用于栅极高度控制及无空洞RMG填充的集成方案的制作方法

本发明涉及半导体装置例如集成电路(integratedcircuit；ic)的制造。本发明尤其适用于替代金属栅极(replacementmetalgate；rmg)，尤其针对基于鳍式场效应晶体管(finfield-effecttransistor；finfet)的10纳米(nm)及7纳米技术节点及以下。

背景技术

随着ic的关键尺寸(criticaldimension；cd)缩小，rmg制程中的金属填充变得困难。该rmg制程需要在介电层中形成栅极开口(gateopening)并用栅极材料填充该栅极开口。随着栅极尺寸缩小，该栅极开口可能不能得到充分填充，使得金属夹断(pinchoff)，从而导致高栅极电阻。

目前，先进节点在栅极上方采用栅极功函数材料(workfunctionmaterial；wfm)、栅极金属的填充物，或栅极间隙壁及介电间隙填充物的一个或多个凹入，以能够针对工艺微缩邻近设置源/漏(s/d)接触。不过，上述方案对控制不同栅极宽度(即，短与长)及多阈值电压(vt)架构上的最终栅极高度增加新的制程挑战。一些常见问题包括栅极鳍片上方的高k损伤及功函数材料(wfm)损失以及最终栅极高度不一致，从而导致变化的自对准接触(self-alignedcontact；sac)覆盖层预算，其可引起s/d至栅极电极短路，导致装置性能退化。

因此，需要能够改进长短沟道长度或栅极宽度上的金属填充及栅极高度控制的方法以及所得装置。

技术实现要素：

本发明的一个态样是一种包括斜切(chamfer)p型功函数(p-typeworkfunction；pwf)及n型功函数(n-typeworkfunction；nwf)金属的控制nfet及pfet栅极高度的方法。

本发明的另一个态样是一种包括具有斜切pwf金属及nwf金属的nfet区及pfet区的装置。

本发明的另一个态样是一种包括斜切pwf金属及nwf金属的控制短沟道栅极高度及长沟道栅极高度的方法。

本发明的另一个态样是一种包括具有斜切pwf金属及nwf金属的短沟道区及长沟道区的装置。

本发明的额外态样以及其它特征将在下面的说明中阐述，且本领域的普通技术人员在检查下文以后将在某种程度上清楚该些额外态样以及其它特征，或者该些额外态样以及其它特征可自本发明的实施中获知。本发明的优点可如所附权利要求中所特别指出的那样来实现和获得。

依据本发明，一些技术效果可通过一种方法在某种程度上实现，该方法包括：在硅(si)鳍片上方形成层间介电质(interlayerdielectric；ild)；在该层间介电质(ild)中形成第一空腔(cavity)及第二空腔，其分别位于该si鳍片上方并垂直于该si鳍片；在该层间介电质(ild)上方及各该第一空腔及第二空腔中形成高k介电层；在该第一空腔中的该高k介电层上方形成p型功函数(pwf)金属层；凹入该pwf金属层至高于该鳍片的第一高度；在该高k介电层及该pwf金属层上方的该第一空腔及第二空腔中形成nwf金属层；凹入该nwf金属层至高于该pwf金属层的边缘的第二高度；在该高k介电层及nwf金属层上方形成阻挡金属层；用低电阻金属的填充物填充该第一空腔及第二空腔；通过化学机械抛光(chemicalmechanicalplanarization；cmp)移除该低电阻金属的填充物的部分；以及凹入该阻挡金属层及该高k介电层至高于该nwf金属层的边缘的第三高度，并同时蚀刻该低电阻金属的填充物。

本发明的另一个态样包括通过斜切凹入各该pwf金属层及nwf金属层。另外的态样包括通过旋涂式硬掩膜(spin-onhard-mask；soh)或光学平坦化层(opticalplanarizationlayer；opl)涂布、反应离子蚀刻(reactiveionetching；rie)、以及功函数材料(wfm)湿式蚀刻移除来斜切。其它态样包括形成该高k介电层至5埃至25埃的厚度。额外的态样包括形成由氮化钛(tin)构成的该pwf金属层至5埃至50埃的厚度。另外的态样包括形成该阻挡金属层至25埃至75埃的厚度。另一个态样包括凹入该pwf金属层至高于该si鳍片有2纳米至25纳米的该第一高度。其它态样包括凹入该nwf金属层至高于该si鳍片有4纳米至30纳米的该第二高度。额外的态样包括凹入该阻挡金属层及该高k介电层至高于该si鳍片有9纳米至35纳米的该第三高度。另外的态样包括通过rie凹入该阻挡金属层及该高k介电层并蚀刻该低电阻金属，该低电阻金属形成延伸至高于该si鳍片有14纳米至40纳米的高度的凸块。此外，针对具有不同鳍片高度及栅极关键尺寸(cd)的栅极可进一步优化上面的功函数材料(wfm)高度。

本发明的另一个态样是一种装置，其包括：位于si鳍片上方的层间介电质(ild)；位于该层间介电质(ild)中的第一空腔及第二空腔，其分别位于该si鳍片上方并垂直于该si鳍片；位于该第一空腔及第二空腔中的侧表面及底部表面上的高k介电层；位于该第一空腔及第二空腔中的该高k介电层上方的pwf金属层；位于该pwf金属层上方及该第一空腔中的该pwf金属层的边缘上方以及该第二空腔中的该高k介电层上方的nwf金属层；位于该nwf金属层上方及该nwf层的边缘上方的阻挡金属层；以及填充该第一空腔及第二空腔并在各空腔的中心形成凸块的低电阻金属。

该装置的态样包括该高k介电层具有5埃至25埃的厚度。另一个态样包括该低电阻金属的凸块延伸至高于该si鳍片有14纳米至40纳米的高度。另一个态样包括该pwf金属层具有5埃至50埃的厚度。又一个态样包括该阻挡金属层具有25埃至75埃的厚度。

本发明的另一个态样是一种方法，其包括：在si鳍片上方形成层间介电质(ild)；在该si鳍片上方并垂直于该si鳍片在该层间介电质(ild)中形成第一空腔及第二空腔，该第一空腔比该第二空腔具有较大的宽度；在该层间介电质(ild)上方及该第一空腔及第二空腔中形成高k介电层至5埃至25埃的厚度；在该第一空腔及第二空腔中通过原子层沉积(atomiclayerdeposition；ald)形成pwf金属层至5埃至50埃的厚度；通过斜切凹入该pwf金属层至高于该si鳍片有2纳米至25纳米的第一高度；在该暴露的高k介电层及该pwf金属层上方的该空腔中通过原子层沉积(ald)形成nwf金属层；通过斜切凹入该nwf金属层至高于该si鳍片有4纳米至30纳米的第二高度，但覆盖该pwf金属层的边缘；在该高k介电层及该nwf金属层上方通过任一金属有机化学气相沉积(metalorganicchemicalvapordeposition；mocvd)、原子层沉积(ald)、物理气相沉积(physicalvapordeposition；pvd)形成阻挡金属层至25埃至75埃的厚度；用低电阻金属填充该第一空腔及第二空腔；通过化学机械抛光(cmp)移除该低电阻金属的填充物的部分；以及执行反应离子蚀刻(rie)，以凹入该阻挡金属层、该高k介电层及该低电阻金属至高于该si鳍片有9纳米至35纳米的第三高度，除低电阻金属的凸块或最终栅极高度在各空腔的中心延伸至高于该si鳍片有14纳米至40纳米以外。

该方法的态样包括通过包括旋涂式硬掩膜(soh)或光学平坦化层(opl)涂布、反应离子蚀刻(rie)、以及功函数材料(wfm)湿式蚀刻移除的无掩膜(maskless)制程来斜切该pwf金属层及nwf金属层。另一个态样包括该第一空腔形成长沟道装置，且该第二空腔形成短沟道装置，该方法还包括控制该第一空腔及第二空腔中的该最终栅极高度的高度。其它态样包括形成该长沟道装置的宽度至该短沟道装置的宽度的2至12倍。额外态样包括同时斜切该长沟道装置及该短沟道装置。

本领域的技术人员从下面的详细说明中将很容易了解额外的态样以及技术效果，在该详细说明中，通过示例拟执行本发明的最佳模式来简单说明本发明的实施例。本领域的技术人员将意识到，本发明支持其它及不同的实施例，且其数个细节支持在各种显而易见的方面的修改，所有这些都不背离本发明。相应地，附图及说明将被视为示例性质而非限制。

附图说明

附图中的图形示例显示(而非限制)本发明，附图中类似的附图标记表示类似的元件，且其中：

图1a至图1f示意显示依据一个示例实施例用于pfet区及nfet区中的栅极高度控制的斜切功函数金属的流程；以及

图2a至图2f示意显示依据一个示例实施例用于短沟道区及长沟道区中的栅极高度控制的斜切功函数金属的流程。

具体实施方式

在下面的说明中，出于解释目的，阐述许多具体细节来提供有关示例实施例的充分理解。不过，应当很清楚，可在不具有这些具体细节或者具有等同布置的情况下实施该些示例实施例。在其它情况下，以方块图形式显示已知的结构及装置，以避免不必要地模糊示例实施例。此外，除非另外指出，否则说明书及权利要求中所使用的表示组分的量、比例及数值属性，反应条件等的所有数字将被理解为通过术语“大约”在所有情况下被修饰。

本发明处理并解决当前传统功函数金属及钨(w)沉积所伴随的关键尺寸(cd)驱动金属夹断，引起栅极电阻增加，栅极高度的制程变化以及栅极内部残余物的易感性的问题。依据本发明的实施例，通过斜切分别凹入pwf金属及nwf金属层。另外，在rie制程期间，高k介电层保持作为蚀刻停止层，以使阻挡金属更薄，从而减少金属夹断，从而不增加栅极电阻。

依据本发明的实施例的方法包括在si鳍片上方形成ild并在该ild中形成两个空腔，其分别位于该si鳍片上方并垂直于该si鳍片。接着，在该ild上方及该两空腔各者中形成高k介电层。接着，在一个空腔中的该高k介电层上方形成pwf金属层并凹入该pwf金属层至高于该鳍片的第一高度。接着，在该高k介电层及该pwf金属层上方的两空腔中形成nwf金属层。凹入该nwf金属层至高于该pwf金属层的边缘的第二高度。随后，在该高k介电层及nwf金属层上方形成阻挡金属层，以及用低电阻金属的填充物填充该两空腔，接着执行低电阻金属的填充物cmp。凹入该阻挡金属层及该高k介电层至高于该nwf金属层的边缘的第三高度，以及同时蚀刻该低电阻金属的填充物。

本领域的技术人员从下面的详细说明中将很容易了解其它态样、特征以及技术效果，在该详细说明中，简单地通过示例所考虑的最佳模式来显示并说明优选实施例。本发明支持其它及不同的实施例，且其数个细节支持在各种显而易见的方面的修改。相应地，附图及说明将被视为示例性质而非限制。

图1a至图1f示意显示依据一个示例实施例用于pfet区及nfet区中的栅极高度控制的斜切功函数金属的流程。请参照图1a，在硅(si)鳍片101上方形成ild103至70纳米至100纳米的厚度。接着，在ild103中形成空腔105及107，其分别位于si鳍片101上方并垂直于该si鳍片。在ild103上方以及空腔105及107的侧表面及底部表面上共形形成高k介电层109至5埃至25埃的厚度，如图1b中所示。高k介电层109可例如由氧化铪(hfo2)、二氧化锆(zro2)、氧化铝(al2o3)、二氧化钛(tio2)、五氧化二钽(ta2o5)，稀土氧化物及其混合物，硅酸盐以及材料如钇稳定氧化锆(ysz)、钛酸锶钡(bst)、钛酸钡(bt)、钛酸锶(st)，或钽酸锶铋(sbt)形成。在后续rie制程期间，高k介电层109充当蚀刻停止层。空腔105及107(包括高k介电层109)具有例如12纳米至28纳米的关键尺寸(cd)。

请参照图1c，在第一空腔105中的高k介电层109上方通过ald形成pwf金属层111例如至5埃至50埃的厚度。pwf金属层111可例如由氮化钛(tin)、氮化钽(tan)、碳化钽(tac)、碳氮化钽(tacn)、氮化铌(nbn)、硼碳氮化钽(tabcn)、或氮化钨(wn)形成。通过沉积或移除掩膜在特定区域中选择性图案化pwf金属层111至特定厚度，以定义多个vt。接着，通过斜切凹入pwf金属层111：在第一空腔105中的pwf金属层111上方形成第一soh/opl层(出于说明方便未显示)并通过rie凹入该第一soh/opl层。接着，在第一空腔105中的该第一soh/opl层上方形成第二soh/opl层(出于说明方便未显示)，并靠近鳍片101的顶部凹入该第一及第二soh/opl/opl层。该第一及第二soh/opl的rie次数可依据高于该鳍片的引入栅极高度及所需wf金属高度进行优化。接着，通过湿式蚀刻移除位于该第一及第二soh/opl层上方的pwf金属层111的暴露部分。随后，通过灰化及湿式蚀刻移除该第一及第二soh/opl层。因此，凹入pwf金属层111至高于si鳍片101有2纳米至25纳米的高度。

接着，如图1d中所示，在空腔105及107中的高k介电层109及空腔105中的pwf金属层111上方通过ald形成nwf金属层113。nwf金属层113可例如由碳化钛-铝(tical)、碳化铌(nbc)、tasialc、碳化钨(wc)、或铝化钛(tial)形成。通过斜切凹入nwf金属层113：在nwf金属层113上方形成第一soh/opl层(出于说明方便未显示)并通过rie凹入该第一soh/opl层。接着，在该第一soh/opl层上方形成第二soh/opl层(出于说明方便未显示)，并靠近鳍片101的顶部凹入该第一及第二soh/opl层。该第一及第二soh/opl的rie次数可依据高于该鳍片的引入栅极高度及所需wf金属高度进行优化。随后，通过湿式蚀刻移除位于该第一及第二soh/opl层上方的nwf金属层113的暴露部分。接着，通过灰化及湿式蚀刻移除该第一及第二soh/opl层。因此，凹入nwf金属层113至例如高于鳍片101有4纳米至30纳米的高度，且高于pwf金属层111的顶部边缘。

请参照图1e，在高k介电层109及nwf金属层113上方例如通过金属有机化学气相沉积(mocvd)形成阻挡金属层115至25埃至75埃的厚度。阻挡金属层115可例如由tin或无氟钨(fluorinefreetungsten；ffw)形成。接着，在阻挡金属层115上方通过化学气相沉积(cvd)沉积例如由w、钴(co)、镍(ni)、铜(cu)、铝(al)、或多晶硅(poly-si)形成的低电阻金属的填充物117，以填充空腔105及107。随后，例如通过wcmp向下平坦化阻挡金属层115及低电阻金属的填充物117至ild103的顶部(出于说明方便未显示)。接着，在图1f中，通过rie凹入阻挡金属层115及高k介电层109至高于si鳍片101有9纳米至35纳米的高度，且阻挡金属层115及高k介电层109的部分保留于nwf金属层113的顶部边缘上方。同时，通过rie蚀刻低电阻金属的填充物117，以在各空腔105及107的中心形成延伸至例如高于si鳍片101有14纳米至40纳米的高度的凸块。通过rie的低电阻金属的填充物117的该凹入自限于该nwf，从而支持凹入控制。此外，在空腔105及107的中心的低电阻金属的填充物117的凸块保护下方的功函数金属缝。

图2a至图2f示意显示依据一个示例实施例用于短沟道装置及长沟道装置中的栅极高度控制的斜切功函数金属的流程。请参照图2a，在si鳍片201上方形成ild203例如至70纳米至100纳米的厚度。接着，在ild203中形成空腔205及207，其分别位于si鳍片201上方并垂直于该si鳍片。空腔207具有大于空腔205的宽度，例如空腔205的宽度的2至12倍。在ild203上方及空腔205及207的侧表面及底部表面上共形形成高k介电层209例如至5埃至25埃的厚度，如图2b中所示。在后续rie制程期间，高k介电层209充当蚀刻停止层。

请参照图2c，在空腔205及207中的高k介电层209上方通过ald形成pwf金属层211例如至5埃至50埃的厚度。pwf金属层211可例如由tin、tan、tac、tacn、nbn、tabcn或wn形成。通过斜切凹入pwf金属层211：在空腔205及207中的pwf金属层211上方形成例如由soh、opl或类似物形成的第一涂层(出于说明方便未显示)并通过rie凹入该第一涂层。接着，在空腔205及207中的该第一涂层上方形成例如由soh、opl或类似物形成的第二涂层(出于说明方便未显示)，并靠近鳍片201的顶部凹入该第一涂层及该第二涂层。该第一涂层及第二涂层的rie次数可依据高于该鳍片的引入栅极高度及所需wf金属高度进行优化。接着，通过湿式蚀刻移除位于该第一涂层及该第二涂层上方的pwf金属层211的暴露部分。随后，通过灰化及湿式蚀刻移除该第一涂层及该第二涂层。因此，凹入pwf金属层211至例如高于si鳍片201有2纳米至25纳米的高度。

接着，如图2d中所示，在空腔205及207中的暴露高k介电层209及pwf金属层211上方通过ald形成例如由tical、nbc、tasialc、wc、或tial形成的nwf金属层213。接着，通过斜切凹入nwf金属层213：在nwf金属层213上方形成例如由soh、opl或类似物形成的第一涂层(出于说明方便未显示)并通过rie凹入该第一涂层。接着，在该第一涂层上方形成例如由soh、opl或类似物形成的第二涂层(出于说明方便未显示)，并靠近鳍片201的顶部凹入该第一涂层及第二涂层。该第一涂层及第二涂层的rie次数可依据高于该鳍片201的引入栅极高度及所需wf金属高度进行优化。随后，通过湿式蚀刻移除位于该第一涂层及该第二涂层上方的nwf金属层213的暴露部分。接着，通过灰化及湿式蚀刻移除该第一涂层及该第二涂层。因此，nwf金属层213被凹入至例如高于该si鳍片有4纳米至30纳米的高度，但仍覆盖pwf金属层211的顶部边缘。

请参照图2e，在高k介电层209及nwf金属层213上方通过mocvd形成例如由tin或ffw形成的阻挡金属层215至25埃至75埃的厚度。接着，在阻挡金属层215上方通过cvd沉积例如由w、co、ni、cu、al或poly-si形成的低电阻金属层217，以填充空腔205及207。例如通过wcmp向下平坦化阻挡金属层215及低电阻金属层217至ild203(出于说明方便未显示)。接着，在图2f中，通过rie凹入阻挡金属层215及高k介电层209至高于si鳍片201有9纳米至35纳米的高度，且阻挡金属层215及高k介电层209的部分保留于nwf金属层213的顶部边缘上方。同时，通过rie蚀刻低电阻金属层217，以在各空腔205及207的中心形成延伸至高于si鳍片201有14纳米至40纳米的高度的凸块。

本发明的实施例可实现数个技术效果，例如在nfet区与pfet区中的金属高度控制及sac覆盖层预算控制，更好的凹入控制，因为该低电阻金属凹入rie自限于该nwf金属；可使用较薄的阻挡金属，以允许栅极内部具有更多的w，从而相应降低栅极电阻；以及该制程是无掩膜的。此外，本发明可在短与长沟道长度或栅极宽度上实现均匀的栅极凹入及栅极高度控制。另外，当执行该低电阻金属的填充物凹入时，所有栅极、nfet、pfet及pb结构在内侧壁上仅具有该阻挡金属及低电阻金属的填充物，从而使该低电阻金属凹入rie更简单且均匀。依据本发明的实施例所形成的装置适于各种工业应用，例如微处理器、智能电话、移动电话、蜂窝手机、机顶盒、dvd记录器及播放器、汽车导航、打印机及周边设备、网络及电信设备、游戏系统、以及数字相机。本发明对于任意各种类型的高度集成finfet半导体装置具有工业适用性。

在前面的说明中，参照本发明的具体示例实施例来说明本发明。不过，显然，可对其作各种修改及变更，而不背离如权利要求中所阐述的本发明的较广泛的精神及范围。相应地，说明书及附图将被看作示例性质而非限制。应当理解，本发明能够使用各种其它组合及实施例，且支持在本文中所表示的发明性概念的范围内的任意修改或变更。