一種半導體器件的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種半導體器件的制作方法，包括：提供半導體襯底，在所述半導體襯底上依次形成柵極介電層和多晶硅柵極材料層，其中所述多晶硅柵極材料層為由至少兩層以上的多晶硅層組成的多層結構，多層結構的所述多晶硅柵極材料層的晶粒尺寸不同，晶粒尺寸從頂層到底層呈由大到小分布，對應的晶界分層分明，晶界總長度延長；圖案化所述多晶硅柵極材料層和柵極介電層，以形成柵極結構；執行源/漏區離子注入。通過本發明的制作方法，形成具有多層結構，且晶界分層分明，晶界長度相對延長的多晶硅柵極材料層，來降低硼離子在多晶硅層中的擴散速率，防止硼穿透問題的出現，進而提高器件的性能和可靠性。
【專利說明】
-種半導體器件的制作方法
技術領域
[0001] 本發明設及半導體技術領域，具體而言設及一種半導體器件的制作方法。
【背景技術】
[0002] 在金屬氧化物半導體（MO巧器件，W下簡稱MOS器件的制造工藝中，多晶娃是制造 柵極的優選材料，其具有特殊的耐熱性W及較高的刻蝕成圖精確性。柵極的制造方法首先 需要在半導體襯底上形成一層柵極氧化娃，然后在柵極氧化層上沉積多晶娃層，隨后涂布 光刻膠并圖案化光刻膠層后刻蝕多晶娃層形成柵極。多晶娃層通常與源漏區同時被離子注 入雜質。在表面溝道類型為n型溝道的NMOS的柵極、源/漏區中離子注入n型雜質。在表 面溝道類型為P型溝道的PMOS的柵極、源/漏區中離子注入P型雜質。 陽00引如圖1A-1D所示，在半導體襯底100上形成有多晶娃柵極101，執行源/漏區離子 注入，棚離子同時注入到多晶娃柵極中，然而由于沉積法形成的多晶娃層晶粒尺寸大，從柵 極多晶娃表面到柵極介電質材料的晶界總長度相對較小，在離子注入到表面溝道類型為P 溝道的PMOS的柵電極中的P型雜質棚擴散速率快的情況下，很容易沿晶界穿透多晶娃柵極 101，到達溝道區。從而導致闊值電壓的改變，并使得遷移率劣化，降低了器件的性能和可靠 性。
[0004] 因此，為了解決上述柵電極結構層棚穿透問題，有必要提出一種新的制作方法。
【發明內容】
陽〇化]在
【發明內容】
部分中引入了一系列簡化形式的概念，運將在【具體實施方式】部分中進 一步詳細說明。本發明的
【發明內容】
部分并不意味著要試圖限定出所要求保護的技術方案的 關鍵特征和必要技術特征，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護范圍。
[0006] 為了克服目前存在問題，本發明提供一種半導體器件的制作方法，包括：
[0007] 提供半導體襯底，在所述半導體襯底上依次形成柵極介電層和多晶娃柵極材料 層，其中所述多晶娃柵極材料層為由至少兩層W上的多晶娃層組成的多層結構，多層結構 的所述多晶娃柵極材料層的晶粒尺寸不同，晶粒尺寸從頂層到底層呈由大到小分布，對應 的晶界分層分明，晶界總長度延長；
[000引圖案化所述多晶娃柵極材料層和柵極介電層，W形成柵極結構；
[0009] 執行源/漏區離子注入。
[0010] 進一步，所述柵極介電層為氧化娃或氮氧化娃。
[0011] 進一步，采用低壓化學氣相淀積工藝形成所述多晶娃柵極材料層。
[0012] 進一步，所述低壓化學氣相淀積工藝反應氣體包括硅烷和緩沖氣體，所述緩沖氣 體為氮氣或氮氣。
[0013] 進一步，沉積形成所述多晶娃柵極材料層的溫度范圍為300~800攝氏度。
[0014] 進一步，形成所述多晶娃柵極材料層的反應腔內壓力范圍可為50~500mTorr。
[0015] 進一步，所述離子注入的雜質為棚或氣化棚。
[0016] 進一步，多層結構的所述多晶娃柵極材料層的晶粒尺寸分布特征為底層晶粒尺寸 為IOnm~25nm，底層晶粒尺寸為頂層晶粒尺寸的50%。
[0017] 進一步，分層沉積多晶娃層，直到形成預定厚度的多晶娃柵極材料層。
[0018] 綜上所述，通過本發明的制作方法，形成具有多層結構，且晶界分層分明，晶界長 度相對延長的多晶娃柵極材料多層結構，來降低棚離子在多晶娃層中的擴散速率，防止棚 穿透問題的出現，進而提高器件的性能和可靠性。
【附圖說明】
[0019] 本發明的下列附圖在此作為本發明的一部分用于理解本發明。附圖中示出了本發 明的實施例及其描述，用來解釋本發明的原理。
[0020] 附圖中：
[0021] 圖1A-1D為根據現有技術對多晶娃層執行離子注入后棚穿透的示意圖；
[0022] 圖2A-2D為根據本發明示例性實施例的方法對多晶娃層執行離子注入后棚逐漸 擴散的示意圖；
[0023] 圖3為根據本發明示例性實施例中方法依次實施的步驟的流程圖。
【具體實施方式】
[0024] 在下文的描述中，給出了大量具體的細節W便提供對本發明更為徹底的理解。然 而，對于本領域技術人員而言顯而易見的是，本發明可W無需一個或多個運些細節而得W 實施。在其他的例子中，為了避免與本發明發生混淆，對于本領域公知的一些技術特征未進 行描述。
[0025] 應當理解的是，本發明能夠W不同形式實施，而不應當解釋為局限于運里提出的 實施例。相反地，提供運些實施例將使公開徹底和完全，并且將本發明的范圍完全地傳遞給 本領域技術人員。在附圖中，為了清楚，層和區的尺寸W及相對尺寸可能被夸大。自始至終 相同附圖標記表示相同的元件。
[0026] 應當明白，當元件或層被稱為"在...上"、"與...相鄰"、"連接到"或"禪合到"其 它元件或層時，其可W直接地在其它元件或層上、與之相鄰、連接或禪合到其它元件或層， 或者可W存在居間的元件或層。相反，當元件被稱為"直接在...上"、"與...直接相鄰"、 "直接連接到"或"直接禪合到"其它元件或層時，則不存在居間的元件或層。應當明白，盡管 可使用術語第一、第二、第=等描述各種元件、部件、區、層和/或部分，運些元件、部件、區、 層和/或部分不應當被運些術語限制。運些術語僅僅用來區分一個元件、部件、區、層或部 分與另一個元件、部件、區、層或部分。因此，在不脫離本發明教導之下，下面討論的第一元 件、部件、區、層或部分可表示為第二元件、部件、區、層或部分。
[0027] 空間關系術語例如"在...下"、"在...下面"、"下面的"、"在...之下"、"在...之 上"、"上面的"等，在運里可為了方便描述而被使用從而描述圖中所示的一個元件或特征與 其它元件或特征的關系。應當明白，除了圖中所示的取向W外，空間關系術語意圖還包括使 用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附圖中的器件翻轉，然后，描述為"在其它元件下 面"或"在其之下"或"在其下"元件或特征將取向為在其它元件或特征"上"。因此，示例性 術語"在...下面"和"在...下"可包括上和下兩個取向。器件可W另外地取向（旋轉90 度或其它取向）并且在此使用的空間描述語相應地被解釋。
[0028] 在此使用的術語的目的僅在于描述具體實施例并且不作為本發明的限制。在此使 用時，單數形式的"一"、"一個"和"所述/該"也意圖包括復數形式，除非上下文清楚指出 另外的方式。還應明白術語"組成"和/或"包括"，當在該說明書中使用時，確定所述特征、 整數、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個或更多其它的特征、整數、步驟、操 作、元件、部件和/或組的存在或添加。在此使用時，術語"和/或"包括相關所列項目的任 何及所有組合。
[0029] 為了徹底理解本發明，將在下列的描述中提出詳細的步驟，W便闡釋本發明提出 的技術方案。本發明的較佳實施例詳細描述如下，然而除了運些詳細描述外，本發明還可W 具有其他實施方式。
[0030] 示例性實施例
[0031] 下面，參照圖2A-2D和圖3來描述根據本發明示例性實施例的方法依次實施的詳 細步驟。
[0032] 執行步驟301，提供半導體襯底，在所述半導體襯底上依次形成柵極介電層和多 晶娃柵極材料層，其中所述多晶娃柵極材料層為由至少兩層W上的多晶娃層組成的多層結 構，多層結構的所述多晶娃柵極材料層的晶粒尺寸不同，晶粒尺寸從頂層到底層呈由大到 小分布，對應的晶界分層分明，晶界總長度延長。
[0033] 所述半導體襯底可W是W下所提到的材料中的至少一種：娃、絕緣體上娃（SOI)、 絕緣體上層疊娃（SSOI)、絕緣體上層疊錯化娃（S-SiGeOI)、絕緣體上錯化娃（SiGeOI) W及 絕緣體上錯（GeOI)等。半導體襯底上可W被定義有源區。在半導體襯底中形成隔離結構， 所述隔離結構為淺溝槽隔離（STI)結構或者局部氧化娃化OCOS)隔離結構。
[0034] 所述柵極介電層可W是氧化娃（Si〇2)或氮氧化娃（SiON)。可W采用本領域技術 人員所習知的氧化工藝例如爐管氧化、快速熱退火氧化（RTO)、原位水蒸氣氧化（ISSG)等 形成氧化娃材質的柵極介質層。對氧化娃執行氮化工藝可形成氮氧化娃，其中，所述氮化工 藝可W是高溫爐管氮化、快速熱退火氮化或等離子體氮化，當然，還可W采用其它的氮化工 藝，運里不再寶述。
[0035] 在所述柵極介電層上形成多晶娃柵極材料層。在一個示例中，多晶娃柵極材料層 的形成方法可選用低壓化學氣相淀積（LPCVD)工藝。形成所述多晶娃層的工藝條件包括： 反應氣體為硅烷（SiH4)，所述硅烷的流量范圍可為100~200立方厘米/分鐘（seem)，如 ISOsccm ;可適當降低反應腔內的溫度，例如降低到300~800攝氏度，包括300、350、400、 450、500、550、600、650、700、750、800攝氏度，W使的多晶娃層的晶粒變小晶界增多。還可 W通過降低反應腔內壓力的方法，來實現多晶娃層晶粒變小晶界增多的目的。例如使反應 腔內壓力處于較低的值，范圍可為50~500毫毫米隸柱（mTorr)，如SOmTortNiOOmTorr、 ISOmTorr、SOOmTorr、SSOmTorr、SOOmTorr、SSOmTorr、AOOmTorr、ASOmTorr、SOOmTorr ;所述 反應氣體中還可包括緩沖氣體，所述緩沖氣體可為氮氣化e)或氮氣，所述氮氣和氮氣的流 量范圍可為5~20升/分鐘（slm)，如8slm、10slm或15slm。示例性地，所述多晶娃柵極 材料層的厚度為800~1200A，例如1000 A，但并不局限有上述數值范圍，還可根據實際 工藝進行調整。
[0036] 還可通過降低多晶娃的沉積速率，延長沉積時間的方法來形成所述多晶娃柵極材 料層，使得最終形成的多晶娃柵極材料層的為由至少兩層W上的多晶娃層組成的多層結 構，晶粒尺寸不同，對應的晶界分層分明，晶界總長度延長。例如，多層結構的所述多晶娃柵 極材料層的晶粒尺寸分布特征為底層晶粒尺寸為IOnm~25nm，底層晶粒尺寸為頂層晶粒 尺寸的50%。
[0037] 在一個示例中，分層沉積多晶娃層，直到形成預定厚度的多晶娃柵極材料層，所述 多晶娃柵極材料層的不同層多晶娃層的晶粒尺寸不同，例如，一層晶粒尺寸相對較小，其相 鄰層相對較大，或一層晶粒尺寸相對較大，其相鄰層相對較小。可通過調整每層多晶娃層沉 積時的工藝參數例如溫度，時間、沉積速率、反應腔壓力等，來控制每層多晶娃層的晶粒尺 寸。由于不同層多晶娃層的晶粒尺寸不同，則對應的晶界也就不同，對應的晶界分層分明， 可有效增加晶界的長度。
[0038] 在另一個示例中，分層沉積多晶娃層，直到形成預定厚度的多晶娃柵極材料層，晶 粒尺寸從底層到頂層呈由小到大分布。通過調整沉積工藝參數來實現多晶娃柵極材料層的 晶粒尺寸自下而上逐漸增大，例如，可逐步的調整沉積溫度，使沉積溫度逐漸增大，來實現 晶粒尺寸的逐漸增大，進而使得不同層的多晶娃層的晶粒尺寸不同，晶界分布不同，對應的 晶界分層分明，晶界總長度延長。
[0039] 值得一提的是，由于不同器件對應的多晶娃柵極材料層的厚度可能不同，故所述 多晶娃層柵極材料層的層數可W不同，例如可為2層、3層、4層、5層等，根據實際工藝進行 適當調整。
[0040] 接著，執行步驟302,圖案化所述多晶娃柵極材料層和柵極介電層，W形成柵極結 構。可采用本領域技術人員熟知的任何方法來形成所述柵極結構，例如利用光刻工藝，在此 不做寶述。
[0041] 接著，執行步驟303,執行源/漏區離子注入。
[0042] 參考圖2A，W PMOS為例，執行源/漏區P型雜質離子注入，P型雜質離子同時注 入到柵極結構201中，緊接著進行快速升溫退火工藝，利用900至1050°C的高溫來活化源/ 漏區域內的滲雜質，并同時修補在各離子注入工藝中受損的半導體襯底200表面的晶格結 構。較佳地，所述P型雜質為棚或氣化棚。
[0043] 參考圖2B-2D，由于本發明實施例中形成的多晶娃柵極材料為多層結構，不同層間 晶粒大小區分明顯，對應的晶界分層分明，晶界長度延長，因此注入到多晶娃層中的棚離子 向下擴散的速率更加緩慢，從而阻止棚離子擴散至柵極介電層。同時棚離子不會全部滲雜 整個多晶娃層，而是在多晶娃層的下部還可能有部分未被滲雜。另外，多晶娃柵極材料層中 的晶界多，晶界的長度延長可W有效防止棚穿透問題的出現。
[0044] 綜上所述，根據本發明的制作方法，通過形成具有多層結構，且晶界分層分明，晶 界總長度相對延長的多晶娃柵極材料層，來降低棚離子在多晶娃層中的擴散速率，防止棚 穿透問題的出現，進而提高器件的性能和可靠性。
[0045] 本發明已經通過上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用于 舉例和說明的目的，而非意在將本發明限制于所描述的實施例范圍內。此外本領域技術人 員可W理解的是，本發明并不局限于上述實施例，根據本發明的教導還可W做出更多種的 變型和修改，運些變型和修改均落在本發明所要求保護的范圍W內。本發明的保護范圍由 附屬的權利要求書及其等效范圍所界定。
【主權項】
1. 一種半導體器件的制作方法，包括： 提供半導體襯底，在所述半導體襯底上依次形成柵極介電層和多晶硅柵極材料層，其 中所述多晶硅柵極材料層為由至少兩層以上的多晶硅層組成的多層結構，多層結構的所述 多晶硅柵極材料層的晶粒尺寸不同，晶粒尺寸從頂層到底層呈由大到小分布，對應的晶界 分層分明，晶界總長度延長； 圖案化所述多晶硅柵極材料層和柵極介電層，以形成柵極結構； 執行源/漏區離子注入。2. 根據權利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述柵極介電層為氧化硅或氮氧化 娃。3. 根據權利要求1所述的制作方法，其特征在于，采用低壓化學氣相淀積工藝形成所 述多晶硅柵極材料層。4. 根據權利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述低壓化學氣相淀積工藝反應氣 體包括硅烷和緩沖氣體，所述緩沖氣體為氦氣或氮氣。5. 根據權利要求1所述的制作方法，其特征在于，沉積形成所述多晶硅柵極材料層的 溫度范圍為300~800攝氏度。6. 根據權利要求1所述的制作方法，其特征在于，形成所述多晶硅柵極材料層的反應 腔內壓力范圍可為50~500mTorr。7. 根據權利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述離子注入的雜質為硼或氟化硼。8. 根據權利要求1所述的制作方法，其特征在于，多層結構的所述多晶硅柵極材料 層的晶粒尺寸分布特征為底層晶粒尺寸為l〇nm~25nm，底層晶粒尺寸為頂層晶粒尺寸的 50%〇9. 根據權利要求1所述的制作方法，其特征在于，分層沉積多晶硅層，直到形成預定厚 度的多晶硅柵極材料層。
【文檔編號】H01L29/49GK105845575SQ201510019313
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年1月14日
【發明人】徐長春
【申請人】中芯國際集成電路制造(上海)有限公司