金屬柵電極層的形成方法
2023-05-26 10:48:46 2
專利名稱：金屬柵電極層的形成方法
技術領域：
本發明涉及半導體技術領域，尤其涉及一種金屬柵電極層的形成方法。
背景技術：
隨著半導體器件的集成化、微型化的發展，採用材料為二氧化矽的柵介質層和材料為多晶矽的柵電極層的MOS器件出現了漏電量增加和柵電極層損耗等問題；為解決上述的問題，高K材料的介質層和金屬材料的柵電極層(簡稱高K金屬柵，HKMG)工藝成為現在研究的熱點。高K金屬柵的形成工藝可分為「前柵」工藝、「後柵」工藝兩種。後柵工藝由於能夠避免金屬柵電極層經過高溫退火，能夠保持器件的優良性能，是目前形成金屬柵的較為主要的方法，高K金屬柵的形成工藝的後柵工藝具體為:首先，提供基底，所述基底表面具有多晶矽偽柵極層和位於多晶矽偽柵極層兩側的側牆；其次，在所述基底表面形成覆蓋所述多晶矽偽柵極層和側牆的刻蝕阻擋層；之後，在所述刻蝕阻擋層表面形成層間介質層；採用平坦化工藝平坦化所述層間介質層和刻蝕阻擋層直至暴露出所述多晶矽偽柵極層；去除所述多晶矽偽柵極層，形成開口 ；在所述開口底部形成高K介質層，在所述高K介質層表面形成填充所述開口的金屬柵電極層。在公開號為US2010/0081262 Al的美國專利文件中還可以發現更多的HKMG的形
成工藝。然而，依照現有工藝製得的器件，在所述高K介質層表面形成填充所述開口的金屬柵電極層的工藝步驟中，卻容易在金屬柵電極層內形成空隙，造成半導體器件性能降低，功耗增加，可靠性降低。
發明內容
本發明是為了解決在利用現有技術製造高K金屬柵的過程中，金屬柵電極層中形成空隙的問題。為解決上述問題，本發明實施例提供一種去除金屬柵電極層中空隙的方法，包括:提供基底，所述基底表面具有多晶矽偽柵極層和位於多晶矽偽柵極層兩側的側牆；所述基底表面形成有覆蓋所述多晶矽偽柵極層和側牆的刻蝕阻擋層；所述刻蝕阻擋層表面形成有層間介質層；平坦化所述層間介質層和刻蝕阻擋層直至暴露出所述多晶矽偽柵極層；去除所述多晶矽偽柵極層，形成開口，且在所述開口頂部的側壁形成凸起；在所述層間介質層和刻蝕阻擋層表面形成保護層，所述保護層填充滿所述開口 ；平坦化部分厚度的所述保護層、所述層間介質層、刻蝕阻擋層和側牆，直至去除凸起；去除所述保護層。
可選的，所述保護層材料為光刻膠。可選的，當所述保護層材料為光刻膠時，所述保護層的形成工藝為:厚度是400埃 1500埃，旋塗的速率為300-4000轉/分鐘，旋塗的溫度為15_100°C。可選的，平坦化去除凸起的工藝為第二化學機械拋光工藝。可選的，化學機械拋光工藝的參數為:採用的研磨液是氧化矽或氧化鈰為主要成分，其中，氧化娃研磨液的顆粒尺寸為I IOOnm,氧化鋪研磨液的顆粒尺寸為10 20nm,所述第二化學機械拋光的研磨液對氧化矽與氮化矽的平坦化速率選擇比為0.5 2。可選的，平坦化所述層間介質層和刻蝕阻擋層的工藝為第一化學機械拋光工藝。可選的，第一化學機械拋光工藝的參數為:採用的研磨液是氧化矽或氧化鈰為主要成分，其中，氧化娃研磨液的顆粒尺寸為I IOOnm,氧化鋪研磨液的顆粒尺寸為10 20nm，所述第一化學機械拋光的研磨液對氧化矽與氮化矽的平坦化速率選擇比大於I。可選的，去除所述保護層的工藝為幹法去膠法或溼法去膠法。可選的，還包括:在所述開口的底部形成柵介質層和位於柵介質層表面且填充滿所述開口的金屬層。可選的，所述柵介質層材料為氧化矽或高k介質，高k介質包括氧化鋯，氧化鉿等。可選的，金屬層為單一覆層或者多層堆疊結構。可選的，當所述金屬層為單一覆層時，所述金屬層材料為鋁、銅、銀、金、鉬、鎳、鈦、鈷、鉈、鉭、鎢、鈦鎢、鎳鉬、氮化鈦、氮化鉈或氮化鉭。可選的，當所述金屬層為多層堆疊結構時，所述金屬層包括:位於所述柵介質層表面的功能金屬層，位於所述功能金屬層表面的鋁金屬層。可選的，所述功能金屬層材料為氮化鈦、氮化鉈或氮化鉭。與現有技術相比，本發明具有以下優點:採用第二次化學拋光工藝去除形成在所述開口頂部內側壁的多晶矽凸起，使得後續在所述開口內形成所述金屬柵電極層時不會形成空隙；本實施例還在去除多晶矽凸起之前，採用保護層填充滿所述開口，避免在此第二次化學機械拋光以去除氧化多晶矽凸起的工藝中，額外的在開口的內側壁再次形成其他凸起或殘留物，提高後續填充所述金屬層柵電極層的質量。進一步的，所述保護層材料為光刻膠，能夠有效保護開口的同時，去除簡便且不會損害開口的界面的。
圖1至圖4是現有工藝形成高K金屬柵的剖面結構示意圖；圖5是本發明一實施例形成金屬柵的工藝流程示意圖；圖6至圖12是本發明一實施例金屬柵電極層的形成方法過程的剖面結構示意圖。
具體實施例方式發明人發現，現有的高K金屬柵的形成工藝中，在所述高K柵介質層表面形成填充所述開口的金屬柵電極層的工藝步驟中，容易在金屬柵電極層內形成空隙，造成半導體器件性能降低，功耗增加，可靠性降低。
發明人經過進一步研究發現，高K金屬柵工藝包括如下步驟:請參考圖1，提供基底100，所述基底100表面具有多晶矽偽柵極層101和位於多晶矽偽柵極層101兩側的側牆102 ;所述基底100表面形成有覆蓋所述多晶矽偽柵極層101和側牆102的刻蝕阻擋層103，所述刻蝕阻擋層103為氮化矽；所述刻蝕阻擋層103表面形成有層間介質層104，所述層間介質層為氧化矽；請參考圖2，採用平坦化工藝平坦化所述層間介質層104和刻蝕阻擋層103直至暴露出所述多晶矽偽柵極層101，所述平坦化工藝為化學機械拋光工藝；請參考圖3，去除所述多晶矽偽柵極層101，形成開口 105 ;所述去除工藝為幹法刻蝕或溼法刻蝕，由於所述開口 105的頂部為所述多晶矽偽柵極層101、側牆102和刻蝕阻擋層103的交接界面；在採用幹法刻蝕或溼法刻蝕去除所述多晶矽偽柵極層101時，容易在所述界面位置形成多晶矽堆積，在所述開口 105的頂部的側壁會形成經過氧化的多晶矽凸起106 ；請參考圖4，在所述開口 105底部形成高K介質層107，在所述高K介質層106表面形成填充所述開口 105的金屬柵電極層108 ;需要說明的是，在形成填充所述開口 105的金屬柵電極層108時，所述金屬柵電極層108內通常會出現空隙109。發明人深入研究發現，所述在金屬柵電極層內形成空隙的原因是:現有工藝在去除所述多晶矽偽柵極層並形成開口後，所述開口的頂部的內側壁會形成氧化多晶矽凸起106 ;從而使得開口的頂部變得狹窄，在後續採用金屬沉積工藝形成填充所述開口的金屬柵電極層時，在具有凸起的位置填充速率較快，使得開口內未完全填充而具有凸起的位置卻已經封閉，從而在金屬柵電極層內部形成空隙，造成半導體器件性能降低，功耗增加，可靠性降低。為此，本發明的發明人提供一種金屬柵電極層的形成方法，請參考圖5，包括如下步驟:步驟S101，提供基底，所述基底表面具有多晶矽偽柵極層和位於多晶矽偽柵極層兩側的側牆；所述基底表面形成有覆蓋所述多晶矽偽柵極層和側牆的刻蝕阻擋層；所述刻蝕阻擋層表面形成有層間介質層；步驟S102，平坦化所述層間介質層和刻蝕阻擋層直至暴露出所述多晶矽偽柵極層；步驟S103，去除所述多晶矽偽柵極層，形成開口，且在所述開口頂部的內側壁形成凸起；步驟S104，在所述層間介質層和刻蝕阻擋層表面形成保護層，所述保護層填充滿所述開口 ；步驟S105，平坦化部分厚度的所述保護層、所述層間介質層、刻蝕阻擋層和側牆，直至去除凸起；步驟S106，去除所述保護層；步驟S107，在所述開口的底部形成柵介質層和位於柵介質層表面且填充滿所述開口的金屬柵電極層。本發明的實施例採用平坦化工藝去除形成在所述開口頂部的側壁的凸起，避免在後續工藝填充的金屬層內形成有空隙，進一步地，本發明先形成填充滿所述開口的保護層，所述保護層能夠避免在平坦化去除凸起工藝中額外的在開口的側壁形成凸起，採用本發明實施例形成的半導體器件金屬層內部沒有空隙，形成的器件性能提高，功耗減小，可靠性提聞。下面結合具體實施例對本發明實施例的金屬柵電極層的形成方法做具體描述。請參考圖6，提供基底200，所述基底200表面具有多晶矽偽柵極層201和位於多晶矽偽柵極層201兩側的側牆202 ;所述基底200表面形成有覆蓋所述多晶矽偽柵極層201和側牆202的刻蝕阻擋層203 ;所述刻蝕阻擋層203表面形成有層間介質層204。所述基底200作用是為後續形成半導體器件提供工作平臺，所述基底200材料為η型矽襯底、P型矽襯底、絕緣層上的矽(SOI)襯底、氮化矽襯底以及砷化鎵等II1-V族化合物等。所述刻蝕阻擋層203的材料為氮化矽，所述層間介質層204的為氧化矽層。所述基底200、多晶矽偽柵極層201、側牆202、刻蝕阻擋層203、層間介質層204的具體形成工藝請參考現有技術，在這裡不再贅述。請參考圖7，平坦化所述層間介質層204和刻蝕阻擋層203直至暴露出所述多晶矽偽柵極層201。所述平坦化的工藝是第一化學機械拋光工藝，具體地，所述第一化學機械拋光工藝參數為:化學機械拋光採用的研磨液是以氧化矽或者氧化鈰為主要成分的，所述研磨液對氧化矽與氮化矽的平坦化速率選擇比大於I。需要說明的是，所述氧化矽研磨液的顆粒尺寸為I lOOnm，採用氧化矽研磨液的優點是:研磨顆粒分散性好、化學性質活潑、後清洗過程容易的優點。需說明的是，所述氧化鈰研磨液的顆粒尺寸為10 20nm，採用氧化鈰研磨液的優點是:具有拋光速率高、材料的去除率高、對被拋光表面的損傷較小的優點。還需要說明的是，在本實施例中，層間介質層204的材料為氧化矽、刻蝕阻擋層203為氮化矽，選擇第一化學機械拋光的研磨液對氧化矽和氮化矽的選擇比大於I的工藝參數能夠保證高於多晶矽偽柵極層的氮化矽蝕刻阻擋層203與氧化矽層間介質層204 —起被去除。請參考圖8，去除所述多晶矽偽柵極層201，形成開口 205，且在所述開口 205頂部的內側壁形成凸起206。所述去除凸起206的工藝為幹法刻蝕或溼法刻蝕。在一實施例中，所述幹法刻蝕法採用反應離子刻蝕法，採用的氣體可以選擇氯氣、氦氣、溴化氫或者氦氣和氧氣的混合物。採用幹法刻蝕的優點是，各向異性、選擇性好以及刻蝕效率高。在另一實施例中，所述溼法刻蝕選用四甲基氫氧化銨溶液，質量百分比濃度為2 4%，溫度為50°C 90°C，刻蝕速率為100 3000埃/分鐘，刻蝕多晶矽與氧化矽的速率比大於100: I ;採用溼法刻蝕的優點是操作簡便、對設備要求低、易於大批量生產。所述凸起206材料是多晶矽的氧化物，具體地，所述凸起206的形成的原因是:所述開口 205頂部為所述多晶矽偽柵極層201、側牆202和刻蝕阻擋層203的界面位置，在採用幹法刻蝕或溼法刻蝕去除所述多晶矽偽柵極層101時，容易在所述界面位置形成多晶矽堆積，殘餘多晶矽暴露在空氣中或會被氧化，在開口 205頂部的內側壁形成被氧化的多晶矽凸起206。請參考圖9，在所述層間介質層204和刻蝕阻擋層203表面形成保護層207，所述保護層207填充滿所述開口 205。所述保護層204用於在後續平坦化去除凸起206的工藝步驟中保護開口 205內側壁，避免在開口 205的側壁形成額外的殘留堆積，使得開口頂部尺寸變小。所述保護層207的材料光刻膠，具體地，塗覆光刻膠的具體工藝參數為:厚度是400埃 1500埃，旋塗的速率為300-4000轉/分鐘，旋塗的溫度為15_100°C，光刻膠作為保護層具有如下的優點:易於成膜，易於去除，使用方便，抗蝕性好，粘附性高、能夠充分填充所述開口 205起到保護作用，不會造成開口界面的損害。請參考圖10，平坦化部分厚度的所述保護層207、所述層間介質層204、刻蝕阻擋層203和側牆202，直至去除凸起206。所述平坦化去除凸起206的工藝是第二化學機械拋光工藝，具體地，所述第二化學機械拋光的工藝參數為:化學機械拋光採用的研磨液是以氧化矽或氧化鈰為主要成分的，具體地，氧化娃研磨液顆粒尺寸為I IOOnm,氧化鋪研磨液的顆粒尺寸為10 20nm,所述第二化學機械拋光的研磨液對氧化矽與氮化矽的平坦化速率選擇比為0.5 2。採用上述的第二化學機械拋光工藝參數，結合光刻膠的保護層，能夠有效去除凸起且不會額外在開口側壁形成其他的殘留物。本實施例中，採用第二次化學拋光工藝去除形成在所述開口 205頂部內側壁的多晶矽凸起206，以避免在後續工藝填充的如圖12所示的金屬柵介質層209內部形成空隙。進一步地，本實施例中，先前形成填充滿所述開口 205的光刻膠保護層207，能夠避免在此第二次化學機械拋光以去除氧化多晶矽凸起206的工藝中，額外的在開口的內側壁再次形成凸起206。請參考圖11，去除所述保護層207 ；所述去除保護層207工藝的作用是形成頂端寬度增加的開口 205，使得之後的如圖12所示金屬柵電極層209的填充不會形成如圖4所示的空隙109。在一實施例中，當保護層207的材料是光刻膠時，所述去除工藝是幹法去膠法或溼法去膠法，具體地，所述幹法去膠法採用的氣體可為，惰性氣體、空氣、氮氣、氧氣、氟碳化合物氣體及碳氫化合物氣體中的一種或多種，幹法去膠的優點是操作簡單、去膠效率高、表面乾淨光潔；具體地，所述溼法去膠法的去膠溶劑可為硫酸和過氧化氫的混合液，溼法去膠的優點是成本低、產量高。在另一實施例中，當保護層207材料是二氧化矽時，所述的去除工藝是混凝脫矽法，包括鎂劑脫矽、鋁鹽脫矽、鐵鹽脫矽和石灰脫矽。請參考圖12，在所述開口 205的底部形成柵介質層208和位於柵介質層208表面且填充滿所述開口 205的金屬柵電極層209。所述柵介質層208為高K柵介質層的作用是防止漏電現象的出現。所述高K柵介質層208的材料是二氧化鉿、氧化鉿矽、氧化鑭、氧化鑭鋁、氧化鋯、氧化錯娃、氧化鉭、氧化鈦、氧化鋇銀鈦、氧化鋇鈦、氧化銀鈦、氧化釔、氧化招、氧化鉛鈧鉭或鈮酸鉛鋅，所述高K柵介質層208的形成工藝可為化學氣相沉積法或物理氣相沉積。所述金屬柵電極層209可以為單一覆層或者多層堆疊結構。
在一實施例中，當所述金屬柵電極層209為單一覆層時，所述金屬層材料為鋁、銅、銀、金、鉬、鎳、鈦、鈷、I它、鉭、鶴、鈦鶴、鎳鉬、氮化鈦、氮化I它或氮化鉭。在另一實施例中，當所述金屬柵電極層209為多層堆疊結構時，所述金屬層包括:位於所述柵介質層208表面的功能金屬層，位於所述功能金屬層表面的鋁金屬層，具體地，所述功能金屬層作用是防止之後鋁金屬層的形成過程中在開口 205側壁表面積聚造成開口變窄，所述功能金屬層的材料是氮化鈦、氮化鉈或氮化鉭。所述金屬柵電極層209的形成工藝是化學氣相沉積或物理氣相沉積，具體地，所述金屬層209的形成步驟為:在開口 205底部沉積形成所述的高K柵介質層，在高K柵介質層表面以及開口 205內側壁形成所述功能金屬層，最後在所述功能金屬層表面形成鋁金屬層。本發明的實施例的優點是採用第二次化學拋光工藝去除形成在所述開口 205頂部內側壁的多晶矽凸起206，使得後續在所述開口 205內形成所述金屬柵電極層209時不會形成如圖4所示的空隙109 ;本實施例還在去除多晶矽凸起206之前，採用保護層207填充滿所述開口 205，避免在此第二次化學機械拋光以去除氧化多晶矽凸起206的工藝中，額外的在開口的內側壁再次形成其他凸起或殘留物，提高後續填充所述金屬層柵電極層209的質量。進一步的，所述保護層207材料為光刻膠，能夠有效保護開口的同時，去除簡便且不會損害開口 205的界面的。雖本發明實施例如上所述，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為準。
權利要求
1.一種金屬柵電極層的形成方法，其特徵在於，包括: 提供基底，所述基底表面具有多晶矽偽柵極層和位於多晶矽偽柵極層兩側的側牆；所述基底表面形成有覆蓋所述多晶矽偽柵極層和側牆的刻蝕阻擋層；所述刻蝕阻擋層表面形成有層間介質層； 平坦化所述層間介質層和刻蝕阻擋層直至暴露出所述多晶矽偽柵極層； 去除所述多晶矽偽柵極層，形成開口，且在所述開口頂部的側壁形成凸起； 在所述層間介質層和刻蝕阻擋層表面形成保護層，所述保護層填充滿所述開口 ； 平坦化部分厚度的所述保護層、所述層間介質層、刻蝕阻擋層和側牆，直至去除凸起； 去除所述保護層。
2.如權利要求1所述的金屬柵電極層的形成方法，其特徵在於，所述保護層材料為光刻膠。
3.如權利要求1所述的金屬柵電極層的形成方法，其特徵在於，當所述保護層材料為光刻膠時，所述保護層的形成工藝為:厚度是400埃 1500埃，旋塗的速率為300-4000轉/分鐘，旋塗的溫度為15-100°C。
4.如權利要求1所述的金屬柵電極層的形成方法，其特徵在於，平坦化去除凸起的工藝為第二化學機械拋光工藝。
5.如權利要求4所述的金屬 柵電極層的形成方法，其特徵在於，化學機械拋光工藝的參數為:採用的研磨液是氧化矽或氧化鈰為主要成分，其中，氧化矽研磨液的顆粒尺寸為I IOOnm,氧化鋪研磨液的顆粒尺寸為10 20nm,所述第二化學機械拋光的研磨液對氧化矽與氮化矽的平坦化速率選擇比為0.5 2。
6.如權利要求1所述的金屬柵電極層的形成方法，其特徵在於，平坦化所述層間介質層和刻蝕阻擋層的工藝為第一化學機械拋光工藝。
7.如權利要求6所述的金屬柵電極層的形成方法，其特徵在於，第一化學機械拋光的工藝參數為:化學機械拋光採用的研磨液是以氧化矽或氧化鈰為主要成分，其中，氧化矽研磨液的顆粒尺寸為I IOOnm,氧化鋪研磨液的顆粒尺寸為10 20nm,所述第一化學機械拋光的研磨液對氧化矽與氮化矽的平坦化速率選擇比大於I。
8.如權利要求1所述的金屬柵電極層的形成方法，其特徵在於，去除所述保護層的工藝為幹法去膠法或溼法去膠法。
9.如權利要求1所述的金屬柵電極層的形成方法，其特徵在於，還包括:在所述開口的底部形成柵介質層和位於柵介質層表面且填充滿所述開口的金屬層。
10.如權利要求9所述的金屬柵電極層的形成方法，其特徵在於，所述柵介質層材料為氧化矽或高k介質，高k介質包括氧化鋯，氧化鉿等。
11.如權利要求9所述的金屬柵電極層的形成方法，其特徵在於，金屬層為單一覆層或者多層堆疊結構。
12.如權利要求11所述的金屬柵電極層的形成方法，其特徵在於，當所述金屬層為單一覆層時，所述金屬層材料為招、銅、銀、金、怕、鎮、欽、鑽、銘、組、鶴、欽鶴、鎮怕、氣化欽、氣化鉈或氮化鉭。
13.如權利要求11所述的金屬柵電極層的形成方法，其特徵在於，當所述金屬層為多層堆疊結構時，所述金屬層包括:位於所述柵介質層表面的功能金屬層，位於所述功能金屬層表面的鋁金屬層。
14.如權利要求13所述的金屬柵電極層的形成方法，其特徵在於，所述功能金屬層材料為氮化鈦、氮 化鉈或氮化鉭。
全文摘要
一種金屬柵電極層的形成方法，包括提供基底，所述基底表面具有多晶矽偽柵極層和位於多晶矽偽柵極層兩側的側牆；所述基底表面形成有覆蓋所述多晶矽偽柵極層和側牆的刻蝕阻擋層；所述刻蝕阻擋層表面形成有層間介質層；平坦化所述層間介質層和刻蝕阻擋層直至暴露出所述多晶矽偽柵極層；去除所述多晶矽偽柵極層，形成開口，且在所述開口頂部的側壁形成凸起；在所述層間介質層和刻蝕阻擋層表面形成保護層，所述保護層填充滿所述開口；平坦化部分厚度的所述保護層、所述層間介質層、刻蝕阻擋層和側牆，直至去除凸起；去除所述保護層。本發明實施例的金屬柵電極層的形成方法形成的金屬柵電極層質量高。
文檔編號H01L21/336GK103117215SQ20111036610
公開日2013年5月22日 申請日期2011年11月17日 優先權日2011年11月17日
發明者王慶玲, 邵群 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司