專利名稱：半導(dǎo)體元件的閘極結(jié)構(gòu)的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種半導(dǎo)體元件的堆疊式閘極結(jié)構(gòu)的制造方法，特別是有關(guān)于場效晶體管的堆疊式閘極結(jié)構(gòu)的制造方法。
背景技術(shù)：
長久以來，較高的元件操作速度一直是晶片制造者所追求的目標(biāo)，而降低閘極的片電阻及接觸孔(contact)的阻值是可以達(dá)成前述目標(biāo)的有效方法之一，因此，目前在0.18μm世代以后的DRAM制程當(dāng)中，poly-Si/WN/W閘極結(jié)構(gòu)已被視為深具潛力的結(jié)構(gòu)，其中，WN用以作為阻障層(barrier layer)，可防止復(fù)晶硅中的硅原子與上層的鎢原子交互擴(kuò)散(inter-diffusion)，此閘極結(jié)構(gòu)的片電阻(sheet resistance)可低于10Ω/□，較更傳統(tǒng)poly-Si/WSi結(jié)構(gòu)的15~20Ω/□為低。
圖1A與1B為前述poly-Si/WN/W閘極結(jié)構(gòu)制造方式的剖面圖。首先，一介電層102、一復(fù)晶硅層104、一阻障層106、一鎢層108與一氮化硅層110陸續(xù)于半導(dǎo)體基板上形成于半導(dǎo)體基板100上，就如圖1A所示。然后再進(jìn)行黃光(lithography)與蝕刻制程，依預(yù)設(shè)圖案(pattern)在氮化硅層110上定義出其圖案，作為硬掩膜110A(hard mask)，接著依序?qū)︽u層108、阻障層106、復(fù)晶硅層104、介電層102、進(jìn)行蝕刻(etching)處理，可得到由復(fù)晶硅層104A、阻障層106A與鎢層108A所構(gòu)成的閘極結(jié)構(gòu)，如圖1B所示。
傳統(tǒng)而言，阻障層106的形成所常采用的方式，為在復(fù)晶硅上形成一WNX或者TiN層，用以防止復(fù)晶硅層中的硅原子和鎢層中的鎢原子產(chǎn)生交互擴(kuò)散(inter-diffusion)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一使用于半導(dǎo)體元件中的堆疊式閘極結(jié)構(gòu)的制造方法，此制造方法所制備的閘極結(jié)構(gòu)，具有較低的閘極電阻與接觸孔阻值。
為達(dá)成上述的目的，本發(fā)明提供一種閘極結(jié)構(gòu)的制造方法，其步驟包括1)陸續(xù)于半導(dǎo)體基板上形成一介電層、一復(fù)晶硅層、一金屬層、一阻障層以及一鎢層；2)在氮?dú)庵羞M(jìn)行快速回火(rapid thermal annealing)處理，使金屬層與復(fù)晶硅層反應(yīng)形成一金屬硅化層；3)依序定義鎢層、阻障層、金屬硅化物層以及復(fù)晶硅層，成為堆疊式閘極結(jié)構(gòu)。
此外，本發(fā)明亦提供另一種閘極結(jié)構(gòu)的制造方法，其步驟包括1)陸續(xù)于半導(dǎo)體基板上形成一介電層、一復(fù)晶硅層、一金屬層、一阻障層以及一鎢層；2)依序定義鎢層、阻障層、金屬層、復(fù)晶硅層，成為堆疊式閘極結(jié)構(gòu)；3)在氮?dú)庵羞M(jìn)行快速回火，使該金屬層與該復(fù)晶硅層反應(yīng)形成一金屬硅化層。
同時，本發(fā)明亦提供場效晶體管的制造方法，此制造方法為使用前述的制造方法，于半導(dǎo)體基板上形成一由復(fù)晶硅層、金屬硅化層、阻障層與鎢層所構(gòu)成的堆疊式閘極結(jié)構(gòu)，此堆疊式閘極結(jié)構(gòu)上有氮化硅層作掩膜，再以該堆疊式閘極結(jié)構(gòu)上的氮化硅層作為掩膜，將離子布植入半導(dǎo)體基板，形成彼此隔開的第一源/漏極區(qū)，接著，于該堆疊式閘極結(jié)構(gòu)的側(cè)壁形成一隔離層(spacer)，再以該隔離層作為掩膜，將離子布植入半導(dǎo)體基板，形成彼此隔開的第二源/漏極區(qū)，該第二源/漏極區(qū)的摻雜濃度較第一源/漏極區(qū)為高。
為進(jìn)一步說明本發(fā)明的上述目的、結(jié)構(gòu)特點和效果，以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。


圖1A-B是傳統(tǒng)poly-Si/WN/W閘極結(jié)構(gòu)制造方式的剖面圖；圖22A-C是本發(fā)明一較佳實施例堆疊式閘極結(jié)構(gòu)的制造方法的剖面圖；圖3A-C是本發(fā)明另一較佳實施例堆疊式閘極結(jié)構(gòu)的制造方法的剖面圖；圖4是本發(fā)明一較佳實施例具堆疊式閘極結(jié)構(gòu)的場效晶體管的制造方法的剖面圖。
具體實施例方式
為能更了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉較佳具體實施例說明如下。
請先參考圖2A～2C，圖2A～2C是本發(fā)明一較佳實施例堆疊式閘極結(jié)構(gòu)的制造方法的剖面圖。一開始，如圖2A所示，陸續(xù)于半導(dǎo)體基底200上形成一介電層202、一復(fù)晶硅層204、一金屬層206、一阻障層208以及一鎢層210，其中，介電層202可為SiO2、SiNX、Si3N4、SiON、TaO2或TaON。復(fù)晶硅層204之厚度約為500～2000埃(angstrom)，可用化學(xué)氣相沉積(chemical vapordeposition，CVD)的方式形成；金屬層206系選自由鈷(Cobalt)、鎳(Nickel)、鉑(Platinum)、鎢(Tungsten)、鉭(Tantalum)、鉬(Molybdenum)、鉿(Hafnium)與鈮(Niobium)所組成的群組，其厚度約為5～30埃，可用化學(xué)氣相沉積或物理氣相沉積(PVD)的方式形成；阻障層208選自由氮化鎢(WN)、氮化鉭(TaN)與氮化鈦(TiN)所組成的群組，其厚度約為50～100埃，可用化學(xué)氣相沉積或濺鍍(sputtering)的方式形成；鎢層210的厚度約為250～800埃，可用物理氣相沉積或濺鍍(sputtering)的方式形成。然后，在氮?dú)庵羞M(jìn)行快速退火，其溫度條件約為750～1150℃，而時間約持續(xù)60～120秒。如圖2B所示，在進(jìn)行快速回火的過程當(dāng)中，金屬層206會和復(fù)晶硅層204發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而形成金屬硅化層205，由于金屬硅化層205為一良導(dǎo)體，因此有助于降低閘極片電阻及接觸孔電阻，并防止阻障層208中的氮原子和復(fù)晶硅層204中的硅原子反應(yīng)，形成導(dǎo)致阻值升高的SiN。接著，在鎢層210上形成一氮化硅層212，其厚度約為500～3000埃，可于爐管(furnace)中成長或于腔室(chamber)中以化學(xué)氣相沉積的方式形成；最后，如圖2C所示，再進(jìn)行黃光與蝕刻制程，依光罩上的預(yù)設(shè)圖案在氮化硅層上定義出其圖案，作為硬掩膜212A，接著再進(jìn)行蝕刻，可得到由復(fù)晶硅層204A、金屬硅化層205A、阻障層208A與鎢層210A所構(gòu)成的堆疊式閘極結(jié)構(gòu)214。
此外，本發(fā)明亦提供另一制造方法，步驟包括陸續(xù)于半導(dǎo)體基底300上形成一介電層302、一復(fù)晶硅層304、一金屬層306、一阻障層308、一鎢層310以及一氮化硅層312，如圖3A所示；其中，介電層302可為SiO2、SiNX、Si3N4、SiON、TaO2或TaON。復(fù)晶硅層304之厚度約為500～2000埃(angstrom)，可用化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deopstion，CVD)的方式形成；金屬層306是選自由鈷(Cobalt)、鎳(Nickel)、鉑(Platinum)、鎢(Tungsten)、鉭(Tantalum)、鉬(Molybdenum)、鉿(Hafnium)與鈮(Niobium)所組成的群組，其厚度約為5～30埃，可用化學(xué)氣相沉積或物理氣相沉積(PVD)的方式形成；阻障層308是選自由氮化鎢(WN)、氮化鉭(TaN)與氮化鈦(TiN)所組成之群組，其厚度約為50～100埃，可用化學(xué)氣相沉積或濺鍍的方式形成；鎢層310的厚度約為250～800埃，可用物理氣相沉積或濺鍍(sputtering)的方式形成；氮化硅層312的厚度約為500～3000埃，可于爐管(furnace)中成長或于腔室(chamber)中以化學(xué)氣相沉積的方式形成。然后再進(jìn)行黃光與蝕刻制程，依光罩上的預(yù)設(shè)圖案在氮化硅層上定義出其圖案，作為硬掩膜，接著再進(jìn)行蝕刻，可得到由介電層302A、復(fù)晶硅層304A、金屬層306A、阻障層308A以及鎢層310A所構(gòu)成的堆疊式閘極結(jié)構(gòu)314，其上有硬掩膜-氮化硅層312A，如圖3B所示。最后，在氮?dú)庵羞M(jìn)行快速退火，其溫度條件約為750～1150℃，而時間約持續(xù)60～120秒。如圖3C所示，在進(jìn)行快速回火的過程當(dāng)中，金屬層306A會和復(fù)晶硅層304A發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而形成金屬硅化層305，由于金屬硅化層305為一良導(dǎo)體，因此有助于降低閘極片電阻及接觸孔電阻，并防止阻障層308A中的氮原子和復(fù)晶硅層304A中的硅原子反應(yīng)，形成導(dǎo)致阻值升高的SiN。
同時，本發(fā)明亦提供場效晶體管的制造方法，此制造方法為使用前述的制造方法，于半導(dǎo)體基板400上形成由介電層402、復(fù)晶硅層404、金屬硅化層405、阻障層407與鎢層408所構(gòu)成的一堆疊式閘極結(jié)構(gòu)，此堆疊式閘極結(jié)構(gòu)上有氮化硅層410作掩膜，如圖4所示，再以該堆疊式閘極結(jié)構(gòu)上的氮化硅層410作為掩膜，將離子布植入半導(dǎo)體基板400，形成彼此隔開的第一源/漏極區(qū)412，接著，于該堆疊式閘極結(jié)構(gòu)的側(cè)壁形成一隔離層414，再以該隔離層作為掩膜，將離子布植入半導(dǎo)體基板400，形成彼此隔開的第二源/漏極區(qū)416，該第二源/漏極區(qū)416的摻雜濃度較第一源/漏極區(qū)412為高。
根據(jù)本發(fā)明，在進(jìn)行快速回火的過程當(dāng)中，金屬層會和復(fù)晶硅層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而形成金屬硅化層，可降低閘極片電阻，并防止阻障層中的氮原子和復(fù)晶硅層的硅原子反應(yīng)，形成導(dǎo)致阻值升高的SiN，因此，可得到較高的元件操作速度。
需注意的是，上述僅為實施例，而非限制于實施例。譬如此不脫離本發(fā)明基本架構(gòu)者，皆應(yīng)為本專利所主張的權(quán)利范圍，而應(yīng)以專利申請范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種堆疊式閘極結(jié)構(gòu)的制造方法，該制造方法包括下列步驟(a)于半導(dǎo)體基板上形成一介電層；(b)于該介電層上形成一復(fù)晶硅層；(c)于該復(fù)晶硅層上形成一金屬層；(d)于該金屬層上形成一阻障層；(e)于該阻障層上形成一鎢層；(f)進(jìn)行快速回火處理，使該金屬層與該復(fù)晶硅層反應(yīng)形成一金屬硅化層；(g)依序定義該鎢層、該阻障層、該金屬硅化物層、該復(fù)晶硅層，成為該堆疊式閘極結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，該金屬層選自由鈦、鈷、鎳、鉑、鎢、鉭、鉬、鉿與鈮所組成的群組。
3.如權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，該阻障層選自由氮化鎢、氮化鉭與氮化鈦所組成的群組。
4.如權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，，步驟(f)是于氮?dú)庵羞M(jìn)行。
5.一種堆疊式閘極結(jié)構(gòu)的制造方法，該制造方法包括下列步驟(a)于半導(dǎo)體基板上形成一介電層；(b)于該介電層上形成一復(fù)晶硅層；(c)于該復(fù)晶硅層上形成一金屬層；(d)于該金屬層上形成一阻障層；(e)于該阻障層上形成一鎢層；(f)依序定義該鎢層、該阻障層、該金屬層以及該復(fù)晶硅層，成為該堆疊式閘極結(jié)構(gòu)；以及(g)進(jìn)行快速回火，使該金屬層與該復(fù)晶硅層反應(yīng)形成一金屬硅化層。
6.如權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于，該金屬層選自由鈦、鈷、鎳、鉑、鎢、鉭、鉬、鉿與鈮所組成的群組。
7.如權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于，步驟(g)是于氮?dú)庵羞M(jìn)行。
8.如權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于，該阻障層選自由氮化鎢、氮化鉭與氮化鈦所組成的群組。
9.一種場效晶體管的制造方法，該制造方法包括下列步驟(a)于半導(dǎo)體基板上形成一介電層；(b)于該介電層上形成一復(fù)晶硅層；(c)于該復(fù)晶硅層上形成一金屬層；(d)于該金屬層上形成一阻障層；(e)于該阻障層上形成一鎢層；(f)進(jìn)行快速回火處理，使該金屬層與該復(fù)晶硅層反應(yīng)形成一金屬硅化層；(g)依序定義該鎢層、該阻障層以及該金屬硅化層、該復(fù)晶硅層，成為該堆疊式閘極結(jié)構(gòu)；(h)以該堆疊式閘極結(jié)構(gòu)作為掩膜，將離子布植入半導(dǎo)體基板，形成彼此隔開的第一源/漏極區(qū)；(i)于該堆疊式閘極結(jié)構(gòu)的側(cè)壁形成一隔離層；以及(j)以該隔離層作為掩膜，將離子布植入半導(dǎo)體基板，形成彼此隔開的第二源/漏極區(qū)，該第二源/漏極區(qū)的摻雜濃度較第一源/漏極區(qū)為高。
10.如權(quán)利要求9所述的制造方法，其特征在于，該金屬層選自由鈦、鈷、鎳、鉑、鎢、鉭、鉬、鉿與鈮所組成的群組。
11.如權(quán)利要求9所述的制造方法，其特征在于，，該阻障層選自由氮化鎢、氮化鉭與氮化鈦所組成的群組。
12.如權(quán)利要求9所述的制造方法，其特征在于，步驟(f)是于氮?dú)庵羞M(jìn)行。
13.一種場效晶體管的制造方法，該制造方法包括下列步驟(a)于半導(dǎo)體基板上形成一介電層；(b)于該介電層上形成一復(fù)晶硅層；(c)于該復(fù)晶硅層上形成一金屬層；(d)于該金屬層上形成一阻障層；(e)于該阻障層上形成一鎢層；(f)依序定義該鎢層、該阻障層、該金屬層以及該復(fù)晶硅層，成為該堆疊式閘極結(jié)構(gòu)；(g)進(jìn)行快速回火處理，使該金屬層與該復(fù)晶硅層反應(yīng)形成一金屬硅化層；(h)以該堆疊式閘極結(jié)構(gòu)作為掩膜，將離子布植入半導(dǎo)體基板，形成彼此隔開的第一源/漏極區(qū)。(i)于該堆疊式閘極結(jié)構(gòu)之側(cè)壁形成一隔離層；以及(j)以該隔離層作為掩膜，將離子布植入半導(dǎo)體基板，形成彼此隔開的第二源/漏極區(qū)，該第二源/漏極區(qū)之摻雜濃度較第一源/漏極區(qū)為高。
14.如權(quán)利要求13所述的制造方法，其特征在于，該金屬層選自由鈦、鈷、鎳、鉑、鎢、鉭、鉬、鉿與鈮所組成的群組。
15.如權(quán)利要求13所述的制造方法，其特征在于，該阻障層選自由氮化鎢、氮化鉭與氮化鈦所組成的群組。
16.如權(quán)利要求13所述的制造方法，其特征在于，步驟(g)是于氮?dú)庵羞M(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明提供一使用于半導(dǎo)體元件中的堆疊式閘極結(jié)構(gòu)的制造方法，其步驟包括陸續(xù)于半導(dǎo)體基板上形成一介電層、一復(fù)晶硅層、一金屬層、一阻障層以及一鎢層，再于氮?dú)庵羞M(jìn)行快速回火(rapid thermal annealing)，然后在鎢層上形成一氮化硅層，最后將所形成的多層薄膜結(jié)構(gòu)依預(yù)設(shè)圖案定義出閘極結(jié)構(gòu)。
文檔編號H01L21/28GK1617303SQ200310114350
公開日2005年5月18日 申請日期2003年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月13日
發(fā)明者何慈恩, 吳昌榮, 陳逸男, 吳國堅 申請人:南亞科技股份有限公司