專利名稱：柵極及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種柵極及其形成方法。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體制造工藝中，日益增加的需求不斷推動半導(dǎo)體制造工藝向著
高集成度低功耗的方向發(fā)展。但是，隨著芯片尺寸的減小，芯片的供電電壓、工作電壓并沒有相應(yīng)減少很多，所以相應(yīng)的電場強(qiáng)度增加了，導(dǎo)致了電子的運(yùn)動速率增加。當(dāng)高能量的電子與晶格發(fā)生碰撞，就會使晶格原子電離，產(chǎn)生電子和空穴對，其中部分電子由于散射改變運(yùn)動方向，就能克服氧化層勢壘，進(jìn)入柵氧化層，造成器件的電學(xué)參數(shù)退化，這種
效應(yīng)稱為熱載流子效應(yīng)。所述熱載流子效應(yīng)會增加麗os的閾值電壓，減
小PMOS的閾值電壓。會導(dǎo)致MOS特性的退化，影響的參數(shù)包括閾值電壓VT、跨導(dǎo)g^，亞閾值斜率St，飽和電流Ids"等，并產(chǎn)生長期的可靠性問題。
襯底電流Isub可用來監(jiān)控器件受熱載流子影響的退化程度，并預(yù)測器件的壽命。其原因是橫向最大電場Emax越大，電子于晶格發(fā)生碰撞造成的電子-空穴越多，而空穴電流都被襯底收集，從而Isub就越大。
業(yè)內(nèi)習(xí)知的解決熱載流子效應(yīng)的方法包括 一、對漏端采取特殊工藝以使電場的尖峰變圓；具體有以下幾種結(jié)構(gòu)，如選用磷摻雜漏區(qū)、雙擴(kuò)散漏區(qū)或改善輕摻雜漏區(qū)，通過改善輕摻雜漏區(qū)的結(jié)構(gòu)以改善熱載流子效應(yīng)的方法如2005年4月13日^^布的^^開號為CN1606173A的中國專利申請中所提供的；二、增強(qiáng)柵氧化層與基底的交界面對于熱電子注入的抵抗力；這種方法主要就是提高柵氧的質(zhì)量；主要的方向有以下幾種減少交界面的H和H20;減少金屬腐蝕等RIE (反應(yīng)離子刻獨)工藝中對于氧化層的等離子體損傷；采用氮氧化硅代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Si(M故柵氧；三、減少供電電壓，在深亞微米工藝中電壓逐步減小。但是，應(yīng)用上述傳統(tǒng)方法改善熱載流子效應(yīng)時，都或多或少地存在一些弊端。如，選用磷摻雜漏區(qū)時，為了使源漏的電阻比較小，磷注入的
劑量必須在1E15以上，因此器件的Isub比砷注入的要'J、一個數(shù)量級；選用雙擴(kuò)散漏區(qū)時，很難形成淺結(jié)，因此對于減少Emax的作用有限；選用改善輕摻雜漏區(qū)的方式時，由于引入了n-區(qū)域，LDD結(jié)構(gòu)也會使串聯(lián)電阻增大，從而導(dǎo)致驅(qū)動電流減小；致使LDD的工藝參數(shù)必須仔細(xì)優(yōu)化以獲得最佳的器件性能；選用減少供電電壓的方式時，考慮到兼容性的問題，電壓并不能完全按照線寬的縮小而同步減小，使得對熱載流子效應(yīng)的改善有限。由此，拓展改善熱載流子效應(yīng)的方式，以擴(kuò)大在不同制程中為改善熱載流子效應(yīng)所采取的措施的選擇范圍成為本領(lǐng)域技術(shù)人員追求的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了 一種柵極形成方法，可在保持溝道電學(xué)長度不變的情況下，改善熱載流子效應(yīng)；本發(fā)明提供了一種柵極，可在保持溝道電學(xué)長度不變的情況下，擴(kuò)大所述柵極與漏極的交疊區(qū)域，改善熱載流子效應(yīng)。
本發(fā)明提供的一種柵極形成方法，包括，在基底上形成多晶硅層；執(zhí)行所述多晶硅層的第一刻蝕操作；
以包含溴基氣體的刻蝕氣體執(zhí)行所述多晶硅層的第二刻蝕操作，形成柵極；若獲得垂直于所述基底的柵極時，通入的所述溴基氣體的流量為a。，則通入所述溴基氣體時的流量a大于a。。
可選地，執(zhí)行所述第一刻蝕操作時采用包含溴基氣體的刻蝕氣體；可選地，所述溴基氣體為溴氣或溴化氪中的一種或其組合；可選地，所述刻蝕氣體中還包括氯基氣體；可選地，所述氯基氣體為氯氣或四氯化碳中的一種或其組合；可選地，所述刻蝕氣體中還包含氧氣及/或氦氣。本發(fā)明提供的一種柵極，所述柵極形成于基底上，所述柵極包含多晶硅層，所述多晶硅層包括頂壁、與所述頂壁相對的底壁和由所述底壁邊緣向上延伸后與頂壁接合的側(cè)壁，至少部分所述側(cè)壁與底壁間的夾角
小于90度。
可選地，垂直于所述基底的柵極剖面呈梯形。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述技術(shù)方案具有以下優(yōu)點
上述技術(shù)方案提供的柵極形成方法，通過在第二刻蝕過程中增加所述溴基氣體的流量，可在刻蝕多晶硅層以形成柵極的過程中，隨著刻蝕反應(yīng)的進(jìn)行，利用包含所述溴基氣體的刻蝕氣體在所述柵極的側(cè)壁上產(chǎn)生聚合物，并以所述聚合物作為臨時掩模層，以改變經(jīng)歷第二刻蝕過程獲得的既定的柵極的形貌，可使所述柵極至少部分所述側(cè)壁與底壁間的夾角小于90度，可使在保持溝道電學(xué)長度不變的情況下，擴(kuò)大所述柵極與漏極的交疊區(qū)域，改善熱載流子效應(yīng)成為可能；
上述技術(shù)方案提供的柵極，通過使其至少部分所述側(cè)壁與底壁間的夾角小于90度，可在保持溝道電學(xué)長度不變的情況下，擴(kuò)大所述柵極與漏極的交疊區(qū)域，使改善熱載流子效應(yīng)成為可能。


圖1為本發(fā)明實施例中形成柵極的流程示意圖；圖2為本發(fā)明實施例中形成的柵極的檢測圖片；圖3為說明柵極第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為說明柵極第二實施例的柵極結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
盡管下面將參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述，其中表示了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，應(yīng)當(dāng)理解本領(lǐng)域技術(shù)人員可以修改在此描述的本發(fā)明而仍然實現(xiàn)本發(fā)明的有利效果。因此，下列的描述應(yīng)當(dāng)被理解為對于本領(lǐng)域技術(shù)人員的廣泛教導(dǎo)，而并不作為對本發(fā)明的限制。為了清楚，不描述實際實施例的全部特征。在下列描述中，不詳細(xì)描述公知的功能和結(jié)構(gòu)，因為它們會使本發(fā)明由于不必要的細(xì)節(jié)而混亂。應(yīng)當(dāng)認(rèn)為在任何實際實施例的開發(fā)中，必須做出大量實施細(xì)節(jié)以實現(xiàn)開發(fā)者的特定目標(biāo)，例如按照有關(guān)系統(tǒng)或有關(guān)商業(yè)的限制，由一個實施例改變?yōu)榱硪粋€實施例。另外，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為這種開發(fā)工作可能是復(fù)雜和耗費(fèi)時間的，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說僅僅是常規(guī)工作。
在下列段落中參照附圖以舉例方式更具體地描述本發(fā)明。根據(jù)下列說明和權(quán)利要求書本發(fā)明的優(yōu)點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比率，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。
如圖1所示，形成柵極的具體步驟包括步驟ll:在基底上形成多晶硅層。
在襯底(substrate)上定義器件有源區(qū)并完成淺溝槽隔離后形成所述基底。所述襯底包含但不限于包括半導(dǎo)體元素的硅材料，例如單晶、多晶或非晶結(jié)構(gòu)的硅或硅鍺(SiGe )，也可以是絕緣體上硅(SOI )。
可采用低壓化學(xué)氣象沉積(LPCVD)工藝形成所述多晶硅層。實踐中，通常需對所述多晶硅層執(zhí)行摻雜操作，用以調(diào)整所述多晶硅的阻值；所述摻雜才乘作利用離子注入工藝進(jìn)行，可采用任何傳統(tǒng)的方法執(zhí)行所述摻雜操作，在此不再贅述。
步驟12:執(zhí)行所述多晶硅層的第一刻蝕梯:作。
對所述多晶硅層執(zhí)行刻蝕操作，用以形成柵極；所述刻蝕操作包括順序進(jìn)行的第一刻蝕操作和第二刻蝕操作，其中，所述第一刻蝕操作用以去除大部分厚度的所述多晶硅層；所述第二刻蝕操作用以去除剩余的多晶硅層；之所以分兩步執(zhí)行所述刻蝕操作，是因為在所述多晶硅層的刻蝕操作即將完成(即去除剩余的多晶硅層)時，需采用特殊工藝保護(hù)形成的柵極的側(cè)壁，以減少形成的柵極在其根部具有的凹陷(notching);傳統(tǒng)工藝中，所述刻蝕#:作通常包括順序進(jìn)行的主刻蝕操作和過刻蝕操作，所述主刻蝕操作意指至4企測到停止層(形成于所述多晶硅層與基底之間)材料為止的多晶硅層的刻蝕過程；所述過刻蝕操作意指殘留的多晶硅層和部分厚度的所述停止層的刻蝕過程。通常，采用包含氯基氣體的刻蝕氣體執(zhí)行所述多晶硅層的主刻蝕操作；采用包含溴基氣體的刻蝕氣體執(zhí)行所述多晶硅層的過刻蝕操作。實踐中，所述氯基氣體為氯氣或四氯化碳中的一種或其組合；所述溴基氣體為溴氣或溴化氫中的一種或其組合。
然而，實際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用上述工藝形成柵極時，器件中的熱載流子效應(yīng)明顯。本發(fā)明的發(fā)明人分析后認(rèn)為，由于器件漏極附近飽和工作狀態(tài)下的最大橫向電場為
E,= (Vds-Vdsat)/l (1)而 / = 0.22《、)/2 (2)
/ra6 = _f/rf4exp[-A/￡")] (3)
=— 4加)^rf exP
汲
—「
r a ' (to
(4)
其中，l為溝道電學(xué)長度，t。x為柵介質(zhì)層厚度，Xj為結(jié)深，Lb為襯底電流，Id為源漏電流?？梢?，Isub/I^ (Vds-VJ和(Vds-Vdsat) /1相
關(guān)，即，Isub/Id與Emax相關(guān)。
此外，產(chǎn)生熱載流子效應(yīng)的原因在于器件的導(dǎo)電溝道中的電子獲得了足夠(如大于1. 5eVr的能量，當(dāng)它們和晶格相碰撞時，電離產(chǎn)生電子-空穴對，由此產(chǎn)生的電子會被吸引至漏極(由此增加漏電流)或者得到了足夠的能量后注入氧化層，形成熱載流子；由此產(chǎn)生的空穴進(jìn)入襯底，形成寄生襯底電 流Isubo 在所述導(dǎo)電溝道中，電場呈指數(shù)分布，最大值位于漏極附近，當(dāng)最大電場越遠(yuǎn)離漏極，電子越不易于獲得足夠的能量以進(jìn)入柵介質(zhì)層，即，對改善熱載流子效應(yīng)越有利。
由此，本發(fā)明的發(fā)明人分析后認(rèn)為，如何在保持溝道電學(xué)長度不變
7的情況下，使最大電場的點盡量遠(yuǎn)離漏極，成為改善熱載流子效應(yīng)的指導(dǎo)方向。
為使最大電場的點盡量遠(yuǎn)離漏極，以改善熱載流子效應(yīng)，本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)歷分析與實踐后，提出了一種4冊極形成方法，形成的柵極與漏
極的交疊區(qū)域變大；交疊區(qū)域越大，最大電場的點就越靠近溝道內(nèi)部，也對改善熱載流子缺陷越有利。
為使所述交疊區(qū)域變大，本發(fā)明的發(fā)明人提出，通過調(diào)整刻蝕操作以改變形成的柵極的形貌，以使與所述柵介質(zhì)層相接觸的所述柵極的面積大于其頂壁面積；通過改變所述柵極的形貌，可使得經(jīng)歷后續(xù)離子注入操作后獲得的源/漏區(qū)形貌發(fā)生改變，向溝道內(nèi)部靠近，繼而使得柵極與漏極的交疊區(qū)域增加。
步驟13:以包含溴基氣體的刻蝕氣體執(zhí)行所述多晶硅層的第二刻蝕操作，形成柵極。
調(diào)整刻蝕操作以改變形成的柵極的形貌時，可以只對所述第二刻蝕操作進(jìn)行調(diào)整。所述第二刻蝕操作用以去除經(jīng)歷第一刻蝕操作后剩余的多晶硅層。所述第一刻蝕操作不限于傳統(tǒng)工藝中的主刻蝕操作，經(jīng)歷所述第一刻蝕操作后去除的多晶硅層的厚度小于傳統(tǒng)工藝中經(jīng)歷主刻蝕操作后去除的多晶硅層的厚度；所述第二刻蝕搡作也不限于傳統(tǒng)工藝中的過刻蝕操作，經(jīng)歷所述第二刻蝕操作后去除的多晶硅層的厚度大于傳統(tǒng)工藝中經(jīng)歷過刻蝕操作后去除的多晶硅層的厚度。
在傳統(tǒng)工藝中，采用包含溴基氣體的刻蝕氣體執(zhí)行所述多晶硅層的過刻蝕操作。實踐中，所述溴基氣體可為溴氣或溴化氫中的一種或其組合。所述刻蝕氣體還包含氯基氣體，所述氯基氣體可為氯氣或四氯化碳中的一種或其組合。以所述刻蝕氣體中包含溴化氫和氯氣為例，執(zhí)行所述過刻蝕操作時，工藝條件為反應(yīng)腔室壓力為5mT 20mT,如15mT;射頻功率為100W 500W,如200W;控制電壓為- ~ 120V,如-110V;氯氣的;危量范圍為40sccm 60sccm,》口50sccm;溴4匕氬的;i;危量范圍為120sccm~140sccm,如130sccm。此時，在所述過刻蝕過程中應(yīng)用溴化氬的目的在于，應(yīng)用所述溴化氬刻蝕多晶硅層時，在刻蝕后的側(cè)壁上產(chǎn)生聚合物，可保護(hù)形成的柵極的側(cè)壁在完成刻蝕操作的過程中不被侵蝕，可減少形成的柵極在其根部具有的凹陷，以使獲得的柵極的側(cè)壁垂直于基底。本文件內(nèi)，術(shù)語"垂直"意指在實際生產(chǎn)中允許的包含90度的所述側(cè)壁與基底間的夾角范圍，具體地，若實際生產(chǎn)中將88度 92度內(nèi)的所述側(cè)壁與基底間的夾角均可判定為垂直時，則獲得的所述側(cè)壁與基底間的夾角為88. 7度時，可稱所述側(cè)壁垂直于基底。
而在本實施例中，意欲改變獲得的柵極的形貌，由此，本發(fā)明的發(fā)明人提出，在執(zhí)行所述第二刻蝕操作時，增大溴化氫的流量，即，若獲得垂直于所述基底的柵極時，通入的所述溴基氣體的流量為a。，則通入所述溴基氣體時的流量a大于a。；以增強(qiáng)所述溴化氫的反應(yīng)作用，利用其在刻蝕多晶硅層時在刻蝕后的側(cè)壁上產(chǎn)生的聚合物作為臨時掩模層，以改變經(jīng)歷第二刻蝕過程獲得的既定的柵極的形貌，以使所述柵極至少部分所述側(cè)壁與底壁間的夾角小于90度，繼而，在后續(xù)制程中，可通過離子注入操作獲得形貌發(fā)生改變的源/漏區(qū)，使其向溝道內(nèi)部靠近，繼而使得柵極與漏極的交疊區(qū)域增加；可使在保持溝道電學(xué)長度不變的情況下，改善熱載流子效應(yīng)成為可能。此外，還可輔助地增大控制電壓，以利于所述溴化氫參與反應(yīng)。具體地，以所述刻蝕氣體中包含溴化氫和氯氣為例，執(zhí)行所述第二刻蝕操作時，工藝條件為反應(yīng)腔室壓力為5mT 20mT,如15mT;射頻功率為100W ~ 500W，如200W;控制電壓為-150V ~ 200V，如-170V;氯氣的流量范圍為20sccm 40sccm，如30sccm;溴化氮的流量范圍為140sccm 160sccm， 如150sccm。
特別地，執(zhí)行所述第一刻蝕操作時也可采用包含溴基氣體的刻蝕氣體。此時，考慮到應(yīng)用所述溴基氣體時形成的聚合物的臨時掩模層的作用，獲得柵極后，其垂直于所述基底的剖面呈梯形。具體地，傳統(tǒng)工藝
9中，執(zhí)行所述第一刻蝕操作時，以所述刻蝕氣體中包含氯氣為例，執(zhí)行
所述過刻蝕操作時，工藝條件為反應(yīng)腔室壓力為lmT-10mT，如5mT;射頻功率為100W- 500W,如200W;控制電壓為-130V ~ 150V,如-140V;氯氣的流量范圍為80sccm 100sccm，如90sccm。而在本實施例中，執(zhí)行所述第一刻蝕操作時，以所述刻蝕氣體中包含溴化氫和氯氣為例，工藝條件為反應(yīng)腔室壓力為lmT 10mT,如5mT;射頻功率為100W~ 500W,如200W;控制電壓為-150V-170V,如-160V;氯氣的流量范圍為40sccm~50sccm， 如45sccm; 溴化氫的流量范圍為40sccm~ 50sccm， 如45sccm。
采用上述工藝條件獲得的柵極如圖2所示，應(yīng)用電子束掃描顯微鏡進(jìn)行才企測，；險測條件為15kv、 8. 7mm*100k。如圖2所示，所述4冊極的側(cè)壁與基底的夾角為85. 05度，小于實踐中可判定側(cè)壁垂直的工藝允許范圍(如大于88度)，即，獲得的柵極側(cè)壁不再垂直于所述基底，采用上述工藝條件可獲得剖面呈梯形的柵極。
需說明的是，在上述刻蝕操作中，所述刻蝕氣體中還包含氧氣及/或氦氣。所述氧氣用以提高所述刻蝕操作對多晶硅層與其下層材料的刻蝕選擇比；所述氦氣用以調(diào)整所述反應(yīng)腔室內(nèi)的壓力。
本發(fā)明的發(fā)明人還提供了一種柵極，如圖3所示，所述柵極形成于基底10上，所述柵極包含多晶硅層，所述多晶硅層包括頂壁24、與所述頂壁24相對的底壁20和由所述底壁20邊緣向上延伸后與頂壁24接合的側(cè)壁22，特別地，至少部分所述側(cè)壁22與底壁20間的夾角小于90度。
特別地，如圖4所示，垂直于所述基底10的柵極剖面呈梯形。
通過使其至少部分所述側(cè)壁與底壁間的夾角小于90度，可在保持溝道
電學(xué)長度不變的情況下，擴(kuò)大所述柵極與漏極的交疊區(qū)域，使改善熱載
流子效應(yīng)成為可能。
需強(qiáng)調(diào)的是，未加說明的步驟均可采用傳統(tǒng)的方法獲得，且具體的工藝參數(shù)根據(jù)產(chǎn)品要求及工藝條件確定。盡管通過在此的實施例描述說明了本發(fā)明，和盡管已經(jīng)足夠詳細(xì)地描述了實施例，申請人不希望以任何方式將權(quán)利要求書的范圍限制在這種細(xì)節(jié)上。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說另外的優(yōu)勢和改進(jìn)是顯而易見的。因此，在較寬范圍的本發(fā)明不限于表示和描述的特定細(xì)節(jié)、表達(dá)的設(shè)備和方法和說明性例子。因此，可以偏離這些細(xì)節(jié)而不脫離申請人總的發(fā)明概念的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種柵極，所述柵極形成于基底上，所述柵極包含多晶硅層，所述多晶硅層包括頂壁、與所述頂壁相對的底壁和由所述底壁邊緣向上延伸后與頂壁接合的側(cè)壁，其特征在于至少部分所述側(cè)壁與底壁間的夾角小于90度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵極，其特征在于垂直于所述基底的 柵極剖面呈梯形。
3. —種斥冊纟及形成方法，包括， 在基底上形成多晶硅層； 執(zhí)行所述多晶硅層的第一刻蝕操作；以包含溴基氣體的刻蝕氣體執(zhí)行所述多晶硅層的第二刻蝕操作，形 成柵極；其特征在于若獲得垂直于所述基底的柵極時，通入的所述溴基氣 體的流量為a。，則通入所述溴基氣體時的流量a大于a。。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的柵極形成方法，其特征在于執(zhí)行所述 第一刻蝕操作時采用包含溴基氣體的刻蝕氣體。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的柵極形成方法，其特征在于所述溴基 氣體為溴氣或渙化氫中的一種或其組合。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的柵極形成方法，其特征在于所述刻蝕 氣體中還包括氯基氣體。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的柵極形成方法，其特征在于所述氯基 氣體為氯氣或四氯化碳中的一種或其組合。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的柵極形成方法，其特征在于所述刻蝕 氣體中還包含氧氣及/或氦氣。
全文摘要
一種柵極形成方法，包括，在基底上形成多晶硅層；執(zhí)行所述多晶硅層的第一刻蝕操作；以包含溴基氣體的刻蝕氣體執(zhí)行所述多晶硅層的第二刻蝕操作，形成柵極；若獲得垂直于所述基底的柵極時，通入的所述溴基氣體的流量為a₀，則通入所述溴基氣體時的流量a大于a₀。一種柵極，所述柵極形成于基底上，所述柵極包含多晶硅層，所述多晶硅層包括頂壁、與所述頂壁相對的底壁和由所述底壁邊緣向上延伸后與頂壁接合的側(cè)壁，至少部分所述側(cè)壁與底壁間的夾角小于90度?？稍诒３譁系离妼W(xué)長度不變的情況下，擴(kuò)大所述柵極與漏極的交疊區(qū)域，改善熱載流子效應(yīng)。
文檔編號H01L29/423GK101593770SQ20081011398
公開日2009年12月2日 申請日期2008年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月30日
發(fā)明者吳永堅, 廖金昌, 甘正浩 申請人:中芯國際集成電路制造(北京)有限公司