伪栅加工工艺

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及伪栅加工工艺。

背景技术

随着工艺节点的不断缩小，栅极结构需要采用高介电常数金属栅。由于金属栅不耐高温，现有技术通常采用后栅极工艺形成金属栅。在后栅工艺中，需要先在栅极区域形成非晶硅栅，在高温退火之后将非晶硅除去，再向其中填入金属，形成金属栅。随着器件尺寸逐渐缩小，栅极对应的沟槽尺寸也会同样缩小。

然而，在非晶硅刻蚀使用的NF

因此，有必要开发新型的伪栅加工工艺以解决现有技术中存在的上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种伪栅加工工艺，以提高伪栅刻蚀的可控性，改善刻蚀不完全或者过刻蚀的情况，有利于确保晶体管器件的良好电学性能和运行可靠性。

为实现上述目的，本发明的伪栅加工工艺包括：

S0：提供原始伪栅，所述原始伪栅包括伪栅极、覆盖所述伪栅极相对两侧壁的保护层，以及覆盖所述伪栅极露出表面和所述保护层露出表面的介质层；

S1：研磨所述介质层直至所述伪栅极露出；

S2：刻蚀所述伪栅极直至所述伪栅极的高度达到预设高度；

S3：循环N次刻蚀剩余所述伪栅极，并控制每次刻蚀结束后所述伪栅极的高度降低目标深度，N为大于1的正整数。

本发明所述伪栅加工工艺的有益效果在于：研磨所述介质层直至所述伪栅极露出后，刻蚀所述伪栅极直至所述伪栅极的高度达到预设高度后，再循环N次刻蚀所述伪栅极，并控制每次刻蚀结束后所述伪栅极的高度降低目标深度，N为大于1的正整数，提高了伪栅刻蚀的可控性，有助于改善刻蚀不完全或者过刻蚀的情况，有利于确保晶体管器件的良好电学性能和运行可靠性。

优选的，所述步骤S2中，所述预设高度为100-180埃米。

优选的，所述步骤S3中，所述目标深度为8-12埃米。

进一步优选的，所述步骤S3中，循环N次刻蚀所述伪栅极的步骤包括：

S31：控制所述伪栅极所在环境温度达到120-150摄氏度的改性温度，并向所述伪栅吹扫改性气体使所述伪栅极形成厚度为所述目标深度的改性层；

S32：控制所述伪栅极所在环境温度达到160-180摄氏度的蚀刻温度并排出剩余所述改性气体，然后向所述伪栅吹扫蚀刻气体以去除所述改性层。

进一步优选的，所述步骤S32还包括，控制所述伪栅极所在环境的压力为20-25毫托。

进一步优选的，所述伪栅极为多晶硅栅极，所述改性气体为卤素气体，所述蚀刻气体为氩气。

优选的，所述步骤S3执行完毕后，刻蚀去除剩余所述伪栅极。

进一步优选的，所述原始伪栅还包括栅介质层，所述伪栅极覆盖所述栅介质层的顶面，所述保护层还覆盖所述栅介质层的相对两侧壁，刻蚀去除剩余所述伪栅极的步骤包括：湿法刻蚀去除剩余所述伪栅极并使所述栅介质层顶面露出。

进一步优选的，所述栅介质层为高介电常数介质层。

优选的，所述步骤S1中，执行研磨所述介质层直至所述伪栅极露出的步骤后，再干法刻蚀部分所述保护层和部分所述介质层以调整位于所述伪栅极相对两侧壁的保护层的高度。

进一步优选的，所述原始伪栅还包括靠近所述伪栅极底部设置的硅锗区，所述保护层还覆盖所述硅锗区的露出表面，所述步骤S1中，刻蚀部分所述保护层的步骤包括：干法刻蚀部分所述保护层使得到的覆盖所述伪栅极的部分相对两侧壁的保护层顶面不低于覆盖所述硅锗区顶面的保护层顶面。

附图说明

图1为本发明实施例的设置有第一种待加工伪栅的衬底结构示意图；

图2为本发明实施例的伪栅加工工艺流程图；

图3为在图1所示结构基础上研磨去除部分介质层后所得结构示意图；

图4为在图3结构基础上刻蚀部分介质层和部分保护层后所得结构示意图；

图5为在图3所示结构基础上刻蚀部分伪栅极后所得结构示意图；

图6为在图5所示结构基础上经循环刻蚀去除部分伪栅极后所得结构示意图；

图7为在图6所示结构基础上经刻蚀去除剩余伪栅极后所得结构示意图；

图8为本发明实施例的设置有第二种待加工伪栅的衬底结构示意图；

图9为在图8所示结构基础上经研磨去除部分介质层、刻蚀部分伪栅极以及循环刻蚀去除部分伪栅极后所得结构示意图；

图10为在图9所示结构基础上经刻蚀去除剩余伪栅极后所得结构示意图；

图11为本发明实施例的设置有第三种待加工伪栅的衬底结构示意图；

图12为在图11所示结构基础上以硅锗层顶面所覆盖的保护层为停止层进行刻蚀后所得结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

本发明实施例提供了一种伪栅加工工艺，以提高伪栅刻蚀的可控性，改善刻蚀不完全或者过刻蚀的情况，有利于确保晶体管器件的良好电学性能和运行可靠性。

一些实施例中，参照图1，原始伪栅2设置于衬底1，并包括伪栅极21、覆盖所述伪栅极相对两侧壁的保护层22，以及覆盖所述伪栅极21露出表面和所述保护层22露出表面的介质层3。所述保护层22还覆盖了所述衬底1的露出表面。

一些实施例中，所述衬底1为硅衬底。

一些实施例中，所述衬底1为SOI衬底，所述原始伪栅2设置于所述SOI衬底的顶硅层。具体的，所述顶硅层为全耗尽结构。

一些实施例中，所述伪栅极21为多晶硅栅极。

一些实施例中，所述保护层22的组成材料为氮化硅或碳化硅。

一些实施例中，所述介质层3的组成材料为氧化硅。

参照图2，本发明实施例的伪栅加工工艺包括：

S1：研磨介质层直至伪栅极露出；

S2：刻蚀所述伪栅极直至所述伪栅极的高度达到预设高度；

S3：循环N次刻蚀剩余所述伪栅极，并控制每次刻蚀结束后所述伪栅极的高度降低目标深度，N为大于1的正整数。

研磨所述介质层直至所述伪栅极露出后，刻蚀所述伪栅极直至所述伪栅极的高度达到预设高度后，再循环N次刻蚀所述伪栅极，并控制每次刻蚀结束后所述伪栅极的高度降低目标深度，N为大于1的正整数，提高了伪栅刻蚀的可控性，改善刻蚀不完全或者过刻蚀的情况，有利于确保晶体管器件的良好电学性能和运行可靠性。

一些实施例的所述步骤S1中，参照图1和图3，采用化学机械研磨工艺CMP研磨所述介质层3直至所述伪栅极21顶面露出，并使所述保护层22顶面露出。

一些实施例中，所述保护层22还覆盖了所述伪栅极21顶面，通过选择包含合适磨粒和添加剂的抛光液以及控制合适的抛光压力，使得经所述步骤S1进行的化学机械研磨工艺能够控制所述介质层3和所述保护层22的抛光选择比趋近或等于1：1，能够以伪栅极21顶面为停止位置通过不间断的研磨去除部分所述介质层3和覆盖所述伪栅极21顶面的所述保护层22，从而使所述伪栅极21顶面露出。

一些实施例的所述步骤S1中，执行研磨所述介质层3直至所述伪栅极21露出的步骤后，可以根据后续工艺对侧墙高度的需求调整所述保护层22的高度。参照图3和图4，所述伪栅极21顶面露出后，干法刻蚀部分所述保护层22和部分所述介质层3使得所述介质层3距离所述衬底1的高度，以及位于所述伪栅极21两侧的所述保护层22距离所述衬底1的高度均减小直至达到后续工艺对侧墙高度的要求，并使所述伪栅极21顶部露出。具体的，选择合适的刻蚀气体使得所述介质层3和所述保护层22均对所述伪栅极21具有高刻蚀选择比，且所述介质层3对所述保护层22的刻蚀选择比趋近于1或等于1。

一些实施例的所述步骤S2中，参照图3和图5，干法刻蚀所述伪栅极21直至所述伪栅极21顶面距离所述衬底顶面的高度达到预设高度H。具体的，选择合适的刻蚀气体使得所述伪栅极21对所述介质层3具有高刻蚀选择比，并对所述保护层22也有高刻蚀选择比。

一些实施例中，所述预设高度H为100-180埃米。

现有技术对伪栅刻蚀的过程中由于刻蚀速率较快，选择比较低，刻蚀过程较难控制，常会出现刻蚀不完全或者过刻蚀的情况，影响后续金属栅填充不充分，从而导致晶体管器件电学性能和可靠性都降低。

一些实施例的所述步骤S3中，通过循环N次刻蚀所述伪栅极21的方式来避免出现上述问题。具体的，循环N次刻蚀所述伪栅极21的步骤包括：

S31：控制所述伪栅极21所在环境温度达到120-150摄氏度的改性温度，并向所述伪栅2吹扫改性气体使所述伪栅极21形成厚度为所述目标深度的改性层；

S32：控制所述伪栅极21所在环境温度达到160-180摄氏度的蚀刻温度并排出剩余所述改性气体，然后向所述伪栅2吹扫蚀刻气体以去除所述改性层。

一些实施例中，由于蚀刻所需要的活化能大于改性所需要的活化能，所述蚀刻温度控制为比所述改性温度高30摄氏度。

一些实施例中的所述步骤S32还包括向所述伪栅极21所在环境施加一定的压力以促使蚀刻的进行。具体的，压力可以控制在20-25毫托。

一些实施例中，N为大于1的正整数。

一些实施例中，所述目标深度为8-12埃米。

一些实施例中，所述改性气体为卤素气体。所述改性气体在改性温度范围内自所述伪栅极21露出表面进行化学吸附直至饱和形成所述改性层。在改性温度范围内控制所述改性气体的流量可灵活控制所述改性层的厚度。所述蚀刻气体轰击所述改性层以物理去除所述改性层。经循环N次刻蚀所述伪栅极21提高了伪栅刻蚀的可控性，有助于改善刻蚀不完全或者过刻蚀的情况。

一些实施例的所述步骤S31中，通过在改性温度范围内控制所述改性气体的流量以调整所述改性层的厚度为8-12埃米。

一些实施例中，所述改性气体为氯气。

一些实施例中，所述卤素气体为自由基化的卤素气体，具体由等离子发生装置处理得到。

一些实施例中，参照图6和图7，经循环N次刻蚀所述伪栅极21后，所述衬底1顶面和/或所述保护层22内壁，尤其是两者形成的死角区域如仍残留部分所述伪栅极21，湿法刻蚀去除剩余所述伪栅极21使所述衬底1部分顶面露出。

一些实施例中，参照图1和图8，图8所示的原始伪栅与图1所示的原始伪栅区别在于，图8所示的原始伪栅还包括栅介质层4，所述伪栅极21覆盖所述栅介质层4的顶面，所述保护层22还覆盖所述栅介质层4的相对两侧壁。

一些实施例中，执行所述步骤S1至所述步骤S3后，所述伪栅极21去除使得所述栅介质层4顶面露出。

一些实施例中，执行所述步骤S1至所述步骤S3后，参照图9和图10，所述栅介质层4顶面和/或所述保护层22内壁，尤其是两者形成的死角区域如仍残留部分所述伪栅极21，湿法刻蚀去除剩余所述伪栅极21使所述栅介质层4顶面露出。

一些实施例中，参照图8和图11，图11所示原始伪栅与图8所示原始伪栅的区别在于，图8所示原始伪栅还包括靠近所述伪栅极21底部设置的硅锗区5，所述保护层22还覆盖所述硅锗区5的露出表面。

一些实施例的所述步骤S1中，参照图11和图12，刻蚀部分所述保护层22的步骤包括：干法刻蚀部分所述保护层22和部分所述介质层3使得到的覆盖所述伪栅极21的部分相对两侧壁的保护层顶面与所述覆盖所述硅锗区5顶面的硅锗区保护层221顶面齐平。

一些实施例的所述步骤S1中，干法刻蚀部分所述保护层22和部分所述介质层3使得到的覆盖所述伪栅极21的部分相对两侧壁的保护层顶面不低于所述覆盖所述硅锗区5顶面的硅锗区保护层221顶面。

虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。