(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランジスタ・デバイス内に置換金属ゲートを製造する方法であって、
基板の上にダミー・ゲート構造を形成することであって、前記ダミー・ゲート構造が絶縁層によって取り囲まれる、前記形成することと、
前記絶縁層内にトレンチを露出させるように前記ダミー・ゲート構造を除去することと、
前記絶縁層の上、かつ前記トレンチ内に誘電体材料層および仕事関数金属層を共形に堆積させ、前記絶縁層の先端表面から前記誘電体材料層および前記仕事関数金属層を除去することと、
前記仕事関数金属層を前記トレンチの上部より下に凹めることと、
前記仕事関数金属層の露出面上にのみゲート金属を選択的に形成することと、
前記ゲート金属の上に誘電体キャップを形成して、前記トレンチを充填することと、
前記誘電体キャップを除去することと、
前記トレンチの金属充填を実施することと
を含み、
前記ゲート金属を成長させた結果、前記トレンチの内壁内にギャップが生じるとき、前記誘電体キャップを除去することおよび前記金属充填を実施することが実施される、
方法。
【請求項２】
前記ダミー・ゲート構造を形成することが、前記トレンチの深さ未満の深さに、前記トレンチ内の酸化物層の上にダミー・ゲートを堆積させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ダミー・ゲート構造を形成することが、前記ダミー・ゲートの上にハードマスクを形成して、前記トレンチの前記深さを充填することをも含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ゲート金属を選択的に形成する前に、前記トレンチ内の前記仕事関数金属層の上に有機平坦化層（ＯＰＬ）を形成することをさらに含む、請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記ＯＰＬをエッチングして、前記トレンチの深さ未満の厚さを有する凹んだＯＰＬを形成することをさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記凹んだＯＰＬの前記深さまで前記仕事関数金属層をエッチングすることをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ゲート金属を選択的に形成する前に、前記ＯＰＬをストリッピングすることをさらに含む、請求項４、５、または６に記載の方法。
【請求項８】
フィン電界効果トランジスタ（ｆｉｎＦＥＴ）デバイスを製造する方法であって、
基板を形成することと、
前記基板の上にソース領域およびドレイン領域を接続するフィンを形成することと、
基板の上にダミー・ゲート構造を形成することであって、前記ダミー・ゲート構造が絶縁層によって取り囲まれる、前記形成することと、
前記絶縁層内にトレンチを露出させるように前記ダミー・ゲート構造を除去することと、
前記絶縁層の上、かつ前記トレンチ内に誘電体材料層および仕事関数金属層を共形に堆積させ、前記絶縁層の先端表面から前記誘電体材料層および前記仕事関数金属層を除去することと、
前記仕事関数金属層を前記トレンチの上部より下に凹めることと、
前記仕事関数金属層の露出面上にのみゲート金属を選択的に形成することと、
前記ゲート金属の上に誘電体キャップを形成して、前記トレンチを充填すること、
前記誘電体キャップを除去することと、
前記トレンチの金属充填を実施することと
を含み、
前記ゲート金属を成長させた結果、前記トレンチの内壁内にギャップが生じるとき、前記誘電体キャップを除去することおよび前記金属充填を実施することが実施される、
方法。
【請求項９】
前記ダミー・ゲート構造を形成することが、前記トレンチの深さ未満の深さに、前記トレンチ内にダミー・ゲートを堆積させることを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記ダミー・ゲート構造を形成することが、前記ダミー・ゲートの上にハードマスクを形成して、前記トレンチの前記深さを充填することをも含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ゲート金属を選択的に形成する前に、前記トレンチ内の前記仕事関数金属層の上に有機平坦化層（ＯＰＬ）を形成することをさらに含む、請求項８、９、または１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ＯＰＬをエッチングして、前記トレンチの深さ未満の厚さを有する凹んだＯＰＬを形成することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記凹んだＯＰＬの前記深さまで前記仕事関数金属層をエッチングすることと、前記ゲート金属を選択的に形成する前に、前記ＯＰＬをストリッピングすることとをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属ゲート形成に関し、より具体的には、置換金属ゲート（replacementmetal gate）・フィン電界効果トランジスタ（ｆｉｎＦＥＴ：fin field effect transistor）デバイス上の金属ゲート形成に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般には、置換金属ゲート（ＲＭＧ）プロセス・アーキテクチャは、ゲート・ラスト対ゲート・ファースト・アーキテクチャ(a gate last versus a gate first architecture)である。ＲＭＧ ｆｉｎＦＥＴデバイス製造は通常、最初にダミー・ゲート構造を形成することを含み、その後で、ダミー・ゲート構造が除去され、スペーサ・エッチおよびソース／ドレイン・エピタキシ・マージ（source/drain epitaxy merge）の後にゲート・ポケットが形成される。高誘電率（ｈiｇｈ−ｋ）層、仕事関数金属、およびゲート金属がゲート・ポケット内に充填され、化学機械平坦化（ＣＭＰ：chemical-mechanical planarization）が実施され、トポロジが平坦化される。次いで、ゲート金属材料が部分的に凹められ（recess）、誘電体キャップがダマシン処理を通じて形成される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
トランジスタ・デバイス内に置換金属ゲートを製造する方法、フィン電界効果トランジスタ、および置換金属ゲートを有するフィン電界効果トランジスタデバイスを製造する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一実施形態によれば、トランジスタ・デバイス内に置換金属ゲートを製造する方法は、基板の上にダミー・ゲート構造を形成することであって、ダミー・ゲート構造が絶縁層によって取り囲まれる、形成することと、絶縁層内にトレンチを露出させるようにダミー・ゲート構造を除去することと、絶縁層の上、かつトレンチ内に誘電体材料層および仕事関数金属層を共形に堆積させ、絶縁層の先端表面から誘電体材料層および仕事関数金属層を除去することと、仕事関数金属層をトレンチの上部より下に凹めることと、仕事関数金属層の露出面上にのみゲート金属を選択的に形成することとを含む。
【０００５】
別の実施形態によれば、フィン電界効果トランジスタ（ｆｉｎＦＥＴ）デバイスを製造する方法は、基板を形成することと、基板の上にソース領域およびドレイン領域を接続するフィンを形成することと、基板の上にダミー・ゲート構造を形成することであって、ダミー・ゲート構造が絶縁層によって取り囲まれる、形成することと、絶縁層内にトレンチを露出させるようにダミー・ゲート構造を除去することと、絶縁層の上、かつトレンチ内に誘電体材料層および仕事関数金属層を共形に堆積させ、絶縁層の先端表面から誘電体材料層および仕事関数金属層を除去することと、仕事関数金属層をトレンチの上部より下に凹めることと、仕事関数金属層の露出面上にのみゲート金属を選択的に形成することとを含む。
【０００６】
追加の特徴および利点が、本発明の技術を通じて理解される。本発明の他の実施形態および態様が本明細書で詳細に説明され、特許請求される発明の一部と見なされる。利点および特徴を有する本発明のより良い理解のために、説明および図面を参照されたい。
【０００７】
本発明と見なされる主題が特に指摘され、本明細書の最後の特許請求の範囲ではっきりと特許請求される。本発明の上記および他の特徴および利点は、添付の図面と共に行われる以下の詳細な説明から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に従って製造されたｆｉｎＦＥＴデバイスのトップダウン図である。
【図２】本発明の一実施形態による例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成での一ステージの断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による別の例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成でのステージの断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成での別のステージの断面図である。
【図５】本発明の別の実施形態による別の例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成でのステージの断面図である。
【図６】本発明の一実施形態による例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成での別のステージの断面図である。
【図７】本発明の別の実施形態による別の例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成でのステージの断面図である。
【図８】本発明の一実施形態による例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成での別のステージの断面図である。
【図９】本発明の別の実施形態による別の例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成でのステージの断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態による例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成での別のステージの断面図である。
【図１１】本発明の別の実施形態による別の例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成でのステージの断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態による例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成での別のステージの断面図である。
【図１３】本発明の別の実施形態による別の例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成でのステージの断面図である。
【図１４】本発明の一実施形態による例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成での別のステージの断面図である。
【図１５】本発明の別の実施形態による別の例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成でのステージの断面図である。
【図１６】本発明の一実施形態による例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成での別のステージの断面図である。
【図１７】本発明の別の実施形態による別の例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成でのステージの断面図である。
【図１８】本発明の一実施形態による例示的ｆｉｎＦＥＴの形成での別のステージの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
上記のように、ＲＭＧ ｆｉｎＦＥＴデバイスの製造の部分は、誘電体キャップの形成のために金属ゲート内に部分的凹みを形成することを含む。ゲート金属のこの部分的凹みは、必要とされる反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）の観点から課題を提示することがある。さらに、従来型ゲート金属充填技術の結果、ゲート金属層内のシームまたは空洞が生じることがある。本明細書で詳述するＲＭＧｆｉｎＦＥＴデバイスおよびデバイスを製造するプロセスの実施形態は、選択的金属成長によるボトムアップ形成を含む。
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態に従って製造されたｆｉｎＦＥＴデバイス１００のトップダウン図である。ソースとゲートとの間の導電チャネルが、シリコン・フィン１２５内に包まれ、ｆｉｎＦＥＴは一般に周知である。本明細書の説明は、ゲート領域１０１の製造での違いに焦点を当てる。例えば酸化シリコンや窒化シリコンなどの誘電体材料を含む層間誘電体（ＩＬＤ）１２０が、ゲート領域１０１がその中に形成されるトレンチを形成する。例えばシリコン内に包まれる２つのフィン１２５が、例示的ｆｉｎＦＥＴデバイス１００内のソース１０２側およびドレイン１０３側と共に示されている。代替実施形態では、１つまたは異なる数のフィン１２５を形成することができる。図１のトップダウン図では、ゲート領域１０１が示されている。一般には、現在使用されているプロセスと、本発明の実施形態によるプロセスのどちらでも、ダミー・ゲート１４０（図２）を除去し、ゲート金属１９０（図１４、１５）で置き換えることによってゲート領域１０１が形成される。図２から１８を参照しながら以下でより詳細に説明するように、本発明の実施形態は、ゲート金属１９０の成長による置換ゲート１０１のボトムアップ形成に関する。２つの異なるゲート幅を示すために、処理の各ステージについて２つの図が示されている。後続の図に示されるステージは、Ａ−Ａで示されるゲートに沿った断面図である。
【００１１】
Ａ−ＡおよびＢ−Ｂで示される断面が、共に図１に詳述されている。Ａ−Ａで示される断面図はフィン１２５を貫く。断面構造１０４は、基板１１０と、基板の上のフィン１２５を表すシリコン層１３０とを含む。ＩＬＤ１２０は、ゲート領域１０１がその中に形成されるトレンチを形成する。Ｂ−Ｂで示される断面図は、ゲート領域１０１を貫く。断面構造１０５は、基板１１０と、基板１１０の上に形成され、ゲート領域１０１がその中に形成されるトレンチをも含むＩＬＤ１２０とを含む。ゲート領域１０１およびその形成を以下でさらに詳細に説明する。上記のように、図２から１８はＡ−Ａでの断面図を示す。
【００１２】
図２は、本発明の一実施形態による例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成でのステージ２００−１の断面図である。図３は、本発明の一実施形態による別の例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成でのステージ２００−２の断面図である。トレンチ１２１は、図３に示すステージ２００−２では、図２に示すトレンチ１２１よりも広い。図２および３にそれぞれ示すステージ２００−１および２００−２ではどちらも、フィン１２５を示すシリコン層１３０が、基板１１０上に形成されるものとして示されている。フィン１２５（シリコン層１３０）の上で、トレンチ１２１をＩＬＤ１２０内に形成する。シリコン層１３０は、図１に示すフィン１２５のエピタキシャル・マージを表すことがある。ポリシリコンまたはアモルファス・シリコンのダミー・ゲート１４０が、ＩＬＤ１２０のトレンチ１２１内のゲート・ハードマスク１５０の下に示されている。ＩＬＤ１２０と同じ材料、または異なる酸化物でよい酸化物層１４５が、ダミー・ゲート１４０の下にある。図２および３に示されているように、ゲート・ハードマスク１５５がダミー・ゲート１４０の上にある。ゲート・ハードマスク１５５と同じ材料または異なる材料が、エッチングに基づいてダミー・ゲート１４０とＩＬＤ１２０との間の側壁スペーサ１５０として働くことができる。ゲート・ハードマスク１５５の材料は窒化シリコン（ＳｉＮ）でよい。ステージ２００−１および２００−２に先行するステージは、従来のｆｉｎＦＥＴデバイス形成プロセスと同じであるので、本明細書の実施形態を説明するために、図２および３に示すステージ２００−１および２００−２は、ｆｉｎＦＥＴデバイス１００の形成での初期ステージと見なされる。
【００１３】
図４は、本発明の一実施形態による例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成での別のステージ３００−１の断面図である。図５は、本発明の別の実施形態による別の例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成でのステージ３００−２の断面図である。図４および５は、酸化物層１４５、ダミー・ゲート１４０、およびゲート・ハードマスク１５５が引き抜かれ、その結果、ステージ３００−１および３００−２が得られることを示す。具体的には、まずドライエッチを実施して、ハードマスク１５５をエッチバックする（これは、側壁スペーサ１５０にもある程度の効果を有することがある）。次いで、ウェットエッチを実施して、ダミー・ゲート１４０および酸化物層１４５をエッチングする。ドライエッチプロセスによってある程度縮められることがある側壁スペーサ１５０が、図４および５に示されるように残される。
【００１４】
図６は、本発明の一実施形態による例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成での別のステージ４００−１の断面図である。図７は、本発明の別の実施形態による別の例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成でのステージ４００−２の断面図である。図６および７が示すように、ゲート・ハードマスク１５０に沿って、シリコン層１３０の表面上に、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）誘電体層１６０および仕事関数金属１７０を共形に堆積させる。ブランケット共形堆積（blanket conformal deposition）の後に、ＩＬＤ１２０までのＣＭＰが続く。誘電体層１６０のために使用される例示的材料には、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、ケイ酸ハフニウム（ＨｆＳｉＯｘ）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、またはジルコン酸ハフニウム（ＨｆＺｒＯｘ）が含まれる。仕事関数金属１７０は、例えば窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、チタン・アルミニウム・カーバイド（ＴｉＡｌＣ）、またはＴｉＣでよい。
【００１５】
図８は、本発明の一実施形態による例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成での別のステージ５００−１の断面図である。図９は、本発明の別の実施形態による別の例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成でのステージ５００−２の断面図である。図８および９に示すように、有機平坦化層（ＯＰＬ）１８０を堆積させ、トレンチ１２１の上部より下にエッチバックし、その結果、ＯＰＬ１８０は、仕事関数金属１７０で被覆されたトレンチ内に凹む。ＯＰＬ１８０は、トポグラフィを低減するために使用されるフォトレジストのような材料である。有機誘電体層（ＯＤＬ）をＯＰＬ１８０として使用することができる。図１０は、本発明の一実施形態による例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成での別のステージ６００−１の断面図である。図１１は、本発明の別の実施形態による別の例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成でのステージ６００−２の断面図である。凹んだＯＰＬ１８０のレベルまで部分的に凹むように仕事関数金属１７０をエッチングする。図１２は、本発明の一実施形態による例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成での別のステージ７００−１の断面図である。図１３は、本発明の別の実施形態による別の例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成でのステージ７００−２の断面図である。ＯＰＬ１８０をストリッピングし、凹んだ仕事関数金属１７０を露出させたままにする。例えば二酸化炭素を含む気体でＯＰＬ１８０をストリッピングすることができる。
【００１６】
図１４は、本発明の一実施形態による例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成での別のステージ８００−１の断面図である。図１５は、本発明の別の実施形態による別の例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成でのステージ８００−２の断面図である。仕事関数金属１７０表面上に選択的金属成長によってゲート金属１９０を成長させる。図１４および１５は、置換ゲートを形成するための現在のプロセスと比較した、本明細書で説明する実施形態の主な違いを示す。実施形態に従って堆積およびＲＩＥによるエッチングが不要となるように、選択的金属成長によってゲート金属１９０を成長させる。すなわち、仕事関数金属１７０は、ゲート金属１９０がそれなしには成長することができないシーディング層（seeding layer）として働き、それによって、ゲート金属１９０は、仕事関数金属１７０の表面上にのみ成長する。したがって、ステージ６００−１および６００−２で仕事関数金属１７０を凹めるので、どのようなエッチングも必要とすることなく、ゲート金属１９０も凹むように成長させることができる。ゲート金属１９０は、例えばタングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、コバルト（Ｃｏ）、リン（Ｐ）、またはホウ素（Ｂ）でよい。ゲート金属１９０は、その代わりに、例えばＣｏでドープされたＷ、Ｐ、またはＢでよい。ステージ８００−１および８００−２の比較が示すように、トレンチ１２１が（ステージ８００−１のように）十分に狭いとき、ゲート金属１９０の成長の結果、連続的な充填となる。すなわち、図１４に示す断面図のトレンチ１２１の２つの側部でのゲート金属１９０の成長は、図示するように連続的ゲート金属１９０を形成するのに十分なほど近くなる。一方、図１５に示す断面図のトレンチ１２１の２つの側部でのゲート金属１９０の成長は、ギャップ１９１が生じるように十分に分離される。
【００１７】
図１６は、本発明の一実施形態による例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成での別のステージ９００−１の断面図である。図１７は、本発明の別の実施形態による別の例示的ｆｉｎＦＥＴデバイスの形成でのステージ９００−２の断面図である。ダマシン・プロセスでゲート金属１９０の上に誘電体キャップ１９５を形成する。誘電体キャップ１９５は、窒化シリコン（ＳｉＮ）材料でよい。摂氏５００度未満の温度でＳｉＮ材料を形成することができる。図１７が示すように、誘電体キャップ１９５はギャップ１９１も充填する。上記のように、図１４および１６に示す実施形態ではそのようなギャップ１９１は存在せず、それによって、誘電体キャップ１９５が連続的ゲート金属１９０層の上に形成される。図１８は、本発明の一実施形態による例示的ｆｉｎＦＥＴ１００の形成での別のステージ１０００の断面図である。このステージ１０００は、比較的広いゲート１０１（したがってギャップ１９１）を有するｆｉｎＦＥＴデバイスに適用される。図示するように、誘電体キャップ１９５を除去し、タングステン（Ｗ）１９７再充填を実施する。このＷ１９７は、ギャップ１９１では達成することのできない必要なゲート伝導率を実現する。
【００１８】
上記で詳述したプロセスは、凹んだゲート金属を得ることに関連する課題に対処するだけではなく、ゲート金属領域内の空洞も防止する。すなわち、従来型ゲート金属充填技術は、ゲート金属充填でシームまたは空洞を発生させやすい。前述の選択的成長（およびいくつかの実施形態によるＷ充填）に基づいて、どのようなシームまたは空洞もない連続的ゲート金属層が得られる。
【００１９】
本明細書で使用する用語は、特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本発明を限定するものではない。本明細書では、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が別段に明確に示すのでない限り、複数形も含むものとする。「含む」または「備える」という用語あるいはその両方は、本明細書で使用されるとき、記載の特徴、完全体（integer）、ステップ、動作、要素、または構成要素、あるいはそれらの組合せの存在を指定するが、１つまたは複数の他の特徴、完全体、ステップ、動作、要素、構成要素、またはそれらのグループ、あるいはそれらの組合せの存在または追加を除外しないことをさらに理解されよう。
【００２０】
以下の特許請求の範囲内のすべての手段またはステップおよび機能要素の対応する構造、材料、動作、および均等物は、他の特許請求される要素と共に機能を実施するための任意の構造、材料、または動作を具体的に特許請求されるものとして含むものとする。例示および説明のために本発明の説明を提示したが、この説明は、網羅的なもの、または開示された形態の本発明に限定するものではないものとする。本発明の範囲および思想から逸脱することなく、多くの変更形態および変形形態が当業者には明らかとなるであろう。本発明の原理および実際の応用例を最良に説明し、企図される特定の用途に適するように様々な変更を伴う様々な実施形態について他の当業者が本発明を理解することを可能にするために、実施形態を選び、説明した。
【００２１】
本明細書で示した流れ図は一例に過ぎない。本発明の思想から逸脱することなく、本明細書で説明したこの図またはステップ（または動作）に対する多くの変形形態が存在する可能性がある。例えば、ステップを異なる順序で実施することができ、ステップを追加、削除、または変更することができる。これらの変形形態のすべては、特許請求される発明の一部と見なされる。
【００２２】
本発明の好ましい実施形態を説明したが、現在と将来の両方において当業者が、以下の特許請求の範囲内に包含される様々な改良および機能改善を行うことができることを理解されよう。これらの特許請求の範囲は、最初に説明した本発明に対する適切な保護を維持すると解釈すべきである。
【００２３】
例示のために本発明の様々な実施形態の説明を提示したが、この説明は、網羅的なもの、または開示された実施形態に限定されるものではないものとする。記載の実施形態の範囲および思想から逸脱することなく、多くの変更形態および変形形態が当業者には明らかとなるであろう。実施形態の原理、実際の応用例、もしくは市場で見出される技術に勝る技術的改良を最良に説明し、または本明細書で開示する実施形態を他の当業者が理解することを可能にするように、本明細書で使用する用語を選んだ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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