專利名稱：金屬碳化物柵極結(jié)構(gòu)和制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括金屬碳化物的柵極結(jié)構(gòu)。本發(fā)明在并入了雙功函數(shù)金屬柵電極的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件中找到了特殊 應(yīng)用。更具體地說，本發(fā)明涉及雙功函數(shù)金屬柵極，其中雙功函數(shù)由 金屬和金屬碳化物提供。本發(fā)明也涉及一種制造本發(fā)明的金屬柵極器件的方法。
背景技術(shù)：
高級的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件越來越多地利用金 屬柵電極來避免通過摻雜的多晶硅(poly-Si)的傳統(tǒng)柵電極觀測的 "多晶硅耗盡"和"硼穿透"效應(yīng)。用于柵極材料的特定金屬的選擇基于 多方面的考慮，包括柵極所需的功函數(shù)和電阻率、預(yù)計柵極金屬繼續(xù) 存在的熱平衡、柵極電介質(zhì)的類型(高-k的或常規(guī)的)和無損害的 柵極金屬淀積處理的存在。雖然中間能隙的金屬(比如鎢)可用于在 CMOS中的n型場效應(yīng)晶體管(nFET )和p型FET ( pFET)，但理 想的是，在稱為"雙金屬/雙功函數(shù)"CMOS的設(shè)計方法中使用適合于 pFET的一個(高功函數(shù))柵極金屬和適合于nFET的另一 (低功函 數(shù))柵極金屬。如果兩種不同的金屬要求不同的淀積和構(gòu)圖處理，則這種雙金屬 /雙功函數(shù)設(shè)計方案可能非常復(fù)雜。在負(fù)向地構(gòu)圖時特別是這樣的，因 為要淀積的第二種金屬必須被清除而且不能損壞第一種金屬。這種用 于CMOS金屬柵極的雙金屬/雙功函數(shù)方案的復(fù)雜性導(dǎo)致"單金屬/雙 功函數(shù)，，方案更加受到關(guān)注，在單金屬/雙功函數(shù)方案中單種柵極材料 被淀積在nFET和pFET器件區(qū)域上，然后修改以使它在nFET器件 區(qū)域中具有nFET適合的功函數(shù)和在pFET器件區(qū)域中具有pFET適 合的功函數(shù)。在文獻(xiàn)中已經(jīng)描述過"單金屬/雙功函數(shù)，，方法。 一種方法〔v.Misra等人，IEEE Electron Device Letters 23 354 ( 2002 )和H. Zhong 等人，IEDM Tech. Dig,467 ( 2001 )〕建議在n-FET和pFET器件區(qū) 域上淀積具有nFET功函數(shù)的Ru-Ta合金層，然后通過淀積附加的 Ru并退火將Ru-Ta合金轉(zhuǎn)化為具有pFET功函數(shù)的富含Ru的Ru -Ta合金(在pFET器件區(qū)域中)。在另 一方法中，通過氮的離子注入〔P.Ranade等人，Mat. Res. Soc. Proc. 670K5.2 ( 2001 ) ;R. Lin等人，IEEE Electron Device Letters 23 49( 2002 )〕或者氮從富含N的TiN疊層的固態(tài)擴(kuò)散/反應(yīng)〔R丄P丄ander 等人，Mat.Res.Soc. Symp. Proc. 716B5.11 (2002)〕，將具有pFET 功函數(shù)的金屬比如Mo淀積在n-FET和pFET器件區(qū)域上并轉(zhuǎn)化為具 有nFET功函數(shù)的Mo氮化物(在n-FET器件區(qū)域中)。氮化物離子注入方法的缺陷在于它可能損壞下面的柵極電介質(zhì)〔T.Amada等人，Mat. Res. Soc. Symp. Proc.716B7.5 ( 2002 )〕。氮 從TiN的固態(tài)擴(kuò)散產(chǎn)生更少的損壞，但不能提供足夠的功函數(shù)的變化(針對Si02上的Mo達(dá)到 0.5eV，要求 -0.75eV) 。 Ru - Ta合金 方法的缺陷包括鉭與柵極電介質(zhì)反應(yīng)的可能，并且缺乏用于Ru-Ta 合金的化學(xué)汽相淀積(CVD)方法(因為CVD是無需電介質(zhì)損壞的 帶電顆粒轟擊的少數(shù)淀積方法中的一種)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明涉及提供形成用于CMOS的單金屬/雙功函數(shù)柵電極的替 代方法。本發(fā)明解決了上述問題。本發(fā)明涉及一種包含源漏極/區(qū)和柵極區(qū)的半導(dǎo)體器件，其中至 少一個柵電極包括通過使金屬和含碳層反應(yīng)獲得的金屬碳化物。本發(fā)明的另一方面涉及一種雙功函數(shù)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS)電路，這種電路包括具有由導(dǎo)電材料形成的柵電極的至少 一個FET和具有包括通過使金屬和含碳層反應(yīng)獲得的金屬碳化物的
柵電極的至少一個FET，其中該金屬不同于該導(dǎo)電材料。本發(fā)明還涉及一種雙功函數(shù)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)電路，這種電路包括具有由第一金屬形成的柵電極的至少一個FET，和 具有由所說的第一金屬的碳化物形成的柵電極的至少一個FET。 本發(fā)明的另一方面涉及一種形成用于FET的柵極的方法，該方法包括提供襯底、在所說的襯底上淀積金屬和含碳層并使所說的金屬和含碳層反應(yīng)以形成用于提供柵電極的金屬碳化物。本發(fā)明的進(jìn)一方面涉及一種在襯底上形成雙功函數(shù)CMOS器件的方法。該方法包括在第一和第二組柵極區(qū)上淀積金屬層；提供與所說的第一和第二組柵極區(qū)中的一組接觸但不在所說的 第一和第二組柵極區(qū)中的另一組上的含碳層，所說的含碳層與在所說的第一和第二組柵極區(qū)中的所述一組上的所說的金屬層直接接觸；使在所說的第 一 和第二組柵極區(qū)中的所述一 組上的所說的含碳 層與在所說的第一和第二組柵極區(qū)中的所述一組上的所述金屬反應(yīng)以 形成金屬碳化物。通過下文的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)對于本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員來說是顯然的，其中僅僅通過對實施本發(fā)明的最佳模式的示 例來描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。正如下文所實現(xiàn)，本發(fā)明能夠以其它 的不同的實施例實施，它的多種細(xì)節(jié)能夠在不同方面進(jìn)行修改而不脫 離本發(fā)明。因此，本發(fā)明的描述是示例性的而不是限制性的。


附圖1A-1E所示為以剖視圖的方式示出了用于制造CMOS柵電極的本發(fā)明方法的基本步驟；附圖2A-2D所示為附圖1的方法的第一種變型； 附圖3A-3D所示為附圖1的方法的第二種變型； 附圖4A-4D所示為附圖1的方法的第三種變型；
附圖5A - 5H所示為適合于替換柵極處理流程的附圖1的方法的變型；附圖6A-6C比較對應(yīng)于本發(fā)明三種實施例的試樣的幾何結(jié)構(gòu)的 Mo碳化物的形成；和附圖7所示為用于確定mo和Mo2C電容器電極的功函數(shù)的電容 -電壓(C-V)測量。
具體實施方式
本發(fā)明涉及包括具有柵電極的至少一個FET的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。為 了便于理解本發(fā)明，下文的詳細(xì)描述涉及"單金屬雙功函數(shù)"金屬柵極 的優(yōu)選方面。根據(jù)優(yōu)選方面，本發(fā)明提供一種"單金屬/雙功函數(shù)"金屬柵極的 新方法，其中雙功函數(shù)通過金屬和金屬的碳化物提供。因此，本發(fā)明的一方面涉及一種雙功函數(shù)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS)電路，這種電路包括具有由第一金屬和至少一種附加元素形成的柵電極的至少一個FET,和具有由所說的第一金屬的碳化物形成的柵電極的至少一個FET。 本發(fā)明也提供一種雙功函數(shù)CMOS電路，這種電路包括 具有由第一金屬和至少一種附加元素形成的柵電極的至少一個 FET，和具有由所說的第一金屬的碳化物形成的柵電極的至少一個FET。 根據(jù)本發(fā)明的雙功函數(shù)CMOS結(jié)構(gòu)可以通過如下方式制造在 nFET和pFET器件區(qū)域上淀積具有第一功函數(shù)的金屬，然后與在所 選擇的區(qū)域中的含碳層反應(yīng)以形成具有不同于第一功函數(shù)的第二功函 數(shù)的金屬碳化物。為本發(fā)明的目的，術(shù)語"碳化物，，被定義為碳與比碳 更加正電性的一種或多種元素的化合物或混合物。根據(jù)本發(fā)明在襯底上制造雙功函數(shù)CMOS結(jié)構(gòu)的一種處理技術(shù)包括
-淀積具有第一功函數(shù)的金屬層；-對金屬層進(jìn)行構(gòu)圖以形成第一和第二組柵極狀結(jié)構(gòu)；-形成經(jīng)構(gòu)圖的含碳的材料層以使含碳的材料淀積在襯底上柵極狀結(jié)構(gòu)的第 一和第二組中的 一組上但沒有淀積在柵極狀結(jié)構(gòu)的第一和第二組中的另一組上；—在經(jīng)構(gòu)圖的含碳的材料和金屬都存在的區(qū)域中使經(jīng)構(gòu)圖的含碳材料與金屬反應(yīng)以形成具有第二功函數(shù)的材料；-可選擇地消除在反應(yīng)之后殘留的碳?xì)堄辔?；?可選擇地在惰性氣體或活性環(huán)境中退火以修復(fù)任何處理損傷。提供經(jīng)構(gòu)圖的含碳層的實例包括淀積含碳層和通過一種過程比如活性離子蝕刻從所說的第 一和第二組柵極區(qū)中的 一組中有選擇地清除含碳層同時在所說的第一和第二組柵極區(qū)中的另一組上保留含碳層，從而對所說的含碳層進(jìn)行構(gòu)圖；和對光致抗蝕劑層進(jìn)行淀積和構(gòu)圖，在所說的光致抗蝕劑層上表層淀積含碳層，然后連同位于光致抗蝕劑頂上的含碳層一起清除所說的光致抗蝕劑同時留下沒有位于光致抗蝕劑頂上的含碳層。參考附圖1A-1E說明根據(jù)本發(fā)明制造雙功函數(shù)CMOS結(jié)構(gòu)的上述序列。附圖1A示出在淀積具有第一功函數(shù)的金屬層20之后的襯底10。 村底IO通常開始是絕緣柵極電介質(zhì)下的一個或多個半導(dǎo)體層，最終包 括電介質(zhì)隔離區(qū)、重?fù)诫s的半導(dǎo)體源極/漏極區(qū)和輕摻雜或未摻雜的半 導(dǎo)體溝道區(qū)。附圖1B所示為在金屬層20已經(jīng)被構(gòu)圖以形成金屬柵極 結(jié)構(gòu)30之后的附圖1A的結(jié)構(gòu)。附圖1C所示為在含碳層40被構(gòu)圖成 形之后的結(jié)構(gòu)。附圖1C的結(jié)構(gòu)被退火以產(chǎn)生具有第二功函數(shù)的金屬 碳化物柵極結(jié)構(gòu)50和剩下的含碳層60。然后通過處理比如氧等離子 體處理清除剩下的含碳層60以產(chǎn)生附圖1E的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括具有 第一功函數(shù)的金屬柵極30和具有第二功函數(shù)的金屬碳化物柵極50。在附圖1A-1E所示的處理流程中，在經(jīng)構(gòu)圖的含碳層40的淀 積之前淀積金屬層20并對其構(gòu)圖以形成金屬柵極結(jié)構(gòu)。然而，這些處理步驟可以以各種排列順序?qū)嵤?。例如，柵極構(gòu)圖可以在碳淀積之前或之后實施；碳淀積可以在金屬淀積之前或之后實施；碳化物形成可 以在柵極構(gòu)圖之前或之后實施。附圖2和3所示為在淀積了金屬和經(jīng)構(gòu)圖的含碳層之后實施柵電 極構(gòu)圖的處理流程的兩個實例。在附圖2A-2D的處理流程中，在柵極 構(gòu)圖之后進(jìn)行碳化物形成。附圖2A所示為在具有第一功函數(shù)的金屬 層20的淀積之后的襯底10。附圖2B所示為在經(jīng)構(gòu)圖的含碳層40的 淀積之后的附圖2A的結(jié)構(gòu)。附圖2C所示為在柵極構(gòu)圖以形成金屬柵 極30和柵極狀的含碳層70之后的結(jié)構(gòu)。然后對附圖2C的結(jié)構(gòu)退火 以產(chǎn)生附圖2D的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括具有第一功函數(shù)的金屬柵極30和 具有第二功函數(shù)的金屬碳化物柵極50。在退火之后殘留的柵極狀的含 碳層70的殘余通過處理比如氧等離子體處理可以被清除。在附圖3A-3D的處理流程中，在構(gòu)圖之前進(jìn)行碳化物形成。附 圖3A所示為在具有第一功函數(shù)的金屬層20的淀積之后的襯底10。附 圖3B所示為在經(jīng)構(gòu)圖的含碳層40的淀積之后的附圖3A的結(jié)構(gòu)。然 后對附圖3B的結(jié)構(gòu)退火以產(chǎn)生附圖3C的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括具有金屬 碳化物層80。然后對金屬層20和金屬碳化物層80構(gòu)圖以形成具有第 一功函數(shù)的金屬柵極30和具有第二功函數(shù)的金屬碳化物柵極50。在 退火之后殘留的柵極狀的含碳層40的殘余通過處理比如氧等離子體 處理可以被清除。處理也可以以在金屬層之前淀積的含碳層實施。這在附圖4的處 理流程中示出，在該流程中在柵極構(gòu)圖之前執(zhí)行碳化物形成退火，這 個處理流程類似于附圖3的處理流程。附圖4A所示為在經(jīng)構(gòu)圖的含 碳層40的淀積之后的襯底10。附圖4B所示為在具有第一功函數(shù)的金 屬層90的淀積之后的結(jié)構(gòu)。然后對附圖4B的結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火以產(chǎn)生具 有金屬碳化物層80的附圖4C的結(jié)構(gòu)。然后對金屬層90和金屬碳化 物層80進(jìn)行構(gòu)圖以形成具有第一功函數(shù)的金屬柵極30和具有第二功 函數(shù)的金屬碳化物柵極50。在金屬碳化物層80上保留的金屬層卯的 殘余通常留在原地，因為不希望其它的金屬影響在金屬碳化物/村底界 面上的功函數(shù)。附圖5A-5H所示為在替換柵極處理流程的情況下〔例如參見B. Guilla腿ot等人，IEDM Tech. Digest, p.355 (2002)〕如何實施本 發(fā)明。附圖5A所示為具有第一柵極腔區(qū)域130和第二柵極腔區(qū)域140 的襯底120;附圖5B所示為在具有第一功函數(shù)的表層淀積的金屬層150 的淀積之后的附圖5A的結(jié)構(gòu)，以及附圖5C所示為含碳層160的表層 淀積之后的結(jié)構(gòu)。附圖5D所示為在含碳層160已經(jīng)被構(gòu)圖以形成淀 積在柵極腔區(qū)域140上但沒有淀積在柵極腔區(qū)域130上的經(jīng)構(gòu)圖的含 碳層165之后的附圖5C的結(jié)構(gòu)。然后對附圖5D的結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火以在 柵極腔區(qū)域140中產(chǎn)生金屬碳化物180和剩下的含碳層185(附圖5E )。 剩下的含碳層185然后通過氧等離子體處理被清除以產(chǎn)生附圖5F的 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括具有第一功函數(shù)的金屬柵極150和具有第二功函數(shù) 的金屬碳化物柵極180。附圖5F的結(jié)構(gòu)通過下列過程常規(guī)地完成以 導(dǎo)電材料190填充柵極腔區(qū)域130和140(附圖5G)，然后極化以形成 完成的金屬第一柵極200和完成的金屬碳化物第二柵極210 (附圖 5H)。在金屬和金屬的碳化物沒有提供足夠地不同的功函數(shù)的情況下， 希望擴(kuò)展本發(fā)明的方法以改變沒有被碳化的金屬的功函數(shù)。對沒有被 碳化的金屬的改變(i)在碳化物形成之前或之后和(ii)在柵極構(gòu)圖 之前或之后執(zhí)行。這種修改可以通過處理比如合金化、混合或與至少 一種其它元素反應(yīng)、注入一種或多種離子種類等方式來實施。例如， 通過碳化中能隙金屬以形成具有第一功函數(shù)的第一組柵極和以一種多 種元素與未碳化的中能隙金屬合金化或注入其中以形成具有第二功函 數(shù)的第二組柵極，由中能隙金屬可以制造單金屬雙功函數(shù)CMOS柵 極。可考慮用于本發(fā)明的金屬/金屬碳化物處理的金屬包括任何導(dǎo)電 材料，例如A1， Ba, Be， Bi， Co， Cr， Cu， Dy， Fe， Ga, Gd， Ir， Hf, Mg， Mo， Mn, Nb, Ni， Pd, Pt, Ir, La， Os, Pr， Nb， Rh， Re, Ru， Sc, Sn, Ta， Ti, V， W, Y， Zn，和Zr;這些金屬或其 合金的導(dǎo)電氮化物、硅化物、鍺化物和硅氮化物；這些金屬的導(dǎo)電合 金或化合物，其中包含附加的非金屬元素或者沒有附加的非金屬元素。這些金屬的淀積技術(shù)可以包括熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、濺射、活性 濺射、離子束濺射、無電淀積、CVD、金屬有機(jī)CVD (MOCVD)、 等離子體增強(qiáng)的CVD (PECVD)和原子層的淀積(ALD)。這個過程的優(yōu)選金屬包括Mo、 Mo-Ru合金和形成碳化物的其 它的pFET (高功函數(shù))金屬。用于這個過程的優(yōu)選金屬淀積的技術(shù) 包括CVD和MOCVD，因為沒有容易損壞柵極電介質(zhì)的高能量的帶 電顆粒轟擊。這個過程的含碳層可以包括通過任何方法淀積的任何含碳材料。 含碳層例如可以包括金剛石、石墨；具有最小的H含量的無定形碳； 無定形氫化碳(a-C: H,也稱為棱形碳或DLC);含碳的聚合物比 如聚(甲基)丙烯酸酯、聚酰亞胺、SiLK;有機(jī)光致抗蝕劑；含有其 它元素比如Si， O， N和/或H (例如SiCOH或SiCH)的含無定形碳 的層。這些含碳層的淀積方法可以包括旋涂技術(shù)、溶液-澆鑄技術(shù)、 CVD、等離子體輔助的CVD (PACVD)、等離子體增強(qiáng)的CVD (PECVD)、熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、使用惰性或活性工作氣體由含碳 的靶進(jìn)行的濺射淀積、離子束濺射。應(yīng)該注意的是，某些含碳層如果 在該金屬之前進(jìn)行淀積則可能要求穩(wěn)定退火。例如，通常在金屬淀積 之前對DLC的含碳層進(jìn)行穩(wěn)定退火(例如在He氣中在400。C下4小 時)以防止在碳化物形成的過程中產(chǎn)生氣泡。優(yōu)選的含碳層包括通過物理濺射淀積的純碳(也稱為棱形碳或 DLC)和通過PECVD淀積的無定形氫化碳。碳層容易被構(gòu)圖(例如通過基于氧氣的活性離子蝕刻)，以使它 僅保留在nFET器件區(qū)域上。在金屬碳化物形成完成時，通過基于氧 氣的灰化或活性離子蝕刻等離子體有選擇地清除剩下的過量的碳。金 屬M(fèi)o和它的碳化物兩者對氧化都具有較強(qiáng)的抵抗作用。如果需要的話，電極疊層可以在惰性或活性環(huán)境中被退火以修復(fù)
任何處理損傷和/或改善器件特性。這種退火可以在任何處理階段中執(zhí) 行。本發(fā)明的金屬層通常具有大約2至大約500納米、更典型是大約 5至大約50納米的厚度。本發(fā)明的含碳層的最佳厚度取決于幾個因素 所需的碳化物(例如，MC， M2C，M3C，這里M表示被碳化的金屬元素) 的化學(xué)計量、金屬層的厚度、含碳層的碳含量(例如濺射的淀積C具 有比a-C:H更高的碳含量)和層的順序(如果金屬在碳之下則碳的 輕微過量可能是理想的，然而如果碳是在金屬之下則金屬的輕微過量 可能是理想的)。在金屬層中的金屬原子的面密度(原子/cm2)可以 從金屬的厚度、密度和分子量(MW)中計算。Mo層30的納米厚度 可以預(yù)計具有1.9el7Mo原子/cm2的面密度(基于96g/摩爾的MW和 10.2g/ci^的密度)。提供該C原子數(shù)量的正好一半所需的無定形碳層 的厚度(以形成M(hC)是9.5納米(給定12g/摩爾的MW和2g/cm3 的密度)。通常用于形成碳化物的退火溫度/時間條件取決于金屬的密度和 所需的碳化物的化學(xué)計量。用于比需要形成所需的第一碳化物(比如 M2C)更高的溫度或更長的時間的退火可能導(dǎo)致不希望的具有更高碳 含量的第二碳化物與(比如MoC)的進(jìn)一步的反應(yīng)和形成。最佳的退 火也取決于(在更小的程度上)金屬膜厚度和碳的類型(例如濺射的 淀積的C對a - C: H )。在碳化物形成金屬(形成碳化物的金屬)中 的碳化物形成通常在大約400。C至大約1100。C的溫度下進(jìn)行。有趣地， 在這個溫度范圍的低端處的碳化物形成可以通過氫的并入促進(jìn)〔A. Rubinshtein等人,"Surface treatment of tantalum to improve its corrosion resistance",Mater. Sci. Eng. A A302，128 ( 2001 )〕。退火環(huán) 境通常從下面的氣體和它們的混合物中選擇Ar， He， H2，N2，CHx.N2 和形成氣體。對于容易形成氮化物的金屬而言N2是不太優(yōu)選的。完成 碳化物反應(yīng)所要求的退火時間將取決于該溫度；對于給定的金屬和金 屬的厚度，所要求的退火時間將隨著退火溫度的增加而降低。碳化物形成金屬包括Cr，F(xiàn)e，Hf，Mn，Mo，Nb,Ni，Ta，Ti,V，W和其它金屬。在這些金屬中，F(xiàn)e是在400-1000。C的溫度范圍的低端處形成碳 化物的金屬，W是在這個溫度范圍的高端處形成碳化物的金屬。通常， 在N2中在大約750。C進(jìn)行大約1分鐘的快速熱退火足夠?qū)⒃贛o上的 C的雙層膜(30納米)完全轉(zhuǎn)化為Mo2C。附圖6A-6C顯示了對應(yīng)于本發(fā)明的三種實施例的試樣的幾何結(jié) 構(gòu)的Mo碳化物形成濺射的碳層上的Mo表層、在DLC層上的Mo 表層(在金屬淀積之前在He中在400。C退火4小時)，以及在濺射的 碳層之下的Mo表層。在所有的實例中的Mo是30納米的厚并通過濺 射淀積。在快速的熱退火(在He環(huán)境下3。C/秒)的過程中，通過具 有0.1797納米的波長、10"光子/s的密度和1.5%的能量分辨率的同步 加速器輻射的現(xiàn)場x-射線衍射(XRD)監(jiān)測碳化物形成〔G.B. Stephenson等人，Rev. Sci. lustrum, 60 1537 ( 1989 )〕。所有的試樣開始在2e-48。顯示單XRD峰值，對應(yīng)于Mo 110反 射。Mo 110峰值的消失和在47° (Mo2C 101) 、 45° ( Mo2C 002)、 40.5°( Mo2C 100 )處的六邊形Mo2C峰值的出現(xiàn)顯示了碳化物的形成。 對于在200納米厚的濺射的C層頂上的濺射的Mo層，附圖6A的曲 線顯示了在775。C周圍清晰地界定的反應(yīng)。對于在180納米厚的DLC 層頂上的標(biāo)稱相同的濺射的Mo層，附圖6B的曲線顯示了也在775°C 周圍集中的稍稍顯著的反應(yīng)。對于在濺射的30納米厚的C層之下的 賊射的Mo層，附圖6C的曲線顯示在稍稍更低的溫度(~760°C)周 圍集中的甚至更加顯著的反應(yīng)。在這種情況下碳化物形成所需的熱處 理因此正好在用于CMOS的典型的熱平衡內(nèi)。附圖7的電測量證實， 一旦碳化物形成則Mo的功函數(shù)實質(zhì)性地 降低。對具有Mo和Mo碳化物電極的Si (村底)/Si02 ( 5或11納米) /Mo(C)電容器進(jìn)行電容-電壓(C-V)測量。通過具有6.2e- 04cm 或9.5e - 05cm的電極面積開口的Si薄膜型掩模將Mo ( 30納米)和 Mo (30納米，底部)/C (10納米，頂部)電極膜濺射淀積在涂覆有 氧化物的n型單晶體(100)Si上。Mo和Mo/C電極接收足夠?qū)o/C 電極轉(zhuǎn)化為Mo2C的"碳化物形成"退火(在形成氣體中以3°C/sec的速
度上升到900。C)。附圖7顯示了在5納米的Si()2的情況下的數(shù)據(jù)。 C-V斜率和電壓截距的分析顯示了 Mo的4.50-4.60eV的功函數(shù)和 Mo2C的4.25-4.35eV的功函數(shù)。此外，如上文所述，金屬碳化物比如通過第一金屬與含碳層的固 態(tài)反應(yīng)形成的金屬碳化物在單FET中、在多FET中和在雙功函數(shù) CMOS電路中也可用作柵電極，在該雙功函數(shù)CMOS電路中至少一 的導(dǎo)電材料形成。一 、5 , 一 ' ， ， 、5應(yīng)該注意的是，通過第一金屬與含碳層的固態(tài)反應(yīng)形成金屬碳化 物柵極，其相對于其中在一個步驟中形成金屬碳化物層的處理具有許 多優(yōu)點(diǎn)。濺射淀積處理可以淀積高質(zhì)量的金屬碳化物，但可能損壞暴 露的柵極電介質(zhì)(由于高能量的帶電的顆粒轟擊)。CVD處理是無損 害的，但將金屬與碳一起共同地淀積且不并入大量的雜質(zhì)比如氧是不 容易的。通過本發(fā)明的雙層反應(yīng)過程，通過CVD可以干凈地淀積底 部金屬層，通過任何優(yōu)選的方法可以隨后的淀積含碳層(包括濺射， 因為先前淀積的金屬層的存在保護(hù)了柵極電介質(zhì))。前文本發(fā)明的描述示出并描述了本發(fā)明。此外，本發(fā)明公開僅僅 顯示并描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是，如上文所述，應(yīng)該理解為 本發(fā)明能夠用于其它的各種組合、修改和環(huán)境中，并且在不脫離在此 所表述的發(fā)明概念的范圍內(nèi)能夠進(jìn)行與上文的教導(dǎo)和/或相關(guān)技術(shù)知 識相稱的改變或修改。進(jìn)一步希望上文描述的實施例解釋實施本發(fā)明 的所知的最佳模式并使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠以這些或其它的實施 例以及結(jié)合本發(fā)明的特定的應(yīng)用所要求的各種修改應(yīng)用本發(fā)明。因此， 不希望這些描述將本發(fā)明限制到在此所公開的形式。此外，希望附加 的權(quán)利要求包括這些變型的實施例。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括至少一個場效應(yīng)晶體管(FET)，該晶體管具有通過使金屬層和含碳層反應(yīng)獲得的金屬碳化物柵電極。
2. 權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中金屬碳化物包括Mo或 Mo-Ru合金的碳化物。
3. 權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括雙功函 數(shù)的CMOS,該雙功函數(shù)的CMOS包括具有由柵極金屬形成的柵極 的至少一個FET和具有由金屬的碳化物形成的柵極的至少一個FET。
4. 權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所說的碳化物的金屬不 同于所述柵極金屬。
5. 權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所說的碳化物的金屬包 括Mo或Mo-Ru合金。
6. —種雙功函數(shù)CMOS器件，包括 具有由第一柵極金屬形成的柵極的至少一個FET,和 具有由所說的第一柵極金屬的碳化物形成的柵極的至少一個FET。
7. 權(quán)利要求6的CMOS器件，所說的第一金屬從包含如下的金 屬的組中選擇Al, Ba， Be, Bi， Co， Cr, Cu， Dy， Fe， Ga， Gd， Ir, Hf, Mg， Mo， Mn, Nb， Ni， Pd， Pt, Ir， La， Os, Pr， Nb， Rh， Re， Ru, Sc， Sn, Ta, Ti， V, W， Y， Zn和Zr;這些金屬或其合金的導(dǎo)電氮化物、硅化物、鍺化物和硅氮化物；這些金屬的導(dǎo) 電合金或化合物，其中包含附加的非金屬元素或者沒有附加的非金屬 元素。
8. 權(quán)利要求6所述的CMOS器件，其中所說的第一金屬包括 Mo或Mo - Ru合金。
9. 一種雙功函數(shù)CMOS電路，包括具有由第一金屬和至少一種附加元素形成的柵電極的至少一個 FET,和具有由所說的第一金屬的碳化物形成的柵電極的至少一個FET。
10. —種形成用于FET的柵極的方法，包括提供襯底、在所說的用于提供柵電極的金屬碳化物。
11，權(quán)利要求10的方法，其中所說的金屬包括Mo或Mo-Ru合金。
12. —種在襯底上形成雙功函數(shù)CMOS器件的方法，包括 在第一和第二組柵極區(qū)上淀積金屬層；提供與所說的第一和第二組柵極區(qū)中的一組接觸但不在所說的 第一和第二組柵極區(qū)中的另一組上的含碳層，所說的含碳層與在所說的第 一和第二組柵極區(qū)中的所述一組上的所說的金屬層直接接觸；使在所說的第一和第二組柵極區(qū)中的所述一組上的所說的含碳 層與在所說的第一和第二組柵極區(qū)中的所述一組上的所說的金屬反應(yīng) 以形成金屬碳化物。
13. 權(quán)利要求12的方法，其中所說的提供含碳層的步驟包括淀積 含碳層；以及通過從所說的第一和第二組的柵極區(qū)中的一組中有選擇 地清除含碳層同時在所說的第一和第二組的柵極區(qū)中的另一組上保留 含碳層，從而對所說的含碳層進(jìn)行構(gòu)圖。
14. 權(quán)利要求12的方法，其中所說的提供含碳層的步驟包括淀積 光致抗蝕劑層并對之構(gòu)圖，在所說的光致抗蝕劑層上淀積所說的含碳 層，然后連同位于所說的光致抗蝕劑頂上的所說的含碳層一起清除所 說的光致抗蝕劑，同時保留未在所說的光致抗蝕劑頂上的所說的含碳 層。
15. 權(quán)利要求12的方法，其中在使所說的金屬和含碳層反應(yīng)之后 對所說的金屬層進(jìn)行構(gòu)圖。
16. 權(quán)利要求12的方法，其中在淀積所說的含碳的材料層并對之 構(gòu)圖之后對所說的金屬層進(jìn)行構(gòu)圖以形成柵極狀結(jié)構(gòu)。
17. 權(quán)利要求12的方法，其中所說的金屬進(jìn)一步包括至少 一種附 力口的元素。
18. 權(quán)利要求12的方法，其中所說的第一金屬從由如下的金屬組 成的組中選擇Al， Ba， Be， Bi， Co， Cr， Cu， Dy， Fe, Ga， Gd， Ir, Hf, Mg， Mo， Mn， Nb, Ni， Pd， Pt, Ir, La, Os， Pr， Nb， Rh， Re， Ru， Sc, Sn, Ta， Ti， V， W， Y， Zn，和Zr;這些金 屬或其合金的導(dǎo)電氮化物、硅化物、鍺化物和硅氮化物；這些金屬的 導(dǎo)電合金或化合物，其中包含附加的非金屬元素或者沒有附加的非金 屬元素。
19. 權(quán)利要求12的方法，其中所說的含碳的材料從由如下材料組 成的組中選擇金剛石、石墨；具有最小的H含量的無定形碳；無定 形氫化碳；含碳的聚合物；有機(jī)光致抗蝕劑；具有含其它元素比如Si， O, N和/或H的層的含無定形碳的層。
20. —種在襯底上形成雙功函數(shù)CMOS器件的方法，包括提供與所說的第一和第二組柵極區(qū)中的一組接觸但不在所說的 第一和第二組柵極區(qū)中的另一組上的含碳層；然后在所說的第一和第二組柵極區(qū)上淀積金屬層，所說的金屬層與在 所說的第一和第二組柵極區(qū)中的所述一組上的所說的含碳層直接接 觸；使在所說的第一和第二組柵極區(qū)中的所述一組上的所說的含碳 層與在所說的第 一和第二組柵極區(qū)中的所述一組上的所說的金屬反應(yīng) 以形成金屬碳化物。
21. 權(quán)利要求20的方法，其中所說的提供含碳層的步驟包括淀積 含碳層，以及從所說的第 一和第二組的柵極區(qū)中的一組中有選擇地清 除所說的含碳層同時在所說的第一和第二組的柵極區(qū)中的另一組上保 留含碳層。
22. 權(quán)利要求20的方法，其中所說的提供含碳層的步驟包括淀積 光致抗蝕劑層并對之構(gòu)圖，在所說的光致抗蝕劑層上淀積所說的含碳 層，然后連同位于所說的光致抗蝕劑頂上的所說的含碳層一起清除所 說的光致抗蝕劑，同時保留未在所說的光致抗蝕劑頂上的所說的含碳 層。
23. 權(quán)利要求20的方法，其中在使所說的金屬和含碳層反應(yīng)之后 對所說的金屬層進(jìn)行構(gòu)圖。
24. 權(quán)利要求20的方法，其中所說的金屬進(jìn)一步包括至少一種附 力口的元素。
25. 權(quán)利要求20的方法，其中所說的第一金屬從由如下的金屬組 成的組中選擇Al， Ba, Be， Bi， Co， Cr， Cu, Dy， Fe, Ga， Gd， Ir, Hf, Mg, Mo， Mn, Nb， Ni， Pd， Pt， Ir， La, Os， Pr， Nb， Rh, Re， Ru， Sc， Sn, Ta, Ti， V, W， Y， Zn和Zr;這些金 屬或其合金的導(dǎo)電氮化物、硅化物、鍺化物和硅氮化物；這些金屬的 導(dǎo)電合金或化合物，其中包含附加的非金屬元素或者沒有附加的非金 屬元素。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體器件比如包括至少一個FET的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)和制造方法，該FET包括柵電極，該柵電極包括金屬碳化物。CMOS包括雙功函數(shù)的金屬柵電極，其中通過金屬和金屬的碳化物提供該雙功函數(shù)。
文檔編號H01L27/108GK101151724SQ200480035163
公開日2008年3月26日 申請日期2004年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月28日
發(fā)明者克里斯托弗·德塔沃尼爾, 凱瑟琳·L.·薩恩格, 小西里爾·卡布拉爾, 拉賈勞·加米 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司