单一金属闸极互补式金氧半导体元件制造技术

本发明专利技术是有关于一种单一金属闸极互补式金氧半导体元件。依据本发明专利技术的一种半导体元件，包含在基板结构上形成ｐ－型金氧半导体电晶体，ｐ－型金氧半导体电晶体包含位于基板结构上的源极／汲极及其扩散区域、定义于源极与汲极之间的通道区域、覆盖于通道区域上的闸介电层及位于闸介电层上的闸极。相对于半导体基板而言，闸极是利用具有ｎ－型功函数的材料形成，并处理闸极使闸极相对于半导体基板而言具有中能隙型或ｐ－型功函数。本发明专利技术提供了一种利用单一金属来形成闸极的互补金氧半导体元件及其制造方法，适用于形成ｎ－型金氧半导体电晶体及ｐ－型金氧半导体电晶体。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体元件，特别是涉及一种具有与n-型金氧半导体电晶体闸极相同金属闸极的p-型金氧半导体电晶体，以及此单一金属闸极互补型金氧半导体元件及其制造方法。
技术介绍
由于互补型金氧半导体元件具有低耗电量的特性，因此在电子电路中的应用已经日趋广泛。互补型金氧半导体(complementarymetal-oxide-semiconductor；CMOS)元件包含一组成对的p-型金氧半导体电晶体(p-type MOS；PMOS)与n-型金氧半导体电晶体(n-typeMOS；NMOS)。一般来说，只有p-型或n-型金氧半导体电晶体其中之一会处于开启状态以导通电流。为了得到最佳的效能，例如，输出范围的整个振幅应该在电源供应电压、互补型金氧半导体元件上的p-型及n-型电晶体之间具有相当接近的临界电压(threshold voltage)。例如，某个小规模的集成电路，其p-型电晶体要求的临界电压为0.2伏特到0.4伏特，因而其n-型电晶体的临界电压亦应为0.2伏特到0.4伏特之间。请参阅图1A所示，是绘示现有传统的金氧半导体电晶体100的结构示意图。金氧半导体电晶体100形成于基板102上，并包含源极104及汲极106，源极104及汲极106皆具有一扩散区域于基板102上，通道108则定义于源极104与汲极106之间。金氧半导体电晶体100亦包含形成于通道108上的闸介电层110及闸极112。闸介电层110可包含一绝缘材料，例如氧化硅或金属氧化物，闸极112可包含一导电材料，例如掺杂多晶硅或金属。金氧半导体电晶体100的临界电压取决于一些因素，包括基板102的掺杂浓度、基板102的能带(band)结构、闸介电层110以及闸极112的属性。请参阅图1B到图1D所示，是绘示图1A所示的金氧半导体电晶体100的由A到A’的能带图，用以解释临界电压的决定方式。图1B是绘示当闸极112、闸介电层110以及基板102彼此分开时的能阶，并以一平面方式来说明其能带结构。基板102掺杂了n-型杂质，而金氧半导体电晶体100则为一p-型金氧半导体电晶体。如图1B所示，能隙EGate与EF分别为闸极112与基板102的费米能级(Fermi level)，费米能级定义为电子为填满状态的机率为二分之一时的能阶。材料的功函数(workfunction)被定义为材料的原子中的一个电子由费米能阶转移至空乏能阶(vacuum level)(即到原子的外部)所需的能量。因此，如图1B所示，qΦGate为闸极112的功函数，qΦS为基板102的功函数，其中q为电子所带的电荷。图1B亦绘示了导带ECK(conduction band)、价带EVA(valence band)及闸介电层110的电子亲和力qxi。其中，电子亲和力(qxi)定义为空乏能阶与导带底部之间的能量。图1B更进一步显示出导带EC、价带EV及基板102的中能隙(mid-gap)能阶Ei。qΨB为基板102的费米能阶EF与中能隙能阶Ei之间的差值，qΦis为介于闸介电层110与基板102间的电子能障(electronenergy barrier)。当将闸极112、闸介电层110及基板102组合在一起形成金氧半导体结构时，可存在许多不同的载子(carrier)运输机制，例如电子及/或电洞自然的由高能阶向低能阶移动。举例来说，如果基板102的费米能阶高于闸极112的费米能阶，即基板102比闸极112具有更多电子处于高能阶中，电子可经由两者间的穿隧(tunneling)自基板102穿过闸介电层110(当闸介电层110很薄时)及/或克服基板102与闸介电层110间的能障qΦis到达闸极112，如此不断移动直到平衡状态。因此，如果没有在闸极112或基板102施加电压，在达到平衡状态时，闸极112及基板102的费米能阶会相等。图1C绘示当未施加电压于闸极112或基板102时，图1A所示的p-型金氧半导体电晶体100由A到A’的能带图。如图1C所示，在平衡状态时，闸极112的费米能阶(EGate)克服一位障高度qΦGS向上提升至与基板102的能阶相等，其中qΦGS＝qΦGate-qΦS。为维持空乏能阶的连续性，基板102的能带在介于基板102与闸介电层110间的介面处向上弯曲，而闸介电层110的能阶也朝闸介电层110与闸极112间的介面处向上弯曲。如图1D所示，当由闸极112往基板102方向施加一负向偏压时，闸极112的费米能阶可更进一步往上提升，而基板102的能带则在基板102与闸介电层110的介面处更加向上弯曲。一般来说，强反转(strong inversion)发生于闸介电层110与基板102间的介面，因而会在通道区域108处产生一通道。基板102的费米能阶EF低于靠近闸介电层110与基板102介面之间的中能隙能阶Ei的量，与基板102的费米能阶EF高于其中能隙能阶Ei的量大约相同，即为qΨB。当强反转发生时，p-型金氧半导体电晶体100为开启状态，因此，假设闸介电层110的能阶可克服位障高度qVi使闸介电层110与闸极112间的介面处向上弯曲，则此p-型金氧半导体电晶体100的临界电压可以一方程式(1)来表示|Vth|＝2ΨB-ΦGS+Vi(1)显然地，由方程式(1)可知，为了得到低临界电压的p-型金氧半导体电晶体，可以使用具有较大功函数ΦGate的材料。根据相同的原理，可以在n-型金氧半导体电晶体的闸极使用具有较小功函数ΦGate的材料以得到较小的临界电压。一般来说，为使位于硅基板上的p-型金氧半导体电晶体的临界电压达到0.2伏特至0.4伏特，功函数约为5电子伏特(eV)的材料应为较适当的闸极材料。传统上，互补型金氧半导体元件是选用多晶硅或金属其中之一来作为p-型金氧半导体电晶体及n-型金氧半导体电晶体的闸极，例如，p+多晶硅可被用来作为p-型金氧半导体电晶体的闸极，而n+多晶硅则被用来作为n-型金氧半导体电晶体的闸极。互补型金氧半导体元件亦可利用双金属闸极结构，即利用一个具有较大功函数的金属材料作为p-型金氧半导体电晶体的闸极，而另一个具有较小功函数的金属材料则用来作为n-型金氧半导体电晶体的闸极。互补型金氧半导体元件以多晶硅掺杂p+及n+杂质作为p-型金氧半导体电晶体及n-型金氧半导体电晶体的闸极具有许多优点，例如对闸介电层具有高选择性、容易进行沉积、在处理元件其他部分时具有良好的一致性及易于控制其功函数。然而，多晶硅闸极也存在一些问题，例如闸极空乏效应(depletion effect)、硼(p+多晶硅的掺杂物)进入闸介电层的硼穿透现象(boron penetration)及较低的闸极电阻。同样地，当互补型金氧半导体元件持续缩小以致闸介电层变得非常薄时，载子穿隧进入闸极降低通道区域的载子迁移率造成的声子散射(phonon scattering)效应，会使元件的运作速度降低。另一方面，由于双金属闸极结构的互补型金氧半导体元件需要使用两种不同的金属，也因此需要靠更复杂的制程技术才能达成。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于，提供一种利用单一金属来形成闸极的互补金氧半导体元件及其制造方法，适用于形成n-型金氧半导体电晶体及p-型金氧半导体电晶体。本专利技术的目的及解决其技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体元件，其特征在于其包含：一基板结构，包含一半导体基板；以及一ｐ－型金氧半导体，其包含：一源极及一汲极，分别包含一扩散区域于该基板结构中；一通道区域，定义于该源极与该汲极之间；一闸介电层覆盖于该通道区域之上；以及一闸极覆盖于该闸介电层上，其中该闸极的材料相对于该半导体基板而言具有一ｎ－型功函数，处理该闸极使该闸极相对于该半导体基板具有中能隙型或ｐ－型功函数。

【技术特征摘要】
US 2005-2-3 11/048,8771.一种半导体元件，其特征在于其包含一基板结构，包含一半导体基板；以及一p-型金氧半导体，其包含一源极及一汲极，分别包含一扩散区域于该基板结构中；一通道区域，定义于该源极与该汲极之间；一闸介电层覆盖于该通道区域之上；以及一闸极覆盖于该闸介电层上，其中该闸极的材料相对于该半导体基板而言具有一n-型功函数，处理该闸极使该闸极相对于该半导体基板具有中能隙型或p-型功函数。2.根据权利要求1所述的半导体元件，其特征在于其中以氩、氮、氢、氧、其任意组合或一退火步骤处理该闸极的功函数。3.根据权利要求1所述的半导体元件，其特征在于其中相对于半导体基板而言之为n-型功函数的材料包含钛(Ti)、钽(Ta)、铝(Al)、锆(Zr)、铌(Nb)、氮化坦(TaN)、氮化硅钽(TaSixNy)或钽化钌(Ru1-XTaX)的其中一种。4.根据权利要求1所述的半导体元件，其特征在于其中所述的半导体基板至少包含硅。5.根据权利要求1所述的半导体元件，其特征在于其中所述的基板结构上更包含一磊晶层。6.根据权利要求5所述的半导体元件，其特征在于其中所述的半导体基板包含硅磊晶层及应变锗化硅磊晶层。7.根据权利要求6所述的半导体元件，其特征在于其中所述的基板结构更包含一薄硅覆盖层覆盖于该应变锗化硅之上。8.根据权利要求6所述的半导体元件，其特征在于其中所述的应变锗化硅包含应变Si1-XGeX，其X小于0.7。9.根据权利要求1所述的半导体元件，其特征在于其中所述的闸介电层包含一以铪(Hf)为基础的高介电常数材料层及一层位于该以铪(Hf)为基础的高介电常数材料层上的氧化铝(Al2O3)层。10.根据权利要求9所述的半导体元件，其特征在于其中所述的以铪(Hf)为基础的高介电常数材料包含二氧化铪(HfO2)、硅酸铪(HfSiO)、氮氧化铪(HfNO)或氮氧硅铪(HfSiON)的其中一种。11.一种半导体元件，其特征在于其包含一半导体基板，包含一第一区域及一第二区域；一n-型金氧半导体电晶体，形成于该第一区域，其包含一源极及一汲极，其分别包含一扩散区域，一通道区域，定义于该源极与该汲极之间，一闸介电层，覆盖于该通道区域上，及一闸极，覆盖于该闸介电层上；以及一p-型金氧半导体电晶体，形成于该第二区域，其包含一源极及一汲极，其分别包含一扩散区域，一通道区域，定义于该源极与该汲极之间，一闸介电层，覆盖于该通道区域上，及一闸极，覆盖于该闸介电层上，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志豪，陈尚志，蔡庆威，
申请(专利权)人：台湾积体电路制造股份有限公司，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]