[发明专利]在半导体装置上形成替代栅极结构的方法

说明书

本发明公开一种在半导体装置上形成替代栅极结构的方法,其包括：除其它以外，围绕鳍片形成鳍片保护层；在该鳍片保护层的部分上方形成牺牲栅极电极；邻近该牺牲栅极电极形成至少一个侧间隙壁；移除该牺牲栅极电极以定义栅极开口，该栅极开口暴露该鳍片保护层的部分；氧化该鳍片保护层的至少该暴露部分，从而形成该鳍片保护层的氧化部分；以及移除该鳍片保护层的该氧化部分，从而暴露该栅极开口内的该鳍片的表面。

技术领域

本发明通常涉及集成电路的制造，尤其涉及在半导体装置上形成替代栅极结构的各种方法。

背景技术

目前，在例如微处理器、存储装置等集成电路中，在有限的芯片面积上设置并运行有大量的电路组件，尤其是晶体管。近几十年来已在增加电路组件(例如晶体管)的性能以及缩小其特征尺寸方面取得了极大的进步。不过，增强电子装置的功能性的持续需求迫使半导体厂商不断缩小电路组件的尺寸并提高电路组件的操作速度。但是，特征尺寸的持续缩小要求在重新设计制程技术、开发新的制程策略及工具方面做出巨大努力，以符合新的设计规则。通常，高性能集成电路产品例如高性能微处理器会包含数十亿个独立场效应晶体管(field effect transistor；FET)。这些场效应晶体管通常以开关模式工作，也就是说，这些装置呈现高导通状态(开状态；on-state)和高阻抗状态(关状态；off-state)。场效应晶体管的状态由栅极电极控制。在施加适当的控制电压后，该栅极电极控制在该晶体管的漏区与源区之间形成的沟道区的电导率。晶体管装置可具有各种形式，例如所谓平面晶体管装置、三维(3D)或FinFET装置等。

图1A显示形成于半导体衬底B上方的示例现有技术FinFET半导体装置“A”的立体图。参考该图以在很高层面解释FinFET装置的一些基本特征。在这个例子中，FinFET装置A包括三个示例鳍片C、栅极结构D、侧间隙壁E以及栅极覆盖层F。栅极结构D通常由例如高k绝缘材料(k值为10或更大)或二氧化硅层的绝缘材料层(未单独显示)以及充当装置A的栅极电极的一个或多个导电材料层(例如金属和/或多晶硅)组成。鳍片C具有三维配置：高度H、宽度W以及轴向长度L。在装置A操作时，轴向长度L与装置A中的电流行进的方向对应。由栅极结构D覆盖的鳍片C的部分是FinFET装置A的沟道区。在传统的流程中，通过执行一个或多个外延生长制程，可使位于间隙壁E的外部(也就是装置A的源/漏区中)的鳍片C的部分的尺寸增加或甚至使其合并在一起(图1A中未图示的情形)。在FinFET装置中，栅极结构D可包围鳍片C的全部或部分的两侧及上表面以形成三栅极结构，也就是形成具有三维结构而非平面结构的沟道。在一些情况下，在鳍片C的顶部设置绝缘覆盖层(未图示)，例如氮化硅，这样FinFET装置仅有双栅极结构(仅侧壁)。与平面FET不同，在FinFET装置中，沟道垂直于半导体衬底的表面而形成，以缩小该半导体装置的物理尺寸。此类FinFET装置的栅极结构D可通过使用所谓“先栅极”或“替代栅极”(后栅极)制造技术来制造。

对于许多早期的装置技术，大多数晶体管组件(平面或FinFET装置)的栅极结构由多种硅基材料组成，例如二氧化硅和/或氮氧化硅栅极绝缘层结合多晶硅栅极电极。不过，随着尺寸不断缩小的晶体管组件的沟道长度日益缩小，许多较新一代的装置使用包含替代材料的栅极电极，以试图避免可能与沟道长度缩小的晶体管中传统硅基材料的使用相关联的短沟道效应。例如，在一些尺寸不断缩小的晶体管组件中(其可具有约10至32纳米或更小的沟道长度)，实施的栅极结构包括所谓高k介电栅极绝缘层以及作为栅极电极的一个或多个金属层(HK/MG)。与此前较传统的二氧化硅/多晶硅栅极结构配置相比，这样的另类栅极结构经证明能够提供显着增强的操作特性。

如上所述，在形成平面装置或三维装置时可使用替代栅极制程。图1B至1J是经由鳍片C的长轴(也就是沿电流传输方向)所作的剖视图，以简单并理想化显示在FinFET晶体管装置上通过使用替代栅极技术形成HK/MG替代栅极结构的一种示例现有技术方法。