TW502322B - Process of forming double metal gates - Google Patents

Description

502322 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（) 發明領域： 本發明係有關於一種半導體製程方法，且特別是有關 於一種在半導體基底上製作雙重金屬閘極的製程方法，可 同時製作出兩種具有不同操作電壓之金屬閘極。 發明背景： 在一個極大型積體電路（ULSI)中，一般均包含數百萬 個以上的電晶體，以執行電子元件的各種功能。在積體電 路中之電曰曰體所執行的功说並不盡相同，例如，在輸出/輸 入區域的電晶體，所有訊號均需經過此區，會有較高的電 流流通’因此需要較咼的臨界電壓（threshold voltage)來減 少漏電流。相對地，在核心區域通常為記憶區域，用來儲 存電子訊號’需要較快的開關速度，所以在此區的電晶體 一般會設計較低的臨界電壓，來加快電晶體的開關速度。 傳統上係利用形成不同厚度的閘極氧化矽層來提供兩 種不同的臨界電壓。但隨著積體電路的積集度不斷提高， 每個電晶體的尺寸不斷地縮小，而需使用更薄的閘極氧化 矽層，致使具有低介電常數的氧化矽層（介電常數約4·0-4.3) 已逐漸不敷使用，必須提供更高介電常數的介電層，來維 持電晶體擁有良好的電性。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------1---.----裝--- <請先閱讀背面之注意事項本頁) 訂· .線.w 502322 A7 B7 五、發明說明（ 發明目的及概述： (請先閱讀背面之注意事項本頁) 鑒於上述之發明月景中，傳統氧化石夕層無法滿足小尺 寸電晶體的需求。因此，本發明提供一種形成雙重金屬閘 極的製程方法，在低溫條件下，形成不同厚度的氮化矽層， 作為閘極介電層，以提供兩種不同臨界電壓之金屬閘極， 且不會影響到週邊已經形成的源極/汲極區。 本發明提供一種形成雙重金屬閘極的製程方法，適用 於一半導體基底，在半導體基底上形成有一第一介電層， 且第一介電層中具有一第一開口與一第二開口’分別暴露 出半導體基底，該製程方法至少包括下列步驟。首先在第 二開口底部之半導體基底上形成一氧化矽層。接著在第一 開口底部之半導體基底上形成一第一氮化矽層’同時轉換 第二開口底部之氧化矽層成為一第二氮化矽層，而且第二 氮化矽層之厚度大於第一氮化石夕層之厚度。然後在第一與 第二開口之内壁形成一共形.的第二介電層，之後再於第一 與第二開口内填滿一導電層。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖式簡單說明： 本發明的較佳實施例將於往後之說明文字中輔以下列 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公f 502322 A7 _____B7______五、發明說明（） 圖形做更詳細的闡述，其中： 第1 A-1 G圖是繪示本發明之一較佳實施例之製程剖面 示意圖。 圖號對照說明： 100 半導體基底 102 絕緣結構 104 源極/;及極區 106 輕摻雜源極/汲極區 108 矽化金屬層 110 間隙壁 112 介電層 114、 Π 6 閘極開α 120 氧化矽層 122 罩幕層 124、 126 氮化矽層 128 介電層 130 阻障層 132、 132a、132b 導電層 200 核心區域 300 輸出/輸入區域 (請先閱讀背面之注意事項* 裝—— -寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明詳細說明： 本發明提供一種形成雙重金屬閘極的製程方法，在低 溫條件下，利用去耦電蒙氮化（Decouple Plasma Nitridation，DPN)技術或遠距電漿氮化（Remote Plasma Nitridation，RPN)，形成不同厚度的氮化矽層，作為金屬 閘極之閘極介電層，藉此可同時製作出具有不同臨界電壓 之金屬閘極。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 502322 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（） 第1 A-1 G圖是繪示本發明之一較佳實施例之製程剖面 示意圖。請參照第1 A圖，首先提供一半導體基底1 0 0 ’例 如是具有<100>晶格結構之P型矽基底。在基底100上規劃 出至少兩個區域，包含核心區域（Core region)200與輸出/ 輸入區域（I/O region)300，核心區域200比如是記憶陣列 區。 接著，先在基底100中製作隔離結構，包括淺溝渠隔 離（STI)或是場氧化層（FOX)。然後在基底100上製作一電 晶體，其中閘極導電層之部份使用一罩幕層替代，藉以在 後續製程中形成閘極開口，此罩幕層之材質例如是複晶矽 或是氮化矽等。此電晶體除了閘極導電層以罩幕層替代之 外，其他部分如同傳統的金氧半（M0S)電晶體，例如包括 源極/汲極區104、輕摻雜源極/汲極區（Ldd)1〇6、位在源極 /汲極區104上的矽化金屬層1〇8，以及在罩幕層兩側之閘 極間隙壁1 1 0。由於此電晶體之製作過程皆為熟習該項技 藝者所熟知之技術，因此不再贅述。之後，再於基底1〇〇 上覆蓋一層介電層112,比如是氧化矽層或是低介電常數 材料層，作為金屬間介電層（IMD)。 然後去除先前替代閘極導電層的罩幕層，在核心區域 200之閘極位置形成第一問極開口 114，同時在輸出/輸入 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公_^ -----li——^——·裝· (請先閱讀背面之注意事項寫本頁) έί· 502322 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（ 區域之閘極位置形成第二閘極開口 1丨6，藉以在後續製程 中製作金屬閘極。形成第一與第二閘極開口丨丨4的方法， 例如是在介電層1 1 2上形成一層圖案化的光阻層，開口對 準罩幕層，接著利甩非等向性乾蝕刻去除罩幕層。或是’ 利用化學機械研磨（CMP)法平坦化介電層1 12 ,直到暴露出 罩幕層，然後利用濕式蝕刻去除罩幕層。 接著在第一與第二閘極開口 1 1 4、1 1 6底部形成一層薄 的氧化矽層1 2 0。此氧化矽層1 2 0較佳是利用快速熱氧化 (RTO)技術所形成的氧化矽層，可避免周圍的源極/汲極區 104、LDD 106與矽化金屬層1〇8產生熱擴散現象，而影響 到電晶體之操作特性。 請參照第1Β圖，接著在輸出/輸入區域3〇〇上覆蓋一 層罩幕層1 2 2，例如是光阻層，並且填入開口 1 1 6 ^然後以 濕式浸潰蝕刻的方式，使用稀釋氫氟酸（DHF)或是缓衝蝕刻 劑（ΒΟΕ)等為蝕刻劑，去除在核心區域2〇〇之閘極開口 1 14 底部的氧化矽層120,直到暴露出基底ι〇〇。之後去除罩幕 層122，在輸出/輸入區域300之閘極開口丨16底部留下氧 化矽層120 ,如第1C圖所示。 請參照第1D圖’接著利用去耦電漿氮化（DpN)或遠距 電漿氮化（RPN)技術’在閘極開口 1丨4底部形成第一氮化石夕 本紙張又度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----ii l· ——T----裝.II (請先閱讀背面之注意事項寫本頁) 訂·- _線 502322 A7 B7 五、發明說明（) 層124，同時將在閘極開口 ι16底部之氧化矽層12〇轉化 成第二氮化矽層126，而且第二氮化矽層126之厚度大於 第一氮化矽層124的厚度。DPN技術所使用之裝置例如可 參照台灣應用材料公司之Centura產品中的DPN反應室， 在此僅作舉例，然並非用以限定本發明，在不脫離本發明 精神的情況下，亦可應用於其他同系列的產品。 利用DPN技術在低溫與低壓的條件下，施加射頻（rf) 電壓’例如在源極施加〇 - 2 0 0 0 W的1 2 · 5 6 Μ Η z射頻電壓， 並且在偏極施加0-500W的13·56ΜΗζ射頻電壓，將閘極開 口 114底部暴露之基底1〇〇表面的石夕層氮化形成第一氮化 矽層124，同時將氧化矽層120轉化成氮化矽層，並且繼 續氮化底下的矽層，而形成第二氮化矽層1 2 6。在此條件 下，所形成的第二氮化矽層126的厚度d2會大於第一氮化 矽層124的厚度dl。其中，第一氮化矽層124與第二氮化 石夕層126的厚度差（d2-dl)係由先前形成的氧化矽層12〇所 控制。 氮化矽比氧化矽具有更高的介電常數，約6-9之間， 因此對於小尺寸的電晶體可以提供更好的電性操作特性。 並且，由於所形成之第一與第二氮化矽層124、126係在低 ijcL條件下進行’其溫度約在2 5 - 4 0 0 C之間，所以不會對周 圍的源極/汲極區104、LDD 106與矽化金屬層1〇8造成熱 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1丨！h——·----裝-I (請先閱讀背面之注意事項寫本頁) 訂· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 502322 A7 '------------ —____ B7 _ 五、發明說明（） 擴散現象，而且可以大幅地降低熱預算（ihermal budget)。 請參照1E圖，接著可以選擇性地在基底ι〇〇表面共形 地形成一層高介電常數（high k)介電層128，例如是氮化矽 (SiN)層或是氧化钽（ThO5)層等，增加閘極介電層的厚度。 阿介電常數介電層128可以利用化學氣相沉積法（CVD)形 成。因為第二氮化矽層126的厚度大於第一氮化矽層124 的厚度，所以在輸出/輸入區域3⑽之閘極介電層（包括第二 氮化矽層126與介電層128)的等效氧化矽層厚度（E〇T)會 大於核心區域200之閘極介電層（包括第一氮化矽層124與 介電層12 8)的等效氧化矽層厚度。 凊參照第1 F圖’接著選擇性地在第一與第二閘極開口 1 14、1 16内共形地形成一層阻障層130，例如是氮化鈦 (TiN)、氮化叙（TaN)或是氮化鎢（WN)等。然後再於基底1〇0 上覆蓋一層導電層I32 ’其材質比如是鎮（W)或是銅（Cu) 等。 請參照第1 G圖，接著利用平坦化導電層n 2與阻障層 1 30 ’例如使用毯覆式回蝕刻（Blanket etchback)技術或是化 學機械研磨（CMP)技術，去除介電層112上的部分，僅在閘 極開口 114、116内留下部分阻障層130，以及導電層i32a、 1 3 2b，分別作為核心區域200之電晶體的金屬閘極，以及 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） m n n n imm n —9 I n I el ϋ I · I d (請先閱讀背面之注意事項本頁) L^l·. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 502322 A7 B7 五、發明說明（） 輸出/輸入區域300之電晶體的金屬閘極。 綜上所述，利用本發明之形成雙重金屬閘極的製程方 法，可以形成不同厚度的氮化矽層，以提供兩種不同臨界 電壓之金屬閘極，而且氮化矽層係在低溫下形成，可以降 -低熱預算，而且不會造成熱擴散效應，影響週邊已經形成 的元件。 如熟悉此技術之人員所瞭解的，以上所述僅為本發明 之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範 圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改 變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍内。 ----------------裝·—— (請先閱讀背面之注意事項本頁) 4 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 观322 A8 B8 C8

   1 ·種形成雙重金屬閘極的製程方法，適用於一 底，該半導體基底上形成有一第一介電層，且該第=體基 層中具有-第一開口與一第二開σ，分別暴露：二電 基底，該製程方法至少包括下列步驟： 。 體 在該第二開口底部之該半導體基底上形 — 層； ^战一氧化矽 在該第一開口底部之該半導體基底上形成一 矽層’同時轉換該第二開口底部之該氧化 —氮化 备„ 7續成為一 m 一 氣化矽層，且該第二氮化矽層之厚度大於 第— 之厚度；以及 弟-I化矽層 在該第一與第二開口内填滿一導電層。 2·如申請專利範圍第1項之製程方法，其中在該第二開口 底邛之該半導體基底上形成該氧化破層之製程方法包括下 列步驟： 在該第一與第二開口底部之該半導體基底上分別形成 一氧化矽層； 在該第二開口上形成一罩幕層’覆蓋該第二開口； 去除該第一開口底部之該氧化矽層； 去除該罩幕層。 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---- Γ11__----r---裝--- (請先閱讀背面之注意事項本頁) 訂· !線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 502322 09888 ABCD 夂、申請專利範圍 3.如申請專利範圍第2項之製程方法，其中在該第一與第 二開口底部之該半導體基底上分別形成該氧化矽層之製程 方法包括使用快速熱氧化製程技術。 4·如申請專利範圍第i項之製程方法，其中在該第一開口 底部之該半導體基底上形成該第一氮化矽層，同時轉換該 第二開口底部之該氧化矽層成為該第二氮化矽層之方法包 括使用去耦電漿氮化（DPN)或遠距電漿氮化（RPN)製程技 術〇 5·如申請專利範圍第i項之製程方法，其中該去耦電漿氮 化或遠距電漿氮化製程技術之製程溫度約在2 5 - 4 0 0 °C之 間。 6·如申請專利範圍第1項之製程方法，其中在形成該第一 與第二氮化矽層之後，更包括在該第一與第二開口内形成 一共形的介電層。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 7·如申請專利範圍第6項之製程方法，其中該介電層由高 介電係數之材料所構成。 8.如申請專利範圍第7項之製程方法，其中該高介電係數 之材料係選自於由氮化矽與氧化钽所構成之族群中的材 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 502322 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 料。 9 ·如申請專利範圍第1項之製程方法，其中在形成該第一 與第二氮化矽層之後，更包括在該第一與第二開口内形成 一共形的阻障層。 10·如申請專利範圍第1項之製程方法，其中該導電層:之材 質包括鑄。 11· 一種製作雙重厚度之氮化矽層的製程方法，適用於一半 導體基底，該半導體基底至少包括一第一區域與一第二區 域，該方法至少包括下列步驟： 在該第二區域之該半導體基底上形成^一氧化珍層；以 及 執行一電漿氮化步驟，在該第一區域之該半導體基底 上形成一第一氮化矽層，同時轉換該氧化矽層成為一第二 氮化矽層，且該第二氮化矽層之厚度大於該第一氮化石夕層 之厚度。 12·如申請專利範圍第n項之製程方法，其中在該第二區 域之該半導體基底上形成該氧化矽層之製程方法包括下列 步驟. 在該第一與第二區域之該半導體基底上形成一氧化石夕 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） .--I Γ ___I__IJ____^ ___ (請先閱讀背面之注意事項再本頁) * •線丨 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 502322 AS B8 C8 D8 _ 六、申請專利範圍 層； 在該第二區域之該半導體基底上形成一罩幕層’覆蓋 該該第二區域之部分該氧化矽層； 去除該第一區域之部分該氧化矽層；以及 去除該罩幕層。 1 3 ·如申請專利範圍第1 1項之製程方法，其中形成該氧化 矽層之製程方法包括使用快速熱氧化製程技術。 1 4.如申請專利範圍第1 1項之製程方法，其中執行該電漿 氮化步驟包括使用去耦電漿氮化（DPN)或遠距電漿氮化 (RPN)技術。 15·如申請專利範圍第π項之製程方法’其中該電漿氮化 步驟之製程溫度約在25-400°C之間。 請 先 閱 讀 背 面 之 注 意 事 項 f 裝 訂 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚）