柵極側(cè)壁層的形成方法

專利名稱：柵極側(cè)壁層的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種柵極側(cè)壁層的形成方法。
技術(shù)背景柵極側(cè)壁層(sidewall spacer ) —般由氧化硅/氮化硅(ON )介質(zhì)薄膜或氧 化硅/氮化硅/氧化硅(ONO)介質(zhì)薄膜組合而成。圖l為具有ON結(jié)構(gòu)柵極側(cè)壁層的器件剖面示意圖。如圖l所示，在襯底的 各器件之間刻蝕填充形成了隔離溝槽102,在硅襯底101上沉積了柵氧化硅層 103 (Gate Oxide);通過沉積、刻蝕多晶硅，在襯底上形成了柵極104;在柵 極兩側(cè)的襯底上，具有以柵極為掩膜進(jìn)行淺離子注入形成的淺摻雜區(qū)域110 (LDD， lightly doped drain);柵極側(cè)壁上則利用沉積和干法刻蝕形成了由氧 化硅介質(zhì)層105與氮化硅介質(zhì)層106組成的柵極側(cè)壁層。通常與多晶硅柵極相 鄰的介質(zhì)層105會(huì)選用熱膨脹系數(shù)與硅材料非常接近的氧化硅材料，其可實(shí)現(xiàn) 與多晶硅柵極之間的較為緊密的連接；該氧化硅層之上，為實(shí)現(xiàn)對(duì)多晶硅柵 極的較好的保護(hù)，會(huì)選用具有較高的硬度、材料較為致密的氮化硅材料，由 這兩種介質(zhì)層刻蝕形成的就是常用的ON結(jié)構(gòu)的柵極側(cè)壁層。如果在氮化硅介 質(zhì)層上再沉積生長(zhǎng)一層氧化硅層，這三層介質(zhì)層在刻蝕后就可以形成另一種 常用的ONO側(cè)壁層結(jié)構(gòu)。此外，如圖1所示，在柵極側(cè)壁層兩側(cè)的襯底上的源 /漏極的摻雜區(qū)107和108，是以柵極及其側(cè)壁層為掩膜利用離子注入的方法形 成的。由此可以推出，柵極到源/漏極之間的距離與柵極側(cè)壁層的厚度密切相 關(guān)，也就是說(shuō)，柵極側(cè)壁層的形成質(zhì)量會(huì)對(duì)器件的性能有較大影響。為此， 如何形成高質(zhì)量的柵極側(cè)壁層是半導(dǎo)體制造工藝中必須關(guān)注的問題之一。傳統(tǒng)工藝中，為形成ON或ONO結(jié)構(gòu)的柵極側(cè)壁層而沉積的氧化硅或氮化 硅介質(zhì)層主要是利用化學(xué)氣相沉積(CVD, Chemical Vapor Deposition)的方 法制成。但是CVD方法本身具有的一些固有缺陷，使其在90nm以下工藝中的 應(yīng)用受到了限制1、由于器件尺寸有限，90nm以下工藝中器件的介質(zhì)層的厚度相對(duì)較薄， 對(duì)其生長(zhǎng)質(zhì)量的要求也相對(duì)較高。要求能形成厚度均勻、質(zhì)量較好的介質(zhì)層。 而CVD膜易受幾何形狀干擾造成所生長(zhǎng)的薄膜厚度不均勻，如，在表面形貌
較密集的區(qū)域上沉積的薄膜，與較疏松的區(qū)域相比，形成的厚度較小。而這薄膜厚度的不均勻桂對(duì)子用予形成柵極側(cè)壁層的介質(zhì)層而言，會(huì)導(dǎo)致其在刻 蝕后形成的柵極側(cè)壁層的形狀不一致，使得不同區(qū)域的器件的源/漏極到柵極 間的距離不一致，結(jié)果導(dǎo)致器件性能的均勻性較差。2、根據(jù)按比例縮放的要求，90nm工藝以下的CMOS器件具有的結(jié)深也更 淺，為了將線結(jié)區(qū)外的不可接受雜質(zhì)擴(kuò)散降至最小，對(duì)工藝制作中的熱預(yù)算 必須進(jìn)行嚴(yán)格的控制。制作柵極側(cè)壁層時(shí)，在沉積介質(zhì)層之前，為了改善短溝道效應(yīng)通常還會(huì)以柵極為掩膜對(duì)襯底進(jìn)行輕:慘雜處理，如果在其后進(jìn)行介 質(zhì)層生長(zhǎng)時(shí)，所用溫度過高，就可能會(huì)導(dǎo)致該輕摻雜區(qū)域的雜質(zhì)擴(kuò)散至柵極 下方，造成器件性能衰退。在柵極側(cè)壁層制作工藝中，如何在保證介質(zhì)層的 形成質(zhì)量的條件下，通過降溫或者減少工藝時(shí)間使沉積介質(zhì)層的熱預(yù)算最小化是其需關(guān)注的重點(diǎn)。傳統(tǒng)的CVD沉積方法的生長(zhǎng)溫度較高，生長(zhǎng)速率較低。 利用CVD方法沉積介質(zhì)膜需要在較高溫度下生長(zhǎng)較長(zhǎng)的時(shí)間，所需的熱預(yù)算 較大，明顯不符合工藝要求，申請(qǐng)?zhí)枮镺l 143842.8的中國(guó)專利公開了 一種利用原子層沉積法(ALD， Atomic Layer Deposition )形成氮化硅側(cè)壁層的方法，該方法采用珪曱烷(SiH4) 或二氯硅曱烷(SiH2Cl2)與含氮?dú)怏w為反應(yīng)源，利用ALD方法，形成氮化硅 介質(zhì)層，再通過刻蝕形成側(cè)壁層。但是該方法形成的氮化硅側(cè)壁與多晶硅的 熱膨脹系數(shù)相差較大，在工藝過程中易因升降溫而發(fā)生龜裂，從多晶硅柵極 上脫落。另外，雖然該方法的沉積溫度下降了，但因其采用硅曱烷(SiH4)或 二氯硅曱烷(SiH2Cl2)反應(yīng)源的沉積速率較低，所需沉積時(shí)間較長(zhǎng)，在熱預(yù) 算方面的優(yōu)勢(shì)并不突出。而且，實(shí)踐表明，采用該方法生長(zhǎng)的氮化硅膜的質(zhì) 量也不夠好。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供的一種柵極側(cè)壁層的形成方法，利用原子層沉積方法，以較 低的沉積溫度形成了膜質(zhì)量較好的ON或ONO結(jié)構(gòu)的柵極側(cè)壁復(fù)合介質(zhì)層， 改善了柵極側(cè)壁層形狀的 一致性，提高了器件性能。本發(fā)明提供了一種柵極惻壁層的形成方法，其特征在于，包括 提供一具有至少 一個(gè)柵極的村底； 利用原子層沉積方法，在所述襯底上形成復(fù)合介質(zhì)層；
刻蝕所述復(fù)合介質(zhì)層，在所述柵極的側(cè)壁上形成側(cè)壁層。其中，采用原子層沉積方法在所迷襯底上形成復(fù)會(huì)介質(zhì)層，包括在所述襯底上形成氧化硅介質(zhì)層；在所述氧化硅介質(zhì)層上形成氮化硅或氮氧化硅介質(zhì)層。 其中，采用原子層沉積方法在所述襯底上形成復(fù)合介質(zhì)層的另 一種方法， 可以包括在所述襯底上形成氧化硅介質(zhì)層；在所述氧化硅介質(zhì)層上形成氮化硅或氮氧化硅介質(zhì)層；在所述氮化硅或氮氧化硅介質(zhì)層上形成氧化硅介質(zhì)層。 其中，在所述襯底上形成復(fù)合介質(zhì)層之前，先對(duì)所述襯底進(jìn)行輕摻雜處理。其中，在形成所述氧化硅介質(zhì)層之后，所述氮化硅或氮氧化硅介質(zhì)層之 前，對(duì)所述襯底進(jìn)行快速熱退火處理。 另外，所述原子層沉積的步驟包括將所述襯底裝入原子層沉積反應(yīng)室內(nèi)；力口熱所述反應(yīng)室；在所述襯底上生長(zhǎng)單層介質(zhì)層；至少重復(fù)一次所述生長(zhǎng)單層介質(zhì)層的步驟后，完成所述介質(zhì)層的沉積。其中，所述加熱的溫度在400到600°C之間。其中，所述生長(zhǎng)單層介質(zhì)層的步驟包括通入第一反應(yīng)源，在所述襯底上吸附形成所述第一反應(yīng)源的單一層； 抽出所述反應(yīng)室內(nèi)未吸附在所述襯底上的所述第一反應(yīng)源； 通入第二反應(yīng)源，與所述單一層反應(yīng)形成單層的介質(zhì)層； 抽出所述反應(yīng)室內(nèi)未與所述單一層發(fā)生反應(yīng)的所述第二反應(yīng)源。其中，在抽出第一反應(yīng)源和抽出第二反應(yīng)源的同時(shí)，通入N2、 Ar或He 氣體中的一種。其中，所述第一反應(yīng)源為三-二曱基氨基硅烷，其通入時(shí)間在1秒到40 秒之間,流速在0.1 slm到2slm之間。其中，所述單層介質(zhì)層為氧化硅層時(shí)，所述第二反應(yīng)源為02、 03或1120， 其通入時(shí)間在1秒到40秒之間，流速在0.1 slm到20slm之間，反應(yīng)室的壓力
在0.5T到20Torr之間。其中，所述單層介質(zhì)層為氮化硅層時(shí)，所述第二反應(yīng)源為NH3,其通入 時(shí)間在1秒到40秒之間，流速在0.1 slm到20slm之間，反應(yīng)室的壓力在0.5T 到20Torr之間,加入的RF能量在200到600W之間。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的柵極側(cè)壁層的形成方法，利用原子沉積方法，分別形成了用于 組成柵極側(cè)壁層的ON或ONO結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層，不僅能與柵極連接緊密，且可 實(shí)現(xiàn)對(duì)柵極的良好保護(hù)。采用該方法形成的介質(zhì)層厚度均勻性好，階梯覆蓋 率高，刻蝕后形成的柵極側(cè)壁層形狀均勻一致，提高了器件性能的一致性。 另外，因原子沉積方法所需的沉積溫度較低，本發(fā)明的方法還可以有效降低 工藝中的熱預(yù)算，有利于器件性能的進(jìn) 一 步提高。


圖1為具有ON結(jié)構(gòu)柵極側(cè)壁層的器件剖面示意圖；圖2A至2D為說(shuō)明CVD方法和ALD方法沉積原理的示意圖；圖3為本發(fā)明方法形成柵極側(cè)壁層的流程圖；圖4A至4E為說(shuō)明本發(fā)明的柵極側(cè)壁層形成方法的器件剖面示意圖； 圖5為采用ALD方法形成介質(zhì)層的流程圖；圖6為采用本發(fā)明方法和傳統(tǒng)方法形成的氧化硅層的折射率測(cè)試圖； 圖7為采用本發(fā)明方法和傳統(tǒng)方法形成的氮化硅層的折射率測(cè)試圖； 圖8為采用本發(fā)明方法未口傳統(tǒng)方法形成柵極側(cè)壁層的器件電特性測(cè)試圖； 圖9是采用本發(fā)明方法和傳統(tǒng)方法形成ON結(jié)構(gòu)的柵極側(cè)壁層的器件結(jié) 特性測(cè)試圖；圖10是采用本發(fā)明方法和傳統(tǒng)方法形成ONO結(jié)構(gòu)的柵極側(cè)壁層的器件 結(jié)特性測(cè)試圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的上述目的.特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖 對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)的說(shuō)明。本發(fā)明的處理方法可被廣泛地應(yīng)用到許多應(yīng)用中，并且可利用許多適當(dāng) 的材料制作，下面是通過較佳的實(shí)施例來(lái)加以說(shuō)明，當(dāng)然本發(fā)明并不局限于 該具體實(shí)施例，本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員所熟知的一般的替換無(wú)疑地涵蓋在 本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。其次，本發(fā)明利用示意圖進(jìn)行了詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為 了便于說(shuō)明，表示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會(huì)不依一般比例作局部放大，不應(yīng)以此 作為對(duì)本發(fā)明的限定，此外，在實(shí)際的制作中，應(yīng)包含長(zhǎng)度、寬度及深度的 三維空間尺寸。進(jìn)入90nm以下的CMOS工藝后，傳統(tǒng)的CVD方法生長(zhǎng)的介質(zhì)薄膜因其熱 預(yù)算較高，膜厚均勻性較差，已難以滿足為形成柵極側(cè)壁層而生長(zhǎng)的介質(zhì)層 的要求，為此，本發(fā)明采用了原子層沉積(ALD)方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CVD方法形成該介質(zhì)層。ALD沉積方法與CVD沉積方法不同，圖2A至2D為說(shuō)明CVD方法和ALD 方法沉積原理的示意圖，其中，圖2A為CVD沉積方法的示意圖，如圖2A所示， 假設(shè)要形成的薄膜為化合物ab，則在CVD方法中，含a的反應(yīng)源與含b的反應(yīng) 源是同時(shí)通入反應(yīng)室內(nèi)的，兩種反應(yīng)源201和202既可以在襯底200上方發(fā)生反 應(yīng)生成產(chǎn)物210,即化合物ab,再沉積于襯底200表面上，也可以直接在襯底 200表面發(fā)生反應(yīng)形成化合物ab。圖2B至2D為ALD沉積方法的示意圖，其中，圖2B為通入第一反應(yīng)源后的 示意圖，如圖2B所示，ALD沉積方法中的兩種反應(yīng)源是脈沖交替地通入反應(yīng) 室的，先將含a的第一反應(yīng)源201通入反應(yīng)室，其在襯底上發(fā)生化學(xué)吸附反應(yīng)， 形成一單一層；接著，將反應(yīng)室內(nèi)余下的未吸附在襯底上的第一反應(yīng)源抽出 (可以同時(shí)通入惰性氣體以對(duì)腔室進(jìn)行凈化)。圖2C為通入第二反應(yīng)源后的 示意圖，如圖2C所示，將含b的第二反應(yīng)源202通入反應(yīng)室內(nèi)，其與已吸附于 襯底表面的第一反應(yīng)源發(fā)生良應(yīng)形成化合物ab，并產(chǎn)生相應(yīng)的副產(chǎn)物。等到 表面的第一反應(yīng)源被完全消耗后，反應(yīng)自動(dòng)停止。圖2D為形成單一介質(zhì)層后 的示意圖，如圖2D所示，反應(yīng)后，在襯底表面形成了一層單一的介質(zhì)層210， 即化合物ab。然后，將反應(yīng)室內(nèi)余下的未發(fā)生反應(yīng)的第二反應(yīng)源抽出，(此 時(shí)同樣可以同時(shí)通入惰性氣體以對(duì)腔室進(jìn)行凈化)。多次重復(fù)以上輪流通入 第一和第二反應(yīng)源的過程后，最終形成預(yù)計(jì)厚度的薄膜層。對(duì)于ALD方法，薄膜層的沉積厚度是由以上過程的循環(huán)次數(shù)決定，而與反應(yīng)源的流量、反應(yīng) 時(shí)間關(guān)系不大。
由以上ALD方法的原理介紹可以看出，ALD沉積方法可以精確控制薄膜 的厚度和成分、并應(yīng)具有優(yōu)秀的表面覆蓋率和沉積均勻性。除此以外，ALD 方法的生長(zhǎng)溫度與CVD方法相比也較低，故而，無(wú)論是從薄膜的形成質(zhì)量還 是從工藝熱預(yù)算的角度考慮，利用ALD方法形成的介質(zhì)層對(duì)于器件的性能而 言，應(yīng)該更為有利。圖3為本發(fā)明的柵極側(cè)壁層形成方法的流程圖，圖4A至4E為說(shuō)明本發(fā)明的 柵極側(cè)壁層形成方法的器件剖面示意圖。下面結(jié)合圖3以及圖4A至4E對(duì)本發(fā)明 的柵極側(cè)壁層形成方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。首先，提供一具有至少一個(gè)柵極的襯底(S301 )。圖4A為形成柵極以后 的器件結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4A所示，首先在該硅襯底上刻蝕溝槽，并填充氧化 硅以形成各器件間的隔離溝槽102,再在硅襯底101上沉積厚度在10到200A之 間的柵氧化硅層103 (Gate Oxide);接著沉積多晶硅，刻蝕形成多晶硅柵極 104。在形成柵極后，以4冊(cè)極為掩膜，進(jìn)行淺離子注入，在對(duì)應(yīng)區(qū)域110處形 成淺摻雜區(qū)域(LDD, lightly doped drain),本實(shí)施例中注入的離子為硼(B) 離子。圖4B為形成氧化硅介質(zhì)層后的器件結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4B所示，利用ALD 方法沉積氧化硅介質(zhì)層(S302)。形成多晶硅柵極后，先沉積一層氧化硅介質(zhì) 層105,該氧化硅層可以實(shí)現(xiàn)與多晶硅柵極之間的緊密連接，其厚度可以在 100A到250A之間，如為150A。本實(shí)施例中，為提高氧化硅介質(zhì)層的形成質(zhì) 量，并降低熱預(yù)算，采用了 ALD方法形成該氧化硅層，圖5為釆用ALD方 法形成介質(zhì)層的流程圖，結(jié)合圖5說(shuō)明該方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟將襯底裝入反應(yīng)室(S501)后，對(duì)反應(yīng)室進(jìn)行加熱(S502)，加熱溫度可 設(shè)置在400到600T之間，如為450°C、 500°C、 550°C等。然后，通入N2， 或其他惰性氣體，如Ar、 He氣體，對(duì)反應(yīng)室進(jìn)行預(yù)吹洗(S503 ),本實(shí)施例 中采用N2作為吹洗氣體。吹洗完畢后，再將含Si的第一反應(yīng)源，如三-二曱 基氨基硅烷HSi[N(CH3)2]3 (TDMAS, trisdimethylaminosilane )通入反應(yīng)室中 (S504 ), TDMAS的通入時(shí)間可以設(shè)置在1秒到40秒之間，如為8秒、10 秒、15秒等；其流速可以在O.l到2升/分鐘(slm)之間，如設(shè)置為0.3slm、 0.8slm、 1.5slm等。通入的TDMAS在硅村底101上發(fā)生化學(xué)吸附反應(yīng)，形成 一單一層；接著，將未吸附在襯底上的余下的TDMAS由反應(yīng)室中抽出(S505 )，為達(dá)到更佳的效果，還可以在抽氣的同時(shí)通入N2氣，減少反應(yīng)室內(nèi)可能殘留的TDMAS反應(yīng)源，提高對(duì)反應(yīng)室的凈化度。接著，將第二反應(yīng)源通入反應(yīng)室內(nèi)(S506),為與TDMAS反應(yīng)生成氧化 硅，該反應(yīng)源可采用02、 03或H20等，本實(shí)施例中采用了 03作為第二反應(yīng) 源，通入的03與已吸附于襯底表面的TDMAS單一層發(fā)生反應(yīng)生成氧化硅。 本實(shí)施例中，03通入的時(shí)間在1秒到40秒之間，如可以為8秒、10秒、15 秒等；其流速在0.1slm到20slm之間，如可以設(shè)置為5slm、 8slm、 15slm等； 另外，可將反應(yīng)室的壓力調(diào)整在0.5到20Torr之間，如為10Torr、 15Torr。當(dāng) 襯底表面吸附的TDMAS被完全消耗后，反應(yīng)自動(dòng)停止，此時(shí)在襯底表面就 形成了一層單一的氧化硅介質(zhì)層。之后，將該第二反應(yīng)源03由反應(yīng)室內(nèi)抽出 (S507 )。同樣可以在抽氣時(shí)通入N2，以進(jìn)一步提高反應(yīng)室的凈化度。再接著，對(duì)所形成的氧化硅層的厚度是否滿足要求進(jìn)行判斷(S508 ),如 果厚度不夠，再回到S504步驟，重新進(jìn)行輪流通入TDMAS和03的過程， 以實(shí)現(xiàn)氧化硅的多次單層生長(zhǎng)，最終形成預(yù)計(jì)厚度的氧化硅薄膜層。該步判 斷可以通過計(jì)算重復(fù)通氣、抽氣的次數(shù)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)沉積的氧化硅層達(dá)到預(yù)計(jì)厚度后，取出該襯底片，完成氧化硅介質(zhì)層 的ALD沉積(S509 )。折射率是常用于評(píng)價(jià)膜質(zhì)量的指標(biāo)之一，折射率的大小很大程度上依賴 于膜的組成。對(duì)于氧化硅，其折射率越接近1.49,表示膜的質(zhì)量越好，氧化 硅純度越高，反之，低的折射率則意味著膜中多孔，成膜質(zhì)量較差。為了驗(yàn) 證利用ALD方法在較低溫度下生長(zhǎng)的氧化硅膜的形成質(zhì)量，對(duì)由ALD方法 形成的氧化硅膜、熱氧化形成的氧化硅膜以及利用LPCVD方法，在680°C下， 用TEOS (Tetra Ethyl Ortho Silicate, C8H20O4Si)生長(zhǎng)的氧化硅膜分別進(jìn)行了折 射率的測(cè)試。圖6為采用本發(fā)明方法和傳統(tǒng)方法形成的氧化硅層的折射率測(cè)試圖。如 圖6所示，圖中601為ALD方法形成的氧化硅的折射率，為1.495; 602為利 用熱氧化法形成的氧化硅膜，其折射率為1.47, 603為利用LPCVD方法形成 的TEOS氧化硅，其折射率為1.459。由以上折射率的測(cè)試結(jié)果可以證實(shí)，雖 然ALD方法的沉積溫度較低，但其形成的氧化硅膜質(zhì)量最好。另外，還對(duì) ALD方法形成的氧化硅膜進(jìn)行了濕法腐蝕的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明其腐蝕速率與生
長(zhǎng)溫度較高的TEOS氧化石圭膜的腐蝕速率相差無(wú)幾，進(jìn)一步i正實(shí)了用4氐溫 ALD方法形成的氧化硅膜的形成質(zhì)量可以滿足工藝的要求。完成該氧化硅介質(zhì)層的生長(zhǎng)后，本實(shí)施例中還對(duì)襯底進(jìn)行了快速熱退火 處理，以激活前面形成的淺摻雜區(qū)域LDD內(nèi)的雜質(zhì)。在本發(fā)明的其它實(shí)施例 中，該步熱退火工藝還可以在氧化硅介質(zhì)層生長(zhǎng)前或者氮化硅介質(zhì)層生長(zhǎng)后 進(jìn)行。圖4C為形成氮化硅介質(zhì)層后的器件結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4C所示，形成氧 化硅介質(zhì)層后，可以利用ALD方法沉積形成氮化硅介質(zhì)層(S303 )。為實(shí)現(xiàn) 對(duì)多晶硅柵極的良好保護(hù)，在氧化硅介質(zhì)層105上還需生長(zhǎng)一層致密的氮化 硅介質(zhì)層106，其厚度在200A到800A之間，如為300A。本步工藝的步驟與 S302中利用ALD形成氧化硅的步驟基本一致，只是將其中能與第一反應(yīng)源 TDMAS反應(yīng)生成氧化硅的03,改為了能與第一反應(yīng)源TDMAS反應(yīng)生成氮 化硅的含氮的反應(yīng)源，本實(shí)施例中采用的是NH3。形成氮化硅介質(zhì)層時(shí)的具體工藝條件為反應(yīng)室加熱溫度設(shè)置在400到 600"C之間，如為450°C、 500。C、 550。C等。加熱后通入第一反應(yīng)源TDMAS 的時(shí)間在1秒到40秒之間，如可以為2秒、8秒、30秒等；TDMAS的流速 在O.lslm到2slm之間，如可以設(shè)置為0.3slm、 0.8slm、 1.5slm等。當(dāng)?shù)谝环磻?yīng)源吸附形成單一層后，將其抽出反應(yīng)室，通入此時(shí)的第二反 應(yīng)源NH3，其可以與已吸附于襯底表面的TDMAS單一層發(fā)生反應(yīng)生成氮化 硅。當(dāng)襯底表面吸附的TDMAS被完全消耗后，反應(yīng)自動(dòng)停止，在襯底表面 形成一層單一的氮化石圭介質(zhì)層。本實(shí)施例中，NH3通入的時(shí)間在1秒到40秒 之間，如可以為5秒、8秒、15秒等；其流速在O.lslm到20slm之間，如可 以設(shè)置為5slm、 8slm、 15slm等；另外，可將反應(yīng)室的壓力調(diào)整在0.5到20Torr 之間，如為10Torr、 15Torr，該反應(yīng)過程中還加入了 200到600W,如400W 的RF能量以完成反應(yīng)。單層介質(zhì)層生長(zhǎng)完成后，判斷所形成的氮化硅層的厚度是否滿足要求， 如果厚度不夠，再回到重新進(jìn)行輪流通入TDMAS和NH3的過程，直到形成 預(yù)計(jì)厚度的氮化硅薄膜層為止，在氮化硅層達(dá)到預(yù)計(jì)厚度后，取出襯底片， 完成氮化硅介質(zhì)層的ALD沉積。同樣地，為了驗(yàn)證利用ALD方法在較低溫度下生長(zhǎng)的氮化硅膜的形成質(zhì)
量，對(duì)由ALD方法形成的氮化硅膜和利用LPCVD方法，在650°C下，用二 氯曱硅烷DSC ( dichloro-silane，SiCl2H2)生長(zhǎng)的氮化硅膜分別進(jìn)行了折射率的 測(cè)試。對(duì)于氮化硅膜，其折射率越低，表明其膜中的N含量越少，形成的氮 化硅中的Si與N的比例就更接近于SisN4的比例關(guān)系，即，形成的薄膜的質(zhì)量更好。圖7為采用本發(fā)明方法和傳統(tǒng)方法形成的氮化硅層的折射率測(cè)試圖。如 圖7所示，圖中701為ALD方法形成的氮化硅膜的折射率，為1.924; 702 為利用LPCVD方法形成的DSC氮化硅膜的折射率，為1.958。由以上折射率 的測(cè)試結(jié)果可以證實(shí)，雖然ALD方法的沉積溫度較低，但其形成的氮化硅膜 中的Si與N的比例更好，膜質(zhì)量更高。另外，也對(duì)ALD方法形成的氮化硅 膜進(jìn)行了濕法腐蝕的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明其腐蝕速率與生長(zhǎng)溫度較高的DSC氮化 硅膜的腐蝕速率相差不多，同樣也能滿足工藝的要求。評(píng)價(jià)用于形成柵極側(cè)壁層的介質(zhì)層的形成質(zhì)量時(shí)，還有很重要的一點(diǎn)就 是其的階梯覆蓋率，為了驗(yàn)證采用ALD方法生長(zhǎng)的介質(zhì)層的階梯覆蓋率是否 能滿足工藝要求，對(duì)其沉積生成的氧化硅和氮化硅薄膜的階梯覆蓋率進(jìn)行了 監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)該方法生長(zhǎng)的氧化硅和氮化硅介質(zhì)層在器件制備中的階梯覆蓋率 高達(dá)95%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的CVD方法。至此，在襯底上已沉積形成了氧化硅和氮化硅兩層介質(zhì)層，其在刻蝕后 就可以形成常用的ON結(jié)構(gòu)的柵極側(cè)壁層。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，還可 以在氮化硅介質(zhì)層上利用ALD方法再沉積形成一層氧化硅介質(zhì)層，該層厚度 可以根據(jù)器件對(duì)形成源/漏極的要求設(shè)置在200 1000 A左右，如600A左右。其 在刻蝕后形成的是另一種常用的ONO柵極側(cè)壁層結(jié)構(gòu)，該層氧化硅的形成方 法與前面氧化硅的形成方法一致，不再贅述。圖4D為形成柵極側(cè)壁層后的器件結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4D所示，各層介質(zhì) 層都生長(zhǎng)完成后，可以對(duì)其進(jìn)行干法刻蝕以形成柵極側(cè)壁層(S304)。本步刻 蝕工藝不需要利用光刻進(jìn)行圖形化處理，可以直接利用千法刻蝕的各向異性 而實(shí)現(xiàn)。在對(duì)沉積而成的ON (或ONO)介質(zhì)層進(jìn)行刻蝕時(shí)，因刻蝕的各向 異性，柵極側(cè)壁處的氧化硅/氮化硅介質(zhì)層105、 106會(huì)保留下來(lái)，而在柵極頂 部和柵極間硅襯底表面處的介質(zhì)層會(huì)被刻蝕去除，就形成了柵極側(cè)壁層。圖4E為形成源/漏極后的器件結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4E所示，利用多晶硅柵
極及其側(cè)壁上保留的側(cè)壁層作為掩膜進(jìn)行離子注入形成了源/漏極摻雜區(qū)107和108。其中，因?yàn)樵?漏極到柵極間的距離與柵極側(cè)壁層的厚度密切相關(guān)，其也就會(huì)受到前面所沉積的介質(zhì)層的總厚度的影響。由于源/漏極到柵極的距離對(duì)于器件的性能影響很大，通常是由器件的性能指標(biāo)所決定，不能因?yàn)楣に嚩淖儯识懊嫠练e的ON或ONO介質(zhì)層的總厚度也不能隨便改變， 需要受到精確控制。由于本實(shí)施例中采用了對(duì)膜厚控制較好的ALD方法形成 ON或ONO介質(zhì)層，克服了傳統(tǒng)CVD生長(zhǎng)的介質(zhì)層的易受幾何形狀干擾造 成表面膜厚度不均勻的問題'故而也就避免了因沉積的介質(zhì)層厚度不均勻?qū)?致的柵極側(cè)壁層的形狀不一致，即，源/漏極到柵極間的距離不一致的問題， 改善了器件性能的均勻性。另外，隨著集成電路制造技術(shù)的進(jìn)步，集成電路的集成度不斷攀升，集藝后，隨著器件結(jié)構(gòu)尺寸的急劇減小，可能會(huì)誘發(fā)諸多導(dǎo)致器件特性蛻化、 失效的效應(yīng)。如，當(dāng)器件的溝道長(zhǎng)度與源襯、漏襯pn結(jié)耗盡區(qū)寬度可比擬時(shí)， 將產(chǎn)生短溝道效應(yīng)，形成短溝道器件。這一短溝道效應(yīng)的出現(xiàn)會(huì)使器件的工 作情況變得復(fù)雜化，器件特性變差。如器件的輸出阻抗變小，闊值電壓隨柵 長(zhǎng)度減小而急劇地下降，進(jìn)一步增加亞閾值泄漏電流，結(jié)果導(dǎo)致器件特性的 可控性很差。因而，對(duì)于小尺寸器件，能更好地抑制短溝道效應(yīng)是器件制作 中要追求的主要目標(biāo)之一。泉用本發(fā)明柵極側(cè)壁層的形成方法制作的器件， 在抑制短溝道效應(yīng)方面也具有一定的優(yōu)勢(shì)。為驗(yàn)證此點(diǎn)，對(duì)采用不同方法制 備的同 一芯片上不同尺寸的器件的閾值電壓隨飽和漏電流的變化情況進(jìn)行了 測(cè)試。圖8為采用本發(fā)明方法和傳統(tǒng)方法形成柵極側(cè)壁層的器件電特性測(cè)試圖。 如圖8所示，圖中的橫坐標(biāo)為飽和漏電流，縱坐標(biāo)為器件閾值電壓值。圖中的 菱形數(shù)據(jù)點(diǎn)為對(duì)采用本發(fā)明方法形成柵極側(cè)壁層的器件的飽和漏電流與閾值 電壓的測(cè)試結(jié)果，801曲線為該方法的數(shù)據(jù)點(diǎn)集合的擬合曲線；圖中的三角數(shù) 據(jù)點(diǎn)為對(duì)采用傳統(tǒng)CVD方法形成柵極側(cè)壁層的器件的飽和漏電流與閾值電壓 的測(cè)試結(jié)果，802曲線為該方法的數(shù)據(jù)點(diǎn)集合的擬合曲線。可以看到，當(dāng)器件 尺寸減小時(shí)，器件的飽和漏電流逐漸增大，對(duì)應(yīng)地，器件的閾值電壓也發(fā)生 了變化。在器件尺寸較大時(shí)，器件的閾值電壓隨著飽和漏電流的增大而增大， 但隨著器件尺寸進(jìn)一步減小，當(dāng)這兩條曲線達(dá)到頂峰后，閾值電壓卻開始隨 著飽和漏電流的增大而減小，即由此時(shí)開始，短溝道效應(yīng)開始顯現(xiàn)。眾所周 知，增大器件閾值電壓可以增強(qiáng)抑制短溝道效應(yīng)的作用，由圖中可以看到， 采用本發(fā)明形成柵極側(cè)壁層的器件的測(cè)試曲線位于傳統(tǒng)方法曲線的上方，其 閾值電壓與傳統(tǒng)方法相比要較高，具有對(duì)短溝道效應(yīng)的更強(qiáng)的抑制作用，使 得器件的性能衰減較慢。衡量器件性能好壞的另 一個(gè)重要指標(biāo)的器件的結(jié)特性，尤其對(duì)于小于90nm工藝的CMOS器件，其結(jié)深較淺，需要更嚴(yán)格地將線結(jié)區(qū)外的不可接受 雜質(zhì)擴(kuò)散降至最小，因而對(duì)器件制作工藝中的熱預(yù)算也有更嚴(yán)格的要求。為 證實(shí)本發(fā)明的柵極側(cè)壁層形成方法所用的熱預(yù)算更小，形成的淺結(jié)更好，對(duì)采用不同方法形成柵極側(cè)壁層的器件的結(jié)特性進(jìn)行了測(cè)試。圖9是采用本發(fā)明方法和傳統(tǒng)方法形成ON結(jié)構(gòu)的柵極側(cè)壁層的器件結(jié) 特性測(cè)試圖。如圖9所示，其橫坐標(biāo)為結(jié)深度，縱坐標(biāo)為測(cè)得的雜質(zhì)濃度。 其中901為對(duì)采用本發(fā)明方法形成的ON結(jié)構(gòu)柵極側(cè)壁層的器件進(jìn)行測(cè)試的 結(jié)果曲線，902為對(duì)采用傳統(tǒng)方法形成的ON結(jié)構(gòu)柵極側(cè)壁層的器件進(jìn)行測(cè)試 的結(jié)果曲線，可以看到，前者的曲線更為陡峭，結(jié)特性更好。尤其對(duì)于通常 關(guān)注的雜質(zhì)濃度在1E+18和1E+19之間時(shí)所對(duì)應(yīng)的結(jié)深，前者明顯要d、一些， 這對(duì)于小于90nm工藝的器件而言，尤為關(guān)鍵。圖10是采用本發(fā)明方法和傳統(tǒng)方法形成ONO結(jié)構(gòu)的柵極側(cè)壁層的器件 結(jié)特性測(cè)試圖。如圖10所示，其橫坐標(biāo)為結(jié)深度，縱坐標(biāo)為測(cè)得的雜質(zhì)濃度。 其中1001為對(duì)采用本發(fā)明方法形成的ONO結(jié)構(gòu)柵極側(cè)壁層的器件進(jìn)行測(cè)試 的結(jié)果曲線，1002為對(duì)采用傳統(tǒng)方法形成的ONO結(jié)構(gòu)棚4及側(cè)壁層的器件進(jìn) 行測(cè)試的結(jié)果曲線。同樣可以看到，采用本發(fā)明方法形成柵極側(cè)壁層的器件 的結(jié)較淺，結(jié)特性更好。本實(shí)施例中，利用ALD方法形成ON或ONO結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層時(shí)，是分兩 或三次完成的，即在形成氧化硅后，將襯底取出，進(jìn)行了快速熱退火處理， 然后再進(jìn)行ALD方法的氮化硅的生長(zhǎng)。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，也可以采 用合適的條件， 一次性完成ON或ONO結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層的生長(zhǎng)。在一次性完成 的生長(zhǎng)中，所用的第一反應(yīng)源均可選用TDMAS，其通入時(shí)間可以在1秒到 40秒之間，流速可以在0.1slm到2slm之間。只是所用的第二反應(yīng)源在生長(zhǎng)氧
化硅時(shí)選用02、 03或H20，生長(zhǎng)氮化硅時(shí)選用含氮物質(zhì)，如NH3即可。本實(shí)施例中，形成的是ON或ONO結(jié)構(gòu)的柵極側(cè)壁層，在本發(fā)明的其它 實(shí)施例中，還可以利用本發(fā)明的方法形成僅由氧化硅、或僅由氮化硅或者僅 由組份固定的氮氧化硅、或僅由組份漸變的氮氧化硅組成的柵極側(cè)壁層。其 中，同樣是利用ALD方法，采用TDMAS和02、 03或H20作為反應(yīng)源形成 氧化硅，采用TDMAS和NH3作為反應(yīng)源形成氮化硅，釆用TDMAS和02、 03或1~120,以及NH3作為反應(yīng)源形成氮氧化石圭，并且，通過調(diào)整通入的02、 03或H2(),和NH3間的比例關(guān)系，可以形成組份漸變的氮氧化硅層。具有由 以上各種介質(zhì)層刻蝕形成的柵極側(cè)壁層的器件，同樣可以具有性能均勻性較 好，熱預(yù)算較低的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明雖然以較佳實(shí)施例公開如上，但其并不是用來(lái)限定本發(fā)明，任何 本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做出可能的變動(dòng)和 修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以本發(fā)明權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種柵極側(cè)壁層的形成方法，其特征在于，包括提供一具有至少一個(gè)柵極的襯底；利用原子層沉積方法、在所述襯底上形成復(fù)合介質(zhì)層；刻蝕所述復(fù)合介質(zhì)層，在所述柵極的側(cè)壁上形成側(cè)壁層。
2、 如權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于，利用原子層沉積方法在 所述襯底上形成復(fù)合介質(zhì)層i包括在所述襯底上形成氧化硅介質(zhì)層； 在所述氧化硅介質(zhì)層上形成氮化硅或氮氧化硅介質(zhì)層。
3、 如權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于，利用原子層沉積在所述 襯底上形成復(fù)合介質(zhì)層，包括在所述襯底上形成氧化硅介質(zhì)層；在所述氧化硅介質(zhì)層上形成氮化硅或氮氧化硅介質(zhì)層；在所述氮化硅或氮氧化硅介質(zhì)層上形成氧化硅介質(zhì)層。
4、 如權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于在所述襯底上形成復(fù)合 介質(zhì)層之前，先對(duì)所述襯底進(jìn)行輕摻雜處理。
5、 如權(quán)利要求2或3所述的形成方法，其特征在于在形成所述氧化硅 介質(zhì)層之后，所述氮化硅或氮氧化硅介質(zhì)層之前，對(duì)所述襯底進(jìn)行快速熱退 火處理。
6、 如權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述原子層沉積方法的 步驟包括將所述襯底裝入原子層沉積反應(yīng)室內(nèi)；力口熱戶斤述反應(yīng)室；在所述襯底上生長(zhǎng)單層介質(zhì)層；至少重復(fù)一次所述生長(zhǎng)單層介質(zhì)層的步驟后，完成所述介質(zhì)層的沉積。
7、 如權(quán)利要求6所述的形成方法，其特征在于所述加熱的溫度在400 到600。C之間。
8、如權(quán)利要求6所述的形成方法，其特征在于，所述生長(zhǎng)單層介質(zhì)層的 步驟包括通入第一反應(yīng)源，在所述襯底上吸附形成所述第一反應(yīng)源的單一層； 抽出所述反應(yīng)室內(nèi)未吸附在所述襯底上的所述第 一反應(yīng)源； 通入第二反應(yīng)源，與所述單一層反應(yīng)形成單層的介質(zhì)層；抽出所述反應(yīng)室內(nèi)未與所述單一層發(fā)生反應(yīng)的所述第二反應(yīng)源。
9、 如權(quán)利要求8所述的形成方法，其特征在于在抽出第一反應(yīng)源和抽 出第二反應(yīng)源的同時(shí)，通入氮?dú)?、氬氣或氦氣中的一種。
10、 如權(quán)利要求8所述的形成方法，其特征在于所述第一反應(yīng)源為三-二曱基氨基硅烷。
11、 如權(quán)利要求IO所述的形成方法，其特征在于，所述第一反應(yīng)源的通 入時(shí)間在1秒到40秒之間，流速在0.1 slm到2slm之間。
12、 如權(quán)利要求8所述的形成方法，其特征在于所述單層介質(zhì)層為氧 化硅層時(shí)，所述第二反應(yīng)源為02 、 03或H20。
13、 如權(quán)利要求12所述的形成方法，其特征在于所述第二反應(yīng)源的通 入時(shí)間在1秒到40秒之間，流速在0.1 slm到20slm之間，反應(yīng)室的壓力在 0.5T到20Torr之間。
14、 如權(quán)利要求8所述的形成方法，其特征在于所述單層介質(zhì)層為氮 化硅層時(shí)，所述第二反應(yīng)源為麗3。
15、 如權(quán)利要求14所述的形成方法，其特征在于所述第二反應(yīng)源的通 入時(shí)間在1秒到40秒之間，流速在O.lslm到20slm之間，反應(yīng)室的壓力在 0.5T到20Torr之間，加入的RF能量在200到600W之間。
全文摘要
公開了一種柵極側(cè)壁層的形成方法，包括步驟提供一具有至少一個(gè)柵極的襯底；利用原子層沉積方法，在所述襯底上形成復(fù)合介質(zhì)層；刻蝕所述復(fù)合介質(zhì)層，在所述柵極的側(cè)壁上形成側(cè)壁層。本發(fā)明不僅具有較低的熱預(yù)算，對(duì)改善器件的性能有利，形成的柵極側(cè)壁層的均勻性也更好，提高了器件性能的一致性。
文檔編號(hào)H01L21/02GK101154571SQ20061011684
公開日2008年4月2日 申請(qǐng)日期2006年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月30日
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