后柵工藝中假柵極制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種后柵工藝中假柵極制造方法，包括：在襯底上依次形成柵極介質(zhì)層、第一假柵極層；在第一假柵極層上形成硬掩模層；在硬掩模層上形成第二假柵極層；在第二假柵極層上形成第一掩模圖案；以第一掩模圖案為掩模，刻蝕第二假柵極層形成第二假柵極圖案；以第一掩模圖案以及第二假柵極圖案為掩模，刻蝕硬掩模層，形成第二掩模圖案；以第二假柵極圖案以及第二掩模圖案為掩模，刻蝕第一假柵極層，形成第一假柵極圖案。依照本發(fā)明的后柵工藝中假柵極制造方法，通過(guò)多次刻蝕修整多層假柵-硬掩模層疊結(jié)構(gòu)，有效精確控制假柵極尺寸和剖面形貌，從而改善柵極線條粗糙度，有利于提高器件性能以及穩(wěn)定性。
【專利說(shuō)明】后柵工藝中假柵極制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件制造方法，特別是涉及一種后柵工藝中假柵極制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨高K/金屬柵工程在45納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)上的成功應(yīng)用，使其成為亞30納米以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)不可缺少的關(guān)鍵模塊化工程。目前只有堅(jiān)持高K/后金屬柵(HK/MG gate last)路線的英特爾公司在45納米和32納米量產(chǎn)上取得了成功。近年來(lái)緊隨IBM產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的三星、臺(tái)積電、英飛凌等業(yè)界巨頭也將之前開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)由高K/先金屬柵(gate first)轉(zhuǎn)向gatelast工程。
[0003]通常的后柵工藝中，在襯底上依次沉積墊氧化層或者柵極介質(zhì)層(兩者均可選的)、以及假柵極層，然后光刻/刻蝕這些層形成假柵極堆疊結(jié)構(gòu)，進(jìn)行摻雜而形成源漏區(qū)，接著沉積層間介質(zhì)層(ILD)，刻蝕去除假柵極堆疊結(jié)構(gòu)之后在ILD中留下柵極溝槽，最后在柵極溝槽中沉積最終的柵極堆疊結(jié)構(gòu)。其中，假柵極堆疊結(jié)構(gòu)的線條寬度以及形態(tài)直接決定了最終柵極堆疊結(jié)構(gòu)的精細(xì)程度，因此在小尺寸器件特別是22nm以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)的情形下，精確控制假柵極的線寬成為制約器件性能提高的重要問(wèn)題。
[0004]當(dāng)前的控制假柵線寬的一個(gè)方法是在假柵上再沉積一個(gè)掩模層，通常為光刻膠或者氮化硅、氧化硅的硬掩模層，光刻/刻蝕掩模層形成掩模圖案之后，增加一個(gè)側(cè)向刻蝕工藝步驟，對(duì)于掩模圖案進(jìn)一步精修，例如微縮(Trimming)其線寬，使得最終器件的特征尺寸能小于曝光精度。然而，這種方法難以精確控制掩模結(jié)構(gòu)的剖面形貌以及剩余厚度，難以得到側(cè)面準(zhǔn)直、厚度精確的假柵極線條，不利于后續(xù)形成HK/MG結(jié)構(gòu)的精確控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]由上所述，本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)困難，提出一種新的后柵工藝中假柵極制造方法，能有效精確控制假柵極尺寸和剖面形貌，從而改善柵極線條粗糙度，有利于提高器件性能以及穩(wěn)定性。
[0006]為此，本發(fā)明提供了一種后柵工藝中假柵極制造方法，包括:在襯底上依次形成柵極介質(zhì)層、第一假柵極層；在第一假柵極層上形成硬掩模層；在硬掩模層上形成第二假柵極層；在第二假柵極層上形成第一掩模圖案；以第一掩模圖案為掩模，刻蝕第二假柵極層形成第二假柵極圖案；以第一掩模圖案以及第二假柵極圖案為掩模，刻蝕硬掩模層，形成第二掩模圖案；以第二假柵極圖案以及第二掩模圖案為掩模，刻蝕第一假柵極層，形成第一假柵極圖案。
[0007]其中，柵極介質(zhì)層包括傳統(tǒng)熱氧化硅(Si02)、高k材料。
[0008]其中，第一假柵極層和/或第二假柵極層包括多晶硅、非晶硅、微晶硅、非晶碳、非晶鍺、S1:C、SiGe及其組合。
[0009]其中，形成第二假柵極層之后還包括在其上形成第二硬掩模層。[0010]其中，硬掩模層包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅及其組合。
[0011]其中，采用浸潤(rùn)式光刻或者電子束直寫(xiě)方式圖案化光刻膠形成第一掩模圖案。
[0012]其中，采用各向異性干法刻蝕來(lái)刻蝕第二假柵極層。
[0013]其中，形成第二假柵極圖案的同時(shí)或者之后，還部分刻蝕第一掩模圖案以及第二假柵極層的側(cè)面，使得第二假柵極圖案的線寬小于第一掩模圖案的線寬。
[0014]其中，形成第一假柵極圖案的同時(shí)還完全刻蝕去除了第二假柵極圖案。
[0015]其中，第二假柵極層厚度小于第一假柵極層厚度。
[0016]依照本發(fā)明的后柵工藝中假柵極制造方法，通過(guò)多次刻蝕修整多層假柵-硬掩模層疊結(jié)構(gòu)，有效精確控制假柵極尺寸和剖面形貌，從而改善柵極線條粗糙度，有利于提高器件性能以及穩(wěn)定性。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]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:
[0018]圖1至圖8為依照本發(fā)明的后柵工藝中假柵極制造方法各步驟的剖視圖；以及
[0019]圖9為依照本發(fā)明的后柵工藝中假柵極制造方法的示意流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]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)了有效精確控制假柵極尺寸和剖面形貌的后柵工藝中假柵極制造方法。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。
[0021]參照?qǐng)D9以及圖1，在襯底上依次形成柵極介質(zhì)層和第一假柵極層。提供襯底1，其材質(zhì)例如是體S1、體Ge、SO1、GeO1、GaAs、SiGe、GeSn、InP、InSb、GaN等等，并且優(yōu)選體Si (例如單晶Si晶片)或者SOI以便與現(xiàn)有CMOS工藝兼容。在襯底I上通過(guò)熱氧化、LPCVD、PECVD、HDPCVD、MOCVD、MBE、ALD等方法沉積形成柵極介質(zhì)層2，其材質(zhì)可以是氧化硅或者高k材料，其中高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 AI2O3、Ta2O5、TiO2、ZnO、ZrO2、HfO2、CeO2、Y2O3、La2O3)、鈣鈦礦相氧化物(例如PbZrxTihO3(PZT)、BaxSivxTiO3 (BST))。對(duì)于后柵工藝而言，此時(shí)形成的柵極介質(zhì)層2可以僅是氧化硅的墊氧化層，用于在柵極溝槽刻蝕過(guò)程中保護(hù)襯底溝道。柵極介質(zhì)層2也可以是高k材料，刻蝕柵極溝槽期間停留在該層上，并且優(yōu)選地在高k材料與襯底溝道之間還包括氧化硅的墊氧化層(圖1中未示出)，以減小溝道表面缺陷。柵極介質(zhì)層2的厚度可以&20 - 40人，依照未來(lái)HK/MG柵極結(jié)構(gòu)特性來(lái)選定，例如為了優(yōu)化器件的閾值電壓。在柵極介質(zhì)層2上通過(guò)LPCVD、PECVD、HDPCVD、MOCVD、MBE、ALD、蒸發(fā)、濺射等工藝形成第一假柵極層3，其材質(zhì)例如是多晶硅、非晶硅、微晶硅、非晶碳、非晶鍺、S1:C、SiGe等及其組合。優(yōu)選地，為了避免襯底I中之前存在的下層結(jié)構(gòu)受到高溫影響而改變性能，以及為了減小襯底I表面產(chǎn)生缺陷的幾率，采用LPCVD的方式來(lái)沉積第一假柵極層3，例如在580°C以下低溫沉積非晶硅。第一假柵極層3的厚度依照未來(lái)最終的H K/MG結(jié)構(gòu)形態(tài)需要而確定，例如是900?1200Λ。[0022]參照?qǐng)D9以及圖2，在第一假柵極層3上沉積硬掩模層4。硬掩模層4可以是單層也可以是多層，其材質(zhì)可以包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅及其組合，形成硬掩模層4的方法可以是LPCVD、PECVD、HDPCVD等及其組合。在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，硬掩模層4如圖2所不為多層ONO結(jié)構(gòu),包括氧化娃的第一層4A、氮化娃的第二層4B、以及氧化娃的第三層4C。優(yōu)選地，為了提高薄膜的臺(tái)階覆蓋和間隙填充特性，選用PECVD方法來(lái)制造第一層4A以及第三層4C ;為了提高薄膜密度以及更好的化學(xué)配比，選用LPCVD來(lái)沉積第二層4B。氧化硅的第一層4A的厚度例如約為100 A ,氮化硅的第二層4B的厚度例如約為200 A，氧化硅的第三層4C的厚度例如為5G0 ~800人。該三層ONO層疊結(jié)構(gòu)的硬掩模層4相對(duì)于單層結(jié)構(gòu)而言，能更加精確控制硬掩模結(jié)構(gòu)的剖面形貌以及剩余厚度，為后續(xù)形成柵極側(cè)墻、CMP平坦化、假柵去除等工藝順利進(jìn)行提供了保障。
[0023]參照?qǐng)D9以及圖3，在硬掩模層4上沉積第二假柵極層5。通過(guò)LPCVD、PECVD,HDPCVD, MOCVD, MBE、ALD、蒸發(fā)、濺射等工藝形成第二假柵極層5，其材質(zhì)優(yōu)選地與第一假柵極層3相同，例如是多晶硅、非晶硅、微晶硅、非晶碳、非晶鍺、S1:C、SiGe等及其組合。優(yōu)選地，采用與沉積第一假柵極層3相同的方式來(lái)沉積第二假柵極層5，例如為L(zhǎng)PCVD (諸如580°C以下低溫沉積非晶硅)。第二假柵極層5用于初步限定假柵極堆疊結(jié)構(gòu)的線寬并且在后續(xù)刻蝕第一假柵極層3線條時(shí)一并去除，因此其厚度要小于等于第一假柵極層3的厚度，例如是400 ~ 600Ao
[0024]參照?qǐng)D9以及圖4，在第二假柵極層5上形成第一掩模圖案。在第二假柵極層5上旋涂光刻膠，采用浸潤(rùn)式光刻或者電子束直寫(xiě)光刻技術(shù)，形成圖案化的第一掩模圖案PR，其線寬例如為32?45nm，略大于最終要形成的柵極堆疊結(jié)構(gòu)的特征尺寸。
[0025]參照?qǐng)D9以及圖5，以第一掩模圖案PR為掩模，刻蝕第二假柵極層5形成第二假柵極圖案5P。優(yōu)選地，為了確保線條精確度，采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)、等離子體刻蝕等各向異性的干法刻蝕來(lái)刻蝕第二假柵極層5，停止在硬掩模層4 (具體地為其頂部的第三層4C)上。優(yōu)選地，在刻蝕的過(guò)程中或者刻蝕完成之后，調(diào)節(jié)刻蝕氣體(例如碳氟基氣體)的配比從而控制刻蝕速率，使得第一掩模圖案PR以及第二假柵極圖案5P的側(cè)面也同時(shí)被刻蝕，也即進(jìn)行了微縮(trimming)工序，使得最終的第二假柵極圖案5P的線寬要小于圖4中所示的原始PR線寬。具體地，第二假柵極圖案5P的線寬例如為32nm以下，諸如22nm。這種微縮工序提高了假柵極堆疊結(jié)構(gòu)的精確度。
[0026]參照?qǐng)D9以及圖6，以第一掩模圖案PR以及第二假柵極圖案5P為掩模，刻蝕硬掩模層4(4A/4B/4C)直至暴露并且停留在第一假柵極層3上表面，形成第二掩模圖案4P (4AP/4BP/4CP)。
[0027]參照?qǐng)D9以及圖7，去除第一掩模圖案PR及RIE過(guò)程中產(chǎn)生的聚合物(Polymer)。對(duì)于光刻膠材質(zhì)的PR而言，可以先采用等離子體去膠機(jī)干法去膠，然后采用DHF(H20: HF=IOO: I)、SPM(例如硫酸:雙氧水=4: I)/APM(例如氨水:雙氧水:去離子水=1:1: 5或者0.5:1: 5)濕法清洗，將光刻膠的第一掩模圖案PR及RIE過(guò)程中產(chǎn)生的聚合物(Polymer)完全去除干凈，在第一假柵極層上留下第二假柵極圖案5P、第二掩模圖案 4P (4AP/4BP/4CP)。
[0028]參照?qǐng)D9以及圖8，以第二假柵極圖案5P以及第二掩模圖案4P(4AP/4BP/4CP)為掩模，刻蝕第一假柵極層3，停留在柵極介質(zhì)層2上，形成第一假柵極圖案3P。由于第二假柵極層5與第一假柵極層3材質(zhì)優(yōu)選為相同并且厚度較小，因此在刻蝕第一假柵極層3時(shí)，第二假柵極圖案5P也同時(shí)被完全刻蝕去除，因此簡(jiǎn)化了后續(xù)再單獨(dú)執(zhí)行去除工藝。最終，在柵極介質(zhì)層2之上留下的第一假柵極圖案3P、第二掩模圖案4P(4AP/4BP/4CP)構(gòu)成了最終的假柵極堆疊結(jié)構(gòu)，其線寬要小于圖4中由光刻工藝限制的PR線寬，而是由于圖5所示的微縮工藝而縮減到了例如22nm以下。
[0029]依照本發(fā)明的后柵工藝中假柵極制造方法，通過(guò)多次刻蝕修整多層假柵-硬掩模層疊結(jié)構(gòu)，有效精確控制假柵極尺寸和剖面形貌，從而改善柵極線條粗糙度，有利于提高器件性能以及穩(wěn)定性。
[0030]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】
1.一種后柵工藝中假柵極制造方法，包括: 在襯底上依次形成柵極介質(zhì)層、第一假柵極層； 在第一假柵極層上形成硬掩模層； 在硬掩模層上形成第二假柵極層； 在第二假柵極層上形成第一掩模圖案； 以第一掩模圖案為掩模，刻蝕第二假柵極層形成第二假柵極圖案； 以第一掩模圖案以及第二假柵極圖案為掩模，刻蝕硬掩模層，形成第二掩模圖案； 以第二假柵極圖案以及第二掩模圖案為掩模，刻蝕第一假柵極層，形成第一假柵極圖案。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中，柵極介質(zhì)層包括氧化硅、高k材料。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中，第一假柵極層和/或第二假柵極層包括多晶硅、非晶硅、微晶硅、非晶碳、非晶鍺、S1:C、SiGe及其組合。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中，形成第二假柵極層之后還包括在其上形成第二硬掩模層。
5.如權(quán)利要求1的方法，其中，硬掩模層包括氧化娃、氮化娃、氮氧化娃及其組合。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中，采用浸潤(rùn)式光刻或者電子束直寫(xiě)方式圖案化光刻膠形成第一掩模圖案。
7.如權(quán)利要求1的方法，其中，采用各向異性干法刻蝕來(lái)刻蝕第二假柵極層。
8.如權(quán)利要求1的方法，其中，形成第二假柵極圖案的同時(shí)或者之后，還部分刻蝕第一掩模圖案以及第二假柵極層的側(cè)面，使得第二假柵極圖案的線寬小于第一掩模圖案的線寬。
9.如權(quán)利要求1的方法，其中，形成第一假柵極圖案的同時(shí)還完全刻蝕去除了第二假柵極圖案。
10.如權(quán)利要求1的方法，其中，第二假柵極層厚度小于第一假柵極層厚度。
【文檔編號(hào)】H01L21/28GK103794484SQ201210434600
【公開(kāi)日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2012年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月5日
【發(fā)明者】李春龍, 李俊峰, 閆江, 孟令款, 賀曉彬, 陳廣璐, 趙超 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所