半導(dǎo)體器件制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體器件制造方法，包括：在襯底上形成假柵極絕緣層、刻蝕停止層和假柵極層構(gòu)成的假柵極堆疊；在假柵極堆疊兩側(cè)的襯底上形成柵極側(cè)墻；去除假柵極層，直至暴露刻蝕停止層；去除刻蝕停止層，直至暴露假柵極絕緣層；去除假柵極絕緣層，直至暴露襯底，形成柵極溝槽。依照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法，利用非氧化硅的假柵極絕緣層與氧化硅的刻蝕停止層的層疊結(jié)構(gòu)，分步采用不同刻蝕液刻蝕假柵極，從而避免了襯底特別是溝道區(qū)受到不必要的侵蝕，提高了器件的性能和可靠性。
【專利說明】半導(dǎo)體器件制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制造方法，特別是涉及一種能在后柵工藝器件有效避免溝道和襯底被侵蝕的半導(dǎo)體器件、特別是半導(dǎo)體中間結(jié)構(gòu)的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]MOSFET器件等比例縮減至45nm之后，器件需要高介電常數(shù)(高k)作為柵極絕緣層以及金屬作為柵極導(dǎo)電層的堆疊結(jié)構(gòu)以抑制由于多晶硅柵極耗盡問題帶來的高柵極泄漏以及柵極電容減小。為了更有效控制柵極堆疊的形貌(prof iIe)，業(yè)界目前普遍采用后柵工藝，也即通常先在襯底上沉積多晶硅等材質(zhì)的假柵極，沉積層間介質(zhì)層(ILD)之后去除假柵極，隨后在留下的柵極溝槽中填充高k/金屬柵(HK/MG)膜層的堆疊。
[0003]在上述后柵工藝中，為了在刻蝕去除假柵極時降低對于溝道區(qū)的損傷，業(yè)界普遍采用了墊氧化層作為假柵極絕緣層或界面層，例如熱氧化物，諸如氧化硅。通常采用化學(xué)氧化(例如含臭氧的去離子水浸泡)或者快速熱氧化(RTO)來制造較薄的假柵極絕緣層，例如僅I?3nm厚。在后續(xù)去除多晶硅等材質(zhì)的假柵極時，例如采用TMAH濕法刻蝕Si或者等離子體刻蝕，該假柵極絕緣層或界面層可以保護(hù)襯底特別是溝道區(qū)不受損傷。之后，為了在柵極溝槽中生長高k材料的柵極絕緣層，需要去除該假柵極絕緣層或界面層。鑒于該界面層通常為熱氧化物，因此可選的刻蝕液是HF基溶液，諸如稀釋的氫氟酸(dHF)或者稀釋的緩釋刻蝕液(dBOE，為NH4F與HF的混合溶液)。
[0004]然而，在某些情形下，例如對于NMOS器件而言，在后柵工藝中去除上述假柵極絕緣層時，與溝道接觸的源漏擴(kuò)展區(qū)域(如LDD結(jié)構(gòu))會被嚴(yán)重侵蝕。一種可能的解釋是當(dāng)器件結(jié)構(gòu)浸入諸如dHF的電解質(zhì)溶液中時，在PN結(jié)處發(fā)生了電化學(xué)腐蝕機(jī)制。由電解的法拉第定律可知，由侵蝕導(dǎo)致的物質(zhì)損失m可以表示為m = (Q/F)*(M/z)，其中m為損失的材料的質(zhì)量，Q為穿過該材料的總電荷，F(xiàn)為法拉第常數(shù)-96.485C/mol，M為材料的摩爾質(zhì)量，z為材料離子的化合價(每個離子所傳輸?shù)碾娮訑?shù))。由于材料的摩爾量n = m/M，所以η =(Q/F)*(l/z)。在恒定侵蝕電流的情形下，Q = I*t，而在可變侵蝕電流的情形下，Q為I*d τ在O至t蝕刻的積分，因此材料的損失量(侵蝕量)n直接與處理時間t或者τ相關(guān)。因此，不論如何縮減dHF/dBOE的處理時間，上述電化學(xué)侵蝕現(xiàn)象總是存在的。這大大影響了器件性能以及產(chǎn)能。
[0005]此外，在暗場和亮場條件下，硅自身在水性氟化物溶液中也可以被刻蝕，這通常是由于光-電化學(xué)刻蝕機(jī)制。在光強度較低的暗場條件下，SiF4+2F->SiF廣。而在光強度較大的亮場條件下，HSiF3+H20->SiF30H+H2_ (+HF) ->SiF4+H20- (2F-) ->SiF62_。有意思的是，在采用稀釋氯化氫(dHCl)溶液刻蝕時基本沒觀察到Si損失，而在采用dHF刻蝕時觀察到明顯的Si損失。因此，基本上可以說，HF基溶液是后柵工藝中去除假柵極絕緣層工藝期間造成襯底(溝道，Si區(qū)域)損失的根本原因。
[0006]綜上所述，由于上述電化學(xué)侵蝕現(xiàn)象，PN結(jié)較容易受到氟基溶液的侵蝕。而單個的P或N結(jié)則由于暗場和亮場照明條件下的光-電化學(xué)刻蝕而同樣受到氟基溶液的侵蝕。換言之，后柵工藝中去除假柵極絕緣層的現(xiàn)有技術(shù)難以避免襯底受到侵蝕。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]由上所述，本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)困難，提出一種新的半導(dǎo)體器件及其制造方法，能避免使用氟基溶液來去除假柵極絕緣層，從而避免襯底受到侵蝕。
[0008]為此，本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體器件制造方法，包括:在襯底上形成假柵極絕緣層、刻蝕停止層和假柵極層構(gòu)成的假柵極堆疊；在假柵極堆疊兩側(cè)的襯底上形成柵極側(cè)墻；去除假柵極層，直至暴露刻蝕停止層；去除刻蝕停止層，直至暴露假柵極絕緣層；去除假柵極絕緣層，直至暴露襯底，形成柵極溝槽。
[0009]其中，形成假柵極絕緣層之前還采用HF基溶液清洗襯底表面。
[0010]其中，柵極側(cè)墻為多層結(jié)構(gòu)，包括第一柵極側(cè)墻、柵極側(cè)墻間隔層、第二柵極側(cè)墻。
[0011]其中，假柵極絕緣層不與HF反應(yīng)。
[0012]其中，假柵極絕緣層包括高k材料。
[0013]其中，刻蝕停止層包括氧化硅。
[0014]其中，采用CVD法制備氧化硅。
[0015]其中，采用稀釋的緩釋刻蝕劑腐蝕去除刻蝕停止層。
[0016]其中，假柵極層包括硅，采用TMAH濕法腐蝕去除假柵極層。
[0017]其中，采用非HF酸溶液來腐蝕去除假柵極絕緣層。
[0018]依照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法，利用非氧化硅的假柵極絕緣層與氧化硅的刻蝕停止層的層疊結(jié)構(gòu)，分步采用不同刻蝕液刻蝕假柵極，從而避免了襯底特別是溝道區(qū)受到不必要的侵蝕，提高了器件的性能和可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]以下參照附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案，其中:
[0020]圖1至圖5為依照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法各步驟的示意圖。
【具體實施方式】
[0021]以下參照附圖并結(jié)合示意性的實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明技術(shù)方案的特征及其技術(shù)效果，公開了能有效避免襯底受到侵蝕的半導(dǎo)體器件及其制造方法。需要指出的是，類似的附圖標(biāo)記表示類似的結(jié)構(gòu)，本申請中所用的術(shù)語“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修飾各種器件結(jié)構(gòu)或制造工序。這些修飾除非特別說明并非暗示所修飾器件結(jié)構(gòu)或制造工序的空間、次序或?qū)蛹夑P(guān)系。
[0022]以下參照圖1?圖5各個步驟的示意圖，來詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0023]參照圖1的剖視圖，在襯底上形成假柵極絕緣層和假柵極層構(gòu)成的假柵極堆疊。
[0024]提供襯底1，襯底I依照器件用途需要而合理選擇，可包括單晶體硅(Si)、單晶體鍺(Ge)、應(yīng)變硅(Strained Si)、鍺硅(SiGe)，或是化合物半導(dǎo)體材料，例如氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、銻化銦(InSb)，以及碳基半導(dǎo)體例如石墨烯、SiC、碳納管等等。出于與CMOS工藝兼容的考慮，襯底I優(yōu)選地為體Si。在形成假柵極絕緣層之前，優(yōu)選地，采用氟基溶液-諸如稀釋HF (dHF)溶液或者稀釋緩釋刻蝕劑(dBOE)進(jìn)行短時間的表面清潔，去除假柵極絕緣層與襯底之間可能存在的氧化物，例如氧化硅薄層。
[0025]隨后，采用MBE、ALD等工藝，在襯底I上沉積假柵極絕緣層2，其材質(zhì)是不與HF基腐蝕液反應(yīng)的絕緣材料，也即除了氧化硅之外，例如可以是高k材料，包括但不限于氮化物(例如SiN、AIN、TiN)、金屬氧化物(主要為副族和鑭系金屬元素氧化物，例如MgO、A1203、Ta205、Ti02、ZnO, ZrO2, HfO2, CeO2, Y2O3> La2O3)、鈣鈦礦相氧化物(例如 PbZrxTi1^xO3(PZT)、BaxSr1-JiO3 (BST))。[0026]采用CVD工藝，例如LPCVD、PECVD、HDPCVD等，在假柵極絕緣層2上沉積刻蝕停止層3，用于在稍后濕法刻蝕假柵極時控制刻蝕停止點。其材質(zhì)為氧化物，例如氧化硅。刻蝕停止層3的厚度不能太厚，以避免稍后的柵極側(cè)墻對于HF基腐蝕液具有太高的抗蝕性，此外過厚的刻蝕停止層可能使得柵極側(cè)墻在深刻蝕時脫離。其厚度優(yōu)選地為11~5nm。
[0027]之后，采用CVD、PVD等常用工藝，例如LPCVD、PECVD、HDPCVD、MBE、ALD、蒸發(fā)、濺射等工藝，形成假柵極層4，其材質(zhì)可以是多晶硅、非晶硅、SiGe、S1:C等，優(yōu)選地為多晶硅、非晶硅。隨后采用常用的光刻/刻蝕工藝來圖案化假柵極絕緣層2、刻蝕停止層3和假柵極層4，從而構(gòu)成假柵極堆疊2/3/4。優(yōu)選地，以假柵極堆疊為掩模，進(jìn)行低劑量、低能量的第一次源漏摻雜離子注入，在假柵極堆疊兩側(cè)的襯底I中形成輕摻雜的源漏延伸區(qū)ISL和1DL。此外，還可以進(jìn)行傾斜離子注入，形成暈狀源漏摻雜區(qū)(Halo區(qū)，未示出)。
[0028]參照圖2，在假柵極堆疊兩側(cè)的襯底上形成柵極側(cè)墻。通過CVD、PVD等常用工藝，例如LPCVD、PECVD, HDPCVD, MBE、ALD、蒸發(fā)、濺射等工藝，形成柵極側(cè)墻5。優(yōu)選地，柵極側(cè)墻5為多層結(jié)構(gòu)，并且其與假柵極堆疊相接觸的部分(5A)為氧化硅之外的材質(zhì)。在本發(fā)明的一個實施例中，柵極側(cè)墻5至少包括三層層疊結(jié)構(gòu)，分別為內(nèi)側(cè)的與假柵極堆疊接觸的第一柵極側(cè)墻5A、第一柵極側(cè)墻5A外側(cè)的L型(具有縱向的第一部分以及橫向的第二部分)的柵極側(cè)墻間隔層5B、以及柵極側(cè)墻間隔層5B外側(cè)和之上的第二柵極側(cè)墻5C (其位于柵極側(cè)墻間隔層5B的縱向第一部分的外側(cè)，并且位于柵極側(cè)墻間隔層5B的橫向第二部分上)。層5A的材質(zhì)不同于氧化硅，并且與假柵絕緣層2具有較高的刻蝕選擇性，例如是氮化硅或者非晶碳。柵極側(cè)墻間隔層5B例如是CVD法制備的氧化硅，以便提供與其他相鄰層的高刻蝕選擇比，從而控制柵極/側(cè)墻的形貌。第二柵極側(cè)墻5C可以是CVD法制備的氮化硅、類金剛石無定形碳(DLC)、氮氧化硅等等。此外，柵極側(cè)墻5也可以是單一(單層結(jié)構(gòu)，并非圖示的多層結(jié)構(gòu))的非晶碳或者氮化硅層。
[0029]優(yōu)選地，形成柵極側(cè)墻5之后，以此為掩模，進(jìn)行高劑量、高能量的第二次源漏摻雜離子注入，在柵極側(cè)墻5的兩側(cè)的襯底I中形成重?fù)诫s的源漏區(qū)ISH和1DH。優(yōu)選地，在整個器件上形成層間介質(zhì)層6，其材質(zhì)例如是氮化硅、氧化硅、低k材料，低k材料包括但不限于有機(jī)低k材料(例如含芳基或者多元環(huán)的有機(jī)聚合物)、無機(jī)低k材料(例如無定形碳氮薄膜、多晶硼氮薄膜、氟硅玻璃、BSG、PSG、BPSG)、多孔低k材料(例如二硅三氧烷(SSQ)基多孔低k材料、多孔二氧化硅、多孔SiOCH、摻C 二氧化硅、摻F多孔無定形碳、多孔金剛石、多孔有機(jī)聚合物)，形成方法可以是CVD、旋涂、噴涂、絲網(wǎng)印刷等等。
[0030]參照圖3，去除假柵極層，直至暴露刻蝕停止層。對于Si材質(zhì)(多晶硅、非晶硅)的假柵極層4，可采用四甲基氫氧化銨(TMAH)來濕法腐蝕去除假柵極層4。對于其他材質(zhì)，可以采用等離子干法刻蝕工藝，例如碳氟基等離子體刻蝕(CF4、CH2F2, CH3F, CHF3等)。此時，由于與假柵極層4接觸的第一柵極側(cè)墻5A以及假柵極絕緣層2為氧化硅之外的其他材料，無需使用HF基腐蝕液，從而避免了可能的侵蝕。此時形成的溝槽或者開口記做4H。
[0031]參照圖4，去除刻蝕停止層，直至暴露假柵極絕緣層。對于氧化硅材質(zhì)的刻蝕停止層3而言，可以采用含F(xiàn)的濕法刻蝕液，例如HF基刻蝕液，包括稀釋的氫氟酸(dHF)或者稀釋的緩釋刻蝕液(dBOE，為NH4F與HF的混合溶液)。在本發(fā)明一個實施例中，采用dBOE，其中BOE例如是7份40wt %的NH4F與I份49wt %的HF按體積比(7: I)混合形成，還可以是15: I ;而dBOE是BOE采用去離子水(純水，DIW)稀釋形成，例如BOE: DIff= I: 20。此時，由于假柵極絕緣層2材質(zhì)不是氧化硅，HF腐蝕液無法大規(guī)模腐蝕假柵極絕緣層2乃至侵蝕襯底，確保了器件可靠性。特別地，由于dBOE較之dHF具有更高的pH值以及較少的HF含量，其對于下層的假柵極絕緣層2具有的侵蝕力更小，便于減小下層絕緣介質(zhì)材料的損失，有利于減小柵極形貌損失。例如在本發(fā)明一個實施例中，dB0E(l/20)對熱氧化物腐蝕速率為55i/min，比同等濃度的dHF快4?5倍。因此，優(yōu)選采用dBOE濕法腐蝕去除刻蝕停止層3。此時，溝槽4H深度加大。
[0032]參照圖5，去除假柵極絕緣層，直至暴露襯底，形成柵極溝槽。對于不與HF基腐蝕液反應(yīng)的假柵極絕緣層2而言，可以采用非HF基酸溶液來刻蝕去除，例如采用硫酸、硝酸、磷酸、鹽酸及其組合，并且優(yōu)選地添加例如雙氧水、臭氧等強氧化劑以增進(jìn)刻蝕速度，以及優(yōu)選地提高刻蝕溫度以增大刻蝕速度。此時非晶碳、氮化硅等非氧化硅材質(zhì)的第一柵極側(cè)墻4A以及硅材質(zhì)的襯底I不被或者基本不被刻蝕，從而有效避免了襯底溝道區(qū)的侵蝕，確保了器件的性能和可靠性。優(yōu)選地，合適地延長酸腐蝕時間，例如延長為原來時間的110%?200% (依照各層厚度以及生長質(zhì)量確定，例如從10?100s延長到Ils?200s)，以使得完全去除假柵極絕緣層2下方可能殘留的氧化物，以獲得良好的等效柵氧厚度(EOT)。優(yōu)選地，在腐蝕以去除假柵極絕緣層2之后，將器件浸入含有臭氧(例如IOppm)的去離子水(DIO3)中(例如20s)，使得襯底I (溝道區(qū))表面被化學(xué)氧化形成超薄的界面層(未示出)，例如僅lnm，由此減小界面態(tài)、界面缺陷。
[0033]在上述去除假柵極絕緣層2的過程中，處理溶液由于不含HF，對于柵極側(cè)墻間隔層5B、第二柵極側(cè)墻5C的腐蝕較小，其形貌基本不變，也即侵蝕/腐蝕損失可以忽略。
[0034]此后，可以進(jìn)一步采用常規(guī)后柵工藝，完成器件的制造。例如可以包括:在柵極溝槽4H中沉積高k材料的柵極絕緣層，在柵極絕緣層上沉積金屬/金屬氮化物的柵極導(dǎo)電層(包括功函數(shù)調(diào)節(jié)層和電阻調(diào)節(jié)層)，CMP平坦化各層直至暴露ILD 6，刻蝕ILD 6形成接觸孔，在接觸孔中形成金屬硅化物以降低接觸電阻(金屬硅化物也可以在圖2形成ILD 6之前而在源漏區(qū)上形成)，在接觸孔中填充金屬形成接觸塞。
[0035]依照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法，利用非氧化硅的假柵極絕緣層與氧化硅的刻蝕停止層的層疊結(jié)構(gòu)，分步采用不同刻蝕液刻蝕假柵極，從而避免了襯底特別是溝道區(qū)受到不必要的侵蝕，提高了器件的性能和可靠性。
[0036]盡管已參照一個或多個示例性實施例說明本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知曉無需脫離本發(fā)明范圍而對器件結(jié)構(gòu)做出各種合適的改變和等價方式。此外，由所公開的教導(dǎo)可做出許多可能適于特定情形或材料的修改而不脫離本發(fā)明范圍。因此，本發(fā)明的目的不在于限定在作為用于實現(xiàn)本發(fā)明的最佳實施方式而公開的特定實施例，而所公開的器件結(jié)構(gòu)及其制造方法將包括落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有實施例。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體器件制造方法，包括: 在襯底上形成假柵極絕緣層、刻蝕停止層和假柵極層構(gòu)成的假柵極堆疊； 在假柵極堆疊兩側(cè)的襯底上形成柵極側(cè)墻； 去除假柵極層，直至暴露刻蝕停止層； 去除刻蝕停止層，直至暴露假柵極絕緣層； 去除假柵極絕緣層，直至暴露襯底，形成柵極溝槽。
2.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件制造方法，其中，形成假柵極絕緣層之前還采用HF基溶液清洗襯底表面。
3.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件制造方法，其中，柵極側(cè)墻為多層結(jié)構(gòu)，包括第一柵極側(cè)墻、柵極側(cè)墻間隔層、第二柵極側(cè)墻。
4.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件制造方法，其中，假柵極絕緣層不與HF反應(yīng)。
5.如權(quán)利要求4的半導(dǎo)體器件制造方法，其中，假柵極絕緣層包括高k材料。
6.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件制造方法，其中，刻蝕停止層包括氧化硅。
7.如權(quán)利要求6的半導(dǎo)體器件制造方法，其中，采用CVD法制備氧化硅。
8.如權(quán)利要求6的半導(dǎo)體器件制造方法，其中，采用稀釋的緩釋刻蝕劑腐蝕去除刻蝕停止層。
9.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件制造方法，其中，假柵極層包括硅，采用TMAH濕法腐蝕去除假柵極層。
10.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件制造方法，其中，采用非HF酸溶液來腐蝕去除假柵極絕緣層。
【文檔編號】H01L21/28GK103839808SQ201210475097
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月21日
【發(fā)明者】崔虎山, 鐘匯才, 項金娟, 趙超 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所