[发明专利]形成具有栅极电极的替换栅极结构的方法

说明书

技术领域

一般而言，本揭露是关于精密半导体装置的制造，更明确地是指形成具有沉积型介金属化合物材料所组成栅极电极的替换栅极的各种方法。

背景技术

如CPU、储存装置、ASIC（特殊应用集成电路）及诸如此类等先进集成电路的制造需要根据指定的电路布局在给定芯片区域中形成大量电路组件。场效晶体管（NOMS和PMOS）表示一种实质决定此等集成电路效能的重要电路组件类型。在使用例如MOS技术制造复杂集成电路期间，数百万个例如NMOS晶体管及/或PMOS晶体管的晶体管是予以在包括结晶半导体层的衬底上形成。场效晶体管无论是NMOS或PMOS装置都属于包括有源极区、漏极区、位于源极区与漏极区之间的信道区、以及位于信道区之上的栅极电极的平面型装置。

在场效晶体管中，信道区的导电率，也就是导电信道的驱动电流能力，是受控于在信道区之上形成并且由薄栅极绝缘层予以自其隔开的栅极电极。因施加适当控制电压至栅极电极而形成导电信道时信道区的导电率此外取决于信道内的掺质浓度、电荷载体的迁移率以及对于信道区以晶体管宽度方向给定延伸介于源极与漏极之间也称为晶体管信道长度的距离。因此，结合对栅极电极施加适当控制电压时绝缘层之下轻易产生导电信道的能力，信道区的导电率实质影响场效晶体管的效能。所以，由于部份取决于栅极电极导电率产生信道的速度并且信道电阻率实质决定晶体管的特性，信道长度比例化、以及与其相关信道电阻率降低和栅极电阻率增加为用于提升集成电路操作速度的主导性设计工作。

对于许多早期装置技术产生，大部份晶体管组件的栅极电极结构已由复数如二氧化硅及/或硅氮氧化物栅极绝缘层之类硅基材料加上多晶硅栅极电极所组成。然而，随着积极(aggressively)比例化晶体管组件的信道长度已渐渐变小，许多较新世代装置使用包含替代材料的栅极电极堆栈以避免与信道长度缩减的晶体管中使用传统硅基材料相关的短信道效应。例如，在某些信道长度大约10至20奈米(nm)等级的积极比例化晶体管组件中，包含所谓高k介电/金属栅极(HK/MG)配置的栅极电极堆栈已显示相较于先前较常用的二氧化硅/多晶硅(SiO/poly)配置提供显著增强的操作特性。

取决于特定整体装置需求，许多不同高k材料（也就是，介电常数，或称k值，近似10或更大的材料）已取得不同成功程度用于HK/MG栅极电极结构中的栅极绝缘层。例如，在某些晶体管组件设计中，高k栅极绝缘层可包括氧化钽(Ta₂O₅)、氧化铪(HfO₂)、氧化锆(ZrO₂)、二氧化钛(TiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、硅酸铪(HfSiO_x)及诸如此类。再者，一或多种非多晶硅金属栅极电极材料（也就是，金属栅极堆栈）可用在HK/MG配置中以便控制晶体管的工函数。这些金属栅极电极材料可包括例如一或多层钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钛铝(TiAl)、铝(Al)、氮化铝(AlN)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)、碳化钽(TaC)、钽碳氮化物(TaCN)、钽硅氮化物(TaSiN)、碳化钽(TaSi)及诸如此类。

已用于形成具有高k/金属栅极结构的晶体管的一种熟知的处理方法为所谓的「栅极后制」或「替换栅极」技术。第1A至1D图描述一种使用栅极后制技术形成HK/MG替换栅极结构的描述性先前技术方法。如图1A所示，制程包括在浅沟槽隔离结构11所界定主动区中半导体衬底10之上形成基本晶体管结构100。装置100于图1A中所示的制造点包括牺牲栅极绝缘层12、虚设(dummy)或牺牲栅极电极14、侧壁隔离物16、一层绝缘材料17以及在衬底10上形成的源极/漏极区18。装置100的各种组件和结构可使用各种不同材料并且通过实施各种已知技术予以形成。例如，牺牲栅极绝缘层12可由多晶硅所组成，侧壁隔离物16可由硅氮化物所组成以及该层绝缘材料17可由二氧化硅所组成。源极/漏极区18可由使用已知掩模及离子布植技术予以布植到衬底10内的布植掺质材料（NMOS装置用N型掺质和PMOS装置用P型掺质）所组成。当然，本领域技术人员将知道存在为了清楚未在图式中描述的晶体管100其它特征。例如，通常在高效能PMOS晶体管中发现的各种硅/锗层或区域以及未在图式中描述的所谓晕圈布植区。于图1A中所述制造点，已形成装置100各种结构并且已实施化学机械研磨制程(CMP)以移除牺牲栅极电极14之上的任何材料（如硅氮化物组成的保护帽层（图未示））以至于至少可移除牺牲栅极电极14。