(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を設けるステップと、
前記基板上にゲート酸化層、ポリシリコン層、金属層および絶縁層を順次形成するステップと、
前記絶縁層上にパターン化するエッチングマスクを形成し、前記エッチングマスクを使用して絶縁層、金属層及びポリシリコン層に対して、ポリシリコン層の或る設定高さレベルをエッチングの最終点としてエッチング作業を行い、前記エッチングマスクで覆った領域において絶縁層、金属層、ポリシリコン層及びゲート酸化層で構成された第一の積層構造を形成し、前記エッチングマスクで覆った領域以外の領域においてポリシリコン層とゲート酸化層で構成された第二の積層構造を形成するステップと、
前記第一の積層構造の表面及び側面と、前記第二の積層構造の表面とに境界層を形成するステップと、
前記境界層に異方性エッチングを施し、前記第一の積層構造の側面に形成した境界層を第一のスペーサとして残して前記第一の積層構造の側面以外に形成された前記境界層を除去し、その後、前記第二の積層構造のポリシリコン層を除去してゲート酸化膜が露出するまで異方性エッチングを継続し、前記第一の積層構造の側壁に形成した第一のスペーサの下にポリシリコン層を露出させるステップと、
前記第一の積層構造の側壁において第一のスペーサの下に露出したポリシリコン層の一部を除去して、前記第一の積層構造の側壁に窪み構造を形成するステップと、
前記窪み構造内に再酸化層を形成するために再酸化工程を行うステップと、
前記第一のスペーサと再酸化層上に第二のスペーサを形成するステップとを具備することを特徴とするゲート構造の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子構造とその製造方法に関するものである。特に、本発明はポリシリコン金属ゲート構造とその製造方法に関する。
【従来技術】
【０００２】
半導体素子の一体化レベルが進むにともなって、ギガバイトの記憶容量を有するダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ）が定常的に製造されている。素子・ゲート内の抵抗とコンデンサ（ＲＣ）遅延を低減するために、積層構造を有するポリシリコン金属ゲートが採用されている。ポリシリコン金属ゲートは、耐熱金属層、境界金属層およびポリシリコン層を含む構造的設計となっている。例えば、タングステンから製造された耐熱金属層と比較すると、タングステン珪素化合物（ＷＳｉx）から製造されたポリシリコン金属ゲートは、ポリシリコン金属ゲートのシート抵抗を低減する際には遥かに良好である。さらに、このゲートはリアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）作業においては乾燥エッチング作業を通して組立てられる。ポリシリコン金属ゲートはポリサイド金属ゲートよりも小さいアスペクト比を有しているので、自己整合接点の組込みは一層簡単である。
【０００３】
通常、ゲートが形成された後では、ゲート内のゲート酸化層の信頼性を改善し、乾燥エッチング中の内部構造への損傷を補修するように、再酸化工程が行なわれる。しかし、耐熱金属層（タングステン）は、再酸化工程に必要な温度レベルで容易に酸化タングステンへと酸化する。酸化タングステンは絶縁材料であるから、これによってゲートの抵抗が増加し、最終的にはゲート性能に影響を及ぼす。タングステン酸化物を低減するために、選択的な酸化工程が使用される。選択的酸化により、露出金属層においては、金属を酸化することなく、露出シリコン表面の酸化が可能になる。しかし尚、選択的酸化では高い反応温度が必要であり、従って熱処理費用が高くなる。熱処理費用を低減する試みとして、再酸化処理の前に、ゲート構造を覆うようにして窒化シリコンなどのキャップ層を形成する方法がある。キャップ層により、ゲート酸化層だけが露出するようにゲート構造が囲まれる。しかし、ゲート構造を覆って窒化シリコン層を形成すると、ポリシリコン層全体が窒化シリコンによって囲まれて、ゲートの角部での再酸化反応が特に困難になる。
【０００４】
再酸化による問題を解決するための代わりの方法は、ゲート構造をキャップ層で囲むが、ゲートの各側部上のポリシリコン層を露出することである。この方法により、ゲートの角部の再酸化は容易に行える。しかし、ゲート構造の各側部上のポリシリコン層を露出し、再酸化工程を実施すると、ポリシリコン側壁に付着する酸化シリコン層が厚くなる可能性がある。ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ）のメモリセル配列においては、ゲート側壁で厚さが増加すると、引き続き形成される接点開口部の外形寸法が縮小することになる。このように径が縮小すると、接点開口部への導電物質の注入が益々困難になる。
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、本発明の目的の一つは、ゲート角部の再酸化が可能なゲート構造とその製造方法を提供することである。この目的により、ゲート構造内におけるゲート酸化層の安定性と信頼性が改善される。
【０００６】
本発明の第二の目的は、再酸化工程の後でゲートの幅が変化しないように、ゲート構造とその製造方法を提供することである。この目的により、引き続いて形成される接点開口部の幅が縮小しなくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記や他の利点を達成するために、また本発明の目的に従って、本明細書で具体化し詳しく説明されているように、本発明はゲート構造の形成方法を提供するものである。最初に、ゲート酸化層、ポリシリコン層、金属層および絶縁層を基板上に順次形成する。エッチング最終点としてのポリシリコン層の規定された高さレベルを使って、絶縁層、金属層およびポリシリコン層をパターン化して積層構造を形成する。この後で、積層構造の上に境界層を形成する。積層構造の側壁の一部を覆う第一のスペーサを形成するために、エッチング作業を実施する。エッチング作業は、ゲート酸化層と積層構造の側壁上のポリシリコン層の両方が露出するまで、第一のスペーサ外側のポリシリコン層を除去するように継続する。積層構造の側壁上の露出ポリシリコン層の一部を、積層構造の側壁上に窪み構造が形成されるように除去する。各窪み構造内で再酸化層を形成するために、再酸化工程を実施する。最後に、第一のスペーサと再酸化層の上に第二のスペーサを形成する。
【０００８】
また、本発明は、基板、ゲート酸化層、ポリシリコン層、金属層、絶縁層、第一のスペーサ、再酸化層および第二のスペーサとを具備するゲート構造を提供するものでもある。ゲート酸化層、ポリシリコン層、金属層および絶縁層は、基板上に順次に積層される。ポリシリコン層、金属層および絶縁層は、一緒になって積層構造を形成する。再酸化層は、ポリシリコン層とゲート酸化層との間の接合部においてポリシリコン層の上に形成される。第一のスペーサは、付着した再酸化層を有していない積層構造の部分で側壁上に形成される。第二のスペーサは、第一のスペーサと再酸化層の上に形成される。
【０００９】
ゲートの角部とゲートの酸化層との間の接合部は、本発明において再酸化工程が実施される前に露出されるので、ゲートの角部とゲートの酸化層との間の接合部分を再酸化することができる。従って、ゲート酸化層の安定性と信頼性は改善される。
【００１０】
さらに、ゲート構造の各側壁上の露出したポリシリコン層は、再酸化工程を実施する前に、窪み構造を形成するように除去されるので、側壁の全体的な幅を増加させることなく、窪み構造内部に再酸化層が形成される。従って、ゲートと引き続いて形成される接触開口部は一定の幅を有する。
【００１１】
前述の概要説明および以下の詳細説明はともに例として挙げているものであり、特許請求の範囲に記載されている発明をさらに説明するためのものであることは理解できる。
【発明の実施の形態】
【００１２】
添付の図面に示している例を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。可能な限り、同じ、または同様な部品に関しての説明では、図面および図面の説明において同じ参照番号を使用する。
【実施例】
【００１３】
図１Aから１Gは、本発明の一つの好ましい実施形態に係るゲート構造を形成するためのステップの順序を示す概略断面図である。図１Ａに示すように、ゲート酸化層１０２、ポリシリコン層１０４、第一の金属層１０６、第二の金属層１０８および絶縁層１１０は、基板１００上に順次形成される。例えば、ゲート酸化層は熱酸化によって形成される。例えば、ポリシリコン層１０４は化学的蒸着によって形成される。第一の金属層１０６は、境界層としての機能を果たす。第一の金属層１０６は、例えば、窒化チタンまたは窒化タングステンから製造される。第二の金属層１０８は、タングステンなどの耐熱金属から製造される。例えば、金属層１０８は、化学的蒸着により形成される。絶縁層１１０は、例えば窒化シリコンから製造されて、化学的蒸着により形成される。第一の金属層１０６と第二の金属層１０８とを一緒にして、積層金属層とみなされる場合もある。
【００１４】
図１Ｂに示すように、絶縁層１１０、第二の金属層１０８、第一の金属層１０６とポリシリコン層１０４は、基板１００上に順次にパターン化されて、ポリシリコン層１０４ａ、第一の金属層１０６ａ、第二の金属層１０８ａおよび絶縁層１１０ａとで構成される積層構造１１２を形成する。例えば、絶縁層１１０上にパターン化されたフォトレジスト層（図示なし）を形成し、かつ、エッチングマスクとしてフォトレジスト層を使用して、絶縁層１１０、金属層１０８、金属層１０６とポリシリコン層１０４を異方性をもたせてエッチングすることにより、積層構造１１２が形成される。エッチング終点に達すると、エッチングが停止する。つまり、ポリシリコン層１０４は、ゲート酸化層１０２とポリシリコン層１０４の上部表面との間の中間の明確な高さレベルに達している。
【００１５】
図１Cに示すように、フォトレジスト層（図示なし）が除去される。矩形の境界層１１４が積層構造１１２を覆って形成される。境界層は、例えば、化学的蒸着によって形成された窒化シリコン（SｉＮ）層，窒化シリコンボロン（ＳｉＢＮ）層または窒素酸化シリコン（ＳｉＯＮ）層とすることができる。
【００１６】
図１Ｄに示すように、積層構造１１２の絶縁層１１０ａおよび絶縁層１１０ａの外部エッジを囲む境界層１１４をマスクとして使用して、異方性エッチングを行って境界層１１４の一部を除去し、スペーサ１１４ａを形成する。その後、ゲート酸化層１０２が露出しポリシリコン層１０４ｂを形成するまで、異方性エッチングを継続してスペーサ１１４ａ外部のポリシリコン層１０４ａを除去する。ここでは、積層構造１１２は、ポリシリコン層１０４ｂ、金属層１０６ａ、金属層１０８ａおよび絶縁層１１０ａとで構成され、積層構造１１２の側壁上にポリシリコン層１０４ｂが露出している。
【００１７】
図１Ｅに示すように、積層構造１１２の側壁上の露出したポリシリコン層１０４ｂの一部は除去されて、ポリシリコン層１０４ｃと窪み構造１１６が形成される。窪み構造１１６は、例えば、ドライエッチングまたはウェットエッチングにより形成される。例えば、ポリシリコン層１０４ｂが合計厚さで２５Åから３００Åの間で除去される。ここでは、積層構造１１２はポリシリコン層１０４ｃ、金属層１０６ａ、金属層１０８ａおよび絶縁層１１０ａとで構成される。
【００１８】
図１Ｆに示すように、再酸化工程が行われる。再酸化工程により、ゲート誘電体層１０２が補修され、窪み構造１１６を充足する再酸化層１１８が形成される。絶縁層１１０ａとスペーサ１１４ａは金属層１０６ａと金属層１０８ａの両方を囲むので、金属層の酸化は起こらない。さらに、再酸化工程を行う前に窪み構造１１６が形成されるので、酸化層１１８は突出することなく積層構造（ゲート構造）１１２の両側で平坦になっている。
【００１９】
また、スペーサ１１４ａに囲まれないで、ポリシリコン層１０４ｃとゲート酸化層１０２の間の接触部分（すなわち、ゲート構造の角部）が露出される。従って、再酸化工程中には、ゲート構造の角部は再酸化されて、素子の信頼性が確保される。
【００２０】
図１Ｇに示すように、スペーサ１２０はスペーサ１１４ａの側壁上と再酸化層１１８の上に形成される。これによりゲート構造の実装は完了する。スペーサ１２０は、例えば、窒化シリコン、窒化シリコンボロンや窒素酸化シリコンを含むグループから選択された材料から製造される。スペーサ１２０は、例えば、化学的蒸着により素子上に矩形の境界層を形成し、かつ、異方性エッチングによりゲート酸化層１０２が露出するまで境界層の一部を除去することにより形成される。
【００２１】
本発明に係るゲート構造を以下で説明する。図１Ｇを参照して、ゲート構造を説明する。
【００２２】
図１Ｇに示すように、本発明に係るゲート構造は基板１００、ゲート酸化層１０２、ポリシリコン層１０４ｃ、金属層１０６ａ、金属層１０８ａ、絶縁層１１０ａ、スペーサ１１４ａ、再酸化層１１８およびスペーサ１２０を含んでいる。ゲート酸化層１０２、ポリシリコン層１０４ｃ、金属層１０６ａ、金属層１０８ａおよび絶縁層１１０ａは、基板１００上に順次積層される。つまり、ポリシリコン層１０４ｃ、金属層１０６ａ、金属層１０８ａ、絶縁層１１０ａは一緒になって積層構造１１２を形成する。再酸化層１１８は、ポリシリコン層１０４ｃとゲート酸化層１０２との間の接合部において、ポリシリコン層１０４ｃの側壁に取付けられる。スペーサ１１４ａは、再酸化層によって覆われていない積層構造１１２の側壁上の領域上に形成される。また、スペーサ１１４ａと積層構造１１２の側壁上の再酸化層１１８は同じ厚さを有している。スペーサ１２０はスペーサ１１４ａと再酸化層１１８の上に形成される。
【００２３】
本発明に係るゲート構造を実装するためのステップは、他の種類のゲート構造にも同様に適用可能である。図２から図５は、本発明に従って実装された再酸化層を有するゲート構造の概略断面図である。図２から図５においては、図１Gの構成要素と同じ要素は同じ番号が付けられている。
【００２４】
図２において、ゲート構造は、再酸化層１３０がポリシリコン層１０４ｃの側壁全体を覆っている点で、図１Ｇのゲート構造とは異なっている。この再酸化層１３０を形成する方法には、図１Ｂに示すようにエッチング停止層としてポリシリコン層１０４の表面を使用し、その後図１Ｃから図１Ｇに示すステップに従ってゲート構造を形成することが含まれる。
【００２５】
図３において、ゲート構造はポリシリコン層１０４ｃおよび金属珪素化合物層１４０とで構成されるポリサイド金属ゲートである。再酸化方法は図２の方法と同じである。
【００２６】
図４においては、ポリシリコン層１０４ｃだけがゲート電極として機能する。再酸化層１５０により、ポリシリコン層１０４ｃの側壁の一部が覆われている。図４に示すゲート構造は、図１Ｂから図１Ｇに示すステップを使って形成される。
【００２７】
図５においては、ゲート構造は図３に示す構造と同じであり、酸化層１６０はポリシリコン層１０４ｃの側壁の一部を覆っている。同様に、図５に示すゲート構造は、図１Ｂから図１Ｇに示すステップを使って形成される。
【００２８】
従って、ゲート構造がゲート酸化層上のポリシリコン層を含み、ポリシリコン層上の種々の材料層が一緒になって積層内に組み込まれている限りは、本ゲート構造は全ての種類のゲート構造の実装に広く適用可能である。つまり、本発明の主な観点は、第一のスペーサ、再酸化層およびゲート構造の側壁上の第二のスペーサを含む複合構造を形成することである。
【００２９】
【発明の効果】
要約すると、ゲート角部とゲート酸化層との間の接合部は、再酸化工程前に露出されている。従って、接合部では酸化が確実に行われて、素子の安定性と信頼性はさらに向上する。また、再酸化前に窪み構造がポリシリコン層の側壁上に形成される。その結果、ゲートの幅は一定になり、その後に形成される接触開口部の幅も一定になる。
【００３０】
本発明の範囲または精神から逸脱することなく、本発明の構造に対して種々の修正および変更を加えることが可能であることは、当該技術分野の当業者にとっては明らかである。上記の観点からすれば、本発明の修正および変更が特許請求の範囲に入り、また等価である場合には、本発明は修正や変更にも及ぶことを意味する。
添付の図面は、本発明をさらに理解し易くするためのものであり、本明細書に盛り込まれ、本明細書の一部となるものである。図面は本発明の実施形態を示し、説明とともに本発明の原理を説明する働きをしている。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  本発明の一つの好ましい実施形態に係るゲート構造物を形成するためのステップの順序を示す概略断面図である。
【図１Ｂ】  本発明の一つの好ましい実施形態に係るゲート構造物を形成するためのステップの順序を示す概略断面図である。
【図１Ｃ】  本発明の一つの好ましい実施形態に係るゲート構造物を形成するためのステップの順序を示す概略断面図である。
【図１Ｄ】  本発明の一つの好ましい実施形態に係るゲート構造物を形成するためのステップの順序を示す概略断面図である。
【図１Ｅ】  本発明の一つの好ましい実施形態に係るゲート構造物を形成するためのステップの順序を示す概略断面図である。
【図１Ｆ】  本発明の一つの好ましい実施形態に係るゲート構造物を形成するためのステップの順序を示す概略断面図である。
【図１Ｇ】  本発明の一つの好ましい実施形態に係るゲート構造物を形成するためのステップの順序を示す概略断面図である。
【図２】  本発明に従って組み込まれた再酸化層を有するゲート構造の概略断面図である。
【図３】  本発明に従って組み込まれた再酸化層を有するゲート構造の概略断面図である。
【図４】  本発明に従って組み込まれた再酸化層を有するゲート構造の概略断面図である。
【図５】  本発明に従って組み込まれた再酸化層を有するゲート構造の概略断面図である。
【符号の説明】
１００      基板
１０２      ゲート酸化層
１０４      ポリシリコン層
１０４ａ    ポリシリコン層
１０４ｂ    ポリシリコン層
１０４ｃ    ポリシリコン層
１０６      金属層
１０６ａ    金属層
１０８      金属層
１０８ａ    金属層
１１０      絶縁層
１１０ａ    絶縁層
１１２      積層構造
１１４      境界層
１１４ａ    スペーサ
１１６      窪み構造
１８        再酸化層
１１８      酸化層
１２０      スペーサ
１３０      再酸化層
１４０      金属珪素化合物層
１５０      再酸化層
１６０      酸化層
【図１Ａ】
0003715614.tif 000002
【図１Ｂ】
0003715614.tif 000003
【図１Ｃ】
0003715614.tif 000004
【図１Ｄ】
0003715614.tif 000005
【図１Ｅ】
0003715614.tif 000006
【図１Ｆ】
0003715614.tif 000007
【図１Ｇ】
0003715614.tif 000008
【図２】
0003715614.tif 000009
【図３】
0003715614.tif 000010
【図４】
0003715614.tif 000011
【図５】
0003715614.tif 000012