半導(dǎo)體器件制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)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和假柵極層；在假柵極層兩側(cè)形成襯層；在襯層兩側(cè)的襯底上形成柵極側(cè)墻；去除假柵極層，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，采用CVD制備的氮化硅作為假柵極絕緣層、以及假柵極層側(cè)面形成氧化襯層，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(shuō)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(wèn)題帶來(lái)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(shí)降低對(duì)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(lái)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(shí)，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(zhǎng)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(duì)于NMOS器件而言，在后柵工藝中去除上述假柵極絕緣層時(shí)，與溝道接觸的源漏擴(kuò)展區(qū)域(如LDD結(jié)構(gòu))會(huì)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(shí)，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(guò)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(jià)(每個(gè)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(shí)間t或者τ相關(guān)。因此，不論如何縮減dHF/dBOE的處理時(shí)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(chǎng)和亮場(chǎng)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(qiáng)度較低的暗場(chǎng)條件下，SiF4+2F->SiF廣。而在光強(qiáng)度較大的亮場(chǎng)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(shí)基本沒(méi)觀察到Si損失，而在采用dHF刻蝕時(shí)觀察到明顯的Si損失。因此，基本上可以說(shuō)，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(gè)的P或N結(jié)則由于暗場(chǎng)和亮場(chǎng)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(lái)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和假柵極層；在假柵極層兩側(cè)形成襯層；在襯層兩側(cè)的襯底上形成柵極側(cè)墻；去除假柵極層，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，形成假柵極層之后還包括在上方形成硬掩模層，并刻蝕形成假柵極堆疊。
[0011]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。
[0012]其中，第一柵極側(cè)墻包括氮化硅、非晶碳及其組合，柵極側(cè)墻間隔層包括氧化硅，第二柵極側(cè)墻包括氮化硅、氮氧化硅、DLC及其組合。
[0013]其中，假柵極絕緣層包括氮化硅。
[0014]其中，采用熱磷酸濕法腐蝕去除假柵極絕緣層。
[0015]其中，熱磷酸腐蝕之后還采用含臭氧的去離子水清洗，以在襯底表面形成界面層。
[0016]其中，延長(zhǎng)熱磷酸腐蝕時(shí)間以清除假柵極絕緣層下方的氧化物，并同時(shí)去除了襯層。
[0017]其中，形成襯層的方法包括氧化假柵極層或者沉積形成氧化層。
[0018]依照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法，采用CVD制備的氮化硅作為假柵極絕緣層、以及假柵極層側(cè)面形成氧化襯層，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(shuō)明】
[0019]以下參照附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，其中:
[0020]圖1至圖6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(shí)施方式】
[0021]以下參照附圖并結(jié)合示意性的實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明技術(shù)方案的特征及其技術(shù)效果，公開(kāi)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(qǐng)中所用的術(shù)語(yǔ)“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(shuō)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?jí)關(guān)系。
[0022]以下參照?qǐng)D1?圖6各個(gè)步驟的示意圖，來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0023]參照?qǐng)D1的剖視圖，在襯底上形成假柵極絕緣層和假柵極層，光刻/刻蝕形成假柵極堆疊。
[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(shí)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CVD工藝，例如LPCVD、PECVD, HDPCVD等，在襯底I上沉積假柵極絕緣層2，其材質(zhì)不同于襯底I的硅并且也不同于氧化硅，一種可能的選擇是氮化硅，此外也可以是非晶碳。假柵極絕緣層2的厚度不能太厚，避免影響柵極形貌，優(yōu)選地為I?5nm。
[0026]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3，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、非晶娃。
[0027]優(yōu)選地，在假柵極層3上通過(guò)CVD工藝形成硬掩模層4，其材質(zhì)例如為氧化硅、氮化硅及其組合。隨后采用常用的光刻/刻蝕工藝來(lái)圖案化硬掩模4和假柵極層3，此時(shí)可以執(zhí)行或不執(zhí)行圖案化假柵極絕緣層2。
[0028]參照?qǐng)D2，在假柵極層側(cè)面形成襯層?？梢栽谘趸癄t中執(zhí)行氧化工藝，在硅等材質(zhì)的假柵極層3側(cè)面形成襯層5，其材質(zhì)例如是氧化硅。氧化硅的襯層5的厚度需要足夠薄，以便于在后續(xù)刻蝕過(guò)程中去除以及避免影響柵極形貌。此外，也可以通過(guò)HDPCVD、M0CVD、MBE、ALD等工藝，通過(guò)精確控制沉積條件，在器件上沉積極薄的氧化硅層，然后刻蝕去除水平部分，僅在假柵極層3側(cè)面留下襯層5。襯層5的厚度例如僅I?3nm。
[0029]參照?qǐng)D3，以假柵極層3、襯層5、硬掩模層4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。此夕卜，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)。
[0030]參照?qǐng)D4，在襯層5兩側(cè)的襯底上形成柵極側(cè)墻6。通過(guò)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6。優(yōu)選地，柵極側(cè)墻6為多層結(jié)構(gòu)，并且其與假柵極堆疊相接觸的部分(6A)為氧化硅之外的材質(zhì)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，柵極側(cè)墻6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6A、第一柵極側(cè)墻6A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6B、以及柵極側(cè)墻間隔層6B外側(cè)和之上的第二柵極側(cè)墻6C (其位于柵極側(cè)墻間隔層6B的縱向第一部分的外側(cè)，并且位于柵極側(cè)墻間隔層6B的橫向第二部分上)。層6A的材質(zhì)不同于氧化硅，并且與假柵絕緣層2和/或襯層5具有較高的刻蝕選擇性，例如是非晶碳或者氮化硅，可以采用LPCVD、PECVD, HDPCVD工藝形成，并優(yōu)選LPCVD制作的氮化硅。柵極側(cè)墻間隔層6B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6C可以是CVD法制備的氮化硅、類金剛石無(wú)定形碳(DLC)、氮氧化硅等等。此外，柵極側(cè)墻6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。
[0031]優(yōu)選地，形成柵極側(cè)墻6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6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(gè)器件上形成層間介質(zhì)層7，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(wú)機(jī)低k材料(例如無(wú)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(wú)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。優(yōu)選地，ILD 7是CVD法制備的氮化硅。
[0032]參照?qǐng)D5，去除假柵極層，直至暴露假柵極絕緣層?？梢韵炔捎肅MP平坦化或者刻蝕工藝，去除硬掩模層4。隨后，對(duì)于Si材質(zhì)(多晶硅、非晶硅)的假柵極層3，可采用四甲基氫氧化銨(TMAH)來(lái)濕法腐蝕去除假柵極層3。對(duì)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)。
[0033]參照?qǐng)D6，去除假柵極絕緣層，直至暴露襯底，形成柵極溝槽7H。
[0034]對(duì)于氮化硅材質(zhì)的假柵極絕緣層2而言，可以采用熱磷酸濕法腐蝕去除，此時(shí)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(zhǎng)熱磷酸腐蝕時(shí)間，例如延長(zhǎng)為原來(lái)時(shí)間的110%?200%，也即增加10%?100%的腐蝕時(shí)間(依照各層厚度以及生長(zhǎng)質(zhì)量確定，例如從10?IOOs延長(zhǎng)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)。與此同時(shí)，由于熱磷酸也可以腐蝕較薄的氧化硅材質(zhì)的襯層5，因此襯層5也同時(shí)被去除。值得注意的是，雖然襯層5外側(cè)的第一側(cè)墻6A材質(zhì)可以是氮化硅，存在被部分刻蝕的風(fēng)險(xiǎn)，但是由于襯層5的存在，使得側(cè)向腐蝕速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)于假柵極絕緣層2的氮化硅的腐蝕速度，因此當(dāng)完全腐蝕了層2之后，襯層5被腐蝕，但是第一側(cè)墻6A基本不被腐蝕或者僅有少量側(cè)向腐蝕(例如損失的厚度小于總厚度的5% )。
[0035]優(yōu)選地，在熱磷酸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。
[0036]在上述去除假柵極絕緣層2的過(guò)程中，處理溶液對(duì)于柵極側(cè)墻間隔層6B、第二柵極側(cè)墻6C的腐蝕較小，其形貌基本不變，也即侵蝕/腐蝕損失可以忽略。
[0037]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7H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 7，刻蝕ILD 7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形成ILD 7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。
[0038]依照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法，采用CVD制備的氮化硅作為假柵極絕緣層、以及假柵極層側(cè)面形成氧化襯層，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。
[0039]盡管已參照一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知曉無(wú)需脫離本發(fā)明范圍而對(duì)器件結(jié)構(gòu)做出各種合適的改變和等價(jià)方式。此外，由所公開(kāi)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(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳實(shí)施方式而公開(kāi)的特定實(shí)施例，而所公開(kāi)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(shí)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和假柵極層； 在假柵極層兩側(cè)形成襯層； 在襯層兩側(cè)的襯底上形成柵極側(cè)墻； 去除假柵極層，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，形成假柵極層之后還包括在上方形成硬掩模層，并刻蝕形成假柵極堆疊。
4.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。
5.如權(quán)利要求4的半導(dǎo)體器件制造方法，其中，第一柵極側(cè)墻包括氮化硅、非晶碳及其組合，柵極側(cè)墻間隔層包括氧化硅，第二柵極側(cè)墻包括氮化硅、氮氧化硅、DLC及其組合。
6.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件制造方法，其中，假柵極絕緣層包括氮化硅。
7.如權(quán)利要求6的半導(dǎo)體器件制造方法，其中，采用熱磷酸濕法腐蝕去除假柵極絕緣層。
8.如權(quán)利要求7的半導(dǎo)體器件制造方法，其中，熱磷酸腐蝕之后還采用含臭氧的去離子水清洗，以在襯底表面形成界面層。
9.如權(quán)利要求7的半導(dǎo)體器件制造方法，其中，延長(zhǎng)熱磷酸腐蝕時(shí)間以清除假柵極絕緣層下方的氧化物，并同時(shí)去除了襯層。
10.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件制造方法，其中，形成襯層的方法包括氧化假柵極層或者沉積形成氧化層。
【文檔編號(hào)】H01L21/28GK103839793SQ201210475191
【公開(kāi)日】2014年6月4日 申請(qǐng)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, 趙超 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所