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半導(dǎo)體元件及其制作方法與流程

文檔序號:11925077閱讀:470來源:國知局
半導(dǎo)體元件及其制作方法與流程

本發(fā)明涉及一種制作半導(dǎo)體元件的方法,尤其是涉及一種于接觸洞蝕刻停止層旁形成間隙壁的方法。



背景技術(shù):

在現(xiàn)有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中,多晶硅系廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體元件如金屬氧化物半導(dǎo)體(metal-oxide-semiconductor,MOS)晶體管中,作為標(biāo)準(zhǔn)的柵極填充材料選擇。然而,隨著MOS晶體管尺寸持續(xù)地微縮,傳統(tǒng)多晶硅柵極因硼穿透(boron penetration)效應(yīng)導(dǎo)致元件效能降低,及其難以避免的空乏效應(yīng)(depletion effect)等問題,使得等效的柵極介電層厚度增加、柵極電容值下降,進(jìn)而導(dǎo)致元件驅(qū)動能力的衰退等困境。因此,半導(dǎo)體業(yè)界更嘗試以新的柵極填充材料,例如利用功函數(shù)(work function)金屬來取代傳統(tǒng)的多晶硅柵極,用以作為匹配高介電常數(shù)(High-K)柵極介電層的控制電極。

在現(xiàn)今金屬柵極晶體管制作過程中,特別是在進(jìn)行自行對準(zhǔn)接觸插塞(self-aligned contacts,SAC))制作工藝時(shí)通常會先去除部分金屬柵極并于金屬柵極上填入一保護(hù)用的硬掩模。然而現(xiàn)行于金屬柵極上設(shè)置硬掩模的設(shè)計(jì)已無法在形成接觸洞時(shí)確保金屬柵極不受到損害。因此如何改良現(xiàn)行金屬柵極制作工藝即為現(xiàn)今一重要課題。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

為解決上述問題,本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例公開一種制作半導(dǎo)體元件的方法。首先提供一基底,該基底上設(shè)有一柵極結(jié)構(gòu)、一第一間隙壁環(huán)繞該柵極結(jié)構(gòu)以及一接觸洞蝕刻停止層設(shè)于該第一間隙壁旁,然后形成一遮蓋層于柵極結(jié)構(gòu)、第一間隙壁及接觸洞蝕刻停止層上,并接著去除部分遮蓋層以形成一第二間隙壁于接觸洞蝕刻停止層旁。

本發(fā)明另公開一種半導(dǎo)體元件,包含:一基底,一柵極結(jié)構(gòu)設(shè)于基底上,一第一間隙壁環(huán)繞柵極結(jié)構(gòu),一接觸洞蝕刻停止層設(shè)于第一間隙壁旁以及一 第二間隙壁設(shè)于接觸洞蝕刻停止層旁。

附圖說明

圖1至圖11為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例制作一半導(dǎo)體元件的方法示意圖;

圖12為本發(fā)明另一實(shí)施例的一半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)示意圖。

主要元件符號說明

12 基底 14 鰭狀結(jié)構(gòu)

16 柵極結(jié)構(gòu) 18 柵極結(jié)構(gòu)

20 柵極結(jié)構(gòu) 22 柵極結(jié)構(gòu)

24 高介電常數(shù)介電層 26 柵極電極

28 第一硬掩模 30 第二硬掩模

32 間隙壁 34 源極/漏極區(qū)域

36 接觸洞蝕刻停止層

38 掩模層 40 第一層間介電層

42 遮蓋層 44 遮蓋層

46 遮蓋層 48 間隙壁

50 間隙壁 52 間隙壁

54 第二層間介電層 56 功函數(shù)金屬層

58 低阻抗金屬層 66 金屬柵極

68 金屬柵極 70 金屬柵極

72 金屬柵極 74 接觸插塞

具體實(shí)施方式

請參照圖1至圖11,圖1至圖11為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例制作一半導(dǎo)體元件的方法示意圖。如圖1所示,首先提供一基底12,例如一硅基底或硅覆絕緣(SOI)基板,其上可定義有一晶體管區(qū),例如一PMOS晶體管區(qū)或一NMOS晶體管區(qū)?;?2上具有至少一鰭狀結(jié)構(gòu)14及一絕緣層(圖未示),其中鰭狀結(jié)構(gòu)14的底部被絕緣層,例如氧化硅所包覆而形成淺溝隔離,且部分的鰭狀結(jié)構(gòu)14上另分別設(shè)有多個(gè)柵極結(jié)構(gòu)16、18、20、22。需注意的是,本實(shí)施例雖以四個(gè)柵極結(jié)構(gòu)16、18、20、22為例,但柵極結(jié)構(gòu)16、18、20、 22的數(shù)量并不局限于此,而可視制作工藝需求任意調(diào)整。

鰭狀結(jié)構(gòu)14的形成方式可以包含先形成一圖案化掩模(圖未示)于基底12上,再經(jīng)過一蝕刻制作工藝,將圖案化掩模的圖案轉(zhuǎn)移至基底12中。接著,對應(yīng)三柵極晶體管元件及雙柵極鰭狀晶體管元件結(jié)構(gòu)特性的不同,而可選擇性去除或留下圖案化掩模,并利用沉積、化學(xué)機(jī)械研磨(chemical mechanical polishing,CMP)及回蝕刻制作工藝而形成一環(huán)繞鰭狀結(jié)構(gòu)14底部的淺溝隔離。除此之外,鰭狀結(jié)構(gòu)14的形成方式另也可以是先制作一圖案化硬掩模層(圖未示)于基底12上,并利用外延制作工藝于暴露出于圖案化硬掩模層的基底12上成長出半導(dǎo)體層,此半導(dǎo)體層即可作為相對應(yīng)的鰭狀結(jié)構(gòu)14。同樣的,另可以選擇性去除或留下圖案化硬掩模層,并通過沉積、CMP及回蝕刻制作工藝形成一淺溝隔離以包覆住鰭狀結(jié)構(gòu)14的底部。另外,當(dāng)基底12為硅覆絕緣基板時(shí),則可利用圖案化掩模來蝕刻基底上的一半導(dǎo)體層,并停止于此半導(dǎo)體層下方的一底氧化層以形成鰭狀結(jié)構(gòu),故可省略前述制作淺溝隔離的步驟。

柵極結(jié)構(gòu)16、18、20、22的制作方式可依據(jù)制作工藝需求以先柵極(gate first)制作工藝、后柵極(gate last)制作工藝的先柵極介電層(high-k first)制作工藝以及后柵極制作工藝的后柵極介電層(high-k last)制作工藝等方式制作完成。以本實(shí)施例的先柵極介電層制作工藝為例,可先于鰭狀結(jié)構(gòu)14上形成一優(yōu)選包含高介電常數(shù)介電層24、多晶硅材料所構(gòu)成的柵極電極26、第一硬掩模28與第二硬掩模30所構(gòu)成的柵極結(jié)構(gòu)16、18、20、22,然后于柵極結(jié)構(gòu)16、18、20、22側(cè)壁形成間隙壁32。

在本實(shí)施例中,高介電常數(shù)介電層24包含介電常數(shù)大于4的介電材料,例如是選自氧化鉿(hafnium oxide,HfO2)、硅酸鉿氧化合物(hafnium silicon oxide,HfSiO4)、硅酸鉿氮氧化合物(hafnium silicon oxynitride,HfSiON)、氧化鋁(aluminum oxide,Al2O3)、氧化鑭(lanthanum oxide,La2O3)、氧化鉭(tantalum oxide,Ta2O5)、氧化釔(yttrium oxide,Y2O3)、氧化鋯(zirconium oxide,ZrO2)、鈦酸鍶(strontium titanate oxide,SrTiO3)、硅酸鋯氧化合物(zirconium silicon oxide,ZrSiO4)、鋯酸鉿(hafnium zirconium oxide,HfZrO4)、鍶鉍鉭氧化物(strontium bismuth tantalate,SrBi2Ta2O9,SBT)、鋯鈦酸鉛(lead zirconate titanate,PbZrxTi1-xO3,PZT)、鈦酸鋇鍶(barium strontium titanate,BaxSr1-xTiO3,BST)、或其組合所組成的群組。

其次,第一硬掩模28與第二硬掩模30優(yōu)選由不同材料所構(gòu)成,例如第一硬掩模28可包含氮化硅而第二硬掩模30可包含氧化硅,但不局限于此。間隙壁32可選自由二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅以及氮碳化硅所構(gòu)成的群組,但不局限于此。

接著于間隙壁32兩側(cè)的鰭狀結(jié)構(gòu)14以及/或基底12中形成一源極/漏極區(qū)域34及/或外延層(圖未示),并選擇性于源極/漏極區(qū)域34及/或外延層的表面形成一金屬硅化物(圖未示)。然后形成一接觸洞蝕刻停止層36于柵極結(jié)構(gòu)16、18、20、22與基底12上,其中接觸洞蝕刻停止層36可選自由氮化硅以及氮碳化硅所構(gòu)成的群組,但并不局限于此。

隨后如圖2所示,形成一掩模層38于柵極結(jié)構(gòu)16、18、20、22與接觸洞蝕刻停止層36上并填滿柵極結(jié)構(gòu)16、18、20、22之間的空間。在本實(shí)施例中,掩模層38可包含一有機(jī)介電層(organic dielectric layer,ODL)以及/或一光致抗蝕劑層,但不局限于此。

如圖3所示,然后進(jìn)行一蝕刻制作工藝,去除部分掩模層38并使掩模層38的上表面略低于第二硬掩模30的上表面。

如圖4所示,接著再進(jìn)行一蝕刻制作工藝,去除第二硬掩模30旁的部分接觸洞蝕刻停止層36與部分間隙壁32以暴露出第二硬掩模30,包括第二硬掩模30的上表面與側(cè)壁。在本步驟中,僅部分間隙壁32被去除而剩余的的間隙壁32仍設(shè)于第一硬掩模28旁且其上表面具有一約略弧形的輪廓。

然后如圖5所示,完全去除掩模層38并暴露出下面的接觸洞蝕刻停止層36。

如圖6所示,接著形成一第一層間介電層40于柵極結(jié)構(gòu)16、18、20、22上并完全覆蓋接觸洞蝕刻停止層36、間隙壁32與第二硬掩模30。在本實(shí)施例中,第一層間介電層40可選自由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅以及氮碳化硅所構(gòu)成的群組,但不局限于此。

如圖7所示,然后進(jìn)行一平坦化制作工藝,例如以CMP平坦化部分第一層間介電層40并去除所有第二硬掩模30甚至部分第一硬掩模28,使剩余的第一硬掩模28上表面與第一層間介電層40上表面齊平。

接著如圖8所示,進(jìn)行一蝕刻制作工藝完全去除第一層間介電層40并再次暴露出下面的接觸洞蝕刻停止層36。

隨后如圖9所示,形成一遮蓋層42于柵極結(jié)構(gòu)16、18、20、22、間隙 壁32、第一硬掩模28與接觸洞蝕刻停止層36上,其中遮蓋層42優(yōu)選為一復(fù)合層結(jié)構(gòu),例如又更細(xì)部包含一遮蓋層44與遮蓋層46。在本實(shí)施例中,遮蓋層44與遮蓋層46優(yōu)選由不同材料所構(gòu)成,例如遮蓋層44可包含氧化硅而遮蓋層46可包含氮碳化硅,但不局限于此。依據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例,遮蓋層44與遮蓋層46可選自由氧化硅、氮碳化硅(SiCN)、碳氮氧化硅(SiCON)以及碳氮硼化硅(SiCBN)所構(gòu)成的群組且兩者優(yōu)選由不同材料所構(gòu)成,此實(shí)施例也屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。

然后如圖10所示,進(jìn)行一蝕刻制作工藝去除部分遮蓋層42以形成另一間隙壁48于接觸洞蝕刻停止層36旁,其中間隙壁48更細(xì)部包含一間隙壁50跨坐于接觸洞蝕刻停止層36上以及一間隙壁52設(shè)于間隙壁50上。

如圖11所示,接著形成一第二層間介電層54于柵極結(jié)構(gòu)16、18、20、22、接觸洞蝕刻停止層36與間隙壁48上,并進(jìn)行一平坦化制作工藝,例如利用CMP去除部分第二層間介電層54、部分間隙壁32、部分接觸洞蝕刻停止層36及部分間隙壁48,使剩余的第二層間介電層54、間隙壁32、接觸洞蝕刻停止層36及間隙壁48的上表面齊平。

之后進(jìn)行一金屬柵極置換制作工藝,例如先以蝕刻方式去除由多晶硅材料所構(gòu)成的柵極電極26以形成一開口(圖未示),然后依序形成一功函數(shù)金屬層56以及一低阻抗金屬層58于開口內(nèi),并搭配進(jìn)行一平坦化制作工藝,例如以CMP去除部分低阻抗金屬層58與部分功函數(shù)金屬層56以形成金屬柵極66、68、70、72。

在本實(shí)施例中,功函數(shù)金屬層56優(yōu)選用以調(diào)整形成金屬柵極的功函數(shù),使其適用于N型晶體管(NMOS)或P型晶體管(PMOS)。若晶體管為N型晶體管,功函數(shù)金屬層56可選用功函數(shù)為3.9電子伏特(eV)~4.3eV的金屬材料,如鋁化鈦(TiAl)、鋁化鋯(ZrAl)、鋁化鎢(WAl)、鋁化鉭(TaAl)、鋁化鉿(HfAl)或TiAlC(碳化鈦鋁)等,但不以此為限;若晶體管為P型晶體管,功函數(shù)金屬層56可選用功函數(shù)為4.8eV~5.2eV的金屬材料,如氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)或碳化鉭(TaC)等,但不以此為限。功函數(shù)金屬層56與低阻抗金屬層58之間可包含另一頂部阻障層(圖未示),其中頂部阻障層的材料可包含鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)等材料。低阻抗金屬層58則可選自銅(Cu)、鋁(Al)、鎢(W)、鈦鋁合金(TiAl)、鈷鎢磷化物(cobalt tungsten phosphide,CoWP)等低電阻材料或其組合。由于依據(jù)金屬柵極置換制作工藝 將虛置柵極轉(zhuǎn)換為金屬柵極是此領(lǐng)域者所熟知技術(shù),在此不另加贅述。

隨后可選擇性進(jìn)行一接觸插塞制作工藝,例如可利用蝕刻去除金屬柵極68與金屬柵極70之間的部分或所有第二層間介電層54以及部分接觸洞蝕刻停止層36形成接觸洞(圖未示),然后再填入金屬材料形成接觸插塞74電連接基底12的源極/漏極區(qū)域34。在本實(shí)施例中,接觸插塞74可包含一阻隔層與一金屬層,其中阻隔層優(yōu)選選自由鈦、鉭、氮化鈦、氮化鉭以及氮化鎢所構(gòu)成的群組,金屬層優(yōu)選選自由鋁、鈦、鉭、鎢、鈮、鉬以及銅所構(gòu)成的群組,但不局限于此。至此即完成本發(fā)明的半導(dǎo)體元件的制作。

請?jiān)賲⒄請D11,其另揭露本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的一半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖11所示,本發(fā)明的半導(dǎo)體元件主要包含一基底12、至少一柵極結(jié)構(gòu)或金屬柵極66設(shè)于基底12上、一間隙壁32環(huán)繞金屬柵極66、一接觸洞蝕刻停止層36設(shè)于間隙壁32旁以及另一間隙壁48設(shè)于接觸洞蝕刻停止層36旁。

更具體而言,本實(shí)施例的接觸洞蝕刻停止層36優(yōu)選為L型,間隙壁48更細(xì)部包含一間隙壁50與間隙壁52,其中間隙壁50與接觸洞蝕刻停止層36一樣為L型并跨坐在接觸洞蝕刻停止層上36,間隙壁52設(shè)于間隙壁50上,且間隙壁50與間隙壁52的邊緣優(yōu)選不與接觸洞蝕刻停止層36的邊緣切齊。另外在本實(shí)施例中,接觸洞蝕刻停止層36優(yōu)選包含氮化硅或氮碳化硅,間隙壁32優(yōu)選包含氧化硅或氮化硅,間隙壁50優(yōu)選包含氧化硅而間隙壁52則包含氮碳化硅,但不局限于此,例如間隙壁50、52又可選自由氧化硅、氮碳化硅(SiCN)、碳氮氧化硅(SiCON)以及碳氮硼化硅(SiCBN)所構(gòu)成的群組且兩者優(yōu)選由不同材料所構(gòu)成。

請接著參照圖12,其為本發(fā)明另一實(shí)施例的一半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖12所示,相較于圖10中以蝕刻制作工藝去除部分遮蓋層42形成間隙壁48時(shí)不耗損任何間隙壁48下方的接觸洞蝕刻停止層36,本實(shí)施例可于去除部分遮蓋層42形成間隙壁48時(shí)同時(shí)去除部分接觸洞蝕刻停止層36,使間隙壁48的邊緣與接觸洞蝕刻停止層36的一邊緣切齊,而形成另一種半導(dǎo)體元件的態(tài)樣。

綜上所述,本發(fā)明主要于接觸洞蝕刻停止層形成后再沉積一遮蓋層于柵極結(jié)構(gòu)、間隙壁以及接觸洞蝕刻停止層上,然后去除部分遮蓋層以于接觸洞蝕刻停止層旁形成另一間隙壁。通過此間隙壁的保護(hù),本發(fā)明可于后續(xù)進(jìn)行 自行對準(zhǔn)接觸插塞(self-aligned contact)制作工藝時(shí)直接利用間隙壁定義出接觸洞的位置,并對之后所進(jìn)行的蝕刻制作工藝提供一種最佳化的選擇。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例,凡依本發(fā)明權(quán)利要求所做的均等變化與修飾,都應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。

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