专利名称：栅极的制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种半导体器件中栅极 的制造方法。
背景技术：
随着半导体制造技术的不断发展，作为衡量半导体制造技术工艺水
平的栅极的线宽也越来越小；小的栅极线宽可以减小形成的半导体器件 的驱动电压，进而减小功耗；此外，小的栅极线宽也可以使形成的半导 体器件尺寸减小，提高集成度，增加单位面积上半导体器件的数量，降 低成本。
半导体集成电路制造工艺中，栅极一般通过光刻和刻蚀的工艺而形 成。图1至图4为现有的一种栅极的制造方法的各步骤相应结构的剖面示 意图。
如图1所示，提供半导体衬底IO，在所述半导体衬底上形成氧化层12， 在所述氧化层上沉积多晶硅层14。接着，在所述多晶硅层14上形成硬掩 膜层16,该硬掩膜层16可以是氮化硅。
如图2所示，在所述硬掩膜层16上旋涂光刻胶层，并通过曝光和显影 工艺形成栅极的光刻胶图案18。
如图3所示，以所述栅极的光刻胶图案18作为刻蚀阻挡层，刻蚀去除 未被所述栅极的光刻胶图案18保护的硬掩膜层16,将所述栅极的光刻胶 图案18转移到所述硬掩膜层16上，形成栅极的硬掩膜图案16a。然后，去 除所述栅极的光刻胶图案18 。
如图4所示，刻蚀未^L所述栅极的石更掩膜图案16a^t盖的多晶硅层14， 形成4册4及14a。
所述栅极的制造方法中，形成的栅极14a的线宽主要由光刻工艺的分 辨率决定，而光刻工艺的分辨率主要由曝光光源的波长来决定。为获得 更小线宽的栅极，曝光波长的尺寸也需要相应的减小。例如，为制造线 宽为45nm或更小的栅极，需要波长为157nm甚至更小的曝光光源。然而，目前常用的石英玻璃材质的光学透镜对波长为157nm或更短紫外光是不 透明的，这意味着不得不寻找新的替代材料制造光学透镜，或者设计反 射光学系统；同时，获得输出强度足够大的157nm或更短波长的深紫外光 源也较为困难；从而使得曝光工艺复杂、成本较高。
在专利号为00128798的中国专利中，还可以发现更多与上述技术方 案相关的信息。
发明内容
本发明提供一种栅极的制造方法，本发明工艺较为筒单，成本较低。 本发明提供的一种栅极的制造方法，包括 提供半导体衬底，在所述半导体衬底上具有多晶硅层； 在所述多晶硅层上形成金属层； 加热所述金属层至第一温度；
提供表面具有凹槽的模具，将所述模具具有凹槽的表面与所述金属 层表面接触，并在所述模具上施加压力，在所述金属层中压印出凸起；
冷却所述金属层至第二温度；
移除所述模具；
去除所述凸起之间的凹陷底部的金属层材料；
刻蚀未被所述金属层覆盖的多晶硅层，形成栅极。
可选的，所述金属层的熔点小于多晶硅层的熔点。
可选的，形成所述金属层的方法为物理气相沉积、化学气相沉积、 溅射、电镀中的一种。
可选的，所述金属层为一层或多层。
可选的，所述第一温度大于或等于所述金属层的熔点，但小于所述 多晶硅层的熔点。
可选的，所述模具的材质为金刚石。
可选的，所述凹槽的宽度为栅极的线宽。
可选的，所述第二温度小于所述金属层的熔点。可选的，加热所述金属层至冷却所述金属层的步骤均在氮气或惰性 气体中进行。
可选的，所述刻蚀为等离子体干法刻蚀，产生所述等离子体的气体 包括含氯或溴的气体。
可选的，该方法进一步包括通过湿法刻蚀去除所述栅极上的金属 层材料。
与现有技术相比，本发明具有以下优点
通过在多晶硅层上形成金属层作为硬掩膜层，并通过模具在所述金 属层中压印出^^及图案，以该一册^l图案作为刻蚀阻挡层，刻蚀所述多晶 硅层形成栅极，省去了光刻工艺，节省工艺步骤，使得制造工艺简单化， 成本降低；此外，也克服了光刻工艺分辨率的限制，能够制造出线宽更 小的栅极；
通过模具在金属层中形成栅极图案，以所述金属层作为硬掩膜层刻
蚀多晶硅层形成栅极，使得栅极的侧壁轮廓更为光滑，有助于提高形成 的半导体器件的性能；
金属层可以是能够与多晶硅层形成金属硅化物的金属，通过对金属 层加热升温至第一温度的工艺，与多晶硅层接触的金属层表面的金属直 接与多晶硅层形成金属硅化物，通过压印和刻蚀工艺形成栅极后，可通 过湿法腐蚀去除多晶硅栅极上的多余的金属材料，但保留所述多晶硅栅 极上的金属硅化物，该金属硅化物与多晶硅栅极共同形成半导体器件的 栅极，降低栅极的电阻率，减小形成的半导体器件的功耗。
图1为图4为现有的一种栅极的制造方法的各步骤相应的结构的剖 面示意图5为本发明的栅极的制造方法的实施例的流程图6至图15为本发明的栅极的制造方法的实施例的各步骤相应的 结构的剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。
图5为本发明的4册极的制造方法的实施例的流程图；图6至图15 为本发明的栅极的制造方法的实施例的各步骤相应的结构的剖面示意图。
如图5所示，步骤S100,提供半导体村底，在所述半导体村底上 具有多晶硅层。
如图6所示的剖面示意图，提供半导体衬底100，所述半导体衬底 100可以是单晶硅或多晶硅或非晶硅；所述半导体衬底100也可以是硅 锗化合物、砷化镓中的一种；所述半导体衬底100还可以是绝缘层上硅 (Silicon On Insulator, SOI)或硅上外延层结构。在所述半导体衬底100 中可以掺入P型杂质或N型杂质形成P阱或N阱。
在所述半导体村底100上形成有栅极介质层102;所述栅极介质层 102为氧化硅、氮氧化硅中的一种或组合。形成所述氧化硅的方法为炉 管氧化或快速热氧化或原位水蒸气产生氧化；对所述氧化硅进行氮化处 理可形成氮氧化硅，所述氮化可以是高温炉管氮化、快速热退火氮化或 等离子体氮化中的一种。
如图7所述的剖面示意图，在所述栅极介质层102上形成多晶硅层 104;形成所述多晶硅层104的方法为物理气相沉积或化学气相沉积或 原子层沉积；在所述多晶硅层104中可以掺有杂质离子，以改善形成的 多晶硅栅极的电阻率；例如，在用作N型金属氧化物半导体晶体管栅极 的多晶硅层中可掺入磷或砷，在用作P型金属氧化物半导体晶体管栅极 的多晶硅层中可4参入硼或硼的化合物。
步骤S110，如图5所示的流程图，在所述多晶硅层上形成金属层。 如图8所示的剖面示意图，在所述多晶硅层上形成金属层106。形 成所述金属层106的方法为物理气相沉积、化学气相沉积、溅射、电镀 中的一种。该金属层106熔点小于所述多晶硅层104的熔点。即该金属 层106为熔点较低的金属，例如，金属层106的熔点小于600度。在其 中的一个实施例中，所述金属层106的材质为锡或铅。该金属层106作为后续刻蚀多晶硅层104的硬掩膜层；也即首先需要在该金属层106中 形成栅极图案，接着以该栅极图案为刻蚀阻挡层，刻蚀多晶硅层104形 成栅极。
在其它的实施例中，所述金属层106也可以是多层不同材质的金属 的层叠或合金。
步骤S120，如图5所示的流程图，加热所述金属层至第一温度；
形成所述金属层后，加热所述金属层106至第一温度T，所述第一 温度T大于或等于该金属层106的熔点，但小于多晶硅层104的熔点； 若多晶硅层104为掺杂多晶硅，则第一温度T须小于掺杂多晶硅的熔点。 加热所述金属层106后，可使所述金属层106的硬度减小，在达到或超 过该金属层106的熔点后，该金属层106可处于一种熔融状态。
若所述金属层106为多层不同材质的金属层叠时，所述第一温度T 要大于或等于该金属层106最上层的金属的熔点，但小于多晶硅层104 的熔点。
若所述金属层106为合金时，所述第一温度T要大于或等于该合金 的熔点，但小于多晶硅层104的熔点。
为避免在加热过程中所述金属层106被氧化，加热所述金属层106 在氮气或惰性气体的环境中进行。
步骤S130，如图5所示的流程图，提供表面具有凹槽的模具，将 所述模具具有凹槽的表面与所述金属层表面接触，并在所述模具上施加 压力，在所述金属层中压印出凸起。
如图9所示的剖面示意图，提供模具IIO，在所述模具110的其中 一个表面具有凹槽lll,该凹槽111用于形成4册极图案，因而，该凹槽 111的宽度a等于或稍大于(弥补刻蚀偏差)待形成的多晶硅栅极的线 宽，凹槽111的深度b至少大于所述金属层106的厚度的一半；所述凹 槽111可以是多个，多个凹槽111之间的间距等于或稍大于待形成的多 晶 石圭牙册才及的间距。
该模具110的熔点大于所述金属层106的熔点，模具110的硬度大于所述金属层106在第一温度T时的硬度。在其中的一个实施例中，所 述模具110为金刚石。
在另外的实施例中，可以仅在所述凹槽111的底部或侧壁、以及所 述凹槽lll之间的凸棱表面形成有金刚石材质的膜层(未示出)。
将所述模具IIO放置于所述金属层106上方位置，使所述模具110 具有凹槽111的表面朝向所述金属层106。
移动所述模具110,将所述模具IIO具有凹槽111的表面与所述金 属层106的表面接触；然后，在所述才莫具IIO上施加朝向所述金属层106 的压力；由于所述金属层106处于熔融状态，硬度较小，在所述模具110 上施加压力，可在所述金属层106中压印出如图10所示的凸起106a， 在所述凸起106a之间形成凹陷106b;凸起106a的宽度与所述凹槽111 的宽度相同，该凸起106a即为栅极图案。
在所述金属层106中压印出凸起106a的工艺在氮气或惰性气体环 境中进行。
步骤S140，如图5所示的流程图，冷却所述金属层至第二温度， 该第二温度小于所述金属层的熔点。
在所述金属层106中压印出凸起106a后，冷却所述金属层106至 第二温度，该第二温度小于所述金属层106的熔点；该冷却工艺在氮气 或惰性气体环境中进行；所述冷却的方式可以是水冷却或气体冷却。
通过冷却所述金属层106至第二温度，可使所述金属层106硬度比 熔融状态大，从而使所述凸起106a的轮廓固化，在后续的移除所述模 具110的工艺中不会使所述凸起106a变形；
另外，由于热张冷缩的效应，通过冷却可4吏所述凸起106a的尺寸 有少许的缩小，所述才莫具110的凹槽111也由于冷却而变宽变深，从而 使所述凸起106a的表面和所述凹槽111的侧壁、底部分离，如图11所 示的剖面示意图，使得后续的从所述金属层106上移除所述模具110的 工艺变得较为容易。
步骤S150，如图5所示的流程图，移除所述模具。如图12所示，在所述模具110上施加拉力，将所述模具110从所 述金属层106上移除，由于所述的冷却工艺〗吏得所述^^莫具110和所述凸 起106a的表面已经分离，可较为容易的将所述4莫具110由所述金属层 106上移除。
移除所述模具110的工艺在氮气或惰性气体的环境中进行。
移除所述模具110后，将所述金属层106冷却至常温。
步骤S160，如图5所示的流程图，去除所述凸起之间的凹陷底部 的金属层材料。
移除所述模具110后，使所述凸起106a表面被露出；由于在压印 形成所述凸起106a时在所述凸起106a之间形成凹陷106b，所述凹陷 106b的底部还有一定厚度的金属材料，该凹陷106b底部的金属材料需 要被去除，使所述凹陷106b的底部露出所述多晶硅层104的表面。
在其中的一个实施例中，通过等离子体干法刻蚀去除所述凹陷106b 底部的金属材料，如图13所示，去除所述金属材料后，所述凹陷106b 底部露出所述多晶硅层104的表面。
步骤S170,如图5所示的流程图，刻蚀未被所述金属层覆盖的多 晶 硅层，形成栅极。
如图14所示的剖面示意图，以所述凸起106a作为刻蚀阻挡层，刻 蚀所述凸起106a之间的凹陷106b底部的多晶石圭层104，形成多晶硅栅 极104a。所述刻蚀可以是等离子体干法刻蚀，产生等离子体的气体可以 为含氯的气体或含溴的气体。
如图15所示的剖面示意图，通过湿法刻蚀去除所述多晶硅栅极 104a上的凸起106a。所述湿法刻蚀的刻蚀溶液具有对凸起106a比对所 述多晶硅栅极104a大的刻蚀速率。
通过在多晶硅层104上形成金属层106作为硬掩膜层，并通过模具 IIO在所述金属层106中形成4册^l图案106a，以该栅4及图案106a作为 刻蚀阻挡层，刻蚀所述多晶硅层104形成栅极104a,省去了光刻工艺， 节省工艺步骤，使得制造工艺简单化；此外，也克服了光刻工艺分辨率的限制，能够制造出线宽更小的栅极；相对于光刻刻蚀工艺，成本降低； 通过模具110在金属层106中直接形成栅极图案，以所述金属层106 作为硬掩膜层刻蚀多晶硅层104形成栅极104a，使得栅极104a的侧壁 轮廓更为光滑，有助于提高形成的半导体器件的性能。
在另外的实施例中，所述金属层106为能够与多晶硅层104形成金 属硅化物的金属，例如，金属镍；通过对金属层106加热升温至第一温 度T的工艺，金属层106表面的金属可直接与多晶硅层104形成金属硅 化物，通过压印和刻蚀工艺形成多晶硅栅极后，可通过湿法腐蚀去除多 晶硅栅极上的多余的金属材料，但保留多晶硅栅极上的金属硅化物，该 金属硅化物与多晶硅栅极共同形成半导体器件的栅极，可降低栅极电阻 率，减小形成的半导体器件的功耗。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明， 任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能 的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的 范围为准。
权利要求
1、一种栅极的制造方法，其特征在于，包括提供半导体衬底，在所述半导体衬底上具有多晶硅层；在所述多晶硅层上形成金属层；加热所述金属层至第一温度；提供表面具有凹槽的模具，将所述模具具有凹槽的表面与所述金属层表面接触，并在所述模具上施加压力，在所述金属层中压印出凸起；冷却所述金属层至第二温度；移除所述模具；去除所述凸起之间的凹陷底部的金属层材料；刻蚀未被所述金属层覆盖的多晶硅层，形成栅极。
2、 如权利要求1所述的栅极的制造方法，其特征在于所述金属 层的熔点小于多晶硅层的熔点。
3、 如权利要求2所述的栅极的制造方法，其特征在于形成所述 金属层的方法为物理气相沉积、化学气相沉积、溅射、电镀中的一种。
4、 如权利要求1所述的栅极的制造方法，其特征在于所述金属 层为一层或多层。
5、 如权利要求1所述的栅极的制造方法，其特征在于所述第一 温度大于或等于所述金属层的熔点，但小于所述多晶硅层的熔点。
6、 如权利要求1所述的栅极的制造方法，其特征在于所述模具 的材质为金刚石。
7、 如权利要求1所述的栅极的制造方法，其特征在于所述凹槽 的宽度为栅极的线宽。
8、 如权利要求1所述的栅极的制造方法，其特征在于所述第二 温度小于所述金属层的熔点。
9、 如权利要求1所述的栅极的制造方法，其特征在于加热所述 金属层至冷却所述金属层的步骤均在氮气或惰性气体中进行。
10、 如权利要求1所述的栅极的制造方法，其特征在于所述刻蚀为等离子体干法刻蚀，产生所述等离子体的气体包括含氯或溴的气体。
11、如权利要求1所述的栅极的制造方法，其特征在于，该方法进 一步包括通过湿法刻蚀去除所述栅极上的金属层材料。
全文摘要
一种栅极的制造方法，包括提供半导体衬底，在所述半导体衬底上具有多晶硅层；在所述多晶硅层上形成金属层；加热所述金属层至第一温度；提供表面具有凹槽的模具，将所述模具具有凹槽的表面与所述金属层表面接触，并在所述模具上施加压力，在所述金属层中压印出凸起；冷却所述金属层至第二温度；移除所述模具；去除所述凸起之间的凹陷底部的金属层材料；刻蚀未被所述金属层覆盖的多晶硅层，形成栅极。本发明工艺较为简单，成本较低。
文档编号H01L21/28GK101303974SQ200710040628
公开日2008年11月12日 申请日期2007年5月11日 优先权日2007年5月11日
发明者张海洋, 陈海华, 怡 黄 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司