DE102016117166A1 - SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF - Google Patents
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Abstract
Eine Halbleitervorrichtung enthält einen ersten Feldeffekttransistor (FET), der eine erste Gate-Dielektrikumschicht und eine erste Gate-Elektrode enthält. Die erste Gate-Elektrode enthält eine erste untere Metallschicht und eine erste obere Metallschicht. Die erste untere Metallschicht enthält eine erste darunterliegende Metallschicht in Kontakt mit der ersten Gate-Dielektrikumschicht und einer ersten Volumenmetallschicht. Eine Unterseite der ersten oberen Metallschicht steht in Kontakt mit einer Oberseite der ersten darunterliegenden Metallschicht und einer Oberseite der ersten Volumenmetallschicht.A semiconductor device includes a first field effect transistor (FET) including a first gate dielectric layer and a first gate electrode. The first gate electrode includes a first lower metal layer and a first upper metal layer. The first bottom metal layer includes a first underlying metal layer in contact with the first gate dielectric layer and a first volume metal layer. A lower surface of the first upper metal layer is in contact with an upper surface of the first underlying metal layer and an upper surface of the first bulk metal layer.
Description
QUERVERWEIS AUF DER VERWANDTE ANMELDUNGENCROSS-REFERENCE TO THE RELATED APPLICATIONS
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung 62/272,031, eingereicht am 28. Dezember 2015, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird.This application claims the benefit of US Provisional Patent Application 62 / 272,031, filed on Dec. 28, 2015, the entire disclosure of which is hereby incorporated by reference herein.
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, und betrifft insbesondere eine Struktur und ein Herstellungsverfahren für eine Metall-Gate-Struktur.The disclosure relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly relates to a structure and a manufacturing method for a metal gate structure.
HINTERGRUNDBACKGROUND
In dem Maße, wie die Halbleiterindustrie in dem Bemühen um eine höhere Bauelementdichte, höhere Leistung und geringere Kosten in den Bereich der Nanometertechnologieprozessknoten vorgedrungen ist, haben die Herausforderungen im Zusammenhang mit den Herstellungs- und Designproblemen zur Entwicklung dreidimensionaler Designs, wie zum Beispiel einem Fin-Feldeffekttransistor (Fin-FET), und zur Verwendung einer Metall-Gate-Struktur mit einem Material mit hohem k-Wert (hoher Dielektrizitätskonstante) geführt. Die Metall-Gate-Struktur wird oft unter Verwendung von Gate-Ersatztechnologien hergestellt.As the semiconductor industry has advanced into the field of nanometer technology process nodes in an effort to provide higher device density, higher performance, and lower cost, the challenges associated with manufacturing and design problems for developing three-dimensional designs, such as a finite state of the art, have increased. Field effect transistor (Fin-FET), and led to the use of a metal gate structure with a material of high k (high dielectric constant). The metal gate structure is often fabricated using gate replacement technologies.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Die vorliegende Offenbarung wird am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Figuren gelesen wird. Es wird darauf hingewiesen, dass gemäß der gängigen Praxis in der Industrie verschiedene Strukturelemente nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind und allein für Veranschaulichungszwecke verwendet werden. Die Abmessungen der verschiedenen Strukturelemente können im Interesse der Übersichtlichkeit der Besprechung nach Bedarf vergrößert oder verkleinert werden.The present disclosure will be best understood from the following detailed description when read in conjunction with the accompanying drawings. It should be noted that, in accordance with current industry practice, various structural elements are not drawn to scale and are used for illustrative purposes only. The dimensions of the various structural elements may be increased or decreased as needed for the sake of clarity of the meeting.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
Es versteht sich, dass die folgende Offenbarung viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale der Erfindung bereitstellt. Konkrete Ausführungsformen oder Beispiele von Komponenten und Anordnungen werden unten beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Dies sind natürlich lediglich Beispiele, die nicht als einschränkend zu verstehen sind. Zum Beispiel sind die Abmessungen von Elementen nicht auf den offenbarten Bereich oder die offenbarten Werte beschränkt, sondern können von den Prozessbedingungen und/oder den gewünschten Eigenschaften der Vorrichtung abhängen. Darüber hinaus kann die Ausbildung eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen die ersten und zweiten Merkmale in direktem Kontakt ausgebildet werden, und können auch Ausführungsformen umfassen, bei denen weitere Merkmale zwischen den ersten und zweiten Merkmalen ausgebildet sein können, so dass die ersten und zweiten Merkmale möglicherweise nicht in direktem Kontakt stehen. Verschiedene Merkmale können aus Gründen der Einfachheit und Klarheit beliebig in verschiedenen Maßstäben gezeichnet seinIt should be understood that the following disclosure provides many different embodiments or examples for implementing various features of the invention. Specific embodiments or examples of components and arrangements are described below to simplify the present disclosure. Of course, these are just examples that should not be construed as limiting. For example, the dimensions of elements are not limited to the disclosed range or values, but may depend on the process conditions and / or the desired characteristics of the device. In addition, the formation of a first feature over or on a second feature in the following description may include embodiments in which the first and second features are formed in direct contact, and may also include embodiments in which further features between the first and second features may be formed so that the first and second features may not be in direct contact. Various features may be arbitrarily drawn at different scales for the sake of simplicity and clarity
Des Weiteren können räumlich relative Begriffe, wie zum Beispiel „unterhalb”, „unter”, „unterer”, „oberhalb”, „oberer” und dergleichen, im vorliegenden Text verwendet werden, um die Beschreibung zu vereinfachen, um die Beziehung eines Elements oder Strukturelements zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturelementen zu beschreiben, wie in den Figuren veranschaulicht. Die räumlich relativen Begriffe sollen neben der in den Figuren gezeigten Ausrichtung noch weitere Ausrichtungen der Vorrichtung während des Gebrauchs oder Betriebes umfassen. Die Vorrichtung kann auch anders ausgerichtet (90 Grad gedreht oder anders ausgerichtet) sein, und die im vorliegenden Text verwendeten räumlich relativen Deskriptoren können gleichermaßen entsprechend interpretiert werden. Außerdem kann der Begriff „hergestellt aus” entweder „umfasst” oder „besteht aus” bedeuten.Furthermore, spatially relative terms such as "below," "below," "lower," "above," "upper," and the like, may be used herein to simplify the description to describe the relationship of an element Structure element to describe one or more other elements or structural elements, as illustrated in the figures. The spatially relative terms are intended to include, in addition to the orientation shown in the figures, further orientations of the device during use or operation. The device may also be otherwise oriented (90 degrees rotated or otherwise oriented), and the spatially relative descriptors used herein may equally be interpreted accordingly. In addition, the term "made from" may mean either "comprises" or "consists of".
Die Rippenstruktur
Das Substrat
Die Rippenstrukturen
Nach dem Ausbilden der Isolierschicht
Dann werden die Dummy-Gate-Strukturen
Die Dummy-Gate-Strukturen enthalten des Weiteren eine Maskenisolierschicht
Wie in
Dann werden, wie in
Nach einer Planarisierungsoperation auf der ersten ILD-Schicht
Dann wird, wie in
Des Weiteren wird eine erste Austrittsarbeitjustier(Work Function Adjustment, WFA)-Schicht
Dann wird eine zweite WFA-Schicht
Dann wird, wie in
Dann wird, wie in
Nachdem jeder der Gate-Räume mit der ersten Metallschicht
Während des Einrückungsätzens werden die erste WFA-Schicht
Dann wird, wie in
Anschließend wird eine Planarisierungsoperation ausgeführt, um den oberen Abschnitt des abgeschiedenen zweiten Metallmaterials
Die planarisierten zweiten Metallschichten
Dann werden, wie in
Um die isolierenden Kappschichten
Dann wird eine zweite ILD
In der oben angesprochenen Ausführungsform werden die zweiten Metallschichten mittels einer Deckschichtabscheidung, einer Planarisierungsoperation und einer Rückätzoperation ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform werden die zweiten Metallschichten direkt über den ersten Metallschichten ausgebildet. Zum Beispiel wird, nachdem die Struktur von
Es versteht sich, dass die in
Die verschiedenen im vorliegenden Text beschriebenen Ausführungsformen oder Beispiele bieten verschiedene Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Zum Beispiel stehen in der vorliegenden Offenbarung, wie in
Es versteht sich, dass nicht unbedingt alle Vorteile im vorliegenden Text besprochen wurden, dass kein einzelner Vorteil für alle Ausführungsformen in Erscheinung treten muss, und dass andere Ausführungsformen andere Vorteile bieten können.It will be appreciated that it is not necessarily that all advantages have been discussed herein, that no single benefit must be apparent to all embodiments, and that other embodiments may provide other benefits.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird in einem Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung eine Dummy-Gate-Struktur über einem Substrat ausgebildet. Eine Source/Drain-Region wird ausgebildet. Eine erste Isolierschicht wird über der Dummy-Gate-Struktur und der Source/Drain-Region ausgebildet. Die Dummy-Gate-Struktur wird entfernt, um einen Gate-Raum zu bilden. Der Gate-Raum wird mit einer ersten Metallschicht gefüllt. Die eingefüllte erste Metallschicht wird eingerückt, um eine Gate-Einrückung zu bilden. Eine zweite Metallschicht wird über der ersten Metallschicht in der Gate-Einrückung ausgebildet. Eine zweite Isolierschicht wird über der zweiten Metallschicht in der Gate-Einrückung ausgebildet.According to one aspect of the present disclosure, in a method of manufacturing a semiconductor device, a dummy gate structure is formed over a substrate. A source / drain region is formed. A first insulating layer is formed over the dummy gate structure and the source / drain region. The dummy gate structure is removed to form a gate space. The gate space is filled with a first metal layer. The filled first metal layer is indented to form a gate indentation. A second metal layer is formed over the first metal layer in the gate indentation. A second insulating layer is formed over the second metal layer in the gate indentation.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung werden in einem Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung eine erste Dummy-Gate-Struktur und eine zweite Dummy-Gate-Struktur über einem Substrat ausgebildet. Source/Drain-Regionen werden ausgebildet. Eine erste Isolierschicht wird über der ersten und der zweiten Dummy-Gate-Struktur und den Source/Drain-Regionen ausgebildet. Die erste und die zweite Dummy-Gate-Struktur werden entfernt, um einen ersten Gate-Raum und einen zweiten Gate-Raum zu bilden. Eine erste Metallschicht wird in dem ersten Gate-Raum ausgebildet, und eine zweite Metallschicht wird in dem erste und dem zweiten Gate-Raum ausgebildet. Nach dem Ausbilden der ersten und der zweiten Metallschicht werden der erste und der zweite Gate-Raum mit einer dritten Metallschicht gefüllt. Die ersten, zweiten und dritten Metallschichten, die in dem ersten Gate-Raum ausgebildet sind, werden eingerückt, um eine erste Gate-Einrückung zu bilden, und die ersten und dritten Metallschichten, die in dem zweiten Gate-Raum ausgebildet sind, werden eingerückt, um eine zweite Gate-Einrückung zu bilden. Vierte Metallschichten werden in den ersten und zweiten Gate-Einrückungen ausgebildet, um eine erste Gate-Elektrode und eine zweite Gate-Elektrode zu bilden. Zweite Isolierschichten werden über den vierten Metallschichten in der ersten und der zweiten Gate-Einrückung ausgebildet.According to another aspect of the present disclosure, in a method of manufacturing a semiconductor device, a first dummy gate structure and a second dummy gate structure are formed over a substrate. Source / drain regions are formed. A first insulating layer is formed over the first and second dummy gate structures and the source / drain regions. The first and second dummy gate structures are removed to form a first gate space and a second gate space. A first metal layer is formed in the first gate space, and a second metal layer is formed in the first and second gate spaces. After forming the first and second metal layers, the first and second gate spaces are filled with a third metal layer. The first, second, and third metal layers formed in the first gate space are indented to form a first gate indentation, and the first and third metal layers formed in the second gate space are indented, to form a second gate indentation. Fourth metal layers are formed in the first and second gate indentations to form a first gate electrode and a second gate electrode. Second insulating layers are formed over the fourth metal layers in the first and second gate indents.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält eine Halbleitervorrichtung einen ersten Feldeffekttransistor (FET), der eine erste Gate-Dielektrikumschicht und eine erste Gate-Elektrode enthält. Die erste Gate-Elektrode enthält eine erste untere Metallschicht und eine erste obere Metallschicht. Die erste untere Metallschicht enthält eine erste darunterliegende Metallschicht in Kontakt mit der ersten Gate-Dielektrikumschicht und einer ersten Volumenmetallschicht. Eine Unterseite der ersten oberen Metallschicht steht in Kontakt mit einer Oberseite der ersten darunterliegenden Metallschicht und einer Oberseite der ersten Volumenmetallschicht.According to another aspect of the present disclosure, a semiconductor device includes a first field effect transistor (FET) including a first gate dielectric layer and a first gate electrode. The first gate electrode includes a first lower metal layer and a first upper metal layer. The first bottom metal layer includes a first underlying metal layer in contact with the first gate dielectric layer and a first volume metal layer. A lower surface of the first upper metal layer is in contact with an upper surface of the first underlying metal layer and an upper surface of the first bulk metal layer.
Das oben Dargelegte umreißt Merkmale verschiedener Ausführungsformen, so dass der Fachmann die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen kann. Dem Fachmann ist klar, dass er die vorliegende Offenbarung ohne Weiteres als Basis für das Entwerfen oder Modifizieren anderer Prozesse und Strukturen verwenden kann, um die gleichen Zwecke und/oder die gleichen Vorteile wie bei den im vorliegenden Text vorgestellten Ausführungsformen zu erreichen. Dem Fachmann sollte auch klar sein, dass solche äquivalenten Bauformen nicht das Wesen und den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung verlassen, und dass er verschiedene Änderungen, Substituierungen und Modifizierungen an der vorliegenden Erfindung vornehmen kann, ohne vom Wesen und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.The above outlines features of various embodiments so that those skilled in the art can better understand the aspects of the present disclosure. It will be appreciated by those skilled in the art that the present disclosure may be readily utilized as a basis for designing or modifying other processes and structures to achieve the same purposes and / or advantages as the embodiments presented herein. It should also be understood by those skilled in the art that such equivalent constructions do not depart from the spirit and scope of the present disclosure, and that various changes, substitutions, and alterations can be made to the present invention without departing from the spirit and scope of the present disclosure.
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