场效应晶体管的金属栅电极制造技术

公开了一种集成电路制造，更具体而言，公开了具有低电阻金属栅电极的场效应晶体管。用于场效应晶体管的金属栅电极的示例性结构包括由第一金属材料形成的下部，其中所述下部具有凹部、底部和侧壁部，其中每个侧壁部具有第一宽度；以及由第二金属材料形成的上部，其中所述上部具有突出部和本体部，其中所述本体部具有第二宽度，其中所述突出部延伸至凹部内，其中第二宽度与第一宽度的比值为约5至10。本发明专利技术还提供了一种场效应晶体管的金属栅电极。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及集成电路制造，具体而言，涉及具有金属栅电极的场效应晶体管。
技术介绍
在大量的诸如计算机、移动电话及其他的电子器件中使用半导体器件。半导体器件包括在半导体晶圆上形成的集成电路(IC)，通过在半导体晶圆上方沉积很多类型的材料薄膜，并图案化材料薄膜来形成1C。IC包括场效应晶体管(FET)，比如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。随着技术节点的缩小，在一些IC设计中，一直期望用金属栅电极替换通常所用的·多晶硅栅电极来改进部件尺寸减小的器件性能。形成金属栅电极的一个工艺被称为“后栅极”工艺，在该工艺中，在所有其他的晶体管元件之后最后制造金属栅电极，该工艺实现了后续工艺数量的减少，该后续工艺包括必须在栅极形成之后实施的高温处理。然而，在互补金属氧化物半导体(CMOS)制造中实施这些部件和工艺仍然存在众多挑战。随着栅极长度和器件之间的间隔的减小，加剧了这些问题。例如，在“后栅极”制造工艺中，对FET难以实现低栅电阻，因为在用于高纵横比沟槽的间隙填充的金属层沉积之后在金属栅电极中生成空隙，从而增加了器件不稳定和/或器件故障的可能性。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，根据本专利技术的一个方面，提供了一种用于场效应晶体管的金属栅电极，包括下部，由第一金属材料形成，其中，所述下部具有凹部、底部和侧壁部，其中每个所述侧壁部具有第一宽度，以及上部，由第二金属材料形成，其中，所述上部具有突出部和本体部，其中所述本体部具有第二宽度，其中所述突出部延伸至所述凹部内，其中所述第二宽度与所述第一宽度的比值是约5至10。在上述金属栅电极中，其中，所述下部基本上是U形的。在上述金属栅电极中，其中，所述下部的最大高度与所述上部的最小高度的比值是 O. I 至 O. 9。在上述金属栅电极中，其中，所述第一金属材料包括选自TiN、TaN和WN的组的材料。在上述金属栅电极中，其中，所述上部基本上是T形的。在上述金属栅电极中，其中，所述第二金属材料包括N型功函数金属。在上述金属栅电极中，其中所述第二金属材料包括N型功函数金属，并且其中所述N型功函数金属包括选自Ti、Ag、Al、TiAl、TiAlN, TaC, TaCN, TaSiN, Mn和Zr的组的金属。在上述金属栅电极中，其中所述第二金属材料包括N型功函数金属，其中，所述第二金属材料进一步包括位于所述N型功函数金属上方的信号金属。在上述金属栅电极中，其中，所述第二金属材料包括功函数金属，其中所述功函数金属包括底部和侧壁部，所述底部具有第一厚度，所述侧壁部具有小于所述第一厚度的第二厚度。在上述金属栅电极中，其中所述第二金属材料包括功函数金属，其中所述功函数金属包括底部和侧壁部，所述底部具有第一厚度，所述侧壁部具有小于所述第一厚度的第二厚度，其中所述第二厚度与所述第一厚度的比值是O. 5至O. 9。在上述金属栅电极中，其中所述第二金属材料包括P型功函数金属。在上述金属栅电极中，其中所述第二金属材料包括P型功函数金属，其中所述P型功函数金属包括选自TiN、WN、TaN和Ru的组的金属。在上述金属栅电极中，其中所述第二金属材料包括P型功函数金属，其中所述第二金属材料进一步包括位于所述P型功函数金属上方的信号金属。 在上述金属栅电极中，其中所述第二金属材料包括功函数金属，其中所述功函数金属包括底部和侧壁部，所述底部具有第一厚度，所述侧壁部具有基本上等于所述第一厚度的第二厚度。根据本专利技术的另一方面，还提供了一种制造场效应晶体管的金属栅电极的方法，包括提供包括隔离区的衬底，所述隔离区围绕有源区；在所述有源区上方形成介电层；在所述介电层中形成开口 ；用高介电常数材料部分地填充所述开口 ；在所述高介电常数材料上方用共形第一金属材料部分地填充所述开口 ；在所述第一金属材料上方用保护层填充所述开口 ；将所述保护层平坦化至所述高介电常数材料；采用湿式蚀刻工艺以包含h202、NH4OH, HC1、H2SO4、和稀HF的溶液部分地去除所述开口中的所述第一金属材料和所述保护层；采用湿式蚀刻工艺以包含NH4OH和稀HF的溶液完全去除所述开口中的剩余的所述保护层；在所述开口中在剩余的所述第一金属材料上方沉积第二金属材料；以及平坦化所述第二金属材料。在上述方法中，其中所述第一金属材料包括选自TiN、TaN和WN的组的材料。在上述方法中，其中所述第二金属材料包括功函数金属，其中所述功函数金属包括底部和侧壁部，所述底部具有第一厚度，所述侧壁部具有小于所述第一厚度的第二厚度。在上述方法中，其中所述第二金属材料包括功函数金属，其中所述功函数金属包括底部和侧壁部，所述底部具有第一厚度，所述侧壁部具有基本上等于所述第一厚度的第二厚度。在上述方法中，其中所述第二金属材料包括功函数金属，其中所述功函数金属包括底部和侧壁部，所述底部具有第一厚度，所述侧壁部具有基本上等于所述第一厚度的第二厚度，其中所述第二金属材料包括N型功函数金属。在上述方法中，其中所述第二金属材料包括P型功函数金属。附图说明当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本专利技术。应该强调的是，根据工业中的标准实践，各种部件没有被按比例绘制并且仅仅用于说明的目的。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增加或减少。图I是示出了根据本专利技术的各个方面的制造场效应晶体管的金属栅电极的方法的流程图；以及图2A至图2H示出了在根据本专利技术的各个方面的制造的各个阶段，包括金属栅电极的场效应晶体管的示意性剖面图。具体实施例方式可以了解为了实施本专利技术的不同部件，以下公开内容提供了许多不同的实施例或者实例。在下面描述元件和布置的特定实例以简化本专利技术。当然，这些仅仅是实例并不打算限定。例如，在下面的描述中第一部件在第二部件上或者上方的形成可以包括其中第一部件和第二部件以直接接触形成的实施例，并且也可以包括其中在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。为了简明和清楚，可以任意地以不同的比例绘制各个部件。此外，本专利技术提供了“后栅极”金属栅极工艺的实例，然而，本领域技术人员可以意识到适用于其他材料的其他工艺和/或使用。参考图1，示出了根据本专利技术的各个方面制造场效应晶体管的金属栅电极的方法100的流程图。方法100开始于步骤102，在步骤102中，提供了包括围绕有源区的隔离区的衬底。方法100继续到步骤104，在步骤104中，在有源区上方形成介电层。方法100继 续到步骤106，在步骤106中，在介电层中形成开口。方法100继续到步骤108，在步骤108中，用高介电常数(高_k)材料部分地填充开口。方法100继续到步骤110，在步骤110中，在高介电常数材料上方用共形第一金属材料部分地填充开口。方法100继续到步骤112，在步骤112中，在第一金属材料上方用保护层填充开口。方法100继续到步骤114，在步骤114中，将保护层平坦化至高介电常数材料。方法100继续到步骤116，在步骤116中，采用湿式蚀刻工艺以包含H2O2、NH40H、HCUH2SO4，和稀HF的溶液，部分地去除开口中的第一金属材料和保护层。方法100继续到步骤118，在步骤118中，采用湿式蚀刻工艺以包含NH4OH和稀HF的溶液完全去除开口中剩余的保护本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于场效应晶体管的金属栅电极，包括：下部，由第一金属材料形成，其中，所述下部具有凹部、底部和侧壁部，其中每个所述侧壁部具有第一宽度，以及上部，由第二金属材料形成，其中，所述上部具有突出部和本体部，其中所述本体部具有第二宽度，其中所述突出部延伸至所述凹部内，其中所述第二宽度与所述第一宽度的比值是约5至10。

【技术特征摘要】
2011.07.25 US 13/189,7321.一种用于场效应晶体管的金属栅电极，包括 下部，由第一金属材料形成，其中，所述下部具有凹部、底部和侧壁部，其中每个所述侧壁部具有第一宽度，以及 上部，由第二金属材料形成，其中，所述上部具有突出部和本体部，其中所述本体部具有第二宽度，其中所述突出部延伸至所述凹部内，其中所述第二宽度与所述第一宽度的比值是约5至10。2.根据权利要求I所述的金属栅电极，其中，所述下部基本上是U形的，所述上部基本上是T形的，所述下部的最大高度与所述上部的最小高度的比值是O. I至O. 9。3.根据权利要求I所述的金属栅电极，其中，所述第一金属材料包括选自TiN、TaN和WN的组的材料。4.根据权利要求I所述的金属栅电极，其中，所述第二金属材料包括N型功函数金属，其中所述N型功函数金属包括选自Ti、Ag、Al、TiAl、TiAlN、TaC、TaCN、TaSiN、Mn和Zr的 组的金属，其中所述第二金属材料进一步包括位于所述N型功函数金属上方的信号金属。5.根据权利要求I所述的金属栅电极，其中，所述第二金属材料包括功函数金属，其中所述功函数金属包括底部和侧壁部，所述底部具有第一厚度，所述侧壁部具有小于所述第一厚度的第二厚度，其中，所述第二厚度与所述第一厚度的比值是O. 5至O. 9。6.根据权利要求I所述的金属栅电极，其中，所述第二金属材料包括P型功函数金属，其中，所述P型功函数金属包括选自TiN、WN、TaN和Ru的组的金属，其中，所述第二金属材料进一步包括位于所述P型功函数金...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯承浩，林秉顺，李达元，于雄飞，周群渊，徐帆毅，陈建豪，许光源，
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：