具有多个阈值电压的鳍式场效应晶体管制造技术

技术编号:14554733 阅读:251 留言:0更新日期:2017-02-05 03:57
高介电常数(高k)栅极介电层在包括一种或多种半导体材料的半导体鳍片上形成。图案化的扩散势垒金属氮化物层被形成,以覆盖至少一个沟道,同时不覆盖至少另一个沟道。阈值电压调整氧化物层在高k栅极介电层和扩散势垒金属氮化物层的物理暴露部分上形成。执行退火,以将阈值电压调整氧化物层的材料赶进在(一个或多个)本征沟道和高k栅极介电层之间的界面,导致阈值电压调整氧化物部分的形成。至少一个功函数(workfunction)材料层被形成,并且利用高k栅极介电层和阈值电压调整氧化物部分进行图案化,以形成跨越半导体鳍片的多种类型的栅极堆叠。

Fin field effect transistor with multiple threshold voltages

A high dielectric constant (high k) gate dielectric layer is formed on a semiconductor fin comprising one or more semiconductor materials. A patterned diffusion barrier metal nitride layer is formed to cover at least one channel while not covering at least another channel. The threshold voltage is adjusted to form the oxide layer on a high k gate dielectric layer and a physically exposed portion of the diffusion barrier metal nitride layer. Annealing is performed to adjust the threshold voltage of the oxide layer material into the interface between the (one or more) intrinsic channels and the high k gate dielectric layer, leading to the formation of a threshold voltage regulating the oxide portion. At least one work function (workfunction) material layer is formed, and the use of high k gate dielectric layer and the threshold voltage adjustment part is patterned to form oxide, across the semiconductor fin types of gate stack.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开内容一般地涉及半导体器件,并且具体地涉及通过栅极介电堆叠修改具有不同阈值电压的鳍式场效应晶体管及其制造方法。
技术介绍
鳍式场效应晶体管被用来克服其中每单位面积包括有限导通电流的平面鳍式场效应晶体管的缺点。因为制造具有不同高度的半导体鳍片需要附加的处理步骤,因此期望在不求助于多个鳍片高度的情况下,控制鳍式场效应晶体管的导通电流的有效方法。
技术实现思路
可以在半导体鳍片上形成多种类型的栅极堆叠。高介电常数(高k)栅极介电层在半导体鳍片上形成。扩散势垒金属氮化物层被沉积和图案化,以阻挡高k栅极介电层的至少一部分,同时物理地暴露高k栅极介电层的至少另一部分。阈值电压调整氧化物层在高k栅极介电层的物理暴露部分和扩散势垒金属氮化物层上形成。执行退火,以将阈值电压调整氧化物层的材料赶进在(一个或多个)本征沟道和高k栅极介电层之间的界面,从而导致阈值电压调整氧化物部分的形成。至少一个功函数(workfunction)材料层被形成,并且利用高k栅极介电层和阈值电压调整氧化物部分进行图案化,以形成跨越半导体鳍片的栅极堆叠。根据本公开内容的一方面,半导体结构包含:包括第一栅极堆叠的第一鳍式场效应晶体管、包括第二栅极堆叠的第二鳍式场效应晶体管、以及包括第三栅极堆叠的第三鳍式场效应晶体管。第一栅极堆叠从下到上包括:包含具有介电常数大于4.0的第一高k介电材料并且跨越第一半导体鳍片的第一高介电常数(高k)介电部分、以及与第一高k介电部分接触的第一栅极电极。第二栅极堆叠从下到上包括:包含具有大于4.0的第二高k介电常数且与第一高k介电材料不同的另一种介电材料并且跨越第二半导体鳍片的阈值电压调整氧化物部分、包括第一高k介电材料的第二高k介电部分、以及与第二高k介电部分接触的第二栅极电极。第三栅极堆叠从下到上至少包括:包含第一高k介电材料并且跨越第三半导体鳍片的第三高k介电部分、以及与第三高k介电部分接触的第三栅极电极。第一鳍式场效应晶体管和第二鳍式场效应晶体管可以是第一导电类型的晶体管,并且第三鳍式场效应晶体管可以是与第一导电类型相反的第二导电类型的晶体管。根据本公开内容的另一方面,提供了形成半导体结构的方法。包括具有大于4.0的介电常数的第一高k介电材料的高介电常数(高k)介电层在多个半导体鳍片上形成。扩散势垒金属氮化物层被形成和图案化,使得高k介电层的至少一部分被物理地暴露,同时高k介电层的至少另一部分被扩散势垒金属氮化物层的图案化的部分覆盖。包括具有大于4.0的另一个介电常数的第二高k介电材料的阈值电压调整氧化物层在高k介电层和图案化的扩散势垒金属氮化物层之上形成。利用退火引起第二高k介电材料扩散穿过第一高k介电材料。图案化的扩散势垒层阻挡第二高k介电材料穿过该图案化的扩散势垒层的扩散,并且至少一个阈值电压调整氧化物部分直接在多个半导体材料堆叠的至少一个上形成。图案化的扩散势垒金属氮化物层被去除。至少一个导电材料层在高k介电层上形成。栅极堆叠通过图案化至少一个导电材料层、高k介电层、以及至少一个阈值电压调整氧化物部分来形成。附图说明图1是根据本公开内容的第一实施例的、在形成半导体鳍片之后的第一示例性半导体结构的垂直剖面图。图2是根据本公开内容的第一实施例的、在形成可弃式栅极堆叠、栅极间隔物、以及源极和漏极区域之后的第一示例性半导体结构的垂直剖面图。图2A是图2的第一示例性半导体结构的俯视图。图3是根据本公开内容的第一实施例的、在去除可弃式栅极堆叠和形成栅极空腔之后的第一示例性半导体结构的垂直剖面图。图4是根据本公开内容的第一实施例的、在沉积高介电常数(高k)栅极介电层和扩散势垒金属氮化物层之后的第一示例性半导体结构的垂直剖面图。图5是根据本公开内容的第一实施例的、在图案化扩散势垒金属氮化物层之后的第一示例性半导体结构的垂直剖面图。图6是根据本公开内容的第一实施例的、在沉积阈值电压调整氧化物层和可选地沉积盖材料层之后的第一示例性半导体结构的垂直剖面图。图7是根据本公开内容的第一实施例的、在本征沟道和高k栅极介电层之间形成阈值电压调整氧化物部分的退火之后和在去除可选的盖材料层和图案化的扩散势垒金属氮化物层之后的第一示例性半导体结构的垂直剖面图。图8是根据本公开内容的第一实施例的、在沉积和图案化第一功函数材料层和沉积第二功函数材料层之后的第一示例性半导体结构的垂直剖面图。图9是根据本公开内容的第一实施例的、在从平坦化介电层的顶表面的上方平坦化功函数材料层和介电材料层之后的第一示例性半导体结构的垂直剖面图。图10是根据本公开内容的第一实施例的、在形成接触层级介电层和各种接触通孔结构之后的第一示例性半导体结构的垂直剖面图。图11是根据本公开内容的第二实施例的第一示例性半导体结构的变体的垂直剖面图。图12是根据本公开内容的第二实施例的、在沉积高介电常数(高k)栅极介电层和扩散势垒金属氮化物层并且图案化扩散势垒金属氮化物层之后的第二示例性半导体结构的垂直剖面图。图13是根据本公开内容的第二实施例的、在沉积阈值电压调整氧化物层和可选地沉积盖材料层之后的第二示例性半导体结构的垂直剖面图。图14是根据本公开内容的第二实施例的、在本征沟道和高k栅极介电层之间形成阈值电压调整氧化物部分的退火之后的第二示例性半导体结构的垂直剖面图。图15是根据本公开内容的第二实施例的、在沉积和图案化第二功函数材料层并且沉积第二功函数材料层之后的第二示例性半导体结构的垂直剖面图。图16是根据本公开内容的第二实施例的、在形成栅极堆叠之后的第二示例性半导体结构的垂直剖面图。图17是根据本公开内容的第二实施例的、在形成栅极间隔物以及源极和漏极区域之后的第二示例性半导体结构的垂直剖面图。图18是根据本公开内容的第二实施例的、在形成接触层级介电层和各种接触通孔结构之后的第二示例性半导体结构的垂直剖面图。图19是根据本公开内容的第二实施例的第二示例性半导体结构的变体的垂直剖面图。具体实施方式如上所述,本公开内容涉及通过栅极介电堆叠修改具有不同阈值电压的鳍式场效应晶体管及其制造方法。现在将参考附图详细描述本公开内容的各方面。相同和相应的元件由相同的标号指示。附图中各个元件的比例不是按比例绘制的。如本文所使用的,采用诸如“第一”和“本文档来自技高网...
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【技术保护点】
一种半导体结构,包括:第一鳍式场效应晶体管,该第一鳍式场效应晶体管包括第一栅极堆叠,所述第一栅极堆叠包含:包括跨越第一半导体鳍片的第一高k介电材料的第一高介电常数(高k)介电部分、以及与所述第一高k介电部分接触的第一栅极电极;第二鳍式场效应晶体管,该第二鳍式场效应晶体管包括第二栅极堆叠,该第二栅极堆叠包含:包括与所述第一高k介电材料不同的另一种介电材料并且跨越第二半导体鳍片的阈值电压调整氧化物部分、包括所述第一高k介电材料的第二高k介电部分、以及与所述第二高k介电部分接触的第二栅极电极;及第三鳍式场效应晶体管,该第三鳍式场效应晶体管包括第三栅极堆叠,所述第三栅极堆叠包含:包括所述第一高k介电材料并且跨越第三半导体鳍片的第三高k介电部分、以及与所述第三高k介电部分接触的第三栅极电极,其中所述第一鳍式场效应晶体管和第二鳍式场效应晶体管是第一导电类型的晶体管,所述第三鳍式场效应晶体管是与所述第一导电类型相反的第二导电类型的晶体管。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.07.18 US 13/945,0951.一种半导体结构,包括:
第一鳍式场效应晶体管,该第一鳍式场效应晶体管包括第一栅极
堆叠,所述第一栅极堆叠包含:包括跨越第一半导体鳍片的第一高k
介电材料的第一高介电常数(高k)介电部分、以及与所述第一高k
介电部分接触的第一栅极电极;
第二鳍式场效应晶体管,该第二鳍式场效应晶体管包括第二栅极
堆叠,该第二栅极堆叠包含:包括与所述第一高k介电材料不同的
另一种介电材料并且跨越第二半导体鳍片的阈值电压调整氧化物部分、
包括所述第一高k介电材料的第二高k介电部分、以及与所述第二
高k介电部分接触的第二栅极电极;及
第三鳍式场效应晶体管,该第三鳍式场效应晶体管包括第三栅极
堆叠,所述第三栅极堆叠包含:包括所述第一高k介电材料并且跨
越第三半导体鳍片的第三高k介电部分、以及与所述第三高k介电
部分接触的第三栅极电极,其中所述第一鳍式场效应晶体管和第二鳍
式场效应晶体管是第一导电类型的晶体管,所述第三鳍式场效应晶体
管是与所述第一导电类型相反的第二导电类型的晶体管。
2.如权利要求1所述的半导体结构,其中所述第一半导体鳍片
遍及其全部包括第一半导体材料,所述第二半导体鳍片遍及其全部包
括第二半导体材料,并且所述第三半导体鳍片遍及其全部包括第三半
导体材料,其中所述第一半导体材料、所述第二半导体材料和所述第
三半导体材料中的每一个都独立地选自单晶硅、单晶硅锗合金、单晶
硅-碳合金和单晶硅-锗-碳合金。
3.如权利要求1所述的半导体结构,其中所述第三高k介电部
分与所述第三半导体鳍片接触。
4.如权利要求3所述的半导体结构,还包括第四鳍式场效应晶
体管,所述第四鳍式场效应晶体管包括第四栅极堆叠,其中所述第四
栅极堆叠从下到上包括:包括所述另一种介电材料并且跨越第四半导
体鳍片的另一个阈值电压调整氧化物部分、包括所述第一高k介电
材料的第四高k介电部分、以及与所述第四高k介电部分接触的第
四栅极电极。
5.如权利要求1所述的半导体结构,其中所述第三鳍式场效应
晶体管包括第三栅极堆叠,其中所述第三栅极堆叠从下到上至少包括:
包括所述另一种介电材料并且与所述第三半导体鳍片接触的另一个阈
值电压调整氧化物部分、包括所述第一高k介电材料的第三高k介
电部分、以及与所述第三高k介电部分接触的第三栅极电极。
6.如权利要求5所述的半导体结构,还包括第四鳍式场效应晶
体管,所述第四鳍式场效应晶体管包括第四栅极堆叠,其中所述第四
栅极堆叠从下到上包括:包括所述另一种介电材料并且跨越第四半导
体鳍片的又一个阈值电压调整氧化物部分、包括所述第一高k介电
材料的第四高k介电部分、以及与所述第四高k介电部分接触的第
四栅极电极,其中所述第三沟道区域和所述第四半导体沟道部分是包
括不同半导体材料的单晶本征半导体材料部分。
7.如权利要求1所述的半导体结构,其中所述第一高k介电材
料包括选自氧化铪、氧化锆、氧化钽、氧化钛、其硅酸盐、以及其合
金的材料。
8.如权利要求7所述的半导体结构,其中所述第二高k介电材
料包括选自IIA族元素的氧化物、IIIB族元素的氧化物、氧化铝、
及其合金的材料。
9.如权利要求1所述的半导体结构,其中所述第一高k介电部
分不包括所述第二高k介电材料。
10.如权利要求9所述的半导体结构,其中所述第二高k介电部
分还包括所述另一种介电材料,其中所述另一种介电材料的原子浓...

【专利技术属性】
技术研发人员:安藤崇志M·P·储德泽克B·卡南S·A·克里什南权彦五V·纳拉亚南
申请(专利权)人:格罗方德半导体股份有限公司
类型:发明
国别省市:开曼群岛;KY

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