具有附加氧化物層的柵極結構及其制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種半導體結構及其形成方法。半導體結構包括：襯底和形成在襯底上方的柵極結構。柵極結構包括：形成在襯底上方的柵極介電層和形成在柵極介電層上方的覆蓋層。該柵極結構還包括形成在覆蓋層上方的覆蓋氧化物層和形成在覆蓋氧化物層上方的功函金屬層。該柵極結構還包括形成在功函金屬層上方的柵電極層。
【專利說明】
具有附加氧化物層的柵極結構及其制造方法
技術領域
[0001] 本發明總體涉及半導體領域，更具體地，涉及柵極結構及其制造方法。
【背景技術】
[0002] 半導體器件用于各種電子應用中，諸如個人計算機、手機、數碼相機、以及其他電 子設備。半導體器件通常通過以下步驟制造：在半導體襯底上方依次沉積絕緣或介電材料 層、導電材料層和半導體材料層，并且使用光刻來圖案化各個材料層以在其上形成電路組 件和元件。
[0003] 然而，雖然現有的半導體制造工藝通常足以實現它們的預期目的，但是隨著器件 不斷按比例縮小，它們不能在所有方面都完全令人滿意。
【發明內容】
[0004] 根據本發明的一個方面，提供了一種半導體結構，包括：襯底；以及柵極結構，形 成在所述襯底上方，其中，所述柵極結構包括：柵極介電層，形成在所述襯底上方；覆蓋層， 形成在所述柵極介電層上方；覆蓋氧化物層，形成在所述覆蓋層上方；功函金屬層，形成在 所述覆蓋氧化物層上方；和柵電極層，形成在所述功函金屬層上方。
[0005] 優選地，所述覆蓋氧化物層是由由MNxOy制成，并且M為Ti、Ta或W，N為氮，0為 氧，X是在約4至約9的范圍內，y是在約5至約9的范圍內。
[0006] 優選地，所述覆蓋層是由TiN制成，而所述覆蓋氧化物層是由TiNxOy制成的，其中， X :y在約0. 4至約1. 8的范圍內。
[0007] 優選地，所述覆蓋層是由金屬氮化物制成，所述覆蓋氧化物層是由金屬氮氧化物 制成，并且所述功函金屬層是由金屬氮化物制成。
[0008] 優選地，所述覆蓋氧化物層的厚度在約：i A至約50 1的范圍內。
[0009] 優選地，所述覆蓋層的厚度在從約5A至約100 A的范圍內。
[0010] 優選地，所述覆蓋層的厚度和所述覆蓋氧化物層的厚度的總和是在約6蓋至約 ISd A的范圍內。
[0011] 根據本發明的另一方面，提供了一種半導體結構，包括：襯底；第一柵極結構，形 成在所述襯底上方，其中，所述第一柵極結構包括：第一柵極介電層，形成在所述襯底上方； 第一覆蓋層，形成在所述第一柵極介電層上方；第一覆蓋氧化物層，形成在所述第一覆蓋層 上方；第一功函金屬層，形成在所述第一覆蓋氧化物層上方；和第一柵電極層，形成在所述 第一功函金屬層上方；以及第二柵極結構，形成在所述襯底上方，其中，所述第二柵極結構 包括：第二柵極介電層，形成在所述襯底上方；第二覆蓋層，形成在所述第二柵極介電層上 方；第二覆蓋氧化物層，形成在所述第二覆蓋層上方；第二功函金屬層，形成在所述第二覆 蓋氧化物層上方；和第二柵電極層，形成在所述第二功函金屬層上方；其中，所述第一覆蓋 層和所述第二覆蓋層是由相同的材料制成，而所述第一功函金屬層和所述第二功函金屬層 是由不同的材料制成。
[0012] 優選地，所述第一功函金屬層是由N型金屬制成，而所述第二功函金屬層是由P型 金屬制成。
[0013] 優選地，所述第一覆蓋層和所述第二覆蓋層是由金屬氮化物制成，所述第一覆蓋 氧化物層和所述第二覆蓋氧化物層是由金屬氮氧化物制成。
[0014] 優選地，所述第一覆蓋層的厚度大于所述第一覆蓋氧化物層的厚度。
[0015] 優選地，所述第一覆蓋氧化物層的厚度在約〗Λ至約50 A的范圍內。
[0016] 優選地，所述第一覆蓋層的厚度和所述第一覆蓋氧化物層的厚度的總和是在約 6 A至約150 A的范圍內。
[0017] 根據本發明的又一方面，提供了一種用于制造半導體結構的方法，包括：在襯底上 方形成柵極介電層；在所述柵極介電層上方形成覆蓋層；在所述覆蓋層上方形成覆蓋氧化 物層；在所述覆蓋氧化物層上方形成功函金屬層；以及在所述功函金屬層上方形成柵電極 層，其中，所述柵電極層是由金屬制成，而所述覆蓋氧化物層被配置為防止所述柵電極層的 金屬擴散至所述襯底內。
[0018] 優選地，通過氧化所述覆蓋層來形成所述覆蓋氧化物層。
[0019] 優選地，通過退火工藝來形成所述覆蓋氧化物層。
[0020] 優選地，在約600°C至約1000°C的范圍內的溫度條件下氧化所述覆蓋層以形成所 述覆蓋氧化物層。
[0021] 優選地，在200°C至約500°C的范圍內的溫度條件下形成所述覆蓋層。
[0022] 優選地，該方法還包括：在形成所述柵極介電層之前，在所述襯底上方形成界面 層。
[0023] 優選地，所述覆蓋氧化物層的厚度在約I A至約5:0 A的范圍內。
【附圖說明】
[0024] 當結合附圖進行閱讀時，根據下面詳細的描述可以更好地理解本發明。應該強調 的是，根據工業中的標準實踐，對各種部件沒有按比例繪制并且僅僅用于說明的目的。實際 上，為了清楚討論起見，各種部件的尺寸可以被任意增大或縮小。
[0025] 圖IA至圖IG是根據一些實施例的形成半導體結構的各個階段的截面圖。
[0026] 圖2A至圖21是根據一些實施例的形成半導體結構的各個階段的截面圖。
[0027] 圖3是根據一些實施例的半導體結構IOOc的截面圖。
【具體實施方式】
[0028] 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。
[0029] 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。
[0030] 提供了半導體結構及其制造方法的實施例。根據一些實施例，該半導體結構包括 在襯底上方形成的柵極結構，并且柵極結構包括柵極介電層，在柵極介電層上方形成的覆 蓋層和在覆蓋層上方形成的覆蓋氧化物層。覆蓋氧化物層可以用作用于柵極介電層的氧 源，并且用作阻擋層以防止形成在它上方的金屬穿透至所述襯底。
[0031] 圖IA至圖IG是根據一些實施例的形成半導體結構IOOa的各個階段的截面圖。如 圖IA所不，根據在一些實施例，提供襯底102。襯底102可以是諸如娃晶圓的半導體晶圓。 可選地或附加地，襯底102可以包括元素半導體材料、化合物半導體材料和/或合金半導體 材料。元素半導體材料的實例可以是但不限于晶體硅、多晶硅、非晶硅、鍺和/或金剛石。 化合物半導體材料的實例可以是但不限于碳化硅、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦和/或 鋪化銦。該合金半導體材料的實例可以是但不限于SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GalnAs、 GaInP 和 / 或 GaInAsP。
[0032] 根據一些實施例，如圖IA所示，在襯底102上方形成界面層104、偽柵極介電層 106、偽柵電極層108。在一些實施例中，界面層104是由SiO 2制成的。可以通過實施原子 層沉積（ALD)工藝、熱氧化工藝、UV-臭氧氧化工藝或化學汽相沉積（CVD)工藝形成界面層 104〇
[0033] 根據一些實施例，偽柵極介電層106形成在界面層104上方并且是由諸如金屬氧 化物的高k介電材料制成的。高k介電材料的實例包括但不限于氧化鉿（HfO 2)、氧化鉿硅 (HfSiO)、氧化鉿鉭（HfTaO)、氧化鉿鈦（HfTiO)、氧化鉿鋯（HfZrO)、氧化鋯、氧化鈦、氧化 鋁、二氧化鉿-氧化鋁（HfO 2-Al2O3)合金或其他適用的介電材料。可以通過化學汽相沉積 (CVD)、物理汽相沉積（PVD)、原子層沉積（ALD)、旋涂或其他適用的工藝形成偽柵極介電層 106〇
[0034] 根據一些實施例，在形成偽柵極介電層106后，在偽柵極介電層106上方形成偽柵 電極層108。在一些實施例中，偽柵電極層108是由多晶硅制成的。接下來，如圖IB所示， 根據一些實施例，圖案化界面層104、偽柵極介電層106和偽柵電極層108以形成偽柵極結 構 IlOo
[0035] 之后，根據一些實施例，如圖IC所示，在偽柵極結構110的側壁上形成密封層112。 密封層112可以保護偽柵極結構110在隨后的處理期間免受破壞或損耗并且也可以在隨后 的處理期間防止氧化。在一些實施例中，密封層112由氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、碳化硅或 其他適用的介電材料制成的。密封層112可以包括單層或多層。
[0036] 根據一些實施例，進一步在密封層112上形成間隔件114。在一些實施例中，間隔 件114是由氮化硅、氧化硅、碳化硅、氮氧化硅或其他適用的材料制成的。
[0037] 根據一些實施例，如圖IC所示，在襯底102中且鄰近偽柵極結構110處形成源極 /漏極結構116。在一些實施例中，通過使用注入工藝或外延（印i)工藝來形成源極/漏極 結構116。在一些實施例中，源極/漏極結構116包括Ge、SiGe、InAs、InGaAs、InSb、GaAs、 GaSb、InAlP、InP 等。
[0038] 根據一些實施例，如圖ID所示，在襯底102中形成源極/漏極結構116之后，在襯 底102上方形成接觸蝕刻停止層（CESL) 118，并且在接觸蝕刻停止層118上方形成層間介電 層120。如圖ID所示，根據一些實施例，在間隔件114的側壁上和源極/漏極結構116的頂 面上形成接觸蝕刻停止層118。在一些實施例中，接觸蝕刻停止層118由氮化硅、氮氧化硅 和/或其他適用的材料制成的。可以通過化學汽相沉積（CVD)、物理汽相沉積（PVD)、原子 層沉積（ALD)、旋涂或其他適用的工藝來形成接觸蝕刻停止層118。在一些實施例中，層間 介電層120是由氧化硅、氮化硅、磷硅酸鹽玻璃（PSG)、硼磷硅酸鹽玻璃（BPSG)和/或其他 適用的介電材料制成的。可以通過化學汽相沉積（CVD)、物理汽相沉積（PVD)、原子層沉積 (ALD)、旋涂或其他適用的工藝來形成層間介電層120。
[0039] 根據一些實施例，如圖IE所示，在形成層間介電層120之后，去除偽柵極結構110 以在兩個間隔件114之間形成溝槽122。之后，根據一些實施例，在溝槽122中形成金屬柵 極結構124。
[0040] 更具體地說，根據一些實施例，金屬柵極結構124包括界面層126、柵極介電層 128、覆蓋層130、覆蓋氧化物層132、功函金屬層134和金屬柵電極層136。如圖IF所示，界 面層126形成在襯底102的通過溝槽122而暴露的頂面上方。界面層126形成在襯底102 和柵極介電層128之間，從而可以提高柵極介電層128的粘附力。在一些實施例中，界面層 126是由SiO 2制成的。在一些實施例中，界面層126的厚度在約5 A至約20 A的范圍 內。在一些實施例中，通過實施原子層沉積（ALD)、熱氧化工藝、UV-臭氧氧化工藝或化學汽 相沉積（CVD)工藝來形成界面層126。
[0041] 根據一些實施例，如圖IF所示，在形成界面層126之后，在界面層126上方形成柵 極介電層128。在一些實施例中，柵極介電層128是由諸如金屬氧化物的高k介電材料制 成的。在一些實施例中，柵極介電層128是由氧化鉿（HfO 2)、氧化鉿硅（HfSiO)、氧化鉿鉭 (HfTaO)、氧化鉿鈦（HfTiO)、氧化鉿錯（HfZrO)、氧化錯、氧化鈦、氧化鋁、二氧化鉿-氧化鋁 (HfO 2-Al2O3)合金或其他適用的介電材料制成的。在一些實施例中，柵極介電層128的厚度 在約10 A至約30 A的范圍內。可以通過化學汽相沉積（CVD)、物理汽相沉積（PVD)、原子 層沉積（ALD)、旋涂或其他適用的工藝形成柵極介電層128。
[0042] 根據一些實施例，如圖IF所述，在形成柵極介電層128之后，在柵極介電層128上 方形成覆蓋層130。覆蓋層130被配置為防止在它上方形成的金屬穿透進入位于襯底102 中且位于金屬柵極結構124下方的溝道區內。在一些實施例中，覆蓋層130的厚度Tl在從 約:5 A至約UK) A的范圍內。如果覆蓋層130不夠厚，則形成在覆蓋層130上方的金屬仍 然可能穿透它并且進入到襯底102內。另一方面，如果覆蓋層130太厚，則柵極介電層128 中大量的氧可能被覆蓋層130吸引，從而導致柵極介電層128中的大量的氧空位。
[0043] 在一些實施例中，覆蓋層130是由金屬氮化物制成的。用于形成覆蓋層130的材 料的實例可以包括但不限于TiN、TaN和WN。可以通過化學汽相沉積（CVD)、物理汽相沉積 (PVD)、原子層沉積（ALD)、旋涂或其他適用的工藝形成覆蓋層130。在一些實施例中，通過 在約200°C至約500°C的范圍內的溫度條件下實施的熱CVD工藝來形成覆蓋層130。如果該 工藝的溫度太高，則所產生的覆蓋層130的電阻可能增大。
[0044] 根據一些實施例，如圖IG所示，在形成覆蓋層130之后，在覆蓋層130上方形成覆 蓋氧化物層132。在覆蓋層130上方形成覆蓋氧化物層132以進一步確保形成在其上方的 金屬將不會穿透（例如，擴散）進入至襯底102內。也就是說，覆蓋氧化物層132也被配置 為防止金屬穿透或擴散至襯底102內。
[0045] 在一些實施例中，覆蓋氧化物層132是由金屬氮化物制成的。在一些實施例中，覆 蓋氧化物層132是由MN xOy制成的，并且M為Ti、Ta或W，N是氮，0是氧，X是在約4至約9 的范圍內，y是在約5至約9的范圍內。在一些實施例中，X與y的比率在約0.4至約1.8 的范圍內。如果X與y的比率太大，則可能沒有足夠的氧來防止形成在覆蓋氧化物層132 上的金屬的穿透。另一方面，如果X與y的比率太小，則可能含有過多的氧，從而導致界面 層的再生。在一些實施例中，覆蓋層130是由TiN制成的，而覆蓋氧化物層130是由TiN xOy 制成的。
[0046] 在一些實施例中，覆蓋氧化物層132是由TiOy制成的。在一些實施例中，y在約5 至約9的范圍內。
[0047] 在一些實施例中，覆蓋氧化物層132是通過氧化覆蓋層130而形成。在一些實施 例中，通過實施退火工藝來形成覆蓋氧化物層132。在一些實施例中，通過在約600°C至約 1000°C的范圍內的溫度條件下氧化覆蓋層130來形成覆蓋氧化物層132。如前所述，覆蓋 氧化物層132被配置為防止形成在它上方的金屬擴散穿過。因此，如果用于形成覆蓋氧化 物層132的溫度不夠高，則所產生的覆蓋氧化物層132可能厚度不足而不能阻止金屬擴散。 另一方面，如果用于形成覆蓋氧化物層132的溫度太高，則形成的覆蓋氧化物層132可能太 厚，從而有損金屬柵極結構124的性能。此外，由于高溫，界面層126也可以變得更厚，并且 柵極介電層128可以結晶。
[0048] 在一些實施例中，覆蓋氧化物層132的厚度T2在約I A至約50 A的范圍內。由 于氧化物是一種相對堅硬的材料，所以覆蓋氧化物層132不需要太厚以阻擋金屬穿透它。 然而，如果覆蓋氧化物層132太薄，它可能無法完全阻擋金屬。另一方面，如果覆蓋氧化物 層132太厚，形成的金屬柵極結構124的電容可能會增大，因此金屬柵極結構的性能可能受 到損害。
[0049] 在一些實施例中，覆蓋層130的厚度T1大于覆蓋氧化物層132的厚度T 2。在一 些實施例中，覆蓋層130的厚度1\和覆蓋氧化物層132的厚度T2的總和在從約6 A至約 ]:50人的范圍內。如前面所述，由于覆蓋層130和覆蓋氧化物層132被配置為阻擋形成在 它們上方的金屬穿過，所以覆蓋層130和覆蓋氧化物層132應當足夠厚。然而，如果覆蓋層 130和覆蓋氧化物層132太厚，則形成的金屬柵極結構124的性能可以受到損害。
[0050] 根據一些實施例，如圖IG所示，在形成覆蓋氧化物層132之后，在覆蓋氧化物層 132上方形成功函金屬層134,并且在功函金屬層134上方形成金屬柵電極層136。調整功 函金屬層134以具有適當的功函。在一些實施例中，功函金屬層134是由金屬氮化物制成 的。例如，如果需要用于PMOS器件的p型功函金屬（P-金屬），則可以使用TiN、WN或W。 另一方面，如果需要用于NMOS器件的N型功函金屬（N-金屬），則可以使用TiAUTiAlN或 TaCN0
[0051] 在一些實施例中，金屬柵電極層136是由諸如金屬的導電材料制成的。用于形成 金屬柵電極層136的導電材料的實例可以包括但不限于鋁、銅、鎢、鈦、鉭或其他適用的材 料。正如前面所述，在隨后的工藝中，金屬柵電極層136的金屬可以向著形成在下方的各層 擴散。然而，由于覆蓋層130和覆蓋氧化物層132形成在金屬柵電極層136下方，所以金屬 柵電極層136中的金屬可被它們阻擋而不會穿過柵極介電層128并且進入到襯底102內。
[0052] 圖2A至21是根據一些實施例的形成半導體結構IOOb的各個階段的截面圖。雖 然形成半導體結構IOOb中的每個元件的順序可以與前述在圖IA至圖IG中示出的半導體 結構100A的形成順序不同，但是使用的材料和工藝可以相似或相同。因此，本文中不再重 復這些材料和工藝。
[0053] 如圖2A所示，根據一些實施例，在襯底102上方形成界面層126,并且在界面層 126上方形成柵極介電層128。如前面所述，界面層126形成在襯底102和柵極介電層128 之間，因此可以增大柵極介電層128的粘附力。
[0054] 根據一些實施例，如圖2B所示，在形成柵極介電層128后，在柵極介電層128上方 形成覆蓋層130。如前面所述，覆蓋層130被配置為防止形成在它上方的金屬穿透至襯底 102內。在一些實施例中，覆蓋層130的厚度1\是在約丨〇 A至約50 A的范圍內。
[0055] 根據一些實施例，如圖2C所示，在形成覆蓋層130之后，在覆蓋層130上方形成覆 蓋氧化物層132。如前面所述，覆蓋氧化物層132被配置為防止形成在它上方的金屬穿透至 襯底102內。在一些實施例中，覆蓋氧化物層132的厚度T 2是在約5 A至約氣的范圍 內。
[0056] 如圖2D所示，根據一些實施例，在形成覆蓋氧化物層132之后，在覆蓋氧化物層 132上方形成偽柵電極層108。之后，根據一些實施例，如圖2Ε所示，圖案化偽柵電極層108、 覆蓋氧化物層132、覆蓋層130、柵極介電層128和界面層126以形成偽柵極結構110'。
[0057] 根據一些實施例，如圖2F所示，在形成偽柵極結構110'之后，在偽柵極結構110' 的側壁上方形成密封層112,并且在密封層112上形成間隔件114。此外，在襯底102中鄰 近于偽柵極結構110'處形成源極/漏極結構116。
[0058] 接下來，根據一些實施例，如圖2G所示，在襯底102上方形成接觸蝕刻停止層118， 并且在在接觸蝕刻停止層118上方形成層間介電層120。之后，根據一些實施例，如圖2Η所 示，去除偽柵電極層108以在兩個間隔件114之間形成溝槽122'。
[0059] 根據一些實施例，如圖21所示，在形成溝槽122'后，在溝槽122'中形成功函金屬 層134,以及在功函金屬層134上方形成金屬柵電極層136。如圖21所示，半導體結構IOOb 包括金屬柵極結構124'，金屬柵極結構124'進一步包括界面層126、柵極介電層128、覆蓋 層130、覆蓋氧化物層132、功函數金屬層134和金屬柵電極層136。此外，根據一些實施例， 在形成偽柵電極層108之前，在金屬結構124'中形成界面層126、柵極介電層128、覆蓋層 130、覆蓋氧化物層132、功函數金屬層134和金屬柵電極層136。也就是說，如圖IA至圖IG 和圖2Α至圖21所示，可以在去除偽柵電極層108之后或之前形成柵極介電層128、覆蓋層 130和覆蓋氧化物層132,并且本發明的范圍不旨在限制于此。
[0060] 圖3是根據一些實施例的半導體結構IOOc的截面圖。根據一些實施例，半導體結 構IOOc包括在襯底102上方形成的第一金屬柵極結構124a和第二金屬柵極結構124b，并 且第一金屬柵極結構124a和第二金屬柵極結構124b通過隔離結構301分隔。
[0061] 根據一些實施例，如圖3所示，第一金屬柵極結構124a包括第一界面層126a、第一 柵極介電層128a、第一覆蓋層130a、第一覆蓋氧化物層132a、第一功函金屬層134a以及第 一金屬柵電極層136a。第一界面層126a形成在襯底102的頂面上并且可以由前述用于形 成界面層126的材料和工藝形成。第一柵極介電層128a形成在第一界面層126a上并且可 以通過前述用于形成柵極介電層128的材料和工藝形成。
[0062] 第一覆蓋層130a形成在第一柵極介電層128a上并且可以通過前述用于形成覆蓋 層130的材料和工藝形成。第一覆蓋氧化物層132a形成在第一覆蓋層130a上并且可以通 過前述用于形成覆蓋氧化物層132的材料和工藝形成。第一功函金屬層134a形成在第一覆 蓋氧化物層132a上方并且可以通過前述用于形成功函金屬層134的材料和工藝形成。第 一金屬柵電極層136a形成在第一功函金屬層134a上方并且可以通過前述用于形成金屬柵 電極層136的材料和工藝形成。
[0063] 此外，根據一些實施例，第二金屬柵極結構124b包括第二界面層126b、第二柵極 介電層128b、第二覆蓋層130b、第二覆蓋氧化物層132b、第二功函金屬層134b以及第二金 屬柵電極層136b。第二界面層126b形成在襯底102的頂面上并且可以由前述用于形成界 面層126的材料和工藝形成。第二柵極介電層128b形成在第二界面層126b上并且可以通 過前述用于形成柵極介電層128的材料和工藝形成。
[0064] 第二覆蓋層130b形成在第二柵極介電層128b上并且可以通過前述用于形成覆蓋 層130的材料和工藝形成。第二覆蓋氧化物層132b形成在第二覆蓋層130b上并且可以通 過前述用于形成覆蓋氧化物層132的材料和工藝形成。第二功函金屬層134b形成在第二覆 蓋氧化物層132b上方并且可以通過前述用于形成功函金屬層134的材料和工藝形成。第 二金屬柵電極層136b形成在第二功函金屬層134b上方并且可以通過前述用于形成金屬柵 電極層136的材料和工藝形成。
[0065] 此外，根據一些實施例，密封層112形成在第一金屬柵極結構124a和第二金屬柵 極結構124b的側壁上，并且間隔件114形成在密封層112上方。此外，在襯底102中鄰近 于第一金屬柵極結構124a處和第二金屬柵極結構124b處形成源極/漏極結構116。接觸 蝕刻停止層118形成在間隔件114的側壁上方以及形成在襯底102上方的源極/漏極結構 116的上方，并且層間介電層120形成在接觸蝕刻停止層118上方。
[0066] 在一些實施例中，第一金屬柵極結構124a用于p型金屬氧化物半導體（PMOS)晶 體管而第二金屬柵極結構124b用于η型金屬氧化物半導體晶體管（NMOS)。此外，第一功函 金屬層134a和第二功函金屬層134b可以用來控制晶體管的導電類型。因此，根據一些實 施例，第一功函金屬層134a和第二功函金屬層134b可以由不同的材料制成。例如，第一功 函金屬層134a是由諸如TiN、WN或W的p型金屬制成的，而第二功函金屬層134b是由諸如 TiAl、TiAlN或TaCN的η型金屬制成的。
[0067] 在一些實施例中，第一覆蓋層130a和第二覆蓋層130b是由相同的材料制成的，并 且第一覆蓋氧化物層132a和第二覆蓋氧化物層132b是由相同的材料制成的。如前所述， 第一覆蓋層130a、第二覆蓋層130b、第一覆蓋氧化物層132a和第二覆蓋氧化物層132b被 配置為防止在它們上方形成的金屬（例如，第一金屬電極層136a和第二金屬柵電極層136b 中的金屬）擴散到襯底102內。即，晶體管的導電類型不受用于形成第一覆蓋層130a、第二 覆蓋層130b、第一覆蓋氧化物層132a和第二覆蓋氧化物層132b的材料的控制。
[0068] 因此，即使第一金屬柵極結構124a用于p型金屬氧化物半導體（PMOS)晶體管并 且第二金屬柵極結構124b用于η型金屬氧化物半導體晶體管（NMOS)，用于形成第一覆蓋 層130a和第二覆蓋層130b的材料仍然可以相同。在一些實施例中，第一覆蓋層130a和第 二覆蓋層130b是由金屬氮化物制成的，并且第一覆蓋氧化物層132a和第二覆蓋氧化物層 132b由金屬氮氧化物制成的。
[0069] 在一些實施例中，第一覆蓋層130a和第一功函數金屬層134a是由相同的材料制 成的，而第二覆蓋層130b和第二功函數金屬層134b是由不同的材料制成的。在一些實施 例中，第一覆蓋層130a和第二覆蓋層130b分別厚于第一覆蓋氧化物層132a和第二覆蓋氧 化物層132b。在一些實施例中，第一覆蓋氧化物層132a和第二覆蓋氧化物層132b具有在 約5 A至約〗0 A的范圍內的相等的厚度。在一些實施例中，第一覆蓋層130a和第一覆蓋 氧化物層132a的厚度的總和是等于第二覆蓋層130b和第二覆蓋層氧化物132b的厚度的 總和，并且在約5 A至約A的范圍內。
[0070] 如圖IA至圖3所示并且如前所述，覆蓋氧化物層132 (或覆蓋氧化物層132a或 132b)形成在覆蓋層130 (或覆蓋層130a或130b)上方。覆蓋氧化物層132被配置為用作 形成在下方的柵極介電質層128的氧源并且防止形成在其上方的金屬擴散至襯底102內。
[0071] 更具體地，在隨后的制造工藝期間，柵極介電層128傾向于失去它的氧原子，從而 導致在柵極介電層128中形成氧空位。柵極介電層128中的氧空位可以導致半導體結構的 高閾值電壓，并且所產生的器件的一致性較差。然而，當在柵極介電層128上方的覆蓋層 130上形成覆蓋氧化物層132時，可以將覆蓋氧化物層132看作向柵極介電層128提供氧的 氧源。因此，可以減少柵極介電層128中的氧空位并且提高所產生的器件（包括半導體結 構IOOaUOOb和100c)的一致性。
[0072] 此外，在金屬柵極結構124 (或金屬柵極結構124'、124a或124b)下方的襯底102 中形成溝道。在溝道上方形成的金屬，諸如柵極電極層136中的金屬傾向于穿過柵極結構 并且進入至溝道內。在這種情況下，發生襯底的尖峰現象（spiking)，并且可能降低溝道的 性能。然而，由于覆蓋氧化物層132形成在覆蓋層130上方，所以覆蓋氧化物層132可以用 作阻擋層以阻擋它上方的金屬。也就是說，覆蓋氧化物層132可以防止形成在它上方的金 屬擴散穿過它。由于在襯底102上方形成的金屬不能穿透柵極介電層128而進入襯底102 內，所以可以提高半導體結構l〇〇a(或半導體結構IOObUOOc)的性能。
[0073] 此外，由于覆蓋氧化物層132形成在覆蓋層130上方并且比覆蓋層130更堅硬，所 以覆蓋層130的厚度不必太厚來阻擋金屬。如果覆蓋層130太厚，則其也傾向于吸收柵極 介電層128中的氧并且可以因此增大半導體結構的閾值電壓。然而，在上面所描述的實施 例中，覆蓋氧化物層132用于幫助覆蓋層130來阻擋位于其上方的金屬。因此，覆蓋層130 可以相對較薄。也就是說，通過形成覆蓋層130和覆蓋氧化物層132,可以防止金屬穿透而 不會導致閾值電壓的增大。
[0074] 此外，覆蓋氧化物層132是形成在覆蓋層130上方，而不是直接形成在柵極介電層 128上方。如果諸如TiN xOy層的氧化物層直接形成在柵極介電層128上方，則可以增大半 導體結構的k值，并且可以降低半導體結構的性能。然而，在上述的實施例中，覆蓋氧化物 層132是形成在覆蓋層130上方。因此，柵極介電層128的k值將不受影響，并且將不損害 半導體結構IOOa的性能。
[0075] 提供了半導體結構及其制造方法的實施例。半導體結構包括柵極結構，并且柵極 結構包括柵極介電層、覆蓋層、覆蓋氧化物層、功函金屬層和柵電極層。覆蓋氧化物層是形 成在覆蓋層上方以防止形成在其上方的金屬（諸如柵電極層中的金屬）穿透柵介電層并且 進入柵極結構下面的襯底內。此外，覆蓋氧化物層也可以用作氧源以減少柵極介電層中的 氧空位。因此，可以提高半導體結構的性能。
[0076] 在一些實施例中，提供了一種半導體結構。半導體結構包括：襯底和形成在襯底上 方的柵極結構。柵極結構包括：形成在襯底上方的柵極介電層和形成在柵極介電層上方的 覆蓋層。該柵極結構還包括形成在覆蓋層上方的覆蓋氧化物層和形成在覆蓋氧化物層上方 的功函金屬層。該柵極結構還包括形成在功函金屬層上方的柵電極層。
[0077] 在一些實施例中，提供了一種半導體結構。半導體結構包括襯底和形成在襯底上 方的第一柵極結構。第一柵極結構包括：形成在襯底上方的第一柵極介電層和形成在第一 柵極介電層上方的第一覆蓋層。該第一柵極結構還包括形成在第一覆蓋層上方的第一覆蓋 氧化物層和形成在第一覆蓋氧化物層上方的第一功函金屬層。該第一柵極結構還包括形成 在第一功函金屬層上方的第一柵電極層。半導體結構還包括形成在襯底上方的第二柵極結 構。第二柵極結構包括：形成在襯底上方的第二柵極介電層和形成在第二柵極介電層上方 的第二覆蓋層。該第二柵極結構還包括形成在第二覆蓋層上方的第二覆蓋氧化物層和形成 在第二覆蓋氧化物層上方的第二功函金屬層。該第二柵極結構還包括形成在第二功函金屬 層上方的第二柵電極層。此外，第一覆蓋層和第二覆蓋層是由相同的材料制成的，并且第一 功函金屬層和第二功函金屬層是由不同的材料制成的。
[0078] 在一些實施例中，提供了一種用于制造半導體結構的方法。用于制造半導體結構 的方法包括在襯底上方形成柵極介電層和在柵極介電層上方形成覆蓋層。用于制造半導體 結構的方法還包括在覆蓋層上方形成覆蓋氧化物層和在覆蓋氧化物層上方形成功函金屬 層。用于制造半導體結構的方法還包括在功函金屬層上方形成柵電極層。此外，柵電極層 是由金屬制成的，并且覆蓋氧化物層被配置為防止柵電極層的金屬擴散至襯底內。
[0079] 上面概述了若干實施例的特征，使得本領域技術人員可以更好地理解本發明的方 面。本領域技術人員應該理解，他們可以容易地使用本發明作為基礎來設計或修改用于實 現與在此所介紹實施例相同的目的和/或實現相同優勢的其他工藝和結構。本領域技術人 員也應該意識到，這種等同構造并不背離本發明的精神和范圍，并且在不背離本發明的精 神和范圍的情況下，在此他們可以做出多種變化、替換以及改變。
【主權項】
1. 一種半導體結構，包括： 襯底；以及 柵極結構，形成在所述襯底上方，其中，所述柵極結構包括： 柵極介電層，形成在所述襯底上方； 覆蓋層，形成在所述柵極介電層上方； 覆蓋氧化物層，形成在所述覆蓋層上方； 功函金屬層，形成在所述覆蓋氧化物層上方；和 柵電極層，形成在所述功函金屬層上方。2. 根據權利要求1所述的半導體結構，其中，所述覆蓋氧化物層是由由MNxOy制成，并且 Μ為Ti、Ta或W，N為氮，0為氧，X是在約4至約9的范圍內，y是在約5至約9的范圍內。3. 根據權利要求1所述的半導體結構，其中，所述覆蓋層是由TiN制成，而所述覆蓋氧 化物層是由TiNxO y制成的，其中，X :y在約0. 4至約1. 8的范圍內。4. 根據權利要求1所述的半導體結構，其中，所述覆蓋層是由金屬氮化物制成，所述覆 蓋氧化物層是由金屬氮氧化物制成，并且所述功函金屬層是由金屬氮化物制成。5. 根據權利要求1所述的半導體結構，其中，所述覆蓋氧化物層的厚度在約1為至約 50 A的范圍內。6. 根據權利要求1所述的半導體結構，其中，所述覆蓋層的厚度在從約5 i至約 100農的范圍內。7. -種半導體結構，包括： 襯底； 第一柵極結構，形成在所述襯底上方，其中，所述第一柵極結構包括： 第一柵極介電層，形成在所述襯底上方； 第一覆蓋層，形成在所述第一柵極介電層上方； 第一覆蓋氧化物層，形成在所述第一覆蓋層上方； 第一功函金屬層，形成在所述第一覆蓋氧化物層上方；和 第一柵電極層，形成在所述第一功函金屬層上方；以及 第二柵極結構，形成在所述襯底上方，其中，所述第二柵極結構包括： 第二柵極介電層，形成在所述襯底上方； 第二覆蓋層，形成在所述第二柵極介電層上方； 第二覆蓋氧化物層，形成在所述第二覆蓋層上方； 第二功函金屬層，形成在所述第二覆蓋氧化物層上方；和 第二柵電極層，形成在所述第二功函金屬層上方； 其中，所述第一覆蓋層和所述第二覆蓋層是由相同的材料制成，而所述第一功函金屬 層和所述第二功函金屬層是由不同的材料制成。8. 根據權利要求7所述的半導體結構，其中，所述第一功函金屬層是由N型金屬制成， 而所述第二功函金屬層是由P型金屬制成。9. 一種用于制造半導體結構的方法，包括： 在襯底上方形成柵極介電層； 在所述柵極介電層上方形成覆蓋層； 在所述覆蓋層上方形成覆蓋氧化物層； 在所述覆蓋氧化物層上方形成功函金屬層；以及 在所述功函金屬層上方形成柵電極層， 其中，所述柵電極層是由金屬制成，而所述覆蓋氧化物層被配置為防止所述柵電極層 的金屬擴散至所述襯底內。10.根據權利要求9所述的用于制造半導體結構的方法，其中，通過氧化所述覆蓋層來 形成所述覆蓋氧化物層。
【文檔編號】H01L21/28GK106057874SQ201510788201
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2015年11月17日
【發明人】林智偉, 王智麟, 郭康民, 連承偉
【申請人】臺灣積體電路制造股份有限公司