具有多個(gè)閾值電壓的本征溝道平面型場效應(yīng)晶體管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開通常涉及半導(dǎo)體器件，并且尤其涉及通過柵極電介質(zhì)堆疊體修改而具有不同閾值電壓的平面型場效應(yīng)晶體管及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高級(jí)半導(dǎo)體芯片采用具有不同閾值電壓、每單位寬度的導(dǎo)通電流和每單位寬度的截止電流的多個(gè)類型的場效應(yīng)晶體管。具有高閾值電壓的場效應(yīng)晶體管典型地稱為“低功率”器件，該“低功率”器件具有低導(dǎo)通電流和低截止電流。具有低閾值電壓的場效應(yīng)晶體管稱為“高性能”器件，該“高性能”器件具有高導(dǎo)通電流和高截止電流。通過采用低功率器件和高性能器件的混合，半導(dǎo)體芯片可以以優(yōu)化功率消耗水平提供最佳性能。
[0003]使用小尺度場效應(yīng)晶體管的摻雜溝道引起摻雜劑濃度中的隨機(jī)變化從而引起閾值電壓的變化。因此，期望在不依靠控制溝道摻雜的情況下控制閾值電壓。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在半導(dǎo)體襯底中設(shè)置包括一個(gè)或者多個(gè)本征半導(dǎo)體材料的本征溝道。在本征溝道上形成高介電常數(shù)(高k)柵極電介質(zhì)層。使擴(kuò)散勢皇金屬氮化物層沉積并且圖案化以阻擋高k柵極電介質(zhì)層的至少一個(gè)部分，而物理地暴露高k柵極電介質(zhì)層的至少另一個(gè)部分。在高k柵極電介質(zhì)層和擴(kuò)散勢皇金屬氮化物層的物理暴露部分上形成閾值電壓調(diào)節(jié)氧化物層。執(zhí)行退火以將閾值電壓調(diào)節(jié)氧化物層的材料驅(qū)動(dòng)至一個(gè)或者多個(gè)本征溝道與高k柵極電介質(zhì)層之間的界面，引起閾值電壓調(diào)節(jié)氧化物部分的形成。形成至少一個(gè)功函數(shù)材料層，并且將其與高k柵極電介質(zhì)層和閾值電壓調(diào)節(jié)氧化物部分一起圖案化以形成多個(gè)類型的柵極堆置體。
[0005]根據(jù)本公開的方面，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括:包括第一柵極堆疊體的場效應(yīng)晶體管、包括第二柵極堆疊體的第二場效應(yīng)晶體管和包括第三柵極堆疊體的第三場效應(yīng)晶體管。第一柵極堆疊體包括第一高介電常數(shù)(高k)電介質(zhì)部分和接觸第一高k電介質(zhì)部分的第一柵極電極。第一高k電介質(zhì)部分包括具有大于4.0的介電常數(shù)的第一高k電介質(zhì)材料并且覆蓋在第一半導(dǎo)體溝道區(qū)域上。第二柵極堆疊體包括閾值電壓調(diào)節(jié)氧化物部分、包括第一高k電介質(zhì)材料的第二高k電介質(zhì)部分和接觸第二高k電介質(zhì)部分的第二柵極電極。閾值電壓調(diào)節(jié)氧化物部分包括具有大于4.0的介電常數(shù)并且與第一高k電介質(zhì)材料不同的第二高k電介質(zhì)材料并且覆蓋在第二半導(dǎo)體溝道區(qū)域上。第三柵極堆疊體至少包括第三高k電介質(zhì)部分和接觸第三高k電介質(zhì)部分的第三柵極電極，該第三高k電介質(zhì)部分包括第一高k電介質(zhì)材料。第一場效應(yīng)晶體管和第三場效應(yīng)晶體管是互補(bǔ)類型的場效應(yīng)晶體管。
[0006]根據(jù)本公開的另一個(gè)方面，提供了形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法。在半導(dǎo)體襯底中多個(gè)半導(dǎo)體材料區(qū)域上形成包括第一高k電介質(zhì)材料的高介電常數(shù)(高k)電介質(zhì)層。形成擴(kuò)散勢皇金屬氮化物層并且對(duì)其進(jìn)行圖案化，以使得高k電介質(zhì)層的至少一個(gè)部分物理地暴露，而高k電介質(zhì)層的至少另一個(gè)部分由擴(kuò)散勢皇金屬氮化物層的圖案化部分覆蓋。在高k電介質(zhì)層和圖案化擴(kuò)散勢皇金屬氮化物層上形成閾值電壓調(diào)節(jié)氧化物層。閾值電壓調(diào)節(jié)氧化物層包括第二高k電介質(zhì)材料。通過退火引起第二高k電介質(zhì)材料擴(kuò)散通過第一高k電介質(zhì)材料。圖案化的擴(kuò)散勢皇金屬氮化物層阻擋第二高k電介質(zhì)材料擴(kuò)散通過其中，以及在多個(gè)半導(dǎo)體材料區(qū)域中的至少一個(gè)上直接形成至少一個(gè)閾值電壓調(diào)節(jié)氧化物部分。去除圖案化的擴(kuò)散勢皇金屬氮化物層。在高k電介質(zhì)層上形成至少一個(gè)導(dǎo)電材料層。通過對(duì)至少一個(gè)導(dǎo)電材料層、高k電介質(zhì)層和至少一個(gè)閾值電壓調(diào)節(jié)氧化物部分進(jìn)行圖案化以形成柵極堆疊體。
【附圖說明】
[0007]圖1是根據(jù)本公開第一實(shí)施例在形成地平面部分和淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之后的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直截面視圖。
[0008]圖2是根據(jù)本公開第一實(shí)施例在形成可棄式柵極堆疊體、柵極間隔物以及源極和漏極區(qū)之后的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直截面視圖。
[0009]圖3是根據(jù)本公開第一實(shí)施例在移除可棄式柵極堆疊體以及形成柵極空腔之后的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直截面視圖。
[0010]圖4是根據(jù)本公開第一實(shí)施例在沉積高介電常數(shù)(高k)柵極電介質(zhì)層和擴(kuò)散勢皇金屬氮化物層之后的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直截面視圖。
[0011]圖5是根據(jù)本公開第一實(shí)施例在對(duì)擴(kuò)散勢皇金屬氮化物層進(jìn)行圖案化之后的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直截面視圖。
[0012]圖6是根據(jù)本公開第一實(shí)施例在沉積閾值電壓調(diào)節(jié)氧化物層以及可選沉積蓋帽材料層之后的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直截面視圖。
[0013]圖7是根據(jù)本公開第一實(shí)施例在本征溝道與高k柵極電介質(zhì)層之間形成閾值電壓調(diào)節(jié)氧化物部分的退火之后以及在移除可選蓋帽材料層和圖案化的擴(kuò)散勢皇金屬氮化物層之后的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直截面視圖。
[0014]圖8是根據(jù)本公開第一實(shí)施例在沉積和圖案化第一功函數(shù)材料層以及沉積第二功函數(shù)材料層之后的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直截面視圖。
[0015]圖9是根據(jù)本公開第一實(shí)施例在從平坦化電介質(zhì)層的頂表面上面對(duì)功函數(shù)材料層和電介質(zhì)材料層進(jìn)行平坦化之后的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直截面視圖。
[0016]圖10是根據(jù)本公開第一實(shí)施例在形成接觸面電介質(zhì)層和各種接觸通孔結(jié)構(gòu)之后的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直截面視圖。
[0017]圖11是根據(jù)本公開第二實(shí)施例的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的變型的垂直截面視圖。
[0018]圖12是根據(jù)本公開第二實(shí)施例在沉積高介電常數(shù)(高k)柵極電介質(zhì)層和擴(kuò)散勢皇金屬氮化物層之后的第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直截面視圖。
[0019]圖13是根據(jù)本公開第二實(shí)施例在對(duì)擴(kuò)散勢皇金屬氮化物層進(jìn)行圖案化之后的第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直截面視圖。
[0020]圖14是根據(jù)本公開第二實(shí)施例在沉積閾值電壓調(diào)節(jié)氧化物層以及可選沉積蓋帽材料層之后的第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直截面視圖。
[0021]圖15是根據(jù)本公開第二實(shí)施例在本征溝道與高k柵極電介質(zhì)層之間形成閾值電壓調(diào)節(jié)氧化物部分的退火之后的第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直截面視圖。
[0022]圖16是根據(jù)本公開第二實(shí)施例在沉積和圖案化第二功函數(shù)材料層以及沉積第二功函數(shù)材料層之后的第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直截面視圖。
[0023]圖17是根據(jù)本公開第二實(shí)施例在形成柵極堆疊體之后的第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直截面視圖。
[0024]圖18是根據(jù)本公開第二實(shí)施例在形成柵極間隔物以及源極和漏極區(qū)之后的第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直截面視圖。
[0025]圖19是根據(jù)本公開第二實(shí)施例在形成接觸面電介質(zhì)層和各種接觸通孔結(jié)構(gòu)之后的第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的垂直截面視圖。
[0026]圖20是根據(jù)本公開第二實(shí)施例的變型的第二示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的變型的垂直截面視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]如上所述，本公開涉及通過柵極電介質(zhì)堆疊體修改而具有不同閾值電壓的平面型場效應(yīng)晶體管及其制造方法?，F(xiàn)在參照附圖對(duì)本發(fā)明的方面進(jìn)行詳細(xì)描述。相似和對(duì)應(yīng)元件由相似參考數(shù)字指代。附圖中各種元件的比例并沒有按比例繪制。如此處使用的，序數(shù)(諸如“第一”和“第二”)僅僅用于區(qū)分相似元件，并且不同序數(shù)可以用于指明說明書和/或權(quán)利要求中的相同元件。
[0028]參照?qǐng)D1，根據(jù)本公開第一實(shí)施例的第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體襯底8。半導(dǎo)體襯底8包括具有物理暴露的頂表面的半導(dǎo)體材料層。在一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底8可以是包括操作襯底10、掩埋絕緣體層12和頂部半導(dǎo)體層的垂直堆疊體(自下而上)的絕緣體上半導(dǎo)體(SOI)襯底。頂部半導(dǎo)體層可以在整個(gè)層上包括相同的半導(dǎo)體材料或者可以包括多個(gè)區(qū)域，該多個(gè)區(qū)域包括不同半導(dǎo)體材料。替換地，半導(dǎo)體襯底8可以是體半導(dǎo)體襯底，包括與SOI襯底的頂部半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)上和功能上等效的頂部部分，并且該頂部部分包括配置為在不同器件區(qū)域當(dāng)中提供電隔離的各種摻雜阱。
[0029]第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以包括各種器件區(qū)域。在非限制性例示性示例中，第一示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以包括第一器件區(qū)域100A、第二器件區(qū)域100B、第三器件區(qū)域100C、第四器件區(qū)域200A、第五器件區(qū)域200B和第六器件區(qū)域200C。為了形成另外器件的目的可以提供另外的器件區(qū)域(未示出)。此外，可以在器件區(qū)域(100A、100B、100C、200A、200B、200C)中的每一個(gè)中形成器件的多個(gè)實(shí)例?？梢酝ㄟ^各種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)20使器件區(qū)域(100A、100B、100C、200A、200B、200C)中的每一個(gè)彼此電隔離，該淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)20可以包括諸如氧化硅和/或氮化硅的電介質(zhì)材料。第一類型器件區(qū)域(100A、100B、100C)可以用于形成第一類型場效應(yīng)晶體管，以及第二類型器件區(qū)域(200A、200B、200C)可以用于形成第二類型場效應(yīng)晶體管。因此，第一、第二和第三場效應(yīng)晶體管可以是第一類型場效應(yīng)晶體管，以及第四、第五和第六場效應(yīng)晶體管可以是第二類型場效應(yīng)晶體管。在一個(gè)實(shí)施例中，第一類型可以是P型以及第二類型可以是η型。在另一個(gè)實(shí)施例中，第一類型可以是η型以及第二類型可以是P型。
[0030]如此處使用的，采用術(shù)語“第一類型”和“第二類型”以區(qū)分用于P型器件的元件與用于η型器件的元件。在一個(gè)實(shí)施例中，“第一類型”元件可以是用于P型平面型場效應(yīng)晶體管的元件以及“第二類型”元件可以是用于η型平面型場效應(yīng)晶體管的元件。替換地，“第一類型”元件可以是用于η型平面型場效應(yīng)晶體管的元件以及“第二類型”元件可以是用于P型平面型場效應(yīng)晶體管的元件。第一類型場效應(yīng)晶體管和第二類型場效應(yīng)晶體管是互補(bǔ)類型的場效應(yīng)晶體管，即，可以用于形成互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件的相反類型。因此，P型場效應(yīng)晶體管是相對(duì)于η型場效應(yīng)晶體管的互補(bǔ)類型的場效應(yīng)晶體管，反之亦然。
[0031]在一個(gè)實(shí)施例中，器件區(qū)域(100A、100B、100C、200A、200B、200C)中的每一個(gè)可以包括摻雜半導(dǎo)體材料部分和本征半導(dǎo)體材料部分的垂直堆疊體(自下而上)。在每個(gè)器件區(qū)域內(nèi)，摻雜半導(dǎo)體材料部分和本征半導(dǎo)體材料部分可以包括相同半導(dǎo)體材料并且它們?cè)诮M成上的不同可以僅在于在摻雜半導(dǎo)體材料部分中存在電摻雜劑(P型摻雜劑或者η型摻雜劑)以及在本征半導(dǎo)體材料部分中不存在電摻雜劑。此外，在每個(gè)器件區(qū)域(100Α、100Β、100C、200A、200B、200C)內(nèi)，摻雜半導(dǎo)體材料部分和本征半導(dǎo)體材料部分的整個(gè)堆疊可以包括相同單晶半導(dǎo)體材料。
[0032]例如，第一器件區(qū)域100A可以包括第一摻雜半導(dǎo)體材料區(qū)域22A與第一本征半導(dǎo)體材料區(qū)域23A’的底表面接觸的垂直堆疊體，第二器件區(qū)域100B可以包括第二摻雜半導(dǎo)體材料區(qū)域22B與第二本征半導(dǎo)體材料區(qū)域23B’的底表面接觸的垂直堆疊體，第三器件區(qū)域100C可以包括第三摻雜半導(dǎo)體材料區(qū)域22C與第三本征半導(dǎo)體材料區(qū)域23C’的底表面接觸的垂直堆疊體，第四器件區(qū)域200A可以包括第四摻雜半導(dǎo)體材料區(qū)域24A與第四本征半導(dǎo)體材料區(qū)域25A’的底表面接觸的垂直堆疊體，第五器件區(qū)域200B可以包括第五摻雜半導(dǎo)體材料區(qū)域24B與第五本征半導(dǎo)體材料區(qū)域25B’的底表面接觸的垂直堆疊體，以及第六器件區(qū)域200C可以包括第六摻雜半導(dǎo)體材料區(qū)域24C與第六本征半導(dǎo)體材料區(qū)域25C’的底表面接觸的垂直堆疊體。
[0033]在一個(gè)實(shí)施例中，第一摻雜半導(dǎo)體材料區(qū)域22A、第二摻雜半導(dǎo)體材料區(qū)域22B和第三摻雜半導(dǎo)體材料區(qū)域22C可以包括第一導(dǎo)電類型的摻雜劑，以及第四摻雜半導(dǎo)體材料區(qū)域24A、第五摻雜半導(dǎo)體材料區(qū)域24B和第六摻雜半導(dǎo)體材料區(qū)域24C可以包括第二導(dǎo)電類型的摻雜劑，該第二導(dǎo)電類型與第一導(dǎo)電類型相反。例如，第一導(dǎo)電類型可以是P型以及第二導(dǎo)電類型可以是η型，或者反之亦然。
[0034]摻雜