场效应晶体管的金属栅极及方法技术

本发明专利技术涉及场效应晶体管的金属栅极及方法，揭示一种场效应晶体管(FET)的金属栅极(如替换金属栅极(RMG))及形成金属栅极的方法。该方法包括沉积共形介电层以衬于栅极开口，及执行一系列非群集和群集的共形金属沉积和倒角工艺以选择性调整栅极开口内的共形金属层的高度。通过选择性控制共形金属层的高度，该方法提供改进的整体栅极高度控制和栅极质量，尤其当金属栅极具有小的临界尺寸(CD)和/或高的纵横比(AR)。该方法还可包括在不同倒角工艺期间使用不同蚀刻技术，尤其当不同材料和/或不同材料界面暴露于蚀刻剂时，以确保共形金属层在基本垂直方向的蚀刻速率基本均匀。

【技术实现步骤摘要】
场效应晶体管的金属栅极及方法
本专利技术涉及场效应晶体管(FET)，更具体而言，本专利技术涉及FET的金属栅极(例如，替换金属栅极(RMG))以及在FET形成期间形成该金属栅极的方法。
技术介绍
集成电路(IC)设计创新通常由设备性能、可扩展性，以及可制动性(manufacturability)所驱动。例如，在开发45nm技术节点之前，使用先栅极(gate-first)工艺。随着45nm技术节点的发展，出现了可以减少漏电流并增加驱动电流的高K金属栅极。当前，形成高K栅极的优选技术被称为替换金属栅极工艺，其所产生的栅极被称为替换金属栅极(replacementmetalgate；RMG)。RMG工艺可例如包括：在沟道区域附近的一半导体本体上形成具有栅极侧壁间隔件的一牺牲栅极结构，形成源漏(source/drain)区域等；随后移除该牺牲栅极以形成一栅极开口并在该栅极开口中形成一RMG。然而，该栅极临界尺寸(criticaldimension；CD)(即，从一源漏区域到另一源漏区域的沟道区域所测量的栅极长度)随着每一个新的技术节点不断地缩小。此外，随着非平面设备(例如，鳍式场效应晶体管(FINFET)和环栅场效应晶体管(GAAFET))的发展，栅极高度不断增加，此导致了栅极纵横比(aspectratio；AR)(即栅极长度与栅极高度之比)也随之增加。这些越来越小的栅极临界尺寸和/或越来越大的栅极纵横比使得形成有质量的RMG变得更具挑战性，因为存在着将材料沉积至具有一较小临界尺寸和/或一较大纵横比的一栅极开口中或从该栅极开口中移除材料时会出现问题。
技术实现思路
本专利技术揭示了一场效应晶体管(FET)的一金属栅极(例如，一替换金属栅极(RMG))的各种实施例。该FET可包括源漏区域，于该源漏区域之间横向延伸的一沟道区域，该金属栅极相邻于该沟道区域，该栅极侧壁间隔件位于该金属栅极和该源漏区域之间。该金属栅极可包括一共形介电层，其紧邻该FET的该沟道区域并进一步横向紧邻该侧壁间隔件的垂直表面。该金属栅极还可包括多个共形金属层。这些共形金属层可包括紧邻相对于该沟道区域且进一步紧邻相对于该栅极侧壁间隔件的该垂直表面的下部的该共形介电层的一第一共形金属层。该第一共形金属层的一顶端可位于该沟道区域的该顶表面上方的预定高度。该共形金属层还可包括多个附加共形金属层，其位于该第一共形金属层上方且进一步横向紧邻相对于该栅极侧壁间隔件的该垂直表面的上部的该共形介电层。该附加共形金属层的顶端可位于该第一共形金属层的该顶端的该高度上方的一高度。本专利技术还揭示形成一场效应晶体管(FET)的一金属栅极(例如，一替换金属栅极(RMG))的方法的实施例。该方法的第一实施例可以包括：沉积一共形介电层以衬于一栅极开口，其外露一场效应晶体管(FET)的一沟道区域。该方法还包括沉积一第一共形金属层于该共形介电层上面以进一步衬于该栅极开口。接着，可以执行一第一倒角(chamfer)工艺以回蚀刻该栅极开口内的该第一共形金属层至该沟道区域的该顶表面上方的一第一高度，从而外露该第一高度上方的该共形介电层的一部分。然后，可以沉积附加共形金属层于该共形介电层的该外露部分上面以及该第一共形金属层上面，以进一步衬于该栅极开口。接着，可以执行一第二倒角工艺以回蚀刻该栅极开口内的该附加共形金属层至该沟道区域的该顶表面上方的一第二高度(其高于该第一高度)，从而外露该第二高度上方的该共形介电层的一部分(即，小于该第一倒角工艺之后外露的部分)该方法的一第二实施例可类似地包括沉积一共形介电层以衬于一栅极开口，其外露一场效应晶体管(FET)的一沟道区域。然后，可以沉积一第一共形金属层于该共形介电层上面以进一步衬于该栅极开口，并执行一第一倒角工艺以回蚀刻该栅极开口内的该第一共形金属层至该半导体本体的该顶表面上方的一第一高度，从而外露该第一高度上方的该共形介电层的一部分。于本实施例中，可在该共形介电层的该外露部分上面以及该第一共形金属层上面沉积一第二共形金属以进一步衬于该栅极开口，而不是于该第一倒角工艺之后立即形成该附加共形金属层。可以执行一第二倒角工艺以回蚀刻该栅极开口内的该第二共形金属层至该沟道区域的该顶表面上方的一第二高度(其高于该第一高度)，从而外露该第二高度上方的该共形介电层的一上部(即，比该第一倒角工艺之后外露的部分更小)。在执行该第二倒角工艺之后，可以沉积附加共形金属层于该共形介电层的该外露部分上面以及该第二共形金属层上面，以进一步衬于该栅极开口。然后，可以执行一第三倒角工艺以选择性回蚀刻该栅极开口内的该附加共形金属层至该沟道区域的该顶表面上方的一第三高度(其高于该第二高度)，从而外露该第三高度上方的该共形介电层的一上部(即，比该第二倒角工艺后外露的上部更小)。附图说明通过以下结合附图的详细说明，可以更好地理解本专利技术，其中，这些附图不一定按照比例绘制，且其中：图1为说明形成具有一替换金属栅极(RMG)的一场效应晶体管(FET)的方法实施例的流程图；图2A及图2B至图10A及图10B为显示根据图1的流程图并使用了可选工艺流程A所形成的部分完成的结构的截面图；图11A及图11B为显示具有一RMG的一FET的一实施例的截面图；图2A及图2B至图7A及图7B，以及图12A及图12B至图17A及图17B为显示根据图1的流程图并使用了可选工艺流程B所形成的部分完成的结构的截面图；以及图18A及图18B为显示具有一RMG的一FET的另一实施例的截面图。附图标记说明10,20,30,50高度102,104,106,108工艺步骤110-115工艺步骤120-127工艺步骤130工艺步骤200,200’半导体结构201场效应晶体管(FET)结构204半导体晶圆205浅沟槽隔离(STI)区域210半导体本体211沟道区域213源漏区域248金属柱塞249柱塞帽、介电柱塞帽250层间介电(ILD)材料260牺牲栅极261栅极侧壁间隔件、介电栅极侧壁间隔件262牺牲栅极帽265栅极开口271共形介电层272第一共形金属层273附加共形金属层、n型功函数金属层274附加共形金属层、阻障金属层、氮化钛阻障层275导电填充材料276介电栅极帽278第二共形金属层279a第一平坦化层279b第二平坦化层279c第三平坦化层280，280’替换金属栅极(RMG)291，291’场效应晶体管(FET)。具体实施方式如上所述，在场效应晶体管(FET)中可以使用替换金属栅极(RMG)来降低漏电流并增加驱动电流。然而，该栅极临界尺寸(CD)(即，从一源漏区域到另一源漏区域的沟道区域所测量的栅极长度)随着每一个新的技术节点而不断地缩小。此外，随着非平面设备(例如，鳍式场效应晶体管(FINF本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属栅极，其特征在于，包括：/n一共形介电层，其紧邻一场效应晶体管的一沟道区域；/n其中，该场效应晶体管包括源漏区域，该沟道区域横向位于该源漏区域之间，该金属栅极相邻于该沟道区域，以及栅极侧壁间隔件位于该金属栅极与该源漏区域之间；以及/n其中，该共形介电层进一步横向紧邻该栅极侧壁间隔件的垂直表面；以及/n多个共形金属层，其包括：/n一第一共形金属层，其紧邻相对于该沟道区域且进一步相对于该栅极侧壁间隔件的垂直表面的下部的该共形介电层，其中，该第一共形金属层的一顶端位于该沟道区域的一顶表面上方的一高度；以及/n附加共形金属层，其位于该第一共形金属层上方，并进一步横向紧邻相对于该栅极侧壁间隔件的该垂直表面的上部的该共形介电层，其中，该附加共形金属层的顶端位于该第一共形金属层的该顶端的该高度上方的一高度。/n

【技术特征摘要】
20190422 US 16/390,4731.一种金属栅极，其特征在于，包括：
一共形介电层，其紧邻一场效应晶体管的一沟道区域；
其中，该场效应晶体管包括源漏区域，该沟道区域横向位于该源漏区域之间，该金属栅极相邻于该沟道区域，以及栅极侧壁间隔件位于该金属栅极与该源漏区域之间；以及
其中，该共形介电层进一步横向紧邻该栅极侧壁间隔件的垂直表面；以及
多个共形金属层，其包括：
一第一共形金属层，其紧邻相对于该沟道区域且进一步相对于该栅极侧壁间隔件的垂直表面的下部的该共形介电层，其中，该第一共形金属层的一顶端位于该沟道区域的一顶表面上方的一高度；以及
附加共形金属层，其位于该第一共形金属层上方，并进一步横向紧邻相对于该栅极侧壁间隔件的该垂直表面的上部的该共形介电层，其中，该附加共形金属层的顶端位于该第一共形金属层的该顶端的该高度上方的一高度。


2.根据权利要求1所述的金属栅极，其特征在于，该金属栅极还包括位于该附加共形金属层上的导电填充材料。


3.根据权利要求1所述的金属栅极，其特征在于，
该共形介电层包括一高K介电层；
该第一共形金属层包括一p型功函数金属层；以及
该附加共形金属层包括一n型功函数金属层以及位于该n型功函数金属层上的一阻障金属层。


4.根据权利要求3所述的栅极金属，其特征在于，
该p型功函数金属层与该阻障金属层包括氮化钛层；以及
该n型功函数金属层包括一碳化钛铝层。


5.根据权利要求1所述的金属栅极，其特征在于，该多个共形金属层还包括位于该第一共形金属层与该附加共形金属层之间的一第二共形金属层，以使该第二共形金属层紧邻相对于该栅极侧壁间隔件的该垂直表面的中部的该共形介电层，并进一步使该第二共形金属层的一顶端的一高度位于该第一共形金属层的该顶端的该高度与该附加共形金属层的该顶端的该高度之间。


6.根据权利要求5所述的金属栅极，其特征在于，该第一共形金属层与该第二共形金属层包括一相同的p型功函数金属。


7.一种方法，其特征在于，包括：
沉积一共形介电层以衬于一栅极开口，其中，该栅极开口外露一场效应晶体管的一沟道区域；
沉积一第一共形金属层于该共形介电层层上面以进一步衬于该栅极开口；
执行一第一倒角工艺以回蚀刻该栅极开口内的该第一共形金属层至该沟道区域的一顶表面上方的一第一高度，并外露该第一高度上方的该共形介电层的一部分；
沉积附加共形金属层于该共形介电层以及该第一共形金属层上面，以进一步衬于该栅极开口；以及
执行一第二倒角工艺以回蚀刻该栅极开口内的该附加共形金属层至该沟道区域的该顶表面上方的一第二高度，以外露该第二高度上方的该共形介电层的一部分，其中，该第二高度高于该第一高度。


8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，沉积该附加共形金属层包括使用一沉积室，而不在沉积过程之间将任何该附加共形金属层外露于环境空气中。


9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，执行该第一倒角工艺包括：
沉积一第一平坦化层于该第一共形金属层上以填充该栅极开口；
凹陷该栅极开口内的该第一平坦化层，以使该第一平坦化层的一顶表面位于该第一高度；
使用一第一选择性各向同性蚀刻工艺以选择性移除该第一平坦化层的该顶表面上方的该第一共形金属层的外露金属；以及
选择性移除该第一平坦化层。


10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，
该第一共形金属层包括一p型功函数金属层；
该附加共形金属层包括一n型功函数金属层以及一阻障金属层；以及
执行该第二倒角工艺包括：
沉积一第二平坦化层于该阻障金属层上以填充该栅极开口；
凹陷该栅极开口内的该第二平坦化层，以使该第二平坦化层的一顶表面位于该第二高度；
使用与该第一选择性各向同性蚀刻工艺不同的一第二选择性各向同性蚀刻工艺以选择性移除该第二平坦化层上方的该附加共形金属层的外露金属材料；以及
选择性移除该第二平坦化层。


11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，
该共形介电层包括一高K介电层；
该p型功函数金属层与该阻障金属层包括氮化钛层；以及
该n型功函数金属层包括一碳化钛铝层。


12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，
该第一选择性各向同性蚀刻工艺与该第二选择性各向同性蚀刻工艺包括均使用一标准清洗液第一号(SC1...

【专利技术属性】
技术研发人员：褚涛，路荣涛，M·O·艾谢，马巍，H·王，
申请(专利权)人：格芯公司，
类型：发明
国别省市：开曼群岛;KY