具有減小的柵極到源極與柵極到漏極重疊電容的金屬柵極mos晶體管的制作方法
【專利說明】具有減小的柵極到源極與柵極到漏極重疊電容的金屬柵極
MOS晶體管
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及MOS晶體管，且更特定來說，涉及金屬柵極MOS晶體管及形成此類晶體管的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管是眾所周知的半導(dǎo)體裝置，其可實(shí)施為η溝道(NMOS)裝置或P溝道(PMOS)裝置。MOS晶體管具有由溝道分離的間隔開的源極區(qū)及漏極區(qū)以及位于所述溝道上方且通過柵極電介質(zhì)層與所述溝道絕緣的柵極。金屬柵極MOS晶體管是一種利用金屬柵極及高k柵極電介質(zhì)層的類型的MOS晶體管。
[0003]圖1圖解說明現(xiàn)有技術(shù)金屬柵極MOS晶體管100。MOS晶體管100包含半導(dǎo)體本體110，半導(dǎo)體本體110具有單晶硅襯底區(qū)112及接觸襯底區(qū)112的溝槽隔離結(jié)構(gòu)114。另夕卜，半導(dǎo)體本體110包含各自接觸襯底區(qū)112的源極120及漏極122。源極120及漏極122各自具有與襯底區(qū)112的導(dǎo)電性類型相反的導(dǎo)電性類型。源極120包含經(jīng)輕摻雜區(qū)120L及經(jīng)重?fù)诫s區(qū)120H。類似地，漏極122包含經(jīng)輕摻雜區(qū)122L及經(jīng)重?fù)诫s區(qū)122H。此外，襯底區(qū)112具有位于源極120與漏極122之間的溝道區(qū)124。
[0004]如圖1中所進(jìn)一步展示，MOS晶體管100包含接觸溝道區(qū)124且位于溝道區(qū)124上方的高k柵極電介質(zhì)結(jié)構(gòu)126及接觸柵極電介質(zhì)結(jié)構(gòu)126且位于溝道區(qū)124上方的金屬柵極130。MOS晶體管100還包含接觸柵極電介質(zhì)結(jié)構(gòu)126且橫向環(huán)繞柵極130的側(cè)壁間隔件 132。
[0005]MOS晶體管100另外包含接觸側(cè)壁間隔件132且位于源極120及漏極122上方的不導(dǎo)電互連電介質(zhì)結(jié)構(gòu)138。電介質(zhì)結(jié)構(gòu)138可用蝕刻止擋層140及接觸蝕刻止擋層140且位于蝕刻止擋層140上方的電介質(zhì)層142來實(shí)施。
[0006]晶體管的閾值電壓是在溝道區(qū)的頂表面處形成反轉(zhuǎn)層所需的柵極電壓，其足以允許電流從源極區(qū)流動(dòng)到漏極區(qū)。在NMOS晶體管的情況中，η型摻雜劑原子形成反轉(zhuǎn)層，而在PMOS晶體管的情況中，P型摻雜劑原子形成反轉(zhuǎn)層。
[0007]在操作中，關(guān)于NMOS晶體管，當(dāng)存在正漏極到源極電壓Vds且柵極到源極電壓V GS比閾值電壓更正時(shí)，NMOS晶體管接通且電子從源極區(qū)流動(dòng)到漏極區(qū)。當(dāng)柵極到源極電壓Ves比閾值電壓更負(fù)時(shí)，MOS晶體管關(guān)斷且無電子(除極小泄漏電流之外)從源極區(qū)流動(dòng)到漏極區(qū)。
[0008]關(guān)于PMOS晶體管，當(dāng)存在負(fù)漏極到源極電壓Vds且柵極到源極電壓Ves比閾值電壓更負(fù)時(shí)，PMOS晶體管接通且空穴從源極區(qū)流動(dòng)到漏極區(qū)。當(dāng)柵極到源極電壓Ves比閾值電壓更正時(shí)，PMOS晶體管關(guān)斷且無空穴(除極小泄漏電流之外)從源極區(qū)流動(dòng)到漏極區(qū)。
[0009]MOS晶體管100的問題之一是，高k柵極電介質(zhì)結(jié)構(gòu)126實(shí)質(zhì)上增加了柵極到源極與柵極到漏極重疊電容。因此，需要一種減小與高k電介質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的柵極到源極與柵極到漏極重疊電容的金屬柵極MOS晶體管。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明提供一種減小柵極到源極與柵極到漏極重疊電容的金屬柵極MOS晶體管及形成所述晶體管的方法。
[0011]在所描述的實(shí)施例中，一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含具有一導(dǎo)電性類型的半導(dǎo)體區(qū)。所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包含各自接觸所述半導(dǎo)體區(qū)的源極及漏極。間隔開的源極及漏極各自具有與所述半導(dǎo)體區(qū)的導(dǎo)電性類型相反的導(dǎo)電性類型。所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包含所述半導(dǎo)體區(qū)的溝道區(qū)，所述溝道區(qū)位于所述源極與所述漏極之間。另外，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含接觸所述溝道區(qū)且位于所述溝道區(qū)上方的柵極電介質(zhì)及接觸所述柵極電介質(zhì)且位于所述柵極電介質(zhì)上方的金屬柵極。所述金屬柵極具有下部寬度及大于所述下部寬度的上部寬度。
[0012]替代地，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含具有一導(dǎo)電性類型的半導(dǎo)體區(qū)。所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包含各自接觸所述半導(dǎo)體區(qū)的源極及漏極。間隔開的源極及漏極各自具有與所述半導(dǎo)體區(qū)的導(dǎo)電性類型相反的導(dǎo)電性類型。所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包含所述半導(dǎo)體區(qū)的溝道區(qū)，所述溝道區(qū)位于所述源極與所述漏極之間。另外，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含接觸所述溝道區(qū)且位于所述溝道區(qū)上方的柵極電介質(zhì)及接觸所述柵極電介質(zhì)且位于所述柵極電介質(zhì)上方的金屬柵極。此外，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含接觸所述柵極電介質(zhì)且橫向環(huán)繞所述柵極電介質(zhì)及所述金屬柵極兩者的不導(dǎo)電側(cè)壁間隔件。所述不導(dǎo)電側(cè)壁間隔件的一部分垂直位于所述半導(dǎo)體區(qū)與所述金屬柵極正中間。
[0013]一種形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法包含形成接觸半導(dǎo)體區(qū)的柵極結(jié)構(gòu)。所述柵極結(jié)構(gòu)具有犧牲柵極電介質(zhì)及犧牲柵極。所述犧牲柵極電介質(zhì)接觸所述半導(dǎo)體區(qū)。所述犧牲柵極接觸所述犧牲柵極電介質(zhì)。所述半導(dǎo)體區(qū)具有一導(dǎo)電性類型。所述方法還包含蝕刻掉所述犧牲柵極電介質(zhì)的一部分以形成犧牲電介質(zhì)結(jié)構(gòu)及腔。所述犧牲電介質(zhì)結(jié)構(gòu)接觸所述犧牲柵極及所述半導(dǎo)體區(qū)。所述腔垂直位于所述犧牲柵極的一部分正下方。所述方法進(jìn)一步包含在已形成所述犧牲電介質(zhì)結(jié)構(gòu)之后，形成接觸所述半導(dǎo)體區(qū)的源極及漏極。所述源極及所述漏極各自具有與所述半導(dǎo)體區(qū)的所述導(dǎo)電性類型相反的導(dǎo)電性類型。
【附圖說明】
[0014]圖1是圖解說明現(xiàn)有技術(shù)金屬柵極MOS晶體管100的橫截面圖。
[0015]圖2是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的原理的金屬柵極MOS晶體管200的實(shí)例的橫截面圖。
[0016]圖3A-3M是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的原理形成金屬柵極MOS晶體管的方法300的實(shí)例的橫截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]圖2圖解說明金屬柵極MOS晶體管200的實(shí)例，晶體管200通過沿著已被形成為位于較遠(yuǎn)離源極及漏極處的側(cè)壁結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)形成高k柵極電介質(zhì)來減小柵極到源極與柵極到漏極重疊電容。
[0018]如圖2中所展示，MOS晶體管200包含半導(dǎo)體本體210。半導(dǎo)體本體210又包含單晶硅襯底區(qū)212及接觸襯底區(qū)212的溝槽隔離結(jié)構(gòu)214。另外，半導(dǎo)體本體210包含各自接觸襯底區(qū)212的源極220及漏極222。
[0019]間隔開的源極220及漏極222各自具有與襯底區(qū)212的導(dǎo)電性類型相反的導(dǎo)電性類型。源極220包含經(jīng)輕摻雜區(qū)220L及經(jīng)重?fù)诫s區(qū)220H。類似地，漏極222包含經(jīng)輕摻雜區(qū)222L及經(jīng)重?fù)诫s區(qū)222H。此外，襯底區(qū)212具有位于源極220與漏極222之間的溝道區(qū)224。
[0020]如圖2中所進(jìn)一步展示，MOS晶體管200還包含接觸溝道區(qū)224且位于溝道區(qū)224上方的高k柵極電介質(zhì)226。高k柵極電介質(zhì)結(jié)構(gòu)226可用若干種材料來實(shí)施，例如氧化給及氧化硅鉿的順序?qū)印?br>[0021]MOS晶體管200另外包含接觸柵極電介質(zhì)結(jié)構(gòu)226且位于溝道區(qū)224上方的金屬柵極230。金屬柵極230具有上部寬度Wl大于下部寬度W2的T形狀。此外，金屬柵極230具有頂表面232及接觸頂表面232的外表面234。高k柵極電介質(zhì)結(jié)構(gòu)226接觸并覆蓋金屬柵極230的外表面234的全部。金屬柵極230可用若干種材料來實(shí)施，例如氮化鈦、氮化鉭及鋁的順序?qū)印?br>[0022]MOS晶體管200還包含接觸高k柵極電介質(zhì)結(jié)構(gòu)226且橫向環(huán)繞高k柵極電介質(zhì)結(jié)構(gòu)226及金屬柵極230兩者的側(cè)壁間隔件236。此外，側(cè)壁間隔件236的一部分垂直位于金屬柵極230的一部分與溝道區(qū)224正中間。側(cè)壁間隔件236還可包含彼此接觸的若干個(gè)個(gè)別側(cè)壁間隔件，例如接觸氮化物(具有薄氧化物底襯)側(cè)壁間隔件的氧化物側(cè)壁間隔件。側(cè)壁間隔件236可用若干種材料來實(shí)施，例如氧化物及氮化物。
[0023]MOS晶體管200另外包含接觸側(cè)壁間隔件236且位于源極220及漏極222上方的不導(dǎo)電互連電介質(zhì)結(jié)構(gòu)238。在本實(shí)例中，電介質(zhì)結(jié)構(gòu)238用蝕刻止擋層240及接觸蝕刻止擋層240且位于蝕刻止擋層240上方的電介質(zhì)層242來實(shí)施。蝕刻止擋層240可各自用若干種材料來實(shí)施，例如氮化硅或氧氮化硅。電介質(zhì)層242可用若干種材料來實(shí)施，例如氧化物。MOS晶體管200以與MOS晶體管100實(shí)質(zhì)上相同的方式操作，只不過MOS晶體管200具有更小的柵極到源極與柵極到漏極重疊電容。
[0024]圖3A-3M圖解說明形成金屬柵極MOS晶體管的方法300的實(shí)例。方法300利用經(jīng)部分完成的以常規(guī)方式形成的晶體管結(jié)構(gòu)308，晶體管結(jié)構(gòu)308包含半導(dǎo)體本體310。半導(dǎo)體本體310又包含單晶硅襯底區(qū)312及接觸襯底312的溝槽隔離結(jié)構(gòu)314。
[0025]如圖3A中所展示，方法300通過形成接觸襯底區(qū)312且位于襯底區(qū)312上方的犧牲柵極電介質(zhì)層316而開始。在本實(shí)例中，使用常規(guī)程序?qū)奚鼥艠O電介質(zhì)層316形成為相對(duì)厚的，具有(例如)lnm-5nm的厚度。犧牲柵極電介質(zhì)層316可用若干種犧牲材料來實(shí)施，例如氧化物。
[0026]在已形成犧牲柵極電介質(zhì)層316之后，使用常規(guī)程序?qū)奚鼥艠O層318形成為接觸犧牲柵極電介質(zhì)層316且位于犧牲柵極電介質(zhì)層316上方。犧牲柵極層318可用若干種犧牲材料來實(shí)施，例如多晶硅。
[0027]此后，使用常規(guī)程序在犧牲柵極層318上形成經(jīng)圖案化掩模320。經(jīng)圖案化掩?？梢匀舾煞N方式來實(shí)施，例如硬掩?；蚪?jīng)圖案化光致抗蝕劑層。(通常通過沉積氧化物層、隨后沉積上覆氮化物層來形成硬掩模。接下來在所述氮化物層上形成經(jīng)圖案化光致抗蝕劑層，且接著蝕刻掉所述氮化物層的經(jīng)暴露區(qū)。在蝕刻之后移除經(jīng)圖案化光致抗蝕劑層以形成硬掩模。)
[0028]如圖3B中所展示，在已形成經(jīng)圖案化掩模320之后，使用常規(guī)程序蝕刻掉犧牲柵極層318及犧牲柵極電介質(zhì)層316的經(jīng)暴露區(qū)以暴露襯底區(qū)312的頂表面且形成犧牲柵極結(jié)構(gòu)321。犧牲柵極結(jié)構(gòu)321又包含接觸襯底區(qū)312且位于襯底區(qū)312上面的犧牲柵極電介質(zhì)322及接觸犧牲柵極電介質(zhì)322且位于犧牲柵極電介質(zhì)322上方的犧牲柵極324。在蝕刻之后，以常規(guī)方式移除經(jīng)圖案化掩模320。
[0029]如圖3C中所展示，在已移除經(jīng)圖案化掩模320之后，借助實(shí)質(zhì)上移除比硅更多的電介質(zhì)322的蝕刻劑來對(duì)犧牲柵極電介質(zhì)322進(jìn)行濕蝕刻或進(jìn)行各向同性干蝕刻。所述蝕刻形成接觸犧牲柵極324及襯底區(qū)312且位于犧牲柵極324與襯底區(qū)312之間的犧牲電介質(zhì)結(jié)構(gòu)326，及垂直位于犧牲柵極324的一部分與襯底區(qū)312正中間的腔328。在本實(shí)例中，腔328被形成為具有Inm到5nm的深度(水平地進(jìn)行測(cè)量)。
[0030]如圖3D中所展示，在已形成犧牲電介質(zhì)結(jié)構(gòu)326之后，使用常規(guī)程序在襯底區(qū)312、犧牲柵極324及犧牲電介質(zhì)結(jié)構(gòu)326上保形地形成不導(dǎo)電耐蝕刻層330以給腔328加襯。在本實(shí)例中，耐蝕刻層330被形成為具有Inm到5nm的厚度。
[0031]耐蝕刻層330可用若干種材料來形成，例如氮化物?？赏ㄟ^使用(例如)以下工藝來形成氮化物層:常規(guī)氮化硅化學(xué)氣相沉積(CVD)或原子層沉積(ALD)工藝(其在氮化物層之前形成薄氧化物底襯)、常規(guī)重氮化氧化物生長(zhǎng)工藝(例如，在氨中的熱氧化物生長(zhǎng))、CVD氮化物與氮化氧化物生長(zhǎng)的組合或常規(guī)等離子氮化工藝。
[0032]舉例來說，當(dāng)犧牲柵極324用多晶