後柵工藝中假柵的製造方法
2023-10-17 09:47:24
專利名稱：後柵工藝中假柵的製造方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體器件的製造方法，更具體地講，涉及一種後柵工藝中假柵的製造方法。
背景技術：
隨高K/金屬柵工程在45納米技術節點上的成功應用，使其成為亞30納米以下技術節點不可缺少的關鍵模塊化工程。目前只有堅持高K/後金屬柵(gate last)路線的英特爾公司在45納米和32納米量產上取得了成功。近年來緊隨IBM產業聯盟的三星，臺積電，英飛凌等業界巨頭也將之前開發的重點由高K/先金屬柵(gate first)轉向gate last工程。
Gate last工程中，在完成離子高溫退火後，需要把多晶假柵挖掉，而後在填充進高K以及金屬柵材料，流程見圖I。如圖IA所示，在矽襯底I上依次沉積形成氧化矽的墊層2以及多晶矽的假柵層3，刻蝕形成柵極堆疊結構，在兩側沉積氮化矽並刻蝕形成側牆4，隨後整個器件表面沉積氧化矽的層間介質層(IDL) 5並採用化學機械研磨(CMP)平坦化。如圖IB所示，CMP之後採用KOH或TAMH溼法刻蝕去除多晶矽的假柵層3，並優選採用HF或緩釋刻蝕液(BOE)去除墊層2，留下柵極溝槽。如圖IC所示，在柵極溝槽中依次填充高k柵極絕緣層6、柵極材料層7並CMP平坦化。由於器件尺寸不斷縮小，尤其在45納米技術節點以下，多晶假柵挖掉後形成的柵溝道寬度小於50納米，深度小於100納米，縱深比通常>=I. 5。這樣縱深較大，尺寸很小的矩形柵溝槽對於後續高K以及金屬柵材料的填充工藝在填充覆蓋性、緻密度、以及晶圓內均勻性都提出了極大挑戰。為此，急需一種能有效地均勻填充柵極溝槽的方法。
發明內容
因此，本發明的目的在於提出一種後柵工藝中假柵的製造方法，以便使得假柵去除之後能有效地均勻填充柵極溝槽。本發明提供了一種後柵工藝中假柵的製造方法，包括以下步驟在襯底上依次形成假柵材料層、硬掩模材料層；刻蝕硬掩模材料層，形成上寬下窄的硬掩模圖形；以硬掩模圖形為掩模，幹法刻蝕假柵材料層，形成上寬下窄的假柵。其中，硬掩模材料層包括第一掩模層和位於第一掩模層上的第二掩模層。其中，先幹法刻蝕形成上下等寬的硬掩模圖形，然後溼法腐蝕第一掩模層以形成上寬下窄的硬掩模圖形。其中，形成的上寬下窄的硬掩模圖形中第二掩模層具有比第一掩模層寬的懸出部分。其中，調整懸出部分寬度以及假柵材料層的厚度來控制假柵的傾角。其中，溼法腐蝕硬掩模材料層一步形成上寬下窄的硬掩模圖形，溼法腐蝕液對於第一掩模層的腐蝕速率大於對於第二掩模層的腐蝕速率。其中,第一掩模層和第二掩模層包括氧化娃、氮化娃、氮氧化娃。
其中，溼法腐蝕的腐蝕液包括DHF、Β0Ε、熱磷酸、H202。其中，假柵材料層包括多晶矽、非晶矽、微晶矽，襯底包括單晶矽、SOI、單晶鍺、GeOI、SiGe、SiC、InSb、GaAs、GaN。本發明還提供了一種後柵工藝，包括步驟採用上述的後柵工藝中假柵的製造方法，在襯底上形成上寬下窄的假柵；在假柵兩側形成側牆；移除假柵，形成上寬下窄的柵溝槽；在柵溝槽中填充柵極絕緣層和柵極材料。依照本發明的假柵製造方法，將之前垂直的假柵製作成上寬下窄的正梯形假柵；在假柵被移除後，可形成正梯形溝槽；從而大大有利於後續高K或是金屬柵材料的填充，擴大填充工藝窗口，從而提高了器件的可靠性。 本發明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申請獨立權利要求的範圍內得以滿足。本發明的實施例限定在獨立權利要求中，具體特徵限定在其從屬權利要求中。
以下參照附圖來詳細說明本發明的技術方案，其中圖I顯示了現有技術的後柵工藝示意圖；圖2至圖7依次顯示了依照本發明的假柵製造方法各步驟的剖面示意圖。
具體實施例方式以下參照附圖並結合示意性的實施例來詳細說明本發明技術方案的特徵及其技術效果，公開了後柵工藝中假柵製造方法。需要指出的是，類似的附圖標記表示類似的結構。首先參照圖2，在襯底10上依次形成假柵材料層20、以及由第一掩模層31和第二掩模層32構成的硬掩模材料層30，形成方法例如是LPCVD、PECVD等常規沉積方法。襯底10依照器件電學性能需要而可採用各種襯底材料，例如包括單晶矽、絕緣體上矽(SOI)、單晶鍺、絕緣體上鍺(GeOI)，或者SiGe、SiC、InSb、GaAs, GaN等其他化合物半導體材料。假柵材料層20採用與掩模層31/32刻蝕選擇性不同的材料，例如為多晶矽、非晶矽或微晶矽。第一掩模層31和第二掩模層32可包括氧化娃、氮化娃或氮氧化娃,用於稍後刻蝕的硬掩模層，兩者材質不同，例如氧化矽31在下而氮化矽32在上，也可倒置，或者還可以採用能使得稍後刻蝕時速率不同的特別是下層刻蝕快於中層、中層快於上層的三層結構。假柵材料層20厚度a為800 1200A並優選為ΙΟΟΟΑ，第一掩模層31厚度b為200 400A並優選300A，第二掩模層32厚度C為100 200A並優選150A。此外，假柵材料層20與襯底10之間還可以具有氧化矽的墊層(未示出)，用於刻蝕假柵時保護襯底10。其次參照圖3，刻蝕形成上下等寬的垂直硬掩模圖形。在第二掩模層32上塗敷光刻膠(未示出)並曝光顯影形成光刻膠圖形，以光刻膠圖形為掩模，採用例如等離子體刻蝕的幹法刻蝕，依次刻蝕第二掩模層32以及第一掩模層31直至露出假柵材料層20，形成硬掩模圖形，硬掩模圖形的線條寬度例如為200 400A並優選300A。其中，等離子體刻蝕氣體可包括含滷素氣體，例如為碳氟基氣體(CxHyFz)、NF3> SF6等含氟氣體，以及Cl2、Br2,HBr,HCl等其他含滷素氣體，還可以包括氧氣、臭氧、氮氧化物等氧化劑。值得注意的是，頂層的第二掩模層32在等離子體刻蝕中並未完全除去，而是保留有一定的剩餘厚度d，d例如為大於等於100人。刻蝕完成之後採用去離子水等溼法清洗或通入氧氣、氟化氣體等幹法清洗，完全去除刻蝕產物。然後參照圖4，選擇性刻蝕形成上寬下窄的硬掩模圖形。依照第一和第二掩模層材質不同而選擇不同的刻蝕液來對第一掩模層層選擇性地溼法刻蝕，形成上寬下窄的硬掩模圖形。當第一掩模層31為氧化矽時，採用例如為稀釋氫氟酸(DHF，例如HF H2O= I 100)或緩釋刻蝕液(BOE，NH4F與HF混合物，兩者之比例如為2 : I至4 : I)的HF基化學液，刻蝕溫度例如為25°C,由於DHF對於娃材料的假柵材料層20以及氮化娃的第二掩模層32腐蝕速率很慢而對於氧化矽的第一掩模層31腐蝕速率較快，因此第一掩模層31的線條會橫向縮進，形成如圖4所示的類似於螺帽或T型的上寬下窄的結構。當第一掩模層31為氮化矽時，可採用不與氧化矽的第二掩模層32反應的熱磷酸來側蝕第一掩模層31，也同樣形成圖4所示結構。圖4中第二掩模層32的線條寬度仍保持為接近或等於圖3中的硬掩模圖形寬度，例如為200 400人並優選300人，但是第一掩模層31的線條寬度小於第二掩模層32的線條寬度，例如側向縮進了70人而僅餘下160人。換言之，第二掩模層32具有超出第 一掩模層31的懸出部分,左右各7θΑ。雖然圖3、圖4顯示了兩步刻蝕兩層掩模層來形成上寬下窄的硬掩模圖形，但是也可以採用其他方法來形成所示的硬掩模圖形。例如對於單一材料的硬掩模層31/32，先各向異性(可幹法也可溼法)刻蝕形成高縱深比的等寬圖形，然後各向同性溼法腐蝕，由於等寬圖形縱深比高，會發生比較明顯的側蝕，從而形成上寬下窄的圖形，只是圖形的垂直度不如圖3-5所示。或者對於不同材料的兩層結構(例如為氮氧化矽和氧化矽，可採用HF、H202混合物來一步刻蝕)，對圖2所示結構採用溼法腐蝕一步形成圖4所示結構，其中控制腐蝕液的配比、溫度使得對於第一掩模層31的腐蝕速率大於對第二掩模層32的腐蝕速率，得到的硬掩模圖形也將是上寬下窄的T形或螺帽形，只是如此得到硬掩模圖形在稍後所述的刻蝕假柵21時的效果不如圖4所示的兩步得到的結構好，因為溼法腐蝕難以精確控制側蝕量或者縮進距離。但是總體而言，只要形成的硬掩模圖形為上寬下窄，在後續刻蝕假柵時就能形成上寬下窄的假柵。接著參照圖5，幹法刻蝕假柵材料層20形成上寬下窄的假柵21。採用與刻蝕硬掩模圖形相同或類似的幹法刻蝕工藝，例如等離子體刻蝕，對假柵材料層20進行刻蝕，直至露出襯底10。在刻蝕過程中，第二掩模層32的懸出部分在刻蝕過程等離子體的物理轟擊下，會橫向縮短。隨第二掩模層32的橫向縮短,對假柵材料層20的刻蝕將產生橫向移動；因而在多晶刻蝕完成後，會形成具有一定傾斜角度的正梯形假柵21，見圖5。其中第二掩模層32的線條寬度由於等離子體的轟擊已小於圖4中的寬度，基本等於或稍大於圖4中第一掩模層31的線條寬度，例如第一掩模層31線條寬度160人，第二掩模層32線條寬度160 200^。類似地，對於上述的其他形式的硬掩模圖形，只要其頂部寬度大於底部寬度，頂部就會在等離子體轟擊下逐步縮進，對假柵的刻蝕也將產生橫向移動。參照圖6，為圖5的局部放大圖。圖4所示的溼法腐蝕完成後，縮進的第一掩模層31外壁與第二掩模層32外壁寬度差距為e，也即懸出部分的寬度；圖5所示的幹法刻蝕完成後，橫向縮短距離為f ;可見f<= e，其中f可根據幹法刻蝕工藝參數在e的基礎上進行調整，也即f的數值由懸出部分寬度與幹法刻蝕工藝共同決定；e可實例舉證為70人；f可實例舉證為50人，最終形成的傾角a = arctan f/a ;結合a為1000人，所得α為2. 86度。由此可見，只要控制溼法側蝕第一掩模層31以及幹法刻蝕假柵材料層20的速率，也即控制e和f，即可控制最終形成的正梯形假柵21的傾斜角度，在本發明中優選α小於等於10度。隨後參照圖7，去除硬掩模圖形。使用溼法腐蝕工藝去除掉假柵20頂部殘存的硬掩模圖形，得到正梯形假柵21，見圖7。採用的化學液可為HF基化學液，例如DHF或Β0Ε，可舉證為DHF濃度比例HF H2O = I 100 ;工藝溫度可舉證為25C。也可對於材料不同的第二和第一掩模層分別採用不同的溼法腐蝕液，例如採用熱磷酸腐蝕氮化矽的第二掩模層32，採用HF基化學液腐蝕氧化矽的第一掩模層31。溼法腐蝕工藝完成後對晶圓進行清洗並乾燥。而後進行常規的側牆生長、側牆刻蝕以及後續的假柵移除工藝，最終得到上寬下窄的正梯形柵溝槽，從而利於下一步的高K或是金屬柵材料的填充。其中假柵去除工藝可以採用幹法刻蝕或溼法腐蝕或是幹法刻蝕+溼法腐蝕混合工藝進行。依照本發明的假柵製造方法，將之前垂直的假柵製作成上寬下窄的正梯形假柵；在假柵被移除後，可形成正梯形溝槽；從而大大有利於後續高K或是金屬柵材料的填充，擴大填充工藝窗口，從而提高了器件的可靠性。儘管已參照一個或多個示例性實施例說明本發明，本領域技術人員可以知曉無需脫離本發明範圍而對器件結構做出各種合適的改變和等價方式。此外，由所公開的教導可 做出許多可能適於特定情形或材料的修改而不脫離本發明範圍。因此，本發明的目的不在於限定在作為用於實現本發明的最佳實施方式而公開的特定實施例，而所公開的器件結構及其製造方法將包括落入本發明範圍內的所有實施例。
權利要求
1.一種後柵工藝中假柵的製造方法，包括以下步驟 在襯底上依次形成假柵材料層、硬掩模材料層； 刻蝕硬掩模材料層，形成上寬下窄的硬掩模圖形； 以硬掩模圖形為掩模，幹法刻蝕假柵材料層，形成上寬下窄的假柵。
2.如權利要求I的方法，其中，硬掩模材料層包括第一掩模層和位於第一掩模層上的第二掩模層。
3.如權利要求2的方法，其中，先幹法刻蝕形成上下等寬的硬掩模圖形，然後溼法腐蝕第一掩模層以形成上寬下窄的硬掩模圖形。
4.如權利要求3的方法，其中，形成的上寬下窄的硬掩模圖形中第二掩模層具有比第一掩模層寬的懸出部分。
5.如權利要求4的方法，其中，調整懸出部分寬度以及假柵材料層的厚度來控制假柵的傾角。
6.如權利要求2的方法，其中，溼法腐蝕硬掩模材料層一步形成上寬下窄的硬掩模圖形，溼法腐蝕液對於第一掩模層的腐蝕速率大於對於第二掩模層的腐蝕速率。
7.如權利要求2的方法，其中，第一掩模層和第二掩模層包括氧化矽、氮化矽、氮氧化矽。
8.如權利要求3或6的方法，其中，溼法腐蝕的腐蝕液包括DHF、BOE、熱磷酸、H202。
9.如權利要求I的方法，其中，假柵材料層包括多晶矽、非晶矽、微晶矽，襯底包括單晶矽、SOI、單晶鍺、GeOI、SiGe, SiC, InSb、GaAs、GaN。
10.一種後柵工藝，包括步驟 採用如權利要求I的後柵工藝中假柵的製造方法，在襯底上形成上寬下窄的假柵； 在假柵兩側形成側牆； 移除假柵，形成上寬下窄的柵溝槽； 在柵溝槽中填充柵極絕緣層和柵極材料。
全文摘要
本發明提供了一種後柵工藝中假柵的製造方法，包括以下步驟在襯底上依次形成假柵材料層、硬掩模材料層；刻蝕硬掩模材料層，形成上寬下窄的硬掩模圖形；以硬掩模圖形為掩模，幹法刻蝕假柵材料層，形成上寬下窄的假柵。依照本發明的假柵製造方法，將之前垂直的假柵製作成上寬下窄的正梯形假柵；在假柵被移除後，可形成正梯形溝槽；從而大大有利於後續高K或是金屬柵材料的填充，擴大填充工藝窗口，從而提高了器件的可靠性。
文檔編號H01L21/28GK102969232SQ201110257658
公開日2013年3月13日 申請日期2011年9月1日 優先權日2011年9月1日
發明者楊濤, 趙超, 閆江, 李俊峰, 盧一泓, 陳大鵬 申請人:中國科學院微電子研究所