专利名称：半导体装置及其形成方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体装置，特别是关于一种具有两种不同金属氧化物 半导体结构的半导体装置。
背景技术：
金属-氧化层-半导体-场效应晶体管，简称金氧半场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET )是一种广泛使 用的场效应晶体管(field-effecttransistor )。 MOSFET依照其"沟道"的极性 不同，可分为P型金属氧化物半导体与N型金属氧化物半导体，通常又简称 为PMOS与NMOS。设计上，P型金属氧化物半导体与N型金属氧化物半导体各自具有不同 的临界电压(threshold voltage )。而不同的临界电压主要由栅极与沟道材料 的功函数(work function)之间的差异来决定，通常是经由两种分别作为栅 极材料的不同的金属来达成。由于需要形成两种不同的金属层作为栅极材料，习知方式通常都是分别 形成所需的两种金属层。例如美国专利案7,074，664中揭示先在基底上全 面性地形成第 一栅电极材料层，再藉由定义一 图案化硬掩模执行选择性蚀 刻，然后再将蚀刻产生的空间中填入第二栅电极材料层，最后平坦化第一栅 电极材料层与第二栅电极材料层的表面完成两种不同金属层的制作。又如美国专利公开案2005/095763中揭示先将一牺牲层全面性地形成 在基底上，再选择性移除牺牲层以填入第一栅电极材料层，然后再完全移除 牺牲层以填入第二栅电极材料层，于是完成两种不同金属层的制作。无论是上述的哪一种方式，都必须在基底上使用选择性蚀刻，以各自形 成决定P型金属氧化物半导体与N型金属氧化物半导体临界电压的不同金属 层。很明显地，先形成第一栅电极材料层，蚀刻后再形成第二栅电极材料层 的概念是一种既复杂又繁瑣的步骤，完全不符合业界一直在追求工艺简化的 原则。于是需要一种既简单又方便的方法来形成具有不同临界电压的P型金 属氧化物半导体与N型金属氧化物半导体，以提升产业竟争性。发明内容本发明于是一方面提供一种半导体装置，其中分别具有P型金属氧化物半导体与N型金属氧化物半导体，于其中一者的结构中具有两种不同的导电材料相互堆迭于基底上以形成复合式的栅电极，而另外一者仅具有单一的导电材料以形成单一式的栅电极。较佳者，P型金属氧化物半导体与N型金属 氧化物半导体邻接基底的导电材料中， 一者的功函数比基底大，另一者则比 基底小，如此一来即可控制P型金属氧化物半导体与N型金属氧化物半导体 所需不同的临界电压。本发明的半导体装置，包含基底；位于基底上的第一栅极结构，其包含 直接与基底接触的栅极介电层、位于栅极介电层上的下电极与位于下电极上 的上电极；与第一栅极结构相邻的第一源/漏极；位于基底上的第二栅极结构， 其包含直接与基底接触的栅极介电层以及位于栅极介电层上的栅电极；与第 二栅极结构相邻的第二源/漏极；以及覆盖基底、第一栅极结构、第一源/漏 极、第二栅极结构与第二源/漏极的层间介电层。第一栅极结构中包含由两种不同导电材料所形成的下电极与上电极，位 于栅极介电层上的下电极负责控制此金属氧化物半导体的临界电压。而第二 栅极结构仅包含一种调控临界电压的栅电极，以与第一栅极结构中下电极所 控制的临界电压作区别，但材质为同 一或近似。本发明另一方面，提供一种形成半导体装置的方法。首先提供基底，其 表面具有氧化层，然后于氧化层上形成下电极层，并选^^性曝露出部分的氧 化层，继续沉积硅层以覆盖下电极层与氧化层，之后于硅层上形成障壁层， 再来蚀刻障壁层、硅层、下电极层与氧化层以选择性暴露出基底，跟着形成 第一栅极结构与第二栅极结构，其中第一栅极结构包含硅层、下电极层与氧 化层，且第二栅极结构包含氧化层以及与氧化层直接接触的硅层，接下来于 暴露出的基底中形成与第 一栅极结构相邻的第 一 源/漏极以及与第二栅极结 构相邻的第二源/漏极；以及使硅层与一金属反应以形成栅电极层。于本发明方法中，仅需选择性的形成下电极层即可。此后所沉积的硅层 可全面性的覆盖住下电极层。本发明方法既无须选^H"生的蚀刻下电极层，亦面将硅层金属化形成金属硅化物即可，明显省略了许多不必要的繁复步骤， 既直接又筒单。本发明方法的优点在于，巧妙的利用硅层金属化所形成的金 属硅化物与下电极层间功函数的差异，来决定各自所处的栅极具有不同的临 界电压。较佳者，两边栅极结构中分别的金属硅化物与下电极层其中一者的 功函数比基底大，另一者则比基底小。这是一种既简单又方便的方法，来形 成具有不同临界电压的P型金属氧化物半导体与N型金属氧化物半导体，并 且可以达到简化工艺与提升产业竟争力的目标。
图1绘示本发明半导体装置的一优选实施例； 图2至8绘示本发明形成半导体装置的方法。 主要元件符号说明1半导体装置 20第一栅极结构 22下电扨_ 30第一源/漏极 42栅电极 60层间介电层 200半导体装置 204第二栅极结构 211、 211a氧化层 230硅层 240障壁层 251第一源/漏极10基底21、 41栅极介电层 23上电极 40第二栅极结构 50第二源/漏极 61 4妾触洞 202第一栅极结构 210、 210a基底 220下电极层 231栅电极层 241侧壁 252第二源/漏极具体实施方式
本发明首先提供一种半导体装置，其中分别包含P型金属氧化物半导体 与N型金属氧化物半导体。P型金属氧化物半导体与N型金属氧化物半导体 的其中一者中，具有两种不同的导电材料相互堆迭于基底的栅极介电层上以形成复合式栅电极。另外一者仅具有单一的导电材料而形成单一式栅电极。较佳者，两种不同的导电材料中一者的功函数比基底大，另一者则比基底小。 利用此等功函数的差异，可以分别达成P型金属氧化物半导体与N型金属氧 化物半导体所需不同的临界电压。图1绘示本发明半导体装置的一优选实施例。请参考图1,本发明的半导体装置1包含基底10、第一栅极结构20、第一源/漏极30、第二栅极结构 40、第二源/漏极50与覆盖基底10、第一栅极结构20、第一源/漏极30、第 二栅极结构40与第二源/漏极50的层间介电层60。其中，基底10可为一半 导体基底，例如硅、硅晶片直接接合(direct-silicon bonding, DSB)、绝缘层覆 硅(SOI)与绝缘层覆硅晶片直接接合(SOIDSB)等等，但并不以此为限。位于基底IO上的第一栅极结构20包含栅极介电层21、下电极22与上 电极23，而位于基底10上的第二栅极结构40则包含直接与基底IO接触的 栅极介电层41以及位于栅极介电层41上的栅电极42。下电极22直接位于 栅极介电层21上而上电极23则直接位于下电极22上。第一栅极结构20与第二栅极结构40可为任何习知的栅极结构，像是一 般栅极、鳍式场效晶体管(FinFET)或多闸(multigate)等等。栅极介电层21、 41通常可包含氧化物、氮化物、氮氧化物或高介电常数材料，例如金属氧化 物、氧化硅、氮化硅与氮氧化硅等等。较佳者，下电极具有10~300埃的厚 度。栅电极42与下电极22材料的选择，视第一栅极结构20为P型金属氧 化物半导体或N型金属氧化物半导体而定。例如，当第一栅极结构是P-沟 道金氧半导体(P-channel Metal-Oxide Semi-Conductor)栅极结构，而第二栅 极结构是N-沟道金氧半导体栅极结构时，第一栅极结构之下电极22可包含 功函数小与基底IO功函数的导电材料，而第二栅极结构栅电极42则可包含 功函数大于基底10功函数的导电材料。举例而言，当基底为硅时，因为硅 的功函数为4.6eV，所以第一栅极结构的P-沟道金氧半导体的下电极22可 包含钛、氮化钛、钴、镍、铂或铱等导电材料，较佳为氮化钛。而栅电极42 则可包含金属硅化物，像是富镍的金属硅化物Ni2Si等。上电极23可包含任 何适当的导电材料，例如多晶硅、金属或金属硅化物等。又例如，当第一栅极结构是N-沟道金氧半导体栅极结构，而第二栅极 结构是P-沟道金氧半导体栅极结构时，第一栅极结构的下电极22可包含功 函数大于基底IO功函数的导电材料，而第二栅极结构的栅电极42则可包含功函数小于基底10功函数的导电材料。举例而言，当基底为硅时，下电极22可包含MCx、 MBx、 MCxNy、 MBxNy或MBxCy或其组合等，其中M 可为第三族至第七族的金属元素，较佳者为碳化钽，而栅电极42则可包含 金属硅化物，像是富硅的金属硅化物，硅化镍/NiSi2等。上电极23可包含任 何适当的导电材料，例如多晶硅、金属与金属硅化物等。本发明可以使用任何适当的方式形成第 一 源/漏极3 0与第二源/漏极5 0 ， 并使得第一源/漏极30与第一栅极结构20相邻以及使得第二源/漏极50与第 二栅极结构40相邻，此为习知该项技艺者或通常知识者所熟知，故不多加 赘述。此外，第一源/漏极30与第二源/漏极50表面更可分别包含一金属硅 化物，例如硅化钴或硅化镍等。层间介电层60通常具有多个接触洞61,以暴露出第一栅极结构20、第 一源/漏极30、第二栅极结构40与第二源/漏极50,以形成接触插塞。可以 使用任何适当的方法与材料来形成层间介电层60。若有需要，本发明的半导体装置1可进一步包含额外的元件，例如邻近 第一栅极结构20与第二栅极结构40的应力层(图未示)。举例而言，对于 N-沟道金氧半导体栅极结构而言，可具有额外填入碳化硅等材料的凹口或是 位于上方的张力层，而对于P-沟道金氧半导体栅极结构而言，可具有额外填 入碳化锗等材料的凹口或是位于上方的压力层。第 一栅极结构中的下电极负责控制此金属氧化物半导体的临界电压，而 第二栅极结构中仅有的栅电极包含另一种调控此金属氧化物半导体临界电 压的导电材料。第 一 栅极结构中下电极和第二栅极结构中栅电极为两种不同 的导电材料于是分别形成P型金属氧化物半导体与N型金属氧化物半导体， 此等半导体装置的结构简单，制造相当容易。请参考图2至8，其绘示本发明形成半导体装置200的方法。首先提供 基底210,其表面具有一氧化层211，以作为后续的栅极结构中的栅极介电 层。基底210可为一半导体基底，例如硅、硅晶片直接接合(Direct-silicon Bonding)、绝缘层覆硅与绝缘层覆硅晶片直接接合等等，但并不以此为限。 氧化层211可包含氧化物、氮化物、氮氧化物或高介电常数材料，像是金属 氧化物、氧化硅、氮化硅与氮氧化硅等等。然后，请参考图3，利用沉积、光刻与蚀刻工艺，于氧化层211上形成 下电极层220，并选择性曝露出部分的氧化层211a。下电极层220的厚度可约为10 300埃，较佳为50 100埃。下电极220材料的选择，视要形成P 型金属氧化物半导体或N型金属氧化物半导体而定。例如，要作为P-沟道 金氧半导体用时，下电极层220可包含一功函数小与基底210功函数的导电 材料。举例而言，当基底为硅时，因为硅的功函数为4.6eV,所以下电极层 220可包含钛、氮化钛、钴、镍、铂或铱等，较佳为氮化钛。又例如，要作 为N-沟道金氧半导体栅极结构用时，下电极层220可包含一功函数大于基 底210功函数的导电材料。举例而言，当基底为硅时，下电极层220可包含 MCx、 MBx、 MCxNy、 MBxNy或MBxCy或其组合等，而M可为第三族至 第七族的金属元素，较佳者为碳化钽。接下来，请参考图4，沉积硅层230以覆盖下电极层220与曝露出的氧 化层211a。硅层230较佳包含多晶硅，并可以使用任何适合的方式形成。硅 层230上可以再形成障壁层240。障壁层240较佳包含氮化物，以作为后续 栅极结构的帽盖层之用。请参考图5,然后蚀刻障壁层240、硅层230、下电极层220与氧化层 210,以选择性暴露出部分的基底210a,完成第一栅极结构202与第二栅极 结构204的初步轮廓。第一栅极结构202与第二栅极结构204可为任何习知 的栅极结构，像是一般栅极、鳍式场效晶体管(FinFET)或多栅(multigate)。于 此步骤中，可以利用图案化的掩模(图未示)，例如图案化光阻，以辅助蚀 刻以及形成第一栅极结构202与第二栅极结构204的轮廓。请参考图6，继续完成第一栅极结构202与第二栅极结构204。例如， 于此步骤中可以修饰第一栅极结构202与第二栅极结构204或是添加第一栅 极结构202与第二栅极结构204的附属部分，像是侧壁241。完成后的第一 栅极结构202包含障壁层240、硅层230、下电极层220与氧化层211,而第 二栅极结构204包含障壁层240、氧化层211以及与氧化层211直接接触的 珪层230。再来，请参考图7，于暴露出的基底210a中形成与第一栅极结构202 相邻的第一源/漏极251以及与第二栅极结构204相邻的第二源/漏极252。 可以使用任何适当的方式来形成第一源/漏极251与第二源/漏极252。较佳 者，第一源/漏极251与第二源/漏极252可独立包含一金属硅化物，例如硅 化钴或硅化镍。之后，请参考图8,覆盖一金属层，并使硅层230与金属层全硅化(FUSI)反应以形成栅电极层231。金属层可包含钛、钴、镍、铂或铱等，较佳者为 镍。于此步骤中可能有许多变化。例如，当第二栅极结构是N-沟道金氧半 导体栅极结构时，栅电极层231可包含功函数大于基底210功函数的导电材 料，例如金属硅化物，像是富镍的金属硅化物Ni2Si。又，若第二栅极结构 是P-沟道金氧半导体栅极结构时，栅电极层231则可包含功函数小与基底 210功函数的导电材料，例如金属硅化物，像是富硅的金属硅化物，硅化镍 /NiSi2。此外，第一栅极结构的上电极和第二栅极结构的栅电极的材料由于 为同时沉积，其材料基本上为相同，然而在进行全硅化的过程之前，其可能 预先进行一离子注入步骤，先行调整上电极和特别是栅电极的功函数，使得 栅电极最后所得到的功函数和下电极的有差异，因此上电极和特别是栅电极 最后的材质为不同但近似。若有需要，本发明的方法可进一步包含额外的步骤。例如，形成邻近第 一栅极结构202与第二栅极结构204的应力层(图未示)。举例而言，对于 N-沟道金氧半导体栅极结构而言，可具有额外填入碳化硅材料的凹口或是位 于上方的张力层，而对于P-沟道金氧半导体栅极结构而言，可具有额外填入 碳化锗材料的凹口或是位于上方的压力层。或是，于选择性暴露出部分的基 底210a后，先形成轻掺杂漏极。再者，源/漏极与层间介电层的制作可以在硅层230与金属层反应之前， 也可以在之后。例如，可以先形成一层间介电层(图未示)，其覆盖第一栅 极结构202、第一源/漏极251、第二栅极结构204与第二源/漏极252,并暴 露第一栅极结构202的硅层230与第二栅极结构204的硅层230。覆盖金属 层使硅层230与金属层全硅化(FUSI)反应以形成栅电极层231后，再除去多 余的金属层并于层间介电层中形成暴露第一栅极结构202、第一源/漏极251、 第二栅极结构204与第二源/漏极252的多个接触洞。此外，本发明亦可以利用金属硅化物材质的不同，来调整工艺步骤。例 如若第一源/漏极251与第二源/漏极252表面包含硅化钴时，可直接除去障 壁层240并形成NiSi的金属层，并于硅层230与金属层全硅化(FUSI)反应以 形成栅电极层231后，再除去多余的金属层并形成层间介电层，其具有暴露 第一栅极结构202、第一源/漏极251、第二栅极结构204与第二源/漏极252 的多个接触洞。由于配合不同的工艺，本发明方法可能的变化不胜枚举，以 上所述仅为代表性的例示。于本发明方法中，仅需先选择性的形成下电极层即可。此后所沉积的硅 层则可以全面性的覆盖住下电极层。本发明方法既无须选择性的蚀刻下电极次性的全面将硅层金属化形成金属硅化物即可，明显省略了许多不必要的繁 复步骤，既直接又简单。本发明方法的优点在于，巧妙的利用硅层金属化所 形成的金属硅化物与下电极层间功函数的差异，来决定各自所处的栅极具有 不同的临界电压。这是一种既简单又方便的方法，来形成具有不同临界电压 的P型金属氧化物半导体与N型金属氧化物半导体，于是可以达到简化工艺 与提升产业竟争力的目标。以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变 化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种半导体装置，包含基底；第一栅极结构，其位于该基底上，该第一栅极结构包含栅极介电层，其直接与该基底接触；下电极，其位于该栅极介电层上；以及上电极，其位于该下电极上；第一源/漏极，其与该第一栅极结构相邻；第二栅极结构，其位于该基底上，该第二栅极结构包含直接与该基底接触的该栅极介电层以及位于该栅极介电层上的栅电极；第二源/漏极，其与该第二栅极结构相邻；以及层间介电层，其覆盖该基底、该第一栅极结构、该第一源/漏极、该第二栅极结构与该第二源/漏极。
2. 如权利要求1的半导体装置，其中该基底选自由硅、硅晶片直接接合、 绝缘层覆硅与绝缘层覆硅晶片直接接合所组成的群组。
3. 如权利要求1的半导体装置，其中该下电极具有10-300埃的厚度。
4. 如权利要求1的半导体装置，其中该上电极包含金属硅化物。
5. 如权利要求1的半导体装置，其中该第一源/漏极包含金属硅化物。
6. 如权利要求4的半导体装置，其中该栅电极包含金属硅化物。
7. 如权利要求1的半导体装置，其中该第二源/漏极包含金属硅化物。
8. 如权利要求1的半导体装置，其中该第一栅极结构是P-沟道金氧半 导体栅极结构，且该第二栅极结构是N-沟道金氧半导体栅极结构。
9. 如权利要求8的半导体装置，其中该下电极包含功函数小于该基底的 功函数的导电材料。
10. 如权利要求8的半导体装置，其中该下电极包含氮化钛。
11. 如权利要求8的半导体装置，其中该栅电极包含富镍的金属硅化物。
12. 如权利要求1的半导体装置，其中该第一栅极结构是N-沟道金氧半 导体栅极结构，且该第二栅极结构是P-沟道金氧半导体栅极结构。
13. 如权利要求12的半导体装置，其中该下电极包含功函数大于该基底 的功函数的导电材料。
14. 如权利要求12的半导体装置，其中该下电极包含选自由MCX、MBX、 MCxNy、 MBxNy与MB^y所组成的群组，该M是第三族至第七族的金属元 素。
15. 如权利要求12的半导体装置，其中该下电极包含碳化钽。
16. 如权利要求12的半导体装置，其中该栅电极包含富硅的金属硅化物。
17. 如权利要求16的半导体装置，其中该富硅的金属硅化物是硅化镍。
18. 如权利要求1的半导体装置，该硅化镍为NiSi2。
19. 如权利要求1的半导体装置，还包含邻近该第一栅极结构与该第二栅 极结构的应力层。
20. 如权利要求1的半导体装置，其中该层间介电层包含暴露该第一栅 极结构、该第一源/漏极、该第二栅极结构与该第二源/漏极的多个接触洞。
21. —种形成半导体装置的方法，包括 提供基底，其表面具有氧化层；于该氧化层上形成下电极层，并选择性曝露出部分的该氧化层； 沉积硅层以覆盖该下电极层与该氧化层；蚀刻该硅层、该下电极层与该氧化层以选择性暴露出该基底，以形成第 一栅极结构与第二栅极结构，其中该第一栅极结构包含该硅层、该下电极层 与该氧化层，且该第二栅极结构包含该氧化层以及与该氧化层直接接触的该 硅层；于暴露出的该基底中形成与该第一栅极结构相邻的第一源/漏极以及与 该第二栅极结构相邻的第二源/漏极；以及使该硅层与金属反应以形成栅电极层。
22. 如权利要求21的方法，其中该基底选自由硅、硅晶片直接接合、绝 缘层覆硅与绝缘层覆硅晶片直接接合所组成的群组。
23. 如权利要求21的方法，其中该下电极层具有10-300埃的厚度。
24. 如权利要求21的方法，其中该下电极层具有50-100埃的厚度。
25. 如权利要求21的方法，其中该金属选自由钛、钴、镍、铂与铱所组 成的群组。
26. 如权利要求21的方法，其中该金属为镍。
27. 如权利要求21的方法，其中该第一源/漏极以及该第二源/漏极独立包含金属硅化物。
28. 如权利要求21的方法，其中该第一栅极结构是P-沟道金氧半导体 栅极结构，且该第二栅极结构是N-沟道金氧半导体栅极结构。
29. 如权利要求28的方法，其中该下电极层包含功函数小于该基底功函 数的导电材料。
30. 如权利要求28的方法，其中该下电极层包含氮化钛。
31. 如权利要求28的方法，其中该栅电极层包含富镍的金属硅化物。
32. 如权利要求21的方法，其中该第一栅极结构是N-沟道金氧半导体 的栅极，且该第二栅极结构是P-沟道金氧半导体的栅极。
33. 如权利要求32的方法，其中该下电极层包含功函数大于该基底功函 数的导电材料。
34. 如权利要求32的方法，其中该下电极层包含选自由MCx、 MBX、 MCxNy、 MBxNy与MBxCy所组成的群组，该M是第三族至第七族的金属元素。
35. 如权利要求32的方法，其中该下电极层包含碳化钽。
36. 如权利要求32的方法，其中该栅电极层包含富硅的金属硅化物。
37. 如权利要求36的方法，其中该栅电极层包含硅化镍。
38. 如权利要求21的方法，还包含形成邻近该第一栅极结构与该第二栅 极结构的应力层。
39. 如权利要求21的方法，还包含形成层间介电层，其覆盖该第一栅极 结构、该第一源/漏极、该第二栅极结构与该第二源/漏极。
40. 如权利要求39的方法，其中在该层间介电层形成暴露该第 一栅极结 构、该第一源/漏极、该第二栅极结构与该第二源/漏极的多个接触洞。
41. 如权利要求21的方法，其中在该硅层与该金属反应以形成该栅电极 层步骤之前，先对栅电极进行离子注入步骤，以调控栅电极的功函数。
42. 如权利要求21的方法，其中在沉积硅层之后，于该硅层上形成障壁 层，该障壁层在第一源/漏极、第二源/漏极形成后去除。
全文摘要
一种半导体装置，其中的第一栅极结构包含直接与基底接触的栅极介电层、位于栅极介电层上的下电极与位于下电极上的上电极；而第二栅极结构包含直接与基底接触的栅极介电层以及位于栅极介电层上的栅电极。
文档编号H01L29/423GK101308849SQ20071010398
公开日2008年11月19日 申请日期2007年5月17日 优先权日2007年5月17日
发明者林建廷, 程立伟, 许哲华, 马光华, 黄耀聪 申请人:联华电子股份有限公司