在三柵極（finfet）工藝上集成多個(gè)柵極電介質(zhì)晶體管的方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】在Ξ柵極(FINFET)工藝上集成多個(gè)柵極電介質(zhì)晶體管的方法
[000。 本申請(qǐng)為分案申請(qǐng)，其原申請(qǐng)是2014年8月27日進(jìn)入中國(guó)國(guó)家階段、國(guó)際申請(qǐng)日為 2011年12月28日的國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)PCT/US2011/067681，該原申請(qǐng)的中國(guó)國(guó)家申請(qǐng)?zhí)柺?201180076461.1，發(fā)明名稱(chēng)為"在Ξ柵極(FINFET)工藝上集成多個(gè)柵極電介質(zhì)晶體管的方 法'。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明總體設(shè)及半導(dǎo)體器件、半導(dǎo)體邏輯器件、和晶體管的制造。具體而言，本發(fā) 明的實(shí)施例設(shè)及用于在同一忍片上制造具有不同柵極結(jié)構(gòu)的多個(gè)基于罐狀物的器件的工 乙。
【背景技術(shù)】
[0003] 對(duì)于不斷縮小的集成電路（1C)的期望對(duì)用于構(gòu)造器件的技術(shù)和材料提出了極大 的要求。1C忍片的部件包括諸如CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)器件之類(lèi)的固態(tài)邏輯器件 (晶體管）。最近開(kāi)發(fā)的基于罐狀物的晶體管使能對(duì)應(yīng)較小器件占用空間的提高的性能。不 同的晶體管應(yīng)用具有不同的結(jié)構(gòu)和性能要求，例如，高速邏輯操作、低功率使用、高電壓輸 入輸出（I/O)、W及超高電壓。需要新工藝來(lái)使能單個(gè)忍片上的多種類(lèi)型的新的基于罐狀物 的晶體管的制造。
【附圖說(shuō)明】
[0004] 圖1A-1D示出雙柵極晶體管的實(shí)施例，其中每個(gè)晶體管具有不同的柵極堆疊體構(gòu) 造。
[0005] 圖2A-2B示出Ξ柵極晶體管的實(shí)施例，其中每個(gè)晶體管具有不同的柵極堆疊體構(gòu) 造。
[0006] 圖3A-3B示出四柵極晶體管的實(shí)施例，其中每個(gè)晶體管具有不同的柵極堆疊體構(gòu) 造。
[0007] 圖4A-4I示出用于形成具有包含不同柵極堆疊體構(gòu)造的多個(gè)晶體管的單個(gè)1C的方 法。
[0008] 圖5A-5I示出用于形成具有包含不同柵極堆疊體構(gòu)造的多個(gè)晶體管的單個(gè)1C的附 加的方法。
[0009] 圖6A-6G示出用于形成具有包含不同柵極堆疊體構(gòu)造的多個(gè)晶體管的單個(gè)1C的附 加的方法。
[0010] 圖7A-7E示出用于形成具有包含不同柵極堆疊體構(gòu)造的多個(gè)晶體管的單個(gè)1C的附 加的方法。
[OOW 圖8示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的計(jì)算設(shè)備。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 描述了包括兩個(gè)或更多具有不同類(lèi)型的柵極結(jié)構(gòu)的基于罐狀物的場(chǎng)效應(yīng)晶體管 的集成電路（1C)結(jié)構(gòu)，并且還描述了用于在單個(gè)忍片上形成不同類(lèi)型的晶體管的方法。為 提供對(duì)本發(fā)明的深入理解，已經(jīng)針對(duì)具體細(xì)節(jié)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述。本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員 將領(lǐng)會(huì)到，可W在沒(méi)有運(yùn)些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐本發(fā)明。在其它實(shí)例中，為了不非必要地 使本發(fā)明難W理解，沒(méi)有具體描述公知的半導(dǎo)體工藝和設(shè)備。另外，附圖中所示的各種實(shí)施 例是說(shuō)明性的表示，并且不必按比例繪制。
[0013] 本發(fā)明的實(shí)施例提供容納具有不同類(lèi)型的柵極結(jié)構(gòu)的多個(gè)基于罐狀物的晶體管 的集成電路，W及用于在單個(gè)電路上制造運(yùn)些不同類(lèi)型的器件的方法。形成具有多個(gè)晶體 管類(lèi)型的1C可W解決不同的電路要求，例如，諸如高速邏輯操作、低功率使用、高電壓輸入 輸出（I/O)、W及超高電壓，其是對(duì)片上系統(tǒng)(S0C)集成電路的部件所期望的屬性。片上系統(tǒng) 器件將諸如處理器核、模擬功能、W及混合的信號(hào)模塊之類(lèi)的多種電路功能集成到單個(gè)集 成電路忍片上。本發(fā)明的實(shí)施例提供具有包含不同類(lèi)型的柵極結(jié)構(gòu)的晶體管的1C，每個(gè)柵 極結(jié)構(gòu)包括一個(gè)或兩個(gè)高k材料柵極電介質(zhì)層、氧化物（Si〇2)層、一個(gè)或兩個(gè)功函數(shù)金屬 層、填充金屬、W及它們的組合。具有不同柵極結(jié)構(gòu)的晶體管能夠提供跨越大范圍的操作速 度、泄漏特性、W及高電壓容差的性能特性。還公開(kāi)了形成包括具有不同柵極結(jié)構(gòu)的晶體管 的電路的方法。
[0014] 圖1A-1D示出位于集成電路中的基于罐狀物的晶體管的實(shí)施例。每個(gè)集成電路具 有至少兩種不同的晶體管類(lèi)型，至少通過(guò)柵極電介質(zhì)的厚度或成分、和/或柵極電極中所采 用的功函數(shù)金屬的成分來(lái)區(qū)分不同的晶體管類(lèi)型。晶體管可W具有其它區(qū)分特征。通常，具 有多個(gè)不同晶體管類(lèi)型的集成電路將具有W各種格式(例如，陣列)布置的每種類(lèi)型的晶體 管的大量實(shí)例。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，在圖1A-1D中，每種類(lèi)型的晶體管中的一個(gè)實(shí)例被示出為隔離 的晶體管，盡管所示出的晶體管通常出現(xiàn)在它們所處的集成電路忍片中的不同位置和布置 中。
[0015]圖1A示出形成于同一個(gè)1C上的兩個(gè)晶體管1(Π 和102的；維透視圖。圖1B示出如圖 1Α中所示的晶體管101和102的沿著線(xiàn)Α-Α'截取的穿過(guò)溝道區(qū)116W及柵極結(jié)構(gòu)111Α和111Β 的截面視圖。在實(shí)施例中，罐狀物112從半導(dǎo)體襯底110延伸出來(lái)，并且蔓延襯底110的整個(gè) 長(zhǎng)度。在實(shí)施例中，每個(gè)晶體管包括由隔離區(qū)114分開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)罐狀物112。在實(shí)施例 中，每個(gè)晶體管包括限定了溝道區(qū)116的柵極結(jié)構(gòu)111，柵極結(jié)構(gòu)111環(huán)繞每個(gè)罐狀物112的 一部分的側(cè)面和頂表面。在實(shí)施例中，晶體管101包括柵極結(jié)構(gòu)111Α，并且晶體管102包括柵 極結(jié)構(gòu)111Β，如圖1Α所示。每個(gè)罐狀物112具有設(shè)置于溝道區(qū)116的相對(duì)側(cè)上的一對(duì)源極/漏 極區(qū)118,如由圖1Α所示出的實(shí)施例中所示。對(duì)于PM0S器件而言，源極/漏極區(qū)是Ρ型滲雜的， 并且溝道區(qū)是η型滲雜的。對(duì)于NM0S器件而言，源極/漏極區(qū)是η型滲雜的，并且溝道區(qū)是Ρ型 滲雜的。隔離區(qū)114上方的罐狀物112的高度在20到100Α的范圍內(nèi)，并且罐狀物112的寬度 在5到20Α的范圍內(nèi)。
[0016]每個(gè)晶體管柵極結(jié)構(gòu)111A和111Β包括柵極電介質(zhì)113和柵極電極115，如圖1A中所 示。每個(gè)柵極電介質(zhì)113可W包括一個(gè)或多個(gè)電介質(zhì)層，例如，二氧化娃層或高k電介質(zhì)層。 柵極電介質(zhì)113使溝道區(qū)116與柵極電極115絕緣，W減小泄漏并且設(shè)置器件闊值電壓。每個(gè) 柵極電極115包括一個(gè)或多個(gè)功函數(shù)金屬層，并且還可W包括導(dǎo)電性填充金屬140。功函數(shù) 金屬層管理電介質(zhì)材料與填充金屬之間的勢(shì)壘高度，使金屬-半導(dǎo)體交界面處的電阻最小 化，并且設(shè)置器件的功函數(shù)。填充金屬承載控制晶體管狀態(tài)的大部分電荷，并且通常是比起 (多個(gè))功函數(shù)金屬的低電阻電阻材料。
[0017] 圖1A-D中所示的集成電路具有至少兩個(gè)不同類(lèi)型的晶體管101和102,通過(guò)晶體管 柵極結(jié)構(gòu)中所采用的電介質(zhì)層的成分來(lái)區(qū)分每個(gè)晶體管。在本發(fā)明的實(shí)施例中，晶體管101 的柵極結(jié)構(gòu)包括具有高k電介質(zhì)層121的柵極電介質(zhì)、W及具有功函數(shù)金屬層131和填充金 屬140的柵極電極，如圖1B中所示。晶體管101中的柵極結(jié)構(gòu)的類(lèi)型使能晶體管在高性能核 屯、中的使用。
[0018] 在本發(fā)明的實(shí)施例中，高k電介質(zhì)層121與包括晶體管101的罐狀物112和隔離區(qū) 114的側(cè)面和頂表面相符合。通常，高k電介質(zhì)層是介電常數(shù)大于二氧化娃的介電常數(shù)的電 介質(zhì)材料。二氧化娃的介電常數(shù)是3.9?？蒞用于高k電介質(zhì)層121中的示例性高k電介質(zhì)材 料包括二氧化給化f〇2)、娃氧化給、氧化銅、氧化銅侶、二氧化錯(cuò)(Zr〇2)、娃氧化錯(cuò)、二氧化鐵 (Ti化）、氧化粗、鐵酸鎖領(lǐng)、鐵酸領(lǐng)、鐵酸鎖、氧化鏡、氧化侶、鉛筑粗氧化物、妮鋒酸鉛、W及 半導(dǎo)體領(lǐng)域內(nèi)已知的其它材料。高k電介質(zhì)層121的厚度在10到50Λ的范圍內(nèi)。在實(shí)施例中， 高k電介質(zhì)層的厚度是3:0或。
[0019] 功函數(shù)金屬層131與高k電介質(zhì)層121的表面相符合。可W用于功函數(shù)金屬層131中 的示例性金屬包括氮化鐵、氮化鶴、氮化粗、鐵侶、鶴、娃化物W及半導(dǎo)體領(lǐng)域內(nèi)已知的其它 材料。功函數(shù)金屬層131的厚度在10到50A的范圍內(nèi)。在實(shí)施例中，功函數(shù)金屬層131的厚度 是 3.0A。
[0020] 填充金屬140填充由功函數(shù)金屬層131限定的柵極結(jié)構(gòu)開(kāi)口。填充金屬140可W包 括包含例如金屬柵極材料的材料，所述金屬柵極材料例如給、錯(cuò)、鐵、氮化鐵、粗、侶、W及它 們的組合。另外的材料包括金屬碳化物，例如，碳化鐵、碳化錯(cuò)、碳化粗、碳化給和碳化侶。可 W使用的其它材料包括釘、鈕、銷(xiāo)、鉆、儀、W及導(dǎo)電性金屬氧化物，例如氧化釘。其它材料是 可行的。
[0021] 在實(shí)施例中，晶體管102的柵極結(jié)構(gòu)具有包括二氧化娃層125和高k電介質(zhì)層121的 柵極電介質(zhì)、W及包括功函數(shù)金屬層131和填充金屬140的柵極電極。在實(shí)施例中，從罐狀物 112的表面生長(zhǎng)二氧化娃層125。在另一個(gè)實(shí)施例中，二氧化娃層125共形地沉積在罐狀物 112和隔離區(qū)114上。二氧化娃層125的厚度可W在5到lOOA的范圍內(nèi)。在實(shí)施例中，二氧化 娃層125的厚度是30Λ。在實(shí)施例中，高k電介質(zhì)層121覆蓋柵極結(jié)構(gòu)內(nèi)的二氧化娃層125,并 且運(yùn)兩層一起形成了柵極電介質(zhì)。在實(shí)施例中，功函數(shù)金屬131覆蓋高k電介質(zhì)層121，并且 填充金屬140填充由功函數(shù)金屬131裝襯的開(kāi)口。與晶體管101中的柵極結(jié)構(gòu)相比較，在柵極 電介質(zhì)中添加二氧化娃層125使能晶體管102在高電壓、輸入輸出（I/O)電路應(yīng)用中的使用。
[0022] 通常，電介質(zhì)材料150至少部分地包圍晶體管結(jié)構(gòu)101和102,如圖1B中所示。在一 些實(shí)施例中，電介質(zhì)材料150是層間電介質(zhì)（ILD)材料，例如二氧化娃或低k電介質(zhì)材料?？?W使用的另外的電介質(zhì)材料包括碳滲雜的氧化物(CD0)、碳化娃、氮化娃、諸如八氣環(huán)下燒 或聚四氣乙締之類(lèi)的有機(jī)聚合物、氣娃酸鹽玻璃(FSG)、W及諸如倍半硅氧烷、硅氧烷、或有 機(jī)娃酸鹽玻璃之類(lèi)的有機(jī)娃酸鹽。
[0023] 在實(shí)施例中，間隔體135位于柵極結(jié)構(gòu)111的側(cè)壁上。如圖1A中所示，間隔體135形 成于鄰接源極/漏極區(qū)118的柵極結(jié)構(gòu)111側(cè)壁上，從而將柵極結(jié)構(gòu)111與罐狀物112上生長(zhǎng) 的外延材料隔離，并且還在源極/漏極區(qū)的重滲雜期間保護(hù)溝道區(qū)116。間隔體135可W另外 形成于每個(gè)柵極結(jié)構(gòu)111的端部上，如圖1B中所示。間隔體135可W由適合的電介質(zhì)材料組 成，例如，氮化娃、二氧化娃、氮氧化娃、或半導(dǎo)體領(lǐng)域內(nèi)已知的其它材料。
[0024] 本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例包括至少兩個(gè)不同類(lèi)型的基于罐狀物的晶體管101和103， 其中通過(guò)柵極結(jié)構(gòu)中所采用的電介質(zhì)層的成分來(lái)區(qū)分每個(gè)晶體管，如圖1C中所示。在本發(fā) 明的實(shí)施例中，晶體管101的柵極結(jié)構(gòu)包括具有高k電介質(zhì)層121的柵極電介質(zhì)、W及具有功 函數(shù)金屬層131和填充金屬140的柵極電極。
[0025] 晶體管103的柵極結(jié)構(gòu)包括具有高k電介質(zhì)層122和高k電介質(zhì)層121的柵極電介 質(zhì)、W及具有功函數(shù)金屬層131和填充金屬140的柵極電極。在實(shí)施例中，高k電介質(zhì)層122形 成于罐狀物表面上。在實(shí)施例中，高k電介質(zhì)層121覆蓋高k電介質(zhì)層122。在實(shí)施例中，功函 數(shù)金屬層131覆蓋高k電介質(zhì)層121。在實(shí)施例中，填充金屬140通過(guò)填充在由功函數(shù)金屬層 131限定的柵極結(jié)構(gòu)開(kāi)口中