[發明專利]半導體器件的結構及制造方法

有效

• 申請號: 201110407631.1
• 申請日: 2011-12-08
• 公開（公告）號: CN103165451A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 符雅麗;張海洋
• 申請（專利權）人: 中芯國際集成電路制造（上海）有限公司
• 主分類號: H01L21/336
• 分類號: H01L21/336;H01L21/28;H01L29/423
• 代理公司: 上海思微知識產權代理事務所(普通合伙) 31237
• 代理人: 屈蘅;李時云

技術領域

本發明涉及集成電路制造領域，尤其涉及一種半導體器件的制造方法。

背景技術

隨著半導體器件的集成度越來越高，半導體器件工作需要的電壓和電流不斷降低，晶體管開關的速度也隨之加快，隨之對半導體工藝各方面要求大幅提高。現有技術工藝已經將晶體管以及其他種類的半導體器件組成部分做到了幾個分子和原子的厚度，組成半導體的材料已經達到了物理電氣特性的極限。

隨著柵極工藝進入了一個新的階段，最早達到極限的部分就是組成半導體器件的柵極氧化層，又稱柵層間介質層，現有的工藝通常采用二氧化硅(SiO2)作為柵極層間介質層的材料。同1995年晶體管中二氧化硅層相比，65納米工藝的晶體管中的二氧化硅層已經縮小到只有前者的十分之一，達到僅有5個氧原子的厚度。作為阻隔柵極導電層和其下層(例如半導體襯底)之間的絕緣層，二氧化硅層已經不能再縮小了，否則產生的漏電流會讓晶體管無法正常工作，如果提高有效工作的電壓和電流，更會使芯片功耗增大到驚人的地步。

因此，業界找到了比二氧化硅具有更高的介電常數和更好的場效應特性的材料-高介電常數材料(High-K?Material)，用以更好的分隔柵極和晶體管其他部分，大幅減少漏電量。同時，為了與高介電常數材料兼容，采用金屬材料代替原有多晶硅作為柵導電層材料，從而形成了新的柵極結構-金屬柵極。

圖1～圖2為現有技術中金屬柵極制作過程中的結構示意圖，如圖1所示，常見金屬柵極的制作過程包括：首先，在半導體襯底10上形成虛設柵極20、柵極側墻30以及柵極層間介質層40；接著，在所述半導體襯底10上形成圖案化的光刻膠，所述圖案化的光刻膠暴露所述虛設柵極20，隨后利用各向異性的干法刻蝕去除所述虛設柵極20，以形成柵極溝槽50；之后，在所述柵極溝槽50中填充金屬材料并進行化學機械研磨，以形成金屬柵極(圖中未標示)。

然而，在實際工藝中，干法刻蝕并不能夠完全達到各項異性，即無法完全垂直刻蝕，刻蝕過程中刻蝕物質會產生不同方向的反射，從而增加了水平方向的過度刻蝕，由于過度刻蝕會進一步刻蝕損傷柵極側墻30，甚至層間介質層40，導致形成例如圖2所示的結構，形成界面不平整的、呈“大肚”形的柵極溝槽50，在該“大肚”形的柵極溝槽50中填充金屬材料，不僅會形成大量的孔洞(void)，影響金屬柵極的性能，還會使金屬材料與層間介質層40產生不良擴散，使金屬離子進入到層間介質層40中，降低層間介質層40的絕緣性，引起漏電甚至穿通導電的現象發生，導致半導體器件不能通過可靠性測試，進而導致產量下降(Yield?loss)。

發明內容

本發明的目的是在形成金屬柵極的半導體器件的制作方法中，在沉積形成金屬柵極步驟之前，提供一種能夠形成良好界面平整度的柵極溝槽，以提高半導體器件的性能。

為解決上述問題，本發明提供一種半導體器件的制造方法，包括：

提供半導體襯底；

在所述半導體襯底上依次形成原位摻雜柵極層和無摻雜柵極層，所述原位摻雜柵極層中摻雜離子的濃度由下向上先增大后減小；

利用光刻和刻蝕工藝，圖案化所述原位摻雜柵極層和無摻雜柵極層，形成虛設柵極；

對所述虛設柵極進行濕法刻蝕處理，使所述虛設柵極形成中間向上下兩端漸寬的形狀；

在虛設柵極的側壁形成柵極側墻，并在所述柵極側墻外形成層間介質層；

干法刻蝕去除所述虛設柵極，以形成側壁平整的柵極溝槽。

進一步的，所述原位摻雜柵極層的材質為多晶硅或無定形硅，所述原位摻雜柵極層中摻雜離子為硼、磷、砷中的一種或其任意組合。

進一步的，所述原位摻雜柵極層采用化學氣相沉積法形成，反應物包括含硅氣體和摻雜離子化合物，形成所述原位摻雜柵極層的過程中通入摻雜離子化合物的濃度先增大后減小。

較佳的，所述反應物包括硅烷和乙硼烷，所述硅烷的氣體流量為50sccm～1000sccm，所述乙硼烷的氣體流量為小于100sccm，反應溫度為500～650℃，環境壓力為0.1～100Torr的環境氛圍。

進一步的，所述無摻雜柵極層的材質為多晶硅或無定形硅。

進一步的，所述無摻雜柵極層采用化學氣相沉積法形成，反應氣體包括含硅氣體，較佳的，所述含硅氣體為硅烷。

進一步的，所述原位摻雜柵極層和所述無摻雜柵極層在同一反應腔室中先后形成。

進一步的，在對所述虛設柵極進行濕法刻蝕處理的步驟中，刻蝕物質包括磷酸，所述磷酸的質量濃度為50％～85％，所述磷酸的溫度為50～200℃。