半导体器件及其制造方法
【专利说明】半导体器件及其制造方法
[〇〇〇1] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2014年6月26日提交的申请号为10-2014-0078856的韩国专利申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
[0003]示例性实施例涉及一种半导体器件，且更具体而言，涉及一种利用替代金属栅极(Replacement Metal Gate，RMG)工艺的半导体器件及其制造方法。
【背景技术】
[0004]电子器件利用多个晶体管来实现，并且晶体管继续缩小。尽管晶体管尺寸缩小，但是晶体管的性能要改善。为此，提出了包括高k材料和金属栅电极的栅结构。
[0005]金属栅电极需要功函数金属来调节晶体管的阈值电压。然而，由于功函数金属易于受到后续热处理的破坏，所以在增加晶体管的阈值电压上存在限制。
【发明内容】
[0006]—个实施例针对包括具有极好热稳定性的功函数金属的半导体器件，以及制造半导体器件的方法。
[0007]根据一个实施例，一种制造半导体器件的方法可以包括:在衬底之上形成栅电介质层；在栅电介质层之上形成刻蚀停止层；形成覆盖刻蚀停止层的第一部分的第一功函数层、和覆盖刻蚀停止层的第二部分的牺牲化合物；通过去除牺牲化合物来暴露出刻蚀停止层的第二部分；以及在刻蚀停止层的第二部分和第一功函数层之上形成第二功函数层。形成覆盖刻蚀停止层的第一部分的第一功函数层、和覆盖刻蚀停止层的第二部分的牺牲化合物可以包括:在刻蚀停止层之上形成牺牲层；去除在刻蚀停止层的第一部分之上的牺牲层以在刻蚀停止层的第二部分之上形成牺牲层图案；以及在牺牲层图案和刻蚀停止层的第一部分之上形成第一功函数层，其中，在第一功函数层形成在刻蚀停止层的第一部分之上的同时，牺牲层图案被转换成牺牲化合物。牺牲层可以包括氧化镧，而牺牲化合物可以包括氯化镧。第一功函数层可以包括氮化钛，其中，第一功函数层通过利用四氯化钛(TiCl4)来形成。第一功函数层可以包括含第一物质的钛层，其中，第二功函数层可以包括含第二物质的钛层，以及其中，第二功函数层和第一功函数层具有不同的功函数。第一物质可以包括氮，而第二物质可以包括铝、碳或者它们的组合。刻蚀停止层可以包括氮化钽。制造半导体器件的方法还可以包括在形成刻蚀停止层之前，在栅电介质层之上形成覆盖层，其中，覆盖层包括氮化钛。
[0008]根据另一个实施例，一种制造半导体器件的方法可以包括:制备包括第一沟道区和第二沟道区的衬底；在衬底之上形成层间电介质层，其中，层间电介质层包括暴露出第一沟道区的第一沟槽和暴露出第二沟道区的第二沟槽；在第一沟槽和第二沟槽中形成栅电介质层；在栅电介质层之上形成刻蚀停止层；在第一沟槽中的刻蚀停止层之上形成第一功函数层并且在第二沟槽中的刻蚀停止层之上形成牺牲化合物；通过去除牺牲化合物来暴露出第二沟槽中的刻蚀停止层；在第一沟槽中的第一功函数之上以及在第二沟槽中的刻蚀停止层之上形成第二功函数；以及在第二功函数层之上形成低电阻率层以填充第一沟槽和第二沟槽。在第一沟槽中的刻蚀停止层之上形成第一功函数层并且在第二沟槽中的刻蚀停止层之上形成牺牲化合物可以包括:在刻蚀停止层之上形成牺牲层；去除在第一沟槽中的刻蚀停止层之上的牺牲层，以在第二沟槽中的刻蚀停止层之上形成牺牲层图案；以及将第一功函数材料施加至第一沟槽和第二沟槽，以在第一沟槽中的刻蚀停止层之上形成第一功函数层并且将第二沟槽中的牺牲层图案转换成牺牲化合物。牺牲层可以包括氧化镧，而牺牲化合物可以包括氯化镧。第一功函数层可以包括氮化钛，以及其中，第一功函数材料可以包括四氯化钛(TiCl4)。第一功函数层可以包括氮化钛，以及其中，第二功函数层可以包括含第二物质的钛层，以及其中，第二物质适于使得第二功函数层和第一功函数层具有不同的功函数。物质可以包括铝、碳、或它们的组合。制造半导体器件的方法还可以包括:在形成刻蚀停止层之前，在栅电介质层之上形成覆盖层，其中，覆盖层可以包括氮化钛。刻蚀停止层可以包括氮化钽。第一功函数层适于用作P沟道晶体管，而第二功函数层适于用作N沟道晶体管。
[0009]根据另一个实施例，一种半导体器件可以包括:衬底，其包括第一沟道区和第二沟道区；层间电介质层，其包括暴露出第一沟道区的第一沟槽和暴露出第二沟道区的第二沟槽；以及第一栅结构，其形成在第一沟槽中，并且包括层叠在第一沟槽中的第一界面层、第一栅电介质层、第一覆盖层、第一刻蚀停止层、第一功函数层、虚设功函数层以及第一低电阻率层；以及第二栅结构，其形成在第二沟槽中，并且包括层叠在第二沟槽中的第二界面层、第二栅电介质层、第二覆盖层、第二刻蚀停止层、第二功函数层和第二低电阻率层，其中，第一功函数层包括P型功函数金属，而第二功函数层包括N型功函数金属。第一覆盖层和第二覆盖层中的每个可以包括氮化钛。第一刻蚀停止层和第二刻蚀停止层中的每个可以包括氮化钽。第一功函数层可以包括氮化钛。第二功函数层可以包括钛铝(TiAl)、碳化钛(TiC)、碳化钛铝(TiAlC)、或者它们的组合。
【附图说明】
[0010]图1是图示根据第一实施例的半导体器件的截面图。
[0011]图2A至图2L是图示制造根据第一实施例的半导体器件的方法的截面图。
[0012]图3是图示根据第二实施例的半导体器件的截面图。
[0013]图4A至图4K是图示制造根据第二实施例的半导体器件的方法的截面图。
【具体实施方式】
[0014] 下面将参照附图更详细地描述示例性实施例。实施例不应当被解释为限制性的。在本公开中，相同的附图标记在各种附图和实施例中表示相同的部分。
[0015]附图并非一定按比例绘制，并且在一些情况下，可以对比例做夸大处理以清楚地示出实施例的特征。当第一层被称为在第二层“上”或者在衬底“上”时，其不仅表示第一层直接形成在第二层或衬底上，还表示在第一层和第二层之间或者第一层和衬底之间存在第三层。
[0016]图1是图示根据第一实施例的半导体器件的截面图。
[0017]参见图1，半导体器件100包括第一晶体管T1和第二晶体管T2。第一晶体管T1和第二晶体管T2形成在衬底101中。第一晶体管T1和第二晶体管T2通过隔离区103彼此分开。衬底101可以包括半导体衬底。衬底101可以包括:硅衬底、硅锗衬底或者绝缘体上硅(SOI)衬底。出于简化说明的目的，在以下实施例中，衬底101是硅衬底。隔离区103形成在隔离沟槽102中。隔离区103可以通过用电介质材料填充隔离沟槽102来形成。隔离区103限定出第一区101P和第二区101N。第一区101P是要形成第一晶体管T1的有源区，而第二区101N是要形成第二晶体管T2的有源区。
[0018]层间电介质层116可以形成在衬底101之上。层间电介质层116可以包括第一沟槽117P和第二沟槽117N。第一沟槽117P可以形成在第一区101P中，而第二沟槽117N可以形成在第二区101N中。第一间隔件114P可以形成在第一沟槽117P的两个侧壁上。第二间隔件114N可以形成在第二沟槽117N的两个侧壁上。第一间隔件114P和第二间隔件114N可以由相同的材料形成。第一间隔件114P和第二间隔件114N可以包括:氧化硅、氮化硅、或者它们的组合。
[0019]第一晶体管T1包括第一栅结构G1、第一源极区112S和第一漏极区112D。第一栅结构G1可以形成在第一沟槽117P中。第一源极区112S和第一漏极区112D可以形成在第一区101P的衬底101中。第一沟道区112C可以被限定在第一栅结构G1之下。第一沟道区112C可以被设置在第一源极区112S与第一漏极区112D之间。第一源极区112S和第一漏极区112D可以掺杂有P型杂质。第一栅结构G1可以包括顺序层叠在其中的第一界面层104P、第一栅电介质层105P、第一覆盖层106P、第一刻蚀停止层107P、第一功函数层108P、虚设第二功函数层109P、第一阻挡层110P和第一低电阻率层111P。第一栅电介质层105P、第一覆盖层106P、第一刻蚀停止层107P、第一功函数层108P、虚设第二功函数层109P、第一阻挡层110P中的每个可以沿着第一沟槽117P的底表面和侧壁被形成为内衬图案。第一低电阻率层111P可以形成在第一阻挡层110P之上以填充第一沟槽117P。
[0020]第二晶体管T2包括第二栅结构G2、第二源极区113S和第二漏极区113D。第二栅结构G2可以形成在第二沟槽117N中。第二源极区113S和第二漏极区113D可以形成在第二区101N的衬底101中。第二沟道区113C可以被限定在第二栅结构G2之下。第二沟道区113C可以被设置在第二源极区113S与第二漏极区113D之间。第二源极区113S和第二漏极区113D可以掺杂有N型杂质。第二栅结构G2可以包括顺序层叠在其中的第二界面层104N、第二栅电介质层105N、第二覆盖层106N、第二刻蚀停止层107N、第二功函数层109N、第二阻挡层110N以及第二低电阻率层111N。第二栅电介质层105N、第二覆盖层106N、第二刻蚀停止层107N、第二功函数层109N和第二阻挡层110N中的每个可以沿着第二沟槽117N的底表面和侧壁被形成为内衬图案。第二低电阻率层111N可以形成在第二阻挡层110N之上以填充第二沟槽117N。
[0021]在下文中，详细地描述第一晶体管T1和第二晶体管T2。
[0022]第一界面层104P和第二界面层104N可以由相同的材料形成。第一界面层104P和第二界面层104N可以由氧化硅形成。
[0023]第一栅电介质层105P和第二栅电介质层105N可以由相同的材料形成。第一栅电介质层105P和第二栅电介质层105N可以由高k材料形成。高k材料包括介电常数比氧化硅和氮化硅的介电常数更大的材料。高k材料可以包括:氧化铪(Hf02)、硅酸铪(HfS1)、氮氧化铪(HfON)、或者氮氧化铪硅(HfS1N)。根据另一个实施例，高k材料可以包括Zr02、HfZrON、HfLaO 或者 HfLaON。
[0024]第一覆盖层106P和第二覆盖层106N可以由相同的材料形成。第一覆盖层106P和第二覆盖层106N可以由金属氮化物形成。第一覆盖层106P和第二覆盖层106N可以由氮化钛(TiN)形成。
[0025]第一刻蚀停止层107P和第二刻蚀停止层107N可以由相同的材料形成。第一刻蚀停止层107P和第二刻蚀停止层107N可以由金属氮化物形成。第一刻蚀停止层107P和第二刻蚀停止层107N可以由氮化钽(TaN)形成。
[0026]第一功函数层108P可以具有能调节第一晶体管T1的阈值电压的功函数。例如，第一功函数层108P可以包括P型功函数金属层。第一功函数层108P可以是具有P型功函数的第一含钛层。P型功函数指的是高于约4.9eV的高功函数。第一含钛层可以包含第一物质以具有P型功函数。第一物质可以包括氮。在一个实施例中，第一功函数层108P可以是包含第一物质的钛层。例如，第一功函数层108P可以包括氮化钛(TiN)。第一功函数层108P可以利用四氯化钛(TiCl4)和氨(NH3)通过化学气相沉积来形成。这被称作为基于四氯化钛(TiCl4)的氮化钛(TiN)。
[0027]第二功函数层109N可以具有能调节第二晶体管T2的阈值电压的功函数。例如，第二功函数层109N可以包括N型功函数金属层。第二功函数层109N可以是具有N型功函数的第二含钛层。N型功函数指的是低于约4.2eV的功函数。第二含钛层可以包含第二物质以具有N型功函数。第二物质可以包括碳(C)、铝(A1)、或者它们的混合物。在一个实施例中，第二功函数层109N可以是包含第二物质的钛层。例如，第二功函数层109N可以包括TiAl、TiC、TiAlC、或者它们的组合。第二功函数层109N可以由与虚设第二功函数层109P相同的材料形成。形成在第一功函数层108P之上的虚设第二功函数层109P不影响第一晶体管T1的阈值