金属栅极结构及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及金属栅极结构及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 半导体集成电路（1C)产业经历了快速发展。在1C发展过程中，功能密度（即，每 一芯片面积上互连器件的数量）通常已经增加而几何尺寸（即，使用制造工艺可以制造的 最小部件（或线））却已减小。通常这种按比例缩小工艺通过提高生产效率和降低相关成 本而带来益处。这种按比例缩小工艺也增加了加工和制造1C的复杂度，并且为了实现这些 进步，需要1C加工和制造中的类似发展。随着晶体管尺寸的减小，栅极氧化物的厚度必须 降低以在栅极长度降低的情况下维持性能。然而，为了降低栅极泄漏，使用高介电常数（高 k)栅极绝缘层，其允许更大的物理厚度，同时保持与在更大技术节点中使用的典型的栅极 氧化物提供的有效电容相同的有效电容。
[0003] 在诸如金属氧化物半导体（M0S)的半导体器件中，多晶硅用作栅电极。然而，由于 半导体器件的尺寸向着按比例缩小的趋势发展，多晶硅栅极具有低性能，诸如半导体器件 的栅极电容和驱动力降低。在一些1C设计中，一直期望以金属栅（MG)电极取代典型的多 晶硅栅电极以在部件尺寸降低的情况下改进器件性能。一种形成MG电极的工艺被称为"后 栅极"工艺，与此相反的另一种MG电极形成工艺被称为"先栅极"。"后栅极"工艺允许后续 工艺的数量降低，后续工艺包括在形成栅极之后必须实施的高温处理。
[0004] 存在制造部件尺寸降低的半导体器件中的MG电极方面的挑战。因此，对提高金属 栅极结构、简化在衬底上制造金属栅极的方法和改进包括MG电极的半导体器件的性能具 有持续需求。
【发明内容】
[0005] 为了解决现有技术中存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种半导体结 构，包括：栅极结构，设置在衬底上方，其中，所述栅极结构包括：高k介电层，包括基部和侧 部，其中，所述侧部从所述基部的端部延伸，所述侧部基本上垂直于所述基部；以及功函结 构，包括：第一金属，设置在所述高k介电层上方；和第二金属，设置在所述第一金属上方并 且包括底部和从所述底部的端部延伸的侧壁部分，其中，所述第一金属包括与所述第二金 属不同的材料，并且所述侧壁部分和所述底部之间的界面的长度与位于所述高k介电层内 的所述底部的长度呈预定比率。
[0006] 在上述半导体结构中，所述预定比率为约1/5至约2/3。
[0007] 在上述半导体结构中，所述底部的长度为约50nm至约500nm。
[0008] 在上述半导体结构中，所述底部和所述侧壁部分为不同的材料。
[0009] 在上述半导体结构中，所述第一金属为N型功函金属或所述第二金属是P型功函 金属。
[0010] 在上述半导体结构中，所述侧壁部分的截面为三角形、矩形、四边形、多边形或L 形。
[0011] 在上述半导体结构中，所述侧壁部分还包括与所述底部呈约10°至约85°的角 的倾斜表面。
[0012] 在上述半导体结构中，所述底部呈矩形形状并且所述侧壁部分呈三角形或L形。
[0013] 在上述半导体结构中，还包括设置在所述第一金属和所述第二金属之间并且与所 述第一金属的顶面和所述高k介电层的侧部共形的中间金属层。
[0014] 根据本发明的另一方面，还提供了一种半导体结构，包括：高k介电层；第一金属 结构，由所述高k介电层围绕，其中，所述第一金属结构包括：第一金属，设置在所述高k 介电层上方；和中间金属层，围绕第二金属结构；以及第二金属结构，由所述中间金属层围 绕，其中，所述第二金属结构包括：底部，水平地设置在所述中间金属层上；和侧壁部分，从 所述底部的端部延伸，其中，根据所述半导体结构的期望的阈值电压来限定所述底部和所 述侧壁部分的尺寸和形状。
[0015] 在上述半导体结构中，所述期望的阈值电压在大于约100mV的范围内。
[0016] 在上述半导体结构中，所述底部的厚度为约0·lnm至约8nm。
[0017] 在上述半导体结构中，所述第二金属结构的离子变化小于约3%。
[0018] 在上述半导体结构中，所述侧壁部分为锥形配置。
[0019] 在上述半导体结构中，所述高k介电层由间隔件围绕。
[0020] 根据本发明的又一方面，还提供了一种制造半导体结构的方法，包括：在衬底上方 形成高k介电层，其中，所述高k介电层包括基部和侧部，所述侧部从所述基部的端部延伸， 所述侧部基本上垂直于所述基部；在所述高k介电层上方设置第一金属；在所述第一金属 上方设置第二金属；以及去除所述第二金属的预定部分以形成所述第二金属的底部和从所 述第二金属的底部的端部延伸的侧壁部分，其中，所述第一金属包括与所述第二金属不同 的材料，并且所述侧壁部分和所述底部之间的界面的长度与所述底部的长度呈预定比率。
[0021] 在上述方法中，去除所述第二金属的预定部分包括光刻操作和蚀刻操作。
[0022] 在上述方法中，去除所述第二金属的预定部分包括将所述半导体结构的阈值电压 调节至大于l〇〇mV的范围内。
[0023] 在上述方法中，去除所述第二金属的预定部分包括根据所述半导体结构的期望的 阈值电压形成处于预定尺寸和形状的所述底部和所述侧壁部分。
[0024] 在上述方法中，还包括在所述第一金属上设置中间金属层，并且所述中间金属层 与所述第一金属的顶面和所述高k介电层的侧部共形。
【附图说明】
[0025] 当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳理解本发明的各方面。应该注意， 根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺 寸可以任意地增大或减小。
[0026] 图1A是根据本发明的一些实施例的晶体管的右侧立体图。
[0027] 图1B是根据本发明的一些实施例的晶体管的左侧立体图。
[0028] 图1C是根据本发明的一些实施例的晶体管的正面截面图。
[0029] 图2A是根据本发明的一些实施例的FinFET的正面立体图。
[0030] 图2B是根据本发明的一些实施例的FinFET的背面立体图。
[0031] 图2C是根据本发明的一些实施例的沿着AA'截取的图2A的FinFET的截面图。
[0032] 图3是根据本发明的一些实施例的半导体结构的示意图。
[0033] 图3A是根据本发明的一些实施例的具有L形的第二金属的侧壁部分的半导体结 构的示意图。
[0034] 图3B是根据本发明的一些实施例的具有三角形的第二金属的侧壁部分的半导体 结构的示意图。
[0035] 图4是根据本发明的一些实施例的半导体结构的示意图。
[0036] 图4A是根据本发明的一些实施例的具有第二金属的侧壁部分的形状的组合的半 导体结构的示意图。
[0037] 图4B是根据本发明的一些实施例的具有第二金属的侧壁部分的形状的另一组合 的半导体结构的示意图。
[0038] 图5是根据本发明的一些实施例的半导体结构的示意图。
[0039] 图6是根据本发明的一些实施例的制造半导体结构的方法的流程图。
[0040] 图6A是根据本发明的一些实施例的具有覆盖间隔件和牺牲栅电极的层间介电层 的半导体结构的示意图。
[0041] 图6B是根据本发明的一些实施例的具有平坦化的层间介电层、间隔件和牺牲栅 电极的半导体结构的示意图。
[0042] 图6C是根据本发明的一些实施例的具有腔的半导体结构的示意图。
[0043] 图6D是根据本发明的一些实施例的具有高k介电层的半导体结构的示意图。
[0044] 图6E是根据本发明的一些实施例的具有第一金属的半导体结构的示意图。
[0045] 图6F是根据本发明的一些实施例的具有中间金属层的半导体结构的示意图。
[0046] 图6G是根据本发明的一些实施例的具有第二金属的半导体结构的示意图。
[0047] 图6H是根据本发明的一些实施例的具有预定尺寸和形状的第二金属的半导体结 构的示意图。
[0048] 图61是根据本发明的一些实施例的具有三角形的第二金属的侧壁部分的半导体 结构的示意图。
[0049] 图6J是根据本发明的一些实施例的具有L形的第二金属的侧壁部分的半导体结 构的示意图。
[0050] 图6K是根据本发明的一些实施例的具有栅极填充金属的半导体结构的示意图。
【具体实施方式】
[0051] 以下公开内容提供了许多用于实现所提供主题的不同特征的不同实施例或实例。 下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本 发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二 部件形成为直接接触的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外 的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本发明可在各个实 例中重复参考标号和/或字母。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨 论的各个实施例和/或配置之间的关系。
[0052] 而且，为便于描述，在此可以使用诸如"在…之下"、"在…下方"、"下部"、"在…之 上"、"上部"等的空间相对术语，以便于描述如图所示的一个元件或部件与另一个（或另一 些）元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操 作中的不同方位。装置可以以其他方式定向（旋转90度或在其他方位上），而在此使用的 空间相对描述符可以同样地作相应的解释。
[0053] -种半导体器件包括晶体管。图1A和图1B分别示出了晶体管的实施例的右侧立 体图和左侧立体图。图1C是图1A和图1B的晶体管的正视图。晶体管包括衬底14和设置 在衬底14的表面上方的替代金属栅极10。在源极区11和漏极区12之间制造替代金属栅 极10〇
[0054] 在另一个半导体器件中，晶体管配置为具有作为FinFET(鳍式场效应晶体管）的 多个鳍。图2A和图2B示出了FinFET的实施例的正视图和后视图。图2C是沿着AA'截取 的图2A的