專利名稱：形成半導體器件的工藝過程的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及形成半導體器件的工藝過程，而更詳細地涉及形成具有隔離層的半導體器件的工藝過程。
由于許多不同的原因在半導體器件中使用隔離層(體)。隨著幾何結構緊縮和集成工藝過程越復雜，形成能夠經受得起處理工序的隔離層越困難。

圖1包含描繪被查出一些問題的半導體器件的說明。在半導體襯底100上形成柵絕緣層112、柵極層114和絕緣覆蓋層116。如圖1所示，去除最右面的晶體管上的絕緣覆蓋層116。進行后續(xù)工藝過程以使柵極層和絕緣覆蓋層114和116構成圖形。在圖1所示的襯底和柵極疊層上形成薄的氧化物層118和氮化物層。
蝕刻氮化物層，形成隔離層120。在各向異性質蝕刻期間較快地蝕刻露出的氮化物層的“拐角”。這種在氮化物層拐角處較快的蝕刻速度是造成每個隔離層120的大體上成三角形形狀的主要原因。在中央和最左面的晶體管的隔離層120的底部上的寬度有“W1”表示，而在最右面的晶體管的隔離層120的底部上的寬度用“W2”表示。改進形狀(更成直角和更一致的寬度)的嘗試并不是十分成功的。
在形成隔離層120以后形成摻雜區(qū)102。因為W2小于W1，所以對最右面的晶體管來說，摻雜劑在柵極層114下面擴散得更深。這樣的差異導致晶體管之間不同的電特性。中央和最左面的晶體管的溝道長度(在柵極層114的相對側面附近摻雜區(qū)102之間的距離)大于最右面的晶體管的溝道長度。具有較長溝道長度的的晶體管運作一般比具有較短溝道長度的晶體管慢。如果減小中央和最左面的晶體管的溝道長度，則多半也將減小最右面的晶體管的溝道長度。減小最右面的晶體管的溝道長度結果會造成低到不合格的溝道穿通電壓、大的漏電流、低到不能接受的閾電壓或其他的類似問題。
如圖2所示，在襯底上形成包括薄的氧化物膜130、薄的氮化物膜132和厚的氧化物膜的層間絕緣(ILD)層13。在最左面和中央的晶體管之間穿透ILD層13直到摻雜區(qū)102形成接觸孔142。在形成孔142時，在孔內更多的隔離層120能被浸蝕掉。在某些情況中，可以露出柵極層114部分。虛線120表示在接觸蝕刻劑以前隔離層的形狀，而實踐21表示蝕刻以后隔離層的形狀。在孔142內形成導電栓塞146。雖然導電栓塞146沒有與柵極層114電連接，但是隔離層114的腐損使導電栓塞能接觸柵極層114。這在電學上使柵極和摻雜區(qū)102互相短路而形成非功能器件。附圖的簡略描述通過例子用圖說明本發(fā)明而本發(fā)明是不局限于附圖，在附圖中同樣的標記表示相同的元件，其中圖1和2包含在分別形成摻雜區(qū)和導電栓塞以后部分襯底的橫截面圖的說明；圖3-8包含在形成半導體器件期間部分襯底的橫截面圖的說明。
精通技術的人知道為簡單而清楚地說明圖中的元件而沒有必要按比例繪圖。例如，在圖中可以相對于其他的元件放大某些元件的尺寸以便有助于增進對本發(fā)明的實施例的理解。
形成半導體器件的工藝過程，包括在襯底內或在襯底上形成大體上垂直的邊緣；在襯底上并沿垂直的邊緣形成薄層；和蝕刻薄層以形成隔離層。可以進行蝕刻，使(i)蝕刻化學物內的每種含氟蝕刻物質具有每其他原子至少5個氟原子的比率；(ii)在壓力低于大約500毫乇時進行蝕刻；或者在功率密度低于大約0.75瓦特/厘米2時進行蝕刻。在形成與圖形化層的疊層鄰接的隔離層而此處疊層具有不同高度時，或在形成與隔離層鄰接的導電結構時該工藝過程是特別有用的。由權利要求書劃定本發(fā)明界限并在閱讀下面的描述以后更好地理解本發(fā)明。
圖3包含半導體器件襯底30部分的說明。如在本說明書中所使用的那樣，半導體器件襯底30包括單晶半導體晶片、半導體在絕緣體上的晶片或用于半導體器件的任何一種其他的襯底。在圖3所示的二部分中，襯底30的左面部分在存儲器陣列內。在本實施例中，存儲器陣列是正在形成的靜態(tài)隨機存儲存儲器(SRAM)陣列。更準確地說，左面部分是處于二個相鄰的存儲單元之間將形成位線接觸的部位。在另外的一些實施例中，SRAM陣列能被浮置柵極存儲器陣列或其他類型的存儲器陣列替換。襯底30的右面部分在周邊區(qū)域內，是在存儲器陣列外面。
在襯底30上面按次序形成柵絕緣層32、柵極層34和氮化物覆蓋層36。柵絕緣層32具有大約1-15納米范圍內的厚度，柵極層34具有大約100-300納米范圍內的厚度，而氮化物覆蓋層36具有大約50-150納米范圍內的厚度。每層中可以包含一層或一層以上的獨立的薄膜。
從在半導體器件的周邊區(qū)域(圖3中的右面部分)內的晶體管去除氮化物覆蓋層36。氮化物覆蓋層36保留在存儲器陣列(圖3中的左面部分)內的存儲單元上。使保留的氮化物覆蓋層和柵極層36和34分別構成圖形而形成柵極疊層31、33和35。因此，在上述的步驟以后，柵極疊層31和33具有不是柵極疊層35部分的薄層(氮化物覆蓋層36)。柵極疊層31和33的高度和柵極疊層35的高度顯然是不同的。柵極疊層31和33的高度大約是柵極疊層35的高度的二倍。在另一實施例中，柵極疊層31和33的高度大約至少是柵極疊層35的高度的1.25倍。不管怎樣說，柵極疊層31和33的高度顯然比柵極疊層35的高度高。柵極疊層31、33和35具有大體上垂直的邊緣。
在柵極疊層31、33和35上形成保護層38，保護層38具有大約5-20納米的厚度并且在后續(xù)工藝過程期間用于保護柵極層34的側壁。在襯底上共形地形成絕緣層39。絕緣層厚度大約為50-80納米。用于保護層和絕緣層38和39的材料必須是不同的而且材料的選擇取決于在下面的層和襯底30。在一個非限制性的實施例中保護層38是氧化物而絕緣層39是氮化物。
各向異性蝕刻絕緣層39，沿柵極疊層31、33和35的相對的側面形成側壁隔離層42。正如在橫截面圖中所觀察到的那樣，隔離層42具有相對成“矩形”的截面。隔離層42在基底(緊接襯底)上大體上具有相同的寬度如其在大約一半的疊層高度上。一般對每個隔離層42來說，隔離層42在沿其鄰接的疊層向上的中點的寬度至少是在基底上的寬度的十分之九。此外對于圖4中所示的兩種類型的柵極疊層來說，隔離層42在基底上的寬度大體上相同的。一般來說，鄰接柵極疊層35的隔離層42在其基底上的各個寬度至少是鄰接柵極疊層31和33的隔離層42在其基底上的各個寬度的十分之九。
隔離層42的輪廓對蝕刻條件是敏感的。蝕刻化學物包括含氟物質和至少一種加強選擇性的物質或聚合物防腐蝕物質。大部分絕緣層39的蝕刻發(fā)生在有含氟物質的時候。在蝕刻化學物范圍內的所有含氟物質應該具有在含氟物質內的每其他原子五個氟原子。例如包括五氟化磷(PF5)、六氟化硫(SF6)、六氟化硒(SeF6)、六氟化碲(TeF6)或諸如此氟化物。PF5具有每個磷原子五個氟原子，而SF6、SeF6和TeF6每個硫、硒和碲原子具有六個氟原子。注意到幾乎所有的含碳氣體和含硅氣體在分子中每所有其他的原子至少沒有五個氟原子。PF5、SF6、SeF6和TeF6都是氣體。
能夠添加到蝕刻化學物中的其他物質的例子包括溴化氫(HBr)、氯化氫(HCl)、三溴化硼(BBr3)、三氯化硼(BCl3)、溴(Br2)、氯(Cl2)、氧(O2)、氮(N2)或諸如此類氣體。這些其他物質有助于改進氮化物和氧化物(如果絕緣層39是氮化物而保護層38是氧化物)之間蝕刻選擇性。如果這些其他的物質的濃度過高，則會有害地影響隔離層42的輪廓。具有代表性的是，這些其他物質占總蝕刻化學物中的大約11-20體積百分比。
氣體壓力和射頻功率密度也會對隔離層42的輪廓有影響。具有代表性的是較高的壓力和較高的射頻功率密度結果造成將負面地影響隔離層42的輪廓的更具腐蝕性的蝕刻條件。壓力一般是在大約50-200毫乇的范圍內，而功率密度一般是在每平方厘米大約0.15-0.75瓦特(0.75瓦特/厘米2)的范圍內。一般是趁活性的離子腐蝕期間蝕刻，在有或沒有磁增強的情況下能進行蝕刻。
雖然已論述了有關蝕刻的許多參數(shù)，但是為獲得“矩形”輪廓側壁的隔離層42實際要求參數(shù)或參數(shù)的配合是未知的。對于使用的蝕刻設備來說，工藝過程可能是特定的。換言之，說不定也許在某種蝕刻設備上需要也許在另種蝕刻設備上不需要。
對于直徑200毫米薄片采用下面的參數(shù)(所有值為近似值)通過蝕刻工藝過程能夠完成隔離層42的形成過程設備Applied Materials(AMAT)P5200MxPTM多晶硅蝕刻室蝕刻化學物SF6在60到100標準立方厘米內HBr在7到20標準立方厘米內功率50到200瓦特功率密度0.20到0.40瓦特/厘米2(根據(jù)沿襯底的初始表面的表面積)壓力40到120毫乇磁場0-100高斯。由Applied Materials，Inc.of Santa Clara，California制造AMTAP5200MxPTM多晶硅蝕刻室。在具體的非限制性實施例中，采用蝕刻參數(shù)為80標準立方厘米SF6、100標準立方厘米HBr、100瓦特/厘米2和100毫乇。
如圖5所示，通過使部分襯底30摻雜繼續(xù)進行半導體器件的工藝過程。采用離子注入進行摻雜，用箭頭54表示離子注入。虛線52表示在襯底30和隔離層42內透入或摻入的程度。由于相對成矩形側壁的隔離層42各自具有幾乎垂直的外側表面所以在襯底范圍內的摻雜對準隔離層的外面邊緣。
通過退火步驟對摻雜部件起作用而形成圖6所示的摻雜區(qū)62。摻雜區(qū)62是所示的晶體管的源/漏區(qū)(載流電極)。對于柵極疊層31、33和35的晶體管來說，注意到柵極(控制電極)層34與摻雜區(qū)62重疊大致相同的量(由尺寸D3表示)。所以三個晶體管的溝道長度大致上是相同的。在沒有引起顯著有害地影響周邊晶體管的電參數(shù)的情況下半導體器件能夠按比例縮小到制作快速存儲單元晶體管的較小的尺寸。因此，所有相同類型的晶體管(例如n-溝道晶體管或者所有P-溝道晶體管)應該具有大體上相同的溝道長度、擊穿(“斷路”)電流、閾電壓等等。不需要用于說明不同的柵極疊層高度的附加的測試結構。
如圖7所示，繼續(xù)工藝過程。在柵極疊層31、33和35上形成ILD層70。ILD層70包括第一蝕刻阻止膜72、第二蝕刻阻止膜74和厚的絕緣膜76。第一蝕刻阻止膜72一般是具有在大約15-40納米范圍內厚度的氧化物，而第二蝕刻阻止膜74一般是具有在大約50-100納米范圍內厚度的分段的氮化物。能夠使分段的氮化物薄膜斷斷續(xù)續(xù)地分段，使得該薄膜在第一蝕刻阻止薄膜附近大體上是化學計量比的氮化硅而在相對的側面上是富硅的氮化硅或者幾乎全部是硅。第一和第二蝕刻阻止膜的總厚度不大于大約100納米。在另外一些實施例中，能夠用具有與二氧化硅和氮化硅不同的蝕刻性能的單一蝕刻阻止薄膜替換第一和第二蝕刻阻止薄膜72和74。具有在大約500-1500納米范圍內厚度的厚的絕緣薄膜76一般是一層或一層以上獨立的氧化物薄膜。在這樣的具體實施例中，厚的絕緣薄膜76是硼磷硅酸鹽玻璃。采用化學機械拋光(CMP)、而抗蝕劑背面蝕刻工藝技術(REB)或諸如此類技術使ILD層70平面化。
蝕刻ILD層70，劃定孔78的界限。蝕刻結果不一定保持襯隔離套42的矩形輪廓，但是在這樣的具體的實施例中，蝕刻以后留下的隔離層需要使其后形成的導電栓塞不接觸柵極疊層31和33的柵極層34。
用八氟代丁烯(C4F8)、一氧化碳(CO)和四氟化碳(CF4)以大約1∶7∶0.5(C4F8∶CO∶CF4)的比例蝕刻厚的絕緣膜76，去除大部分膜76。剛好在到達第二蝕刻阻止膜74以前或者剛好在到達第二蝕刻阻止膜74以后中止CF4以改進地在下面的第一蝕刻阻止膜72的選擇性。用氧(O2)和氟代甲烷(CH3F)以在大約2∶1到5∶1(O2∶CH3F)范圍內的比例蝕刻第二蝕刻阻止膜74。用CO和C4F8以大約7∶1(CO∶C4F8)的比例蝕刻第一蝕刻阻止膜72。在第一和第二蝕刻阻止膜的蝕刻期間的RF功率大約為用于蝕刻厚的絕緣膜的RF功率的百分之20-100。在部分或整個蝕刻期間能夠使用包括氬、氦或諸如此類隋性氣體。所有其他的蝕刻參數(shù)是常規(guī)的參數(shù)。
正如在圖7中看到的那樣，在蝕刻工藝過程期間蝕刻成隔離層79和氮化物覆蓋層36。然而留下足夠的氮化物覆蓋層36和隔離層79以避免在柵極層34和接著形成的導電栓塞之間形成漏電路徑和電短路。
如圖7所示，在孔78內形成導電栓塞。在ILD70上和在孔78內形成導電層。用CMP、抗蝕劑背面蝕刻工藝技術或此類技術去除在孔78外面的導電栓塞部分，形成導電栓塞73。導電層一般包括許多導電膜。在一個實施例中，接著沉積/鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)和鎢(W)并且拋光Ti/TiN/W復合材料。在這樣的具體的實施例中，導電栓塞73是位線接觸結構。在其它一些實施例中，可以形成局部互連結構。用一種或一種以上其他的高熔點金屬(鎢、鈷、鉬或諸如此類金屬)或其氮化物能夠替換Ti和TiN。大部分導電栓塞是W并且可以用幾乎全部是銅或者幾乎全部是鋁的材料或者其他的導電材料替換W。
如圖8所示，為形成接著完成的半導體器件80繼續(xù)進行工藝過程。形成與導電栓塞73電連接的互連82，并且在互連82上形成鈍化層。在這樣的具體的實施例中，在SRAM陣列(圖8中的左面部分)內的互連82是位線?；ミB幾乎全部是銅或鋁并且可以包括粘結膠或隔離薄膜。為半導體器件制作其他的電連接，但是沒有表示出。如果需要的話，則可以添加另外的ILD層和互連層。對于以上的實施例描述的工藝過程給出能夠經受得起在先進的半導體器件的情況中遇到的工藝過程復雜的更堅固的隔離層工藝過程。工藝過程是更具重現(xiàn)性的(在襯底30之間較少變化)，提供更多的腐蝕性換算和提供更均勻的從晶體管到晶體管的電特性。此外，增加產量，并且改進長期耐用性。
以上所述的工藝過程能夠推廣到鄰接隔離層形成的其他導電結構。例如，能夠用鑲嵌互連替換導電栓塞73和互連82的組合。并且，能夠進一步遠離襯底形成結構。例如上面的互連能夠通過中間的互連內的孔接觸下面的互連。能夠用以上所述的工藝過程形成隔離層和導電結構。工藝過程也可以適用于形成鑲嵌柵極。在這樣的實施例中，能夠形成形成絕緣層并且在沿絕緣層內的孔的壁表面形成的側壁隔離層時使絕緣層構成圖形?？梢匝匾r底內的溝槽的側表面形成隔離層。
在前面的說明書中，參照具體的實施例描述了發(fā)明。然而，非常精通技術的人懂得在沒有脫離如下面的權利要求書陳述的本發(fā)明范圍的情況下能夠進行各種各樣的變換和變化。因此，說明書和附圖是著重在用圖說明而不是限制性的斷定，并且旨在把所有的像這樣的變換包括在本發(fā)明的范圍內。
以上按照具體的實施例描述了益處、優(yōu)點和解決問題的方法。然而，益處、優(yōu)點、解決問題的方法和可以成為任何益處、優(yōu)點或解決方法的被發(fā)現(xiàn)或變得更明確的原理不被認作為任何或所有權利要求中的主要的、要求的或基本的特點和要素。正如在本文中使用的那樣，術語“包括”、“包含”或其別的變形旨在覆蓋不排除的內含物，以致覆蓋工藝過程、方法、技術或設備，設備包括不僅是元件表包含的這些元件而且可以包含沒有特意列表的或者為上述的工藝過程、方法、技術或設備所有的其他元件。
權利要求
1.一種用于形成半導體器件的工藝過程，其特征在于在襯底(30)內或在襯底(30)上形成大體上垂直的邊緣；在襯底(30)上并沿大體上垂直的邊緣形成第一層(39)；蝕刻第一層(39)以形成隔離層(42)，其中在下列的至少二個參數(shù)情況下進行蝕刻在蝕刻化學物內的每種含氟蝕刻物質具有每其他的原子至少五個氟原子的比率；在壓力低于大約500毫乇時進行蝕刻；和在功率密底低于大約0.75瓦特/厘米2時進行蝕刻。
2.一種用于形成半導體器件的工藝過程，其特征在于在襯底(30)上形成第一疊層(33)和第二疊層(35)，其中第一和第二疊層(33和35)具有相對的側面；和第一薄層(36)至少是第一疊層(33)的部分而不是第二疊層(35)的部分；在第一和第二疊層(33和35)上形成第二層(39)；和蝕刻第二層(39)以致沿第一和第二疊層的相對的側面形成隔離層(42)，其中在下列至少一個參數(shù)的情況下進行蝕刻在蝕刻化學物內的每種含氟蝕刻物質具有每其他的原子至少五個氟原子的比率在壓力低于大約500毫乇時進行蝕刻；和在功率密底低于大約0.75瓦特/厘米2時進行蝕刻。
3.根據(jù)權利要求2的工藝過程，其中第一疊層(33)具有第一高度；第二疊層(35)具有第二高度；和第一高度基本高于第二高度。
4.根據(jù)權利要求3的工藝過程，其中半導體器件包括存儲器陣列和在存儲器陣列外面的周邊區(qū)域；在存儲器陣列內第一疊層(33)是第一柵極疊層；和在周邊區(qū)域內第二疊層(35)是第二柵極疊層。
5.根據(jù)權利要求2的工藝過程，其中形成第一和第二疊層(33和35)時也形成具有相對的側面的第三疊層(31)；第一、第二和第三疊層(31、33和35)中的每個疊層包括導電層(34)；形成第二層(39)時也在第三疊層上形成第二層(39)；蝕刻第二層(39)時也沿相對的側面形成隔離層(42)；襯底(30)包括在襯底(30)內和部分在隔離層下面在第一和第三疊層(31和33)之間的導電區(qū)(62)；和形成連接導電區(qū)(62)和在第一和第三疊層(31和33)之間的隔離層(42)的導電結構(73)，其中導電結構(73)不與在第一和第三疊層(31和33)內的任何一層導電層(34)電連接。
6.根據(jù)權利要求2的工藝過程，其中第一疊層(33)具有第一高度；隔離層(42)包括第一側壁隔離層；第一側壁隔離層具有在第一疊層的底部附近測量的第一寬度；第一側壁隔離層具有在大約第一高度的一半的位置上的第二寬度；和第二寬度至少為第一寬度的十分之九。
7.根據(jù)權利要求1-6中的任一權利要求所確定的工藝過程，其中采用所有的所述參數(shù)來進行蝕刻。
8.根據(jù)權利要墳1-6中任一權利要求所確定的工藝過程，其中SF6是在蝕刻化學物內僅有的含氟物質；壓力是在大約40-200毫乇的范圍內；和功率密度是在大約0.15-0.75瓦特/厘米2范圍內。
9.根據(jù)權利要求1-6中的任一權利要求所確定的工藝過程，其中蝕刻化學物包括另一種分子物質；另一種分子物質不包含任何氟原子；另一種分子物質是在蝕刻化學物中的大約11-20體積百分比的范圍內。
10.一種形成半導體器件的工藝過程，其特征在于在襯底(30)上形成第一柵極疊層(33)和第二柵極疊層(35)，其中第一和第二柵極疊層(33和35)具有相對的側面；至少第一層(36)是第一柵極疊層(33)的部分而不是第二柵極疊層的部分；第一柵極疊層(33)具有第一高度；第二柵極疊層(35)具有第二高度；和第一高度基本大于第二高度；在第一和第二柵極疊層(33和35)上形成氮化物層(39)；和蝕刻氮化物層(39)以沿第一和第二柵極疊層(33和35)的相對的側面形成隔離層(42)，其中進行蝕刻采用一種蝕刻化學物，其中SF6是蝕刻化學物內僅有的含氟物質；從包括HBr、HCl、BBr3、BCl3、Br2、Cl2、O2、和N2的一類物質中挑選另一種分子物質；和另一種分子物質是在蝕刻化學物中的大約11-20體積百分比的范圍內；在壓力在大約40-200毫乇的范圍內進行蝕刻；和以功率密度低于大約0.2-0.4瓦特/厘米2進行蝕刻。
全文摘要
形成半導體器件的工藝過程,包括在襯底內或在襯底上形成大體上垂直的邊緣;在襯底上并沿垂直的邊緣形成層(39);和蝕刻層(39)形成隔離層。進行蝕刻可以在(i)蝕刻化學物內的每種含氟蝕刻物質具有每其他原子至少5個氟原子的比率;(ii)在壓力低于大約500毫乇時進行蝕刻;或者在功率密度低于大約0.75瓦特/厘米
文檔編號H01L21/8244GK1268770SQ0010467
公開日2000年10月4日 申請日期2000年3月24日 優(yōu)先權日1999年3月25日
發(fā)明者張海雷, 李勇杰·湯姆, 菲烏米·恩古延, 穆薩米·布特, 吳偉·艾德溫 申請人:摩托羅拉公司