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绝缘栅场效应晶体管及其制造方法

xiaoxiao2020-08-01  1

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专利名称:绝缘栅场效应晶体管及其制造方法
技术领域
本发明涉及绝缘栅场效应晶体管及其制造方法。
背景技术
目前,晶体管的小型化正根据所谓比例法则(scaling mle)向前推进, 并且由此促进半导体装置的集成度和运行速度的提高。对于绝缘栅场效应晶 体管(金属绝缘体半导体场效应晶体管(MISFET))的小型化,要求抑制所 谓的短沟道效应的影响。只要栅极电极由半导体材料组成,就难于有效抑制 栅极电极的耗尽(depletion),这是短沟道效应因素之一。针对这一问题,提 出了这样一种方案,其中栅极电极通过采用导电材料例如金属或者金属化合 物形成。作为采用导电材料形成栅极电极的方法,已经提出这样的方法,其 中沉积例如金属膜来代替多晶硅膜,并且对该金属膜构图,以由此形成类似 于相关技术方法的栅极电极。此外,也已经提出这样的方法,其中栅极电极 通过在栅极电极形成开口中埋设导电材料的所谓金属镶嵌工艺(damascene process )形成(侈寸唢口,参月g Atsushi Yagishita等,"High Performance Metal Gate MOSFETs Fabricated by CMP for 0.1 jam Regime," International Electron Devices Meeting 1998 Technical Digest p.p. 785-788 ( 1998 ) 和日本专利乂 开第2005-303256号)。在通过金属镶嵌工艺形成栅极电极的方法中,由于 去除了虛设的栅极电极,由相对介电常数高于氧化硅的介电常数的例如绝缘 材料(例如,氧化铪)组成的栅绝缘膜形成在栅极电极形成开口中,并且然 后形成栅极电极。该方法可以增强绝缘栅场效应晶体管的特性。
下面,将参照图1C、 1D、 1E、 1F、 5A和5B描述通过相关技术的金属 镶嵌工艺形成栅极电极方法的概要,该些图是硅半导体基板等的示意性局部 侧一见图。
步骤10
首先,准备基底10,其包括源/漏区域13、沟道形成区域12、形成在沟道形成区域12上并且由氧化铪组成的栅绝缘膜30、由SK)2组成并且覆盖源
/漏区域13的绝缘层21、以及栅极电极形成开口 22,其提供在沟道形成区域 12之上的绝缘层21的部分中(见图1C和1D)。
制造基底10的方法稍后将在本发明的第一实施例的说明中详细描述。 在附图中,附图标记11表示硅半导体基板。附图标记13A表示形成在源/ 漏区域13的上部分中的硅化物层。附图标记17表示侧壁膜。
步骤20
在准备基底10之后,由金属性材料(硅化铪)组成用于限定栅极电极 的功函数的功函数控制层31和由TiN组成的势垒层(未示出)依次形成在 整个表面上(见图1E)。此后,基于所谓的趁覆式鴒CVD (blankeUungsten CVD),由鴒组成的导电材料层32形成在整个表面上。随后,进行基于CMP 的平坦化处理,以在绝缘层21和侧壁膜17之上去除导电材料层32、势垒层、 功函数控制层31和栅绝缘膜30。以这种方式,可以获得栅极电极23 (见图 1F )。栅极电极23其间通过栅绝缘膜30作为中间物形成在沟道形成区域12 之上,并且由功函数控制层31、势垒层(未示出)和导电材料层32形成。
步骤30
随后,由Si02组成的层间绝缘层142例如通过高密度等离子体CVD形 成在整个表面上(见图5A)。 步骤40
随后,基于光刻和干法蚀刻,接触塞(contact plug)形成开口 43A和 43B形成在栅极电极23之上和源/漏区域13之上的层间绝缘层142的部分 中。此后,由Ti (下层)/TiN (上层)组成的第二势垒层(未示出)形成在 整个表面上,然后镇层基于毯覆式鴒CVD形成在整个表面上。随后,进行 基于CMP的平坦化处理,从而接触塞44A和44B可以形成在接触塞形成开 口 43A和43B中(见图5B)。

发明内容
在由上述制造方法获得的绝缘^^场效应晶体管的情况下,在步骤30中, 由Si02组成的层间绝缘层142通过CVD形成在整个表面上(见图5A)。典 型地,在CVD所采用的源气体的成分中,包含氧原子或者氧分子。因此,在 形成由Si02组成的层间绝缘层142中,在气氛中的氧原子或者氧分子通过导电材料层32、势垒层、功函数控制层31和栅绝缘膜30,并且到达面对栅极 电极23的硅半导体基板11的部分,从而该硅半导体基板11的部分被氧化。 在图5A和5B中,该硅半导体基板11的氧化的部分由附图标记30A表示。
该现象的发生最终相当于增加栅绝缘膜30的膜厚度,这导致绝缘栅场 效应晶体管的特性变坏,例如栅电容下降。
因此,需要本发明提供制造绝缘栅场效应晶体管的方法,在形成栅极电 极之上的层间绝缘层时避免面对栅极电极的基底的部分氧化。
一种根据本发明第一模式制造绝缘栅场效应晶体管的方法(在下文,简 称为根据本发明第一模式的制造方法),包括如下步骤(a)准备基底,该 基底包括源/漏区域、沟道形成区域、形成在沟道形成区域上的栅绝缘膜、覆 盖源/漏区域的绝缘层和设置在沟道形成区域之上的绝缘层的部分中的栅极 电极形成开口 , ( b )通过在栅极电极形成开口中埋设导电材料层来形成栅极 电极,(c)去除绝缘层,以及(d)在整个表面上依次沉积第一层间绝缘层 和第二层间绝缘层。在步骤(d)中,在不包含氧原子的沉积气氛中沉积该 第一层间绝缘层。
在根据本发明第 一模式的制造方法中,第 一层间绝缘层和第二层间绝缘 层依次沉积在整个表面上,具体地讲在栅极电极和源/漏区域上。
一种根据本发明第二模式制造绝缘栅场效应晶体管的方法(在下文,简 称为根据本发明第二模式的制造方法),包括如下步骤(a)准备基底,该 基底包括源/漏区域、沟道形成区域、形成在沟道形成区域上的栅绝缘膜、覆 盖源/漏区域的绝缘层和设置在沟道形成区域之上的绝缘层的部分中的栅极 电极形成开口 , (b)通过在栅极电极形成开口中埋设导电材料层来形成栅极 电极,以及(c)在整个表面上依次沉积第一层间绝缘层和第二层间绝缘层。 在步骤(c)中,在不包含氧原子的沉积气氛中沉积该第一层间绝缘层。
在根据本发明第二模式的制造方法中,第 一层间绝缘层和第二层间绝缘 层依次沉积在整个表面上,具体地讲在栅极电极和绝缘层上。
在根据本发明第一模式的制造方法的步骤(d)中,以及在根据本发明 第二模式的制造方法的步骤(c)中,第二层间绝缘层可以在包含氧原子的 沉积气氛中沉积。在此情况下,希望第一层间绝缘层由氮化硅(SiN)或者 碳化硅(SiC)组成,而第二层间绝缘层由氧化硅(SiOx)组成。
在根据本发明第一和第二模式包括上述优选构造的制造方法中,也可以采用这样的构造,其中绝缘层由下绝缘层和形成在该下绝缘层上的上绝缘层 形成,并且下绝缘层至少覆盖源/漏区域。在根据本发明第一模式的制造方法 中,优选在步骤(C)中去除上绝缘层而保留下绝缘层。此外,在这些情况 下,希望下绝缘层由与第一层间绝缘层的材料相同的材料组成,而上绝缘层 由与第二层间绝缘层的材料相同的材料组成,但是该构造不构成限制。具体
地讲,希望第一层间绝缘层和下绝缘层由氮化硅(SiN)或者碳化硅(SiC) 组成,而第二层间绝缘层和上绝缘层由氧化硅(SiOx)组成。如果绝缘层由 下绝缘层和上绝缘层形成,则在根据本发明第一^f莫式的制造方法中,第一层 间绝缘层和第二层间绝缘层依次沉积在整个表面上,具体地讲在栅极电极和 下绝缘层上。另一方面,在根据本发明第二模式的制造方法中,第一层间绝 缘层和第二层间绝缘层依次沉积在整个表面上,具体地讲在栅极电极和上绝 缘层上。
对于基底,优选还包括侧壁膜,其限定了栅极电极形成开口的侧面。此 外,希望侧壁膜的至少一部分的材料不同于绝缘层(或者上绝缘层)的材料。 具体地讲,例如,SiN可以用作与栅极电极的侧表面接触的侧壁膜部分的材 料。如果绝缘层由下绝缘层和上绝缘层形成,则下绝缘层可以延伸在侧壁膜 的侧表面上。在本说明书中,覆盖源/漏区域和侧壁膜的绝缘层经常统称为绝 缘层。如果基底具有侧壁膜,则在根据本发明第一模式的制造方法中,第一 层间绝缘层和第二层间绝缘层依次沉积在整个表面上,具体地讲在柵极电 极、侧壁膜和源/漏区域上,或者在栅极电极、侧壁膜和下绝缘层上。另一方 面,在根据本发明第二模式的制造方法中,第一层间绝缘层和第二层间绝缘 层依次沉积在整个表面上,具体地讲在栅极电极、侧壁膜和绝缘层上,或者 在栅极电极、侧壁膜和上绝缘层上。
在根据本发明第一模式包括上述优选构造的制造方法的步骤(d)中, 以及在根据本发明第二模式包括上述优选构造的制造方法的步骤(c)中, 优选第一层间绝缘层基于化学气相沉积(任何各种CVD,例如等离子体 CVD、高密度等离子体CVD和常压CVD,包括原子层沉积(ALD))来沉 积(形成),其中采用既不包含氧原子也不包含氧分子的成分的源气体。另 一方面,优选第二层间绝缘层基于任何各种CVD来沉积(形成),其中采用 包含氧原子或者氧分子的成分的源气体。然而,本发明的实施不限于此,而 是第一层间绝缘层和第二层间绝缘层可以通过任何物理气相沉积(PVD)法来沉积(形成),例如賊射、由电子束蒸发和热丝蒸发(hot-filament evaporation)为代表的蒸发、离子镀和激光消融(laser ablation )。在此情况 下,优选第一层间绝缘层基于PVD在既不含氧原子也不含氧分子的气氛中 沉积(形成),而第二层间绝缘层基于PVD在包含氧原子或者氧分子的气氛 中沉积(形成)。在根据本发明第 一 和第二模式包括上述优选构造的制造方法中(在下由导电材料层形成。作为选择,栅极电极的底部和侧部可以由用于限定栅极 电极的功函数的功函数控制层形成,而由底部和侧部围绕的中心部分(其余 部分)可以由导电材料层形成。在后者的情况下,希望导电材料层的导电材简化栅极电极的形成步骤。在后者的形式中,可以降低栅极电极的电阻率。 另夕卜,还有另 一种导电材料层可以形成在栅极电极的中心和底部之间以及栅 极电极的中心和侧部之间。即栅极电极可以通过堆叠三层或者更多层导电材 料层来形成。至于导电材料层和功函数控制层的导电材料,可根据与n沟道 或者p沟道绝缘栅场效应晶体管的沟道形成区域的关系适当选择具有合适的 功函数的导电材料。至于导电材料层和功函数控制层的导电材料(金属材料),可以采用下 面的任何材料金属,例如鴒(W )、铪(Hf )、钽(Ta )、钛(Ti )、钼(Mo )、 钌(Ru)、镍(Ni)和铂(Pt)(包括任何这些金属的合金);任何这些金属 的化合物,例如氮化物;以及金属与半导体材料之间的化合物,例如金属硅 化物。至于功函数控制层的导电材料,可根据与沟道形成区域的关系适当选 择具有合适的功函数的材料。例如,当沟道形成区域为n型时,可以选择包 含铪(Hf)或钽(Ta)等的导电材料(金属材料)。当沟道形成区域为p型 时,可以选择包含钛(Ti)、钼(Mo)、钌(Ru)、镍(Ni)或铂(Pt)等的 导电材料(金属材料)。然而,材料不限于此。当导电材料层通过采用硅化 物形成时,通过控制包含在硅化物中杂质的种类和数量,或者通过在硅化物 中离子注入例如铝离子,可以优化n沟道绝缘栅场效应晶体管和p沟道绝缘 栅场效应晶体管的栅极电极的功函数。栅极电极可以通过已知的金属镶嵌工 艺形成。具体地讲,在金属镶嵌工艺中,导电材料层通过单独或者任意组合 地进行任何下面的沉积方法埋设在栅极电极形成开口中各种PVD,例如由电子束蒸发和热丝蒸发为代表的蒸发、溅射、离子镀和激光消融;各种CVD, 包括ALD和MOCVD;以及镀覆,例如电镀和无电镀。随后,通过化学机 械抛光(CMP)或者回蚀等进行平坦化处理。基于适合于绝缘层材料的方法进行绝缘层的去除。该方法的实例包括采 用合适的蚀刻剂的干法蚀刻和湿法蚀刻。在本发明的制造方法中,在栅极电极形成开口形成在绝缘层中后,可以 形成栅绝缘膜。作为选择,在栅绝缘膜形成后,可以形成绝缘层和栅极电极 形成开口。在后者的情况下,栅极电极形成开口应当这样形成,在该开口的 底部留下栅绝缘膜。栅绝缘膜材料的实例除了在相关技术中通常采用的Si〇2 基材料和SiN基材料外,包括所谓高相对介电常数材料,其相对介电常数k (=£/£())基本上为4.0或者更高。高相对介电常数材料的实例包括氧化锆 (Zr02 )、氧化铪(Hf02 )、氧化铝(A1203 )、氧化钇(Y203 )和氧化镧(La20 )。 另外,该实例还包括金属硅酸盐,例如HfSiO、 ZrSiO、 AlSiO和LaSiO。栅 绝缘膜可以通过采用一种材料或者多种材料形成。此外,栅绝缘膜可以形成 为单层膜(包含多种材料组成的复合膜)或者多层膜。n沟道绝缘栅场效应 晶体管和p沟道绝缘栅场效应晶体管的栅绝缘膜可以通过采用彼此相同的材 料或者不同的材料形成。栅绝缘膜可以通过周知的方法形成。特别是,包括 ALD和金属有机化学气相沉积(MOCVD)的CVD可以用作形成由上述高 相对介电常数材料组成的栅绝缘膜的方法。在本发明的制造方法中,绝缘层材料的实例除了上述的SiCb和SiN外, 包括SiON、 SiOF、 SiC和低介电常数绝缘材料,其介电常数k ( = s/s。)例 如为3.5或者更低,例如有机SOG、聚酰亚胺基树脂和氟基树脂(例如,碳 氟化合物(fluorocarbon )、无定形四氟乙烯、聚芳醚、芳基醚氟化物(arylether fluoride )、聚酰亚胺氟化物、聚对二曱苯、苯并环丁烯(benzocyclobutene )、 无定形碳、环全氟碳聚合物(cycloperfluorocarbon polymer)和氟代富勒烯 (fluorofullerene )。采用由任何这些材料形成的多层结构也可以形成绝缘层。在位于沟道形成区域和源/漏区域之上的绝缘层的部分中,可以形成连接 到栅极电极和源/漏区域的接触塞。接触塞材料的实例包括掺杂有杂质的多晶 硅和难熔金属材料,例如鴒(W)。可以通过干法蚀刻例如R正在层间绝缘 层中设置接触塞形成开口,然后用上述材料由已知方法填充接触塞形成开口 来形成接触塞。具体地讲,例如,可以通过毯覆式鴒CVD在接触塞形成开口中埋设鴒然后去除在层间绝缘层上过剩的鴒层来形成接触塞。还有一种可以利用的形式,其中Ti层和TiN层作为粘合层形成在接触塞形成开口内, 然后通过毯覆式鴒CVD在接触塞形成开口中埋设鴒。为了减少接触电阻,希望源/漏区域的顶表面由硅化物层形成。域等的基底,除了半导体基板例如硅半导体基板外,还可以采用其表面具有 半导体层的支撑构件(例如,玻璃基板、石英基板、表面具有绝缘材料层的 硅半导体基板、塑料基板或者塑料膜)。绝缘栅场效应晶体管形成在半导体 基板或者半导体层中的例如阱区域中。具有例如沟槽(trench)结构的所谓 元件隔离区域可以形成在绝缘栅场效应晶体管之间。元件隔离区域可以具有 LOCOS结构,或者可以基于沟槽结构和LOCOS结构的组合。还可供选择 的是,可以采用具有起源于SIMOX或基板结合的SOI结构的基底。已知的 方法可以用作准备基底的方法,即制造该基底的方法,该基底包括源/漏区域、 沟道形成区域、形成在沟道形成区域上的栅绝缘膜、覆盖源/漏区域的绝缘层 和在沟道形成区域之上的绝缘层的部分中设置的栅极电极形成开口 。术语"沟道形成区域"不仅表示其中沟道实际形成的区域而且表示其中 沟道可能形成的区域。例如,半导体层和半导体基板位于面对栅极电极的部 分对应于"沟道形成区域"。此外,"栅极电极"不^又包含面对"沟道形成区 域"的电极部分而且包含作为从该电极部分的延伸的引出电极部分。通过本 发明的制造方法制造的绝缘栅场效应晶体管可以是例如由n沟道MOS和p 沟道MOS形成的CMOS半导体器件,而不是n沟道MISFET和p沟道 MISFET。作为选择,它可以是除了 n沟道MOS和p沟道MOS外还包括双 极晶体管的BiCMOS半导体器件。在本发明的制造方法中,在栅极电极形成后,第一层间绝缘层和第二层 间绝缘层依次沉积在整个表面上。在该沉积中,在不包含氧原子的沉积气氛 中沉积第一层间绝缘层。该特征可以确保防止发生基底(例如,硅半导体基 板)面对栅极电极的部分的氧化现象,并且因此可以确保避免发生绝缘栅场 效应晶体管的特性变坏的问题,例如栅电容的下降。在根据本发明的第一模式的制造方法中,在栅极电极之上的部件的构造缘层+层间绝缘层的构造)相同。因此,可以容易地形成接触塞形成开口以给栅极电极和源/漏区域提供接触塞。此外,在本发明的制造方法中,如果绝缘层由下绝缘层和上绝缘层形成, 则可以使下绝缘层用作衬层,并且因此可以给沟道形成区域施加应力。结果, 绝缘栅场效应晶体管的驱动能力可以增强。而且,在根据本发明第一模式的 制造方法中,上绝缘层被去除,而保留下绝缘层。因此,在该绝缘层的去除 中,没有发生对源/漏区域的损坏。


图1A至ll是半导体基板等的示意性局部侧视图,用于说明制造根据本 发明第 一 实施例的绝缘栅场效应晶体管的方法;图2A至21是半导体基板等的示意性局部侧视图,用于说明制造根据本发明第二实施例的绝缘栅场效应晶体管的方法;图3A和3B是半导体基板等的示意性局部侧视图,用于说明制造根据 本发明第三实施例的绝缘栅场效应晶体管的方法;图4A和4B是半导体基板等的示意性局部侧视图,用于说明制造根据 本发明第四实施例的绝缘栅场效应晶体管的方法;和图5A和5B是半导体基板等的示意性局部侧视图,用于说明制造绝缘 栅场效应晶体管的相关4支术方法和该方法的问题。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的实施例。 第一实施例本发明的第 一实施例涉及制造根据本发明第 一模式的绝缘栅场效应晶 体管的方法。如图II的示意性局部侧视图所示,由根据第一实施例制造绝缘栅场效 应晶体管的方法获得的绝缘栅场效应晶体管包括(A)源/漏区域13和沟道 形成区域12、 ( B )形成在沟道形成区域12之上的栅极电极23和(C )栅绝 缘膜30。在本发明的第一实施例和稍后将描述的第二至第四实施例中,形成 n沟道绝纟彖4册场效应晶体管。栅绝缘膜30由氧化铪组成。栅极电极23由功函数控制层31和导电材 料层32形成。功函数控制层31由用于限定栅极电极23的功函数的导电材料(金属性材料)组成,且具体地由硅化铪即HfSix组成。导电材料层32 由不同于功函数控制层31的材料的导电材料(金属材料,具体地为钨(W)) 组成。功函数控制层31跨过面对沟道形成区域12的栅极电极23的底部和 侧部形成,并且导电材料层32占据了栅极电极23的其余部分。在第一实施 例的绝缘栅场效应晶体管中,栅极电极23的侧部与由SiN组成的侧壁膜17 接触。在源/漏区域13的表面周围,形成硅化物层(具体地讲,硅化镍层) 13A。这在稍后描述的第二至第四实施例中也一样。在源/漏区域13、侧壁膜17和栅极电极23上沉积(形成)由氮化硅(SiN) 组成的第一层间绝缘层41。在第一层间绝缘层41上沉积(形成)由氧化硅 (Si()x,例如X^2)组成的第二层间绝缘层42。此外,接触塞形成开口 43A 设置在位于沟道形成区域12之上的第 一 层间绝缘层41和第二层间绝缘层42 的部分中。在该接触塞形成开口 43A中设置接触塞44A,该接触塞44A由 鴒组成,并且连接到栅极电极23的顶部。另外,接触塞形成开口43B设置 在位于源/漏区域13之上的第一层间绝缘层41和第二层间绝缘层42的部分 中。在该接触塞形成开口 43B中设置接触塞44B,该接触塞44B由钨组成, 并且连接到源/漏区域13的硅化物层13A。附图标记11表示硅半导体基板。下面将参照图1A至ll描述根据第一实施例制造绝缘栅场效应晶体管的 方法,该些图是硅半导体基板等的示意性局部侧视图。步骤100首先,准备基底IO,其包括源/漏区域13、沟道形成区域12、形成在沟 道形成区域12上的栅绝缘膜30、由Si02组成并且覆盖源/漏区域13的绝缘 层21 、以及栅极电极形成开口 22,其提供在沟道形成区域12之上的绝缘层 21的部分中。具体地讲,在元件隔离区域(未示出)形成在硅半导体基板11中后, 虛设栅绝缘膜14形成在硅半导体基板11的表面上,然后虛设多晶硅层15 和由SiN组成的硬质掩模层依次形成。随后,基于光刻和干法蚀刻形成虛设 栅极电极15,。 虛设栅极电极15,具有由虚设多晶硅层15和硬质掩模层16 形成的多层结构。随后,在进行用于形成LDD结构的杂质的浅离子注入后, 用于形成侧壁膜17的SiN层形成在虛设栅极电极15,的侧表面上,并且回蚀 SiN层。这可以形成由SiN层组成的侧壁膜17。其后,进行杂质的深离子注 入,以由此形成源/漏区域13。随后,镍层沉积在整个表面上,并且进行热处理,以由此将源/漏区域13的上部分变为硅化物。这可以形成由硅化镍组 成的硅化物层13A。其后,去除未反应的镍层,并且再次进行热处理,以由此稳定硅化物层13A。通过该步骤,可以获得具有扩展区域的源/漏区域13 和硅化物层13A(低阻抗层)。夹设在源/漏区域13的扩展区域之间的区域用 作沟道形成区域12。以这种方式,可以获得图1A所示的情况。其后,由Si02组成的绝缘层21形成在整个表面上,然后基于CMP进 行平坦化处理,以由此去除绝缘层21的部分和硬质掩模16 (以及此外的虛 设多晶硅层15的部分和侧壁膜17的部分,根据情况而定)。通过该步骤, 可以获得图1B所示的情况。随后,通过采用氟自由基(radical of fluorine )等的蚀刻去除暴露的虛设 栅极电极15,,并且通过采用例如稀释氢氟酸的湿法蚀刻去除虛设栅绝缘膜 14。因此,可以获得图1C所示的情况。随后,栅绝缘膜30形成在通过栅极电极形成开口 22的底部暴露的沟道 形成区域12上。在第 一 实施例中,最初栅绝缘膜30形成在通过栅极电极形 成开口 22的底部暴露的沟道形成区域12和4册极电极形成开口 22的侧表面 上。具体地讲,由氧化铪组成并且厚度为3.0nm的栅绝缘膜30形成在整个 表面上(见图1D)。该栅绝缘膜30可以基于例如CVD形成,其中有机基 Hf气体用作源气体。作为选择,其可以基于采用铪靶材的溅射形成铪膜然 后氧化铪膜来形成。还供选择的是,其可以基于ALD形成。步骤110在形成栅绝缘膜30后,栅极电极23通过在栅极电极形成开口 22中埋 设导电材料层来形成。在第一实施例中,栅极电极23由导电材料(金属材 料)组成的功函数控制层31和不同于功函数控制层31的导电材料(金属材 料)组成的导电材料层32形成。因此,具体地讲,最初基于溅射在整个表 面上(具体地讲,在栅绝缘膜30上)形成功函数控制层31,该功函数控制 层31由硅化铪(Hffiix)组成,且厚度为15 nm (见图1E)。其后,栅极电极形成开口 22的其余部分填充有导电材料层32,从而获 得由功函数控制层31和导电材料层32形成的栅极电极23。更具体地讲,首 先,由TiN形成的势垒层(未示出)基于溅射形成在整个表面上。厚度为 10 nm的势垒层可以基于CVD、溅射或者ALD (其中可交替地使用NH3气 和TiCU气)形成。其后,基于所谓的毯覆式钨CVD在整个表面上形成导电材料层32,其由鴒组成,且厚度为0.2pm。随后,进行基于CMP的平坦化 处理,以去除在绝缘层21和侧壁膜17之上的导电材料层32、势垒层、功函 数控制层31和栅绝缘膜30(见图1F)。以这种方式,可以获得栅极电极23。 栅极电极23通过栅绝缘膜30作为其间的中间物形成在沟道形成区域12之 上,并且由功函数控制层31、势垒层和导电材料层32形成。 步骤120在形成栅极电极23后,去除绝缘层21 (见图1G)。具体地讲,可以基 于采用C4F8气体和Ar气体的干法蚀刻去除绝缘层21。 步骤130其后,第 一层间绝缘层41和第二层间绝缘层42依次沉积在整个表面上。 具体地讲,第 一层间绝缘层41和第二层间绝缘层42依次沉积在栅极电极23 、 侧壁膜17和源/漏区域13 (更具体地讲,硅化物层13A)上。随后,进行第 二层间绝缘层42的平坦化处理。结果,可以获得图1H所示的结构。在不含 有氧原子的沉积气氛下沉积第 一层间绝缘层41 。在含氧原子的沉积气氛下沉 积第二层间绝缘层42。更具体地讲,第一层间绝缘层41基于CVD来沉积, 其中采用既不包含氧原子也不包含氧分子成分的源气体,然后第二层间绝缘 层42基于CVD来沉积,其中采用包含氧原子或者氧分子成分的源气体。膜 沉积条件的实例如表1和2所示。表1基于等离子体CVD的第一层间绝缘层41的膜沉积条件源气体SiH4/NH3/N2 = 30至800 sccm/30至800 sccm/3000至5000 sccm温度400。C或者更低压力4 x 1C)2pa至1.3 x io3 Pa表2基于等离子体TEOS-CVD的第二层间绝缘层42的膜沉积条件 源气体TEOS气体/02 = 500至1000 sccm/400至1000 sccm 温度400。C或者更低 压力4 x 1()2pa至1.3 x l03Pa步骤140在沉积层41和42后,基于光刻和干法蚀刻,接触塞形成开口 43A和 43B形成在栅极电极23之上和源/漏区域13之上的第一层间绝缘层41和第 二层间绝缘层42中。随后,由Ti (下层)/TiN (上层)多层结构形成的第 二势垒层(未示出)基于溅射形成在整个表面上,然后基于采用WF6气体、 H2气体和SiH4气体(在沉积温度400 °C下)的毯覆式钨CVD在整个表面 上形成鴒层。随后,进行基于CMP的平坦化处理,从而接触塞44A和44B 可以形成在接触塞形成开口 43A和43B中(见图11)。其后,互连等(未示 出)根据需要形成在第二层间绝缘层42上,从而可以完成第一实施例的绝 缘栅场效应晶体管。在第一实施例中,步骤130中在不包含氧原子的沉积气氛中沉积第一层 间绝缘层41。该特征可以确保防止发生面对4册;f及电4及23的基底(硅半导体 基板11 )的局部的氧化现象,并且因此可以确保避免发生绝缘栅场效应晶体 管特性变坏的问题,例如栅极电容的下降。此外,栅极电极23之上的部件 的构造(层间绝缘层41和42的构造)与源/漏区域13之上的部件的构造(层 间绝缘层41和42的构造)相同。因此,在步骤140中,容易形成接触塞形 成开口 43 A和43B,以为栅极电极23和源/漏区域13提供接触塞44A和44B 。第二实施例第二实施例是第一实施例的修改。在第二实施例中,绝缘层由下绝缘层 21A和形成在该下绝缘层21A上的上绝缘层21B形成。下绝缘层21A至少 覆盖源/漏区域13 (具体地讲,源/漏区域13和侧壁膜17)。在去除绝缘层的 步骤中,去除了上绝缘层21B,而留下了下绝缘层21A。下绝缘层21A由与 第一层间绝缘层41相同的材料组成,具体地为SiN。上绝缘层21B由与第 二层间绝缘层42相同的材料组成,具体地为SiOx ( X = 2 )。作为由SiN组 成的下绝缘层21A的膜沉积条件,可以采用表1所示相同的条件。由Si02 组成的上绝缘层21B的膜沉积条件的实例如表3和4所示。表3基于高密度等离子体CVD的上绝缘层21B的膜沉积条件 源气体SiH4/02/Ar (或He或H2) = 8至120 sccm/10至240 sccm/10 至120 seem16温度400。C或者更低压力4 x 1()2pa至1.3 x io3Pa表4基于03-TEOS-CVD的上绝缘层21B的膜沉积条件源气体通过在流速5至10公升/分钟所提供的02和03混合气体中混 合10至15 wt.。/o的TEOS气体(以500至1000毫克/分钟的流速提供)所获 得的气体温度450 。C或更低压力6.7 x 1。3pa至9.3 x l。4Pa下面将参照图2A至21描述根据第二实施例制造绝缘栅场效应晶体管的 方法,这些图是硅半导体基板等的示意性局部侧视图。 步骤200首先,准备基底10,其包括源/漏区域13、沟道形成区域12、形成在沟 道形成区域12上的片册绝缘膜30、覆盖源/漏区域13的绝缘层21A和21B, 以及栅极电极形成开口 22 ,其提供在沟道形成区域12之上的绝缘层21A和 21B的部分中。具体地讲,首先进行第一实施例中步骤100的前面的阶段相同的步骤, 以获得图1A所示的情况。随后,由SiN组成并且用作衬层的下绝缘层21A 根据表1所示范的膜沉积条件通过CVD沉积在整个表面上。因此,可以获 得图2A所示的情况。随后,根据表3或4所示范的膜沉积条件,在整个表 面上沉积由Si02组成的上绝缘层21B,然后基于CMP进行平坦化处理,以 由此去除上绝缘层21B的部分、下绝缘层21A的部分和硬质掩模16 (以及 此外的虛设多晶硅层15的部分和侧壁膜17的部分,根据情况而定)。通过 该步骤,可以获得图2B所示的情况。随后,通过采用氟自由基等的蚀刻去除暴露的虛设栅极电极15,,并且 通过采用例如稀释氢氟酸的湿法蚀刻去除虛设栅绝缘膜14。因此,可以获得 图2C所示的情况。随后,类似于第一实施例的步骤100,栅绝缘膜30形成在通过栅极电极 形成开口 22的底部暴露的沟道形成区域12上(见图2D)。步骤210其后,栅极电极23通过用功函数控制层31和导电材料层32填充栅极 电极形成开口 22形成(见图2E和2F )。栅极电极23由功函数控制层31 、 势垒层(未示出)和导电材料层32形成,类似于第一实施例。步骤220随后,类似于第一实施例的步骤120去除上绝缘层21B (见图2G)。留 下下绝缘层21A。 步骤230其后,类似于第一实施例的步骤130,第一层间绝缘层41和第二层间绝 缘层42依次沉积在整个表面上。具体地讲,第一层间绝缘层41和第二层间 绝缘层42依次沉积在栅极电极23、侧壁膜17和下绝缘层21A之上。随后, 进行第二层间绝缘层42的平坦化处理。结果,可以获得图2H所示的结构。步骤240其后,类似于第一实施例的步骤140形成接触塞44A和44B (见图21 )。 随后,互连等(未示出)根据需要形成在第二层间绝缘层42上,从而可以 完成第二实施例的绝缘栅场效应晶体管。还是在第二实施例中,步骤230中在不包含氧原子的沉积气氛中沉积第 一层间绝缘层41。该特征可以确保防止发生面对栅极电极23的基底(硅半 导体基板11 )的局部的氧化现象,并且因此可以确保避免发生绝缘栅场效应 晶体管特性变坏的问题,例如栅极电容的下降。此外,栅极电极23之上部 件的构造(层间绝缘层41和42的构造)与源/漏区域13之上部件的构造(下 绝缘层21A以及层间绝缘层41和42的构造)基本上相同。因此,在步骤 240中,容易形成4妄触塞形成开口 43A和43B,以为4册才及电才及23和源/漏区 域13提供接触塞44A和44B。此外,在步骤220中,去除上绝缘层21B而 留下下绝缘层21A。因此,在该绝缘层去除中,对于源/漏区域13没有产生 损害。而且,能够使得下绝缘层21A起到衬层的作用,并且因此可以给沟道 形成区域12施加应力。结果,可以增强绝缘栅场效应晶体管的驱动能力。第三实施例第三实施例涉及制造根据本发明第二模式的绝缘栅场效应晶体管的方法。如图3B的示意性局部侧视图所示,由根据第三实施例制造绝缘栅场效应晶体管的方法获得的绝缘栅场效应晶体管也包括(A)源/漏区域13和沟道形成区域12、 (B)形成在沟道形成区域12之上的栅极电极23和(C)栅 绝缘膜30。在第三实施例中,由氮化硅(SiN)组成的第一层间绝缘层41沉积(形 成)在绝缘层21、侧壁膜17和栅极电极23上,不同于第一实施例。在第一 层间绝缘层41上沉积(形成)由氧化硅(SiOx,例如X = 2 )组成的第二层 间绝缘层42。此外,接触塞形成开口 43A设置在位于沟道形成区域12之上 的第 一层间绝缘层41和第二层间绝缘层42的部分中。在该接触塞形成开口 43A中,设置由鴒组成并且连4妻到栅极电极23顶部的接触塞44A。另外, 接触塞形成开口 43B设置在位于源/漏区域13之上的绝缘层21、第一层间绝 缘层41和第二绝缘层42的部分中。在这些接触塞形成开口 43B中,设置接 触塞44B,其由鴒组成,并且连接到源/漏区域13的硅化物层13A。下面将参照图3A和3B描述根据第三实施例制造绝缘栅场效应晶体管 的方法,这些图是硅半导体基板等的示意性局部侧视图。步骤300首先,类似于第一实施例的步骤100,准备基底10,其包括源/漏区域 13、沟道形成区域12、形成在沟道形成区域12上的栅绝缘膜30、由Si02 组成并且覆盖源/漏区域13的绝缘层21、以及栅极电极形成开口 22,其设置 在沟道形成区域12之上的绝缘层21的部分中。具体地讲,进行与第一实施 例的步骤100相同的步骤。更具体地讲,在获得图1A所示情况后,由Si02 组成的绝缘层21形成在整个表面上,然后基于CMP进行平坦化处理,以由 此去除绝缘层21的部分和硬质掩模16(以及此外的虛:&多晶硅层15的部分 和侧壁膜17的部分,根据情况而定)。因此,可以获得图1B所示的情况。 随后,通过釆用氟自由基等的蚀刻去除暴露的虚设栅极电极15,,并且通过 采用例如稀释氢氟酸的湿法蚀刻去除虛设栅绝缘膜14。因此,可以获得图 1C所示的情况。随后,栅绝缘膜30形成在通过栅极电极形成开口 22暴露 的沟道形成区域12上(见图1D)。其后,栅极电极23通过用功函数控制层 31和导电材津+层32填充4册才及电4及形成开口 22形成,类似于第一实施例的步 骤110 (见图1E和1F)。栅极电极23由功函数控制层31、势垒层(未示出) 和导电材料层32形成,类似于第一实施例。步骤310在形成栅极电极23后,不同于第一实施例,没有去除绝缘层21,类似于第一实施例的步骤130,在整个表面上,即在绝缘层21、侧壁膜17和栅 极电极23上依次沉积第一层间绝缘层41和第二层间绝缘层42 (见图3A)。 步骤320随后,类似于第一实施例的步骤140,接触塞44A和44B形成在接触塞 形成开口 43A和43B中(见图3B)。其后,互连等(未示出)根据需要形 成在第二层间绝缘层42上,从而可以完成第三实施例的绝缘栅场效应晶体管。在第三实施例中,步骤310中在不包含氧原子的沉积气氛中沉积第一层 间绝缘层41。该特征可以确保防止发生面对栅极电极23的基底(硅半导体 基板11 )的局部的氧化现象,并且因此可以确保避免发生绝缘栅场效应晶体 管特性变坏的问题,例如栅极电容的下降。第四实施例第四实施例是第三实施例的修改。在第四实施例中,绝缘层由下绝缘层 21A和形成在该下绝缘层21A上的上绝缘层21B形成。下绝缘层21A至少 覆盖源/漏区域13 (具体地讲,源/漏区域13和侧壁膜17 )。下绝缘层21A由 与第一层间绝缘层41相同的材料组成,具体地为SiN。上绝缘层21B由与 第二层间绝缘层42的材料相同的材料组成,具体地为SiOx (X = 2)。作为 由SiN组成的下绝缘层21A的膜沉积条件,可以采用表1所示相同的条件。 作为由Si02组成的上绝缘层21B的膜沉积条件,可以采用如表3和4所示 相同的条件。下面将参照图4A和4B描述根据第四实施例制造绝缘栅场效应晶体管 的方法,这些图是硅半导体基板等的示意性局部侧视图。 步骤400首先,类似于第二实施例的步骤200,准备基底10,其包括源/漏区域 13、沟道形成区域12、形成在沟道形成区域12上的栅绝缘膜30、覆盖源/ 漏区域13的绝缘层21A和21B、以及栅极电极形成开口 22,其设置在沟道 形成区域12之上的绝缘层21A和21B的部分中(见图2A、 2B、 2C和2D)。 其后,类似于第一实施例的步骤110,通过用功函数控制层31和导电材料层 32填充栅极电极形成开口 22来形成栅极电极23 (见图2E和2F )。步骤410随后,第 一层间绝缘层41和第二层间绝缘层42依次沉积在整个表面上,类似于第三实施例的步骤310。具体地讲,第一层间绝缘层41和第二层间绝 缘层42依次沉积在栅极电极23、侧壁膜17和上绝缘层21B之上(见图4A )。 步骤420其后,类似于第一实施例的步骤140,形成接触塞44A和44B(见图4B )。 随后,互连等(未示出)根据需要形成在第二层间绝缘层42上,从而可以 完成第四实施例的绝缘栅场效应晶体管。还是在第四实施例中,步骤410中在不包含氧原子的沉积气氛中沉积第 一层间绝缘层41。该特征可以确保防止发生面对栅极电极23的基底(硅半 导体基板11 )的局部的氧化现象,并且因此可以确保避免发生绝缘栅场效应 晶体管特性变坏的问题,例如栅极电容的下降。至此描述了本发明优选实施例。然而,本发明不限于这些实施例。实施 例中所描述的绝缘栅场效应晶体管的结构和构造仅为实例,并且可以任意改 变。另外,实施例中所描述的绝缘栅场效应晶体管的制造条件等也只是实例, 并且可以任意改变。尽管第一至第四实施例适用于n沟道绝缘栅场效应晶体管,但是这些实 施例也可适用于p沟道绝缘4册场效应晶体管。在此情况下,例如,钌(Ru) 或者TiN可以用作功函数控制层31的材料。另外,也已经提出了一种方法, 其中通过变化栅绝缘膜的材料代替变化栅极电极的材料来调整功函数值,以 使栅极电极具有合适的功函数值(例如,参照日本专利公开第2006-24594 号)。该方法也可适合于本发明的实施例。在实施例中,第一层间绝缘层由SiN组成。作为选择,其可采用SiC形 成。在基于CVD沉积由SiC组成的第一层间绝缘层的情况下,其中采用既 不含氧原子又不含氧分子的成分的源气体,例如,下面的沉积条件是可利用 的(SH3) 3SiH气体、He气体和NH3气体的总流量速率为700 sccm;温度 为400 。C或更^氐;以及压力为1.3 x 1C)2pa至1,3 x 103Pa。本领域的技术人员应当理解的是,可以根据设计的需要和其它因素进行 各种修改、结合、部分结合和替换,只要它们在所附权利要求或者其等同特 征的范围内。本发明包含有关2007年2月15日提交至日本专利局的日本专利申请JP 2007-035007号的主题事项,将其全部内容引用结合于此。
权利要求
1、一种制造绝缘栅场效应晶体管的方法,该方法包括如下步骤(a)准备基底,该基底包括源/漏区域、沟道形成区域、形成在该沟道形成区域上的栅绝缘膜、覆盖该源/漏区域的绝缘层以及设置在该沟道形成区域之上的该绝缘层的部分中的栅极电极形成开口;(b)通过在该栅极电极形成开口中埋设导电材料层来形成栅极电极;(c)去除该绝缘层;以及(d)在整个表面上依次沉积第一层间绝缘层和第二层间绝缘层,其中在步骤(d)中,在不包含氧原子的沉积气氛中沉积该第一层间绝缘层。
2、 根据权利要求1所述的制造绝缘栅场效应晶体管的方法,其中 在步骤(d)中,在包含氧原子的沉积气氛中沉积该第二层间绝缘层。
3、 根据权利要求2所述的制造绝缘栅场效应晶体管的方法,其中 该第一层间绝缘层由氮化硅或者碳化硅组成,并且该第二层间绝缘层由氧化硅组成。
4、 根据权利要求1所述的制造绝缘栅场效应晶体管的方法,其中 该绝缘层由下绝缘层和形成在该下绝缘层上的上绝缘层形成, 该下绝缘层至少覆盖该源/漏区域,以及在步骤(c)中,去除该上绝缘层,并且保留该下绝缘层。
5、 根据权利要求4所述的制造绝缘栅场效应晶体管的方法,其中 该下绝缘层由与该第 一层间绝缘层的材料相同的材料组成,并且 该上绝缘层由与该第二层间绝缘层的材料相同的材料组成。
6、 根据权利要求5所述的制造绝缘栅场效应晶体管的方法,其中 该第 一层间绝缘层和该下绝缘层由氮化硅或者碳化硅组成,并且 该第二层间绝缘层和该上绝缘层由氧化硅组成。
7、 根据权利要求1所述的制造绝缘栅场效应晶体管的方法,其中 在步骤(d)中,该第一层间绝缘层基于化学气相沉积来沉积,其中采用既不包含氧原子也不包含氧分子的成分的源气体。
8、 根据权利要求1所述的制造绝缘栅场效应晶体管的方法,其中 在步骤(d)中,该第二层间绝缘层基于化学气相沉积来沉积,其中采用包含氧原子或者氧分子的成分的源气体。
9、 根据权利要求1所述的制造绝缘栅场效应晶体管的方法,其中 该导电材料层由鴒组成。
10、 一种制造绝缘栅场效应晶体管的方法,该方法包括如下步骤(a) 准备基底,该基底包括源/漏区域、沟道形成区域、形成在该沟道 形成区域上的栅绝缘膜、覆盖该源/漏区域的绝缘层以及设置在该沟道形成区 域之上的该绝缘层的部分中的栅极电极形成开口 ;(b) 通过在该栅极电极形成开口中埋设导电材料层来形成栅极电极;以及(c) 在整个表面上依次沉积第一层间绝缘层和第二层间绝缘层,其中 在步骤(c)中,在不包含氧原子的沉积气氛中沉积该第一层间绝缘层。
11、 根据权利要求IO所述的制造绝缘栅场效应晶体管的方法,其中 在步骤(c)中,该第二层间绝缘层在包含氧原子的沉积气氛中沉积。
12、 根据权利要求11所述的制造绝缘栅场效应晶体管的方法,其中 该第一层间绝缘层由氮化硅或者碳化硅组成,并且该第二层间绝缘层由氧化硅组成。
13、 根据权利要求IO所述的制造绝缘栅场效应晶体管的方法,其中 该绝缘层由下绝缘层和形成在该下绝缘层上的上绝缘层形成,并且 该下绝缘层至少覆盖该源/漏区域。
14、 根据权利要求13所述的制造绝缘栅场效应晶体管的方法,其中 该下绝缘层由与该第 一层间绝缘层的材料相同的材料组成,并且该上绝缘层由与该第二层间绝缘层的材料相同的材料组成。
15、 根据权利要求14所述的制造绝缘栅场效应晶体管的方法,其中 该第 一层间绝缘层和该下绝缘层由氮化硅或者碳化硅组成,并且该第二层间绝缘层和该上绝缘层由氧化硅组成。
16、 根据权利要求IO所述的制造绝缘栅场效应晶体管的方法,其中 在步骤(c)中,该第一层间绝缘层基于化学气相沉积来沉积,其中采用既不包含氧原子也不包含氧分子的成分的源气体。
17、 根据权利要求IO所述的制造绝缘栅场效应晶体管的方法,其中 在步骤(c)中,该第二层间绝缘层基于化学气相沉积来沉积,其中采用包含氧原子或者氧分子的成分的源气体。
18、 根据权利要求IO所述的制造绝缘栅场效应晶体管的方法,其中该导电材料层由鴒组成。
19、 根据权利要求IO所述的制造绝缘栅场效应晶体管的方法,其中 在步骤(b)中,在该导电材料层形成在整个表面上以致埋设在该栅极电极形成开口中后,进行平坦化处理,以由此在该栅极电极形成开口中形成 该朝M及电才及。
20、 一种绝纟彖;断场效应晶体管,包括基底,构造成包括源/漏区域、沟道形成区域、形成在该沟道形成区域上 的栅绝缘膜、覆盖该源/漏区域的绝缘层以及设置在该沟道形成区域之上的该绝缘层的部分中的栅极电极形成开口 ;栅极电极,构造成通过在该栅极电极形成开口中埋设导电材料层而形成;第一层间绝缘层,构造成形成在该绝缘层和该栅极电极上,并且不包含 氧原子作为组成元素;以及第二层间绝缘层,构造成形成在该第一层间绝缘层上, 其中该第 一层间绝缘层不包含氧原子作为组成元素。
21、 根据权利要求20所述的绝缘栅场效应晶体管,其中 该绝缘层包括下绝缘层和上绝缘层,并且该下绝缘层至少覆盖该源/漏区域。
22、 根据权利要求21所述的绝缘栅场效应晶体管,其中 该基底还包括限定该栅极电极形成开口的侧壁的侧壁膜,并且 该下绝缘层在该侧壁膜的侧表面上延伸。
全文摘要
本发明公开了一种绝缘栅场效应晶体管及其制造方法,该制造方法包括如下步骤(a)准备基底,该基底包括源/漏区域、沟道形成区域、形成在沟道形成区域上的栅绝缘膜、覆盖源/漏区域的绝缘层和设置在沟道形成区域之上的绝缘层的部分中的栅极电极形成开口;(b)通过在栅极电极形成开口中埋设导电材料层来形成栅极电极;(c)去除绝缘层;以及(d)在整个表面上依次沉积第一层间绝缘层和第二层间绝缘层,其中在步骤(d)中,在不包含氧原子的沉积气氛中沉积第一层间绝缘层。
文档编号H01L27/02GK101246850SQ20081007431
公开日2008年8月20日 申请日期2008年2月15日 优先权日2007年2月15日
发明者冈崎史晃 申请人:索尼株式会社

【专利交易】【专利代理】【商标和版权申请】【高新技术企业认定】Tel:18215660330

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