具有空气间隙的半导体器件的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种具有空气间隙的半导体器件的制造方法，提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成具有沟槽的硬掩膜层；在所述硬掩膜层及沟槽表面覆盖侧墙薄膜；刻蚀所述侧墙薄膜，以在所述沟槽的侧壁上形成栅极侧墙；在所述硬掩膜层、栅极侧墙及沟槽表面覆盖牺牲薄膜；刻蚀所述牺牲薄膜，以在所述栅极侧墙上形成牺牲层；在所述沟槽中填充栅极层；以及去除所述硬掩膜层和牺牲层。通过在所述硬掩膜层的沟槽中依次形成栅极侧墙和牺牲层，去除硬掩膜层后，利用湿法刻蚀或者加热法去除牺牲层，从而在所述栅极层和所述栅极侧墙之间形成空气间隙(Air?Gap)，提高栅极的介电能力，进而提高半导体器件的性能。
【专利说明】具有空气间隙的半导体器件的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件的制造方法，尤其涉及一种具有空气间隙的半导体器件的制造方法。
【背景技术】
[0002]随着集成电路技术的进步，半导体器件的集成度越来越高，限制半导体器件的速度的主要因素已不再是晶体管延迟，而是与导电材料(例如金属)互连相关联的电阻-电容(RC)延迟。认识到这一点之后，为了减小导电材料互连的电容从而减小RC延迟,业界技术人员已进行了大量工作用于研发新的材料和制造工艺。例如，将作为导电材料互连层中的电介质材料，选择采用具有低介电常数的电介质材料。
[0003]在所有材料中介电常数最低的当属空气，因此，技术人员开始关注在导电材料之间做出空气间隙(Air Gap)，以进一步减小介电常数，从而减小导电材料之间的电容。主要有以下两种方法来形成具有空气间隙的半导体器件:一种方法是利用化学气相沉积(CVD)的选择性沉积的特性，在金属互连层中的金属互连线之间形成空气间隙；另一种方法是在构造有一个或多个金属互连线的金属互连层中，在特定工艺的操作期间去除预先形成的牺牲层，以形成空气间隙。
[0004]对于上述第二种制造方法，随着特征尺寸不断缩小，金属互连线以及金属互连层之间的尺寸越来越小，因此，预先形成牺牲层的尺寸以及牺牲层之间的距离的控制成为影响空气间隙性能的关键因素。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种具有空气间隙的半导体器件的制造方法，提高栅极的介电能力，进而提高半导体器件的性能。
[0006]为解决上述问题，本发明提供一种具有空气间隙的半导体器件的制造方法，包括以下步骤:
[0007]提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成具有沟槽的硬掩膜层；
[0008]在所述硬掩膜层及沟槽表面覆盖侧墙薄膜；
[0009]刻蚀所述侧墙薄膜，以在所述沟槽的侧壁上形成栅极侧墙；
[0010]在所述硬掩膜层、栅极侧墙及沟槽表面覆盖牺牲薄膜；
[0011]刻蚀所述牺牲薄膜，以在所述栅极侧墙上形成牺牲层；
[0012]在所述沟槽中填充栅极层；以及
[0013]去除所述硬掩膜层和牺牲层。
[0014]进一步的，所述牺牲层的材质为氧化硅。
[0015]进一步的，采用湿法刻蚀去除所述牺牲层，刻蚀物质为氢氟酸。
[0016]进一步的，所述牺牲层的材质为氮化硅。
[0017]进一步的，采用湿法刻蚀去除所述牺牲层，刻蚀物质为热磷酸。[0018]进一步的，所述牺牲层的材质为低介电常数材料层。
[0019]进一步的，所述牺牲层的材质为多孔硅、氟氧化硅，碳氧化硅，超小型泡沫塑料、硅基绝缘体、掺杂碳的硅氧化物或掺杂氯的硅氧化物中的一种或几种。
[0020]进一步的，所述牺牲层的材质为能够热分解的有机聚合物。
[0021]进一步的，所述牺牲层的材质为丁基降冰片烯和三乙氧硅基降冰片烯的共聚体。
[0022]进一步的，所述牺牲层采用加热法去除。
[0023]进一步的，所述栅极侧墙的材质为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅，碳氧化硅、氮化硅或无定形碳中的一种或几种。
[0024]进一步的，所述硬掩膜层的材质为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或无定形碳。
[0025]进一步的，所述硬掩膜层的材质为氮化硅，刻蚀去除所述掩膜层的过程中，刻蚀物质包括CH3F和02，环境压力为IOmtorr?50mtorr,能量为300W?800W，偏压为200V?500V, CH3F 的流量为 50sccm ?300sccm, O2 的流量为 50sccm ?200sccm。
[0026]进一步的，所述硬掩膜层的材质为氧化硅，刻蚀去除所述掩膜层的过程中，刻蚀物质包括CH3F和He，环境压力为Imtorr?5mtorr，能量为IOOW?600W，偏压为20V?200V，CH3F 的流量 IOsccm ?IOOsccm, He 的流量为 50sccm ?200sccm。
[0027]进一步的，所述硬掩膜层的材质为无定形碳，刻蚀去除所述掩膜层的过程中，刻蚀物质O2，环境压力为20mtorr?50mtorr，能量为100W?500W，O2的流量为300sccm?lOOOsccm。
[0028]进一步的，在去除所述硬掩膜层和湿法刻蚀去除所述牺牲层的步骤中还包括以下步骤:向所述栅极层两侧的半导体衬底中进行源漏区注入；以及对所述栅极层及栅极层两侧的半导体衬底进行金属化工艺。
[0029]综上所述，本发明通过在所述硬掩膜层的沟槽中依次形成栅极侧墙和牺牲层，去除硬掩膜层后，利用湿法刻蚀或者加热法去除牺牲层，从而在所述栅极层和所述栅极侧墙之间形成空气间隙(Air Gap)，提高栅极的介电能力，进而提高半导体器件的性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为本发明一实施例中具有空气间隙的半导体器件的制造方法的流程示意图。
[0031]图2?图10为本发明一实施例中具有空气间隙的半导体器件的制造过程中器件的剖面结构示意图。
【具体实施方式】
[0032]为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
[0033]其次，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。
[0034]如图1所示，其为本发明一实施例中具有空气间隙的半导体器件的制造方法的流程示意图。本发明提供一种具有空气间隙的半导体器件的制造方法，包括以下步骤:
[0035]步骤SOl:提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成具有沟槽的硬掩膜层；[0036]步骤S02:在所述硬掩膜层及沟槽表面覆盖侧墙薄膜；
[0037]步骤S03:刻蚀所述侧墙薄膜，以在所述沟槽的侧壁上形成栅极侧墙；
[0038]步骤S04:在所述硬掩膜层、栅极侧墙及沟槽表面覆盖牺牲薄膜；
[0039]步骤S05:刻蚀所述牺牲薄膜，以在所述栅极侧墙上形成牺牲层；
[0040]步骤S06:在所述沟槽中填充栅极层；
[0041]步骤S07:去除所述硬掩膜层和牺牲层。
[0042]图2?图10为本发明一实施例中具有空气间隙的半导体器件的制造过程中器件的剖面结构示意图。以下结合图2?图10详细说明本发明的具有空气间隙的半导体器件的制造方法。
[0043]如图2所示，在步骤SOl中，提供半导体衬底100，在所述半导体衬底100上形成具有沟槽200的硬掩膜层102 ;所述具有沟槽200的硬掩膜层102具体形成过程包括:首先在半导体衬底100上沉积硬掩膜层102，接着在所述硬掩膜层102上涂覆光刻胶(图中未标示)，并对所述光刻胶进行曝光和显影以图案化所述光刻胶，然后利用图案化的所述光刻胶为掩膜刻蚀所述硬掩膜层102，以在所述硬掩膜层102中形成沟槽200，所述硬掩膜层102的厚度可以根据后续形成栅极层的厚度确定，所述沟槽200的形状可根据后续栅极层、栅极侧墙及牺牲层的形状、尺寸进行定义，本发明对此不予限定。
[0044]其中，所述半导体衬底100的材质可以为单晶硅、多晶硅、无定形硅、硅锗化合物或绝缘体上硅(SOI)等，其他半导体材料亦可作为半导体衬底100的材料。所述半导体衬底100中还可以具有其他元件隔离，例如浅沟槽隔离结构(STI)等，上述结构根据实际半导体器件制造工艺过程确定，为本领域技术人员所熟知技术内容，故在此不再赘述。
[0045]如图3所示，在步骤S02中，在所述硬掩膜层102及沟槽200表面覆盖侧墙薄膜104a ;所述侧墙薄膜104a的材质可以为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅，碳氧化硅、氮化硅或无定形碳中的一种或其组合，在较佳实施例中，所述侧墙薄膜104a的材质为氮化硅，所述侧墙薄膜104a可以采用化学气相沉积(CVD)形成，所述侧墙薄膜104a较佳的厚度为100埃?200 埃。
[0046]如图4所示，在步骤S03中，刻蚀所述侧墙薄膜104a，以在所述沟槽200的侧壁上形成栅极侧墙104 ;在刻蚀过程中，刻蚀对位于沟槽200底部的侧墙薄膜104a先被刻蚀去除，剩余的侧墙薄膜104a停留于所述沟槽200的侧壁上，所述栅极侧墙104可以覆盖沟槽200的部分侧壁或全部侧壁(图4中是覆盖沟槽200的部分侧壁)，可通过调整刻蚀工艺参数，例如刻蚀时间和刻蚀气体，来控制栅极侧墙104的形状。
[0047]如图5所示，在步骤S04中，在所述硬掩膜层102、栅极侧墙104及沟槽200表面覆盖牺牲薄膜106a ;所述牺牲薄膜106a的材质可以为氧化硅或氮化硅，还可以是低介电常数材料层，例如多孔硅、氟氧化硅，碳氧化硅，超小型泡沫塑料、硅基绝缘体、掺杂碳的硅氧化物或掺杂氯的硅氧化物中的一种或者上述几种的组合，所述牺牲薄膜106a的材质还可以为能够热分解的有机聚合物，例如丁基降冰片烯和三乙氧硅基降冰片烯的共聚体(Copolymer of Copolymer of Butylnorbornene and Triethoxysilyl Norbornene)等，对于能够热分解的有机聚合物可以采用涂覆的方法形成。
[0048]如图6所示，在步骤S05中，刻蚀所述牺牲薄膜106a，以在所述沟槽200的侧壁上形成牺牲层106，所述牺牲层106覆盖于所述栅极侧墙104上；当所述牺牲薄膜106a的材质为氧化硅时，可湿法刻蚀所述牺牲薄膜106a，刻蚀物质例如为氢氟酸；当所述牺牲薄膜106a的材质为氮化硅时，可以湿法刻蚀所述牺牲薄膜106a，刻蚀物质例如为质量浓度为80%?90%的热磷酸；当所述牺牲薄膜106a的材质为低介电常数材料层时，可以干法刻蚀所述牺牲薄膜106a。同样，由于干法刻蚀具有各向异性的特性，在刻蚀过程中，刻蚀对位于沟槽200底部的牺牲薄膜106a先被刻蚀去除，剩余的牺牲薄膜106a停留于所述沟槽200的侧壁上，从而形成如图7所示的牺牲层106。
[0049]如图7所示，在步骤S06中，在所述沟槽200中填充栅极层108 ;所述栅极层108的材质例如为多晶硅，其形成的具体过程包括:首先沉积多晶硅材质的栅极层薄膜(图中未标示)，所述栅极层薄膜填充所述沟槽200 ;然后利用化学机械研磨去除位于沟槽200以外的栅极层薄膜，以形成栅极层108。
[0050]如图8所示，在步骤S07中，去除所述硬掩膜层102和所述牺牲层106，具体的，硬掩膜层102可以利用如下方法去除:当所述硬掩膜层102的材质为氮化硅，刻蚀去除所述掩膜层102的过程中，刻蚀物质包括CH3F和O2,环境压力为IOmtorr?50mtorr(毫托)，能量为300W?800W，偏压为200V?500V，CH3F的流量为50sccm?300sccm，O2的流量为50sccm?200sccm ;当所述硬掩膜层102的材质为氧化娃,刻蚀去除所述掩膜层102的过程中，刻蚀物质包括CH3F和He，环境压力为Imtorr?5mtorr，能量为100W?600W，偏压为20V?200V, CHF3的流量IOsccm?IOOsccm, He的流量为50sccm?200sccm ;当所述硬掩膜层102的材质为无定形碳，刻蚀去除所述掩膜层102的过程中，刻蚀物质包括O2，环境压力为 20mtorr ?50mtorr,能量为 100W ?500W, O2 的流量为 300sccm ?lOOOsccm。
[0051]在去除所述硬掩膜层102和所述牺牲层106的步骤之间，还可以包括以下步骤:向所述栅极层108两侧的半导体衬底100中进行源漏区注入；对所述栅极层108及栅极层108两侧的半导体衬底100进行金属化工艺，形成方法为本领域技术人员的常规技术手段，故不作赘述。
[0052]在去除所述牺牲层106的步骤中，具体地，当所述牺牲层106的材质可以为低介电常数材料层，对于多孔硅、氟氧化硅，碳氧化硅，超小型泡沫塑料、硅基绝缘体、掺杂碳的硅氧化物或掺杂氯的硅氧化物中的一种或者上述几种的组合，可以采用湿法刻蚀去除；当所述牺牲层106的材质为氧化硅时，可以采用湿法刻蚀所述牺牲层106，刻蚀物质为氢氟酸；当所述牺牲层106的材质为氮化硅时，可以采用湿法刻蚀所述牺牲薄膜106a，刻蚀物质为质量浓度为80%?90%的热磷酸；当所述牺牲层106的材质为低介电常数材料层时，可以采用干法刻蚀所述牺牲层106 ;此外，当所述牺牲层106为能够热分解的有机聚合物时，可以采用热分解的方法去除。
[0053]其后，继续进行其他工艺步骤，例如如图10所示，沉积应力层110覆盖所述半导体衬底100和栅极层108，进行应力记忆效应等。
[0054]综上所述，本发明通过在所述硬掩膜层的沟槽中依次形成栅极侧墙和牺牲层，去除硬掩膜层后，利用湿法刻蚀或者加热法去除牺牲层，从而在所述栅极层和所述栅极侧墙之间形成空气间隙(Air Gap)，提高栅极的介电能力，进而提高半导体器件的性能。
[0055]虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属【技术领域】中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
【权利要求】
1.一种具有空气间隙的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形成具有沟槽的硬掩膜层； 在所述硬掩膜层及沟槽表面覆盖侧墙薄膜； 刻蚀所述侧墙薄膜，以在所述沟槽的侧壁上形成栅极侧墙； 在所述硬掩膜层、栅极侧墙及沟槽表面覆盖牺牲薄膜； 刻蚀所述牺牲薄膜，以在所述栅极侧墙上形成牺牲层； 在所述沟槽中填充栅极层；以及 去除所述硬掩膜层和牺牲层。
2.如权利要求1所述的具有空气间隙的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述牺牲层的材质为氧化硅或氮化硅。
3.如权利要求2所述的具有空气间隙的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述牺牲层的材质为氧化硅，采用湿法刻蚀去除所述牺牲层，刻蚀物质为氢氟酸。
4.如权利要求2所述的具有空气间隙的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述牺牲层的材质为氮化硅，采用湿法刻蚀去除所述牺牲层，刻蚀物质为热磷酸。
5.如权利要求1所述的具有空气间隙的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述牺牲层的材质为低介电常数材料层。
6.如权利要求1所述的 具有空气间隙的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述牺牲层的材质为多孔硅、氟氧化硅，碳氧化硅，超小型泡沫塑料、硅基绝缘体、掺杂碳的硅氧化物或掺杂氯的硅氧化物中的一种或几种。
7.如权利要求6所述的具有空气间隙的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述牺牲层的材质为能够热分解的有机聚合物。
8.如权利要求7所述的具有空气间隙的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述牺牲层的材质为丁基降冰片烯和三乙氧硅基降冰片烯的共聚体。
9.如权利要求7或8所述的具有空气间隙的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述牺牲层采用加热法去除。
10.如权利要求1所述的具有空气间隙的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述栅极侧墙的材质为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅，碳氧化硅、氮化硅或无定形碳中的一种或几种。
11.如权利要求1所述的具有空气间隙的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述硬掩膜层的材质为氮化娃、氧化娃、氮氧化娃或无定形碳。
12.如权利要求11所述的具有空气间隙的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述硬掩膜层的材质为氮化硅，刻蚀去除所述掩膜层的过程中，刻蚀物质包括CH3F和O2，环境压力为IOmtorr~50mtorr,能量为300W~800W，偏压为200V~500V，CH3F的流量为50sccm ~300sccm, O2 的流量为 50sccm ~200sccm。
13.如权利要求11所述的具有空气间隙的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述硬掩膜层的材质为氧化硅，刻蚀去除所述掩膜层的过程中，刻蚀物质包括ay^PHe，环境压力为Imtorr~5mtorr,能量为IOOW~600W，偏压为20V~200V，CH3F的流量IOsccm~IOOsccm, He 的流量为 50sccm ~200sccm。
14.如权利要求11所述的具有空气间隙的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述硬掩膜层的材质为无定形碳，刻蚀去除所述掩膜层的过程中，刻蚀物质O2，环境压力为20mtorr ~50mtorr,能量为 IOOW ~500W, O2 的流量为 300sccm ~lOOOsccm。
15.如权利要求1所述的具有空气间隙的半导体器件的制造方法，其特征在于，在去除所述硬掩膜层和湿法刻蚀去除所述牺牲层的步骤中，还包括: 向所述栅极层两侧的半导体衬底中进行源漏区注入；以及 对所述栅极层及栅极层两侧的半导`体衬底进行金属化工艺。
【文档编号】H01L21/28GK103515211SQ201210206475
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年6月20日 优先权日:2012年6月20日
【发明者】鲍宇, 平延磊 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司