专利名称：栅极叠层的制作方法
技术领域：
本发明涉及栅极叠层(gate stack)，并特别涉及晶体管的栅极叠层，其中在晶体管的制造期间，所述栅极叠层的顶部区域比通常的栅极叠层的顶部区域更不容易折断。
背景技术：
晶体管的典型制造过程以在半导体衬底上形成栅极叠层开始。然后，可以使用所述栅极叠层在衬底中限定晶体管的源/漏区域。最终，所述栅极叠层变成晶体管的栅极。总是存在着降低晶体管栅极的阻抗以改善晶体管性能的需要。
因此，存在对阻抗相对低于现有技术的阻抗的新颖栅极叠层的需要。而且，存在对用于形成所述新颖的栅极叠层的方法的需要。
发明内容
本发明提供了一种形成半导体结构的方法，包含步骤(a)提供半导体区域；(b)在所述半导体区域的顶部形成栅极叠层，所述栅极叠层包括(i)在所述半导体区域顶部的栅极电介质区域，(ii)在所述栅极电介质区域顶部的第一栅极多晶硅区域，以及(iii)在所述第一栅极多晶硅区域顶部的第二栅极多晶硅区域，所述第二栅极多晶硅区域被用一种类型的掺杂物质掺杂；和(c)在所述栅极叠层的侧壁上形成扩散阻挡区域(barrier region)和隔离氧化物区域(spaceroxide region)，其中，所述扩散阻挡区域夹在所述栅极叠层和所述隔离氧化物区域之间，并且其中，所述扩散阻挡区域和所述第一和第二栅极多晶硅区域都处于直接的物理接触。
本发明还提供了一种半导体结构，包含(a)半导体区域；(b)在所述半导体区域顶部的栅极叠层，所述栅极叠层包括(i)在所述半导体区域顶部的栅极电介质区域，(ii)在所述栅极电介质区域顶部的第一栅极多晶硅区域，以及(iii)在所述第一栅极多晶硅区域顶部的第二栅极多晶硅区域，所述第二栅极多晶硅区域被用一种类型的掺杂物质掺杂；和(c)所述栅极叠层的侧壁上的扩散阻挡区域和隔离氧化物区域，其中，所述扩散阻挡区域夹在所述栅极叠层和所述隔离氧化物区域之间，并且其中，所述扩散阻挡区域和所述第一和第二栅极多晶硅区域都处于直接的物理接触。
本发明还提供了一种形成半导体结构的方法，包含步骤(a)提供半导体衬底；(b)在所述半导体区域的顶部形成栅极叠层，所述栅极叠层包括(i)在所述半导体衬底顶部的栅极电介质区域，(ii)在所述栅极电介质区域顶部的第一栅极多晶硅区域，以及(iii)在所述第一栅极多晶硅区域顶部的第二栅极多晶硅区域，所述第二栅极多晶硅区域被用一种类型的掺杂物质重掺杂；和(c)在所述栅极叠层的第一和第二侧壁上分别形成第一和第二扩散阻挡区域以及第一和第二隔离氧化物区域，其中，所述第一扩散阻挡区域夹在所述栅极叠层和所述第一隔离氧化物区域之间，其中，所述第一扩散阻挡区域和所述第一和第二栅极多晶硅区域都处于直接的物理接触，其中，所述第二扩散阻挡区域夹在所述栅极叠层和所述第二隔离氧化物区域之间，并且其中，所述第二扩散阻挡区域和所述第一和第二栅极多晶硅区域都处于直接的物理接触。
本发明提供了一种新颖的栅极叠层的优点，所述栅极叠层的顶部区域比通常的栅极叠层的顶部区域更不容易折断。
图1A-1C根据本发明的实施例示出了在执行过一系列制造步骤中的每一个之后半导体结构的剖视图。
图2根据本发明的实施例示出了用于执行参考图1Dii描述的氧化步骤的氧化系统。
具体实施例方式
图1A根据本发明的实施例示出了在半导体(例如硅Si、锗Ge，Si和Ge的混合物，等等)衬底110上形成栅极电介质层120然后是栅极多晶硅层130之后半导体结构100的剖视图。具体来说，图1A的结构100的制造过程从Si衬底110开始。然后，在一个实施例中，通过在第一热氧化步骤中将Si衬底110的上表面热氧化，能够形成栅极电介质层120。结果，所产生的栅极电介质层120包含二氧化硅(SiO2)。然后，通过使用例如CVD(化学气相沉积)工艺在SiO2栅极电介质层120的顶部上淀积硅，能够形成栅极多晶硅层130。
图1B根据本发明的实施例示出了在图1A的半导体结构100的顶部形成重掺杂的栅极多晶硅层130a之后半导体结构100的剖视图。具体来说，在一个实施例中，通过例如离子注入到栅极多晶硅层130的顶层130a中，能够注入一个类型的掺杂物质(例如n-型磷或p-型硼)。结果，栅极多晶硅层130包含两层重掺杂的栅极多晶硅层130a和未掺杂的(或轻掺杂的)栅极多晶硅层130b。
图1C根据本发明的实施例示出了将栅极多晶硅层130和栅极电介质层120的一些部分去除以形成栅极叠层132、134、122之后半导体结构100的剖视图。具体来说，在一个实施例中，光刻胶掩模(未示出)被涂覆在图1B的重掺杂的栅极多晶硅层130a的上表面135上。光刻胶掩模覆盖了上表面135的、其下面要形成栅极叠层132、134、122的区域。然后，在第一化学刻蚀步骤中以化学方法刻蚀掉栅极多晶硅层130未被所述光刻胶掩模覆盖的部分。然后，在第二化学刻蚀步骤中以化学方法刻蚀掉栅极电介质层120未被所述光刻胶掩模覆盖的部分。
在第一和第二化学刻蚀步骤之后，栅极多晶硅层130和栅极电介质层120剩下的是栅极叠层132、134、122。具体来说，重掺杂的栅极多晶硅层130a在第一化学刻蚀步骤之后剩下的是重掺杂的栅极多晶硅区域132。未掺杂的栅极多晶硅层130b在第一化学刻蚀步骤之后剩下的是未掺杂的栅极多晶硅区域134。最后，栅极电介质层120在第二化学刻蚀步骤之后剩下的是栅极电介质区域122。
图1Di根据本发明的实施例示出了在图1C的栅极叠层132、134、122和衬底110的暴露表面上形成隔离氧化物层150之后半导体结构100的剖视图。具体来说，在一个实施例中，图1C的半导体结构100在存在氧(和/或携带氧的材料)的条件下经受第二热氧化步骤。结果，氧和硅反应形成了二氧化硅SiO2，构成了隔离氧化物层150。假设栅极多晶硅区域132被用n-型掺杂物质掺杂。因为n-型掺杂的多晶硅的热氧化比未掺杂的多晶硅的热氧化快，所以隔离氧化物层150在重掺杂的栅极多晶硅区域132比在未掺杂的栅极多晶区域134更厚，意味着厚度162大于厚度164(图1Di)。结果，重掺杂的栅极多晶硅区域132的宽度166(即沿方向137)比未掺杂的栅极多晶硅区域134的宽度168更窄。
图1Dii示出了图1Di的结构100另外的实施例。图1Dii根据本发明的实施例示出了在图1C的栅极叠层132、134、122和衬底110的暴露表面上形成扩散阻挡层170和隔离氧化物层180之后半导体结构100的剖视图。具体来说，在一个实施例中，图1C的半导体结构100在存在氧(和/或携带氧的材料)和携带氮的气体(例如N2O或NO)的条件下经受第三热氧化步骤。在所述第一、第二和第三热氧化步骤中使用的术语“第一”、“第二”和“第三”指示三个分开的、独立的热氧化步骤，并且不一定意味着在一个实施例中所述第一、第二和第三热氧化步骤全都必须执行或它们必须按第一、第二然后第三的顺序被执行。例如，图1Dii的结构100仅涉及第一和第三热氧化步骤(不涉及第二热氧化步骤)。在一个实施例中，存在携带氮的气体的第三氧化步骤在反应炉(未示出)中在例如900摄氏度到1100摄氏度范围的高温下执行。
作为第三热氧化步骤的结果，氮原子扩散进栅极叠层132、134、122的栅极多晶硅区域132和134，并与硅反应形成氮氧化硅，在深度185构成扩散阻挡层170。扩散阻挡层170的形成是自限制的(self-limiting)，意味着刚形成的扩散阻挡层170阻止更多的氮原子扩散通过扩散阻挡层170自身。扩散阻挡层170也阻止更多的氧原子(在一个实施例中，氧原子可以来自氧气，并用于第三热氧化步骤)扩散通过该层。结果，只有扩散阻挡层170的深度185之上的硅材料经受氧并被氧化形成SiO2，构成隔离氧化物层180。结果，隔离氧化物层180的形成受扩散阻挡层170限制(即不能延伸超过该层)。一般来说，在第三热氧化步骤中，携带氮的气体可被任何能够与硅反应形成扩散阻挡层的等效气体代替，所述扩散阻挡层能够阻止氧和/或携带氧的材料扩散通过该层。
在上述实施例中，在第三热氧化步骤中同时形成扩散阻挡层170和隔离氧化物层180。在另外的实施例中，可以首先形成扩散阻挡层170，然后形成隔离氧化物层180。具体来说，在一个实施例中，可以通过将氮注入区域132和134的暴露表面下面的顶层(未示出)，然后提高区域132和134的暴露表面处的温度以便使注入的氮与区域132和134的硅反应形成构成扩散阻挡层170的氮化硅(Si3N4)，来形成扩散阻挡层170。然后，通过使用例如CVD步骤在扩散阻挡层170顶部淀积SiO2，能够形成隔离氧化物层180。应该注意，像氮氧化硅一样，氮化硅也阻止氧扩散。
因为多晶硅的掺杂浓度不影响氮的扩散速率，所以氮氧化硅扩散阻挡层170在距栅极多晶硅区域132和134相同的深度185被形成。结果，由n-型掺杂的多晶硅区域132的氧化产生的隔离氧化物层180的厚度182和由未掺杂的多晶硅区域134的氧化产生的隔离氧化物层180的厚度184相等。因为无论扩散阻挡层170由区域132还是由区域134的多晶硅的氮化产生，它均具有相同的厚度，所以多晶硅区域132和134的宽度186和188(沿方向197)分别也相等。
图1E根据本发明的实施例示出了在去除图1Dii的栅极叠层132、134、122之上的扩散阻挡层170和隔离氧化物层180的顶部部分以后半导体结构100的剖视图。具体来说，在一个实施例中，通过例如CMP(化学机械抛光)步骤能够去除栅极叠层132、134、122之上的扩散阻挡层170和隔离氧化物层180的顶部部分(图1Dii)。扩散阻挡层170剩下的是扩散阻挡区域170a和170b，并且隔离氧化物层180剩下的是隔离氧化物区域180a和180b。隔离氧化物区域180a和180b可被用来在衬底110中限定源/漏区域(未示出)。
图2示出了用于执行上面参考图1Dii描述的第三氧化步骤的氧化系统200。例如，氧化系统200包含预热室210和包含图1C的结构100的氧化炉220。在一个实施例中，携带氮的气体首先在预热室210内被加热到高温(700到900摄氏度)。然后，经预热的携带氮的气体被导入氧化炉220。在氧化炉220中，结构100的上表面也被加热到700到900摄氏度。在这个温度范围，如上所述发生第三氧化步骤。应该注意，作为在预热室210中预热携带氮的气体的结果，携带氮的气体中的一些N2O被转化为NO，NO比N2O更活跃。因此，在氧化炉220中能够在较低温度执行第三氧化步骤而无需预热步骤(即在700到900摄氏度而非900到1100摄氏度)。
概括来说，作为栅极叠层132、134、122在存在携带氮的气体条件下的第三热氧化的结果，无论掺杂浓度如何都在栅极多晶硅区域132和134中相同的深度185形成了较薄的扩散阻挡层170。因此，所产生的栅极多晶硅区域132和134分别具有相等的宽度186和188(图1Dii)。结果，在接下来的制造步骤(例如化学机械抛光步骤)期间，图1Dii的区域132比图1Di的情况更不容易折断。
在上述实施例中，栅极多晶硅区域134未掺杂。一般来说，可以用n-型或p-型掺杂物质或者这二者来轻掺杂栅极多晶硅区域134。
虽然为了说明的目的这里已经描述了本发明的具体实施例，但是很多修改和变化对于本领域普通技术人员来说将变得清晰。因此，期望所附权利要求包含所有这些落入本发明的真实精神和范围内的修改和变化。
权利要求
1.一种形成半导体结构的方法，包含步骤提供半导体区域；在所述半导体区域的顶部形成栅极叠层，所述栅极叠层包括(i)在所述半导体区域顶部的栅极电介质区域，(ii)在所述栅极电介质区域顶部的第一栅极多晶硅区域，以及(iii)在所述第一栅极多晶硅区域顶部的第二栅极多晶硅区域，所述第二栅极多晶硅区域被用一种类型的掺杂物质掺杂；和在所述栅极叠层的侧壁上形成扩散阻挡区域和隔离氧化物区域，其中，所述扩散阻挡区域夹在所述栅极叠层和所述隔离氧化物区域之间，并且其中，所述扩散阻挡区域和所述第一和第二栅极多晶硅区域都处于直接的物理接触。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二栅极多晶硅区域被用n-型掺杂物质掺杂。
3.如权利要求1所述的方法，其中，形成所述栅极叠层的步骤包含步骤在所述半导体区域的顶部形成栅极电介质层；在所述栅极电介质层顶部形成栅极多晶硅层；将所述类型的掺杂物质注入所述栅极多晶硅层的顶层；和刻蚀掉所述栅极多晶硅层和所述栅极电介质层的一些部分，以使所述栅极多晶硅层在所述刻蚀步骤之后剩下的部分包含所述第一和第二栅极多晶硅区域，并且所述栅极电介质层在所述刻蚀步骤之后剩下的部分包含所述栅极电介质区域。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述扩散阻挡区域包含氮氧化硅。
5.如权利要求1所述的方法，其中，形成所述扩散阻挡区域和所述隔离氧化物区域的步骤包含步骤在所述栅极叠层的所述侧壁的上表面上形成所述扩散阻挡区域；和在形成所述扩散阻挡区域的步骤之后，在所述扩散阻挡区域的顶部形成所述隔离氧化物区域。
6.如权利要求1所述的方法，其中，形成所述扩散阻挡区域和所述隔离氧化物区域的步骤包含在存在携带氮的气体的条件下将所述栅极叠层的所述侧壁热氧化的步骤。
7.如权利要求6所述的方法，其中，在存在携带氮的气体的条件下将所述栅极叠层的所述侧壁热氧化的步骤包含步骤预热所述携带氮的气体；和在存在所述经过预热的携带氮的气体的条件下将所述栅极叠层的所述侧壁热氧化。
8.如权利要求6所述的方法，其中，热氧化所述栅极叠层的所述侧壁的步骤包含步骤在存在携带氮的气体的条件下将所述栅极叠层的上表面和所述侧壁热氧化，以便在所述栅极叠层的所述上表面和所述侧壁上形成扩散阻挡层和隔离氧化物层；和在所述栅极叠层的上表面去除所述扩散阻挡层和所述隔离氧化物层的一部分，以使所述第二栅极多晶硅区域的多晶硅材料暴露于环境中，并使所述扩散阻挡层在所述去除步骤之后剩下的部分包含所述扩散阻挡区域，并且所述隔离氧化物层在所述去除步骤之后剩下的部分包含所述隔离氧化物区域。
9.一种半导体结构，包含半导体区域；在所述半导体区域顶部的栅极叠层，所述栅极叠层包括(i)在所述半导体区域顶部的栅极电介质区域，(ii)在所述栅极电介质区域顶部的第一栅极多晶硅区域，以及(iii)在所述第一栅极多晶硅区域顶部的第二栅极多晶硅区域，所述第二栅极多晶硅区域被用一种类型的掺杂物质掺杂；和所述栅极叠层的侧壁上的扩散阻挡区域和隔离氧化物区域，其中，所述扩散阻挡区域夹在所述栅极叠层和所述隔离氧化物区域之间，并且其中，所述扩散阻挡区域和所述第一和第二栅极多晶硅区域都处于直接的物理接触。
10.如权利要求9所述的半导体结构，其中，所述第二栅极多晶硅区域被用n-型掺杂物质掺杂。
11.如权利要求9所述的半导体结构，其中，所述扩散阻挡区域包含氮氧化硅。
12.如权利要求9所述的半导体结构，其中，对应于所述第一栅极多晶硅区域的所述隔离氧化物区域的第一区域的第一厚度和对应于所述第二栅极多晶硅区域的所述隔离氧化物区域的第二区域的第二厚度基本上相同。
13.一种形成半导体结构的方法，包含步骤提供半导体衬底；在所述半导体衬底的顶部形成栅极叠层，所述栅极叠层包括(i)在所述半导体衬底顶部的栅极电介质区域，(ii)在所述栅极电介质区域顶部的第一栅极多晶硅区域，以及(iii)在所述第一栅极多晶硅区域顶部的第二栅极多晶硅区域，所述第二栅极多晶硅区域被用一种类型的掺杂物质重掺杂；和在所述栅极叠层的第一和第二侧壁上分别形成第一和第二扩散阻挡区域以及第一和第二隔离氧化物区域，其中，所述第一扩散阻挡区域夹在所述栅极叠层和所述第一隔离氧化物区域之间，其中，所述第一扩散阻挡区域和所述第一和第二栅极多晶硅区域都处于直接的物理接触，其中，所述第二扩散阻挡区域夹在所述栅极叠层和所述第二隔离氧化物区域之间，并且其中，所述第二扩散阻挡区域和所述第一和第二栅极多晶硅区域都处于直接的物理接触。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述第二栅极多晶硅区域被用n-型掺杂物质掺杂。
15.如权利要求13所述的方法，其中，形成所述栅极叠层的步骤包含步骤在所述半导体衬底的顶部形成栅极电介质层；在所述栅极电介质层顶部形成栅极多晶硅层；将掺杂物质注入所述栅极多晶硅层的顶层；和刻蚀掉所述栅极多晶硅层和所述栅极电介质层的一些部分，以使所述栅极多晶硅层在所述刻蚀步骤之后剩下的部分包含所述第一和第二栅极多晶硅区域，并且所述栅极电介质层在所述刻蚀步骤之后剩下的部分包含所述栅极电介质区域。
16.如权利要求13所述的方法，其中，所述第一和第二扩散阻挡区域包含氮氧化硅。
17.如权利要求13所述的方法，其中，形成所述第一和第二扩散阻挡区域以及所述第一和第二隔离氧化物区域的步骤包含步骤在所述栅极叠层的所述第一和第二侧壁的上表面分别形成所述第一和第二扩散阻挡区域；和在形成所述第一和第二扩散阻挡区域的步骤之后，在所述第一和第二扩散阻挡区域的顶部分别形成所述第一和第二隔离氧化物区域。
18.如权利要求13所述的方法，其中，形成所述第一和第二扩散阻挡区域以及所述第一和第二隔离氧化物区域的步骤包含在存在携带氮的气体的条件下将所述栅极叠层的所述第一和第二侧壁热氧化的步骤。
19.如权利要求18所述的方法，其中，在存在携带氮的气体的条件下将所述栅极叠层的所述第一和第二侧壁热氧化的步骤包含步骤预热所述携带氮的气体；和在存在所述经过预热的携带氮的气体的条件下将所述栅极叠层的所述第一和第二侧壁热氧化。
20.如权利要求18所述的方法，将所述栅极叠层的所述第一和第二侧壁热氧化的步骤包含步骤在存在携带氮的气体的条件下将所述栅极叠层的上表面和所述第一和第二侧壁热氧化，以便在所述栅极叠层的上表面和所述第一和第二侧壁上形成扩散阻挡层和隔离氧化物层；和在所述栅极叠层的上表面去除所述扩散阻挡层和所述隔离氧化物层的一些部分，以使所述第二栅极多晶硅区域的多晶硅材料暴露于环境中，并使所述扩散阻挡层在所述去除步骤之后剩下的部分包含所述第一和第二扩散阻挡区域，并且所述隔离氧化物层在所述去除步骤之后剩下的部分包含所述第一和第二隔离氧化物区域。
全文摘要
用来在半导体衬底(110)中限定源/漏区域的栅极叠层的结构和制造方法。所述方法包含(a)在所述衬底(110)的顶部形成栅极电介质层(120)，(b)在所述栅极电介质层(120)顶部形成栅极多晶硅层(130)，(c)将n－型掺杂物质注入所述多晶硅层(130)的顶层(130a)，(d)刻蚀掉所述栅极多晶硅层(130)和所述栅极电介质层(120)的一些部分以便在衬底(110)上形成栅极叠层(132、134、122)，和(e)在存在携带氮的气体的条件下将所述栅极叠层(132、134、122)的侧壁热氧化。结果，无论掺杂浓度如何都在栅极叠层(132、134、122)的多晶硅材料中相同的深度形成了扩散阻挡层(170)。因此，栅极叠层的n－型掺杂区域(132)具有和栅极叠层(132、134、122)的未掺杂区域(134)相同的宽度。
文档编号H01L21/336GK101032024SQ200580033385
公开日2007年9月5日 申请日期2005年9月30日 优先权日2004年10月1日
发明者戴尔·W.·马丁, 斯蒂芬·M.·尚克, 迈克尔·C.·特里普莱特, 德布拉赫·A.·图克 申请人:国际商业机器公司