具有雙柵電極的半導體器件及其製造方法

2023-06-10 06:52:56 1

專利名稱：具有雙柵電極的半導體器件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及具有雙柵電極的半導體器件及其製造方法。更具體 地，本發明的實施例涉及用於形成半導體器件的雙柵電極的方法， 其改進了製造生產率以及半導體性能。
背景技術：
通常，在典型為半導體器件的MOSFET (金屬氧化物半導體場 效應電晶體)中，在半導體村底中形成有器件絕緣層，而在相應的 半導體襯底上形成有柵電才及，而且形成具有注入到位於4冊電極和器 件隔離層之間的半導體襯底中的摻雜離子的源極區/漏極區。
這類具有注入到源才及區/漏極區中的p-型摻雜離子的MOSFET 被稱為p-溝道MOSFET (即，PMOS電晶體)，而這類具有注入到 其中的n-型摻雜離子的MOSFET被稱為n-溝道MOSFET (即， NMOS電晶體)。
如上所述，由於具有PMOS和NMOS電晶體的半導體器件具 有兩個柵電極，所以該結構被稱為雙4冊電極結構。 一個4冊電極的作用可通過兩個柵電極來拓寬，並且一個片冊電才及可被其他j冊電極替 代。
此夕卜，相應的4冊電才及應該具有極好的導電性和高義容點，並且應 該易於圖樣化，且因此它們由多晶矽材料形成，這種材料易於被摻 雜有處於較高濃度下的雜質，並且能夠在於較高溫度下進行的後續 熱處理工藝中保持穩定的形態。
圖la至圖lj相繼示出了用於形成半導體器件的雙柵電極的常 ^L方法的工藝4黃截面圖。
首先，如圖la中所示，通過一種方法，諸如沉積，在其上具 有4冊極絕緣層(未示出)的半導體襯底100的整個表面上形成用於 形成一個區&戈(例如，PMOS區域)的衝冊電才及的第一多晶^圭層110。
優選地，可將LPCVD (低壓化學氣相沉積)用作相應的沉積。
-接下來，如圖lb中所示，通過典型的光刻工藝形成第一光刻 月交圖樣120,以蓋住和限定相應的PMOS區i^。相應的光刻工藝可 由光刻膠溶液塗覆、曝光以及顯影的 一 系列工藝步驟組成。
接下來，如圖lc中所示，通過使用將相應的第一光刻膠圖樣 120作為蝕刻掩模進行蝕刻來移除沒有被第一光刻膠圖樣120蓋住 而是露出的區i或的第一多晶《圭層110。
此後，如圖ld中所示，移除已用過的第一光刻月交圖才羊120,隨 之可使用等離子灰化方法。
因此，由剩下的第一多晶矽層在PMOS區域中形成第一柵電極
110'。接下來，如圖le中所示，通過光刻工藝形成第二光刻膠圖樣 130,以在頂部處蓋住已形成的第一柵電才及110'並對其進行保護。
此後，如圖lf中所示，在NMOS區域中形成用於形成柵電招_ 的第二多晶矽層140，該NMOS區域是通過諸如LPCVD的方法形 成在另一側上的另一區i或，且因此，形成第二多晶^圭層140，尤其 是在包括沒有被第二光刻膠圖樣130蓋住而是露出的NMOS區域的 部分中形成第二多晶矽層。
如接下來的圖lg中所示，通過諸如等離子灰化的方法來移除 第二光刻膠圖樣130。
接下來，如圖lh中所示，通過光刻工藝在第一4冊電4及110'和 第二多晶矽層140上形成第三光刻膠圖樣150,以使其彼此隔開， 進而^f又蓋^主和限定NMOS區i或和PMOS區i或的第一4冊電4及110'。
此後，如圖li中所示，在保護已形成的第一4冊電才及110'的同時， 通過使用將相應的第三光刻月交圖樣150作為蝕刻掩模的RIE方法等 進行蝕刻來移除圍繞NMOS區域的第二多晶矽層140。
4妄下來，如圖lj中所示，通過諸如等離子灰化的方法移除已用 過的第三光刻月交圖樣150。
因此，由剩下的第二多晶石圭層在NMOS區i或中形成第二4冊電 極140'。
乂人而，完成雙4冊電4及的形成過禾呈。
然而，上述用於形成半導體器件的雙4冊電^^的傳統方法可能存 在"i午多問題。例如，由於製造工藝的複雜性降低了製造生產率，這是因為使
用了第一至第三光刻膠圖樣120、 130、 150的三個掩才莫步驟。
特別地，為了改進柵電極110'和140'的導電性，將p-型摻雜離 子注入到PMOS區域的4冊電才及110'中，並且將n-型摻雜離子注入到 NMOS區域的4冊電極140'中。但即使在這類離子注入的情形中也使 用了掩模技術，這部分地由於所執行的掩模步驟的次數而引入了增 加的工藝複雜性。
此夕卜，PMOS和NMOS區域的才冊電才及110'和140'老卩是以相同
的方式形成的，且因此對通過每個區域的不同特性來獲得性能改進 產生了限制。

發明內容
總的來說，本發明的示例性實施例涉及具有雙柵電極的半導體 器件以及用於形成半導體器件的雙柵電才及的方法。所4皮露的實施例 與現有技術相比提供了多個優點，包括4旦並不限於，通過減少掩模 步驟來改進位造生產率，以及通過製造具有不同厚度和材料狀態的 PMOS和NMOS區i戈的斥冊電才及來改進性能。
根據一個示例性實施例，提出了一種用於形成半導體器件的雙 才冊電才及的方法，該方法包4舌以下步驟在半導體4於底的整個表面上 形成第 一 多晶矽層；在第 一 多晶矽層上形成第 一光刻膠圖樣以蓋住 第一區域，第一區域是PMOS區域和NMOS區域中的一個；通過 使用第一光刻膠圖樣的蝕刻來移除第一多晶矽層的露出部分，僅剩 下第一區域中的第一多晶矽層；移除第一光刻膠圖樣；在剩下的第 一多晶矽層和半導體襯底的整個表面上形成第二多晶>5圭層；在第二
多晶矽層上形成第二光刻膠圖樣，以蓋住第一區域並蓋住和限定與 第 一 區域不同的第二區域；通過使用第二光刻月交圖樣的蝕刻來移除
8第二多晶矽層的露出部分，以剩下堆疊在第一區域中的第一和第二
多晶矽層，並且剩下第二區域中的第二多晶矽層；以及移除第二光 刻月交圖樣。
在另一個示例性實施例中，提供了一種具有雙柵電極的半導 體。在所披露的實施例中，半導體器件包括堆疊在第一區域中的第 一和第二多晶矽層，以及堆疊在第二區域中的第二多晶珪層。通過 提供其中兩個4冊電才及中的 一個具有單層結構而另 一個具有雙層結 構的器件，實現了對半導體性能的改進。
提供本摘要以通過簡化的形式引入對構思的選擇，在以下的詳 細描述中對這些構思進行進一步描述。本摘要並非旨在確定所要求 保護的主題的主要特性或基本特徵，也並非旨在用作幫助確定所要 求-f呆護的主題的範圍。
另外的特4正將在以下描述中闡明，並且部分地乂人該描述中將是 顯而易見的，或者可通過對在此的教導的實踐來獲知。本發明的特 徵可通過在所附權利要求中具體指出的方法及組合來實現和獲得。 本發明的特徵從以下描述和所附權利要求中將變得更完全地顯而 易見，或者可通過以下所闡述的本發明的實踐來獲知。


從結合附圖所給出的對示例性實施例的以下描述中，本發明的 示例性實施例的一些方面將變得顯而易見，在附圖中
圖la至lj相繼示出了用於形成半導體器件的雙柵電極的傳統 方法的工藝橫截面圖；以及圖2a至2h相繼示出了根據一個示例性實施例的用於形成半導 體器件的雙4冊電極的方法的工藝才黃截面圖。
具體實施例方式
在對實施例的以下詳細描述中，參照了附圖，這些附圖以示例 的方式示出了本發明的特定實施例。在附圖中，貫穿這多個4見圖相 似的標號表示基本相似的部件。對這些實施例進行足夠詳細地描 述，以使本領域技術人員能夠實踐本發明。可採用其他實施例，並 且在不背離本發明的範圍的前提下可估文出結構、邏輯和電的改變。 而且，應該理解的是，本發明的各種實施例儘管是不同的，但未必 是相互排斥的。例如，在一個實施例中描述的特定特徵、結構或特 性可被包含在其他實施例內。因此，以下的詳細描述並不應^皮理解 成限制的意義，並且本發明的範圍僅由所附權利要求及這些權利要 求所授權的等同物的全部範圍來限定。
在分別在具有PMOS和NMOS電晶體的半導體器件中的 PMOS和NMOS區域中形成雙^冊極的過程中，製造生產率可通過減 少掩模步驟來改進，並且兩個柵電極可#:製造成具有不同的厚度和 材料特性，進而實現性能改進。
在傳統技術中，首先，通過使用第一掩模使一個區域的第一柵 電極圖樣化，形成具有由第二掩模蓋住和保護的相應的第一柵電極 的第二多晶矽層，且此後，通過使用第三掩模使第二柵電極圖樣化。 相反地，在本發明的一個實施例中，可通過4吏用第一掩才套使第一才冊 電極圖樣化，可在已形成的第一柵電才及上形成第二多晶石圭層，且此 後，可通過使用用於蓋住和限定與每個柵電極相對應的區域的第二 才務才莫的蝕刻來形成雙柵極。圖2a至2h相繼示出了才艮才居一個示例性實施例的用於形成半導 體器件的雙4冊電才及的方法的工藝4黃截面圖。
首先，如圖2a中所示，可在半導體4於底200的整個表面上的 一個區域(例如，PMOS區域)中形成用於形成4冊電極的第一多晶 石圭層210，其中，該半導體^)"底在一個表面上具有通過i者如LPCVD (低壓化學氣相沉積)的方法形成的棚4及絕緣層(未示出)。
4妄下來，如圖2b中所示，可通過典型的光刻工藝形成第一光 刻膠圖樣220以蓋住PMOS區域。相應的光刻工藝可由光刻膠溶液 塗覆、曝光以及顯影的一系列工藝步-驟組成。
隨後，如圖2c中所示，可通過4吏用將相應的第一光刻月交圖才羊 220作為蝕刻掩模的RIE (活性離子蝕刻)方法進行蝕刻來移除沒 有被第 一光刻膠圖樣220蓋住而是露出的區域的第 一多晶矽層210。
此後，如圖2d中所示，可通過諸如等離子灰化的方法來移除 已用過的第一光刻膠圖樣220。
因此，僅剩下PMOS區域中的第一4冊電極210'。
接下來，如圖2e中所示，可通過諸如LPCVD的方法在剩下的 第一多晶矽層210'以及露出的半導體襯底200的整個表面上形成第 二多晶矽層230。
此後，如圖2f中所示，可通過光刻工藝在第二多晶石圭層230 的側面部分上形成第二光刻月交圖樣240，以分別蓋住和限定PMOS 和NMOS區域。隨後，如圖2g中所示，通過使用將形成在側面部分上的第二 光刻膠圖樣240作為蝕刻掩4莫的RIE方法等進行蝕刻來移除所有沒 有被第二光刻膠圖樣240蓋住而是露出的區域的第二多晶矽層230。
第二多晶A圭230的露出部分的移除可直到位於底部處的半導體 200露出時才完成。
因此，可剩下堆疊在所限定的PMOS區i或中的第一多晶石圭層 210'和第二多晶矽層230',並且可僅剩下所限定的NMOS區域中的 第二多晶石圭層230'。
如圖2h中所示，此後可通過諸如等離子灰化的方法移除第二 光刻月交圖才羊240。
因此，可在剩餘在PMOS區域中的第一多晶石圭層210'和第二多 晶石圭層230'的雙層結構中形成第一4冊電極Gl,而可通過剩餘在 NMOS區域中的第二多晶石圭層230'形成第二4冊電才及G2。
乂人而，完成雙4冊電糹及的形成過程。
除了已描述的實施例之外還設想了其他實施例。例如，儘管本 描述是關於其中PMOS區域的柵電才及G1形成為雙層結構而NMOS 區域的柵電極G2形成為單層結構的情況做出的，但反之亦然，柵 電才及也可以這樣形成，即，4冊電極Gl可形成為單層結構，而才冊電 極G2可形成為雙層結構。
根據上述實施例，可適當地通過4吏用第 一 和第二光刻膠圖樣 220和240的兩個掩才莫步-驟來形成雙4冊電才及，並且與傳統的三個才奄 才莫步驟相比，這由於工藝步驟的減少可導致製造生產率的改進。此外，由於一個斥冊電才及可形成為雙層結構而另 一個4冊電才及可形 成為單層結構，故可通過由厚度的差異所造成的特性的改變來嘗試
改進性能。
而且，由於第一多晶矽層210和第二多晶娃層230形成為具有 相同或者不同的材料狀態或摻雜狀態，故可通過由第一和第二多晶 矽層之間的差異所造成的特性的改變來嘗試改進性能。
為此，可通過控制兩個多晶石圭層210和230的沉積和形成過程 中的工藝氣體等來實現不同的材料狀態和摻雜狀態。
此外，在形成第一光刻圖樣220以限定PMOS區域並通過4吏用 與圖2b和圖2c的上述步驟相同的步驟進行蝕刻的過程中，由於相 應的PMOS區域可通過在圖2f和圖2g的後續步驟中^f吏用第二光刻 膠圖樣240而再次限定，故第一光刻膠圖樣220無需限定精確的區 域。因此，由第一光刻膠圖樣220限定的區域可大於或小於由第二 光刻膠圖樣240限定的區域。
此外，為了在通過於圖2g的步驟中使用第二光刻膠圖樣240 進4亍蝕刻時移除雙層結構的最厚部分，相應的第二光刻力交圖樣240 的厚度可大到足以承受其上的蝕刻(例如，厚於第一光刻月交圖樣 220)。然而，可能難於以足夠大的厚度形成第二光刻"交圖樣240, 且因此，可使用用於硬掩才莫的薄膜圖樣(未示出)來代替相應的第 二光刻膠圖樣240。
在一個示例'性實施例中，可通過光刻工藝和後續的々蟲刻工藝的 組合來形成用於硬掩模的相應的薄膜圖樣，並且其材料可以是氧化 物薄膜或氮化物薄膜。如上所述，與傳統的三個掩才莫步-驟相比，由於可通過但J吏用兩 個掩才莫步-驟來形成雙棚4及，故通過工藝步驟的減少可改進位造生產 率。此外，由於兩個柵電極可形成為具有不同的厚度和材料狀態， 故可實現半導體器件的性能改進。
儘管已關於某些實施例示出和描述了本發明，但本領域技術人 員應該理解的是，在不背離如所附權利要求中所限定的本發明的精 一申和範圍的前4是下，可以估文出各種改變和修_改。
權利要求
1. 一種半導體器件，包括第一多晶矽層，堆疊在第一區域中； 第二多晶矽層，堆疊在所述第一區域中；以及第二多晶矽層，堆疊在第二區域中。
2. —種用於形成半導體器件的雙柵電極的方法，所述方法包括以 下步驟在半導體襯底的整個表面上形成第一多晶石圭層；在所述第 一多晶矽層上形成第 一光刻膠圖樣以蓋住第一 區域，所述第一區域是PMOS區域和NMOS區i或中的一個；通過使用所述第 一光刻膠圖樣進行蝕刻來移除所述第一 多晶矽層的露出部分，^"又剩下所述第 一 區域中的所述第 一多晶 矽層；移除所述第一光刻膠圖樣；在剩下的第一多晶矽層和所述半導體襯底的整個表面上 形成第二多晶矽層；在所述第二多晶石圭層上形成第二光刻膠圖^=羊，以蓋住所 述第 一 區域並且蓋住和限定與所述第 一 區域不同的第二區域；通過使用所述第二光刻膠圖樣進行蝕刻來移除所述第二 多晶矽層的露出部分，剩下堆疊在所述第一 區域中的所述第一 和第二多晶矽層，並且剩下所述第二區域中的所述第二多晶矽 層；以及移除所述第二光刻膠圖樣。
3. 根據權利要求1所述的器件，其中，所述第一多晶矽層和所述 第二多晶矽層以相同的材料狀態形成。
4. 根據權利要求2所述的方法，其中，以相同的材料狀態形成所 述第一多晶矽層和所述第二多晶矽層。
5. 根據權利要求1所述的器件，其中，所述第一多晶矽層和所述 第二多晶矽層以相同的摻雜狀態形成。
6. 根據權利要求2所述的方法，其中，以相同的摻雜狀態形成所述第一多晶矽層和所述第二多晶矽層。
7. 根據權利要求2所述的方法，其中，使用用於硬掩才莫的薄膜圖 樣來代替所述第二光刻膠圖樣。
8. 根據權利要求2所述的方法，其中，以單層結構和雙層結構中 的一種形成所述第一區i或。
9. 根據權利要求7所述的方法，其中，用於硬掩模的薄膜圖樣的 材料是氧化物薄膜或氮化物薄膜。
10. 根據權利要求9所述的方法，其中，用於硬掩模的薄膜圖樣通 過典型的光刻工藝和後續的蝕刻工藝的組合形成。
11. 根據權利要求1所述的器件，其中，所述第一多晶矽層和所述 第二多晶矽層具有不同的材料狀態。
12. 根據權利要求2所述的方法，其中，以不同的材料狀態形成所 述第一多晶矽層和所述第二多晶矽層。
13. 根據權利要求1所述的器件，其中，所述第一多晶矽層和所述 第二多晶矽層具有不同的摻雜狀態。
14. 才艮據斥又利要求2所述的方法，其中，以不同的摻雜狀態形成所 述第 一多晶矽層和所述第二多晶> 圭層。
15. 根據權利要求2所述的方法，其中，所述第二區域是PMOS 區i或和NMOS區i或中的一個，並以單層結構和雙層結構中的 一種形成。
全文摘要
本發明披露了一種用於形成半導體器件的雙柵電極的方法，本方法可通過簡化分別在PMOS區域和NMOS區域中形成柵電極的工藝來改進位造生產率，並可通過以下方式使兩個柵電極具有不同的厚度和材料狀態來提供性能的改進，即，兩個柵電極中的一個具有單層結構而另一個具有雙層結構的方式。
文檔編號H01L21/70GK101312195SQ20081009329
公開日2008年11月26日 申請日期2008年5月21日 優先權日2007年5月21日
發明者趙殷相 申請人:東部高科股份有限公司