專利名稱：具有球形凹陷和鞍鰭的半導體器件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種半導體器件的制造方法，更具體涉及一種具有球形凹陷和鞍鰭的半導體器件及其制造方法。
背景技術：
當半導體器件被超高集成時，因為結漏電是由于隨著柵極溝道長度的減少和植入物摻雜濃度的增加而使得電場增加所造成的，所以根據在平坦有源區(qū)上形成平面柵極的典型方法，難以充分確保器件的刷新(refresh)特性。
為了克服上述限制，通過以下方式實施凹陷柵極過程將有源區(qū)圖案化以在其中形成凹陷圖案(這稱為硅凹陷過程)，之后，將導電材料填入凹陷圖案由此形成凹陷柵極。此凹陷柵極過程可以增加柵極溝道長度和減少植入物摻雜濃度，使得器件的刷新特性可以因此得到增強。
圖1為使用根據典型方法的硅凹陷過程的柵極疊層結構的橫截面圖。凹陷12形成在襯底11的特定區(qū)域上，在該區(qū)域中將通過硅凹陷過程形成溝道(以下簡稱為溝道形成區(qū))。柵極氧化物層13形成在具有凹陷12的襯底11的表面上，并且柵極疊層形成在柵極氧化物層13上，其中柵極疊層由順序堆疊的多晶硅14、由硅化鎢(WSi)或鎢(W)形成的金屬基電極15和柵極硬掩模16構成。
但是，當器件被微型化成更小的晶體管時，具有圖1的柵極疊層結構的半導體器件仍然具有刷新時間特性變差的限制。為了解決上述限制，最近已有人提出球形凹陷結構。
圖2為根據典型方法的具有球形凹陷的柵極疊層結構的橫截面圖。球形凹陷22(以下稱為球形凹陷)提供在襯底21的特定區(qū)域即溝道形成區(qū)中。之后，在包含球形凹陷22的襯底21的表面上形成柵極氧化物層23，然后在柵極氧化物層23上形成柵極疊層，其中柵極疊層由順序堆疊的多晶硅24、由硅化鎢(WSi)或鎢(W)形成的金屬基電極25和柵極硬掩模26構成。
當圖2的球形凹陷結構應用到半導體器件時，有可能改善刷新時間的限制。但是，當器件變得更小時，還會發(fā)生電流驅動能力逐漸退化的另一限制。
發(fā)明內容
本發(fā)明的實施方案涉及一種能夠確保電流驅動能力和改善刷新時間特性的半導體器件。
根據本發(fā)明的一個方面，提供一種半導體器件，包含有源區(qū)；形成在有源區(qū)的溝道形成區(qū)中的具有一定深度的球形凹陷；包圍有源區(qū)的器件隔離結構，其中該器件隔離結構具有線形開口，使得器件隔離結構的表面低于球形凹陷的底部并且部分有源區(qū)呈鞍鰭狀突出于器件隔離結構；形成在由開口暴露的器件隔離結構和包含球形凹陷的有源區(qū)上方的柵極絕緣層；和形成在柵極絕緣層上方的柵電極，柵電極填充在球形凹陷中并且覆蓋由開口暴露的器件隔離結構。
根據本發(fā)明的另一方面，提供一種半導體器件的制造方法，包括在襯底中形成器件隔離結構以限定有源區(qū)；蝕刻有源區(qū)的溝道形成區(qū)至一定深度以形成球形凹陷；選擇性蝕刻器件隔離結構以形成線形開口，使得器件隔離結構的表面低于球形凹陷的底部并且部分有源區(qū)呈鞍鰭狀突出于器件隔離結構；在包含球形凹陷的所得結構和由開口暴露的器件隔離結構的表面上方形成柵極絕緣層；以及在柵極絕緣層上方形成柵電極，使得柵電極填充在球形凹陷之中，并且覆蓋由開口暴露的器件隔離結構。
根據本發(fā)明的再一方面，提供一種半導體器件的制造方法，包括在襯底中形成器件隔離結構以限定有源區(qū)；選擇性蝕刻器件隔離結構以形成暴露有源區(qū)的溝道形成區(qū)兩側的開口，其中開口的底部低于有源區(qū)的表面；蝕刻高于開口底部表面的有源區(qū)的溝道形成區(qū)，以形成具有鞍鰭結構的球形凹陷；在包含球形凹陷的所得結構表面上方形成柵極絕緣層；以及在柵極絕緣層上方形成柵電極，使得柵電極填充在球形凹陷之中，并且覆蓋由開口暴露的器件隔離結構。
圖1為使用根據典型方法的硅凹陷過程的柵極疊層結構的橫截面圖；圖2為根據典型方法的具有球形凹陷的柵極疊層結構的橫截面圖；圖3A～3D為示出根據本發(fā)明第一實施方案的半導體器件制造方法的橫截面圖；圖4為根據本發(fā)明第一實施方案的半導體器件結構沿長軸方向的部分橫截面透視圖；和圖5A～5D為示出根據本發(fā)明第二實施方案的半導體器件制造方法的橫截面圖。
具體實施例方式
根據本發(fā)明示例性實施方案的具有球形凹陷和鞍鰭的半導體器件及其制造方法將參考附圖詳細說明。
圖3A～3D為示出根據本發(fā)明第一實施方案的半導體器件制造方法的橫截面圖。下面，交替長短虛線的左側是沿有源區(qū)長軸方向截取的橫截面圖，而交替長短虛線的右側是沿有源區(qū)短軸方向截取的橫截面圖，例如具體是線I-I’。
參考圖3A和圖3B，使用淺溝槽隔離(STI)技術形成器件隔離結構32，使得器件隔離結構32填入襯底31的溝槽T中。利用器件隔離結構32，在襯底31中限定有源區(qū)31A。
接著，通過硅凹陷蝕刻過程，蝕刻有源區(qū)31A至特定深度，以形成球形凹陷33。此處，球形凹陷33是通過蝕刻有源區(qū)31A的特定區(qū)域形成的，在該區(qū)域中柵極溝道將形成在有源區(qū)31A中。下面，將形成溝道的有源區(qū)31A的特定區(qū)域簡稱為溝道形成區(qū)。
球形凹陷33的形成方法從蝕刻有源區(qū)31A到第一深度H1開始，由此形成蝕刻輪廓為垂直形狀的頸部圖案33A。之后，執(zhí)行各向同性蝕刻，使得頸部圖案33A的底部表面變成圓形輪廓。因此，形成具有第二深度H2的球形圖案33B，其中球形圖案33B與頸部圖案33A相連。換言之，球形凹陷33由頸部圖案33A和球形圖案33B構成，使得球形凹陷33的最終深度為H3。此處，在漏電流方面，球形凹陷33的最終深度H3可以比器件隔離結構32的深度更淺。此外，形成球形凹陷33，使得球形圖案33B的寬度D2大于頸部圖案33A的寬度D1，這導致溝道長度增加更多。
下面將更全面說明形成球形凹陷33的蝕刻過程。首先，使用氯氣(Cl2)、溴化氫(HBr)氣體或其混合氣體作為形成頸部圖案33A的蝕刻氣體。其次，使用四氟化碳/氧氣(CF4/O2)混合氣體或Cl2/HBr/六氟化硫(SF6)/O2混合氣體實施各向同性蝕刻，以形成球形圖案33B。
其間，當形成球形圖案33B時，可以使用氮化物在頸部圖案33A的側壁上預先形成厚約250的間隔層，以防止頸部圖案33A的側壁受到損傷。
球形凹陷33通過蝕刻有源區(qū)31A的溝道形成區(qū)而形成，球形凹陷33的兩端鄰近器件隔離結構32，這可以從圖3B的沿短軸方向截取的橫截面圖很好地理解。換言之，當在沿短軸方向截取的橫截面圖中顯示時，球形凹陷33的兩端與器件隔離結構32接觸，而球形凹陷33的底部表面比器件隔離結構32所填入的溝槽T的底部表面更淺。
參考圖3C，蝕刻與球形凹陷33接觸的器件隔離結構32至特定深度，由此形成鞍狀鰭片34(下面稱為鞍鰭)。換言之，蝕刻與球形凹陷33兩端接觸的器件隔離結構32至特定深度，以形成線形開口35。因此，在球形凹陷33的球形圖案33B下方的有源區(qū)31A呈鰭狀突出于圖案化的器件隔離結構32A。具體而言，由于線形開口35的緣故，器件隔離結構32的表面變得低于球形凹陷33的球形圖案33B的底部表面，因此在球形圖案33B下方的有源區(qū)31A比圖案化的器件隔離結構32A的表面更向上突出。此處，在圖3C沿長軸方向截取的橫截面圖中顯示，鞍鰭34位于球形凹陷33的球形圖案33B的底部表面下方，而在圖3C沿短軸方向截取的橫截面圖中顯示，由于線形開口35導致鞍鰭34向上突出。
通過利用已用于形成頸部圖案33A的掩模，實施器件隔離結構32的蝕刻，具體是在例如對于硅具有滿意的蝕刻選擇性的蝕刻條件下蝕刻器件隔離結構32，以防止球形凹陷33的蝕刻損傷。因此，鞍鰭34的寬度D3大致和頸部圖案33A的寬度D1相同，但是小于球形圖案33B的寬度D2。同時，注意鞍鰭34的上表面和圖案化的器件隔離結構32A的底部表面之間的深度差應該為約150或更大，例如，約150到約300。
通過利用上述一系列過程形成鞍鰭34，得到由球形凹陷33和鞍鰭34構成的球形鞍鰭(BS-fin)結構。此處，在附圖中將BS-fin標示為附圖標記100，其深度為H4。
如上所述，通過形成具有球形凹陷33和位于其下方的鞍鰭34的BS-fin 100，可以將溝道長度擴展到大于只采用球形凹陷的情況。此外，在本發(fā)明中，具有優(yōu)異刷新時間特性的球形凹陷33和具有滿意的電流驅動能力的鞍鰭34被結合在一起，由此可以改善電流驅動能力和刷新時間特性。
參考圖3D，在包括BS-fin 100的所得結構的表面上形成柵極絕緣層36之后，在柵極絕緣層36上沉積多晶硅37，直到BS-fin 100完全被多晶硅37填滿。此時，由于在沉積多晶硅37時存在由BS-fin 100所造成的表面起伏，因此可以通過化學機械研磨(CMP)方法等額外實施平坦化過程。
接著，在多晶硅37上依序形成由硅化鎢(WSi)或鎢(W)形成的金屬基電極38和柵極硬掩模39之后，使用柵極掩模實施柵極圖案化過程。
圖4為根據本發(fā)明第一實施方案的半導體器件結構沿長軸方向截取的部分橫截面透視圖。在柵極疊層結構中，僅示出多晶硅37。
應該理解，多晶硅37形成在蝕刻到特定深度的圖案化器件隔離結構32A的表面上。柵極絕緣層36和多晶硅37也形成在鞍鰭34的兩側。因為多晶硅37具有多晶硅37填滿球形凹陷33這樣的形狀，因此由于球形凹陷33的球形圖案33B的緣故，多晶硅37具有部分類似球形的圓形突起。此處，類似的附圖標記表示類似的構件，所以沒有顯示在圖4中的附圖標記可以參考圖3A～3D。
圖5A～5D為示出根據本發(fā)明第二實施方案的半導體器件制造方法的橫截面圖。下面，交替長短虛線的左側是沿有源區(qū)長軸方向截取的橫截面圖，而交替長短虛線的右側是沿有源區(qū)短軸方向截取的橫截面圖，例如具體是線II-II’。。
參考圖5A，利用STI技術在襯底中形成器件隔離結構42，使得有源區(qū)41A被器件隔離結構42所限定。
同時，器件隔離結構42被填入具有傾斜蝕刻輪廓而非垂直輪廓的溝槽T中，因此器件隔離結構42也具有傾斜輪廓的側壁。因此，如果在器件隔離結構42具有傾斜輪廓側壁的情況下首先實施硅凹陷過程，則可能因傾斜輪廓而產生大的尖角，使得難以在后續(xù)過程中形成球形凹陷。
因此，在本發(fā)明的第二實施方案中，將器件隔離結構42預先形成線形圖案，然后實施硅凹陷蝕刻過程。詳細來說，使用光刻膠層在表面上形成掩模43，其中掩模43打開有源區(qū)的溝道形成區(qū)和鄰近溝道形成區(qū)的器件隔離結構42的上表面。之后，使用掩模作為蝕刻阻擋層，蝕刻沒有被掩模43遮蔽的器件隔離結構42到特定深度，由此形成開口44。此處，在例如對于硅具有滿意的蝕刻選擇性的蝕刻條件下蝕刻器件隔離結構42，以防止有源區(qū)41A的蝕刻損傷。
同時，可以單獨使用光刻膠層作為掩模43，或者可以使用硬掩模作為掩模43。此處，開口44僅在沿短軸方向II-II’截取的橫截面圖中可見，而保留在開口44下方的圖案化器件隔離結構42A具有比之前更小的厚度。
參考圖5B和5C，使用在蝕刻器件隔離結構42時所用的掩模43，通過硅凹陷蝕刻過程蝕刻有源區(qū)41A的暴露的溝道形成區(qū)。形成球形凹陷45的方法從蝕刻有源區(qū)41A到第一深度H1開始，由此形成蝕刻輪廓為垂直形狀的頸部圖案45A。之后，實施各向同性蝕刻，使得頸部圖案45A的底部表面變成圓形圖案。因此，形成具有第二深度H2的球形圖案45B，其中球形圖案45B與頸部圖案45A相連。換言之，球形凹陷45由頸部圖案45A和球形圖案45B構成，使得球形凹陷45的最終深度為H3。此處，就漏電流而言，球形凹陷45的最終深度H3可以比器件隔離結構42的深度更淺。此外，形成球形凹陷45，使得球形圖案45B的寬度D2大于頸部圖案45A的寬度D1，這導致溝道長度增加更多。
下面將更充分地說明形成球形凹陷45的蝕刻過程。首先，可以使用氯氣(Cl2)，溴化氫(HBr)氣體或其混合氣體作為形成頸部圖案45A的蝕刻氣體。其次，使用CF4/O2混合氣體或Cl2/HBr/SF6/O2混合氣體，實施各向同性蝕刻，以形成球形圖案45B。
其間，當形成球形圖案45B時，可以使用氮化物在頸部圖案45A的側壁上預先形成厚約250的間隔層，以防止頸部圖案45A的側壁受到損傷。
球形凹陷45通過蝕刻有源區(qū)41A的溝道形成區(qū)形成，球形凹陷45的兩端鄰近圖案化的器件隔離結構42A。換言之，當在沿短軸方向所截取的橫截面圖中顯示時，球形凹陷45的兩端與圖案化的器件隔離結構42A接觸，并且球形凹陷45的底部表面比填充器件隔離結構42的溝槽T的底部表面更淺。
通過形成上述球形凹陷45，形成高于圖案化的器件隔離結構42A表面的鞍鰭46。此處，比圖案化的器件隔離結構42A更突出的鞍鰭46的高度為至少約150，即在約150到約300范圍內。因此，鞍鰭46和圖案化的器件隔離結構42A之間的深度差應該為150或更大。
換言之，因為與球形凹陷45的兩側接觸的圖案化器件隔離結構42A被預先蝕刻，所以球形凹陷45的球形圖案45B的底部表面突出成鰭狀。特別地，當預先形成開口44之后蝕刻在開口44下方的有源區(qū)以形成球形凹陷45時，球形圖案45B的底部表面變得高于圖案化的器件隔離結構42A的表面，使得球形圖案45B的底部表面更突出于圖案化的器件隔離結構42A的表面。此處，在沿長軸方向所截取的橫截面圖中顯示，鞍鰭46位于球形凹陷45的球形圖案45B的底部表面下方，而在沿短軸方向所截取的橫截面圖中顯示，鞍鰭46比圖案化的器件隔離結構42A更突出。
其間，為了形成鞍鰭46，在對于由氧化物形成的器件隔離結構42具有滿意的蝕刻選擇性的蝕刻條件下，使用掩模43實施蝕刻過程。鞍鰭46的寬度D3基本上與頸部圖案45A的寬度D1相同，但是小于球形圖案45B的寬度D2。
通過上述一系列過程形成鞍鰭46，得到由球形凹陷45和鞍鰭46構成的球形鞍鰭(BS-fin)結構。此處，在附圖中BS-fin被標示為附圖標記200，其深度為H4。
如上所述，通過形成具有球形凹陷45和位于其下方的鞍鰭46的BS-fin 200，可以使溝道長度伸長到大于只采用球形凹陷的情況。此外，在本發(fā)明中，將具有優(yōu)異刷新時間特性的球形凹陷45和具有滿意的電流驅動能力的鞍鰭46結合在一起，由此改善電流驅動能力和刷新時間特性。
參考圖5D，在包含BS-fin 200的所得結構的表面上形成柵極絕緣層47之后，在柵極絕緣層47上沉積多晶硅48，直到BS-fin 200完全被多晶硅48填滿。此時，因為可能存在沉積多晶硅48時由BS-fin 200所造成的表面起伏，所以還可以通過CMP方法等額外實施平坦化過程。接著，在多晶硅48上順序形成由硅化鎢(WSi)或鎢(W)形成的金屬基電極49和柵極硬掩模50之后，使用柵極掩模實施柵極圖案過程。
在上述的第二實施方案中，填充器件隔離結構42的溝槽T的蝕刻輪廓具有傾斜形狀。在第二實施方案中，在形成球形凹陷45之前，通過蝕刻器件隔離結構42到特定深度，形成用以突出鞍鰭狀結構的開口44。因此，可以防止在形成球形凹陷45的蝕刻過程中，產生由具有傾斜輪廓的溝槽T所造成的尖角。
根據實施方案，本發(fā)明采用鞍鰭和球形凹陷，用以確保晶體管的充分刷新和性能。因此，可以因為球形凹陷的優(yōu)點而改善刷新時間特性，而且還可以因為鞍鰭的優(yōu)點而確保電流驅動能力。
如上所述，通過形成由球形凹陷和鞍鰭構成的BS-fin，本發(fā)明提供確保電流驅動能力和刷新時間特性的有利效果。
雖然本發(fā)明已對于某些實施方案進行說明，但是本領域技術人員顯而易見的是可以作出各種不同的變化和修改，而不脫離如所附權利要求所限定的本發(fā)明的實質和范圍。
附圖標記說明11，21，31，41襯底12凹陷13，23柵極氧化物層14，24，37，48多晶硅15，25，38，49金屬基電極16，26柵極硬掩模22，33，45球形凹陷31A，41A 有源區(qū)32，42器件隔離結構33A，45A 頸部圖案33B，45B 球形圖案34，46鞍鰭35線形開口36，47柵極絕緣層39，43掩模44開口50柵極硬掩模100，200 球形鞍鰭
權利要求
1.一種半導體器件，包含有源區(qū)；形成在有源區(qū)的溝道形成區(qū)中具有一定深度的球形凹陷；包圍有源區(qū)的器件隔離結構，其中器件隔離結構具有線形開口，使得器件隔離結構的表面低于球形凹陷的底部，并且部分有源區(qū)呈鞍鰭狀突出于器件隔離結構；形成在由開口暴露的器件隔離結構和包含球形凹陷的有源區(qū)上方的柵極絕緣層；和形成在柵極絕緣層上方的柵電極，柵電極填充在球形凹陷中，并且覆蓋由開口暴露的器件隔離結構。
2.權利要求1的半導體器件，其中所述球形凹陷包含具有第一寬度的垂直輪廓的頸部圖案；和具有大于第一寬度的第二寬度的圓形輪廓的球形圖案。
3.權利要求2的半導體器件，其中球形凹陷的頸部圖案寬度基本上與器件隔離結構的開口寬度相同。
4.權利要求3的半導體器件，其中呈鞍鰭狀突出于器件隔離結構的有源區(qū)的高度為至少約150。
5.一種制造半導體器件的方法，該方法包括在襯底中形成器件隔離結構，以限定有源區(qū)；蝕刻有源區(qū)的溝道形成區(qū)至一定深度，以形成球形凹陷；選擇性蝕刻器件隔離結構，以形成線形開口，使得器件隔離結構的表面低于球形凹陷的底部，并且部分有源區(qū)呈鞍鰭狀突出于器件隔離結構；在包括球形凹陷的所得結構表面和由開口暴露的器件隔離層上方形成柵極絕緣層；和在柵極絕緣層上方形成柵電極，使得柵電極填充在球形凹陷中，并且覆蓋由開口暴露的器件隔離結構。
6.權利要求5的方法，其中所述選擇性蝕刻還包括形成打開球形凹陷的入口并且呈線形打開鄰近球形凹陷的器件隔離結構的掩模；和使用掩模作為蝕刻阻擋層，選擇性蝕刻器件隔離結構，使得器件隔離結構的上表面低于球形凹陷的底部表面。
7.權利要求6的方法，其中形成掩模還包括形成打開球形凹陷的入口至一定寬度并且呈線形打開鄰近球形凹陷的器件隔離結構至基本相同寬度的掩模。
8.權利要求6的方法，其中形成掩模還包括形成打開球形凹陷入口的掩模，并且打開器件隔離結構的蝕刻深度比球形凹陷的底部表面深至少150。
9.一種制造半導體器件的方法，該方法包括在襯底中形成器件隔離結構，以限定有源區(qū)；選擇性蝕刻器件隔離結構，以形成暴露有源區(qū)的溝道形成區(qū)兩側的開口，其中開口的底部低于有源區(qū)的表面；蝕刻高于開口底部表面的有源區(qū)的溝道形成區(qū)，以形成具有鞍鰭結構的球形凹陷；在包括球形凹陷的所得結構表面上方形成柵極絕緣層；和在柵極絕緣層上方形成柵電極，使得柵電極填充在球形凹陷中，并且覆蓋由開口暴露的器件隔離結構。
10.權利要求9的方法，其中形成開口包括形成同時呈線形打開襯底上方的有源區(qū)的溝道形成區(qū)和部分器件隔離結構的掩模；和使用掩模作為蝕刻阻擋層，選擇性蝕刻器件隔離結構。
11.權利要求9的方法，其中形成球形凹陷包括蝕刻由開口暴露的有源區(qū)溝道形成區(qū)，以形成具有側壁的頸部圖案；在頸部圖案的側壁上形成間隔層；和將頸部圖案的底部蝕刻成圓形輪廓，以形成球形圖案。
12.權利要求11的方法，其中形成還包括形成包含氮化物的間隔層。
13.權利要求11的方法，其中蝕刻頸部圖案的底部還包括各向同性蝕刻。
14.權利要求9的方法，其中開口的深度比球形凹陷的底部表面深至少150。
全文摘要
一種半導體器件包含有源區(qū)；形成在有源區(qū)的溝道形成區(qū)中的具有一定深度的球形凹陷；包圍有源區(qū)的器件隔離結構，其中器件隔離結構具有線形開口，使得器件隔離結構的表面低于球形凹陷的底部，并且部分有源區(qū)呈鞍鰭狀突出于器件隔離結構；形成在由開口暴露的器件隔離結構和包含球形凹陷的有源區(qū)上方的柵極絕緣層；和形成在柵極絕緣層上方的柵電極，柵電極填充在球形凹陷中，并且覆蓋由開口暴露的器件隔離結構。
文檔編號H01L21/336GK101083281SQ20071009077
公開日2007年12月5日 申請日期2007年4月2日 優(yōu)先權日2006年6月1日
發(fā)明者金光玉 申請人:海力士半導體有限公司