經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 406607 A7 5 830twf.doc/008 B7 五、發明說明（f ) 本發明是有關於一種半導體積體電路元件的製造方法， 且特別是有關於一種金屬閘極的製造方法。 在積體電路的製程中，金氧半場效電晶體的品質對半導 體元件的品質有決定性的影響。其中，電晶體之閘極的導 電性更是電晶體之品質的一項重要因素。其中，由於多晶 石夕閘極具有許多缺點，包括多晶砍間極的缺乏(Depletion) 現象，此現象會使得元件之效能下降。 傳統上，在多晶矽層中會摻雜雜質（比如爲砷、磷等)以 增加其導電性。然而，以此摻雜之多晶矽作爲閘極時，當 在閘極施加一電壓，這時在多晶矽閘極與介電層接觸之界 面，會產生感應電荷，而使得在此區域摻雜之雜質與感應 電荷互相抵消，形成一缺乏區（Depletion Region)。 缺乏區可視爲介電層之延伸，而缺乏區的形成，造成介 電層厚度的增加，降低了元件之效能。而且隨著施加之電 壓(V)的不同，此缺乏區之厚度亦隨之改變，這種現象造 '成電容器之電壓常數(Voltage Coefficient，l/C(dC/dV))隨施 加電壓不同而變化，影響元件之穩定性。 而且，多晶矽層的阻値較高，亦限制了操作之速度，無 法應用於更高速的操作領域之中。故在線寬爲〇·1微米的 積體電路製程中，具有阻値小且不需以雜質佈植來增加其 導電性及不具缺乏區等優點的金屬閘極(Metal Gate)已經被 廣泛的採用。 金屬閘極由於阻値小且其不需要再額外雜質佈植以增加 其導電性，故現已廣泛應用於金氧半導體作爲閘極。而金 4 I-----1----- —t--------訂· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x 297公釐） 466607 Λ7 B7 5 830twf,doc/008 五、發明說明（1/) tt 1 n n I— n 1 I > n 一 5、 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 屬鎢是廣泛作爲閘極的材料之一，其通常是以電漿或雷射 加強式化學氣相沈積法或是以物理濺鍍法形成的。然而， 電漿或雷射加強式化學氣相沈積之過程中不易控制被電漿 或雷射撞擊之金屬原子落點且會有其他具能量雜質掉落閘 極中，使閘極氧化層之品質變差且閘極阻値提高。低壓化 學氣相沈積法雖可避免電漿或雷射加強式化學氣相沈積法 造成閘極氧化層之品質變差且閘極阻値提高的缺點，怛其 無法使金屬鎢在低溫時沈積於閘極氧化層上，其形成的溫 度通常都高於350°c，在製程上不方便。此外，當金屬閘 極形成之後，常致使製程溫度受限於金屬材質的低熔點特 性而在在製程上造成許多不便。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 金氧半電晶體是目前VLSI技術裡最重要的一種基本的 電子元件’係由金屬、氧化物以及半導體三種材質分別形 成之薄膜層依序堆疊所組成。而在現今所普遍使用的金氧 半電晶體元件中，矽是最主要的半導體來源；氧化層，則 主要是氧化矽所形成；至於金屬，雖有應用廣爲半導體元 件所使用的鋁以做爲金屬之材質，但是由於製程上的一些 因素’例如’在0.25μιη製程以下，鋁層的圖案定義困難 以及形成鋁層的後續高溫製程中所造的之問題，使得鋁並 不用來作爲金氧半電晶體元件的金屬層材料；而其他大多 數的金屬材料’則因爲對氧化矽的附著能力不佳的緣故， 使得現在的製程中並不採用金屬層，而選用與氧化矽附著 性極佳’且與製程相符合之複晶矽以取代金屬層。但是使 用複晶砂將衍生一個問題，即使複晶矽經過摻雜，其阻値 5 本紙5艮尺/艾逋m f囤图豕标準<CNS)A4覘格（21〇 χ 297公 660 7 B7
5830t\vf.doc/〇〇S 五、發明說明（乃） --------—--— —裝--- itf先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 仍太高，並不適合作爲金氧半電晶體的金屬層之用。解決 的方法是在複晶矽上’再形成一層金屬矽化物（Metal Silicide)，以降低整個由複晶矽與金屬矽化物所形成之多 晶矽化金屬(Polycide)閘極的電阻値。 然而，當積體電路的積集度增加’金氧半電晶體閘極線 寬縮減至次微米（Submicron)時，上述之習知製程將造成高 的閘極阻値（High Gate Resistance)、閘極穿遂漏電（Gate Tunnel Leakage)以及複晶砂閛極的空乏（Poly Gate Deplection)等現象，而導致金氧半電晶體執行效能 (Performance)下降的問題。 第1A圖至第1C圖係繪示習知長通道鋁金屬閘極的製 造流程剖面示意圖。 首先，請參照第1A圖’在所提供的一基底100，例如， 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 P型矽基底，上形成有一井區1〇2與絕緣隔離區1〇4。其 中，絕緣隔離區104可以局部氧化法（Local Oxidation of Silicon，LOCOS)形成場氧化區104 ;或選擇以淺溝渠隔離 法（Shallow Trench Isolation，STI)，於基底中蝕刻形成一 溝渠之後，再以化學氣相沈積法（Chemical Vapor Deposition，CVD)將氧化物塡入於溝渠的方式形成淺溝渠 隔離區104,用以絕緣隔離相鄰之金氧半導體元件。續於 基底100上形成一暴露出預定形成源極/汲極區域之罩幕 層106。接著，進行離子植入步驟，形成源極/汲極區1〇8， 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 x 297公釐） η 60 1 5830twf.doc/008 ΛΤ Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印*J5i 五、發明說明（k ) 以定義金氧半場效電晶體之通道區。 然後’請參照第1B圖’於基底1〇〇上利用熱氧化法形 成閘氧化層Π0。其後，再於基底100上形成一層鋁金屬 層112’覆蓋基底100與絕緣隔離區104。其中，鋁金屬 層Π2的形成方法包括物理氣相沈積法。 之後，請參照第1C圖，定義鋁金屬層n2以形成鋁閘 極112a’且剝除部分閘氧化層11〇’以形成閘氧化層110a， 而完成長通道鋁閘極元件之製作。 由於源極/汲極區108係在閘氧化層11〇生成之前早已 形成，因此爲了避免源極/汲極區108因後續的熱氧化而 產生較大的橫向擴散(Lateral Diffusion)現象，造成通道長 度縮短，影響元件操作的問題，所以此金氧半電晶體的通 道必須較長，一般爲3μπι以上。 然而’隨著半導體元件積集度的增高，半導體元件之線 寬與圖案亦逐漸減小，其意味著通道長度也要隨之縮短^ 因此在深次微米的半導體製程中，閘氧化層須在源極/汲 極區形成之前先生成，以避免源極/汲極因熱氧化而發生 橫向擴散現象，致使通道長度縮短，影響元件操作特性。 所以，習知另一種製造金屬閘極的方法是在具有淺溝渠隔 離結構的基底上形成具有閘極開口的介電層，再於聞極開 口中塡入導體，以作爲閘極。其中，形成具有閘極開口之 介電層的方法是先形成虛擬閘極，再形成介電層全面覆蓄 基底與虛擬閘極。之後，以化學機械硏磨法平坦化介電層 至暴露出虛擬閘極，再移除虛擬閘極，以於介電層中形成 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I----J----- -t--------訂· (請先M讀背面之注咅？事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印*11衣
4 6 6 6 0 T 583〇twf.doc/008 五、發明說明（k ) 閘極開口。接著，於閘極開口中塡入金屬層，以形成一金 屬閘極。而爲了詳細描述起見，請參照第2A圖至第2C 圖，其所繪示的是習知一種金屬閘極的製造流程剖面示意 圖。 首先，請參照第2A圖，在所提供的一基底200，例如， P型矽基底，上形成有一井區202與絕緣隔離區204。其 中，絕緣隔離區204可以淺溝渠隔離法，於基底中蝕刻形 成一溝渠之後，再以化學氣相沈積法將氧化物塡入於溝渠 的方式形成淺溝渠隔離區204,用以絕緣隔離相鄰之金氧 半導體元件。續於基底200上形成一閘極結構209，其中 該閘極結構209包括一利用熱氧化法所形成之閘氧化層 206，以及一複晶矽層208。 接著，以閘極結構209爲植入罩幕，進行一離子植入步 驟，以在閘極結構209兩側之基底200中形成一淺摻雜源 極/汲極區。然後，在閘極結構209側壁形成間隙壁210。 續以閘極結構209與間隙壁210爲植入罩幕，進行一離子 植入步驟，以在閘極結構209兩側之基底200中形成一重 摻雜源極/汲極區。其中，淺摻雜源極/汲極區和重摻雜源 極/汲極區共組成源極/汲極區212。 請參照第2B圖，於基底200上形成一內介電層(Inter-Layer Dielectrics ; ILD) 後 ，續以化學機械硏磨法平坦化之， 以形成表面高度與複晶矽層208表面高度相等之內介電層 214 ° 請參照第2C圖，去除複晶矽層208，以暴露出閘氧化
S I----------- -t--------訂- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用ΐ國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） 466607 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 5830twf. doc/008 五、發明說明（^ ) 層206。由於閘氧化層206的品質會因複晶矽層208的蝕 刻去除而遭受破壞，因此必須剝除閘氧化層206，形成一 暴露出部分基底200之閘極開口 215。接著，再次進行熱 氧化法，於閘極開口 215內裸露之基底200上重新形成一 層閘氧化層216，以獲得較高品質氧化特性之閘氧化層。 然後，於基底200上形成一層金屬層，以覆蓋內介電層214 表面以及塡滿閘極開口 215。最後，定義該金屬層，以形 成一金屬閘極218，而完成金氧半電晶體之製作。 在上述的方法中，再次以熱氧化法於閘極開口 215內裸 露之基底200上重新形成一層閘氧化層216雖可獲得良好 品質之氧化特性，但在〇.25μπι製程以下之短通道的閘極 元件中，金屬/閘氧化層介面與額外的高溫熱氧化法卻會 破壞原先所形成之源極/汲極區212外觀，而嚴重影響元 件的操作特性。 因此，本發明的目的在於提出一種金屬閘極的製造方 法，其可以維持閘氧化層高品質的氧化特性，以及源極/ 汲極區的原貌，進而可保持元件良好的操作效能。 根據本發明之上述以及其他目的，本發明提供一種金屬 閘極的製造方法，此方法係先提供一個具有淺溝渠隔離結 構的半導體基底，於基底上依序形成閘氧化層、第一複晶 矽層、埋藏層與第二複晶矽層。其後，依序去除部分第二 複晶矽層、埋藏層、第一複晶矽層與閘氧化層，以定義出 一虛擬之閘極結構。其中，此虛擬閘極結構位於淺溝渠隔 離結構之間的基底上。接著，於虛擬閘極結構兩側的基底 9 -------------- ------- I 訂·---ill I {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公爱） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 6 6 6 0 7 5830twf.doc/008 五、發明說明) 中形成輕慘雜源極/汲極區。之後，於虛擬閘極結構的側 壁形成間隙壁。然後，於虛擬閘極結構兩側的基底中形成 重摻雜源極/汲極區。其中，輕摻雜源極/汲極區與重摻雜 源極/汲極區共組成一源極/汲極區。接著，移除虛擬閘極 結構之第二複晶矽層與埋藏層，以形成一閘極開口。其中， 此間極開口暴露出第一複晶砂層的表面。之後，於基底上 形成一共彤的第一金屬層，續進行一熱製程，以讓第一複 晶矽層完全與第一金屬層反應，於閘極開口底部之閘氧化 層上形成一矽化金屬層，以作爲阻障層之用；接著再形成 一第二金屬層全面覆蓋基底並且塡滿閘極開口，移除部分 的第二金屬層與未反應的第一金屬層，以定義出金屬閘 極。 在上述的方法中，由於埋藏層可當作去除第二複晶矽層 之蝕刻終止層，所以第一複晶矽層不會被破壞，故可保護 閘氧化層免於遭受習知去除複晶矽層時之蝕刻損害。此 外，當剝除埋藏層時，雖會稍微損傷第一複晶矽層表面， 但閘氧化層的表面仍然保持完好，故其品質及氧化特性將 得以維持。 再者，根據本發明，進行一金屬矽化製程，以完全消耗 第一複晶矽層，而於閘極開口底部之閘氧化層上形成矽化 金屬層，用以降低阻値以及消除複晶矽層所產生之缺乏現 象；且其同時可當作阻擋層，以防止後續沉積的金屬層擴 散至閘氧化層中，導致金屬層發生短路或斷路的問題。 此外，在本發明的方法中，因爲閘氧化層在製程之初已 10 ------------- -^--------訂 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張叉度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 6 660 7 5830twf.doc/008 五、發明說明α ) 先源極/汲極區形成之前生成，且後續不須重新以熱氧化 法再長一次，故可避免源極/汲極區外觀變形，進而維持 元件的操作特性。 爲讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯 易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細 說明如下： 圖式之簡單說明： 第1A圖至第1C圖係繪示習知長通道鋁金屬閘極的製 造流程剖面示意圖； 第2A圖至第2C圖係繪示習知金屬閘極的製造流程剖 面示意圖；以及 第3A圖至第3D圖所繪示的是依照本發明一較佳實施 例，一種金屬閘極的製造流程剖面示意圖。 圖式之標記說明： 100，200，300 :基底 102，202，302 :井區 104，204，304 ··隔離結構 106 :罩幕層 108，212，318 :源極/汲極區 110，206，216，306 :閘氧化層 112 :鋁金屬層 112a :錦閘極 208，308，312 :複晶砂層 209，313 :閘極結構 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝---------訂--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印一π 6 6 S 0 了 Λ7 5830twf.doc/008 β7 五、發明說明（g) 210，314 :間隙壁 214，320 :介電層 215，322 :閘極開口 218，330 :金屬閘極 310 :埋藏層 316 :輕摻雜汲極結構 317 :重接雜源極/汲極區 324，328 :金屬層 326 :矽化金屬層 實施例 第3A圖至第3D圖所繪示的是依照本發明一較佳實施 例，一種金屬閘極的製造流程剖面示意圖。 請參照第3A圖，提供一個具有淺溝渠隔離結構304的 半導體基底300，該基底300例如爲P型矽基底，且在該 基底300中更包括有一井區3〇2。之後，於基底300上依 序形成閘氧化層、第一複晶矽層、埋藏層與第二複晶矽層。 接著，依序去除部分第二複晶矽層、埋藏層、第一複晶矽 層與閘氧化層，以定義出一由閘氧化層306、第一複晶矽 層308、埋藏層310與第二複晶矽層312所組成的閘極結 構313。其中，閘極結構313位於淺溝渠隔離結構304之 間的基底300上，且該埋藏層310的材質包括氧化矽或氮 化矽。然後，以閘極結構313爲植入罩幕，進行一離子植 入步驟，以在閘極結構313兩側之基底300中形成一淺摻 雜源極/汲極區316。之後，在閘極結構313側壁形成間隙 12 ------^------ -t--------訂. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印ΪΛ 4 6 6 5 Ο ι Α7 5 83 Otwf.doc/008 五、發明說明（丨0 ) 壁 3 14。 請參照第3Β圖，續以閘極結構3i3與間隙壁314爲植 入罩幕，進行一離子植入步驟’以在閘極結構3 13兩側之 基底300中形成一重摻雜源極/汲極區317。其中，淺摻雜 源極/汲極區316和重摻雜源極/汲極區317共組成源極/汲 極區318。接著’於基底300上形成一介電層後，續進行 一平坦化步驟’以使平坦化的介電層320裸露出第二複晶 石夕層312。其中，該介電層32〇可爲內介電層，且該平坦 化步驟例如爲化學機械硏磨法。 其後，以埋藏層310爲蝕刻終止層，去除第二複晶矽層 312。接著，再將埋藏層310剝除，以形成一暴露出第一 複晶矽層3〇8表面的閘極開口 322。然後，在介電層320 表面與閘極開口 322內壁’例如利用化學氣相沈積法沈積 一層金屬層324,其材質比如爲鈦或鈷等常用的耐火金屬。 之後’請參照第3C圖，比如利用快速加熱回火的製程， 使第一複晶矽層3〇8中的矽與金屬層324反應，完全消耗 掉第一複晶矽層308,以在閘極開口 322底部形成一層低 阻値之矽化金屬層326。其中，該矽化金屬層326的材質 比如爲矽化鈦、矽化鈷或矽化鎳等。此矽化金屬層326的 目的在於降低阻値以及消除複晶矽層所產生之缺乏現象， 且其同時可當作阻擋層，以防止後續沉積的金屬層擴散至 閘氧化層中。 或者，在本發明中，更可包括在未反應之金屬層324與 矽化金屬層326上，例如利用化學氣相沈積法或其它傳統 13 ------------- « · I------訂------里· ,Ν (請先閒讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)Al規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 5830twf.doc/008 B7 五、發明說明（（丨） 的方式沈積一層阻障層（未繪示於圖）’其較佳材質爲氮化 鈦(TiN)。而沈積阻障層的目的在於提昇後續金屬層，例如 鎢與其他材質之附著力以及防止後續沉積的金屬層擴散至 閘氧化層中1導致金屬層發生短路（short)或斷路（open)的 問題。 接著，例如利用化學氣相沈積法沈積一層金屬層328， 全面覆蓋未反應之金屬層324與塡滿閘極開口 322，其材 質比如爲鎢（W)或是鋁等金屬導體。 最後，請參照第3D圖，例如利用乾蝕刻法將部份的金 屬層328與未反應之金屬層324去除，暴露出介電層320 表面，以定義形成一由金屬層3〗8a與未反應之金屬層324a 共組而成之金屬閘極330。 在上述的方法中，由於埋藏層310可當作去除第二複晶 矽層3丨2之蝕刻終止層，所以第一複晶矽層308不會被破 壞，故可保護閘氧化層306免於遭受習知去除複晶矽層時 之蝕刻損害。此外，當剝除埋藏層310時，雖會稍微損傷 第一複晶矽層3〇8表面，但閘氧化層306的表面仍然保持 完好，故其品質及氧化特性將得以維持。 此外，因爲閘氧化層306在製程之初已先源極/汲極區 形成之前生成，且後續不須重新以熱氧化法再長一次，故 可避免源極/汲極區外觀變形，進而維持元件的操作特性。 再者’由於本發明進行一金屬矽化製程，以完全消耗第 一複晶矽層，而於閘極開口底部之閘氧化層上形成矽化金 屬層，用以降低阻値以及消除複晶矽層所產生之缺乏現 I------------裝--------訂· (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) 60 60 Λ7 B7
5830twf.doc/00S 五、發明說明（（V) 象；且其同時可當作阻擋層，以防止後續沉積的金屬層擴 散至閘氧化層中’導致金屬層發生短路或斷路的問題。 雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此本發明之保護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者爲準。 ------1----- _t--------訂· {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本纸張尺度適用中國國 (CNS)A..l規格⑵0 X 297公餐）