TW202301478A - 半導體結構的製造方法 - Google Patents

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Abstract

本揭露描述一種具低接觸電阻的二維通道場效電晶體及此結構的方法。方法包括於半導體基板上沉積介電層，於介電層上沉積金屬層，且於金屬層上沉積硬遮罩層。方法更包括藉由移除部分硬遮罩層和部分金屬層形成閘極開口。方法更包括於閘極開口的側壁上沉積間隙壁材料層和形成通道，通道包括在閘極開口的底部的過渡金屬硫屬化合物(TMC)層。方法更包括於通道上和閘極開口中形成閘極結構以及移除硬遮罩層。

Description

半導體結構的製造方法
本發明是關於半導體結構及其製造方法，特別是關於具低接觸電阻的二維通道場效電晶體及其製造方法。
二維(2D)通道場效電晶體(FET)有利於較佳的短通道效應(SCE)，但缺乏與源/汲極(S/D)區的良好接觸方案。在界面邊緣的低接觸面積，以及頂部界面和底部界面之間的凡德瓦能隙(van der Waals gap)會導致高接觸電阻。源/汲極區和二維通道之間的高蕭特基位障高度(SBH)也會產生高接觸電阻。為用於具有低電組之二維通道尋找合適材料和積集製程是一項挑戰。
本揭露一些實施例提供一種半導體結構的製造方法，方法包括於半導體基板上沉積介電層，於介電層上沉積金屬層，且於金屬層上沉積硬遮罩層。方法更包括藉由移除部分硬遮罩層和部分金屬層形成閘極開口。方法更包括於閘極開口的側壁上沉積間隙壁材料層和形成通道，通道包括在閘極開口的底部的過渡金屬硫屬化合物(TMC)層。方法更包括於通道上和閘極開口中形成閘極結構以及移除硬遮罩層。
本揭露另一些實施例提供一種半導體結構的製造方法，方法包括於設置在基板上的介電層上沉積第一金屬層，於第一金屬層上沉積第二金屬層，且形藉由移除部分第一金屬層和部分第二金屬層形成閘極開口。方法更包括於閘極開口的側壁上沉積間隙壁和形成在閘極開口的底部和第一金屬層中形成通道，通道包括過渡金屬硫屬化合物(TMC)層。方法更包括於通道上和閘極開口中形成閘極結構，閘極結構包括閘極介電層、功函數金屬(WFM)層、以及填充金屬層。
本揭露又一些實施例提供一種半導體結構， 結構包括介電層，設置於基板上，源/汲極(S/D)區，設置於介電層上，源/汲極區括金屬材料，和閘極結構，設置在源/汲極區之間，其中閘極結構包括閘極介電層、功函數金屬(WFM)層、以及填充金屬層。結構更包括間隙壁，插入在每一個源/汲極區和閘極結構之間，以及通道，連接源/汲極區且與介電層接觸，通道包括過渡金屬硫屬化合物(TMC)層。
以下的揭露內容提供許多不同的實施例或範例，以實施本案的不同部件。以下的揭露內容敘述各個構件及其排列方式的特定範例，以簡化說明。當然，這些特定的範例並非用以限定。例如，若是說明書敘述了一第一部件形成於一第二部件之上或上方，即表示其可能包含上述第一部件與上述第二部件是直接接觸的實施例，亦可能包含了有附加部件形成於上述第一部件與上述第二部件之間，而使上述第一部件與第二部件可能未直接接觸的實施例。在此處所用的在第二部件上形成第一部件表示形成與第二部件直接接觸的第一部件。另外，以下本揭露的不同範例中可能重複使用相同的參考符號及/或標記。這些重複係為了簡化與清晰的目的，並非用以限定所討論的不同實施例及/或結構之間有特定的關係。
此外，其與空間相關用詞。例如“在…下方”、“之下”、“下”、“在…上方”、“上”及類似的用詞，係為了便於描述圖式中一個元件或部件與另一個(些)元件或部件之間的關係。除了在圖式中繪示的方位外，這些空間相關用詞意欲包含使用中或操作中的裝置之不同方位。裝置可能被轉向不同方位(旋轉90度或其他方位)，且在此使用的空間相關詞也可依此對應地解釋。
需注意的是，說明書中對“一個實施例”、“一實施例”、“一個示例實施例”、“示例性”等的引用表示所描述的實施例可以包括特定的特徵、結構或特性，但是每一個實施例可能不一定包括特定的特徵、結構或特性。此外，這些用語不一定指相同的實施例。此外，當結合實施例描述特定特徵、結構或特性時，無論是否明確描述，所屬技術領域中具有通常知識者將結合其他實施例來實現這樣的特徵、結構或特性。
應當理解，本文中的用語或術語是為了說明目的而非用以限制本揭露，使所屬技術領域中具有通常知識者根據本揭露的教導來解釋本說明書的術語或用語。
在一些實施例中，用語「約」、「實質上」通常表示在一給定數值的5%內的變化(例如，該數值的±1 %，±2 %，±3 %，±4 %，±5)。這些值僅是示例而不是限制性的。用語「約」和「實質上」可以指使所屬技術領域中具有通常知識者根據本揭露的教導所解釋的值的百分比。
第1A-1C、3A-3B、4A-4B、5A-5C、6A-6C、7A-7D、8A-8C、9A-9C、10A-10C、11A-11C、和12A-12C圖中具有相同標號的元件的討論為彼此適用，除非另有說明。
在半導體領域中，二維(2D)通道可具有奈米等級以外的兩個維度，且具有僅單一層或僅數層原子的一個維度。二維通道的前述維度使其不同於三維(3D)通道。二維(2D)通道場效電晶體(FET)有利於較佳的短通道效應(SCE)，但缺乏與源/汲極(S/D)區(當源/汲極區包括金屬材料時也可視為“源/汲極接觸”)的良好接觸。在次奈米二維通道中，二維通道和源/汲極區之間的接觸面積非常小。二維通道的頂面和底面之間有高凡德瓦能隙(van der Waals gap)。源/汲極區和二維通道之間也有高蕭特基位障高度(SBH)。所有這些因素都會導致二維通道場效電晶體中的高接觸電阻。
本揭露提供示例性的二維通道場效電晶體 ，其在二維通道和源/汲極區之間具有低接觸電阻，且用於形成此種場效電晶體的方法使用通道後製(channel last)製程。通道後製製程意指在形成源/汲極區之後形成通道。在一些實施例中，形成閘極開口，閘極開口穿過過渡金屬層，例如，鈦(Ti)、鎢(W)、或鉬(Mo)，在閘極開口的底部留下薄金屬層。以硫屬元素材料，例如，硫(S)、硒(Se)、或碲(Te)處理薄金屬層，以形成過渡金屬硫屬化合物(TMC)材料基二維通道。前述硫屬元素處理可在二維通道的中心內生成高遷移率通道。前述硫屬元素處理可在源/汲極區下生成輕摻雜源汲極(LDD)。前述硫屬元素處理更在二維通道的兩末端造成過渡金屬硫屬化合物材料的梯度分佈。前述梯度分佈可實現從二維通道至源/汲極區的半導體-半金屬-金屬功函數(WF)轉變。前述轉變可降低蕭特基位障高度(SBH)，意即，二維通道和源/汲極區之間的蕭特基位障高度(SBH)微調，以導致低接觸電阻。硫屬元素原子擴散進入薄金屬層也可降低二維通道的頂面和底面之間的凡德瓦能隙(van der Waals gap)，且進一步降低接觸電阻。
在一些實施例中，以兩步驟蝕刻製程形成閘極開口，留下訂書針形(staple-shaped)二維通道。訂書針形二維通道可增加二維通道和源/汲極區之間的接觸面積，因而降低接觸電阻。通過使用不同蝕刻步驟的組合，二維通道可為其他形狀，例如，半圓形、梯形、U型、等等。
在一些實施例中，源/汲極區可具有兩層金屬層。二維通道可與第一金屬層具有梯度接觸，而導致低接觸電阻。在第一金屬層和第二金屬層之間的金屬-金屬接觸不會增加接觸電阻。因為對於可被硫屬元素處理以形成二維通道的金屬類型可能會有所限制，所以使用兩層金屬層可增加源/汲極區金屬的選擇彈性。
依據一些實施例，第1A、1B、和1C圖為根據一些實施例之具低接觸電阻的二維通道場效電晶體100的等軸測圖。二維通道場效電晶體100 可包括基板102、介電層104，源/汲極區106A-106B、間隙壁110或126、閘極結構130、二維通道108、122、或124、層間介電(ILD)層140、和接觸結構142A、142B、144。層間介電層140 可包括介電材料，例如氧化矽(SiOx)。接觸結構(閘極接觸結構)144和接觸結構(源/汲極接觸結構)142A、142B可為合適的導電金屬，例如鎢(W)、鈷(Co)、鋁(Al)、鎳(Ni)、和釕(Ru)。接觸結構142A、142B、144的形狀和尺寸僅用於說明目的。如第1B圖所示，依據一些實施例，源/汲極區106A-106B可包括源/汲極區118A-118B和120A-120B。在一些實施例中，源/汲極區106A-106B 和120A-120B也可視為源/汲極接觸106A-106B和120A-120B。換句話說，依據一些實施例，源/汲極接觸106A-106B和120A-120B可作為源/汲極接觸結構142A和142B。
參考第1A-1C圖，在一些實施例中，基板102可包括(i)矽(Si)，(ii)化合物半導體，例如砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、磷化銦(InP)、砷化銦(InAs)、及/或銻化銦(InSb)，(iii)合金半導體，包括矽鍺(SiGe)、磷化鎵砷(GaAsP)、砷化鋁銦(AlInAs)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、砷化鎵銦(GaInAs)、磷化鎵銦(GaInP)、及/或磷化鎵銦砷(GaInAsP)、或(iv)上述之組合。在一些實施例中，基板102可為磊晶材料。此外，基板102可摻雜p型摻質，例如，硼(B)、銦(In)、鋁(Al)、或鎵(Ga)、或n型摻質，例如，磷(P)或砷(As)。
參考第1A-1C圖，在一些實施例中，介電層104可包括氧化物，例如SiOx(例如，埋藏氧化物層)、藍寶石、另一合適的介電材料。介電層104可包括旋塗玻璃(SOG)、氮化矽(SiN)、氮氧化矽(SiON)、氟矽酸鹽玻璃(FSG)、低介電常數介電材料、及/或其他合適的絕緣材料。舉例而非限制，介電層104比基板102薄。另外，介電層104可與基板102上形成的結構電性隔絕。
參考第1A-1C圖，在一些實施例中，源/汲極區106A-106B、118A-118B、和120A-120B可包括過渡金屬，例如鎢(W)或鉬(Mo)。參考第1B圖，在一些實施例中，源/汲極區120A-120B可包括合適的導電材料，例如鎢(W)、鉬(Mo)、鎳(Ni)、鉍(Bi)、鈧(Sc)、鈦(Ti)、銅(Cu)、鈷(Co)、銀(Ag)、鋁(Al)、氮鈦鋁(TiAlN)、碳化鉭(TaC)、氮碳化鉭(TaCN)、氮化矽鉭(TaSiN)、錳(Mn)、鋯(Zr)、氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)，釕(Ru)、氮化鎢(WN)、碳化鈦(TiC)、碳化鈦鋁(TiAlC)、碳化鉭鋁(TaAlC)、金屬合金、及/或上述之組合。源/汲極區118A-118B的材料同可不同於源/汲極區120A-120B的材料。源/汲極區118A-118B的厚度和源/汲極區120A-120B的厚度之間的比值可為約0.5和約1.0之間。舉例而非限制，源/汲極區118A-118B可明顯薄於源/汲極區120A-120B。
參考第1A-1C圖，在一些實施例中，間隙壁110和126可包括介電材料，例如氧化矽(SiO x)、氮化矽(SiN)、氮碳氧化矽(SiOCN)、氮碳化矽(SiCN)、其他合適的絕緣材料、或上述之任意組合。間隙壁110的高度高於間隙壁126約1 nm 至約6 nm，使訂書針形二維通道(二維通道)124可於間隙壁126下形成。
參考第1A-1C圖，在一些實施例中，閘極結構130可為多層結構。舉例而非限制，閘極結構130可包括閘極介電層112、功函數金屬(WFM)層114、和填充金屬層116。閘極結構130可更包括界面氧化物(IO)層(未顯示於第1A-1C圖中)。界面氧化物層可包括氧化矽(SiO x)，矽鍺氧化物(SiGeO x)、或氧化鍺(GeO x)。閘極介電層112可包括高介電常數(HK)閘極介電層。閘極介電層112可包括高介電常數介電材料，例如二氧化鉿(HfO 2)、二氧化鈦(TiO 2)、氧化鋯鉿(HfZrO)、氧化鉭(Ta 2O 3)、矽酸鉿(HfSiO 4)、氧化鋯(ZrO 2)、和矽酸鋯(ZrSiO 2)。功函數金屬層114可包括鋁化鈦(TiAl)、碳化鈦鋁(TiAlC)、鋁化鉭(TaAl)、碳化鉭鋁(TaAlC)、鋁摻雜鈦(Al-doped Ti)、鋁摻雜氮化鈦(Al-doped TiN)、鋁摻雜鉭(Al-doped Ta)、鋁摻雜氮化鉭(Al-doped TaN)、其他合適的鋁基(Al-based)材料、或上述之組合。在一些實施例中，功函數金屬層114可包括實質上不含鋁(Al-free)(例如，無鋁)鈦基(Ti-based)或鉭基(Ta-based)氮化物或合金，例如氮化鈦(TiN)、鈦氮化矽(TiSiN)、鈦金(Ti-Au)合金、鈦銅(Ti-Cu)合金、氮化鉭(TaN)、氮化矽鉭(TaSiN)，鉭金(Ta-Au)合金，鉭銅(Ta-Cu)、和上述之組合。填充金屬層116可包括合適的導電材料，例如鎢(W)、鈦(Ti)、金(Ag)、釕(Ru)、鉬(Mo)、銅(Cu)、鈷(Co)、鋁(Al)、銥(Ir)，鎳(Ni)、金屬合金、和上述之組合。閘極結構130的高寛比可在約4：1和約8：1之間。在一些實施例中，閘極結構130的側壁可具有正斜率。然而，此非用以限制，因為可設計閘極結構130具有實質上垂直側壁(例如，約86°和約90°之間)、或為具有負斜率的側壁。閘極結構130的側壁和底部之間的角顯示為直角，但在一些實施例中，角可為圓角。
參考第1A-1C圖，在一些實施例中，二維通道108、122、和124可包括過渡金屬硫屬化合物(TMC)材料，例如週期表的任何過渡金屬的硫化物、週期表的任何過渡金屬的硒化物、週期表的任何過渡金屬的碲化物、週期表的任何過渡金屬的氧化物、和上述之組合。在一些實施例中，過渡金屬硫屬化合物材料可包括二硫化鎢(WS 2)、二硒化鎢(WSe 2)、二碲化鎢(WTe 2)、二硫化鉬(MoS 2)、二硒化鉬(MoSe 2)、二碲化鉬(MoTe 2)、二硫化鈦(TiS 2)、二硒化鈦(TiSe 2)、二碲化鈦(TiTe 2)、二硫化鋯(ZrS 2)、二硒化鋯(ZrSe 2)、二碲化鋯(ZrTe 2)、二硫化鉭(TaS 2)、二硒化鉭(TaSe2)、二碲化鉭(TaTe 2)、二硫化鎳(NiS 2)、二硒化鎳(NiSe 2)、二碲化鎳(NiTe 2)、二硫化鈷(CoS 2)、二硒化鈷(CoSe 2)、二碲化鈷(CoTe 2)、二硫化鈮(NbS 2)、二硒化鈮(NbSe 2)、二碲化鈮(NbTe 2)、二硫化鉿(HfS 2)、二硒化鉿(HfSe 2)、二碲化鉿 (HfTe 2)、和上述之組合。
參考第1A-1C圖，在一些實施例中，二維通道108、122、和124可具有M xS y，M xSe y、或M xTe y的組成，其中M為金屬，包括例如，鎢(W)、鉬(Mo)、鎳(Ni)、鉍(Bi)、鈧(Sc)、或鈦(Ti)。在一些實施例中，x可為約1.0。在一些實施例中，在二維通道108、122、和124的高遷移率通道區的中心內，y 值可為約1.9和約2.1之間。依據一些實施例，第1D和1E圖為二維通道108、122、和124中硫屬元素原子的濃度輪廓。硫屬元素原子濃度可從二維通道108、122、和124的中心至二維通道108、122、和124的邊緣變化。在二維通道108、122、和124的邊緣，原子濃度可從約1.9 下降約為0，例如，如第1D圖所示線性下降或如第1E圖所示之指數下降。這些示例非用以限制。在一些實施例中，原子濃度下降可為線性遞減、指數遞減、或原子濃度的其他函數遞減。此可為二維通道108、122、和124的中心高遷移率通道區中的原子濃度變化。原子濃度的下降可以從比第1D和1E圖所示的更近處或更遠處開始。在一些實施例中，中心區和邊緣區之間的原子濃度可沒有顯著差異。
參考第1A-1C圖，在一些實施例中，原子濃度的下降可從間隙壁110或126的下方開始至二維通道108、122、和124的末端。在一些實施例中，原子濃度的下降可從閘極結構130的底部的中心線至閘極結構130的底部的末端。在一些實施例中，二維通道中的硫屬元素原子濃度輪廓可為均勻的。在Z方向上，硫屬元素原子的濃度輪廓可從二維通道108、122、和124的頂面至二維通道108、122、和124的底面線性遞減或指數遞減。在一些實施例中，垂直濃度輪廓可為實質上類似於離子植入摻質濃度輪廓。在一些實施例中，二維通道108、122、和124可以很薄，而在Z方向上的濃度輪廓沒有明顯差異。
在XY平面中(未顯示於第1A-1C圖中)，閘極結構130的底部可為二維通道108、122、和124的局部限制。局部限制可包括線性分佈。局部限制可包括幾何分佈，例如長方形、鑽石形、圓形、等等形狀的幾何分佈。基於微影圖案，二維通道108、122、和124可具有幾何形狀，例如長方形、菱形、圓形、等等形狀。在XZ 平面中，硫屬元素原子的濃度輪廓可為線性輪廓、或幾何輪廓，例如長方形、梯形、菱形、橢圓形、半圓形、等等的幾何輪廓。二維通道108、122、和124的兩末端，例如，在間隙壁110或126下方，硫屬元素原子的濃度輪廓可為突然截止、或為幾何截止，如硫屬元素原子擴散進入金屬。幾何形狀可具有放射狀、菱形、橢圓形、半圓形、等等圖案。
參考第1A-1B圖，在一些實施例中，二維通道108和122的長度L和L’可實質上與閘極結構130閘極長度相同，例如，在約5 nm和約100 nm之間。參考第1A圖，在一些實施例中，二維通道108的高度H可為約0.7 nm和約2.8 nm之間。參考第1B圖，在一些實施例中，二維通道122的高度H1可為約0.7 nm和約2.8 nm之間。二維通道122的高度H1和源/汲極區118A-118B的高度H2之間的比值H1：H2可為約0.007和約0.6之間。參考第1C圖，在一些實施例中，二維通道124的長度L1可實質上與閘極結構130的閘極長度相同，例如，在約5 nm和約100 nm之間。二維通道124的長度L2可長於二維通道124的長度L1約1 nm 至約20 nm。二維通道124的高度H3可在約0.7 nm和約2.8 nm之間。二維通道124的高度H3和二維通道124的高度H4之間的比值H3：H4可在約1.25和約2.0之間。在一些實施例中，二維通道124的角可實質上為圓角而非直角。這些二維通道108、122、和124的維度範圍和比值，在源/汲極區106A-106B和二維通道108、122、和124之間，且在源/汲極區118A-118B和二維通道108、122、和124之間提供具低接觸電阻的最佳接觸面積，且不會影響元件尺寸和製造成本。
雖然第1A-1C圖描述的具低接觸電阻的二維通道場效電晶體100 具有金屬源/汲極區，源/汲極區可包括金屬氧化物或金屬氮化物。二維通道108、122、和124也可用於平面、鰭式薄膜通道場效電晶體(finFET)、全繞式閘極場效電晶體(GAA FET)、或奈米片(NS)裝置。
依據一些實施例，第2圖為根據一些實施例之第1A-1C圖所示不同等軸測圖的二維通道場效電晶體100的製造方法的流程圖。為了說明目的，將參考第3A-3B、4A-4B、5A-5C、6A-6C、7A-7D、8A-8C、9A-9C、10A-10C、11A-11C、和 12A-12C圖所示製造二維通道場效電晶體100(如第1A-1C圖所示不同的等軸測圖)的示例性製程，描述第2圖顯示的操作。第3A-12A圖為根據一些實施例之二維通道場效電晶體100在各個製程階段沿第1A圖所示等軸測圖的A-A切線的剖面圖。第3B-12B圖為根據一些實施例之二維通道場效電晶體100在各個製程階段沿第1B圖所示等軸測圖的B-B切線的剖面圖。第3A-4A、5C-6C、7C-7D、和 8C-12C圖為根據一些實施例之二維通道場效電晶體100在各個製程階段沿第1C圖所示等軸測圖的C-C切線的剖面圖。可在方法 200的各個操作之間進行額外製造操作，且為簡單起見可省略額外製造操作。這些額外製造操作在本揭露的精神與範圍內。而且，可不需進行此處揭露提供的全部操作。此外，可同時或以不同於第2圖所示流程的順序進行一些操作。應注意的是方法 200 可不產生完整的二維通道場效電晶體100。因此，應當理解，可以在方法200之前、期間和之後提供額外的操作，並且一些其他操作在本文中可能僅被簡要描述。第3A-3B、4A-4B、5A-5C、6A-6C、7A-7D、8A-8C、9A-9C、10A-10C、11A-11C、和12A-12C圖中的元件若與第1A-1C圖的元件為相同標號，則參考第1A-1C圖的描述。
參考第2圖，在操作202中，於設置在基板上的介電層上沉積一層或多層金屬層。舉例來說，如第3A圖所示，於設置在基板102上的介電層104上沉積一層金屬層106。舉例來說，如第3B.圖所示，於設置在基板102上的介電層104上沉積兩層金屬層118和120。介電層104可藉由化學氣相沉積(CVD)，流動式化學氣相沉積(flowable CVD)、或電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)沉積於基板102上。用於介電層104的其他製造技術是可能的。舉例而非限制，可一開始可於基板102上方毯覆沉積介電層104，隨後使用化學機械研磨(CMP)製程平坦化，使介電層104的頂面實質上共平面。金屬層106、118、和120可藉由濺鍍、物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)、或金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)沉積於介電層104上。金屬層106、118、和120可使用其他製造技術。在後續製程中，金屬層106、118、和120形成源/汲極區106A-106B、118A-118B、和120A-120B。因為對於何種金屬可用以形成過渡金屬硫屬化合物材料可能會有所限制，兩層不同的金屬層118和120可增加源/汲極區的彈性。
參考第2圖，在操作204中，在一層或多層金屬層上沉積硬遮罩層。如果金屬層多於一層，於頂金屬層上沉積硬遮罩層。舉例來說，如第4A-4B圖所示，在一些實施例中，於金屬層106和120上沉積硬遮罩層402。硬遮罩層402可包括金屬氧化物(MO x)、金屬氮化物(MN x)、金屬碳化物(MC x)、金屬鋁酸鹽(MAl xO y)、金屬氧化物(M1O x/M2O x)之組合、金屬矽酸鹽(MSiO x)、或上述之組合。在一些實施例中，在上述提及材料中的金屬為過渡金屬，例如，鉿(Hf)、鋯(Zr)、鈦(Ti)、或鋁(Al)，稀土金屬，例如，釔(Y)，鐿(Yb)、或鉺(Er)、或上述之組合。舉例而非限制，硬遮罩層402可包括氧化鋯(ZrO x)。在一些實施例中，硬遮罩層402可包括氧化鋯鋁(ZrAlO)，其鋁含量在約10原子百分比(“at. %”)和約25 at. %之間。在一些實施例中，硬遮罩層402可包括前述氧化鋯(ZrOx)和氧化鋯鋁(ZrAlO)層的交替層。在一些實施例中，可藉由熱或電漿的原子層沉積(ALD)方法沉積硬遮罩層402。可使用其他沉積方法，例如，化學氣相沉積(CVD)，只要這些其他沉積方法能在沉積製程期間能對薄膜厚度和粒子生成提供足夠控制。在一些實施例中，硬遮罩層402可耐化學製程和物理製程，且可保護源/汲極區106A-106B和120A-120B的頂面不會被後續硫屬元素處理。舉例而非限制，硬遮罩層402可為明顯薄於金屬層106、118、和120。
參考第2圖，在操作206中，形成穿過一層或多層金屬層和硬遮罩層的閘極開口。舉例來說，如第5A圖所示，在一些實施例中，形成穿過金屬層106和硬遮罩層402的閘極開口506。舉例來說，如第5B圖所示，在一些實施例中，形成穿過金屬層118和120、和遮罩層402的閘極開口506。舉例來說，如第5C圖所示，在一些實施例中，形成穿過金屬層106和硬遮罩層402的閘極開口516。閘極開口516可淺於閘極開口506，使第二蝕刻可回蝕刻閘極開口516中的金屬層106。
閘極開口506和516可藉由圖案化光阻(未顯示於第5A-5C圖中)形成。可圖案化光阻層，以便於硬遮罩層402上方形成圖案化光阻結構。光阻層的圖案化可藉由將光阻層暴露於紫外光(UV light)或極紫外光(EUV light)穿過倍縮光罩(reticle)(例如，光罩(photomask))和隨後移除光阻層未暴露部分(或暴露部分)完成。可根據圖案設計來變化圖案化光阻結構的間距(pitch)(例如，間隙(spacing))。因此，圖案化光阻結構的高密度和低密度區域(例如，不同間距或間隙的圖案化光阻結構)可形成於硬遮罩層402的不同區域上方。因為光阻層作成蝕刻遮罩，可保護硬遮罩層402免受蝕刻化學品損傷。
乾蝕刻製程可在圖案化光阻結構之間移除硬遮罩層402，和金屬層106、118、和120 ，以形成閘極開口506和516。換句話說，圖案化光阻結構可作為蝕刻遮罩以定義閘極開口506和516的幾何方面(高度和寛度)。舉例來說，圖案化光阻結構的寛度和間距可用以進一步定義最終閘極開口506和516的寛度和間距。可藉由乾蝕刻製程條件微調閘極開口506和516的側壁斜率(或側壁角度)。因此，可調整乾蝕刻製程條件以達到側壁閘極開口506和516的期望斜率。在一些實施例中，乾蝕刻製程可包括數個蝕刻子步驟和用於每個子步驟的不同蝕刻化學品。形成閘極開口506和516之後，可以濕式清潔製程(例如，濕式剝離)移除圖案化光阻結構。
乾蝕刻製程(例如，反應離子蝕刻製程)可使用具有碳氟化合物(C xF y)、氮氣(N 2)、和氬氣(Ar)的混合氣體。混合氣體可具有約10% 至約70%的碳氟化合物(C xF y)。閘極開口506和516可藉由額外的及/或其他的濕蝕刻製程形成。蝕刻製程可包括氫氟酸(HF)的稀釋溶液及緩衝劑，例如氟化銨(NH 4F)，稀釋氫氟酸(HF/H 2O)，磷酸(H 3PO 4)，硫酸/去離子水(H 2SO 4/H 2O)、或上述之任意組合。蝕刻製程可為選擇性蝕刻或時間蝕刻(timed etch)，以在閘極開口506和516的底部可形成薄金屬層。
參考第2圖，在操作208中，於閘極開口中沉積間隙壁材料層。舉例來說，如第6A-6C圖所示，在一些實施例中，間隙壁材料層602設置於閘極開口506和516中。可以電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)製程沉積間隙壁材料層602。也可使用其他適用的沉積製程。
參考第2圖，在操作210中，移除在閘極開口以外和在閘極開口的底部上的部分間隙壁材料層。舉例來說，如第7A-7C圖所示，在一些實施例中，移除在硬遮罩層402頂部和在閘極開口506和516的底部上的部分間隙壁材料層，於閘極開口506和516的側壁上形成間隙壁110和126。可藉由選擇性乾蝕刻移除在硬遮罩層402頂部和在閘極開口506和516的底部上的部分間隙壁材料層。選擇性乾蝕刻可為方向性的，且在沿Z軸的垂直方向上對間隙壁材料層602的蝕刻可明顯多於在沿X軸的水平方向上對間隙壁材料層602的蝕刻。在一些實施例中，蝕刻製程為非等向性—例如，在垂直方向上(例如，Z軸)的蝕刻率高於在水平方向上(例如，X軸)的蝕刻率。乾蝕刻製程可為反應離子蝕刻製程和可使用具有碳氟化合物(C xF y)、氮氣(N 2)、和氬氣(Ar)的混合氣體。在一些實施例中，蝕刻製程可為化學蝕刻和物理蝕刻的組合。在一些實施例中，蝕刻製程可包括多個以不同蝕刻化學品的蝕刻操作。可選擇蝕刻劑，以對硬遮罩層402和金屬層106和118具有低選擇比。在一些實施例中，蝕刻化學品可對硬遮罩層402和金屬層106和118具較低選擇比，且對間隙壁材料層602中的材料具高選擇比。間隙壁材料層602和硬遮罩層402之間，或間隙壁材料層602和金屬層106和118之間的選擇比值可約在 2和 10之間。舉例而非限制，間隙壁材料層602和硬遮罩層402之間的蝕刻選擇比可約為3：1，且間隙壁材料層602和金屬層106和118的蝕刻選擇比可約為10：1。
參考第2圖，在操作212中，選擇性的移除在閘極開口的底部的一層或多層金屬層。舉例來說，如第7D圖所示，在一些實施例中，以第二蝕刻進一步移除金屬層106。第二蝕刻可使用與形成閘極開口506和516的蝕刻製程實質上類似的製程。第二蝕刻可為方向性蝕刻、選擇性蝕刻、及/或時間性蝕刻。前述兩步驟蝕刻可在閘極開口516的底部形成特定形狀的薄金屬層，例如，針書針形。可使用額外蝕刻步驟，以形成不同形狀的薄金屬層，例如，半圓形、梯形、U型、等等。每一道蝕刻步驟可使用相同或不同蝕刻技術，例如，乾蝕刻、濕蝕刻、時間性蝕刻、方向性蝕刻、或選擇性蝕刻。
參考第2圖，在操作214中，在閘極開口的底部形成二維通道。舉例來說，參考第7A-7B、7D、和 8A-8C圖的描述，在閘極開口506和516的底部形成二維通道108、122、和124。如第7A、7B、和7D圖所示，在一些實施例中，以硫屬元素氣體704處理結構700。硫屬元素氣體704可包括硫基或硒基氣體，硫或硒的粉末/氣體，硫化氫(H 2S)或硒化氫(H 2Se)、二硫化氫(H 2S 2)或二硒化氫(H 2Se 2) 、二噻吩二矽雜環己二烯(dithienodisilacyclohexadiene, DTDS)、第三丁硫醚 (di-tert-butyl sulfide, DTBS) 、二乙硫醚 (diethyl sulfide, DES)、等等。硫屬元素氣體704可包括氫(H)、氯(Cl)、氟(F)、等等。對硫屬元素氣體704的處理(“硫屬元素處理”)可為化學氣相沉積(CVD)、電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)、或具脈衝吹除(pulse purge)的原子層沉積(ALD)製程。硫屬元素處理可為具連續氣體供應的化學氣相沉積(CVD)製程。硫屬元素處理可為電漿輔助的，例如，感應耦合電漿(ICP)、電容耦合電漿(CCP)、微波、電子迴旋共振(ECR)電漿、等等。電漿輔助功率可在約50 W和約5000 W之間。具有電漿輔助的硫屬元素處理溫度可在約300 ⁰C和約800 ⁰C之間，無電漿輔助的硫屬元素處理溫度可在約500 ⁰C和約1100 ⁰C之間。硫屬元素氣體的流速可在約0.5 sccm和約10 sccm之間。氬氣(Ar)或氮氣(N 2)之保護氣體的流速可在約5 sccm和約1000 sccm之間。氫(H2)電漿氣體的流速可在約0 sccm和約100 sccm之間。製程腔體的壓力可在約1 Torr和約10 Torr之間。硫屬元素處理可基於將形成二維通道的成長率和期望厚度以預定時間持續。可方向性施加硫屬元素氣體704。硬遮罩層402可保護金屬層106和120的頂面免於被硫屬元素氣體704處理。間隙壁110和126可保護金屬層106和120的側壁免於被硫屬元素氣體704處理。
參考第8A-8C圖，硫屬元素處理可在閘極開口506和516 中的薄金屬層的頂部形成硫屬元素原子的單層或多層，其材料與金屬層106和118相同。硫屬元素原子的單層或多層可擴散進入薄金屬層且形成包括過渡金屬硫屬化合物材料的二維通道108、122、和124。硫屬元素處理可在二維通道108、122、和124的中心內生成高遷移率通道。硫屬元素處理可在源/汲極區106A-106B和118A-118B之下生成淺摻雜源/汲極(LDD)。硫屬元素處理可進一步在二維通道的兩末端，例如在間隙壁110或126之下，造成過渡金屬硫屬化合物材料的梯度分佈。梯度分佈可實現從二維通道108、122、和124至源/汲極區106A-106B和118A-118B的半導體-半金屬-金屬功函數轉變。前述轉變可降低在二維通道108和源/汲極區106A-106B之間、在二維通道124和源/汲極區106A-106B之間、在二維通道122和源/汲極區118A-118B之間的蕭特基位障高度(SBH)，意即微調蕭特基位障高度(SBH)，以導致低接觸電阻。硫屬元素原子擴散進入薄金屬層也可在二維通道108、122、和124的頂面和底面之間造成連續的介質。前述連續性可降低二維通道108、122、和124的頂面和底面之間的凡德瓦能隙(van der Waals gap)，且進一步降低接觸電阻。
參考第8B圖，二維通道122可與源/汲極區118A-118B具有梯度接觸而導致低接觸電阻。在源/汲極區118A-118B和120A-120B之間的金屬-金屬接觸實質上不會增加接觸電阻或實質影響全部接觸電阻。因為對於可被硫屬元素處理以形成二維通道的金屬類型可能會有所限制，所以使用兩層金屬層可增加源/汲極區金屬的選擇彈性。使用兩層金屬層的另一優點可為，相較於金屬層120，金屬層118對介電層104可具有較佳黏著度。
參考第8C圖，二維通道124可為訂書針形或為其他形狀。不同形狀的二維通道124可增加在二維通道124和源/汲極區106A-106B之間的接觸面積，因而降低接觸電阻。
參考第2圖，在操作216中，於閘極開口中形成閘極結構。舉例來說，參考如第9A-11C圖的描述形成閘極結構130。如第9A-9C、10A-10C、和11A-11C圖所示，在一些實施例中，於二維通道108、122、和124的頂部上的閘極開口506和516中沉積閘極介電層902，功函數金屬層1002，和填充金屬層1102。參考第9A-9C圖，閘極介電層902形成於硬遮罩層402的頂部上、二維通道108、122、和124的頂部上和間隙壁110和126的側壁上。可使用任何合適的製程形成閘極介電層902。舉例來說，可使用電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)、化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、或原子層沉積(ALD)製程沉積閘極介電層902。閘極介電層902可維持二維通道108、122、和124中的載子遷移率。
參考第10A-10C圖，於閘極介電層902的頂部上形成功函數金屬層1002。功函數與功函數金屬層1002的材料組成相關，因此可選擇功函數金屬層1002的材料以微調其功函數，以達到期望的臨界電壓(threshold voltage, V t)。可藉由電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)、化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、原子層沉積(ALD)、或金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)製程、濺鍍、其他合適的沉積方法、或上述之任意組合形成功函數金屬層1002。
參考第11A-11C圖，於功函數金屬層1002的頂部上形成填充金屬層1102。填充金屬層1102填充閘極開口506和516中其餘的空間。可藉由電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)、化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、原子層沉積(ALD)、或金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)製程、濺鍍、其他合適的沉積方法、或上述之任意組合形成填充金屬層1102。
在一些實施例中，研磨填充金屬層1102、功函數金屬層1002、閘極介電層902、間隙壁110和126、和硬遮罩層402 ，使前述層與金屬層106和120實質上共平面。在一些實施例中，形成前述層(填充金屬層1102、功函數金屬層1002、閘極介電層902、間隙壁110和126、和硬遮罩層402)之後，使用例如化學機械研磨(CMP)的平坦化製程， 移除前述層(填充金屬層1102、功函數金屬層1002、閘極介電層902、間隙壁110和126、和硬遮罩層402)在金屬層106和120上方的額外厚度。在各種實施例中，也可使用其他平坦化/蝕刻製程以降低前述層，使其實質上共平面。
參考第2圖，在操作218中，形成接觸結構。舉例來說，參考如第12A-12C圖的描述，形成接觸結構(閘極接觸結構)144和接觸結構(源/汲極接觸結構)142A和142B。如第12A-12C圖所示，在一些實施例中，可藉由化學氣相沉積(CVD)製程，於閘極結構130、間隙壁110、和源/汲極區106A-106B和120A-120B上沉積層間介電層140。可藉由微影圖案化製程和蝕刻製程，於層間介電層140中形成接觸開口。前述蝕刻製程可為乾蝕刻製程、濕蝕刻製程、或上述之組合。接觸開口的側壁可實質上垂直或傾斜。接觸開口的位置、形狀和尺寸僅為了說明目的。可藉由電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)、化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、原子層沉積(ALD)、或金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)製程、濺鍍、其他合適的沉積方法、或上述之任意組合，於接觸開口中沉積導電金屬。可使用例如化學機械研磨(CMP)的平坦化製程，移除導電金屬的額外厚度，以形成接觸結構142A、142B、和144。形成接觸結構142A、142B、和144之後， 形成如第1A-1C圖所示的二維通道場效電晶體100。
本揭露有關於一種具低接觸電阻的二維通道場效電晶體(例如，二維通道場效電晶體100)及使用通道後製製程形成此結構的方法(例如，方法200)。通道後製製程意指在形成源/汲極區之後形成通道。在一些實施例中，形成穿過金屬層的閘極開口(例如，閘極開口506或516)，金屬層例如鈦(Ti)、鎢(W)、或鉬(Mo)，在閘極開口的底部留下薄金屬層。以硫屬元素材料，例如硫(S)、硒(Se)、或碲(Te)，處理前述薄金屬層以形成二維通道(例如，二維通道108，122、或124)。可於二維通道中形成過渡金屬硫屬化合物材料。前述硫屬元素處理可於二維通道的中心內產生高遷移率通道。前述硫屬元素處理可於源/汲極區(例如，源/汲極區106A-106B和118A-118B)之下生成淺摻雜源/汲極(LDD)。硫屬元素處理可進一步在二維通道的兩末端造成過渡金屬硫屬化合物材料的梯度分佈。梯度分佈可實現從二維通道至源/汲極區的半導體-半金屬-金屬功函數轉變。前述轉變可降低二維通道和源/汲極區之間的蕭特基位障高度(SBH)，意即微調蕭特基位障高度(SBH)，以導致低接觸電阻。硫屬元素原子擴散進入薄金屬層也可降低二維通道的頂面和底面之間的凡德瓦能隙(van der Waals gap)，且進一步降低接觸電阻。
在一些實施例中，以兩步驟蝕刻製程形成閘極開口，留下訂書針形(staple-shaped)二維通道。訂書針形二維通道可增加二維通道和源/汲極區之間的接觸面積，因而降低接觸電阻。通過使用不同蝕刻步驟的組合，二維通道可為其他形狀，例如，半圓形、梯形、U型、等等。
在一些實施例中，源/汲極區可使用兩層金屬層。二維通道可與第一金屬層具有梯度接觸，而導致低接觸電阻。在第一金屬層和第二金屬層之間的金屬-金屬接觸不會增加接觸電阻。因為對於可被硫屬元素處理以形成二維通道的金屬類型可能會有所限制，所以使用兩層金屬層可增加源/汲極區接觸金屬的選擇彈性。
在一些實施例中，提供一種半導體結構的製造方法，方法包括於半導體基板上沉積介電層，於介電層上沉積金屬層，且於金屬層上沉積硬遮罩層。方法更包括藉由移除部分硬遮罩層和部分金屬層形成閘極開口。方法更包括於閘極開口的側壁上沉積間隙壁材料層和形成通道，通道包括在閘極開口的底部的過渡金屬硫屬化合物(TMC)層。方法更包括於通道上和閘極開口中形成閘極結構以及移除硬遮罩層。
在一些實施例中，方法更包括於形成通道之前在閘極開口的底部移除另一部分金屬層。
在一些實施例中，形成通道包括將位於閘極開口之下的部分金屬層暴露於溫度在約300 ⁰C和約800 ⁰C之間的硫屬材料基氣體或電漿。
在一些實施例中，形成通道包括以硫屬材料基氣體處理閘極開口的底部。
在一些實施例中，形成通道包括在閘極開口的底部形成硫化物層、硒化物層或碲化物層。
在一些實施例中，形成通道包括在閘極開口之下形成二硫化鎢(WS 2)層、二硒化鎢(WSe 2)層、二硫化鉬(MoS 2)層、二硒化鉬(MoSe 2)層、或上述之組合層。
在一些實施例中，通道包括在通道的中心的高遷移率區，且硫屬元素原子的濃度輪廓在通道末端呈線性或指數下降。
在一些實施例中，形成通道包括形成過渡金屬硫屬化合物層，其具有硫屬元素原子的濃度輪廓，濃度輪廓的圖案包括放射狀、半圓形、菱形或橢圓形。
在一些實施例中，形成通道包括形成長方形、菱形、橢圓形、訂書針形、半圓形、梯形或U形圖案的過渡金屬硫屬化合物層。
在一些實施例中，形成閘極結構包括於閘極開口中形成閘極介電層；於閘極介電層上形成功函數金屬(WFM)層；以及於功函數金屬層上形成填充金屬層。
在一些實施例中，提供一種半導體結構的製造方法，方法包括於設置在基板上的介電層上沉積第一金屬層，於第一金屬層上沉積第二金屬層，且藉由移除部分第一金屬層和部分第二金屬層形成閘極開口。方法更包括於閘極開口的側壁上沉積間隙壁和形成在閘極開口的底部和第一金屬層中形成通道，通道包括過渡金屬硫屬化合物(TMC)層。方法更包括於通道上和閘極開口中形成閘極結構，閘極結構包括閘極介電層、功函數金屬(WFM)層、以及填充金屬層。
在一些實施例中，方法更包括將在閘極開口之下的部分第一金屬層暴露於溫度在約300 ⁰C和約800 ⁰C之間的硫屬材料基氣體或電漿。
在一些實施例中，形成通道包括以溫度在約500 ⁰C和約1100 ⁰C之間的硫屬材料基氣體且在無電漿情況下處理閘極開口的底部。
在一些實施例中，形成通道包括在閘極開口的底部和第一金屬層中形成硫化物層、硒化物層或碲化物層。
在一些實施例中，其中通道包括二硫化鎢(WS 2)層、二硒化鎢(WSe 2)層、二硫化鉬(MoS 2)層、二硒化鉬(MoSe 2)層、或上述之組合層。
在一些實施例中，提供一種半導體結構， 結構包括介電層，設置於基板上，源/汲極(S/D)區，設置於介電層上，源/汲極區括金屬材料，和閘極結構，設置在源/汲極區之間，其中閘極結構包括閘極介電層、功函數金屬(WFM)層、以及填充金屬層。結構更包括間隙壁，插入在每一個源/汲極區和閘極結構之間，以及通道，連接源/汲極區且與介電層接觸，通道包括過渡金屬硫屬化合物(TMC)層。
在一些實施例中，通道包括在通道的中心的高遷移率區，且硫屬元素原子的濃度輪廓在通道末端呈線性或指數下降。
在一些實施例中，通道包括硫屬元素原子的濃度輪廓，濃度輪廓的圖案包括放射狀、半圓形、菱形或橢圓形。
在一些實施例中，通道包括長方形、菱形、橢圓形、訂書針形、半圓形、梯形或U形圖案。
應當理解，實施方式段落，而不是揭露部分的摘要，旨在用於解釋請求項。本揭露的的摘要部分可以闡述發明人所設想的本揭露的一個或多個實施例，但不是所有可能的實施例，並且因此不旨在以任何方式限制附屬請求項。
以上概述數個實施例之特徵，以使所屬技術領域中具有通常知識者可以更加理解本揭露的觀點。所屬技術領域中具有通常知識者應理解，可輕易地以本揭露為基礎，設計或修改其他製程和結構，以達到與在此介紹的實施例相同之目的及/或優勢。在所屬技術領域中具有通常知識者也應理解，此類均等的結構並無悖離本揭露的精神與範圍，且可在不違背本揭露之精神和範圍下，做各式各樣的改變、取代和替換。
100:二維通道場效電晶體 102:基板 104:介電層 106,118,120:金屬層 106A,106B,118A,118B,120A,120B:源/汲極區 108,122,124:二維通道 110,126:間隙壁 112:閘極介電層 114:功函數金屬層 116:填充金屬層 130:閘極結構 140:層間介電層 142A,142B,144:接觸結構 200:方法 202,204,206,208,210,212,214,216,218:操作 402:硬遮罩層 506,516:閘極開口 700:結構 704:硫屬元素氣體 902:閘極介電層 1002:功函數金屬層 1102:填充金屬層 A-A,B-B,C-C:切線 L,L’:長度 H,H1,H2,H3:高度
以下將配合所附圖式詳述本揭露實施例。應注意的是，依據在業界的標準做法，各種特徵並未按照比例繪製且僅用以說明例示。事實上，可任意地放大或縮小元件的尺寸，以清楚地表現出本發明實施例的特徵。 第1A、1B、和1C圖為根據一些實施例之二維通道場效電晶體的等軸測圖。 第1D和1E圖為根據一些實施例之二維通道場效電晶體中的濃度輪廓。 第2圖為根據一些實施例之二維通道場效電晶體的製造方法的流程圖。 第3A-3B、4A-4B、5A-5C、6A-6C、7A-7D、8A-8C、9A-9C、10A-10C、11A-11C、和12A-12C圖為根據一些實施例之二維通道場效電晶體在各個製程階段的剖面圖。
200:方法
202,204,206,208,210,212,214,216,218:操作

Claims (1)

  1. 一種半導體結構的製造方法，包括： 於一半導體基板上沉積一介電層； 於該介電層上沉積一金屬層； 於該金屬層上沉積一硬遮罩層； 藉由移除部分該硬遮罩層和部分該金屬層形成一閘極開口； 於該閘極開口的側壁上沉積一間隙壁材料層； 形成一通道，該通道包括在該閘極開口的一底部的一過渡金屬硫屬化合物層； 於該通道上和該閘極開口中形成一閘極結構；以及 移除該硬遮罩層。
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