TWI309434B - Method for forming an improved t-shaped gate structure - Google Patents

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Description

1309434 九、發明說明 \ _ 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於次微米場效應電晶體（effeet transistor，FET )元件的建構，特別是有關於一種改良式Τ 型閘極結構以及形成之方法。 【先前技術】 由於場效應電晶體原件尺寸的縮小使得 到了次微米與深微求範圍，使得閘極的電子特性在^速 互補式金氧半導體（complementary metai〇xide semiconductor，CM0S )的數位應用以及高頻率射頻 (radio freqUency，RF)的運用上變得日趨重要。高速 數位運用在設計互補式金氧半導體時主要的考量，通常 決定於每一個個別閘極的電位拉升與下降的時間。對於 k號在N型金屬氧化半導體與p型金屬氧化半導體閘電 •極中傳送時個別的閘極會伴隨—個所產生的時間落差。 此-時間落差的時間長短與驅動電流互成反比。因此很 顯然的將驅動電流極大化會增加互補式金氧半導體元件 的運算速度以及互H金氧半導體元件的靈敏值（figure of merit，FOM )。 此種現象尤其在極高速的元件，例如射頻原件特別 明顯，因此縮小閘電極結構的尺寸而增加間電極結構的 片電阻會降低元件的高速運算的功效。 先前技術提出了許多解決方案以解決間電極電阻的 1)09434 問題’其中包括以下所述的方法，由於電阻與閘電極的 截面積成反比，使閘電極的上方部分變寬以大致降低片 電阻。例如，藉由一個類似鑲嵌結構製程，回填介電層 中—個已定型的開口以形成的閘電極，f跟著^ 閘電極（開口）上方部分使其尺寸變寬。此一方法的效 果在閘極長度大於0.13微米時已經被證實，然而隨著閘 極長度縮小到小於0.13微米以下’先前用以形成了型閘 電極的技術製程出現了若干問題。 例如’先前技術製程至少包括兩個以上的微影圖案 化步驟以形成T型閘極結構，這些微影製程具逐漸嚴格 的製程範圍（process window)，其中包括光罩彼此之間 越來越精準的排列（對齊）。在微影圖案化製程中決定閘 極長度的光罩未排成-直線（對齊），通常造成閘電極上 方部分以及底下較窄的部分無法排成一直線（對齊），造 成不相對稱的閘電極上方部位。此—不對稱現象則會造 成源極區與汲極區不適當的排列，因而降低元件的效能 與可靠度。 因此在深次微米的場效應電晶體製造技術中，需要 一種包含T型閘極結構的改良式深超微米場效應電晶體 間極結構以及其形成的方法，以增進元件的容納規模 (scalability)同時增進元件的效能和可靠度。 、本發明的目的在提供—個改良式的τ:間極結構與 形成方法，以增進元株的^ . 曰坭兀件的效旎和可靠度以及元件的容納 規模’並且彌補先前技術的缺點。 1309434 【發明内容】 明提目標’以及根據本發明的目的’本發 良式的τ型閘極結構與形成方法。 、第4固實知例中，此—方法包括提供一個至少 層以上”電層的半導體基材；於介電層上方微影圖案化 阻層用光阻層蝕刻並形成一個閘極結構的開口；此 :過介電層並使半導體基材暴露出來，並且包含一個上；： 刀比下方部分寬’且向下方部分逐漸縮小的剖面；回填此— 開口 ’包括使用閘介電材料回填於半導體基材之上，再 閘電極材料回填於問介電材料之上以形成閘極結構。 透過本發明的一個較佳實施例並配合圖形的詳細椙 述’讀者將會對本發明的内容與樣貌以及其他實施例有 的理解。 /木 Φ 【實施方式】 雖‘、、：以上所述已經解釋了本發明包括場效應電晶體閘 極電極相關的結構與形成方法，尤其在形成具有小於013 微米閘極長度（Lg )的τ型閘電極上展現出技術的優勢。 讀者必須理解較大尺寸閘極長度（Lg )的τ型閘電極結構 也可以藉由以上所述單一的微影圖案化與蝕刻製程加以形 成。一般而言Τ型閘電極的定義為，覆蓋於於通道區域之 上，具有較寬上半部而下半部相對較狹窄的縱切面，且部分 閘電極的側壁由上而下逐漸狹窄。 7 1309434 在本發明的一個典型實施例中，參照第1A圖至第IF 圖，圖至第1F圖係根據本發明的一個實施例以形成 金屬氧化半導體場效應電晶體（MOSFET)閘極結構的製造步 驟所、.曰示的份製程晶圓剖面示意圖。例如，參照第1A 圖所提供的半導體基材i2e此—半導體基材可以包括但不 限疋；例如矽、絕緣層有石夕（siUc〇n 〇n ins^at〇r，s〇I)、 堆疊絕緣層上有石夕（stacked siu_⑽insuUt〇r，Μ〇ι )、 堆疊絕緣石夕錯（StackedSiGe〇ni讀lat〇r，S siGe〇i)、絕 緣矽鍺（SiGeOI)以及絕緣鍺（Ge〇I)。 再參照第Μ圖緊接著進行—系列傳統製程，包括在基 材^絡上-也成捧雜井區域（未緣示），以及形成淺溝隔離區域 、·不）’在半導體基材表面形成墊氧化矽層14，厚度範 圍大約從50 Α到200入。塾氧化石夕層14可以由傳統的熱氧 化法三化學乳相沉積化方法或化學氧化法形成，較佳的方法 為熱氧化。 參照第⑺圖’採用低壓化學氣相沉積法或電漿 相沉積法形成一氮化物I 16，較佳為氮化矽層（例如 化石夕si3N4、siN)’厚度大約與閘電極結構所需的厚度相同 例如^為则A到测A。讀者必須了解氮化物層16 可以由氮氧化料組成，或者包含微影圖案化製程（例 影製程）令位於最上層做為反反光塗層的攻 參照第1C圖，根據本發明，使用 夕層。 ^ a 仗·用得統的微影製程在翁 化物層16上方沉積並圖案化一光阻 軋 m i δ 以形成一開d 肅’使部分位於下方的氮化物層16暴露出來，開始進行 8 I3Q9434 乾式㈣製程（例如’反應性離子㈣）以進—步形成本發 明所揭露的τ型閘極結構。 再參照第1C圖，本發明—個重要的面向，在圖案化光 阻層18之後緊接著使用氣碳比，較佳為大於2.5更佳為3 =於3的氮氣烴化物做為飯刻劑進行触刻，触穿氮化 .2 16以形成開口 2〇B。在-個較佳的實施例中乾式姓刻 刻率。此-乾式_劑是本發:重 ==或氮以_ 〜广奴a更要的面向之―，在 ^製程時，較佳的㈣藥劑氫氟烴化物配合較 率，純化聚合物臈（未緣示）會沿著側壁生成，藉此形成: 第1C圖所繪示的對稱且盆 屯成如 口細。下逐漸縮小的丁形閑電極結構開 例如’當在執行乾式㈣製程時，形成 的側壁的間口 20JB，且盲谇士 „ π W稱 寬度由開口最上方往下逐漸縮小。所 -欠以上㈣Γ的意思是相對於必須相互對齊且f要進行— 影圖案化與钱刻製程所形成的對稱，而是以單 對稱誤差小於5〇 = 斤形成的對稱結構，例如對稱中點的 度隨著氮化物層小於2%。必社意的是側壁的角 夹角，上方，二有所不同，例如相對於底部的 上方部分的^==小（㈣直央角小於90度）。例如 包含於此處所1 了形i或冋腳杯形結構。例如杯形狀也 啊W明的T型結構之中。 面的Γ t冑1C圖所舉的例子，第一部份，例如A，縦 面的寬度以第一 &巧如Α，縱切 又無縮角度）逐漸縮小到更狹窄的寬度 1309434 =列杯如成包Λ·逐j斬變小的側壁漸縮角度（由直角，例如9 0度） 體的位置。必須注意的是開口的縮小比例隨著 電漿蝕刻的條件和蝕刻溫；# & # ^ / ^ , ,., A j'覆度而改變。例如開口的上方較寬部 例如A的形成，可能白 夕-从r 此包3虱化物層16四分之一至四分 之二的厚度》底部較窄的篦_ .,,, 的第一 °P刀，例如B，相較於上方部 位’例如A ’側壁具有較
Qft ^ , 較陡峭（較大）的夾角（近似垂直， 90度）’形狀較近似於酒杯 ,,®杯的杯腳。例如開口的最底部的尺 寸（縱切面的寬度）為開口爭古 _ 最间邛刀寬度的四分之一至四分 之三。必須注意的是所謂的T型或逐漸變窄的Τ型包含以 上所述的酒杯形狀。 在#刻装程中’沿著第上方部位A在原位形成純化聚 。物層之後形成具有較陡山 肖的的夹角與寬度較窄的底部， 心“ Β在本發明的另—個重要面向中，蝕刻製程表面溫度 降至〇°C至1J 2〇°C之間，較佳為大約從〇°C至HTC之間更佳為 大約從0 C到5 c之間’此一溫度可以協助控制鈍化聚合物 層在上方部位的生成速率’以形成預定的τ型蝕刻輪廓。 較佳If況下以同雄、度電漿執行乾式餘刻製程，高密度 電漿較佳來自於變壓耦式電漿或感應式耦合電$，亦稱作 雙源電漿。本發明的重要面向之一是乾式蝕刻製程進行的 條件’壓力大約為lm TGn•到2Gm Tgit，較佳為5 m T〇rr 到15 m Torr。採用的射頻功率大約從2〇〇w到i〇〇w，至少 有一部分蝕刻製程可以對工作晶圓採用選擇性的偏壓電 力，例如在蝕刻底部較狹窄的部分如B，功率範圍大約從 50W 到 300W。 10 1309434 ,/照第ID圖，蝕刻穿過氮化物層16並移除光阻層i8 之後’緊接著進行-個乾式或濕式的浸洗製程，此—浸洗势 程較佳為使用傳統稀釋氟化氫，以移除位於閘極開口底部的 墊，化物U使基材12暴露出來。使用氟化氳的濕式银刻製 程疋為了避免電锻損及半導體基材，但是必須注意的是電漿 製程’例如順流式電漿製程也適用於此，纟併使用傳統乾 式蝕刻劑如溴化氫以及氯以降低對半導體基材12的傷 〇
再參照第1D圖，移除位於開口 2〇B底部的墊氧化層 之後緊接著在基材12上方形成一閘介電層22。例如， 在一=較佳的實施例中閘介電層2 2是使用傳統的方法熱形 成二氧化矽，例如乾式氧化在矽基材12之上進行，作用溫 度大約900。(：到U0(rc範圍之内形成厚度大約為5人到2〇入 之間。但是必須注意的是此一閘介電層22也可以包含一個 由減鐘沉積或化學氣相沉積所形成的氮化製程。閘介電層 "T 乂由氮化石夕、氮氧化石夕以及高介電係數（例如，k > 8 ) 的^電材質所組成。例如，此一高介電係數介電材質包括金 屬氧化矽、金屬矽化物、金屬氮化％、過渡金屬氧化矽、 過渡金屬石夕化物、金屬銘酸鹽以及過渡金屬氮化物，或是 以上物質的混合物。 再參照第1D ®，在形成閘介電層22之後，接著以閘 極材質層24，較佳為多晶梦沉積覆蓋於閘介電層上填滿 開口 20B ϋ包含覆蓋製程表面。例如，此—多晶梦可以非 晶係或多晶體形式形成’可以與其他半導體，例如多晶石夕鍺 1309434 二進得行且摻雜方式可包含原位的。型或N型摻 金屬二Γ開極材#層可以由其它材質所組成，例如 上物質的氡化勝翻…或是以上物質的混合物以及以 質的氧化物與氮化物。
參照第1E圖，進行傳統的平坦化製程，較佳為斗風Μ 、研磨，除去覆蓋於氮化物層16以及開口 2〇B充填言^ 方的閘電極材質層24 ’以形成閘電極的部分。、A 參照帛IF®，以一傳統濕式餘刻製程 製程移除氣化物層16，移除氮化物層16之後，洗 =^極上^極離子植人S程㈣成源極與㈣’例^ 極24上方外緣部分對齊的26A與26B。 接著進行包含移除塾氧化♦層14的傳統製程，緊 成-可選擇性間隙壁鄰接於閘電極 一一夕化鎳，使金屬门= 丁自仃對齊並覆蓋在源極與汲極區以及τ 縮的）閘電極24上方。 乾式月書所描述的内容已經揭露透過單一的微影與 由：製程所形成的T型閘電極結構以及其形成方法， ^^減少製程步驟並可以避免目前使用兩次以上微影 '、g所產生的光罩排列偏差與閘電極不對稱的問 飿列據較佳的實施例’此—單—的微影與乾式 與沒極摻雜製藉φ ㈣極、、、。構’在接下來的源極 部八，Γ 中，没極與源極會自動對齊閘極上方較寬的 "在匕可以改善元件的功能與其可靠度。更有甚者，比 12 1309434 較習知的製程此一微影製程具有一較寬的製程範圍，使得此 方法更易於縮小元件的尺寸。 第2圖係繪示包含數個本發明實施例的製造流程圖。製 程201，提供具有墊氧化矽層的基材，此一墊氧化矽層形成 於基材之上。製程203，氮化物層形成於墊氧化矽層上。製 程205 ,根據較佳的實施例，對氮化物層進行微影蝕刻製 '程，以形成一個逐漸縮小的T型蝕刻缺口。製程207,移除 #塾氧化梦層在姑刻缺口底部的部分，將半導體基材暴露出 來。在製程2G9 ’在開口底部形成閘介電材f。製程2ιι， 飞積閘電極材質覆蓋並填充蝕刻開口。製程進行一平 垣化製程以移除位於氮化物層（開口高度）上方的閘電極材 ?。製程215’移除氮化物層。製程217。進行離子植入製 矛王形成自動對齊的源極與汲極。 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，任何孰羽+ &溢土 7 .、、、S此技藝者’在不脫離本發明之精神和 靶圍内，當可作久#k 举 種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍 田？ ί附之申清專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 创^ 4圖至第IF圖係根據本發明的一個實施例，形成丁 3^閘極結構的制、皮i m 示意圖 驟所繪示的一部分半導體基材的剖面 圖係'·θ示包含數個本發明的實施例的製造流程圖 13 1309434 【主要元件符號說明】 12 :基材 14 :墊氧化矽層 16 :氮化物層 1 8:光阻層 20A、20B :開口 22 :閘介電層 24 :閘電極材質層 26A、26B :源極與汲極 14

Claims (1)

  1. 、修液)正替换頁 1309434 、申請專利範圍 i•一種形成-Tm極結制方法 提供-半導體基材，該美材勺虹v包括以下步驟: 蓋於其上丨 Α匕至少兩層的介電層覆 微影圖案:一光阻層，該光阻層覆蓋於該介電層之 上’用來蝕刻—閘電極結構蝕刻開口. 开H虫刻缺口，該钱刻開口穿過該介電 ^該半導體基材暴露出來，該心^ ;主：：漸縮小的縱切面，該縱切面具有一二 底部還要寬的上方部分；以及 、 回填^^口，將間介塾材質回填在半導體基#之 上’以及在間介雷枯暂μ 丨¥材f上回填閘電極材質。 2·=請專利範圍第1項所述的方法，該回填的步驟包 括化學機械研磨製程以移除、〃 該間電極材質。 盍於該"電層之上的 —π申請專利範圍第1項所述的方法，進一步勺括牛 該間極結構。 仏成源極與没極區域鄰接 15 1309434
    l- i 實質上對齊。 5·如申請專利範圍第i項所述的方法，該蝕刻開口幾乎 近似於實質上對稱的T型開口。 6.如申請專利範圍第i項所述的方法，該上方部分包括 -個第-側壁内縮夾角’而該底部包括第二内縮爽 角’該第二内縮夾角較第一内縮夾角更接近直角。 7_如申請專利範圍第i項所述的方法，該至少兩層的介 電層包括氧化石夕層位於半導體基材之上，以及氮化物 層位於該氧化矽層之上。 如申明專利辄圍第7項所述的方法，該氮化物層是選 自-群由氮化矽與氮氧化石夕所組成的材料。 9.如申請專利範圍第7項所述的方法，該形成—姓刻開 口的步驟包括—乾式蝕刻製程蝕穿該氮化物層。 1〇·如2專利範圍第7項所述的方法，該形成一敍刻開 /驟包括—濕式姓刻製程蝕穿該氧化石夕層。 範圍第7項所述的方*，該乾式㈣製程 匕 1化學物質’該化學物質的氟對碳的比例高 16 UW434 . 1^5月1修(〇正替換頁 12, 13 鲁 於2. 如申請專利範圍第i j 學物質包括六氣乙烧。W方法该乾式讓 '如學1請質專包:範氬圍第11項所述的方法’該乾式触刻 化 14 15 如申請專利範圍第丨丨項所述 程h 人 蜎岍钆的方法，该乾式蝕刻製 表包括冷卻該製程表面至代到机之間。 製 16 如申請專利範圍第1項所述的 括熱 的二氧化矽 方法，該閘介電材質包 屬矽化物、金屬鋁酸鹽以及 •^料㈣圍第1項所述的方法，該閘介電材質選 2 一群由氧切、氮切、氮氧切、金屬氧化石夕、 金屬石夕化物、金屬氮化石夕、過渡金屬氧化石夕、過渡金 的材料 過渡金屬氮化物所組成 18.如申請專利範圍第1項所述的方法，該間電極材質選 17 1309434 自於一群由之B& L 摻雜的多晶矽以 及夕a 夕4、非以多晶系 及夕日日矽鍺所組成的材質。 °申μ專利範圍帛i項所 自於一群由金屬、金屬“ _電極材質選 所組成 的材質 絲暂。 '屬乳化石夕以及金屬氮化矽 2°·驟種形成-T型㈣構的方法，至少包括… 提供一半導體基材，包括氧切覆蓋於 及鼠化物層覆蓋於該二氧化石夕層之上：上乂 士影圖案化一光阻層，該 尤阻層覆盍於該氮化物層之 上’用來蝕刻以形成閘雷 形 取间電極結構的開口； 4成一蝕刻缺口 儿 蝕到開口穿過該氮化物層虛二負 化矽層的厚度，並將該: 蝕刻缺口包括-往下U 出來，該 下L漸縮小的縱切面，該縱切 /、有-相較於底部還要寬的上方部分，幾乎近 。似於實質上對稱的τ型開口； 回填該敍刻開口，使用闡A 使用閉介墊材質回填在半導體基材 '以及在閘介電材質之上回填閘電極材質； 以及 進行-離子植入製程以形成源極與汲極區域對齊該 閘極結構。 人 18 1309434 . ......... . 21.::料利範圍第2。項所述的方法，該 内縮夹角，而該底部包括第二内縮夹角， 第二内縮爽角較該第—内縮夹角更接近直角。 如申請專利範圍第20項所述的方本 包括-化風也“ 貝所这的方法，該回填的步驟 % 的镇閘電極材f。 移除覆羞於该介電層之上 23.如 主 選自—月群專由利^圍第2〇項所述的方法，該氮化物層是 群由見化石夕與氮氧化石夕所組成的材料。 如申請專利範圍第2〇項所 開口的步驟肖# ^ 呔的方法，該形成一蝕刻 驟包括-乾式崎程敍穿該氮化物層。 5·如申請專利範圍第24項所述 程包括-飾刻化學物f，該化學物该乾式钱刻製 鬲於2.5。 質的軋對碳的比例 .6.二:請專利範圍第25項所述的方法，琴 '"物質包括六氟乙燒。 該乾式钮刻化 請專利範圍第24項所述的方法 ^括冷卻該製程表面至G。㈢听之間4以刻至承 19 1309434 辦悶〜修衝正替換頁
    28_如申請專利範圍第20 包括熱生成的二氧化石夕。 29·如申请專利範圍第20項所述的方法，該閘介電材質 選自於一群由氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、金屬氧化 石夕、金屬碎化物、金屬氮化矽、過渡金屬氧化矽、過 渡金屬矽化物、金屬鋁酸鹽以及過渡金屬氮化物所 30如申請專利範圍第20項所述的方法，該閘電極材質 選自於一群由多晶矽、非晶系多晶系、摻雜的多晶矽 以及多晶石夕鍺所組成的材質。 3 1 ’如申明專利範圍第2 〇項所述的方法，該閘電極材質 包括—材質，該材質選自於一群由金屬、金屬氧化矽 _ 以及金屬氮化矽所組成的材質。 32_— T型閘極結構，包括： 一閘介電材質，該閘介電材質位於半導體基材之上； ，該閘電極位於該閘介電材質之上；其十 一閘電極， 使該Τ形閘極結構包 3亥縱切面具有一相較 該閘電極與該閘介電材質共形，使該τ形閘極結 括一往下逐漸狹窄的縱切面， 於底部寬度較寬的上方部分。 20 1309434 :.嘗換9! 3二 34·如申請專利範圍第32項所述的T型間極結構，該閉 極實質上為對稱，該閘電極相較於底部寬度較寬的 上方部分，該上方部分包括-個第-側壁内縮夾角，
    而該底部包括一第二内縮夾角，該第二内縮夾角較第 —内縮夾角更接近直角。 35.如_請專利範圍第32項所述的了型閘極結構，該間 電極結構幾乎近似於-酒杯形狀。 36·如中請專利範圍第32項所述的7型㈣結構，進一 步包括源極與汲極區，該源極與没極區位於半導體基 材之内，實質上與閘電極的上方部分對齊。 八申月專II |&圍第32項所述的τ型閘極結構，該閘 介電材質包括熱生成的二氧化矽。 申月專利範圍第32項所述的τ型閘極結構，該閘 ”龍質選自於—群由氧切、氣切、I氧化石夕、 金屬氧化石夕、金屬石夕化物、金屬氣化石夕、過渡金屬氧 化夕過渡金屬矽化物、金屬鋁酸鹽以及過渡金屬氮 21 38. 1309434 化物所組成的材質。 3 9.如申請專利範圍第32項所述的Τ型閘極結構，該閘 電極材質選自於 一群由多晶石夕、非晶糸多晶糸、換雜 的多晶碎以及多晶碎錯所組成的材質。 40.如申請專利範圍第32項所述的Τ型閘極結構，該閘 電極材質包括一材質，該材質選自於一群由金屬、金 屬氧化矽以及金屬氮化矽所組成的材質。
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