一種金屬柵極的形成方法
2023-09-18 05:17:10 2
專利名稱：一種金屬柵極的形成方法
技術領域：
本發明涉及半導體製造領域，尤其涉及一種金屬柵極的形成方法。
背景技術：
隨著技術節點的降低，為改善集成電路器件的性能，現有技術提供將金屬柵極替代多晶矽柵極的解決方案。其中，「後柵極(gate last)」工藝為形成金屬柵極的一個工藝。專利申請號為200780016613. 2的中國專利申請提供一種使用「後柵極」工藝形成金屬柵極的方法，包括提供基底，所述基底上形成有偽柵極結構、及位於所述基底上，且覆蓋有所述偽柵極結構的層間介質層，所述偽柵極結構的側面垂直於基底；以所述偽柵極結構作為停止層，對所述層間介質層進行化學機械拋光工藝；除去所述偽柵極結構後形成溝槽，因為所述偽柵極結構的側面垂直於基底，所以去除其形成的溝槽的側壁同樣垂直基底， 即所述溝槽開口處的拐角為直角；最後對所述溝槽填充介質和金屬，以形成柵極介質層和金屬柵電極層。如圖1所示為上述技術方案形成的溝槽形狀，因為所述溝槽的側壁垂直於所述基底，且所述溝槽開口處的拐角001為直角，所以當對溝槽填充介質和金屬時，位於所述直角 001處的沉積速率較高，越靠近底部，沉積速率越低，最後將會在金屬柵極內出現空隙002。 隨著柵極長度的減小，溝槽的尺寸也隨之減小，將介質和金屬沉積到溝槽中愈發變得困難， 愈加可能形成空隙。專利申請號為200910161763.3的中國專利申請提供了另外一種使用「後柵極 (gate last)」工藝形成金屬柵極的方法，用以解決上述空隙問題。其解決方案為形成溝槽之後，對所述溝槽進行氬離子濺射，修正所述溝槽的開口，使所述溝槽的開口寬度大於底部寬度。如圖2所示為氬離子濺射修正後形成的溝槽形狀。但是，所述溝槽側壁僅靠近開口的部分為傾斜，而靠近底部的側壁與基底垂直，在傾斜側壁和垂直側壁的交界處的側壁拐角003為尖角，而在所述尖角003處，仍然造成填充的材料堆積，會形成空隙004。
發明內容
本發明解決的問題是提供一種金屬柵極的形成方法，以解決填充形成金屬柵極時產生的空隙問題。為解決上述問題，本發明提供一種金屬柵極的形成方法，包括提供基底，所述基底上形成有犧牲層；刻蝕所述犧牲層，形成具有傾斜側壁的錐形溝槽，所述溝槽開口寬度大於底部寬度；採用填充物質填充所述溝槽，形成偽柵電極層；去除所述犧牲層；在所述偽柵電極層兩側形成側牆，並以所述側牆為掩膜，對所述基底進行離子注入；在所述基底上沉積層間介質層，並以所述偽柵電極層為停止層，對所述層間介質層進行平坦化；去除所述偽柵電極層，對去除偽柵電極層後的溝槽依次填充介質和金屬。可選的，所述犧牲層為氧化矽層。可選的，刻蝕所述犧牲層的刻蝕氣體為NF3與C4F6的混合氣體、SF6與C4F6的混合氣體、NF3與CH2F2的混合氣體、SF6與CH2F2的混合氣體、CF4與CHF3的混合氣體、或CF4與 CH2F2的混合氣體。可選的，刻蝕所述犧牲層的刻蝕氣體為(/6、(/8、或(丨8。可選的，刻蝕所述犧牲層的刻蝕氣體為SFf^n CH2F2的混合氣體，其中所述混合氣體的SF6與CH2F2體積比值範圍8 1 15 1。可選的,所述SF6流量為50sccm至250sccm，所CH2F2流量為5sccm至20sccm。可選的，所述刻蝕時間為10秒至100秒，所述刻蝕的腔體壓力為5毫託至50毫託， 功率為500瓦至1000瓦。可選的，所述溝槽的開口寬度範圍為25nm 50nm，底部寬度範圍為15nm 45nm。可選的，所述形成偽柵電極層的材料為多晶矽。可選的，所述去除偽柵電極層的工藝為使用硝酸和氫氟酸的混合溶液去除工藝。可選的，所述柵極介質層為高K柵極介質層。與現有技術相比，上述方案具有以下優點本發明通過形成底部小，開口大、具有傾斜側壁的錐形溝槽，避免了填充物質後金屬柵極產生空隙，提高金屬柵極的質量。
圖1至圖2為現有金屬柵極形成方法形成的溝槽結構示意圖；圖3至圖15為本發明一個實施例的金屬柵極形成方法結構示意圖。
具體實施例方式發明人發現，在「後柵極」製造工藝中，當填充物質填充到溝槽中，形成金屬柵極時，會在金屬柵極內出現空隙(void)。隨著柵極長度的減小，溝槽的尺寸也隨之減小，將填充物質填充到溝槽中愈加變得困難，愈加會形成空隙。基於上述發現，本發明提供一種金屬柵極的形成方法，包括提供基底，所述基底上形成有犧牲層；刻蝕所述犧牲層，形成具有傾斜側壁的錐形溝槽，所述溝槽開口寬度大於底部寬度；採用填充物質填充所述溝槽，形成偽柵電極層；去除所述犧牲層；在所述偽柵電極層兩側形成側牆，並以所述側牆為掩膜，對所述基底進行離子注入；在所述基底上沉積層間介質層，並以所述偽柵電極層為停止層，對所述層間介質層進行平坦化；去除所述偽柵電極層，對去除偽柵電極層後的溝槽依次填充介質和金屬。為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施例做詳細的說明。圖3至圖15為本發明一個實施例的金屬柵極形成方法結構示意圖。如圖3所示，提供基底10，所述基底10上形成有氧化矽層20和氮化矽層30。
所述基底10可以選自矽基底、絕緣層上的矽(SOI)、或者還可以是其它的材料，例如砷化鎵等III-V族化合物。所述基底10內形成有隔離結構110，用於隔離後續形成的有源器件區。繼續參考圖3，在所述氮化矽層30上形成一層犧牲層40，所述犧牲層40可以通過化學氣相沉積法形成。作為一個實施例，所述犧牲層40的材料為氧化矽。其中，所述氧化矽層20用於在後續刻蝕犧牲層40時，保護基底10不暴露在刻蝕環境中，避免所述刻蝕環境對基底10造成晶格損傷；所述氮化矽層30作為刻蝕阻擋的作用，使得後續形成溝槽時，犧牲層40的刻蝕可以停止在所述氮化矽層30上，而不會對所述氧化矽層20進行刻蝕。如圖4所示，在所述犧牲層40上形成光刻膠圖形(未圖示)，所述光刻膠圖形與溝槽400的位置對應；以所述光刻膠圖形為掩膜，對所述犧牲層40和氮化矽層30進行刻蝕， 形成溝槽400。隨著刻蝕的進行，溝槽400的側壁將逐漸收縮，最終得到一個底部小，開口大、具有傾斜側壁的錐形溝槽400。具體地，所述刻蝕氣體包括主蝕刻氣體和保護性氣體，所述主蝕刻氣體為含氟元素的氣體，以對所述犧牲層40進行刻蝕；而保護性氣體為含碳元素較高的氣體，所述含碳元素較高的保護性氣體在刻蝕過程中，將會在溝槽400的側壁上形成聚合物，所述聚合物將使得所述犧牲層40不容易被刻蝕掉。隨著刻蝕的進行，犧牲層40越難以被刻蝕掉，進而形成的溝槽400底部較開口要小。同時所述刻蝕氣體中還可以加入氧氣，以去除部分聚合物，避免聚合物過多導致刻蝕在溝槽未完全形成前停止。所述溝槽400為錐形形狀，即所述溝槽400的側壁與基底10具有一定的傾斜角度，其中，頂部開口處的寬度約為25nm 50歷，底部的寬度約為15nm 45nm。作為一個實施例，可以通過對刻蝕參數，主要是主蝕刻氣體和保護性氣體類型、及主蝕刻氣體和保護性氣體的比例的調整，逐步收縮溝槽400的開口，以得到底部開口小，頂部開口大、具有傾斜側壁的錐形溝槽400。所述刻蝕氣體為以下混合氣體的一組或組合主刻蝕氣體為NF3,保護性氣體 C4F6 ；主刻蝕氣體為SF6,保護性氣體為C4F6 ；主刻蝕氣體為NF3,保護性氣體為CH2F2 ；主刻蝕氣體為SF6,保護性氣體為CH2F2 ；主刻蝕氣體為CF4,保護性氣體為CHF3 ；主刻蝕氣體為CF4,保護性氣體為CH2F2。所述刻蝕氣體還可以為以下氣體的一種C4F6、C4F8或C5F8。這些氣體中同時含有氟元素和碳元素，單獨使用其中的一種氣體能夠得到底部小，開口大、具有傾斜側壁的錐形溝槽400。如圖4所示，所述溝槽400的側壁傾斜程度由側壁角度A來衡量，所述側壁傾斜角度A為所述側壁與氧化矽層20的上表面所形成的銳角。其中，所述側壁傾斜角度A可以通過調整混合氣體中的各氣體的比例來達到。經過研究，發明人發現在上述刻蝕氣體的組合中，主刻蝕氣體與保護氣體的體積比值越高，側壁越陡。作為一個實施例，使用主刻蝕氣體SF6,保護性氣體為CH2F2對所述犧牲層40進行刻蝕。當刻蝕氣體體積比值(SF6 CH2F2)在15 1的時候，所述側壁傾斜角度A為90度，當刻蝕氣體體積比值為8 1時，所述側壁傾斜角度A為80度。位於80度 90度區間的側壁傾斜角度與刻蝕氣體體積比值為線性關係。圖5示出了氣體成分為SF6與CH2F2氣體體積比值(用字母Z標示)與所述溝槽的側壁角度A的關係圖。如圖5所示，當體積比值Z為SF6 CH2F2 = 15 1時候，側壁傾斜角度A約為90 度；體積比值Z越低，例如，當SF6 CH2F2 = 8:1時候，側壁傾斜角度A約為80度。在側壁傾斜角度A為80度 90度區間之內，側壁傾斜角度A與體積比值Z為線性關係，所述函數關係為A= (10/7)Z+(480/7) 0通過調整混合氣體體積比值Z，可以得到所需要達到的側壁傾斜角度A。例如當所需要達到的側壁傾斜角度為85度時候，可將體積比值Z調整至23 2即可。所述具體的刻蝕參數可以如下所述SF6流量為50sCCm至250sCCm，CH2F2流量為 5sccm至20sCCm ；所述刻蝕時間為10秒至100秒；所述刻蝕的腔體壓力為5毫託至50毫託；所述刻蝕功率為500瓦至1000瓦。如圖6所示，對所述溝槽400進行填充多晶矽，形成偽柵電極層410。具體地，化學氣相沉積多晶矽至所述溝槽400內，沉積之後，以犧牲層40作為阻擋層，進行化學機械研磨，使偽柵電極層410具有光滑的表面。在該步驟中，填充多晶矽形成上述的偽柵電極層410，原因如下若在該步驟中， 直接填充金屬形成金屬柵電極層，則後續形成源漏區的離子注入環境中，所述金屬柵電極層將會受到損傷，所以首先形成一個偽柵電極層410，用於後續形成源漏區的離子注入環境中。如圖7所示，去除所述犧牲層40。本實施例中，所述犧牲層40的材料為氧化矽，所述犧牲層40採用熱氫氟酸溶液去除。繼續參考圖7，還包括去除氮化矽層30，所述氮化矽層30的去除方式可採用熱磷酸溶液進行去除。如圖8所示，對所述偽柵電極層410進行氧化，形成氧化物。所述氧化物為第一側牆420，所述形成方法為熱氧化。以所述第一側牆420為掩膜，對所述基底10進行離子注入，形成離子輕摻雜區 (未示出)。參考圖9和圖10，在所述第一側牆420的表面形成第二側牆431。作為一個實施例，所述第二側牆431的形成工藝為如圖9所示，首先在所述氧化矽層20上形成介質層430，所述介質層430覆蓋第一側牆420表面和氧化矽層20表面。所述介質層430為氧化矽、氮化矽、碳化矽中的一種；如圖10所示，對所述介質層430進行回刻，在所述第一側牆420表面形成第二側牆431。如圖11所示，以所述第二側牆431為掩膜，對所述基底10進行離子摻雜，在所述基底10內形成離子摻雜區120，所述離子摻雜區120可以為源區或漏區。如圖12所示，在所述基底10上沉積層間介質層41，並以所述第一側牆420為停止層，對所述層間介質層41進行化學機械研磨，使所述層間介質層41形成平坦表面。其中，所述層間介質層41是具有低介電係數的無機矽基質層(inorganicsilicon based layer)。所述層間介質層41的介電係數一般小於3. 0，如碳氧化矽(SiCO)或氟化矽玻璃(FSG)。如圖13所示，去除所述偽柵電極層410及第一側牆420，形成溝槽402。去除所述第一側牆420的同時，位於溝槽402內的氧化矽層20也會部分去除。本圖示出的溝槽內的氧化矽層20完全被去除，所述溝槽402的底部暴露出所述基底10的表面。作為其他實施例，所述部分氧化矽層20可以不完全去除，留有少量氧化矽層20作為基底10與後續的高 K柵極介質層之間的良好界面。具體地，通過硝酸和氫氟酸的混合溶液去除所述偽柵電極層410，通過氫氟酸溶液去除所述第一側牆420。如圖14所示，在所述溝槽402內沉積高K介質，形成高K柵極介質層440。所述高 K柵極介質層440的厚度介於5埃至60埃之間，優選為40埃。所述高K柵極介質層440可以是二氧化鉿、氧化鉿矽、氧化鑭、氧化鑭鋁、氧化鋯、 氧化鋯矽、氧化鉭、氧化鈦、氧化鋇鍶鈦、氧化鋇鈦、氧化鍶鈦、氧化釔、氧化鋁、氧化鉛鈧鉭或鈮酸鉛鋅等一種。此處僅描述了可用於形成高K柵極介質層440的幾個實例，但是所述高K柵極介質層440也可以由於其他材料形成。形成所述高K柵極介質層440後，還可以對所述高K柵極介質層440進行其他處理，例如退火工藝，以提高高K柵極介質層440的質量。如圖15所示，在形成有所述高K柵極介質層440的溝槽402內，沉積金屬，形成金屬柵電極層450。所述金屬柵電極層450的材料可以為Ti、TiN, TaN, Ta、TaC, TaSiN, W、WN中的一種或多種組合。本發明在形成金屬柵極的溝槽工藝中，通過調節刻蝕氣體的組合和流量，形成底部小，開口大的錐形結構溝槽，所述溝槽的側壁為傾斜狀態，不具有尖角，避免了填充物質後金屬柵極產生的空隙，提高金屬柵極的質量。在以下描述中闡述了具體細節以便於充分理解本發明。但是本發明能夠以多種不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣。因此本發明不受下面公開的具體實施的限制。
權利要求
1.一種金屬柵極的形成方法，其特徵在於，包括提供基底，所述基底上形成有犧牲層；刻蝕所述犧牲層，形成具有傾斜側壁的錐形溝槽，所述溝槽開口寬度大於底部寬度；採用填充物質填充所述溝槽，形成偽柵電極層；去除所述犧牲層；在所述偽柵電極層兩側形成側牆，並以所述側牆為掩膜，對所述基底進行離子注入；在所述基底上沉積層間介質層，並以所述偽柵電極層為停止層，對所述層間介質層進行平坦化；去除所述偽柵電極層，對去除偽柵電極層後的溝槽依次填充介質和金屬。
2.根據權利要求1所述金屬柵極的形成方法，其特徵在於，所述犧牲層為氧化矽層。
3.根據權利要求2所述金屬柵極的形成方法，其特徵在於，刻蝕所述犧牲層的刻蝕氣體為NF3與C4F6的混合氣體、SF6與C4F6的混合氣體、NF3與CH2F2的混合氣體、SF6與CH2F2 的混合氣體、CF4與CHF3的混合氣體、或CF4與CH2F2的混合氣體。
4.根據權利要求2所述金屬柵極的形成方法，其特徵在於，刻蝕所述犧牲層的刻蝕氣體為 C4F6、C4F8jC5F8。
5.根據權利要求3所述金屬柵極的形成方法，其特徵在於，刻蝕所述犧牲層的刻蝕氣體為SFf^P CH2F2的混合氣體，其中所述混合氣體的5&與01#2體積比值範圍8 1 15 I0
6.根據權利要求5所述金屬柵極的形成方法，其特徵在於，所述SF6流量為50sCCm至 250sccm,所述 CH2F2 流量為 5sccm 至 20sccm。
7.根據權利要求6所述金屬柵極的形成方法，其特徵在於，所述刻蝕時間為10秒至 100秒，所述刻蝕的腔體壓力為5毫託至50毫託，功率為500瓦至1000瓦。
8.根據權利要求1所述金屬柵極的形成方法，其特徵在於，所述溝槽的開口寬度範圍為25nm 50nm，底部寬度範圍為15nm 45nm。
9.根據權利要求1所述金屬柵極的形成方法，其特徵在於，所述形成偽柵電極層的材料為多晶矽。
10.根據權利要求9所述金屬柵極的形成方法，其特徵在於，所述去除偽柵電極層的工藝為使用硝酸和氫氟酸的混合溶液去除工藝。
11.根據權利要求1所述金屬柵極的形成方法，其特徵在於，所述柵極介質層為高K柵極介質層。
全文摘要
本發明提供一種金屬柵極的形成方法，包括提供基底，所述基底上形成有犧牲層；刻蝕所述犧牲層，形成具有傾斜側壁的錐形溝槽，所述溝槽開口寬度大於底部寬度；採用填充物質填充所述溝槽，形成偽柵電極層；去除所述犧牲層；在所述偽柵電極層表面形成側牆，並以所述側牆為掩膜，對所述基底進行離子注入；在所述基底上沉積層間介質層，並以所述偽柵電極層為停止層，對所述層間介質層進行平坦化；去除所述偽柵電極層，對去除偽柵電極層後的溝槽依次填充介質和金屬，形成金屬柵極，所述金屬柵極包括柵極介質層和金屬柵電極層。本發明通過形成底部小，開口大、具有傾斜側壁的錐形溝槽，避免了填充物質後金屬柵極產生空隙，提高金屬柵極的質量。
文檔編號H01L21/28GK102347227SQ20101024529
公開日2012年2月8日 申請日期2010年7月30日 優先權日2010年7月30日
發明者張翼英 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司