阅读说明：本技术 鳍状场效晶体管装置 (Fin-shaped field effect transistor device ) 是由 黄如立 江欣哲 潘育麒 杨峻铭 梁春升 庄英良 叶明熙 于 2019-05-07 设计创作，主要内容包括：本发明实施例说明鳍状场效晶体管装置的结构与形成方法。鳍状场效晶体管装置包括：基板；鳍状物,位于基板上；以及栅极结构,位于鳍状物上。栅极结构包括功函数金属层,位于栅极结构的内侧侧壁上。功函数金属层的最顶侧表面低于栅极结构的上表面。栅极结构亦包括充填栅极金属层,位于功函数金属层的最顶侧表面上。充填栅极金属层的上表面与栅极结构的上表面实质上共平面。栅极结构亦包括自组装单层,位于充填栅极金属层与功函数金属层之间。(Embodiments of the present invention illustrate structures and methods of forming finfet devices. The fin field effect transistor device includes: a substrate; a fin on the substrate; and a gate structure on the fin. The gate structure includes a work function metal layer on an inside sidewall of the gate structure. The topmost surface of the work function metal layer is lower than the upper surface of the gate structure. The gate structure also includes a filled gate metal layer on a topmost surface of the work function metal layer. The upper surface of the gate-filled metal layer is substantially coplanar with the upper surface of the gate structure. The gate structure also includes a self-assembled monolayer between the filled gate metal layer and the work function metal layer.)

鳍状场效晶体管装置

技术领域

本发明实施例涉及半导体结构，更特别涉及改善栅极电阻的结构与方法。

背景技术

互补式金属氧化物半导体场效晶体管作为半导体产业中的关键构件，扮演多种电子装置中的重要角色。在半导体工艺中，金属与高介电常数的介电材料用于置换多晶硅与氧化硅，以形成晶体管中的栅极结构在晶体管尺寸缩小时符合效能需求(如载子移动率与装置速度)。为了形成金属栅极，可先形成虚置栅极后移除虚置栅极，以形成金属栅极所用的空间(如沟槽或预留位置)。接着沉积高介电常数的介电材料与金属于沟槽中，以填入沟槽并形成金属栅极。

发明内容

本发明一实施例提供的鳍状场效晶体管装置，包括：基板；鳍状物，位于基板上；以及栅极结构，位于鳍状物上。栅极结构包括功函数金属层，位于栅极结构的内侧侧壁上，且功函数金属层的最顶侧表面低于栅极结构的上表面；充填栅极金属层，位于功函数金属层的最顶侧表面上，且充填栅极金属层的上表面与栅极结构的上表面实质上共平面；以及自组装单层，位于充填栅极金属层与功函数金属层之间。

本发明一实施例提供的形成半导体装置的方法包括：提供基板，且基板包括具有功函数金属层的栅极结构；移除功函数金属层的顶部；形成自组装单层于移除功函数金属层的顶部所露出的功函数金属层的最顶侧表面上；以及沉积充填栅极金属层至功函数金属层被移除的顶部中，且自组装单层位于充填栅极金属层与功函数金属层之间。

本发明一实施例提供的形成半导体装置的方法包括：提供基板，且基板包括栅极结构；选择性移除栅极结构的顶部；形成粘着层于移除栅极结构的顶部所露出的栅极结构上表面；以及选择性沉积导电层至粘着层上的栅极结构被移除的顶部中，且粘着层粘接栅极结构被移除的顶部所露出的栅极结构上表面与导电层。

附图说明

图1A是一些实施例中，金属氧化物半导体场效晶体管装置的附图。

图1B是一些实施例中，图1A中的n型金属氧化物半导体装置的上视图。

图2是一些实施例中，栅极的剖视图。

图3A至图3C、图4A至图4C、与图5A至图5C是一些实施例中，栅极的剖视图。

图6是一些实施例中，用于形成栅极金属于回蚀刻的栅极中的制作工艺的附图。

附图标记说明：

h1、h2、h3 垂直深度

H_F 鳍状物高度

H_G 栅极高度

Lg 栅极长度

L_S 长度

W 鳍状物宽度

100 半导体结构

102 基板

104 鳍状物

106 隔离结构

108 栅极结构

108’、108’-1、108’-2、108’-3 中间栅极结构

110_D 漏极区

110_S 源极区

111 间隔物层

112 通道区

113 轻掺杂漏极区

114、128 上表面

115、115’、115” 高介电常数的介电层

116、116’、116” 盖层

117 牺牲栅极结构

117’ 栅极形成沟槽

117A、117B1、117B2、117C1、117C2 回蚀刻沟槽

118、118’、118” 阻障金属层

119、119’、119” 功函数金属层

120、120’、120” 自组装单层

121、121’ 充填栅极金属层

125 栅极介电层

128 虚线

131 剖线

150 晶体管区

200、300、400、500 结构

600 方法

601、602、603、604 步骤

具体实施方式

下述内容提供的不同实施例或实例可实施本公开的不同结构。特定构件与排列的实施例是用以简化本公开而非局限本公开。

此外，空间性的相对用语如“下方”、“其下”、“下侧”、“上方”、“上侧”或类似用语可用于简化说明某一元件与另一元件在图示中的相对关系。空间性的相对用语可延伸至以其他方向使用的元件，而非局限于图示方向。元件亦可转动90°或其他角度，因此方向性用语仅用以说明图示中的方向。

此处所述的场效晶体管的一例为金属氧化物半导体场效晶体管。举例来说，金属氧化物半导体场效晶体管可为(i)建立在基板如半导体晶圆的平坦表面之中或之上的平面结构，或者(ii)垂直结构。

用语“鳍状场效晶体管”指的是形成于鳍状物上的场效晶体管，而鳍状物相对于晶圆的平面表面垂直取向。

“源极/漏极”指的是形成场效晶体管两端的源极/漏极接面。

此处所述的用语“垂直”指的是约略垂直于基板表面。

用语“外延层”指的是单晶材料的层状物或结构。同样地，用语“外延成长”指的是单晶材料的层状物或结构。外延成长的材料可掺杂或未掺杂。

此处所述的用语“约略(nominal)”是指用于构件或工艺步骤所欲的目标，特性数值或参数，在产品的设计阶段时己设定好，连同设定所欲数值的上下限范围。数值的范围一般来自于工艺中的轻微变动或公差(tolerances)。

形成小栅极长度的金属栅极的问题之一，是如何沉积足够量的金属至栅极形成沟槽中。举例来说，金属栅极的栅极长度为7nm时，其栅极电阻高于栅极长度为20nm的金属栅极，因为沉积于7nm的金属栅极中的金属量较少。同样地，7nm的金属栅极与20nm的金属栅极的栅极电阻，高于栅极长度为240nm的金属栅极。

为减少栅极电阻，可采用干式回蚀刻与湿式回蚀刻以移除金属栅极中的功函数金属的部分，并填入更多金属于金属栅极中。然而回蚀刻法的蚀刻选择性低，可能造成蚀刻的金属栅极中的金属损失。举例来说，除了功函数金属之外，亦可能回蚀刻栅极金属(如钨)与阻障层(如氮化钛)，造成回蚀刻轮廓中的凹陷深度。上述步骤亦可减少栅极高度。此外，这些回蚀刻法时形成的副产物可能难以去除。这些回蚀刻法不会提供功函数金属与栅极金属之间所需的蚀刻选择性。举例来说，可采用湿蚀刻法回蚀刻栅极金属。如此一来，随着半导体装置持续缩小，将越来越难制作具有所需低栅极电阻的金属栅极。

本发明实施例说明移除围绕金属栅极中的金属的功函数金属的一部分的选择性回蚀刻。接着将相当低或较低电阻的导电材料填入移除功函数金属所形成的空间，以增加金属栅极中的金属体积。选择性回蚀刻工艺可形成一或多个自组装单层于蚀刻部分上。自组装单层可改善蚀刻部分与新沉积的充填栅极金属之间的粘着性。可采用选择性沉积法沉积新沉积的充填栅极金属(如导电材料)，其可包含所需及/或不同的掺质浓度及/或种类，以进一步改善(如降低)栅极电阻。选择性回蚀刻与选择性沉积法不需额外遮罩或额外制作工艺。因此实质上不影响(如减少)栅极高度，且可沉积更多金属至金属栅极中。采用本发明实施例公开的方法，金属栅极可具有比一开始制作时更多的金属，可降低栅极电阻，并可改善半导体装置的电性。此外，新沉积的充填栅极金属可粘合至不具有空洞或具有少量空洞形成其中的金属栅极的蚀刻部分。形成的栅极金属可更一致，因此降低栅极电阻。本发明实施例的方法与结构可改善装置效能。

图1A、图1B、图2、图3A至图3C、图4A至图4C与图5A至图5C是本发明实施例中，采用栅极电阻改良的方法所制作的多种半导体装置中的金属栅极。制作工艺可形成栅极金属量增加的金属栅极，其可比其他栅极金属结构具有更低的栅极电阻。依据此处公开的实施例新增的栅极金属，可粘合至接触充填栅极金属(不具有空洞或具有少量空洞于其中)的部分。用语“充填栅极金属”指的是后续沉积至功函数金属层的移除部分中的导电材料，且可作为金属栅极结构的栅极金属。本发明实施例可用于形成多种金属(如钨、铜、铝、任何其他合适金属或上述的组合)的金属栅极。金属栅极可形成于多种半导体装置与结构中。举例来说，本发明实施例可用于形成金属栅极于平面装置与鳍状场效晶体管中。此处提供的制作工艺仅为例示性，且本发明实施例进行的其他工艺未图示于后续附图中。

图1A是本发明一些实施例的半导体结构100的等角图。半导体结构100包含鳍状场效晶体管。半导体结构100包含基板102、多个鳍状物104、多个隔离结构106、与位于每一鳍状物104的侧壁与上表面上的栅极结构108。鳍状物104与隔离结构106分别具有上表面114与128。栅极结构108包含栅极介电层125与牺牲栅极结构117。在一些实施例中，栅极结构108中可包含一或多个额外层状物或结构。图1A的等角图，是图案化栅极介电层与栅极层以形成栅极结构108之后的结构。图1A仅显示单一栅极结构108。集成电路可包含多个栅极结构。

图1A所示的每一鳍状物104包含一对源极/漏极端。为了简化说明，一对源极/漏极端中的第一者称作源极区110_S，而一对源极/漏极端中的第二者称作漏极区110_D，其中源极/漏极端形成于鳍状物104之中、形成于鳍状物104之上及/或围绕鳍状物104。鳍状物104的通道区112位于栅极结构108下。栅极结构108具有栅极长度Lg与栅极宽度(2H_F+W)，如图1A所示。在一些实施例中，鳍状物宽度W介于约6nm至约12nm之间。在一些实施例中，鳍状物宽度W介于约4nm至约6nm之间。在一些实施例中，栅极结构108具有自鳍状物的上表面114至栅极结构108的上表面的栅极高度H_G，其介于约50nm至约80nm之间。在一些实施例中，鳍状物104具有自隔离结构的上表面128至鳍状物的上表面114的鳍状物高度H_F，其介于约25nm至约35nm之间。

基板102可为硅基板。在其他实施例中，基板102可包含其他半导体元素如锗、半导体化合物(包含碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟、及/或锑化铟)、半导体合金(包括硅锗、磷砷化镓、砷化铝铟、砷化铝镓、砷化镓铟、磷化镓铟、及/或磷砷化镓铟)或上述的组合。在一些实施例中，基板102为绝缘层上半导体。在一些实施例中，基板102可为外延材料。

隔离结构106包含介电材料，其组成可为氧化硅、旋转涂布玻璃、氮化硅、氮氧化硅、掺杂氟的硅酸盐玻璃、低介电常数的介电材料及/或其他合适的绝缘材料。隔离结构106可为浅沟槽隔离结构。在一些实施例中，隔离结构106为浅沟槽隔离结构，且其形成方法为蚀刻沟槽于基板102中。接着可将绝缘材料填入沟槽，再进行化学机械研磨平坦化与回蚀刻。此外亦可采用其他制作技术形成隔离结构106及/或鳍状物104。隔离结构106可包含多层结构，比如具有一或多个衬垫层。

鳍状物104为一或多个晶体管所在的主动区。鳍状物104可包含硅或另一半导体元素如锗、半导体化合物(包含碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟、及/或锑化铟)、半导体合金(包括硅锗、磷砷化镓、砷化铝铟、砷化铝镓、砷化镓铟、磷化镓铟、及/或磷砷化镓铟)或上述的组合。鳍状物104的制作方法可采用任何合适工艺，包含光微影与蚀刻工艺。光微影工艺可包含形成光刻胶层于基板上(如硅层上)、曝光光刻胶至一图案、进行曝光后烘烤工艺并显影光刻胶以形成含光刻胶的遮罩单元。接着在形成凹陷至隔离结构106中的蚀刻工艺时可采用遮罩单元保护基板的区域，并留下凸起的鳍状物。蚀刻凹陷的方法可采用反应性离子蚀刻及/或其他合适工艺。可采用多种其他方法以形成鳍状物104于基板102上。在一些实施例中，鳍状物104可包含外延材料。

图1A所示的栅极结构108可为置换栅极工艺中的牺牲栅极结构，其可取代为金属栅极结构。在置换工艺之前，牺牲栅极结构117可包含牺牲材料如多晶硅。置换工艺可移除牺牲材料，并将导电材料(如金属)填入移除牺牲材料所形成的沟槽、空间、及/或开口，以形成金属栅极结构。间隔物层111可保留于置换工艺中，并维持沉积导电材料所用的空间。接着可沉积导电材至间隔物层111所维持的空间中，以形成金属栅极结构。形成金属栅极结构的方法将详述于下。

半导体结构100包含鳍状物104与栅极结构108。半导体结构100可包含额外工艺所形成的采用半导体结构100的晶体管的多种结构，比如轻掺杂漏极区与掺杂的源极/漏极结构。通过掺杂可形成轻掺杂漏极区于鳍状物104中，且用语“轻掺杂漏极区”指的是晶体管的通道区与至少一源极/漏极区之间的轻掺杂区。可采用离子布植进行掺杂工艺。本发明实施例并不限于以离子布植作为轻掺杂漏极区所用的掺杂工艺。

图1B是具有图1A的鳍状物104的一者的晶体管区150的上视图，其沿着隔离结构106的上表面128的表面高度。晶体管区150包含源极区110_S与漏极区110_D。晶体管区150亦包含通道区112，其为鳍状物104的部分，且栅极结构108围绕于鳍状物104的三侧上，如图1A所示。栅极结构108的下的通道区112具有宽度(鳍状物宽度W)。通道区112的长度可与栅极长度Lg稍微不同，端视制作工艺的条件与装置设计而定。为了简化说明，通道区112的长度标示为栅极长度Lg。晶体管区150亦包含栅极介电层125与牺牲栅极结构117。图1B亦显示间隔物层111形成于栅极结构108上。轻掺杂漏极区113形成于鳍状物104的上表面与侧壁中。图1B所示的轻掺杂漏极区113具有宽度(鳍状物宽度W)与长度L_S。轻掺杂漏极区113的边界可对准或不对准间隔物层111(沿着图1B所示的表面高度)。图1B亦以虚线显示另一栅极结构108。其他栅极结构108已说明如上，其与上述的栅极结构108平行且类似，且未图示于图1A中。

图1B显示围绕栅极结构108的牺牲栅极结构117之间隔物层111。间隔物层111的形成方法可为任何合适方法。举例来说，先沉积顺应性的间隔物层于基板上，包括栅极结构108上。接着可采用回蚀刻工艺移除顺应性的间隔物层的部分，露出源极/漏极区的部分以用于离子布植。接着移除栅极结构108上顺应性的间隔物层的部分。保留的顺应性的间隔物层形成间隔物层111，其至少位于虚置栅极结构117的侧壁上。间隔物层111可包含介电材料，比如氧化硅、氮氧化硅、碳氮化硅、氮化硅、任何其他合适材料或任何上述的组合。在一些实施例中，沉积工艺为等离子体增强化学气相沉积工艺，但亦可采用其他可行的沉积工艺。在一些实施例中，间隔物层111的厚度介于约2nm至约14nm之间。间隔物层111的厚度可提供自轻掺杂漏极区偏离的距离，并避免掺质布植至通道区112中。

接着采用任何合适工艺，形成轻掺杂漏极区113于相邻的间隔物层111之间的鳍状物104中。举例来说，可采用离子布植工艺以形成轻掺杂漏极区113，其可采用任何合适的掺质物种。虽然附图中的轻掺杂漏极区113与鳍状物104的上表面相邻，轻掺杂漏极区113可与鳍状物104的上表面与侧壁均相邻。可垂直进行轻掺杂漏极布植，或朝鳍状物的侧壁斜向进行轻掺杂漏极布植。轻掺杂漏极区113可延伸至低于鳍状物104的表面的深度，端视布植工艺而定。举例来说，轻掺杂漏极区113可延伸至低于鳍状物104的上表面的深度。在其他实施例中，轻掺杂漏极区113可自鳍状物104的侧壁表面延伸至鳍状物104的内部。基板102可具有p型与n型装置。可采用额外工艺如微影图案化工艺，以保护p型装置区免于被n型装置区所用的掺质离子影响。在布植掺质离子之后，可进行热退火以驱入并活化掺质。热退火可为快速热处理退火、峰值退火、微秒退火、激光退火、任何其他合适的退火工艺或任何上述的组合。在峰值退火温度下操作峰值退火一段时间(以秒计)。在峰值退火温度下操作微秒退火一段时间(以微秒计)。在峰值退火温度下操作激光退火一段时间(以纳秒至微秒计)。

此外，可采用任何合适工艺形成源极区110_S/漏极区110_D于相邻的间隔物层111之间的鳍状物104中的轻掺杂漏极区113。举例来说，可采用任何合适的掺杂物种进行离子布植，以形成源极区110_S/漏极区110_D。在另一例中，移除相邻间隔物层111之间的轻掺杂漏极区113的一部分，并进行外延工艺以成长合适的源极/漏极材料于相邻的间隔物层111之间。可采用任何合适掺质的原位掺杂，使源极区110_S/漏极区110_D具有任何合适的掺杂等级。依据不同应用及/或实施例，源极区110_S/漏极区110_D自上表面114的深度，可大于或小于轻掺杂漏极区113的深度。源极区110_S/漏极区110_D的横向宽度可小于、等于、或大于轻掺杂漏极区113的横向宽度，端视应用而定。

图2至图5C是本发明多种实施例中，制作鳍状场效晶体管的多种阶段的不同剖视图。本发明实施例提供的方法可为栅极置换工艺的一部分，或在栅极置换工艺之后。在本发明实施例中，采用本发明实施例公开的方法所形成的金属栅极结构，可称作中间栅极结构108’。图1A与1B所示的栅极结构108亦可称作牺牲栅极结构，而图1A与1B所示的牺牲栅极结构117亦可称作栅极结构。可依据栅极结构108形成中间栅极结构108’。

图2至图5C显示形成此金属栅极结构的例示性制作工艺。在一些实施例中，基板102包含硅。在本发明实施例中，在相同附图中配置不同尺寸的结构(比如不同栅极长度的中间栅极结构108’)以达说明目的。附图中的这些结构尺寸并不代表结构的真实尺寸。为了说明目的，图2至图5C所示的结构为半导体结构的剖视图，其沿着图1A的剖线131或沿着类似方向的剖线。半导体结构可形成于相同或不同的集成电路中。可经由相同或不同的制作工艺形成半导体结构。

图2是一些实施例中，包含例示性中间栅极结构108’的结构200沿着图1A所示的剖线131的附图。可依据栅极结构108形成中间栅极结构108’，其包含间隔物层111围绕的栅极形成沟槽117’。后续形成的金属栅极结构的栅极长度(Lg)，定义为后续形成于源极与漏极区之间的金属栅极的横向长度，如图2所示。在移除牺牲栅极结构117之后，可自栅极结构108形成中间栅极结构108’。在移除牺牲栅极结构117之后，可形成栅极形成沟槽117’。移除牺牲栅极结构117的方法可包含自栅极结构108移除牺牲栅极材料(如多晶硅)，以形成栅极形成沟槽117’。间隔物层111可保留于鳍状物104上，且可用于保留沉积中间栅极结构108’中的其他层所需的空间，并保护后续形成的金属栅极结构。中间栅极结构108’可用于表示具有任何合适栅极长度Lg的部分形成的栅极结构。

移除牺牲栅极结构117的方法可包含任何合适工艺。举例来说，图案化工艺(如光微影工艺)与后续的蚀刻工艺(如湿蚀刻或干蚀刻工艺)可用于移除间隔物层111所围绕的牺牲材料。在图案化工艺与蚀刻工艺时，可形成一或多个硬遮罩于栅极结构108上，以露出牺牲材料并保护间隔物层111。蚀刻工艺可为选择性蚀刻或控制时间的蚀刻，因此可完全移除牺牲材料。在一些实施例中，选择性蚀刻不需额外蚀刻遮罩，比如选择性蚀刻可直接导向半导体结构100。在此不详述移除工艺与相关遮罩的细节。可在形成栅极结构108之前或在移除牺牲栅极结构117之后，形成通道区112于栅极结构108之下。虚线128指的是隔离结构106的上表面高度。栅极介电层125可形成为栅极结构108的一部分，或在形成栅极形成沟槽117’之后才形成栅极介电层125。可采用任何合适工艺形成栅极介电层125。举例来说，栅极介电层可包含氮化硅、氧化硅、碳氮化硅、碳氮氧化硅、任何其他合适材料或任何上述的组合。在另一例中，栅极介电层125亦可包含氧化铪、氧化锆、氧化镧、及/或其他合适的高介电常数的介电材料，且其沉积方法可采用等离子体增强化学气相沉积、化学气相沉积、物理气相沉积、及/或原子层沉积。栅极介电层可减少鳍状物104中的基板材料与后续形成的高介电常数的介电层之间的反应，并维持半导体结构100的可信度以保持通道区112中的载子移动率。在一些实施例中，在形成栅极形成沟槽117’之后，以等离子体增强化学气相沉积形成栅极介电层125。在一些实施例中，栅极介电层125包含氧化硅，其厚度介于约

至之间。

图3A至图3C是一些实施例中的结构300，其包含不同栅极长度的例示性中间栅极结构108’-1、108’-2、与108’-3。图3A至图3C各自沿着图1A所示的剖线131。图3A至图3C所示的中间栅极结构108’，可各自由图2所示的栅极结构108所形成。为了说明本发明实施例的方法与结构的目的，中间栅极结构108’-1、108’-2、与108’-3的栅极长度彼此不同。在一些实施例中，中间栅极结构108’-1的栅极长度Lg<中间栅极结构108’-2的栅极长度Lg<中间栅极结构108’-3的栅极长度Lg。举例来说，中间栅极结构108’-1的栅极长度Lg可为7nm，中间栅极结构108’-2的栅极长度Lg可为20nm，而中间栅极结构108’-3的栅极长度Lg可为240nm。

在一些实施例中，可自具有类似结构(比如不同尺寸及/或不同栅极长度)的中间栅极结构(如图2所示的中间栅极结构108’)，各自形成图3A至图3C所示的中间栅极结构108’-1、108’-2、与108’-3。可依序沉积多个层状物至栅极形成沟槽117’中，以自图2所示的中间栅极结构108’形成图3A至图3C所示的中间栅极结构108’-1、108’-2、与108’-3。后续形成的金属栅极结构可包含阻障层、栅极介电层、功函数层、金属层及/或其他合适的材料充填于栅极形成沟槽中。在其他实施例中，金属栅极结构可还包含盖层、蚀刻停止层、及/或其他合适材料。间隔物层111可包含介电材料如氮化硅、碳氮氧化硅、碳氮化硅、其他合适的绝缘材料、或任何上述的组合。为了说明目的，本发明实施例的不同附图中的栅极介电层125，指的是金属栅极结构底部的栅极介电层。然而栅极介电层125在不同结构中可包含相同或不同的材料。

可先形成高介电常数的介电层于栅极形成沟槽117’中的间隔物层111的侧壁与栅极介电层125上。高介电常数的介电层可形成阻障于通道区112与后续形成的金属栅极之间，以避免通道区112漏电流，并降低半导体结构100的能耗。在一些实施例中，高介电常数的介电层可包含氧化铪、氧化锆、氧化镧、其他合适材料或任何上述的组合。高介电常数的介电层的形成方法可为化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积、等离子体增强化学气相沉积、其他合适的沉积方法或任何上述的组合。在一些实施例中，高介电常数的介电层厚度介于约5nm至约15nm之间。在本发明实施例中，中间栅极结构108’-1、108’-2、与108’-3中分别具有高介电常数的介电层115、115’、与115”。

盖层可形成于栅极形成沟槽117’中的高介电常数的介电层上。在一例中，盖层可包含高介电常数的阻障材料，比如氮化钛及/或TSN。在另一例中，盖层可保护高介电常数的介电层免于后续形成的阻障金属层影响，并可减少栅极介电层125与基板102的界面陷阱。盖层的形成方法可为化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积、等离子体增强化学气相沉积、有机金属化学气相沉积、溅镀、其他合适的沉积方法或任何上述的组合。盖层的厚度可介于约1nm至约3nm之间。在一些实施例中，盖层为约1.5nm。在本发明实施例中，中间栅极结构108’-1、108’-2、与108’-3分别具有盖层116、116’、与116”。

可进一步形成阻障金属层于栅极形成沟槽117’中的盖层上。阻障层可包玵阻障金属及/或化合物，比如氮化钽及/或氮化铌。阻障金属层可改善盖层与后续形成的功函数金属层之间的粘着性。阻障金属层亦可避免盖层与功函数金属层之间的载子及/或离子扩散。阻障金属层的形成方法可为化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积、等离子体增强化学气相沉积、有机金属化学气相沉积、溅镀、其他合适的沉积方法或任何上述的组合。阻障金属层的厚度可介于约1nm至约3nm之间。在一些实施例中，阻障金属层的厚度为约1.5nm。在本发明实施例中，中间栅极结构108’-1、108’-2、与108’-3中分别具有阻障金属层118、118’、与118”。

功函数金属层亦可形成于栅极形成沟槽117’中的阻障金数层上。金属栅极结构中可包含的例示性p型功函数金属，包含氮化钛、氮化钽、钌、钼、铝、氮化钨、锆硅化物、钼硅化物、钽硅化物、镍硅化物、其他合适的p型功函数材料或上述的组合。金属栅极结构中可包含的例示性n型功函数金属，包含钛、银、钽铝、碳化钽铝、氮化钛铝、碳化钽、碳氮化钽、氮化钽硅、锰、锆、其他合适的n型功函数材料或上述的组合。功函数与功函数层的材料组成相关，因此可选择第一功函数层的材料以调整其功函数，以达即将形成于个别区域中的装置所需的临界电压。在一些实施例中，功函数金属层可包含功函数金属如氮化钛、氮化钛铝、碳化钛铝、其他合适的功函数金属或任何上述的组合。功函数金属层可改变中间栅极结构108’的临界电压至所需数值。功函数金属层的形成方法可为化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积、等离子体增强化学气相沉积、有机金属化学气相沉积、溅镀、其他合适的沉积法或任何上述的组合。在一些实施例中，功函数金属层的厚度介于约1nm至约3nm之间。在本发明实施例中，中间栅极结构108’-1、108’-2、与108’-3中各自具有功函数金属层119、119’、与119”。

可进一步形成充填栅极金属(如栅极金属层)于栅极形成沟槽117’中的功函数金属层上。充填栅极金属层可填满栅极形成沟槽117’中的剩余空间。充填栅极金属层可包含合适的导电材料如铜、铝及/或钨。在一些实施例中，充填栅极金属层包含钨。充填栅极金属层的形成方法可为化学气相沉积、物理气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、有机金属化学气相沉积、溅镀、其他合适的沉积法或任何上述的组合。在一些实施例中，充填栅极金属层的厚度介于约1nm至3nm之间。在本发明实施例中，中间栅极结构108’-2与108’-3中各自具有充填栅极金属层121与121’。在一些实施例中，中间栅极结构108’-1具有少量的栅极金属或不具有栅极金属，如图3A所示。中间栅极结构108’-1中缺乏栅极金属的原因可能包括栅极长度小，且在形成功函数金属层119之后缺乏沉积栅极金属所用的空间。如图3A所示，功函数金属层119可填满沉积阻障金属层118之后的栅极形成沟槽117’中的剩余空间。此外，由于中间栅极结构108’-2的栅极长度小于中间栅极结构108’-3的栅极长度，沉积在中间栅极结构108’-2中的栅极金属少于沉积在中间栅极结构108’-3中的栅极金属。

在一些实施例中，在形成上述层状物之后可采用平坦化工艺如化学机械研磨，以移除间隔物层111上的这些层状物的多余厚度。可平坦化栅极形成沟槽117’的上表面。如此一来，间隔物层111、高介电常数的介电层、盖层、阻障金属层、功函数金属层、与充填栅极金属层的上表面可彼此共平面。为了说明目的，平坦化工艺之后形成的半导体结构称作中间栅极结构108’。在多种实施例中，亦可采用其他平坦化及/或蚀刻工艺，以形成中间栅极结构108’-1、108’-2、与108’-3。

如图3A至图3C所示，高介电常数的介电层115、115’、与115”、盖层116、116’、与116”、以及阻障金属层118、118’、与118”各自形成U型结构(比如沿着剖线131或x-y平面的视图)于每一中间栅极结构108’-1、108’-2、与108’-3的栅极形成沟槽117’中。由于栅极长度差异，中间栅极结构108’-2与108’-3中的功函数金属层119’与119”各自形成U型结构于个别的栅极形成沟槽117’中，而中间栅极结构108’-1中的功函数金属层119可形成垂直带状结构(沿着y轴)于栅极形成沟槽117’中。综上所述，对中间栅极结构108’-1而言，功函数金属层119的最顶侧表面可与中间栅极结构108’-1的上表面实质上共平面。对中间栅极结构108’-2与108’-3而言，功函数金属层119’与119”的最顶侧表面可分别与中间栅极结构的上表面实质上共平面。

如图3A至图3C所示，充填栅极金属层121沉积在栅极长度较小的中间栅极结构(如中间栅极结构108’-2)中的量，少于沉积在栅极长度较大的中间栅极结构(如中间栅极结构108’-3)中的量。特别的是，对栅极长度小的一些中间栅极结构(如中间栅极结构108’-1)而言，没有栅极金属可沉积于栅极形成沟槽117’中。如此一来，随着技术节点演进，越来越难以沉积足够的栅极金属于金属栅极结构中。金属栅极结构的栅极电阻可随着栅极金属量减少而增加。因此栅极电阻可自中间栅极结构108’-1朝中间栅极结构108’-3增加。图4A至图5C用于显示改善不同中间栅极结构的栅极电阻的方法的实施例。

图4A至图4C显示一些实施例中的结构400，其包括不同栅极长度的例示性的中间栅极结构108’-1、108’-2、与108’-3。图4A至图4C沿图1A所示的剖线131。在一些实施例中，回蚀刻每一中间栅极结构108’-1、108’-2、与108’-3中的功函数金属层的顶部至所需深度，以自功函数金属层其露出的最顶侧表面形成回蚀刻沟槽。如图4A至图4C所示，在中间栅极结构108’-1中，回蚀刻沟槽117A形成于功函数金属层119中，且具有垂直深度(或凹陷深度)h1。在中间栅极结构108’-2中，回蚀刻沟槽117B1与117B2形成于功函数金属层119’中，且各自具有垂直深度h2(沿着y轴)。在中间栅极结构108’-3中，回蚀刻沟槽117C1与117C2形成于功函数金属层119”中，且各自具有垂直深度h3。在一些实施例中，每一功函数金属层中的回蚀刻沟槽的垂直深度可在约40nm至约50nm之间变化，且垂直深度h1、h2、与h3可相同或不同。为了说明目的，假定相同的栅极形成沟槽中的回蚀刻沟槽大致具有相同的深度(如垂直深度h1、h2、与h3)。在一些实施例中，垂直深度h1、h2、与h3小于个别功函数金属层的垂直长度，且可为约40nm。

在一些实施例中，移除中间栅极结构108’中的功函数金属层的顶部，并形成回蚀刻沟槽。上述步骤可露出蚀刻部分的内侧表面。举例来说，对中间栅极结构108’-1的回蚀刻沟槽117A而言，可露出被蚀刻的功函数金属层119的最顶侧表面与阻障金属层118的侧壁表面。对中间栅极结构108’-2的回蚀刻沟槽117B1与117B2而言，可露出被蚀刻的功函数金属层119’的最顶侧表面、充填栅极金属层121的侧壁表面的一部分、与阻障金属层118’的侧壁表面的一部分。对中间栅极结构108’-3的回蚀刻沟槽117C1与117C2而言，可露出被蚀刻的功函数金属层119”的最顶侧表面、充填栅极金属层121’的侧壁表面的一部分、与阻障金属层118”的侧壁表面的一部分。露出的表面可接触后续沉积的充填栅极金属(比如后续工艺沉积以填入回蚀刻沟槽的栅极金属)。

在一些实施例中，可采用合适的蚀刻工艺进行回蚀刻工艺。在一些实施例中，进行湿蚀刻以选择性地蚀刻个别功函数金属层的顶部。在一些实施例中，蚀刻剂(如蚀刻溶液)可选择性地蚀刻栅极形成沟槽117’中的其他层状物及/或材料上的功函数金属层。举例来说，蚀刻剂在栅极金属上的蚀刻选择性(如蚀刻速率的比例)可为至少约2，及/或在高介电常数的介电材料上的蚀刻选择性可为至少约2。在一些实施例中，栅极金属上的蚀刻选择性为至少约3。其他层状物及/或材料上的蚀刻选择性可如所需的高，因此选择性蚀刻后可移除功函数金属层顶部，而栅极形成沟槽117’中的其他层状物可保留实质上相同的厚度、高度、及/或形状。

可在需于合适条件下处理的晶圆或半导体结构100上分配蚀刻剂。蚀刻剂可包含磷酸，其可与其它蚀刻剂及/或添加剂混合。在一些实施例中，蚀刻剂包括过氧化氢、磷酸、与热去离子水的混合物。在一些实施例中，充填栅极金属层包含钨且功函数金属层包括氮化钛，而磷酸：过氧化氢：热去离子水的重量比例为约10:1:1.5，且蚀刻选择性为约5(比如功函数金属层的蚀刻速率为充填栅极金属层的蚀刻速率的约五倍)。在一些实施例中，可改变过氧化氢、磷酸、与热去离子水的重量比例，以调整相同或不同材料上的蚀刻选择性及/或蚀刻速率。举例来说，当充填栅极金属层及/或功函数金属层包含其他材料时，可改变磷酸：过氧化氢：热去离子水的重量比。在一些实施例中，可混合其他酸性介质或溶液至混合物，以得不同的蚀刻选择性、蚀刻速率、及/或pH控制。举例来说，氯化氢可添加至混合物中以调整蚀刻剂的pH值。可控制蚀刻条件及/或参数(如蚀刻时间与蚀刻剂温度)，以得回蚀刻沟槽的所需垂直深度。举例来说，蚀刻选择性为约5时若要得到约40nm的垂直深度，则半导体结构100的蚀刻时间可为约360秒，且蚀刻温度可介于室温至约80℃之间。在一些实施例中，增加蚀刻剂温度可增加蚀刻速率，并因此减少蚀刻时间。

在一些实施例中，在蚀刻工艺之后可采用湿式溶液冲洗半导体结构100或晶圆。在一些实施例中，冲洗溶液为纯去离子水的混合物、含二氧化碳的去离子水、稀释的氢氧化铵、任何其他合适的冲洗溶液、或任何上述的组合。可采用任何合适方法干燥冲洗后的半导体结构100或晶圆。在一些实施例中，干燥工艺包含氮气旋转干燥及/或异丙醇干燥。干燥工艺的干燥温度可介于室温至约100℃之间。

蚀刻剂在与功函数金属层及/或中间栅极结构108’的其他层(如充填栅极金属层及/或阻障金属层)反应时，可用于形成自组装单层。在一些实施例中，蚀刻剂在与充填栅极金属、功函数金属层、与阻障金属层反应时有助于形成自组装单层，且在蚀刻工艺之后的自组装单层可覆盖这些层状物的露出表面。如图4A至图4C所示，选择性蚀刻后形成自组装单层120、120’、与120”。在选择性蚀刻之后，自组装单层可覆盖功函数金属层其露出的最顶侧表面、充填栅极金属层其露出的上表面与侧壁表面、与阻障金属层其露出的最顶侧表面。举例来说，对中间栅极结构108’-1而言，自组装单层可覆盖被蚀刻的功函数金属层119其露出的最顶侧表面与阻障金属层118其露出的上表面与侧壁表面。对中间栅极结构108’-2而言，自组装单层可覆盖被蚀刻的功函数金属层119’其露出的最顶侧表面、充填栅极金属层121其露出的上表面与侧壁表面、与阻障金属层118’其露出的上表面与侧壁表面。对中间栅极结构108’-3而言，自组装单层可覆盖被蚀刻的功函数金属层119”其露出的最顶侧表面、充填栅极金属层121’其露出的上表面与侧壁表面、与阻障金属层118”其露出的上表面与侧壁表面。自组装单层可作为粘着层，之后可粘接及/或贴合回蚀刻沟槽(如回蚀刻沟槽117A、117B1、117B2、117C1、与117C2)中的充填栅极金属，并改善充填栅极金属与回蚀刻沟槽中的材料之间的接触及/或粘着性。

具体而言，自组装单层可形成于磷酸盐与中间栅极结构108’-1、108’-2、与108’-3的材料(如功函数金属层、充填栅极金属层及/或阻障金属层的材料)之间。举例来说，磷酸盐可与这些层中的金属氧化物形成自组装单层。在一些实施例中，金属层包含钨，功函数金属层包含氮化钛，且阻障金属层包含氮化钽。磷酸盐接着可与功函数金属层中的氧化钛反应以形成磷酸钛的自组装单层于功函数金属层的露出表面上、与阻障金属层中的氧化钽反应以形成磷酸钽的自组装单层于阻障金属层的露出表面上、以及与充填栅极金属层中的氧化钨反应以形成磷酸钨的自组装单层于充填栅极金属层的露出表面上。在本发明实施例中，用语“金属的磷酸盐的自组装单层”仅仅便于说明以区隔不同化学化合物，而非表示化合物的化学组成或化学式。

自组装单层可覆盖与磷酸盐反应的材料。在一些实施例中，蚀刻剂组成可择以搭配被蚀刻的材料及/或露出的材料，因此自组装单层可完全覆盖回蚀刻沟槽的内表面。自组装单层可改善后续沉积的充填栅极金属与回蚀刻沟槽之间的粘着性，因此充填栅极金属可填入回蚀刻沟槽且具有一点空洞或无空洞。综上所述，后续形成的金属栅极结构中的栅极金属量可增加，而栅极电阻可降低。在一些实施例中，自组装单层形成于功函数金属层上，以改善充填栅极金属与功函数金属层之间的粘着性。在一些实施例中，自组装单层形成于充填栅极金属层上，可改善充填金数与栅极金属之间的粘性，因此无空洞形成于充填金属与栅极金属之间。在一些实施例中，自组装单层的电阻够低或可忽略，因此自组装单层的存在只对充填栅极金属层与充填栅极金属的导电性造成一点影响或无影响。在多种实施例中，其他合适材料亦可用于形成功函数金属层、充填栅极金属层、及/或金属阻障层。可改变蚀刻剂组成以确保自组装单层(具有粘着功能以粘结充填栅极金属至功函数金属层)至少形成于功函数金属层上。蚀刻剂组成的具体选择可不限于本发明实施例。

在一些实施例中，可由其他方法回蚀刻功函数金属层。举例来说，可采用平坦化工艺露出与蚀刻中间栅极结构108’中功函数金属层的最顶侧表面，并采用遮罩覆盖其他层的最顶侧表面。综上所述，可由合适的蚀刻(如控制时间的湿及/或干蚀刻工艺)移除功函数金属层的顶部。在回蚀刻之后可移除遮罩。可视情况采用任何合适方法，形成粘着层(如衬垫层或自组装单层)于回蚀刻沟槽117A、117B1、117B2、117C1、与117C2的内侧表面上。举例来说，可采用合适的酸性溶液(如硫酸为主的溶液)冲洗回蚀刻沟槽，使粘着层形成于回蚀刻沟槽中。粘着层可为任何合适的形式，比如单层或薄膜。粘着层的电阻够低，因此粘着层的存在仅稍微影响或不影响充填栅极金属层与充填栅极金属的导电性。

图5A至图5C显示一些实施例中的结构500，其包含不同栅极长度的例示性的中间栅极结构108’-1、108’-2、与108’-3。图5A至图5C沿着图1A所示的剖线131。如图5A至图5C所示，充填栅极金属(在附图中与充填栅极金属层具有相同图案)可沉积至回蚀刻沟槽中，以接触充填栅极金属层。形成于每一中间栅极结构108’-1、108’-2、与108’-3中的自组装单层可改善充填栅极金属与充填栅极金属层之间的粘着性及/或粘接性、充填栅极金属与功函数金属层之间的粘着性及/或黏接性、及/或充填栅极金属与阻障金属层之间的粘着性及/或黏接性。在一些实施例中，充填栅极金属的掺杂等级高于充填栅极金属层的掺杂等级。在一些实施例中，经由合适的沉积法如化学气相沉积、原子层沉积、或类似方法形成充填栅极金属，并原位掺杂充填栅极金属，因此可形成所需的掺杂等级与掺质种类于充填栅极金属中，以进一步降低后续形成的金属栅极结构的电阻。

在一些实施例中，经由选择性沉积法沉积充填栅极金属，并在选择性沉积时原位掺杂充填栅极金属。在一些实施例中，充填栅极金属层包括钨，而充填栅极金属包括钨。形成钨的选择性沉积法可包含原子层沉积。在一些实施例中，可采用五氯化钨气体与氢气的前驱物气体进行原子层沉积工艺。固体钨可选择性地形成于回蚀刻沟槽中。在一些实施例中，五氯化钨的流速介于约50sccm至约100sccm之间，而氢气流速介于约约1000sccm至约2000sccm之间。可由氩气承载五氯化钨以泵入温度介于约450℃至550℃之间的反应腔室，使腔室压力为约40Torr。可将氢气泵入反应腔室，使腔室压力为约60Torr。综上所述，可沉积钨以填入回蚀刻沟槽。在一些实施例中，采用选择性沉积工艺形成钨，不需额外遮罩确保钨形成于回蚀刻沟槽中。在一些实施例中，在形成钨之后，可进行化学机械研磨以平坦化中间栅极结构108’-1、108’-2、与108’-3的上表面。

在一些实施例中，亦可采用其他沉积法(如选择性或非选择性的方法)将充填栅极金属填入回蚀刻沟槽。若采用非选择性的沉积法，可进行回蚀刻以移除回蚀刻沟槽之外的多余栅极金属。举例来说，可进行图案化工艺以露出并移除回蚀刻沟槽之外的多余栅极金属。接着可进行化学机械研磨工艺，以平坦化中间栅极结构108’-1、108’-2、与108’-3的上表面。

在一些实施例中，亦可沉积具有不同栅极金属的充填栅极金属(比如不同于充填栅极金属层的原本栅极金属材料)。与充填栅极金属层相较，充填栅极金属可具有相当低电阻或更低电阻。在一些实施例中，覆盖回蚀刻沟槽的自组装单层可改善充填栅极金属(比如包含不同于充填栅极金属层的原本栅极金属材料的金属及/或导电材料)与功函数金属层之间的粘着性。

在一些实施例中，可形成合适的掺质至充填栅极金属中，以进一步降低栅极电阻。举例来说，可掺杂硼至充填栅极金属中，以增加掺杂等级并因此降低栅极电阻。硼可沉积于充填栅极金属(其包含的材料与充填栅极金属层的原本栅极金属材料相同或不同)上。在一些实施例中，在一些实施例中，自组装单层覆盖回蚀刻沟槽，可改善掺杂的充填栅极金属与至少功函数金属层之间的粘着性。在一些实施例中，自组装单层粘接掺杂的充填栅极金属至具有少量空洞或无空洞于其中的充填栅极金属层。

在沉积充填栅极金属至回蚀刻沟槽117A、117B1、117B2、117C1、与117C2中之后，可形成金属栅极结构。图5A至图5C所示的中间栅极结构108’-1、108’-2、与108’-3，可显示具有充填栅极金属的金属栅极结构的剖视图。与不具有充填栅极金属的金属栅极结构相较(如图3A至图3C所示的中间栅极结构108’-1、108’-2、与108’-3)，具有充填栅极金属的金属栅极结构可具有更多栅极金属与更低的栅极电阻。

在一些实施例中，在形成金属栅极结构之后，可沿着x轴或金属栅极结构延伸的方向分开、分隔及/或分割金属栅极结构，以形成短通道金属栅极结构。举例来说，一金属栅极结构可位于一鳍状物104上。在一些实施例中，在分开及/或切割之后的通道长度为约10nm。可视情况沉积绝缘材料(如氮化硅及/或氧化硅)于分开的金属栅极结构上，使金属栅极结构彼此电性绝缘。在一些实施例中，进行化学机械研磨以平坦化绝缘材料的上表面。在一些实施例中，前述工艺称作“最后切割方案”。

在本发明实施例中，将功函数金属层的部分置换为导电材料的方法，可减少金属栅极结构的栅极电阻。在一些实施例中，亦可将金属栅极结构的其他部分及/或层置换成导电材料(比如具有所需电阻及/或掺杂等级的导电材料)，以进一步减少栅极电阻。举例来说，可一起移除(或选择性地移除)阻障金属层的顶部与功函数金属层的顶部，以进一步增加金属栅极结构中的栅极金属量。可进行一或多道回蚀刻工艺。综上所述，可调整移除这些部分的蚀刻剂，以形成自组装单层于蚀刻的表面上，并改善蚀刻的表面所露出的其他层状物与后续沉积的导电材料之间的粘着性。此外，可形成(或选择性地形成)合适的导电材料于回蚀刻沟槽中，以填满金属栅极结构。具体方法与结构可参考本发明实施例，在此不重述。

与其他方案相较，采用本发明实施例公开的方法与结构所形成的金属栅极结构具有较低栅极电阻。可进行选择性蚀刻以移除功函数金属层的顶部，并形成自组装单层于被蚀刻部分的内侧表面上，以改善后续沉积的充填栅极金属与功函数金属层之间的粘着性。可进行选择性沉积以将充填栅极金属填入蚀刻部分。与原本的栅极金属材料相较，充填栅极金属具有相当低或较低的栅极电阻。在栅极金属充填工艺之前，对具有少量或不具有充填栅极金属层于功函数金属层上的金属栅极结构而言，充填工艺之后可沉积栅极金属至栅极金属结构中，且可降低栅极电阻。对在栅极金属充填工艺之前即具有足够栅极金属于充填栅极金属层中的金属栅极结构而言，金属栅极结构中可包含更多栅极金属(或具有相当低或更低电阻的导电材料)以进一步降低栅极电阻。在一些实施例中，选择性蚀刻与选择性沉积不需额外遮罩以用于工艺，因此在形成半导体结构100时不需新增额外制作工艺。在一些实施例中，选择性蚀刻对栅极尺寸(如栅极高度)的影响很少或不影响。在一些实施例中，在制作工艺如回蚀刻工艺之后，金属栅极结构的栅极高度缩减顶多约10％。

图6是形成具有充填栅极金属的金属栅极结构的例示性方法600的流程图。在方法600的多种步骤之间亦可进行其他制作工艺，但此处省略相关说明以达简洁目的。亦可由不同顺序进行图6所示的制作工艺。所述的制作步骤的任何变化，均属本发明实施例的范围。为了易于说明，用语“第一金属栅极结构”指的是进行公开的方法之前的金属栅极结构，而“第二金属栅极结构”指的是采用公开的方法所形成的金属栅极结构。

在步骤601中，提供基板。基板可包含第一金属栅极结构，其具有功函数金属层。第一金属栅极结构可自栅极置换工艺形成，且亦可包含围绕功函数金属层的其他层如高介电常数的介电层、盖层、阻障层或类似层。在一些实施例中，第一金属栅极结构具有小栅极长度，且可包含少量栅极金属或不具有栅极金属于功函数金属层上。在一些实施例中，第一金属栅极结构具有不足的栅极金属于功函数金属层上。基板可包含任何合适的半导体材料。功函数金属层可包含具有所需功函数的合适材料，比如氮化钛。栅极金属可包含合适的导电材料，比如钨。图3A至图3C与相关说明可提供第一金属栅极结构的细节。

在步骤602中，采用选择性蚀刻移除功函数金属层的顶部。可将具有所需蚀刻选择性的蚀刻剂分配至晶圆及/或基板上，以进行选择性蚀刻。在一些实施例中，蚀刻剂对第一金属栅极结构的功函数金属层与其他材料(如栅极金属)具有所需的较高蚀刻选择性。在一些实施例中，可控制选择性蚀刻的时间，以移除所需量(如深度)的功函数金属层的顶部。在蚀刻工艺之后，可形成回蚀刻沟槽于功函数金属层中，且可露出功函数金属层的最顶侧表面。在一些实施例中，充填栅极金属层包含钨而功函数金属层包含氮化钛，且选择性蚀刻所用的混合物包含磷酸、过氧化氢、与热去离子水。在一些实施例中，蚀刻剂对氮化钛与蚀刻选择性比对钨高五倍。在一些实施例中，回蚀刻沟槽其露出的内侧表面亦包含围绕功函数金属层的其他层状物，比如充填栅极金属层及/或阻障金属层。蚀刻剂可与回蚀刻沟槽中露出的材料反应，并形成自组装单层于回蚀刻沟槽的露出表面上。自组装单层可改善露出的回蚀刻沟槽的内侧表面与后续沉积的充填栅极金属之间的粘着性。在一些实施例中，自组装单层改善后续形成的充填栅极金属与功函数金属层之间的粘着性，并减少及/或消除充填栅极金属与充填栅极金属层之间的空洞。蚀刻剂与自组装单层的组成细节，如搭配图4A至图4C说明的上述相关内容。

在步骤603中，沉积导电材料至功函数金属层中的回蚀刻沟槽内，以形成第二金属栅极结构。导电材料可称作充填栅极金属。可采用选择性沉积法以沉积合适的导电材料，其可与充填栅极金属层相同或不同。可采用原位掺杂以增加导电材料的掺杂等级，因此可进一步减少第二金属栅极结构的栅极电阻。在一些实施例中，进行原子层沉积以选择性地沉积导电材料至回蚀刻沟槽中。在一些实施例中，第一金属栅极结构的充填栅极金属层包括钨，充填栅极金属包括钨，且经由原位掺杂将硼掺杂至充填栅极金属中。与此同时，回蚀刻沟槽的内侧表面上的自组装单层可改善充填栅极金属与功函数金属层之间的粘着性，亦可改善充填栅极金数与充填栅极金属层之间的粘着性。在一些实施例中，可采用五氯化钨气体与氢气的前驱物气体进行原子层沉积工艺。固体钨可选择性地形成于回蚀刻沟槽中。在一些实施例中，五氯化钨的流速介于约50标准立方公分/分钟(sccm)至约100sccm之间，且氢气流速可介于约1000sccm至约2000sccm之间。五氯化钨可由氩气承载以泵入温度介于约450℃至约550℃之间的反应腔室，使腔室压力可为约40Torr。氢气可泵入反应腔室，使腔室压力可为约60Torr。可视情况进行化学机械研磨，以平坦化第二金属栅极结构的上表面。充填栅极金属已搭配图5A至5C详述如上。

方法600可视情况进一步包含步骤604。在步骤604中，可沿着鳍状物104的方向切割及/或分开第二金属栅极结构，以形成短通道结构。绝缘材料(如氮化硅)可用于充填相邻的短通道结构之间的空间，使短通道结构彼此绝缘。在一些实施例中，进行化学机械研磨以平坦化短通道结构。

本发明实施例说明围绕金属栅极中的栅极金属的功函数金属的移除方法所用的选择性回蚀刻工艺。接着将相当低电阻或更低电阻的导电材料填入移除功函数金属所产生的空间中，以增加金属栅极中的栅极金属体积。选择性回蚀刻工艺形成自组装单层于被蚀刻的部分上。自组装单层可改善被蚀刻的部分与新沉积的充填栅极金属之间的粘着性。新沉积的充填栅极金属(如导电材料)的沉积方法可采用选择性沉积法，且可包含所需及/或不同的掺质浓度及/或种类，以进一步改善(如降低)栅极电阻。选择性回蚀刻与选择性沉积法不需额外遮罩或额外制作工艺。因此实质上不影响(如降低)栅极高度，并可沉积更多的栅极金属至金属栅极中。采用本发明实施例公开的方法，金属栅极的栅极金属量可高于一开始制作的金属栅极的栅极金属量，可降低栅极电阻并改善半导体装置的电性。此外，新沉积的充填栅极金属可粘着至金属栅极的被蚀刻部分，且充填栅极金属具有很少(或无)空洞形成其中。形成的栅极金属可更一致。可进一步降低栅极电阻。因此本发明实施例公开的方法与结构可改善装置效能。

在一些实施例中，鳍状场效晶体管装置，包括：基板；鳍状物，位于基板上；以及栅极结构，位于鳍状物上。栅极结构包括功函数金属层，位于栅极结构的内侧侧壁上，且功函数金属层的最顶侧表面低于栅极结构的上表面；充填栅极金属层，位于功函数金属层的最顶侧表面上，且充填栅极金属层的上表面与栅极结构的上表面实质上共平面；以及自组装单层，位于充填栅极金属层与功函数金属层之间。

在一些实施例中，自组装单层包括粘着层位于功函数金属层与充填栅极金属层之间。

在一些实施例中，鳍状场效晶体管装置还包括功函数金属层围绕的其他充填栅极金属层，且其他充填栅极金属层的上表面与栅极结构的上表面实质上共平面，其中该自组装单层位于其他充填栅极金属层与充填栅极金属层之间。

在一些实施例中，自组装单层包括：磷酸盐与功函数金属层所形成的第一部分，位于该功函数金属层与该充填栅极金属层之间；以及磷酸盐与其他充填栅极金属层所形成的第二部分，位于该充填栅极金属层与其他充填栅极金属层之间。

在一些实施例中，鳍状场效晶体管装置还包括阻障金属层围绕功函数金属层，且阻障金属层的上表面与栅极结构的上表面实质上共平面，其中自组装单层还包括磷酸盐与阻障金属层所形成的第三部分，位于阻障金属层与充填栅极金属层之间。

在一些实施例中，充填栅极金属层与其他充填栅极金属层各自包含共同导电材料。

在一些实施例中，充填栅极金属层具有第一掺杂等级，其他充填栅极金属层具有第二掺杂等级，且第一掺杂等级高于第二掺杂等级。

在一些实施例中，功函数金属层包括氮化钛、氮化钛铝、或碳化钛铝；阻障金属层包括氮化钽或氮化铌；充填栅极金属层与其他充填栅极金属层各自包含钨与铝的一或多者；以及充填栅极金属层包括硼。

在一些实施例中，自组装单层的第一部分包括氧化钛与磷酸盐，自组装单层的第二部分包括氧化钨与磷酸盐，且自组装单层的第三部分包括氧化钽与磷酸盐。

在一些实施例中，形成半导体装置的方法包括：提供基板，且基板包括具有功函数金属层的栅极结构；移除功函数金属层的顶部；形成自组装单层于移除功函数金属层的顶部所露出的功函数金属层的最顶侧表面上；以及沉积充填栅极金属层至功函数金属层被移除的顶部中，且自组装单层位于充填栅极金属层与功函数金属层之间。

在一些实施例中，移除功函数金属层的顶部的步骤包括进行选择性回蚀刻，其蚀刻功函数金属层的速率高于蚀刻基板的其他材料的速率。

在一些实施例中，功函数金属层包括氮化钛、氮化钛铝、或碳化钛铝；以及进行选择性回蚀刻的步骤包括采用过氧化氢、磷酸、与热去离子水的混合物，以在室温至80℃移除功函数金属层的顶部。

在一些实施例中，进行选择性回蚀刻的步骤还包括形成自组装单层于功函数金属层上，且其中自组装单层包括混合物与功函数金属层所形成的一部分。

在一些实施例中，沉积充填栅极金属层至功函数金属层被移除的顶部中的步骤，包括选择性沉积栅极金属至功函数金属层被移除的顶部中，且自组装单层为充填栅极金属层与功函数金属层之间的粘着层。

在一些实施例中，基板还包括功函数金属层围绕的其他充填栅极金属层，其中进行选择性回蚀刻的步骤还包括形成自组装单层的其他部分于其他充填栅极金属层上，自组装单层的其他部分由混合物与其他充填栅极金属层所形成，且其他充填栅极金属层经由自组装单层的其他部分粘接至充填栅极金属层。

在一些实施例中，沉积充填栅极金属层的步骤包括进行原子层沉积与原位掺杂工艺，且其中充填栅极金属层与其他充填栅极金属层包括共同导电材料。

在一些实施例中，共同导电材料包括钨；以及充填栅极金属层的掺杂等级高于其他充填栅极金属层的掺杂等级，且充填栅极金属层包括硼。

在一些实施例中，形成半导体装置的方法包括：提供基板，且基板包括栅极结构；选择性移除栅极结构的顶部；形成粘着层于移除栅极结构的顶部所露出的栅极结构上表面；以及选择性沉积导电层至粘着层上的栅极结构被移除的顶部中，且粘着层粘接栅极结构被移除的顶部所露出的栅极结构上表面与导电层。

在一些实施例中，导电层的掺杂等级高于移除的栅极结构顶部的掺杂等级。

在一些实施例中，选择性移除栅极结构的顶部的步骤包括选择性蚀刻工艺，且沉积导电层的步骤包括选择性沉积工艺与原位掺杂工艺。

可以理解的是，实施方式的段落(非摘要)可用于解释权利要求。摘要可说明一或多个例示性实施例而非所有的例示性实施例，因此不局限附加的权利要求。

上述实施例或例子的特征有利于本技术领域中技术人员理解本发明实施例。本技术领域中技术人员应理解可采用本发明实施例作基础，设计并变化其他工艺与结构以完成上述实施例的相同目的及/或相同优点。本技术领域中技术人员亦应理解，这些等效置换并未脱离本公开构思与范围，并可在未脱离本公开构思与范围的前提下进行改变、替换、或变动。