專(zhuān)利名稱(chēng)：具有凹陷柵極的半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件，以及更具體而言，涉及一種具有凹 陷柵極的半導(dǎo)體器件及一種制造該半導(dǎo)體器件的方法。
背景技術(shù)：
最近，隨著半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件的高度集成，器件的尺寸縮小及圖案 變得較細(xì)。由于器件的尺寸變得較小，因此柵極溝道長(zhǎng)度亦減少，以 致于信息的操作速度或輸入\輸出速率因短溝道效應(yīng)、熱載流子效應(yīng)等 所造成的漏電流而變得較慢。
為了防止此現(xiàn)象，已提出用以確保溝道長(zhǎng)度的各種構(gòu)造的凹陷柵 極。其中，球形凹陷柵極在近年來(lái)已被實(shí)際使用且被積極地研究，因 為它具有可有效確保通道長(zhǎng)度的優(yōu)點(diǎn)。球形凹陷柵極設(shè)置為具有垂直 形狀的上部及球形形狀的下部。
圖1說(shuō)明用以表示制造在半導(dǎo)體器件中的凹陷柵極的典型方法的 剖面圖。在半導(dǎo)體襯底11的預(yù)定區(qū)域中形成器件隔離結(jié)構(gòu)12以限定 有源區(qū)及場(chǎng)區(qū)域。選擇性地蝕刻有源區(qū)的半導(dǎo)體襯底11以形成球形凹 陷13。球形凹陷13具有垂直的上部分3A及球形下部13B。在半導(dǎo)體 襯底11上形成柵極絕緣層14,其中在半導(dǎo)體襯底11處形成有球形凹 陷13。在柵極絕緣層14上成柵極導(dǎo)電層，使得柵極導(dǎo)電層被填入球 形凹陷13內(nèi)且突出高于半導(dǎo)體襯底11的上表面。在此，該柵極導(dǎo)電 層包括連續(xù)堆疊的多晶硅多晶硅層15及金屬或金屬硅化物層16。
如以上所述，球形凹陷柵極是用以加寬溝道長(zhǎng)度。然而，因?yàn)榍?形凹陷13的垂直的上部13A較窄，而該球形下部13B是圓形的，所 以無(wú)法完全將多晶硅多晶硅層15填入球形部分13B，以致于在多晶硅
多晶硅層15中出現(xiàn)接縫(seam ) A。
此外，使用各向同性蝕刻工藝以形成球形凹陷13的球形下部13B, 這導(dǎo)致另一局限:在垂直的上部13A與球形部分13B接合處具有尖銳 部分B。尖銳部分B對(duì)器件特性具有不利影響，例如柵極絕緣層14 的變壞。
圖2說(shuō)明用以表示依據(jù)該典型方法之局限的透射電子顯微鏡 (TEM)顯微圖。可能無(wú)法完全將多晶硅層填入凹陷，因而在多晶硅層 中出現(xiàn)接縫。

發(fā)明內(nèi)容
公開(kāi)內(nèi)容的實(shí)施方案是關(guān)于提供一種具有凹陷柵極的半導(dǎo)體器件 及一種制造該半導(dǎo)體器件的方法，其可防止在沉積用于柵極電極的導(dǎo) 電圖案時(shí)至少部分由于淺凹陷而出現(xiàn)接縫，并且盡管存在該淺凹陷仍 可通過(guò)使用外延半導(dǎo)體層以確保高度集成器件所需的足夠溝道長(zhǎng)度。
依據(jù)該公開(kāi)內(nèi)容的一些方面，提供一種具有凹陷柵極的半導(dǎo)體器 件，包括:具有凹陷的半導(dǎo)體襯底;用于柵極電極的導(dǎo)電圖案，其填充 凹陷及具有突出高于半導(dǎo)體襯底表面的延伸部分;外延半導(dǎo)體層，具有 上表面并且布置在半導(dǎo)體襯底之上;以及柵極絕緣層，布置在外延半導(dǎo) 體層與導(dǎo)電圖案之間及半導(dǎo)體襯底與導(dǎo)電圖案之間。
依據(jù)其它實(shí)施方案，提供一種制造具有凹陷柵極的半導(dǎo)體器件的 方法，該方法包括:在半導(dǎo)體襯底中形成一凹陷，其中半導(dǎo)體襯底具有 上表面;在凹陷的表面上形成第一柵極絕緣層;形成用于柵極電極的導(dǎo) 電圖案，其中導(dǎo)電圖案填充凹陷及具有突出高于半導(dǎo)體襯底的上表面 的延伸部分;在導(dǎo)電圖案的延伸部分的側(cè)表面上形成第二柵極絕緣層; 以及在半導(dǎo)體襯底上外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體層至導(dǎo)電圖案的上表面。
依據(jù)其它實(shí)施方案，提供一種制造具有凹陷柵極的半導(dǎo)體器件的 方法，該方法包括:在半導(dǎo)體襯底中形成凹陷，其中半導(dǎo)體襯底具有上 表面;在凹陷的表面上形成第一柵極絕緣層;以及形成用于柵極電極的導(dǎo) 電圖案，其中導(dǎo)電圖案填充凹陷及具有突出高于半導(dǎo)體襯底的上表面的 延伸部分。
依據(jù)其它實(shí)施方案，提供一種具有凹陷柵極的半導(dǎo)體器件，包含: 具有凹陷的半導(dǎo)體襯底;以及用于柵極電極的導(dǎo)電圖案，其填充凹陷并
具有突出高于半導(dǎo)體襯底的表面的延伸部分。


圖1說(shuō)明用以表示制造在半導(dǎo)體器件中的凹陷柵極的典型方法的 剖面圖。
圖2說(shuō)明用以表示該典型方法的局限的透射電子顯微鏡(TEM)顯
圖3說(shuō)明依據(jù)該公開(kāi)內(nèi)容的一些實(shí)施方案的半導(dǎo)體器件的凹陷柵 極結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖4A至4F說(shuō)明用以表示依據(jù)該公開(kāi)內(nèi)容的一些實(shí)施方案制造在
半導(dǎo)體裝中凹陷柵極的方法的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
圖3說(shuō)明依據(jù)一些實(shí)施方案的半導(dǎo)體器件的凹陷柵極結(jié)構(gòu)剖面 圖。在半導(dǎo)體襯底21中設(shè)置器件隔離結(jié)構(gòu)22以限定有源區(qū)。在半導(dǎo) 體襯底21中形成凹陷23。在半導(dǎo)體村底21上設(shè)置柵極電極導(dǎo)電圖案 25C，使得柵極電極導(dǎo)電圖案25C填充凹陷23,其中柵極電極導(dǎo)電圖 案25C具有突出高于半導(dǎo)體襯底21的表面的延伸部分。在所得結(jié)構(gòu)(包 括柵極電極導(dǎo)電圖案25C)上設(shè)置外延半導(dǎo)體層28,使得外延半導(dǎo)體層 28的上表面與柵極電極導(dǎo)電圖案25C的上表面一樣高。外延半導(dǎo)體層 28形成有至少約100A的厚度。在外延半導(dǎo)體層28與柵極電極導(dǎo)電圖 案25C間及在半導(dǎo)體襯底21與柵極電極導(dǎo)電圖案25C間形成柵極絕 緣層。更具體地，柵極絕緣層配置有設(shè)置在半導(dǎo)體襯底21與柵極電極 導(dǎo)電圖案25C之間的第一氧化物層24以及設(shè)置在外延半導(dǎo)體層28與 柵極電極導(dǎo)電圖案25C之間的第二氧化物層27。
優(yōu)選的是，半導(dǎo)體襯底21及外延半導(dǎo)體層28的每一個(gè)均可以由 硅形成，以及柵極電極導(dǎo)電圖案25C可以由多晶硅多晶硅形成。此夕卜， 可以在柵極電極導(dǎo)電圖案25C上額外地設(shè)置用于柵極電極的金屬或金 屬硅化物層30。例如該金屬或金屬硅化物層30可以包括鵠層或硅化 鴒層。
如以上所述，依據(jù)一些實(shí)施方案的凹陷柵極結(jié)構(gòu)具有比典型凹陷
柵極結(jié)構(gòu)更淺的凹陷。因此，當(dāng)沉積該導(dǎo)電圖案于凹陷中時(shí)，不會(huì)有 諸如接縫的缺陷。此外， 一些實(shí)施方案使用用以確保溝道長(zhǎng)度的外延
半導(dǎo)體層。因此，針對(duì)溝道提供鄰近柵極電極導(dǎo)電圖案25C的外延半 導(dǎo)體層28。
圖4A至4F說(shuō)明用以表示依據(jù)一些實(shí)施方案制造圖3所示的凹陷 柵極的方法剖面圖。
參考圖4A，使用淺槽隔離(STI)工藝在半導(dǎo)體襯底21(例如:硅襯底) 的預(yù)定區(qū)域中形成器件隔離結(jié)構(gòu)22。器件隔離結(jié)構(gòu)22限定將用以形 成晶體管的有源區(qū)。隨后，利用典型凹陷掩模及蝕刻過(guò)程以在半導(dǎo)體 襯底21中形成凹陷23。在一些實(shí)施方案中，凹陷23可以形成為圓型 凹陷，以及線(xiàn)寬可以是至少35nm或更大。此外，非晶碳可以在凹陷 掩模及蝕刻過(guò)程中用做硬掩模。之后，沿著半導(dǎo)體村底21的表面形成 第一柵極絕緣層24,其中在該半導(dǎo)體襯底21處形成有凹陷23。第一 柵極絕緣層24可以使用熱氧化、干氧化或濕氧化由氧化物形成，并且 它可以具有約100A的厚度。
參考圖4B,在第一柵極絕緣層24上沉積導(dǎo)電層例如多晶硅層， 之后，實(shí)施柵極掩模及蝕刻過(guò)程以形成角(angular)導(dǎo)電圖案25A， 該角導(dǎo)電圖案25A的頂部邊角是有角且尖銳的。在此情況中，因?yàn)榘?陷23的深度是淺的，所以當(dāng)沉積多晶硅層時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)諸如接縫的缺 陷。在掩模的線(xiàn)寬為至少25nm或更大及掩模的厚度為至少20A或更 大的情況下，可以通過(guò)使用例如KrF或ArF準(zhǔn)分子激光的曝光源的典 型光刻工藝來(lái)實(shí)施該柵極掩模及蝕刻過(guò)程。
參考圖4C，實(shí)施輕蝕刻處理(LET)以形成圓化導(dǎo)電圖案25B,該 圓化導(dǎo)電圖案25B的頂部邊角稍微變成圓形。通過(guò)使用CF4/02氣體的 各向同性蝕刻過(guò)程以實(shí)施該LET。
參考圖4D,在圓化導(dǎo)電圖案25B的側(cè)表面上形成第二柵極絕緣層 27。更具體地，在所得結(jié)構(gòu)上形成氧化物層，然后各向異性蝕刻該氧 化物層以在該圓化導(dǎo)電圖案25B的側(cè)表面上以隔離物的形狀形成第二 柵極絕緣層27。
之后，使用外延生長(zhǎng)過(guò)程以形成例如由硅所制成的外延半導(dǎo)體層
28，使得該外延半導(dǎo)體層28覆蓋所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)，在該所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)處 形成有圓化導(dǎo)電圖案25B。之后，在半導(dǎo)體襯底21及外延半導(dǎo)體層 28中嵌入圓化導(dǎo)電圖案25B。結(jié)果，可允許確保高度集成器件所需的 溝道。
參考圖4E,實(shí)施諸如化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)的平坦化過(guò)程，以暴露 圓化導(dǎo)電圖案25B的上表面。在該平坦化過(guò)程中，也部分蝕刻該圓化 導(dǎo)電圖案25B，使得上表面變得更圓，由此形成柵極電極導(dǎo)電圖案25C。 例如，實(shí)施CMP過(guò)程至少約3秒鐘或更長(zhǎng)，以便可以研磨掉約20A 或更大厚度的外延半導(dǎo)體層28。
參考圖4F，可以在柵極電極導(dǎo)電圖案25C上形成導(dǎo)電層30(例如: 金屬層或金屬硅化物層)。例如該導(dǎo)電層30可以包括鎢層或硅化鎢層。 在一些實(shí)施例中，可以根據(jù)情況省略該導(dǎo)電層30。凹陷柵極的最終線(xiàn) 寬可以是至少約35nm。
在一些實(shí)施方案中，凹陷柵極結(jié)構(gòu)具有淺凹陷，使得當(dāng)在該凹陷 中沉積用于柵極電極的導(dǎo)電層時(shí)，將不會(huì)形成諸如接縫的缺陷。此夕卜， 不管該淺凹陷，該外延半導(dǎo)體層的使用還提供高度集成器件所需的足
夠的溝道長(zhǎng)度。再者，可允許防止柵極電極導(dǎo)電圖案具有尖銳邊緣。
雖然已以一些實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但是對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員 而言顯而易見(jiàn)的是，可以在不脫離下面權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的 精神及范圍內(nèi)做出各種變化及修改。
權(quán)利要求
1.一種具有凹陷柵極的半導(dǎo)體器件，包含具有凹陷的半導(dǎo)體襯底；用于柵極電極的導(dǎo)電圖案，所述導(dǎo)電圖案填充所述凹陷并具有突出高于所述半導(dǎo)體襯底表面的延伸部分；具有上表面的外延半導(dǎo)體層，所述外延半導(dǎo)體層設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底上；和柵極絕緣層，所述柵極絕緣層設(shè)置在所述外延半導(dǎo)體層與所述導(dǎo)電圖案之間以及所述半導(dǎo)體襯底與所述導(dǎo)電圖案之間。
2. 權(quán)利要求l的半導(dǎo)體器件，其中所述半導(dǎo)體襯底及所述外延半導(dǎo)體 層包含硅。
3. 權(quán)利要求l的半導(dǎo)體器件，其中所述凹陷是淺的，以使得可在單一 步驟中形成所述導(dǎo)電圖案以避免在所述導(dǎo)電圖案中形成接縫。
4. 權(quán)利要求l的半導(dǎo)體器件，其中所述導(dǎo)電圖案包含多晶硅。
5. 權(quán)利要求l的半導(dǎo)體器件，其中所述外延半導(dǎo)體層的厚度是至少約
6. 權(quán)利要求l的半導(dǎo)體器件，還包含在所述導(dǎo)電圖案上的柵極電極， 其中所述柵極電極包含金屬圖案和金屬硅化物圖案中的至少 一種.
7. 權(quán)利要求l的半導(dǎo)體器件，還包含在所述導(dǎo)電圖案上的柵極電極， 其中所述柵極電極包含鴒圖案及硅化鎢圖案中的至少一種.
8. 權(quán)利要求l的半導(dǎo)體器件，其中所述柵極絕緣層還包含設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底與所述導(dǎo)電圖案之間的第一氧化物層;和 設(shè)置在所述外延半導(dǎo)體層與所述導(dǎo)電圖案之間的第二氧化物層。
9. 一種制造具有凹陷柵極的半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括在半導(dǎo)體村底中形成凹陷，其中所迷半導(dǎo)體襯底具有上表面；在所述凹陷的表面上形成第一柵極絕緣層；形成用于柵極電極的導(dǎo)電圖案，其中所述導(dǎo)電圖案填充所述凹陷 并具有突出高于所述半導(dǎo)體襯底上表面的延伸部分；在所述導(dǎo)電圖案的延伸部分的側(cè)表面上形成第二柵極絕緣層;和 在所述半導(dǎo)體襯底上外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體層至所述導(dǎo)電圖案的上表 面。
10. 權(quán)利要求9的方法，其中所述形成用于柵極電極的導(dǎo)電圖案的步 驟還包括在所得結(jié)構(gòu)上沉積導(dǎo)電層，其中在所述所得結(jié)構(gòu)處形成有所述第 一柵極絕緣層；利用柵極掩模及蝕刻過(guò)程使所述導(dǎo)電層圖案化以形成所述導(dǎo)電圖 案;和實(shí)施輕蝕刻處理，以使所述導(dǎo)電圖案的邊角變圓。
11. 權(quán)利要求9的方法，還包括在外延生長(zhǎng)所述半導(dǎo)體層后使所述半 導(dǎo)體層平坦化。
12. 權(quán)利要求9的方法，其中所述形成導(dǎo)電圖案的步驟還包括在單一 步驟中形成所述導(dǎo)電圖案以避免在所述導(dǎo)電圖案中形成接縫。
13. 權(quán)利要求ll的方法，其中所述在延伸部分的側(cè)表面上形成第二柵 極絕緣層的步驟還包括在包括所述導(dǎo)電圖案的所得結(jié)構(gòu)上形成氧化物層;和 各向異性蝕刻所述氧化物層。
14. 權(quán)利要求9的方法，其中所述形成導(dǎo)電圖案的步驟還包括形成包 含多晶硅的導(dǎo)電圖案。
15. 權(quán)利要求ll的方法，其中所述平坦化半導(dǎo)體層的步驟還包括利用 化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)過(guò)程以使所述半導(dǎo)體層平坦化。
16. 權(quán)利要求9的方法，其中所述在半導(dǎo)體襯底中形成凹陷的步驟還 包括在半導(dǎo)體襯底中形成凹陷，其中所述半導(dǎo)體襯底包含硅;和其中所 述外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體層的步驟還包括外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體層，其中所述半導(dǎo) 體層包含硅。
17. 權(quán)利要求9的方法，還包括在所述導(dǎo)電圖案上形成包含金屬圖案 和金屬硅化物圖案中的至少一種的圖案。
18. —種制造具有凹陷柵極的半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括 在半導(dǎo)體襯底中形成凹陷，其中所述半導(dǎo)體襯底具有上表面； 在所述凹陷的表面上形成第一柵極絕緣層;和 形成用于柵極電極的導(dǎo)電圖案，其中所述導(dǎo)電圖案填充所述凹陷 并具有突出高于所述半導(dǎo)體襯底上表面的延伸部分。19. 權(quán)利要求18的方法，其中所述形成導(dǎo)電圖案的步驟還包括在單一 步驟中沉積導(dǎo)電層以避免在所述導(dǎo)電層中形成接縫，其中通過(guò)蝕刻所 述導(dǎo)電層形成所述導(dǎo)電圖案。20. 權(quán)利要求18的方法，其中所述形成用于柵極電極的導(dǎo)電圖案的步 驟還包括在所得結(jié)構(gòu)上沉積導(dǎo)電層，其中在所述所得結(jié)構(gòu)處形成有所述第 一柵極絕緣層；利用柵極掩模及蝕刻過(guò)程使所述導(dǎo)電層圖案化以形成所述導(dǎo)電圖 案;和實(shí)施輕蝕刻處理，以使所述導(dǎo)電圖案的邊角變圓。21. —種具有凹陷柵極的半導(dǎo)體器件，包含 具有凹陷的半導(dǎo)體村底;和用于柵極電極的導(dǎo)電圖案，所述導(dǎo)電圖案填充所述凹陷并具有突 出高于所迷半導(dǎo)體襯底表面的延伸部分。22. 權(quán)利要求21的半導(dǎo)體器件，其中所迷凹陷是淺的，以使得可在單 一步驟中形成所述導(dǎo)電圖案以避免在所述導(dǎo)電圖案中形成接縫。23. 權(quán)利要求21的半導(dǎo)體器件，其中所述導(dǎo)電圖案具有圓化邊角。
全文摘要
一種具有凹陷柵極的半導(dǎo)體器件，包括具有凹陷的半導(dǎo)體襯底；用于柵極電極的導(dǎo)電圖案，填充該凹陷并且具有突出高于該半導(dǎo)體襯底表面的延伸部分；外延半導(dǎo)體層，具有布置于該半導(dǎo)體襯底之上的上表面；以及柵極絕緣層，所述柵極絕緣層配置于該外延半導(dǎo)體層與該導(dǎo)電圖案之間以及該半導(dǎo)體襯底與該導(dǎo)電圖案之間。此外，公開(kāi)了一種制造該半導(dǎo)體器件的方法。
文檔編號(hào)H01L21/28GK101097957SQ200710096999
公開(kāi)日2008年1月2日 申請(qǐng)日期2007年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者鄭永均 申請(qǐng)人:海力士半導(dǎo)體有限公司