用于形成堆叠式晶体管器件的方法与流程

本公开涉及一种用于形成包括下部纳米片场效应晶体管结构和上部鳍式场效应晶体管结构的堆叠式晶体管器件的方法。

背景技术：

1、现代半导体集成电路技术包括水平沟道晶体管，如鳍式场效应晶体管(finfet)和水平或横向纳米片场效应晶体管(nshfet)。此类器件通常包括源极、漏极、由鳍状沟道层(在finfet的情况下)或一个或多个水平延伸沟道纳米片(在nshfet的情况下)组成的沟道，以及包围该沟道的栅极堆叠。

2、为了促进更具面积效率的电路系统，开发了堆叠式晶体管器件结构。堆叠式晶体管器件的示例是互补场效应晶体管(cfet)器件。cfet器件包括一对互补的fet，诸如一对相互堆叠的互补的nshfet(例如，pfet底部器件和nfet顶部器件，或反之)。与pfet和nfet的传统并排布置相比，cfet器件允许降低占地面积。

3、使用可被成为“单片”工艺的工艺，由nshfet底部和顶部器件组成的cfet器件可以通过加工沟道纳米片的堆叠来被形成，以从堆叠的下部沟道纳米片形成底部器件并从堆叠的上部沟道纳米片形成顶部器件。在下部和上部沟道纳米片上加工源极区和漏极区之后(例如，包括源极和漏极外延)，下部和上部沟道纳米片可以设置有“单片”栅极堆叠，该栅极堆叠限定对顶部和底部器件而言在物理上和电气上共同的栅极电极。

技术实现思路

1、虽然已经开发了形成堆叠式晶体管器件(诸如cfet器件)的方法，但现有的工艺通常被设计以形成包括相同沟道几何形状的底部和顶部器件(诸如nshfet底部和顶部器件)的器件结构。然而，如发明人所认识到的，在某些情况下，底部和顶部器件的不同沟道几何形状可能提供经改进的器件性能。

2、鉴于上述，本发明概念的目标是提供一种使得能够形成包括下部纳米片场效应晶体管结构和上部鳍式场效应晶体管结构的堆叠式晶体管器件的方法。

3、根据一方面，提供了一种用于形成包括下部纳米片场效应晶体管(nshfet)结构和上部鳍式场效应晶体管(finfet)结构的堆叠式晶体管器件的方法，该方法包括：

4、在基板上形成鳍结构，该鳍结构包括：包括若干下部沟道纳米片的下部器件子堆叠，在下部器件子堆叠上的中间绝缘层，在中间绝缘层上的、包括上部沟道层的上部器件子堆叠，以及在上部器件子堆叠上的封盖层；

5、形成其中嵌入鳍结构的加工层；

6、在形成加工层之后，从鳍结构去除封盖层，以限定暴露上部器件子堆叠的上表面的间隙；

7、在间隙的相对侧表面上形成间隔物层，以在间隔物层之间形成经降低宽度的间隙，所述经降低宽度的间隙暴露所述上表面的中心部分；

8、在形成间隔物层之后，将加工层回蚀至低于下部器件子堆叠的水平；

9、通过经由经降低宽度的间隙来回蚀所述上表面以拆分上部沟道层，以在中间绝缘层上形成两个上部沟道鳍；

10、在形成上部沟道鳍之后，去除间隔物层；以及此后：

11、形成跨鳍结构的沟道区的栅极结构，该栅极结构包括包围下部沟道纳米片的下部栅极结构部分和包围上部沟道鳍的上部栅极结构部分；以及

12、在所述沟道区的两侧处形成下部沟道纳米片和上部沟道鳍的源极区和漏极区。

13、通过该方法，形成了包括上部finfet结构的堆叠式晶体管器件，该上部finfet结构包括堆叠在下部nshfet结构的顶部上的两个上部沟道鳍。

14、通过将鳍结构和封盖层嵌入在加工层中并随后去除封盖层，所述间隙可使上部器件子堆叠的上表面在加工层中暴露出来。因此，间隙可以相对于鳍结构自对准。在加工层中在间隙的相对侧表面上的间隔物层的随后形成允许(经自对准的)间隙的宽度被修整(即，沿跨鳍结构的方向所见)，使得上部沟道层可以通过上部沟道层的上表面的所暴露出的中心部分的回蚀而被拆分成两个上部沟道鳍。相对于下部沟道纳米片，所述自对准可相应地赋予上部沟道鳍。间隔物层可以形成具有精确和均匀的厚度，例如使用共形侧壁间隔物沉积工艺，其中两个上部沟道鳍可被形成具有基本均匀的宽度。

15、鳍结构中的中间绝缘层的存在提供了下部器件子堆叠的沟道纳米片与上部器件子堆叠的上部沟道层之间的电分离。此外，中间绝缘层提供下部和上部器件子堆叠之间的分离，这可以提供便于下部和上部器件子堆叠的单独加工的垂直余裕，诸如在形成栅极结构和/或源极区和漏极区时。这可以从下面更详细地列出的方法的各种实施例中更好地理解。

16、由于该方法包括加工包含下部和上部器件子堆叠的鳍结构，因此该方法适合于形成“单片”堆叠式晶体管器件，诸如单片cfet器件。

17、尽管该方法可有利地用于形成cfet器件，但设想了该方法也可用于形成可受益于下部nshfet器件和上部finfet器件的其他非cfet类型的堆叠式晶体管器件。

18、本文所使用的术语“鳍结构”是指具有沿基板取向并从基板垂直突出的纵向尺寸的细长层堆叠。

19、“层堆叠”在此意指在彼此顶部顺序地形成的层结构。

20、术语“下部器件子堆叠”和“上部器件子堆叠”分别表示鳍结构的(层堆叠的)诸连贯层的下部子集和上部子集。

21、在引用鳍结构的层(或子堆叠)的任一者时的措辞“第二层(或子堆叠)上的第一层(子堆叠)”在此是指第一层(或子堆叠)直接布置(即邻接)在第二层(或子堆叠)上。

22、诸如“垂直”、“上部”、“下部”、“顶部”、“底部”、“堆叠在……顶部上”之类的相对空间术语在此被理解成表示在堆叠式晶体管器件的参照系内的位置或方向。具体而言，这些术语可以相关于基板的法线方向来理解，或者等效地相关于器件层堆叠的自底向上方向来理解。相应地，诸如“横向”和“水平”等术语应理解成平行于基板的位置或方向，即平行于基板的上表面或主延伸平面。

23、在一些实施例中，形成鳍结构可包括对在基板上形成的层堆叠进行图案化，所述图案化包括使用硬掩模作为蚀刻掩模。因此，可以通过对层堆叠进行图案化来精确和高效地形成鳍结构(或多个此类鳍结构)。

24、在一些实施例中，层堆叠可以包括包含用于形成下部沟道纳米片的下部沟道层的若干下部子堆叠，用于形成中间绝缘层的在下部子堆叠上的初始中间绝缘层，用于形成上部沟道层的在初始中间绝缘层上的包含初始上部沟道层的上部器件子堆叠，以及用于形成封盖层的在上部子堆叠上的初始封盖层。

25、在一些实施例中，该方法还可包括在形成加工层之后，执行平坦化工艺以使加工层平坦化并且随后去除封盖层，所述平坦化工艺停止于封盖层上。因此，加工层可被设置有平坦上表面，并且封盖层可以在单个平坦化工艺中被暴露出。加工层的平坦化可进一步促进鳍结构的两侧处的加工层的均匀回蚀。在包括使用硬掩模作为蚀刻掩模对层堆叠进行图案化的实施例中，平坦化工艺可有利地进一步去除硬掩模。

26、在一些实施例中，该方法可包括在形成间隔物层之前，将加工层回蚀至低于下部器件子堆叠的水平，并随后拆分上部沟道层。这可以增加加工层和中间绝缘层的材料选择的灵活性，因为可以避免在绝缘层的回蚀期间中间绝缘层的无意回蚀。例如，加工层可以是例如具有相对于中间绝缘层的很少或没有蚀刻对比度的绝缘材料的绝缘层。

27、在一些实施例中，下部器件子堆叠还可包括与下部沟道纳米片相交替的若干牺牲纳米片，并且该方法还可包括在形成源极区和漏极区之后，从沟道区选择性地去除牺牲纳米片的牺牲纳米片部分，并随后形成栅极结构。

28、由此，下部器件子堆叠的下部沟道纳米片可被“释放”，使得栅极结构随后也可以被形成在下部沟道纳米片之间的空间中。因此，下部栅极结构部分可形成相对于下部沟道纳米片的环绕栅极。

29、在一些实施例中，该方法还可包括：

30、在形成源极区和漏极区之后，在沟道区中限定第一覆盖间隔物，所述第一覆盖间隔物具有用于覆盖上部沟道鳍的侧表面部分并暴露下部器件子堆叠的侧表面部分的延伸；以及

31、随后在使用第一覆盖间隔物作为蚀刻掩膜的同时去除牺牲纳米片部分。

32、因此，上部沟道鳍可被掩蔽以免于牺牲纳米片部分的去除过程(例如蚀刻)。另一优点是如果牺牲纳米片部分由相同或类似的半导体材料形成，则牺牲纳米片部分可以相对于上部沟道鳍被选择性地去除。在去除牺牲纳米片部分之后并且在形成栅极结构之前，第一覆盖间隔物可被去除。

33、在一些实施例中，该方法还可包括通过用第一阻挡材料包围鳍结构的沟道区并将第一阻挡材料回蚀至下部器件子堆叠和上部沟道鳍之间的水平(例如，中间绝缘层的水平)来形成第一阻挡层，其中形成第一覆盖间隔物可包括使用第一阻挡层来限定第一覆盖间隔物的延伸。

34、因此，第一阻挡层可促进形成具有上述定义的第一覆盖间隔物，特别是通过抵消沿下部器件子堆叠的第一覆盖间隔物的形成。

35、在一些实施例中，牺牲纳米片部分是使用对牺牲纳米片有选择性的蚀刻工艺来被去除的。因此，牺牲纳米片部分可以由与上部沟道层相同或类似的材料形成，其中对上部沟道层的蚀刻可以由第一覆盖间隔物抵消。

36、在一些实施例中，上部器件子堆叠还可包括在上部沟道层上的顶层，其中在去除牺牲纳米片部分时，该顶层与第一覆盖间隔物一起用作蚀刻掩膜。因此，在选择性地去除牺牲纳米片部分期间，顶层可以从上方掩蔽上部沟道层。

37、顶层可以是不同于上部沟道层的材料的半导体层。例如，顶部半导体层可以由与下部沟道纳米片相同的材料形成。

38、在一些实施例中，形成栅极结构可包括：

39、在沟道区中在下部沟道纳米片和上部沟道鳍上沉积初始栅极堆叠，所述初始栅极堆叠包括栅极介电层和在栅极介电层上的第一功函数金属层；

40、在沟道区中限定第二覆盖间隔物，第二覆盖间隔物具有用于覆盖沉积在上部沟道鳍上的初始栅极堆叠的上部并暴露沉积在下部沟道纳米片上的初始栅极堆叠的下部的延伸；

41、在使用第二覆盖间隔物作为蚀刻掩模的同时，去除初始栅极堆叠的下部的第一功函数金属层；以及

42、然后去除第二覆盖间隔物并沉积第二功函数金属。

43、因此，第二覆盖间隔物可便于在下部器件子堆叠的下部沟道纳米片和上部器件子堆叠的上部沟道鳍处提供不同的栅极功函数金属(wfm)。

44、中间绝缘层可以通过将下部和上部器件子堆叠在垂直上分开来提供用于第二覆盖间隔物限定的经增加的加工窗口。

45、第二覆盖间隔物的延伸可以使得上部沟道鳍的至少侧表面部分被覆盖。

46、第一功函数金属层可以是与上部鳍式场效应晶体管结构的导电性类型相对应的类型，而第二功函数金属层可以是与下部纳米片场效应晶体管结构的导电性类型相对应的类型。

47、在一些实施例中，该方法还可包括在沉积初始栅极堆叠之后，通过用阻挡材料包围鳍结构的沟道区并将阻挡材料回蚀至下部器件子堆叠和上部沟道鳍之间的水平来形成阻挡层，其中形成覆盖间隔物包括使用阻挡层来限定第二覆盖间隔物的所述延伸。该阻挡层和阻挡材料可在下文中分别表示成第二阻挡层和第二阻挡材料。

48、因此，第二阻挡层可促进形成具有上述定义的第二覆盖间隔物，特别是通过抵消沿下部器件子堆叠的第二覆盖间隔物的形成。

49、在一些实施例中，该方法还可包括在除去间隔物层之后，形成跨鳍结构的沟道区的牺牲栅极结构，以及在形成源极区和漏极区之后将牺牲栅极结构替换成栅极结构，所述栅极结构是功能栅极结构。

50、因此，栅极结构可以根据替代金属栅极(rmg)工艺来形成。牺牲栅极结构使源极区和漏极区中的每一者以及最终功能栅极结构能够相对于沟道区自对准。

51、在一些实施例中，形成源极区和漏极区可包括在沟道区的沟道纳米片部分的相对端表面上形成第一导电类型的外延源极主体和漏极主体，以及在沟道区的上部沟道鳍部分的相对端表面上形成第二导电类型的外延源极主体和漏极主体。这使得能够形成互补电导率类型的下部和上部晶体管结构。

52、在一些实施例中，下部沟道纳米片可以是sigey的，而上部沟道层可以是sigez的，其中y和z中的每一者都大于或等于0，并且其中y不同于z。因此可以形成基于si和基于sige的堆叠式晶体管结构。

53、在一些实施例中，下部沟道纳米片可以是si(y＝0)，而上部沟道层可以是sige的(z≥0.15)，其中该方法可包括在沟道区的沟道纳米片部分的相对端表面上形成n型外延源极主体和漏极主体，以及在沟道区的上部沟道鳍部分的相对端表面上形成p型外延源极主体和漏极主体。在其中下部器件子堆叠还包括与下部沟道纳米片相交替的若干牺牲纳米片的一些实施例中，牺牲纳米片可以是sigex的，下部沟道纳米片可以是sigey的，且上部沟道层可以是sigez的，其中x、y和z中的每一者都大于或等于0，并且y不同于x和z。

54、牺牲纳米片和下部沟道纳米片的不同锗含量(x≠y)使得能够进行牺牲纳米片部分从沟道区的上述选择性去除。

55、在上部器件子堆叠还包括在上部沟道层上的顶层的一些实施例中，顶层可以是sige的t，并且其中t与y的差异小于t与x和z的差异。因此，与牺牲纳米片和顶部沟道层相比，顶层可以是更相似于下部沟道纳米片的si(ge)组合物。因此，在选择性地去除牺牲纳米片部分期间，基于sige的顶层可以从上方掩蔽上部沟道层。例如，顶部半导体层可以由与下部沟道纳米片相同的材料形成(例如，t＝y)。