專利名稱：制造具有凹槽柵極的半導(dǎo)體器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造半導(dǎo)體器件的方法，更特別地，涉及制造具有凹 槽柵極的半導(dǎo)體器件的方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體器件變得高度地集成，單元晶體管的溝道長度減少。 此外，隨著對襯底的離子注入摻雜濃度增加，由于電場增強導(dǎo)致的結(jié) 泄漏也增加。因此，難以確保具有典型的平面型晶體管結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體 器件的刷新性能。
如此，已經(jīng)引入三維(3D)凹槽柵極工藝以克服上述限制。根據(jù)所述 方法，蝕刻襯底中的有源區(qū)的一部分以形成增加所述溝道長度的凹槽， 并在所述凹槽上形成柵極。
圖1A和1B說明包括典型的凹槽柵極的晶體管的顯微照片圖。圖 1A說明了有源區(qū)的縱向截面圖，圖1B說明有源區(qū)的橫向截面圖。
參考圖1A，在所述襯底11內(nèi)形成隔離層12以限定有源區(qū)，并通 過選擇性地蝕刻有源區(qū)中所述襯底11的一部分形成凹槽13。因為凹槽 13增加了溝道長度，所以可以確保半導(dǎo)體器件的刷新性能。然而，隨 著半導(dǎo)體器件的設(shè)計尺寸變得越來越小，凹槽13的臨界尺寸(CD)也變
得越來越小。因此，凹槽13的外形可能會由于其底部外形的曲率半徑 降低變得尖銳而變差。
參考圖1B，因為凹槽13的底部外形變得尖銳，在隔離層12和凹 槽13之間的界面上形成角狀物100。因為角狀物100可能成為漏泄電
流的源，所以所述半導(dǎo)體器件的刷新性能可能變差。因此，已經(jīng)引入
燈泡型凹槽柵極工藝以克服上述限制。根據(jù)所述工藝，使凹槽13的底 部呈圓形以增加曲率半徑。
圖2A和2B說明典型的燈泡型凹槽柵極的外形的顯微照片圖。圖 2A說明了有源區(qū)的縱向截面圖，圖2B說明有源區(qū)的橫向截面圖。
參考圖2A，在襯底21中形成隔離層22以限定有源區(qū)，并選擇性 地蝕刻有源區(qū)的一部分以形成燈泡型凹槽區(qū)域23。所述燈泡型凹槽區(qū) 域23形成為具有圓形外形的下部，所述下部在縱向比所述燈泡型凹槽 區(qū)域23的上部寬。
如圖2B所示，由于形成燈泡型凹槽區(qū)域23，所以隔離層22和燈 泡型凹槽區(qū)域23之間的界面上不形成角狀物。
同時，應(yīng)該如下進(jìn)行燈泡型凹槽區(qū)域23的形成。通過選擇性地蝕 刻襯底21形成具有垂直外形的第一凹槽(未示出)之后，在所述第一 凹槽的側(cè)壁上形成鈍化層(未示出)以在隨后形成第二凹槽(未示出) 的刻蝕工藝期間保護(hù)所述第 一凹槽的側(cè)壁。通過各向同性蝕刻所述第 一凹槽的底部形成第二凹槽。
通常，所述鈍化層已經(jīng)為熱氧化層比如高溫氧化物(HTO)層或低壓 四乙氧基硅烷(LPTEOS)層。當(dāng)形成熱氧化層作為鈍化層的時候，要求 工藝時間超過5小時，并且難以控制熱氧化層的厚度。此外，通過利 用熱氧化層形成鈍化層的時候，所述第 一 凹槽底部上鈍化層的厚度可 能大于其側(cè)壁上的鈍化層的厚度，在這種情況下，如果隨后的刻蝕工 藝的蝕刻目標(biāo)厚度不足以穿透第一凹槽底部上的厚氧化層，則可能不 能形成第二凹槽。
圖3說明使用熱氧化層作為鈍化層的典型工藝的上述問題的顯微 照片圖。
圖4A和4B說明典型的燈泡型凹槽柵極的顯微照片圖，顯示稱作 接縫(400A和400B)的另 一個問題，所述接縫通過在凹槽圖案中填充多 晶硅層來形成柵電極的期間形成。因為通過各向同性的蝕刻形成第二 凹槽，所以難以控制第二凹槽的CD。在熱氧化層用作鈍化層的情況下，
由于熱氧化層的厚度不均勻，第二凹槽的CD變得更難以控制，這可 能導(dǎo)致不期望的第二凹槽的CD增加。 一方面，在隨后形成多晶硅柵 電極的工藝期間，沿凹槽圖案的表面輪廓形成具有優(yōu)良的階梯覆蓋性 能的多晶硅層。因此，在第二凹槽的CD過度地大于第一凹槽CD的 情況下，在第二凹槽中形成間隔400A，其稱為接縫。如圖4B中的附 圖標(biāo)記400B所示的，在隨后的熱過程期間，接縫400A移動到柵極氧 化層和多晶硅柵電極之間的界面，這使得半導(dǎo)體器件的刷新性能變差。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供制造半導(dǎo)體器件的方法，更具體地，提供制造半導(dǎo)體 器件中的凹槽柵極的方法，通過該方法改進(jìn)厚度可控性并增加用以形 成燈泡型凹槽區(qū)域的作為鈍化層的氧化層的工藝時間。根據(jù)本發(fā)明制 造半導(dǎo)體器件中的凹槽柵極的方法也可以防止由接縫所引起的半導(dǎo)體 器件刷新性能的變差，所述接縫由于第一凹槽的臨界尺寸(CD)與燈泡 型凹槽區(qū)域的第二凹槽的臨界尺寸之間大的差異而在柵電極中形成， 并在隨后的熱過程期間移動到柵極氧化層和柵電極之間的界面。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面,提供了形成半導(dǎo)體器件中的凹槽圖案的方 法，包括在襯底中形成第一凹槽，在包括第一凹槽的襯底上形成等 離子體氧化層，部分蝕刻所述等離子體氧化層以在第一凹槽的側(cè)壁上 留下一部分等離子體氧化層，和通過各向同性蝕刻第一凹槽的底部形 成第二凹槽，其中第二凹槽具有大于第一凹槽寬度的寬度。
圖1A和1B說明包括典型的凹槽柵極的晶體管的顯微照片圖。
圖2A和2B說明典型的燈泡型凹槽柵極的外形的顯微照片圖。
圖3說明典型的燈泡型凹槽柵極的顯微照片圖。
圖4A和4B說明典型的燈泡型凹槽柵極的顯微照片圖。
圖5A~5G說明根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案制造具有凹槽柵極的
晶體管的方法的橫截面圖。
具體實施例方式
圖5A~5G說明根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案制造具有凹槽柵極的 晶體管的方法的橫截面圖。
參考圖5A，在襯底51中形成隔離層52以限定有源區(qū)。選擇性地 蝕刻襯底51以形成溝槽，并形成絕緣層以充滿所述溝槽。平坦化所述 絕緣層以形成隔離層52。在襯底51和隔離層52上連續(xù)疊加犧牲氧化 層和硬掩模，并在所述硬掩模上形成光刻膠圖案(未示出)。通過使用 光刻膠圖案作為蝕刻掩模連續(xù)蝕刻硬掩模和犧牲氧化層。由此，形成 第一掩模圖案53和第二掩模圖案54以在襯底51和隔離層52上限定 凹槽目標(biāo)區(qū)。
第一掩模圖案53保護(hù)襯底51免于頂部侵蝕，并可以由選自熱氧 化物、高溫氧化物(HTO)、中間溫度氧化物(MTO)、低壓四乙氧基硅 烷(LPTEOS)、等離子體增強的四乙氧基硅烷(PETEOS)或其組合之一 形成。第一掩模圖案53也可以由在形成隔離層52期間使用的墊氧化 層形成。同時，第一掩模圖案53具有約50A 約500A的厚度。第二 掩模圖案54可以由選自非晶碳、氮氧化硅(SiON)、多晶硅或其組合的 一種形成。
參考圖5B,通過蝕刻襯底51形成第一凹槽55。第一凹槽55具有 垂直外形并作為燈泡型凹槽區(qū)域的頸部(圖5F)。優(yōu)選，第一凹槽55 具有約1000A~約2000A的深度。形成第一和第二掩模圖案53和54 的刻蝕工藝和形成第一凹槽55的垂直刻蝕工藝可以在相同的室中原 位或在不同的室中異位進(jìn)行。
在第一凹槽55上進(jìn)行第一清洗工藝(未示出)?？梢砸来问褂昧蛩?-過氧化物混合物(SPM)、緩沖氧化物蝕刻劑(BOE)和氫氧化銨混合物 進(jìn)行第一清洗工藝。由此，通過第一清洗工藝，可以除去在第一凹槽 55的刻蝕工藝期間形成的腐蝕殘留物比如聚合物或自然氧化物。然后， 除去第二掩模圖案54。附圖標(biāo)記51A表示在第一凹槽55的刻蝕工藝
之后的村底。
參考圖5C，在溝槽55和第一掩模圖案53上形成等離子體氧化層 56。通過在等離子體蝕刻室或光刻膠去除室中進(jìn)行等離子體氧化形成 所述等離子體氧化層56。等離子體氧化層56具有約20A~約30A的 厚度。在等離子體蝕刻室中形成等離子體氧化層56的時候，在約 30'C 約30(TC的溫度、約100毫托~約IOO托的壓力、約300W 約 900W的源功率下，進(jìn)行等離子體氧化層56的形成。
此外，通過使用氟化碳(CF4)和氧(02)氣體的氣體混合物在等離子
體蝕刻室中進(jìn)行等離子體氧化層56的形成，其中CF4氣體與02氣體 的流量比是1: 2。特別是，當(dāng)形成等離子體氧化層56時，氣體混合 物中的CF4氣體具有愈合在第一凹槽形成期間破壞的襯底并且抑制隔 離層52和第一凹槽55之間角狀物形成的優(yōu)點。
在光刻膠去除室中進(jìn)行等離子體氧化的時候，可以通過使用02和 氮(N2)氣體的氣體混合物形成等離子體氧化層56。優(yōu)選，應(yīng)該在第一 清洗工藝之后30分鐘~60分鐘之內(nèi)進(jìn)行等離子體氧化，以最小化自 然氧化層的生長和從而最大化等離子體氧化層的形成。延遲時間超過 60分鐘的時候，因為原來的氧化層生長，所以難以形成等離子體氧化 層56。與超過5小時形成熱氧化層相比，形成等離子體氧化層56每 晶片需要花費不到約3分鐘。因此，等離子體氧化層56的形成產(chǎn)出量 急劇降低。此外，與熱氧化層的厚度相比，等離子體氧化層56的厚度 更易于控制。
由于等離子體氧化層56均勻地形成在第一凹槽55和第一掩模圖 案53上，因而容易控制隨后的刻蝕工藝以使得等離子體氧化層56僅 保留在第一凹槽55的側(cè)壁上。因此，由于第二凹槽的蝕刻目標(biāo)得到保 障，所以第二凹槽(圖5E)的形成得到保障。與熱氧化物在約500。C溫 度形成相比，等離子體氧化層56在約30。C ~約300。C的溫度下就足以 形成。
參考圖5D，蝕刻等離子體氧化層56，優(yōu)選通過各向異性刻蝕，使 得等離子體氧化層56A僅保留在第一凹槽55的側(cè)壁上。等離子體氧 化層56A在隨后的用以形成第二凹槽的第二刻蝕工藝期間保護(hù)第一凹
槽55的側(cè)壁。優(yōu)選，通過使用CF4、 02和氬(Ar)氣體的氣體混合物在 約10亳托~約60亳托的壓力下，進(jìn)行等離子體氧化層56的蝕刻。
參考圖5E，通過在襯底51A上進(jìn)行各向同性的蝕刻形成第二凹槽 57。通過進(jìn)行各向同性蝕刻同時等離子體氧化層56A保護(hù)第一凹槽55 的側(cè)壁，第二凹槽57形成為具有圓形形狀，使得第二凹槽57的寬度 大于第一凹槽55的寬度。第一掩模圖案53作為蝕刻阻擋物以在進(jìn)行 各向同性蝕刻期間保護(hù)襯底51A。
優(yōu)選，在約300W 約1000W的頂部功率，或者不提供底部功率 或施加約1W 約100W的底部功率的條件下，在用于蝕刻等離子體氧 化層56的相同室中，原位進(jìn)行用以形成第二凹槽57的各向同性的蝕 刻。此外，也通過使用溴化氫(HBr)氣體、氯(Cl2)氣體、02氣體、六 氟化硫(SF6)氣體、CF4氣體或其組合的一種進(jìn)行各向同性的蝕刻。附 圖標(biāo)記51B表示在襯底51A上進(jìn)行各向同性蝕刻之后的襯底。
優(yōu)選，形成第二凹槽57，其在有源區(qū)縱向的寬度為第一凹槽55寬 度的約一倍到一倍半。如果第二凹槽的寬度大于第一凹槽過多，可以 在隨后柵電極的形成期間在柵電極中形成接縫(圖5G)，降低半導(dǎo)體 器件的性能。因此，應(yīng)該控制所述第二寬度。
通過依次地使用SPM和氫氧化銨(NH40H)，進(jìn)行第二清洗工藝 (未示出)以除去第一掩模圖案53，而不除去等離子體氧化層56A。如 果通過使用蝕刻劑比如可除去等離子體氧化層56A的緩沖氧化物蝕刻 劑(BOE)溶液進(jìn)行第二清洗工藝，那么襯底51B也可能損失，導(dǎo)致不 希望的第二凹槽57的變寬。因此，在不除去或影響蝕刻的等離子體氧 化層56A的條件下進(jìn)行第二清洗工藝，從而選擇性地蝕刻僅在第二凹 槽57的各向同性蝕刻期間形成的殘留物。
然后，通過使用CF4和02氣體的氣體混合物進(jìn)行淺蝕刻處理 (LET,未示出)以愈合在各向同性蝕刻期間受到影響的襯底51B的被 損害部分，并除去在第二凹槽57的形成之后形成的任何角狀物。第一 凹槽55側(cè)壁上的等離子體氧化層56A用作蝕刻阻擋物以防止在LET 期間第一凹槽55的CD增加。參考圖5F，通過進(jìn)行第三清洗工藝除去第一凹槽側(cè)壁上的等離子 體氧化層56A。也可以在除去等離子體氧化層56A期間除去在LET期 間形成的少量等離子體氧化層(未示出)。
因此，形成燈泡型凹槽區(qū)域500，其包括具有垂直外形的第一凹槽 55和具有圓形外形的第二凹槽57。附圖標(biāo)記Wi和\￥2分別表示第一 凹槽55的寬度和第二凹槽57的寬度。本發(fā)明中，第二凹槽57的寬度 W2形成為第 一 凹槽55的寬度Wi的 一倍到 一倍半。
參考圖5G，在各向同性蝕刻的襯底51B、隔離層52和燈泡型凹 槽區(qū)域500上形成柵極隔離層58。所述柵極隔離層58由例如氧化層 形成。在柵極隔離層58上形成導(dǎo)電層以形成柵電極。形成導(dǎo)電層填充 燈泡型凹槽區(qū)域500并覆蓋襯底51B。導(dǎo)電層優(yōu)選由多晶硅層形成。 隨后，圖案化導(dǎo)電層以形成柵電極59。
與急劇降低產(chǎn)出能力的熱氧化層的形成相比，根據(jù)本發(fā)明實施方 案用以保護(hù)第一凹槽55側(cè)壁的等離子體氧化層56的形成改善了生產(chǎn) 能力。此外，等離子體氧化層56均勻地形成，并且等離子體氧化層 56的厚度易于控制。也易于控制第二凹槽57以具有圓形外形，其寬 度(W2)是第一凹槽55的寬度(WO的一倍到一倍半。因此，可以防止接 縫的形成，所述接縫在第二區(qū)域57的寬度W2與第一凹槽55的寬度 Wi之間的差異大的時候，在導(dǎo)電層的形成期間產(chǎn)生。
根據(jù)以上描述的本發(fā)明的實施方案，通過有效地抑制半導(dǎo)體襯底 中角狀物的形成和防止70nm或更小DRAM器件中接縫的形成，凹槽 柵極可適用于50nm的動態(tài)隨機存取存儲(DRAM)器件。因此，改進(jìn) DRAM器件的刷新性能。
雖然已經(jīng)針對具體實施方案進(jìn)行了描述,但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯 而易見的是，可對本發(fā)明進(jìn)行各種改變或修改而不脫離以下權(quán)利要求限 定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括在襯底中形成第一凹槽；在包括第一凹槽的所述襯底上形成等離子體氧化層；蝕刻所述等離子體氧化層以使得所述等離子體氧化層的一部分保留在所述第一凹槽的側(cè)壁上；和通過各向同性蝕刻所述第一凹槽的底部形成第二凹槽，其中所述第二凹槽的寬度大于所述第一凹槽的寬度。
2. 權(quán)利要求1的方法，其中在等離子體室中進(jìn)行所述等離子體氧化層的 形成。
3. 權(quán)利要求2的方法，其中所述等離子體室包括等離子體蝕刻室和光刻 膠去除室。
4. 權(quán)利要求3的方法，其中所述等離子體氧化層的形成包括 施加約100亳托~約100托的壓力；和 對所述等離子體蝕刻室施加約300W~約卯0W的源功率。
5. 權(quán)利要求4的方法，其中使用氟化碳(CF4)氣體進(jìn)行所述等離子體氧 化層的形成。
6. 權(quán)利要求4的方法，其中使用氟化碳(CF。和氧(02)氣體的氣體混合 物進(jìn)行所述等離子體氧化層的形成，CF4氣體與02氣體的流量比為1: 2。
7. 權(quán)利要求3的方法，其中所述等離子體氧化層的形成包括在所述光刻 膠去除室中使用氧(02)氣體和氮(1\2)氣體的氣體混合物。
8. 權(quán)利要求1的方法，其中所述等離子體氧化層具有約20 A~約30 A 的厚度。
9. 權(quán)利要求1的方法，其中原位進(jìn)行所述等離子體氧化層的形成和所述 第二凹槽的形成。
10. 權(quán)利要求1的方法，其中所述第二凹槽的寬度為所述第一凹槽寬度 的約一倍到一倍半。
11. 權(quán)利要求l的方法，其中在約10亳托~約60毫托的壓力下、在約300W~約1000W的頂部功率下，進(jìn)行所述各向同性蝕刻。
12. 權(quán)利要求11的方法，其中不施加底部功率進(jìn)行所述各向同性蝕刻。
13. 權(quán)利要求11的方法，其中通過施加約1W 約100W的底部功率進(jìn) 行所述各向同性蝕刻。
14. 權(quán)利要求10的方法，其中所述各向同性蝕刻包括使用溴化氫(HBr) 氣體、氯(Ch)氣體、02氣體、六氟化硫(SF6)氣體、CF4氣體及其組合的一種o
15. 權(quán)利要求1的方法，其中所述等離子體氧化層的蝕刻是各向異性蝕 刻。
16. 權(quán)利要求1的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括在形成所述等離子體 氧化層以前進(jìn)行第一清洗步驟。
17. 權(quán)利要求16的方法，在進(jìn)行所述第一清洗步驟之后一小時之內(nèi)形成 所述等離子體氧化層。
18. 權(quán)利要求16的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括在形成所述第二凹槽 之后進(jìn)行第二清洗步驟。
19. 權(quán)利要求18的方法，其中不影響所述等離子體氧化層地進(jìn)行所述第 二清洗步驟。
20. 權(quán)利要求19的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括在進(jìn)行所述第二清洗 步驟之后進(jìn)行淺蝕刻處理。
21. 權(quán)利要求20的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括進(jìn)行第三清洗步驟以 除去所述等離子體氧化層。
全文摘要
一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括在襯底中形成第一凹槽，在包括第一凹槽的襯底上形成等離子體氧化層，蝕刻所述等離子體氧化層以使得等離子體氧化層的一部分保留在第一凹槽的側(cè)壁上，和通過各向同性蝕刻第一凹槽的底部形成第二凹槽，其中第二凹槽的寬度大于第一凹槽的寬度。
文檔編號H01L21/306GK101179020SQ20071016516
公開日2008年5月14日 申請日期2007年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月6日
發(fā)明者金明玉 申請人:海力士半導(dǎo)體有限公司