[发明专利]半导体结构及其形成方法

说明书

技术领域

本公开一般涉及半导体器件，更具体地，涉及包括钽合金层和金属氮化物层的半导体结构及其制造方法。

背景技术

CMOS电路中的p型场效应晶体管（PFET）和n型场效应晶体管（NFET）的良好运行要求栅极电极具有相差至少300mV~400mV的功函数（work function）。为了提供具有不同功函数的多个功函数，在替代栅极集成方案中使用多种功函数金属。但是，这样的功函数金属倾向于无法提供足够低的电阻率，由此要求沉积具有低电阻率的额外的填充金属。因此，典型的替代栅极电极包括不同金属的大约4-5个层的叠层。随着半导体器件按比例缩小到22nm节点和14nm节点，使用不同导电金属层的叠层来填充窄栅极腔变得更具挑战性。

发明内容

钽合金层被用作场效应晶体管的功函数金属。钽合金层可以选自TaC、TaAl和TaAlC。在与金属氮化物层组合使用时，钽合金层和金属氮化物层提供相差300mV~500mV的两个功函数值，由此使得多个场效应晶体管能够具有不同阈值电压。钽合金层可以与第一栅极中的第一栅极电介质接触，且金属氮化物层可以与第二栅极电介质接触，该第二栅极电介质具有与第一栅极电介质相同的组成和厚度并位于第二栅极中。

根据本公开的第一方面，提供了一种包括至少两个场效应晶体管的半导体结构。所述半导体结构包括：第一场效应晶体管，其包括第一栅极电介质和第一栅极电极，其中，所述第一栅极电极包括与所述第一栅极电介质接触的导电钽合金层；以及第二场效应晶体管，其包括第二栅极电介质和第二栅极电极，其中，所述第二栅极电极包括与所述第二栅极电介质接触的金属氮化物层。

根据本发明的另一方面，提供了一种形成半导体结构的方法。所述方法包括：在半导体部分之上形成第一栅极腔和第二栅极腔，其中，所述第一栅极腔和所述第二栅极腔中的每一者被平面化电介质层侧向（laterally）包围，其中，在所述第一和第二栅极腔中的每一者的底部处，所述半导体部分的顶表面被暴露；在所述第一和第二栅极腔中形成栅极电介质层；直接在所述栅极电介质层的位于所述第一栅极腔中的第一部分上形成第一功函数材料层，并直接在所述栅极电介质层的位于所述第二栅极腔中的第二部分上形成第二功函数材料层，其中，所述第一和第二功函数材料层中的一者是导电钽合金层，且所述第一和第二功函数材料层中的另一者是金属氮化物层；以及用导电材料填充所述第一栅极腔和所述第二栅极腔，其中，在所述第一栅极腔中形成第一导电材料部分，并在所述第二栅极腔中形成第二导电材料部分。

附图说明

图1是根据本公开的第一实施例在形成一次性（disposable）栅极级层（level layer）之后的第一示例性半导体结构的垂直截面图；

图2是根据本公开的第一实施例在对一次性栅极结构进行构图并形成源极扩展区域/漏极扩展区域之后的第一示例性半导体结构的垂直截面图；

图3是根据本公开的第一实施例在形成间隔物（spacer）和源极区域/漏极区域之后的第一示例性半导体结构的垂直截面图；

图4是根据本公开的第一实施例在平面化电介质层的沉积和平面化之后的第一示例性半导体结构的垂直截面图；

图5是根据本公开的第一实施例在去除一次性栅极结构之后的第一示例性半导体结构的垂直截面图；

图6是根据本公开的第一实施例在形成栅极电介质层和第一功函数材料层之后的第一示例性半导体结构的垂直截面图；

图7是根据本公开的第一实施例在从第二场效应晶体管区域去除第一功函数材料层的暴露部分之后的第一示例性半导体结构的垂直截面图；

图8是根据本公开的第一实施例在形成第二功函数材料层之后的第一示例性半导体结构的垂直截面图；

图9是根据本公开的第一实施例在沉积导电材料层之后的第一示例性半导体结构的垂直截面图；

图10是根据本公开的第一实施例在平面化之后的第一示例性半导体结构的垂直截面图；

图11是根据本公开的第一实施例在形成接触级电介质层和接触过孔结构（contact via structure）之后的第一示例性半导体结构的垂直截面图；

图12是根据本公开的第二实施例在形成半导体鳍（fin）、一次性栅极结构、源极扩展区域/漏极扩展区域、源极区域/漏极区域、源极金属半导体合金部分/漏极金属半导体合金部分之后的第二示例性半导体结构的垂直截面图；

图13是根据本公开的第二实施例在平面化电介质层的沉积和平面化之后的第二示例性半导体结构的垂直截面图；