專利名稱：一種金屬硅化物柵極的形成方法
技術領域：
本發明屬于半導體集成電路制造工藝，尤其涉及一種金屬硅化物柵極的形成方法。
背景技術：
帶有金屬硅化物的柵極結構被普遍用在半導體工藝中。結晶后的金屬硅化物具有低阻特性，被用來減小柵極電阻以及連接不同摻雜類型的柵極。但是金屬硅化物在高溫工藝中容易在內部形成硅的團簇(cluster)，會造成柵極刻蝕中的凹孔缺陷(pitting)。在有些器件工藝中，當金屬硅化物沉積和柵極刻蝕之間沒有高溫步驟或者是柵極介質膜(或稱為柵極介電層)厚度足夠厚的情況下，這種問題不會出現。但是隨著器件尺寸縮小，柵極介電層的膜厚越來越薄，同時在某些器件的制造工藝中由于各種原因必須要在柵極刻蝕之前加入帶有高溫的工藝，或者特殊工藝會導致類似金屬硅化物膜剝離(peeling)等問題而需要在刻蝕之前加入退火處理等一些特殊情況的存在，使得凹孔缺陷變成一個不得不解決的問題。如圖1所示，金屬硅化物的柵極結構由下至上包括在硅基板101上面是柵極介電層 102，然后是柵極多晶硅103，金屬硅化物的緩沖層和/或(擴散)阻擋層104(非必需)，上面是金屬硅化物105以及頂層介質膜106(非必需)，頂層介質膜106上面是圖形化后的光刻膠107。圖1說明的是在形成硅簇團的情況下，用一般的刻蝕方法會在柵極介電層102中形成凹孔缺陷110。在表面溝道(surface channel)器件中，由于多晶硅中的摻雜元素會擴散到上面的金屬硅化物中，所以需要增加一層阻擋層和緩沖層，例如TiN/Ti，在某些器件工藝中，往往要加入帶有氧氣的高溫氧化工藝在柵極多晶硅側壁上形成一層幾十埃左右的氧化層以提高可靠性性能，這樣就會產生緩沖層金屬被氧化，體積膨脹而造成緩沖層突出的缺陷。圖 2是經過高溫側壁氧化后的示意圖，金屬硅化物的緩沖層和/或阻擋層104在經過高溫氧化后，會在側壁形成突出缺陷111，造成柵極側墻(spacer)關鍵尺寸不易控制以及柵極和源漏之間的漏電問題。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種金屬硅化物柵極的形成方法，以解決金屬硅化物刻蝕凹孔缺陷和金屬硅化物緩沖層突出缺陷的技術問題。為解決上述技術問題，本發明提供一種金屬硅化物柵極的形成方法，該方法包含以下步驟步驟1，金屬多晶硅柵極圖形的形成；步驟2，金屬多晶硅柵極的第一次柵極刻蝕；步驟3，光刻膠去除；步驟4，介質膜沉積；步驟5，第二次柵極刻蝕。
步驟1具體為在硅基板上形成一層柵極介電層(柵極介電層采用熱氧化法形成， 形成溫度小于600°c，其厚度為20-150埃)，在柵極介電層上形成一層摻雜或者不摻雜的柵極多晶硅(柵極多晶硅采用CVD (化學氣相沉積)方法形成，形成溫度小于600°C，其厚度為 500-1500埃)，在柵極多晶硅上形成一層金屬硅化物(金屬硅化物用CVD或者PVD (物理氣相沉積法)的方法形成，形成溫度小于600°C，其厚度為500-1500埃)，然后涂布光刻膠形成金屬多晶硅柵極圖形。這些工藝的溫度一般在600攝氏度以下，不會造成硅在金屬硅化物中形成團簇。所述柵極介電層是氧化硅，或者氮化硅，或者是氧化硅和氮化硅的組合；所述金屬硅化物為硅化鎢WSix，或者硅化鈷CoSix，或者硅化鈦TiSix，或者硅化鉬MoSix，或者硅化鎳Ni Six。優選地，在步驟1中，在柵極多晶硅形成之后，金屬硅化物形成之前增加如下步驟在柵極多晶硅上形成一層金屬硅化物的緩沖層和/或阻擋層。在某些器件中為了防止柵極多晶硅中雜質的擴散，一般還會在柵極多晶硅和金屬硅化物中間加一層緩沖層 (buffer layer)和/或阻擋層(barrier layer)，阻擋層例如TiN、WN等等，緩沖層例如Ti。 所述金屬硅化物的緩沖層和/或阻擋層采用物理氣相沉積法形成，其形成溫度為常溫 300°C，其中緩沖層的厚度為0-50埃，阻擋層的厚度為0-100埃。優選地，在步驟1中，在金屬硅化物形成之后，涂布光刻膠之前增加如下步驟在金屬硅化物上形成一層頂層介質膜。在有些帶有自對準接觸孔(SAC)工藝的非揮發性存儲器中在金屬硅化物上面還會有一層頂層介質膜(第一介質膜)，它的作用是SAC刻蝕的停止層。所述頂層介質膜為氧化硅，或者氮化硅，或者是氧化硅和氮化硅的組合。所述頂層介質膜采用等離子體增強化學氣相沉積法或者化學氣相沉積法形成，形成溫度小于600°C，其厚度為500-1500埃。在步驟1中，使用光刻膠形成金屬多晶硅柵極圖形，所述光刻膠作為步驟2的刻蝕
掩膜層。在步驟2中，第一次柵極刻蝕停止在柵極多晶硅層，在光刻膠打開區域柵極多晶硅以上膜質被全部去除，柵極多晶硅層被部分去除，優選地，部分去除的柵極多晶硅厚度占整個柵極多晶硅層厚度的10% 80%。這次刻蝕包含頂層介質膜(第一介質膜)刻蝕，金屬硅化物刻蝕，柵極多晶硅部分刻蝕，如果在多晶硅和金屬硅化物之間有緩沖層和/或阻擋層還包含該緩沖層和/或阻擋層的刻蝕。第一次刻蝕的目的是在硅的團簇形成之前形成金屬硅化物圖形，同時使金屬硅化物和含金屬元素的緩沖層側壁露出。步驟4，介質膜(第二介質膜)沉積，對暴露出的金屬硅化物和緩沖層進行保護； 在步驟4中，所述介質膜是氧化硅或者氮化硅。所述介質膜采用化學氣相沉積法沉積，所述介質膜沉積厚度在20埃 200埃。在步驟5中，第二次柵極刻蝕使用金屬硅化物上的頂層介質膜(第一介質膜)作為刻蝕硬掩膜層；除柵極側壁上的第二介質膜以外，其他位置的第二介質膜和第一次刻蝕殘留的部分柵極多晶硅被全部清除，第二次柵極刻蝕停止在柵極介電層上，形成最終柵極圖形。和傳統的柵極結構不同的是，在金屬硅化物和緩沖層的側壁有一層第二介質膜保護， 同時部分柵極多晶硅露出。由于在刻蝕穿過金屬硅化物的時候是沒有硅的團簇的，所以避免了柵極介電層的凹孔問題。同時由于金屬硅化物和緩沖層有介質膜的保護，在后續的高溫氧化工藝中，緩沖層不會被氧化而造成體積膨脹和突出的問題。
和現有技術相比，本發明具有以下有益效果本發明為表面溝道 (surfacechannel)器件和非揮發性存儲器(NVM)器件中可能用到的新的柵極膜層結構制備提供了一種可實現的工藝制備方法，在保證器件性能的前提下解決了新膜層結構刻蝕中的凹孔缺陷和緩沖層突出缺陷問題。為了解決金屬硅化物柵極結構在刻蝕過程中的柵極氧化膜凹孔(pitting)缺陷和金屬硅化物緩沖層的突出缺陷的問題，本發明提出一種金屬硅化物柵極的形成方法，利用兩次柵極刻蝕，在第一次刻蝕后露出金屬硅化物以及緩沖層側壁，沉積一層介質膜，阻擋住后續高溫氧化工藝中金屬元素和氧元素的化學反應，從而解決緩沖層突出的問題。另外在第一次刻蝕之前避免高溫工藝，等金屬硅化物圖形形成以后再進行相應高溫工藝，這樣可以避免由于硅的團簇導致的刻蝕凹孔問題。


圖1是采用現有工藝形成的金屬硅化物柵極結構的剖面示意圖；圖2是采用現有工藝形成的金屬硅化物柵極結構在高溫氧化工藝后形成側壁突出缺陷的剖面示意圖；圖3-圖7是本發明方法的工藝流程剖面示意圖；其中，圖3是本發明方法步驟1 金屬多晶硅柵極圖形形成的剖面示意圖；圖4是本發明方法步驟2第一次柵極刻蝕后的剖面示意圖；圖5是本發明方法步驟3第一次柵極刻蝕去除光刻膠后的剖面示意圖；圖6是本發明方法步驟4介質膜沉積后的剖面示意圖；圖7是本發明方法步驟5第二次柵極刻蝕后的剖面示意圖；圖8是本發明工藝完成以后，形成的金屬硅化物柵極經過高溫氧化后的剖面示意圖。圖中附圖標記說明如下101是硅基板，102是柵極介電層，103是柵極多晶硅，104是金屬硅化物的緩沖層和/或阻擋層，105是金屬硅化物，106是頂層介質膜(第一介質膜)，107是光刻膠，108是介質膜(第二介質膜)，109是氧化膜，110是凹孔缺陷，111是突出缺陷。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的說明。實施例1如圖3到圖7所示，本發明一種金屬硅化物柵極的形成方法的工藝步驟包括如下1.如圖3所示，在硅基板101上使用熱氧化法生長一層厚度20-150埃(本實施例中該厚度為32埃左右)的柵極介電層102，形成溫度小于600°C;在柵極介電層102上面用 CVD (化學氣相沉積)方法沉積一層厚度為500-1500埃(本實施例中該厚度為800埃左右) 的摻雜或者不摻雜的柵極多晶硅103，多晶硅沉積溫度小于600°C (本實施例選擇550°C左右)；在柵極多晶硅103上用PVD(物理氣相沉積)的方法沉積一層金屬硅化物的緩沖層和 /或阻擋層104(本實施例采用Ti緩沖層和TiN阻擋層)，Ti緩沖層的厚度在20埃左右， TiN阻擋層的厚度在50埃左右，其形成溫度為常溫 300°C;使用CVD或者PVD的方法在金屬硅化物的緩沖層和/或阻擋層104上沉積一層金屬硅化物105，厚度為500-1500埃(本實施例中該厚度在700埃左右)，這里CVD和PVD的工藝溫度都不能超過600°C，這樣可以避免硅在金屬硅化物105中形成團簇；在金屬硅化物105的上面用PECVD (等離子體增強化學氣相沉積法)或者CVD工藝沉積一層厚度為500-1500埃(本實施例中該厚度為1500埃左右)的頂層介質膜106 (本實施例采用SiN硬掩膜層)，頂層介質膜106的沉積溫度一般需要小于600°C，防止團簇的形成。在頂層介質膜106上涂布光刻膠107形成柵極圖形。2.如圖4所示，進行第一步刻蝕，如果光刻圖形包含抗反射層，應該包括刻蝕抗反射層，刻蝕頂層介質膜106以及刻蝕金屬硅化物105、金屬硅化物的緩沖層和/或阻擋層104等三步，三步的刻蝕條件可以不同，刻蝕條件選用對應膜質的刻蝕氣體，根據形貌要求可以進行調整，在圖形打開的區域，金屬硅化物的緩沖層和/或阻擋層104，金屬硅化物 105，頂層介質膜106被全部去除，柵極多晶硅103被部分去除，部分去除的柵極多晶硅厚度占整個柵極多晶硅層厚度的10% 80%，在本實施例中柵極多晶硅103以去除500埃左右為宜。3.如圖5所示，用本領域常用的灰化方法和濕法刻蝕去除光刻膠107，此時頂層介質膜106，金屬硅化物105，金屬硅化物的緩沖層和/或阻擋層104的側壁完全暴露，柵極多晶硅103側壁部分暴露。4.如圖6所示，采用CVD的工藝沉積一層厚度為20埃 200埃(本實施例中該厚度為100埃左右)的介質膜108(本實施例采用氮化硅層)，沉積溫度沒有限制。因為臺階覆蓋效應的存在，在側壁上的介質膜108的厚度小于100埃，兩邊側壁介質膜108的厚度之和加上第一次刻蝕圖形的寬度就是最終柵極的關鍵尺寸，所以介質膜108的厚度由兩個因素確定1.足夠阻擋住后續高溫氧化工藝氧元素擴散到金屬硅化物緩沖層中；2.能夠控制柵極的關鍵尺寸。5.如圖7所示，使用頂層介質膜106作為第二次刻蝕的硬掩膜層，對柵極結構進行第二次刻蝕。除柵極側壁上的介質膜108以外，其他位置的介質膜108和第一次刻蝕殘留的部分柵極多晶硅103被全部清除，刻蝕停止在柵極介電層102上，這時形成最終柵極結構。6.圖8是使用本發明工藝以后，經過高溫氧化后的示意圖，高溫氧化條件為 970°C，通02，快速高溫退火20s，這時在第一次刻蝕界面以下區域的側壁形成40埃左右的氧化膜109，同時沒有凹孔缺陷和緩沖層突出缺陷。
權利要求
1.一種金屬硅化物柵極的形成方法，其特征在于，該方法包含以下步驟步驟1，金屬多晶硅柵極圖形的形成；步驟2，金屬多晶硅柵極的第一次柵極刻蝕；步驟3，光刻膠去除；步驟4，介質膜沉積；步驟5，第二次柵極刻蝕。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟1具體為在硅基板上形成一層柵極介電層，在柵極介電層上形成一層柵極多晶硅，在柵極多晶硅上形成一層金屬硅化物，然后涂布光刻膠形成金屬多晶硅柵極圖形。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述柵極介電層采用熱氧化法形成，形成溫度小于600°C，其厚度為20-150埃；所述柵極多晶硅采用化學氣相沉積法形成，形成溫度小于600°C，其厚度為500-1500埃；所述金屬硅化物采用化學氣相沉積法或物理氣相沉積法形成，形成溫度小于600°C，其厚度為500-1500埃。
4.如權利要求2所述的方法，其特征在于，在步驟1中，在柵極多晶硅形成之后，金屬硅化物形成之前增加如下步驟在柵極多晶硅上形成一層金屬硅化物的緩沖層和/或阻擋層。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述金屬硅化物的緩沖層和/或阻擋層采用物理氣相沉積法形成，其形成溫度為常溫 300°C，其中緩沖層的厚度為0-50埃，阻擋層的厚度為0-100埃。
6.如權利要求2或4所述的方法，其特征在于，在步驟1中，在金屬硅化物形成之后，涂布光刻膠之前增加如下步驟在金屬硅化物上形成一層頂層介質膜。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，在步驟1中，所述頂層介質膜采用等離子體增強化學氣相沉積法或者化學氣相沉積法形成，形成溫度小于600°C，其厚度為500-1500埃。
8.如權利要求2所述的方法，其特征在于，在步驟1中，所述柵極介電層是氧化硅，或者氮化硅，或者是氧化硅和氮化硅的組合。
9.如權利要求6所述的方法，其特征在于，在步驟1中，所述頂層介質膜為氧化硅，或者氮化硅，或者是氧化硅和氮化硅的組合。
10.如權利要求7所述的方法，其特征在于，在步驟1中，所述頂層介質膜為氧化硅，或者氮化硅，或者是氧化硅和氮化硅的組合。
11.如權利要求2所述的方法，其特征在于，在步驟1中，所述金屬硅化物為硅化鎢 WSix,或者硅化鈷CoSix，或者硅化鈦TiSix，或者硅化鉬MoSix，或者硅化鎳NiSix。
12.如權利要求4或5所述的方法，其特征在于，在步驟1中，所述緩沖層為Ti，所述阻擋層為TiN或者WN。
13.如權利要求2所述的方法，其特征在于，在步驟1中，使用光刻膠形成金屬多晶硅柵極圖形，所述光刻膠作為步驟2的刻蝕掩膜層。
14.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟2中，第一次柵極刻蝕停止在柵極多晶硅層，在光刻膠打開區域柵極多晶硅以上膜質被全部去除，柵極多晶硅層被部分去除。
15.如權利要求14所述的方法，其特征在于，在步驟2中，所述柵極多晶硅層被部分去除，部分去除的柵極多晶硅厚度占整個柵極多晶硅層厚度的10% 80%。
16.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟4中，所述介質膜是氧化硅或者氮化娃。
17.如權利要求1或16所述的方法，其特征在于，在步驟4中，所述介質膜采用化學氣相沉積法沉積，所述介質膜沉積厚度在20埃 200埃。
18.如權利要求6所述的方法，其特征在于，在步驟5中，第二次柵極刻蝕使用金屬硅化物上的頂層介質膜作為刻蝕硬掩膜層。
19.如權利要求2或18所述的方法，其特征在于，在步驟5中，第二次柵極刻蝕停止在柵極介電層上。
全文摘要
本發明公開了一種金屬硅化物柵極的形成方法，該方法包含以下步驟步驟1，金屬多晶硅柵極圖形的形成；步驟2，金屬多晶硅柵極的第一次柵極刻蝕；步驟3，光刻膠去除；步驟4，介質膜沉積；步驟5，第二次柵極刻蝕。本發明利用兩次柵極刻蝕，在第一次刻蝕后露出金屬硅化物以及緩沖層側壁，沉積一層介質膜，阻擋住后續高溫氧化工藝中金屬元素和氧元素的化學反應，從而解決緩沖層突出的問題。另外在第一次刻蝕之前避免高溫工藝，等金屬硅化物圖形形成以后再進行相應高溫工藝，這樣可以避免由于硅的團簇導致的刻蝕凹孔問題。
文檔編號H01L21/28GK102420118SQ20111036001
公開日2012年4月18日 申請日期2011年11月14日 優先權日2011年11月14日
發明者劉鵬, 孫娟, 郁新舉 申請人:上海華虹Nec電子有限公司