專利名稱：多步驟低溫間隔層制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多晶硅柵極間隔層的制作方法，特別是涉及采用多步驟低溫形成多層間隔層結(jié)構(gòu)的制作方法。
背景技術(shù)：
集成電路制程通常包括柵極圖案的形成，其通常是采用多晶硅作為柵極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。在多晶硅柵極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的制程中，多晶硅層淀積在襯底上，其是由單晶硅經(jīng)過離子注入、柵極氧化等過程形成。淀積的多晶硅，再通過光刻、刻蝕形成柵極圖案。接著在柵極兩側(cè)形成電介質(zhì)間隔層作為自對準(zhǔn)離子注入和金屬硅化物形成時(shí)的掩模。最常用的間隔層材料包括硅氧化物、硅氮化物。隨著器件尺寸越來越小，摻雜深度和輪廓需要更加精確控制。因此要求低熱預(yù)算(low thermal budget)，這就意味著今后的制程溫度要低于過去的制程溫度。目前，間隔層的制程已經(jīng)普遍采用爐管低溫化學(xué)氣相淀積生長，其要求溫度范圍在600～700℃。而100nm以下的技術(shù)將要求間隔層制程更低的熱預(yù)算。低壓化學(xué)氣相淀積，采用BTBAS為硅原子源，原子層淀積(atom layer deposition，ALD)，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(plasma enhancement chemical vapor deposition，PECVD)已經(jīng)用于生長氮化硅，其生長溫度在600℃以下。然而采用低溫CVD生長氮化硅，常常要在膜質(zhì)量和產(chǎn)能之間做選擇。因?yàn)楦弋a(chǎn)能制作的膜質(zhì)量低，或者高膜質(zhì)量方法制作的產(chǎn)能低，高產(chǎn)能導(dǎo)致差的膜，如多孔和在稀釋氫氟酸溶液以及反應(yīng)離子刻蝕腔中的高刻蝕速率。使其在作為掩模保護(hù)多晶硅柵極時(shí)本身及易被侵蝕。
圖1是常規(guī)的多晶硅柵極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，是經(jīng)過在具有淺溝隔離20的襯底10上形成氧化物層和多晶硅層，經(jīng)過光刻、刻蝕形成具有柵極氧化物層12和多晶硅柵極13的柵極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。
圖2是硅氧化物/硅氮化物間隔層方法的前淀積的示意圖，其中已經(jīng)淀積氧化物層04，其采用低壓化學(xué)氣相淀積或者原子層淀積的方法。當(dāng)采用低壓化學(xué)氣相淀積方法時(shí)，采用二(3-丁基胺基)硅烷BTBAS(Bis(tertiary-butylamino)silane)為硅原子源。當(dāng)采用原子層淀積時(shí)，采用3-(二甲基胺基)硅烷TDMAS(tris-(Dimethylamino)Silane)及臭氧(O3)反應(yīng)生成二氧化硅層。圖3是在前淀積氧化層上均勻地淀積一層硅氮化物層05，該硅氮化物淀積方法可以為低壓化學(xué)氣相淀積，采用BTBAS為硅原子源，還可以是原子層淀積，等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積。圖4是刻蝕后形成的間隔層，其刻蝕方法為以氟基氣體為腐蝕劑的等離子體干法刻蝕?？梢钥闯鲂纬闪说镩g隔層15、25，同時(shí)氧化物襯墊層04還在有源區(qū)域(active area，AA)的硅頂部。稀釋的含氫氟酸化學(xué)物質(zhì)用于去除該襯里四乙氧基硅烷(TEOS)以完成間隔層的形成。在此去除過程中，酸還會(huì)侵蝕硅氮化物層。為了更好地控制制程，在該去除工藝中硅氮化物的侵蝕應(yīng)最小化。但是對于高產(chǎn)能生長的硅氮化物，特別是在低溫生長的氮化物層，在氫氟酸中的刻蝕率高，因此氮化物的損失也高。同樣的問題在間隔層材料只是硅氮化物時(shí)，因?yàn)楦弋a(chǎn)能生長成的硅氮化物由于反應(yīng)速度過快，氮化物中氫雜質(zhì)的含量過高，導(dǎo)致氮化物膜在氫氟酸中的刻蝕率過高。過高的硅氮化物刻蝕率將導(dǎo)致間隔層過度侵蝕，器件漏電過量而失效。ONO型的間隔層，同樣由于過高的硅氮化物刻蝕率將導(dǎo)致間隔層過度侵蝕，器件漏電過量而失效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是采用多步驟低溫間隔層淀積生長多層間隔層結(jié)構(gòu)，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的低溫間隔層容易被刻蝕的問題，不僅可以得到合理的產(chǎn)能而且還保持需要的間隔層高膜質(zhì)量。
本發(fā)明的多步驟低溫間隔層淀積方法，包括如下步驟a)形成多晶硅柵極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)；b)淀積第一層間隔層材料，其采用高產(chǎn)能低膜質(zhì)量淀積方法形成；c)刻蝕第一間隔層材料形成初始間隔層；d)淀積第二層間隔層材料，其采用低產(chǎn)能高膜質(zhì)量淀積方法形成；e)刻蝕第二間隔材料形成外間隔層；
根據(jù)本發(fā)明，多晶硅柵極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的形成，包括硅襯底上形成淺溝隔離，依次形成硅氧化物、多晶硅、硬掩模、及光刻膠層，光刻，刻蝕，去除光刻膠。
根據(jù)本發(fā)明，高產(chǎn)能低膜質(zhì)量淀積方法可以是原子層淀積(ALD)，等離子化學(xué)增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)，或化學(xué)氣相淀積(CVD)方法。
根據(jù)本發(fā)明的第一間隔層材料可以是硅氮化物、硅氮氧化物(ON)或硅氧化物/硅氮化物/硅氧化物(ONO)。第一間隔層材料刻蝕，采用以氟基氣體為腐蝕劑的等離子體干法刻蝕，形成初始間隔層。
根據(jù)本發(fā)明，低產(chǎn)能高膜質(zhì)量淀積可以采用原子層淀積(ALD)，等離子化學(xué)增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)，化學(xué)氣相淀積(CVD)方法。
根據(jù)本發(fā)明的外間隔層材料可以是氮化物、氮氧化物(ON)或氧化物/氮化物/氧化物(ONO)。第二間隔層材料刻蝕，采用以氟基氣體為腐蝕劑的等離子體干法刻蝕，形成外間隔層。
本發(fā)明的高產(chǎn)能低膜質(zhì)量淀積和低產(chǎn)能高膜質(zhì)量淀積可以在同一個(gè)淀積反應(yīng)腔中進(jìn)行。
本發(fā)明采用多步驟低溫淀積多層間隔層，初始間隔層采用高產(chǎn)能低膜質(zhì)量淀積方法，而外間隔層采用低產(chǎn)能高膜質(zhì)量淀積方法。由于內(nèi)層初始間隔層快速形成，因此形成的初始間隔層，膜質(zhì)疏松但是產(chǎn)能高；而外間隔層慢速形成，因此形成的膜致密，對內(nèi)層初始間隔層起到保護(hù)作用。由此實(shí)現(xiàn)了合理的產(chǎn)能和需要的高膜質(zhì)量的統(tǒng)一。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)多晶硅柵極圖案形成以后的截面示意圖。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)的在多晶硅柵極結(jié)構(gòu)上前淀積一層氧化物后的截面示意圖。
圖3是現(xiàn)有技術(shù)的在氧化物層上淀積一層氮化物后的截面示意圖。
圖4是現(xiàn)有技術(shù)的刻蝕形成間隔層后的截面示意圖。
圖5是本發(fā)明的在多晶硅柵極圖案形成以后，在上面淀積一層高產(chǎn)能低膜質(zhì)量的間隔層材料的一實(shí)施例的截面示意圖。
圖6是本發(fā)明的圖5中間隔層材料刻蝕形成第一間隔層的截面示意圖。
圖7是本發(fā)明的第一間隔層形成以后，再淀積一層低產(chǎn)能高膜質(zhì)量的間隔層材料的截面示意圖。
圖8是本發(fā)明的第二間隔層材料刻蝕形成第二間隔層的一實(shí)施例的截面示意圖。
附圖標(biāo)記說明04 第一層氧化物淀積層05 第二層氮化物淀積層06 高產(chǎn)能低膜質(zhì)量淀積間隔層07 低產(chǎn)能高質(zhì)量膜淀積間隔層10 硅襯底11 N井12 PMOS柵極氧化層13 PMOS多晶硅柵極14 PMOS柵極氧化物襯墊15 PMOS柵極氮化物間隔層16 PMOS柵極初始間隔層17 PMOS柵極外間隔層20 淺溝隔離21 P井22 NMOS柵極氧化層23 NMOS多晶硅柵極24 NMOS柵極氧化物襯墊25 NMOS柵極氮化物間隔層26 NMOS柵極初始間隔層27 NMOS柵極外間隔層具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例較詳細(xì)說明本發(fā)明。
本發(fā)明的方法一般可以用在硅氮化物、硅氧化物/硅氮化物(ON)間隔層和硅氧化物/硅氮化物/硅氧化物(ONO)間隔層的制作，但不限于此。
實(shí)施例1根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，制作氮化物間隔層，其包括如下步驟a)形成多晶硅柵極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)；如常規(guī)的多晶硅柵極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，是經(jīng)過在具有淺溝隔離20的襯底10上形成氧化物層和多晶硅層，經(jīng)過光刻、刻蝕、去除光刻膠，形成具有柵極氧化物層12和多晶硅柵極13的柵極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，參見圖1。
b)淀積第一層間隔層材料；第一間隔層材料為硅氮化物，采用原子層淀積成膜方法，單層膜成膜周期為15秒，淀積溫度為550℃，每分鐘淀積速率為4，如圖5所示，快速形成疏松的硅氮化物層06，其膜厚度為100-600。
c)刻蝕第一間隔層材料形成初始間隔層；刻蝕第一間隔層材料硅氮化物層06，采用以氟基氣體為腐蝕劑的等離子體干法刻蝕，形成如圖6所示的初始間隔層16、26。
d)淀積第二層間隔層材料；第二間隔層材料為硅氮化物，采用原子層淀積成膜方法，其單層膜成膜周期為40秒，淀積溫度為550℃，每分鐘淀積速率為1.2，如圖7所示，慢速形成致密的硅氮化物層07，膜厚為100-600。
e)刻蝕第二間隔層材料形成外間隔層。
刻蝕第二間隔層材料硅氮化物層07，采用以氟基氣體為腐蝕劑的等離子體干法刻蝕，形成如圖8所示的外間隔層17、27。
上述過程可以在同一個(gè)工藝腔中，通過在淀積制程中改變制程條件同時(shí)進(jìn)行以上兩個(gè)步驟間隔層的形成。這樣得到的間隔層結(jié)構(gòu)，由于初始間隔層疏松但是產(chǎn)能高，而外間隔層雖然產(chǎn)能低但致密，因此，本方法可以保持合理的產(chǎn)能和相對低熱預(yù)算以及在需要的地方還具有高膜質(zhì)量。
實(shí)施例2根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，制作硅氧化物/硅氮化物(ON)型間隔層，其包括如下步驟
a)形成多晶硅柵極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)；如常規(guī)的多晶硅柵極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，是經(jīng)過在具有淺溝隔離20的襯底10上形成氧化物層和多晶硅層，經(jīng)過光刻、刻蝕、去除光刻膠，形成具有柵極氧化物層12和多晶硅柵極13的柵極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，參見圖1。
b)淀積第一層間隔層材料；第一間隔層材料為硅氧化物/硅氮化物，首先采用化學(xué)氣相淀積方法淀積硅氧化物，其厚度為20-300，再采用原子層淀積成膜方法，其單層膜成膜周期為15秒，淀積溫度為550℃，每分鐘淀積速率為4，快速淀積形成疏松的硅氮化物層06，其厚度為100-600。
c)刻蝕第一間隔層材料形成初始間隔層；淀積的第一間隔層材料，硅氧化物和硅氮化物層06(圖中未將兩層分別示出)，采用等離子體干法刻蝕，形成初始間隔層16、26。
d)淀積第二層間隔層材料；外間隔層材料為硅氮化物，采用原子層淀積成膜方法，其單層膜成膜周期為40秒，淀積溫度為550C，每分鐘淀積速率為1.2，慢速淀積形成致密的硅氮化物07，其厚度為20-300。
e)刻蝕第二間隔層材料形成外間隔層。
采用等離子體干法刻蝕，刻蝕第二間隔層材料硅氮化物層07，形成外間隔層17、27。該外間隔層17、27將初始間隔層16、26包裹在其中，形成ON型間隔層。
該過程可以在同一個(gè)工藝腔中，通過在淀積制程中改變制程條件同時(shí)進(jìn)行以上兩個(gè)步驟。這樣得到的間隔層結(jié)構(gòu)，由于初始間隔層疏松但是產(chǎn)能高，而外間隔層雖然產(chǎn)能低但是致密，因此，本方法可以保持合理的產(chǎn)能和相對低熱預(yù)算以及在需要的地方還具有高膜質(zhì)量。
實(shí)施例3根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例，制作硅氧化物/硅氮化物/硅氧化物(ONO)型間隔層的方法，其包括如下步驟a)形成多晶硅柵極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)；如常規(guī)的多晶硅柵極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，是經(jīng)過在具有淺溝隔離20的襯底10上形成氧化物層和多晶硅層，經(jīng)過光刻、刻蝕形成具有柵極氧化物層12和多晶硅柵極13的柵極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，參見圖1。
b)淀積第一間隔層材料；第一間隔層材料，首先采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積硅氧化物，典型反應(yīng)是硅烷和氮氧化物反應(yīng)(SiH4+N2O)～，生成的氧化硅(SiO2)或四乙氧基硅烷(tetraethylorthosilicate，TEOS)在等離子環(huán)境中進(jìn)行淀積形成硅氧化物膜，其厚度為20-300；再采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積成膜方法，其典型反應(yīng)是硅烷和胺在氮?dú)鈿夥障路磻?yīng)(SiH4+N2+NH3～)，生成的氮化硅(SiN)在等離子環(huán)境下快速淀積成為硅氮化物膜06，其厚度為100-600。
c)刻蝕第一間隔層材料形成初始間隔層；刻蝕第一間隔層材料硅氧化物/硅氮化物層06，采用以氟基氣體為腐蝕劑的等離子體干法刻蝕方法，形成初始間隔層16、26。
d)淀積第二間隔層材料；第二間隔層材料為硅氮化物，采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積方法，其典型反應(yīng)是硅烷和胺在氮?dú)鈿夥障路磻?yīng)(SiH4+N2+NH3～)，生成的氮化硅(SiN)在等離子環(huán)境下慢速淀積成為氮化硅膜07，其厚度為100-600。其與第一間隔層材料中硅氮化物淀積方法相同，只是其中氮?dú)獾臐舛容^高，而且等離子電場強(qiáng)度較低，因此淀積速率較慢，形成的膜致密。
e)淀積硅氧化物在硅氮化物層外面，再采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積方法或化學(xué)氣相淀積方法，條件同b)步驟的硅氧化物膜的形成，氣體比例、溫度和壓力的設(shè)置可以與步驟b)相同，也可以與步驟b)不同，其厚度為300-1500，作為犧牲層，目的是在去除該氧化物層后可以形成“L”形的氮化硅間隔層。
f)刻蝕第二間隔層材料形成外間隔層?？涛g第二間隔層材料，硅氧化物/硅氮化物/硅氧化物層07(圖中未分別示出)，采用等離子體干法刻蝕，形成外間隔層17、27。
該過程可以在同一個(gè)工藝腔中，通過在淀積制程中改變制程條件同時(shí)進(jìn)行以上兩個(gè)步驟。這樣得到的間隔層結(jié)構(gòu)，由于初始間隔層疏松但產(chǎn)能高，而外間隔層雖然產(chǎn)能低但致密，因此，本方法可以保持合理的產(chǎn)能和相對低熱預(yù)算以及在需要的地方還具有高膜質(zhì)量。
權(quán)利要求
1.多步驟低溫間隔層制作方法，包括如下步驟a)形成多晶硅柵極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)；b)淀積第一層間隔層材料，其采用高產(chǎn)能低膜質(zhì)量淀積方法形成；c)刻蝕第一間隔層材料形成初始間隔層；d)淀積第二層間隔層材料，其采用低產(chǎn)能高膜質(zhì)量淀積方法形成；e)刻蝕第二間隔層材料形成外間隔層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多步驟低溫間隔層制作方法，其特征在于，所述的多晶硅柵極導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的形成，包括硅襯底上形成淺溝隔離，依次形成硅氧化物、多晶硅、硬掩模、及光刻膠層，光刻，刻蝕，去除光刻膠。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多步驟低溫間隔層制作方法，其特征在于，所述的高產(chǎn)能低膜質(zhì)量淀積，采用原子層淀積方法。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多步驟低溫間隔層制作方法，其特征在于，所述的原子層淀積成膜方法，其單層膜成膜周期為15秒，淀積溫度為550℃，每分鐘淀積速率為4。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多步驟低溫間隔層制作方法，其特征在于，所述的高產(chǎn)能低膜質(zhì)量淀積，采用等離子化學(xué)增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多步驟低溫間隔層制作方法，其特征在于，所述的高產(chǎn)能低膜質(zhì)量淀積，采用化學(xué)氣相淀積方法。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多步驟低溫間隔層制作方法，其特征在于，所述的第一層間隔層材料是硅氮化物、硅氧化物/硅氮化物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多步驟低溫間隔層制作方法，其特征在于，所述的第一間隔層材料，采用以氟基氣體為腐蝕劑的等離子體干法刻蝕，形成初始間隔層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多步驟低溫間隔層制作方法，其特征在于，所述的低產(chǎn)能高膜質(zhì)量淀積，采用原子層淀積方法。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多步驟低溫間隔層制作方法，其特征在于，所述的原子層淀積成膜方法，其單層膜成膜周期為40秒，淀積溫度為550℃，每分鐘淀積速率為1.2。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多步驟低溫間隔層制作方法，其特征在于，所述的低產(chǎn)能高膜質(zhì)量淀積，采用等離子化學(xué)增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多步驟低溫間隔層制作方法，其特征在于，所述的低產(chǎn)能高膜質(zhì)量淀積，采用化學(xué)氣相淀積。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的任意一個(gè)所述的多步驟低溫間隔層制作方法，其特征在于，所述的第二間隔層材料是硅氮化物。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多步驟低溫間隔層制作方法，其特征在于，所述的第二間隔層材料采用以氟基氣體為腐蝕劑的等離子體干法刻蝕，形成外間隔層。
15.根據(jù)權(quán)利要求1～14中任意一項(xiàng)所述的多步驟低溫間隔層制作方法，其特征在于，所述的高產(chǎn)能低膜質(zhì)量淀積和低產(chǎn)能高膜質(zhì)量淀積，可以在同一個(gè)淀積反應(yīng)腔中進(jìn)行。
16.根據(jù)權(quán)利要求1～14中的任意一項(xiàng)所述的多步驟低溫間隔層制作方法，其特征在于，所述的初始間隔層厚度為100-600。
17.根據(jù)權(quán)利要求1～14中的任意一項(xiàng)所述的多步驟低溫間隔層制作方法，其特征在于，所述的外間隔層厚度為100-600。
全文摘要
多步驟低溫間隔層制作方法，形成多層間隔層結(jié)構(gòu)，其中初始間隔層采用高產(chǎn)能低膜質(zhì)量淀積方法，而外間隔層采用低產(chǎn)能高膜質(zhì)量淀積方法，因此形成的多層間隔層，內(nèi)層初始間隔層疏松但產(chǎn)能高，而外間隔層致密對內(nèi)層起到保護(hù)作用，實(shí)現(xiàn)了合理的產(chǎn)能和需要的高膜質(zhì)量的統(tǒng)一。
文檔編號H01L21/28GK1933107SQ20051002970
公開日2007年3月21日 申請日期2005年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月15日
發(fā)明者寧先捷, 樸松源 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司