專利名稱：具有高介電常數(shù)介電層的柵極結構的制作方法
技術領域：
本實用新型是有關于一種柵極結構，特別是有關于一種具有高介電常數(shù)介電層的柵極結構。
背景技術：
金氧半場效晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field EffectTransistor，MOSFET)是在集成電路技術領域中相當重要的一種基本電子組件，其由三種基本的材料，即導體層、介電層與半導體層等組成位在半導體基底上的柵極結構。此外，還包括了兩個位于柵極結構兩旁，且電性與半導體基底相反的半導體區(qū)，稱為源極與漏極。典型的介電層材料為SiO2，介電常數(shù)為3.9，由熱氧化法所形成的氧化硅作為柵極介電層。然而隨著半導體技術對積集度要求的提高，組件尺寸不斷的縮小，若仍使用氧化硅為柵極介電層便會有諸多不良影響，例如當柵極氧化層變薄時，對于某一固定的操作電壓，其電場強度就增加了。如此一來，電子經(jīng)由隧穿(tunneling)的方法產(chǎn)生漏電流也增加，因而使組件的限縮受到限制。
雖然上述的晶體管結構長久以來已被廣泛的使用，然而在組件的柵極長度小于100nm時，若以SiO2為柵極介電層，其漏電流會快速增加，因此氧化硅便不再適合作為柵極介電層。為了使MOS晶體管的技術可以配合組件尺寸縮小化的發(fā)展與提高組件積集度的需求，其中一種解決之道是以高介電常數(shù)的介電材料取代由SiO2所組成的柵極介電層。亦即借由增加介電常數(shù)，可利用漏電流低且較厚的介電材料取代較薄的SiO2，而具相當?shù)碾娦浴?br> 傳統(tǒng)上，以高介電常數(shù)材料作為柵極介電層，在形成柵極結構時，會遭遇蝕刻的問題。若以濕蝕刻法為之，則無適合的蝕刻溶液，相對的以干濕蝕刻法有會產(chǎn)生基底凹進(substrate recess)或基底損傷(substrate damage)等問題。上述基底凹進會影響電性表現(xiàn)，而基底損傷會使在金屬硅化物(silicide)形成時發(fā)生問題。
請參照圖1，在一半導體基底100上依序形成一一具高介電常數(shù)的介電層200以及一導電層300于介電層200上。于上述導電層上形成一圖案化光阻(未顯示)，以該圖案化光阻為罩幕，以干蝕刻法蝕刻導電層300及具高介電常數(shù)的介電層200，以形成一柵極結構。因導電層300、介電層200、及半導體基底100對干蝕刻的蝕刻選擇比差異不大，因此會造成基底過蝕刻而產(chǎn)生基底凹進(substrate recess)101。
另一個由干蝕刻所產(chǎn)生的問題為基底損傷(substrate damage)，請參照圖2。由高密度電漿對半導體基底100轟擊所產(chǎn)生的表面損傷102，會造后續(xù)形成金屬硅化物時所產(chǎn)生結構較差的問題。
美國專利第6511876號揭示以Al2O3作為柵極氧化層，并形成一面間介電層(interfacial dielectric)于柵極氧化層和半導體基底間，以形成柵極結構。其蝕刻步驟是以傳統(tǒng)的干蝕刻步驟，如反應性離子蝕刻、電漿蝕刻、離子束蝕刻以及雷射剝鍍。美國專利第6511872號揭示低壓高密度螺旋共振反應器(low-pressure，high-density helical resonator)以鹵素氣體電漿蝕刻高介電常數(shù)材料。美國專利第6503845號揭示高密度電漿蝕刻TaN層，以形成一柵極結構。然而上述所揭示的習知技術，在蝕刻柵極介電層時，仍會造成上述所發(fā)生的問題。
美國專利第6531368號、第6528858號、第6504214號以及第6495473號等皆因高介電常數(shù)材料再蝕刻時有其困難，皆以先形成金屬層，后續(xù)再將金屬層局部氧化或氮化，以形成高介電常數(shù)材料。其目的在于避開困難的金屬氧化物蝕刻制程。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本實用新型的目的在于提供一種具有高介電常數(shù)介電層的柵極結構。
本實用新型的另一目的在于提供一種結合干式與濕式蝕刻法制作具有高介電常數(shù)介電層的柵極結構，而能夠避免基底凹進(substrate recess)或基底損傷(substrate damage)等問題。
根據(jù)上述目的，本實用新型提供一種具有高介電常數(shù)介電層的柵極結構，包括一具有一源極區(qū)、一漏極區(qū)、及介于兩者之間的溝道區(qū)的半導體基底。一高介電常數(shù)的柵極介電層，形成于半導體基底表面。一柵極，形成于柵極介電層表面。以及一間隙壁形成于柵極的側壁。
其中高介電常數(shù)的柵極介電層是利用干蝕刻法蝕刻部分高介電常數(shù)的柵極介電層，然后利用濕蝕刻法蝕刻剩余部分高介電常數(shù)的柵極介電層而形成。


圖1及圖2是顯示習知制作具有高介電常數(shù)介電層的柵極結構的布置剖面圖；其中圖1顯示基底凹進(substrate recess)而圖2顯示基底損傷(substrate damage)等問題；圖3至圖5是根據(jù)本實用新型第一實施方式制作具有高介電常數(shù)介電層的柵極結構的布置剖面圖；圖6至圖9是根據(jù)本實用新型第二實施方式制作具有高介電常數(shù)介電層的柵極結構的布置剖面圖。
符號說明
100-半導體基底；101-基底凹進(substrate recess)；102-基底損傷(substrate damage)；200-高介電常數(shù)的介電層；300-柵極導電層；400-間隙壁。
具體實施方式
以下配合圖式以及較佳實施例，以更詳細地說明本實用新型。
實施例一圖3至圖5是顯示本實用新型的一種具有高介電常數(shù)介電層柵極結構的布置剖面圖，并用來說明本實用新型的具有有高介電常數(shù)介電層柵極結構的制造方法。
請參考圖3，首先提供一半導體基底100，如硅基底，于半導體基底100上依序形成具高介電常數(shù)的介電層200以與柵極導電層300于介電層200之上。
依據(jù)本實用新型的一較佳實施方式，上述具有高介電常數(shù)的介電層200是指介電常數(shù)大于10的材料，較佳者為氧化鋯、氧化鉿、氧化鉭、氧化鉭、氧化鋁、硅酸鉿或硅酸鋯。介電層的形成方式為有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)或原子層沉積法(ALD)，厚度范圍為2至40nm。
依據(jù)本實用新型的一較佳實施方式，柵極導電層300是以傳統(tǒng)的化學氣相沉積法(CVD)或低壓化學氣相沉積法(PECVD)所形成的復晶硅層，厚度范圍為500至2000。此外，柵極導電層300亦可為金屬層，例如以濺鍍法或反應性濺鍍法(reactive sputtering)形成的Ti/TiN、TiW、TaN、Ta、W、Mo、Ni、MoN、以及WN。
請參考圖4，于導電層層300上形成一圖案化罩幕(未顯示)，例如圖案化光阻層，并利用干蝕刻法蝕刻柵極導電層300以及原厚度1/2-5/6的介電層200，即1-34nm。
上述蝕刻步驟是以傳統(tǒng)的干蝕刻步驟，如反應性離子蝕刻、電漿蝕刻、離子束蝕刻或雷射剝鍍，較佳者為反應性離子蝕刻，是以惰性氣體(如He、Ne或Ar)、氯系(如Cl2、HCl或BCl3)以及氟系氣體(CF4、CHF3、CH2F2或CH3F)混合作為蝕刻氣體。并于基板施以適當?shù)钠珘?，?至-250伏特。
依據(jù)本實用新型的一較佳實施方式，干蝕刻法包括一O2電漿灰化制程。利用上述O2電漿灰化制程對反應性離子蝕刻之后的基板作清潔作用，清除蝕刻所產(chǎn)生的聚合物(polymer)。
請參考圖5，高介電常數(shù)的介電層200在經(jīng)反應性離子蝕刻后，微觀結構變得較不完整，因此可利用濕蝕刻法蝕刻剩余部分介電層200，以形成柵極結構。利用干蝕刻法與濕蝕刻法蝕刻介電層200，蝕刻厚度的比例約為1-5∶1。最后，去除該圖案化罩幕。
依據(jù)本實用新型另一較佳實施方式，上述濕蝕刻法為利用無機酸溶液，如稀釋的氫氟酸、緩沖氧化蝕刻溶液(BOE)、以及硫酸水溶液。例如，HF∶H2O為1∶2-3000、H2SO4∶H2O為1∶1-3000或HF+H2SO4∶H2O為1∶1-1000，溫度約50-180℃。
實施例二圖6至圖9是顯示本實用新型的一種具有高介電常數(shù)介電層并結合間隙壁的柵極結構的布置剖面圖，用以說明本實用新型的另一較佳實施方式。
請參考圖6，提供一半導體基底100，如硅基底，于半導體基底100上依序形成具高介電常數(shù)的介電層200以及柵極導電層300于介電層200之上。以傳統(tǒng)的微影及蝕刻制程定義柵極導電層300以形成一柵極導電層300。
依據(jù)本實用新型的一較佳實施方式，上述具有高介電常數(shù)的介電層200是指介電常數(shù)大于10的材料，較佳者為氧化鋯、氧化鉿、氧化鉭、氧化鉭、氧化鋁、硅酸鉿或硅酸鋯。介電層的形成方式為有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)或原子層沉積法(ALD)，厚度范圍為2至40nm。
依據(jù)本實用新型另一較佳實施方式，柵極導電層300是以傳統(tǒng)的化學氣相沉積法(CVD)或低壓化學氣相沉積法(LPCVD)形成復晶硅層，厚度范圍為500至2000。此外，柵極導電層300亦可為金屬層如以濺鍍法或反應性濺鍍法(reactive sputtering)形成的Ti/TiN、TiW、TaN、Ta、W、Mo、Ni、MoN、以及WN。
定義柵極導電層300是利用微影制程以及傳統(tǒng)的干蝕刻步驟，如反應性離子蝕刻、電漿蝕刻或離子束蝕刻法。若以復晶硅為柵極導電層300，較佳者為反應性離子蝕刻，是以惰性氣體(如He、Ne或Ar)、氯系(如Cl2、HCl或BCl3)以及氟系氣體(CF4、CHF3、CH2F2或CH3F)混合作為蝕刻氣體。若使用上述金屬層為為柵極導電層300，較佳者為反應性離子蝕刻，蝕刻氣體是選用HBr、Cl2以及O2的混合氣體。由于干蝕刻法對柵極導電層300與高介電常數(shù)的介電層200有很高的選擇比，因此蝕刻柵極導電層300會停止在介電層上，亦即以該介電層200作為蝕刻停止層。
請參考圖7，在柵極導電層300的側壁形成一間隙壁400。間隙壁400是以氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，亦可為其中兩種材料的混合選用。間隙壁400的寬度為300至800，厚度為500至2000。
請參考圖8，以該柵極導電層300以及間隙壁400為罩幕，并利用干蝕刻法蝕刻導電層300以及原厚度1/2-5/6的具高介電常數(shù)介電層200，即1-34nm。
蝕刻步驟是以傳統(tǒng)的干蝕刻步驟，如反應性離子蝕刻、電漿蝕刻、離子束蝕刻或雷射剝鍍，較佳者為反應性離子蝕刻，是以惰性氣體(如He、Ne或Ar)、氯系(如Cl2、HCl或BCl3)以及氟系氣體(CF4、CHF3、CH2F2或CH3F)混合作為蝕刻氣體。并于基板施以適當?shù)钠珘海?至-250伏特。
依據(jù)本實用新型的一較佳實施方式，干蝕刻法包括一電漿灰化制程。上述電漿灰化制程是以O2電漿對反應性離子蝕刻之后的基板作清潔作用，清除蝕刻所摻成之聚合物(polymer)。
請參考圖9，高介電常數(shù)的介電層200在經(jīng)反應性離子蝕刻后，結構變的較不完整，因此可利用濕蝕刻法蝕刻剩余部分介電層200，以形成柵極結構。利用干蝕刻法與濕蝕刻法蝕刻介電層200，蝕刻厚度的比例約為1-5∶1。
上述濕蝕刻法為利用無機酸溶液，如稀釋的氫氟酸、緩沖氧化蝕刻溶液(BOE)、以及硫酸水溶液。例如，HF∶H2O為1∶2-3000、H2SO4∶H2O為1∶1-3000或HF+H2SO4∶H2O為1∶1-1000，溫度約50-180℃。
依據(jù)本實用新型的一較佳實施方式，以干蝕刻法蝕刻柵極導電層300及高介電常數(shù)的介電層200，可為臨場(in situ)，即在同一腔體中進行。
如圖9所示，本實用新型提供一種具有高介電常數(shù)介電層的柵極結構，包括一實質上無凹進(recess)或離子造成損傷(damage)的半導體基底100。一高介電常數(shù)的柵極介電層200，形成于半導體基底100表面。一柵極300，形成于柵極介電層200表面。以及一間隙壁400形成于柵極導電層300的側壁。
其中高介電常數(shù)的柵極介電層200是利用干蝕刻法蝕刻部分高介電常數(shù)的柵極介電層200，然后利用濕蝕刻法蝕刻剩余部分高介電常數(shù)的柵極介電層200。
本實用新型的特征與效果在于本實用新型提供一種結合干式與濕式蝕刻法制作具有高介電常數(shù)介電層的柵極結構，而能夠避免基底凹進(substrate recess)或基底損傷(substrate damage)等問題。
因此，利用漏電流低且較厚的介電材料取代較薄的SiO2，形成具高介電常數(shù)介電層的柵極結構，而具相當?shù)碾娦浴＜锤呓殡姵?shù)介電層雖具較高實際厚度(physical thickness)，但具高性質的等效氧化層厚度(equivalentoxide thickness，EOT)。
權利要求1.一種具有高介電常數(shù)介電層的柵極結構，其特征在于包括一半導體基底，該基底實質上無凹進或離子造成損傷；一具有高介電常數(shù)的柵極介電層，形成于該基底表面；一柵極，形成于該柵極介電層表面；以及其中該具有高介電常數(shù)的柵極介電層是利用干蝕刻法蝕刻部分該具有高介電常數(shù)的柵極介電層，然后利用濕蝕刻法蝕刻剩余部分該具有高介電常數(shù)的柵極介電層而形成。
2.根據(jù)權利要求1所述的具有高介電常數(shù)介電層的柵極結構，其特征在于該柵極介電層的介電常數(shù)大于10。
3.根據(jù)權利要求2所述的具有高介電常數(shù)介電層的柵極結構，其特征在于該柵極介電層的材質是氧化鋯、氧化鉿、氧化鉭、氧化鉭、氧化鋁、硅酸鉿或硅酸鋯。
4.根據(jù)權利要求1所述的具有高介電常數(shù)介電層的柵極結構，其特征在于該基底具有一源極區(qū)，一漏極區(qū)，及介于兩者之間的溝道區(qū)。
5.根據(jù)權利要求1所述的具有高介電常數(shù)介電層的柵極結構，其特征在于該柵極是復晶硅層。
6.根據(jù)權利要求1所述的具有高介電常數(shù)介電層的柵極結構，其特征在于該柵極的材質是TiN、TiW、TaN、Ta、W、Mo、Ni、MoN或WN。
7.根據(jù)權利要求1所述的具有高介電常數(shù)介電層的柵極結構，其特征在于該柵極的側壁具一間隙壁。
8.根據(jù)權利要求7所述的具有高介電常數(shù)介電層的柵極結構，其特征在于該間隙壁的材質是氧化硅、氮化硅、以及氮氧化硅。
專利摘要本實用新型提供一種具有高介電常數(shù)介電層的柵極結構。該柵極結構包括一半導體基底，該基底實質上無凹進(recess)或離子造成損傷(damage)，一具有高介電常數(shù)的柵極介電層，形成于該基底表面，以及一柵極，形成于該柵極介電層表面。其中該具有高介電常數(shù)的柵極介電層是利用干蝕刻法蝕刻部分該具有高介電常數(shù)的柵極介電層，然后利用濕蝕刻法蝕刻剩余部分該具有高介電常數(shù)的柵極介電層而形成。
文檔編號H01L29/66GK2713646SQ20042005050
公開日2005年7月27日 申請日期2004年4月27日 優(yōu)先權日2003年6月27日
發(fā)明者邱顯光, 彭寶慶, 陶宏遠 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司