專利名稱：制造具有局部結(jié)合金屬的半導(dǎo)體柵極的晶體管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及集成電路領(lǐng)域，尤其涉及制造具有隔離柵極的場效應(yīng) 晶體管的方法，該柵極由局部結(jié)合金屬的半導(dǎo)體材料形成。本發(fā)明還涉及 通過該方法得到的晶體管。
背景技術(shù)：
通常，希望制造密度越來越高的集成電路，因此晶體管越來越小。然
而，MOS晶體管的柵極尺寸的減小會產(chǎn)生多種寄生效應(yīng)。在這些效應(yīng)中， 會提到短溝道效應(yīng)(SCE)和漏極引致勢壘降低(drain induced barrier lowenng,DIBL )。短溝道效應(yīng)是由柵極長度縮短時緊靠在一起的源區(qū)和漏區(qū) 的靜電感應(yīng)引起的。當MOS晶體管截止時勢壘降低效應(yīng)會減小溝道中載流 子(電子和空穴)的能壘，這會增加泄漏電流。這兩個效應(yīng)在具有N溝道 的MOS晶體管的情況下會降低閾值電壓(VT )或者在具有P溝道的MOS 晶體管的情況下會增加閾值電壓。為了在柵極長度減小時保持令人滿意的 閾值電壓，因此需要改變MOS晶體管的結(jié)構(gòu)以至少部分消除短溝道效應(yīng)和 勢壘降低。
為了避免短溝道和勢壘降低的寄生問題，2005年12月13日申請的非 公開歐洲專利申請N° 05/292650.8提出了 一種MOS晶體管，其中柵極由 多個區(qū)域形成，如圖1所示。該MOS晶體管形成在襯底10上。它包括柵 極G、源極S和漏極D。間隔物14形成在柵極G的每一側(cè)上。柵極區(qū)G 通過稱為柵極氧化物的氧化硅層16與襯底10隔離。位于柵極氧化物層16 上方的柵極G由兩個區(qū)域組成。位于柵極長度的中心并靠近柵極氧化物16 的第一區(qū)域18由多晶硅制成。在該多晶硅區(qū)域18的每一側(cè)上，以及在它 上方，使該柵極硅化。與柵極氧化物16接觸的硅化區(qū)域20，允許得到在
4上方，使該柵極硅化。與柵極氧化物16接觸的硅化區(qū)域20,允許得到在 柵極長度方向上的柵極每一側(cè)上高的閾值電壓，而對應(yīng)于位于柵極中心的
多晶硅區(qū)域18的閾值電壓低。柵極每一側(cè)上的閾值電壓的這種增加允許至
少部分消除由上述寄生效應(yīng)造成的閾值電壓的減小。
在形成柵極的先前需求中提出的方法不容易控制，其中該柵極包括在 位于柵極中心部分的多晶硅區(qū)域的上方和每一側(cè)上的硅化區(qū)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及具有隔離柵極的場效應(yīng)晶體管，即使它們的柵極不是由金
屬形成并且它們的柵極絕緣層也未必由氧化物形成，但在這里將稱為MOS
晶體管。
本發(fā)明的實施例的目的在于提供形成具有局部結(jié)合金屬的半導(dǎo)體柵極 的晶體管的新的和改良的方法。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種形成場效應(yīng)晶體管的方法，該場效 應(yīng)晶體管包括形成在絕緣層上的柵極，在與絕緣層接觸的區(qū)域中該柵極具 有在柵極長度上的半導(dǎo)體中心區(qū)域和橫向區(qū)域，該方法包括形成柵極，該 柵極包括絕緣層部分、在絕緣層上方形成的半導(dǎo)體層部分、和在半導(dǎo)體層 上方形成的掩模層部分；執(zhí)行掩模層部分的蝕刻以便只留下柵極中心的部 分；和^吏半導(dǎo)體4冊才及與沉積在柵+及上方的金屬起反應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，半導(dǎo)體層具有使金屬與柵極之間的反應(yīng)主要產(chǎn) 生在高度方向的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，半導(dǎo)體層由多晶硅形成。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，半導(dǎo)體層和金屬層之間的反應(yīng)是硅化反應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，掩模層部分的蝕刻在柵極的橫向長度方向上移 除的掩模層的距離小于柵極長度的一半，并且垂直移除部分掩模層。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，在柵極的每側(cè)上形成間隔物。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，掩;漠層是由在金屬和柵極的材料起反應(yīng)期間不 會起反應(yīng)的材料制成，并且允許其被柵極的材料和例如由氧化硅制成的間
5隔物選擇性蝕刻。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，該金屬選自從由鎳、鈷和鈦組成的組。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種場效應(yīng)晶體管，其包括形成在村底 上的隔離柵極，該柵極包括在柵極長度方向上的結(jié)合金屬的第 一半導(dǎo)體區(qū)、 半導(dǎo)體中心區(qū)、和結(jié)合金屬的第二半導(dǎo)體區(qū)。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，第一和第二區(qū)的結(jié)合金屬選自由鈦、鉺、鏑、 鐿、鋱、鉬、銥、鉿、鉻、鉬、釔、鴒、鐵、鈷、鉭、銠、鋯和錳組成的 組。


參考附圖，從以示例而非限制方式給出的實施例的以下詳細描述，本
發(fā)明的前述和其它目的、特征、方面和優(yōu)勢將變得明顯，其中
如上所述，圖1是MOS晶體管的橫截面圖，其中該柵極包括硅化物
部分；
圖2A至2E是示例制造具有局部結(jié)合金屬的半導(dǎo)體柵極的隔離柵 (MOS)場效應(yīng)晶體管的方法實例的連續(xù)步驟的橫截面圖；和
圖3示例了通過根據(jù)本發(fā)明的實施例的方法得到的另一晶體管結(jié)構(gòu)。
如在集成電路表示中常見的，各個圖沒有按比例繪制。
具體實施例方式
圖2A示例了對應(yīng)于制造根據(jù)該發(fā)明實施例的MOS晶體管的方法實例 的初始步驟結(jié)果的中間結(jié)構(gòu)。
半導(dǎo)體襯底30具有形成在它上面的疊層，該疊層包括氧化物層32(柵 極氧化物)、多晶硅層34和掩模層36。掩模層36可以由例如氧化硅(Si02) 形成。不同的層通過在襯底30上形成帶的連續(xù)蝕刻步驟界定，包括氧化物 層32部分、多晶硅層34部分和掩模層36部分。多晶硅帶34形成MOS 晶體管的柵極G。隨后在柵極G的每側(cè)上執(zhí)行第一摻雜劑注入用于形成延伸的源區(qū)S和漏區(qū)D41。隨后在帶32、 34、 36的每側(cè)上形成間隔物38。 這些間隔物38可以由例如氮化硅(SiN)形成?？梢酝ㄟ^在整個器件的上 方沉積氮化硅層并且對該層執(zhí)行各向異性蝕刻來形成間隔物38,使得它僅 留在柵極G的每側(cè)上。隨后執(zhí)行第二摻雜劑注入以形成晶體管的源區(qū)S和 漏區(qū)D40。
在圖2B的步驟中，對掩模層36執(zhí)行各向同性蝕刻處理。各向同性蝕 刻相對于間隔物38和多晶硅層34是選擇性的。各向同性蝕刻水平并垂直 地移除掩模層36。執(zhí)行該蝕刻以橫向移除所選擇量的層36以便在多晶硅 層34的上方僅有區(qū)域44留在柵極的中心。區(qū)域44例如為大致梯形形狀。 在下文中將區(qū)域44稱為"掩模"。為了不完全蝕刻掩模層36并且使最終的 掩模44具有所希望的長度，掩模層36的初始厚度優(yōu)選大于所希望執(zhí)行的 蝕刻深度。各向同性蝕刻允許在柵極G的多晶硅層34的中心自動對準掩 模44。
應(yīng)該理解，該發(fā)明可以應(yīng)用于具有極短柵極長度的晶體管，例如小于 200 nm。舉例來說，對于具有柵極長度為140nm的柵極，如果希望得到具 有長度為40 nm的掩模44，掩模層36則將優(yōu)選具有大于60 nm的厚度。
在圖2C的步驟中，在圖2B的整個結(jié)構(gòu)的上方沉積金屬層46。層46 的金屬是允許與多晶硅層34硅化反應(yīng)的金屬，該反應(yīng)優(yōu)選包括金屬在多晶 硅層34中擴散。例如該金屬為鎳。
在圖2D的步驟中，石圭化反應(yīng)發(fā)生在層46的金屬和柵極34的多晶硅 之間。硅化反應(yīng)還發(fā)生在層46的金屬和晶體管的源極S和漏極D之間。
在多晶硅層34中，硅化反應(yīng)在柵極G的每側(cè)上形成硅化區(qū)48。多晶 硅層34的中心部分50由于受到掩模44的保護而沒有被硅化。為了避免中 心部分50的硅化，可以提供特定結(jié)構(gòu)的多晶硅柵極，例如柱狀結(jié)構(gòu)。在多 晶硅柱狀結(jié)構(gòu)中，硅粒在柵極G中在高度方向上延伸排列。該特定的多晶 硅結(jié)構(gòu)例如可以通過選4奪的具有適當?shù)某练e溫度和壓力的LPCVD工藝(低 壓化學汽相沉積)獲得。該顆粒在柵極的高度方向上拉長，相比柵極的長 度方向和深度方向，該金屬更易在柵極的高度方向上擴散。此外，同時， 在層46的金屬和源區(qū)S和漏區(qū)D之間會發(fā)生硅化反應(yīng)，由此在源極和漏極的上方形成了硅化區(qū)52。與圖2D中示例的相反，圖2D沒有按比例繪制， 源區(qū)S和漏區(qū)D的硅化區(qū)域例如具有的深度約等于柵極G的硅化區(qū)域的深 度。 一旦發(fā)生了硅化反應(yīng)，在整個器件的上方就會留下金屬沒有反應(yīng)的金 屬層54。
在圖2E的步驟中，通過連續(xù)選擇性蝕刻移除了剩下的金屬54和掩模 44。接下來，以已知的方式，沉積絕緣層和互連導(dǎo)電層用于使該結(jié)構(gòu)的柵 極G、源區(qū)S和漏區(qū)D連接到其中形成了晶體管的集成電路的其它元件。
圖3示例了通過根據(jù)該發(fā)明實施例的制造方法得到的結(jié)構(gòu)的變形。圖 3和圖2E之間的主要區(qū)別在于，在圖3中，圖2E的兩個橫向硅化區(qū)域48 在柵極的頂部結(jié)合在一起。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，為了得到圖3的 結(jié)構(gòu)，改變圖2A至2D的方法步驟的某些參數(shù)，例如擴散的持續(xù)時間、掩 ^t的尺寸、和/或柵極多晶硅的特征。
如上所述，在這里描述的MOS晶體管結(jié)構(gòu)不限制于金屬氧化物半導(dǎo) 體結(jié)構(gòu)。可以有許多變形，例如涉及柵極G的材料、層46的金屬、柵極 隔離32的材料、掩模層36的材料和獲得自動對準掩模44的方法。
柵極層34可以由在硅化或者鍺化反應(yīng)中能夠結(jié)合金屬的任何半導(dǎo)體 材料形成。尤其是，層34可以由硅、鍺或硅鍺形成，并且半導(dǎo)體材料可以 具有多種形式，例如單晶質(zhì)、多晶質(zhì)或者非晶質(zhì)。
金屬層46可以是允許與柵極層34的半導(dǎo)體材料硅化或者鍺化反應(yīng)的 任何金屬。金屬層46優(yōu)選由鈦、鉺、鏑、鐿、鋱、賴、銥、鉿、鉻、鉬、 鈀、鎢、鐵、鈷、鉭、銠、鋯和錳組成的組中的金屬形成。在硅化或鍺化 期間，層46的金屬的主要反應(yīng)是金屬向柵極層34擴散，而不可顛倒。使 形成硅化或鍺化區(qū)域的方法適合于使用的金屬(溫度、反應(yīng)時間......)。
柵極的絕緣層32可以由任何類型的絕緣體，例如氮化硅(Si3N4)、 氧化物(Hf02...)、具有高介電常數(shù)(高-k)的任何材料(A1203、 Y203、 La203、 Ta205、 Ti02、 Hf02、 Zr02、 BaTi03、 BaZr03、 ZrSi04、 HfZr02……)、
料形成。
8掩模層36可以由氧化硅(Si02)、氮氧化物SiOxNy、氮化硅&3&制 成或者油具有兩層的結(jié)構(gòu)、例如在氧化物上方的氮化物制成。掩模層也可 以由在硅化期間不發(fā)生反應(yīng)的并且^皮由組成層34和間隔38的材料選擇性 蝕刻的任何其它材料制成。
在所描述的實施例中，在圖2A和2B的步驟之間執(zhí)行的掩模層36的 蝕刻是各向同性蝕刻。取決于用于形成掩模層或者層36的材料，和這些材 料的特性(水平和垂直蝕刻速度)，可以結(jié)合各向異性和各向同性蝕刻步 驟以得到所需要的形狀和尺寸的掩模44 。
因此描述了本發(fā)明的至少一個示例性實施例，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員 將容易進行各種變更、變形和改進。這些變更、變形和改進意指在該發(fā)明 的精神和范圍內(nèi)。因此，前面的描述僅是實例而不是用于起限制作用的。 本發(fā)明僅限制為下面的權(quán)利要求中的限定和它的等價物。
權(quán)利要求
1.一種形成場效應(yīng)晶體管的方法，該場效應(yīng)晶體管包括形成在絕緣層上的柵極(G)，在與該絕緣層接觸的區(qū)域中，該柵極具有在柵極(G)長度上的半導(dǎo)體中心區(qū)域(50)和橫向區(qū)域(48)，該方法包括形成柵極(G)，該柵極包括絕緣層部分(32)、形成在絕緣層上方的半導(dǎo)體層部分(34)、和形成在半導(dǎo)體層上方的掩模層部分(36)；執(zhí)行掩模層部分(36)的蝕刻以便在柵極(G)的中心只留下一部分(44)；和使半導(dǎo)體柵極(34)與沉積在柵極上方的金屬(46)起反應(yīng)。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中半導(dǎo)體層(34)具有使金屬和柵極 之間的反應(yīng)主要產(chǎn)生在高度方向(G)上的結(jié)構(gòu)。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中半導(dǎo)體層(34)由多晶硅形成。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中半導(dǎo)體層(34)和金屬層(36)之 間的反應(yīng)是硅化反應(yīng)。
5. 如權(quán)利要求]所述的方法，其中掩模層部分(36)的蝕刻在柵極的 橫向長度方向上移除的掩模層的距離小于柵極長度的一半，并且垂直移除 掩模層(36)的部分。
6. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中在柵極(G)的每側(cè)上形成間隔物。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中掩模層(36)是由在金屬和柵極材 料之間起反應(yīng)的期間不會起反應(yīng)的材料制成，并且允許其被柵極的材料和 例如由氧化硅制成的間隔物選擇性蝕刻。
8. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中金屬(46)選自由鎳、鈷和鈦組成 的組。
9. 一種場效應(yīng)晶體管，包括形成在襯底(30)上的隔離柵極(G), 該柵極包括在柵極的長度方向上的結(jié)合金屬(46)的第一半導(dǎo)體區(qū)域(48)、 半導(dǎo)體中心區(qū)域(50)、和結(jié)合金屬(46)的第二半導(dǎo)體區(qū)域(48)。
10.如權(quán)利要求9所述的場效應(yīng)晶體管，其中第一和第二區(qū)域的結(jié)合 的金屬選自由鈦、鉺、鏑、鐿、鋱、鈾、銥、鉿、鉻、鉬、4巴、鎢、鐵、 鈷、鉭、銠、鋯和錳組成的組。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種形成場效應(yīng)晶體管的方法，該場效應(yīng)晶體包括形成在絕緣層上的柵極(G)，在與絕緣層接觸的區(qū)域中該柵極具有在柵極(G)長度上的半導(dǎo)體中心區(qū)域(50)和橫向區(qū)域(48)，該方法包括形成柵極(G)，該柵極包括絕緣層部分(32)、形成在絕緣層(32)上方的半導(dǎo)體層部分、和形成在半導(dǎo)體層上方的掩模層部分；執(zhí)行掩模層部分的蝕刻以便在柵極(G)的中心只留下一部分；和使半導(dǎo)體柵極與沉積在柵極上方的金屬起反應(yīng)。
文檔編號H01L21/28GK101675501SQ200880002035
公開日2010年3月17日 申請日期2008年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月11日
發(fā)明者格里高利·比達爾, 馬庫斯·慕勒 申請人:St微電子(克偌林斯2)Sas公司;恩智浦半導(dǎo)體