阅读说明：本技术 半导体工艺所用的方法 (Method for semiconductor processing ) 是由 蔡承晏 吴仲强 黄泰维 锺鸿钦 李威缙 李达元 苏庆煌 庄媖涓 刘冠廷 于 2019-02-01 设计创作，主要内容包括：此处所述的实施例关于对半导体基板上的不同晶体管的金属栅极中所用的材料进行预沉积处理。在一实施例中,方法包括暴露第一装置的第一含金属层与第二装置的第二含金属层至反应物,以分别形成多个单层于第一含金属层与第二含金属层上。第一装置与第二装置位于基板上。第一装置包括第一栅极结构,且第一栅极结构包括第一含金属层。第二装置包括第二栅极结构,且第二栅极结构包括第二含金属层,而第一含金属层与第二含金属层不同。暴露第一含金属层与第二含金属层上的单层至氧化剂,以提供单层所用的羟基封端表面。之后形成第三含金属层于第一含金属层与第二含金属层上的单层的羟基封端表面上。(embodiments described herein relate to pre-deposition processing of materials used in metal gates of different transistors on a semiconductor substrate. In one embodiment, a method includes exposing a first metal-containing layer of a first device and a second metal-containing layer of a second device to a reactant to form a plurality of monolayers on the first metal-containing layer and the second metal-containing layer, respectively. The first device and the second device are located on the substrate. The first device includes a first gate structure, and the first gate structure includes a first metal-containing layer. The second device includes a second gate structure, and the second gate structure includes a second metal-containing layer, and the first metal-containing layer is different from the second metal-containing layer. Exposing the monolayer on the first metal-containing layer and the second metal-containing layer to an oxidizing agent to provide a hydroxyl terminated surface for the monolayer. A third metal-containing layer is then formed on the hydroxyl-terminated surface of the monolayer over the first metal-containing layer and the second metal-containing layer.)

半导体工艺所用的方法

技术领域

本发明实施例涉及半导体装置，更特别涉及对相同半导体基板上的不同种类金属栅极所用的功函数材料进行预处理。

背景技术

在制作场效应晶体管如鳍状场效应晶体管时，可采用金属栅极而非多晶硅栅极以改善装置效能。形成金属栅极的步骤可包含依序形成栅极介电层、阻障层、功函数层、与金属衬垫层于高深宽比的沟槽中，接着将栅极材料填入沟槽。功函数层可采用不同材料以用于不同种类的晶体管如p型场效应晶体管或n型场效应晶体管，以微调晶体管的临界电压并依需求增进装置的电性效能。然而随着尺寸缩小，出现新的挑战。

发明内容

本发明一实施例提供半导体工艺所用的方法，其包括：暴露第一装置的第一含金属层与第二装置的第二含金属层至反应物，以分别形成多个单层于第一含金属层与第二含金属层上，第一装置与第二装置位于基板上，第一装置包括第一栅极结构，且第一栅极结构包括第一含金属层，第二装置包括第二栅极结构，且第二栅极结构包括第二含金属层，而第一含金属层与第二含金属层不同；暴露第一含金属层与第二含金属层上的单层至氧化剂，以提供第一含金属层与第二含金属层上的单层所用的羟基封端表面；以及形成第三含金属层于第一含金属层与第二含金属层上的单层的羟基封端表面上。

附图说明

图1A与图1B是一些实施例中，制作半导体装置的例示性方法的流程图。

图2至图4是一些实施例中，对应多种制作阶段的半导体装置的部分透视图。

图5至图11是一些实施例中，对应多种制作阶段的半导体装置的部分剖视图。

图12显示工艺的中间阶段中，简化的半导体装置其三个装置区中的栅极结构的部分。

图13示出的是一些实施例中，工艺的中间阶段的简化的半导体装置。

图14A至图14C示出的是一些实施例中，沉积于不同基板上的碳化钛铝的X光光电子能谱。

附图标记说明：

A-A'：剖面

T1：第一厚度

T2：第二厚度

T3：第三厚度

T4、T5、T6：厚度

100：流程图

102、104、106、108、110、112、114、116、118、120、122：步骤

200：基板

201、1200、1300：半导体装置

202：鳍状物

206、240：界面介电层

208：虚置栅极

210：掩模

212：虚置栅极结构

212a、212b：置换栅极结构

213a、213b、213c：源极/漏极区

214、230、1301、1303、1305：沟槽

216：隔离区

218：层间介电层

220：栅极间隔物

224、259：上表面

232：表面

234：蚀刻工艺

242、1210、1310：栅极介电层

244、1208、1308：功函数调整层

245：盖层

247：阻障层

248：图案化的掩模结构

250a：第一装置区

250b：第二装置区

251：单层

252：底抗反射涂层

253：预处理工艺

254：光刻胶

255：金属衬垫层

257：栅极金属

261、263：处理后的表面

265：羟基封端

270、272、297、299、1360、1362、1364：插图

293、295：混合层

1202、1204、1206、1302、1304、1306：装置区

1212：金属层

1312：第一金属层

1314：第二金属层

1316：第三金属层

具体实施方式

下述内容提供的不同实施例或实例可实施本发明的不同结构。特定构件与排列的实施例用以简化本发明而非局限本发明。举例来说，形成第一构件于第二构件上的叙述包含两者直接接触，或两者之间隔有其他额外构件而非直接接触。此外，本公开的多种例子中可重复标号，但这些重复仅用以简化与清楚说明，不代表不同实施例及/或设置之间具有相同标号的单元之间具有相同的对应关系。

此外，空间性的相对用语如“下方”、“其下”、“较下方”、“上方”、“较上方”、或类似用语可用于简化说明某一元件与另一元件在图示中的相对关系。空间性的相对用语可延伸至以其他方向使用的元件，而非局限于图示方向。元件也可转动90°或其他角度，因此方向性用语仅用以说明图示中的方向。

本发明实施例通常涉及半导体装置，更特别涉及对相同半导体基板上的不同种类金属栅极所用的功函数材料进行预处理。一般而言，预处理可钝化功函数材料的表面以产生单层如氧化铝或氧化硅。预处理可确保后续沉积于功函数材料的钝化表面上的层状物，在不同种类的晶体管的金属栅极中具有较一致的厚度，以对金属栅极中的其他层的填隙效能及/或临界电压的影响最小化。其他实施例包含提供不同金属层于场效应晶体管(如n型场效应晶体管或p型场效应晶体管装置)的不同装置区所用的功函数调整层与栅极介电层之间，以调整n型或p型装置的多临界电压的方法。不同金属层会影响功函数调整层的组成与厚度，并改变沉积其上的功函数调整层的功函数值。不同基板上的不同功函数调整层，可提供不同的n型功函数以达调整多临界电压的目的，而不需堆叠多个金属层。如此一来，可提供更多空间以用于金属栅极充填。

以上概述本发明所述的一些实施例。可以理解的是预处理工艺可实施在平面晶体管装置或三维晶体管装置(如本发明实施例所述的半导体装置201)。此处所述的一些可实施装置包含鳍状场效应晶体管、水平全绕式栅极场效应晶体管、垂直全绕式栅极场效应晶体管、奈米线通道场效应晶体管、应变半导体装置、绝缘层上硅装置、或因预处理工艺而有利于缓和问题(比如有关于负载效应及/或与基板相关的成长工艺的问题)的其他装置。

图1A与图1B显示本发明多种实施例中，制作半导体装置201的例示性方法的流程图100。图2至图4是对应图1A与图1B中流程图的多种阶段的半导体装置的部分透视图，而图5至图11是对应图1A与图1B中流程图的多种阶段的半导体装置的部分剖视图。值得注意的是，流程图100可用于形成此处未提及的任何其他半导体结构。本技术领域中普通技术人员应理解，附图与说明内容并非形成半导体装置与相关结构的所有工艺。虽然此处所述的内容与附图包含多种步骤，但对这些步骤的顺序没有限制，也未暗示存在或不存在中间步骤。除非特别提及，否则附图中或说明的步骤顺序只用于解释，而不排除实际上同时进行个别步骤或以部分而非完全重叠的方式进行个别步骤的可能性。

流程图100开始的步骤102提供基板200，其具有虚置栅极结构212形成于基板200上的多个鳍状物202上，如图2所示。基板200可为或包含半导体基体基板、绝缘层上半导体基板、或类似物，其可掺杂(如掺杂p型或n型掺质)或未掺杂。在一些实施例中，半导体基板的半导体材料可包含半导体元素(如硅或锗)、半导体化合物、半导体合金、或上述的组合。此外可采用其他基板。

每一鳍状物202提供有源区，即一或多个装置形成处。鳍状物202的制作方法在基板200上进行合适工艺，包含掩模、光刻、及/或蚀刻工艺，以形成沟槽214至基板200中，并保留自基板200向上延伸的鳍状物(如鳍状物202)。鳍状物202可由任何合适方法图案化。举例来说，鳍状物202的图案化方法可采用一或多个光刻工艺，包含双重图案化或多重图案化工艺。一般而言，双重图案化或多重图案化工艺包含光刻与自对准工艺，其产生的图案间距可小于采用单一直接的光刻工艺所得的图案间距。举例来说，一些实施例形成牺牲层于基板上，并采用光刻工艺图案化牺牲层。采用自对准工艺，可沿着图案化牺牲层的侧部形成间隔物。接着移除牺牲层，而保留的间隔物可用于图案化鳍状物202与形成沟槽214。

接着可采用合适的沉积技术，将绝缘材料如氧化物(例如氧化硅)、氮化物、类似物、或上述的组合填入沟槽214。也可采用任何可接受的工艺所形成的其他绝缘材料。可采用可接受的蚀刻工艺使绝缘材料凹陷，以形成隔离区216。由于绝缘材料凹陷，鳍状物202可自相邻的隔离区216之间向上凸起。

隔离区216可将半导体装置201分隔成多种装置区。如图所示的例子中，半导体装置201包含第一装置区250a与第二装置区250b。一或多个装置可形成于第一装置区250a中，且一或多个装置可形成于第二装置区250b中。举例来说，每一第一装置区250a与第二装置区250b可包含某一型态的装置(如p型装置或n型装置)，且每一第一装置区250a与第二装置区250b中的装置特性可不同。在一些实施例中，半导体装置201可为多临界电压的集成电路装置，其用于最佳化延迟或功率。在这些例子中，第一装置区250a与第二装置区250b中的装置可为n型超低临界电压装置、n型低临界电压装置、n型标准电压装置、n型高临界电压装置、p型超低临界电压装置、p型低临界电压装置、p型标准临界电压装置、p型高临界电压装置、或任何上述的组合。举例来说，n型装置(如n型鳍状场效应晶体管装置)可位于第一装置区250a中且可为n型标准临界电压装置，而另一n型装置可位于第二装置区250b中且可为n型超低临界电压装置。然而可理解本技术领域中普通技术人员可采用任何型态的装置于装置区中，且可采用任何数目的金属栅极，其各自包含多种不同型态的功函数调整层(如下述)及/或层状物的组合，以达所需的多临界电压。

接着形成虚置栅极结构212于鳍状物202上。虚置栅极结构212各自包含界面介电层206、虚置栅极208、与掩模210。虚置栅极结构212所用的界面介电层206、虚置栅极208、与掩模210的形成方法，可为依序形成个别层状物，再图案化这些层状物成虚置栅极结构212。举例来说，用于界面介电层206的层状物可包含或可为氧化硅、氮化硅、类似物、或上述的多层，且其形成方法可为热成长及/或化学成长于鳍状物202上，或顺应性地沉积(如等离子体增强化学气相沉积、原子层沉积、或任何合适的沉积技术)。用于虚置栅极208的层状物可包含或可为硅(如多晶硅)或另一材料，其沉积方法可为化学气相沉积、物理气相沉积、或任何合适的沉积技术。用于掩模210的层状物可包含或可为氮化硅、氮氧化硅、碳氮化硅、类似物、或上述的组合，其沉积方法可为化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积、或任何合适的沉积技术。接着可图案化用于掩模210、虚置栅极208、与界面介电层206的层状物，以形成每一虚置栅极结构212所用的掩模210、虚置栅极208、与界面介电层206，且图案化方法可采用光刻与一或多道蚀刻工艺。

步骤104沿着虚置栅极结构212的侧壁(如界面介电层206、虚置栅极208、与掩模210的侧壁)形成栅极间隔物220，且栅极间隔物220形成于鳍状物202上。举例来说，栅极间隔物220的形成方法可为顺应性沉积栅极间隔物220所用的一或多层，并非等向蚀刻一或多层。栅极间隔物220所用的一或多层包含的材料，可不同于虚置栅极结构212所用的材料。在一实施例中，栅极间隔物220可包含或可为介电材料如碳氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳氮化硅、类似物、上述的多层、或上述的组合，且其沉积方法可为化学气相沉积、原子层沉积、或任何合适的沉积技术。接着可进行非等向蚀刻工艺如反应性离子蚀刻、中性束蚀刻、或任何合适的蚀刻工艺，以移除间隔物层的部分并形成栅极间隔物220，如图3所示。

在形成栅极间隔物220之后，可形成源极/漏极区213a与213b于鳍状物202中。在一些例子中，可采用虚置栅极结构212作为掩模，并蚀刻凹陷于鳍状物202中，因此凹陷形成于虚置栅极结构212的两侧上。接着可磊晶成长磊晶材料于凹陷中，以形成源极/漏极区213a与213b。在额外或其他实施例中，源极/漏极区213a与213b的形成方法可为注入掺质至鳍状物202及/或磊晶的源极/漏极区中，且注入方法可采用虚置栅极结构212作为掩模，因此源极/漏极区形成于虚置栅极结构212的两侧上。

之后可形成层间介电层218于基板200与栅极间隔物220上。在一些实施例中，半导体装置201也可包含接点蚀刻停止层(未图示)于层间介电层218下以及基板200与栅极间隔物220上。接点蚀刻停止层可包含或可为氮化硅、碳氮化硅、碳氧化硅、氮化碳、类似物、或上述的组合，且其沉积方法可为化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、原子层沉积、或任何合适的沉积技术。层间介电层218可包含四乙氧基硅烷氧化物、氧化硅、低介电常数材料(介电常数低于氧化硅的材料，比如氮氧化硅、磷硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、硼磷硅酸盐玻璃、未掺杂的硅酸盐玻璃、氟化硅酸盐玻璃、有机硅酸盐玻璃、碳氧化硅、旋转涂布玻璃、旋转涂布氧化物、碳硅材料、上述的化合物、上述的复合物、类似物、或上述的组合。层间介电层218的沉积方法可为旋转涂布、化学气相沉积、可流动的化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、物理气相沉积、或任何合适的沉积技术。接着可进行化学机械平坦化工艺平坦化层间介电层218并移除虚置栅极结构212，以定义与栅极结构212的虚置栅极208的上表面实质上共平面的上表面224，如图3所示。

在步骤106中，采用一或多道蚀刻工艺移除虚置栅极结构212。一旦移除虚置栅极结构212，即形成沟槽230以露出隔离区216的表面232的至少部分(见图4)与鳍状物202的通道表面。沟槽230可让栅极结构如置换栅极结构形成其中。在一些例子中，采用蚀刻工艺移除层间介电层218的上表面224露出的虚置栅极208，之后以不同蚀刻工艺移除界面介电层206。蚀刻工艺可包含合适的湿蚀刻、干(等离子体)蚀刻、及/或其他合适工艺。举例来说，干蚀刻工艺可采用含氯气体、含氟气体、其他蚀刻气体、或上述的组合。湿蚀刻溶液可包含氢氧化铵、氢氟酸或稀释氢氟酸、去离子水、氢氧化四甲基铵、其他合适的湿蚀刻溶液、或上述的组合。因此形成沟槽230于栅极间隔物220之间(移除虚置栅极结构212处)，并经由沟槽230露出鳍状物202的通道区。

图5至图11为半导体装置于后续制作阶段的剖视图。图5至图11的剖视图对应图4中的剖面A-A'。剖面A-A'沿着鳍状物202，且通常垂直于沟槽230的纵向。

步骤108形成第一装置区250a与第二装置区250b所用的置换栅极结构212a与212b所用的层状物于沟槽230(即移除虚置栅极结构212处)中。如图所示的实施例中，用于置换栅极结构212a与212b的层状物包括界面介电层240、栅极介电层242、盖层245、及视情况形成的阻障层247，其依序形成于第一装置区250a与第二装置区250b中的栅极间隔物220之间的沟槽230内，如图5所示。界面介电层240沿着通道区形成于鳍状物202的侧壁与顶部上，且通道区定义于置换栅极结构下以及源极/漏极区之间。举例来说，界面介电层240可为热氧化或化学氧化鳍状物202所形成的氧化物(如氧化硅)、氮化物(如氮化硅)、及/或化学气相沉积、原子层沉积、分子束沉积、或任何合适的沉积技术所形成的任何合适介电层。

栅极介电层242可顺应性地沉积于界面介电层240上的沟槽230中、栅极间隔物220的侧壁上、与层间介电层218及接点蚀刻停止层(若采用)的上表面上。栅极介电层242可包含或可为氧化硅、氮化硅、高介电常数的介电材料、上述的多层、或其他合适的介电材料。高介电常数的介电材料的介电常数可大于约4.0(比如约7.0)，且可包含铪、铝、锆、镧、镁、钡、钛、或铅的金属氧化物或金属硅酸盐、上述的多层、或上述的组合。栅极介电层242的沉积方法可为原子层沉积、等离子体增强化学气相沉积、分子束沉积、或任何合适的沉积技术。

接着可顺应性地沉积盖层245与阻障层247于栅极介电层242上。盖层245与阻障层247可包含钽及/或钛的氮化物、氮硅化物、碳氮化物、及/或铝氮化物；钨的氮化物、碳氮化物、及/或碳化物；类似物；或上述的组合；且其沉积方法可为原子层沉积、等离子体增强化学气相沉积、分子束沉积、或另一沉积技术。在一些例子中，盖层245(如氮化钛层)顺应性地形成于栅极介电层242上，而阻障层247(如氮化钽层)顺应性地形成于盖层245上。在一些例子中，阻障层247可为功函数调整层或其部分。在一些例子中，可省略阻障层247。虽然附图中的盖层245与阻障层247各自为单层，但应理解可由任何所需顺序实施一或多个阻障层及/或盖层，取决于装置所需的应用与临界电压而定。

在形成栅极介电层242、盖层245、与阻障层247之后，可顺应性地形成功函数调整层244于阻障层247上。功函数调整层224可为或包含材料的单层或不同材料的多层。虽然附图中的功函数调整层244为单层，但应理解功函数调整层244可包含一或多层的功函数材料，取决于装置所需的应用与临界电压而定。在图6所示的实施例中，功函数层244为形成于第一装置区250a与第二装置区250b中的功函数层。

功函数值与功函数调整层244的材料组成相关。功函数调整层244的材料择以调整其功函数值，因此可达所要形成于个别区域中的装置所需的临界电压。用于p型装置的功函数材料的适当例子可包含氮化钛铝、氮化钛、氮化钽、钌、钼、氮化钨、锆硅化物、钼硅化物、钽硅化物、镍硅化物、碳氮化钨、功函数介于4.8eV至5.2eV之间的其他合适材料、或任何上述的组合。用于n型装置的功函数材料的适当例子可包含钛、铝、钽铝、碳化钽铝、碳化钛铝、氧化钛铝、铪铝、钛铝、碳化钽、碳氮化钽、氮化钽硅、锰、锆、功含数介于3.9eV至4.3eV之间的其他合适材料、或任何上述的组合。在一些实施例中，用于p型场效应晶体管的功函数调整层244包含氮化钛铝与氮化钛的个别层，而用于n型场效应晶体管的功函数调整层244包含碳化钛铝与氧化钛铝的个别层。在一些例子中，用于n型场效应晶体管的功函数调整层244包含碳化钛铝与氮化钛的个别层。可由任何所需顺序沉积此处所述的任何材料。

功函数调整层224的沉积方法可为原子层沉积、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、分子束沉积、及/或任何其他合适工艺。在此处所述的一例中，功函数调整层244的形成方法采用温度介于约200℃至600℃之间的原子层沉积工艺。经由改变原子层沉积工艺时的参数如沉积循环次数、前体脉冲次数、脉冲频率、基板温度、压力、与类似参数，可改变与调整功函数调整层244的厚度。应理解可进行多种功函数调整层的沉积、图案化、与蚀刻等步骤，以得多临界电压装置。

步骤110将图案化的掩模结构248置于基板200的半导体装置201的第二装置区250b上，如图6所示。图案化的掩模结构248过填沟槽230并覆盖第二装置区250b的露出表面。图案化的掩模结构保护第二装置区250b中的场效应晶体管免于蚀刻/图案化工艺时的损伤，并露出半导体装置201的第一装置区250a以进行后续工艺如蚀刻。在一些实施例中，图案化的掩模结构248可包含光刻工艺所图案化的光刻胶254，且可还包含底抗反射涂层252填入第二装置区250b的沟槽230中。

步骤112进行蚀刻工艺以自第一装置区250a中的场效应晶体管的沟槽230移除图案化的掩模结构248未覆盖的功函数调整层244，如图6所示。一旦移除功函数调整层244，即露出第一装置区250a中的场效应晶体管的沟槽230中的阻障层。蚀刻工艺可为湿蚀刻工艺，其可将基板200浸入或泡入蚀刻溶液中。在其他实施例或额外实施例中，可采用干式工艺如气相或等离子体工艺移除第一装置区250a中的功函数调整层244。在一些实施例中，可采用湿式与干式工艺的组合自所需区域移除功函数调整层244。在一些例子中，自沟槽230移除功函数调整层244的方法采用湿式工艺，比如将基板浸入或泡入湿式槽中的蚀刻溶液内。在此例中，蚀刻溶液可为pH值在预定范围内的碱性、中性、或酸性溶液，取决于所要移除的功函数调整层244的材料种类而定。

虽然附图中的功函数调整层244为单层，但功函数调整层244可包含不同材料的多层，如上所述。因此可理解一些例子中的蚀刻工艺234移除功函数调整层244中多层的一或多者，并在蚀刻工艺234之后保留功函数调整层244中多层的一或多层。

步骤114自第一装置区250a中的场效应晶体管的沟槽230移除功函数调整层244之后，自第二装置区250b移除图案化的掩模结构248，如图7所示。图案化的掩模结构248的移除方法可采用任何合适工艺，比如光刻胶剥除或灰化。

图7显示工艺的中间阶段的半导体装置201，其露出第一装置区250a中的场效应晶体管的沟槽230中的阻障层247，以及第二装置区250b中的场效应晶体管的沟槽230中的功函数调整层244。在前述的其他例子中，露出第一装置区250a中的场效应晶体管的沟槽230中的功函数调整层244与第二装置区250b中的场效应晶体管的沟槽230中的功函数调整层244，且第一装置区250a与第二装置区250b中的功函数调整层244可为不同材料。虽然图8至11中的后续说明可参考第一装置区250a中的场效应晶体管的沟槽230中的阻障层247，与第二装置区250b中的场效应晶体管的沟槽230中的功函数调整层244；本技术领域中普通技术人员应理解，这些说明可实施在不同装置区(如第一装置区250a与第二装置区250b)中的功函数调整层244的不同层(比如具有不同材料的不同层)。

由于沉积功函数调整层之后暴露至外部环境，因此可氧化阻障层247的表面及/或功函数调整层244的表面。举例来说，可非原位地转移半导体装置到工艺系统的另一工艺腔室(如蚀刻腔室)，以进行工艺(如移除功函数调整层)。阻障层247与功函数调整层244(其可含过渡金属如钽、钛、或类似物)的氧化，在暴露至外部环境如大气后，倾向具有氢封端表面。然而与羟基封端表面相较，具有氢封端表面的阻障层247与功函数调整层244对后续原子层沉积的金属衬垫层的反应性较低，进而影响后续原子层沉积的金属衬垫层的成长速率。

多种实施例包含原位预处理或预沉积处理工艺，其包含将阻障层及/或功函数调整层浸入反应剂中，以提供阻障层及/或功函数调整层所用的处理后的表面，之后再以原子层沉积工艺沉积金属衬垫层。处理后的表面具有反应物的单层形成其上。氧化物的单层在暴露至外部环境(如大气)或氧化剂时会氧化，以羟基封端反应物的单层，且羟基可与形成金属衬垫层所用的后续原子层沉积明显反应。经由预处理工艺，后续沉积的金属衬垫层的功函数，与下方表面(如具有氧化表面层的下方功函数调整层)的品质可无关。此外，后续沉积的金属衬垫层的成长速率，与可能影响后续沉积的金属衬垫层的成长速率与厚度的基板表面(如阻障层或功函数层的表面)的变化无关。对金属衬垫层的后续原子层沉积而言，预处理的阻障层及/或功函数调整层可提供相同的处理后起始表面。如此一来，可缓和基板相关的成长所造成的后续原子层沉积的负载效应。

步骤116进行预处理工艺253，以将第一装置区250a与第二装置区250b中场效应晶体管的沟槽230中露出的个别层状物浸入反应剂。对露出的层状物而言，预处理工艺253提供处理后的表面261与263，其具有反应物的单层251形成其上，如图8所示。在反应物的单层稍后暴露至环境如空气或氧化剂时，将氧化反应物的单层以形成羟基封端的表面。用语“浸入”可指将前体导入腔室，并关闭入口与排气口一段预定时间(比如2秒至5分钟)，使基板表面吸收前体或与前体反应。用语“预处”可与用语“表面处理”、“预沉积处理”、“预沉积浸入”、“浸入处理”、或“预浸入”互通。

在多种实施例中，反应剂包含铝为主的前体或硅为主的前体。例示性的铝为主的前体可包含但不限于三甲基铝、三乙基铝、二甲基乙基胺铝烷、二甲基铝氢化物、三叔丁基铝、三异丁基铝、三甲基胺基铝烷、三乙基胺基铝烷、任何合适的含铝有机金属前体、或任何上述的组合。例示性的硅为主前体可包含但不限于硅烷或有机硅烷。硅烷可包含硅烷、乙硅烷、丙硅烷、丁硅烷、或任何上述的组合。有机硅烷包含的化合物可具有化学式R_ySi_xH_(2x+2-y)，其中R独立地为甲基、乙基、丙基、或丁基。上述有机硅烷可为甲基硅烷、二甲基硅烷、乙基硅烷、甲基乙硅烷、二甲基乙硅烷、六甲基乙硅烷、三(二甲基胺基)硅烷、或任何上述的组合。在一些例子中，硅为主的前体可不含碳。

在硅为主的基板与铝为主的基板上，在20次原子层沉积循环、40次原子层沉积循环、或90次原子层沉积循环之后所沉积的金属衬垫层(如氮化钛)的沉积厚度实质上相同，因此可选择铝为主的前体与硅为主的前体。如此一来，以铝或硅的单层251提供或钝化场效应晶体管其不同层的表面，可使后续原子层沉积所沉积的金属衬垫层(如氮化钛)以相同成长速率形成(因此具有相同厚度)。

预处理工艺253可采用化学气相沉积工艺如原子层沉积、等离子体增强原子层沉积、等离子体增强循环化学气相沉积、脉冲化学气相沉积、或任何及他合适工艺如注入工艺。在一些实施例中，预处理工艺采用原子层沉积浸入处理工艺。在原子层沉积浸入处理工艺时，加热半导体装置201到高于反应剂(如铝为主或硅为主的前体)的缩合温度但低于反应剂的热分解温度。接着使半导体装置201暴露、浸入、或泡入反应剂中，使第一装置区250a中的场效应晶体管的沟槽230中与第二装置区250b中的场效应晶体管的沟槽230中露出的层状物表面吸收反应物并与反应物反应。反应物形成单层251于处理后的表面261与263上。半导体装置201接着暴露至大气或氧化剂，以自发性地形成原生氧化物(如氧化铝或氧化硅)于反应物的单层上。图8A与图8B中的插图270与272分别为具有羟基封端265的反应物的单层251的部分放大图，且单层251形成于阻障层247与功函数调整层244上。在图8A与图8B所示的例子中，R指的是含铝或硅的物种。

在一些例子中，以原子层沉积浸入处理工艺形成氧化铝的单层于第一装置区250a中的场效应晶体管的阻障层247上，以及第二装置区250b中的场效应晶体管的功函数调整层244上。原子层沉积浸入处理工艺一开始设定工艺腔室中半导体装置201的温度介于约20℃至约130℃之间，比如介于约60℃至约100℃之间。可将铝为主的前体(如上述的三甲基铝或三乙基铝)导入工艺腔室，使半导体装置201浸入或泡入铝为主的前体。三甲基铝或三乙基铝流入工艺腔识的流速可介于约50sccm至约8000sccm之间，比如介于约300sccm至约5000sccm之间、例如介于约500sccm至约2000sccm之间。半导体装置201浸入或泡入三甲基铝或三乙基铝的时间可介于约1秒至约300秒之间，以形成铝的单层于阻障层247及功函数调整层244的表面上。可调整浸入的时间，以得所需量的氧化铝于暴露的层状物之上及/或之中。在一些例子中，半导体装置201浸入三甲基铝或三乙基铝的时间介于约10秒至约60秒。在一些例子中，半导体装置201浸入三甲基铝或三乙基铝的时间介于约5秒至约20秒。在一些例子中，半导体装置201浸入三甲基铝或三乙基铝的时间介于约30秒至约120秒之间。在一些实施例中，半导体装置201浸入流速为600sccm的三乙基铝中的时间介于约30秒至约80秒之间。铝的单层厚度可介于约至约之间，比如介于约至约之间，例如介于约至约之间。在阻障层247的表面上或功函数调整层244的表面上吸收三甲基铝或三乙基铝之后，原子层沉积控制系统中断流向工艺腔室的三甲基铝或三乙基铝。接着将半导体装置201转移至另一工艺腔室，以沉积后续的金属层。在半导体装置201离开工艺腔室时会破真空，并导入氧化剂至铝的单层，造成铝的单层转变成氧化铝的单层。

在一例中，氧化硅的单层形成于第一装置区250a中的场效应晶体管的阻障层247上，以及形成于第二装置区250b中的场效应晶体管的功函数调整层244上，其形成方法可采用原子层沉积浸入处理工艺。原子层沉积浸入处理工艺一开始可设定工艺腔室中的半导体装置201的温度介于约20℃至约130℃之间，比如介于约60℃至约100℃之间。可将含硅前体如前述的硅烷或乙硅烷导入工艺腔室，因此半导体装置201浸入或泡入含硅前体。硅烷或乙硅烷流入工艺腔室的流速介于约50sccm至约8000sccm之间，比如介于约300sccm至约5000sccm之间，或比如介于约500sccm至约2000sccm之间。可将半导体装置201浸入或泡入硅烷或乙硅烷约1秒至约300秒之间，以形成单层的硅于阻障层247及功函数调整层244的表面上。在一些例子中，将半导体装置201浸入硅烷或乙硅烷约10秒至约60秒之间。在一些例子中，将半导体装置201浸入硅烷或乙硅烷约5秒至约20秒之间。在一些例子中，将半导体装置201浸入硅烷或乙硅烷约30秒至约120秒之间。在一实施例中，将半导体装置浸入硅烷约15秒至约120秒之间。在另一实施例中，将半导体装置201浸入乙硅烷约15秒至约60秒之间。单层的硅厚度可介于约至约之间，比如介于约至约之间，或比如介于约至约之间。在阻障层247的表面上与功函数调整层244的表面上吸收硅烷或乙硅烷之后，原子层沉积控制系统中断流向工艺腔室的硅烷或乙硅烷。接着将半导体装置201转移至另一工艺腔室，以沉积后续的金属层。半导体装置201在离开工艺腔室时会破真空，可将氧化剂导向硅的单层，造成硅的单层转换成氧化硅的单层。

在其他或额外实施例中，原子层沉积工艺可采用两种或更多反应剂以产生氧化铝或氧化硅。在此例中，将半导体装置201随后交替地暴露至两种或更多反应剂的脉冲，以进行预处理工艺，且脉冲彼此之间隔有抽真空及/或净化工艺腔室的步骤。

在一些例子中，第一装置区250a与第二装置区250b中的场效应晶体管的沟槽中，个别层的露出表面上吸收第一反应剂(如铝为主的前体或硅为主的前体)的单层之后，半导体装置201暴露至第二反应物(如气相水或其他氧化剂)。在暴露至第二反应物时，第一反应物的可用分子吸收第二反应物并与其反应，以形成单层规模的氧化铝或氧化硅。可重复此工艺使表面层上一再形成单层，直到达成所需厚度。

在一些例子中，以原子层沉积工艺形成氧化铝的单层于第一装置区250a中的场效应晶体管的阻障层247上，以及第二装置区250b中的场效应晶体管的功函数调整层244上。原子层沉积工艺一开始设定工艺腔室中的半导体装置201的温度介于约20℃至约500℃之间，比如介于约250℃至约500℃之间。脉冲输入第一反应剂如上述的三甲基铝或三乙基铝至工艺腔室中，使半导体装置201浸入或泡入三甲基铝或三乙基铝中。流至工艺腔室中的三甲基铝或三乙基铝的流速介于约10sccm至约6000sccm之间，比如介于约100sccm至约3000sccm之间，例如介于约100sccm至约3000sccm之间。形成铝层于阻障层247及功函数调整层244的表面上的浸入时间可介于约1秒至约300秒之间。举例来说，浸入时间可介于约1秒至约180秒之间。在一些例子中，浸入时间可介于约5秒至约120秒之间。在一些例子中，浸入时间可介于约30秒至约60秒之间。脉冲输送第一反应剂之后，抽真空及/或输送净化气体如惰性气体。惰性气体可为任何合适的惰性气体如氩气、氦气、氖气、或任何上述的组合。惰性气体流入工艺腔室的流速可介于约100sccm至约10000sccm之间，比如介于约1000sccm至约6000sccm之间。抽真空及/或净化气体可自工艺腔室移除任何残留的三甲基铝、三乙基铝、或副产物。在抽真空及/或净化之后，以脉冲方式输送第二反应剂如水、臭氧、过氧化氢、或任何合适的氧化剂至工艺腔室中。一或多个第二反应剂分子可键结至铝层，以形成单层规模的氧化铝层。第二反应剂流入工艺腔室的流速可介于约10sccm至约8000sccm之间，比如介于约300sccm至约5000sccm之间，或例如介于约500sccm至约2000sccm之间。可再次进行抽真空及/或净化以自工艺腔室移除副产物。可重复这些步骤如连续循环，直到阻障层247与功函数调整层244的表面上的氧化铝累积到所需厚度。举例来说，氧化铝的厚度可介于约至约之间，比如介于约至约之间，这取决于原子层沉积循环而定。

在一些例子中，以原子层沉积工艺形成氧化硅的单层于第一装置区250a中的场效应晶体管的阻障层247上，以及第二装置区250b中的场效应晶体管的功函数调整层244上。原子层沉积工艺一开始设定工艺腔室中的半导体装置201的温度介于约20℃至约500℃之间，比如介于约200℃至约500℃之间。脉冲输入第一反应剂如上述的硅烷或乙硅烷至工艺腔室中，使半导体装置201浸入或泡入硅烷或乙硅烷中。流至工艺腔室中的硅烷或乙硅烷的流速介于约10sccm至约3000sccm之间，比如介于约300sccm至约1000sccm之间。形成硅层于阻障层247及功函数调整层244的表面上的脉冲时间可介于约1秒至约300秒之间。举例来说，脉冲时间可介于约10秒至约60秒之间。在一些例子中，脉冲时间可介于约5秒至约90秒之间。在一些例子中，脉冲时间可介于约30秒至约120秒之间。脉冲输入第一反应剂后，抽真空及/或输送净化气体如惰性气体。惰性气体可为任何合适的惰性气体如氩气、氦气、氖气、或任何上述的组合。惰性气体流入工艺腔室的流速可介于约100sccm至约6000sccm之间，比如介于约1000sccm至约3000sccm之间。抽真空及/或净化气体可自工艺腔室移除任何残留的硅烷、乙硅烷、或副产物。在抽真空及/或净化之后，以脉冲方式输送第二反应剂如水、臭氧、过氧化氢、或任何合适的氧化剂至工艺腔室中。一或多个第二反应剂分子可键结至硅层，以形成单层规模的氧化硅层。第二反应剂的脉冲时间可介于约1秒至约300秒之间。举例来说，脉冲时间可介于约10秒至约60秒之间。在一些例子中，脉冲时间可介于约5秒至约90秒之间。在一些例子中，脉冲时间可介于约30秒至约120秒之间。第二反应剂流入工艺腔室的流速可介于约10sccm至约8000sccm之间，比如介于约300sccm至约5000sccm之间，或例如介于约500sccm至约2000sccm之间。可再次进行抽真空及/或净化，以自工艺腔室移除残留的第二反应剂与副产物。可重复这些步骤如连续循环，直到阻障层247与功函数调整层244的表面上的氧化硅累积到所需厚度。举例来说，氧化硅的厚度可介于约至约之间，比如介于约至约之间，取决于原子层沉积循环而定。

此例在预处理工艺253之后，以氧化铝或氧化硅的单层覆盖或钝化场效应晶体管其暴露至预处理工艺253的层状物(如阻障层247与功函数调整层244)。氧化铝或氧化硅的单层薄(比如小于)，因此可对沟槽230中的其他层的填隙效能及/或临界电压的影响最小化。当半导体装置201离开工艺腔室以进行金属层的后续原子层沉积，氧化铝或氧化硅的单层会暴露至空气，其可进一步以羟基封端主要的悬吊键，而羟基可在后续的原子层沉积中明显地反应形成金属衬垫层。因此后续沉积的金属衬垫层的成长速率，可与基板表面(如阻障层247或功函数调整层244)的变化无关。相反地，对用于金属衬垫层的后续原子层沉积而言，预处理的阻障层与功函数调整层可提供相同表面。如此一来，可缓和基板相关的成长所造成的后续原子层沉积的负载效应。

步骤118在处理露出的层状物(如第一装置区250a中的场效应晶体管的沟槽230中的阻障层，以及第二装置区250b中的场效应晶体管的沟槽230中的功函数调整层244)的表面之后，顺应性地沉积金属衬垫层255于沟槽230中(比如阻障层247的处理后的表面261与功函数调整层244的处理后的表面263上)，如图9所示。举例来说，金属衬垫层255可由与盖层245类似的材料制作而成。举例来说，金属衬垫层255可为或包含钽及/或钛的氮化物、硅氮化物、碳氮化物、及/或铝氮化物；钨的氮化物、碳氮化物、及/或碳化物；类似物；或上述的组合。在一些例子中，金属衬垫层255为氮化钛。在一些例子中，金属衬垫层255为氮化钽。在一些例子中，金属衬垫层255为氮氧化钛。在一些例子中，金属衬垫层255为氮氧化钽。虽然附图中的金属衬垫层255为单层，但可预期金属衬垫层255可包含此处所述的一或多个其他层。沉积于处理后的表面261与263上的金属衬垫层255与任何其他层状物，也可用于设定栅极金属257的功函数值。在一些例子中，金属衬垫层255的沉积方法为原子层沉积。在其他例子中，金属衬垫层255的沉积方法可为等离子体增强化学气相沉积、分子束沉积、或任何沉积技术。

在一些实施例中，在形成金属衬垫层255时，单层251中的氧可与形成金属衬垫层255所用的前体反应，以形成混合层于金属衬垫层255与单层251(如氧化铝或氧化硅)之间。图9中的插图297与299是一实施例中，分别形成混合层293与295于第一装置区250a与第二装置区250b中的单层251上的部分放大图。举例来说，混合层可为钛铝氧化物的化合物，取决于金属衬垫层255与单层的材料而定。此外，由于形成金属衬垫层255时已清除氧，单层中的氧等级可低于金属衬垫层255形成之前的氧等级。

由于预处理工艺253，以原子层沉积形成于阻障层247及功函数调整层244上的金属衬垫层255的成长速率几乎相同，因为第一装置区250a中的场效应晶体管与第二装置区250b中的场效应晶体管具有相同的起始表面(比如具有氧化铝或氧化硅的单层的处理后的表面261与263)。如此一来，金属衬垫层255在阻障层247与功函数调整层244上可具有一致的厚度。此外，由于氧化铝或氧化硅的单层具有羟基封端265，其可促进与形成金属衬垫层255所用的原子层沉积的一或多个前体之间的反应，因此可改善原子层沉积时阻障层247与功函数调整层244上的金属衬垫层255的成长时间。举例来说，与阻障层未浸入三乙基铝相较，将阻障层如氮化钽浸入三乙基铝(流速为600sccm)中15秒可增加金属衬垫层如氮化钛的厚度约46％。与阻障层未浸入三乙基铝相较，将阻障层如氮化钽浸入三乙基铝(流速为600sccm)中10秒可增加金属衬垫层如氮化钛的厚度约40％。与阻障层未浸入三乙基铝相较，将阻障层如氮化钽浸入三乙基铝(流速为600sccm)中5秒可增加金属衬垫层如氮化钛的厚度约32％。在功函数调整层上可发现类似的成长图案。由这些现象可知，经由采用铝为主的预浸入工艺，在处理后的表面261与263上可增进原子层沉积工艺时的金属衬垫层成长。因此一些实施例在沉积金属衬垫层255之后，金属衬垫层255位于氧化铝或氧化硅的单层上。

步骤120在形成金属衬电层255于处理后的表面261与263上之后，形成栅极金属257于金属衬垫层255上，并填入定义于层间介电层218中的沟槽230，以用于置换栅极结构212a与212b。栅极金属257可能超出沟槽230至预定厚度，如图10所示。在多种实施例中，栅极金属257可为或包含导电材料如铝、铜、钛、钽、铝钛、氮化钛铝、氮化钛、氮化钽、铝钽、镍硅化物、钴硅化物、碳化钽、氮化钽硅、钨、氮化钨、氮化钼、铂、钌、其他合适的导电材料、或上述的组合。在一些例子中，栅极金属257为钨。栅极金属257的形成方法可为化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、物理气相沉积、电镀、原子层沉积、及/或其他合适工艺。

步骤122可进行平坦化工艺(如化学机械平坦化)以平坦化半导体装置201的上表面。平坦化工艺可移除高于层间介电层218的上表面的栅极金属257、金属衬垫层255、单层251、阻障层247、盖层245、功函数调整层244、与栅极介电层242，如图11所示。一旦完成平坦化工艺，即露出层间介电层218的上表面259。

可对依据流程图100制作的半导体装置201进行后续工艺，以形成多种结构与区域。举例来说，后续工艺可形成多种接点/通孔/线路与内连线结构的多层(如金属层与层间或金属间介电层)于包含半导体装置201的基板200上，其设置为连接多种结构以形成功能电路(可包含一或多个装置如一或多个半导体装置201)。多种内连线结构可采用多种导电材料，比如铜、钨、及/或硅化物。在一例中，可采用镶嵌工艺及/或双镶嵌工艺以形成铜相关的多层内连线结构。此外，可在流程图100之前、之中、或之后实施额外工艺步骤，且可依应用置换或省略一些上述步骤。

上述的多种实施例可经由预处理阻障层及/或功函数调整层的露出表面，来提供相同的起始表面以用于后续的原子层沉积，进而缓和基板相关的负载。功函数层其与基板相关的成长特性，可用于调整n型场效应晶体管或p型场效应晶体管装置的临界电压以达多临界电压。在一些多临界电压的金属栅极中，半导体装置可包含两个或更多个装置区，且每一装置区可包含p型装置或n型装置。图12显示工艺的中间阶段中简化的半导体装置1200，以及三个装置区1202、1204、与1206中的栅极结构的部分。每一装置区包含n型装置。装置区1202、1204、与1206中的每一n型装置具有功函数调整层1208于栅极介电层1210上。金属层1212如用于p型装置的功函数调整层(例如氮化钛、氮化钽、氮化钛铝、或氮化钛硅)，通常形成于功函数调整层1208与栅极介电层1210之间，并具有不同厚度以影响金属栅极的功函数。在图12所示的例子中，装置区1202中的金属层1212具有第一厚度T1；装置区1204中的金属层1212具有第二厚度T2，且第二厚度T2大于第一厚度T1；而装置区1206中的金属层1212具有第三厚度T3，且第三厚度T3大于第二厚度T2。由于金属栅极的功函数部分取决于金属层1212的导电性，提供不同厚度的相同金属层1212可有效改变并区隔装置区1202、1204、与1206中不同金属栅极的功函数。然而随着鳍状场效应晶体管装置的尺寸缩小，采用不同膜厚以调整多临界电压的作法可能不实际，因为金属层所用的空间可能缩小或受限。

此处所述的多种实施例调整n型或p型装置所用的多临界电压，而不形成多层膜堆叠于功函数调整层与栅极介电层之间。相反地，经由提供不同金属层于n型或p型装置所用的功函数调整层与栅极介电层之间，可调整不同装置区的金属栅极功函数。由于一些功函数材料的成长行为与基板的相关性很强，在不同装置区的功函数调整层的组成与厚度，可因功函数调整层下的金属层不同而改变。图13示出的是一些实施例中，工艺的中间阶段的简化的半导体装置1300。半导体装置1300可为多临界电压集成电路装置，比如上述半导体装置201。为清楚说明，只讨论插图1360、1362、与1364所示的栅极结构的一部分。半导体装置1300的其他单元如源极/漏极区213a、213b、与213c、栅极间隔物220、隔离区216、鳍状物202、与层间介电层218等等，可参考搭配图5说明的上述半导体装置201。

在一实施例中，半导体装置1300具有三个装置区1302、1304、与1306，且每一装置区包含n型装置。与上述半导体装置201类似，装置区1302、1304、与1306中的n型装置可为n型低临界电压装置、n型标准临界电压装置、或n型高临界电压装置，取决于应用而定。虽然此处所述的装置为n型装置，但应理解此概念也可应用于p型装置如p型鳍状场效应晶体管装置。装置区1302、1304、与1306中的每一n型装置，具有功函数调整层1308于栅极介电层1310上。与上述功函数调整层244类似，功函数调整层1308的合适例子可包含钛、铝、钽铝、碳化钽铝、碳化钛铝、氧化钛铝、铪铝、钛铝、碳化钽、碳氮化钽、氮化钽硅、锰、锆、或功函数介于3.9eV至4.3eV之间的其他合适材料。在一实施例中，功函数调整层1308为碳化钛铝。与栅极介电层242类似，栅极介电层1310可包含或可为氧化硅、氮化硅、高介电常数的介电材料、上述的多层、或其他合适的介电材料。在一些实施例中，栅极介电层1310可为铪、铝、锆、镧、镁、钡、钛、或铅的金属氧化物或金属硅酸盐、上述的多层、或上述的组合。

在个别的装置区1302、1304、与1306中的栅极介电层1310与功函数调整层1308之间，提供第一金属层1312、第二金属层1314、与第三金属层1316以调整金属栅极所用的功函数值。第一金属层1312、第二金属层1314、与第三金属层1316可为氮化钛、氮化钽、氮化钛铝、氮化钛硅、含金属氮化物的复合物(如氮化钛-氮化硅)、或任何合适金属如前述用于盖层245与阻障层247的金属。在一实施例中，第一金属层1312的厚度T4、第二金属层1314的厚度T5、与第三金属层1316的厚度T6实质上相同，比如约在一些例子中，厚度T4、厚度T5、与厚度T6可各自介于约至约之间，比如介于约至约之间。与图12的半导体装置1200(形成不同厚度的相同金属层1212以用于调整n型场效应晶体管的多临界电压)不同，第一金属层1312、第二金属层1314、与第三金属层1316彼此之间的化学结构可不同。在一实施例中，装置区1302中的第一金属层1312为氮化钛，装置区1304中的第二金属层1314为氮化钽，而装置区1306中的第三金属层1316为氮化钛-氮化硅。由于功函数调整层1308如碳化钛铝的成长行为与基板的相关性很强(即碳化钛铝的组成及厚度与基板相关)，在个别装置区1302、1304、与1306采用不同金属层会造成碳化钛铝层具有不同膜厚与特性，进而改变功函数调整层1308的功函数值。在一些实施例中，氮化钛-氮化硅上的碳化钛铝厚度与氮化钽上的碳化钛铝厚度之间的差异可介于约12％至约15％之间，而氮化钛上的碳化钛铝厚度与氮化钽上的碳化钛铝厚度之间的差异可介于约28％至约39％之间。

图14A至图14C示出的是沉积于氮化钛-氮化硅、氮化钽、与氮化钛基板上的碳化钛铝其主要成份的X光光电子能谱。在附图中，量测到的光电子强度以任意单位(A.U.)标示，其与束缚能之间具有函数关系。X光光电子能谱采用X光逐出碳化钛铝表面上存在的原子核电子。量测这些电子的动能以得感兴趣的原子(如铝、碳、与硅)的电子束缚能。碳化钛铝沉积于氮化钛-氮化硅、氮化钽、与氮化钛基板上的温度介于约350℃至约420℃之间，且沉积腔室的压力介于约1Torr至约20Torr之间。对图14A中的铝谱(Al,2p)而言，其量测自铝原子的壳2p发射的电子峰值。沉积于氮化钛上的碳化钛铝显示最高的铝谱信号(自约4.7的量测光谱减去约1.8的背景光谱)，而沉积于氮化钽上的碳化钛铝与沉积于氮化钛-氮化硅上的碳化钛铝显示较低的铝谱信号，这表示碳化钛铝在沉积于氮化钛基板上时量测到较多铝。因此，氮化钛基板上的碳化钛铝可比氮化钽或氮化钛-氮化硅上的碳化钛铝具有更多正电荷载子，因为其碳化钛铝中的铝浓度较高。

对图14B中的碳谱(C,1s)而言，其量测自碳原子的壳1s发射的电子峰值。沉积于氮化钛上的碳化钛铝显示最高的碳谱信号(自约7.3的量测光谱减去约4的背景光谱)，而沉积于氮化钽上的碳化钛铝与沉积于氮化钛-氮化硅上的碳化钛铝显示较低的碳谱信号，这表示碳化钛铝在沉积于氮化钛上时量测到较多碳。

对图14C中的硅谱(Si,2p)而言，其量测自硅原子的壳2p发射的电子峰值。沉积于氮化钽上的碳化钛铝显示最高的硅谱信号(自约4.5的量测光谱减去约2.7的背景光谱)，而沉积于氮化钛上的碳化钛铝显示最低的硅谱信号，这表示碳化钛铝在沉积于氮化钽上时量测到较多硅。碳化钛铝中的硅强度较高，表示氮化钽上的碳化钛铝比氮化钛上的碳化钛铝薄，因为较易侦测到下方鳍状物(如鳍状物202)的硅信号。

图14A至图14C的X光光电子能谱指出提供不同基板，会造成不同膜厚与特性的碳化钛铝。因此采用不同的金属层于个别的装置区1302、1304、与1306中，可形成不同膜厚与特性的碳化钛铝。不同基板上的不同碳化钛铝膜，可提供不同n型功函数以用于调整多临界电压，而不需堆叠多层金属。如此一来，可提供更多空间以充填装置所用的金属栅极或其他合适的功函数调整层。

形成不同金属层于个别装置区1302、1304、与1306中的工艺如下述。在形成栅极介电层1310于装置区1302、1304、与1306中的栅极间隔物之间的沟槽1301、1303、与1305中之后，形成第一金属层1312如氮化钛于装置区1302、1304、与1306的沟槽1301、1303、与1305中的栅极介电层1310上。图案化掩模(如上述图案化的掩模结构248)之后可位于半导体装置1300的装置区1302上。图案化的掩模过填沟槽并覆盖装置区1302的露出表面，并露出装置区1304与1306以进行后续工艺如蚀刻。接着可进行一或多道蚀刻工艺，以自装置区1304与1306的沟槽选择性地移除第一金属层1312，并保留第一金属层1312于装置区1302的沟槽中。

接着形成第二金属层1314如氮化钽于装置区1302、1304、与1306的沟槽中。类似地，沉积图案化掩模于半导体装置1300的装置区1304上。接着可进行一或多道蚀刻工艺，以自装置区1302与1306的沟槽选择性地移除第二金属层1314，并保留第二金属层1314于装置区1304的沟槽中。之后形成第三金属层1316如氮化钛-氮化硅于装置区1302、1304、与1306的沟槽中。沉积图案化掩模于半导体装置1300的装置区1306上。接着可进行一或多道蚀刻工艺，以自装置区1302与1304的沟槽选择性地移除第三金属层1316，并保留第三金属层1316于装置区1306的沟槽中。经由此种方式，第一金属层1312(如氮化钛)可形成于栅极介电层1310与功函数调整层1308之间的装置区1302中，第二金属层1314(如氮化钽)可形成于栅极介电层1310与功函数调整层1308之间的装置区1304中，且第三金属层1316(如氮化钛-氮化硅)可形成于栅极介电层1310与功函数调整层1308之间的装置区1306中。上述方法可改变功函数调整层1308(如碳化钛铝)的组成与厚度，以依据需要调整多临界电压。

在形成功函数调整层1308于个别装置区1302、1304、与1306中的第一金属层1312、第二金属层1314、与第三金属层1316上之后，在半导体装置1300上进行工艺以形成金属衬垫层与栅极金属，如搭配图9至11说明的上述内容。可对半导体装置1300进行后续工艺，以形成功能集成装置所需的多种结构或区域如接点/通孔/线路与内连线结构的多层。

此处所述的多种实施例可提供多种优点。应理解此处不需说明所有优点，任何实施例不需具有特定优点，且其他实施例可提供不同优点。举例来说，此处所述的实施例包括与预沉积处理工艺相关的方法与结构，包含将已沉积在场效应晶体管(比如用于标准临界电压装置)的沟槽或另一场效应晶体管(比如用于超低临界电压装置)的沟槽中的特定层(如功函数调整层、阻障层、盖层、其他合适的金属层、或类似物)浸入反应剂中以提供处理后的表面，之后沉积后续的金属衬垫层于特定层的处理后的表面上。在多种实施例中，预沉积处理工艺形成反应物的单层于处理后的表面上。反应物的单层可暴露至外部环境或任何合适的氧化剂以氧化，外部其他优点包含提供不同的金属层于功函数调整层与栅极介电层之间，以调整n型或p型装置所用的多临界电压，其可用于场效应晶体管如n型场效应晶体管或p型场效应晶体管的不同装置区。不同金属层会影响功函数调整层的组成与厚度，以改变沉积其上的功函数调整层的功函数。不同基板上功函数调整层(如碳化钛铝)的区别，可提供不同n型功函数以用于多临界电压调整的目的，而不需堆叠多个金属层。如此一来，可提供更多空间以填入装置所用的金属栅极或其他合适的功函数调整层。

在一实施例中，提供半导体工艺所用的方法。方法包括暴露第一装置的第一含金属层与第二装置的第二含金属层至反应物，以分别形成多个单层于第一含金属层与第二含金属层上，第一装置与第二装置位于基板上，第一装置包括第一栅极结构，且第一栅极结构包括第一含金属层，第二装置包括第二栅极结构，且第二栅极结构包括第二含金属层，而第一含金属层与第二含金属层不同。方法也包括暴露第一含金属层与第二含金属层上的单层至氧化剂，以提供第一含金属层与第二含金属层上的单层所用的羟基封端表面；以及形成第三含金属层于第一含金属层与第二含金属层上的单层的羟基封端表面上。

在一些实施例中，反应物包含铝为主的前体，且铝为主的前体包含三甲基铝、三乙基铝、二甲基乙基胺铝烷、二甲基铝氢化物、三叔丁基铝、三异丁基铝、三甲基胺基铝烷、三乙基胺基铝烷、含铝有机金属前体、或上述的组合。

在一些实施例中，第一含金属层与第二含金属层上的单层为氧化铝。

在一些实施例中，第一装置与第二装置为不同型态的装置，其包括n型超低临界电压装置、n型低临界电压装置、n型标准电压装置、n型高临界电压装置、p型超低临界电压装置、p型低临界电压装置、p型标准临界电压装置、或p型高临界电压装置。

在一些实施例中，第一含金属层为氮化钽，而第三含金属层为氮化钛。

在一些实施例中，第二含金属层包括碳化钛铝或氧化钛铝。

在一些实施例中，反应物包括含硅前体，且含硅前体包括硅烷、乙硅烷、丙硅烷、丁硅烷、或上述的组合。

在一些实施例中，第一含金属层与第二含金属层上的单层为氧化硅。

在一些实施例中，第一含金属层与第二含金属层上的单层的形成方法为原子层沉积工艺，而第三含金属层的形成方法为原子层沉积工艺。

另一实施例为半导体装置。半导体装置包括基板；以及第一装置，具有第一栅极结构于基板上。第一栅极结构包括栅极介电层，位于基板上；阻障层，位于栅极介电层上；氧化铝或氧化硅的单层，位于阻障层上；金属衬垫层，位于阻障层上的氧化铝或氧化硅的单层上；以及栅极金属，位于金属衬垫层上。

在一些实施例中，半导体装置还包括第二装置，具有第二栅极结构于基板上。第二栅极结构包括：栅极介电层，位于基板上；阻障层，位于栅极介电层上；功函数调整层，位于阻障层上；氧化铝或氧化硅的单层，位于功函数调整层上；金属衬垫层，位于功函数调整层上的氧化铝或氧化硅的单层上；以及栅极金属，位于金属衬垫层上。

在一些实施例中，功函数调整层与阻障层为不同材料。

在一些实施例中，第一装置与第二装置为不同型态的装置，其包括n型超低临界电压装置、n型低临界电压装置、n型标准电压装置、n型高临界电压装置、p型超低临界电压装置、p型低临界电压装置、p型标准临界电压装置、或p型高临界电压装置。

又一实施例提供方法。方法包括形成栅极介电层于第一沟槽与第二沟槽中，第一沟槽与第二沟槽各自定义于介电结构中并与基板上的鳍状物相交；形成第一金属层于第一沟槽中的栅极介电层上；形成第二金属层于第二沟槽中的栅极介电层上，其中第一金属层与第二金属层的化学组成彼此不同；直接形成功函数调整层于第一沟槽中的第一金属层与第二沟槽中的第二金属层上，且第一金属层上的功函数调整层厚度与第二金属层上的功函数调整层厚度不同；以及形成栅极于第一沟槽与第二沟槽中的功函数调整层上。

在一些实施例中，方法还包括形成栅极介电层于第三沟槽中，且第三沟槽定义于栅极结构中并与基板上的鳍状物相交；形成第三金属层于第三沟槽中的栅极介电层上，其中第三金属层、第一金属层、与第二金属层的化学组成不同；直接形成功函数调整层于第三沟槽中的第三金属层上，且第三金属层上的功函数调整层厚度、第一金属层上的功函数调整层厚度、与第二金属层上的功函数调整层厚度不同；以及形成栅极于第三沟槽中的功函数调整层上。

在一些实施例中，功函数调整层包括钽铝、碳化钽铝、碳化钛铝、氧化钛铝、铪铝、钛铝、碳化钽、碳氮化钽、氮化钽硅、或上述的组合。

在一些实施例中，功函数调整层为碳化钛铝。

在一些实施例中，第一金属层、第二金属层、与第三金属层各自包含氮化钛、氮化钽、氮化钛铝、氮化钛硅、或氮化钛-氮化硅。

在一些实施例中，第一金属层为氮化钛，第二金属层为氮化钽，且第三金属层为氮化钛-氮化硅。

在一些实施例中，第一金属层、第二金属层、与第三金属层具有实质上相同的厚度。

上述实施例的特征有利于本技术领域中普通技术人员理解本发明。本技术领域中普通技术人员应理解可采用本发明作基础，设计并变化其他工艺与结构以完成上述实施例的相同目的及/或相同优点。本技术领域中普通技术人员也应理解，这些等效置换并未脱离本发明精神与范畴，并可在未脱离本发明的精神与范畴的前提下进行改变、替换、或更动。