專利名稱：在金屬鑲嵌柵極工藝中形成自對準接觸焊盤的方法
本申請基于2000年3月9日申請的韓國專利申請No.2000-11821以及2000年9月22日申請的No.2000-55794的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容在這里引入作為參考。
本申請涉及半導體制造，特別涉及能夠形成自對準接觸工藝的金屬鑲嵌柵極。
半導體工業(yè)不斷進取以提高器件性能，同時不斷保持或甚至降低半導體產(chǎn)品的成本。這些目標已通過產(chǎn)業(yè)制造出更小的半導體器件的能力而部分地實現(xiàn)，由此能夠由起始襯底獲得更多的半導體芯片，從而降低了具體半導體芯片的加工成本。制造具有亞微米結(jié)構(gòu)器件的能力對獲得較小芯片有主要的貢獻，同時較小的芯片的集成度等于較大芯片獲得的集成度。
使用亞微米結(jié)構(gòu)或超小型化結(jié)構(gòu)產(chǎn)生組成晶體管的較小尺寸的柵電極。期望縮減到約0.1微米。然而，所述超小型化結(jié)構(gòu)在常規(guī)的柵電極工藝中產(chǎn)生一些問題。特別是超小型化結(jié)構(gòu)不能確保柵絕緣層的可靠性。常規(guī)的柵電極工藝介紹如下。在半導體襯底上形成器件隔離區(qū)，注入雜質(zhì)形成溝道區(qū)。柵極氧化層和如多晶硅/鎢等的柵電極層依次形成并構(gòu)圖成柵電極。使用柵電極做注入掩模，將雜質(zhì)注入到襯底內(nèi)形成低濃度漏區(qū)，即，LDD(輕摻雜漏區(qū))。這里，在柵電極構(gòu)圖期間柵極氧化物受到等離子體損傷。此外，對溝道的雜質(zhì)注入降低了柵極氧化物的可靠性。而且，由于溝道雜質(zhì)注入后接LDD雜質(zhì)注入，在消除(curing)由于LDD雜質(zhì)注入所引起的點缺陷的退火工藝期間，溝道區(qū)中的雜質(zhì)重新分布。并且，常規(guī)的多晶硅/鎢柵電極不能充分地平衡由亞微米柵極結(jié)構(gòu)造成的電阻增加。
為了克服以上提到的問題，現(xiàn)已開發(fā)了虛擬柵極工藝(通常所說的金屬鑲嵌柵極工藝)。

圖1和2為半導體襯底的剖面圖，示出了與常規(guī)虛擬柵極工藝有關(guān)的一些問題。
參考圖1A和1B，介紹了常規(guī)的虛擬柵極工藝?，F(xiàn)在參考圖1A，在半導體襯底10的預(yù)定部分中形成器件隔離區(qū)12。在所得結(jié)構(gòu)上形成虛擬柵極圖形(未示出)。使用虛擬柵極圖形作掩模，進行LDD雜質(zhì)注入并退火形成LDD區(qū)16。在虛擬柵極圖形的側(cè)壁上形成間隔層18。在半導體襯底10的整個表面上形成第一絕緣層，并向下平面化到虛擬柵極圖形的上表面形成平面化的第一絕緣層20。然后選擇性地除去虛擬柵極圖形形成溝槽。穿過溝槽，注入雜質(zhì)形成溝道區(qū)(未示出)。
進而，柵電極材料淀積在溝槽中第一絕緣層20上，然后平面化柵電極材料直到第一絕緣層20的上表面露出，形成柵電極24。隨后，進行位線和存儲節(jié)點接觸工藝，作為到柵電極24外LDD區(qū)16的電連接。
正如本領(lǐng)域中公知的，為了確保工藝裕度，位線和存儲節(jié)點接觸工藝進行自對準接觸工藝。自對準接觸工藝相對于覆蓋柵電極的氮化層選擇性地腐蝕氧化層，形成露出LDD區(qū)的開口。因此，即使存在未對準，氮化層保護柵電極，由此防止柵電極由開口露出。
然而，常規(guī)的虛擬柵極工藝在位線和存儲節(jié)點接觸工藝期間存在嚴重的問題。如圖1A和1B所示，柵電極24的上部露出，沒有被覆蓋。因此，當形成接觸的光刻工藝期間發(fā)生未對準時，柵電極24露出。即，對于接觸工藝，第二絕緣層26形成在柵電極24和第一絕緣層20上。通過光腐蝕工藝，相對于氮化物側(cè)壁間隔層18選擇性地腐蝕第二和第一絕緣層26和20，形成接觸開口28a和28b。如圖所示，存在未對準時，由于柵極的上部沒有被保護，柵電極24的上部由開口28a和28b露出。此外，如果腐蝕方法不是最理想的，那么會腐蝕露出的柵電極24。由此，隨后形成的接觸焊盤會接觸柵電極24。
因此，要求保護性氮化層僅形成在柵電極24上。然而，很難將保護性氮化層選擇性地形成在柵電極24上。如圖2所示，保護性氮化層25也形成在第一絕緣層20上。即，保護性氮化層25同時形成在柵電極24和第一絕緣層20上。因此，腐蝕保護性氮化物以及第一和第二絕緣層20和26形成接觸開口，由此不可能應(yīng)用自對準接觸工藝。
因此，本領(lǐng)域中需要能與自對準接觸工藝兼容的新穎的虛擬柵極工藝。
因此，鑒于以上問題得到本發(fā)明，本發(fā)明一個目的是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)自對準接觸工藝的金屬鑲嵌柵電極的形成方法。
本發(fā)明的一個特點是通過除去虛擬柵極圖形形成的溝槽部分填充低阻的柵電極材料，溝槽的其余部分完全由氮化層填充形成帽蓋層。因此，金屬鑲嵌柵電極的頂部由帽蓋層覆蓋并保護，由此能夠?qū)崿F(xiàn)隨后的自對準接觸工藝。
具體地，為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，提供一種半導體器件的形成方法。方法包括以下步驟在半導體襯底上形成虛擬柵極圖形，虛擬柵極圖形具有側(cè)壁間隔層；在半導體襯底的整個表面上形成第一絕緣層，第一絕緣層具有平坦的上表面，并且與虛擬柵極圖形高度相同；相對于側(cè)壁間隔層和第一絕緣層選擇性地除去虛擬柵極圖形，形成露出半導體襯底選擇部分的溝槽；在露出的半導體襯底上形成柵極絕緣層；用低阻導電材料部分地填充溝槽形成柵電極；以及用相對于第一絕緣層具有腐蝕選擇性的絕緣體填充溝槽的其余部分，形成帽蓋層。
在一個實施例中，用低阻導電材料部分地填充溝槽形成柵電極的步驟包括在溝槽中和第一絕緣層上形成低阻導電材料，并相對于第一絕緣層和側(cè)壁間隔層選擇性地腐蝕低阻導電材料，由此從第一絕緣層的上表面凹下選擇的深度的步驟。優(yōu)選，低阻導電材料選自由氮化鈦/鎢、多晶硅和多晶硅/硅化物組成的組。較優(yōu)選氮化鈦/鎢的雙層結(jié)構(gòu)。此外，可以使用高溫時穩(wěn)定的金屬。
在另一實施例中，用低阻導電材料部分地填充槽形成柵電極的步驟包括以下步驟在溝槽中和第一絕緣層上保形地形成低阻導電材料；在保形的低阻導電材料上形成腐蝕中止層以填充溝槽；腐蝕腐蝕中止層和溝槽外的保形的低阻導電材料；以及從溝槽除去其余的腐蝕中止層。
在又一實施例中，用低阻導電材料部分地填充槽形成柵電極的步驟包括以下步驟在溝槽中和第一絕緣層上形成低阻導電材料完全地填充溝槽；平面化導電材料直到第一絕緣層的上表面完全露出；以及深腐蝕導電材料并從絕緣層的上表面凹下選擇的深度。
此外，在半導體襯底上形成虛擬柵極圖形，虛擬柵極圖形具有側(cè)壁間隔層的步驟包括以下步驟在半導體襯底上形成犧牲絕緣層；在犧牲絕緣層上形成虛擬的柵極材料；構(gòu)圖虛擬的柵極材料層在犧牲絕緣層上形成虛擬的柵極圖形；在犧牲絕緣層和虛擬柵極圖形上形成間隔層，間隔層相對于第一絕緣層具有腐蝕選擇性；以及腐蝕間隔層形成側(cè)壁間隔層。這里，虛擬柵極圖形由相對于間隔層和第一絕緣層具有腐蝕選擇性的材料形成。例如，可以使用多晶硅和非晶的多晶硅。為了得到良好的虛擬柵極剖面，較優(yōu)選容易腐蝕的多晶硅。側(cè)壁間隔層和帽蓋層由相對于第一絕緣層具有腐蝕選擇性的絕緣體形成。此外，另一間隔層可以形成在溝槽的內(nèi)側(cè)壁上以得到傾斜的側(cè)壁剖面，與底部相比上部較寬。溝槽的所述側(cè)壁剖面能改善低阻導電材料的臺階覆蓋。優(yōu)選，另一側(cè)壁間隔層由與虛擬柵極圖形的側(cè)壁間隔層相同的材料形成。此外，形成虛擬柵極圖形具有傾斜的側(cè)壁剖面，它的上部比底部寬。因此，溝槽有比底部寬的上部。優(yōu)選用相對于第一絕緣層具有腐蝕選擇性的絕緣體填充溝槽的其余部分形成帽蓋層的步驟之后進行以下步驟在第一絕緣層和帽蓋層上形成第二絕緣層，第二絕緣層相對于側(cè)壁間隔層和帽蓋層具有腐蝕選擇性；構(gòu)圖第二和第一絕緣層形成開口；除去其余的犧牲絕緣層露出柵極圖形外的襯底；在第二絕緣層上形成導電層填充開口；以及腐蝕導電層和第二絕緣層直到露出帽蓋層，形成自對準接觸焊盤。優(yōu)選，導電層由與低阻導電材料相同的材料形成。
優(yōu)選形成虛擬柵極圖形之后，通過使用虛擬柵極圖形作為掩模以及注入第一種雜質(zhì)和退火進一步在虛擬柵極圖形之外的襯底中形成LDD區(qū)。此時，相對于側(cè)壁間隔層和第一絕緣層選擇性地除去虛擬柵極圖形形成溝槽露出半導體襯底的步驟包括以下步驟相對于側(cè)壁間隔層、第一絕緣層以及犧牲絕緣層選擇性地除去虛擬柵極圖形；將第二種雜質(zhì)注入到露出的犧牲絕緣層內(nèi)并退火在襯底中形成自對準溝道區(qū)；以及除去露出的犧牲絕緣層露出襯底。
此外，相對于側(cè)壁間隔層和第一絕緣層選擇性除去虛擬柵極圖形形成溝槽露出半導體襯底的步驟之后進行以下步驟除去側(cè)壁間隔層和部分第一絕緣層以擴大溝槽的寬度，擴大的溝槽具有基本上垂直的側(cè)壁剖面；以及在擴大的溝槽的側(cè)壁上形成倒置的側(cè)壁間隔層，由此與溝槽的頂部相比所得溝槽的底部變窄。此時，側(cè)壁間隔層由與第一絕緣層相同的材料形成，倒置的側(cè)壁間隔層由相對于第一絕緣層有腐蝕選擇性的材料形成。
具體地，為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，提供一種半導體器件的形成方法，此方法包括以下步驟在半導體襯底上形成依次由犧牲絕緣層和虛擬柵極材料層構(gòu)成的虛擬柵極圖形；在虛擬柵極圖形的側(cè)壁上形成側(cè)壁間隔層；在半導體襯底的整個表面上形成第一絕緣層，第一絕緣層具有平坦的上表面并與虛擬柵極圖形的高度相同；相對于側(cè)壁間隔層和第一絕緣層選擇性地除去虛擬柵極圖形，形成溝槽露出半導體襯底的選擇部分；在露出的半導體襯底上形成柵極氧化層；用低阻導電材料部分地填充溝槽形成柵電極；用相對于第一絕緣層具有腐蝕選擇性的絕緣體填充溝槽的其余部分形成帽蓋層；在第一絕緣層和帽蓋層上形成第二絕緣層，第二絕緣層相對于側(cè)壁間隔層和帽蓋層具有腐蝕選擇性；以及相對于間隔層和帽蓋層選擇性腐蝕第二和第一絕緣層，形成自對準接觸開口露出柵電極外的襯底。
在以上所述方法中，用低阻導電材料部分地填充溝槽形成柵電極的步驟包括以下步驟在溝槽和第一絕緣層中形成低阻導電材料完全地填充溝槽；平面化導電材料直到露出第一絕緣層的上表面；以及選擇性地深腐蝕導電材料并從絕緣層的上表面凹下選擇的深度。
具體地，為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，提供一種半導體器件的形成方法。方法包括以下步驟在半導體襯底上形成第一虛擬柵極圖形和第二虛擬柵極圖形，每個虛擬柵極圖形具有側(cè)壁間隔層，第二虛擬柵極圖形比第一虛擬柵極圖形寬；在半導體襯底的整個表面上形成第一絕緣層，第一絕緣層具有平坦的上表面并與虛擬柵極圖形高度相同；除去第一和第二虛擬柵極圖形形成露出襯底選擇部分的第一和第二溝槽；分別在第一和第二溝槽上形成第一和第二柵極氧化層；在第一絕緣層上形成低阻材料，由此完全地填充第一溝槽并由于兩者之間的寬度差異部分地填充第二溝槽；在導電材料上形成腐蝕中止層，完全地填充第二溝槽的其余部分；腐蝕腐蝕中止層直到露出溝槽外的導電材料；使用其余的腐蝕中止層作為腐蝕掩模并腐蝕第一溝槽中的導電材料層，從第一絕緣層的上表面下凹；以及形成絕緣體填充第一和第二溝槽的其余部分形成第一帽蓋層和第二帽蓋層。
在以上所述的方法中，除去第一和第二虛擬柵極圖形形成露出襯底選擇部分的第一和第二溝槽的步驟之后進行以下步驟除去間隔層的側(cè)壁以擴大溝槽的寬度，擴大的溝槽具有基本上垂直的側(cè)壁剖面；以及在擴大的溝槽側(cè)壁上形成倒置的側(cè)壁間隔層，由此與溝槽的頂部相比所得溝槽的底部變窄。此時，側(cè)壁間隔層由與第一絕緣層相同的材料形成，倒置的側(cè)壁間隔層由相對于第一絕緣層具有腐蝕選擇性的材料形成。
此方法還包括從第二溝槽除去其余的腐蝕中止層。
腐蝕中止層由光致抗蝕劑層或旋涂玻璃層形成。
以上所述的方法還包括以下步驟的第一絕緣層和帽蓋層上形成第二絕緣層，第二絕緣層相對于側(cè)壁間隔層和帽蓋層具有腐蝕選擇性；以及相對于間隔層和帽蓋層選擇性腐蝕第二和第一絕緣層，形成露出柵電極外襯底的自對準接觸開口。這里，第一和第二絕緣層分別由氧化硅形成，帽蓋層和側(cè)壁間隔層分別由氮化硅形成。
優(yōu)選，每個虛擬柵極圖形由犧牲絕緣層和虛擬柵極材料層的疊層形成。這里，形成虛擬柵極圖形的步驟之后進行通過使用虛擬柵極圖形作為注入掩模以及注入第一種雜質(zhì)并退火，在虛擬柵極圖形外的襯底中形成LDD區(qū)的步驟。此外，除去虛擬柵極圖形的步驟形成溝槽露出襯底的步驟包括以下步驟相對于側(cè)壁間隔層、第一絕緣層和犧牲絕緣層選擇性除去虛擬柵極圖形；將第二種雜質(zhì)注入到露出的犧牲絕緣層內(nèi)并退火在襯底中形成自對準溝道區(qū)；以及除去露出的犧牲絕緣層露出襯底。
通過參考如下的附圖，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將理解本發(fā)明并且本發(fā)明的目的將變得很顯然圖1和2為示出常規(guī)的虛擬柵極工藝問題的半導體襯底的剖面圖；圖3到14為在根據(jù)本發(fā)明金屬鑲嵌柵電極形成方法的選擇階段半導體襯底的剖面圖；圖15到28為在形成金屬鑲嵌柵電極的本發(fā)明一個實施例的選擇階段，半導體襯底的剖面圖；以及圖29到33為在形成金屬鑲嵌柵電極的本發(fā)明另一個實施例的選擇階段，半導體襯底的剖面圖。
現(xiàn)在參考示出了本發(fā)明優(yōu)選實施例的附圖更詳細地介紹本發(fā)明。然而，本發(fā)明可以不同的形式實施，并不限于這里陳述的實施例。相反，提供這些實施例以便本公開更充分和完整，并向本領(lǐng)域中的技術(shù)人員完全地傳達出本發(fā)明的范圍。在圖中，為清楚起見放大了層和區(qū)域的厚度。
標準的光刻工藝包括產(chǎn)生含有要形成的元件圖形的光刻掩模，用稱做光致抗蝕劑的感光材料覆蓋晶片，將覆蓋有光致抗蝕劑的晶片暴露到紫外線光，穿過掩模軟化或硬化部分光致抗蝕劑(取決于使用的是正性還是負性光致抗蝕劑)，除去未被光致抗蝕劑保護的材料，然后剝離剩余的光致抗蝕劑。在這里和許多其它集成電路制造工藝中廣泛地使用的另一種公知工藝是化學機械拋光(CMP)。這些和其它標準工藝在這里經(jīng)常提到，同時沒有對公知技術(shù)進行詳細介紹。半導體襯底的導電性與LDD區(qū)和源/漏區(qū)的相反。例如，如果襯底為p型，那么將n型雜質(zhì)注入到襯底內(nèi)，反之亦然。在本發(fā)明中，使用p型襯底。
圖3到12為示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的形成金屬鑲嵌柵電極和自對準接觸的半導體襯底的剖面圖。雖然在半導體襯底上同時形成了多個柵極圖形，但為清楚起見和較好地理解本發(fā)明，在圖3到12中僅示出了其中一個。
現(xiàn)在參考圖3A，提供具有虛擬柵極圖形140和側(cè)壁間隔層180的p型半導體襯底100。具體地，在半導體襯底100的預(yù)定部分形成器件隔離區(qū)120，定義出有源區(qū)。通過如淺溝槽隔離和硅的局部氧化等的公知技術(shù)形成器件隔離區(qū)120。在具有器件隔離區(qū)120的所得結(jié)構(gòu)上形成犧牲絕緣層130。犧牲絕緣層130由氧化層形成?？梢酝ㄟ^低壓化學汽相淀積(LPCVD)技術(shù)和等離子體增強化學汽相淀積(PECVD)形成犧牲絕緣層130。優(yōu)選，通過熱工藝形成厚度約100到300埃的犧牲絕緣層130。
虛擬柵極材料層形成在犧牲絕緣層130上并構(gòu)圖形成虛擬柵極圖形140。形成虛擬柵極圖形140之后，使用虛擬柵極圖形140做注入掩模進行用于輕摻雜漏區(qū)(LDD)的雜質(zhì)注入。優(yōu)選，以約1×1013atoms/cm2的劑量約20到30keV的能量注入磷。之后，進行退火工藝激活注入的雜質(zhì)，以消除襯底缺陷，由此形成LDD區(qū)160。在虛擬柵極圖形140的側(cè)壁上形成絕緣間隔層180。
具體地，虛擬柵極材料由相對于虛擬柵極間隔層180由優(yōu)良腐蝕選擇性的材料形成，并隨后形成第一和第二絕緣層(參考圖4的200和圖9的260)。優(yōu)選材料能提供需要的虛擬柵極圖形剖面。例如，當虛擬柵極間隔層由氮化硅形成時，第一和第二絕緣層由氧化物形成，虛擬柵極材料層由多晶硅、非晶硅等形成。優(yōu)選，通過LPCVD由多晶硅形成厚度約4000到5000埃的虛擬柵極材料層。在相對于下面的犧牲氧化層130具有高選擇性的腐蝕條件下進行虛擬柵極圖形的構(gòu)圖。此時，仔細地控制形成頂部比底部寬的虛擬柵極圖形，即從頂部到底部的反坡。由此，隨后形成的溝槽(參考圖5的220)具有比底部寬的頂部開口，為柵極材料層淀積提供了良好的布局。形成虛擬柵極圖形140之后，根據(jù)制造工藝腐蝕虛擬柵極圖形140之外的犧牲氧化層130，如圖3B所示。
虛擬柵極間隔層180由氮化硅層形成。具體地，氮化硅層保形地形成在虛擬柵極圖形140和犧牲氧化層130之上。優(yōu)選，通過PECVD、LPCVD等形成厚度約500到600埃的氮化硅層。然后各向異性地腐蝕淀積的氮化硅層在虛擬柵極圖形140的側(cè)壁上形成虛擬柵極間隔層180。
現(xiàn)在參考圖4，第一絕緣層形成具有虛擬柵極間隔層180的所得結(jié)構(gòu)上。第一絕緣層由摻雜或未摻雜的氧化硅層形成。具體地，通過PECVD、常壓CVD(APCVD)等形成厚度約4000到5000埃的第一絕緣層。隨后，進行平面化工藝直到露出虛擬柵極圖形140的上表面，形成平面化的第一絕緣層120。例如，可以使用化學機械拋光(CMP)或深腐蝕。
接下來，參考圖5，除去虛擬柵極圖形140在該處對應(yīng)地形成溝槽220。在相對于第一絕緣層200和虛擬柵極間隔層180有高選擇性的腐蝕條件下除去虛擬柵極圖形140。可以使用干腐蝕或濕腐蝕。在低功率高壓力下進行干腐蝕以增強各向同性腐蝕特性?？梢允褂肧F6、O2等作為源氣體。濕腐蝕使用HNO3、HF、CH3COOH和H2O的混合物。此外，可以組合干腐蝕和濕腐蝕，優(yōu)選依次進行干腐蝕和濕腐蝕。
用低阻導電材料填充溝槽220。因此，為了改善導電材料的臺階覆蓋，在溝槽的側(cè)壁上形成絕緣間隔層(未示出)，朝溝槽內(nèi)部延伸。由此，溝槽的上部開口與底部相比變得較寬。
接下來，通過由溝槽220露出的犧牲氧化層130雜質(zhì)注入到襯底100內(nèi)并隨后退火形成溝道區(qū)225。此時，溝道區(qū)225以自對準方式形成在虛擬柵極圖形140下的襯底中100，即已形成的LDD區(qū)160之間。因此，與在整個襯底上進行的常規(guī)溝道注入相比，可以減小結(jié)泄漏和結(jié)電容。
優(yōu)選，以約1×1013atoms/cm2的劑量約20到30keV的能量注入B(硼)或BF2。使用緩沖的氫氟酸除去溝道區(qū)225上露出的犧牲氧化層130，露出襯底100。
接下來，參考圖6，在溝槽220露出的襯底100上形成柵極氧化層130a。由于在虛擬柵極圖形的工藝以及雜質(zhì)注入和退火之后形成柵極氧化層130a，因此可以得到可靠的柵極氧化物。柵極氧化層130a可以由氮氧化硅層、氧化鉭(Ta2O5)以及氧化硅形成。由于與氧化硅相比氮氧化硅層和氧化鉭具有高介電常數(shù)，因此它們可以形成得較厚，由此避免了需要仔細工藝控制的薄柵極氧化物工藝。當使用氧化硅時，通過熱氧化工藝形成到約40到50埃的厚度。當使用氧化鉭時，形成到約100到150埃的厚度。當使用由氮氧化硅層時，形成到約60到70埃的厚度。
形成柵極氧化層130a之后，形成低阻導電材料230完全地填充第一絕緣層200上的溝槽220。低阻導電材料230優(yōu)選由金屬形成。優(yōu)選淀積金屬期間金屬對氧化層130a的損傷最小，金屬具有良好的臺階覆蓋特性無空隙地填充溝槽。具體地，通過原子層淀積(ALD)技術(shù)或CVD技術(shù)形成厚度約200埃的氮化鈦層。通過CVD技術(shù)形成厚度約2000埃的鎢。可以使用高溫時穩(wěn)定的硅化物或金屬。也可以使用多晶硅、多晶硅/硅化鎢。
接下來，如圖7所示，通過深腐蝕技術(shù)，完全除去溝槽220外的低阻導電材料230，同時，挖出導電材料進入溝槽內(nèi)距第一絕緣層200的上表面預(yù)定的深度(參考245)，由此形成低阻柵電極240。這里，凹陷尺寸取決于柵極的表面電阻和用于自對準接觸腐蝕的柵極帽蓋層的厚度。優(yōu)選，凹陷尺寸約2000埃。
此外，凹陷的柵電極240可以如下形成。首先，如圖6B所示進行平面化工藝直到露出第一絕緣層200的上表面，然后進行深腐蝕形成凹陷的柵電極240。
現(xiàn)在參考圖8，形成柵極帽蓋層250直到第一絕緣層200填充凹陷區(qū)245。柵極帽蓋層250保護柵電極240，并由相對于隨后形成的第二絕緣層(參考圖9的260)具有腐蝕選擇性的材料形成。優(yōu)選，柵極帽蓋層250由與虛擬柵極間隔層180相同的材料形成。由此，柵電極240完全由保護層覆蓋，即，虛擬柵極間隔層180用于側(cè)壁保護，帽蓋層250用于上表面保護。
接下來的工藝是形成自對準的接觸并示意性地顯示在圖9到12中?，F(xiàn)在參考圖9，第二絕緣層260形成在第一絕緣層200和柵極帽蓋層250上。第二絕緣層260由相對于帽蓋層250和虛擬柵極間隔層180具有腐蝕選擇性的材料形成。優(yōu)選，通過PECVD由氧化硅形成厚度約1500到2000埃的第二絕緣層260。通過光刻和腐蝕工藝，相對于間隔層180和帽蓋層250選擇性構(gòu)圖第二絕緣層260、第一絕緣層200和犧牲氧化層130，由此形成自對準接觸開口280，露出柵電極之間的LDD區(qū)160，如圖10所示。
隨后，在第二絕緣層260上形成導電層290，如圖11所示填充開口280。優(yōu)選，導電層290由與柵電極240相同的材料形成。接下來，進行如CMP或深腐蝕等的平面化工藝直到露出柵極帽蓋層250的上表面，形成與相鄰結(jié)構(gòu)電絕緣的接觸焊盤300，如圖12所示。
隨后，進行位線、電容器、金屬布線以及鈍化的常規(guī)工藝。
在以上介紹的形成金屬鑲嵌柵極和自對準接觸的方法中，如果虛擬柵極圖形的寬度較寬，那么可以不同的方式形成凹陷的柵電極，并示意性地顯示在圖13到14。如圖5所示形成溝槽220之后，低阻導電材料淀積在第一絕緣層200上。然而，由于溝槽的寬度較寬，淀積的導電材料230僅填充部分溝槽。即，導電材料230保形地形成在第一絕緣層200上和溝槽220中。因此，需要僅腐蝕溝槽外的導電材料230。為此，保護溝槽220內(nèi)導電材料層230的腐蝕中止層235形成在保形的材料層230上，如圖13所示。腐蝕中止層235可以由可軟熔(re-flowable)層形成，例如光致抗蝕劑層或旋涂玻璃層。所述層可以在低溫下流動，由此適合于平面化。這里，要注意的是腐蝕中止層235在溝槽220外形成得較薄，在溝槽220內(nèi)較厚，基本上填充了溝槽220。
接下來，進行深腐蝕工藝直到露出第一絕緣層200的上表面。在所述深腐蝕工藝期間，完全地除去了溝槽220外的腐蝕中止層235和導電材料230。然而，在溝槽220中，由于厚腐蝕中止層235，留下部分腐蝕中止層235直到露出溝槽外的第一絕緣層200，由此保護了下面的導電材料230，如圖14所示。除去其余的腐蝕中止層235形成凹陷的柵電極。
圖24到28為根據(jù)本發(fā)明的另一實施例在形成金屬鑲嵌柵極和自對準接觸的方法的選擇階段的半導體襯底的剖面圖。在圖中，為簡化僅示出了一個柵極圖形。
在圖24到28中，功能與圖3到12相同的部分用相同的數(shù)字表示，并且省略了對它們的介紹。與圖3到12顯著差異之處在于除去虛擬柵極間隔層并形成朝溝槽內(nèi)部延伸的倒置間隔層。此外，虛擬柵極間隔層與圖3到12中的氮化硅層的材料不同。虛擬側(cè)壁間隔層180a由相對于第一絕緣層200不具有腐蝕選擇性的材料形成。優(yōu)選，本實施例的虛擬側(cè)壁間隔層180a由與第一絕緣層200相同的材料形成，即氧化硅層。
參考圖24，通過和圖5一樣除去虛擬柵極圖形形成溝槽200。
接下來，除去虛擬側(cè)壁間隔層180a。這里，也除去部分第一絕緣層200，特別是溝槽220的上部邊緣，由此擴大了溝槽寬度尺寸，擴大的溝槽220a的側(cè)壁剖面基本上垂直，如圖25所示。
接下來，參考圖26，在擴大的溝槽220a的側(cè)壁上，形成朝擴大的溝槽220a內(nèi)部延伸的倒置間隔層180b。倒置的間隔層180b由相對于第一絕緣層200具有腐蝕選擇性的材料形成。例如，倒置的間隔層180b由氮化硅層形成。由于倒置的間隔層180b，溝槽220的頂部開口比底部寬，為隨后的導電材料淀積提供了良好的布局。隨后，穿過犧牲氧化層130，將雜質(zhì)注入到襯底100內(nèi)，然后退火形成溝道區(qū)225。除去露出的犧牲氧化層130并形成柵極氧化層130a。
接下來，在第一絕緣層200上形成低阻導電材料填充溝槽220。在導電材料上進行CMP平面化工藝直到露出層間絕緣層200的上表面。隨后，進行深腐蝕工藝挖去溝槽220中的導電材料形成凹陷的柵電極240，如圖27所示。
此外，和圖3到12的前一實施例中介紹的一樣，可以僅通過深腐蝕工藝不進行CMP平面化形成凹陷的柵電極240。
現(xiàn)在參考圖28，在第一絕緣層200上形成柵極帽蓋層250填充凹陷區(qū)245。如圖所示，柵電極完全由保護層包括，即帽蓋層250和倒置的間隔層180b。此外，保護層的外形顯示出矩形結(jié)構(gòu)，由此增強了柵電極上部邊緣部分的保護功能。因此，增加了隨后自對準接觸工藝的安全裕度。隨后，與圖9到12中示出的相同方式進行自對準接觸工藝。
以上為簡化在各圖中僅示出了一個柵電極(可以為單元區(qū)或核心(core)/周邊區(qū)的柵電極)。以下介紹本發(fā)明的實施例，涉及單元陣列區(qū)和核心/周邊區(qū)，并示意性地顯示在圖15到23中。眾所周知，單元陣列區(qū)的柵電極尺寸小于核心/周邊區(qū)的柵電極尺寸。
在圖15到23中，功能與圖3到12相同的部分用相同的數(shù)字表示，并且省略了對它們的介紹?，F(xiàn)在參考圖15，在半導體襯底100中形成器件隔離區(qū)120，定義出單元陣列區(qū)和核心/周邊區(qū)的有源區(qū)。和以前介紹的一樣形成犧牲氧化層130、虛擬柵極圖形140a和140b、虛擬柵極側(cè)壁間隔層180和LDD區(qū)160。與單元陣列區(qū)的虛擬柵極圖形140a相比，核心/周邊區(qū)的虛擬柵極圖形140b形成得較寬。形成虛擬柵極側(cè)壁間隔層180之后，使用虛擬柵極圖形140b和間隔層180做掩摸將雜質(zhì)注入到核心/周邊區(qū)內(nèi)形成源/漏區(qū)。當為NMOS晶體管時，以約1×1014atoms/cm2到5×1014atoms/cm2的劑量約20到30keV的能量注入磷，并進行退火工藝形成源/漏區(qū)160a。
現(xiàn)在參考圖16，在所得結(jié)構(gòu)上形成平坦的第一絕緣層200。通過除去單元陣列區(qū)和核心/周邊區(qū)的虛擬柵極圖形140a和140b形成溝槽220a和220b，如圖17所示。進行溝道雜質(zhì)注入和退火工藝形成溝道區(qū)225。除去由溝槽220a和220b露出的犧牲氧化層130，在溝道區(qū)225上形成柵極氧化層130a。接下來，在第一絕緣層200上形成低阻導電材料230，如圖18所示。然而這里，應(yīng)該注意的是單元陣列區(qū)的溝槽220a完全由導電材料230填充，但由于兩者之間的寬度差異，核心/周邊區(qū)的溝槽220b僅部分填充。由此，在核心/周邊區(qū)的溝槽220b內(nèi)形成凹陷區(qū)231。
接下來，如圖19所示，在導電材料上形成腐蝕中止層235。腐蝕中止層235由可軟熔層形成，例如光致抗蝕劑層或旋涂玻璃層。此時，腐蝕中止層235在單元陣列區(qū)中形成得較薄，在核心/周邊區(qū)的溝槽220b內(nèi)形成得較厚，填充了凹陷區(qū)231。
之后，進行形成單元陣列區(qū)的凹陷柵的腐蝕工藝。如圖20所示，首先，腐蝕核心/周邊區(qū)的溝槽220b外的腐蝕中止層235，直到露出導電材料230的上表面。此時，厚腐蝕中止層235a仍留在溝槽220b中的導電材料上，覆蓋并保護核心/周邊區(qū)的導電材料。接著，在露出的導電材料上進行腐蝕工藝除去溝槽220a外的導電材料，同時腐蝕溝槽中得部分導電材料形成凹陷的柵電極240，并在單元陣列區(qū)露出第一層間絕緣層200。此時，核心/周邊區(qū)的溝槽220b中的導電材料由厚腐蝕中止層235a保護。對導電材料的腐蝕工藝僅腐蝕了溝槽220b中的部分厚腐蝕中止層235a，由此剩余的腐蝕中止層235b覆蓋了核心/周邊區(qū)的溝槽220b中的導電材料。接下來，除去剩余的腐蝕中止層235b露出核心/周邊區(qū)凹陷的柵電極240。根據(jù)制造工藝，不能除去剩余的腐蝕中止層。
現(xiàn)在參考圖22，在凹陷的柵電極240上形成柵極帽蓋層250。第二絕緣層260形成在柵極帽蓋層250和第一絕緣層200上。形成自對準接觸開口280，如圖23所示。隨后，形成導電層并平面化形成圖12所示的接觸焊盤。
圖29到33為根據(jù)本發(fā)明的另一實施例在形成金屬鑲嵌柵極和自對準接觸的方法的選擇階段的半導體襯底的剖面圖。在圖29到33中，功能與圖3到28相同的部分用相同的數(shù)字表示，并且省略了對它們的介紹。
與參考圖24到26介紹的相同方式，如圖29所示形成倒置的間隔層180b。雜質(zhì)注入到由溝槽露出的襯底100內(nèi)，并進行退火工藝形成溝道區(qū)225。除去犧牲氧化層之后，形成柵極氧化層130a，如圖30所示。與圖15到23不同，根據(jù)本實施例，用低阻導電材料230填充溝槽220a和220b。
隨后，如圖31所示，平面化低阻導電材料230直到露出第一絕緣層200的上表面。對平面化的導電材料230a進行深腐蝕工藝，在單元和核心/周邊區(qū)都形成圖32所示的凹陷柵電極240。接下來，用帽蓋層250填充凹陷的區(qū)域以保護柵電極240的頂部，如圖33所示。因此，單元和核心/周邊區(qū)的每個柵電極240完全由保護層覆蓋，即倒置的間隔層180b和帽蓋層250。由于倒置的間隔層180b，保護層顯示為矩形結(jié)構(gòu)。由此，可以增加柵電極240頂部邊緣部分未對準的安全裕度。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，低阻柵電極可以裕自對準接觸工藝同時實現(xiàn)。
即，采用金屬鑲嵌柵極工藝，可以阻止由柵極構(gòu)圖造成的等離子體損傷，并且可以形成金屬柵極，由此提供了高速操作。
由于在形成LDD區(qū)的步驟之后形成柵電極，因此柵極侵蝕可以最小化。此外，由于形成LDD區(qū)的步驟之后以自對準方式形成溝道區(qū)，因此可以減少結(jié)電容和結(jié)泄漏，并且可以防止溝道區(qū)摻雜劑的重新分布。
在金屬鑲嵌柵極工藝中，可以實現(xiàn)位線和存儲節(jié)點的自對準接觸工藝。此外，由于倒置的間隔層，可以增加柵極頂部邊緣部分的厚度，由此提供了自對準接觸的工藝裕度。
權(quán)利要求
1．一種柵極電阻減小的半導體器件的形成方法，此方法包括在半導體襯底的選定部分上形成虛擬柵極圖形，虛擬柵極圖形具有側(cè)壁間隔層；在半導體襯底的整個表面上形成第一絕緣層，第一絕緣層具有平坦的上表面，并且與虛擬柵極圖形高度相同；相對于側(cè)壁間隔層和第一絕緣層選擇性地除去虛擬柵極圖形，形成露出所述半導體襯底的所述選定部分的溝槽；在露出的半導體襯底上形成柵極絕緣層；用低阻導電材料部分地填充溝槽形成柵電極；以及用相對于第一絕緣層具有腐蝕選擇性的絕緣體填充溝槽的其余部分，形成帽蓋層。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中用低阻導電材料部分地填充溝槽形成柵電極的步驟包括以下步驟在溝槽中和第一絕緣層上形成低阻導電材料；以及相對于第一絕緣層和側(cè)壁間隔層選擇性地腐蝕低阻導電材料，由此從第一絕緣層的上表面凹下選擇的深度。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中低阻導電材料選自由氮化鈦/鎢、多晶硅和多晶硅/硅化物組成的組。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中用低阻導電材料部分地填充槽形成柵電極的步驟包括以下步驟在溝槽中和第一絕緣層上保形地形成低阻導電材料；在保形的低阻導電材料上形成腐蝕中止層以填充溝槽；腐蝕腐蝕中止層和溝槽外的保形的低阻導電材料；以及從溝槽除去其余的腐蝕中止層。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在半導體襯底上形成虛擬柵極圖形，虛擬柵極圖形具有側(cè)壁間隔層的步驟包括以下步驟在半導體襯底上形成犧牲絕緣層；在犧牲絕緣層上形成虛擬的柵極材料；構(gòu)圖虛擬的柵極材料層在犧牲絕緣層上形成虛擬的柵極圖形；在犧牲絕緣層和虛擬柵極圖形上形成間隔層，間隔層相對于第一絕緣層具有腐蝕選擇性；以及腐蝕間隔層形成側(cè)壁間隔層。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中形成虛擬柵極圖形之后，通過使用虛擬柵極圖形作為掩模以及注入第一種雜質(zhì)和退火進一步在虛擬柵極圖形之外的襯底中形成LDD區(qū)，其中相對于側(cè)壁間隔層和第一絕緣層選擇性地除去虛擬柵極圖形形成溝槽露出半導體襯底的步驟包括以下步驟相對于側(cè)壁間隔層、第一絕緣層以及犧牲絕緣層選擇性地除去虛擬柵極圖形；將第二種雜質(zhì)注入到露出的犧牲絕緣層內(nèi)并退火在襯底中形成自對準溝道區(qū)；以及除去露出的犧牲絕緣層露出襯底的選擇部分。
7．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，還包括在第一絕緣層和帽蓋層上形成第二絕緣層，第二絕緣層相對于側(cè)壁間隔層和帽蓋層具有腐蝕選擇性；構(gòu)圖第二和第一絕緣層形成開口；除去其余的犧牲絕緣層露出柵極圖形外的襯底；在第二絕緣層上形成導電層填充開口；以及腐蝕導電層和第二絕緣層直到露出帽蓋層，形成自對準接觸焊盤。
8．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中導電層由與低阻導電材料相同的材料形成。
9．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中柵極絕緣層由選自氧化硅、氮氧化硅層、以及氧化鉭組成的組，側(cè)壁間隔層和帽蓋層分別由氮化硅層形成，第一絕緣層由氧化硅形成。
10．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中用低阻導電材料部分地填充槽形成柵電極的步驟包括以下步驟在溝槽中和第一絕緣層上形成低阻導電材料完全地填充溝槽；平面化導電材料直到第一絕緣層的上表面完全露出；以及深腐蝕導電材料并從絕緣層的上表面凹下選擇的深度。
11．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中相對于側(cè)壁間隔層和第一絕緣層選擇性除去虛擬柵極圖形形成溝槽露出半導體襯底的步驟之后進行以下步驟除去側(cè)壁間隔層和部分第一絕緣層以擴大溝槽的寬度，擴大的溝槽具有基本上垂直的側(cè)壁剖面；以及在擴大的溝槽的側(cè)壁上形成倒置的側(cè)壁間隔層，由此與溝槽的頂部相比所得溝槽的底部變窄。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中側(cè)壁間隔層由與第一絕緣層相同的材料形成，倒置的側(cè)壁間隔層由相對于第一絕緣層有腐蝕選擇性的材料形成。
13．一種柵極電阻減小的半導體器件的形成方法，該方法包括在半導體襯底的選定部分上形成依次由犧牲絕緣層和虛擬柵極材料層構(gòu)成的虛擬柵極圖形；在虛擬柵極圖形的側(cè)壁上形成側(cè)壁間隔層；在半導體襯底的整個表面上形成第一絕緣層，第一絕緣層具有平坦的上表面并與虛擬柵極圖形的高度相同；相對于側(cè)壁間隔層和第一絕緣層選擇性地除去虛擬柵極圖形，形成溝槽露出半導體襯底的選定部分；在露出的半導體襯底上形成柵極氧化層；用低阻導電材料部分地填充溝槽形成柵電極；用相對于第一絕緣層具有腐蝕選擇性的絕緣體填充溝槽的其余部分形成帽蓋層；在第一絕緣層和帽蓋層上形成第二絕緣層，第二絕緣層相對于側(cè)壁間隔層和帽蓋層具有腐蝕選擇性；以及相對于間隔層和帽蓋層選擇性腐蝕第二和第一絕緣層，形成自對準接觸開口露出柵電極外的襯底。
14．根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中形成虛擬柵極圖形的步驟之后進行通過使用虛擬柵極圖形作為注入掩模以及注入第一種雜質(zhì)并退火，在虛擬柵極圖形外的襯底中形成LDD區(qū)的步驟，其中除去虛擬柵極圖形的步驟形成溝槽露出襯底的步驟包括以下步驟相對于側(cè)壁間隔層、第一絕緣層和犧牲絕緣層選擇性除去虛擬柵極圖形；將第二種雜質(zhì)注入到露出的犧牲絕緣層內(nèi)并退火在襯底中形成自對準溝道區(qū)；以及除去露出的犧牲絕緣層露出襯底。
15．根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中帽蓋層和側(cè)壁間隔層分別由氮化硅形成，第一和第二絕緣層分別由氧化硅形成。
16．根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中低阻導電材料選自由氮化鈦/鎢、多晶硅和多晶硅/硅化物組成的組。
17．根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中柵極絕緣層由選自氧化硅、氮氧化硅層、以及氧化鉭組成的組。
18．根據(jù)權(quán)利要求14的方法，還包括以下步驟在自對準接觸開口和第二絕緣層中形成導電層；以及腐蝕導電層和第二絕緣層直到露出帽蓋層的上表面，形成自對準接觸焊盤。
19．根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中導電層由與低阻導電材料相同的材料形成。
20．根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中用低阻導電材料部分地填充溝槽形成柵電極的步驟包括以下步驟在溝槽和第一絕緣層中形成低阻導電材料完全地填充溝槽；平面化導電材料直到露出第一絕緣層的上表面；以及選擇性地深腐蝕導電材料并從絕緣層的上表面凹下選擇的深度。
21．根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中相對于側(cè)壁間隔層和第一絕緣層選擇性除去虛擬柵極圖形形成溝槽露出半導體襯底的步驟之后進行以下步驟除去側(cè)壁間隔層和部分第一絕緣層以擴大溝槽的寬度，擴大的溝槽具有基本上垂直的側(cè)壁剖面；以及在擴大的溝槽的側(cè)壁上形成倒置的側(cè)壁間隔層，由此與溝槽的頂部相比所得溝槽的底部變窄。
22．根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中側(cè)壁間隔層由與第一絕緣層相同的材料形成，倒置的側(cè)壁間隔層由相對于第一絕緣層有腐蝕選擇性的材料形成。
23．一種具有減小的柵極電阻和自對準接觸焊盤的半導體器件的形成方法，該方法包括在半導體襯底上形成第一虛擬柵極圖形和第二虛擬柵極圖形，每個虛擬柵極圖形具有側(cè)壁間隔層，第二虛擬柵極圖形比第一虛擬柵極圖形寬；在半導體襯底的整個表面上形成第一絕緣層，第一絕緣層具有平坦的上表面并與虛擬柵極圖形高度相同；除去第一和第二虛擬柵極圖形形成露出襯底選擇部分的第一和第二溝槽；分別在第一和第二溝槽上形成第一和第二柵極氧化層；在第一絕緣層上形成低阻材料，由此完全地填充第一溝槽并由于兩者之間的寬度差異部分地填充第二溝槽；在導電材料上形成腐蝕中止層，完全地填充第二溝槽的其余部分；腐蝕腐蝕中止層直到露出溝槽外的導電材料；使用其余的腐蝕中止層作為腐蝕掩模并腐蝕第一溝槽中的導電材料層，從第一絕緣層的上表面下凹；以及形成絕緣體填充第一和第二溝槽的其余部分形成第一帽蓋層和第二帽蓋層。
24．根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中除去第一和第二虛擬柵極圖形形成露出襯底選擇部分的第一和第二溝槽的步驟之后進行以下步驟除去間隔層的側(cè)壁以擴大溝槽的寬度，擴大的溝槽具有基本上垂直的側(cè)壁剖面；以及在擴大的溝槽側(cè)壁上形成倒置的側(cè)壁間隔層，由此與溝槽的頂部相比所得溝槽的底部變窄。
25．根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中側(cè)壁間隔層由與第一絕緣層相同的材料形成，倒置的側(cè)壁間隔層由相對于第一絕緣層有腐蝕選擇性的材料形成。
26．根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中腐蝕中止層由光致抗蝕劑層或旋涂玻璃層形成。
27．根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中帽蓋層和側(cè)壁間隔層分別由氮化硅形成，第一和第二絕緣層分別由氧化硅形成。
28．根據(jù)權(quán)利要求27的方法，還包括以下步驟在第一絕緣層和帽蓋層上形成第二絕緣層，第二絕緣層相對于側(cè)壁間隔層和帽蓋層具有腐蝕選擇性；以及相對于間隔層和帽蓋層選擇性腐蝕第二和第一絕緣層，形成自對準接觸開口露出柵電極外的襯底。
29．根據(jù)權(quán)利要求23的方法，還包括從第二溝槽除去其余的腐蝕中止層。
全文摘要
提供一種具有低電阻同時能夠形成自對準接觸焊盤的金屬鑲嵌柵電極。具有間隔層和間隔層限定的溝槽的絕緣體提供在半導體襯底上。雜質(zhì)注入到由溝槽露出的半導體襯底內(nèi),形成溝道區(qū)。溝槽由導電材料部分地填充形成凹陷的柵電極。溝槽的其余部分由相對于絕緣層有腐蝕選擇性的絕緣體填充,形成覆蓋柵電極和間隔層的帽蓋層。因此,帽蓋層作為隨后自對準接觸工藝中的腐蝕中止層。
文檔編號H01L27/088GK1319881SQ01110990
公開日2001年10月31日 申請日期2001年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月9日
發(fā)明者禹亨洙, 李圭現(xiàn), 鄭泰榮, 金奇南, 黃有商 申請人:三星電子株式會社