本发明总体上涉及半导体器件，并且更具体地涉及金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)栅极电极。
mosfet是用于放大或切换电子信号的晶体管。mosfet具有源极、漏极和金属氧化物栅极。金属栅极通过绝缘材料薄层(例如二氧化硅或玻璃)与主半导体n沟道或p沟道电绝缘，这使得mosfet的输入电阻相对较高，栅极电压控制从漏极到源极的路径是开路(“关”)还是电阻路径(“开”)。
n型场效应晶体管(nfet)和p型场效应晶体管(pfet)是两种类型的互补mosfet。nfet使用电子作为电流载流子，并使用n掺杂的源极和漏极结。pfet使用空穴作为电流载流子，并使用p掺杂的源极和漏极结。
技术实现要素：
根据本发明的一个方面，一种用于制造半导体器件的栅极叠层的方法，包括：在器件的沟道区上方形成第一介电层；在第一介电层上方形成阻挡层；在阻挡层上方形成第一栅金属层；在第一栅极金属层上方形成覆盖层；去除阻挡层、第一栅极金属层和覆盖层的一部分以暴露栅极堆叠的p型场效应晶体管(pfet)区域中的第一介电层的一部分，在覆盖层和第一介电层的暴露部分之上沉积第一氮化物层；在第一氮化物层之上沉积清除层；在清除层之上沉积第二氮化物层；以及在第二氮化物层之上沉积栅极电极材料。
根据本发明的另一方面，一种半导体器件，包括：设置在所述器件的沟道区上方的栅极叠层，所述栅极叠层包括n型场效应晶体管(nfet)部分，包括：设置在衬底上的介电层；设置在所述介电层上的阻挡层；设置在所述阻挡层上的第一栅极金属层；设置在所述第一栅极金属层上的覆盖层；设置在所述覆盖层上的第一氮化物层；设置在所述第一氮化物层上的清除层；设置在所述清除层上的第二氮化物层；以及设置在所述第二氮化物层上的栅极电极。
附图说明
现在将参照附图仅以举例的方式描述本发明的实施例，在附图中：
图1-11示出了用于形成示例性fet器件的栅极叠层的示例性方法：
图1示出了具有半导体鳍状物并布置在衬底上的衬底的俯视图；
图2示出了图1的沿着的线a-a的鳍状物112和114以及衬底102的剖视图；
图3示出沿着栅极叠层的宽度(纵向)的剖视图；
图4示出了阻挡层被沉积在氧化物层上方；
图5示出了沉积一层nfet栅极金属之后的所得结构；
图6示出了在形成可包括例如诸如tin的氮化物材料的覆盖层之后的所得结构；
图7示出了去除阻挡层，栅极金属和盖层的一部分的图案化和蚀刻工艺之后的所得结构；
图8示出了氮化物层的形成；
图9示出了清除层的沉积；
图10示出了在沉积pwf层之后得到的结构；
图11示出了在pwf层的暴露部分上方沉积栅电极之后的所得结构；
图12-15示出了形成栅极叠层的替代实施例的另一示例性方法；
图12示出了具有nfet部分和pfet部分的栅极叠层的形成；
图13示出了在光刻图案化和蚀刻工艺之后所得到的结构；
图14示出了清除层的沉积；
图15示出了在沉积pwf层之后得到的结构；
图16-20示出了用于形成栅极叠层的另一替代实施例的另一示例性方法；
图16示出了具有nfet部分和pfet部分的栅极叠层的形成；
图17示出了在光刻图案化和蚀刻工艺之后所得到的结构；
图18示出了沉积在氧化物层上方的阻挡层的沉积；
图19示出了nfet部分和pfet部分中的阻挡层上方的栅极金属的沉积；
图20示出了在栅极金属层上方沉积pwf层之后的所得结构；
图21-24示出了用于形成栅极叠层的另一替代实施例的另一示例性方法；
图21示出了具有nfet部分和pfet部分的栅极叠层的形成；
图22示出了去除覆盖层和清除层的暴露部分的光刻图案化和蚀刻工艺之后的所得结构；
图23示出了在沉积栅极金属层之后所得到的结构；
图24示出了在栅极金属层上方沉积pwf层之后的所得结构；
图25示出了finfet器件的示例性实施例的俯视图；
图26示出了沿图25的线b-b的在鳍状物上的栅极堆叠的剖视图；
图27示出了沿着图25的线c-c的在鳍状物上的栅极堆叠的剖视图；
图28示出了用于形成如上述图1-11中所述的半导体器件的示例性方法的框图。
具体实施方式
本文描述的方法和实施例在mosfet器件中提供稳健的可调谐nfet栅极堆叠。在fet器件中，金属氮化物，例如tin和tan，在栅极叠层中提供良好的功函数材料，以在pfet器件中实现期望的阈值电压(vt)。随着fet器件的缩放比例不断下降，使用多栅器件，如finfet，来实现性能目标。使用原子层沉积(ald)来沉积功函数金属的均匀层以减小vt变化并控制fet器件的vt。使用ald替代金属栅极制造工艺中改变功函数金属的特性变得更具挑战性。
通过实验已经发现，当未处理的tin或tan用作pfet器件的功函数金属时，由于相对于替代金属栅极制造工艺中的热预算的高k介电材料中的氧空位响应，pvt变得不太稳定并且难以控制。
可以使用d2或高压退火工艺来改进nfet器件的性能和可靠性。然而，当pfet包括传统的功函数金属例如tin时，该过程可能导致pvt不稳定。
本文所述的方法和实施例提供了具有相对较弱的氧清除叠层的栅极叠层以限定和调整pvt，而不是像例如tin和tan的单个金属氮化物层。弱氧清除叠层可以通过沉积或整合形成，并且可以例如包括，诸如tin或tan以及例如tialc、tial、al、ti、nbal和taalc的强氧清除材料的阻挡层。
以下定义和缩写将用于解释权利要求和说明书。如本文所使用的，术语“包括”、“包含”、“包括”、“包括”、“具有”、“具有”，“包含”或其任何的其他变化，意在涵盖非排他性的包含。例如，包含一系列元素的组合物、混合物、工艺、方法、物品或装置不一定仅限于那些元素，而是可以包括未明确列出的或者此类组合物、混合物、工艺、方法、物品或装置所固有的其它元素。
如本文所使用的，元件或部件之前的冠词“一”和“一个”旨在关于该元件或部件的实例(即发生)的数量是非限制性的。因此，“一个”或“一个”应理解为包括一个或至少一个，并且该元素或组分的单数形式也包括复数，除非该数字显然意味着的是单数。
如本文所使用的，术语“发明”或“本发明”是非限制性术语，并且不旨在指代特定发明的任何单一方面，而是包含说明书和权利要求书中所描述的所有可能的方面。
如本文所用，修饰本发明所使用的成分、组分或反应物的量的术语“约”是指例如可以通过用于制造浓缩物或溶液的典型的测量和液体处理程序可能发生的数量的变化。此外，由于测量程序中的无意误差，用于制造组合物或实施该方法的成分的制造、来源或纯度等方面的不同，可能发生差异。在一个方面，术语“约”意味着在报出的数值的10％以内。另一方面，术语“约”是指报出的数值的5％以内。然而，另一方面，术语“约”是指报出数值的10、9、8、7、6、5、4、3、2或1％以内。
还将理解的是，当诸如层、区域或衬底的元件被称为在另一元件“之上”或“上方”时，它可以直接在另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一元件之上”或“直接在另一元件上方”时，不存在中间元件，并且该元件与另一元件接触。
还将理解的是，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，它可以直接连接或耦合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在中间元件。
图1-11示出了用于形成示例性fet器件的栅极叠层的示例性方法。
图1示出了具有布置在衬底102之上的半导体鳍状物112和114的衬底102的俯视图。在所示实施例中，鳍状物112和114的沟道区在去除牺牲栅极堆叠(未示出)之后已经暴露，牺牲栅极堆叠先前被图案化在衬底102和鳍状物112和114上。间隔件材料104形成在牺牲栅极叠层周围。诸如例如氧化物或其他电介质材料的绝缘体材料围绕间隔件材料104形成。在所示实施例中，鳍状物112将部分地限定完成的器件的沟道区和源极/漏极区域。鳍状物112将部分地限定nfet器件，而鳍状物114将部分地限定pfet器件。栅极叠层(下面描述)被分成nfet部分108和pfet部分110两个部分。合适的鳍状物材料的非限制性示例包括si(硅)、应变si、sic(碳化硅)、ge(锗)、sige(硅锗)、sigec(硅-锗-碳)、si合金、ge合金、gaas(砷化镓)、inas(砷化铟)、inp(磷化铟)或其任何组合。
在所示实施例中，鳍状物112和114被布置在包括绝缘体层的衬底102之上，使得可以使用绝缘体之上的半导体(so1)的衬底。替代示例性实施例可以在大块半导体衬底上形成鳍状物。
图2示出了图1的沿着的线a-a的鳍状物112和114以及衬底102的剖视图。
图3示出了沿栅极叠层的宽度(纵向)穿过并且平行于栅极的剖视图。为了简单起见，鳍状物112和114已从图中移除以更好地示出示例性栅极叠层的形成。在finfet器件制造中，栅极叠层的层被顺应地布置在鳍状物112和114的沟道区上方。本文描述的实施例不限于finfet器件或其他多栅极器件，并且可以用于制造例如，平面fet器件、纳米线器件、隧道器件等等。在用于平面fet器件的这种制造方案中，衬底102将包括半导体材料，并且栅极叠层将以类似的方式形成在衬底102上。
在图3中，将可以包括例如sio2或hfo2的氧化物(电介质)的层302沉积在器件的沟道区之上以及衬底的部分之上并且将其退火以开始形成替代金属栅极。氧化物层302具有10至100埃的厚度。氧化物层302可以通过例如高纵横比等离子体(harp)、高温氧化物(hto)、高密度等离子体(hdp)或原子层沉积(ald)工艺或其任何组合来沉积。本文所述的介电层302和随后的层形成在沟道区上方，不仅顺应鳍状物112上方(如上所述)，而且沿着(图1的)104的侧壁。类似地，随后形成的层符合先前层的轮廓。
在示例性方法中，在形成pfet叠层之前形成nfet叠层。nfet堆叠包括强氧清除堆叠，而随后形成的pfet堆叠包括弱氧清除堆叠。
如果使用单个金属层，则nfet强氧清除叠层与pfet之间的一个区别在于，对于nfet形成金属氧化物的焓变比对于pfet高得多。例如，al用于nfet，ni用于pfet。另一方面，氧清除叠层可以由相同的材料和相同的结构形成，但是具有不同的膜厚或不同的膜组成。例如，tin/tial/tin叠层被用作氧清除叠层。如果这些层除tial厚度外相似，则较厚的tial将形成较强的氧清除叠层，而较薄的tial将形成弱氧清除叠层。另一方面，如果tial厚度和顶部tin厚度相同，则底部tin差异也可以通过使用较薄的底部tin形成较强的氧清除堆叠而通过使用较厚的底部tin形成较弱的氧清除堆叠。
参考图4，阻挡层402沉积在氧化物层302之上。阻挡层402可以包括金属氮化物和金属碳化物，例如tin、tan、tic、tac，并且可以通过例如原子层沉积工艺形成。
图5示出了使用例如ald工艺在阻挡层402上方沉积nfet栅极金属层502(例如tialc或tial、ti、al，nbalc)之后的所得结构。
图6示出了形成覆盖层602之后的所得结构，覆盖层602可以包括例如诸如tin的氮化物材料。
图7说明在图案化和蚀刻工艺之后得到的结构，图案化和蚀刻工艺从栅极堆叠的pfet部分110移除阻挡层402、栅极金属502和覆盖层602的部分。蚀刻工艺可以包括任何合适的蚀刻工艺或工艺的组合，例如反应离子蚀刻，其暴露部分氧化物层302。
图8示出了使用例如ald工艺形成氮化物层802，该ald工艺将氮化物层802沉积在氧化物层302的暴露部分之上以及覆盖层602之上。氮化物层802可以包括例如tin或tan。
图9示出了在氮化物层802上方可以包括例如tialc或tial、ti、al、tialc、nbalc的清除层902的沉积。清除层902和氮化物层802限定了弱氧清除堆叠。
图10示出了在清除层902上沉积pfet功函数(pwf)金属层1002之后的所得结构。pwf层1002包括例如可由例如原子层沉积过程形成的tin或tan材料。
图11示出了在pwf层1002的暴露部分上方沉积栅极电极1102之后的所得结构。栅极电极1102可以包括例如使用相对较冷的填充沉积工艺形成的钨，然后是平坦化工艺，诸如化学机械抛光(cmp)。
图11示出了包括nfet部分108和pfet部分110的栅极堆叠1100的示例性实施例。
图12-15示出了形成栅极叠层的替代实施例的另一示例性方法。
图12示出具有nfet部分108和pfet部分110的形成的栅极叠层。栅极叠层的制造始于在衬底或鳍状物上沉积氧化物(电介质)层302，氮化物层802被布置在氧化物层302上。在氮化物层802上方沉积一层nfet栅极金属502，例如tialc或tial、ti、al、tialc，nbalc，并且在栅极金属502上方沉积可以包括例如tin的覆盖层602。
图13示出了在光刻图案化和蚀刻工艺之后得到的结构，蚀刻工艺例如反应离子蚀刻，其从pfet部分110去除覆盖层602和栅极金属502的暴露部分，以暴露pfet部分110中的氮化物层802。
图14示出了清除层902的沉积，清除层902可以包括在pfet部分中的氮化物层802之上和在nfet部分108中的覆盖层602之上的例如tialc或tial、ti、al、tialc、nbalc。
图15示出了在清除层902上方沉积pwf层1002之后所得的结构。在沉积pwf层1002之后，以与上述类似的方式在pwf层1002上方形成栅电极1102，并使用合适的平坦化工艺，例如化学机械抛光来平坦化。
图15示出了包括nfet部分108和pfet部分110的栅极叠层1500的示例性实施例。
图16-20示出了用于形成栅极堆叠的另一替代实施例的另一示例性方法。
图16示出了具有nfet部分108和pfet部分110的栅极叠层的形成。示例性栅极叠层的制造开始于在衬底或鳍状物上沉积氧化物(电介质)层302，氮化物层802被布置在氧化物层302上。可以包括例如tialc或tial、ti、al、tialc、nbalc的清除层902设置在氮化物层802之上。可以包括例如tin的覆盖层602被沉积在清除层902之上。
图17说明在光刻图案化和蚀刻工艺之后得到的结构，光刻图案化和蚀刻工艺从栅极堆叠的nfet部分108去除覆盖层602、清除层902和氮化物层802的暴露部分，该暴露部分在nfet部分108中暴露部分氧化物层302。
图18示出了沉积在nfet部分108中的氧化物层302和pfet区域110中的覆盖层602上方的阻挡层402的沉积。
图19示出了nfet部分108和pfet部分110中的阻挡层402上方的栅极金属502的沉积。
图20示出了在栅极金属层502上方沉积pwf层1002之后所得到的结构。在形成pwf层1002之后，以与上述类似的方式在pwf层1002上形成栅电极1102，并且使用合适的平坦化工艺，例如化学机械抛光，来平坦化。
图20示出了包括nfet部分108和pfet部分110的栅极堆叠2000的另一个替代示例性实施例。
图21-24示出了用于形成栅极叠层的另一替代实施例的另一示例性方法。
图21类似于上述图16，示出了具有nfet部分108和pfet部分110的栅极叠层的形成。示例性栅极叠层的制造开始于在衬底或鳍状物上沉积氧化物(电介质)层302，在氧化物层302之上设置氮化物层802。将可以包括例如tialc或tial、ti、al、tialc、nbalc的清除层902设置在氮化物层802之上。将可以包括例如tin的覆盖层602沉积在清除层902上方。
图22说明在光刻图案化和蚀刻工艺之后得到的结构，光刻图案化和蚀刻工艺从栅极堆叠的nfet部分108移除覆盖层602和清除层902的暴露部分。蚀刻工艺暴露栅极堆叠的nfet部分108中的氮化物层802。
图23示出了在栅极堆叠的nfet部分108中的氮化物层802上方以及pfet部分110中的覆盖层602上方沉积栅极金属层502之后的所得结构。
图24示出了在栅极金属层502上方沉积pwf层1002之后的所得结构。在沉积pwf层1002之后，以与上述类似的方式在pwf层1002之上形成栅极电极1102，并且使用合适的平坦化工艺，例如化学机械抛光，来平坦化。
图24示出了包括nfet部分108和pfet部分110的栅极堆叠2400的另一个替代示例性实施例。
图25示出了finfet器件的示例性实施例的俯视图。就此而言，将鳍状物112和114布置在衬底102之上。将栅极堆叠2400布置在鳍状物112和114的沟道区上。鳍状物112和114包括源极/漏极区域2502，其可以通过例如离子注入工艺或外延生长工艺形成。尽管图25中所示的示例性实施例包括栅极堆叠2400，但是栅极堆叠1100、1500或2000中的任何一个可以如上所述在鳍状物112和114上方形成。或者，栅极堆叠1100、1500、2000或2400可以在半导体衬底之上形成以形成具有可以由半导体衬底部分地限定的源极和漏极区域的平面fet。
图26示出了沿图25的线b-b的在鳍状物112上的栅极堆叠2400的剖视图。图27示出了沿着图25的线c-c的在鳍状物114上的栅极堆叠2400的剖视图。
图28示出了用于形成如上述图1-11中所述的半导体器件的示例性方法的框图。参考图28，在框2802中，在器件的沟道区上方形成第一介电层。在框2804中，在第一电介质层之上形成阻挡层。在框2806中，在阻挡层上方形成第一栅极金属层。在框2808中，在第一栅极金属层上方形成覆盖层。在框2810中，去除阻挡层、第一栅极金属层和覆盖层的部分以暴露栅极堆叠的p型场效应晶体管(pfet)区域中的第一介电层的一部分。在框2812中，在覆盖层和第一介电层的暴露部分之上沉积第一氮化物层。在框2814中，在第一氮化物层之上沉积清除层。在框2816中，在清除层之上沉积第二氮化物层。在框2818中，在第二氮化物层之上沉积栅极电极材料。
本文描述的方法和实施例提供了具有相对较弱的氧清除叠层的栅极叠层以限定和调整pvt，而不是单个金属氮化物层，例如tin和tan。弱氧清除叠层可以通过沉积或整合来形成，并且可以包括例如诸如tin或tan的阻挡层和诸如tialc或tial、ti、al、tialc、nbalc等的强氧清除材料。
已经出于说明的目的给出了对本发明的各种实施例的描述，但并非旨在穷举或限于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。选择在此使用的术语是为了最好地解释实施例的原理、对市场上发现的技术的实际应用或技术改进、或者使本领域的其他普通技术人员理解本文公开的实施例。