形成柵極的方法
2023-05-24 15:11:26 2
專利名稱：形成柵極的方法
技術領域：
本發明涉及半導體技術領域，尤其涉及形成柵極的方法。
背景技術：
現有技術中，形成柵的工藝可分為前柵(gate first)工藝和後柵(gate last)工藝。前柵工藝是指先沉積柵介質層，在柵介質層上形成柵電極，然後進行源漏注入，之後進行退火工藝以激活源漏中的離子。前柵工藝其工藝步驟簡單，但在進行退火時，柵電極不可避免地要承受高溫，導致MOS管的閾值電壓Vt漂移，影響管子性能。後柵工藝是指在退火工藝後，即在高溫步驟後，刻蝕掉多晶矽偽柵，形成偽柵溝槽，再用合適的金屬填充偽柵溝槽以形成柵電極，這樣可以使柵電極避開高溫，避免MOS管的閾值電壓Vt漂移，影響管子性能。後柵工藝可以大大加寬柵電極的材料的選擇範圍，但是工藝變得更加複雜。在形成金屬柵電極時，隨著半導體器件尺寸越來越小，特別是在32nm及以下工藝中，由於偽柵溝槽寬度變小，使得金屬材料的填充效率難以達到百分之百，即在偽柵溝槽中填入的金屬中間會存在著一定的間隙，間隙不僅會增大柵電極的寄生電阻，而且還會造成MOS管可靠性降低等問題。2010年2月M日公開的公開號為「CN101656205A」的中國專利申請公開的「集成電路金屬柵極結構及其製造方法」公開了一種形成金屬柵極的方法，包括提供半導體襯底；在所述半導體襯底上形成偽柵極結構，其中，所述偽柵極結構包括多晶矽；除去所述偽柵極結構，以提供具有頂部和底部的溝槽，其中所述頂部和所述底部具有第一寬度；增加所述溝槽的頂部寬度，以提供第二寬度；以及，在包括所述第二寬度的所述溝槽中形成柵極， 其中所述形成柵極的步驟包括將第一金屬沉積到所述溝槽中。該專利文獻中公開的形成金屬柵極的方法，在去除偽柵極結構後，增加溝槽頂部的寬度，以利於之後向溝槽內填充金屬，改善金屬的填充性。然而，該專利文獻中利用氬(Ar)濺射工藝增加溝槽頂部寬度，這樣容易對襯底造成破壞。
發明內容
本發明解決的問題是現有技術的形成柵極的方法，容易對襯底造成損壞。為解決上述問題，本發明提供一種形成柵極的方法，包括提供襯底；在所述襯底表面形成柵介質層，在所述柵介質層表面形成氮化鎢層，在所述氮化鎢層表面形成鎢層；圖形化所述氮化鎢層和鎢層；溼法刻蝕去除部分所述圖形化後的氮化鎢層和鎢層，且所述溼法刻蝕對氮化鎢的刻蝕速率大於對鎢的刻蝕速率，形成偽柵極，所述偽柵極呈T型，所述偽柵極包括溼法刻蝕後的氮化鎢層和鎢層；
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形成介質層，覆蓋所述柵介質層，所述介質層的表面與偽柵極的表面相平；去除所述偽柵極，形成柵極溝槽，所述柵極溝槽呈T型；在所述柵極溝槽內填充柵極材料，形成柵極。可選的，利用化學氣相沉積在所述柵介質層上形成氮化鎢層；所述化學氣相沉積中使用的氣體包括WF6，H2, N2。可選的，所述WF6的流量為3 lOsccm，所述N2的流量為50 200sccm，所述H2的流量為100 lOOOsccm。可選的，所述化學氣相反應的時間為5 15秒。可選的，利用化學氣相沉積或物理氣相沉積在所述氮化鎢層上形成鎢層。可選的，所述溼法刻蝕中使用的溶液選自溶液、NH4OH溶液、HF溶液其中之
ο可選的，利用幹法刻蝕去除偽柵極。可選的，所述幹法刻蝕中使用的氣體包括C12，SF6。可選的，所述柵介質層包括二氧化矽層、氮氧化矽層、氮化矽層其中之一，或者他們的任意組合。可選的，所述柵介質層還包括至少一層高k介質層，所述k值大於4. 5。可選的，還包括形成偽柵極後，形成介質層之前，在所述偽柵極周圍形成側牆。可選的，所述柵極材料選自鉿、鋯、鈦、鋁、鉈、鈀、鉬、鈷、鎳、鎢、銀、銅、金、導電的金屬氮化物、導電的金屬碳化物、導電的金屬矽化物其中之一或者他們的組合。與現有技術相比，本發明具有以下優點本發明的形成柵極的方法，利用溼法刻蝕氮化鎢和鎢時，對氮化鎢的刻蝕速率大於對鎢的刻蝕速率的特點，在襯底上形成圖形化的氮化鎢層和鎢層，鎢層位於氮化鎢層上， 這樣之後利用溼法刻蝕去除部分圖形化後的氮化鎢層和鎢層時，因此可以形成T型的偽柵極，這樣偽柵極的頂部寬度也就大於底部寬度。形成介質層後，去除偽柵極後，就可以形成 T型的柵極溝槽，這樣柵極溝槽的頂部寬度也就大於底部寬度。在柵極溝槽內填充柵極材料，形成柵極時，有利於柵極材料的填充，避免形成空隙，或者至少可以減少形成的空隙；而且工藝簡單，可以避免現有技術中描述的對襯底造成損傷的缺點。
圖1為本發明的具體實施方式
的形成柵極的方法的流程圖；圖加 圖池為本發明具體實施例的形成柵極的方法的剖面結構示意圖。
具體實施例方式發明人經過長期的鑽研，希望可以找到簡單的工藝形成頂部寬度大於底部寬度的柵極溝槽，有利於柵極材料的填充，避免形成空隙，或者至少可以減少形成的空隙；而且，可以避免現有技術中描述的對襯底造成損傷的缺點。經過大量的資料閱讀，發明人意外的發現，「Enrico Bellandi，Cinzia De Marco，Antonio Truscello，Jeffery W. Butterbaugh，， 在「Future Fab International, Volume30, July 2009」 公幵的文章「resist removal and cleaning for TANOS metal gatenonvolatile memories，，中披露了、溼法亥Ij燭氣化鶴禾口鶴時，對氮化鎢的刻蝕速率大於對鎢的刻蝕速率的特點。本發明具體實施方式
的形成柵極的方法，利用溼法刻蝕氮化鎢和鎢時，對氮化鎢的刻蝕速率大於對鎢的刻蝕速率的特點，在襯底上形成圖形化的氮化鎢層和鎢層，鎢層位於氮化鎢層上，這樣之後利用溼法刻蝕去除部分圖形化後的氮化鎢層和鎢層時，因此可以形成T型的偽柵極，這樣偽柵極的頂部寬度也就大於底部寬度。形成介質層後，去除偽柵極後，就可以形成T型的柵極溝槽，這樣柵極溝槽的頂部寬度也就大於底部寬度。在柵極溝槽內填充柵極材料，形成柵極時，有利於柵極材料的填充，避免形成空隙，或者至少可以減少形成的空隙；而且工藝簡單，可以避免現有技術中描述的對襯底造成損傷的缺點。為了使本領域的技術人員可以更好的理解本發明，下面結合附圖詳細說明本發明的具體實施方式
。圖1為本發明的具體實施方式
的形成柵極的方法的流程圖，參圖1，本發明具體實施方式
的形成柵極的方法包括步驟Sll，提供襯底；步驟S12，在所述襯底表面形成柵介質層，在所述柵介質層表面形成氮化鎢層，在所述氮化鎢層表面形成鎢層；步驟S13，圖形化所述氮化鎢層和鎢層；步驟S14，溼法刻蝕去除部分所述圖形化後的氮化鎢層和鎢層，且所述溼法刻蝕對氮化鎢的刻蝕速率大於對鎢的刻蝕速率，形成偽柵極，所述偽柵極呈T型，所述偽柵極包括溼法刻蝕後的氮化鎢層和鎢層；步驟S15，形成介質層，覆蓋所述柵介質層，所述介質層的表面與所述偽柵極的表面相平；步驟S16，去除所述偽柵極，形成柵極溝槽，所述柵極溝槽的呈T型；步驟S17，在所述柵極溝槽內填充柵極材料，形成柵極。圖加 圖池為本發明具體實施例的形成柵極的方法的剖面結構示意圖，為了使本領域技術人員可以更好的理解本發明具體實施方式
的形成柵極的方法，下面結合具體實施例並結合參考圖1和圖加 圖詳細說明本發明具體實施方式
的形成柵極的方法。結合參考圖1和圖加，執行步驟S11，提供襯底20。本發明具體實施例中，襯底20 的材料可以為單晶矽、單晶鍺或單晶矽鍺；也可以是絕緣體上矽(SOI)；或者還可以包括其它的材料，例如砷化鎵等III-V族化合物。在所述襯底20中形成有器件結構(圖中未示)， 例如隔離溝槽結構等。結合參考圖1和圖2b，執行步驟S12，在所述襯底20表面形成柵介質層21，在所述柵介質層21表面形成氮化鎢(WN)層22，在所述氮化鎢層22表面形成鎢層23。本發明具體實施例中，所述柵介質層21的材料包括二氧化矽(SiO2)、氮氧化矽 (SiON)、氮化矽(SiN)其中之一，或者他們的任意組合，也就是說，柵介質層21可以為二氧化矽層，或者為氮氧化矽層，或者氮化矽層，也可以為二氧化矽層，為氮氧化矽層、氮化矽層的任意組合，可以為單層結構，也可以為疊層結構，例如二氧化矽層和氮化矽層組成的兩層結構，二氧化矽層、氮氧化矽層、氮化矽層組成的三層結構。而且，在本發明具體實施例中，所述柵介質層21還可以包括至少一層高k介質層，所述k值大於4. 5，高k介質層的材料選自氧化鉿(HfO2)、矽氧化鉿(HfSiO)、氮氧化鉿(HfON)、氮氧化鉿矽(HfSiON)，氧化鑭(La2O3)、氧化鋯(ZrO2)、矽氧化鋯(ZrSiO)、氧化鈦(TiO2)、氧化釔(Y2O3)。例如，柵介質層 21為雙層結構，包括氧化矽層、以及位於氧化矽層上的矽氧化鉿(HfSiO)層。本發明具體實施例中，利用化學氣相沉積在所述柵介質層21上形成氮化鎢層 22。所述化學氣相沉積中使用的氣體包括:WF6(六氟化鎢)，H2(氫)，隊(氮)，反應式為 WF6+H2+N2 — WN+HF。WF6的流量為3 lOsccm，N2的流量為50 200sccm。H2的流量為 100 lOOOsccm，而且本發明具體實施例中，使用的氣體還包括Ar (氬)氣，其流量為300 lOOOsccm。反應腔內的氣壓為3 5Torr (毫託)，射頻功率為200 500W，反應腔內的溫度範圍為400 500°C，反應時間為5 15秒。本發明具體實施例中，形成鎢層23的方法為物理氣相沉積(PVD)或者化學氣相沉積。結合參考圖1和圖2c，執行步驟S13，圖形化所述氮化鎢層22和鎢層23。具體為 在鎢層23上形成光刻膠層，形成光刻膠層的方法可以為旋塗法、滴塗法或者刷塗法，本發明具體實施例中利用旋塗法形成光刻膠層。之後，對光刻膠層進行曝光、顯影，形成圖形化的光刻膠層；然後，以圖形化的光刻層為掩膜刻蝕鎢層23，氮化鎢層22，將圖形化的光刻膠層上的圖形轉移至鎢層23、氮化鎢層22。在該步驟中，並不刻蝕柵介質層21，該柵介質層 21在之後的溼法刻蝕腐蝕氮化鎢、和鎢時，用來保護襯底20不受損傷。結合參考圖1和圖2d，執行步驟S14，溼法刻蝕去除部分所述圖形化後的氮化鎢層 22和鎢層23，且所述溼法刻蝕對氮化鎢的刻蝕速率大於對鎢的刻蝕速率，形成偽柵極，所述偽柵極呈T型，所述偽柵極包括溼法刻蝕後的氮化鎢層22和鎢層23。本發明具體實施方式
中，所述溼法刻蝕中使用的溶液選自H2SO4溶液、NH4OH溶液、HF溶液其中之一。本發明具體實施例中，選用NH4OH溶液溼法刻蝕氮化鎢層22和鎢層23，由於氮化鎢的刻蝕速率大於對鎢的刻蝕速率，因此可以形成T型的偽柵極，這樣偽柵極的頂部寬度也就大於底部寬度。參考圖2e，本發明具體實施例中，形成偽柵極後，對半導體襯底20進行源漏注入， 在半導體襯底20中形成源區和漏區(圖中未示)。之後，形成介質層，覆蓋所述柵介質層 21和偽柵極形成的表面，之後回刻介質層，在偽柵極的周圍形成側牆M。結合參考圖1和圖2f，執行步驟S15，形成介質層25，覆蓋所述柵介質層21，所述介質層25的表面與所述偽柵極的表面相平。具體為形成介質層25，覆蓋所述柵介質層 21和側牆M、偽柵極形成的表面，之後，利用化學機械平坦化(CMP)去除高出偽柵極的表面的介質層，也就是去除高出鎢層23表面的介質層，形成與所述偽柵極的表面相平的介質層 25，即與所述鎢層23的表面相平的介質層25。本發明，介質層25的材料為低k材料，其可以為氧化矽(Si02)、氟氧化矽(SiOF)、碳氧化矽(SiCO)等本領域技術人員公知的低k材料。本發明具體實施例中，選用氧化矽作為介質層25的材料。結合參考圖1和圖2g，執行步驟S16，去除所述偽柵極(結合參考圖2f)，形成柵極溝槽26，所述柵極溝槽沈呈！1型。由於偽柵極呈T型，則去除偽柵極後，自然柵極溝槽沈呈T型，這樣柵極溝槽沈的頂部寬度大於底部寬度。本發明中，利用幹法刻蝕去除包括溼法刻蝕後的氮化鎢層22和鎢層23的偽柵極，在本發明具體實施例中，所述幹法刻蝕中使用的氣體包括C12，SF6。結合參考圖1和圖池，執行步驟S17，在所述柵極溝槽沈內填充柵極材料，形成柵極27。本發明具體實施方式
中，所述柵極27的材料選自鉿、鋯、鈦、鋁、鉈、鈀、鉬、鈷、鎳、鎢、
6銀、銅、金、導電的金屬氮化物、導電的金屬碳化物、導電的金屬矽化物其中之一或者他們的組合。形成柵極27的方法具體為利用氣相沉積，例如物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積 (CVD)填充柵極材料於所述柵極溝槽沈內，且填滿柵極溝槽沈，之後，利用平坦化工藝，例如化學機械研磨平坦化柵極材料，最終形成柵極27。在本發明具體實施例中，選用金屬鋁作為柵極材料。利用物理氣相沉積方法填充金屬鋁於所述柵極溝槽26內，並且在沉積金屬鋁時，在介質層25的表面上也沉積有金屬鋁，之後利用平坦化工藝去除介質層25表面上的金屬鋁，形成柵極27，柵極27的表面和介質層25的表面相平。本發明中，由於柵極溝槽呈 T型，這樣柵極溝槽的頂部寬度也就大於底部寬度。在柵極溝槽內填充柵極材料，形成柵極時，有利於柵極材料的填充，避免形成空隙，或者至少可以減少形成的空隙。
本發明雖然已以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬於本發明技術方案的保護範圍。
權利要求
1.一種形成柵極的方法，其特徵在於，包括提供襯底；在所述襯底表面形成柵介質層，在所述柵介質層表面形成氮化鎢層，在所述氮化鎢層表面形成鎢層；圖形化所述氮化鎢層和鎢層；溼法刻蝕去除部分所述圖形化後的氮化鎢層和鎢層，且所述溼法刻蝕對氮化鎢的刻蝕速率大於對鎢的刻蝕速率，形成偽柵極，所述偽柵極呈T型，所述偽柵極包括溼法刻蝕後的氮化鎢層和鎢層；形成介質層，覆蓋所述柵介質層，所述介質層的表面與偽柵極的表面相平；去除所述偽柵極，形成柵極溝槽，所述柵極溝槽呈T型；在所述柵極溝槽內填充柵極材料，形成柵極。
2.如權利要求1所述的形成柵極的方法，其特徵在於，利用化學氣相沉積在所述柵介質層上形成氮化鎢層；所述化學氣相沉積中使用的氣體包括:WF6，H2, N2。
3.如權利要求2所述的形成柵極的方法，其特徵在於，所述WF6的流量為3 lOsccm， 所述N2的流量為50 200sccm，所述H2的流量為100 lOOOsccm。
4.如權利要求3所述的形成柵極的方法，其特徵在於，所述化學氣相反應的時間為5 15秒。
5.如權利要求1所述的形成柵極的方法，其特徵在於，利用化學氣相沉積或物理氣相沉積在所述氮化鎢層上形成鎢層。
6.如權利要求1所述的形成柵極的方法，其特徵在於，所述溼法刻蝕中使用的溶液選自H2SO4溶液、NH4OH溶液、HF溶液其中之一。
7.如權利要求1所述的形成柵極的方法，其特徵在於，利用幹法刻蝕去除偽柵極。
8.如權利要求7所述的形成柵極的方法，其特徵在於，所述幹法刻蝕中使用的氣體包括C12，SF6。
9.如權利要求1所述的形成柵極的方法，其特徵在於，所述柵介質層包括二氧化矽層、 氮氧化矽層、氮化矽層其中之一，或者他們的任意組合。
10.如權利要求9所述的形成柵極的方法，其特徵在於，所述柵介質層還包括至少一層高k介質層，所述k值大於4. 5。
11.如權利要求1所述的形成柵極的方法，其特徵在於，還包括形成偽柵極後，形成介質層之前，在所述偽柵極周圍形成側牆。
12.如權利要求1所述的形成柵極的方法，其特徵在於，所述柵極材料選自鉿、鋯、鈦、 鋁、鉈、鈀、鉬、鈷、鎳、鎢、銀、銅、金、導電的金屬氮化物、導電的金屬碳化物、導電的金屬矽化物其中之一或者他們的組合。
全文摘要
一種形成柵極的方法，包括提供襯底；在襯底表面形成柵介質層，在柵介質層表面形成氮化鎢層，在氮化鎢層表面形成鎢層；圖形化氮化鎢層和鎢層；溼法刻蝕去除部分圖形化後的氮化鎢層和鎢層，且溼法刻蝕對氮化鎢的刻蝕速率大於對鎢的刻蝕速率，形成偽柵極，偽柵極呈T型，偽柵極包括溼法刻蝕後的氮化鎢層和鎢層；形成介質層，覆蓋柵介質層，介質層的表面與偽柵極的表面相平；去除偽柵極，形成柵極溝槽，柵極溝槽呈T型；在柵極溝槽內填充柵極材料，形成柵極。本發明有利於柵極材料的填充，避免形成空隙，或者至少可以減少形成的空隙；而且工藝簡單，可以避免現有技術中描述的對襯底造成損傷的缺點。
文檔編號H01L21/28GK102479692SQ20101056829
公開日2012年5月30日 申請日期2010年11月30日 優先權日2010年11月30日
發明者盧炯平, 洪中山 申請人:中芯國際集成電路製造(北京)有限公司