金属栅极结构与其形成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种金属栅极结构与其形成方法，特别是涉及一种具有稳定晶形与特 殊结构的功函数金属层的金属栅极结构与其形成方法。
【背景技术】
[0002] 在现有半导体产业中，多晶硅广泛地应用于半导体元件如金属氧化物半导体 (metal-oxide-semiconductor，M0S)晶体管中，作为标准的栅极材料选择。然而，随着M0S 晶体管尺寸持续地微缩，传统多晶娃栅极因硼穿透（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，半导体业界更尝以 新的栅极材料，例如利用具有功函数（work function)金属层的金属栅极来取代传统的多 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。
[0003] -般而言，具有金属栅极的制作方法可概分为前栅极（gate first)制作工艺及后 栅极（gate last)制作工艺两大类。其中前栅极制作工艺会在形成金属栅极后始进行源极 /漏极超浅接面活化回火以及形成金属硅化物等高热预算制作工艺，因此使得材料的选择 与调整面对较多的挑战。而在后栅极制作工艺中，先形成一牺牲栅极（sacrifice gate)或 取代栅极（r印lacement gate)，并在完成一般M0S晶体管的制作后，将牺牲/取代栅极移除 而形成一栅极凹槽（gate trench)，再依电性需求于栅极凹槽内填入不同的金属。
[0004] 然而为了无论是前栅极或后栅极制作工艺，都需要形成多层的金属层以形成适合 不同电性或驱动电压的金属栅极。而这些金属层的材料往往会影响晶体管的功函数，而成 为影响产品效能的因素。目前，各厂商都致力于研发不同的制作工艺以制造具有较佳电性 表现的金属栅极。
【发明内容】
[0005] 本发明于是提供了一种金属栅极结构与其形成方法，以获得较佳电性的金属栅 极。
[0006] 根据本发明的一实施例，本发明提供了一种金属栅极结构，其形成在一介电层的 一沟槽中，该金属栅极结构包含一功函数金属层设置在沟槽中，功函数金属层包含一底部 以及一侧部，其中底部的一厚度与侧部的一厚度的比值为2至5,以及一金属层填满该沟 槽。
[0007] 根据本发明的另一实施例，本发明还提供了一种形成金属栅极结构的方法。首先 提供一介电层，介电层中具有一沟槽。然后于沟槽中形成一功函数金属层，功函数金属层形 成在高于摄氏200度的环境下，接着对功函数金属层进行一氧化制作工艺，以形成一氧化 金属层。后续在氧化金属层上形成一金属层，以填满沟槽。
[0008] 本发明所提供的一种金属栅极结构以及其形成方法，能形成稳定晶形以及较厚底 部的功函数金属层，可避免现有技术的诸多问题。
【附图说明】
[0009] 图1至图8为本发明制作一种集成电路的方法的步骤示意图；
[0010] 图9为本发明稳定型态功函数金属层的X光绕射图；
[0011] 图10为本发明功函数金属层的显微镜图。
[0012] 主要元件符号说明
[0013] 600 基底 624 层内介电层
[0014] 602 浅沟槽隔离 626 沟槽
[0015] 604 晶体管 628 底阻障层
[0016] 606 介质层 630 功函数金属层
[0017] 608 高介电常数层 630A 底部
[0018] 610 蚀刻停止层 630B 侧部
[0019] 612 牺牲栅极 630C 突部
[0020] 614 盖层 632 氧化制作工艺
[0021] 616 间隙壁 634 氧化金属层
[0022] 618 轻掺杂漏极 636 顶阻障层
[0023] 620 源极/漏极 638 金属层
[0024] 622 接触洞蚀刻停止层640 金属栅极
【具体实施方式】
[0025] 为使熟悉本发明所属技术领域的一般技术者能更进一步了解本发明，下文特列举 本发明的数个优选实施例，并配合所附的附图，详细说明本发明的构成内容及所欲达成的 功效。
[0026] 请参考图1至图8,所绘示为本发明制作一种集成电路的方法的步骤示意图。首 先，提供一基底600,例如是娃基底（silicon substrate)、外延娃（epitaxial silicon substrate)、娃锗半导体基底（silicon germanium substrate)、碳化娃基底（silicon carbide substrate)或娃覆绝缘（silicon-on-insulator, SOI)基底等，但并不以此为限。 基底600上具有多个浅沟槽隔离（shallow trench isolation，STI)602。接着于基底600 上浅隔渠隔离602所包围的区域中形成一晶体管604。晶体管604可以是P型晶体管也可 以是N型晶体管。下文的实施例将以N型晶体管为示例。
[0027] 如图1所示，在本发明的一实施例中，晶体管604包含一介质层606、一高介 电常数层608、一蚀刻停止层610、一牺牲栅极612、一盖层614、一间隙壁616、一轻掺 杂漏极（light doped drain，LDD)618以及一源极/漏极620。在本发明优选实施例 中，介质层606为一二氧化硅层。高介电常数层608的介电常数大约大于4,其可以是 稀土金属氧化物层或镧系金属氧化物层，例如氧化铪（hafnium oxide, Η??2)、硅酸铪 氧化合物（hafnium silicon oxide, HfSi04)、娃酸給氮氧化合物（hafnium silicon oxynitride, HfSiON)、氧化错（aluminum oxide, A1203)、氧化镧（lanthanum oxide, La203)、 错酉爱镧(lanthanum aluminum oxide, LaAlO)、氧化组（tantalum oxide, Ta205)、氧化错 (zirconium oxide, Zr02)、石圭酉爱错氧化合物（zirconium silicon oxide, ZrSi04)、错酉爱給 (hafnium zirconium oxide, HfZrO)、氧化镱（yttrium oxide, Yb203)、氧化石圭镱（yttrium silicon oxide, YbSiO)、错酉爱错(zirconium aluminate, ZrAlO)、错酉爱給(hafnium aluminate, HfAlO)、氮化错(aluminum nitride, AIN)、氧化钦（titanium oxide, Ti02), 氮氧化错(zirconium oxynitride, ZrON)、氮氧化給(hafnium oxynitride, HfON)、 氮氧石圭错(zirconium silicon oxynitride, ZrSiON)、氮氧石圭給(hafnium silicon oxynitride, HfSiON)、锁祕组氧化物（strontium bismuth tantalate，SrBi2Ta209，SBT)、错 钦酸铅（lead zirconate titanate，PbZrxTilx03，PZT)或钦酸钡锁（barium strontium ti tanate, BaxSi^ xTi03, BST)，但不以上述为限。蚀刻停止层610包含金属层或金属氮化物层， 例如是氣化钦（TiN)。牺牲概极612则例如是多晶娃概极，但也可以是由多晶娃层、非晶娃 (amorphous Si)或者锗层所组合的复合栅极。盖层614则例如是一氮化娃层。间隙壁616 可为一复合膜层的结构，其可包含高温氧化娃层（high temperature oxide, HT0)、氮化娃、 氧化娃或使用六氯二硅烷〇iexachlorodisilane，Si2Cl6)形成的氮化娃（HCD-SiN)。轻掺 杂漏极618以及第一源极/漏极620则以适当浓度的掺质加以形成。而于另一实施例中， 介质层606以及蚀刻停止层610则可以省略。
[0028] 后续，在基底600上依序形成一接触洞蚀刻停止层（contact etch stop layer, CESL) 622 与一内层介电层（inter-layer dielectric, ILD) 624 覆盖在晶体管 604 上。在一实施例中，接触洞蚀刻停止层622可提供应力（stress)，以作为一选择性应力系统 (selective strain scheme, SSS)。在一实施例中，接触洞蚀刻停止层622也可以省略。
[0029] 接着，如图2所示，进行一平坦化制作工艺，例如一化学机械平坦化（chemical mechanical polish, CMP)制作工艺或者一回蚀刻制作工艺或两者的组合，以依序移除部分 的内层介电层624、部分的接触洞蚀刻停止层622、部分的间隙壁616,并完全移除盖层614， 直到暴露出牺牲栅极612的顶面。
[0030] 如图3所示，进行一湿蚀刻制作工艺及/或干蚀刻制作工艺以移除牺牲栅极612， 其中此蚀刻步骤会停止在蚀刻停止层610上，而在晶体管604中形成一沟槽（trench) 626。 在本发明的一实施例中，在形成了沟槽626后，可选择性地移除蚀刻停止层610。
[0031] 如图4所示，接着在基底600全面形成一底阻障层628。底阻障层628会沿着沟槽 626的表面形成，但不会完全填满沟槽626。底阻障层626的材质例如是氮化钛（TiN)、钛/ 氮化钛（Ti/TiN)、氮化钽（TaN)或钽/氮化钽（Ta/TaN)，但并不以此为限。在本发明的一 实施例中，底阻障层628可以是多层结构，例如包含一第一阻障层（图未示）以及位于其上 的第二阻障层（图未示），其中第一阻障层例如是氮化钛，而第二阻障层例如是氮化钽。
[0032] 如图5所示，在基底600上形成一功函数金属层630填入在沟槽626中，覆盖在 底阻障层628上。在一实施例中，若晶体管604是P型晶体管，则功函数金属层630的材 质例如是镍（Ni)、钯（Pd)、铂（Pt)、铍（Be)、铱（Ir)、碲（Te