TWI353054B - Tri-gate and gate around mosfet devices and method - Google Patents

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TWI353054B
TWI353054B TW093101516A TW93101516A TWI353054B TW I353054 B TWI353054 B TW I353054B TW 093101516 A TW093101516 A TW 093101516A TW 93101516 A TW93101516 A TW 93101516A TW I353054 B TWI353054 B TW I353054B
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Judy Xilin An
Haihong Wang
Bin Yu
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Advanced Micro Devices Inc
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Description

1353054 第93101516號專利申請案 (99年2月25日） 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種半導體製造方法，更詳而言之， 係有關於一種三閘極與閘極環繞之金屬氡化半導體場效應 電晶體裝置及其製造方法。 【先前技術】 裝置尺寸的縮小已成為驅使積體電路性能的改進與積 體電路成本降低之重要因素。由於閘極氧化物（gate_〇xide) 的厚度與源極/汲極（S0UrCe/drain ; S/D)接面深度之限制， 將現有的金屬氧化半導體場效應電晶體裝置塊體（_)縮 小至0.1微米以下之製程，即使可能的話’也是很困難的。 是故，需要新的裝置結構與新的材料來改進場效應電晶體 性能。 e雙閘極（double-gate)金屬氧化半導體場效應電晶體係 選用來取代現有的平面金屬氧化半導體場效應電晶體之新 裝置。於雙閘極金屬氧化半導體場效應電晶體中，詨雔閘 極係用以控制該通道，俾有效的防止短通道（sWt-cilnL) 效應之發生。鰭式場效應電晶體（FinFET)係為—種包括於 :直鰭部(fin)中形成有通道之雙閘極結構。儘管有雙閘極 結構’鰭式場效應電晶體仍於佈局與製程技術方面與現有 的平面金屬氧化半導體場效應電晶體類似。相較於其他摊 = 鰭式場效應電晶體亦提供通道長度的：佈： CMOS相容性、以及較大的填裝密度。 【發明内容】 (修正本)92529 5 1353054 第93101516號專利申請案 《99年2月25曰） 结本發明所揭露之技術内容係提供一種三閘極與閘極環 繞之金屬氧化半導體場效應電晶體裝置及其製造方法。 據本發明之一個態樣，本發明之三閘極金屬氧化半 :a昜效應電BB體包括鰭部結構、形成於鄰接該鰭部結構 之第—側邊的第一閘極 '形成於鄰接該鰭部結構相對於該 第侧邊之第一側邊的第二閘極以及形成於該鰭部結構上 端的上端閘極。 _ 本發明之另—態樣’本發明之問極環繞金厲氧化 ..半V體％效應電晶體係包括複數韓部形成於鄰接該複數鰭 部其中一韓部之第一側壁閘極結構，形成於鄰接該複數趙 ^其中另一個韓部之第二側壁閘極結構，形成於該複數鶴 -P ’、中個或多個鰭部上之上端閘極結構以及形成於該複 .數鰭部其中一者或多個鰭部下之底部閘極結構。 依據本發明之又一態樣，本發明係提供一種於金屬氧 化半導體場效應電晶體中形成閘極之方法。該方法係包括 攀於基板上形成II部結構；於鄰接該韓部結構處形成側壁問 極結構；以及於該鰭部結構上形成上端間極結構。 - 依據本發明之再—態樣，本發明係提供一種於金屬氧 .化半導體場效應電晶體令形成閘極之方法。該方法係包括 於基板上形成鰭部結構；於鄰接該鰭部結構處形成侧壁閘 極結構；移除該鰭部結構的一個或多個部分以形成複數鰭 部’·於該些鐘部之下形成至少一個額外的閘極結構；以及 於该些鰭部之上形成至少一個額外的閘極結構。 併入並構成本說明書之一部份的圖式係連同說明部份 (修正本)92529 6 丄 第93101516號專利f請案 (99年2月25日） 而用來說明顯示本發明之實施例用 【實施方式】 特定的具體實施例說明本發明之實施方 式…。此技蟄之人士可由本說明書所揭示之内容_易地 瞭解本發明之其他優點| + 1 ^ ^ 門谷粒易地 的且辦眘*… 本發明亦可藉由其他不同 的具體貫把例加以施行或鹿 _ 可基於不同觀點盘應用，： ：、中的各項細節亦 種修飾與變更。、 ^本發明之精神下進行各 明實施例之詳細說明將伴隨圖式揭露如下，於不 同圖式中的相同元件符號係用以表示相同或相似的元件。 此外’ ^下之詳細說明並非用以限定本發明。相反地，本 發明之範_係由所附之申請專利範圍或其等效者所定義。 本發明所揭露之技術内容係提供—種三閑極與閑極環 繞之金屬减半導體場效應€晶體裝置及其製造方法。 [三閘極金屬氧化半導體場效應電晶體] 第1圖係為例示的流程圖，用以顯示依據本發明所揭 露之方法製造三閘極金屬氧化半導體場效應電晶體的製 程。第2至第6圓係為例示的剖面圖，用以顯示依據第i 圖之製程所製造之三閘極金屬氧化半導體場效應電晶體。 請同時參閲第1與第2圖，製程可由半導體裝置· 開始。半導體裝置20"包括絕緣層上覆邦iiie〇n 〇n
Insuiat〇r; S〇I)結構，該結構包括石夕基板21〇、埋入氧化声 220以及於該埋入氧化層220上W埋入氧化層 220與石夕層230可透過習知的方法形成於石夕基板21〇上。 (修正本)92529 7 丄妁：3〇54 第93101516號專利申請索 (99年2月25日)' 該埋入氧化層220之里庳 义厚度可例如為約500埃（Α)至3000埃 之間。該矽層230之里庠-ρνι, 、 厚度可例如為200埃至1000埃之間。 應了解到該矽磨230 # ^ 一 仏用以形成該鰭部。於可替代的其他 貫施例中，石夕暮你9〗Λ ”矽層230可包括其他半導體材料 鍺）或，、他如錯切等半導體材料的化合物。埋入氧化 層220可包括卜石々—、 夕或其他類型的介電材料。 閑極介電層2 4 0 "st、©11 了選擇性的透過沉積或熱生長於該矽 層230上（步凝| n 0a 1 a 驟）。閘極介電層240可於大約5埃至3〇 Ϊ L度二圍間予以形成。間極介電層2 4 °可包括習知如 卜 —化石夕)之介電材料。於其他的實施方式中，如 鼠化石夕之介電材料可用以作為該閑極介電材料。 、上端閘極電極層250可選擇沉積於該閘極介電層24〇 亡以形成該上端閉極(步驟12〇)。上端閘極電極層㈣可以 大約100埃至1〇〇〇埃 F # 矢之马度靶圍間予以形成。一些導 材料可用為該上端闡搞士托；a a " 電極声… 舉例而言，上端閘極 私 匕括金屬(如.鎢'鈕、鋁、鎳、釕、鍺、鈀、 鉑、鈦、鉬等），包含化合 .^ ^ ^ 金屬（如.虱化鈦、氮化鉅、 氧化舒朴或㈣的半導體材料（如多晶⑦、多晶料等）。 ^層260(或硬遮罩）可選擇形成於該上端閉極電極 曰 之上端以支援圖案最佳化並於後續的製程中保護上 端閘極電極層250(步驟13 ^ /平巧句5，覆盍層260可包 括氦化梦材料或—也並它類划的分把 ^ 一 型的材枓，而能夠於後續的勢 程中保護該閘極電極。覆芸《 7、杀β 、 拉 透過如化學氣相沉積 (CVD)而沉積大約介於！⑼埃至_埃之厚度範圍。 (修正本)92529 8 1353054 第93101516號專利申請案 (99年2月25曰） 矽$ 230、閘極介電層24〇以及上端閘極電極層Μ。 可透過白知的微影技術（如電子光束（EB)微影技術）予以圖 案化。如第3圖所示1層230與層24G/250接著可利用 習知的姓刻技術予以姓刻藉以形成結構 構300包括鰭部31〇、門炻入士思〇) ^ 310閘極介電層240 '上端閘極電極層 250以及覆盖層260。链邱人 % °丨J 1 υ的見度可大约介於50埃至 1 ο ο 〇埃範圍之間。 、 、依據該結構300的形態，埋入氧化層220的部分可透 過如習^之-種或多種㈣技術加以移除（步驟150)。於其 中種只把方式尹，埋入氧化層22〇可被姓刻至大約㈣ 埃至⑽埃間的深度範圍。如第4圖所示，於姓刻期間， 可移除於鰭部310下方之埋入氧化層220的部分。 如第4圖所示，側壁閘極41〇與42〇可接著予以形成 (步驟副）。舉例而言，間極介電層㈣可選㈣的利Μ 知技術以沉積或熱生長於該結構3〇〇的側表面上。閑極介 電層430可於大約5埃至3〇 令 < 与度靶圍間予以形成。閘 極介電層430可包括習知的介雷 屯材料’如氧化物（如二氧化 砂）。於另一實施方式中，氮化 ΒΒ 矽或其他材料可用以形成該 閘極介電層。 如第4圖所不，接菩沉籍pq & 者儿槓閘極電極層440於半導體穿 ^上，以形成側壁閑極電極。閉極電極層44〇可於： 約100埃至1000埃之厚度範圊 番k 又乾圍間予以形成。與該上端閘極 %極層250相同者，一也材粗^^^ Δ 用以形成該閘極電極層 。如第4圖所示，該 e 440可使用例如化學機 (修正本)92529 9 1353054 第93101516號專利中嗜姿 (99 年 2 月 25
械研磨（Chemical-M cwuanicai 备 〇llshing ; CMP)予以平土曰 化’籍以暴露出該覆蓋層26〇之 一 側壁間極410與420。 丨表面並形成二個分離的 /第5圖所示，接著可選擇移除覆蓋層260'上端門 極，極層250以及閘極介電層24〇(步驟勢舉例而+甲， 遮罩或相似的結構可以習知的方法予以利用，以令覆: 勝上端間極電極層請以及閘極介電層 ^ 時=壁閘極一。的影響減至最，卜於二 。方式閘極介電層240可選擇原封不動的留下來如 不與覆盍層260以及上端閘極電 包仪嘈250 一同移除）。 如弟6圖所示，接著可選遲 180)。兴初& ^ 成上端閘極61〇(步驟 j/ 間極介電材料620可選擇性的再次生+ =Γ部310上。於此情況下，間極介電材料^ 介於於間極介電層240相同的材料，且可形成大約 以保/ ^的厚度範圍。此外，閘極介電層24〇可予 介電著可選擇性沉積電極材料㈣於開極 介電材料620上，以形成上端…0。 =:電材料63。可包括與用於上端閘極電極層25。 二材料，且可透過沉積形成大約介於 %的厚度範圍。 峽主1000 如，二::::Γ半導體裝置2〇°可包括三個閘極(例 用的金Γ 、側壁間極420以及上端閉極㈣）。習 魏+導體場效應電晶體製程 ，金屬氧化半導體場效應電晶體之電晶體：： (修正本)92529 10 1353054 第93101516號專利申請案 (99年2月25日） 源極與汲極區域）、接點 '内連結構以及層間（inter_level) 介電層。 [閘極環繞金屬氧化半導體場效應電晶體] 第7圖係為例示的流程圖，用以顯示依據本發明所揭 露之方法製造閘極環繞金屬氧化半導體場效應電晶體的製 程。第8至第i ;z圖係為例示的剖面圖；甩以顯示依據第7 圖之製程所製造之閘極環繞金屬氧化半導體場效應電晶 肢。製程可由半導體裝置8〇〇開始。半導體裝置8〇〇可包 括絕緣層上覆石夕結構，該絕緣層上覆♦結構包括石夕基板 8 1 〇、埋入氧化層820以及矽層83 0 〇該絕緣層上覆矽結構 可類似於第2圖所揭露之結構。可選擇的，閘極介電層84〇 (步驟710)、上端閘極電極層85〇(步驟72〇)以及覆蓋層86〇 (步驟730)可以同於前述第】圓中步驟11〇至13〇所揭露之 方法而形成於該絕緣層上覆矽結構上。 矽層830、閘極介電層84〇以及上端閘極電極層85( 可透過習用的微影技術（如電子光束微影技術等）進行圖案 化。如第9圖所示，石夕層δ3〇以及層84〇/85〇接著可透過 習知的蝕刻技術進行蝕刻，以形成結構9〇〇(步驟74〇)。社 構_包括鶴部91〇、間極介電層84〇、上端閑極電極層 “Ο以及覆蓋層860。依據本發明，鰭部91〇相當寬。舉例 而言，該縫部9Η)之寬度的範圍可大約介於5〇埃至劇 埃間。 、干u iu /日<邵分可 如習知的触刻技術予以移除（步 々夕丨示（少驟750)。於—個實施 π (修正本>92529 丄： 第93101516號專利申請案 (99年2月25曰） Γ可制埋入氧化層82G至約⑽埃至、約500埃之深度 摩•如第Μ圖所示，於_過程中，鰭部则下的埋入 氧化層820之部分可予以移除。 卜圖所示，接著可形成側壁閘極1 0 1 〇與1 020(步 驟760)。舉例而言，閉 v 』蚀；丨電層1 〇3〇可利用習知技術加 、積或，，、' 生長之。閘極介電層i030可包括習用如氧化物 (如二氧切）等之介電材料。於其他實施方式巾，氛化石夕 或/、他的材料均可用作為該閘極介電材料。 側壁問極電極層1040可沉積於該半導體裝置800上。 側:鳩電極層1040可形成在大約100埃至测埃的厚 度乾圍内。盘却μ Λα, «Β » /、上而閘極電極層850相同者，多數的材料 :用為側壁開極電極層1〇4〇。如第1〇圖所示，側壁閘極 B…〇可利用如化學機械研磨予以平坦化，藉以暴露 s 860之上表面並形成二個分離的側壁閘極101 〇 與 1020 。 如弟U圖所示，接著可選擇性移除覆蓋層㈣、上端 閘極电極層850、閘極介電層84〇以及—個或多個鰭部川 枯/刀（步驟770)。舉例而言，習用的圖案化技術與钱刻 術I用以在最不影響側壁閘極1010與1020的情況下移 示覆现層860、上端間極電極層85〇、閑極介電層mo以及
::或多個鰭部910的部分。於另一實施方式巾，閘極介 電層84 0可误渥,)4 K 、擇的原封不動地留存於鰭部9 1 0未移除的 部分上。如第1 ]圖糾_ 弟 圖所不，鰭部910的蝕刻可終止於埋入最 化層820之上’藉以形成二分離的鰭部111 0。每一個鰭部 (修正本)92529 10 第93101516號專利中請幸 (99年2月25日] mo具有大約在50埃至]〇〇〇柃ps
^ _ 峡主1000埃間的寬度範圍。如第U 圖所不，形成有兩個鰭部丨m ^ 、乃一貫施方式中，可形 成超過二個以上的鶴部1 1 1 〇。 如第12圖所示’接著閘極介電材料1210可透過熱生 長於該鰭部11_1〇暴露的表 ^ ^驟780)。舉例而言，閘 極介電材料1210可生成至女约ς % 成 习D铁芏約30埃間的厚度。 ^介電材料mo可包括與用為閘極介電層84〇相同的材 '。可選擇的’閘極介電層840可保留於鰭部⑴0的上表 面上’而該閘極介電材料 的側表面上。 了生長於該鰭部⑴。暴露 如第圖所示，接著可形成額外的閘極(步驟州。 2而言，間極電極材料1220可選擇性的沉積於該閑極介 電層840/閘極介電材料121〇 ^ M I成額外的閘極。閘 極電極材料1220可包括與用 丄碲閘極電極層850及/或 側壁閘極電極層i 〇4〇相同的 ..= 仞7叶且j，儿積至大約介於1 00 夭至1000埃範圍内的厚度。 如第12圖所示’半導體裝置刚可包括四 側壁閘極1010 '侧壁閉極10 工挪闸極1230以及底都 閘極1240)。上端間極】23〇可形成於韓部】】】〇之上，-而 底部閘極1240則可形成於鰭部111〇之下。習 化半導體場效應電晶體製程可用以實現柽广 屬氧化半導體場效應電晶體之電晶體(如形 榀F a、 & 成该源極與汲 °°域）、接點、内連結構以及層間介電層。 [本發明之其它實施例] (修正本)92529 13 1353054 第931〇ι516號專利申請案 (99年2月25日） 於現有的技術中所極f要的便是將多晶㈣極中換雜 :擴散與活動所要求的熱預算減至最少。第η至第㈣ „ , 用以顯不將多晶矽閘極中擴散活動摻 雜物所需求的熱預算減至最少，第13圖所示，韓部13〇〇 可形成於如絕緣層上覆石夕基板等之基板上。韓部Η。"使 用例如前述該些實施方式中所揭露的製程而予以形成。 h如第14圖所示’薄形多晶碎材料1彻可沉積於趙部 300之上。可執行離子植入製程藉以推雜換雜物至多晶矽 材料1400中。接著執行習知的退火⑻製程。如第 15圖所示：此些步驟可重複-次或更多次。換言之，鰭部 uoo可接受多次的多晶矽沉積 '植入以及退火製程藉以將 摻雜該多晶矽所要求的熱預算減至最少。 、另-個於現有的技術中所亟需要的則是形成高摻雜的 不連續接面。第1 6至第1 8圖係為例示的流程圖，用以顯 示形成高摻雜不連續接面之製程。第16圖係用以顯示例示' 的韓式場效應電晶冑16G()的上視圖。鋒式場效應電晶體 1600包括鰭部161〇與閘極電極162〇。第17圖係用以顯示 鰭式場效應電晶體1 600的側視圖。鰭式場效應電晶體】6〇〇 包括源極區域1710、汲極區域172〇以及通道173〇。源極 區域1710以及汲極區域172〇可植入摻雜物。 如第18圖所示，於摻雜製程之後，源極區域ΐ7ι〇以 及汲極區域1720可透過沉積金屬於源極/汲極區域而予以 矽化，並隨著退火製程而形成金屬_矽化物材料。摻雜物可 累積於該通道介面藉以形成高濃度的不連續接面。 (修 JL 本)92529 14 1353054 第93101516號專利申請案 (99年2月25日） [結論] 依,¾本發明之原則所福咬夕者# + 2 斤揭路之貝鈿方式係提供一種三閘 極與閘極環繞之金屬氧 匕牛導體％效應電晶體裝置及其製 遺方法。 田本發明之實施例之前述敘述提供了說明與敘述，而非 ^限制本發明1於上述教示進行修飾與變化，或者可 由本發明之實施而取得修飾與變化。 舉例而&，於前述之内空_ φ，担山—. ^ ^ 、心内合中楗出了多數具體的細節， 如特定的材料 '結構、化學物品、製程等等’藉以透徹的 了解依據本發明的各種實施方式。然而，前述的該些實施 方式或其他的實施方式係可在不憑藉於此所述的細節而予 以貫現m f知的製程結構並未詳細揭露於本說 明書中，以避免不必要的模糊了本發明之特徵所在。於實 施本發„，可利用習知的沉積、微影以及飯刻等技術， 而S亥些技術的細節於此將不予贅述。 雖然業已詳細說明關於第i與第7圖之一系列步驟， 但是可依據本發明的其他實施方式來改變該等步驟之順 序。此外，這些步驟可予以同時執行而不互相依持者。 除非於說明書已明有說明，否則沒有任何使用於本案 說明書中之元件' 步驟或指示對本發明而言是關鍵性或不' 可或缺者。此外，本說明書中所使用的「一」係包括「一 個」或「多個」項目。僅於特別強調「—個」時^才7*使i用“〇ne” 或類似之語詞。本發明之範4係由申請專利範圍及其等效 者所定義。 、 (修正本)92529 15 1353054 第93101516號專利申請案 (99年2月25日） 【圖式簡單說明】 第1圖係為例示的流程圖，用以顯示依據本發明之實 ％方法製造三閘極金屬氧化半導體場效應電晶體的製程； .. 第2至第6圖係為例示的剖面圖，用以顯示依據第1 圖所述之製程所製造之三閘極金屬氧化半導體場效應電晶 •體； 第7圖係為例示的流程圖，用以顯示依據本發明之實 ®施方法製造閘極環繞金屬氧化半導體場效應電晶體的製 程； 弟8至弟12圖係為例示的剖面圖，用以顯示依據第7 圖之製程所製造之閘極環繞金屬氧化半導體場效應電晶 •體； 〜 • 弟13至弟1 5圖係為以將於多晶石夕閘極中擴散活動摻 雜物所需求的熱預算（budget)減至最少之例示的流程圖； 以及 第16至第18圖係為例不的流程圖，用以顯示形成高 摻雜不連續接面之製程。 - 【主要元件符號說明】 • 、120、130、140、150、160、170、180 ' 71〇、72〇、 730、740 ' 750、760、770、780、790 步驟 200、800半導體裝置 210、810矽基板 220、82 0埋入氧化層 230、830矽層 240、43 0、840、1〇3〇 閘極介電層 250 上端閘極電極層 260、S60覆蓋層 (修正本)92529 16 1353054 · 第93101516號專利申請索
300、900 結構 310、910、1 1 10 ' 1300、1610 鰭部 410、420 側壁閘極 610、1230上端閘極 63 0 上端閘極電極材料 1010、1020侧壁閘極 1220 閘極電極材料 1400多晶矽材料 1620 閘極電極 1720汲極區域 440 閘極電極層 620、 1 2 1 0閘極介電材料 850 上間極電極層 1040 側壁閘極電極層 1240 底部閘極 1600 韓式場效應電晶體 1710 源極區域 1730 通道 (修正本)92529 17

Claims (1)

  1. U53〇54
    第93101516號專利申請索 (99年9月 16日） -拾、申請專利範圍： ..種於金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET) (200)中形成閘極的方法，包括下列步驟： 形成鰭部結構（31〇)於基板上（2 1〇); * 形成閘極介電層（240)於該鰭部結構（wo)之上； 开’成上端閘極電極層（25〇)於該閘極介電層（240) 形成複數個鄰接該鰭部結構（3 1 〇)之側壁閘極結構 (410、420);以及 形成上端閘極結構（6 1 〇)於該鰭部結構（3丨〇)之上端 上； 其中’該形成上端閘極結構（6 1 0)之步驟包括： 移除該上端閘極電極層（250)。 2.如申請專利範圍第丨項之方法，其中，該形成上端閘極 % 結構（61〇)之步驟復包括： 移除該閘極介電層（240)以暴露該鰭部結構（3 1〇); 形成閘極介電層（620)於該鰭部結構（31〇)之上；以 及 沉積閘極材料（630)於該鰭部結構（3 10)之上。 3 •—種於金屬氧化物半導體場效應電晶體（M0SFET) (8 0 〇)中形成閘極的方法，包括： 形成鰭部結構（9 10)於基板（8 10)上； 形成複數個鄰接該鰭部結構（9 1 0)之側壁閘極結構 (1010 ' 1020)； 18 (修正本)92529 1353054 93101516號專利申請案 99_年9月 16日） 移除該鰭部結構（9 10)之一個或多個部分，以形成 複數個鰭部（1110); 形成一個額外的閘極結構（1 240)於該等韓部（丨丨丨〇) 之下；以及 形成一個額外的閘極結構（1230)於該等鰭部（丨〗丨〇) 之上。 4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中，該形成一個額外 的閘極結構（1230)之步驟包括： 形成閘極介電材料（1210)於該等鰭部（111〇)上；以 及 沉積閘極電極材料（1220)於該閘極介電材料（12〗〇) 上。 5. —種閘極環繞金屬氧化物半導體場效應電晶體 (MOSFET)(800)，包括： 複數個鰭部（1 1 10); 第一侧壁閘極結構（10 10)，係鄰接於該等鳍部（111〇) 之其中一者而形成； 第二側壁閘極結構（1020)，係鄰接於該等鰭部（1 i 1〇) 之其中另一個而形成； 上端閘極結構（1230)，係形成於該等複數個雜部 (1110)上，•以及 … 底部閘極結構（1240)，係形成於該等複數個鰭部 (11 1 0)之下。 (修正本)92529 19
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