專(zhuān)利名稱(chēng)：半導(dǎo)體器件的柵極制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種金屬氧化物半導(dǎo)體晶體 管的柵極制造方法。
技術(shù)背景隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體器件為了達(dá)到更快的運(yùn)算速度、 更大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量以及更多的功能，集成電路晶片朝向更高的元件密度、高 集成度方向發(fā)展，半導(dǎo)體器件的柵極尺寸變得越來(lái)越細(xì)且長(zhǎng)度變得較以往更短。多晶硅是制造柵極的優(yōu)選材料，其具有特殊的耐熱性以及較高的刻蝕成 圖精確姓。柵極的制造方法首先需在半導(dǎo)體襯底上形成一層?xùn)艠O氧化硅，然后在柵極氧化層上沉積多晶硅層，隨后涂布具有流動(dòng)性的防反射層(ARC) 和光刻膠，該層防反射層由于位于器件底部的多晶硅層表面，因此稱(chēng)為底部 防反射層(BARC)。圖案化光刻膠層后刻蝕多晶硅層形成柵極。圖1至圖4為說(shuō)明現(xiàn)有柵極制造方法的剖面示意圖。如圖1所示，在襯底100 上生長(zhǎng)一層?xùn)艠O氧化層110,在柵極氧化層110上沉積多晶硅層120,然后對(duì)多 晶硅層進(jìn)行刻蝕以形成柵極。在這個(gè)過(guò)程中，首先需在多晶硅層表面形成 BARC層130，然后再涂布光刻膠以使顯影后的圖形更清晰。對(duì)光刻膠進(jìn)行圖 案化后，以光刻膠圖形140為掩膜刻蝕多晶硅層形成柵極。在制造工藝進(jìn)入65nm工藝節(jié)點(diǎn)之后，柵極的最小特征尺寸已經(jīng)達(dá)到65nm 以下，甚至達(dá)到45nm。在此情況下，采用光刻膠修剪技術(shù)將光刻膠圖形140的寬度削減到與柵極寬度相當(dāng)?shù)某潭?。而且為了刻蝕工藝的要求需要使光刻 膠圖形140具有厚而窄的形貌特征，否則如果光刻膠圖形140過(guò)薄，會(huì)在后續(xù) 刻蝕柵極的過(guò)程中過(guò)早地被消耗掉而使柵極的刻蝕失去了掩膜保護(hù)。然而， 高而窄的光刻膠圖形140在長(zhǎng)時(shí)間削減和刻蝕過(guò)程中易出現(xiàn)物理形貌倒塌的 現(xiàn)象，如圖2所示。此外，為了避免倒塌現(xiàn)象而降低光刻膠圖形140的厚度， 那么在后續(xù)刻蝕過(guò)程中，如前所述，由于光刻膠量不足，光刻膠很快被刻蝕 盡，進(jìn)而對(duì)具有流動(dòng)性且失去光刻膠保護(hù)的BARC層130造成不規(guī)則的削減刻 蝕，如圖3所示。如果以外形輪廓不規(guī)則的BARC層作為掩膜繼續(xù)刻蝕多晶硅 層120,則會(huì)導(dǎo)致柵極170形狀輪廓不規(guī)則，如圖4所示。申請(qǐng)?zhí)枮?00410093459的中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了 一種可以減小柵特征尺寸 的柵極制造方法，其通過(guò)兩步削減刻蝕工藝縮小柵極線寬特征尺寸。第一步 是對(duì)光刻膠和抗反射層進(jìn)行削減，再通過(guò)各向異性刻蝕形成自對(duì)準(zhǔn)硬掩膜， 然后在光刻膠與有機(jī)抗反射層的保護(hù)下對(duì)硬掩膜進(jìn)行各向同性的橫向刻蝕， 完成第二步削減，形成寬度小于90納米的硬掩膜。但是，雖然該方法解決了 光刻膠在長(zhǎng)時(shí)間的削減工藝中損耗過(guò)大帶來(lái)的一系列尺寸偏移、物理形貌倒 塌等工藝問(wèn)題，但是這種兩步削減的制造柵極的工藝方法需要形成由氮化硅 組成的硬掩膜，這無(wú)疑增加了工藝復(fù)雜程度。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體器件柵極的制造方法，能夠在不增加工藝復(fù)雜 度的情況下進(jìn)一步縮小柵極線寬特征尺寸。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體器件4冊(cè)極的制造方法，包括在半導(dǎo)體襯底上形成介質(zhì)層；在所述介質(zhì)層上淀積含雜質(zhì)多晶硅層；在所述多晶硅層表面形成掩膜層；刻蝕所述多晶硅層形成柵極圖形；削減所述柵極圖形形成具有精細(xì)線寬特征尺寸的柵極。所述多晶硅層的厚度為800~2000A。所述多晶硅層中包含的雜質(zhì)為磷離 子。所述磷離子的濃度為1 x 102G 1 x 1021/cm3。采用濕法腐蝕的方法削減所述 柵極圖形。所述濕法腐蝕的溶液為磷酸。所述磷酸的百分比濃度為85%。所 述磷酸溶液的溫度為140°C 180°C,所述濕法腐蝕的時(shí)間為10~300秒。所述 掩膜層至少包括一光致抗蝕劑層，或包括至少一光致抗蝕劑層和一抗反射層 的疊層結(jié)構(gòu)。所述方法還包括等離子灰化去除所述掩膜層的步驟。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的柵極制造方法在多晶硅層淀積的過(guò)程中預(yù)摻雜雜質(zhì)磷并使其在 多晶硅中的分布均勻，利用磷酸對(duì)摻雜磷的多晶硅具有一定腐蝕性的特點(diǎn)， 在刻蝕多晶硅層形成柵極之后利用磷酸對(duì)其進(jìn)行濕法腐蝕，使柵極兩側(cè)被腐 蝕而被減薄，從而得到線寬特征尺寸更小的柵極圖形。本發(fā)明的柵極制造方法能夠在不增加工藝復(fù)雜程度的情況下，進(jìn)一步縮 小柵極線寬。本發(fā)明的方法無(wú)需須對(duì)光刻膠進(jìn)行過(guò)度修剪，通過(guò)磷酸腐蝕便 可得到更小的線寬，避免了光刻膠修剪帶來(lái)的光刻膠倒塌等一 系列工藝問(wèn)題，特別適用于65nm以下工藝節(jié)點(diǎn)的柵極的制造。


通過(guò)附圖中對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的更具體說(shuō)明，將使本發(fā)明的上述及其 它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)更加清晰。在附圖中，并未刻意按比例繪制附圖，重點(diǎn) 在于示出本發(fā)明的主旨。在全部附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的部分。為 清楚明了起見(jiàn)，放大了層和區(qū)域的厚度，不應(yīng)以此作為對(duì)本發(fā)明的限定。此 外，在實(shí)際的制造工藝中應(yīng)包含長(zhǎng)度、寬度及深度的三維空間尺寸。 圖1至圖4為說(shuō)明現(xiàn)有柵極制造方法的器件剖面示意圖； 圖5為多晶硅中磷離子摻雜濃度與磷酸蝕刻速率的關(guān)系曲線圖； 圖6為多晶硅中磷離子摻雜濃度與摻雜深度的關(guān)系曲線圖 圖7為本發(fā)明方法在襯底表面淀積多晶硅層的剖面示意圖 圖8和圖9為多晶硅層表面形成掩膜層的器件剖面示意圖 圖10為刻蝕多晶硅層形成柵極圖形的器件剖面示意圖； 圖11為利用磷酸蝕刻?hào)艠O形成更小線寬柵極的器件剖面示意圖； 圖12為本發(fā)明半導(dǎo)體器件柵極制造方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖 對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)的說(shuō)明。明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來(lái)實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不 違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類(lèi)似推廣。因此本發(fā)明不受下面公開(kāi)的具體實(shí)施 的限制。本發(fā)明提供的半導(dǎo)體器件柵極的制造方法特別適用于特征尺寸在65nm 及以下的半導(dǎo)體器件柵極的制造。所述半導(dǎo)體器件不僅是MOS晶體管，還可 以是CMOS (互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體器件)中的PMOS晶體管和NMOS晶體 半導(dǎo)體器件的制造工藝進(jìn)入65nm工藝節(jié)點(diǎn)之后，CMOS器件內(nèi)部的 NMOS和PMOS的電學(xué)性能一致性以及器件之間的性能一致性變得非常重 要。預(yù)摻雜已經(jīng)被廣泛用于減小NMOS和PMOS自身電學(xué)特性之間的差異。 對(duì)CMOS器件中的NMOS和PMOS的柵極進(jìn)行預(yù)摻雜已經(jīng)成為調(diào)節(jié)器件的 閾值電壓和驅(qū)動(dòng)電流特性，獲得理想器件性能的重要手段。對(duì)于NMOS和 PMOS器件，通常優(yōu)先采用n型雜質(zhì)例如磷對(duì)柵極進(jìn)行摻雜。含磷雜質(zhì)的多 晶硅易對(duì)磷酸敏感，易被磷酸腐蝕，而且雜質(zhì)濃度越高腐蝕的速率越高。圖5 為多晶硅中磷離子摻雜濃度與磷酸蝕刻速率的關(guān)系曲線圖。如圖5所示，磷 離子摻雜濃度與磷酸的蝕刻速率成正比。本發(fā)明的柵極制造方法利用上述磷離子摻雜濃度與磷酸的蝕刻速率成正 比的特性，在襯底表面淀積多晶硅材料時(shí)，同時(shí)摻雜雜質(zhì)離子磷。圖6為多 晶硅中磷離子摻雜濃度與摻雜深度的關(guān)系曲線圖。如圖6所示，在多晶硅材 料中，當(dāng)磷離子(P+)的摻雜濃度為lxlO^ lxio2Vcm3時(shí)，磷離子在注入 深度為500A至2000A的范圍內(nèi)的分布是比較均勻的。圖7為本發(fā)明方法在襯底表面淀積多晶硅層的剖面示意圖。如圖7所示， 首先在半導(dǎo)體襯底100上形成電介質(zhì)層110。電介質(zhì)層110可以是氧化硅 (Si02)或氮氧化硅(SiNO)。襯底100可以包括半導(dǎo)體元素，例如單晶、多晶 或非晶結(jié)構(gòu)的硅或硅鍺(SiGe)，也可以是絕緣體上硅(SOI)。本發(fā)明的柵 極特征尺寸在65nm以下，電介質(zhì)層110作為柵極電介質(zhì)層，其材料優(yōu)選為高 介電常數(shù)(高K)材料，可以作為形成柵極電介質(zhì)層的高K材料例如氧化鉿、 氧化鋯和氧化鋁，也可以是減小柵極漏電流的其它材料。電介質(zhì)層110的生 長(zhǎng)方法可以是任何常規(guī)真空鍍膜技術(shù)，比如原子層沉積(ALD)、物理氣相淀積 (PVD)、化學(xué)氣相淀積(CVD )、等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相淀積(PECVD)工 藝，優(yōu)選為原子層沉積工藝。在這樣的工藝中，襯底100和電介質(zhì)層110之 間會(huì)形成光滑的原子界面，可以形成理想厚度的柵極介質(zhì)層。本發(fā)明方法中， 柵極的線寬在65nm以下，電介質(zhì)層110優(yōu)選的厚度在10-20A之間。多晶硅 層的沉積方法包括原子層沉積(ALD)、化學(xué)氣相淀積(CVD)、物理氣相淀 積(PVD)、等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相淀積(PECVD)工藝。多晶硅層的厚度 控制在800A 2000A，優(yōu)選為1500 A。在接下來(lái)的工藝步驟中，如圖8所示。本發(fā)明的方法在多晶硅層120表 面形成掩膜層。首先利用旋涂(spin-on)工藝形成一層BARC層130,厚度 為1500A 2000A，優(yōu)選為1700 A。該BARC層130可為富硅聚合物，優(yōu)選為 布魯爾科技有限公司商標(biāo)為GF系列產(chǎn)品，優(yōu)選GF315或GF320?？狗瓷鋵?的作用是使顯影后的光刻膠圖形更加清晰。隨后，在BARC層130形成光致 抗蝕劑層，厚度為500A 1000A，優(yōu)選為800A。利用常^L光刻工藝?yán)缙毓狻?顯影、清洗等工藝圖案化光致抗蝕劑層，以形成定義柵極位置的光刻膠掩膜 圖形140。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，也可以將光致抗蝕劑層直接形成于多晶 硅層120表面，將厚度控制在1000A 2000A。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，如圖9所示，本發(fā)明的方法在多晶硅層120 表面形成掩膜層還可以是疊層結(jié)構(gòu)180。疊層結(jié)構(gòu)180包括三層，即在所述多 晶硅120上形成的第一抗反射層150;在所述第一抗反射層150上形成的低溫 氧化層(LTO) 160;在所述低溫氧化層160上形成的第二抗反射層130。第 一抗反射層150為富硅聚合物，優(yōu)選為布魯爾科技有限公司商標(biāo)為GF系列產(chǎn) 品，優(yōu)選GF315或GF320，該層以下簡(jiǎn)稱(chēng)GF層。該GF層150可利用旋涂工 藝形成，厚度為1500A 2000A，優(yōu)選為1700 A。本發(fā)明方法在GF層150表 面淀積的較為致密的低溫氧化層160，其厚度在200A 700A之間，優(yōu)選為 300A。該低溫氧化層160利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)工藝，在 低溫條件下(工藝溫度范圍需控制在15(TC-30(TC之間，本實(shí)施例優(yōu)選為200 。C )進(jìn)行淀積形成。上述第二抗反射層130為底部抗反射層(BARC)，也利 用旋涂(spin-on)工藝形成，厚度為1000A 1200A,優(yōu)選為1100A。隨后，在上述堆棧層結(jié)構(gòu)180上形成光致抗蝕劑層，其位于BARC層130 表面，厚度為1500A 2500A,優(yōu)選為1950A。利用常^見(jiàn)光刻工藝?yán)缙毓狻?顯影、清洗等工藝圖案化光致抗蝕劑層，以形成定義柵極位置的圖形140。本發(fā)明的柵極制造方法在多晶硅層120和光刻膠層之間形成了由第一抗 反射層150-低溫氧化層160-第二抗反射層130組成的疊層結(jié)構(gòu)180。由于采 用了這種堆棧層結(jié)構(gòu)，堆棧層結(jié)構(gòu)的厚度保證了在多晶硅刻蝕的過(guò)程中始終 存在刻蝕柵極的掩膜，使得光刻膠層無(wú)需涂布的過(guò)厚，即使光刻膠圖形140 非常窄，例如只有40nm,也可以避免光刻膠圖形倒塌的問(wèn)題，有利于線寬特 征尺寸在65nm以下的柵極的制造。接下來(lái)如圖10所示，圖案化光刻膠形成圖形140之后，刻蝕所述疊層結(jié) 構(gòu)180和多晶硅層120，或刻蝕圖8所示的BARC層130，形成柵極圖形。采 用等離子體刻蝕工藝對(duì)上述各層進(jìn)行刻蝕。在反應(yīng)室內(nèi)，刻蝕的方向性可以通過(guò)控制等離子源的偏置功率和陰極(也就是襯底)偏壓功率來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò) 控制偏壓功率可以控制低溫氧化層(LTO) 160和多晶硅層120的刻蝕時(shí)間。 在本實(shí)施例中，反應(yīng)室內(nèi)通入刻蝕劑氣體流量50-400sccm,村底溫度控制在 20。C和90。C之間，腔體壓力為4-80mTorr,等離子源輸出功率50W-2000W。 刻蝕劑采用氣體混合物，混合氣體可以包括比如SF6、 CHF3、 CF4、氯氣Cl2、 氧氣02、氮?dú)釴2、氦氣He和氧氣02的混合氣體，或者氦氣-氧氣He-02,以 及惰性氣體或其混合氣體(比如氫氣Ar、氖氣Ne、氦氣He等等)，或其組合。 這種刻蝕劑對(duì)于堆棧層180和多晶硅層120而言，具有很高的刻蝕選擇性。以光刻膠圖形140為掩膜，首先對(duì)堆棧層結(jié)構(gòu)180中的第二抗反射層130, 也就是BARC層進(jìn)行刻蝕。在刻蝕BARC層的同時(shí)，光刻膠圖形140也被刻 蝕。繼續(xù)以BARC層也就是第二抗反射層130和剩余的光刻膠圖形140為掩 膜，刻蝕LTO層也就是低溫氧化層160和第一抗反射層150。繼續(xù)以第一抗 反射層150、 LTO層160和剩余的BARC層130為掩膜，刻蝕多晶硅層120。 在刻蝕多晶硅層120的過(guò)程中，剩余的BARC層130首先被刻蝕盡，然后刻 蝕第一抗反射層150和LTO層160組成的掩膜層。較為致密的LTO層160能 夠減緩LTO層160和GF層150的刻蝕，不會(huì)出現(xiàn)多晶硅層120尚未被刻蝕 完而掩膜層已被刻蝕掉的現(xiàn)象。在多晶硅層120被刻蝕完畢形成柵極圖形170 之后，還保留有部分的第一抗反射層150。在接下來(lái)的工藝步驟中，利用百分比濃度為85%的熱磷酸對(duì)柵極170進(jìn) 行濕法蝕刻。所述熱磷酸溶液的溫度為140~180°C，蝕刻的時(shí)間為10 300秒。 與磷酸蝕刻前相比，蝕刻之后能夠得到線寬尺寸更小的柵極170。采用本發(fā)明 的方法對(duì)90nm線寬的柵極進(jìn)行磷酸蝕刻，能夠削減約50%的線寬尺寸，也就 是說(shuō)能夠達(dá)到45nm左右的線寬特征尺寸。剩余的部分GF層150可以采用氧 氣(02)等離子灰化工藝去除，如圖11所示。圖12為本發(fā)明半導(dǎo)體器件柵極制造方法的流程圖。如圖12所示，本發(fā) 明的半導(dǎo)體器件柵極的制造方法包括在半導(dǎo)體襯底上形成介質(zhì)層(S102);在 所述介質(zhì)層上淀積含雜質(zhì)多晶硅層(S102);所述多晶硅層的厚度為 800~2000A。所述多晶硅層中包含的雜質(zhì)為磷離子。所述磷離子的濃度為lx 102G 1 x I021/cm3。在所述多晶硅層表面形成掩膜層(S103);刻蝕所述多晶硅 層形成柵極圖形(S104);采用濕法腐蝕的方法削減所述柵極圖形，形成具有 精細(xì)線寬特征尺寸的柵極(S105)。所述濕法腐蝕的溶液為磷酸。所述磷酸的 百分比濃度為85%。所述磷酸溶液的溫度為140~180°C，所述濕法腐蝕的時(shí)間 為10~300秒。本發(fā)明的柵極制造方法利用磷酸對(duì)摻雜磷的多晶硅柵極進(jìn)行濕 法蝕刻，使柵極兩側(cè)被腐蝕而被減薄，從而得到線寬特征尺寸更小的柵極圖列工藝問(wèn)題，而且能夠在不增加工藝復(fù)雜程度的情況下，進(jìn)一步縮小柵極線 寬。因此本發(fā)明的方法特別適用于65nm以下工藝節(jié)點(diǎn)的柵極的制造。本發(fā)明雖然以較佳實(shí)施例公開(kāi)如上，但其并不是用來(lái)限定本發(fā)明，任何 本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做出可能的變動(dòng)和 修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以本發(fā)明權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種半導(dǎo)體器件柵極的制造方法，包括在半導(dǎo)體襯底上形成介質(zhì)層；在所述介質(zhì)層上淀積含雜質(zhì)多晶硅層；在所述多晶硅層表面形成掩膜層；刻蝕所述多晶硅層形成柵極圖形；削減所述柵極圖形形成具有精細(xì)線寬特征尺寸的柵極。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于所述多晶硅層中包含的雜質(zhì) 為》壽離子。
3、 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述磷離子的濃度為1 x 102G~1 x 1021/cm3。
4、 如權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于采用濕法腐蝕的方法削 減所述柵極圖形。
5、 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述濕法腐蝕的溶液為磷酸。
6、 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述磷酸的百分比濃度為85%。
7、 如權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于所述磷酸溶液的溫度為 140。C 18(TC，所述濕法腐蝕的時(shí)間為10~300秒。
8、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于所述掩膜層至少包括一光致 抗蝕劑層。
9、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于所述掩膜層為包括至少一光 致抗蝕劑層和一抗反射層的疊層結(jié)構(gòu)。
10、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述方法還包括等離子灰 化去除所述掩膜層的步驟。
11、 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述多晶硅層的厚度為 800 2000人。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種半導(dǎo)體器件柵極的制造方法，包括在半導(dǎo)體襯底上形成介質(zhì)層；在所述介質(zhì)層上淀積含雜質(zhì)多晶硅層；在所述多晶硅層表面形成掩膜層；刻蝕所述多晶硅層形成柵極圖形；采用濕法腐蝕的方法削減所述柵極圖形，形成具有精細(xì)線寬特征尺寸的柵極。本發(fā)明能夠在不增加工藝復(fù)雜度的情況下進(jìn)一步縮小柵極線寬特征尺寸。
文檔編號(hào)H01L21/28GK101154573SQ20061011688
公開(kāi)日2008年4月2日 申請(qǐng)日期2006年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月30日
發(fā)明者乒 劉, 張海洋, 馬擎天 申請(qǐng)人:中芯國(guó)際集成電路制造(上海)有限公司