、ZrAl2, ZrAl3' WAl4' TaAl、HfAl、TiAl、TiAl2' TiAl3' 以及 Ti3Al。所得到的 NMOS 金屬柵電極可以具有小于4. 3eV的功函數(shù)，并且其優(yōu)選在大約3. 9eV和大約4. 3eV之間，并且更優(yōu)選在大約4. OeV和大約4. 2eV之間。用來形成NMOS金屬柵電極的鋁化物應當足夠厚以確保在它上面形成的任何材料將不顯著影響它的功函數(shù)。優(yōu)選地，這種鋁化物厚度在大約20埃和大約2，000埃之間，并且更優(yōu)選在大約100埃和大約300埃之間。這種NMOS金屬柵電極優(yōu)選在400°C是熱穩(wěn)定的。當本專利技術的半導體是CMOS器件時，除了包括鋁化物的NMOS金屬柵電極之外，它還可以包括不包含鋁化物的PMOS金屬柵電極。這種PMOS金屬柵電極可以被形成在高k柵電介質(zhì)上，并且可以包括P型金屬，例如釕、鈀、鉬、鈷、鎳、或?qū)щ姷慕饘傺趸铮缪趸憽１M管在這里描述了可以被用來形成P型金屬層的金屬的幾個實例，但是這些層可以由許多其它材料制成。當用來形成PMOS金屬柵電極時，這種P型金屬優(yōu)選具有在大約4. 9eV和大約5. 2eV之間的功函數(shù)。它們的厚度優(yōu)選在大約20埃和大約2，000埃之間，并且更優(yōu)選在大約100埃和大約300埃之間。類似于用于制作NMOS金屬柵電極的鋁化物，用來制作PMOS金屬柵電極的P型金屬應當在400°C是熱穩(wěn)定的。圖Ia-Ii示出當實施可以被用來制作本專利技術的半導體器件的替換柵方法的實施例時可以形成的結(jié)構(gòu)。圖Ia表示在制作CMOS器件時可以形成的中間結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括襯底100的第一部分101和第二部分102。隔尚區(qū)103將第一部分101和第二部分102分開。第一多晶娃層104被形成在介電層105之上,并且第二多晶娃層106被形成在介電層107之上。第一多晶娃層104用側(cè)壁隔離物108和109來托架，并且第二多晶娃層106用側(cè)壁 隔離物110和111來托架。介電層112分開層104和106。襯底100可以包括可以用作基礎的任何材料，半導體器件可以建立在該基礎上。隔離區(qū)103可以包括二氧化硅、或可以分開該晶體管的有源區(qū)的其它材料。介電層105和107均可以包括二氧化硅、或可以使襯底與其它物質(zhì)絕緣的其它材料。在該實施例中，第一多晶硅層104是摻雜的η型，并且第二多晶硅層106是摻雜的P型。第一和第二多晶硅層104和106可以是在大約100埃和大約2，000埃之間厚，并且優(yōu)選是在大約500埃和大約1，600埃之間厚。隔離物108、109、110和111優(yōu)選包括氮化硅，而介電層112可以包括二氧化硅或低k材料。可以利用常規(guī)工藝步驟、材料以及設備形成圖Ia的結(jié)構(gòu)，這對本領域的技術人員來說是顯而易見的。如所示，可以例如通過常規(guī)的化學機械拋光(“CMP”)步驟向后拋光介電層112以暴露第一和第二多晶娃層104和106。盡管沒有不出，但是圖Ia的結(jié)構(gòu)可以包括許多其它的特征(例如，氮化硅刻蝕停層、源區(qū)和漏區(qū)、以及一個或多個緩沖層)，其可以利用常規(guī)工藝形成。當本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種半導體器件，包括：高k柵電介質(zhì)，所述高k柵電介質(zhì)包括從由氧化鉿、氧化鉿硅、氧化鑭、氧化鑭鋁、氧化鋯、氧化鋯硅、氧化鈦、氧化鉭、氧化鋇鍶鈦、氧化鋇鈦、氧化鍶鈦、氧化釔、氧化鋁、氧化鉛鈧鉭以及鈮酸鉛鋅構(gòu)成的組中選擇的材料；金屬柵電極，其形成在柵電介質(zhì)上，其包括具有成分MxAly的鋁化物，其中M是過渡金屬；形成在鋁化物上的填充金屬；以及PMOS金屬柵電極，其布置在所述高k柵電介質(zhì)上，所述PMOS金屬柵電極不包括鋁化物。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：M多茨，J卡瓦里羅斯，M梅茨，J布拉斯克，S達塔，R曹，
申請(專利權)人：英特爾公司，
類型：發(fā)明
國別省市：