专利名称：栅极结构的制造方法
技术领域：
本发明是有关于一种半导体工艺，且特别是有关于一种栅极结构的制造方法。
背景技术：
光刻工艺(Photolithography)是整个半导体工艺中最为举足轻重的步骤之 一。凡是与半导体元件结构相关例如各层薄膜的图案，都是由光刻工艺来决定 其关键尺寸(Critical Dimension, CD)的大小，也决定于光刻工艺技术的发展。
对于金属氧化物半导体晶体管(MOS Transistor)而言，最重要的构件之一为 栅极(Gate)，其是用以控制沟道(Channel)开/关，且其位于衬底的元件区上。在 许多类型的电子产品中，元件区内的各栅极为互相平行，且其线宽(Linewidth) 为此半导体工艺中的关键尺寸。
而随着集成电路的集成度的日益提高，整个集成电路的元件尺寸也必须随 之縮小。特别是，对于关键尺寸为35nm或以下的栅极而言，为了使元件能够 得到更小的线宽，并进一步得到更小的元件尺寸，需使用更小波长的光源例如 是氟化氪(KrF, 248nm)、氟化氩(ArF, 193nm)、氟(Fz, 157nm)、氩(Ar"2， 126nm) 等，以提升曝光步骤的解析度。但是，这样的曝光工具仍十分昂贵，或是仍在 研发中。
此外，为了因应元件尺寸的縮小化，在进行光刻工艺时，还可利用厚度较 薄以及高敏感度(Sensitivity)的光刻胶材料层，然而此种工艺将会对后续的刻蚀 工艺造成影响，而无法縮小元件尺寸。另一方面，为求提高集成电路集成度而 不断縮小元件尺寸以达深亚微米(Deep Submicron)工艺时，光掩模成本的经济适
用性也成为一大问题。
因此，如何有效縮小并控制栅极的间隔(Pitch)/宽度(Size)是产业的 一 致目标。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的就是在提供一种栅极结构的制造方法，不需使用
高分辨率(high resolution)光刻工艺即可使元件尺寸縮小化。
本发明的另一目的是提供一种栅极结构的制造方法，可同时制作出预定小 尺寸与相对较大尺寸的栅极的方法。
本发明提出一种栅极结构的制造方法。首先，提供一衬底，衬底上已形成 栅极介电层，且栅极介电层上形成有至少一介电柱。然后，在衬底上方顺应性 形成多晶硅层，覆盖住介电柱与栅极介电层。之后，进行一刻蚀工艺，移除部 分的多晶硅层，以于介电柱的侧壁形成二个多晶硅间隙壁。接着，在衬底上形 成刻蚀终止层。继而，形成介电层以覆盖刻蚀终止层、二个多晶硅间隙壁与介 电柱。然后，进行一平坦化工艺，移除部分的介电柱、介电层与多晶硅间隙壁， 使多晶硅间隙壁形成多晶硅柱。之后，进行一回刻蚀工艺，移除部分的介电柱 与介电层，使介电柱与介电层的表面低于多晶硅柱的表面。随后，进行一自行 对准金属硅化物工艺，使多晶硅柱转变成金属硅化物柱。其中，多晶硅层的厚 度等于金属硅化物柱的关键尺寸。
依照本发明的实施例所述的栅极结构的制造方法，还包括在金属硅化物 柱上形成一金属层，以及移除部分的介电柱与介电层，以于金属硅化物柱两侧 形成间隙壁。其中，金属层的材料例如是氮化钛、钽或钨。
依照本发明的实施例所述的栅极结构的制造方法，上述的栅极介电层为高 介电常数的介电材料层。
依照本发明的实施例所述的栅极结构的制造方法，上述的刻蚀终止层的材 料例如是氮氧化硅。
依照本发明的实施例所述的栅极结构的制造方法，上述的平坦化工艺为化 学机械研磨工艺。
依照本发明的实施例所述的栅极结构的制造方法，上述的刻蚀工艺为非等 向性刻蚀工艺。
本发明另提出一种栅极结构的制造方法。首先，提供一衬底，衬底具有第 一栅极区与第二栅极区，衬底上已形成栅极介电层，且第二栅极区的栅极介电
6层上形成有至少一介电柱。然后，在衬底上方顺应性形成多晶硅层，覆盖住介 电柱与栅极介电层。之后，进行一第一刻蚀工艺，移除第二栅极区的部分多晶 硅层，以于介电柱的侧壁形成二个多晶硅间隙壁。接着，在衬底上形成一刻蚀 终止层。继而，进行一第二刻蚀工艺，移除第一栅极区的多晶硅层，以形成至 少一第一多晶硅柱。随后，形成一介电层，以覆盖刻蚀终止层、二个多晶硅间
隙壁、介电柱与第一多晶硅柱。之后，进行一平坦化工艺，移除部分的介电柱、 介电层与二个多晶硅间隙壁，使二个多晶硅间隙壁形成二个第二多晶硅柱。接 着，进行一回刻蚀工艺，移除部分的介电柱与介电层，使介电柱与介电层的表 面低于第一多晶硅柱与第二多晶硅柱的表面。然后，进行一自行对准金属硅化 物工艺，使第一多晶硅柱与第二多晶硅柱分别转变成第一金属硅化物柱与第二 金属硅化物柱。其中，多晶硅层的厚度等于第二金属硅化物柱的关键尺寸。
依照本发明的实施例所述的栅极结构的制造方法，还包括在第一金属硅 化物柱与第二金属硅化物柱上形成一金属层。然后，移除部分的介电柱与介电 层，以于第一金属硅化物柱两侧与第二金属硅化物柱两侧形成一间隙壁。其中， 金属层的材料例如是氮化钛、钽或钨。
依照本发明的实施例所述的栅极结构的制造方法，上述的栅极介电层为高 介电常数的介电材料层。
依照本发明的实施例所述的栅极结构的制造方法，上述的刻蚀终止层的材 料例如是氮氧化硅。
依照本发明的实施例所述的栅极结构的制造方法，上述的平坦化工艺为化 学机械研磨工艺。
依照本发明的实施例所述的栅极结构的制造方法，上述的第一刻蚀工艺为 非等向性刻蚀工艺。
本发明的方法是利用介电柱的宽度以及形成于其表面的多晶硅层的厚度， 以控制栅极的的间隔/宽度，因此不需使用高分辨率光刻工艺，即可达到缩小栅 极尺寸的目的。另外，本发明的方法可同时制作出预定小尺寸与相对较大尺寸 的栅极。
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发 明的具体实施方式
作详细说明，其中
图1至图8为本发明实施例的栅极结构的制造方法的流程剖面示意图。 主要元件符号说明
100:衬底
101:第一栅极区
103:第二栅极区
104:栅极介电层
106:介电柱
108:多晶硅层
110、 116:图案化光刻胶层
112:多晶硅间隙壁
114:刻蚀终止层
118:第一多晶硅柱
119:第一金属硅化物柱
120:介电层
122:第二多晶硅柱
123:第二金属硅化物柱
124:金属层
126:间隙壁
具体实施例方式
以下将以半导体工艺为例进一步说明本发明，但此例并非用以限定本发明
的范围。图1至图8为本发明实施例的栅极结构的制造方法的流程剖面示意图，
此栅极结构工艺内含本发明的制作出具有预定小尺寸的栅极的方法，以及同时 制作出预定小尺寸与相对较大尺寸的栅极的方法。
首先，请参照图1，提供一衬底100，例如是硅衬底或其他合适的半导体 衬底。此衬底100具有一第一栅极区101以及一第二栅极区103，其中第二栅 极区103是用来制作具有预定小尺寸的栅极，例如是关键尺寸(CriticalDimension, CD)为35 nm或以下的栅极，而第一栅极区101则是用来制作相对 较大尺寸的栅极。接着，在衬底100上形成栅极介电层104。栅极介电层104 例如是高介电常数的介电材料层，其例如是氧化铪(HfO)层、氧化锆(ZrO)层、 氧化铝(A10)层、氧化钛(TiO)层、氧化镧(LaO)层、氧化钇(YO)层、氧化钽(TaO) 层或其组合，其形成方法例如是化学气相沉积法。
之后，请继续参照图l，在第二栅极区103的栅极介电层104上形成介电 柱106。介电柱106的材料例如是氧化硅，其形成方法例如是先沉积氧化硅层， 然后利用光刻、刻蚀工艺以形成之。随后，在衬底IOO上方顺应性形成一多晶 硅层108，以覆盖住介电柱106与栅极介电层104。多晶硅层108的形成方法 例如是化学气相沉积法。特别要说明的是，多晶硅层108的厚度t等于预定小 尺寸的栅极的关键尺寸(即，线宽(Line Width))，举例来说预形成32nm线宽的 栅极，则形成厚度为320 A的多晶硅层108。另外，介电柱106的宽度t'也可 用以决定相邻二栅极的间隔(Pitch)。
然后，请参照图2，形成一图案化光刻胶层110，覆盖住第一栅极区101
的多晶硅层108，而暴露出第二栅极区103的多晶硅层108。之后，以图案化
光刻胶层110为罩幕，进行第一刻蚀工艺，移除第二栅极区103的部分多晶硅
层108，以于介电柱106的侧壁形成多晶硅间隙壁112。上述的第一刻蚀工艺 例如是非等向性刻蚀工艺。
另外，本技术领域具有通常知识者也可视其需求，而依据本发明的精神与 前述各实施例的教示改变实施方式。例如，如图2所示，可依据实际工艺需求， 将图案化光刻胶层IIO覆盖住第二栅极区103中的部分多晶硅层108，然后， 以图案化光刻胶层IIO为罩幕，进行刻蚀工艺，以于介电柱106的侧壁形成多 晶硅间隙壁112。上述的图案化光刻胶层IIO覆盖第二栅极区103的区域可依 其需求更动，并不限定于图2所示。
继而，请参照图3，移除图案化光刻胶层110，接着在衬底IOO上形成刻 蚀终止层114。刻蚀终止层114的材料例如是氮氧化硅或其他合适的材料，其 形成方法例如是利用氮化工艺以形成之。之后，移除第二栅极区103的多晶硅 层108，其移除方法例如是形成光刻胶层(未绘示)，以暴露出第二栅极区103 的多晶硅层108，然后以光刻胶层为罩幕，进行等向性刻蚀工艺，移除所暴露出的多晶硅层108，之后移除此光刻胶层。
随后，请参照图4，在衬底100上方形成一图案化光刻胶层116，此图案 化光刻胶层116暴露出第一栅极区101的部分多晶硅层108。之后，以图案化 光刻胶层116为罩幕，进行第二刻蚀工艺，移除暴露出来的多晶硅层108，以 于第一栅极区101形成第一多晶硅柱118。
随后，请参照图5，形成一介电层120，覆盖刻蚀终止层114、多晶硅间隙 壁112、介电柱106与第一多晶硅柱118。介电层120的材料例如是氧化硅或 其他合适的介电材料，其形成方法例如是利用沉积方法。接着，进行一平坦化 工艺，移除部分的介电柱106、介电层120与多晶硅间隙壁112，使多晶硅间 隙壁112形成第二多晶硅柱122。上述的平坦化工艺例如是化学机械研磨工艺。
随后，请参照图6，进行一回刻蚀工艺，移除部分的介电柱106与介电层 120，使介电柱106与介电层120的表面低于第一多晶硅柱118与第二多晶硅 柱122的表面，以暴露出第一多晶硅柱118与第二多晶硅柱122的表面。
接着，请参照图7，进行一自行对准金属硅化物(Self-Aligned Silicide， Salicide)工艺，使第一多晶硅柱118与第二多晶硅柱122分别转变成第一金属 硅化物柱119与第二金属硅化物柱123。第一金属硅化物柱119与第二金属硅 化物柱123的材料可为耐热金属硅化物，其中的耐热金属是选自于钛、钨、铀、 钴以及镍所组成的族群。而自行对准金属硅化物工艺以形成硅化钛为例， 一般 是先在整个衬底100上溅镀一层金属钛，再进行快速热工艺(Rapid Thermal Process, RTP)，让金属钛和位于其下方的硅原子发生反应形成硅化钛层，再利 用选择性湿式刻蚀法将未反应的金属钛层移除。其中，第一金属硅化物柱119 与第二金属硅化物柱123例如是全金属硅化物(FullySilicide)，或者是由多晶硅 与金属硅化物所组成。
值得注意的是，第一金属硅化物柱119与第二金属硅化物柱123的关键尺 寸等于多晶硅层108的厚度t。
之后，请参照图8，为了进一步降低栅极的电阻值，还可在第一金属硅化 物柱119与第二金属硅化物柱123上形成金属层124。金属层124的材料例如 是氮化钛(TiN)、钽(Ta)、钨(W)，其形成方法例如是化学沉积法。接下来，移 除部分的介电柱106与介电层120，以于第一金属硅化物柱119两侧与第二金属硅化物柱123两侧形成间隙壁126。
综上所述，本发明的方法是利用介电柱的宽度以及形成于其表面的多晶硅 层的厚度，以控制栅极的的间隔(Pitch)/宽度(Size)，而不需使用到高分辨率光刻 工艺，且可节省工艺成本。另外，本发明的方法可同时制作出预定小尺寸与相 对较大尺寸的栅极。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域 技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此 本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
权利要求
1.一种栅极结构的制造方法，包括提供一衬底，该衬底上已形成一栅极介电层，且该栅极介电层上形成有至少一介电柱；在该衬底上方顺应性形成一多晶硅层，覆盖住该介电柱与该栅极介电层；进行一刻蚀工艺，移除部分的该多晶硅层，以于该介电柱的侧壁形成二个多晶硅间隙壁；在该衬底上形成一刻蚀终止层；形成一介电层，以覆盖该刻蚀终止层、该二个多晶硅间隙壁与该介电柱；进行一平坦化工艺，移除部分的该介电柱、该介电层与该二个多晶硅间隙壁，使该二个多晶硅间隙壁形成二个多晶硅柱；进行一回刻蚀工艺，移除部分的该介电柱与该介电层，使该介电柱与该介电层的表面低于该多晶硅柱的表面；以及进行一自行对准金属硅化物工艺，使该多晶硅柱转变成一金属硅化物柱，其中该多晶硅层的厚度等于该金属硅化物柱的关键尺寸。
2. 如权利要求1所述的栅极结构的制造方法，其特征在于，还包括 在该金属硅化物柱上形成一金属层；以及移除部分的该介电柱与该介电层，以于该金属硅化物柱两侧形成一间隙壁。
3. 如权利要求2所述的栅极结构的制造方法，其特征在于，该金属层的材 料包括氮化钛、钽或钨。
4. 如权利要求1所述的栅极结构的制造方法，其特征在于，该栅极介电层 为高介电常数的介电材料层。
5. 如权利要求1所述的栅极结构的制造方法，其特征在于，该刻蚀终止层 的材料包括氮氧化硅。
6. 如权利要求1所述的栅极结构的制造方法，其特征在于，该平坦化工艺 为化学机械研磨工艺。
7. 如权利要求1所述的栅极结构的制造方法，其特征在于，该刻蚀工艺为非等向性刻蚀工艺。
8. —种栅极结构的制造方法，包括提供一衬底，该衬底具有一第一栅极区与一第二栅极区，该衬底上己形成 一栅极介电层，且该第二栅极区的该栅极介电层上形成有至少一介电柱；在该衬底上方顺应性形成一多晶硅层，覆盖住该介电柱与该栅极介电层；进行一第一刻蚀工艺，移除该第二栅极区的部分该多晶硅层，以于该介电柱的侧壁形成二个多晶硅间隙壁；在该衬底上形成一刻蚀终止层；进行一第二刻蚀工艺，移除该第一栅极区的该多晶硅层，以形成至少一第一多晶硅柱；形成一介电层，以覆盖该刻蚀终止层、该二个多晶硅间隙壁、该介电柱与 该第一多晶硅柱；进行一平坦化工艺，移除部分的该介电柱、该介电层与该二个多晶硅间隙 壁，使该二个多晶硅间隙壁形成二个第二多晶硅柱；进行一回刻蚀工艺，移除部分的该介电柱与该介电层，使该介电柱与该介 电层的表面低于该第一多晶硅柱与该第二多晶硅柱的表面；以及进行一自行对准金属硅化物工艺，使该第一多晶硅柱与该第二多晶硅柱分 别转变成一第一金属硅化物柱与一第二金属硅化物柱，其中该多晶硅层的厚度等于该第二金属硅化物柱的关键尺寸。
9. 如权利要求8所述的栅极结构的制造方法，其特征在于，还包括 在该第一金属硅化物柱与该第二金属硅化物柱上形成一金属层；以及 移除部分的该介电柱与该介电层，以于该第一金属硅化物柱两侧与该第二金属硅化物柱两侧形成一间隙壁。
10. 如权利要求9所述的栅极结构的制造方法，其特征在于，该金属层的材 料包括氮化钛、钽或钨。
11. 如权利要求8所述的栅极结构的制造方法，其特征在于，该栅极介电层 为高介电常数的介电材料层。
12. 如权利要求8所述的栅极结构的制造方法，其特征在于，该刻蚀终止层 的材料包括氮氧化硅。
13. 如权利要求8所述的栅极结构的制造方法，其特征在于，该平坦化工艺 为化学机械研磨工艺。
14. 如权利要求8所述的栅极结构的制造方法，其特征在于，该第一刻蚀工艺为非等向性刻蚀工艺。
全文摘要
本发明揭示一种栅极结构的制造方法。首先，提供一衬底，衬底上已形成栅极介电层，且栅极介电层上形成有至少一介电柱。然后，在衬底上方顺应性形成多晶硅层，覆盖住介电柱与栅极介电层。之后，进行一刻蚀工艺，移除部分的多晶硅层，以于介电柱的侧壁形成二个多晶硅间隙壁。接着，在衬底上形成刻蚀终止层，以及形成介电层以覆盖刻蚀终止层、二个多晶硅间隙壁与介电柱。然后，移除部分的介电柱与介电层，使介电柱与介电层的表面低于多晶硅柱的表面。随后，进行一自行对准金属硅化物工艺，使多晶硅柱转变成金属硅化物柱。
文档编号H01L21/28GK101562131SQ20081009278
公开日2009年10月21日 申请日期2008年4月15日 优先权日2008年4月15日
发明者李秋德 申请人:和舰科技(苏州)有限公司