具有非對稱球型凹進柵極的半導體器件及其製造方法

2023-12-10 18:02:37 4

專利名稱：具有非對稱球型凹進柵極的半導體器件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體器件，更具體而言，涉及一種具有非對稱球型 凹進柵極的半導體器件及其製造方法，該半導體器件增大了有效溝道長度 並防止了閾值電壓在柵極之間相互影響下降低。
背景技術：
隨著用於開發半導體器件的設計規則降低到100nm的水平以下，其中 閾值電壓由於溝道長度的減小而迅速降低的短溝道效應變得越發嚴重。因 此，當利用常規的平面電晶體結構獲得半導體器件所需的目標閾值電壓時， 在工藝和器件結構方面必然存在限制。因此，為了克服由短溝道效應引起的問題，在常規技術中公開了具有 凹進柵極的半導體器件。在這樣的常規半導體器件中，首先在矽襯底的區 域上界定凹槽，接著在凹槽中形成柵極從而增大有效溝道長度。此外，在常規技術中公開了在70nm以下的半導體器件的製造期間界定 球型凹槽的技術。與通常的凹進柵極相比，形成在球型凹槽中的凹進柵極 (以下稱為"球型凹進柵極")使得有效溝道長度被進一步增大；並且襯底 的摻雜濃度被進一步減小；漏極誘導勢壘降低("DBIL")特性被進一步改 善。圖1是示出具有球型凹進柵極的常規半導體器件的截面圖。器件隔離 結構102形成在矽襯底101上以劃分(界定)有源區。在有源區的柵極形 成區域中界定球型凹槽Hl,並在^求型凹槽H1中形成球型凹進柵極110。並且，分別在球型凹進柵極110的兩側壁上形成每個都包括由氧化物 層115a和氮化物層115b構成的雙層的柵極間隔壁115。分別在球型凹進柵 極110兩側的矽襯底101的表面上形成源極區域116和漏極區域117。在源 極區域116和漏極區域117上，在包括柵極間隔壁115的球型凹進柵極110 之間的區域上形成著陸插塞(landing plug) 119。在圖l中，附圖標記111至114和118表示柵極氧化物層lll,柵極 多晶矽層112,柵極矽化鴒層113,柵極硬掩模層114以及層間絕緣層118。具有基本平面溝道結構的常規半導體器件相比時，改善了短溝道效應。並 且，因為凹槽的下端具有球形輪廓，所以當與含有其特徵在於垂直輪廓的 通常凹進柵極的半導體器件相比時，有效溝道長度進一步增大。器件提供了某些優點，但也存在許多問題，因為柵極的下端形狀像球，所 以相鄰棚4及的下端之間的間隔減小。因此，在某一單元中的一個柵4及的工 作減小了另 一 柵極的閾值電壓，由此劣化了洩漏電流特性並引起了嚴重的 問題。因而，在採用常規技術中的球型凹進柵極時存在困難。發明內容方法，其能夠防止相鄰柵極之間相互影響下的閾值電壓的降低。此外，本發明涉及一種含有非對稱球型凹進柵極的半導體器件及其制 造方法，其能夠防止相鄰柵極之間相互影響下的閾值電壓的降低，由此確 保預期的洩漏電流特性。在一個實施例中， 一種半導體器件包括矽襯底；形成在所述矽襯底 上以劃分(或界定)有源區的器件隔離結構，所述有源區包含成對的柵極 形成區域、在所述柵極形成區域之間的漏極形成區域和所述柵極形成區域 之外的源極形成區域；形成在所述有源區的每個柵極形成區域中的非對稱 球型凹進4冊極，所述非對稱球型凹進柵極在其面對所述源極形成區域的側 壁的下端部分上具有球形的形狀；以及分別形成在所述非對稱球型凹進柵 極兩側的所述襯底表面上的源極區域和漏極區域。所述半導體器件還包括形成在所述非對稱球型凹進柵極兩側壁上的柵 極間隔壁。所述半導體器件還包括形成在包括所述柵極間隔壁的所述非對稱球型 凹進柵極之間的所述源極區域和漏極區域上的著陸插塞。在另一實施例中， 一種半導體器件的製造方法包括以下步驟在矽襯 底上形成劃分了有源區的器件隔離結構，所述有源區含有成對的柵極形成 區域、在所述柵極形成區域之間的漏極形成區域和所述柵極形成區域之外 的源極形成區域；在包括所述器件隔離結構的所述矽襯底上形成硬掩模，並確保所述硬掩^f莫含有用於暴露所述柵極形成區域的開口 ；通過蝕刻暴露 的柵極形成區域界定第 一 凹槽；在包括所述硬掩模開口的所述第 一 凹槽的 面對所述源極形成區域的側壁上形成間隔壁；通過利用包括所述間隔壁的硬掩模作為蝕刻掩模蝕刻暴露的所述第 一凹槽的底部，在所述第 一凹槽之 下界定第二凹槽；去除所述間隔壁和所述硬掩模；在包括所述第一凹槽和 所述第二凹槽的襯底的表面上形成氧化物層，以暴露所述第二凹槽面對所 述源極形成區域的側壁的下端部分；通過各向同性地蝕刻暴露的所述第二 凹槽側壁的下端部分，界定包括所述第一和第二凹槽的非對稱球型凹槽， 由此形成球型凹槽；去除所述氧化物層；在所述非對稱球型凹槽中形成非 對稱球型凹進柵極；以及在所述非對稱球型凹進柵極兩側的所述襯底的表 面上形成源極區域和漏極區域。所述硬掩模形成為氧化物層和多晶矽層的疊層。所述形成間隔壁的步驟包括以下子步驟在包括所述第 一凹槽的硬掩 模上形成間隔壁層；通過各向異性的蝕刻所述間隔壁層，在包括所述硬掩 模開口的所述第一凹槽的兩側壁上形成間隔壁；在含有形成在包括所述硬掩模開口的所述第一凹槽兩側壁上的間隔壁的所得襯底上形成光致抗蝕劑 圖案，使得通過所述光致抗蝕劑圖案覆蓋形成在所述第一凹槽的面對所述 源極形成區域的側壁上的間隔壁，並暴露形成在所述第一凹槽的面對所述 漏極形成區域的側壁上的間隔壁；去除形成在所述第一凹槽的面對所述漏 極形成區域的側壁上的暴露的間隔壁；以及去除所述光致抗蝕劑圖案。所述形成氧化物層以暴露所述第二凹槽面對所述源極形成區域的側壁 的下端部分的步驟包括以下子步驟隨著去除所述間隔壁和所述硬掩模， 將氧離子斜向注入到所得襯底中，使得所述氧離子僅被注入到除了所述第 二凹槽面對所述源極形成區域的側壁下端部分之外的所得襯底部分中；通 過用於所得襯底的氧化工藝，在包括所述第一和第二凹槽的所述襯底的表 面上形成氧化物層，使得在含有注入的氧離子的所得襯底部分上的所述氧 化物層的厚度大於沒有注入的氧離子的所得襯底部分上的所述氧化物層的 厚度；以及溼法蝕刻所述氧化物層至一厚度，由此去除形成在所述第二凹 槽面對所述源極形成區域的側壁的下端部分上的部分所述氧化物層。以l-50KeV的能量和1E12-5E15離子/cm2的濃度以及1-10°的角度進行 所述氧離子的斜向離子注入。通過利用Cl2、 HBr和CF4氣體進行各向同性蝕刻10-60秒，來實施界 定所述非對稱球型凹槽的步驟。所述形成非對稱球型凹進柵極的步驟包括以下子步驟在包括所述非 對稱球型凹槽的所述襯底的表面上形成柵極絕緣層；在所述柵極絕緣層上 形成第一柵極導電層以填充所述非對稱球型凹槽；平坦化所述第一柵極導 電層的表面；在所述平坦化的第一柵極導電層上順序形成第二柵極導電層 和硬掩模層；以及蝕刻所述硬掩模層、所述第二柵極導電層、所述第一柵 極導電層和所述柵極絕緣層。在實施蝕刻所述硬掩模層、所述第二柵極導電層、所述第一柵極導電 層和所述柵極絕緣層的步驟之後，所述方法還包括形成柵極間隔壁的步驟， 每個柵極間隔壁包括由氧化物層和氮化物層構成的雙層。在實施形成柵極間隔壁的步驟之後，所述方法還包括在所述非對稱球 型凹進柵極之間的所述源極區域和漏極區域上形成著陸插塞的步驟。


圖1是示出具有球型凹進柵極的常規半導體器件的截面圖； 件的截面圖；圖3A至3H是示出根據本發明另 一實施例的具有非對稱球型凹進柵極 的半導體器件的製造方法的截面圖。
具體實施方式
在本發明中，界定了球型凹槽從而增大了有效溝道長度。僅在面對源 極區域的凹槽側壁的下端部分上部分地界定^t型凹槽，由此允許球型凹槽 的非對稱界定。具體而言，由於界定球型凹槽使其不朝向漏極區域突出， 所以相鄰柵極之間的間隔不會減小，由此使本發明中的有效溝道長度增大。本發明還防止了在相鄰柵極之間的相互影響下閾值電壓的變化以及洩漏電 流特性的劣化。圖2是示出根據本發明實施例的具有非對稱球型凹進柵極的半導體器 件的截面圖。
在矽襯底201中形成有器件隔離結構202。器件隔離結構202劃分(或 界定)了有源區，有源區含有一對柵極形成區域、在柵極形成區域之間的 漏極形成區域，以及在柵極形成區域之外的源極形成區域。在有源區的柵 極形成區域中界定非對稱球型凹槽H2,並在非對稱球型凹槽H2中形成非 對稱球型凹進柵極210。與其中下端具有左右對稱形狀的常規球型凹槽不同，根據本發明的每個非對稱球型凹槽H2的下端具有非對稱形狀，因為僅在面對源極形成區域 的側壁上界定球型凹槽。因此，形成在非對稱球型凹槽H2中的凹進柵極 210也具有非對稱結構。非對稱球型凹進柵極210具有疊置結構，該疊置結構包括形成在非對 稱球型凹槽H2的表面上的柵極絕緣層211,填充包括柵極絕緣層211的非 對稱球型凹槽H2的多晶矽層212，形成在多晶矽層212上的矽化鎢層213， 以及形成在矽化物層213上的硬掩;f莫層214。在非對稱球型凹進柵極210兩側的襯底201的表面上形成源極區域216 和漏極區域217。在每個非對稱球型凹進柵極210的兩側壁上形成每個都包 括由氧化物層215a和氮化物層215b構成的雙層的柵極間隔壁215。在包括 柵極間隔壁215的非對稱球型凹進柵極210之間的源極區域216和漏極區 域217上形成著陸插塞219。在圖2中，未說明的附圖標記218表示層間絕 緣層。溝道結構，所以增大了有效溝道長度從而改善了短溝道效應。並且，由於 在面對源極形成區域的每個凹進柵極側壁的下端部分上界定球型凹槽，所 以防止了柵極下端之間的間距減小，由此防止了在相鄰柵極之間的相互影 響下洩漏電流特性的劣化以及閾值電壓的改變。以下，將參照圖3A至3H描述根據本發明另一實施例的具有非對稱球 型凹進柵極的半導體器件的製造方法。參照圖3A，為了界定含有一對柵極形成區域、在柵極形成區域之間的 漏極形成區域和在柵極形成區域之外的源極形成區域的有源區，通過進行 淺溝槽隔離("STI")工藝在矽襯底201上形成器件隔離結構202。在包括 器件隔離結構202的矽襯底201上形成硬掩模203，使得硬掩模203具有用 於暴露有源區的柵極形成區域的開口。例如，硬掩模203形成為氧化物層
和多晶矽層的疊層。通過利用硬掩模203作為蝕刻掩模，蝕刻暴露的有源區的柵極形成區域，界定第一凹槽204。在包括第一凹槽204的硬掩模203上沉積間隔壁氮 化物層205。參照圖3B,各向異性的蝕刻間隔壁氮化物層205，並在包括硬掩模203 的第一凹槽204的兩側壁上分別形成第一間隔壁205a和第二間隔壁205b。 第 一 間隔壁205a形成在面對源極形成區域的第 一 凹槽204的側壁上，第二 間隔壁205b形成在面對漏極形成區域的第 一 凹槽204的側壁上。在於通過第一間隔壁205a和第二間隔壁205b所形成的所得結構的整 個表面上沉積光致抗蝕劑層之後，通過曝光和顯影該光致抗蝕劑層，形成 光致抗蝕劑圖案206 ，使得形成在面對源極形成區域的第 一 凹槽204側壁上 的第一間隔壁205a被光致抗蝕劑圖案206覆蓋，而形成在面對漏極形成區 域的第一凹槽204側壁上的第二間隔壁205b暴露。參照圖3C，通過溼法蝕刻去除沒有被光致抗蝕劑圖案206覆蓋的第二 間隔壁205b，並通過公知的氧等離子體工藝去除用作蝕刻掩模的光致抗蝕 劑圖案206。參照圖3D,利用包括剩餘的第一間隔壁205a的硬掩模203作為蝕刻 掩模，蝕刻暴露的第一凹槽204的下端，在第一凹槽204之下界定第二凹 槽207。之後，去除剩餘的第一間隔壁205a和硬掩模203。將氧離子斜向注入到包括第一凹槽204和第二凹槽207的所得襯底的 表面中，使得氧離子僅被注入到所得襯底的特定部分中，這不包括面對源 極形成區域的第二凹槽207的側壁的下端部分。優選地，以l-50KeV的能 量和1E12-5E15離子/cm"的濃度以及1-10°的角度進行氧離子的斜向離子注 入。參照圖3E,對於包含氧離子的所得襯底進行氧化工藝，並在包括第一 凹槽204和第二凹槽207的襯底的表面上形成氧化物層208。此時，氧化物 層208形成為使得在包含注入的氧離子的所得襯底部分上的氧化物層208 的厚度大於在其中沒有注入氧離子的所得襯底部分上的氧化物層208的厚度。參照圖3F，對於在其包括第一凹槽204和第二凹槽207的表面上形成 有氧化物層208的所得襯底201進行溼法蝕刻。首先，去除形成在面對源
極形成區域的第二凹槽207側壁下端部分上且沒有注入氧離子的氧化物層208的相對細的部分。作為溼法蝕刻的結果，注入有氧離子的氧化物層208 的較厚部分剩餘在襯底201的表面上並具有減小的厚度。參照圖3G,利用例如Cl2、 HBr和CF4氣體各向同性地蝕刻面對源極 形成區域的目前暴露的第二凹槽207的側壁下端部分10-60秒。由此，界定 了包括第一凹槽204和第二凹槽207的非對稱球型凹槽H2,其中球型凹槽 界定在面對源極形成區域的第二凹槽207的側壁下端部分上。參照圖3H,去除剩餘的氧化物層208。在包括非對稱球型凹槽H2的 所得襯底201的表面上形成柵極絕緣層211,在柵極絕緣層211上沉積多晶 矽層212以作為第一柵極導電層，從而填充非對稱球型凹槽H2。通過CMP 工藝平坦化多晶矽層212的表面。在平坦化的多晶矽層212上沉積比如矽 化鴒層213的金屬化層以作為第二導電層，並在矽化鴒層213上沉積包括 氮化物層的硬掩模層214。在硬掩模層214上形成柵極掩模(未示出)。利用該柵極掩模蝕刻硬掩 模層214。接著，順序蝕刻矽化鴒層213、多晶矽層212和柵極絕緣層211， 由此在非對稱球型凹槽H2中形成非對稱球型凹進柵極210。完全去除柵極掩模的同時進行位於柵極掩模之下的層的蝕刻。如果沒 有完全去除柵極掩模，則通過單獨的蝕刻工藝完全去除剩餘的柵極掩模。形成區域的下端部分上界定球型凹槽的結構，所以相鄰柵極的下端之間的 間距不會減小。在包括非對稱球型凹進柵極210的襯底201的整個表面上順序沉積間 隔壁氧化物層和間隔壁氮化物層之後，通過各向異性的蝕刻間隔壁氧化物 層和間隔壁氮化物層，在非對稱球型凹進柵極210的兩側壁上形成柵極間 隔壁215，其每一個都包括由氧化物層215a和氮化物層215b構成的雙層。通過對形成有柵極間隔壁215的所得村底201進行高摻雜雜質離子注 入工藝，在非對稱球型凹進柵極210兩側的襯底201的表面上形成源極區 域216和漏極區域217。在形成有源極區域216和漏極區域217的所得襯底201的整個表面上 沉積層間絕緣層218之後，通過常規的著陸插塞接觸("LPC")工藝，在包 括柵極間隔壁215的非對稱球型凹進柵極210之間的源極區域216和漏極區域217上形成著陸插塞219。之後，儘管在圖中沒有具體示出，但通過順序進行一系列後續工藝來從以上描述中顯而易見的是，界定了本發明中的球型凹槽從而增大了 有效溝道長度。具體而言，僅在面對源極區域的凹槽側壁的下端部分上部 分地界定球型凹槽，由此產生了非對稱球型凹進柵極。因此，在本發明中， 由於有效溝道長度增大且相鄰柵極之間的間隔沒有減小，所以能夠防止由 於相鄰柵極之間相互影響所致的洩漏電流特性的劣化以及閾值電壓的變 化。因而，根據本發明，能夠製造具有優異特性的高度集成的半導體器件。儘管為了說明的目的已經描述了本發明的具體實施例，但本領域技術 人員將會理解，在不偏離權利要求公開的本發明的範圍和精神的前提下， 可以進行各種修改、添加和替換。本申請要求於2006年9月30日提交的韓國專利申請10-2006-0096719的優先權，將其全文引用結合於此。
權利要求
1.一種半導體器件，所述半導體器件具有矽襯底，所述矽襯底具有有源區，所述有源區具有成對的柵極形成區域、在所述柵極形成區域之間的漏極形成區域和在所述柵極形成區域之外的源極形成區域，所述半導體器件包括形成在所述有源區的每個柵極形成區域中的非對稱球型凹進柵極，其中所述非對稱球型凹進柵極的下端朝向所述有源區的源極形成區域彎曲；形成在所述源極形成區域中的一部分所述襯底表面上的源極區域；以及形成在所述漏極形成區域中的一部分所述襯底表面上的漏極區域。
2. 根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述非對稱球型凹進柵極 的下端部分是球形的。
3. 根據權利要求1所述的半導體器件，其中通過至少一個隔離結構界 定所述有源區。
4. 根據權利要求1所述的半導體器件，還包括形成在所述非對稱球型凹進柵極的兩側壁上的柵極間隔壁。
5. 根據權利要求4所述的半導體器件，還包括形成在包括所述柵極間隔壁的非對稱球型凹進柵極之間的所述源極區 域和漏極區域上的著陸插塞。
6. —種半導體器件的製造方法，包括以下步驟在矽襯底中形成劃分了有源區的器件隔離結構，所述有源區含有成對 的柵極形成區域、在所述4冊極形成區域之間的漏極形成區域和所述柵極形 成區域之外的源極形成區域；在包括所述器件隔離結構的所述矽襯底上形成硬掩模，所述硬掩模具 有用於暴露所述柵極形成區域的開口 ；通過蝕刻暴露的柵極形成區域界定第 一 凹槽；在包括所述硬掩模開口的所述第一凹槽的面對所述源極形成區域的側 壁上形成間隔壁；通過利用包括所述間隔壁的硬掩模作為蝕刻掩模，蝕刻暴露的所述第 一凹槽的底部，在所述第一凹槽之下界定第二凹槽； 去除所述間隔壁和所迷硬掩模；在包括所述第一凹槽和所述第二凹槽的所述襯底的表面上形成氧化物層，以暴露所述第二凹槽的面對所述源極形成區域的側壁的下端部分；通過各向同性地蝕刻暴露的所述第二凹槽的側壁的下端部分，界定包括所述第一凹槽和第二凹槽的非對稱球型凹槽，由此形成球型凹槽； 去除所述氧化物層；在所述非對稱球型凹槽中形成非對稱球型凹進柵極；以及 漏才及區域。
7. 根據權利要求6所述的方法，其中所述硬掩模形成為氧化物層和多 晶矽層的疊層。
8. 根據權利要求7所述的方法，其中所述形成間隔壁的步驟包括 在包括所述第一凹槽的硬掩模上形成間隔壁層；通過各向異性的蝕刻所述間隔壁層，在包括所述硬掩模開口的所述第 一凹槽的兩側壁上形成間隔壁；在具有形成在包括所述硬掩模開口的所述第 一凹槽兩側壁上的間隔壁 的所得襯底上形成光致抗蝕劑圖案，使得通過所述光致抗蝕劑圖案覆蓋形 成在所述第一凹槽的面對所述源極形成區域的側壁上的間隔壁，並暴露形 成在所述第 一 凹槽的面對所述漏極形成區域的側壁上的間隔壁；去除形成在所述第一凹槽的面對所述漏極形成區域的側壁上的暴露的 間隔壁；以及去除所述光致抗蝕劑圖案。
9. 根據權利要求7所述的方法，其中所述形成氧化物層以暴露所述第 二凹槽面對所述源極形成區域的側壁的下端部分的步驟包括隨著去除所述間隔壁和所述硬掩模，將氧離子斜向注入到所得襯底中， 使得所述氧離子僅被注入到除了所述第二凹槽面對所述源極形成區域的側 壁下端部分之外的所得襯底部分中；通過對含有注入的氧離子的所得襯底進行氧化工藝，在包括所述第一 凹槽和第二凹槽的所述襯底的表面上形成氧化物層，使得在含有所述注入的氧離子的所得襯底的一部分上的所述氧化物層的厚度大於不含有所述注 入的氧離子的所得襯底的另 一部分上的所述氧化物層的厚度；以及溼法蝕刻所述氧化物層至一厚度，從而去除形成在所述第二凹槽面對 所述源極形成區域的側壁的下端部分上的部分所述氧化物層。
10. 根據權利要求9所述的方法，其中以l-50KeV的能量和1E12-5E15 離子/cm2的濃度以及1-10°的角度進行所述氧離子的斜向離子注入。
11. 根據權利要求7所述的方法，其中以利用Cl2、 HBr和CF4氣體進 行10-60秒各向同性蝕刻的方式，來實施界定所述非對稱球型凹槽的步驟。
12. 根據權利要求7所述的方法，其中所述形成非對稱球型凹進柵極 的步驟包括在包括所述非對稱球型凹槽的所述襯底表面的一部分上形成柵極絕緣層；在所述柵極絕緣層上形成第一柵極導電層以填充所述非對稱球型凹槽；平坦化所述第 一柵極導電層的表面；在所述平坦化的第 一柵極導電層上順序形成第二柵極導電層和硬掩模層；以及蝕刻所述硬掩模層、所述第二柵極導電層、所述第一柵極導電層和所 述柵極絕糹彖層。
13. 根據權利要求12所述的方法，還包括以下步驟 在執行蝕刻所述硬掩模層、所述第二柵極導電層、所述第一柵極導電層和所迷柵極絕緣層的步驟之後，形成柵極間隔壁。
14. 根據權利要求13所述的方法，其中所述柵極間隔壁包括由氧化物 層和氮化物層構成的雙層。
15. 根據權利要求13所述的方法，還包括以下步驟 在執行形成所述柵極間隔壁的步驟之後，在所述非對稱球型凹進柵極之間的所述源極區域和漏極區域上形成著陸插塞。
全文摘要
本發明公開了一種半導體器件及其製造方法，該半導體器件包括矽襯底；形成在所述矽襯底中以劃分有源區的器件隔離結構，所述有源區包含一對柵極形成區域、在所述柵極形成區域之間的漏極形成區域和所述柵極形成區域之外的源極形成區域；形成在所述有源區的每個柵極形成區域中的非對稱球型凹進柵極，所述非對稱球型凹進柵極在其面對所述源極形成區域的側壁的下端部分上具有球形的形狀；以及，分別形成在所述非對稱球型凹進柵極兩側的所述襯底表面上的源極區域和漏極區域。
文檔編號H01L29/423GK101154680SQ20071000589
公開日2008年4月2日 申請日期2007年2月28日 優先權日2006年9月30日
發明者金經都 申請人:海力士半導體有限公司