TWI289885B - Method of removing a metal silicide layer on a gate electrode in a semiconductor manufacturing process and etching method - Google Patents

Description

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I 九、發明說明： . 【發明所屬之技術領域】 本發明有關一種半導體裝置製程，特別是有關於半導體裝置製 • 程中對於自對準金屬矽化物層之餘刻移除。 【先前技術】 半導體裝置之尺寸較數十年前劇烈減少。目前，製造商已能夠 φ 製造具有0·35 、9〇nm、甚至65nm或更小之線寬之半導體裝 置。隨著尺寸縮小，半導體製造方法亦往往需要改進。 • _M0S裝置更快速之要求，既有之使用多晶石夕做為閘極之 ， 方法’引起許多問題，例如，高的閘極阻抗、多晶矽的耗竭(depleti〇n ofpolysilicon)、及辦透至通道區域。因此，一種包括金屬閘極/ 高介電閘極介電層之方法被提出以減少多晶石夕耗竭效應，並且亦 能提供較低之熱預算，但是其具有缺點。 第1至5圖為已知之製造方法製造具有金屬閘極之m〇s電晶 體10之製造過程之剖面圖。請參閱第j圖，多晶石夕間極u形成 於半導體基板上，半導體基板包括树層16，及雜面源極延伸 17與淺接面汲極延伸19形成於閘極12兩側之石夕層16中，並以通 道22區|^。然後，於多晶石夕間極1：2之兩側壁上形成間隙壁％， 及於多晶石夕間極12之石夕層16中形成源極/汲極區18及2〇，且與 淺接面源極延伸17與淺接面沒極延伸19鄰接。間極12與通道^ !289885 I 禮 之間有閘極介電層14予以分隔。在間隙壁32與閘極12的側壁之 間可設置襯墊層30，其通常為二氧化矽所構成。半導體_〇8電 曰曰體元件10的裸露矽表面，包括汲極/源極區18/20表面及多晶矽 • 閘極12頂部，則形成自對準金屬矽化物層42。之後，形成一氮化 夕蓋層46覆蓋整個半導體區域，包括源極/汲極區與及淺 接面源極延伸17與淺接面汲極延伸19，多晶矽閘極12也被覆蓋。 在沈積氮化矽蓋層46之後，接著沈積介電層48，氮化矽蓋層46 • 厚度通常在約300至約1000埃(angstrom)之間，可藉由電漿加強 化學氣相沉積(PECVD)而形成。 ， 其次，請參閱第2圖，藉由CMP製程對氮化矽蓋層46及介電 •層48研磨，直到多晶矽閘極12頂部露出。對閘極口進行過度研 磨，如此，多晶矽閘極12頂部可完全露出。 接著，請參閱第3 ffl，使用氯進行電衆反應性離子触刻卿） 鲁或是進行習知之應用侧化學之濕式多晶石夕餘刻，以形成開口 (即，凹槽）54。請參閱第4圖，可使障壁金屬層％形成於凹槽54 之側壁上及介電層48、氮化石夕蓋層46、間隙壁％、及概塾層3〇 之表面，及然後，沉積-金屬層58以填滿凹槽及沉積至障壁金屬 層56上。最後，請參閱第5圖，將多餘之金屬層％研磨而移除， 留下閘極的部分’形成具有金屬閘極之M〇s電晶體1〇。 上述製造方法包括金屬閘極置換製程之整合流程，此整合流程 1289885 i

I 包括下列··於電晶體建造之後進行内層介電層之化學機械研磨 (ILDCMP) ’金屬石夕化物層與多晶矽嵌塞之移除，金屬層之 沉積，以及金屬層CMP。然而，藉由CMP製程移除金屬石夕化物 層具有困難性。 元全梦化夕日日發閘極(ftjlly siliddedpolysilicon gate，FUSI gate) 因為整合製程上的相對簡單，而成為金屬閘極外之另一選擇。請 參閲第2圖，藉由CMP製程研磨閘極12上方之介電層你及氮化 矽蓋層46，直到露出多晶石夕閘極12之頂部為止。然後，請參閱第 6圖於夕日日石夕閘極12之曝露部分、氮化石夕蓋層你、間隙壁％、 概墊層30、及介電層48上沉積一金屬層5〇。金屬層％厚度通常 小於約1〇〇埃，及於若干例中，可為約至約1〇〇〇埃之間。金 屬層50亦可為多層，例如：Ti_、c〇/TiN、或c〇/Ti/TiN等等。 於具有此金屬層50之基板上進行熱處理以將多晶石夕閘轉化 成金屬石夕化物閘極52。可藉由二個步驟以進行熱處理製程，即， 第一個步驟係於約400至約60(rc下進行熱製程，第二個步驟是 於約800至約丨_。〇下進行快速熱製程。接著，將未反應之殘留 金屬移除’獲得如第7圖所示之觸8電晶體b，其具有完全矽 化間極。 於上述之FUSI金屬閘極整合製程製造方法中，經由直接之ILD CMP步驟移除NlSi多晶石夕化物及接著進行彡晶石夕之完全石夕化，以 1289885 1

I 形成NiSi金屬閘極。然而，此方法亦存在以CMp製程移除金屬 . 石夕化物層之困難性。直接使用CMP製程，難以控制研磨Nisi多 晶矽化物層，故難獲得良好之均勻移除結果。 因此，仍需要一種較佳之方法以於半導體製程中移除金屬矽化 物層。 【發明内容】 馨 本發明之目的是提供一讎除半導體製程中閘極上之金屬石夕 化物層之方法，可有效及均勻的移除閘極上金屬矽化物層，以利 後續製程之進行。 ‘ 於依齡個之—具體實施例巾，亦提供-種濕式侧方法， 以有效及均勻的移除金屬矽化物層。 • 於依據本發明之另一具體實施例中，亦提供-種乾式餘刻方 法，以有效及均勻的移除金屬石夕化物層。 於本發明之移除半導體製程中閘極上之金屬石夕化物層之方法 中，閘極係位於-半導體基板上，閘極之上表面覆蓋有一金屬石夕 化物層閘極與金屬石夕化物層一起形成之各側壁上設置有一間隙 壁層氮化石夕蓋層覆蓋金屬石夕化物層、間隙壁、及半導體基板， -介電層覆蓋氮娜蓋層’本翻之移除半導體製程帽極上之 1289885

I » 金屬石夕化物層之方法包括下列步驟：首先，進行—化學機械研磨 •製程’以研磨介電層，iUxlUb⑦蓋層為研磨終止層，而曝露閘 ，極上方之氮⑽蓋層；接著，移除該曝露之氮姆蓋層以曝露閘 • 極上之金屬石夕化物層；最後，進行-第-钱刻製程以移除閘極上 • 之金屬矽化物層。 依據本發明之濕式敍刻方法，包括使用—侧液對一金屬石夕化 • 物層進行濕式钕刻，侧液包括氟化氫(HF)、氟化銨_4F)、擇 自乙二醇與丙二醇所組成組群之至少一者、及水。 依據本發明之乾式侧方法，包括使用-侧紐對-金屬石夕 化物層進行乾式餘刻，姓刻氣體包括氬氣、擇自氫氣與氯氣所組 成組群中之至少一者、及一氧化碳。 習知對金屬石夕化物層之移除採用CMp方式，不易對金屬石夕化 參物層有良好之研磨結果。應用本發明之方法以移除閘極上之金屬 矽化物層時，因具有良好之蝕刻選擇性，而可獲得有效及均勻之 移除，以利後續製程，因此可用以製得較佳品質之半導體裝置。 【實施方式】 本發明係半導《置_，例如舰08、PM0S電晶體元 件或者CMOS兀件之製作，特別是其中閘極上的金屬石夕化物層之 移除方法。 1289885 :參閱第8至π圖，其顯示的是本發明較佳實施例製作具有 =屬閉極之轉體刪電晶體元件4〇的方法的剖面示意圖，其 僅或部位仍沿用相同的符號來表示。需注意的是圖式 僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。 如第8圖所示’準備一半導體基底’其一般包含有石夕層Μ。前 =二導體基底可以是錄底或者是魏絕如杨， )土底。於半導體基底上定義一電極，例如-閉極12。可在石夕 層I6中形成淺接面源極延伸n以及淺接面没極延伸β，淺接面 源極延伸17與淺接面汲極延伸I9之義著-通道22。 可在通道22上形成-間極介電層14，以__ 12與通道 22。間極12通常包含有多晶赠質。·介電層14可由氧化石夕 所構成可由熱氧化法形成；或由氧化石夕/氮化梦陶複合膜構 成，可由熱氧化法及接著進行熱氮化法所形成。然而，在本發明 之另一實補巾，難介電層14村由高介料雜㈣)材料所 構成可以化學氣相沉積方法形成厚度大約為％埃至約2⑻埃 之間。-般做為高介電常數之材料可舉财Zr〇2、腿2、in〇2、、 2及Ta〇2奴後’在閘極12的側壁上形成氮化矽間隙壁32。 #、2 ”氮化石夕間隙壁32之間可另有一概塾層％，前述之概 墊層可為氧化石夕所構成。襯墊層3〇通常為L型且厚度約在3〇至 m埃之間。襯墊層30可另有一偏移間隙壁峰叫㈣，其為 该行業者所知，因此並未圖示。 1289885 如第9圖所不，在形成氮化矽間隙壁32之後，玎進一步進行 ' 一離子佈植製程，將N型摻質物種，例如砷、銻或構等植入矽層 16中’或將P型摻質物種，例如硼等植入石夕層16中，藉此形成 NMOS或PMOS元件40的源極區18以及没極區20。在完成没極 源極的摻雜後，半導體基底通常可以進行一回火(_ealing)或活化 (activation)摻質的熱製程，此步驟亦為該行業者所熟知的，不再加 以陳述。 _ 如第10圖所不，於閘極12、露出的源極區18、及露出的汲極 區20上形成-物質層，例如一金屬石夕化物層㈣tal silicide la㈣ 42。利用自動對準金屬矽化物(sdf-aligned silidde，從讓 形成金屬矽化物層；亦即在形成源極/沒極區之後，利用濺鍍或電 鍍方法，再形成一金屬層覆蓋於源極/汲極區與閘極結構上方，然 後進行一快速尚溫製程(RTP)使金屬與閘極結構、源極/汲極區中的 矽反應，形成金屬矽化物。金屬矽化物可舉例為鎳矽化合物或鈷 • 矽化合物，例如··矽化鎳(NiSi)或矽化鈷((：〇&2)。RTp溫度可在7〇〇 C至1〇〇〇 c之間。形成自對準金屬梦化物層之後，可依所需移 除或保留間隙壁32。 接著，如第11圖所示，在半導體基底上進一步沈積一層氮化 矽蓋層46，其中氮化矽蓋層46覆蓋金屬矽化物層42以及氮化矽 間隙壁32，而其厚度通常介於20〇至4〇〇埃左右。沈積氮化石夕蓋 層46的目的是在使後續的接觸洞蝕刻能有明顯的蝕刻終點，也就 12 1289885 是用來作為_停止層。亦可形献錢_拉伸 蓋層46 ’以使其下層之源極輸區形成應變結構，^進通道a :電荷遷料。在沈積—6讀，_⑽介Γ ”：魏層等’亦可為高介電材料’例如多層金屬氧化物或 疋舰礦(p_kites)。通常介電層48較氮切蓋層46厚許多。 從介電層48頂部至開極12上方之氮化石夕46之厚度A，是本發明 之方法中欲以CMP製程移除之厚度。 請參閱第12圖，其顯示第u圖中之結構經過⑽製程移除 部分之介電層48後之結構。氮化輕層46可做為⑽之研磨終 止層，再以侧方式移除氮切蓋層46。_方式可為使用一熱 磷酸溶液對該曝露之氮化矽蓋層進行濕式蝕刻^或者直接以cMp 方式移除氮化矽蓋層46。第13圖顯示將氮化矽蓋層46移除後， 露出閘極上方金屬矽化物層42之結構。 • 接著，以餘刻方式移除閘極12上方之金屬石夕化物層42。可使 用一蚀刻液對此金屬石夕化物層42進行濕式钱刻，姓刻液包括氟化 氳(HF)、氟化銨(NHJ)、以及擇自乙二醇與丙二醇所組成組群之 至少一者於水中之溶液。蝕刻液中氟化氫(HF):氟化銨(nh4f): 擇自乙二醇與丙二醇所組成組群之至少一者之重量比較佳為〇.5 至6: 15至25: 30至40。於本發明之一具體實施例中，蝕刻液包 括約3·5重量％之™、約20重量％之NH4F、及約35重量％之乙 二醇(或丙二醇），其餘為水。於25°C下，此蝕刻液對NiSi與CoSi2 13 1289885 之_速率分別為6G.5與5G.4埃/分鐘，而對氧切、多晶石夕、氮 化石夕之働m率僅分別為4.77、⑽、及丨4 w分鐘，因此且有高 選擇比，能有效移除刪與喊，留下氧化石夕、多晶石夕、氣化 石夕結構。對_σ獅㈣，制CMP __除腦與吨 層。 亦可使用乾钱刻方式移除閘極上方之金屬石夕化物層42。可使用 •—侧氣體對閘極上方之金屬石夕化物層42進行乾式餘刻’姓刻氣 體包括氬氣(Ar)、氫氣(h2)與氯氣(cl2)中之任一者、及一氧化碳 (C0)在此乾式姓刻中，推測一氧化碳與金屬石夕化物層之金屬成 分生麟發性啦物具絲基(earixmyls)，例如Ni(CQ)4。fj2可移 除化學濺射產生的碳膜或沉積先驅物之轉娜成的碳膜。& 離子轟擊可增雜舰物之移除。侧纽中氬氣··氯氣·、一氧 化碳之流量比較佳為5至15 ·· 15至25 ·· 5至15，或者，氬氣··氯 _ 氣·· 一氧化碳之流量比較佳為10至2〇 ·· 2〇至3〇 ·· 5至15。 於本發明之另-频實施财，個福職體處方為c〇 ·· CI2 · Ar 為 1〇〇 seem · 200 seem ·· 1〇〇 seem ’ 使用 TCP9400 型號之 機台進行，壓力10毫托耳(mTorr)，溫度75γ，5〇〇瓦特之上功率 (toppower，ΤΡ)，及 50 瓦特之下功率(b〇ttomp〇wer , Βρ)。於本發 明之又另-具體實酬中，使用之侧氣體處方為CC) ·· Η2 ·· & 為100 seem: 250 seem: 150 seem，使用DRM85型號之機台進行， 壓力30毫托耳(mTorr)，溫度6(rc , 1〇〇〇瓦特之功率。均能有效

14 1289885 移除金屬矽化物層42。 ' 上述之金屬石夕化物層42可為石夕層或多晶石夕層經由自對準金屬 魏方法製得之金屬雜物層。在使用上述之方法移除金屬石夕化 - 物層之後，所得結構如帛14圖所示。接著，可利用f知之電浆反 舰離子侧_)錢濕式Μ賴卿賴^⑼，如第15圖 所示。再於開口 60之側壁及介電層48之表面上形成—障壁層幻， φ 接著沉積一金屬層64 ’填滿開口 6〇 ’如第16圖所示。最後，將 介電層48上的金屬層64移除，獲得如第17圖所示之一具有金屬 閘極之MOS電晶體40。 若欲®造FUSI _時，可參閱第14 ®之結構，於此結構中， 金屬石夕化物層42已經使用本發明之_方法移除，曝露出多晶石夕 之閘極12。接著’請進一步參閱第18圖，於多晶石夕開極12及氣 化矽蓋層46上沉積一金屬層66，厚度可如習知之小於1〇〇〇埃或 •約500至約麵埃之間。金屬層66之材質可為例如Ni、Co、Ti、 Ti/TiN、Co/TiN、或Co/Ti/TiN等等之多層材料。對此半導體基板 進行熱處理，使多晶矽與金屬反應，形成金屬矽化物將未反應 之金屬移除，獲得一具有完全金屬多晶矽化物閘極之M〇s電晶體 70，如第19圖所示。 與習知之金屬閘極製程或完全金屬矽化物閘極製程中使用 CMP製程移除原來閘極上之金屬矽化物層相較之本發明使用蝕 15 1289885 J方式於製程中移除多晶石夕閘極上的金屬石夕化物層，因具有優異 之餘刻選擇性，而有良好之移除效果，使得金屬閘極製程或完全 金屬矽化物閘極製程可以順利進行。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範 圍所做之解變化與修飾，皆顧本發明之涵蓋範圍。

【圖式簡單說明】 電晶 體元件的方法剖面示意

第^至5 _示的是習知之製作具有金屬閘極之半導體M0S 圖

网蚀< 平導體MOS 第6至7崎示的是習知之製作具有 晶體元件的方法剖面示意圖。 ===17崎稍是本發雜佳實施㈣作具有金屬閘極 半導體MOS元件的方法剖面示意圖。 第18圖至第19 的是本發明另—較佳實 腦開極之伟體刪元件的方法剖面示_。遣作之〜 16 1289885 【主要元件符號說明】 10、15、40、70 MOS 電晶體 . 12閘極 14閘極介電層 16砍層 17、 19淺接面源極延伸 18、 20源極/没極區 22通道 30襯墊層 32間隙壁 42金屬矽化物層 46氮化矽蓋層 48介電層 50金屬層 52金屬矽化物閘極 • 54 開口 56障壁金屬層 58金屬層 60開口 62障壁層 64金屬層 66金屬層 A厚度

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Claims (1)

1289885 十、申請專利範圍： 1· 一種移除半導體製程中閘極上之金屬矽化物層之方法，該閘極 位於一半導體基板上，該閘極之上表面覆蓋有一金屬矽化物層， 該閘極與該金屬矽化物層一起形成之各侧壁上設置有一間隙壁， • 一層氮化矽蓋層覆蓋該金屬矽化物層、該等間隙壁、及該半導體 基板，一介電層覆蓋於該氮化矽蓋層，該移除於半導體製程中閘 極上之金屬石夕化物層之方法包括： φ 進行一化學機械研磨製程，以研磨該介電層，並以該氮化矽蓋層 為研磨終止層，而曝露該閘極上方之氮化矽蓋層； 移除該曝露之氮化矽蓋層以曝露該閘極上之金屬矽化物層；以及 • 進行一第一蝕刻製程以移除該閘極上之金屬矽化物層。 2·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一钱刻製程包括: 使用一蝕刻液對該閘極上方之金屬矽化物層進行濕式蝕刻，該蝕 刻液包括氟化氫(HF)、氟化銨(NHj)、擇自乙二醇與丙二醇所組 • 成組群之至少一者、及水。 3·如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該蝕刻液中氟化氫 (HF) ··氟化銨(NHJ):擇自乙二醇與丙二醇所組成組群之至少一 者之重量比為0.5至6 : 15至25 : 30至40。 4·如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該蝕刻液中氟化氫 (HF) ·氟化銨(NI^F) ··及擇自乙二醇與丙二醇所組成組群之至少 1289885 一者之重量比為3.5 : 20 : 35。 5·如申請專利範圍第丨項所述之方 使用一 _氣體糊極上方之金屬^^第―_製程包括： 則乳體包括親、擇自氫氣與贼所組成組群之至少—者 一氧化碳。 ’其中該蝕刻氣體中氬氣： 20 至 30 : 5 至 15。 6·如申請專利範圍第5項所述之方法 氫氣·· 一氧化碳之流量比為1〇至2〇 : =如申請補細第6項所叙方法，其巾該抛咖中氯氣： 氫氣·· 一氧化碳之流量比為15 : 25 : 1〇。 8·如申明專利範圍第5項所述之方法，其中該侧氣體中氯氣: 氯氣：一氧化碳之流量比為5至15 : 15至25 : 5至15。 9·如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該侧氣體中氯氣： 氯氣：一氧化碳之流量比為10 : 20 : 1〇。 10·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該金屬矽化物層包括 擇自鎳梦化物與始石夕化物所組成組群之至少一者。 η·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，移除該曝露之氮化 矽蓋層包括： 19 1289885 使用-熱磷酸溶液對該曝露之氮化石夕蓋層進行濕式钱刻。 ' 12. 1申請專利範圍第1項所述之方法，其中，移除該曝露之氮化 矽蓋層包括： ，使魏學賊研磨方法對鱗露錢切蓋層進行補而移除。 13·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該介電層包括二氧化 •矽、Zr〇2、Hf02、In〇2、La〇2、或 Ta〇2。 14.如申請專利範圍第i項所述之方法，其中該閘極與該半導體基 板之間進一步設置有一閘極氧化層。 20 1 15· 一種濕式蝕刻方法，包括： 使用-钱刻液對-金屬石夕化物層進行濕式钱刻，該侧液包括氣 化氫(HF)、氟化銨(nh4f)、擇自乙二醇與丙二醇所組成組群之至 _ 少一者、及水。 16·如申請專利範圍第15項所述之濕式蝕刻方法，其中，該蝕刻 液中之氟化氫(HF):氟化銨(NH^F):擇自乙二醇與丙二醇所組成 組群中之至少一者之重量比為〇·5至6 : 15至25 : 30至40。 Π·如申請專利範圍第16項所述之濕式蝕刻方法，其中，該蝕刻 液中之氣化氫(HF):氟化銨(NHJ):擇自乙二醇與丙二醇所組成 組群中之至少一者之重量比為3.5 : 20 : 35。 1289885 18.如申請專利範圍帛15項所述之濕式姓刻方法，其中，該金屬 矽化物層包括矽化鎳或矽化鈷。 19· 一種乾式蝕刻方法，包括： 使用-侧氣體對-金射化物層進行乾式爛，該侧氣體包 括氬氣、擇自氫氣與氯氣所組成組群中之至少一者、及一氧化石山 20·如申請專利範圍第19項所述之乾式蝕刻方法，其中 氣體中氬氣·氫氣：一氧化碳之流量比為至广 該餘刻 至 15。 ：20至30:5 21·如申請專利範圍第2〇項所述之乾式餘刻方法， • 氣體中氬氣：氫氣：一氧化碳之流量比為15 ··乃· “中，該蝕刻 • 10 〇 22·如申请專利範圍第19項所述之乾式钱刻方法 ❿氣體中氬氣：氣氣：一氧化碳之流量比為5至 ^中，該蝕刻 15。 15 至 25··5 至 23·如申請專利範圍第22項所述之乾式蝕刻方法， 氣體中氬氣：氣氣：一氧化碳之流量比為1〇 :如其中，該蝕刻 • 10 〇 24.如申請專利範圍第19項所述之乾式蝕刻方法， 矽化物層包括矽化鎳或矽化鈷。 其中’該金屬 21