在半导体装置上形成替代栅极结构的方法
【技术领域】
[0001]本发明通常涉及集成电路的制造，尤其涉及在半导体装置上形成替代栅极结构的各种方法。
【背景技术】
[0002]目前，在例如微处理器、存储装置等集成电路中，在有限的芯片面积上设置并运行有大量的电路组件，尤其是晶体管。近几十年来已在增加电路组件(例如晶体管)的性能以及缩小其特征尺寸方面取得了极大的进步。不过，增强电子装置的功能性的持续需求迫使半导体厂商不断缩小电路组件的尺寸并提高电路组件的操作速度。但是，特征尺寸的持续缩小要求在重新设计制程技术、开发新的制程策略及工具方面做出巨大努力，以符合新的设计规则。通常，高性能集成电路产品例如高性能微处理器会包含数十亿个独立场效应晶体管(field effect transistor ;FET)。这些场效应晶体管通常以开关模式工作，也就是说，这些装置呈现高导通状态(开状态；on-state)和高阻抗状态(关状态；off-state)。场效应晶体管的状态由栅极电极控制。在施加适当的控制电压后，该栅极电极控制在该晶体管的漏区与源区之间形成的沟道区的电导率。晶体管装置可具有各种形式，例如所谓平面晶体管装置、三维(3D)或FinFET装置等。
[0003]图1A显示形成于半导体衬底B上方的示例现有技术FinFET半导体装置“A”的立体图。参考该图以在很高层面解释FinFET装置的一些基本特征。在这个例子中，FinFET装置A包括三个示例鳍片C、栅极结构D、侧间隙壁E以及栅极覆盖层F。栅极结构D通常由例如高k绝缘材料(k值为10或更大)或二氧化硅层的绝缘材料层(未单独显示)以及充当装置A的栅极电极的一个或多个导电材料层(例如金属和/或多晶硅)组成。鳍片C具有三维配置:高度H、宽度W以及轴向长度L。在装置A操作时，轴向长度L与装置A中的电流行进的方向对应。由栅极结构D覆盖的鳍片C的部分是FinFET装置A的沟道区。在传统的流程中，通过执行一个或多个外延生长制程，可使位于间隙壁E的外部(也就是装置A的源/漏区中)的鳍片C的部分的尺寸增加或甚至使其合并在一起(图1A中未图示的情形)。在FinFET装置中，栅极结构D可包围鳍片C的全部或部分的两侧及上表面以形成三栅极结构，也就是形成具有三维结构而非平面结构的沟道。在一些情况下，在鳍片C的顶部设置绝缘覆盖层(未图示)，例如氮化硅，这样FinFET装置仅有双栅极结构(仅侧壁)。与平面FET不同，在FinFET装置中，沟道垂直于半导体衬底的表面而形成，以缩小该半导体装置的物理尺寸。此类FinFET装置的栅极结构D可通过使用所谓“先栅极”或“替代栅极”(后栅极)制造技术来制造。
[0004]对于许多早期的装置技术，大多数晶体管组件(平面或FinFET装置)的栅极结构由多种硅基材料组成，例如二氧化硅和/或氮氧化硅栅极绝缘层结合多晶硅栅极电极。不过，随着尺寸不断缩小的晶体管组件的沟道长度日益缩小，许多较新一代的装置使用包含替代材料的栅极电极，以试图避免可能与沟道长度缩小的晶体管中传统硅基材料的使用相关联的短沟道效应。例如，在一些尺寸不断缩小的晶体管组件中(其可具有约10至32纳米或更小的沟道长度)，实施的栅极结构包括所谓高k介电栅极绝缘层以及作为栅极电极的一个或多个金属层(HK/MG)。与此前较传统的二氧化硅/多晶硅栅极结构配置相比，这样的另类栅极结构经证明能够提供显着增强的操作特性。
[0005]如上所述，在形成平面装置或三维装置时可使用替代栅极制程。图1B至1J是经由鳍片C的长轴(也就是沿电流传输方向)所作的剖视图，以简单并理想化显示在FinFET晶体管装置上通过使用替代栅极技术形成HK/MG替代栅极结构的一种示例现有技术方法。
[0006]图1B显示执行数个操作以后的装置10。更具体地说，在图1B中所示的制造点，在衬底中形成基本的鳍片结构C以及隔离区13。图中还显示由牺牲栅极绝缘层14以及虚假(dummy)或牺牲栅极电极15组成的牺牲栅极结构40。在牺牲栅极电极15上方设置栅极覆盖层16。为形成图1B中所示的结构，可在衬底上方热生长牺牲二氧化硅栅极绝缘层14，并接着沉积栅极电极材料(例如多晶硅)层以及栅极覆盖材料层(例如氮化硅)。随后，通过将牺牲栅极绝缘层14用作蚀刻停止层来执行已知的光刻及蚀刻制程，从而图案化该栅极电极材料层以及该栅极覆盖层。尽管图中显示的牺牲栅极绝缘层14的暴露部分已经历该栅极图案化制程，但在实际应用中，图案化牺牲栅极结构40的制程会消耗牺牲栅极绝缘层14的至少一些厚度。
[0007]在形成晶体管装置的过程中，执行各种离子注入制程，以在鳍片C中引入各种掺杂物材料，从而形成该装置的源/漏区。当然，所注入的掺杂物的类型(N型或P型掺杂物)取决于所制造的晶体管的类型(也就是NM0S晶体管或PM0S晶体管)。典型的注入序列将包括形成所谓环状(halo)注入区、源/漏延伸注入区以及深源/漏注入区。对于NM0S装置，利用P型掺杂物将形成环状注入区，而利用N型掺杂物材料将形成延伸源/漏注入区以及深源/漏注入区。因此，图1C显示执行离子注入制程18以在鳍片C中形成所谓延伸注入区18A以后的装置10。在流程的该制造点，还将执行环状注入制程以在鳍片C中形成环状注入区(未图示)。尽管表示注入制程18的箭头为垂直取向，但可相对垂直方向以一定角度执行该延伸注入制程以及该环状注入制程，以确保将所注入的材料置于想要的位置。图中未显示在这里所讨论的注入序列期间将会使用的一个或多个掩膜。
[0008]图1D显示邻近牺牲栅极结构40形成侧间隙壁20以后的装置10。
[0009]图1E显示在晶体管10上执行第二离子注入制程21以在鳍片C中形成所谓深源/漏注入区21A以后的装置10。与为形成延伸注入区18A而执行的离子注入制程相比，为形成深源/漏注入区21A而执行的该离子注入制程通常通过使用较高的掺杂物剂量来执行且该制程以较高的注入能量执行。
[0010]接着，如图1F所示，执行加热或退火制程，以形成晶体管10的最终源/漏区22。该加热制程修复由该注入制程引起的鳍片材料的晶格结构损伤，且该加热制程活化所注入的掺杂物材料，也就是将所注入的掺杂物材料纳入硅晶格中。
[0011]图1G显示执行数个制程操作以后的装置10。首先，在装置10上方沉积绝缘材料层23。接着，执行化学机械平坦化制程，以移除栅极覆盖层16并暴露牺牲栅极电极15。
[0012]接着，如图1H所示，执行一个或多个蚀刻制程，以移除牺牲栅极电极15以及牺牲栅极绝缘层14，从而定义替代栅极开口 24，后续将在该栅极开口中形成替代栅极结构。通常，移除牺牲栅极绝缘层14作为替代栅极技术的部分，如这里所示。不过，可能不会在所有应用中都移除牺牲栅极绝缘层14。即使牺牲栅极绝缘层14被有意移除，也通常会有极薄的原生氧化物层(未图示)形成于栅极开口 24内的鳍片上。
[0013]接着，如图1I所示，在栅极开口 24中形成各种材料层，这些材料层将构成替代栅极结构30。NM0S与PM0S装置的替代栅极结构30所使用的材料通常不同。例如，NM0S装置的替代栅极结构30可由高k栅极绝缘层30A(例如氧化铪，具有约2纳米的厚度)，第一金属层30B (例如厚度约1至2纳米的氮化钛层)，第二金属层30C(即该NM0S装置的所谓功函数调整层，例如厚度约5纳米的钛-铝或钛-铝-碳层)，第三金属层30D (例如厚度约1至2纳米的氮化钛层)，以及块体金属层30E(例如铝或钨)组成。
[0014]图1J显示执行数个制程操作以后的装置10。首先，执行一个或多个CMP (chemicalmechanical planarizat1n ;化学机械平坦化)制程以移除位于栅极开口 24外部的栅极介缘层30A、第一金属层30B、第二金属层30C，第三金属层30D以及