TWI575576B - 半導體元件的製作方法 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種半導體元件的製造方法,且特別是有關於一種具有金屬閘極結構之場效應電晶體(Field Effect Transistor,FET)元件的製造方法。
隨著積體電路積集度的增加,半導體元件,例如場效應電晶體,的特徵尺寸也跟著降低,場效應電晶體閘極氧化層的厚度亦跟著減少。為了因保有原來的介電效能,減少漏電,目前的多採用高介電常數(high k)的材質作為閘極氧化層。另外,由於習知的多晶矽閘極的摻雜容量有限,以摻雜多晶矽閘極的方式,來改善起始電壓效能也有其極限。目前已經開始嘗試使用金屬閘極取代多晶矽閘極,以因應元件特徵尺寸限縮所帶來的問題。
然而,對於此一技術領域而言,如何改善場效應電晶體元件的工作效能,並提高製程良率,仍是未來的一大挑戰。因此有需要提供一種先進的場效應電晶體元件製造方法,以改善場效應電晶體元件的工作效能,並提高製程良率。
本發明的目的之一,是提供一種半導體元件的製造方法,以改善場效應電晶體元件的工作效能,並提高製程良率。此一方法包括下述步驟:首先,提供具有假閘電極層的假閘極結構。接著移除此一假閘電極層,以於假閘極結構中形成一個開口,將下方材質層暴露出來。然後,針對移除了假閘電極層的假閘
極結構進行氫氧化氨(NH4OH)處理製程。再以金屬材料填充此開口。
在本發明的一實施例中,此一下方材質層可以是閘氧化層或阻障層。在本發明的一實施例中,阻障層可以是氮化鉭(TaN)層或氮化鈦(TiN)層。
在本發明的一實施例中,假閘極結構包括:位於基材上的閘氧化層;位於閘氧化層上的阻障層;位於阻障層上的假閘電極層;以及,位於基材上,圍繞閘氧化層、阻障層以及假閘電極層的間隙壁。在本發明之一實施例中,移除假閘電極層的步驟,還包括對間隙壁進行回蝕。
在本發明的一實施例中,閘氧化層係一高介電係數材質層且在形成閘氧化層之後,還包括於基材上進行離子植入製程,以形成源極/汲極結構。本發明的另一實施例,在移除假閘電極層之前,於基材上進行離子植入製程,以形成源極/汲極結構,鄰接假閘極結構;並在氫氧化氨處理製程之後,於開口中形成高介電係數材質層。
在本發明的一實施例中,氫氧化氨處理製程具有實質為60℃的操作溫度,且具有實質為1:120的氫氧化氨/水比值(NH4OH:H2O)。
在本發明的一實施例中,移除假閘電極層的步驟,與氫氧化氨處理製程係在同一製程容器中完成。
本發明的另一目的,是提供一種半導體元件的製造方法,包括下述步驟:首先提供具有一假閘電極層的假閘極結構。然後進行前蝕刻製程,以移除一部份的假閘電極層。再進行氫氧化氨處理製程,移除剩餘的假閘電極層,於假閘極結構中形成一個開口,以暴露出下方材質層。再以金屬材料填充此開口。
在本發明的一實施例中,前蝕刻製程可以是採用含氫氧化四甲基銨(Tetramethylammonium Hydroxide,TMAH)的濕式蝕刻製程。在本發明的一實施例中,前蝕刻製程至少移除三分之一的假閘電極層;而氫氧化氨處理製程,至少移除二分之一的假閘電極層。
在本發明的一實施例中,下方材質層可以是閘氧化層或阻障層。在本發明的一實施例中,阻障層可以是氮化鉭層或氮化鈦層。
在本發明的一實施例中,假閘極結構包括:位於基材上的閘氧化層;位於閘氧化層上的阻障層;位於阻障層上的假閘電極層;以及,位於基材上,圍繞閘氧化層、阻障層以及假閘電極層的間隙壁。在本發明之一實施例中,在前蝕刻製程和氫氧化氨處理製程之間,還包括對間隙壁進行一個回蝕製程。
在本發明的一實施例中,閘電極層係一高介電係數材質層,且在形成閘氧化層之後,還包括於基材上進行離子植入製程,以形成源極/汲極結構。本發明的另一實施例,在移除假閘電極層之前,於基材上進行離子植入製程,以形成源極/汲極結構,鄰接假閘極結構;並在氫氧化氨處理製程之後,於開口中形成高介電係數材質層。
在本發明的一實施例中,氫氧化氨處理製程具有實質為60℃的操作溫度,且具有實質為1:120的氫氧化氨/水比值。
在本發明的一實施例中,移除假閘電極層的步驟,與氫氧化氨處理製程係在同一製程容器中完成。
根據上述實施例,本發明所提供的半導體元件製造方法,是在移除假閘電極層的製程後段,進行一個氫氧化氨處理製程,以減少假閘電極材料的殘留,使後續形成於閘氧化層與金屬閘
極之間的功函數層,具有更符合金屬閘極之電性需求的功函數值,改善電晶體元件的工作效能,同時提高電晶體元件的製程良率,達到上述發明目的。
本發明的目的,是在提供一種先進的場效應電晶體元件製造方法,以改善場效應電晶體元件的工作效能,並提高製程良率。為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂,下文特舉數個互補式金氧半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,CMOS)元件(但不以此為限)的製備方法,作為較佳實施例,並配合所附圖式,其詳細說明如下:
請參照圖1A至圖1K,圖1A至圖1K係根據本發明一較佳實施例所繪示的互補式金氧半導體100製程剖面圖。
首先分別在基材101的P型主動區101a及N型主動區101b(由淺溝隔離層102所隔離)上,依序形成閘氧化層103、阻障層104以及假閘電極層105。其中,阻障層104位於閘氧化層103上;假閘電極層105位於阻障層104上(如圖1A所繪示)。
假閘電極層105較佳係由多晶矽所構成。閘氧化層103可以由介電常數較低的材料,例如二氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或氮碳化矽,所構成;也可以由高介電常數材料,例如矽化鉿、氧化鉿、氧化矽鉿、氮氧化矽鉿、氮化矽鉿、氧化鋁鉿、氧化鋁、氧化鈦、氧化鈦鍶、氧化鉭、氧化鋯、氧化矽鋯、鍶鈦酸鋇、鑭鋯鈦酸鉛或上述材質之組合,所構成。在本實施例之中,閘氧化層103係由介面層(interfacial layer)以及高介電材質層所構成,其中介面層的材質為氧化矽或氮化矽加氧化矽;
高介電材質層則係由矽化鉿、氧化鉿、氧化矽鉿、氮氧化矽鉿、氮化矽鉿、氧化鋁鉿、氧化鋁、氧化鈦、氧化鈦鍶、氧化鉭、氧化鋯、氧化矽鋯、鍶鈦酸鋇、鑭鋯鈦酸鉛或上述材質之組合所構成。
阻障層104可由氮化鉭、氮化矽、氮化鈦或氮化鎢(WN)所構成,在本發明的一些實施例之中,阻障層104可為一種由氮化矽層及氮化鉭層所堆疊而成的多層結構。但在本實施例之中,阻障層104為氮化矽層。然後,圖案化閘氧化層103、阻障層104及假閘電極層105,並進行一連串輕摻雜製程,分別在基材101的P型主動區101a及N型主動區101b之中,植入離子掺質,例如磷離子(P3-)或硼離子(B+)掺質,以分別定義出輕摻雜區107a和107b,鄰接圖案化的假閘電極層105、閘氧化層103及阻障層104(如圖1B所繪示)。在進行輕摻雜製程之前,通常會在圖案化後的閘氧化層103、阻障層104及假閘電極層105側壁形成偏間隙壁(未繪示)。
接著,於基材101上形成圍繞閘氧化層103、阻障層104以及假閘電極層105的間隙壁106。其中間隙壁106的形成步驟,包括先在基材101上形成一介電層(未繪示),覆蓋於閘氧化層103、阻障層104和假閘電極層105上;再藉由蝕刻移除一部份的介電層,並使餘留下來的介電層,環繞於閘氧化層103、阻障層104和假閘電極層105側壁上,以分別在P型主動區101a及N型主動區101b上,形成如圖1C所繪示的假閘極結構10和12。
之後,再以間隙壁106為罩幕,進行離子植佈製程,將高濃度的離子掺質植入基材101之中,與未受高濃度離子植佈的輕摻雜區107a和107b構成源極/汲極結構116a和116b(如圖
1D所繪示)。另外,在本發明的一些實施例中,在形成間隙壁106與源極/汲極結構116a之前,可選擇性地在假閘極結構10和12的兩側進行挖凹槽、填入磊晶的步驟而使得閘極兩側欲形成源極/汲極116a之處具有隆起的結構(raised structure)(未繪示)。
接著,於基材101以及閘極結構10和12上,依序形成接觸蝕刻中止層(Contact Etching Stop Layer,CESL)108及內層介電層(Inter-Layer Dielectric,ILD)109。再以接觸蝕刻中止層108為罩幕,進行一系列化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing,CMP)或蝕刻製程,移除一部分接觸蝕刻中止層108和內層介電層109,並將假閘電極層105暴露於外(如圖1E所繪示)。
藉由假閘電極層蝕刻製程移除假閘電極層105,以分別於假閘極結構10和12中形成一個開口110a和110b,將位於假閘電極層105下方的阻障層104暴露出來。值得注意的是,假閘電極層蝕刻製程,也可能直接將阻障層104加以移出,而將閘氧化層103暴露於外。
在本發明的一實施例之中,假閘電極層蝕刻製程可以是一種單一的乾式蝕刻製程。例如,使用四氟化碳(CF4)/氮氣(N2)或氯氣(Cl2)作為蝕刻氣體,所進行的乾式蝕刻製程。在本發明的另一實施例之中,假閘極蝕刻製程也可以是一種單一的濕式蝕刻製程。例如,使用氫氧化氨、磷酸、氫氧化四甲基銨或上述組合,作為蝕刻劑的濕式蝕刻製程。但在本發明的又一實施例之中,假閘極蝕刻製程,更可以包含多個乾式蝕刻或濕式蝕刻製程。在本實施例之中,假閘極蝕刻製程,是一種採用氫氧化四甲基銨作為蝕刻劑的濕式蝕刻製程。其中在移除假閘電極
層105的同時,還可對間隙壁106進行回蝕(pull back),擴大開口110a和110b(如圖1F所繪示),以利後續金屬填充製程的進行。
在移除假閘電極層105之後,再對移除了假閘電極層105的閘極結構10和12,進行一個氫氧化氨處理製程111(如圖1G所繪示)。在本發明的一些實施例之中,氫氧化氨處理製程111,是採用氫氧化氨/水比值實質為1:120的氫氧化氨溶液,在實質為60℃的操作溫度下,使其與閘極結構10和12接觸。在本實施例之中,移除假閘電極層105的步驟,與氫氧化氨處理製程111係在同一製程容器中完成。
接著,於阻障層104與開口110a和110b側壁上,依序沉積氮化鉭層112及氮化鈦層113(如圖1H所繪示)。再於氮化鈦層113及氮化鉭層112上形成圖案化光阻層114,填充P型主動區101a的開口110a,並將N型主動區101b的開口110b暴露於外。再以氮化鉭層112為蝕刻中止層,藉由蝕刻製程,將N型主動區101b之開口110b中的氮化鈦層113加以移除(如圖1I所繪示)。
移除圖案化光阻層114之後,形成鈦鋁(TiAl)化合物層115分別覆蓋於開口110a中的氮化鈦層113以及開口110b中的氮化鉭層112上。再以金屬材料117,例如鋁(Al),填充開口110a和110b(如圖1J所繪示)。在平坦化之後,形成具有金屬閘極的電晶體元件11和13(如圖1K所繪示)。
由於習知用來移除假閘電極層105的方式,多半會在開口110a和110b底部與側壁上殘餘的多晶矽,導致後續填充於開口110a和110b中的功函數層及金屬閘極,產生電性偏差,並影響電晶體元件的效能。本發明實施例所提供的氫氧化氨處理
製程111,可以清除開口110a和110b底部與側壁上所殘餘的多晶矽,使後續形成於開口110a和110b側壁上方的功函數層(例如,氮化鈦層113、氮化鉭層112或鈦鋁化合物層115)及金屬閘極的功函數值,更符合電晶體元件的電性需求。
值得注意的是,在圖1A至圖1K的實施例中,閘氧化層103係採用高介電常數材料,且高介電常數材質層(即閘氧化層103)形成於源極/汲極結構116a和116b離子植入與回火(anneals)之前,即所謂的高介電常數層優先(high-k first)製程。而在本發明的另一些實施例之中,互補式金氧半導體,是先採用介電常數較低的閘氧化層203來形成假閘極結構10和12,並於氫氧化氨處理製程111之後(如圖1G所繪示),再於閘氧化層203上形成一高介電係數材質層220(如圖2所繪示)。其中高介電係數材質層220係形成於源極/汲極結構116a和116b離子植入與回火(anneals)之後,一般稱為高介電常數層後製製程(high-k last)。由於高介電常數層後製製程的後續製程,與圖1H至圖1K所繪示的製程大至相同,故詳細內容不再贅述。
請參照圖3A至圖3C,圖3A至圖3C係根據本發明另一較佳實施例所繪示,製作互補式金氧半導體100的部份製程剖面圖。
本實施例所揭露的製造流程與圖1A至圖1K所述的製造流程相比,差異僅在於假閘電極層蝕刻製程。故僅就假閘電極層蝕刻製程加以說明。其中相同的元件,將使用相同的元件符號加以標示。
在本實施例之中,假閘電極層蝕刻製程包括:先對經化學機械研磨之後,暴露於外的假閘電極層105(請參照圖1E)進行一前蝕刻製程301,以移除一部份的假閘電極層。接著,再進
行氫氧化氨處理製程311,移除剩餘的假閘電極層105。
在本發明的一些實施例中,前蝕刻製程301可以是一種單一的乾式蝕刻製程301。例如,使用四氟化碳(CF4)/氮氣(N2)或氯氣(Cl2)作為蝕刻氣體,所進行的乾式蝕刻製程。在本發明的另一實施例之中,前蝕刻製程301也可以是一種單一的濕式蝕刻製程。例如,使用氫氧化氨、磷酸、氫氧化四甲基銨或上述組合,作為蝕刻劑的濕式蝕刻製程。但在本發明的又一實施例之中,前蝕刻製程301更可以包含多個乾式蝕刻或濕式蝕刻製程。在本實施例之中,前蝕刻製程301是採用含氫氧化四甲基銨的濕式蝕刻製程,用來移除至少三分之一的假閘電極層105(如圖3A所繪示)。
而氫氧化氨處理製程311則是採用氫氧化氨/水比值實質為1:120的氫氧化氨溶液,在實質為60℃的操作溫度下,使其與閘極結構10和12接觸,以移除剩餘的假閘電極層105(如圖3C所繪示)。
另外在前蝕刻製程301和氫氧化氨處理製程311之間,還包含對間隙壁106進行回蝕,擴大開口110a和110b(如圖3B所繪示),以利後續金屬填充製程的進行。後續再進行如圖1H至圖1K所繪示的製程,完成互補式金氧半導體100的製備。
根據上述實施例,本發明所提供的半導體元件製造方法,是在移除假閘電極層的製程後段,進行一個氫氧化氨處理製程,以減少假閘電極材料的殘留,使後續形成於閘氧化層與金屬閘極之間的功函數層,具有更符合金屬閘極之電性需求的功函數值,改善電晶體元件的工作效能,同時提高電晶體元件的製程良率,達到上述發明目的。
雖然本發明已以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,當可作些許之更動與潤飾,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為準。
10‧‧‧閘極結構
11‧‧‧具有金屬閘極的電晶體元件
12‧‧‧閘極結構
13‧‧‧具有金屬閘極的電晶體元件
100‧‧‧互補式金氧半導體
101‧‧‧基材
101a‧‧‧P型主動區
101b‧‧‧N型主動區
102‧‧‧淺溝隔離層
103‧‧‧閘氧化層
104‧‧‧阻障層
105‧‧‧假閘電極層
106‧‧‧間隙壁
107a‧‧‧輕摻雜區
107b‧‧‧輕摻雜區
108‧‧‧接觸蝕刻中止層
109‧‧‧內層介電層
110a‧‧‧開口
110b‧‧‧開口
111‧‧‧氫氧化氨處理製程
112‧‧‧氮化鉭層
113‧‧‧氮化鈦層
114‧‧‧圖案化電阻層
115‧‧‧鈦鋁化合物層
116a‧‧‧源極/汲極結構
116b‧‧‧源極/汲極結構
117‧‧‧金屬材料
203‧‧‧閘氧化層
220‧‧‧高介電係數材質層
301‧‧‧前蝕刻製程
311‧‧‧氫氧化氨處理製程
圖1A至圖1K係根據本發明一較佳實施例所繪示的互補式金氧半導體製程剖面圖。
圖2係根據本發明另一較佳實施例所繪示,製作互補式金氧半導體的部份製程剖面圖。
圖3A至圖3C係根據本發明又一較佳實施例所繪示,製作互補式金氧半導體的部份製程剖面圖。
101‧‧‧基材
102‧‧‧淺溝隔離層
103‧‧‧閘氧化層
104‧‧‧阻障層
106‧‧‧間隙壁
108‧‧‧接觸蝕刻中止層
109‧‧‧內層介電層
110a‧‧‧開口
110b‧‧‧開口
111‧‧‧氫氧化氨處理製程
116a‧‧‧源極/汲極結構
116b‧‧‧源極/汲極結構
Claims (16)
- 一種半導體元件的製造方法,包括:提供一假閘極(dummy gate)結構位於一基材上,具有一阻障層、一假閘電極層位於該阻障層上,及一間隙壁;移除該假閘電極層,且對該間隙壁進行一回蝕製程以移除部分該間隙壁,以於該假閘極結構中形成上寬下窄之一開口,將一下方材質層暴露出,其中該下方材質層係該阻障層(barrier layer);對該開口與該假閘極結構的該下方材質層進行一氫氧化氨(NH4OH)處理製程;以及以一金屬材料填充該開口。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件的製作方法,該阻障層係一氮化鉭(TaN)層或一氮化鈦(TiN)層。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件的製作方法,其中該假閘極結構包括:一閘氧化層,位於該基材上;該阻障層,位於該閘氧化層上;該假閘電極層,位於該阻障層上;以及該間隙壁,位於該基材上,並圍繞該閘氧化層、該阻障層以及該假閘電極層。
- 如申請專利範圍第3項所述之半導體元件的製作方法,其中該閘氧化層係一高介電係數材質層,且在形成該閘氧化層之後,還包括於該基材上進行一離子植入製程,以形成一源極 /汲極結構,鄰接該假閘極結構。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件的製作方法,還包括:在移除該假閘電極層之前,於該基材上進行一離子植入製程,以形成一源極/汲極結構,鄰接該假閘極結構;以及在該氫氧化氨處理製程之後,於該開口中形成一高介電係數材質層。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件的製作方法,其中該氫氧化氨處理製程,具有實質為60℃的一操作溫度,且具有實質為1:120的一氫氧化氨/水比值(NH4OH:H2O)。
- 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件的製作方法,其中移除該假閘電極層的步驟,與該氫氧化氨處理製程係在同一製程容器中完成。
- 一種半導體元件的製造方法,包括:提供一假閘極結構位於一基材上,具有一阻障層、一假閘電極層位於該阻障層上,及一間隙壁;進行一前蝕刻製程,以移除一部份之該假閘電極層;進行一回蝕製程,以移除一部分之該間隙壁;對該假閘極結構進行一氫氧化氨處理製程,移除剩餘的該假閘電極層,以於該假閘極結構中形成上寬下窄之一開口,以暴露出一下方材質層,其中該下方材質層係該阻障層(barrier layer);以及 以一金屬材料填充該開口。
- 如申請專利範圍第8項所述之半導體元件的製作方法,其中該前蝕刻製程包括採用含氫氧化四甲基銨(Tetramethylammonium Hydroxide,TMAH)的一濕式蝕刻製程。
- 如申請專利範圍第8項所述之半導體元件的製作方法,其中該前蝕刻製程,至少移除三分之一的該假閘電極層;且該氫氧化氨處理製程,至少移除二分之一的該假閘電極層。
- 如申請專利範圍第8項所述之半導體元件的製作方法,其中該阻障層係一氮化鉭層或一氮化鈦層。
- 如申請專利範圍第8項所述之半導體元件的製作方法,其中該假閘極結構包括:一閘氧化層,位於該基材上;該阻障層,位於該閘氧化層上;該假閘電極層,位於該阻障層上;以及該間隙壁,位於該基材上,並圍繞該閘氧化層、該阻障層以及該假閘電極層。
- 如申請專利範圍第12項所述之半導體元件的製作方法,其中該閘氧化層係一高介電係數材質層,且在形成該閘氧化層之後,還包括於該基材上進行一離子植入製程,以形成一源極/汲極結構,鄰接該假閘極結構。
- 如申請專利範圍第8項所述之半導體元件的製作方法,還包括:在移除該假閘電極層之前,於該基材上進行一離子植入製程,以形成一源極/汲極結構,鄰接該假閘極結構;以及在該氫氧化氨處理製程之後,於該開口中形成一高介電係數材質層。
- 如申請專利範圍第8項所述之半導體元件的製作方法,其中該氫氧化氨處理製程,具有實質為60℃的一操作溫度,且具有實質為1:120的一氫氧化氨/水比值。
- 如申請專利範圍第8項所述之半導體元件的製作方法,其中移除該假閘電極層的步驟,與該氫氧化氨處理製程係在同一製程容器中完成。
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TW100121112A TWI575576B (zh) | 2011-06-16 | 2011-06-16 | 半導體元件的製作方法 |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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TW201301356A (zh) | 2013-01-01 |
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