CN101393892A

CN101393892A - 半导体器件的制造方法

Info

Publication number: CN101393892A
Application number: CNA2007100463145A
Authority: CN
Inventors: 刘焕新
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2007-09-20
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2027-09-20
Also published as: CN101393892B

Abstract

公开了一种半导体器件的制造方法，包括：提供一半导体衬底，所述衬底中具有浅沟槽隔离结构；在所述衬底上形成栅极结构，所述栅极结构由所述浅沟槽隔离结构进行隔离；在具有所述栅极结构的衬底表面沉积氧化硅层；在所述氧化硅层表面沉积氮化硅层；利用等离子刻蚀工艺刻蚀所述氮化硅层；利用氢氟酸湿法刻蚀所述氧化硅层；利用瞬态氮气保护高温退火工艺对所述衬底表面进行处理，以去除氢氟酸湿法刻蚀过程中形成的硅的氟化物。本发明的半导体器件的制造方法，能够将形成栅极侧壁(offset spacer)时在衬底表面产生的硅氟化物去除并且不会造成衬底表面硅的流失。

Description

半导体器件的制造方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种半导体器件的制造方法。

背景技术

随着半导体制造技术的飞速发展，半导体器件的特征尺寸(CD)已经进入深亚微米阶段。为了得到更快的运算速度、更大的数据存储量以及更多的功能，半导体集成电路不断向更高的元件密度、高集成度方向发展。作为集成电路基本单元的金属氧化物半导体器件(MOS)的栅极长度变得越来越短，相应地栅极下方的沟道长度变得较以往更短。为了避免短沟效应，目前采用轻掺杂漏极(LDD)结构，也称为延伸掺杂，形成超浅结。

图1为说明现有金属氧化物半导体器件结构的剖面图。如图1所示，在半导体衬底10中形成浅沟槽(STI)隔离结构之后，在半导体衬底10表面沉积多晶硅，并刻蚀所述多晶硅形成栅极11、12和13。随后在衬底表面沉积氧化硅层和氮化硅层，上述氧化硅层和氮化硅覆盖衬底10表面和栅极11、12和13的侧壁和表面。通过等离子刻蚀工艺刻蚀上述氮化硅层，由于等离子刻蚀为各向异性刻蚀，因此衬底10表面和栅极11、12和13表面的氮化硅层被刻蚀掉，而栅极11、12和13侧壁的氮化硅层被保留。随后利用氢氟酸湿法刻蚀衬底10和栅极11、12和13表面的氧化硅层，从而在栅极11、12和13的侧壁形成由氧化硅和氮化硅组成的侧壁层(offset spacer)14。然而在利用氢氟酸湿法刻蚀衬底10和栅极11、12和13表面的氧化硅层时，氢氟酸会与衬底10表面的硅反应生成难溶的硅的氟化物15。如果在具有该硅的氟化物15的衬底10表面涂布光刻胶16，如图2所示，与硅的氟化物15接触的光刻胶会发生化学性质的变化，那么在随后的曝光、显影等光刻工艺之后，性质变性的光刻胶会无法显影，从而产生光刻胶残留17，如图3所示。在后续向的栅极11、12和13两侧的衬底中注入P型杂质离子或N型杂质离子形成轻掺杂区的过程中，光刻胶残留17会严重影响离子注入范围的控制精度。

申请号为02130218.9的中国专利申请文件公开了一种光刻胶残留物的去除方法，该方法如图4所示，利用氧气等离子体18对衬底10表面的硅的氟化物15进行灰化处理，其原理是利用活性很高的氧离子对轰击并氧化硅的氟化物15使其分解。但是，由于氧气等离子体的氧化能力非常高，在氧化硅的氟化物15的同时，也极易将衬底10表面的硅进行氧化，造成衬底10表面硅的流失，形成如图5所示的凹陷19。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体器件的制造方法，能够将形成栅极侧壁(offset spacer)时在衬底表面产生的硅氟化物去除并且不会造成衬底表面硅的流失。

一方面，提供了一种半导体器件的制造方法，包括：

提供一半导体衬底，所述衬底中具有浅沟槽隔离结构；

在所述衬底上形成栅极结构，所述栅极结构由所述浅沟槽隔离结构进行隔离；

在具有所述栅极结构的衬底表面沉积氧化硅层；

在所述氧化硅层表面沉积氮化硅层；

利用等离子刻蚀工艺刻蚀所述氮化硅层；

利用氢氟酸湿法刻蚀所述氧化硅层；

利用瞬态氮气保护高温退火工艺对所述衬底表面进行处理，以去除氢氟酸湿法刻蚀过程中形成的硅的氟化物。

所述瞬态氮气保护高温退火工艺的温度为900～1000℃。

所述退火工艺的持续时间为2～3秒。

所述栅极结构为MOS晶体管的栅极结构。

所述MOS晶体管为NMOS晶体管或PMOS晶体管。

另一方面，提供了一种半导体器件的制造方法，包括：

提供一半导体衬底，所述衬底中具有浅沟槽隔离结构；

在具有所述栅极结构的衬底表面沉积氧化硅层；

在所述氧化硅层表面沉积氮化硅层；

利用等离子刻蚀工艺刻蚀所述氮化硅层；

利用氢氟酸湿法刻蚀所述氧化硅层；

利用瞬态氮气保护高温退火工艺对所述衬底表面进行处理，以去除氢氟酸湿法刻蚀过程中形成的硅的氟化物；

形成轻掺杂区离子注入光刻胶掩膜；

向所述栅极结构两侧的衬底中注入杂质离子。

所述瞬态氮气保护高温退火工艺的温度为900～1000℃。

所述瞬态高温退火工艺的持续时间为2～3秒。

所述栅极结构为MOS晶体管的栅极结构。

所述MOS晶体管为NMOS晶体管或PMOS晶体管。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

在栅极侧壁形成用于轻掺杂区离子注入的侧壁层(offset spacer)之后，本发明的方法采用瞬态退火的工艺方法，将表面具有硅的氟化物的半导体衬底放入反应室中，向反应室内通入氮气，使反应室中的气氛为氮气气氛。然后进行加热操作，将半导体衬底温度达到900～1000℃的高温，持续2～3秒。在这种高温瞬态退火过程中，硅的氟化物在高温下受热分解为气态从而被去除。氮气气氛起到了保护衬底表面的硅不被氧化的作用，而且退火时间非常短暂，因此不会对衬底表面的硅造成破坏。本发明的方法在有效去除衬底表面硅氟化物的同时不会在衬底表面产生凹陷，从而使后续轻掺杂区离子注入工艺不会受到影响，提高了工艺可靠性。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。在附图中，为清楚明了，放大了层和区域的厚度。

图1至图5为说明现有技术问题的器件剖面示意图；

图6至图10为说明根据本发明半导体器件制造方法实施例的器件剖面示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的优选具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

图6至图10为说明根据本发明半导体器件制造方法实施例的器件剖面示意图。如图6所示，衬底100可以包括半导体元素，例如单晶、多晶或非晶结构的硅或硅锗(SiGe)，也可以包括混合的半导体结构，例如碳化硅、锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓或锑化镓、合金半导体或其组合；也可以是绝缘体上硅(SOI)。此外，半导体衬底还可以包括其它的材料，例如外延层或掩埋层的多层结构。虽然在此描述了可以形成衬底100的材料的几个示例，但是可以作为半导体衬底的任何材料均落入本发明的精神和范围。然后，在半导体衬底100中形成STI隔离沟槽150，以衬底100上定义出有源区域。

在半导体衬底100表面沉积栅极氧化层和多晶硅层，利用光刻胶图形作为掩膜刻蚀上述多晶硅和氧化层形成栅极110、120和130。栅极的材料可为结晶的多晶硅、多晶硅锗、金属硅化物(例如钛硅化物、钴硅化物、镍硅化物、钽硅化物等)、导电金属氧化物、导电金属氮化物(例如钛化氮、钽化氮)、金属(例如钽、钛、钼、钨、铂、铝、铪、钌等)或其组合。栅极介质层可以是氧化硅(SiO2)或氮氧化硅(SiNO)。在65nm以下工艺节点，栅极的特征尺寸很小，栅极氧化层的材料优选为高介电常数(high k)材料。可以作为形成高介电常数栅极电介质层的材料包括氧化铪、氧化铪硅、氮氧化铪硅、氧化镧、氧化锆、氧化锆硅、氧化钛、氧化钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛、氧化铝等。特别优选的是氧化铪、氧化锆和氧化铝。

然后，执行一炉管(furnace)热氧化工艺在衬底100表面沉积一层覆盖栅极侧壁和表面的氧化层，厚度为15～30

。并继续利用炉管(furnace)热氮化工艺在上述氧化硅表面沉积氮化硅层。随后执行一等离子刻蚀工艺，刻蚀上述氮化硅层，由于等离子刻蚀具有很好的刻蚀方向性，因此衬底100和栅极表面的氮化硅层被刻蚀掉，而保留了栅极侧壁的氮化硅层。接着利用100：1的氢氟酸(HF)湿法去除衬底和栅极表面的氧化硅层。从而在栅极110、120和130侧壁形成了由氧化硅和氮化硅组成的侧壁(offset spacer)。

由于衬底100表面的上述氧化硅层的厚度非常薄，只有15～30，氢氟酸会与衬底100表面的硅发生反应，生成难溶的硅的氟化物155黏结于衬底100的硅材料表面。在接下来的工艺步骤中，根据本发明实施例的半导体器件制造方法将具有硅的氟化物155的半导体衬底100置于反应室中，然后向反应室中通入氮气，通入氮气的流量为1200～1500sccm，以使反应室内部尽快形成氮气的气氛。随后，对衬底100进行热退火。根据本发明，热退火过程为瞬态热退火，退火的过程如图7所示。以每秒50～200℃的梯度升温率对衬底100进行加热，本实施例优选为950℃，进行持续时间为2～3秒、本实施例优选为2秒的瞬态热退火。随后进行降温，并将残留气体抽出。当温度达到950℃左右时，持续2秒的瞬态热退火使硅的氟化物155中的有机物和无机物因受热逐渐分解并气化，氮气的保护作用使衬底100表面的硅材料不会受到损伤出现凹陷现象，如图8所示。这一过程可以用下式表示：

XY+N2(950℃)→X+Y+N2

式中，XY为硅的氟化物155的示意结构。其中的有机物和/或无机物XY在950℃的高温下分解而气化，由真空系统抽出反应室，从而实现了硅的氟化物155的去除。而且，氮气的保护作用不会破坏半导体衬底100表面的硅材料。

然后，如图9所示，在衬底100表面利用旋涂工艺涂布光刻胶160。该层光刻胶160的作用是用于后续轻掺杂区离子注入形成光刻胶掩膜。通过曝光、显影、烘焙等工艺，形成光刻胶图形。光刻胶图形由覆盖栅极110、120和130，以及STI隔离沟槽150的光刻胶160组成，如图10所示。上述由光刻胶160组成的光刻胶图形覆盖MOS晶体管的栅极110、120和130以及STI隔离沟槽表面，而暴露出源、漏极的轻掺杂区域。

在对光刻胶进行曝光、显影等工艺步骤之后，通常需要利用碱性溶液例如SC1，对显影后的光刻胶残留物进行清洗。随后通过离子注入工艺，在栅极110、120和130两侧衬底的源漏区中注入n型杂质离子，例如磷、砷或锑，或p型杂质离子，例如硼，形成轻掺杂区LDD。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1、一种半导体器件的制造方法，包括:

提供一半导体衬底，所述衬底中具有浅沟槽隔离结构；

在具有所述栅极结构的衬底表面沉积氧化硅层；

在所述氧化硅层表面沉积氮化硅层；

利用等离子刻蚀工艺刻蚀所述氮化硅层；

利用氢氟酸湿法刻蚀所述氧化硅层；

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于:所述瞬态氮气保护高温退火工艺的温度为900～1000℃。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于:所述退火工艺的持续时间为2～3秒。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于:所述栅极结构为MOS晶体管的栅极结构。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于:所述MOS晶体管为NMOS晶体管或PMOS晶体管。

6、一种半导体器件的制造方法，包括:

提供一半导体衬底，所述衬底中具有浅沟槽隔离结构；

在具有所述栅极结构的衬底表面沉积氧化硅层；

在所述氧化硅层表面沉积氮化硅层；

利用等离子刻蚀工艺刻蚀所述氮化硅层；

利用氢氟酸湿法刻蚀所述氧化硅层；

形成轻掺杂区离子注入光刻胶掩膜；

向所述栅极结构两侧的衬底中注入杂质离子。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于:所述瞬态氮气保护高温退火工艺的温度为900～1000℃。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于:所述瞬态高温退火工艺的持续时间为2～3秒。

9、如权利要求6所述的方法，其特征在于:所述栅极结构为MOS晶体管的栅极结构。

10、如权利要求9所述的方法，其特征在于:所述MOS晶体管为NMOS晶体管或PMOS晶体管。