制造具有凹陷栅极的半导体器件的方法

专利名称：制造具有凹陷栅极的半导体器件的方法
技术领域：
本发明涉及制造半导体器件的方法，更特别地涉及制造含有凹陷栅 极的半导体器件的方法。
背景技术：
随着半导体器件变得高度地集成，单元晶体管的沟道长度降低。此 外，随着对衬底的离子注入掺杂浓度增加，起因于电场增强的结泄漏也 增加。因此，难以确保具有典型的平面型晶体管结构的半导体器件的刷 新特性。
为此，引入三维凹陷栅极以克服上述限制。根据所述方法，蚀刻衬 底中的有源区的一部分以形成凹陷，并在所述凹陷上形成栅极。因此， 所述单元晶体管的沟道长度增加，并且对衬底的离子注入掺杂浓度降 低，改进了所述半导体器件的刷新特性。
图1说明制造含有典型的凹陷栅极的晶体管的常规方法的横截面 图。在衬底11中形成隔离层12以限定有源区。在所述衬底11上形成 氧化物图案13和硬掩模图案14。利用所述硬掩模图案14作为蚀刻掩模， 部分蚀刻所述衬底ll,以形成具有垂直外形的凹陷区域。
然而，最近随着半导体器件变得更高度地集成，单元晶体管的沟道 长度进一步降低。因此，在采用常规方法以形成凹陷区域的过程中，所 述凹陷区域可能形成为具有V-形外形。结果，可能在隔离层和凹陷区域 之间的衬底上形成角状物。即，根据采用浅沟槽隔离(STI)方法以形成 隔离层的常规方法，为了使得隔离层填充所述沟槽的间隙，所述STI
具有小于90度的角度。同时，因为图案尺寸降低，所述凹陷区域具有 V-形外形。因此，在隔离层和凹陷区域的形成之后大量剩余的硅留在所 述衬底上，形成角状物。
图2说明典型的凹陷图案的外形的显微照片图。所述凹陷图案具有 V-形外形，并且在隔离层和凹陷区域之间的界面上产生角状物A.因为 所述凹陷图案具有V-形外形，所以剩余硅的程度很大，并因此角状物的 高度4艮高。因为所述角状物变成导致电流漏泄的应力点，所以所述半导 体器件的刷新性能和良品率可能变差。

发明内容
本发明涉及制造半导体器件的方法，尤其是涉及在半导体器件中制 造凹陷栅极的方法，其可通过形成具有双外形的凹陷来降低隔离层和凹 陷区域之间界面上的角状物高度，所述双外形是通过两步进行的刻蚀工 艺得到的，其提供所述凹陷不同的上部外形和下部外形。
根据本发明的一个方面，提供了用于制造半导体器件的方法，包括 在衬底上形成硬掩模图案；利用所述硬掩模图案作为蚀刻阻挡物，在所 述衬底内形成笫一凹陷并在所述笫一凹陷的侧壁上形成钝化层；和通过 利用所述钝化层作为蚀刻阻挡物蚀刻所述第一凹陷的底部以形成第二 凹陷，其中所述第二凹陷的宽度大于所述笫一凹陷的宽度。


图l说明制造具有常规凹陷栅极的晶体管的方法的横截面图。
图2说明常规的凹陷栅极的外形的显微照片图。
图3A ~ 3E说明根据本发明的第一实施方案制造具有凹陷栅极的晶 体管的方法的横截面图。
图4说明根据本发明的第一实施方案的凹陷栅极的外形的显微照片图。
图5A 5E说明根据本发明第二实施方案制造具有凹陷栅极的晶体 管的方法的横截面图。
图6说明根据本发明的第二实施方案的第一凹陷B侧壁上的钝化层 C的外形的显微照片图。
图7说明用于对常规的凹陷栅极和根据本发明第二实施方案的凹陷 栅极进行比较的显微照片图。
具体实施例方式
本发明涉及在半导体器件中制造具有凹陷栅极的晶体管的方法。根 据本发明的实施方案，因为通过形成具有凹陷区域上部外形和下部外形 不同的的双外形的凹陷区域，隔离层和凹陷区域之间的界面上的角状物 的高度降低，所以可以改进所述半导体器件的刷新特性和良品率。
图3A 3E说明根据本发明的第一实施方案制造具有凹陷栅极的晶 体管的方法的横截面图。
参考图3A，在衬底31中形成隔离层32以限定有源区。可以采用浅 沟槽隔离(STI)方法形成所述隔离层32。在具有隔离层32的所述衬底31 上顺序形成第一硬掩模层33和第二硬掩模层34。第一硬掩模层33包括 氧化物层，第二硬掩模层34包括非晶碳层。在形成凹陷区域的随后的 工艺期间，氧化物层33用作蚀刻阻挡物。在所述非晶碳层34上形成具 有目标凹陷区开口的光刻胶图案36。对于另一个实施方案，可以在形成 所述光刻胶图案36以前，在所述非晶碳层34上形成防反射层35，用于 防止在啄光过程期间的反射。
参考图3B,利用所述光刻胶图案36作为蚀刻掩模，顺序蚀刻所述 防反射层35、所述非晶碳层34和所述氧化物层33。通过釆用磁增强反 应性离子刻蚀(MERIE)作为等离子源并使用氮气(]\2)和氧(02)气的气体 混合物，蚀刻所述非晶碳层34以暴露所述氧化物层33。使用CFX、 CHFX 和02气体的气体混合物蚀刻所述氧化物层33,以暴露所述衬底31。附 图标记33A、 34A和35A分别表示氧化物图案、非晶碳图案、和防反射 图案，其通过部分蚀刻所述氧化物层33、非晶碳层34和防反射层35 形成。
然后，除去光刻胶图案36和防反射图案35A，另外除去非晶碳图案 34A。可以仅仅使用02等离子体除去所述非晶碳图案34A,其中02等
离子体的流量为约200sccm 约1000sccm。此外，可以仅仅提供源功率 而不提供偏压功率除去非晶碳图案34A。由此，仅保留氧化物图案33A， 如图3C所示。
参考图3D,利用所述氧化物图案33A作为蚀刻阻挡物，在所述衬 底31上进行第一蚀刻以形成第一凹陷37A。使用TCP/ICP(变压器耦合 的等离子体/感应耦合的等离子体)作为等离子源，并使用溴化氢(HBr) 气体和CFxHx气体的气体混合物，进行用于形成所述第一凹陷37A的 第一蚀刻，其中以溴化氢(HBr)气体作为主蚀刻气体。此外，在约5毫 托~约20毫托的压力、约700W 约1500W的源功率和约200V-约 500V的偏压功率下进行第一蚀刻。所述第一凹陷37A具有垂直外形并 具有约200A 约500A的深度。附图标记31A表示具有所述第一凹陷 37A的笫一图案化衬底。
在进行第一蚀刻以形成所述第一凹陷37A时，聚合物作为CFXHX气 体的蚀刻产物在被蚀刻表面上产生，特别是在所述第一凹陷37A的侧壁 上。所述聚合物形成钝化层38，其在随后的用于形成第二凹陷的工艺过 程中作为蚀刻阻挡物。通过使用包含CFxHx气体的蚀刻气体，可以产生 大量的聚合物。在用于形成所述第一凹陷37A和钝化层38的蚀刻工艺 过程中加入CFxHx气体的时候，所述CFXHX气体优选包含三氟甲烷 (CHF3)或二氟甲烷(CH2F2)。
参考图3E，利用所述氧化物图案33A和钝化层38，在第一图案化 衬底31A上进行第二蚀刻，从而形成第二凹陷37B。第一蚀刻和第二蚀 刻可以原位进行。附图标记31B表示具有所述第一凹陷37A和第二凹 陷37B的第二图案化衬底。
使用TCP/ICP作为等离子源并使用含氯气体和含溴气体的气体混 合物，进行第二蚀刻以形成第二凹陷37B。优选在约10毫托~约30毫 托的压力、约500W~约1000W的源功率和约200V~约500V的偏压 功率下，进行第二蚀刻。特别是，使用作为含氯气体的氯(Cl2)气体和作
为含溴气体的溴化氢(HBr)气体的时候，HBr与Cl2的流量比优选约 0.5:1 ~约2:1。在前述环境下在第一图案化村底31A上进行第二蚀刻的 时候，可以进行第二蚀刻以提供浅度各向同性蚀刻性能。因此，第二凹 陷37B具有弯曲的侧壁的弓形外形，和约700A 约IOOOA的深度。
所述第一凹陷37A和第二凹陷37B形成具有双外形的凹陷区域37。 即，凹陷区域37上部的外形与其下部的外形不同。所述具有双外形的 凹陷区域37具有宽度比典型凹陷的宽度宽数十纳米的下部。在形成第 二凹陷37B之后，利用氧化物图案33A和钝化层38作为蚀刻阻挡物， 在第二图案化衬底31B上进行第三蚀刻(未显示)以另外增加第二凹陷 37B的宽度。因此，第二凹陷37B的侧壁可以被延伸。
使用TCP/ICP作为等离子源、HBr和Cl2的气体混合物以及六氟化 硫(SF6)和02的另外气体混合物，进行延伸第二凹陷37B侧壁的所述第 三蚀刻。在约20亳托~约100毫托的压力、约500\￥~约1500W的源 功率和小于50V的偏压功率下，进行第三蚀刻。此外，可以使用NFX 或CFX气体代替SF6气体。
在前述环境下在第二图案化衬底31B上进行第三蚀刻的时候，可以 进行第三蚀刻以提供各向同性蚀刻特性。因此，第二凹陷37B的宽度可 以增加多至约10nm 约15nm。因此，通过另外进行所述第三蚀刻可4吏 角状物的尺寸减小很多。然后，除去氧化物图案33A，并在所述凹陷区 域37上进行形成凹陷栅极图案(未显示)的工艺。由此，完成根据本发明 第一实施方案的制造具有凹陷栅极的半导体器件的方法。
尽管进行根据本发明第一实施方案的第一、第二和另外的第三蚀刻 是在使用TCP/ICP作为等离子源的高密度蚀刻装置中进行的，但是本 发明可存在另外的实施方案。例如，所述第一、第二和另外的第三蚀刻 可以在装备有法拉第屏蔽的ICP型蚀刻装置中，或在使用微波下游 (MDS)型、电子回旋共振(ECR)型或螺旋型等离子源的蚀刻装置中进行。
图4说明根据本发明的第一实施方案的凹陷区域37的外形的显微 照片图。角状物的尺寸显著地小于典型凹陷(参考图2)中的角状物的尺 寸，并且凹陷区域37具有双外形而不是典型凹陷区域的V-形外形。因 此，尽管STI角度小于90度，仍然可以最小化角状物的尺寸。因为该 凹陷区域37可控制电流漏泄，所以可以改进半导体器件的刷新特性。 结果，可以提高良品率并且可以降低生产成本。
图5A ~ 5E说明了根据本发明的第二实施方案制造具有凹陷栅极的 晶体管的方法的横截面图。
参考图5A，在衬底51中形成隔离层52以限定有源区。可以采用浅 沟槽隔离(STI)工艺形成隔离层52。在具有所述隔离层52的衬底51上 顺序形成第一硬掩模层53和第二硬掩模层54。第一硬掩模层53包含氧 化物层，第二硬掩模层54包含非晶碳层。在随后用于形成凹陷区域的 工艺过程中，氧化物层53用作蚀刻阻挡物。在所述非晶碳层54上形成 开放目标凹陷区的光刻胶图案56。对于另一个实施方案，可以在形成所 述光刻胶图案56以前在所述非晶碳层54上形成防反射层55，用于防止 在啄光期间的反射。
参考图5B，利用光刻胶图案56作为蚀刻掩模，顺序蚀刻防反射层 55和非晶碳层54。利用氧化物层53作为蚀刻停止层，并且通过使用电 容耦合等离子体(CCP)或磁增强反应性离子刻蚀(MERIE)型等离子源并 使用氮气(N2)和氧(02)等离子体作为蚀刻气体，进行所述非晶碳层54的 蚀刻。利用所述光刻胶图案56和非晶碳图案54A作为蚀刻阻挡物，进 行所述氧化物层53的蚀刻以暴露所述衬底51。可以通过使用CFX、CHFX 和02气体的等离子体混合物进行所述氧化物层53的蚀刻。附图标记 53A和55A分别表示氧化物图案和防反射图案，其是通过部分蚀刻所述 氧化物层53和所述防反射层55形成的。
然后，除去光刻胶图案56和防反射图案55A(未显示)，并且另外除 去非晶碳图案54A(未显示)。非晶碳图案54A可以仅仅使用02等离子 体除去，其中02等离子体的流量为约200sccm~约1000sccm。此外， 可以仅仅提供源功率不提供偏压功率除去非晶碳图案54A。由此，仅保 留氧化物图案53A,如图5C所示。
参考图5D，利用氧化物图案53A作为蚀刻阻挡物，在所述衬底51 上进行第一蚀刻以形成第一凹陷57A，从而形成具有基本上垂直外形的 所述第一凹陷57A。所述第一凹陷57A具有约1000A 约1300A的深 度。附图标记51A表示具有第一凹陷57A的第一图案化衬底。
使用氯(Cl2)气体和氮气(N2)气体以及氢(H2)气体的等离子体混合
物，进行用于形成所述第一凹陷57A的第一蚀刻，其中以氯(Ch)气体和 氮气(N2)作为主蚀刻气体。加入的112气体具有约30sccm ~ lOOsccm的 流量。使用Cl2、 N2和H2气体的等离子体混合物进行第一蚀刻的时候， 通过第一蚀刻衬底51A的暴露部分上的等离子体反应形成钝化层58， 更准确地说，在第一蚀刻期间在所述第一凹陷57A的侧壁上形成。钝化 层58在第一蚀刻期间可保护暴露的衬底51，并且所述钝化层58可帮助 形成具有垂直外形的第一凹陷57A。此外，在形成图5E所描述的第二 凹陷57B的过程中，钝化层58可以用作蚀刻阻挡物。
使用TCP/ICP作为等离子源进行用于形成所述第一凹陷57A的第 一蚀刻。此外，在约5亳托~约20毫托的压力、在约700W 约1500W 的源功率和在约200V 约500V的偏压功率下，进行第一蚀刻。使用包
括Cl2、 N2和H2气体的等离子体混合物进行第一刻蚀工艺的时候，可以
加入CFxHx气体，其中所述CFxHx气体包含三氟甲烷(CHF3)或二氟甲 烷(CH2F2)。
在形成钝化层58之后通过使用02和N2气体在所述钝化层58上进 行等离子体氧化工艺，可以在所述钝化层58上形成氧化物层(未显示)。 形成氧化物层，以便为钝化层58提供足够的蚀刻裕度，以便所述钝化 层58在随后的形成第二凹陷57B的工艺过程中用作蚀刻阻挡物。优选 氧化物层和钝化层58的厚度为约20A~约30A。
参考图5E，利用氧化物图案53A和钝化层58或利用氧化物图案 53A、钝化层58和氧化物层作为蚀刻阻挡物，在第一图案化衬底51A 上进行第二蚀刻，从而形成第二凹陷57B。第二凹陷57B具有约200A~ 约500A的深度。附图标记51B表示具有所述第一凹陷57A和第二凹陷 57B的第二图案化衬底。
进行第二蚀刻以提供浅度各向同性蚀刻特性，因此第二凹陷57B具 有弯曲的侧壁的弓形外形。因此，第二凹陷57B具有比第一凹陷57A 的宽度宽多至几个纳米~数十纳米的宽度。
使用TCP/ICP作为等离子源并使用含氯气体、含溴气体和含氟气 体的气体混合物，进行第二蚀刻以形成第二凹陷57B。优选在约10亳 托~约30亳托的压力、在约500W ~约1000W的源功率和在约100V ~ 约500V的偏压功率下进行第二蚀刻。所述含氯气体包含氯(Cl2)气体， 所述含溴气体包含溴化氢(HBr)气体，所述含氟气体包含六^L化硫(SF。 气体。特别是，HBr、 Cl2、 SF6和02气体的气体混合物用作蚀刻气体 的时候，HBr: Cl2: SF6: 02的流量比是约9:3:13:1。原位进行所述第
二蚀刻和第一蚀刻。
所述第一凹陷57A和第二凹陷57B形成具有双外形的凹陷区域57。 即，凹陷区域57上部的外形与其下部的外形不同。具有双外形的凹陷 区域57具有宽度比典型的凹陷宽数十纳米的下部。因此，可以最小化 角状物的尺寸(参考图7的右侧)。因此，尽管STI角度小于卯度，仍 然可以最小化角状物的尺寸。因为该凹陷区域57可控制电流漏泄，所 以可以改进半导体器件的刷新特性。结果，可以提高良品率并且可以降 低生产成本。
利用氧化物图案53A和钝化层58作为蚀刻阻挡物，在第二图案化 衬底51B上进行各向同性的蚀刻(以下称为第三蚀刻，未显示)，以另外 延伸第二凹陷57B的宽度。因此，可以延伸第二凹陷57B的侧壁，并 且相应地可以使得角状物的尺寸降低许多。由此，在第三蚀刻之后第二 凹陷57B的宽度可以增加多至约10nm 约15nm，并且可以将具有弓 形外形的第二凹陷57B改变为具有近似球形外形的。
使用TPC/ICP作为等离子源，大量的HBr和Ch气体的气体混合 物以及少量的六氟化硫(SF6)和02气体的另外的气体混合物，进行延伸 第二凹陷57B宽度的第三蚀刻。在约20亳托~约100亳托的压力、约 500W~约1500W的源功率和小于50V的偏压功率下，进行所述第三蚀 刻。此外，可以使用NFX或CFX气体代替SF6气体。
在通过随后的工艺除去氧化物图案53A之后，在包括凹陷区域57 的所述衬底(未显示)上形成栅极氧化物层(未显示)。然后在所述栅极氧 化物层上形成栅电极(未显示)。栅电极的一些部分填充所述凹陷区域 57,栅电极的另一些部分形成在所述衬底表面上。由此，完成根据本发 明第二实施方案制造具有凹陷栅极的半导体器件的方法。
尽管根据本发明第二实施方案的第一、第二和另外的第三蚀刻在使 用TCP/ICP作为等离子源的高密度蚀刻装置中进行，但是本发明可存 在另一个实施方案。例如，所述第一、第二、和另外的第三蚀刻可以在 装备有法拉第屏蔽的ICP型蚀刻装置中，或在使用微波下游(MDS)型、 电子回旋共振(ECR)型或螺旋型等离子源的蚀刻装置中进行。 图6说明根据本发明第二实施方案的第一凹陷B侧壁上钝化层C的 外形的显微照片图。在使用包括Cl2和N2气体以及H2气体的气体混合 物蚀刻所述衬底(未显示)以形成所述第一凹陷B的过程中，通过等离子 体反应在所述第一凹陷B的侧壁上同时形成钝化层C。
图7说明用于对常规的凹陷栅极和根据本发明第二实施方案的凹陷 栅极进行比较的显微照片图。
参考图7左侧，因为典型的凹陷栅极具有尖锐的底部外形，所以在 隔离层和凹陷栅极之间的界面上产生相对高的角状物。另一方面，图7 右侧上的角状物显著地小于图7左侧的典型凹陷栅极的角状物，这是因 为根据本发明第二实施方案的凹陷栅极具有双外形，其中凹陷栅极的下 部比上部宽。因此，可以最小化角状物的尺寸。
虽然针对具体的实施方案描述了本发明，但是本发明的上述实施方案 是说明性的而非限制性的。对于本领域技术人员会显而易见的是不背离如 以下权利要求限定的本发明的精神和范围可以进行各种的变化和改变。
权利要求
1.一种制造半导体器件的方法，该方法包括在衬底上形成硬掩模图案；利用所述硬掩模图案作为蚀刻阻挡物，在所述衬底内形成第一凹陷和在所述第一凹陷的侧壁上形成钝化层；和通过利用所述钝化层作为蚀刻阻挡物蚀刻所述第一凹陷的底部形成第二凹陷，其中所述第二凹陷的宽度大于所述第一凹陷的宽度。
2. 权利要求1的方法，其中所述第一凹陷和所述钝化层的形成包 括使用含有主蚀刻气体和产生聚合物的另外的蚀刻气体的气体混 合物。
3. 权利要求2的方法，其中在约5亳托~约20亳托的压力、约 700W~约1500W的源功率和约200V~约500V的偏压功率的条 件下，用TCP/ICP型等离子源进行所述第一凹陷和所述钝化层的 形成。
4. 权利要求2的方法，其中所述第一凹陷和所述钝化层的形成包 括使用含有溴化氢(HBr)气体和产生聚合物的CFXHX气体的气体 混合物，其中溴化氢(HBr)气体作为主蚀刻气体，CFJIx气体作为 另外的蚀刻气体。
5. 权利要求4的方法，其中所述第一凹陷具有约200A 约500A 的深度。
6. 权利要求2的方法，其中所述第一凹陷和所述钝化层的形成包 括使用含有作为主蚀刻气体的氯(Cl2)和氮(N2)气体以及作为另外的蚀刻气体的氢(H2)气体的等离子体混合物。
7. 权利要求6的方法，其中所述第一凹陷具有约1000A-约 1300A的深度。
8. 权利要求l的方法，其中在约10亳托~约30毫托的压力、约 500W~约1000W的源功率和约100V~约500V的偏压功率的条 件下，用TCP/ICP型等离子源进行所述第二凹陷的形成。
9. 权利要求8的方法，其中所述第二凹陷的形成包括使用含有含 氯气体和含溴气体的气体混合物。
10. 权利要求9的方法，其中所述含氯气体包含氯(Cl2)气体，所述 含溴气体包含溴化氢(HBr)气体。
11. 权利要求10的方法，其中HBr : Cl2的流量比为约0.5: 1~ 约2:1。
12. 权利要求ll的方法，其中所述第二凹陷具有约700A 约 IOOOA的深度。
13. 权利要求8的方法，其中所述第二凹陷的形成包括使用含有含 氯气体、含溴气体和含氟气体的气体混合物。
14. 权利要求13的方法，其中所述气体混合物包含HBr、 Cl2、六 氟化硫(SF6)气体和02气体。
15. 权利要求14的方法，其中HBr: Cl2: SF6: 02的流量比是约 9:3:13:1。
16. 权利要求15的方法，其中所述第二凹陷具有约200A~约500A 的深度。
17. 权利要求l的方法，其中所述方法进一步包括，在形成所述第 二凹陷之后，利用所述钝化层作为蚀刻阻挡物进行各向同性蚀刻 以延伸所述第二凹陷的侧壁。
18. 权利要求17的方法，其中所述各向同性蚀刻包括使用含有HBr 和Cl2气体以及SF6和02气体的气体混合物。
19. 权利要求18的方法，其中在约20毫托 约100亳托的压力、 约500W~约1500W的源功率、和小于约50V的偏压功率的条件 下，用TCP/ICP型等离子源进行所述各向同性蚀刻。
20. 权利要求18的方法，其中所述气体混合物包含NFx或CFx气 体代替所述SF6气体。
21. 权利要求l的方法，其中所述方法进一步包括，在形成所述第 一凹陷和所述钝化层之后，通过等离子体氧化工艺在所述钝化层 上形成氧化物层。
22. 权利要求21的方法，其中利用所述氧化物层和所述钝化层作 为蚀刻阻挡物进行所述第二凹陷的形成。
23. 权利要求21的方法，其中所述等离子体氧化工艺包括使用氮气(N2)和02气体。
24. 权利要求l的方法，其中在高密度蚀刻装置中，原位进行所述 第一凹陷的形成和所述第二凹陷的形成。
25. 权利要求24的方法，其中在所述高密度蚀刻装置中，使用TCP 型、ICP型、微波下游(MDS)型、电子回旋共振(ECR)型或螺旋型 等离子源，进行所述第一凹陷的形成和所述第二凹陷的形成。
全文摘要
一种制造半导体器件的方法，包括在衬底上形成硬掩模图案，利用硬掩模图案作为蚀刻阻挡物，在所述衬底内形成第一凹陷并在所述第一凹陷的侧壁上形成钝化层，和通过利用钝化层作为蚀刻阻挡物，蚀刻所述第一凹陷的底部以形成第二凹陷，其中第二凹陷的宽度大于第一凹陷的宽度。
文档编号H01L21/3065GK101174563SQ200710181598
公开日2008年5月7日 申请日期2007年10月29日 优先权日2006年10月30日
发明者曹祥薰, 赵瑢泰, 金锡基 申请人:海力士半导体有限公司