金屬柵極結構及其制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及金屬柵極結構及其制造方法。
【背景技術】
[0002] 半導體集成電路（1C)產業經歷了快速發展。在1C發展過程中，功能密度（即，每 一芯片面積上互連器件的數量）通常已經增加而幾何尺寸（即，使用制造工藝可以制造的 最小部件（或線））卻已減小。通常這種按比例縮小工藝通過提高生產效率和降低相關成 本而帶來益處。這種按比例縮小工藝也增加了加工和制造1C的復雜度，并且為了實現這些 進步，需要1C加工和制造中的類似發展。隨著晶體管尺寸的減小，柵極氧化物的厚度必須 降低以在柵極長度降低的情況下維持性能。然而，為了降低柵極泄漏，使用高介電常數（高 k)柵極絕緣層，其允許更大的物理厚度，同時保持與在更大技術節點中使用的典型的柵極 氧化物提供的有效電容相同的有效電容。
[0003] 在諸如金屬氧化物半導體（M0S)的半導體器件中，多晶硅用作柵電極。然而，由于 半導體器件的尺寸向著按比例縮小的趨勢發展，多晶硅柵極具有低性能，諸如半導體器件 的柵極電容和驅動力降低。在一些1C設計中，一直期望以金屬柵（MG)電極取代典型的多 晶硅柵電極以在部件尺寸降低的情況下改進器件性能。一種形成MG電極的工藝被稱為"后 柵極"工藝，與此相反的另一種MG電極形成工藝被稱為"先柵極"。"后柵極"工藝允許后續 工藝的數量降低，后續工藝包括在形成柵極之后必須實施的高溫處理。
[0004] 存在制造部件尺寸降低的半導體器件中的MG電極方面的挑戰。因此，對提高金屬 柵極結構、簡化在襯底上制造金屬柵極的方法和改進包括MG電極的半導體器件的性能具 有持續需求。
【發明內容】
[0005] 為了解決現有技術中存在的問題，根據本發明的一個方面，提供了一種半導體結 構，包括：柵極結構，設置在襯底上方，其中，所述柵極結構包括：高k介電層，包括基部和側 部，其中，所述側部從所述基部的端部延伸，所述側部基本上垂直于所述基部；以及功函結 構，包括：第一金屬，設置在所述高k介電層上方；和第二金屬，設置在所述第一金屬上方并 且包括底部和從所述底部的端部延伸的側壁部分，其中，所述第一金屬包括與所述第二金 屬不同的材料，并且所述側壁部分和所述底部之間的界面的長度與位于所述高k介電層內 的所述底部的長度呈預定比率。
[0006] 在上述半導體結構中，所述預定比率為約1/5至約2/3。
[0007] 在上述半導體結構中，所述底部的長度為約50nm至約500nm。
[0008] 在上述半導體結構中，所述底部和所述側壁部分為不同的材料。
[0009] 在上述半導體結構中，所述第一金屬為N型功函金屬或所述第二金屬是P型功函 金屬。
[0010] 在上述半導體結構中，所述側壁部分的截面為三角形、矩形、四邊形、多邊形或L 形。
[0011] 在上述半導體結構中，所述側壁部分還包括與所述底部呈約10°至約85°的角 的傾斜表面。
[0012] 在上述半導體結構中，所述底部呈矩形形狀并且所述側壁部分呈三角形或L形。
[0013] 在上述半導體結構中，還包括設置在所述第一金屬和所述第二金屬之間并且與所 述第一金屬的頂面和所述高k介電層的側部共形的中間金屬層。
[0014] 根據本發明的另一方面，還提供了一種半導體結構，包括：高k介電層；第一金屬 結構，由所述高k介電層圍繞，其中，所述第一金屬結構包括：第一金屬，設置在所述高k 介電層上方；和中間金屬層，圍繞第二金屬結構；以及第二金屬結構，由所述中間金屬層圍 繞，其中，所述第二金屬結構包括：底部，水平地設置在所述中間金屬層上；和側壁部分，從 所述底部的端部延伸，其中，根據所述半導體結構的期望的閾值電壓來限定所述底部和所 述側壁部分的尺寸和形狀。
[0015] 在上述半導體結構中，所述期望的閾值電壓在大于約100mV的范圍內。
[0016] 在上述半導體結構中，所述底部的厚度為約0·lnm至約8nm。
[0017] 在上述半導體結構中，所述第二金屬結構的離子變化小于約3%。
[0018] 在上述半導體結構中，所述側壁部分為錐形配置。
[0019] 在上述半導體結構中，所述高k介電層由間隔件圍繞。
[0020] 根據本發明的又一方面，還提供了一種制造半導體結構的方法，包括：在襯底上方 形成高k介電層，其中，所述高k介電層包括基部和側部，所述側部從所述基部的端部延伸， 所述側部基本上垂直于所述基部；在所述高k介電層上方設置第一金屬；在所述第一金屬 上方設置第二金屬；以及去除所述第二金屬的預定部分以形成所述第二金屬的底部和從所 述第二金屬的底部的端部延伸的側壁部分，其中，所述第一金屬包括與所述第二金屬不同 的材料，并且所述側壁部分和所述底部之間的界面的長度與所述底部的長度呈預定比率。
[0021] 在上述方法中，去除所述第二金屬的預定部分包括光刻操作和蝕刻操作。
[0022] 在上述方法中，去除所述第二金屬的預定部分包括將所述半導體結構的閾值電壓 調節至大于l〇〇mV的范圍內。
[0023] 在上述方法中，去除所述第二金屬的預定部分包括根據所述半導體結構的期望的 閾值電壓形成處于預定尺寸和形狀的所述底部和所述側壁部分。
[0024] 在上述方法中，還包括在所述第一金屬上設置中間金屬層，并且所述中間金屬層 與所述第一金屬的頂面和所述高k介電層的側部共形。
【附圖說明】
[0025] 當結合附圖進行閱讀時，從以下詳細描述可最佳理解本發明的各方面。應該注意， 根據工業中的標準實踐，各個部件未按比例繪制。實際上，為了清楚的討論，各個部件的尺 寸可以任意地增大或減小。
[0026] 圖1A是根據本發明的一些實施例的晶體管的右側立體圖。
[0027] 圖1B是根據本發明的一些實施例的晶體管的左側立體圖。
[0028] 圖1C是根據本發明的一些實施例的晶體管的正面截面圖。
[0029] 圖2A是根據本發明的一些實施例的FinFET的正面立體圖。
[0030] 圖2B是根據本發明的一些實施例的FinFET的背面立體圖。
[0031] 圖2C是根據本發明的一些實施例的沿著AA'截取的圖2A的FinFET的截面圖。
[0032] 圖3是根據本發明的一些實施例的半導體結構的示意圖。
[0033] 圖3A是根據本發明的一些實施例的具有L形的第二金屬的側壁部分的半導體結 構的示意圖。
[0034] 圖3B是根據本發明的一些實施例的具有三角形的第二金屬的側壁部分的半導體 結構的示意圖。
[0035] 圖4是根據本發明的一些實施例的半導體結構的示意圖。
[0036] 圖4A是根據本發明的一些實施例的具有第二金屬的側壁部分的形狀的組合的半 導體結構的示意圖。
[0037] 圖4B是根據本發明的一些實施例的具有第二金屬的側壁部分的形狀的另一組合 的半導體結構的示意圖。
[0038] 圖5是根據本發明的一些實施例的半導體結構的示意圖。
[0039] 圖6是根據本發明的一些實施例的制造半導體結構的方法的流程圖。
[0040] 圖6A是根據本發明的一些實施例的具有覆蓋間隔件和犧牲柵電極的層間介電層 的半導體結構的示意圖。
[0041] 圖6B是根據本發明的一些實施例的具有平坦化的層間介電層、間隔件和犧牲柵 電極的半導體結構的示意圖。
[0042] 圖6C是根據本發明的一些實施例的具有腔的半導體結構的示意圖。
[0043] 圖6D是根據本發明的一些實施例的具有高k介電層的半導體結構的示意圖。
[0044] 圖6E是根據本發明的一些實施例的具有第一金屬的半導體結構的示意圖。
[0045] 圖6F是根據本發明的一些實施例的具有中間金屬層的半導體結構的示意圖。
[0046] 圖6G是根據本發明的一些實施例的具有第二金屬的半導體結構的示意圖。
[0047] 圖6H是根據本發明的一些實施例的具有預定尺寸和形狀的第二金屬的半導體結 構的示意圖。
[0048] 圖61是根據本發明的一些實施例的具有三角形的第二金屬的側壁部分的半導體 結構的示意圖。
[0049] 圖6J是根據本發明的一些實施例的具有L形的第二金屬的側壁部分的半導體結 構的示意圖。
[0050] 圖6K是根據本發明的一些實施例的具有柵極填充金屬的半導體結構的示意圖。
【具體實施方式】
[0051] 以下公開內容提供了許多用于實現所提供主題的不同特征的不同實施例或實例。 下面描述了組件和布置的具體實例以簡化本發明。當然，這些僅僅是實例，而不旨在限制本 發明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二 部件形成為直接接觸的實施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之間可以形成額外 的部件，從而使得第一部件和第二部件可以不直接接觸的實施例。此外，本發明可在各個實 例中重復參考標號和/或字母。該重復是為了簡單和清楚的目的，并且其本身不指示所討 論的各個實施例和/或配置之間的關系。
[0052] 而且，為便于描述，在此可以使用諸如"在…之下"、"在…下方"、"下部"、"在…之 上"、"上部"等的空間相對術語，以便于描述如圖所示的一個元件或部件與另一個（或另一 些）元件或部件的關系。除了圖中所示的方位外，空間相對術語旨在包括器件在使用或操 作中的不同方位。裝置可以以其他方式定向（旋轉90度或在其他方位上），而在此使用的 空間相對描述符可以同樣地作相應的解釋。
[0053] -種半導體器件包括晶體管。圖1A和圖1B分別示出了晶體管的實施例的右側立 體圖和左側立體圖。圖1C是圖1A和圖1B的晶體管的正視圖。晶體管包括襯底14和設置 在襯底14的表面上方的替代金屬柵極10。在源極區11和漏極區12之間制造替代金屬柵 極10〇
[0054] 在另一個半導體器件中，晶體管配置為具有作為FinFET(鰭式場效應晶體管）的 多個鰭。圖2A和圖2B示出了FinFET的實施例的正視圖和后視圖。圖2C是沿著AA'截取 的圖2A的