CN1742362A - 三栅极与栅极环绕的金属氧化物半导体场效应晶体管器件及其制造方法 - Google Patents

三栅极与栅极环绕的金属氧化物半导体场效应晶体管器件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种三栅极(tri－gate)金属氧化物半导体场效应晶体管(200)，包括鳍部结构(310)、形成于邻接该鳍部结构(310)的第一侧边的第一栅极(410)、形成于邻接该鳍部结构(310)相对于该第一侧边的第二侧边的第二栅极(420)、以及形成于该鳍部结构(310)上端的上端栅极(610)。一种栅极环绕金属氧化物半导体场效应晶体管(800)，包括多个鳍部(1110)、形成于邻接该多个鳍部(1110)其中一个鳍部的第一侧壁栅极结构(1010)、形成于邻接该多个鳍部(1110)其中另一个鳍部的第二侧壁栅极结构(1020)、形成于该多个鳍部(1110)其中一个或多个鳍部上的上端栅极结构(1230)、以及形成于该多个鳍部(1110)其中一个或多个鳍部(1110)下的底部栅极结构(1240)。

Description

三栅极与栅极环绕的金属氧化物半导体场效应 晶体管器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种半导体制造方法，更详细地，涉及一种三栅极与栅极环绕的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件及其制造方法。
背景技术
器件尺寸的缩小已成为驱使集成电路性能的改进与集成电路成本降低的重要因素。由于栅极氧化物(gate-oxide)的厚度与源极/漏极(source/drain；S/D)结深的限制，将现有的块体(bulk)金属氧化物半导体场效应晶体管器件缩小至0.1微米以下的工艺，即使可能的话，也是很困难的。因此，需要新的器件结构与新的材料来改进场效应晶体管(FET)性能。
双栅极(double-gate)金属氧化物半导体场效应晶体管被选择用来作为取代现有的平面金属氧化物半导体场效应晶体管的新器件。再双栅极金属氧化物半导体场效应晶体管中，该双栅极用以控制该沟道，以有效的防止短沟道(short-channel)效应的发生。鳍式场效应晶体管(FinFET)是一种包括在垂直鳍部(fin)中形成有沟道的双栅极结构。尽管有双栅极结构，但鳍式场效应晶体管仍在版图与工艺技术方面与现有的平面金属氧化物半导体场效应晶体管类似。相比于其它双栅极结构，鳍式场效应晶体管还提供沟道长度的范围、CMOS兼容性、以及较大的封装密度。
发明内容
本发明所揭露的技术内容是提供一种三栅极与栅极环绕的金属氧化物半导体场效应晶体管器件及其制造方法。
依据本发明的一个方面，本发明的三栅极金属氧化物半导体场效应晶体管包括鳍部结构、形成于邻接该鳍部结构的第一侧边的第一栅极、形成于邻接该鳍部结构的相对于该第一侧边的第二侧边的第二栅极以及形成于该鳍部结构上端的上端栅极。
依据本发明的另一方面，本发明的栅极环绕金属氧化物半导体场效应晶体管包括多个鳍部、形成于邻接该多个鳍部其中一个鳍部的第一侧壁栅极结构、形成于邻接该多个鳍部其中另一个鳍部的第二侧壁栅极结构、形成于该多个鳍部其中一个或多个鳍部上的上端栅极结构、以及形成于该多个鳍部其中一个或多个鳍部下的底部栅极结构。
依据本发明的又一方面，本发明提供一种在金属氧化物半导体场效应晶体管中形成栅极的方法。该方法包括在衬底上形成鳍部结构；在邻接该鳍部结构处形成侧壁栅极结构；以及在该鳍部结构上形成上端栅极结构。
依据本发明的另一方面，本发明提供一种在金属氧化物半导体场效应晶体管中形成栅极的方法。该方法包括在衬底上形成鳍部结构；在邻接该鳍部结构处形成侧壁栅极结构；移除该鳍部结构的一个或多个部分以形成多个鳍部；在该些鳍部下形成至少一个额外的栅极结构；以及在该些鳍部上形成至少一个额外的栅极结构。
附图说明
并入并构成本说明书的一部分的附图连同说明部分被用来说明显示本发明的实施例以及解释本发明。在附图中：
图1是例示的流程图，用于显示依据本发明的实施方法制造三栅极金属氧化物半导体场效应晶体管的工艺；
图2至图6是例示的剖面图，用于显示依据图1所述的工艺所制造的三栅极金属氧化物半导体场效应晶体管；
图7是例示的流程图，用于显示依据本发明的实施方法制造栅极环绕金属氧化物半导体场效应晶体管的工艺；
图8至图12是例示的剖面图，用于显示依据图7的工艺所制造的栅极环绕金属氧化物半导体场效应晶体管；
图13至图15显示了用于将在多晶硅栅极中扩散活性掺杂物所需求的热预算(budget)减至最少的示意性工艺；以及
图16至图18显示了用于显示形成高掺杂突变结的示意性工艺。
具体实施方式
本发明实施例的详细说明将伴随附图揭露如下，在不同附图中的相同组件符号用以表示相同或相似的组件。此外，以下的详细说明并非用以限定本发明。相反地，本发明的范畴是由所附的权利要求或其等价物所定义。
本发明所揭露的技术内容是提供一种三栅极与栅极环绕的金属氧化物半导体场效应晶体管器件及其制造方法。
三栅极金属氧化物半导体场效应晶体管
图1是例示的流程图，用于显示依据本发明所揭露的方法制造三栅极金属氧化物半导体场效应晶体管的工艺。图2至图6是例示的剖面图，用于显示依据图1的工艺所制造的三栅极金属氧化物半导体场效应晶体管。
请同时参阅图1与图2，工艺可从半导体器件200开始。半导体器件200可包括绝缘体上硅(Silicon On Insulator；SOI)结构，该结构包括硅衬底210、埋入氧化层220以及在该埋入氧化层220上的硅层230。埋入氧化层220与硅层230可通过传统的方法形成在衬底210上。该埋入氧化层220的厚度可例如为约500埃()至3000埃之间。该硅层230的厚度可例如为200埃至1000埃之间。应了解到该硅层230被用于形成该鳍部。在可替代的其它实施例中，衬底210与层230可包括其它半导体材料(如锗)或其它如硅锗等半导体材料的组合物。埋入氧化层220可包括氧化硅或其它类型的介电材料。
栅极介电层240可选择性的被沉积或热生长在该硅层230上(步骤110)。栅极介电层240可在大约5埃至30埃的厚度范围被形成。栅极介电层240可包括传统的如氧化物(如二氧化硅)的介电材料。在其它的实施例中，如氮化硅的介电材料可用作为该栅极介电材料。
上端栅极电极层250可选择沉积在该栅极介电层240上以形成该上端栅极(步骤120)。栅极电极层250可以大约100埃至1000埃的厚度范围被形成。一些导电性材料可用作该栅极电极层250。举例而言，栅极电极层250可包括金属(如，钨、钽、铝、镍、钌、铑、钯、铂、钛、钼等)，含有化合物的金属(如，氮化钛、氮化钽、氧化钌等)，或掺杂的半导体材料(如多晶硅、多晶硅锗等)。
覆盖层260(或硬掩膜)可选择形成在该栅极电极层250的上端，以支持图形最佳化并在后续的工艺中保护上端栅极电极层250(步骤130)。举例而言，覆盖层260可包括氮化硅材料或一些其它类型的材料，而能够于后续的工艺中保护该栅极电极。覆盖层260可通过如化学气相沉积(CVD)而沉积大约介于100埃至300埃的厚度范围。
硅层230、栅极介电层240以及上端栅极电极层250可通过传统的光刻技术(如电子光束(EB)光刻技术)予以图形化。如图3所示，接着可利用公知的蚀刻技术来蚀刻硅层230与层240/250，以形成结构300(步骤140)。结构300包括鳍部310、栅极介电层240、上端栅极电极层250以及覆盖层260。鳍310的宽度可大约介于50埃至1000埃范围之间。
依据该结构300的形态，埋入氧化层220的部分可通过如传统的一种或多种蚀刻技术加以移除(步骤150)。在一种实施例中，埋入氧化层220可被蚀刻至大约200埃至500埃间的深度范围。如第4图所示，在蚀刻期间，可移除在鳍部310下方的埋入氧化层220的部分。如图4所示，然后可形成侧壁栅极410与420(步骤160)。举例而言，栅极介电层430可选择性的利用已知技术以沉积或热生长在该结构300的侧表面上。栅极介电层430可在大约5埃至30埃的厚度范围间被形成。栅极介电层430可包括传统的介电材料，如氧化物(如二氧化硅)。在另一实施例中，氮化硅或其它材料可用以形成该栅极介电层。如图4所示，接着在半导体器件200上沉积栅极电极层440，以形成侧壁栅极电极440。栅极电极层440可在大约100埃至1000埃的厚度范围间被形成。与该上端栅极电极层250类似，一些材料可用以形成该侧壁栅极电极440。如图4所示，可使用例如化学机械剖光(Chemical-Mechanical Polishing；CMP)以平坦化该侧壁栅极电极440，以暴露出该覆盖层260的上表面并形成二个分离的侧壁栅极410与420。
如图5所示，接着可选择移除覆盖层260、上端栅极电极层250以与栅极介电层240(步骤170)。举例而言，可以传统的方法利用掩膜或相似的结构使覆盖层260、上端栅极电极层250以与栅极介电层240被蚀刻，同时将对侧壁栅极410与420的影响减至最小。在其它的实施例中，栅极介电层240可选择原封不动的留下来(例如不与覆盖层260以及上端栅极电极层250一同移除)。
如图6所示，接着可选择形成上端栅极610(步骤180)。举例而言，可选择性的再次在该鳍310上生长或形成栅极介电材料620。在此情况下，栅极介电材料620可包括与用于栅极介电层240类似的材料，且可形成大约介于5埃至30埃的厚度范围。此外，栅极介电材料240可被保留。接着可选择性的在栅极介电材料240/260上沉积上端栅极电极材料630，以形成上端栅极610。栅极介电材料630可包括与用于上端栅极电极层250类似的材料，且可通过沉积形成大约介于100埃至1000埃的厚度范围。
图6中所示的半导体器件200可包括三个栅极(即，侧壁栅极410、侧壁栅极420以及上端栅极610)。传统的金属氧化物半导体场效应晶体管工艺可用于实现用在该三栅极金属氧化物半导体场效应晶体管的晶体管(如形成该源极与漏极区域)、接触、互连结构以及层间(inter-level)介电层。
栅极环绕金属氧化物半导体场效应晶体管
图7是例示的流程图，用以显示依据本发明所揭露的方法制造栅极环绕金属氧化物半导体场效应晶体管的工艺。图8至图12是例示的剖面图，用以显示依据图7的工艺所制造的栅极环绕金属氧化物半导体场效应晶体管。工艺可由半导体器件800开始。半导体器件800可包括绝缘体上硅结构，该绝缘体上硅结构包括硅衬底810、埋入氧化层820以及硅层830。该绝缘体上硅结构可类似于图2所揭露的结构。可选择的，栅极介电层840(步骤710)、上端栅极介电层850(步骤720)以及覆盖层860(步骤730)可以按照与前述图1中步骤110至130所揭露类似的方法而形成在该绝缘体上硅结构上。
硅层830、栅极介电层840以及上端栅极电极层850可通过传统的光刻技术(如电子光束光刻技术等)进行图形化。如图9所示，接着可通过传统的蚀刻技术蚀刻硅层830以及层840/850，以形成结构900(步骤740)。结构900包括鳍部910、栅极介电层840、上端栅极介电层850以及覆盖层860。依据本发明，鳍部910相当宽。举例而言，该鳍部910的宽度的范围可大约介于50埃至1000埃间。
依据结构900的形式，埋入氧化层820的部分可利用如传统的蚀刻技术被移除(步骤750)。在一个实施例中，可蚀刻埋入氧化层820至约200埃至约500埃的深度范围。如图10所示，在蚀刻过程中，鳍部910下的埋入氧化层820的部分可被移除。
如图10所示，接着可形成侧壁栅极1010与1020(步骤760)。举例而言，可利用传统技术来沉积或热生长栅极介电层1030。栅极介电层1030可被形成为约5至30埃的厚度范围。栅极介电层1030可包括传统的如氧化物(如二氧化硅)等的介电材料。在其它实施例中，氮化硅或其它的材料均可用作为该栅极介电材料。
侧壁栅极电极层1040可沉积在该半导体器件800上。栅极电极层1040可形成在大约100埃至1000埃的厚度范围内。与该上端栅极电极层850类似，多种材料可用于侧壁栅极电极层1040。如图10所示，可利用如化学机械剖光来平坦化栅极电极层1040，以暴露出该覆盖层860的上表面，并形成两个分离的侧壁栅极1010与1020。
如图11所示，接着可选择性移除覆盖层860、上端栅极介电层850、栅极介电层840以及一个或多个鳍部910的部分(步骤770)。举例而言，可使用传统的图形化技术与蚀刻技术在最不影响侧壁栅极1010与1020的情况下来移除覆盖层860、上端栅极介电层850、栅极介电层840以及一个或多个鳍部910的部分。在另一实施例中，栅极介电层840可选择性的原封不动地留存在鳍部910未移除的部分上。如图11所示，鳍部910的蚀刻可终止于埋入氧化层820上，以形成两个分离的鳍部1110。每一个鳍部1110具有大约在50埃至1000埃间的宽度范围。如图11所示，形成有两个鳍部1110。在另一实施例中，可形成超过两个以上的鳍部1110。
如图12所示，接着可在该鳍部1110暴露的表面上热生长栅极介电层1210(步骤780)。举例而言，栅极介电层1210可生成至大约5埃至约30埃间的厚度。栅极介电层1210可包括与用作栅极介电层840类似的材料。可选择的，栅极介电层840可保留在鳍部1110的上表面上，而该栅极介电层1210可生长在该鳍部1110暴露的侧表面上。
如图12所示，接着可形成额外的栅极(步骤790)。举例而言，栅极电极材料1220可选择性的沉积在该栅极介电材料840/1210上，以形成额外的栅极。栅极电极材料1210可包括与用于栅极电极层850和/或侧壁栅极电极层1040类似的材料，且可沉积至大约介于100埃至1000埃范围内的厚度。
如图12所示，半导体器件800可包括四个(或更多个)栅极(即，侧壁栅极1010、侧壁栅极1020、上端栅极1230以及底部栅极1240)。上端栅极1230可形成在鳍部1110上，而底部栅极1240则可形成在鳍部1110下。传统的金属氧化物半导体场效应晶体管工艺可用于实现用在该栅极环绕金属氧化物半导体场效应晶体管的晶体管(如形成该源极与漏极区域)、接触、互连结构以及层间介电层。
其它实施例
本领域所极需要的便是将多晶硅栅极中掺杂物扩散与激活所要求的热预算减至最少。图13至图15显示了用于将多晶硅栅极中扩散活性掺杂物所需求的热预算减至最少的示意性工艺。如图13所示，鳍部1300可形成在如绝缘体上硅衬底等的衬底上。可使用例如前述该些实施例中所揭露的工艺来形成鳍部1300。
如图14所示，薄形多晶硅材料1400可沉积在鳍部1300上。可执行离子注入工艺以将掺杂物掺杂至多晶硅材料1400中。接着执行传统的退火(annealing)工艺。如图15所示，这些步骤可重复一次或更多次。换言之，鳍部1300可经历多次的多晶硅沉积、注入以及退火工艺，以将掺杂该多晶硅所要求的热预算减至最少。
本领域中另一个亟需要的是形成高掺杂的突变结。图16至图18显示了用于形成高掺杂突变结的示意性工艺。图16显示了例示的鳍式场效应晶体管1600的上视图。鳍式场效应晶体管1600包括鳍部1610与栅极电极1620。图17是鳍式场效应晶体管1600的侧视图。鳍式场效应晶体管1600包括源极区域1710、漏极区域1720以及沟道1730。源极区域1710以及漏极区域1720可注入掺杂物。
如图18所示，在掺杂工艺之后，可通过在源极/漏极区域上沉积金属而使源极区域1710以及漏极区域1720硅化，并随着退火工艺而形成金属-硅化物材料。掺杂物可累积在该沟道界面以形成高浓度的突变结。
结论
依照本发明的原理所揭露的实施例提供了一种三栅极与栅极环绕的金属氧化物半导体场效应晶体管器件及其制造方法。
本发明的实施例的前述叙述提供了说明与叙述，而非用于限制本发明。根据上述教示能够进行修饰与变化，或者可由本发明的实施而取得修饰与变化。
举例而言，在前述的内容中，提出了许多具体的细节，如特定的材料、结构、化学物品、工艺等等，以便提供对本发明的各种实施例的透彻了解。然而，前述的这些实施例或其它的实施例可在不凭借此处所述的细节而予以实现。另一方面，公知的工艺结构并未详细揭露于本说明书中，以避免不必要的模糊了本发明的特征所在。在实施本发明时，可利用传统的沉积、光刻以及蚀刻等技术，而该些技术的细节在此将不予赘述。
虽然已经详细说明了关于图1与图7的一系列步骤，但是可依据本发明的其它实施例来改变这些步骤的顺序。此外，这些步骤可被同时执行而不互相依赖。
除非在说明书已明有说明，否则没有任何使用在本说明书中的组件、步骤或指示对本发明而言是关键性或不可或缺者。此外，本说明书中所使用的“一”包括“一个”或“多个”项目。仅在特别强调“一个”时才使用“one”或类似的语词。本发明的范畴由权利要求及其等价物所定义。

Claims (7)

1.一种在金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)(200)中形成栅极的方法，包括：
在衬底(210)上形成鳍部结构(310)；
形成多个邻接该鳍部结构(310)的侧壁栅极结构(410、420)；以及
在该鳍部结构(310)的上端形成上端栅极结构(610)。
2.如权利要求1所述的方法，其中该形成上端栅极结构(610)的步骤包括：
在鳍部结构(310)上形成栅极介电层(430)；
在该栅极介电层(430)上形成栅极电极层(440)；以及
移除该栅极介电层(430)与该栅极电极层(440)。
3.如权利要求2所述的方法，其中该形成上端栅极结构(610)的步骤还包括：
再次形成该栅极介电层(620)；以及
在该鳍部结构(310)上沉积栅极材料(630)。
4.一种三栅极金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)(200)，特征在于包括：
鳍部结构(310)；
第一栅极(410)，邻接该鳍部结构(310)的第一侧边而形成；
第二栅极(420)，邻接相对于该鳍部结构(310)的第一侧边的第二侧边而形成；以及
上端栅极(610)，形成在该鳍部结构(310)的上端。
5.一种在金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)中形成栅极的方法，包括：
在衬底(810)上形成鳍部结构(910)；
形成多个邻接该鳍部结构(910)的侧壁栅极结构(1010，1020)；
移除该鳍部结构(910)的一个或多个部分，以形成多个鳍部(1110)；
在该鳍部(1110)下形成至少一个额外的栅极结构(1240)；以及
在该鳍部(1110)上形成至少一个额外的栅极结构(1230)。
6.如权利要求5所述的方法，其中，该形成至少一个额外的栅极结构(1230)的步骤包括：
在该鳍部(1110)上形成栅极介电材料(1210)；以及
在该栅极介电材料(1210)上沉积栅极电极材料(1220)。
7.一种栅极环绕金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)(800)，特征在于包括：
多个鳍部(1110)；
第一侧壁栅极结构(1010)，邻接于该多鳍部(1110)的其中一个而形成；
第二侧壁栅极结构(1020)，邻接于该多个鳍部(1110)的其中另一个而形成；
上端栅极结构(1230)，形成于该一个或多个鳍部(1110)之上；以及
底部栅极结构(1240)，形成于该一个或多个鳍部(1110)之下。
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