利用替代柵極技術(shù)形成鰭式場效晶體管的方法和器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及利用替代柵極技術(shù)形成鰭式場效晶體管的方法和器件，揭露一種方法包括，除此之外，形成一凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)在第一和第二鰭片之間，其中該凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)部分分別地定義出第一和第二空間在第一和第二鰭片之間，并形成一柵極結(jié)構(gòu)在該第一和第二鰭片和該凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)的周圍，其中該柵極結(jié)構(gòu)的至少一部份位于該第一和第二空間中。一示例性器件包括，除此之外，第一和第二鰭片，一凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)位于該第一和第二鰭片之間，第一和第二空間由該鰭片和該凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)所定義出，且一柵極結(jié)構(gòu)位于該鰭片和該隔離柱結(jié)構(gòu)的部分的周圍。
【專利說明】利用替代柵極技術(shù)形成鰭式場效晶體管的方法和器件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是有關(guān)于集成電路的制造，更詳而言之，是利用替代柵極技術(shù)形成鰭式場效晶體管的各種方法和所得到的半導(dǎo)體器件。

【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)代集成電路中，像是微處理器，儲存器件等，一非常大量的電路元件，特別是晶體管，提供且操作在一受限制的晶片區(qū)域。在最近幾十年電路元件，像是晶體管，對于增強性能與減少特征尺寸上已取得巨大的進(jìn)展。然而，對于增強電子器件性能的持續(xù)需求促使半導(dǎo)體制造商逐步減少電路元件的尺寸且增加電路元件的操作速度。然而，特征尺寸的持續(xù)縮小涉及到重新設(shè)計工藝技術(shù)以及發(fā)展新工藝策略和工具所需的巨大努力以符合新的設(shè)計規(guī)則。一般來說，在復(fù)雜的電路中包括復(fù)雜的邏輯部，金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)在器件性能和/或功率消耗和/或成本效率等方面是目前較佳的制造技術(shù)。在集成電路中包括由金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)制造的邏輯部分，場效晶體管(FETs)用于以一切換模式電路來典型地操作，也就是說，這些器件顯示出一高導(dǎo)電狀態(tài)(導(dǎo)通狀態(tài))以及一高阻抗?fàn)顟B(tài)(關(guān)閉狀態(tài))。這些場效晶體管的狀態(tài)由一柵極電極所控制，在一適當(dāng)?shù)目刂齐妷合驴刂疲诼O區(qū)和源極區(qū)之間形成通道區(qū)的導(dǎo)電性。
[0003]為了改善場效晶體管的操作速度，以及增加場效晶體管在集成電路器件中的密度，器件設(shè)計者多年來大大減少場效晶體管的物理尺寸。更具體的是，場效晶體管的通道長度已經(jīng)明顯地減少，導(dǎo)致改善了場效晶體管的切換速度。然而，減少場效晶體管的通道長度也減少源極區(qū)和漏極區(qū)之間的距離。在一些情況下，源極和漏極間的間距減少會由于漏極電位產(chǎn)生的不利影響而難以有效地抑制源極和通道區(qū)的電位。這就是有時候被稱之為所謂的短通道效應(yīng)，其中場效晶體管作為主動開關(guān)的特性被劣化。
[0004]與場效晶體管其具有一平面結(jié)構(gòu)相反，一稱之為鰭式場效晶體管器件具有一立體(3D)結(jié)構(gòu)。圖1A是一示例性現(xiàn)有技術(shù)的透視圖，鰭式場效晶體管半導(dǎo)體器件”A”形成在一半導(dǎo)體襯底” B”之上，將被參閱以說明在一相當(dāng)高階的鰭式場效晶體管器件上之基礎(chǔ)特征。在這例子中，鰭式場效晶體管器件A包括三個示例性的鰭片C，一柵極結(jié)構(gòu)D，側(cè)壁間隔層E和一柵極遮蔽層F。柵極結(jié)構(gòu)D典型地包括一層?xùn)艠O絕緣材料層(未單獨示出)，例如，一層高介電系數(shù)的絕緣材料或二氧化硅，以及一層或多層導(dǎo)電材料層(例如，金屬和/或多晶硅)作為器件A之柵極電極。鰭片C具有立體設(shè)置:高度H，寬度W和軸向長度L。該軸向長度L對應(yīng)器件A運行時的電流方向。被柵極結(jié)構(gòu)D覆蓋的鰭片C之部分是場效晶體管器件A的通道區(qū)。在傳統(tǒng)的工藝流程中，位于間隔層E外面的鰭片C的部分，即，在器件A的源極/漏極區(qū)中，其尺寸可通過進(jìn)行一次或多次的外延生長過程來增加或甚至合并在一起(這情況未在圖1A中顯示)。在器件A的源極/漏極區(qū)中的鰭片C的尺寸增加或合并之過程被用以降低源極/漏極區(qū)的阻抗和/或更容易建立源汲區(qū)的電性接觸。即使沒執(zhí)行外延”合并”工藝，一外延生長過程將典型地在鰭片C上進(jìn)行以增加它們的物理尺寸。
[0005]在鰭式場效晶體管器件A中，柵極結(jié)構(gòu)D可封住鰭片C之全體或部分的兩側(cè)和上表面而形成一三柵極結(jié)構(gòu)以便使用一具有立體結(jié)構(gòu)而非平面結(jié)構(gòu)的通道。在某些情況下，一絕緣遮蔽層(未圖示)，例如，氮化硅，位于鰭片C的頂端且該鰭式場效晶體管器件僅具有一雙柵極結(jié)構(gòu)(只有側(cè)壁)。不像平面場效晶體管，在鰭式場效晶體管器件中，一通道形成在垂直該半導(dǎo)體襯底表面以減少該半導(dǎo)體器件的物理尺寸。另外，在鰭式場效晶體管中，在器件的漏極區(qū)的接面電容大大降低，使得短通道效應(yīng)逐漸顯著地減少。當(dāng)適當(dāng)?shù)碾妷簯?yīng)用于鰭式場效晶體管器件的柵極電極，鰭片C的表面(以及表面附近的內(nèi)側(cè)部分)，即，鰭片的垂直方向側(cè)壁和頂端上表面，形成一表面反轉(zhuǎn)層或是有助于電流傳導(dǎo)的體積反轉(zhuǎn)層。在單一個鰭式場效晶體管器件中，該”通道寬度”估計是約兩倍的鰭片垂直高度加上鰭片頂部表面的寬度，即，鰭片寬度。多個鰭片可形成在與平面晶體管器件一樣的相同底面積。因此，對于一被給予的地基空間(或底面積)，鰭式場效晶體管往往能夠產(chǎn)生顯著的且比平面晶體管器件還高的驅(qū)動電流密度。另外，在器件切換到”關(guān)閉”狀態(tài)時，鰭式場效晶體管器件的漏電流相較于平面場效晶體管有顯著地減少，這是由于鰭式場效晶體管對”鰭式”通道具有較優(yōu)異的柵極靜電控制。簡言之，鰭式場效晶體管器件的立體結(jié)構(gòu)相較于平面場效晶體管是一優(yōu)異的金氧半場效晶體管結(jié)構(gòu)，特別是在20奈米的互補式金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點及之后范圍。用于這樣的鰭式場效晶體管器件的柵極結(jié)構(gòu)D可使用所謂的”柵極優(yōu)先”或”替代柵極”(柵極后制)制造技術(shù)來制造出。
[0006]對于很多早期的器件技術(shù)世代來說，大多數(shù)晶體管元件的柵極結(jié)構(gòu)(平面或鰭式場效晶體管器件)包含大量的硅基材料，像是二氧化硅和/或氮氧化硅柵絕緣層，與多晶硅柵極電極的結(jié)合。然而，當(dāng)積極縮小的晶體管元件的通道長度已經(jīng)變得越來越小，很多的更新世代的器件使用包含替代性材料的柵極結(jié)構(gòu)以盡力避免短通道效應(yīng)，其可能與使用傳統(tǒng)硅基材料在減少通道長度的晶體管中有關(guān)。例如，在一些積極縮小的晶體管元件中，其中可能有通道長度在約10-32奈米或更小等級，柵極結(jié)構(gòu)包括一層所謂的高介電系數(shù)的柵絕緣層和一或多層其功能類似該柵極電極(高介電系數(shù)/金屬柵極)的金屬層已被實施。像這樣的替代柵極結(jié)構(gòu)至今為止已經(jīng)顯示了比更多傳統(tǒng)二氧化硅/多晶硅柵極結(jié)構(gòu)配置所能提供的顯著增強的運作特性。
[0007]根據(jù)具體的全部器件需求，幾個不同的高介電系數(shù)材料一換句話說，材料具有一約大于或等于10的介電常數(shù)或K值已經(jīng)在高介電系數(shù)/金屬柵極的柵極電極結(jié)構(gòu)中成功使用了不同程度的柵極絕緣層。例如，在一些晶體管元件設(shè)計中，一高介電系數(shù)的柵絕緣層可包括氧化鉭(Ta2O5),氧化鉿(HfO2),氧化錯(ZrO2),氧化鈦(T12),氧化招(Al2O3),鉿硅酸鹽(HfS1x)等等。進(jìn)一步說，一或多層非多晶硅金屬柵極電極材料一也就是說，金屬柵極堆迭一可使用在高介電系數(shù)/金屬柵極的配置中以控制晶體管的工作性能。這些金屬柵極電極材料可包括，例如，一層或多層鈦(Ti)，氮化鈦(TiN)，鈦-鋁(TiAl)，鈦-鋁-碳(TiALC)，鋁(Al)，氮化鋁(AlN)，鉭(Ta)，氮化鉭(TaN)，碳化鉭(TaC)，鉭的碳氮化物(TaCN)，鉭硅氮化物(TaSiN)，硅化鉭(TaSi)等。
[0008]一用于形成具有高介電系數(shù)/金屬柵極結(jié)構(gòu)的晶體管的現(xiàn)有制造方法被稱為”柵極后制”或”替代柵極”技術(shù)。該替代柵極工藝可用在形成平面器件或立體器件。圖1B到圖1E簡單地描繪一示例性的現(xiàn)有技術(shù)方法，使用替代柵極技術(shù)在一平面晶體管器件上以形成一高介電系數(shù)/金屬柵極的替代柵極結(jié)構(gòu)。如圖1B所示，該工藝包括一基礎(chǔ)晶體管結(jié)構(gòu)在一半導(dǎo)體襯底12之上的一主動區(qū)中形成，該主動區(qū)是由一淺溝槽絕緣結(jié)構(gòu)13所定義。圖IA所描繪的制造技術(shù)特點，該器件10包括一犧牲柵極絕緣層14，一仿真或犧牲的柵極電極15，側(cè)壁間隔層16，一絕緣材料層17和在襯底12中所形成的源極/漏極區(qū)18。器件10中的各種部件和結(jié)構(gòu)可用各種不同的材料及通過進(jìn)行不同的現(xiàn)有技術(shù)來形成。例如，犧牲柵極絕緣層14可包括二氧化硅，犧牲柵極電極15可包括多晶硅，側(cè)壁間隔層16可包括氮化硅且絕緣材料層17可包括二氧化硅。源極/漏極區(qū)18可包括植入的摻雜材料(用于N型金氧半器件的N型摻雜和用于P型金氧半器件的P型摻雜)以利用現(xiàn)有的遮罩和離子植入技術(shù)來植入到襯底12。當(dāng)然，為了清楚的目的，本領(lǐng)域的技術(shù)人士將能理解晶體管10的其他特征并未在圖中示出。例如，所謂的光暈植入?yún)^(qū)未在圖中示出，以及可在高性能P型金氧半晶體管中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)的各種硅/鍺區(qū)間層亦同。圖1B所描繪的制造技術(shù)特點，器件10的各種結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成且一化學(xué)機械研磨(CMP)工藝也已經(jīng)在進(jìn)行以去除在犧牲柵極電極15之上的任何材料(像是由氮化硅組成的保護(hù)性的遮蓋層(未圖示))使得至少犧牲柵極電極15可被去除。
[0009]在圖1C中所示，一或多道的蝕刻工藝被用于去除該犧牲柵極電極15及該犧牲柵極絕緣層14從而限定一柵極孔20，其中該柵極孔20中有一替代柵極結(jié)構(gòu)隨之形成。通常，該犧牲柵極絕緣層14被作為替代柵極技術(shù)之一部分所去除，如同本文所描述。然而，該犧牲柵極絕緣層14可能無法在所有的應(yīng)用中被去除。
[0010]接著，如圖1D所示，構(gòu)成替代柵極結(jié)構(gòu)30的不同材料層在柵極孔20中形成。即使在犧牲柵極絕緣層14被故意去除之例子中，通常有一非常薄的天然氧化層(未圖示)形成在柵極孔20中的襯底12上。用在N型金氧半和P型金氧半器件的替代柵極結(jié)構(gòu)30的材料通常是不一樣的。例如，N型金氧半器件的替代柵極結(jié)構(gòu)30可包括一高介電系數(shù)的柵極絕緣層30A，像是氧化鉿，具有一約2奈米的厚度，一第一金屬層30B (例如，一具有約I到2奈米厚度的氮化鈦層)，一第二金屬層30C—一稱為用于N型金氧半器件中的工作函數(shù)調(diào)節(jié)金屬層一(例如，一層具有約5奈米厚度的鈦-鋁或鈦-鋁-碳層)，一第三金屬層30D (例如，一層具有約I到2奈米厚度的氮化鈦層)以及一塊狀的金屬層30E，像是鋁或鎢。
[0011]最后，如圖1E所示，進(jìn)行一或多道的化學(xué)機械研磨工藝用以去除位于該柵極孔20的外側(cè)的柵極絕緣層30A,該第一金屬層30B,第二金屬層30C,第三金屬層30D和塊狀金屬層30E的多余部分，從而定義示例的N型金氧半器件的替代柵極結(jié)構(gòu)30。通常情況下，P型金氧半器件的替代柵極結(jié)構(gòu)30不包括如同N型金氧半器件般有很多金屬層。例如，P型金氧半器件的柵極結(jié)構(gòu)30可能只包括高介電系數(shù)的絕緣層30A，單一層氮化鈦一P型金氧半器件的工作函數(shù)調(diào)節(jié)金屬一具有一約3到4奈米的厚度，以及塊狀金屬層30E。
[0012]圖1F顯示在若干工藝進(jìn)行后的器件10。首先，一或多道蝕刻工藝被用以去除孔洞20中的各種材料的上部以形成柵極孔20中的一凹口。然后，柵極遮蓋層31在凹陷柵極材料之上的凹口中形成。該柵極遮蓋層31通常包括氮化硅且是通過沉積一層?xùn)艠O遮蓋材料來形成以過度填充該形成在柵極孔中的凹口，此后，進(jìn)行化學(xué)研磨工藝以去除位于絕緣材料層17表面之上的柵極遮蓋層的多余部分。形成該柵極遮蓋層31以于后續(xù)的工藝運作期間保護(hù)下面的柵極材料。
[0013]當(dāng)晶體管器件的柵極長度減少時，柵極孔20的物理尺寸也跟著減少。因此，因為通常用以形成N型金氧半器件的柵極結(jié)構(gòu)的大量金屬層，在該尺寸減少的柵極孔之中，要適合替代柵極結(jié)構(gòu)30所需要的所有材料層會變得有物理上的困難，特別是N型金氧半器件。例如，當(dāng)柵極長度持續(xù)減少，各種材料層被沉積到柵極孔20中時可能會形成空隙和接縫。圖1G是一示例性的N型金氧半器件的稍微放大示意圖，試圖提供讀者如何在當(dāng)不同金屬層30A-30D在柵極孔20中形成時限制在N型金氧半器件的柵極孔20之中的橫向空間20S的一些想法。在圖1G中，間隔層16的內(nèi)側(cè)壁表面定義一具有一基本上均勻的寬度20S于該柵極孔20的高度和深度各處的柵極孔20。當(dāng)在器件之柵極堆迭中，在孔洞20中形成材料層時，柵極孔20之中的剩余空間39便變得非常小。當(dāng)之后的金屬層被形成后，橫向空間39可約為I到2奈米寬甚至更小。在一些情況下，空間39可能基本上不存在。這可能會導(dǎo)致所謂的金屬層”夾斷”使得空隙或接縫可能在全部的柵極堆迭中形成，而這可能使器件的運作水平低于預(yù)期，或者在一些情況下，器件的形成是完全不能接受的且必須被拋棄。另外，回蝕工藝傳統(tǒng)上在30A-D的間層上進(jìn)行是為了塊狀的導(dǎo)電材料而制造出柵極孔20的上部之中的空間，像是鎢和鋁，以及一柵極遮蓋層。在凹口的蝕刻工藝的期間，某些型態(tài)的保護(hù)性材料必須被形成于金屬層30D之上的柵極孔20中以保護(hù)于凹口的蝕刻工藝期間的下面金屬層所需要的部分。如果橫向空間39(在它存在的范圍內(nèi))不能被這樣的保護(hù)性材料可靠地填充，例如流動性氧化材料，那么該凹口的蝕刻工藝便不能在于進(jìn)行凹口蝕刻過程期間有去除金屬層之不需要部分的疑慮下被執(zhí)行。
[0014]在最近幾年，由于晶體管器件的尺寸減少，電路元件的運行速度已經(jīng)隨著每個新世代器件而提升，且該”填充密度”，即，每單位面積的晶體管數(shù)目，也在這段時間增加。這樣的晶體管器件的性能改善已經(jīng)到了限制最終集成電路產(chǎn)品的運行速度的限制因素不再是個別的晶體管部件，而是形成在包含以實際半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的電路部件的水平之上的復(fù)雜布線系統(tǒng)的電子性能。通常情況下，由于大量的電路元件和所需的復(fù)雜現(xiàn)代集成電路布局，個別電路元件的電性連接不能建立在相同的電路元件的制造高度中，而是需要一或多層另外的金屬化層，其中一般包括提供同高度間的電性連接的含金屬的線，以及也包括大量的不同高度間的連接或垂直連接，稱之為導(dǎo)通孔。這些垂直的相互連接結(jié)構(gòu)包括適當(dāng)?shù)慕饘偾姨峁└鞣N堆迭金屬化層的電性連接。
[0015]此外，為了實際連接在具有金屬化層之半導(dǎo)體材料中所形成的電路元件，一適當(dāng)?shù)拇怪苯佑|結(jié)構(gòu)被設(shè)置，它的第一端連接到電路元件相應(yīng)的接觸區(qū)，像是晶體管的柵極電極和/或漏極和源極區(qū)，而第二端通過導(dǎo)電的導(dǎo)通孔連接到金屬化層中相應(yīng)的金屬線。當(dāng)器件尺寸變小，在接觸面上的導(dǎo)電接觸元件必須被提供與臨界尺寸一樣的大小。該接觸元件通常代表插頭，其是由適當(dāng)?shù)慕饘倩蚪饘俳M成物所形成，其特征在于，在精細(xì)的半導(dǎo)體器件中，鎢，結(jié)合合適的阻隔材料，已被證明是一種可行的接觸金屬。出于這個理由，接觸技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到其接點開口通過去除介電材料而能以一種自我調(diào)整方式形成，像是二氧化硅，選擇性地從緊密間隔的柵極電極結(jié)構(gòu)之間的空間中形成。也就是說，在晶體管結(jié)構(gòu)完成之后，為了露出晶體管的源極/漏極區(qū)，該柵極電極結(jié)構(gòu)被使用作為蝕刻遮罩以選擇性地去除二氧化硅材料，從而提供基本上被該柵極電極結(jié)構(gòu)的間隔結(jié)構(gòu)所橫向界定的自我調(diào)整的溝槽。
[0016]然而，形成自我調(diào)整接觸的上述過程導(dǎo)致保護(hù)導(dǎo)電柵極電極的材料的一不希望的損失，即，柵極遮蓋層和間隔側(cè)壁層，參照圖2A到圖2B所示。圖2A顯示一集成電路產(chǎn)品40在一進(jìn)階的制造階段的剖面圖。如圖所示，產(chǎn)品40包括大量示例性的形成在一襯底42之上的柵極結(jié)構(gòu)41，像是硅襯底。柵極結(jié)構(gòu)41包括一示例性的柵極絕緣層43和一利用柵極后制技術(shù)形成在一柵極孔20中的示例性的柵極電極44。一示例性的柵極遮蓋層46和側(cè)壁間隔層48封裝和保護(hù)該柵極結(jié)構(gòu)41。該柵極遮蓋層46和側(cè)壁間隔層48通常由氮化硅制成。圖2A也顯示了大量的凸起源極/漏極區(qū)50以及一絕緣材料層52，例如，二氧化硅。圖2B顯示在接點開口 54之后該產(chǎn)品40以自我調(diào)整接觸方式已經(jīng)形成在絕緣材料層52中。雖然用以形成開口 54的接觸蝕刻工藝主要是針對去除絕緣材料層52所需要的部分，但部分的保護(hù)性柵極遮蓋層46和保護(hù)性的側(cè)壁間隔層48在接觸蝕刻過程期間會消耗掉，如同簡單描繪在虛線區(qū)56所示。鑒于該遮蓋層46和該間隔層48會在接觸蝕刻過程中被攻擊，這些保護(hù)性材料的厚度必須足夠，使得即使在該接觸蝕刻工藝完成之后，仍然剩余有足夠的遮蓋層材料和間隔層材料以保護(hù)柵極結(jié)構(gòu)41。因此，器件制造者意圖使遮蓋層46和間隔層48”過厚”，即，具有一可能不被需要但為了遮蓋層46和間隔層48在接觸蝕刻過程期間的消耗的額外厚度。反過來說，增加這樣結(jié)構(gòu)的厚度，即，增加?xùn)艠O遮蓋層46的厚度，將造成其他問題，像是由于高度的增加增加了接點開口 54的高寬比，而增加最初的柵極高度，使得該柵極蝕刻和間隔層蝕刻過程更加困難等。
[0017]隨著器件尺寸的不斷縮小，需要自我調(diào)整接觸以防止在柵極和源極/漏極接觸元件之間的電性短路。如上所述，在現(xiàn)有工藝技術(shù)中，一相對厚的柵極遮蓋層46(例如，氮化硅)在源極/漏極接觸蝕刻工藝中被形成以防止在柵極電極44下面的金屬層暴露出來，導(dǎo)致接點開口 54的形成(參照圖2A到圖2B)。如果柵極電極材料在接觸蝕刻過程的期間被暴露，柵極44和形成在接點開口 54中的源極/漏極接觸元件(未圖示)之間會形成一電性短路。有兩種方式通過將工作函數(shù)金屬材料凹入柵極孔20之中來為柵極遮蓋層46在柵極孔20中”制造空間”。第一種涉及用一相對厚的工作函數(shù)金屬填充柵極孔20的剩余部分直到其(共同地)在柵極孔20之中被”夾斷”，然后進(jìn)行蝕刻處理凹進(jìn)下來，從而為柵極遮蓋層46制造出空間。這種方式非常具有挑戰(zhàn)性，因其事實在于工作函數(shù)金屬通常包括層積在柵極孔20之中的多個金屬層(例如，氮化鈦/碳化鈦/氮化鈦。氮化鈦/碳化鉭/氮化鈦等)以至于不容易通過回蝕工藝形成一均勻的凹口。而且，由于”夾斷”通常發(fā)生在形成這樣的金屬層時，當(dāng)這些金屬層形成時便會因小尺寸柵極孔的緣故而無可避免產(chǎn)生空隙/接縫，進(jìn)一步增加了用于制造各種金屬層凹口的回蝕工藝的困難度。第二種方式是涉及形成相對薄的工作函數(shù)金屬層以不”夾斷”柵極孔20，然后填充犧牲材料，像是OPL (organicplanarizing layer,有機材料層)或流動氧化物,使能夠可靠地填充柵極孔20的剩余部分。然后，該犧牲材料可被凹陷以暴露出工作函數(shù)金屬的所需部分使被去除,該工作函數(shù)金屬的露出部分接著被蝕刻工藝去除，而犧牲材料的剩余部分保護(hù)下面的金屬層。此后，該犧牲材料可從柵極孔20之中被去除。雖然后一種方式能產(chǎn)生較好的結(jié)果，因為柵極長度持續(xù)的縮短(例如，15奈米或更短)，所需的工作函數(shù)金屬厚度(例如，7奈米)僅填充了太多的柵極孔，很少有這樣的結(jié)果，如果有的話，用于在柵極孔20之中的剩余空間的犧牲材料是使用在凹槽蝕刻工藝中。
[0018]本公開發(fā)明涉及使用替代柵極技術(shù)形成鰭式場效晶體管半導(dǎo)體器件的各種方法及所得到的半導(dǎo)體器件，可避免或至少減少一或多項上述提到問題的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]下面給出本發(fā)明的簡要概述，以提供對本發(fā)明的一些方面之基本理解。該概述不是本發(fā)明的詳盡全覽。它并非意圖在標(biāo)識本發(fā)明的關(guān)鍵或重要元素或描述出本發(fā)明的范圍。它的唯一目的是以簡化形式呈現(xiàn)一些概念，作為在后面討論的更詳細(xì)描述之序言。
[0020]一般來說，本發(fā)明是涉及使用替代柵極技術(shù)形成鰭式場效晶體管半導(dǎo)體器件的各種方法和所得到的半導(dǎo)體器件。所公開的一種方法包括，除其他之外，進(jìn)行至少一蝕刻工藝以在一襯底上定義出第一與第二鰭片，形成一凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)在該第一與第二鰭片之間，其中該凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)具有一上表面，該上表面的水平面約等于或高于每個第一鰭片和每個第二鰭片的上表面的水平面，且其中該凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)部分定義出在該凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)和該第一鰭片之間的一第一空間及在該凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)和該第二鰭片之間的一第二空間，以及形成一柵極結(jié)構(gòu)在每個第一和第二鰭片的部分的周圍及在該凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)的部分的周圍，其中至少部分的該柵極結(jié)構(gòu)是位于該第一和第二空間。
[0021]另一種在本發(fā)明中公開的方法包括，除其他之外，進(jìn)行至少一蝕刻工藝以在定義第一和第二鰭片的一襯底中定義出多個溝槽，形成一襯墊層在該鰭片上以及在該第一和第二鰭片之間的溝槽中，其中該襯墊層定義出一凹口，形成一絕緣材料層在該第一和第二鰭片之間以及在由該襯墊層所定義出的該凹口中，形成一犧牲柵極結(jié)構(gòu)在該第一和第二鰭片，該襯墊層和該絕緣材料層之上，以及形成一側(cè)壁間隔層相鄰該犧牲柵極結(jié)構(gòu)。在這個實施型態(tài)中，該方法進(jìn)一步包括去除該犧牲柵極結(jié)構(gòu)以定義出一柵極孔在該側(cè)壁間隔層之間及露出在該柵極孔之中的該襯墊層和該絕緣材料層，在該柵極孔中的該襯墊層的露出部分進(jìn)行一蝕刻工藝以去除位于每個第一和第二鰭片上的部分該襯墊層，因此導(dǎo)致形成一凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)在該第一和第二鰭片之間以及分別形成一第一空間和一第二空間在該凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)和該第一和第二鰭片之間，以及形成一替代柵極結(jié)構(gòu)在每個第一和第二鰭片的部分的周圍以及在該柵極孔之中的該凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)的部分的周圍，其中該替代柵極結(jié)構(gòu)的至少部分是位于該第一和第二空間中。
[0022]本文中所公開的一種示例性器件包括，除其他之外，至少一第一和第二鰭片定義在一半導(dǎo)體襯底中，一凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)位于該第一和第二鰭片之間，其中該凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)的上表面的水平面約等于或高于每個該第一和第二鰭片的對應(yīng)上表面的水平面，由該第一鰭片的側(cè)壁和該凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)的第一側(cè)壁定義出一第一空間，由該第二鰭片的側(cè)壁和該凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)的第二側(cè)壁定義出一第二空間，以及一柵極結(jié)構(gòu)位于每個第一和第二鰭片的部分的周圍和該凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)的部分的周圍，其中至少部分的該替代柵極結(jié)構(gòu)是位于該第一和第二空間中。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]本公開發(fā)明可藉由參照以下描述結(jié)合附圖而理解，其中相同的附圖標(biāo)記標(biāo)識相同的元件:
[0024]圖1A是一示例性的現(xiàn)有技術(shù)的鰭式場效晶體管器件立體圖；
[0025]圖1B到圖1G描述一示例性的現(xiàn)有技術(shù)方法，使用所謂的”替代柵極”技術(shù)以形成晶體管的柵極結(jié)構(gòu)；
[0026]圖2A到圖2B示意性的示出一示例性的現(xiàn)有技術(shù)中采用自我調(diào)整接觸的集成電路產(chǎn)品的剖面圖；
[0027]圖3A到圖3V描述本公開發(fā)明之不同示例性方法以使用替代柵極技術(shù)形成鰭式場效晶體管半導(dǎo)體器件以及所得到的半導(dǎo)體器件。
[0028]盡管本文所公開的主題是易于進(jìn)行各種修改和替代形式，其具體實施例通過在附圖中示例的方法已經(jīng)示出且在本文中詳細(xì)描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，在本文中的具體實施例描述并不意圖限制本發(fā)明所公開的特定形式，相反地，如所述權(quán)利要求所限定，本發(fā)明是涵蓋所有在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的修改，等同物或替代物。

【具體實施方式】
[0029]本發(fā)明的各種示例性實施例描述如下。為了清楚起見，并非所有實際例的特征皆描述在本說明書中。當(dāng)然可理解的是，在任何這種實際實施例的發(fā)展，許多實施方式的特定決定必須以實現(xiàn)開發(fā)者的特定目標(biāo)來決定，像是符合與系統(tǒng)相關(guān)和業(yè)務(wù)相關(guān)的約束，其將隨著一個又一個實施例而變化。此外，應(yīng)當(dāng)理解的是，這種開發(fā)努力可能是復(fù)雜和費時的，但仍然是對于受益于本公開發(fā)明的本領(lǐng)域中具備通常技術(shù)之人士的例行任務(wù)。
[0030]本主題現(xiàn)在將參照附圖進(jìn)行說明。各種結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)和器件示意性地示出在附圖中僅出于解釋的目的之用，以便不會模糊本公開內(nèi)容中為那些本領(lǐng)域之技術(shù)人士所知的技術(shù)細(xì)節(jié)。盡管如此，附圖是包括用以敘述和解釋本公開發(fā)明的示例。本文在此所用的術(shù)語及片語應(yīng)被理解和解釋為與那些本領(lǐng)域之技術(shù)人士所理解的術(shù)語及片語具有一致的含義。術(shù)語或片語沒有特別的定義，即，不同于與那些本領(lǐng)域技術(shù)人士所理解的一般和通常意思的定義，旨在通過使用本文的術(shù)語和片語的一致性用法來暗示。在一定程度上術(shù)語和片語是具有特別的意義，即，不同于本領(lǐng)域技術(shù)人士所理解的意義，這樣一個特殊的定義將以定義的方式被明確規(guī)定在說明書中，以直接而明確地提供對術(shù)語或片語的特殊定義。
[0031]本公開發(fā)明一般是關(guān)于使用替代柵極技術(shù)形成半導(dǎo)體器件的各種方法。此外，在完整閱讀本應(yīng)用之下將使那些本領(lǐng)域中之技術(shù)人士容易明白，本公開方法是適用于各種器件，包括，但不限于，邏輯器件，記憶體器件等，且本文所公開的方法可被用于形成N型或P型半導(dǎo)體器件。本文中所公開的方法和器件可被用在使用各種技術(shù)制造產(chǎn)品上，N型金氧半，P型金氧半，互補式金氧半等，而它們可被用于制造各種不同的器件，例如，記憶體器件，邏輯器件，特定應(yīng)用集成電路等。如同那些本領(lǐng)域之技術(shù)人士在完整閱讀本公開應(yīng)用后所能理解的是，本文之公開發(fā)明可被應(yīng)用在使用各種所謂的立體器件形成集成電路產(chǎn)品，像是鰭式場效晶體管。為了所公開的目的，將參考形成其中一個鰭式場效晶體管器件100的示例性制造過程。當(dāng)然，本文之公開發(fā)明不應(yīng)該被局限在本文所描述和詳述的示例性例子。參考附圖，本文所公開的方法和器件的示例性實施例將更加詳細(xì)地描述。
[0032]圖3A到圖3V描述使用替代柵極技術(shù)形成鰭式場效晶體管半導(dǎo)體器件和所得到的半導(dǎo)體器件的各種公開的示例性方法。示例性器件100將被形成在半導(dǎo)體襯底102之中及之上。示例性器件100可為一 N型金氧半或一 P型金氧半晶體管。另外，各種摻雜區(qū)，例如，源極/漏極區(qū)，光暈植入?yún)^(qū)，井區(qū)等，未在附圖中示出。襯底102可有各種配置，像是所描述的塊狀硅配置。襯底102也可具有一硅絕緣體(SOI)配置，其包括一塊狀硅層，一埋入絕緣層和一主動層，其中半導(dǎo)體器件被形成在該主動層中及之上。襯底102可由硅或不同于硅的材料制成。因此，該術(shù)語”襯底”或”半導(dǎo)體襯底”應(yīng)被理解為涵蓋所有的半導(dǎo)體材料和所有這樣材料的型態(tài)。
[0033]圖3A到圖3V表現(xiàn)出使用本文之公開方法所形成的鰭式場效晶體管器件100的一示例性實施例的各種視圖。該圖也包括該器件100的一簡化的俯視圖(在右上角)以描述下列各圖中將采用的各剖面圖視角。更具體地，該視角”x-x”是一通過該器件的源極/漏極區(qū)的一垂直于鰭片的長軸方向上所取的剖視圖，該視角” Y-Y”是通過器件的柵極結(jié)構(gòu)所取得的剖視圖，而該視角”Z-Z”是通過器件的鰭片所取得的剖視圖，S卩，沿著鰭片的長軸(電流傳導(dǎo)方向)。
[0034]圖3A描述器件100的一制造要點，其中有幾道工藝已經(jīng)執(zhí)行。首先，多個溝槽102T在襯底102中形成從而在一主動區(qū)104之中定義出多個鰭片106。本文中所公開的示例性鰭式場效晶體管器件100將被描述為包括有兩個具有上表面106S的不例性鰭片106。然而，在本領(lǐng)域技術(shù)人士完整閱讀本發(fā)明的應(yīng)用后所將理解的是，本文中的方法與器件可能被用于具有任意數(shù)量的鰭片的鰭式場效晶體管器件的制造過程。在一實施例中，使用現(xiàn)有的蝕刻技術(shù)透過一或多個圖案化的蝕刻遮罩(未圖示)執(zhí)行一道或多道的蝕刻工藝來形成溝槽102T，例如，一圖案化硬遮罩層。該圖案化蝕刻遮罩可使用現(xiàn)有的側(cè)壁圖像傳送技術(shù)和/或光微影成像技術(shù)，并結(jié)合現(xiàn)有的蝕刻技術(shù)來圖案化。在一些應(yīng)用中，一進(jìn)一步的工藝可被執(zhí)行以減少寬度或?qū)⒃擌捚?06”變薄”，雖然這樣的變薄過程沒有在附圖中描述出。出于本說明書與本權(quán)利要求之目的，該術(shù)語”鰭片”或”鰭片(多個)”能被理解為指的是還未變薄的鰭片以及已經(jīng)受到這樣薄蝕刻工藝的鰭片。下文中揭露的各種材料層可通過任何種類的不同現(xiàn)有技術(shù)，例如，化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝，原子層沉積(ALD)工藝，熱生長工藝，旋轉(zhuǎn)涂布技術(shù)等來被形成。此外，如本文在此所使用的及權(quán)利要求中，該術(shù)語”相鄰的”被賦予了廣泛的解釋且應(yīng)被解釋為一項特征實際接觸到另一特征或非?？拷渌卣鞯暮w情況。
[0035]圖3A中也描述一示例性的具有形成在襯底102之上的上表面107S的絕緣材料凹陷層107。絕緣材料層107可不被用于所有應(yīng)用中，此將在下文中被更深入討論。在一示例性制造流程，絕緣材料層107 (例如，二氧化硅)是最先被形成在器件100之上以便過度填充溝槽102T。然后，一道或多道平坦化工藝(例如，化學(xué)機械研磨)被執(zhí)行在絕緣材料層107上，使得絕緣材料層107的上表面基本上和鰭片106的上表面106S齊平。接著，一定時的凹陷蝕刻工藝被實行在絕緣材料層107的露出部分以形成一具有凹入面107S的絕緣材料凹陷層107。這有效地在溝槽102T之底部產(chǎn)生一絕緣材料薄層107以便彼此局部隔離鰭片106。
[0036]繼續(xù)參照圖3A，溝槽102T和鰭片106的全部尺寸，形狀和配置可根據(jù)特定應(yīng)用而變化。溝槽102T的深度和寬度可根據(jù)特定應(yīng)用而產(chǎn)生變化。在一示例性的實施例中，基于當(dāng)前的技術(shù)，溝槽102T的深度可在約40到100奈米的范圍內(nèi)變化而溝槽102T的寬度可在20到60奈米的范圍內(nèi)變化。在一些實施例中，鰭片106可具有一約5到20奈米的范圍內(nèi)的最后寬度(在鰭片底部或附近)。在附圖中所描述的示例性實施例，溝槽102T和鰭片106都是一致的尺寸和形狀。然而，在溝槽102T和鰭片106這樣的一致性的尺寸和形狀并不需要在本文中所公開發(fā)明的至少一些方面中實行。在本文描述的例子中，溝槽102T通過進(jìn)行一不等向性的蝕刻工藝來形成，使造成溝槽102T具有如圖示所描述的一般矩形結(jié)構(gòu)。在一實際的真實世界器件，溝槽102T的側(cè)壁可以稍微向內(nèi)逐漸變細(xì)，雖然該配置未描述在附圖中。在一些例子中，溝槽102T可具有一在溝槽102T底部附近的凹曲輪廓。在一定程度上通過進(jìn)行一濕蝕刻工藝來形成溝槽102T，相較于被不等向性蝕刻工藝形成的一般矩形配置的溝槽102T，溝槽102T可傾向有一圓形配置或非線性配置。因此，溝槽102T和鰭片106的尺寸和配置，以及它們制成的方式，應(yīng)不被認(rèn)為是本公開發(fā)明之限制。為了便于公開的目的，只有基本的矩形溝槽102T和鰭片106將在附圖中示出。
[0037]圖3B描述通過執(zhí)行一保形的沉積工藝以在器件100上形成襯墊層109之后的器件。襯墊層109可包括不同的材料，例如，氮化硅，三氧化二鋁等，且它可通過執(zhí)行一保形的原子層沉積和化學(xué)氣相沉積來被形成。典型地，襯墊層109的厚度可被選擇為工作函數(shù)金屬的目標(biāo)厚度加上兩倍的高介電層厚度，其高介電層成為器件100的替代柵極結(jié)構(gòu)的一部分，在下文中會更深入討論。以絕對值的用語來說，襯墊層109的厚度可根據(jù)特定應(yīng)用在約8到13奈米之間變化。
[0038]圖3C描述進(jìn)行幾道工藝之后的器件100。首先，絕緣材料層111 (例如，二氧化硅)通過使用傳統(tǒng)的沉積技術(shù)形成在器件100之上。然后，進(jìn)行一道或多道平坦化工藝(例如，化學(xué)機械研磨)在絕緣材料層111上，使得絕緣材料層111的上表面IllS基本上與鰭片106的上表面106S齊平。在一示例性實施例中，平坦化工藝可為停在鰭片106上的化學(xué)機械研磨(CMP)工藝。
[0039]圖3D顯示了四種不同的選項(I到4)，其關(guān)于絕緣材料層107和絕緣材料層111的形成，以及形成絕緣材料層111之后的平坦化步驟。四個選項中的任一個可被用于本文所公開的方法和器件。如同所描述的，絕緣材料層107被表現(xiàn)在選項I和選項2，但未表現(xiàn)在選項3和選項4。另外，在選項I和選項4，形成絕緣材料層111而停留在鰭片106的上表面106S之后，進(jìn)行平坦化工藝。相較之下，在選項2和選項3，形成絕緣材料層111而停留在襯墊層109之后，進(jìn)行平坦化工藝?！边x項I”實施例將被描述在附圖中，但如上述所提到的，選項I到4中的任一個可被用于本文所公開的方法和器件。
[0040]在本文所揭露的例子中，將使用一替代柵極技術(shù)來形成鰭式場效晶體管器件100。據(jù)此，圖3E描述器件100的制造要點，其中犧牲柵極結(jié)構(gòu)的材料，即，犧牲柵極絕緣層122和犧牲柵極電極層124形成在襯底102和鰭片106之上。也描述了一示例性的柵極遮蓋層140形成在犧牲柵極電極層124之上。在替代柵極制造流程的要點上，執(zhí)行一退火過程以激活被植入的摻雜材料和修復(fù)任何因進(jìn)行各種離子植入過程時對襯底102造成的損害。器件100的各種部件和結(jié)構(gòu)可使用各種不同的材料和通過執(zhí)行各種現(xiàn)有的技術(shù)來形成。舉例來說，犧牲柵極絕緣層122可包括二氧化硅且犧牲柵極電極層124可包括多晶硅。柵極遮蓋層140可包括各種材料，例如，氮化硅。如圖3E所示，材料層的厚度可根據(jù)特定應(yīng)用而變化。
[0041]圖3F描述了在透過圖案化蝕刻遮罩(未圖示)進(jìn)行一道或多道蝕刻工藝以圖案化遮蓋層140和犧牲柵極電極層124之后的器件100，將變成犧牲柵極結(jié)構(gòu)120的一部分。在這示例性的處理流程中，當(dāng)圖案化犧牲柵極絕緣層124時，犧牲柵極絕緣層122是作為一蝕刻停止層的角色。柵極結(jié)構(gòu)120的”寬度”(約相當(dāng)于器件100的通道長度)可根據(jù)特定應(yīng)用而變化。
[0042]圖3G描述了在去除上述的圖案化蝕刻遮罩和進(jìn)行一道或多道蝕刻工藝以去除犧牲柵極絕緣材料122 (見視角Z-Z)及絕緣材料層111的露出部分(見視角X-X)之后的器件100。這個工藝運作導(dǎo)致犧牲柵極結(jié)構(gòu)120的形成，即，犧牲柵極絕緣層122和犧牲柵極電極124。
[0043]圖3H描述了側(cè)壁間隔層130形成在相鄰于犧牲柵極結(jié)構(gòu)120 (視角Z_Z)之后的器件。側(cè)壁間隔層130可包括各種不同的材料，例如，氮化硅。在一實施例中，側(cè)壁間隔層130可由與襯墊層109相同的材料(或一種具有相似的蝕刻特性的材料)制成。側(cè)壁間隔層130可通過沉積一層間隔材料(與虛線113 —同示于圖3G)來形成，并隨后進(jìn)行不等向性蝕刻過程以產(chǎn)生間隔層130。在襯墊層109包括和間隔層130相同的材料(或一種具有相似蝕刻特性的材料)的例子中，可繼續(xù)該蝕刻過程以去除位在相鄰于鰭片106(見視角X-X)的至少部分該襯墊層109。由于間隔材料層111的存在，當(dāng)間隔層130形成時，所有在鰭片106之間的襯墊層109的水平方向部分(見視角X-X)可不被去除。在由材料制成襯墊層109的例子中，該材料相對于間隔層130和周圍的材料可被選擇性蝕刻，不同的蝕刻化學(xué)物質(zhì)可用于去除襯墊層109的所希望的部分。
[0044]圖31描述了在進(jìn)行可選擇的外延生長過程以形成額外的半導(dǎo)體材料110，例如，鰭片106的露出表面上的硅之后的器件100。見視角X-X和Z-Z。虛線106X反映了最初鰭片106的外形。半導(dǎo)體材料110的一般菱形配置(見視角X-X)是由于外延生長過程的進(jìn)行方式和在襯底材料中的結(jié)晶面方向。通常執(zhí)行該外延生長過程以增加材料尺寸且導(dǎo)電接觸將隨后形成的。在一些例子中，如果需要的話，進(jìn)行所謂的合并鰭片的外延生長過程使得外延材料生長在一合并鰭片至一相鄰鰭片。這樣的合并鰭片未在圖中示出。如同上述所提到的，這些另外的半導(dǎo)體材料110的形成并不需要在所有應(yīng)用中。如果需要的話，金屬硅化物材料(未圖示)可形成在另外的半導(dǎo)體材料上。
[0045]圖3J描述了在進(jìn)行幾道工藝之后的器件100。首先，絕緣材料層121 (例如，二氧化硅)使用傳統(tǒng)的沉積技術(shù)形成在器件100之上。然后，一道或多道的平坦化工藝(例如，化學(xué)機械研磨)在絕緣材料層121上進(jìn)行,使得絕緣材料層121的上表面121S基本上與犧牲柵極電極124的上表面124S齊平。重要的是，該平坦化工藝暴露出犧牲柵極電極124的上表面124S使其可被去除。在一示例性實施例中，該平坦化工藝可為停在犧牲柵極電極124上的化學(xué)機械研磨(CMP)工藝。
[0046]圖3K描述在進(jìn)行一道或多道濕或干蝕刻工藝以去除犧牲柵極電極124和犧牲柵極絕緣層122從而定義柵極孔136之后的器件100，該柵極孔136是該器件100的替代柵極結(jié)構(gòu)將隨后形成之處。通常，去除犧牲柵極絕緣層122是作為替代柵極技術(shù)的一部分，如本文所描述的。即使有意地去除該犧牲柵極絕緣層122的例子中，通常將有一非常薄的天然氧化物層(未圖示)形成在柵極孔136之中的鰭片的表面106S上。一定程度上犧牲柵極結(jié)構(gòu)120的去除造成絕緣材料層111的露出部分(視角Y-Y)的任何消耗，這樣的消耗未在附圖中描述。
[0047]圖3L描述了進(jìn)行一道或多道蝕刻工藝以減少間隔層130的高度(從而形成凹陷間隔層130R)及去除在柵極孔136之中襯墊層109的露出部分之后的器件。更具體的是，蝕刻工藝是去除由柵極孔136所定義的區(qū)域中相鄰于鰭片106的部分襯墊層109。部分襯墊層109的去除是透過進(jìn)行定時的蝕刻過程來實現(xiàn)。該過程操作有效地定義了鰭片106的最后鰭片高度。另外，該過程操作造成空間109X在鰭片106和凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)IllA之間形成，且其中該凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)IllA是位在一由從絕緣材料層111中制成的柵極孔136定義的區(qū)域之中。在一例子中，凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)IllA的上表面IllS約等于鰭片106的上表面106S。如上述所提到的，空間109X的橫向?qū)挾?09Y通常選擇高介電層的兩倍厚度和器件的工作函數(shù)調(diào)整金屬層的目標(biāo)厚度的總和，下文中會更詳細(xì)說明。
[0048]下一個主要的工藝次序涉及器件100的替代柵極結(jié)構(gòu)的形成。本文中將描述的該替代柵極結(jié)構(gòu)主要是指在本質(zhì)上表示的用于制造集成電路產(chǎn)品的任何型態(tài)的柵極結(jié)構(gòu)，使用所謂的柵極后制(替代柵極)制造技術(shù)。因此，參照圖3M，在形成各種材料層變成該替代柵極結(jié)構(gòu)的一部分之前，進(jìn)行一預(yù)清洗工藝以意圖去除柵極孔136之中所有異物材料。接著，高介電柵極絕緣層125(介電系數(shù)大于10)，像是氧化鉿(或在本說明書的【背景技術(shù)】部分中提到的其它高介電系數(shù)材料)，通過保形沉積工藝以沉積穿過襯底102且在柵極孔136之中。
[0049]此后，如圖3N所示，工作函數(shù)調(diào)整金屬層127 (例如，一層氮化鈦或碳化鋁鈦，依據(jù)所制造晶體管組件的類型)通過進(jìn)行保形沉積工藝以沉積在高介電柵極絕緣層125上和在柵極孔136之中。當(dāng)然，工作函數(shù)調(diào)整金屬層127可包含在本說明書之【背景技術(shù)】中所描述到的任何金屬。如同本領(lǐng)域之技術(shù)人士在完整閱讀完本公開發(fā)明之后所能理解的，本文所公開的方法提供一種新穎的方式，其避免或限制在形成包含金屬的替代柵極結(jié)構(gòu)時產(chǎn)生的”夾斷”問題。即是說，在一例子中，柵極孔136的橫向?qū)挾?36X(也見于圖3K)可約為15到19奈米寬。通常，工作函數(shù)調(diào)整金屬層127，例如，碳化鈦，是需要形成約7奈米的厚度。因此，如果一 7奈米厚度的工作函數(shù)調(diào)整金屬層127直接沉積在高介電絕緣層125上，即，在柵極孔136的側(cè)壁和底部表面上，柵極孔136的橫向?qū)挾葧p少至約I到5奈米(每個側(cè)壁形成7納米)，其會使得后續(xù)的工藝操作非常具挑戰(zhàn)性，如果不是不可能的話。然而，使用本文公開的方法，沉積在柵極孔136中的工作函數(shù)調(diào)整金屬層127的厚度是被選擇約為形成在空間109X中的鰭片106的側(cè)壁上的工作函數(shù)調(diào)整金屬層127的最后期望厚度的一半。即，空間109X的橫向?qū)挾?09Y是約為所沉積的工作函數(shù)調(diào)整金屬層127的兩倍。因此，如果工作函數(shù)調(diào)整金屬層總體目標(biāo)厚度是7奈米，如上述所討論到的例子，本文描述的工作函數(shù)調(diào)整金屬層127可以一減少約3.5奈米的目標(biāo)厚度沉積，或約為工作函數(shù)調(diào)整金屬層127的總體目標(biāo)厚度的一半。該較薄的工作函數(shù)調(diào)整金屬層127將有效地填充剩余空間109X且從而在鰭片106的側(cè)壁上產(chǎn)生所期望的厚度(例如，7奈米)。另外，通過在柵極孔136之中形成該較薄的工作函數(shù)調(diào)整金屬層127，減少或消除造成”夾斷”的機率。更具體地，省略高介電柵極絕緣層125的厚度，柵極孔136的橫向厚度136X可約為15到19奈米。因此，當(dāng)該較薄的工作函數(shù)調(diào)整金屬層127，例如，3.5奈米厚的金屬層，直接沉積在高介電絕緣層125上時，即，在柵極孔136的側(cè)壁和底部表面上，柵極孔136的減少的橫向?qū)挾?36Z (視角Z-Z)此刻約為8到12奈米(每個側(cè)壁形成3.5納米)，相較之下，若工作函數(shù)調(diào)整金屬層127以約7奈米的厚度沉積的話，則會剩余I到5奈米。因此，該較薄的工作函數(shù)調(diào)整金屬層127的形成會使得所得到的柵極孔更寬，使后續(xù)的工藝操作相較于用傳統(tǒng)的替代柵極制造技術(shù)能更容易進(jìn)行。據(jù)此，本文所公開的發(fā)明之一方面涉及沉積一層工作函數(shù)調(diào)整金屬層127，其具有器件在柵極孔136中和在空間109X中的工作函數(shù)調(diào)整金屬的總體厚度的一半的目標(biāo)厚度。
[0050]接下來的工藝涉及至少在工作函數(shù)調(diào)整金屬層127的上部制造凹口。圖30描述了完成該任務(wù)的制造流程。為此目的，圖30描述了在犧牲材料層141形成后的器件100，該犧牲材料層141像是深層超紫外線吸收氧化物(DUO)，已經(jīng)形成在器件和它的表面141S上，該表面141S已經(jīng)凹陷到所希望的深度，使得至少工作函數(shù)調(diào)整金屬層127在表面141S之上的高度可從柵極孔136之中去除。犧牲材料層141為一具有好的間隙填充能力的材料。犧牲材料層141可通過旋轉(zhuǎn)涂布工藝來形成且它的表面可通過進(jìn)行定時的蝕刻工藝來制造凹口。
[0051]圖3P描述在進(jìn)行一道或多道蝕刻工藝以至少去除從柵極孔136之中的犧牲材料層141的表面的水平面之上的工作函數(shù)調(diào)整金屬層127之后的器件。在所描述的制造流程中，高介電柵極絕緣層125在工藝運作期間未被去除。
[0052]圖3Q描述在犧牲材料層141已被去除之后的器件100。犧牲材料層141可根據(jù)犧牲材料層141選擇的材料通過使用各種現(xiàn)有技術(shù)來去除，例如，濕式去光阻工藝。
[0053]圖3R到圖3S描述另一可能的制造流程以減少位于柵極孔136之中的大量工作函數(shù)調(diào)整材料。從圖3N所示的結(jié)構(gòu)開始，在這替代的制造流程中的最初步驟涉及進(jìn)行等向性蝕刻工藝以從高介電柵極絕緣層125之上而跨越襯底去除工作函數(shù)調(diào)整金屬層127。接著，執(zhí)行射頻物理氣相沉積以形成所期望的工作函數(shù)金屬層143在柵極孔136的底部和在鰭片/高介電絕緣層125之上。任一示于圖3N到圖3S中的制造流程可使用本文所公開的方法。然而，只有第一部分，示于圖3Q中所得到的結(jié)構(gòu)，將被描述于后續(xù)的附圖中。
[0054]圖3T描述在進(jìn)行幾道工藝運作之后的器件100。首先，塊狀導(dǎo)電材料層145，像是鎢或鋁，被覆蓋式沉積在襯底之上以便過量填充柵極孔136。此后，進(jìn)行一道或多道化學(xué)機械研磨工藝以去除導(dǎo)電材料層145和位于絕緣材料層121的表面121S之上的柵極孔136外面的高介電柵極絕緣層125的多余部分。然后，在導(dǎo)電材料層145上執(zhí)行蝕刻工藝，使得導(dǎo)電材料層145的所期望數(shù)量殘留在柵極孔136之中。這個動作造成包含高介電柵極絕緣層125，工作函數(shù)調(diào)整金屬層127和導(dǎo)電材料層145的替代柵極結(jié)構(gòu)133的形成。
[0055]圖3U描述在一示例性在導(dǎo)電材料層145之上的凹口中形成柵極遮蓋層147之后的器件100。柵極遮蓋層147通常包括氮化硅且它可通過沉積一層?xùn)艠O遮蓋材料來形成，以便過量填充形成在替代柵極結(jié)構(gòu)133之上的柵極孔136中的凹口，且，此后，進(jìn)行化學(xué)機械研磨工藝以去除位于絕緣材料層121表面之上的柵極遮蓋材料層的多余部分。形成柵極遮蓋層147以便在后續(xù)工藝期間保護(hù)在下面的柵極材料。
[0056]圖3V描述在進(jìn)行幾道工藝運作以形成一導(dǎo)電源極/漏極接觸結(jié)構(gòu)154成為器件100的每個源極/漏極區(qū)之后的器件100。導(dǎo)電耦合替代柵極結(jié)構(gòu)133的柵極接觸結(jié)構(gòu)(未圖示)，即，做為替代柵極結(jié)構(gòu)133的一部分的導(dǎo)電柵極材料，也可形成為這些工藝運作的一部分。通常，這些工藝次序涉及在器件100之上形成一絕緣材料層152且此后透過一或多個蝕刻遮罩層(未圖示)在絕緣材料層152的露出部分上進(jìn)行一道或多道蝕刻工藝，以定義出源極/漏極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)154的接點開口。當(dāng)從上方觀察時，源極/漏極接觸結(jié)構(gòu)154可為任一所期望的橫截面形狀，例如，正方形，矩形，圓形等。源極/漏極接觸結(jié)構(gòu)154旨在具示意性和本質(zhì)上表示，因其可使用任何各種不同的導(dǎo)電材料和進(jìn)行傳統(tǒng)制造作業(yè)來形成。接觸結(jié)構(gòu)154也可包含一或多層阻隔層(未圖示)。在一示例性的例子中，接觸結(jié)構(gòu)154可通過沉積襯墊，例如，鈦，氮化鈦來形成，隨后過量填充具有導(dǎo)電材料的接點開口，像是鎢。此后，進(jìn)行化學(xué)機械研磨工藝以平坦化絕緣材料層152的上表面，其導(dǎo)致位于接點開口外面的絕緣材料層152之上的襯墊和鎢的剩余部份的去除和接觸結(jié)構(gòu)154的形成。
[0057]上述實施例之上下文已揭露形成一示例性的多個鰭式場效晶體管。然而，如本領(lǐng)域之技術(shù)人士在完整閱讀本公開發(fā)明之后所能理解的，本文所公開的方法也可用在關(guān)于單一個鰭式場效晶體管的形成。在一實施例中，這樣的方法涉及，除其他之外，進(jìn)行至少一蝕刻工藝以便定義一襯底中的一鰭片，其中該鰭片具有側(cè)壁，在鰭片周圍形成一隔離結(jié)構(gòu)，其中第一和第二間隙通過隔離結(jié)構(gòu)定義在鰭片的相對邊，其中每個第一和第二間隙的橫向?qū)挾鹊扔诨蛐∮谙鄬ぷ骱瘮?shù)調(diào)整金屬材料的總體目標(biāo)厚度加上高介電絕緣層的兩倍目標(biāo)厚度以形成在器件的柵極孔中，在鰭片的一部分之上形成柵極孔，以及沉積一層具有在柵極孔和在鰭片和隔離材料之間的第一和第二間隙中的工作函數(shù)調(diào)整金屬材料的總體目標(biāo)厚度的約一半的目標(biāo)厚度的工作函數(shù)調(diào)整金屬材料。
[0058]上述所公開的特定實施例僅僅是說明性的，因為本發(fā)明可用不同但等同的方式修改和實踐，對于本領(lǐng)域之技術(shù)人士受益于本文所教導(dǎo)的。例如，可以用不同的順序來執(zhí)行上述的處理步驟。此外，沒有意圖限制本文所示的構(gòu)造細(xì)節(jié)和設(shè)計，不同于權(quán)利要求所述。因此，明顯的是，所公開的特定實施例可以被替代或修改且所有的變化皆是被認(rèn)為在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)。注意所使用的用語，像是”第一”，”第二”，”第三”或”第四”是敘述在本說明書和權(quán)利要求中的結(jié)構(gòu)的各種工藝，僅用于快速參照這樣的步驟/結(jié)構(gòu)且不一定暗示這樣的步驟/結(jié)構(gòu)以有序的次序執(zhí)行/形成。當(dāng)然，根據(jù)確切的權(quán)利要求語言，這樣的工藝的有序的次序可或不可被需要。因此，本文所尋求的保護(hù)是如權(quán)利要求所列。
【權(quán)利要求】
1.一種在半導(dǎo)體襯底之上形成鰭式場效晶體管的方法，其中該方法包括: 進(jìn)行至少一蝕刻工藝以在所述襯底中定義出第一與第二鰭片； 形成一凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)在所述的第一與第二鰭片之間，所述凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)具有一上表面，該上表面的水平面約等于或高于每個所述第一和第二鰭片的上表面的水平面，所述凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)部分定義出在所述凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)和所述第一鰭片之間的一第一空間及在所述凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)和所述第二鰭片之間的一第二空間；以及 形成一柵極結(jié)構(gòu)在每個所述第一和第二鰭片的部分的周圍及在所述凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)的部分的周圍，其中至少部分的所述柵極結(jié)構(gòu)是位于所述的第一和第二空間。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的柵極結(jié)構(gòu)的形成包括: 沉積一層高介電系數(shù)的柵絕緣材料在與其接觸的所述第一和第二鰭片上以及在與其接觸的所述凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)上；以及 沉積一層工作函數(shù)調(diào)節(jié)金屬層在與其接觸的所述高介電系數(shù)柵絕緣層上。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的柵極結(jié)構(gòu)的形成包括形成所述的柵極結(jié)構(gòu)使其填滿所述的第一和第二空間。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)的所述上表面是與每個所述第一和第二鰭片的上表面齊平。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述第一和第二鰭片之間的所述凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)的形成包括: 形成一襯墊層在所述第一和第二鰭片上以及在所述第一和第二鰭片之間的溝槽底部表面之上，所述的襯墊層定義出一凹口 ； 形成一絕緣材料層在所述襯墊層之上以及在由所述襯墊層所定義出的所述凹口中；以及 進(jìn)行至少一平坦化工藝在至少所述絕緣材料層上從而定義所述凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)是位于由所述襯墊層所定義出的所述凹口之中。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中執(zhí)行所述至少一平坦化工藝直到其停在所述襯墊層的上表面上。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中執(zhí)行所述至少一平坦化工藝直到其停在所述第一和第二鰭片的所述上表面上。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括進(jìn)行至少一蝕刻工藝以去除位于所述第一和第二鰭片上的至少一些部分的所述襯墊層。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在每個所述第一和第二鰭片的部分的周圍及在所述凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)的部分的周圍所形成的所述柵極結(jié)構(gòu)包括沉積一具有所述工作函數(shù)調(diào)節(jié)金屬材料的總體目標(biāo)厚度的約一半目標(biāo)厚度的工作函數(shù)調(diào)節(jié)金屬材料層在一柵極孔中以及在所述第一和第二空間中。
10.一種在半導(dǎo)體襯底之上形成鰭式場效晶體管的方法，其中所述方法包括: 進(jìn)行至少一蝕刻工藝以在所述襯底中定義出第一和第二鰭片的所述襯底中定義出多個溝槽； 形成一襯墊層在所述鰭片上以及在所述第一和第二鰭片之間的溝槽中，所述襯墊層定義出一凹口； 形成一絕緣材料層在所述第一和第二鰭片之間以及在由所述襯墊層所定義出的所述凹口中； 形成一犧牲柵極結(jié)構(gòu)在所述第一和第二鰭片，所述襯墊層和所述絕緣材料層之上； 形成一側(cè)壁間隔層相鄰所述犧牲柵極結(jié)構(gòu)； 去除所述犧牲柵極結(jié)構(gòu)以定義出一柵極孔在所述側(cè)壁間隔層之間及露出在所述柵極孔之中的所述襯墊層和所述絕緣材料層； 在所述柵極孔中的所述襯墊層的所述露出部分進(jìn)行一蝕刻工藝以去除位于每個所述第一和第二鰭片上的部分所述襯墊層，因此導(dǎo)致形成一凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)在所述第一和第二鰭片之間以及分別形成一第一空間和一第二空間在所述凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)和所述第一和第二鰭片之間；以及 形成一替代柵極結(jié)構(gòu)在每個所述第一和第二鰭片的部分的周圍以及在所述柵極孔中的所述凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)的部分的周圍，其中所述替代柵極結(jié)構(gòu)的至少部分是位于所述第一和第二空間中。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述替代柵極結(jié)構(gòu)的形成包括: 沉積一層高介電系數(shù)的柵絕緣材料在與其接觸的所述第一和第二鰭片上以及在與其接觸的所述凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)上；以及 沉積一層工作函數(shù)調(diào)節(jié)金屬層在與其接觸的所述高介電系數(shù)柵絕緣層上。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述的替代柵極結(jié)構(gòu)的形成包括形成所述的替代柵極結(jié)構(gòu)使其填滿所述的第一和第二空間。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)具有一上表面，該上表面的水平面約等于或高于每個所述第一和第二鰭片的上表面的水平面。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)的上表面是與每個所述第一和第二鰭片的上表面齊平。
15.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述襯墊層和所述絕緣材料層的形成包括: 形成所述的襯墊層在所述第一和第二鰭片上以及在所述第一和第二鰭片之間的溝槽底部表面之上； 形成所述絕緣材料層在所述襯墊層之上以及在由所述襯墊層所定義出的所述凹口中；以及 進(jìn)行至少一平坦化工藝在至少所述絕緣材料層上。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中執(zhí)行所述至少一平坦化工藝直到其停在所述襯墊層的上表面上。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中執(zhí)行所述至少一平坦化工藝直到其停在所述第一和第二鰭片的所述上表面上。
18.如權(quán)利要求10所述的方法，其中在每個所述第一和第二鰭片的部分的周圍及在所述凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)的部分的周圍所形成的所述的替代柵極結(jié)構(gòu)包括沉積一具有所述工作函數(shù)調(diào)節(jié)金屬材料的總體目標(biāo)厚度的約一半目標(biāo)厚度的工作函數(shù)調(diào)節(jié)金屬材料層在一柵極孔中以及在所述第一和第二空間中。
19.一種器件，包括: 至少一第一和第二鰭片定義在一半導(dǎo)體襯底中； 一凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)位于所述第一和第二鰭片之間，其中所述凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)的上表面的水平面約等于或高于每個所述第一和第二鰭片的對應(yīng)上表面的水平面； 由所述第一鰭片的側(cè)壁和所述凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)的第一側(cè)壁定義出一第一空間； 由所述第二鰭片的側(cè)壁和所述凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)的第二側(cè)壁定義出一第二空間；以及一柵極結(jié)構(gòu)位于每個所述第一和第二鰭片的部分的周圍及所述凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)的部分的周圍，其中至少部分的所述柵極結(jié)構(gòu)是位于所述的第一和第二空間中。
20.如權(quán)利要求19所述的器件，其中所述的柵極結(jié)構(gòu)是由一高介電系數(shù)的絕緣材料層和一位于所述高介電系數(shù)的絕緣材料層上的工作函數(shù)調(diào)節(jié)金屬層所組成且其中所述高介電系數(shù)的絕緣材料層位于與其有物理接觸的所述第一和第二鰭片上以及與其接觸的所述凸起的隔離柱結(jié)構(gòu)上。
21.如權(quán)利要求19所述的器件，其中所述柵極結(jié)構(gòu)包括位于所述第一和第二鰭片的所述上表面之上具有一第一厚度的工作函數(shù)調(diào)節(jié)金屬層，且其中每個所述第一和第二空間具有一約兩倍于對應(yīng)所述第一厚度的側(cè)向?qū)挾取?br> 【文檔編號】H01L21/336GK104517859SQ201410524980
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月2日
【發(fā)明者】謝瑞龍, 蔡秀雨, 程慷果, A·卡基菲魯茲 申請人:格羅方德半導(dǎo)體公司, 國際商業(yè)機器公司