专利名称：栅极及半导体器件的制造方法、用于制造栅极的结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种栅极及半导体器件 的制造方法、用于制造栅极的结构。
背景技术：
随着半导体技术向小线宽、高集成度方向的发展，代表半导体制造 工艺水准的栅极的线宽越来越小，对光刻工艺提出了更高的要求，光学
曝光波长也从365nm发展到248nm、 193nm甚至更小，基于高折射率介质 的浸润式曝光技术也已经被研发出来。
然而由于栅极尺寸不断的缩小，光刻掩膜板上的图形尺寸越来越小， 图形的间距也越来越接近，受光刻分辨率的限制，传统的曝光工艺已经 不能满足深亚微米制造工艺的要求，特别是栅极的制造工艺。业界的工 艺人员不得不研发新的栅极制造工艺。
公开号为CN 1632921A的中国专利申请文件公开了 一种栅才及的制造 方法，所述中国专利申请文件中公开的方法通过消减工艺形成线宽较小 的栅极。图1至图6为现有另一种栅极的制造方法，该方法中，通过侧壁 层作为形成栅极的掩膜层，来达到减小栅极线宽的目的。
如图l所示，提供半导体衬底100,在所述半导体衬底100上依次形成 第一氧化硅层102和多晶硅层104，在所述多晶硅层104上形成第二氧化硅 层106。
如图2所示，图形化所述第二氧化硅层106,形成第二氧化硅层图案 106a。
如图3所示，在所述第二氧化硅层图案106a上、侧壁以及所述多晶硅 层104上形成氮化石圭层108。
如图4所示，去除所述多晶硅层104上和第二氧化硅层图案106a上的 氮化硅层108,并保留所述第二氧化硅层图案106a侧壁的氮化硅侧壁层 108a。
如图5所示，通过刻蚀去除所述第二氧化硅层图案106a。
如图6所示，以所述侧壁层108a作为硬掩膜层，刻蚀所述多晶硅层 104,形成4册极104a。
然而，所述的方法中，由于多步刻蚀，造成作为硬掩膜层的侧壁层 108a的轮廓较差，进而会导致形成的栅极104a轮廓较差，侧壁粗糙度较 大，影响形成的一册;〖及的开关特性。
发明内容
本发明提供一种栅极及半导体器件的制造方法、用于制造栅极的结 构，本发明形成的栅极轮廓较好。
本发明提供的一种栅极的制造方法，包括
提供具有栅层的半导体衬底；
在所述栅层上形成第一材料层；
在所述第 一材料层上形成第二材料层；
图形化所述第二材料层，形成第二材料层图案；
在所述第二材料层图案侧壁形成侧壁层；
去除所述第二材料层图案；
刻蚀未被所述侧壁层覆盖的第 一材料层和栅层，形成栅极。 可选的，所述第一材料层为一层或多层。
可选的，所述第一材料层为有机材料层和氧化硅层的堆叠结构，其 中，所述有机材料层位于氧化硅层下方。
可选的，所述有机材料层为光刻胶或有机抗反射材料。 可选的，所述氧化硅层可以是低温氧化层。 可选的，形成侧壁层的步骤如下 在所述第一材料层上、第二材料层图案表面形成介质层；
去除所述第 一材料层上和第二材料层图案上的介质层，并保留所述 第二材料层图案侧壁的介质层。
可选的，所述第二材料层与所述第一材料层、介质层材质不同。 可选的，所述介质层为氮化硅。
可选的，所述第二材料层可以是氧化硅、碳化硅、多晶硅、非晶硅、 单晶硅、氮氧化硅、碳氮硅化合物中的一种。
可选的，该方法进一步包括去除所述4册极上的第一材料层和侧壁 层材料。
本发明还提供一种半导体器件的制造方法，包括
提供半导体衬底，在所述半导体衬底上具有第三材料层；
在所述第三材料层上形成第一材料层；
在所述第 一材料层上形成第二材料层；
图形化所述第二材料层，形成第二材料层图案；
在所述第二材料层图案侧壁形成侧壁层；
去除所述第二材料层图案；
刻蚀未被所述侧壁层覆盖的第一材料层和第三材料层。 可选的，所述第一材料层为一层或多层。
可选的，所述第一材料层为有机材料层和氧化硅层的堆叠结构，其 中，所述有机材料层位于所述氧化硅层下方。
可选的，所述有机材料层为光刻胶或有机抗反射材料。 可选的，所述氧化硅层可以是低温氧化层。 可选的，所述侧壁层为氮化硅。 本发明还提供一种用于形成栅极的结构，包括
具有栅层的半导体衬底；所述栅层上的第一材料层；所述第一材料 层上的侧壁层。
与现有技术相比，本发明具有以下优点
通过在栅层和侧壁层之间形成第一材料层，在形成侧壁层后，将侧 壁层首先转移到第一材料层中，形成侧壁轮廓较好的栅极图案；再以所 述栅极图案作为掩膜，刻蚀栅层，形成栅极，从而使得形成的栅极的侧 壁轮廓较好；
此外，所述第一材料层为硬度较小的有机材料，例如是光刻胶等含 碳的材料，在刻蚀栅极时，可以生成聚合物并附着在栅极的侧壁，有利 于保护栅极的侧壁，减小形成的栅极表面的粗糙度，从而有利于提高形 成的栅极的开启灵敏度，提高形成的半导体器件的稳定性。
图1为图6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7至图17为本发明的栅极的制造方法的实施例各步骤相应结构 的剖面示意图18为本发明的半导体器件的制造方法的实施例的流程图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。
图7至图17为本发明的栅极的制造方法的实施例的各步骤相应结 构的剖面示意图。
如图7所示，提供半导体衬底10,所述半导体村底10的材质可以 是单晶硅、多晶硅、非晶硅中的一种，所述半导体衬底10的材质也可
以是硅锗化合物，所述半导体衬底10上还可以有绝缘层上珪(Silicon On Insulator, SOI)结构或硅上外延层结构(图未示)。在所述半导体衬底 10中可以I参入N型杂质或P型杂质形成N阱或P阱。
在所述半导体衬底10上形成栅极介质层11。所述栅极介质层11 为氧化硅、氮氧化硅中的一种或组合。
形成氧化硅的方法为高温炉管氧化、快速热退火氧化或原位水蒸气 产生氧化(In-Situ Stream Generation, ISSG)中的一种，对氧化珪进行 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8所示，在所述栅极介质层11上形成栅层12。
在其中的一个实施例中，所述栅层12为多晶硅层。形成所述多晶 硅层的方法为物理气相沉积或化学气相沉积。在所述多晶硅层中可以掺 有杂质，以减小形成的栅极的电阻率。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掺入硼或硼的化合物。
形成掺杂多晶硅层的方法为离子注入掺杂；在其中的 一个实施例
中，形成掺杂多晶硅层的步骤如下首先沉积多晶硅层，在多晶硅层上
形成非晶硅层，以该非晶硅层作为离子注入的緩冲层，对多晶硅层进行
离子注入；接着，通过退火使所述非晶硅层结晶为多晶硅层。
在其它的实施例中，所述栅层12可以是多晶硅与金属硅化物的层 叠结构。
在其它的实施例中，所述^1^层12还可以是金属。 形成所述栅层12后，在所述栅层12上形成第一材料层。所述所述 第一材料层为一层或多层。
在其中的一个实施例中，所述第一材料层为两层，如图9所示，所 述第一材料层为有机材料层14和氧化硅层16的堆叠结构，其中，所述 有机材料层14位于所述氧化硅层16的下方。
所述有机材料层14可以是含有无定型碳的、硬度较小的材料。
所述有机材料层14可以是光刻胶或有机抗反射材料，其形成的方 法可以是旋涂法。
所述氧化硅层16可以是低温氧化层，该氧化硅层16作为后续刻蚀 工艺的刻蚀停止层，保护所述有机材料层14不受等离子体损伤。
如图IO所示，在所述氧化硅层16上形成第二材料层18。所述第二 材料层18与所述第一材料层材质不同。
所述第二材料层18的可以是碳化硅、多晶硅、非晶硅、单晶硅、 氮氧化硅、碳氮硅化合物中的一种。若所述第一材料层中不含有氧化硅 层，则所述第二材料层18还可以是氧化硅。
所述第二材料层18的厚度根据后续形成的栅极的目标线宽决定。 由于在后续工艺中通过在第二材料层图案侧壁的侧壁层的厚度决定栅 极的线宽，而第二材料层18的厚度会决定侧壁层的高度，为不至于违 背设计规则，产生侧壁层倒塌的缺陷，所述第二材料层18的厚度需要
根据将要形成的栅极的目标线宽决定，栅极的目标线宽越小，第二材料 层18的厚度需要越薄。
如图ll所示，在所述第二材料层18上旋涂光刻胶层，并通过曝光
显影形成光刻胶图案20,所述光刻胶图案20的线宽根据后续需要形成 的棚-极之间的距离决定。
如图12所示，以所述光刻胶图案20作为刻蚀阻挡层，刻蚀未被所 述光刻胶图案20覆盖的第二材料层18,形成第二材料层图案18a。刻 蚀至露出所述氧化硅层16表面时为止，该氧化硅层16作为刻蚀第二材 料层18的刻蚀停止层，可以保护在刻蚀中不会损伤到硬度较小的有机 材料层14。
完成刻蚀后，去除所述光刻胶图案20。
如图13所示，在所述氧化硅层16上、第二材料层图案18a表面形 成介质层22。所述介质层22与所述第二材料层18的材质不同。
所述介质层22可以是氮化硅。形成所述介质层22的方法可以是化 学气相沉积或原子层沉积。
所述介质层22的厚度与待形成的栅极的目标线宽相同。
如图14所示，去除所述氧化硅层16上和第二材料层图案18a上的 介质层22，并保留所述第二材料层图案18a侧壁的介质层，形成侧壁层 22a。
如图15所示，去除所述第二材料层图案18a,去除的方法可以是湿 法刻蚀。由于所述第二材料层图案18a与所述侧壁层22a、氧化硅层16 的材质不同，选用对所述第二材料层图案18a刻蚀速率较大的刻蚀溶液， 可去除所述第二材料层图案18a，而对侧壁层22a和氧化硅层16具有较 小刻蚀损伤。
如图16所示，以所述侧壁层22a作为刻蚀阻挡层，刻蚀所述氧化 珪层16和有机材料层14，形成栅才及图案14a,同时所述侧壁层22a也 被刻蚀。刻蚀的方法可以是等离子体干法刻蚀。
如图17所示，以所述栅极图案14a作为掩膜，刻蚀所述栅层12,
形成棚4及12a。
进一步的，去除所述栅极图案14a。
由于在形成侧壁层22a的工艺中，需要多部刻蚀工艺，会引起形成 的侧壁层22a的轮廓较差，通过在栅层和侧壁层22a之间形成第一材料 层14,在形成侧壁层22a后，将侧壁层22a首先转移到第一材料层14 中，形成侧壁轮廓较好的栅极图案14a,再以所述栅极图案14a作为掩 膜，刻蚀栅层12，形成栅极12a，从而使得形成的栅极12a的侧壁轮廓 较好；
此外，所述第一材料层14可以是硬度较小的有机材料，例如可以 是光刻胶等含碳的材料，在刻蚀栅极12a时，可以生成聚合物并附着在 栅极12a的侧壁，有利于保护所述栅极12a的侧壁，减小形成的栅极12a 表面的粗糙度，有利于提高形成的栅极12a的开启灵敏度，提高形成的 半导体器件的稳定性。
本发明还提供一种半导体器件的制造方法，如图18所示的流程图。
步骤S100，提供半导体衬底，在所述半导体衬底上具有第三材料 层；所述第三材料层可以是半导体材料、介质材料或金属材料。
步骤SllO，在所述第三材料层上形成第一材料层；所述第一材料 为一层或多层。
在其中的一个实施例中，所述第一材料层为有机材料和氧化硅的堆 叠结构，其中，所述有机材料位于所述氧化硅下方。所述有机材料为光 刻胶或有机抗反射材料，所述氧化硅可以是低温氧化层。
步骤S120，在所述第一材料层上形成第二材料层；所述第一材料 层为一层或多层。
所述第二材料层可以是氧化硅、碳化硅、多晶硅、非晶硅、单晶硅、 氮氧化硅、碳氮硅化合物中的一种。
步骤S130，图形化所述第二材料层，形成第二材料层图案；
步骤S140，在所述第二材料层图案侧壁形成侧壁层。
形成侧壁层的步骤如下在所述第一材料层上、第二材料层图案表
面形成介质层；
去除所述第一材料层上和第二材料层图案上的介质层，并保留所述 第二材料层图案侧壁的介质层。
步骤S150,去除所述第二材料层图案；
步骤S160,刻蚀未被所述侧壁层覆盖的第一材料层和第三材料层。 通过形成侧壁层作为掩膜层，在第三材料层中形成线宽较小的图 案，且在所述侧壁层和第三材料层之间引入第一材料层，作为中间层， 首先将侧壁层定义的图案转移到第一材料层，接着将转移到第一材料层 中的图案转移到第三材料层中，有利于在第三材料层中形成轮廓较好、 侧壁粗糙度较小的图案。
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，包括提供具有栅层的半导体衬底；在所述栅层上形成第一材料层；在所述第一材料层上形成第二材料层；图形化所述第二材料层，形成第二材料层图案；在所述第二材料层图案侧壁形成侧壁层；去除所述第二材料层图案；刻蚀未被所述侧壁层覆盖的第一材料层和栅层，形成栅极。
2、 如权利要求1所述的栅极的制造方法，其特征在于所述第一 材料层为一层或多层。
3、 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 材料层为有机材料层和氧化硅层的堆叠结构，其中，所述有机材料层位 于氧化硅层下方。
4、 如权利要求3所述的栅极的制造方法，其特征在于所述有机 材料层为光刻胶或有机抗反射材料。
5、 如权利要求3所述的栅极的制造方法，其特征在在于所述氧 化硅层可以是低温氧化层。
6、 如权利要求1至5任一权利要求所述的栅极的制造方法，其特 征在于，形成侧壁层的步骤如下在所述第一材料层上、第二材料层图案表面形成介质层；去除所述第一材料层上和第二材料层图案上的介质层，并保留所述 第二材料层图案侧壁的介质层。
7、 如权利要求6所述的4册极的制造方法，其特征在于所述第二 材料层与所述第一材料层、介质层材质不同。
8、 如权利要求6所述的栅极的制造方法，其特征在于所述介质 层为氮化硅。
9、 如权利要求1至5任一权利要求所述的栅极的制造方法，其特 征在于所述第二材料层可以是氧化硅、碳化硅、多晶硅、非晶硅、单 晶硅、氮氧化硅、碳氮硅化合物中的一种。
10、 如权利要求1所述的栅极的制造方法，其特征在于，进一步包 括去除所述栅极上的第一材料层和侧壁层材料。
11、 一种半导体器件的制造方法，其特征在于，包括 !^供半导体衬底，在所述半导体衬底上具有第三材料层； 在所述第三材料层上形成第 一材料层；在所述第一材料层上形成第二材料层； 图形化所述第二材料层，形成第二材料层图案； 在所述第二材料层图案侧壁形成侧壁层； 去除所述第二材料层图案；刻蚀未被所述侧壁层覆盖的第一材料层和第三材料层。
12、 如权利要求11所述的半导体器件的制造方法，其特征在于 所述第 一材料层为 一层或多层。
13、 如权利要求11所述的半导体器件的制造方法，其特征在于 所述第一材料层为有机材料层和氧化硅层的堆叠结构，其中，所述有机 材料层位于所述氧化硅层下方。
14、 如权利要求13所述的半导体器件的制造方法，其特征在于 所述有机材料层为光刻胶或有机抗反射材料。
15、 如权利要求13所述的半导体器件的制造方法，其特征在于 所述氧化硅层可以是低温氧化层。
16、 如权利要求11所述的栅极的制造方法，其特征在于所述侧 壁层为氮化硅。
17、 一种用于形成4册极的结构，其特征在于，包括 具有栅层的半导体衬底； 所述栅层上的第一材料层；所述第 一材料层上的侧壁层。
全文摘要
一种栅极的制造方法，包括提供具有栅层的半导体衬底；在所述栅层上形成第一材料层；在所述第一材料层上形成第二材料层；图形化所述第二材料层，形成第二材料层图案；在所述第二材料层图案侧壁形成侧壁层；去除所述第二材料层图案；刻蚀未被所述侧壁层覆盖的第一材料层和栅层，形成栅极。本发明还提供一种半导体器件的制造方法和用于形成栅极的结构。该方法形成的栅极轮廓较好。
文档编号H01L21/308GK101364537SQ20071004480
公开日2009年2月11日 申请日期2007年8月9日 优先权日2007年8月9日
发明者张海洋, 峰 朱 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司