专利名称：一种金属硅化物栅极的形成方法
技术领域：
本发明属于半导体集成电路制造工艺，尤其涉及一种金属硅化物栅极的形成方法。
背景技术：
带有金属硅化物的栅极结构被普遍用在半导体工艺中。结晶后的金属硅化物具有低阻特性，被用来减小栅极电阻以及连接不同掺杂类型的栅极。但是金属硅化物在高温工艺中容易在内部形成硅的团簇(cluster)，会造成栅极刻蚀中的凹孔缺陷(pitting)。在有些器件工艺中，当金属硅化物沉积和栅极刻蚀之间没有高温步骤或者是栅极介质膜(或称为栅极介电层)厚度足够厚的情况下，这种问题不会出现。但是随着器件尺寸缩小，栅极介电层的膜厚越来越薄，同时在某些器件的制造工艺中由于各种原因必须要在栅极刻蚀之前加入带有高温的工艺，或者特殊工艺会导致类似金属硅化物膜剥离(peeling)等问题而需要在刻蚀之前加入退火处理等一些特殊情况的存在，使得凹孔缺陷变成一个不得不解决的问题。如图1所示，金属硅化物的栅极结构由下至上包括在硅基板101上面是栅极介电层 102，然后是栅极多晶硅103，金属硅化物的缓冲层和/或(扩散)阻挡层104(非必需)，上面是金属硅化物105以及顶层介质膜106(非必需)，顶层介质膜106上面是图形化后的光刻胶107。图1说明的是在形成硅簇团的情况下，用一般的刻蚀方法会在栅极介电层102中形成凹孔缺陷110。在表面沟道(surface channel)器件中，由于多晶硅中的掺杂元素会扩散到上面的金属硅化物中，所以需要增加一层阻挡层和缓冲层，例如TiN/Ti，在某些器件工艺中，往往要加入带有氧气的高温氧化工艺在栅极多晶硅侧壁上形成一层几十埃左右的氧化层以提高可靠性性能，这样就会产生缓冲层金属被氧化，体积膨胀而造成缓冲层突出的缺陷。图 2是经过高温侧壁氧化后的示意图，金属硅化物的缓冲层和/或阻挡层104在经过高温氧化后，会在侧壁形成突出缺陷111，造成栅极侧墙(spacer)关键尺寸不易控制以及栅极和源漏之间的漏电问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种金属硅化物栅极的形成方法，以解决金属硅化物刻蚀凹孔缺陷和金属硅化物缓冲层突出缺陷的技术问题。为解决上述技术问题，本发明提供一种金属硅化物栅极的形成方法，该方法包含以下步骤步骤1，金属多晶硅栅极图形的形成；步骤2，金属多晶硅栅极的第一次栅极刻蚀；步骤3，光刻胶去除；步骤4，介质膜沉积；步骤5，第二次栅极刻蚀。
步骤1具体为在硅基板上形成一层栅极介电层(栅极介电层采用热氧化法形成， 形成温度小于600°c，其厚度为20-150埃)，在栅极介电层上形成一层掺杂或者不掺杂的栅极多晶硅(栅极多晶硅采用CVD (化学气相沉积)方法形成，形成温度小于600°C，其厚度为 500-1500埃)，在栅极多晶硅上形成一层金属硅化物(金属硅化物用CVD或者PVD (物理气相沉积法)的方法形成，形成温度小于600°C，其厚度为500-1500埃)，然后涂布光刻胶形成金属多晶硅栅极图形。这些工艺的温度一般在600摄氏度以下，不会造成硅在金属硅化物中形成团簇。所述栅极介电层是氧化硅，或者氮化硅，或者是氧化硅和氮化硅的组合；所述金属硅化物为硅化钨WSix，或者硅化钴CoSix，或者硅化钛TiSix，或者硅化钼MoSix，或者硅化镍Ni Six。优选地，在步骤1中，在栅极多晶硅形成之后，金属硅化物形成之前增加如下步骤在栅极多晶硅上形成一层金属硅化物的缓冲层和/或阻挡层。在某些器件中为了防止栅极多晶硅中杂质的扩散，一般还会在栅极多晶硅和金属硅化物中间加一层缓冲层 (buffer layer)和/或阻挡层(barrier layer)，阻挡层例如TiN、WN等等，缓冲层例如Ti。 所述金属硅化物的缓冲层和/或阻挡层采用物理气相沉积法形成，其形成温度为常温 300°C，其中缓冲层的厚度为0-50埃，阻挡层的厚度为0-100埃。优选地，在步骤1中，在金属硅化物形成之后，涂布光刻胶之前增加如下步骤在金属硅化物上形成一层顶层介质膜。在有些带有自对准接触孔(SAC)工艺的非挥发性存储器中在金属硅化物上面还会有一层顶层介质膜(第一介质膜)，它的作用是SAC刻蚀的停止层。所述顶层介质膜为氧化硅，或者氮化硅，或者是氧化硅和氮化硅的组合。所述顶层介质膜采用等离子体增强化学气相沉积法或者化学气相沉积法形成，形成温度小于600°C，其厚度为500-1500埃。在步骤1中，使用光刻胶形成金属多晶硅栅极图形，所述光刻胶作为步骤2的刻蚀
掩膜层。在步骤2中，第一次栅极刻蚀停止在栅极多晶硅层，在光刻胶打开区域栅极多晶硅以上膜质被全部去除，栅极多晶硅层被部分去除，优选地，部分去除的栅极多晶硅厚度占整个栅极多晶硅层厚度的10% 80%。这次刻蚀包含顶层介质膜(第一介质膜)刻蚀，金属硅化物刻蚀，栅极多晶硅部分刻蚀，如果在多晶硅和金属硅化物之间有缓冲层和/或阻挡层还包含该缓冲层和/或阻挡层的刻蚀。第一次刻蚀的目的是在硅的团簇形成之前形成金属硅化物图形，同时使金属硅化物和含金属元素的缓冲层侧壁露出。步骤4，介质膜(第二介质膜)沉积，对暴露出的金属硅化物和缓冲层进行保护； 在步骤4中，所述介质膜是氧化硅或者氮化硅。所述介质膜采用化学气相沉积法沉积，所述介质膜沉积厚度在20埃 200埃。在步骤5中，第二次栅极刻蚀使用金属硅化物上的顶层介质膜(第一介质膜)作为刻蚀硬掩膜层；除栅极侧壁上的第二介质膜以外，其他位置的第二介质膜和第一次刻蚀残留的部分栅极多晶硅被全部清除，第二次栅极刻蚀停止在栅极介电层上，形成最终栅极图形。和传统的栅极结构不同的是，在金属硅化物和缓冲层的侧壁有一层第二介质膜保护， 同时部分栅极多晶硅露出。由于在刻蚀穿过金属硅化物的时候是没有硅的团簇的，所以避免了栅极介电层的凹孔问题。同时由于金属硅化物和缓冲层有介质膜的保护，在后续的高温氧化工艺中，缓冲层不会被氧化而造成体积膨胀和突出的问题。
和现有技术相比，本发明具有以下有益效果本发明为表面沟道 (surfacechannel)器件和非挥发性存储器(NVM)器件中可能用到的新的栅极膜层结构制备提供了一种可实现的工艺制备方法，在保证器件性能的前提下解决了新膜层结构刻蚀中的凹孔缺陷和缓冲层突出缺陷问题。为了解决金属硅化物栅极结构在刻蚀过程中的栅极氧化膜凹孔(pitting)缺陷和金属硅化物缓冲层的突出缺陷的问题，本发明提出一种金属硅化物栅极的形成方法，利用两次栅极刻蚀，在第一次刻蚀后露出金属硅化物以及缓冲层侧壁，沉积一层介质膜，阻挡住后续高温氧化工艺中金属元素和氧元素的化学反应，从而解决缓冲层突出的问题。另外在第一次刻蚀之前避免高温工艺，等金属硅化物图形形成以后再进行相应高温工艺，这样可以避免由于硅的团簇导致的刻蚀凹孔问题。
图1是采用现有工艺形成的金属硅化物栅极结构的剖面示意图；图2是采用现有工艺形成的金属硅化物栅极结构在高温氧化工艺后形成侧壁突出缺陷的剖面示意图；图3-图7是本发明方法的工艺流程剖面示意图；其中，图3是本发明方法步骤1 金属多晶硅栅极图形形成的剖面示意图；图4是本发明方法步骤2第一次栅极刻蚀后的剖面示意图；图5是本发明方法步骤3第一次栅极刻蚀去除光刻胶后的剖面示意图；图6是本发明方法步骤4介质膜沉积后的剖面示意图；图7是本发明方法步骤5第二次栅极刻蚀后的剖面示意图；图8是本发明工艺完成以后，形成的金属硅化物栅极经过高温氧化后的剖面示意图。图中附图标记说明如下101是硅基板，102是栅极介电层，103是栅极多晶硅，104是金属硅化物的缓冲层和/或阻挡层，105是金属硅化物，106是顶层介质膜(第一介质膜)，107是光刻胶，108是介质膜(第二介质膜)，109是氧化膜，110是凹孔缺陷，111是突出缺陷。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。实施例1如图3到图7所示，本发明一种金属硅化物栅极的形成方法的工艺步骤包括如下1.如图3所示，在硅基板101上使用热氧化法生长一层厚度20-150埃(本实施例中该厚度为32埃左右)的栅极介电层102，形成温度小于600°C;在栅极介电层102上面用 CVD (化学气相沉积)方法沉积一层厚度为500-1500埃(本实施例中该厚度为800埃左右) 的掺杂或者不掺杂的栅极多晶硅103，多晶硅沉积温度小于600°C (本实施例选择550°C左右)；在栅极多晶硅103上用PVD(物理气相沉积)的方法沉积一层金属硅化物的缓冲层和 /或阻挡层104(本实施例采用Ti缓冲层和TiN阻挡层)，Ti缓冲层的厚度在20埃左右， TiN阻挡层的厚度在50埃左右，其形成温度为常温 300°C;使用CVD或者PVD的方法在金属硅化物的缓冲层和/或阻挡层104上沉积一层金属硅化物105，厚度为500-1500埃(本实施例中该厚度在700埃左右)，这里CVD和PVD的工艺温度都不能超过600°C，这样可以避免硅在金属硅化物105中形成团簇；在金属硅化物105的上面用PECVD (等离子体增强化学气相沉积法)或者CVD工艺沉积一层厚度为500-1500埃(本实施例中该厚度为1500埃左右)的顶层介质膜106 (本实施例采用SiN硬掩膜层)，顶层介质膜106的沉积温度一般需要小于600°C，防止团簇的形成。在顶层介质膜106上涂布光刻胶107形成栅极图形。2.如图4所示，进行第一步刻蚀，如果光刻图形包含抗反射层，应该包括刻蚀抗反射层，刻蚀顶层介质膜106以及刻蚀金属硅化物105、金属硅化物的缓冲层和/或阻挡层104等三步，三步的刻蚀条件可以不同，刻蚀条件选用对应膜质的刻蚀气体，根据形貌要求可以进行调整，在图形打开的区域，金属硅化物的缓冲层和/或阻挡层104，金属硅化物 105，顶层介质膜106被全部去除，栅极多晶硅103被部分去除，部分去除的栅极多晶硅厚度占整个栅极多晶硅层厚度的10% 80%，在本实施例中栅极多晶硅103以去除500埃左右为宜。3.如图5所示，用本领域常用的灰化方法和湿法刻蚀去除光刻胶107，此时顶层介质膜106，金属硅化物105，金属硅化物的缓冲层和/或阻挡层104的侧壁完全暴露，栅极多晶硅103侧壁部分暴露。4.如图6所示，采用CVD的工艺沉积一层厚度为20埃 200埃(本实施例中该厚度为100埃左右)的介质膜108(本实施例采用氮化硅层)，沉积温度没有限制。因为台阶覆盖效应的存在，在侧壁上的介质膜108的厚度小于100埃，两边侧壁介质膜108的厚度之和加上第一次刻蚀图形的宽度就是最终栅极的关键尺寸，所以介质膜108的厚度由两个因素确定1.足够阻挡住后续高温氧化工艺氧元素扩散到金属硅化物缓冲层中；2.能够控制栅极的关键尺寸。5.如图7所示，使用顶层介质膜106作为第二次刻蚀的硬掩膜层，对栅极结构进行第二次刻蚀。除栅极侧壁上的介质膜108以外，其他位置的介质膜108和第一次刻蚀残留的部分栅极多晶硅103被全部清除，刻蚀停止在栅极介电层102上，这时形成最终栅极结构。6.图8是使用本发明工艺以后，经过高温氧化后的示意图，高温氧化条件为 970°C，通02，快速高温退火20s，这时在第一次刻蚀界面以下区域的侧壁形成40埃左右的氧化膜109，同时没有凹孔缺陷和缓冲层突出缺陷。
权利要求
1.一种金属硅化物栅极的形成方法，其特征在于，该方法包含以下步骤步骤1，金属多晶硅栅极图形的形成；步骤2，金属多晶硅栅极的第一次栅极刻蚀；步骤3，光刻胶去除；步骤4，介质膜沉积；步骤5，第二次栅极刻蚀。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1具体为在硅基板上形成一层栅极介电层，在栅极介电层上形成一层栅极多晶硅，在栅极多晶硅上形成一层金属硅化物，然后涂布光刻胶形成金属多晶硅栅极图形。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述栅极介电层采用热氧化法形成，形成温度小于600°C，其厚度为20-150埃；所述栅极多晶硅采用化学气相沉积法形成，形成温度小于600°C，其厚度为500-1500埃；所述金属硅化物采用化学气相沉积法或物理气相沉积法形成，形成温度小于600°C，其厚度为500-1500埃。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤1中，在栅极多晶硅形成之后，金属硅化物形成之前增加如下步骤在栅极多晶硅上形成一层金属硅化物的缓冲层和/或阻挡层。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述金属硅化物的缓冲层和/或阻挡层采用物理气相沉积法形成，其形成温度为常温 300°C，其中缓冲层的厚度为0-50埃，阻挡层的厚度为0-100埃。
6.如权利要求2或4所述的方法，其特征在于，在步骤1中，在金属硅化物形成之后，涂布光刻胶之前增加如下步骤在金属硅化物上形成一层顶层介质膜。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤1中，所述顶层介质膜采用等离子体增强化学气相沉积法或者化学气相沉积法形成，形成温度小于600°C，其厚度为500-1500埃。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤1中，所述栅极介电层是氧化硅，或者氮化硅，或者是氧化硅和氮化硅的组合。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤1中，所述顶层介质膜为氧化硅，或者氮化硅，或者是氧化硅和氮化硅的组合。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤1中，所述顶层介质膜为氧化硅，或者氮化硅，或者是氧化硅和氮化硅的组合。
11.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤1中，所述金属硅化物为硅化钨 WSix,或者硅化钴CoSix，或者硅化钛TiSix，或者硅化钼MoSix，或者硅化镍NiSix。
12.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，在步骤1中，所述缓冲层为Ti，所述阻挡层为TiN或者WN。
13.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤1中，使用光刻胶形成金属多晶硅栅极图形，所述光刻胶作为步骤2的刻蚀掩膜层。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2中，第一次栅极刻蚀停止在栅极多晶硅层，在光刻胶打开区域栅极多晶硅以上膜质被全部去除，栅极多晶硅层被部分去除。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，在步骤2中，所述栅极多晶硅层被部分去除，部分去除的栅极多晶硅厚度占整个栅极多晶硅层厚度的10% 80%。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤4中，所述介质膜是氧化硅或者氮化娃。
17.如权利要求1或16所述的方法，其特征在于，在步骤4中，所述介质膜采用化学气相沉积法沉积，所述介质膜沉积厚度在20埃 200埃。
18.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤5中，第二次栅极刻蚀使用金属硅化物上的顶层介质膜作为刻蚀硬掩膜层。
19.如权利要求2或18所述的方法，其特征在于，在步骤5中，第二次栅极刻蚀停止在栅极介电层上。
全文摘要
本发明公开了一种金属硅化物栅极的形成方法，该方法包含以下步骤步骤1，金属多晶硅栅极图形的形成；步骤2，金属多晶硅栅极的第一次栅极刻蚀；步骤3，光刻胶去除；步骤4，介质膜沉积；步骤5，第二次栅极刻蚀。本发明利用两次栅极刻蚀，在第一次刻蚀后露出金属硅化物以及缓冲层侧壁，沉积一层介质膜，阻挡住后续高温氧化工艺中金属元素和氧元素的化学反应，从而解决缓冲层突出的问题。另外在第一次刻蚀之前避免高温工艺，等金属硅化物图形形成以后再进行相应高温工艺，这样可以避免由于硅的团簇导致的刻蚀凹孔问题。
文档编号H01L21/28GK102420118SQ20111036001
公开日2012年4月18日 申请日期2011年11月14日 优先权日2011年11月14日
发明者刘鹏, 孙娟, 郁新举 申请人:上海华虹Nec电子有限公司