兼容自對準孔和表面溝道的金-氧-半場效應管的柵極膜結構及其製造方法
2023-10-19 01:29:57
專利名稱：兼容自對準孔和表面溝道的金-氧-半場效應管的柵極膜結構及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種集成電路製造技術。
背景技術：
隨著半導體集成電路晶片中器件的集成度越來越高，其中常用的金屬-氧化物-半導體場效應管(MOSFET)的尺寸將進一步縮小，且要求更低的工作電壓及更大的驅動電流。為縮小器件尺寸，降低成本，業界常常採用所謂的「自對準通孔」(SAC)的方法；而對降低工作電壓，提高驅動電流，尤其是P型溝道的MOS管，則需要用到表面溝道(surfacechannel)器件。但是，當二者結合起來的時候，對於柵極結構及工藝將會有特殊的要求:I)在柵極多晶矽刻蝕之前進行多晶矽N型與P型摻雜。2) N型多晶矽與P型多晶矽必須通過金屬或者金屬矽化物相連，以保證CMOS以及SRAM的正常工作。3)在後續的熱過程中，必須有效控制P型多晶矽的重摻雜離子硼(B)向金屬或者金屬矽化物的擴散，否則會引起P型多晶矽的耗盡以及與金屬或金屬矽化物的非歐姆接觸。4)由於前段工藝中引入金屬或金屬矽化物，必須有效控制工藝之間的交叉汙染。因此，要同時達到以上2個目標，必須引入新的多晶矽柵極膜層結構。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種兼容自對準孔和表面溝道的金-氧-半場效應管的柵極膜結構，它可以同時兼容SAC和表面溝道的工藝，縮小器件尺寸，降低工作電壓，提聞驅動電流，提聞晶片整體性能。為了解決以上技術問題，本發明提供了一種兼容自對準孔和表面溝道的金-氧-半場效應管的柵極膜結構，在矽襯底上依次包括以下的薄膜結構:柵極氧化膜、柵極多晶矽、金屬鈦以及氮化鈦或者氮化鎢、金屬矽化物、自對準通孔用氮化矽；上述一系列膜整體構成MOSFET柵極膜層，亦即柵極層最終的圖形縱向結構。本發明的有益效果在於:可以同時兼容SAC和表面溝道的工藝，從而既進一步縮小了器件尺寸，又降低了工作電壓，提高了驅動電流，從而提高晶片整體性能。所述金屬矽化物是矽化鎢。本發明還提供了上述兼容自對準孔和表面溝道的金-氧-半場效應管的柵極膜結構的製造方法，柵極多晶矽層採用低壓化學氣相沉積，在NMOS區域P為N型飽和摻雜，在PMOS區域為P型飽和摻雜，這樣兩種MOS都可形成表面溝道。金屬鈦以及氮化鈦或者氮化鎢採用物理氣相沉積。金屬矽化物層既可採用物理氣相沉積，又能採用化學氣相沉積。金屬矽化物層厚度為500 1000埃。
頂層氮化矽採用化學氣相沉積，，和之後形成的氮化矽側牆共同形成自對準通孔。所述頂層氮化矽厚度為1000 2000埃。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。
圖1是在矽襯底上形成所需柵極層膜結構的示意圖2是利用光刻和蝕刻形成柵極圖形的示意圖3是採用快速熱氧化的方法在多晶矽表面形成修復氧化膜的示意圖4是用化學氣相沉積的方法形成覆蓋於柵極圖形結構表面的側牆氮化矽層的示意圖5是用蝕刻的方法形側牆氮化矽，完成最終柵極圖形的示意圖。
圖中附圖標記說明:
I為頂層氮化矽(top SiN)，2為金屬矽化物(MSix，通常是矽化鎢)，3為鈦以及氮化鈦(TI/TIN)，4為N型多晶矽(N+poly)，5為P型多晶矽(P+poly)，6為柵極氧化矽(gateoxide), 7 為 P 講(P well), 8 為 N 講(N well), 9 為修復氧化膜(protect oxide), 10 為側牆氮化娃(spacer SiN)。
具體實施方式
為了突破目前的技術瓶頸，本發明提出了一種新型的MOSFET的柵極膜結構，可以同時兼容SAC和表面溝道的工藝，從而既進一步縮小了器件尺寸，又降低了工作電壓，提高了驅動電流，從而提聞晶片整體性能。
此結構從下而上依次為矽半導體-柵極氧化矽-柵極多晶矽-柵極鈦以及氮化鈦-柵極金屬矽化物-氮化矽，其中對於柵極多晶矽而言，N型溝道MOS為N型摻雜，P型溝道MOS為P型摻雜。採用此種結構，既實現了 N/PM0S管的表面溝道，又能滿足足夠大的驅動電流，同時兼容自對準孔所需要的氮化矽膜，從而提高了晶片的整體性能。
採用本發明的的柵極膜層結構，在柵極多晶矽刻蝕之前分別進行多晶矽N型與P型摻雜，使得表面溝道N/PM0S管的形成成為可能；金屬鈦以及氮化鈦(或者氮化鎢)的物理氣相沉積，其既能降低柵極多晶矽與金屬矽化物的接觸電阻，又能阻擋P型多晶矽的重摻雜離子硼(B)向金屬或者金屬矽化物中的擴散；金屬矽化物的存在，則不僅順利連接N型多晶矽與P型多晶矽，使CMOS以及SRAM得以正常工作，更為重要的是其相比金屬較低的汙染特性使得大規模量產的交叉汙染更為容易控制；最頂層的氮化矽膜則使得自對準孔能夠最終得以實現，從而縮小了器件的尺寸。正是以上的新柵極結構，才能使得我們的2個目標得以實現。
1、如圖1所示，採用熱氧化的方法在矽襯底(substrate)上形成柵極氧化矽(gateoxide)；
2、採用低壓化學氣相沉積法沉積多晶娃膜(poly silicon)；
3、對NMOS和PMOS區域分別進行N+和P+離子注入,離子注入要飽和；
4、採用物理氣相沉積形成鈦以及氮化鈦(TI/TIN)；
5、採用物理或者化學氣相沉積形成金屬矽化物(MSix)；
6、採用化學氣相沉積方法形成頂層氮化矽(top SiN)；7、如圖2所示，光刻和蝕刻定義柵極層圖形結構；8、如圖3所示,快速熱氧化在多晶娃表面形成修復氧化膜(protect oxide)保護柵極結構；9、如圖4所示，採用化學氣相沉積方法形成側牆(spacer)氮化矽；10、如圖5所示，蝕刻形成側牆，完成柵極圖形。本發明並不限於上文討論的實施方式。以上對具體實施方式
的描述旨在於為了描述和說明本發明涉及的技術方案。基於本發明啟示的顯而易見的變換或替代也應當被認為落入本發明的保護範圍。以上的具體實施方式
用來揭示本發明的最佳實施方法，以使得本領域的普通技術人員能夠應用本發明的多種實施方式以及多種替代方式來達到本發明的目的。
權利要求
1.一種兼容自對準孔和表面溝道的金-氧-半場效應管的柵極膜結構，其特徵在於，在矽襯底上依次包括以下的薄膜結構: 柵極氧化膜、柵極多晶矽、金屬鈦以及氮化鈦或者氮化鎢、金屬矽化物、自對準通孔用氮化矽； 上述一系列膜整體構成MOSFET柵極膜層，亦即柵極層最終的圖形縱向結構。
2.如權利要求1所述的兼容自對準孔和表面溝道的金-氧-半場效應管的柵極膜結構，其特徵在於，所述金屬矽化物是矽化鎢。
3.如權利要求1所述的兼容自對準孔和表面溝道的金-氧-半場效應管的柵極膜結構的製造方法，其特徵在於，柵極多晶矽層採用低壓化學氣相沉積，在NMOS區域P為N型飽和摻雜，在PMOS區域為P型飽和摻雜，這樣兩種MOS都可形成表面溝道。
4.如權利要求3所述的兼容自對準孔和表面溝道的金-氧-半場效應管的柵極膜結構的製造方法，其特徵在於，金屬鈦以及氮化鈦或者氮化鎢採用物理氣相沉積。
5.如權利要求4所述的兼容自對準孔和表面溝道的金-氧-半場效應管的柵極膜結構的製造方法，其特徵在於，金屬矽化物層既可採用物理氣相沉積，又能採用化學氣相沉積。
6.如權利要求5所述的兼容自對準孔和表面溝道的金-氧-半場效應管的柵極膜結構的製造方法，其特徵在於，金屬矽化物層厚度為500 1000埃。
7.如權利要求5所述的兼容自對準孔和表面溝道的金-氧-半場效應管的柵極膜結構的製造方法，其特徵在於，頂層氮化矽採用化學氣相沉積，，和之後形成的氮化矽側牆共同形成自對準通孔。
8.如權利要求7所述的兼容自對準孔和表面溝道的金-氧-半場效應管的柵極膜結構的製造方法，其特徵在於，所述頂層氮化矽厚度為1000 2000埃。
全文摘要
本發明公開了一種兼容自對準孔和表面溝道的金-氧-半場效應管的柵極膜結構及其製造方法，在矽襯底上依次包括以下的薄膜結構柵極氧化膜、柵極多晶矽、金屬鈦以及氮化鈦或者氮化鎢、金屬矽化物、自對準通孔用氮化矽；上述一系列膜整體構成MOSFET柵極膜層，亦即柵極層最終的圖形縱向結構。本發明可以同時兼容SAC和表面溝道的工藝，從而既進一步縮小了器件尺寸，又降低了工作電壓，提高了驅動電流，從而提高晶片整體性能。
文檔編號H01L21/28GK103137672SQ20111038288
公開日2013年6月5日 申請日期2011年11月25日 優先權日2011年11月25日
發明者劉劍, 熊濤, 孫堯, 羅嘯, 陳瑜, 陳華倫 申請人:上海華虹Nec電子有限公司