专利名称：具有球形凹陷和鞍鳍的半导体器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件的制造方法，更具体涉及一种具有球形凹陷和鞍鳍的半导体器件及其制造方法。
背景技术：
当半导体器件被超高集成时，因为结漏电是由于随着栅极沟道长度的减少和植入物掺杂浓度的增加而使得电场增加所造成的，所以根据在平坦有源区上形成平面栅极的典型方法，难以充分确保器件的刷新(refresh)特性。
为了克服上述限制，通过以下方式实施凹陷栅极过程将有源区图案化以在其中形成凹陷图案(这称为硅凹陷过程)，之后，将导电材料填入凹陷图案由此形成凹陷栅极。此凹陷栅极过程可以增加栅极沟道长度和减少植入物掺杂浓度，使得器件的刷新特性可以因此得到增强。
图1为使用根据典型方法的硅凹陷过程的栅极叠层结构的横截面图。凹陷12形成在衬底11的特定区域上，在该区域中将通过硅凹陷过程形成沟道(以下简称为沟道形成区)。栅极氧化物层13形成在具有凹陷12的衬底11的表面上，并且栅极叠层形成在栅极氧化物层13上，其中栅极叠层由顺序堆叠的多晶硅14、由硅化钨(WSi)或钨(W)形成的金属基电极15和栅极硬掩模16构成。
但是，当器件被微型化成更小的晶体管时，具有图1的栅极叠层结构的半导体器件仍然具有刷新时间特性变差的限制。为了解决上述限制，最近已有人提出球形凹陷结构。
图2为根据典型方法的具有球形凹陷的栅极叠层结构的横截面图。球形凹陷22(以下称为球形凹陷)提供在衬底21的特定区域即沟道形成区中。之后，在包含球形凹陷22的衬底21的表面上形成栅极氧化物层23，然后在栅极氧化物层23上形成栅极叠层，其中栅极叠层由顺序堆叠的多晶硅24、由硅化钨(WSi)或钨(W)形成的金属基电极25和栅极硬掩模26构成。
当图2的球形凹陷结构应用到半导体器件时，有可能改善刷新时间的限制。但是，当器件变得更小时，还会发生电流驱动能力逐渐退化的另一限制。
发明内容
本发明的实施方案涉及一种能够确保电流驱动能力和改善刷新时间特性的半导体器件。
根据本发明的一个方面，提供一种半导体器件，包含有源区；形成在有源区的沟道形成区中的具有一定深度的球形凹陷；包围有源区的器件隔离结构，其中该器件隔离结构具有线形开口，使得器件隔离结构的表面低于球形凹陷的底部并且部分有源区呈鞍鳍状突出于器件隔离结构；形成在由开口暴露的器件隔离结构和包含球形凹陷的有源区上方的栅极绝缘层；和形成在栅极绝缘层上方的栅电极，栅电极填充在球形凹陷中并且覆盖由开口暴露的器件隔离结构。
根据本发明的另一方面，提供一种半导体器件的制造方法，包括在衬底中形成器件隔离结构以限定有源区；蚀刻有源区的沟道形成区至一定深度以形成球形凹陷；选择性蚀刻器件隔离结构以形成线形开口，使得器件隔离结构的表面低于球形凹陷的底部并且部分有源区呈鞍鳍状突出于器件隔离结构；在包含球形凹陷的所得结构和由开口暴露的器件隔离结构的表面上方形成栅极绝缘层；以及在栅极绝缘层上方形成栅电极，使得栅电极填充在球形凹陷之中，并且覆盖由开口暴露的器件隔离结构。
根据本发明的再一方面，提供一种半导体器件的制造方法，包括在衬底中形成器件隔离结构以限定有源区；选择性蚀刻器件隔离结构以形成暴露有源区的沟道形成区两侧的开口，其中开口的底部低于有源区的表面；蚀刻高于开口底部表面的有源区的沟道形成区，以形成具有鞍鳍结构的球形凹陷；在包含球形凹陷的所得结构表面上方形成栅极绝缘层；以及在栅极绝缘层上方形成栅电极，使得栅电极填充在球形凹陷之中，并且覆盖由开口暴露的器件隔离结构。
图1为使用根据典型方法的硅凹陷过程的栅极叠层结构的横截面图；图2为根据典型方法的具有球形凹陷的栅极叠层结构的横截面图；图3A～3D为示出根据本发明第一实施方案的半导体器件制造方法的横截面图；图4为根据本发明第一实施方案的半导体器件结构沿长轴方向的部分横截面透视图；和图5A～5D为示出根据本发明第二实施方案的半导体器件制造方法的横截面图。
具体实施例方式
根据本发明示例性实施方案的具有球形凹陷和鞍鳍的半导体器件及其制造方法将参考附图详细说明。
图3A～3D为示出根据本发明第一实施方案的半导体器件制造方法的横截面图。下面，交替长短虚线的左侧是沿有源区长轴方向截取的横截面图，而交替长短虚线的右侧是沿有源区短轴方向截取的横截面图，例如具体是线I-I’。
参考图3A和图3B，使用浅沟槽隔离(STI)技术形成器件隔离结构32，使得器件隔离结构32填入衬底31的沟槽T中。利用器件隔离结构32，在衬底31中限定有源区31A。
接着，通过硅凹陷蚀刻过程，蚀刻有源区31A至特定深度，以形成球形凹陷33。此处，球形凹陷33是通过蚀刻有源区31A的特定区域形成的，在该区域中栅极沟道将形成在有源区31A中。下面，将形成沟道的有源区31A的特定区域简称为沟道形成区。
球形凹陷33的形成方法从蚀刻有源区31A到第一深度H1开始，由此形成蚀刻轮廓为垂直形状的颈部图案33A。之后，执行各向同性蚀刻，使得颈部图案33A的底部表面变成圆形轮廓。因此，形成具有第二深度H2的球形图案33B，其中球形图案33B与颈部图案33A相连。换言之，球形凹陷33由颈部图案33A和球形图案33B构成，使得球形凹陷33的最终深度为H3。此处，在漏电流方面，球形凹陷33的最终深度H3可以比器件隔离结构32的深度更浅。此外，形成球形凹陷33，使得球形图案33B的宽度D2大于颈部图案33A的宽度D1，这导致沟道长度增加更多。
下面将更全面说明形成球形凹陷33的蚀刻过程。首先，使用氯气(Cl2)、溴化氢(HBr)气体或其混合气体作为形成颈部图案33A的蚀刻气体。其次，使用四氟化碳/氧气(CF4/O2)混合气体或Cl2/HBr/六氟化硫(SF6)/O2混合气体实施各向同性蚀刻，以形成球形图案33B。
其间，当形成球形图案33B时，可以使用氮化物在颈部图案33A的侧壁上预先形成厚约250的间隔层，以防止颈部图案33A的侧壁受到损伤。
球形凹陷33通过蚀刻有源区31A的沟道形成区而形成，球形凹陷33的两端邻近器件隔离结构32，这可以从图3B的沿短轴方向截取的横截面图很好地理解。换言之，当在沿短轴方向截取的横截面图中显示时，球形凹陷33的两端与器件隔离结构32接触，而球形凹陷33的底部表面比器件隔离结构32所填入的沟槽T的底部表面更浅。
参考图3C，蚀刻与球形凹陷33接触的器件隔离结构32至特定深度，由此形成鞍状鳍片34(下面称为鞍鳍)。换言之，蚀刻与球形凹陷33两端接触的器件隔离结构32至特定深度，以形成线形开口35。因此，在球形凹陷33的球形图案33B下方的有源区31A呈鳍状突出于图案化的器件隔离结构32A。具体而言，由于线形开口35的缘故，器件隔离结构32的表面变得低于球形凹陷33的球形图案33B的底部表面，因此在球形图案33B下方的有源区31A比图案化的器件隔离结构32A的表面更向上突出。此处，在图3C沿长轴方向截取的横截面图中显示，鞍鳍34位于球形凹陷33的球形图案33B的底部表面下方，而在图3C沿短轴方向截取的横截面图中显示，由于线形开口35导致鞍鳍34向上突出。
通过利用已用于形成颈部图案33A的掩模，实施器件隔离结构32的蚀刻，具体是在例如对于硅具有满意的蚀刻选择性的蚀刻条件下蚀刻器件隔离结构32，以防止球形凹陷33的蚀刻损伤。因此，鞍鳍34的宽度D3大致和颈部图案33A的宽度D1相同，但是小于球形图案33B的宽度D2。同时，注意鞍鳍34的上表面和图案化的器件隔离结构32A的底部表面之间的深度差应该为约150或更大，例如，约150到约300。
通过利用上述一系列过程形成鞍鳍34，得到由球形凹陷33和鞍鳍34构成的球形鞍鳍(BS-fin)结构。此处，在附图中将BS-fin标示为附图标记100，其深度为H4。
如上所述，通过形成具有球形凹陷33和位于其下方的鞍鳍34的BS-fin 100，可以将沟道长度扩展到大于只采用球形凹陷的情况。此外，在本发明中，具有优异刷新时间特性的球形凹陷33和具有满意的电流驱动能力的鞍鳍34被结合在一起，由此可以改善电流驱动能力和刷新时间特性。
参考图3D，在包括BS-fin 100的所得结构的表面上形成栅极绝缘层36之后，在栅极绝缘层36上沉积多晶硅37，直到BS-fin 100完全被多晶硅37填满。此时，由于在沉积多晶硅37时存在由BS-fin 100所造成的表面起伏，因此可以通过化学机械研磨(CMP)方法等额外实施平坦化过程。
接着，在多晶硅37上依序形成由硅化钨(WSi)或钨(W)形成的金属基电极38和栅极硬掩模39之后，使用栅极掩模实施栅极图案化过程。
图4为根据本发明第一实施方案的半导体器件结构沿长轴方向截取的部分横截面透视图。在栅极叠层结构中，仅示出多晶硅37。
应该理解，多晶硅37形成在蚀刻到特定深度的图案化器件隔离结构32A的表面上。栅极绝缘层36和多晶硅37也形成在鞍鳍34的两侧。因为多晶硅37具有多晶硅37填满球形凹陷33这样的形状，因此由于球形凹陷33的球形图案33B的缘故，多晶硅37具有部分类似球形的圆形突起。此处，类似的附图标记表示类似的构件，所以没有显示在图4中的附图标记可以参考图3A～3D。
图5A～5D为示出根据本发明第二实施方案的半导体器件制造方法的横截面图。下面，交替长短虚线的左侧是沿有源区长轴方向截取的横截面图，而交替长短虚线的右侧是沿有源区短轴方向截取的横截面图，例如具体是线II-II’。。
参考图5A，利用STI技术在衬底中形成器件隔离结构42，使得有源区41A被器件隔离结构42所限定。
同时，器件隔离结构42被填入具有倾斜蚀刻轮廓而非垂直轮廓的沟槽T中，因此器件隔离结构42也具有倾斜轮廓的侧壁。因此，如果在器件隔离结构42具有倾斜轮廓侧壁的情况下首先实施硅凹陷过程，则可能因倾斜轮廓而产生大的尖角，使得难以在后续过程中形成球形凹陷。
因此，在本发明的第二实施方案中，将器件隔离结构42预先形成线形图案，然后实施硅凹陷蚀刻过程。详细来说，使用光刻胶层在表面上形成掩模43，其中掩模43打开有源区的沟道形成区和邻近沟道形成区的器件隔离结构42的上表面。之后，使用掩模作为蚀刻阻挡层，蚀刻没有被掩模43遮蔽的器件隔离结构42到特定深度，由此形成开口44。此处，在例如对于硅具有满意的蚀刻选择性的蚀刻条件下蚀刻器件隔离结构42，以防止有源区41A的蚀刻损伤。
同时，可以单独使用光刻胶层作为掩模43，或者可以使用硬掩模作为掩模43。此处，开口44仅在沿短轴方向II-II’截取的横截面图中可见，而保留在开口44下方的图案化器件隔离结构42A具有比之前更小的厚度。
参考图5B和5C，使用在蚀刻器件隔离结构42时所用的掩模43，通过硅凹陷蚀刻过程蚀刻有源区41A的暴露的沟道形成区。形成球形凹陷45的方法从蚀刻有源区41A到第一深度H1开始，由此形成蚀刻轮廓为垂直形状的颈部图案45A。之后，实施各向同性蚀刻，使得颈部图案45A的底部表面变成圆形图案。因此，形成具有第二深度H2的球形图案45B，其中球形图案45B与颈部图案45A相连。换言之，球形凹陷45由颈部图案45A和球形图案45B构成，使得球形凹陷45的最终深度为H3。此处，就漏电流而言，球形凹陷45的最终深度H3可以比器件隔离结构42的深度更浅。此外，形成球形凹陷45，使得球形图案45B的宽度D2大于颈部图案45A的宽度D1，这导致沟道长度增加更多。
下面将更充分地说明形成球形凹陷45的蚀刻过程。首先，可以使用氯气(Cl2)，溴化氢(HBr)气体或其混合气体作为形成颈部图案45A的蚀刻气体。其次，使用CF4/O2混合气体或Cl2/HBr/SF6/O2混合气体，实施各向同性蚀刻，以形成球形图案45B。
其间，当形成球形图案45B时，可以使用氮化物在颈部图案45A的侧壁上预先形成厚约250的间隔层，以防止颈部图案45A的侧壁受到损伤。
球形凹陷45通过蚀刻有源区41A的沟道形成区形成，球形凹陷45的两端邻近图案化的器件隔离结构42A。换言之，当在沿短轴方向所截取的横截面图中显示时，球形凹陷45的两端与图案化的器件隔离结构42A接触，并且球形凹陷45的底部表面比填充器件隔离结构42的沟槽T的底部表面更浅。
通过形成上述球形凹陷45，形成高于图案化的器件隔离结构42A表面的鞍鳍46。此处，比图案化的器件隔离结构42A更突出的鞍鳍46的高度为至少约150，即在约150到约300范围内。因此，鞍鳍46和图案化的器件隔离结构42A之间的深度差应该为150或更大。
换言之，因为与球形凹陷45的两侧接触的图案化器件隔离结构42A被预先蚀刻，所以球形凹陷45的球形图案45B的底部表面突出成鳍状。特别地，当预先形成开口44之后蚀刻在开口44下方的有源区以形成球形凹陷45时，球形图案45B的底部表面变得高于图案化的器件隔离结构42A的表面，使得球形图案45B的底部表面更突出于图案化的器件隔离结构42A的表面。此处，在沿长轴方向所截取的横截面图中显示，鞍鳍46位于球形凹陷45的球形图案45B的底部表面下方，而在沿短轴方向所截取的横截面图中显示，鞍鳍46比图案化的器件隔离结构42A更突出。
其间，为了形成鞍鳍46，在对于由氧化物形成的器件隔离结构42具有满意的蚀刻选择性的蚀刻条件下，使用掩模43实施蚀刻过程。鞍鳍46的宽度D3基本上与颈部图案45A的宽度D1相同，但是小于球形图案45B的宽度D2。
通过上述一系列过程形成鞍鳍46，得到由球形凹陷45和鞍鳍46构成的球形鞍鳍(BS-fin)结构。此处，在附图中BS-fin被标示为附图标记200，其深度为H4。
如上所述，通过形成具有球形凹陷45和位于其下方的鞍鳍46的BS-fin 200，可以使沟道长度伸长到大于只采用球形凹陷的情况。此外，在本发明中，将具有优异刷新时间特性的球形凹陷45和具有满意的电流驱动能力的鞍鳍46结合在一起，由此改善电流驱动能力和刷新时间特性。
参考图5D，在包含BS-fin 200的所得结构的表面上形成栅极绝缘层47之后，在栅极绝缘层47上沉积多晶硅48，直到BS-fin 200完全被多晶硅48填满。此时，因为可能存在沉积多晶硅48时由BS-fin 200所造成的表面起伏，所以还可以通过CMP方法等额外实施平坦化过程。接着，在多晶硅48上顺序形成由硅化钨(WSi)或钨(W)形成的金属基电极49和栅极硬掩模50之后，使用栅极掩模实施栅极图案过程。
在上述的第二实施方案中，填充器件隔离结构42的沟槽T的蚀刻轮廓具有倾斜形状。在第二实施方案中，在形成球形凹陷45之前，通过蚀刻器件隔离结构42到特定深度，形成用以突出鞍鳍状结构的开口44。因此，可以防止在形成球形凹陷45的蚀刻过程中，产生由具有倾斜轮廓的沟槽T所造成的尖角。
根据实施方案，本发明采用鞍鳍和球形凹陷，用以确保晶体管的充分刷新和性能。因此，可以因为球形凹陷的优点而改善刷新时间特性，而且还可以因为鞍鳍的优点而确保电流驱动能力。
如上所述，通过形成由球形凹陷和鞍鳍构成的BS-fin，本发明提供确保电流驱动能力和刷新时间特性的有利效果。
虽然本发明已对于某些实施方案进行说明，但是本领域技术人员显而易见的是可以作出各种不同的变化和修改，而不脱离如所附权利要求所限定的本发明的实质和范围。
附图标记说明11，21，31，41衬底12凹陷13，23栅极氧化物层14，24，37，48多晶硅15，25，38，49金属基电极16，26栅极硬掩模22，33，45球形凹陷31A，41A 有源区32，42器件隔离结构33A，45A 颈部图案33B，45B 球形图案34，46鞍鳍35线形开口36，47栅极绝缘层39，43掩模44开口50栅极硬掩模100，200 球形鞍鳍
权利要求
1.一种半导体器件，包含有源区；形成在有源区的沟道形成区中具有一定深度的球形凹陷；包围有源区的器件隔离结构，其中器件隔离结构具有线形开口，使得器件隔离结构的表面低于球形凹陷的底部，并且部分有源区呈鞍鳍状突出于器件隔离结构；形成在由开口暴露的器件隔离结构和包含球形凹陷的有源区上方的栅极绝缘层；和形成在栅极绝缘层上方的栅电极，栅电极填充在球形凹陷中，并且覆盖由开口暴露的器件隔离结构。
2.权利要求1的半导体器件，其中所述球形凹陷包含具有第一宽度的垂直轮廓的颈部图案；和具有大于第一宽度的第二宽度的圆形轮廓的球形图案。
3.权利要求2的半导体器件，其中球形凹陷的颈部图案宽度基本上与器件隔离结构的开口宽度相同。
4.权利要求3的半导体器件，其中呈鞍鳍状突出于器件隔离结构的有源区的高度为至少约150。
5.一种制造半导体器件的方法，该方法包括在衬底中形成器件隔离结构，以限定有源区；蚀刻有源区的沟道形成区至一定深度，以形成球形凹陷；选择性蚀刻器件隔离结构，以形成线形开口，使得器件隔离结构的表面低于球形凹陷的底部，并且部分有源区呈鞍鳍状突出于器件隔离结构；在包括球形凹陷的所得结构表面和由开口暴露的器件隔离层上方形成栅极绝缘层；和在栅极绝缘层上方形成栅电极，使得栅电极填充在球形凹陷中，并且覆盖由开口暴露的器件隔离结构。
6.权利要求5的方法，其中所述选择性蚀刻还包括形成打开球形凹陷的入口并且呈线形打开邻近球形凹陷的器件隔离结构的掩模；和使用掩模作为蚀刻阻挡层，选择性蚀刻器件隔离结构，使得器件隔离结构的上表面低于球形凹陷的底部表面。
7.权利要求6的方法，其中形成掩模还包括形成打开球形凹陷的入口至一定宽度并且呈线形打开邻近球形凹陷的器件隔离结构至基本相同宽度的掩模。
8.权利要求6的方法，其中形成掩模还包括形成打开球形凹陷入口的掩模，并且打开器件隔离结构的蚀刻深度比球形凹陷的底部表面深至少150。
9.一种制造半导体器件的方法，该方法包括在衬底中形成器件隔离结构，以限定有源区；选择性蚀刻器件隔离结构，以形成暴露有源区的沟道形成区两侧的开口，其中开口的底部低于有源区的表面；蚀刻高于开口底部表面的有源区的沟道形成区，以形成具有鞍鳍结构的球形凹陷；在包括球形凹陷的所得结构表面上方形成栅极绝缘层；和在栅极绝缘层上方形成栅电极，使得栅电极填充在球形凹陷中，并且覆盖由开口暴露的器件隔离结构。
10.权利要求9的方法，其中形成开口包括形成同时呈线形打开衬底上方的有源区的沟道形成区和部分器件隔离结构的掩模；和使用掩模作为蚀刻阻挡层，选择性蚀刻器件隔离结构。
11.权利要求9的方法，其中形成球形凹陷包括蚀刻由开口暴露的有源区沟道形成区，以形成具有侧壁的颈部图案；在颈部图案的侧壁上形成间隔层；和将颈部图案的底部蚀刻成圆形轮廓，以形成球形图案。
12.权利要求11的方法，其中形成还包括形成包含氮化物的间隔层。
13.权利要求11的方法，其中蚀刻颈部图案的底部还包括各向同性蚀刻。
14.权利要求9的方法，其中开口的深度比球形凹陷的底部表面深至少150。
全文摘要
一种半导体器件包含有源区；形成在有源区的沟道形成区中的具有一定深度的球形凹陷；包围有源区的器件隔离结构，其中器件隔离结构具有线形开口，使得器件隔离结构的表面低于球形凹陷的底部，并且部分有源区呈鞍鳍状突出于器件隔离结构；形成在由开口暴露的器件隔离结构和包含球形凹陷的有源区上方的栅极绝缘层；和形成在栅极绝缘层上方的栅电极，栅电极填充在球形凹陷中，并且覆盖由开口暴露的器件隔离结构。
文档编号H01L21/336GK101083281SQ20071009077
公开日2007年12月5日 申请日期2007年4月2日 优先权日2006年6月1日
发明者金光玉 申请人:海力士半导体有限公司