具有电镀金属栅极的场效应晶体管以及金属栅极的制造方法技术

公开了一种制造ＦＥＴ金属栅极的方法，其中金属栅极包括至少一部分通过电镀淀积的材料，ＦＥＴ器件包括至少部分镀覆的金属栅极。还公开了一种制造ＦＥＴ金属栅极的方法，其中金属栅极包括至少一部分镀覆的材料，并且该方法包括以下步骤：选择具有上表面和凹陷区的衬底；在衬底上保形淀积薄导电籽层；以及在籽层上电镀填充栅极金属，填充并过填充凹陷区。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及具有金属栅极的场效应晶体管(FET)和互补金属氧化物半导体(CMOS)器件，其中金属栅极包括至少一部分通过电镀淀积的材料。本专利技术还涉及在含有至少部分镀覆的金属栅极叠层的FET器件中制造金属栅极的镀覆方法。
技术介绍
先进的互补金属氧化物半导体(CMOS)器件越来越多的利用金属栅极材料代替更传统的掺杂的多晶硅(poly-Si)，以便避免“多晶硅损耗”和“硼渗透”效应。用作栅极材料的特定金属的选择受到许多因素的影响，例如，所希望的功函数和电阻率、栅极要接触的栅极电介质的类型(高k或其它)、栅极金属预计要承受的热负荷(thermal budget)以及避免损坏(damage-free)的栅极金属淀积工艺的存在。虽然在某些类型的CMOS中例如钨(W)等中等带隙(mid-gap)金属对于n型场效应晶体管(n-FET)和p型场效应晶体管(p-FET)都是可接受的，但是在已知为“双金属/双功函数”CMOS的方法中，往往希望使用适合p-FET的栅极金属(高功函数)和适合n-FET的栅极金属(低功函数)。通常，CMOS器件的金属栅极由纯金属或合金、金属或金属合金硅化物或者含有金属的导电氧化物或硅化物的一层或多层构成，这些层中的至少一层与器件的栅极电介质接触。双层金属栅极包括，例如，薄底部“覆层”或“功函数设置”层(与下面的栅极电介质接触)以及提供良好的导电性的厚上部“填充层”。在p-FET的条件下，钌(Ru)或者单独作为金属栅极，或者在与W的厚填充层的组合中作为薄覆层。金属栅极CMOS的制造方法常常利用置换栅极工艺流程，其中栅极金属材料填充通过去掉“假栅极”(在工艺中预先由“牺牲位置占据”材料形成的)产生的间隙。置换栅极工艺的优点是允许在掺杂剂激活退火(往往是最高温度的工艺步骤)之后淀积金属。常常与该工艺有关的缺点是大多数金属淀积技术不能填充所需尺寸的间隙(例如，宽度＜0.1μm，深度＞0.2μm)而不留下空隙或小孔。间隙填充置换栅极结构的现有方法存在某些缺点。例如，在一个方法中，原位掺杂的多晶硅淀积在金属覆层上的间隙中。多晶硅适于间隙填充，但是其导电性相对较差，并且其处理温度一般高于覆层所能承受的温度。在另一个方法中，采用通过使用W(CO)6前体的化学汽相淀积(CVD)形成的薄W的第一层作为间隙的衬里(包含或不包含预先淀积的金属覆层)。然后用采用WF6前体淀积的W的第二层进行间隙填充。不幸的是，来自WF6前体的W往往不能以希望的程度填充间隙。在“单金属/双功函数”CMOS的方法中，在n-FET和p-FET器件区域上淀积一种栅极材料，然后修改，从而在n-FET器件区域中具有适合n-FET的功函数，在p-FET器件区域中具有适合p-FET的功函数。例如，在“Electrical properties of Ru-based alloy gate electrodesfor dual metal gate Si-CMOS”，IEEE Electron Device Letters 23 354(2002)中，Misra等人在n-FET和p-FET器件区域上淀积具有n-FET功函数的钌-钽(Ru-Ta)合金，然后通过额外Ru的淀积和退火将Ru-Ta合金转换为具有p-FET功函数的富Ru的Ru-Ta合金(在p-FET器件区域)。还可以参看Zhong等人的“Properties of Ru-Ta Alloys asGate Electrodes for NMOS and PMOS Silicon Devices”，IDEM 01 467(2001)。如果可以只在p-FET器件区域中选择性的淀积Ru，则可以简化该额外Ru的构图Ru层的制造。下面详细介绍克服以上讨论的至少一个缺点的途径和方法。
技术实现思路
本专利技术涉及制造FET金属栅极的方法，其中金属栅极包括至少一部分通过电镀淀积的材料。在一个实施例中，本专利技术涉及制造FET金属栅极的方法，其中金属栅极包括至少一部分镀覆的材料，并且该方法包括以下步骤选择具有上表面和凹陷区的衬底；在衬底上保形淀积薄导电籽层；以及在籽层上电镀填充物栅极金属，填充并过填充凹陷区。本专利技术还涉及包含至少部分镀覆的金属栅极的FET器件。附图说明通过下面结合附图对本专利技术的详细介绍，本专利技术的这些和其它特征将变得显而易见，其中图1A-1F示出了制造至少部分镀覆金属栅极叠层的示例性工艺步骤的剖面图；图2A-2E示出了图1A-1E的镀覆工艺的贯穿掩模版本的剖面图；图3A-3G示出了可以用于形成双功函数栅极的图2A-2D的贯穿掩模镀覆工艺的变型的剖面图；图4示出了在对应于图1D的工艺阶段电镀的Ru栅极结构的剖面电子显微图；以及图5A-5B示出了本专利技术的两个FET器件的结构。具体实施例方式本专利技术提供一种制造包含金属栅极叠层的FET的方法，其中通过电镀淀积金属栅极叠层的至少一部分。在一个实施例中，本专利技术提供一种包含至少部分镀覆金属栅极的FET器件的结构。在本实施例中，可以在导电籽层上形成镀覆的金属。在另一个实施例中，本专利技术提供一种制造FET的金属栅极的方法。在该方法中，利用置换栅极工艺，用导电籽层作填充的栅极空腔的衬里，然后用至少一种电镀金属填充和过填充，镀覆可以覆盖或通过部分遮挡的掩模(a block-out mask)。镀覆之后，通过例如化学机械抛光工艺去掉在栅极空腔上部的多余的金属。上述工艺的“贯穿掩模镀覆”版本还可以为双功函数FET栅极提供较简单的途径(在美国专利Nos.6,188,120和6,391,773中提供了贯穿掩模镀覆的一般介绍，其整个公开在这里作为参考引入)。在这种工艺的一个例子中，在n-FET和p-FET器件区域上覆盖淀积的具有n-FET的功函数Ru-Ta合金籽层。然后通过贯穿掩模镀覆额外的Ru并退火，在p-FET器件区域上将该层选择性地转换为具有p-FET功函数的富Ru的Ru-Ta合金。下面详细介绍的至少一个方法在置换栅极工艺流程中提供无空隙金属栅极。下面详细介绍的至少一个方法还提供FET的金属栅极叠层，其中电镀金属栅极叠层的至少一部分。另外，这些方法中的至少一个提供形成单金属/双功函数的栅极，其中电镀至少一个金属栅极叠层的至少一部分。这些方法中的至少一个还降低CMOS金属栅极的双金属/双功函数的复杂性。落入本专利技术范围内的一个方法包括制造至少部分镀覆的金属栅极叠层，如图1A-1E所示。图1A示出了具有上表面15和在上表面下延伸的栅极形状的凹陷区或空腔20的衬底10。然后在衬底10上淀积可选的覆层或功函数设置层30。可选的覆层可以是连续的(如图1B所示)、不连续的(例如，在一部分或全部水平表面上淀积，而不在垂直表面上淀积)或者完全省略。然后，例如，如图1C所示(该层加在图1B所示结构的位置)增加导电籽层40，从而形成籽层作衬里的栅极空腔45。导电籽层可以包括一个或多个连续的导电层，其最上层可以是金属，在金属上可以电镀。图1D示出了在使用覆盖电镀工艺用电镀金属50填充和过填充预镀覆的栅极空腔45之后图1C的结构。电镀的金属可以有或没有接缝55。图1E示出了在通过例如化学机械抛光工艺去掉上衬底表面15上的镀覆金属和覆层/籽层，留下包含复合金属栅极60的平面结构之后图1D的结构。用来形成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造场效应晶体管的金属栅极的方法，所述金属栅极包括镀覆材料，所述方法包括：选择具有上表面和在所述上表面下面延伸的凹陷区的衬底，所述凹陷区限定所述金属栅极所需的位置和尺寸；在所述衬底上保形淀积导电籽层；在所述导电籽 层上电镀填充栅极金属，填充并过填充所述凹陷区；以及去掉所述填充栅极金属和所述导电籽层的至少一部分，暴露出所述衬底的所述上表面的至少一部分。

【技术特征摘要】
US 2003-10-29 10/694,7931.一种制造场效应晶体管的金属栅极的方法，所述金属栅极包括镀覆材料，所述方法包括选择具有上表面和在所述上表面下面延伸的凹陷区的衬底，所述凹陷区限定所述金属栅极所需的位置和尺寸；在所述衬底上保形淀积导电籽层；在所述导电籽层上电镀填充栅极金属，填充并过填充所述凹陷区；以及去掉所述填充栅极金属和所述导电籽层的至少一部分，暴露出所述衬底的所述上表面的至少一部分。2.根据权利要求1的方法，其中通过抛光或减法构图实现去掉所述填充栅极金属和所述导电籽层的至少一部分，以暴露出所述衬底的所述上表面的至少一部分。3.根据权利要求1的方法，其中凹陷区小于1微米宽并小于1微米深。4.根据权利要求1的方法，还包括在淀积所述导电籽层之前，在所述衬底上淀积导电覆层。5.根据权利要求4的方法，其中凹陷区从大约20nm到大约500nm宽，从大约20nm到大约300nm深，导电籽层优选从大约1nm到大约30nm厚，导电覆层优选从大约0.05nm到大约15nm厚。6.根据权利要求4的方法，其中以贯穿掩模电镀工艺电镀填充栅极金属，其中在用填充栅极金属电镀之前在不需要镀覆的区域的至少一部分上涂覆遮挡掩模。7.根据权利要求1的方法，其中导电籽层包括金属、金属合金、金属硅化物、金属合金硅化物、含有金属的导电氧化物或者含有金属的导电硅化物，其中金属从由Al、Co、Cr、Fe、In、Ir、Hf、Mg、Mo、Mn、Ni、Pd、Pt、La、Os、Nb、Rh、Re、Ru、Sn、Ta、Ti、V、W、Y和Zr构成的组中选择。8.根据权利要求7的方法，其中导电籽层用由C、B、O、N、Si、Ge、P、As和Sb构成的组中选择的至少一种非金属元素掺杂。9.根据权利要求4的方法，其中导电覆层包括金属、金属合金、金属硅化物、金属合金硅化物、含有金属的导电氧化物或者含有金属的导电硅化物，其中金属从由Al、Co、Cr、Fe、In、Ir、Hf、Mg、Mo、Mn、Ni、Pd、Pt、La、Os、Nb、Rh、Re、Ru、Sn、Ta、Ti、V、W、Y和Zr构成的组中选择。10.根据权利要求9的方法，其中导电覆层用由C、B、O、N、Si、Ge、P、As和Sb构成的组中选择的至少一种非金属元素掺杂。11.根据权利要求1的方法，其中填充栅极金属包括金属或金属合金，其中金属从由Al、Co、Cr、Fe、In、Ir、Hf、Mg、Mo、Mn、Ni、Pd、Pt、La、Os、Nb、Rh、Re、Ru、Sn、Ta、Ti、V、W、Y和Zr构成的组中选择。12.根据权利要求11的方法，其中填充栅极金属用由C、B、O、N、Si、Ge、P、As和Sb构成的组中选择的至少一种非金属元素掺杂。13.根据权利要求4的方法，其中导电覆层包括金属或金属合金，其中金属从由W和Mo构成的组中选择，填充栅极金属包括金属或金属合金，其中金属从由Ir、Pt、Ru和Rh构成的组中选择。14.根据权利要求4的方法，其中导电覆层包括金属或金属合金，其中金属从由Ir、Pd、Pt、Re、Rh和Ru构成的组中选择，填充栅极金属包括金属或金属合金，其中金属从由Ir、Pt、Ru和Rh构成的组中选择。15.根据权利要求4的方法，其中导电覆层包括金属、金属合金或金属氮化物，其中金属从由Ti、Ta和W构成的组中选择，填充栅极金属包括金属或金属合金，其中金属从由Ir、Pt、Ru和Rh构成的组中选择。16.根据权利要求1的方法，其中填充栅极金属包括金属或金属合金，其中金属为Ru。17.根据权利要求16的方法，其中导电籽层包括金属、金属合金或金属氮化物，其中金属从由Ta和Ru构成的组中选择。18.一种制造n-FET和p-FET金属栅极的方法，其中所述栅极的至少一个包括镀覆材料，所述方法包括选择具有上表面和在所述上表面下面延伸的至少两个凹陷区的衬底，所述凹陷区限定至少一个n-FET栅极和至少一个p-FET栅极处；在所述衬底上覆层淀积具有n-FET功函数的籽层；用抗蚀剂掩蔽该至少一个n-FET栅极；在该...

【专利技术属性】
技术研发人员：凯瑟琳L斯恩格，小西里尔卡巴拉尔，伊曼纽尔I库珀，哈里卡利亚得里格亚尼，帕纳约蒂斯安德里卡科斯，菲利普M维里肯，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]