具有多个阈值电压的本征沟道平面型场效应晶体管制造技术

在半导体衬底中设置包括一个或者多个本征半导体材料的本征沟道。在本征沟道上形成高介电常数(高k)栅极电介质层。形成图案化的扩散势垒金属氮化物层。在高k栅极电介质层和扩散势垒金属氮化物层的物理暴露部分上形成阈值电压调节氧化物层。执行退火以将阈值电压调节氧化物层的材料驱动至一个或者多个本征沟道与高k栅极电介质层之间的界面，引起阈值电压调节氧化物部分的形成。形成至少一个功函数材料层，并且将其与高k栅极电介质层和阈值电压调节氧化物部分一起图案化以形成多个类型的栅极堆叠体。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开通常涉及半导体器件，并且尤其涉及通过栅极电介质堆叠体修改而具有不同阈值电压的平面型场效应晶体管及其制造方法。
技术介绍
高级半导体芯片采用具有不同阈值电压、每单位宽度的导通电流和每单位宽度的截止电流的多个类型的场效应晶体管。具有高阈值电压的场效应晶体管典型地称为“低功率”器件，该“低功率”器件具有低导通电流和低截止电流。具有低阈值电压的场效应晶体管称为“高性能”器件，该“高性能”器件具有高导通电流和高截止电流。通过采用低功率器件和高性能器件的混合，半导体芯片可以以优化功率消耗水平提供最佳性能。使用小尺度场效应晶体管的掺杂沟道引起掺杂剂浓度中的随机变化从而引起阈值电压的变化。因此，期望在不依靠控制沟道掺杂的情况下控制阈值电压。
技术实现思路
在半导体衬底中设置包括一个或者多个本征半导体材料的本征沟道。在本征沟道上形成高介电常数(高k)栅极电介质层。使扩散势垒金属氮化物层沉积并且图案化以阻挡高k栅极电介质层的至少一个部分，而物理地暴露高k栅极电介质层的至少另一个部分。在高k栅极电介质层和扩散势垒金属氮化物层的物理暴露部分上形成阈值电压调节氧化物层。执行退火以将阈值电压调节氧化物层的材料驱动至一个或者多个本征沟道与高k栅极电介质层之间的界面，引起阈值电压调节氧化物部分的形成。形成至少一个功函数材料层，并且将其与高k栅极电介质层和阈值电压调节氧化物部分一起图案化以形成多个类型的栅极堆叠体。根据本公开的方面，半导体结构包括：包括第一栅极堆叠体的场效应晶体管、包括第二栅极堆叠体的第二场效应晶体管和包括第三栅极堆叠体的第三场效应晶体管。第一栅极堆叠体包括第一高介电常数(高k)电介质部分和接触第一高k电介质部分的第一栅极电极。第一高k电介质部分包括具有大于4.0的介电常数的第一高k电介质材料并且覆盖在第一半导体沟道区域上。第二栅极堆叠体包括阈值电压调节氧化物部分、包括第一高k电介质材料的第二高k电介质部分和接触第二高k电介质部分的第二栅极电极。阈值电压调节氧化物部分包括具有大于4.0的介电常数并且与第一高k电介质材料不同的第二高k电介质材料并且覆盖在第二半导体沟道区域上。第三栅极堆叠体至少包括第三高k电介质部分和接触第三高k电介质部分的第三栅极电极，该第三高k电介质部分包括第一高k电介质材料。第一场效应晶体管和第三场效应晶体管是互补类型的场效应晶体管。根据本公开的另一个方面，提供了形成半导体结构的方法。在半导体衬底中多个半导体材料区域上形成包括第一高k电介质材料的高介电常数(高k)电介质层。形成扩散势垒金属氮化物层并且对其进行图案化，以使得高k电介质层的至少一个部分物理地暴露，而高k电介质层的至少另一个部分由扩散势垒金属氮化物层的图案化部分覆盖。在高k电介质层和图案化扩散势垒金属氮化物层上形成阈值电压调节氧化物层。阈值电压调节氧化物层包括第二高k电介质材料。通过退火引起第二高k电介质材料扩散通过第一高k电介质材料。图案化的扩散势垒金属氮化物层阻挡第二高k电介质材料扩散通过其中，以及在多个半导体材料区域中的至少一个上直接形成至少一个阈值电压调节氧化物部分。去除图案化的扩散势垒金属氮化物层。在高k电介质层上形成至少一个导电材料层。通过对至少一个导电材料层、高k电介质层和至少一个阈值电压调节氧化物部分进行图案化以形成栅极堆叠体。附图说明图1是根据本公开第一实施例在形成地平面部分和浅沟槽隔离结构之后的第一示例性半导体结构的垂直截面视图。图2是根据本公开第一实施例在形成可弃式栅极堆叠体、栅极间隔物以及源极和漏极区之后的第一示例性半导体结构的垂直截面视图。图3是根据本公开第一实施例在移除可弃式栅极堆叠体以及形成栅极空腔之后的第一示例性半导体结构的垂直截面视图。图4是根据本公开第一实施例在沉积高介电常数(高k)栅极电介质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截面视图。图5是根据本公开第一实施例在对扩散势垒金属氮化物层进行图案化之后的第一示例性半导体结构的垂直截面视图。图6是根据本公开第一实施例在沉积阈值电压调节氧化物层以及可选沉积盖帽材料层之后的第一示例性半导体结构的垂直截面视图。图7是根据本公开第一实施例在本征沟道与高k栅极电介质层之间形成阈值电压调节氧化物部分的退火之后以及在移除可选盖帽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截面视图。图8是根据本公开第一实施例在沉积和图案化第一功函数材料层以及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截面视图。图9是根据本公开第一实施例在从平坦化电介质层的顶表面上面对功函数材料层和电介质材料层进行平坦化之后的第一示例性半导体结构的垂直截面视图。图10是根据本公开第一实施例在形成接触面电介质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截面视图。图11是根据本公开第二实施例的第一示例性半导体结构的变型的垂直截面视图。图12是根据本公开第二实施例在沉积高介电常数(高k)栅极电介质层和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截面视图。图13是根据本公开第二实施例在对扩散势垒金属氮化物层进行图案化之后的第二示例性半导体结构的垂直截面视图。图14是根据本公开第二实施例在沉积阈值电压调节氧化物层以及可选沉积盖帽材料层之后的第二示例性半导体结构的垂直截面视图。图15是根据本公开第二实施例在本征沟道与高k栅极电介质层之间形成阈值电压调节氧化物部分的退火之后的第二示例性半导体结构的垂直截面视图。图16是根据本公开第二实施例在沉积和图案化第二功函数材料层以及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截面视图。图17是根据本公开第二实施例在形成栅极堆叠体之后的第二示例性半导体结构的垂直截面视图。图18是根据本公开第二实施例在形成栅极间隔物以及源极和漏极区之后的第二示例性半导体结构的垂直截面视图。图19是根据本公开第二实施例在形成接触面电介质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截面视图。图20是根据本公开第二实施例的变型的第二示例性半导体结构的变型的垂直截面视图。具体实施方式如上所述，本公开涉及通过栅极电介质堆叠体修改而具有不同阈值电压的平面型场效应晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体结构，包括：包括第一栅极堆叠体的第一场效应晶体管，所述第一栅极堆叠体包括第一高介电常数(高k)电介质部分和接触所述第一高k电介质部分的第一栅极电极，所述第一高k电介质部分包括第一高k电介质材料并且覆盖在第一半导体沟道区域上；包括第二栅极堆叠体的第二场效应晶体管，所述第二栅极堆叠体包括阈值电压调节氧化物部分、包括所述第一高k电介质材料的第二高k电介质部分和接触所述第二高k电介质部分的第二栅极电极，其中所述阈值电压调节氧化物部分包括与所述第一高k电介质材料不同的第二高k电介质材料并且覆盖在第二半导体沟道区域上；以及包括第三栅极堆叠体的第三场效应晶体管，所述第三栅极堆叠体至少包括第三高k电介质部分和接触所述第三高k电介质部分的第三栅极电极，所述第三高k电介质部分包括所述第一高k电介质材料，其中所述第一场效应晶体管和第三场效应晶体管是互补类型的。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.07.18 US 13/945,0861.一种半导体结构，包括：
包括第一栅极堆叠体的第一场效应晶体管，所述第一栅极堆叠
体包括第一高介电常数(高k)电介质部分和接触所述第一高k电介
质部分的第一栅极电极，所述第一高k电介质部分包括第一高k电介
质材料并且覆盖在第一半导体沟道区域上；
包括第二栅极堆叠体的第二场效应晶体管，所述第二栅极堆叠
体包括阈值电压调节氧化物部分、包括所述第一高k电介质材料的第
二高k电介质部分和接触所述第二高k电介质部分的第二栅极电极，
其中所述阈值电压调节氧化物部分包括与所述第一高k电介质材料不
同的第二高k电介质材料并且覆盖在第二半导体沟道区域上；以及
包括第三栅极堆叠体的第三场效应晶体管，所述第三栅极堆叠
体至少包括第三高k电介质部分和接触所述第三高k电介质部分的第
三栅极电极，所述第三高k电介质部分包括所述第一高k电介质材
料，其中所述第一场效应晶体管和第三场效应晶体管是互补类型的。
2.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述第一半导体沟
道区域和所述第二半导体沟道区域中的每一个是本征半导体材料部
分。
3.根据权利要求2所述的半导体结构，还包括：
第一掺杂半导体材料区域，与所述第一半导体沟道区域的底表
面接触；以及
第二掺杂半导体材料区域，与所述第二半导体沟道区域的底表
面接触。
4.根据权利要求2所述的半导体结构，其中所述第一掺杂半导
体材料部分和所述第一半导体沟道区域的堆叠体在各处包括第一半导
体材料，以及所述第二掺杂半导体材料部分和所述第二半导体材料沟
道区域的堆叠体在各处包括第二半导体材料，并且其中从单晶硅、单
晶硅-锗合金、单晶硅-碳合金和单晶硅-锗-碳合金中独立地选择所述

\t第一半导体材料和所述第二半导体材料中的每一个。
5.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述第三高k电介
质部分接触第三半导体沟道区域。
6.根据权利要求5所述的半导体结构，还包括第四场效应晶体
管，所述第四场效应晶体管包括第四栅极堆叠体，其中所述第四栅极
堆叠体自下而上包括另一个阈值电压调节氧化物部分、包括所述第一
高k电介质材料的第四高k电介质部分和接触所述第四高k电介质
部分的第四栅极电极，所述另一个阈值电压调节氧化物部分包括所述
另一个电介质材料并且覆盖在第四半导体沟道区域上。
7.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述第三场效应晶
体管包括第三栅极堆叠体，其中所述第三栅极堆叠体自下而上至少包
括另一个阈值电压调节氧化物部分、包括所述第一高k电介质材料的
第三高k电介质部分和接触所述第三高k电介质部分的第三栅极电
极，所述另一个阈值电压调节氧化物部分包括所述另一个电介质材料
并且覆盖在第三半导体沟道区域上。
8.根据权利要求7所述的半导体结构，还包括第四场效应晶体
管，所述第四场效应晶体管包括第四栅极堆叠体，其中所述第四栅极
堆叠体自下而上包括又一个阈值电压调节氧化物部分、包括所述第一
高k电介质材料的第四高k电介质部分和接触所述第四高k电介质
部分的第四栅极电极，所述又一个阈值电压调节氧化物部分包括所述
另一个电介质材料并且覆盖在第四半导体沟道区域上，其中所述第三
半导体沟道区域和所述第四半导体沟道区域是包含不同的半导体材料
的单晶本征半导体材料部分。
9.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述第一高k电介
质材料包括从氧化铪、氧化锆、氧化钽、氧化钛、它们的硅酸盐以及
它们的合金中选择的材料。
10.根据权利要求9所述的半导体结构，其中所述第二高k电介
质材料包括从IIA族元素的氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：安藤隆司，R·迪瓦卡鲁尼，B·卡南，S·A·科瑞申安，A·库玛尔，权彦五，B·P·林德尔，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