Mos晶体管的形成方法
【专利摘要】一种MOS晶体管的形成方法，包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底上形成伪栅结构，并在伪栅结构两侧的半导体衬底上形成层间介质层，所述伪栅结构包括位于半导体衬底上的伪栅介质层和位于伪栅介质层上的伪栅，所述伪栅的上表面与所述层间介质层的上表面齐平；去除所述伪栅；通过氨水、双氧水和水的混合溶液去除所述伪栅介质层，形成凹槽；在所述凹槽内形成栅极结构，所述栅极结构的上表面与所述层间介质层的上表面齐平。本发明所形成的MOS晶体管性能好、成品率高。
【专利说明】MOS晶体管的形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体制造【技术领域】，尤其涉及一种MOS晶体管的形成方法。
【背景技术】
[0002]随着半导体技术的不断发展，MOS晶体管的特征尺寸不断缩小，MOS晶体管中栅介质层的厚度也按等比例缩小的原则变得越来越薄，当所述栅介质层的厚度薄到一定的程度后，其可靠性问题，尤其是与时间相关的击穿、热载流子效应、栅电极中的杂质向衬底的扩散等问题，将严重影响器件的稳定性和可靠性。现在，氧化硅层作为栅介质层已经达到其物理极限，利用高k材料的栅介质层替代氧化硅栅介质层，可以在保持等效氧化层厚度(EOT)不变的情况下大大增加其物理厚度，从而减小了栅极漏电流。[0003]现有工艺在形成包含高k材料栅介质层的MOS晶体管时，主要包括如下步骤:参考图1，提供半导体衬底100，所述半导体衬底100上形成有伪栅结构和位于伪栅结构两侧半导体衬底100上的层间介质层108，所述伪栅结构包括位于半导体衬底100上的氧化硅伪栅介质层102、位于伪栅介质层102上的多晶娃伪栅104以及位于伪栅介质层102和伪栅104侧壁上的侧墙106 ;参考图2，去除图1中所述伪栅104 ;参考图3，通过稀释的氢氟酸溶液去除图2中所述伪栅介质层102，形成凹槽110 ;参考图4，在图3中所述凹槽110内形成高k材料的栅介质层112和位于栅介质层112上的金属栅极114。
[0004]然而，在对上述工艺形成的MOS晶体管检测时发现，现有工艺形成的MOS晶体管易发生失效，成品率低。
[0005]更多MOS晶体管的形成方法请参考申请号为US2008149982A1的美国专利申请。
【发明内容】
[0006]本发明解决的问题是提供一种MOS晶体管的形成方法，提高所形成MOS晶体管的性能及成品率。
[0007]为解决上述问题，本发明提供了一种MOS晶体管的形成方法，包括:
[0008]提供半导体衬底；
[0009]在所述半导体衬底上形成伪栅结构，并在伪栅结构两侧的半导体衬底上形成层间介质层，所述伪栅结构包括位于半导体衬底上的伪栅介质层和位于伪栅介质层上的伪栅，所述伪栅的上表面与所述层间介质层的上表面齐平；
[0010]去除所述伪栅；
[0011]通过氨水、双氧水和水的混合溶液去除所述伪栅介质层，形成凹槽；
[0012]在所述凹槽内形成栅极结构，所述栅极结构的上表面与所述层间介质层的上表面齐平。
[0013]可选的，所述氨水、双氧水和水的混合溶液的温度为25°C~65°C,氨水、双氧水和水的体积比为1:1-5:50^200 .
[0014]与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点:[0015]通过氨水、双氧水和水的混合溶液去除所述伪栅介质层，由于氨水、双氧水和水的混合溶液对层间介质层的刻蚀速率较小，在去除伪栅介质层过程中，可有效避免去除过多的层间介质层，进而在栅极结构的形成过程中避免在层间介质层表面残留金属材料，防止残留于介质层表面的金属材料对MOS晶体管的性能造成影响，提高了所形成MOS晶体管的性能以及成品率。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1图4为现有工艺中形成MOS晶体管的不意图；
[0017]图5为本发明MOS晶体管的形成方法一实施方式的流程示意图；
[0018]图6?图10为本发明MOS晶体管的形成方法一实施例的示意图；
[0019]图11为通过氨水、双氧水和水的混合溶液去除通过热氧化工艺形成的氧化硅时，去除时间与所去除氧化硅厚度的关系图；
[0020]图12为通过氨水、双氧水和水的混合溶液去除通过亚常压化学气相沉积工艺形成的氧化硅时，去除时间与所去除氧化硅厚度的关系图。
【具体实施方式】
[0021]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细的说明。
[0022]在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0023]正如【背景技术】部分所述，现有工艺形成的MOS晶体管易发生失效、成品率低。
[0024]发明人经过研究发现，现有工艺形成的MOS晶体管易发生失效、成品率低主要由以下原因造成:图1中MOS晶体管的伪栅介质层102的材料与层间介质层108的材料均为氧化硅，在通过稀释的氢氟酸溶液去除所述伪栅介质层102同时，也会消耗部分厚度的层间介质层108。但由于伪栅介质层102和层间介质层108的形成方法不同，形成伪栅介质层102的方法为热氧化工艺，形成层间介质层108的方法为化学气相沉积工艺，稀释的氢氟酸溶液对伪栅介质层102和层间介质层108刻蚀速率也不相同，其对伪栅介质层102和层间介质层108刻蚀速率比约为1:13。因此，尽管伪栅介质层102的厚度较薄，但由于稀释的氢氟酸溶液对层间介质层108的刻蚀速率远大于对伪栅介质层102的刻蚀速率，导致去除伪栅介质层102时会去除较厚的层间介质层108，使图3中层间介质层108的上表面低于侧墙106的顶部。在伪栅104和伪栅介质层102被去除之后，形成图4中栅介质层112和金属栅极114时，用于形成金属栅极114的金属材料在填满图3中凹槽110的同时，还覆盖侧墙106顶部以及侧墙106两侧的层间介质层108。后续通过化学机械研磨工艺平坦化金属材料，形成金属栅极114后,位于侧墙106两侧的层间介质层108表面还被金属材料116覆盖，影响了层间介质层108的绝缘性，导致所形成MOS晶体管失效、成品率低。
[0025]经过发明人进一步研究发现，由氨水、双氧水和水组成的溶液对通过化学气相沉积工艺形成的层间介质层的刻蚀速率与对通过热氧化工艺形成的伪栅介质层的刻蚀速率相差不大，且由于伪栅介质层的厚度较薄，完全去除伪栅介质层的时间较短，去除伪栅介质层对层间介质层的影响不大。在形成栅极结构过程中，可有效避免层间介质层被金属材料覆盖，进而提高所形成MOS晶体管的性能和成品率。
[0026]下面结合具体实施例进行详细说明。
[0027]参考图5，为本发明MOS晶体管的形成方法一实施方式的流程示意图，包括:
[0028]步骤SI，提供半导体衬底；
[0029]步骤S2，在所述半导体衬底上形成伪栅结构，并在伪栅结构两侧的半导体衬底上形成层间介质层，所述伪栅结构包括位于半导体衬底上的伪栅介质层和位于伪栅介质层上的伪栅，所述伪栅的上表面与所述层间介质层的上表面齐平；
[0030]步骤S3，去除所述伪栅；
[0031]步骤S4，通过氨水、双氧水和水的混合溶液去除所述伪栅介质层，形成凹槽；
[0032]步骤S5，在所述凹槽底部形成保护层；
[0033]步骤S6，在所述保护层上形成栅介质层；
[0034]步骤S7，在所述栅介质层和层间介质层上形成金属材料；
[0035]步骤S8，对所述金属材料进行平坦化工艺，至暴露出所述层间介质层，形成栅极。
[0036]参考图6?图12，通过具体实施例对本发明MOS晶体管的形成方法做进一步说明。
[0037]参考图6，提供半导体衬底200。
[0038]本实施例中，所述半导体衬底200的材料为单晶硅、硅锗、硅碳或II1-V族化合物(例如镓化砷、磷化铟和氮化镓等)。所述半导体衬底200中还形成有浅沟槽隔离结构(图未示)，将相邻的有源区相互隔离。半导体衬底200内还具有阱区(图未示)，阱区内掺杂离子的导电类型与所形成MOS晶体管的类型相关。当所形成的MOS晶体管为NMOS晶体管时，阱区内掺杂离子的导电类型为P型，如硼离子、二氟化硼离子等。当所形成的MOS晶体管为PMOS晶体管时，阱区内掺杂离子的导电类型为N型，如磷离子、砷离子等。
[0039]继续参考图6，在所述半导体衬底200上形成伪栅结构，并在伪栅结构两侧的半导体衬底200上形成层间介质层208，所述伪栅结构包括位于半导体衬底200上的伪栅介质层202、位于伪栅介质层202上伪栅204以及位于伪栅介质层202和伪栅204侧壁上的侧墙206，所述伪栅204的上表面与所述层间介质层208的上表面齐平。
[0040]本实施例中，所述伪栅介质层202的材料为氧化硅，形成所述伪栅介质层202的方法为热氧化工艺。在后续去除伪栅204时，伪栅介质层202能够保护所述半导体衬底200免受损伤。
[0041]所述侧墙206可以为单层结构，也可以为叠层结构。侧墙206的材料可为氮化硅、氮氧化硅或氧化硅的一种或多种组合。所述伪栅204的材料可为多晶硅。
[0042]所述层间介质层208的材料为氧化硅，形成所述层间介质层208的方法为化学气相沉积工艺，如基于臭氧(O3)和正娃酸乙酯(Tetraethyl Orthosilicate,简称为TE0S)的亚常压化学气相沉积(Sub-atmospheric Chemical Vapor Deposition,简称 SACVD)工艺。
[0043]参考图7，去除图6中所述伪栅204。
[0044]本实施例中，去除所述伪栅204的方法为湿法刻蚀，所述湿法刻蚀的溶液可为氨水或者四甲基羟胺溶液。例如，可采用质量百分比为2.38%的四甲基羟胺溶液去除所述伪栅 204。
[0045]在去除伪栅204过程中，伪栅介质层202能够有效保护位于其下方的半导体衬底200，避免湿法刻蚀工艺对MOS晶体管的沟道区域造成损伤，提高所形成MOS晶体管的性能。
[0046]参考图8，通过氨水(ΝΗ40Η)、双氧水(H2O2)和水(H2O)的混合溶液去除图7中所述伪栅介质层202，形成凹槽210。
[0047]本实施例中，氨水、双氧水和水的混合溶液(Standard Cleaning-1,简称为SCl溶液)的温度为25°C~65°C,氨水、双氧水和水的混合溶液中氨水、双氧水和水的体积比为I: 1~5:50-200。由于氨水、双氧水和水的混合溶液对伪栅介质层202和层间介质层208的刻蚀速率相差不大，且由于伪栅介质层202的厚度较薄，完全去除伪栅介质层202的时间较短，消耗层间介质层208的厚度也较薄，去除伪栅介质层202对层间介质层208的影响不大。
[0048]参考图9，在图8中所述凹槽210底部形成保护层212。
[0049]本实施例中，所述保护层212的材料为氧化硅。形成保护层212的方法为湿法氧化工艺，以形成厚度较薄的氧化硅薄膜，将半导体衬底200与后续形成的栅介质层隔离，避免栅介质层中金属原子进入MOS晶体管的沟道区域，进而提高所形成MOS晶体管的性能。
[0050]具体的，所述湿法氧化工艺的溶液可为臭氧(O3)的水溶液，所述臭氧的水溶液中臭氧的质量浓度为30ppnT80ppm，湿法氧化工艺的时间为30iTl80S。即向图8中凹槽210底部喷洒质量浓度为30ppnT80ppm的臭氧的水溶液30iTl80S，将凹槽210底部的半导体衬底200表面氧化成氧化硅，形成保护层212。
[0051]所述湿法氧化工艺的溶液还可为温度为25°C~65°C的氨水、双氧水和水的混合溶液，氨水、双氧水和水的混合溶液中氨水、双氧水和水的体积比为1: f 5:50-200。
[0052]所述湿法氧化工艺的溶液还可为温度为120°C ~180°C的硫酸和双氧水的混合溶液。即采用硫酸和双氧水的混合溶液进行硫酸双氧水清洗(Sulfuric Peroxide Method,简称为SPM)，形成所述保护层212。硫酸和双氧水的混合溶液中硫酸和双氧水的体积比为2~5:1，湿法氧化工艺的时间为30s~300s。
[0053]继续参考图9，在所述保护层212上形成栅介质层214。
[0054]本实施例中，所述栅介质层214的材料为高k材料，如氧化铪、氧化锆、氧化镧、氧化招、氧化钛、钛酸银、氧化招镧、氧化钇、氮氧化铪、氮氧化错、氮氧化镧、氮氧化招、氮氧化钛、氮氧化锶钛、氮氧化镧铝、氮氧化钇中的一种或多种。形成所述栅介质层214的方法为化学气相沉积工艺或者原子层沉积工艺。在其他实施例中，所述栅介质层214还可以为其他高k材料。
[0055]继续参考图9,在所述栅介质层214和层间介质层208上形成金属材料216a。
[0056]本实施例中，所述金属材料216a的材料可为铝或者钨，形成所述金属材料216a的方法可为物理气相沉积工艺。
[0057]参考图10，对图9中所述金属材料216a进行平坦化工艺，至暴露出所述层间介质层208，形成栅极216b。
[0058]本实施例中，所述平坦化工艺可为化学机械研磨工艺。
[0059]需要说明的是，尽管在去除伪栅介质层202时，会去除部分厚度的层间介质层208，但由于去除伪栅介质层202的时间较短，去除层间介质层208的厚度较薄，在进行平坦化工艺时，位于层间介质层208上的金属材料216a能够被完全去除,可有效避免层间介质层208被金属材料216a覆盖，所形成MOS晶体管的性能较好、成品率高。[0060]参考图11,为采用温度为65°C,氨水、双氧水和水的体积比为1:2:100的混合溶液去除通过热氧化工艺形成的氧化硅时，去除时间与所去除氧化硅厚度的关系图。由图11可知，当去除时间为5分钟、10分钟和15分钟时，所去除氧化硅的厚度为4.3埃、6.2埃和9.0埃，去除时间与所去除氧化硅的厚度近似满足图11中直线301，直线301的斜率为0.472，即氧化硅的去除速率为0.472埃每分钟。
[0061]参考图12,为采用温度为65°C,氨水、双氧水和水的体积比为1:2:100的混合溶液去除基于臭氧和正硅酸乙酯的亚常压化学气相沉积工艺形成的氧化硅时，去除时间与所去除氧化硅厚度的关系图。由图12可知，当去除时间为5分钟、10分钟、15分钟时，去除氧化硅的厚度为5.37埃、10.50埃和17.68埃，去除时间与所去除氧化硅的厚度近似满足图12中直线303，直线303的斜率为1.231，即氧化硅的去除速率为1.231埃每分钟。
[0062]由图11和图12可知，氨水、双氧水和水的混合溶液对热氧化工艺形成的氧化硅去除速率与对亚常压化学气相沉积工艺形成的氧化硅的去除速率的比为1:2.6，其远大于1:13。因此，通过氨水、双氧水和水的混合溶液去除伪栅介质层202时，对层间介质层208的影响较小，进而不会在层间介质层208上方残留金属材料216a，避免残留于层间介质层208上方的金属材料216a对所形成MOS晶体管的性能造成影响，提高了 MOS晶体管的性能以及成品率。
[0063]本发明虽然已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，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
【权利要求】
1.一种MOS晶体管的形成方法，其特征在于，包括: 提供半导体衬底； 在所述半导体衬底上形成伪栅结构，并在伪栅结构两侧的半导体衬底上形成层间介质层，所述伪栅结构包括位于半导体衬底上的伪栅介质层和位于伪栅介质层上的伪栅，所述伪栅的上表面与所述层间介质层的上表面齐平； 去除所述伪栅； 通过氨水、双氧水和水的混合溶液去除所述伪栅介质层，形成凹槽； 在所述凹槽内形成栅极结构，所述栅极结构的上表面与所述层间介质层的上表面齐平。
2.如权利要求1所述的MOS晶体管的形成方法，其特征在于，所述氨水、双氧水和水的混合溶液的温度为25°C~65°C，氨水、双氧水和水的体积比为1:1~5:50-200。
3.如权利要求1所述的MOS晶体管的形成方法，其特征在于，形成所述伪栅介质层的方法为热氧化工艺。
4.如权利要求1所述的MOS晶体管的形成方法，其特征在于，形成所述层间介质层的方法为化学气相沉积工艺。
5.如权利要求1所述的MOS晶体管的形成方法，其特征在于，所述伪栅的材料为多晶硅，去除所述伪栅的方法为湿法刻蚀。
6.如权利要求5所述的MOS晶体管的形成方法，其特征在于，所述湿法刻蚀的溶液为氨水或者四甲基羟胺溶液。
7.如权利要求1所述的MOS晶体管的形成方法，其特征在于，在所述凹槽内形成栅极结构之前，还包括:在所述凹槽的底部形成保护层。
8.如权利要求7所述的MOS晶体管的形成方法，其特征在于，所述保护层的材料为氧化硅。
9.如权利要求8所述的MOS晶体管的形成方法，其特征在于，在所述凹槽的底部形成保护层的方法为湿法氧化工艺。
10.如权利要求9所述的MOS晶体管的形成方法，其特征在于，所述湿法氧化工艺的溶液为臭氧的水溶液。
11.如权利要求10所述的MOS晶体管的形成方法，其特征在于，所述臭氧的水溶液中臭氧的质量浓度为30ppnT80ppm,湿法氧化工艺的时间为30s~180s。
12.如权利要求9所述的MOS晶体管的形成方法，其特征在于，所述湿法氧化工艺的溶液为氨水、双氧水和水的混合溶液。
13.如权利要求12所述的MOS晶体管的形成方法，其特征在于，所述氨水、双氧水和水的混合溶液的温度为25°C~65°C，氨水、双氧水和水的体积比为1:1~5:50-200。
14.如权利要求9所述的MOS晶体管的形成方法，其特征在于，所述湿法氧化工艺的溶液为硫酸和双氧水的混合溶液。
15.如权利要求14所述的MOS晶体管的形成方法，其特征在于，所述硫酸和双氧水的混合溶液的温度为120°C ~180°C，硫酸和双氧水的体积比为2~5:1，湿法氧化工艺的时间为30s~300so
【文档编号】H01L21/28GK103928331SQ201310011744
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2013年1月11日 优先权日:2013年1月11日
【发明者】何永根, 刘焕新 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司