專利名稱：金屬柵極及mos晶體管的形成方法
技術領域：
本發明涉及半導體制造領域，尤其涉及一種金屬柵極及MOS晶體管的形成方法。
背景技術：
隨著半導體器件集成度的不斷提高，技術節點的降低，傳統的柵介質層不斷變薄，晶體管漏電量隨之增加，引起半導體器件功耗浪費等問題。為解決上述問題，現有技術提供一種將金屬柵極替代多晶硅柵極的解決方案。其中，“后柵極(gate last)”工藝為形成金屬柵極的一個主要工藝。在美國專利US6664195中提供了一種使用“后柵極”工藝形成金屬柵極的方法，包括提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有替代柵結構、及位于所述半導體襯底上覆蓋所述替代柵結構的層間介質層；以所述替代柵結構作為停止層，對所述層間介質層進行化學機械拋光工藝；除去所述替代柵結構后形成溝槽；最后通過PVD方法向所述溝槽內填充金屬，以形成金屬柵電極層。 實際應用中發現，通過上述技術方案形成的金屬柵極內部會有縫隙或孔洞，影響金屬柵極的電性能。
發明內容
本發明解決的問題是金屬柵極及MOS晶體管的形成方法，防止金屬柵極內產生縫隙或孔洞。為解決上述問題，本發明實施例提供一種金屬柵極的形成方法，包括提供襯底，在所述襯底表面形成替代柵極結構；在所述襯底上形成層間介質層，所述層間介質層的表面與替代柵極結構頂部齊平；以層間介質層為掩膜，去除替代柵極結構，形成溝槽；在層間介質層上、溝槽側壁和底部形成第一金屬層；在第一金屬層上形成掩膜層，所述掩膜層填充滿溝槽；對掩膜層進行回刻蝕至露出第一金屬層后，去除溝槽內剩余的掩膜層；在第一金屬層上形成第二金屬層，所述第二金屬層填充滿溝槽；平坦化第二金屬層和第一金屬層至露出層間介質層，在溝槽內形成金屬柵極。本發明還提供一種MOS晶體管的形成方法，包括提供襯底，在所述襯底表面形成替代柵極結構；在替代柵極結構兩側形成側墻；在替代柵極結構及側墻兩側的襯底內形成源極、漏極；在所述襯底上形成層間介質層，所述層間介質層的表面與替代柵極結構頂部齊平；以層間介質層為掩膜，去除替代柵極結構，形成溝槽；在層間介質層上、溝槽側壁和底部形成第一金屬層；在第一金屬層上形成掩膜層，所述掩膜層填充滿溝槽；對掩膜層進行回刻蝕至露出第一金屬層后，去除溝槽內剩余的掩膜層；在第一金屬層上形成第二金屬層，所述第二金屬層填充滿溝槽；平坦化第二金屬層和第一金屬層至露出層間介質層，在溝槽內形成金屬柵極。與現有技術相比，本發明技術方案具有以下優點在去除替代柵極結構后，先向溝槽內填充第一金屬層，在溝槽側壁頂部會產生第一金屬層堆積；此時不再用金屬層填充溝槽，而是在第一金屬層及溝槽內形成掩膜層；通過回刻蝕掩膜層將第一金屬層堆積去除，增大溝槽頂部開口 ；然后去除剩余掩膜層后再向溝槽內填充滿第二金屬層，可以避免由于溝槽側壁頂部金屬層堆積而導致的溝槽內形成縫隙和空洞，從而可以提高半導體器件的可靠性。
圖I是現有技術方案形成金屬柵極過程中溝槽內填充效果圖；圖2是本發明形成金屬柵極的具體實施方式
流程示意圖；圖3至圖12是本發明形成包含金屬柵極的晶體管的實施例結構示意圖。
具體實施例方式由背景技術得知，通過現有技術方案得到的半導體器件的可靠性較差。 本發明的發明人經過研究發現，半導體器件的可靠性較差是由于金屬柵極的電阻值過高造成，再進一步研究發現是因為所述金屬柵極的填充物質內部存在空隙，所述空隙會提高金屬柵極的電阻值。發明人進一步發現，所述空隙形成的原因如下現有技術中，雖然所形成的開口頂部的寬度大于底部的寬度，但是所述開口側壁僅靠近開口的部分為傾斜，而靠近底部的側壁與襯底垂直，如圖I所示，在傾斜側壁和垂直側壁的交界處形成側壁拐角001，因而在所述拐角001處，仍然造成填充的材料堆積，會形成空隙002。為解決上述問題，本發明提供一種金屬柵極的形成方法，其形成流程如圖2所示，包括執行步驟SI，提供襯底，在所述襯底表面形成替代柵極結構；執行步驟S2，在所述襯底上形成層間介質層，所述層間介質層的表面與替代柵極結構頂部齊平；執行步驟S3，以層間介質層為掩膜，去除替代柵極結構，形成溝槽；執行步驟S4，在層間介質層上、溝槽側壁和底部形成第一金屬層；執行步驟S5，在第一金屬層上形成掩膜層，所述掩膜層填充滿溝槽；執行步驟S6，對掩膜層進行回刻蝕至露出第一金屬層后，去除溝槽內剩余的掩膜層；執行步驟S7，在第一金屬層上形成第二金屬層，所述第二金屬層填充滿溝槽；執行步驟S8，平坦化第二金屬層和第一金屬層至露出層間介質層，在溝槽內形成金屬柵極。本發明還提供了一種MOS晶體管的形成方法，包括提供襯底，在所述襯底表面形成替代柵極結構；在替代柵極結構兩側形成側墻；在替代柵極結構及側墻兩側的襯底內形成源極、漏極；在所述襯底上形成層間介質層，所述層間介質層的表面與替代柵極結構頂部齊平；以層間介質層為掩膜，去除替代柵極結構，形成溝槽；在層間介質層上、溝槽側壁和底部形成第一金屬層；在第一金屬層上形成掩膜層，所述掩膜層填充滿溝槽；對掩膜層進行回刻蝕至露出第一金屬層后，去除溝槽內剩余的掩膜層；在第一金屬層上形成第二金屬層，所述第二金屬層填充滿溝槽；平坦化第二金屬層和第一金屬層至露出層間介質層，在溝槽內形成金屬柵極。為使本發明的上述目的、特征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12是本發明形成包含金屬柵極的晶體管的實施例結構示意圖。如圖3所示，提供半導體襯底100 ;所述半導體襯底100內形成有隔離區112及位于隔離區之間的有源區，其中隔離區112可以是淺溝槽隔離，也可以是LOCOS隔離；在有源區的半導體襯底100上依次形成替代柵介電層101和替代柵電極層102，所述替代柵介電層101和替代柵電極層102構成替代柵極結構，具體形成替代柵電極層102工藝如下在半導體襯底100上形成替代柵介電層101，在替代柵介電層101上形成多晶硅層，在多晶硅層上形成光刻膠層；對光刻膠層進行曝光顯影，形成柵極圖形；以圖案化光刻膠層為掩膜，刻蝕多晶硅層和替代柵介電層101至露出半導體襯底100。本實施例中，所述半導體襯底100可以選自硅基底、絕緣層上的硅(SOI)、或者還可以是其它的材料，例如砷化鎵等III-V族化合物。本實施例中，所述替代柵介電層101的材料可以是氧化硅或氧化硅-氮化硅-氧化硅，形成替代柵介電層101的方法為熱氧化法或化學氣相沉積法；隨著技術節點的降低，為了得到足夠薄的替代柵介電層101，通常采用熱氧化法氧化半導體襯底100來形成。本實施例中，所述多晶硅層可以采用爐管沉積工藝形成，其沉積厚度決定了替代 柵電極層102的高度，也即后續形成的金屬柵極的高度。如圖4所示，以替代柵電極層102為掩膜，對所述半導體襯底100進行淺摻雜區注入，形成輕摻雜漏極104。對于NMOS器件，注入的是n型離子；對于PMOS器件，注入的是p型離子。之后，對所述半導體襯底100進行熱處理，使輕摻雜漏極104中的注入離子發生縱向與橫向的均勻擴散。本實施例中，所述熱處理工藝可以采用快速熱退火、脈沖退火或者激光退火。此步驟的熱處理工藝可與制作源/漏極完后的退火工藝一起進行。除本實施例外，有些工藝可以不形成輕摻雜漏極104，而直接形成源/漏極。繼續參考圖4，在所述替代柵極結構兩側形成側墻106，形成所述側墻106工藝可以采用現有沉積和刻蝕工藝，形成所述側墻106的材料可以選擇氮化硅或二氧化硅或兩者的結合。如圖5所示，以替代柵電極層102和側墻106為掩膜，向所述半導體襯底100進行重摻雜區注入，形成源極108和漏極108,所述源極108和漏極108的深度深于輕摻雜漏極104。在注入離子之后，對所述半導體襯底100進行熱處理，使源極108和漏極108中的注入離子發生縱向與橫向的均勻擴散。本實施例中，在形成PMOS晶體管區域，向半導體襯底100中注入的是p型離子，如
硼離子等。本實施例中，在形成NMOS晶體管區域，向半導體襯底100中注入的是n型離子，如磷離子或砷離子等。本實施例中，所述熱處理工藝可以采用快速熱退火、脈沖退火或者激光退火。參考圖6，在所述半導體襯底100上沉積層間介質層113，所述層間介質層113覆蓋所述替代柵極結構和側墻106 ;采用化學機械研磨法平坦化層間介質層113至露出替代柵極結構頂部。本實施例中，所述層間介質層113的材料為氧化硅或氮氧化硅或正硅酸乙酯等。如圖7所示，以層間介質層113為掩膜，用干法刻蝕法或濕法刻蝕法刻蝕去除替代柵電極層和替代柵介電層，形成溝槽。本實施例的另一實例中，所述替代柵介電層101如果采用的是高k材料，則可以不被刻蝕去除，保留于溝槽內的半導體襯底上。繼續參考圖7，在所述溝槽內的半導體襯底100上形成柵介質層114。本實施例中，所述柵介質層114為金屬柵極結構的柵介質層，作為實施例，可以采用高K介質作為金屬柵極的柵介質層，所述高K介質可以是二氧化鉿、氧化鉿硅、氧化鑭、氧化鑭招、氧化錯、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、氧化鋁、氧化鉛鈧鉭或鈮酸鉛鋅等一種。形成所述柵介質層114后，還可以對所述柵介質層114進行其他處理，例如退火工藝，以提高柵介質層114的質量。如圖8所示，用物理氣相沉積法(PVD)在層間介質層113上形成第一金屬層116。本實施例中，所述第一金屬層116的材料是Al、Cu、Ag、Au、Pt、Ni、Ti、TiN、TaN、 Ta、TaC、TaSiN、W、WN、WSi中的一種或多種；第一金屬層116的厚度為10埃 100埃，第一金屬層116的厚度不能超過100埃，如果過厚會造成第一金屬層116在溝槽邊角堆積過多而使溝槽開口過早封閉無法進行后續填充。本實施例中，由于溝槽開口是一個270°的開口，采用物理氣相沉積法沉積第一金屬層116時,在溝槽側壁拐角處第一金屬層116會產生堆積。如圖9所示，在第一金屬層116上形成掩膜層118，所述掩膜層118填充滿溝槽。本實施例中，所述掩膜層118的材料為抗反射材料或非定型碳,其位于第一金屬層116表面的厚度為200埃 1500埃。本實施例中，形成所述掩膜層118的方法是旋轉涂布工藝或化學氣相沉積工藝。 如圖10所示，用回刻蝕方法刻蝕去除掩膜層118以及第一金屬層116在溝槽拐角處的堆積部分，使溝槽開口增大。本實施例中，對掩膜層118及第一金屬層116進行回刻蝕采用的氣體是氯氣或氟基氣體。所述回刻蝕工藝刻蝕掩膜層118與第一金屬層116的速率比為5 : I 10 : I。參考圖11，灰化法去除溝槽內剩余的掩膜層；然后，用物理氣相沉積法(PVD)在第一金屬層116上形成第二金屬層120，且將所述第二金屬層120填充滿溝槽。本實施例中，所述第二金屬層120的材料是Al、Cu、Ag、Au、Pt、Ni、Ti、TiN、TaN、Ta、TaC、TaSiN、W、WN、WSi 的一種或多種。如圖12所不,平坦化第二金屬層120至露出層間介質層113,溝槽內的第一金屬層116與第二金屬層120構成金屬柵極,所述柵介質層114與金屬柵極構成金屬柵極結構。本實施例中，平坦化第二金屬層120的工藝通常采用化學機械研磨法。本實施例中，在去除替代柵極結構后，先向溝槽內填充第一金屬層，在溝槽側壁頂部會產生第一金屬層堆積；此時不再用金屬層繼續填充溝槽，而是在第一金屬層及溝槽內形成掩膜層；通過回刻蝕掩膜層將第一金屬層堆積去除，增大溝槽頂部開口 ；然后去除剩余掩膜層后再向溝槽內填充滿第二金屬層，可以避免由于溝槽側壁頂部金屬層堆積而導致的溝槽內形成縫隙和空洞，從而可以提高半導體器件的可靠性。雖然本發明披露如上，但本發明并非限定于此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護范圍應當以權利要求所限定的范圍為準。
權利要求
1.一種金屬柵極的形成方法，其特征在于，包括 提供襯底，在所述襯底表面形成替代柵結構，所述替代柵極結構； 在所述襯底上形成層間介質層，所述層間介質層的表面與替代柵極結構頂部齊平； 以層間介質層為掩膜，去除替代柵極結構，形成溝槽； 在層間介質層上、溝槽側壁和底部形成第一金屬層； 在第一金屬層上形成掩膜層，所述掩膜層填充滿溝槽； 對掩膜層進行回刻蝕至露出第一金屬層后，去除溝槽內剩余的掩膜層； 在第一金屬層上形成第二金屬層，所述第二金屬層填充滿溝槽； 平坦化第二金屬層和第一金屬層至露出層間介質層，在溝槽內形成金屬柵極。
2.根據權利要求I所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述第一金屬層的材料是 Al、Cu、Ag、Au、Pt、Ni、Ti、TiN, TaN, Ta、TaC, TaSiN, W、WN、WSi 中的一種或多種，厚度為10埃 100埃。
3.根據權利要求2所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，形成所述第一金屬層的方法是物理氣相沉積法。
4.根據權利要求I所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述掩膜層為抗反射層或非定型碳層。
5.根據權利要求4所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，形成所述掩膜層的方法是旋轉涂布工藝或化學氣相沉積工藝。
6.根據權利要求I所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述第二金屬層的材料是 Al、Cu、Ag、Au、Pt、Ni、Ti、TiN, TaN, Ta、TaC, TaSiN, W、WN、WSi 中的一種或多種。
7.根據權利要求6所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，形成所述第二金屬層的方法是物理氣相沉積法。
8.根據權利要求I所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，在形成第一金屬層之前，還包括步驟在溝槽底部的半導體襯底上形成柵介質層。
9.根據權利要求I所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，對掩膜層進行回刻蝕采用的氣體是氯氣或氟基氣體。
10.根據權利要求9所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述回刻蝕工藝刻蝕掩膜層與第一金屬層的速率比為5 : I 10 : I。
11.根據權利要求I所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，去除溝槽內剩余的掩膜層的方法為灰化法。
12.根據權利要求I所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述替代極結構包括替代柵電極層，所述替代柵電極層的材料為多晶硅。
13.—種MOS晶體管的形成方法，其特征在于，包括 提供襯底，在所述襯底表面形成替代柵結構，所述替代柵極結構； 在替代柵極結構兩側形成側墻； 在替代柵極結構及側墻兩側的襯底內形成源極、漏極； 在所述襯底上形成層間介質層，所述層間介質層的表面與替代柵極結構頂部齊平； 以層間介質層為掩膜，去除替代柵極結構，形成溝槽； 在層間介質層上、溝槽側壁和底部形成第一金屬層；在第一金屬層上形成掩膜層，所述掩膜層填充滿溝槽；對掩膜層進行回刻蝕至露出第一金屬層后，去除溝槽內剩余的掩膜層；在第一 金屬層上形成第二金屬層，所述第二金屬層填充滿溝槽；平坦化第二金屬層和第一金屬層至露出層間介質層，在溝槽內形成金屬柵極。
全文摘要
一種金屬柵極及MOS晶體管的形成方法。其中金屬柵極的形成方法，包括提供襯底，在所述襯底表面形成替代柵極結構；在所述襯底上形成層間介質層，所述層間介質層的表面與替代柵電極層頂部齊平；以層間介質層為掩膜，去除替代柵極結構，形成溝槽；在層間介質層上、溝槽側壁和底部形成第一金屬層；在第一金屬層上形成掩膜層，所述掩膜層填充滿溝槽；對掩膜層進行回刻蝕至露出第一金屬層后，去除溝槽內剩余的掩膜層；在第一金屬層上形成第二金屬層，所述第二金屬層填充滿溝槽；平坦化第二金屬層和第一金屬層至露出層間介質層，在溝槽內形成金屬柵極。本發明避免由于溝槽側壁頂部金屬層堆積而導致的溝槽內形成空隙，從而可以提高半導體器件的可靠性。
文檔編號H01L21/28GK102800577SQ20111013949
公開日2012年11月28日 申請日期2011年5月26日 優先權日2011年5月26日
發明者倪景華 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司