Регулирование порогового напряжения за счет модификации диэлектрической многослойной затворной структуры
Изобретение относится к полевым транзисторам, имеющим различные пороговые напряжения за счет модификации диэлектрической многослойной затворной структуры. Полупроводниковая структура содержит первый полевой транзистор, имеющий первую многослойную затворную структуру, которая включает в себя первый диэлектрик затвора, имеющий высокое значение диэлектрической постоянной, превышающее 4,0, участок металлического затвора, по меньшей мере один металлический участок и первый проводящий участок материала затвора, и второй полевой транзистор, имеющий вторую многослойную затворную структуру, которая включает в себя второй диэлектрик затвора, имеющий высокое значение диэлектрической постоянной, превышающее 4,0, по меньшей мере один диэлектрический металлооксидный участок и второй проводящий участок материала затвора, причем первый полевой транзистор и второй полевой транзистор имеют различные пороговые напряжения. Изобретение обеспечивает получение оптимальных рабочих характеристик приборов при оптимальном уровне потребления энергии. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 12 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится в целом к полупроводниковым приборам, в частности к полевым транзисторам, имеющим различные пороговые напряжения за счет модификации диэлектрической многослойной затворной структуры, и способам их изготовления.
Уровень техники
В современных полупроводниковых интегральных схемах применяются полевые транзисторы множества типов, имеющие различные пороговые напряжения, ток включения на единицу ширины и ток выключения на единицу длины. Полевые транзисторы с высоким пороговым напряжением обычно называют устройствами "малой мощности", имеющими низкий ток включения и ток выключения. Полевые транзисторы с низким пороговым напряжением называют "высококачественными" устройствами, имеющими высокий ток включения и высокий ток выключения. За счет сочетания устройств малой мощности и высококачественных устройств в полупроводниковой интегральной схеме могут обеспечиваться оптимальные рабочие характеристики при оптимальном уровне потребления энергии.
Для получения устройств с различными пороговыми напряжениями варьируют концентрацию легирующей примеси в легированном полупроводниковом кармане, в котором формируют тело полевого транзистора для каждого значения порогового напряжения. Так, в высококачественном устройстве используют легированный полупроводниковый карман с низкой концентрацией примеси, а в устройстве малой мощности используют другой легированный полупроводниковый карман с высокой концентрацией примеси. Для каждого значения легирования кармана на соответствующей стадии ионной имплантации используют специализированную маску для ионной имплантации с целью формирования легированного полупроводникового кармана, из-за чего повышается технологическая сложность и стоимость производства.
Помимо более высокой стоимости недостатком устройств малой мощности, в которых используется легированный полупроводниковый карман с высокой концентрацией примеси, также является увеличенная утечка через переход. Обычно устройства малой мощности имеют соотношение обратного тока утечки через переход и прямого тока утечки через переход, на множество порядков величины превышающее соответствующее соотношение у высококачественных устройств. Поскольку общий ток утечки в основном приходится на ток утечки через переход, все больше усложняется способ создания устройства малой мощности путем повышения концентрации примеси у легированного полупроводникового кармана. Кроме того, в тех случаях, когда такими полевыми транзисторами являются полевые транзисторы со структурой "полупроводник на диэлектрике" (ПНД), имеющие так называемые плавающие тела, из-за увеличенной утечки через переход в устройстве малой мощности имеет тенденцию увеличиваться напряжение прямого смещения плавающего тела, что снижает Vt и препятствует желаемому эффекту уменьшения тока утечки.
Таким образом, высокая концентрация примеси в легированном полупроводниковом кармане, в котором находится тело транзистора, вызывает сильный ток утечки через переход. Из-за увеличения тока утечки через переход способ модуляции легирования кармана с целью получения полевого транзистора с малой утечкой становится менее эффективным с точки зрения подавления общего тока утечки, несмотря на высокое пороговое напряжение.
Раскрытие изобретения
В настоящем изобретении используется множество полевых транзисторов с различными диэлектрическими многослойными затворными структурами для обеспечения различных пороговых напряжений.
В настоящем изобретении на легированном полупроводниковом кармане формируют многослойные затворные структуры множества типов. На легированном полупроводниковом кармане формируют диэлектрик затвора, имеющий высокое значение диэлектрической постоянной (ДП). В одной области устройства формируют слой металлического затвора, а в других областях устройства выводят на поверхность диэлектрик затвора с высоким значением ДП. В других областях устройства формируют регулирующие пороговое напряжение оксидные слои различной толщины. Поверх регулирующих пороговое напряжение оксидных слоев формируют проводящий слой материала затвора. Полевые транзисторы одного из типов содержат диэлектрик затвора, имеющий диэлектрический участок затвора с высоким значением ДП. Полевые транзисторы других типов содержат диэлектрик затвора, имеющий диэлектрический участок затвора с высоким значением ДП и первые регулирующие пороговое напряжение оксидные участки различной толщины. Полевые транзисторы, имеющие различные пороговые напряжения, получают за счет использования различных многослойных диэлектриков затвора и легированных полупроводниковых карманов с одинаковой концентрацией примеси.
Одним объектом настоящего изобретения является полупроводниковая структура, содержащая: первый полевой транзистор, имеющий первую многослойную затворную структуру, которая включает в себя, в направлении снизу вверх, первый диэлектрик затвора, имеющий высокое значение диэлектрической постоянной (ДП), превышающее 4,0, участок металлического затвора, по меньшей мере один металлический участок и первый проводящий участок материала затвора; и второй полевой транзистор, имеющий вторую многослойную затворную структуру, которая включает в себя, в направлении снизу вверх, второй диэлектрик затвора, имеющий высокое значение ДП, превышающее 4,0, по меньшей мере один диэлектрический металлооксидный участок и второй проводящий участок материала затвора; причем первый полевой транзистор и второй полевой транзистор имеют различные пороговые напряжения.
Еще одним объектом настоящего изобретения является полупроводниковая структура, содержащая: первый полевой транзистор, имеющий первую многослойную затворную структуру, которая включает в себя, в направлении снизу вверх, первый диэлектрик затвора, имеющий высокое значение ДП, по меньшей мере один первый диэлектрический металлооксидный участок и первый проводящий участок материала затвора; и второй полевой транзистор, имеющий вторую многослойную затворную структуру, которая включает в себя, в направлении снизу вверх, второй диэлектрик затвора, имеющий высокое значение ДП, по меньшей мере один второй диэлектрический металлооксидный участок и второй проводящий участок материала затвора; причем первый полевой транзистор и второй полевой транзистор имеют различные пороговые напряжения.
Также объектом настоящего изобретения является способ формирования полупроводниковой структуры, характеризующийся тем, что: на полупроводниковой подложке формируют диэлектрический слой затвора, имеющий высокое значение ДП и содержащий диэлектрический материал с диэлектрической постоянной, превышающей 4,0; непосредственно на первом участке диэлектрического слоя затвора, имеющего высокое значение ДП, формируют слой металлического затвора; непосредственно на слой металлического затвора и на второй участок диэлектрического слоя затвора, имеющего высокое значение ДП, осаждают по меньшей мере один металлический слой, причем непосредственно на втором участке диэлектрического слоя затвора с высоким значением ДП за счет окисления участка по меньшей мере одного металлического слоя получают по меньшей мере один диэлектрический металлооксидный слой; и непосредственно на упомянутом по меньшей мере одном металлическом слое и упомянутом по меньшей мере одном диэлектрическом металлооксидном участке формируют проводящий слой материала затвора.
Еще одним объектом настоящего изобретения является способ формирования полупроводниковой структуры, характеризующийся тем, что: на полупроводниковой подложке формируют диэлектрический слой затвора, имеющий высокое значение ДП и содержащий диэлектрический материал с диэлектрической постоянной, превышающей 4,0; непосредственно на диэлектрический слой затвора, имеющий высокое значение ДП, осаждают по меньшей мере один металлический слой, причем непосредственно на диэлектрическом слое затвора с высоким значением ДП за счет окисления по меньшей мере одного металлического слоя получают по меньшей мере один диэлектрический металлооксидный слой; удаляют участок по меньшей мере одного из упомянутого по меньшей мере одного диэлектрического металлооксидного слоя, получая при этом по меньшей мере один первый диэлектрический металлооксидный слой и по меньшей мере один второй диэлектрический металлооксидный слой, имеющие различную толщину; и непосредственно на по меньшей мере одном металлическом слое и по меньшей мере одном диэлектрическом металлооксидном участке формируют проводящий слой материала затвора.
Краткое описание чертежей
На чертежах, поясняющих осуществления изобретения, показано:
на фиг.1 - вертикальное поперечное сечение первой типичной полупроводниковой структуры, которое соответствует стадии после формирования n-легированного полупроводникового кармана и p-легированного полупроводникового кармана,
на фиг.2 - вертикальное поперечное сечение первой типичной полупроводниковой структуры, которое соответствует стадии после формирования диэлектрической многослойной затворной структуры с высоким значением диэлектрической постоянной (ДП) и слоя металлического затвора,
на фиг.3 - вертикальное поперечное сечение первой типичной полупроводниковой структуры, которое соответствует стадии после формирования рельефа слоя металлического затвора,
на фиг.4 - вертикальное поперечное сечение первой типичной полупроводниковой структуры, которое соответствует стадии после осаждения первого металлического слоя,
на фиг.5 - вертикальное поперечное сечение первой типичной полупроводниковой структуры, которое соответствует стадии после формирования рельефа первого диэлектрического металлооксидного слоя,
на фиг.6 - вертикальное поперечное сечение первой типичной полупроводниковой структуры, которое соответствует стадии после осаждения второго металлического слоя,
на фиг.7 - вертикальное поперечное сечение первой типичной полупроводниковой структуры, которое соответствует стадии после формирования проводящего слоя материала затвора,
на фиг.8 - вертикальное поперечное сечение первой типичной полупроводниковой структуры, которое соответствует стадии после формирования рельефа различных многослойных диэлектриков затвора,
на фиг.9 - вертикальное поперечное сечение первой типичной полупроводниковой структуры, которое соответствует стадии после формирования различных полевых транзисторов,
на фиг.10 - вертикальное поперечное сечение второй типичной полупроводниковой структуры, которое соответствует стадии после формирования металлического слоя,
на фиг.11 - вертикальное поперечное сечение второй типичной полупроводниковой структуры, которое соответствует стадии после утончения участка металлического слоя,
на фиг.12 - вертикальное поперечное сечение второй типичной полупроводниковой структуры, которое соответствует стадии после формирования различных полевых транзисторов.
Осуществление изобретения
Как указано выше, настоящее изобретение относится к полевым транзисторам с различными пороговыми напряжениями за счет модификации диэлектрической многослойной затворной структуры и способам их изготовления, которые будут подробно описаны далее со ссылкой на сопровождающие чертежи. Одинаковые и соответствующие элементы обозначены одинаковыми позициями. Пропорции различных элементов на чертежах представлены не в масштабе.
На фиг.1 проиллюстрирована первая типичная полупроводниковая структура согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, которая содержит полупроводниковую подложку 8. Полупроводниковая подложка 8 имеет область 10, содержащую полупроводниковый материал. Полупроводниковый материал может быть выбран, в том числе без ограничения, из кремния, германия, сплава кремния и германия, сплава кремния и углерода, сплава кремния, германия и углерода, арсенида галлия, арсенида индия, фосфида индия, трех-пятикомпонентных полупроводниковых соединений, двух-шестикомпонентных полупроводниковых соединений, органических полупроводниковых материалов и других полупроводниковых соединений. Область 10 предпочтительно является монокристаллической, т.е. имеет одинаковый набор кристаллографических ориентаций, или "эпитаксиальной".
Полупроводниковая подложка 8 дополнительно имеет структуры 20 с мелкими изолирующими канавками, которые содержат диэлектрический материал, такой как оксид кремния, нитрид кремния, оксинитрид кремния или их сочетание. Полупроводниковая подложка 8 может представлять собой монолитную подложку, подложку со структурой "полупроводник на диэлектрике" (ПНД) или гибридную подложку, содержащую монолитную часть и часть с ПНД-структурой. Хотя в первом варианте осуществления описана монолитная подложка, в изобретении в прямой форме предусмотрены варианты осуществления с использованием подложки с ПНД-структурой или гибридной подложки.
В первый верхний участок области 10 путем ионной имплантации или другими способами легирования вводят легирующие примеси с проводимостью первого типа с целью формирования первого легированного полупроводникового кармана 22. Например, первый верхний участок области может находиться в пределах области, в которую входит первая область 100 устройства, вторая область 200 устройства и пятая область 500 устройства. Проводимостью первого типа может являться проводимость n-типа или проводимость p-типа. Если проводимостью первого типа является проводимость n-типа, первый легированный полупроводниковый карман 22 представляет собой легированный примесью n-типа полупроводниковый карман. Если проводимостью первого типа является проводимость p-типа, первый легированный полупроводниковый карман 22 представляет собой легированный примесью p-типа полупроводниковый карман. Первый легированный полупроводниковый карман 22 легирован примесью с проводимостью первого типа, имеющей практически одинаковую концентрацию на всем протяжении. Концентрация примеси в первом легированном полупроводниковом кармане 22 может составлять от 1,0×1016/см3 атомов/см3 до 3,0×1019/см3 атомов/см3, обычно от 1,0×1017/см3 атомов/см3 до 1,0×1019/см3 атомов/см3.
Во второй верхний участок области 10 путем ионной имплантации или другими способами легирования вводят легирующие примеси с проводимостью второго типа с целью формирования второго легированного полупроводникового кармана 24. Например, второй верхний участок области может находиться в пределах области, в которую входит третья область 300 устройства, четвертая область 400 устройства и шестая область 600 устройства. Проводимость второго типа противоположна проводимости первого типа. Если проводимостью первого типа является проводимость n-типа, проводимостью второго типа является проводимость n-типа, и наоборот, проводимостью второго типа является проводимость р-типа, второй легированный полупроводниковый карман 24 представляет собой легированный примесью р-типа полупроводниковый карман. Если проводимостью второго типа является проводимость n-типа, второй легированный полупроводниковый карман 24 представляет собой легированный примесью n-типа полупроводниковый карман. Второй легированный полупроводниковый карман 24 легирован примесью с проводимостью второго типа, имеющей практически одинаковую концентрацию на всем протяжении. Концентрация примеси во втором легированном полупроводниковом кармане 24 может составлять от 1,0×1016/см3 атомов/см3 до 3,0×1019/см3 атомов/см3, обычно от 1,0×1017/см3 атомов/см3 до 1,0×1019/см3 атомов/см3.
Предпочтительно первый легированный полупроводниковый карман 22, второй легированный полупроводниковый карман 24 и область 10 являются в целом монокристаллическими. Область 10 может являться практически нелегированной, быть легирована примесью р-типа или легирована примесью n-типа.
Как показано на фиг.2, на поверхностях первого легированного полупроводникового кармана 22 и второго легированного полупроводникового кармана 24 формируют диэлектрический слой 30L затвора, имеющий высокое значение диэлектрической постоянной (ДП). Между первым и вторым легированными полупроводниковыми карманами 22, 24 необязательно может быть сформирован диэлектрический граничный слой (не показан) и диэлектрический слой 30L затвора с высоким значением ДП. Диэлектрический граничный слой может содержать полупроводниковый оксид, полупроводниковый оксинитрид или полупроводниковый нитрид. Например, диэлектрическим граничным слоем может являться "химический оксид", который может быть получен путем обработки химикатом верхней поверхности первого и второго легированных полупроводниковых карманов 22, 24. Толщина диэлектрического граничного слоя, если он используется, может составлять от 0,1 нм до 0,8 нм, хотя в изобретении также предусмотрены меньшие и большие значения толщины. В противном случае диэлектрический слой 30L затвора с высоким значением ДП может быть сформирован непосредственно на первом и втором легированных полупроводниковых карманах 22, 24.
На первом и втором легированных полупроводниковых карманах 22, 24 формируют диэлектрический слой 30L затвора, имеющий высокое значение диэлектрической постоянной (ДП), хорошо известными из техники способами, включая, например, химическое осаждение из паровой фазы (CVD), физическое осаждение из паровой фазы (PVD), осаждение из молекулярных пучков (MBD), импульсное лазерное осаждение (PLD), тонкодисперсное химическое осаждение из жидкого источника (LSMCD), осаждение атомных слоев (ALD) и т.д. Диэлектрический слой 30L затвора с высоким значением ДП содержит диэлектрический оксид металла с диэлектрической постоянной, превышающей диэлектрическую постоянную оксида кремния, которая составляет 3,9. Обычно диэлектрический слой 30L затвора с высоким значением ДП имеет диэлектрическую постоянную, превышающую 4,0. Диэлектрический слой 30L затвора с высоким значением ДП предпочтительно имеет диэлектрическую постоянную, превышающую 8,0. Диэлектрический оксид металла является материалом с высоким значением ДП, содержащим металл и кислород, и известен из техники как затвор с высоким значением ДП. Примеры диэлектрического материала с высоким значением ДП включают HfO2, ZrO2, La2O3, Al2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, Y2O3, HfOxNy, ZrOxNy, La2OxNy, Al2OxNy, TiOxNy, SrTiOxNy, LaAlOxNy, Y2OxNy, их силикат и их сплав. Значение x в каждом случае независимо друг от друга составляет от 0,5 до 3, а значение y в каждом случае независимо друг от друга составляет от 0 до 2. Толщина диэлектрического слоя 30L затвора с высоким значением ДП может составлять от 0,9 нм до 6 нм, предпочтительно от 1,2 нм до 3 нм. Диэлектрический слой 30L затвора с высоким значением ДП может иметь фактическую толщину оксида порядка 1 нм или менее.
Непосредственно на диэлектрическом слое 30L затвора с высоким значением ДП формируют слой 42L металлического затвора. Слой 42L металлического затвора содержит металл или проводящий металлический сплав, работа выхода которого находится в интервале между краем валентной зоны и краем зоны проводимости полупроводникового материала первого и второго легированных полупроводниковых карманов 22, 24. Слой 42L металлического затвора может содержать W, Та, TiN, ZrN, HfN, VN, NbN, TaN, WN, TiAlN, TaC, TaMgC, TaCN, нитрид другого проводящего тугоплавкого металла или их сочетание или их сплав. Слой 42L металлического затвора может быть сформирован путем химического осаждения из паровой фазы (CVD), физического осаждения из паровой фазы (PVD), осаждения атомных слоев (ALD), вакуумного испарения и т.д. Слой 42L металлического затвора может содержать металл группы IVB или VB Периодической системы химических элементов или другие переходные металлы. Толщина слоя 42L металлического затвора может составлять от 5 нм до 100 нм, обычно от 10 нм до 50 нм, хотя в изобретении также предусмотрены меньшие и большие значения толщины.
Как показано на фиг.3, на слой 42L металлического затвора наносят первый слой 47 фоторезиста, на котором литографским способом формируют рельеф таким образом, чтобы покрыть первую область 100 и третью область 300 слоя 42L металлического затвора. Верхняя поверхность слоя 42L металлического затвора не защищена во второй области 200, четвертой области 400, пятой области 500 устройства и шестой области 600 устройства. Незащищенные участки слоя 42L металлического затвора удаляют путем травления с использованием первого слоя 47 фоторезиста в качестве маски для травления. Травление осуществляется методом сухого травления или влажного травления. Травление предпочтительно осуществляют избирательно в отношении материала диэлектрического слоя 30L затвора с высоким значением ДП, т.е. практически не удаляют диэлектрический слой 30L затвора с высоким значением ДП. Таким образом, после травления во второй, четвертой, пятой и шестой областях 200, 400, 500, 600 получают незащищенную верхнюю поверхность диэлектрического слоя 30L затвора с высоким значением ДП. Затем практически удаляют первый слой 47 фоторезиста.
Как показано на фиг.4, на незащищенные поверхности слоя 42L металлического затвора и незащищенную поверхность диэлектрического слоя 30L затвора с высоким значением ДП осаждают первый металлический слой 52L. Первый металлический слой 52L является слоем, содержащим элемент групп IIA/IIIB, т.е. группы IIA или группы IIIB Периодической системы химических элементов. Первый металлический слой 52L может быть сформирован непосредственно на диэлектрическом слое 30L затвора с высоким значением ДП и слое 42L металлического затвора способами, хорошо известными из техники, включая, например, CVD, PVD, MBD, PLD, LSMCD, ALD и т.д. Первый металлический слой 52L содержит один из элементов группы IIA и группы IIIB. В частности, первый металлический слой 52L может содержать один из следующих элементов: Be, Mg, Са, Sr, Ва, Ra, Sc, Y, La, Се, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb и Lu. Толщина первого металлического слоя 52L может составлять от 0,1 нм до 0,8 нм, хотя в изобретении также в прямой форме предусмотрены меньшие и большие значения толщины.
Элементы группы ПА и группы IIIB обладают предрасположенностью вступать в реакцию с кислородом, в результате чего образуется диэлектрический оксид металла. Так, участок первого металлического слоя 52L, осажденный непосредственно на диэлектрический слой 30L затвора с высоким значением ДП, захватывает кислород из нижележащего диэлектрического слоя 30L затвора с высоким значением ДП. В результате сочетания с кислородом участок первого металлического слоя 52L, лежащий непосредственно над диэлектрическим слоем 30L затвора с высоким значением ДП, преобразуется в первый диэлектрический металлооксидный слой 50L. Первый диэлектрический металлооксидный слой 50L содержит оксид металла первого металлического слоя 52L. Первый металлический слой 52L не преобразуется над верхними поверхностями и поверхностями боковых стенок слоя 42L металлического затвора, поскольку из слоя 42L металлического затвора не поступает кислород. В первой области 100 и третьей области 300 непосредственно на верхних поверхностях и поверхностях боковых стенок слоя 42L металлического затвора формируют первый металлический слой 52L, содержащий элемент группы IIA или группы IIIB. Во второй, четвертой, пятой и шестой областях 200, 400, 500, 600 непосредственно на диэлектрическом слое 30L затвора с высоким значением ДП формируют первый диэлектрический металлооксидный слой 50L.
Как показано на фиг.5, на первый диэлектрический металлооксидный слой 50L и первый металлический слой 52L наносят второй слой 57 фоторезиста, на котором литографским способом формируют рельеф таким образом, чтобы покрыть участки первого диэлектрического металлооксидного слоя 50L во второй области 200 и четвертой области 400. В одном из вариантов осуществления первый металлический слой 52L покрывают вторым слоем 57 фоторезиста в первой и третьей областях 100, 300. В другом варианте осуществления первый металлический слой 52L может быть не защищен, т.е. не покрыт вторым слоем 57 фоторезиста в первой и третьей областях 100, 300. Верхняя поверхность первого диэлектрического металлооксидного слоя 50L не защищена в пятой области 500 и шестой области 600. Незащищенные участки первого диэлектрического металлооксидного слоя 50L удаляют путем травления с использованием второго слоя 57 фоторезиста в качестве маски для травления. Травление может осуществляться методом сухого травления или влажного травления. Травление предпочтительно осуществляют избирательно в отношении материала диэлектрического слоя 30L затвора с высоким значением ДП, т.е. практически не удаляют диэлектрический слой 30L затвора с высоким значением ДП. Таким образом, после травления в пятой и шестой областях 500, 600 получают незащищенную верхнюю поверхность диэлектрического слоя 30L затвора с высоким значением ДП. Затем практически удаляют второй слой 57 фоторезиста.
Как показано на фиг.6, на поверхности первого металлического слоя 52L, первого диэлектрического металлооксидного слоя 50L и незащищенную поверхность диэлектрического слоя 30L затвора с высоким значением ДП осаждают второй металлический слой 62L. Второй металлический слой 62L содержит элемент группы IIA или группы IIIB Периодической системы химических элементов. Материал второго металлического слоя 62L может быть таким же или отличаться от материала первого металлического слоя 52L. Второй металлический слой 62L может быть сформирован таким же способом, как и первый металлический слой 52L. Второй металлический слой 62L может содержать один из следующих элементов: Be, Mg, Ca, Sr, Ва, Ra, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb и Lu. Толщина второго металлического слоя 62L может составлять от 0,1 нм до 0,8 нм, хотя в изобретении также в прямой форме предусмотрены меньшие и большие значения толщины.
Участок второго металлического слоя 62L, осажденный непосредственно на диэлектрический слой 30L затвора с высоким значением ДП или первый диэлектрический металлооксидный слой 50L, захватывает кислород из нижележащего диэлектрического слоя 30L затвора с высоким значением ДП. Кислород из нижележащего диэлектрического слоя 30L затвора с высоким значением ДП может поступать на вышележащий участок второго металлического слоя 62L за счет непосредственного соприкосновения или посредством первого диэлектрического металлооксидного слоя 50L. В результате сочетания с кислородом участок второго металлического слоя 62L, лежащий непосредственно над диэлектрическим слоем 30L затвора с высоким значением ДП или непосредственно над первым диэлектрическим металлооксидным слоем 50L, преобразуется во второй диэлектрический металлооксидный слой 60L. Толщину второго металлического слоя 62L выбирают таким образом, чтобы весь второй металлический слой 62L, лежащий непосредственно над диэлектрическим слоем 30L затвора с высоким значением ДП или непосредственно над первым диэлектрическим металлооксидным слоем 50L, преобразовался во второй диэлектрический металлооксидный слой 60L.
Второй диэлектрический металлооксидный слой 60L содержит оксид металла второго металлического слоя 62L. Второй металлический слой 62L над верхними поверхностями и поверхностями боковых стенок первого металлического слоя 52L не преобразуется, поскольку из слоя 42L металлического затвора или первого металлического слоя 52L не поступает кислород. Второй металлический слой 62L, содержащий элемент группы IIA или группы IIIB, формируют непосредственно на верхних поверхностях и поверхностях боковых стенок первого металлического слоя 52L в первой области 100 и третьей области 300. Второй диэлектрический металлооксидный слой 60L формируют непосредственно на первом диэлектрическом металлооксидном слое 50L во второй и четвертой областях 200, 400. Второй диэлектрический металлооксидный слой 60L также формируют непосредственно на диэлектрическом слое 30L затвора с высоким значением ДП в четвертой и шестой областях 500, 600.
Как показано на фиг.7, непосредственно на втором диэлектрическом металлооксидном слое 60L и втором металлическом слое 62L формируют проводящий слой 72L материала затвора. Проводящий слой 72L материала затвора содержит проводящий материал, которым может являться легированный полупроводниковый материал или металлический материал. Толщина проводящего слоя 72L материала затвора может составлять от 10 нм до 120 нм, хотя в изобретении также в прямой форме предусмотрены меньшие и большие значения толщины.
Если проводящий слой 72L материала затвора содержит легированный полупроводниковый материал, легированным полупроводниковым материалом может являться поликристаллический или аморфный полупроводниковый материал. Легированный полупроводниковый материал содержит по меньшей мере одно из следующего: кремний, германий, сплав кремния и германия, сплав кремния и углерода, сплав кремния, германия и углерода, арсенид галлия, арсенид индия, фосфид индия, трех-пятикомпонентные полупроводниковые соединения, двух-шестикомпонентные полупроводниковые соединения, органические полупроводниковые материалы и другие полупроводниковые соединения. Легированный полупроводниковый материал может быть осажден методом осаждения на месте в виде слоя легированного полупроводникового материала или может быть осажден в виде слоя нелегированного полупроводникового материала и затем легирован методом ионной имплантации.
Если проводящий слой 72L материала затвора содержит металлический материал, проводящий слой 72L материала затвора может содержать любой описанный выше материал, применимый слоя для 42L металлического затвора. Проводящий слой 72L материала затвора может содержать такой же материал, как материал слоя 42L металлического затвора, или отличающийся от него материал.
Как показано на фиг.8, на структуру слоев 42L, 52L, 50L, 62L, 60L, 72L материала над верхней поверхностью полупроводниковой подложки 8 литографским способом наносят рельеф с целью формирования различных многослойных затворных структур. В частности, в областях 100, 200, 300, 400, 500, 600 с первой по шестую формируют, соответственно, с первую по шестую многослойные затворные структуры. Первая многослойная затворная структура в первой области 100 устройства содержит, снизу вверх, первый диэлектрик 30А затвора, имеющий высокое значение диэлектрической постоянной (ДП), первый участок 42А металлического затвора, первый металлический участок 52А первого устройства, второй металлический участок 62А первого устройства и первый проводящий участок 72А материала затвора. Вторая многослойная затворная структура во второй области 200 устройства содержит, снизу вверх, второй диэлектрик 30B затвора с высоким значением ДП, первый диэлектрический металлооксидный участок 50B второго устройства, второй диэлектрический металлооксидный участок 60B второго устройства и второй проводящий участок 72В материала затвора. Третья многослойная затворная структура в третьей области 300 устройства содержит, снизу вверх, третий диэлектрик 30C затвора с высоким значением ДП, второй участок 42С металлического затвора, первый металлический участок 52С третьего устройства, второй металлический участок 62С третьего устройства и третий проводящий участок 72С материала затвора. Четвертая многослойная затворная структура в четвертой области 400 устройства содержит, снизу вверх, четвертый диэлектрик 30D затвора с высоким значением ДП, первый диэлектрический металлооксидный участок 50D четвертого устройства, второй диэлектрический металлооксидный участок 60D четвертого устройства и четвертый проводящий участок 72D материала затвора. Пятая многослойная затворная структура в пятой области 500 устройства содержит, снизу вверх, пятый диэлектрик 30E затвора с высоким значением ДП, диэлектрический металлооксидный участок 60Е пятого устройства и пятый проводящий участок 72Е материала затвора. Шестая многослойная затворная структура в шестой области 600 устройства содержит, снизу вверх, шестой диэлектрик 30F затвора с высоким значением ДП, диэлектрический металлооксидный участок 60F шестого устройства и шестой проводящий участок 72F материала затвора.
Первый диэлектрик 30А затвора с высоким значением ДП, второй диэлектрик 30B затвора с высоким значением ДП, третий диэлектрик 30С затвора с высоким значением ДП, четвертый диэлектрик 30D затвора с высоким значением ДП, пятый диэлектрик 30E затвора с высоким значением ДП и шестой диэлектрик 30F затвора с высоким значением ДП являются участками диэлектрического слоя 30L затвора с высоким значением ДП, остающимися после формирования многослойных затворных структур. Первый участок 42А металлического затвора и второй участок 42С металлического затвора являются участками слоя 42L металлического затвора, остающимися после формирования многослойных затворных структур. Первый металлический участок 52А первого устройства и первый металлический участок 52С третьего устройства являются остающимися участками первого металлического слоя 52L. Второй металлический участок 62А первого устройства и второй металлический участок 62С третьего устройства являются остающимися участками второго металлического слоя 62L. Первый диэлектрический металлооксидный участок 50В второго устройства и первый диэлектрический металлооксидный участок 50D четвертого устройства являются остающимися участками первого диэлектрического металлооксидного слоя 50L. Второй диэлектрический металлооксидный участок 60В второго устройства, второй диэлектрический металлооксидный участок 60D четвертого устройства, диэлектрический металлооксидный участок 60Е пятого устройства и диэлектрический металлооксидный участок 60F шестого устройства являются остающимися участками второго диэлектрического металлооксидного слоя 60L. С первого по шестой проводящие участки 72A-72F материала затвора являются остающимися участками проводящего слоя 72L материала затвора. Каждый участок с первой по шестой многослойной затворной структуры имеет такой же состав и толщину, что и слой, из которого он сформирован.
Как показано на фиг.9, при необходимости осуществляют имплантацию для расширения истока и стока. В верхние участки первого легированного полупроводникового кармана 22, содержащего легирующую примесь с проводимостью первого типа, могут быть имплантированы легирующие примеси с проводимостью второго типа, а второй легированный полупроводниковый карман 24 маскируют первым структурированным маскирующим слоем (не показан). В первом легированном полупроводниковом кармане 22 могут быть сформированы первые области расширения истока и стока (не показаны), содержащие легирующую примесь с проводимостью второго типа. В верхние участки второго легированного полупроводникового кармана 24, содержащего легирующую примесь с проводимостью второго типа, могут быть имплантированы легирующие примеси с проводимостью первого типа, а первый легированный полупроводниковый карман 22 маскируют вторым структурированным маскирующим слоем (не показан). Во втором легированном полупроводниковом кармане 24 могут быть сформированы вторые области расширения истока и стока (не показаны), содержащие легирующую примесь с проводимостью первого типа. При необходимости может осуществляться галоимплантация.
На боковых стенках с первой по шестую многослойных затворных структур формируют диэлектрические прокладки 80. Например, диэлектрические прокладки 80 могут быть сформированы путем осаждения слоя диэлектрического материала с последующим анизотропным травлением с целью удаления горизонтальных участков слоя диэлектрического материала. Вертикальные участки слоя диэлектрического материала, остающиеся на боковых стенках с первой по шестую многослойных затворных структур, образуют диэлектрические прокладки.
На верхних участках первого легированного полупроводникового кармана 22 путем имплантации легирующих примесей с проводимостью второго типа формируют первые истоковые и стоковые области 92, содержащие легирующую примесь с проводимостью второго типа. Первые истоковые и стоковые области 92 могут иметь одинаковую концентрацию легирующих примесей с проводимостью второго типа в первой, второй и пятой областях 100, 200, 500. Концентрация легирующих примесей с проводимостью второго типа в первых истоковых и стоковых областях 92 может составлять от 3,0×1019 атомов/см3 до 3,0×1021 атомов/см3, обычно от 1,0×1020 атомов/см3 до 1,0×1021 атомов/см3. Во время формирования первых истоковых и стоковых областей 92 третью, четвертую и шестую области 300, 400, 600 устройства покрывают структурированным маскирующим слоем, который во время ионной имплантации действует как защитная маска для легирующих примесей с проводимостью второго типа.
На верхних участках второго легированного полупроводникового кармана 24 путем имплантации легирующих примесей с проводимостью первого типа формируют вторые истоковые и стоковые области 94, содержащие легирующую примесь с проводимостью первого типа. Вторые истоковые и стоковые области 94 могут иметь одинаковую концентрацию легирующих примесей с проводимостью первого типа в третьей, четвертой и шестой областях 300, 400, 600 устройства. Концентрация легирующих примесей с проводимостью первого типа во вторых истоковых и стоковых областях 94 может составлять от 3,0×1019 атомов/см3 до 3,0×1021 атомов/см3, обычно от 1,0×1020 атомов/см3 до 1,0×1021 атомов/см3. Во время формирования вторых истоковых и стоковых областей 94 первую, вторую и пятую области 100, 200, 500 устройства покрывают другим структурированным маскирующим слоем, который во время ионной имплантации действует как защитная маска для легирующих примесей с проводимостью первого типа.
Первая полупроводниковая структура содержит полевые транзисторы с проводимостью второго типа и полевые транзисторы с проводимостью первого типа. В частности, полевые транзисторы в первой, второй и пятой областях 100, 200, 500 устройства представляют собой полевые транзисторы с проводимостью второго типа. Полевые транзисторы в третьей, четвертой и шестой областях 300, 400, 600 устройства представляют собой полевые транзисторы с проводимостью первого типа. Если первый легированный полупроводниковый карман 22 является легированным примесью n-типа карманом, а второй легированный полупроводниковый карман 24 является легированным примесью p-типа карманом, полевые транзисторы в первой, второй и пятой областях 100, 200, 500 устройства являются полевыми транзисторами с проводимостью р-типа, а полевые транзисторы в третьей, четвертой и шестой областях 300, 400, 600 устройства являются полевыми транзисторами с проводимостью n-типа. И наоборот, если первый легированный полупроводниковый карман 22 является легированным примесью р-типа карманом, а второй легированный полупроводниковый карман 24 является легированным примесью n-типа карманом, полевые транзисторы в первой, второй и пятой областях 100, 200, 500 устройства являются полевыми транзисторами с проводимостью n-типа, а полевые транзисторы в третьей, четвертой и шестой областях 300, 400, 600 устройства являются полевыми транзисторами с проводимостью p-типа.
Поскольку полевые транзисторы в первой, второй и пятой областях 100, 200, 500 устройства формируют в одинаковом первом легированном кармане 22 с одинаковой концентрацией примеси на всем протяжении, эти транзисторы имеют практически одинаковый ток утечки через переход "исток-тело" на единицу ширины, а также практически одинаковый ток утечки через переход "сток-тело" на единицу ширины. Аналогичным образом, поскольку полевые транзисторы в третьей, четвертой и шестой областях 300, 400, 600 устройства формируют в одинаковом втором легированном кармане 24 с одинаковой концентрацией примеси на всем протяжении, эти транзисторы имеют практически одинаковый ток утечки через переход "исток-тело" на единицу ширины, а также практически одинаковый ток утечки через переход "сток-тело" на единицу ширины. Ширина транзистора в данном случае означает ширину канала полевого транзистора, измеренную в направлении, перпендикулярном направлению протекания тока, и в плоскости раздела между каналом и диэлектриком затвора. Током утечки через переход "исток-тело" является ток утечки между истоком и телом транзистора. Током утечки через переход "сток-тело" является ток утечки между стоком и телом транзистора. Поскольку ток сток-исток не является током утечки и не проходит через тело, ток сток-исток не входит в ток утечки через переход "исток-тело" и ток утечки через переход "сток-тело". Полевые транзисторы в первой по шестую областях 100, 200, 300, 400, 500, 600 устройства могут представлять собой полевые транзисторы с объемным каналом или полевые транзисторы на ПНД-структуре.
Каждый полевой транзистор из полевых транзисторов в первой, второй и пятой областях 100, 200, 500 устройства имеет пороговое напряжение, отличающееся от порогового напряжения двух других полевых транзисторов. Такая дифференциация пороговых напряжений осуществляется не за счет модификации концентрации примеси в первом легированном полупроводниковом кармане 22. Первый легированный полупроводниковый карман 22 имеет одинаковую концентрацию легирующей примеси в первой, второй и пятой областях 100, 200, 500 устройства. Вместо этого дифференциация пороговых напряжений у трех полевых транзисторов в первой, второй и пятой областях 100, 200, 500 устройства осуществляется за счет различий в структуре их многослойных затворов.
В частности, пороговое напряжение первого полевого транзистора в первой области 100 устройства определяется материалом и толщиной первого диэлектрика 30А затвора с высоким значением ДП и работой выхода первого участка 42А металлического затвора. Пороговое напряжение второго полевого транзистора во второй области 200 устройства определяется материалом и толщиной второго диэлектрика 30В затвора с высоким значением ДП, первого диэлектрического металлооксидного участка 50В второго устройства, второго диэлектрического металлооксидного участка 60В второго устройства и работой выхода второго проводящего участка 72В материала затвора. Пороговое напряжение пятого полевого транзистора в пятой области 500 устройства определяется материалом и толщиной пятого диэлектрика 30Е затвора с высоким значением ДП, диэлектрического металлооксидного участка 60Е пятого устройства и работой выхода пятого проводящего участка 72Е материала затвора.
Каждый полевой транзистор из полевых транзисторов в третьей, четвертой и шестой областях 300, 400, 600 устройства имеет пороговое напряжение, отличающееся от порогового напряжения двух других полевых транзисторов. Такая дифференциация пороговых напряжений осуществляется не за счет модификации концентрации примеси в первом легированном полупроводниковом кармане 22. Второй легированный полупроводниковый карман 24 имеет одинаковую концентрацию легирующей примеси в третьей, четвертой и шестой областях 300, 400, 600 устройства. Вместо этого дифференциация пороговых напряжений у трех полевых транзисторов в третьей, четвертой и шестой областях 300, 400, 600 устройства осуществляется за счет различий в структуре их многослойных затворов.
В частности, пороговое напряжение третьего полевого транзистора в третьей области 300 устройства определяется материалом и толщиной третьего диэлектрика 30С затвора с высоким значением ДП и работой выхода второго участка 42С металлического затвора. Пороговое напряжение четвертого полевого транзистора в четвертой области 400 устройства определяется материалом и толщиной четвертого диэлектрика 30D затвора с высоким значением ДП, первого диэлектрического металлооксидного участка 50D четвертого устройства, второго диэлектрического металлооксидного участка 60D четвертого устройства и работой выхода четвертого проводящего участка 72D материала затвора. Пороговое напряжение шестого полевого транзистора в шестой области 600 устройства определяется материалом и толщиной шестого диэлектрика 30F затвора с высоким значением ДП, диэлектрического металлооксидного участка 60F шестого устройства и работой выхода шестого проводящего участка 72F материала затвора.
Как показано на фиг.10, вторую типичную полупроводниковую структуру согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения получают из первой типичной полупроводниковой структуры, проиллюстрированной на фиг.3, путем удаления первого слоя 47 фоторезиста и осаждения металлического слоя 152L на незащищенные поверхности слоя 42L металлического затвора и незащищенную поверхность диэлектрического слоя 30L затвора с высоким значением ДП. Металлический слой 152L является слоем из элемента группы IIA/IIIB, т.е. содержит элемент группы IIA или элемент группы IIIB Периодической системы химических элементов. Металлический слой 152L может быть сформирован непосредственно на диэлектрическом слое 30L затвора с высоким значением ДП и слое 42L металлического затвора таким же способом, как и при формировании первого металлического слоя 52L в первом варианте осуществления. Металлический слой 152L может содержать такой же металл, как и в первом варианте осуществления. Толщина металлического слоя 152L может составлять от 0,1 нм до 1,6 нм, обычно от 0,1 нм до 0,8 нм, хотя в изобретении также в прямой форме предусмотрены меньшие и большие значения толщины.
Участок металлического слоя 152L, осажденный непосредственно на диэлектрический слой 30L затвора с высоким значением ДП, захватывает кислород из нижележащего диэлектрического слоя 30L затвора с высоким значением ДП. В результате сочетания с кислородом участок первого металлического слоя 152L, лежащий непосредственно над диэлектрическим слоем 30L затвора с высоким значением ДП, преобразуется в первый диэлектрический металлооксидный слой 150L. Диэлектрический металлооксидный слой 150L содержит оксид металла металлического слоя 152L. Металлический слой 152L не преобразуется над верхними поверхностями и поверхностями боковых стенок слоя 42L металлического затвора, поскольку из слоя 42L металлического затвора не поступает кислород. Непосредственно на верхних поверхностях и боковых стенках слоя 42L металлического затвора в первой области 100 и третьей области 300 формируют металлический слой 152L, содержащий элемент группы IIA или элемент группы IIIB. Непосредственно на диэлектрическом слое 30L затвора с высоким значением ДП во второй, четвертый, пятой и шестой областях 200, 400, 500, 600 формируют диэлектрический металлооксидный слой 150L.
Как показано на фиг.11, на диэлектрический металлооксидный слой 150L и металлический слой 152L наносят слой 157 фоторезиста, на котором литографским способом формируют рельеф таким образом, чтобы покрыть участки диэлектрического металлооксидного слоя 150L во второй области 200 и четвертой области 400. В одном из вариантов осуществления металлический слой 152L покрывают слоем 157 фоторезиста в первой и третьей областях 100, 300. В другом варианте осуществления металлический слой 152L может быть не защищен, т.е. не покрыт слоем 157 фоторезиста в первой и третьей областях 100, 300. Верхняя поверхность диэлектрического металлооксидного слоя 150L не защищена в пятой области 500 и шестой области 600. Незащищенные участки диэлектрического металлооксидного слоя 150L углубляют путем травления с использованием слоя 157 фоторезиста в качестве маски для травления. Травление может осуществляться методом сухого травления или влажного травления. В результате травления уменьшается незащищенный участок диэлектрического металлооксидного слоя 150L. Участки диэлектрического металлооксидного слоя 150L под слоем 157 фоторезиста сохраняют первоначальную толщину и называются в изобретении диэлектрическим металлооксидным слоем 153L первой толщины. Участки диэлектрического металлооксидного слоя 150L, толщина которых уменьшилась в результате травления, называются в изобретении диэлектрическим металлооксидным слоем 151L второй толщины. Толщиной диэлектрического металлооксидного слоя 153L первой толщины является первая толщина, а толщиной диэлектрического металлооксидного слоя 151L второй толщины является вторая толщина. Вторая толщина является меньшей, чем первая толщина. Диэлектрический металлооксидный слой 151L второй толщины и диэлектрический металлооксидный слой 153L первой толщины имеют цельное и единое строение, т.е. выполнены за одно целое. Затем слой 157 фоторезиста удаляют.
Как показано на фиг.12, стадии изготовления согласно первому варианту осуществления, соответствующие фиг.7-9, применяют при изготовлении второй типичной полупроводниковой структуры для получения полевых транзисторов с проводимостью второго типа и полевых транзисторов с проводимостью первого типа. В частности, полевыми транзисторами в первой, второй и пятой областях 100, 200, 500 устройства являются полевые транзисторы с проводимостью второго типа. Полевыми транзисторами в третьей, четвертой и шестой областях 300, 400, 600 устройства являются полевые транзисторы с проводимостью первого типа.
Первая многослойная затворная структура в первой области 100 устройства содержит, снизу вверх, первый диэлектрик 30А затвора, имеющий высокое значение диэлектрической постоянной (ДП), первый участок 42А металлического затвора, первый металлический участок 152А и первый проводящий участок 72А материала затвора. Вторая многослойная затворная структура во второй области 200 устройства содержит, снизу вверх, второй диэлектрик 30B затвора с высоким значением ДП, первый диэлектрический металлооксидный участок 150В первой толщины и второй проводящий участок 72В материала затвора. Третья многослойная затворная структура в третьей области 300 устройства содержит, снизу вверх, третий диэлектрик 30С затвора с высоким значением ДП, второй участок 42С металлического затвора, второй металлический участок 152С и третий проводящий участок 72С материала затвора. Четвертая многослойная затворная структура в четвертой области 400 устройства содержит, снизу вверх, четвертый диэлектрик 30D затвора с высоким значением ДП, второй диэлектрический металлооксидный участок 150D первой толщины и четвертый проводящий участок 72D материала затвора. Пятая многослойная затворная структура в пятой области 500 устройства содержит, снизу вверх, пятый диэлектрик 30E затвора с высоким значением ДП, первый диэлектрический металлооксидный участок 150Е второй толщины и пятый проводящий участок 72Е материала затвора. Шестая многослойная затворная структура в шестой области 600 устройства содержит, снизу вверх, шестой диэлектрик 30F затвора с высоким значением ДП, второй диэлектрический металлооксидный участок 150F второй толщины и шестой проводящий участок 72F материала затвора.
Первый диэлектрик 30А затвора с высоким значением ДП, второй диэлектрик 30B затвора с высоким значением ДП, третий диэлектрик 30С затвора с высоким значением ДП, четвертый диэлектрик 30D затвора с высоким значением ДП, пятый диэлектрик 30E затвора с высоким значением ДП и шестой диэлектрик 30F затвора с высоким значением ДП являются участками диэлектрического слоя 30L затвора с высоким значением ДП, остающимися после формирования рельефа многослойных затворных структур. Первый участок 42А металлического затвора и второй участок 42С металлического затвора являются участками слоя 42L металлического затвора, остающимися после формирования рельефа многослойных затворных структур. Первый металлический участок 152А и второй металлический участок 152С являются участками металлического слоя 152L, остающимися после формирования рельефа многослойных затворных структур. Первый диэлектрический металлооксидный участок 150В первой толщины и второй диэлектрический металлооксидный участок 150D первой толщины являются остающимися участками диэлектрического металлооксидного слоя 153L первой толщины. Первый диэлектрический металлооксидный участок 150Е второй толщины и второй диэлектрический металлооксидный участок 150Е второй толщины являются остающимися участками диэлектрического металлооксидного слоя 151L второй толщины. С первого по шестой проводящие участки 72A-72F материала затвора являются остающимися участками проводящего слоя 72L материала затвора. Каждый участок с первой по шестой многослойной затворной структуры имеет такой же состав и толщину, что и слой, из которого он сформирован.
Если первый легированный полупроводниковый карман 22 является легированным примесью n-типа карманом, а второй легированный полупроводниковый карман 24 является легированным примесью р-типа карманом, полевые транзисторы в первой, второй и пятой областях 100, 200, 500 устройства являются полевыми транзисторами с проводимостью р-типа, а полевые транзисторы в третьей, четвертой и шестой областях 300, 400, 600 устройства являются полевыми транзисторами с проводимостью n-типа. И наоборот, если первый легированный полупроводниковый карман 22 является легированным примесью р-типа карманом, а второй легированный полупроводниковый карман 24 является легированным примесью n-типа карманом, полевые транзисторы в первой, второй и пятой областях 100, 200, 500 устройства являются полевыми транзисторами с проводимостью n-типа, а полевые транзисторы в третьей, четвертой и шестой областях 300, 400, 600 устройства являются полевыми транзисторами с проводимостью р-типа.
Каждый полевой транзистор из полевых транзисторов в первой, второй и пятой областях 100, 200, 500 устройства имеет пороговое напряжение, отличающееся от порогового напряжения двух других полевых транзисторов. Дифференциация пороговых напряжений у трех полевых транзисторов в первой, второй и пятой областях 100, 200, 500 устройства осуществляется за счет различий в структуре их многослойных затворов. В частности, пороговое напряжение первого полевого транзистора в первой области 100 устройства определяется материалом и толщиной первого диэлектрика 30А затвора с высоким значением ДП и работой выхода первого участка 42А металлического затвора. Пороговое напряжение второго полевого транзистора во второй области 200 устройства определяется материалом и толщиной второго диэлектрика 30B затвора с высоким значением ДП, первого диэлектрического металлооксидного участка 150В второго устройства и работой выхода второго проводящего участка 72В материала затвора. Пороговое напряжение пятого полевого транзистора в пятой области 500 устройства определяется материалом и толщиной пятого диэлектрика 30E затвора с высоким значением ДП, первого диэлектрического металлооксидного участка 150Е второй толщины и работой выхода пятого проводящего участка 72Е материала затвора.
Каждый полевой транзистор из полевых транзисторов в третьей, четвертой и шестой областях 300, 400, 600 устройства имеет пороговое напряжение, отличающееся от порогового напряжения двух других полевых транзисторов. Дифференциация пороговых напряжений у трех полевых транзисторов в третьей, четвертой и шестой областях 300, 400, 600 устройства осуществляется за счет различий в структуре их многослойных затворов.
В частности, пороговое напряжение третьего полевого транзистора в третьей области 300 устройства определяется материалом и толщиной третьего диэлектрика 30С затвора с высоким значением ДП и работой выхода второго участка 42С металлического затвора. Пороговое напряжение четвертого полевого транзистора в четвертой области 400 устройства определяется материалом и толщиной четвертого диэлектрика 30D затвора с высоким значением ДП, второго диэлектрического металлооксидного участка 150D первой толщины и работой выхода четвертого проводящего участка 72В материала затвора. Пороговое напряжение шестого полевого транзистора в шестой области 600 устройства определяется материалом и толщиной шестого диэлектрика 30F затвора с высоким значением ДП, второго диэлектрического металлооксидного участка 150F второй толщины и работой выхода шестого проводящего участка 72F материала затвора.
Хотя изобретение было описано применительно к конкретным вариантам осуществления, из рассмотренного выше описания следует, что специалисты в данной области техники смогут предложить множество альтернатив, модификаций и разновидностей. Соответственно, подразумевается, что в изобретение входят все такие альтернативы, модификации и разновидности, которые входят в пределы объема и существа изобретения и следующей далее формулы изобретения.
Промышленная применимость
Настоящее изобретение применимо в конструировании и изготовлении полупроводниковых затворов с высоким значением ДП для интегральных микросхем, используемых в разнообразной электронной и электрической аппаратуре, в частности, в области компьютеров и связи.
1. Полупроводниковая структура, содержащая:
- первый полевой транзистор, имеющий первую многослойную затворную структуру (100), которая включает в себя, в направлении снизу вверх, первый диэлектрик (30A) затвора, имеющий высокое значение диэлектрической постоянной (ДП), превышающее 4,0, участок (42A) металлического затвора, по меньшей мере один металлический участок (52A) и первый проводящий участок (72А) материала затвора, и
- второй полевой транзистор, имеющий вторую многослойную затворную структуру (200), которая включает в себя, в направлении снизу вверх, второй диэлектрик (30B) затвора, имеющий высокое значение ДП, превышающее 4,0, по меньшей мере один диэлектрический металлооксидный участок (50B) и второй проводящий участок (72B) материала затвора,
причем первый полевой транзистор и второй полевой транзистор имеют различные пороговые напряжения.
2. Полупроводниковая структура по п.1, в которой первый диэлектрик затвора с высоким значением ДП и второй диэлектрик затвора с высоким значением ДП содержат одинаковый материал и имеют одинаковую толщину, причем каждый из упомянутого по меньшей мере одного диэлектрического металлооксидного участка содержит оксид материала одного из упомянутого по меньшей мере одного металлического участка.
3. Полупроводниковая структура по п.2, в которой первый проводящий участок материала затвора и второй проводящий участок материала затвора содержат одинаковый материал и имеют одинаковую толщину, а каждый из упомянутого по меньшей мере одного диэлектрического металлооксидного участка имеет толщину от 0,1 до 1,0 нм и содержит элемент группы IIA или элемент группы IIIB.
4. Полупроводниковая структура по п.1, которая дополнительно содержит другой полевой транзистор, имеющий другую многослойную затворную структуру, которая включает в себя, в направлении снизу вверх, другой диэлектрик затвора, имеющий высокое значение ДП, превышающее 4,0, другой диэлектрический металлооксидный участок и другой проводящий участок материала затвора, причем другой полевой транзистор имеет пороговое напряжение, отличающееся от пороговых напряжений первого полевого транзистора и второго полевого транзистора.
5. Полупроводниковая структура по п.4, в которой упомянутый по меньшей мере один металлический участок содержит первый металлический участок и второй металлический участок, а упомянутый по меньшей мере один диэлектрический металлооксидный участок содержит первый диэлектрический металлооксидный участок и второй диэлектрический металлооксидный участок, причем первый диэлектрический металлооксидный участок содержит оксид материала первого металлического участка, а второй диэлектрический металлооксидный участок и упомянутый другой диэлектрический металлооксидный участок содержат оксид материала второго металлического участка.
6. Полупроводниковая структура по п.1, которая дополнительно содержит легированный полупроводниковый карман, расположенный на полупроводниковой подложке, причем первый диэлектрик затвора, имеющий высокое значение ДП, и второй диэлектрик затвора, имеющий высокое значение ДП, расположены непосредственно на легированном полупроводниковом кармане, а первый участок легированного полупроводникового кармана, примыкающий к первому диэлектрику затвора, имеющему высокое значение ДП, и второй участок легированного полупроводникового кармана, примыкающий ко второму диэлектрику затвора, имеющему высокое значение ДП, имеют одинаковую концентрацию и тип легирующей примеси.
7. Полупроводниковая структура по п.1, которая дополнительно содержит:
- третий полевой транзистор, имеющий третью многослойную затворную структуру (300), которая включает в себя, в направлении снизу вверх, третий диэлектрик (30C) затвора, имеющий высокое значение ДП, превышающее 4,0, другой участок (42C) металлического затвора, по меньшей мере другой металлический участок (52C) и третий проводящий участок (72C) материала затвора, и
- четвертый полевой транзистор, имеющий четвертую многослойную структуру (400) затвора, которая включает в себя, в направлении снизу вверх, четвертый диэлектрик (30D) затвора, имеющий высокое значение ДП, превышающее 4,0, по меньшей мере другой диэлектрический металлооксидный участок (50D) и четвертый проводящий участок (72D) материала затвора,
причем третий полевой транзистор и четвертый полевой транзистор имеют различные пороговые напряжения, первый и второй полевые транзисторы являются полевыми транзисторами с проводимостью p-типа, а третий и четвертый полевые транзисторы являются полевыми транзисторами с проводимостью n-типа.
8. Полупроводниковая структура по п.7, которая дополнительно содержит:
- легированный примесью n-типа полупроводниковый карман, расположенный на полупроводниковой подложке, причем первый диэлектрик затвора, имеющий высокое значение ДП, и второй диэлектрик затвора, имеющий высокое значение ДП, расположены непосредственно на легированном примесью n-типа полупроводниковом кармане, а первый участок легированного примесью n-типа полупроводникового кармана, примыкающий к первому диэлектрику затвора, имеющему высокое значение ДП, и второй участок легированного примесью n-типа полупроводникового кармана, примыкающий ко второму диэлектрику затвора, имеющему высокое значение ДП, имеют одинаковую концентрацию легирующей примеси; и
- легированный примесью p-типа полупроводниковый карман, расположенный на полупроводниковой подложке, причем третий диэлектрик затвора, имеющий высокое значение ДП, и четвертый диэлектрик затвора, имеющий высокое значение ДП, расположены непосредственно на легированном примесью p-типа полупроводниковом кармане, а первый участок легированного примесью p-типа полупроводникового кармана, примыкающий к третьему диэлектрику затвора, имеющему высокое значение ДП, и второй участок легированного примесью p-типа полупроводникового кармана, примыкающий к четвертому диэлектрику затвора, имеющему высокое значение ДП, имеют одинаковую концентрацию легирующей примеси.
9. Полупроводниковая структура по п.1, в которой ток утечки через переход "исток-тело" на единицу длины является практически одинаковым у первого и второго полевых транзисторов, представляющих собой расположенные на скрытом изолирующем слое полевые транзисторы со структурой "полупроводник на диэлектрике" (ПНД), а ток утечки через переход "сток-тело" является практически постоянным у первого и второго полевых транзисторов, представляющих собой расположенные на скрытом изолирующем слое полевые транзисторы со структурой "полупроводник на диэлектрике" (ПНД).
10. Способ формирования полупроводниковой структуры, характеризующийся тем, что:
- на полупроводниковой подложке формируют диэлектрический слой (30A) затвора, имеющий высокое значение диэлектрической постоянной (ДП) и содержащий диэлектрический материал с диэлектрической постоянной, превышающей 4,0,
- непосредственно на первом участке диэлектрического слоя затвора, имеющего высокое значение ДП, формируют слой (42A) металлического затвора,
- непосредственно на слой металлического затвора и на второй участок диэлектрического слоя затвора, имеющего высокое значение ДП, осаждают по меньшей мере один металлический слой (52A), причем непосредственно на втором участке диэлектрического слоя затвора с высоким значением ДП за счет окисления участка по меньшей мере одного металлического слоя получают по меньшей мере один диэлектрический металлооксидный слой, и
- непосредственно на упомянутом по меньшей мере одном металлическом слое и упомянутом по меньшей мере одном диэлектрическом металлооксидном участке формируют проводящий слой (72A) материала затвора.
11. Способ по п.10, в котором дополнительно:
- формируют первый полевой транзистор, имеющий первую многослойную затворную структуру, которая включает в себя, в направлении снизу вверх, первый диэлектрик затвора, имеющий высокое значение диэлектрической постоянной (ДП) и содержащий упомянутый диэлектрический материал, участок металлического затвора, содержащий такой же материал, что и слой металлического затвора, по меньшей мере один металлический участок, содержащий такой же материал, что и по меньшей мере один металлический слой, и первый проводящий участок материала затвора, и
- формируют второй полевой транзистор, имеющий вторую многослойную затворную структуру, которая включает в себя, в направлении снизу вверх, второй диэлектрик затвора, имеющий высокое значение ДП и содержащий упомянутый диэлектрический материал, по меньшей мере один диэлектрический металлооксидный участок, содержащий такой же материал, что и по меньшей мере один диэлектрический металлооксидный слой, и второй проводящий участок материала затвора,
причем первый полевой транзистор и второй полевой транзистор имеют различные пороговые напряжения.
12. Способ по п.11, в котором первый проводящий участок материала затвора и второй проводящий участок материала затвора содержат одинаковый материал и имеют одинаковую толщину, а каждый из упомянутого по меньшей мере одного диэлектрического металлооксидного участка имеет толщину от 0,1 до 1,0 нм и содержит элемент группы IIA или элемент группы IIIB.
