專利名稱：一種替代柵的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超深亞微米及以下特征尺寸半導(dǎo)體器件工藝，涉及一種替代柵的制備方法，具體地涉及用于超深亞微米金屬柵CMOS(互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體)制造的一種替代柵制備方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)多晶硅柵CMOS器件柵長縮小到亞0.1μm和柵氧化層厚度減薄到2.5nm以下時，多晶硅柵耗盡效應(yīng)、日益嚴(yán)重的硼穿透效應(yīng)和過高的柵電阻已成為進(jìn)一步提高CMOS器件性能的壁壘，使長期以來在微電子技術(shù)領(lǐng)域占統(tǒng)治地位的摻雜多晶硅柵面臨極大的挑戰(zhàn)，而新興的難熔金屬柵(metal gate)則成為目前最有希望的替代技術(shù)。用金屬作柵電極，可以從根本上消除柵耗盡效應(yīng)和B穿透效應(yīng)，同時獲得非常低的柵電極薄層電阻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種替代柵制備方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用嵌入式金屬柵CMOS工藝(即替代柵制備工藝)實(shí)現(xiàn)了一種新穎的金屬柵CMOS技術(shù)。本發(fā)明的成功是今后ULSI的Si工藝技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵與基礎(chǔ)之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。
本發(fā)明的制備步驟包含1)在局部氧化隔離或淺槽隔離并調(diào)柵注入后，進(jìn)行替代柵氧化N2保護(hù)下600℃進(jìn)舟，升溫至750-870℃，N2恒溫10分鐘；同一溫度下，N2/O2＝5∶1氣氛氧化，氧化時間60-120分鐘；接著750-870℃，N2退火20-60分鐘；最后N2保護(hù)下降溫至600℃，出舟；2)化學(xué)汽相沉積氮化硅溫度760-820℃，壓力250-300毫乇，SiH2Cl225-35sccm，NH380-100sccm，薄膜厚度220-260nm；3)反應(yīng)離子刻蝕形成氮化硅替代柵電極功率130-200W，腐蝕氣體CHF35-10sccm，SF620-40sccm，He 100sccm混合，壓力300-500毫托；然后正硅酸乙酯熱分解TEOS SiO2-1薄膜溫度720-760℃，厚度90-150nm；4)反應(yīng)離子刻蝕TEOS SiO2-1，形成側(cè)墻-1壓力200-250mτ，RF(射頻)功率250-350W，CHF3/CF4/Ar＝40-60sccm/5-16sccm/200-300sccm，無過刻蝕，軟刻蝕5-10秒；5)源/漏延伸區(qū)低能注入PMOS47BF2，能量5-8Kev，劑量3-6×1014cm-2；NMOS75As，能量5-8Kev，劑量3-6×1014cm-2；6)正硅酸乙酯熱分解SiO2-2溫度710-750℃，厚度200-260nm；然后反應(yīng)離子刻蝕SiO2-2，形成側(cè)墻-2壓力200-250mτ，RF功率250-350W，CHF3/CF4/Ar＝40-60sccm/5-16sccm/200-300sccm；7)源/漏注入及快速熱退火PMOS47BF2，能量25-35Kev，劑量1.5-3×1015cm-2；NMOS75As，能量40-55Kev，劑量2-4×1015cm-2；快速熱退火溫度1000-1020℃，時間4-8秒，形成源/漏結(jié)；8)源/漏區(qū)鈷硅化物形成鈷/鈦復(fù)合膜的濺射，先濺鈦膜4-7nm，再濺鈷膜9-15nm；濺射功率都為700-900W，濺鈦工作壓力為4-6×10-3乇，濺鈷為5-7×10-3乇；然后兩次快速熱退火加上其間進(jìn)行選擇腐蝕第一次快速熱退火溫度630-670℃，時間15-30秒；選擇腐蝕后第二次快速熱退火溫度870-910℃，時間6-12分；9)化學(xué)氣相淀積低溫氧化硅和硼磷硅玻璃先化學(xué)氣相淀積低溫氧化硅溫度350-450℃，薄膜厚度200-250nm；然后化學(xué)氣相淀積硼磷硅玻璃溫度350-450℃，薄膜厚度700-800nm；10)硼磷硅玻璃回流750-800℃，N2，時間20-30分鐘；11)第一次SOG(spin-on-glass，即在襯底上涂一層溶劑)涂敷和熱處理涂敷條件為室溫，厚度360-400nm；熱處理?xiàng)l件350-420℃，N2，30-50分鐘；12)回刻SOG-1RF功率150-250W，壓力250-350毫乇，CF420-30sccm，CHF340-60sccm，O22sccm，Ar 250-350sccm；
13)第二次SOG涂敷和熱處理?xiàng)l件同13步；14)回刻SOG-2，先用如下條件回刻，即RF功率150-250W，壓力200-260毫乇，CF420-32sccm，CHF318-30sccm，Ar 250-350sccm當(dāng)SOG-2回刻完時，再用如下條件回刻，即CF415-25sccm，Ar 200-250sccm，RF功率250-350W，壓力180-220毫乇，直至替代柵全部露出；15)腐蝕柵槽，濕法腐蝕凈氮化硅替代柵H3PO4，160-170℃，柵槽形成；16)漂去替代柵氧化硅HF∶H2O＝1∶20漂凈替代柵氧化硅；17)清洗3#(常規(guī))-1#(常規(guī))一再用HF/IPA溶液室溫下浸泡1-10分鐘，水沖洗，甩干進(jìn)爐；18)柵氧化N2保護(hù)下600℃進(jìn)舟，升溫至750-850℃，N2恒溫10分鐘；同一溫度下，N2/O2＝5∶1氣氛氧化，氧化時間10-50分鐘；N2氣氛，750-850℃退火，15-60分鐘；N2保護(hù)下降溫至600℃，N2保護(hù)下慢拉出舟；19)濺射難熔金屬，W/TiN＝100-150nm/30-45nm，并反應(yīng)離子刻蝕形成金屬柵電極。
其中步驟1中的局部氧化隔離的氧化膜厚度為350-420nm，替代柵氧化的氧化膜厚度為5-7nm。
其中步驟17中的3#液為H2SO4∶H2O2＝5∶1，120℃，10分；1#液為NH4OH∶H2O2∶H2O＝0.8∶1∶5，60℃，5分；HF/IPA液為HF∶異丙醇(IPA)∶H2O＝0.5％∶0.02％∶1，室溫下浸漬35秒。
其中步驟17中的水沖洗是去離子水清洗。
其中步驟18柵氧化膜厚度為15-35埃。
其中步驟19中濺射難熔金屬的順序是先濺射TiN膜，后濺射W膜。
其中步驟11中經(jīng)過熱處理后的厚度為300-360nm。
其中步驟12中硼磷硅玻璃的刻蝕速率是SOG-1的2倍。
其中步驟14中回刻SOG-2，先用BPSG與SOG-2刻蝕速率相同的條件回刻，第二步再用BPSG與LTO SiO2刻蝕速率相同的條件回刻。
本發(fā)明的特點(diǎn)是
1、源/漏(S/D)先形成，柵后形成。避免了金屬柵反應(yīng)離子刻蝕(RIE)和源/漏注入引起對柵介質(zhì)的損傷，避免了高溫?zé)嵬嘶饘饘贃诺膿p傷；2、開發(fā)了與常規(guī)CMOS工藝兼容的平坦化技術(shù)，利用BPSG熱回流加BPSG/SOG-1速率差回蝕加SOG-2/低溫SiO2等速回刻至假柵暴露止，實(shí)現(xiàn)了良好的平坦化；3、替代柵電極的去除與凹槽的形成技術(shù)；4、鎢/氮化鈦(W/TiN)復(fù)合金屬柵的刻蝕技術(shù)，采用兩步RIE刻蝕，優(yōu)化工藝參量，達(dá)到了滿意的效果。


圖1為本發(fā)明替代柵的結(jié)構(gòu)示意圖。其中圖1a為硅化物形成后的結(jié)構(gòu)剖面圖，符號1-替代柵Si3N4，2-側(cè)墻，6-場氧化硅，15-CoSi；圖1b為平坦化后假柵被去掉示意圖，符號1-替代柵Si3N4；4-替代柵氧化硅，16-柵槽；圖1c為反應(yīng)離子刻蝕W/TiN疊層金屬柵，形成T形柵電極，符號11-W，12-TiN，13-三氧化硅。
圖2為本發(fā)明替代柵制備方法的流程示意圖。其中符號1-替代柵Si3N4；2-側(cè)墻-1；3-側(cè)墻-2；4-替代柵氧化硅；5-源/漏延伸區(qū)；6-場氧化硅；7-SOG-1；8-BPSG；9-LTO SiO2；10-SOG-2；11-W；12-TiN；13-三氧化硅；14-PE SiO2。
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明的嵌入式金屬柵CMOS工藝中，主要的關(guān)鍵之一是一套替代柵的制備技術(shù)，它包括替代柵材料的選取，精細(xì)的替代柵圖形的成形，平坦化和假柵的去除。在此過程中，本發(fā)明點(diǎn)在于1.選取了氮化硅作為替代柵材料代替通常多晶硅柵材料，這樣在平坦化以后替代柵可以用濕法腐蝕去除。因?yàn)闈穹ǜg氮化硅對氧化硅有比較高的腐蝕選擇比，因此不會對其下的硅造成化學(xué)尤其是等離子損傷，而且采用反應(yīng)離子刻蝕氮化硅可以獲得更精細(xì)的剖面陡直柵圖形。
2.在難熔金屬柵的研究中，國際上普遍采用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)技術(shù)來完成平坦化。我們獨(dú)辟蹊徑，首次獨(dú)立開發(fā)了一種與傳統(tǒng)的CMOS技術(shù)更兼容的平坦化技術(shù)，利用BPSG(硼磷硅玻璃)熱回流加BPSG/SOG(旋轉(zhuǎn)涂布玻璃)-1速率差回蝕加SOG-2/低溫SiO2等速回刻至假柵暴露止，實(shí)現(xiàn)了良好的平坦化。節(jié)約了配置CMP大型設(shè)備的昂貴成本。同時更潔凈，兼容性更好。
實(shí)施例本發(fā)明的替代柵結(jié)構(gòu)參見圖1。
本發(fā)明替代柵的制備流程參見圖2。
本發(fā)明制備替代柵的步驟為1)LOCOS(局部氧化)隔離或STI(淺槽)隔離，場氧化厚度380nm；2)調(diào)柵注入；3)替代柵氧化大流量N2保護(hù)下600℃進(jìn)舟，然后升溫至830℃，N2恒溫10分鐘；同一溫度下，N2/O2＝5∶1氣氛氧化，氧化時間85分鐘；N2氣氛，830℃退火，30分鐘；N2保護(hù)下降溫至600℃，再在大流量N2保護(hù)下慢拉出舟；4)化學(xué)汽相沉積(LPCVD)氮化硅溫度790℃，壓力275毫乇，SiH2Cl229sccm，NH390sccm，薄膜厚度240nm；5)反應(yīng)離子刻蝕形成氮化硅替代柵電極功率150W，腐蝕氣體CHF37sccm，SF630sccm，He 100sccm混合，氣壓400毫乇；然后正硅酸乙酯熱分解SiO2-1(TEOS-1)薄膜溫度740℃，厚度120nm；6)反應(yīng)離子刻蝕TEOS0-1，形成側(cè)墻-1壓力200毫乇，RF功率300W，CHF3/CF4/Ar＝50sccm/10sccm/250sccm，無過刻蝕，軟刻蝕7秒；7)源/漏延伸區(qū)低能注入PMOS47BF2，能量7Kev，劑量4×1014cm-2；NMOS75As，能量5Kev，劑量5×1014cm-2；8)正硅酸乙酯熱分解SiO2-2(TEOS-2)溫度740℃，厚度220nm；然后反應(yīng)離子刻蝕TEOS-2壓力200毫乇，RF功率300W，CHF3/CF4/Ar＝50sccm/10sccm/250sccm，無過刻蝕，軟刻蝕7秒；形成側(cè)墻-2；9)源/漏注入及快速熱退火(RTA)PMOS47BF2，能量25Kev，劑量3×1015cm-2；NMOS75As，能量50Kev，劑量4×1015cm-2；RTA溫度1010℃，時間5秒，形成源/漏結(jié)；
10)源/漏區(qū)鈷硅化物形成鈷/鈦復(fù)合膜的濺射，先濺鈦膜5nm，再濺鈷膜11nm；濺射功率都為800W，濺鈦的工作壓力為5×10-3乇，濺鈷為6.2×10-3乇；兩次快速熱退火加上其間進(jìn)行選擇腐蝕第一次快速熱退火溫度650℃，時間20秒；選擇腐蝕后第二次快速熱退火溫度900℃，時間7分；完成硅化物工藝后的器件剖面如圖2(1)所示；11)化學(xué)氣相淀積低溫氧化硅(LTO)和硼磷硅玻璃(BPSG)化學(xué)氣相淀積LTO溫度400℃，薄膜厚度200-250nm；然后化學(xué)氣相淀積BPSG溫度400℃，薄膜厚度700-800nm；12)BPSG回流750℃，N2，時間20分鐘；13)第一次SOG涂敷和熱處理室溫，厚度360-400nm，此時由于SOG-1的流動性，圖形的谷底填充的SOG-1要比臺階頂?shù)母采w的SOG-1厚得多，使臺階高度降低；熱處理400℃，N2，40分鐘；熱處理后，厚度降到300-360nm；如圖2(2)所示；14)回刻SOG-1RF功率200W，壓力300毫乇，CF425sccm，CHF350sccm，O22sccm，Ar 300sccm，在上述回刻條件小，BPSG刻蝕速率是SOG-1的2倍，因此可有效降低圖形的臺階，此時谷底的SOG-1被腐蝕凈，部分BPSG保留，如圖2(3)所示；15)第二次SOG涂敷和熱處理?xiàng)l件同步驟13。進(jìn)一步降低了臺階高度，如圖2(4)所示；16)回刻SOG-2，先用BPSG與SOG-2刻蝕速率相同的條件回刻，即RF功率200W，壓力230毫乇，CF426sccm，CHF324sccm，Ar 300sccm；當(dāng)SOG-2回刻完時，再用BPSG與LTO SiO2刻蝕速率相同的條件回刻，即RF功率300W，壓力200毫乇，CF419sccm，Ar 250sccm；直至替代柵全部露出，如圖2(5)所示；17)腐蝕柵槽，濕法腐蝕凈氮化硅替代柵H3PO4，160℃，柵槽形成；18)漂去替代柵氧化硅HF∶H2O＝1∶20漂凈替代柵氧化硅，如圖2(6)所示；19)清洗3#(常規(guī))-1#(常規(guī))-再用氫氟酯/異丙醇/水＝0.5％/0.02％/1的溶液在室溫下浸5分鐘，去離子水沖洗，甩干立即進(jìn)爐；
20)柵氧化大流量N2保護(hù)下600℃進(jìn)舟，慢推，大流量N2保護(hù)；升溫至830℃，N2恒溫10分鐘；同一溫度下，N2/O2＝5∶1氣氛氧化，氧化時間20分鐘；N2氣氛，830℃退火，30分鐘；N2保護(hù)下降溫至600℃，再在大流量N2保護(hù)下慢拉出舟；柵氧化膜厚25埃；21)濺射難熔金屬(W/TiN＝100nm/35nm)，如圖2(7)所示；并反應(yīng)離子刻蝕形成金屬柵電極，如圖2(8)所示。
權(quán)利要求
1.一種替代柵的制備方法，包括以下步驟1)在局部氧化隔離或淺槽隔離并調(diào)柵注入后，進(jìn)行替代柵氧化N2保護(hù)下600℃進(jìn)舟，升溫至750-870℃，N2恒溫10分鐘；同一溫度下，N2/O2＝5∶1氣氛氧化，氧化時間60-120分鐘；接著750-870℃，N2退火20-60分鐘；最后N2保護(hù)下降溫至600℃，出舟；2)化學(xué)汽相沉積氮化硅溫度760-820℃，壓力250-300毫乇，SiH2Cl225-35sccm，NH380-100sccm，薄膜厚度220-260nm；3)反應(yīng)離子刻蝕形成氮化硅替代柵電極功率130-200W，腐蝕氣體CHF35-10sccm，SF620-40sccm，He 100sccm混合，壓力300-500毫托；然后正硅酸乙酯熱分解TEOS SiO2-1薄膜溫度720-760℃，厚度90-150nm；4)反應(yīng)離子刻蝕TEOS SiO2-1，形成側(cè)墻-1壓力200-250mτ，射頻功率250-350W，CHF3/CF4/Ar＝40-60sccm/5-16sccm/200-300sccm，無過刻蝕，軟刻蝕5-10秒；5)源/漏延伸區(qū)低能注入PMOS47BF2，能量5-8Kev，劑量3-6×1014cm-2；NMOS75As，能量5-8Kev，劑量3-6×1014cm-2；6)正硅酸乙酯熱分解SiO2-2溫度710-750℃，厚度200-260nm；然后反應(yīng)離子刻蝕SiO2-2，形成側(cè)墻-2壓力200-250mτ，RF功率250-350W，CHF3/CF4/Ar＝40-60sccm/5-16sccm/200-300sccm；7)源/漏注入及快速熱退火PMOS47BF2，能量25-35Kev，劑量1.5-3×1015cm-2；NMOS75As，能量40-55Kev，劑量2-4×1015cm-2；快速熱退火溫度1000-1020℃，時間4-8秒，形成源/漏結(jié)；8)源/漏區(qū)鈷硅化物形成鈷/鈦復(fù)合膜的濺射，先濺鈦膜4-7nm，再濺鈷膜9-15nm；濺射功率都為700-900W，濺鈦工作壓力為4-6×10-3乇，濺鈷為5-7×10-3乇；然后兩次快速熱退火加上其間進(jìn)行選擇腐蝕第一次快速熱退火溫度630-670℃，時間15-30秒；選擇腐蝕后第二次快速熱退火溫度870-910℃，時間6-12分；9)化學(xué)氣相淀積低溫氧化硅和硼磷硅玻璃先化學(xué)氣相淀積低溫氧化硅溫度350-450℃，薄膜厚度200-250nm；然后化學(xué)氣相淀積硼磷硅玻璃溫度350-450℃，薄膜厚度700-800nm；10)硼磷硅玻璃回流750-800℃，N2，時間20-30分鐘；11)第一次SOG涂敷和熱處理涂敷條件為室溫，厚度360-400nm；熱處理?xiàng)l件350-420℃，N2，30-50分鐘；12)回刻SOG-1RF功率150-250W，壓力250-350毫乇，CF420-30sccm，CHF340-60sccm，O22sccm，Ar 250-350sccm；13)第二次SOG涂敷和熱處理?xiàng)l件同13步；14)回刻SOG-2，先用如下條件回刻，即RF功率150-250W，壓力200-260毫乇，CF420-32sccm，CHF318-30sccm，Ar 250-350sccm；當(dāng)SOG-2回刻完時，再用如下條件回刻，即CF415-25sccm，Ar 200-250sccm，RF功率250-350W，壓力180-220毫乇，直至替代柵全部露出；15)腐蝕柵槽，濕法腐蝕凈氮化硅替代柵H3PO4，160-170℃，柵槽形成；16)漂去替代柵氧化硅HF∶H2O＝1∶20漂凈替代柵氧化硅；17)清洗常規(guī)3#-常規(guī)1#-再用HF/異丙醇溶液室溫下浸泡1-10分鐘，水沖洗，甩干進(jìn)爐；18)柵氧化N2保護(hù)下600℃進(jìn)舟，升溫至750-850℃，N2恒溫10分鐘；同一溫度下，N2/O2＝5∶1氣氛氧化，氧化時間10-50分鐘；N2氣氛，750-850℃退火，15-60分鐘；N2保護(hù)下降溫至600℃，N2保護(hù)下慢拉出舟；19)濺射難熔金屬，W/TiN＝100-150nm/30-45nm，并反應(yīng)離子刻蝕形成金屬柵電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1，其特征在于，步驟1中的局部氧化隔離的氧化膜厚度為350-420nm，替代柵氧化的氧化膜厚度為5-7nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于，步驟17中的3#液為H2SO4∶H2O2＝5∶1，120℃，10分；1#液為NH4OH∶H2O2∶H2O＝0.8∶1∶5，60℃，5分；HF/異丙醇溶液為HF∶異丙醇∶H2O＝0.5％∶0.02％∶1，室溫下浸漬35秒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于，步驟17中的水沖洗是去離子水清洗。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于，步驟18柵氧化膜厚度為15-35埃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于，步驟19中濺射難熔金屬的順序是先濺射TiN膜，后濺射W膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于，步驟11中經(jīng)過熱處理后的厚度為300-360nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于，步驟12中，硼磷硅玻璃的刻蝕速率是SOG-1的2倍。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于，步驟14中，回刻SOG-2，先用BPSG與SOG-2刻蝕速率相同的條件回刻，第二步再用BPSG與LTO SiO2刻蝕速率相同的條件回刻。
全文摘要
本發(fā)明屬于超深亞微米及以下特征尺寸半導(dǎo)體器件制備方法，特別涉及用于超深亞微米金屬柵CMOS制造的一種替代柵制備技術(shù)。用金屬作柵電極，可以從根本上消除柵耗盡效應(yīng)和硼穿透現(xiàn)象，同時獲得非常低的柵電極薄層電阻。本發(fā)明采用嵌入式金屬柵CMOS工藝(即替代柵制備工藝)實(shí)現(xiàn)了一種新穎的金屬柵CMOS技術(shù)。在這種嵌入式金屬柵CMOS工藝中，主要關(guān)鍵技術(shù)之一是一套替代柵的制備技術(shù)，它包括替代柵材料的選取，精細(xì)的替代柵圖形的成形，平坦化和替代柵的去除。
文檔編號H01L21/8238GK1841666SQ20051001150
公開日2006年10月4日 申請日期2005年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月31日
發(fā)明者徐秋霞, 李瑞釗 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所