栅极结构及其制作方法_3

文档序号:9262159阅读:来源:国知局
0而影响栅介质材料层的等效氧化层厚度(Ε0Τ),在本实施例中,氧气所占比例不应超过氮气的比例,具体的,氧气与氮气的混合比(气体流量比)可以在1:1?1:50的范围内。
[0075]同时,为了使温度足够进行第一处理,而又不至于过高导致对PMOS器件造成影响,在本实施例中,使热处理时的温度保持在400?1000摄氏度的范围内。
[0076]另外,在本实施例中,热处理可以采用快速热氧化、尖峰退火或者激光退火,本发明对此不作限定。
[0077]本实施例采用钽作为所述第一金属层80的材料,所以,在经过所述第一处理后,一种情况是,在经过所述第一处理后的第一金属层80由于表面所述的一部分转化为氧化层81,氧化钽的功函数相对降低。此时,所述第一金属层80以及氧化层81共同形成所述处理后第一金属层。
[0078]另外一种情况是,在经过所述第一处理后,一部分氧原子进入所述第一金属层80的表面,这同样可以使掺有氧原子的第一金属层80的功函数降低。此时,掺入了氧原子的第一金属层80为所述处理后第一金属层。
[0079]参考图4,在第一处理以及去除第一牺牲层90A、90B的步骤之后,在所述第一开口30、第二开口 20以及第三开口 10中形成第二金属层100。
[0080]需要说明的是,由于在本实施例中形成有第一牺牲层90A、90B,在形成第二金属层100之前,还包括以下步骤:
[0081]去除剩余的第一牺牲层90A、90B。
[0082]具体地,所述第二金属层100为PMOS器件的功能层(PMOS work funct1n, PffF),第二金属层100与下方的第一金属层80或处理后第一金属层堆叠,以改变与后续形成的金属栅极之间总体的功函数,进而调整PMOS器件的栅极的阈值电压。
[0083]在第二开口 20以及第三开口 10中,所述第二金属层100覆盖于第一金属层80上;在第一开口 30中,所述第二金属层100覆盖于所述氧化层81上。
[0084]在本实施例中,第二金属层100的材料为氮化钛。
[0085]由于在PMOS器件中形成所述第一金属层80时,位于同一晶圆上的NMOS器件中也形成有同样材料的第一金属层80,同理,所述第二金属层100也同时形成于所述NMOS器件中的第一金属层80上。但是,一般来说,NMOS器件中并不适合形成作为PMOS器件功能层的第二金属层100,所以需要在后续的步骤中将位于所述NMOS器件中的第二金属层100去除。基于上述原因,本实施例中的第一金属层80采用钽作材料,相对于氮化钛材料的第二金属层100具有较高蚀刻选择比,较大的蚀刻选择比有利于本实施例中在PMOS器件区域形成第二金属层100时,去掉相对于同样位于同一晶圆上的NMOS区域的第二金属层100。
[0086]但是本发明对此不作限定,也可以采用如碳化钽或者氮化钥等其他材料。
[0087]参考图5,在所述第一开口 30、第二开口 20以及第三开口 10中形成覆盖于所述第二金属层100的第二牺牲层110CU10B以及IlOA ;这样的好处在于,可以在后续步骤中保护第一开口 30以及第三开口 10中的第二金属层80尽量不受后续步骤的影响。在所述第二牺牲层110A、1 1B以及IlOC上覆盖光刻胶层42 ;图形化所述光刻胶层42以暴露出第二开口 20的第一牺牲层90C。通过刻蚀去除所述第二牺牲层110B,以暴露出第二开口 20中开口 21内的第二金属层100。
[0088]为了减小材料成本,可选地,所述的第二牺牲层110A、110B以及IlOC可以采用与上述的第一牺牲层90A、90B以及90C同样的材料。
[0089]参考图6,对所述第二开口 20的第二金属层100进行第二处理,以形成处理后第二金属层,进而提高位于第二开口 20中的第二金属层100的功函数。也就是说,位于所述第二开口 20中处理后第二金属层的功函数大于位于第一开口 30、第三开口 10中第二金属层的功函数。
[0090]在本实施例中,在氧气与氮气的混合气体中,对所述第二金属层100进行热处理,使所述第二金属层100表面的部分材料转化为氧化层101。此时,所述第二金属层100以及其表面的氧化层101共同形成所述处理后第二金属层。
[0091]进一步,在氧气与氮气的混合气氛中,氧气为对所述第二金属层100进行第二处理的反应气体,氮气为稀释氧气的保护气体。
[0092]由于在本实施例中采用氮化钛作为所述第二金属层100的材料,所述氧化层101为氮氧化钛,氮氧化钛的功函数大于氮化钛的功函数。
[0093]为了使所述氧气的含量足够对所述第二金属层100进行第二处理,而又不至过多导致第二金属层100被过度氧化,在本实施例中,使所述氧气与氮气的混合比(气体流量比)在1:1?1:50的范围内。
[0094]同时,为了使第二金属层100的表面部分转化为氧化层101,而温度又不至于过高导致对PMOS器件造成影响,在本实施例中,热处理的温度在400?1000摄氏度的范围内。
[0095]由于在本实施例中采用氮化钛作为第二金属层100的材料,在经过氧气与氮气的热处理后,一种情况是,第二金属层100的部分氮化钛被氧化生成例如氮氧化钛等化合物,此时,所述处理后第二金属层包括所述氮化钛材料的第二金属层100以及所述氮氧化钛等化合物,处理后第二金属层的功函数相对第二金属层100有所提高。
[0096]另一种情况是,部分氧原子掺入第二金属层100的表面,这同样可以使所述第二金属层100的总的功函数相对升高。此时,掺入了氧原子的第二金属层100为所述处理后第二金属层。
[0097]参考图7,在所述第一开口 30和第三开口 10中的第二金属层100上、以及第二开口 20中处理后第二金属层上分别形成金属栅极200,此时,在衬底上的第一区域、第二区域以及第三区域中分别形成独立的PMOS器件。
[0098]由于此时位于第一开口 30中处理后第一金属层的功函数低于位于第二开口 20以及第三开口 10中第一金属层80的功函数,同时,位于第二开口 20中的处理后第二金属层的功函数高于位于第一开口 30以及第三开口 10在第二金属层100的功函数,而一般来说,物质的功函数越高,在工作状态下的阈值电压越低,所以,在形成金属栅极200后,位于第一开口 30以中的PMOS器件的阈值电压最高也就是高阈值电压(High VT, HVT)型PMOS器件,而位于第二开口 20的低阈值电压(Low VT,LVT)型PMOS器件,位于第三开口 10的PMOS器件的为标准阈值电压(Standard VT, SVT)型PMOS器件。
[0099]此外,本发明还提供相对于上述的第一实施例的第二实施例,本第二实施例与上述第一实施例的区别在于,第二处理的步骤包括:在氨气与氮气的气氛下对所述第二金属层100进行热处理,以将所述第二金属层100的表面进行钝化,以提高所述第二金属层100的总的功函数。
[0100]以氮化钛材料的第二金属层100为例,经过所述钝化后的氮化钛在功函数升高的同时,还可以作为后续形成的金属栅极200的阻挡层。
[0101]为了使第二金属层100能够被钝化,而又不至于过分反应,在本第二实施例中,使氨气与氮气的混合比(气体流量比)在1:1?20:1的范围内。
[0102]同时,为了有足够的温度使反应进行,而又不至于温过高而影响整个器件,热处理在400?1000摄氏度的范围内。
[0103]此外,本发明还提供相对于上述的第一、第二实施例的第三实施例,
[0104]本第三实施例与上述第一、第二实施例的区别在于进行第二处理的步骤包括:采用氮离子对所述第二金属层进行离子轰击处理,以对所述第二金属层100进行所述第二处理。氮离子轰击处理以将第二金属层100中的化学键断裂,或者是使第二金属层从晶态转换为非晶态,而化学键断裂或者非晶态均具有更高的功函数,也可以达到提高位于第二开口中20的第二金属层100的功函数的目的。
[0105]在本第三实施例中,为了使氮离子足够将第二金属层100中的化学键断裂或者是将第二金属层100转换为非晶态,同时又不至于影响到PMOS器件的其它部分,在本实施例中,使氮气的流量在4000?15000标准毫升每分,并使温度在400摄氏度以下;离子轰击设备的功率在1000瓦以下。
[0106]此外,本发明还提供一种栅极结构,结合参考图7,所述栅极结构包括:
[0107]衬底(图中未示出);
[0108]位于所述衬底上的层间介质层(图中未示出),所述层间介质层中设置有露出所述衬底的多个开口,所述多个开口包括:用于形成第一半导体器件的第一开口,用于形成第二半导体器件的第二开口,用于形成第三半导体器件的第三开口 ;
[0109]形成于所述第二开口、第三开口中的第一金属层80,形成于所述第一开口中的处理后第一金属层,所述处理后第一金属层的功函数小于第二开口和第三开口中第一金属层的功函数;在本实施例中,所述处理后第一金属层包括第一金属层80以及第一金属层80表面的氧化层81 ;但是本发明并不限于此,在本发明的其他实施例中,
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