專利名稱：制造半導體器件的方法
技術領域：
本發明涉及半導體制造工藝，尤其涉及一種制造半導體器件的方法。
背景技術：
隨著柵極尺寸縮短至幾十納米，柵氧化物層的厚度降至3nm以下，引發了柵極電阻過大、柵泄漏增大以及多晶硅柵出現空乏現象等問題。因此，人們又將目光重新投向金屬柵極技術，金屬柵極技術采用具有較低電阻的金屬作為柵極，并且采用具有較大介電常數的材料作為柵介電層。金屬柵極技術包括先形成柵(Gate-first)工藝和后形成柵(Gate-last)工藝。Gate-first工藝是指在對硅片進行漏/源區離子注入以及隨后的高溫退火步驟之前形成金屬柵極，Gate-1ast工藝則與之相反。由于Gate-first工藝中金屬柵極需經受高溫工序，因此該工藝可能會引起熱穩定性、閾值電壓漂移和柵堆疊層再生長等問題，這對于PMOS來說是非常嚴重的問題。在Gate-1ast工藝中，由于N型晶體管和P型晶體管需要包含不同的功函數層，因此，通常需要分別形成N型晶體管的金屬柵極和P型晶體管的金屬柵極。圖1A-1D為采用現有技術的Gate-1ast工藝形成半導體器件過程中各步驟的剖視圖。如圖1A所示，提供半導體襯底100。半導體襯底100上形成有用于形成N型金屬柵極的第一偽柵極101和用于形成P型金屬柵極的第二偽柵極102。在半導體襯底300上以及第一偽柵極101和第二偽柵極102的兩側還形成有應力層103。在應力層103上形成有層間介電層104。如圖1B所示，去除第二偽柵極102，以形成第二填充開口 105。如圖1C所示，在第二填充開口 105內形成P型金屬柵極106，P型金屬柵極106包括P型功函數金屬層和金屬層(均未示出)。如圖1D所示，去除第一偽柵極101，以形成第一填充開口 107。然后，在該第一填充開口 107內填充N型功函數金屬層和金屬層即可以形成N型金屬柵極。目前，常用的第一偽柵極材料為多晶硅。在去除多晶硅的第一偽柵極101和第二偽柵極102時，很容易在相鄰的N型金屬柵極和P型金屬柵極的界面處(尤其是沿第一偽柵極的縱向方向上相鄰的N型金屬柵極和P型金屬柵極的界面處)產生聚合物和氧化物。為了避免界面處的聚合物和氧化物對晶體管產生影響，通常會采用酸性溶液或堿性溶液進行清洗。然而，無論是酸性溶液還是堿性溶液都會損壞金屬柵極(其主要材料為Al)，而導致晶體管失效。因此，目前急需一種制造半導體器件的方法，以解決上述問題。
發明內容
在發明內容部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在具體實施方式
部分中進一步詳細說明。本發明的發明內容部分并不意味著要試圖限定出所要求保護的技術方案的關鍵特征和必要技術特征，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護范圍。為了解決現有技術中存在的問題，本發明提出了一種制造半導體器件的方法，包括:a)提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有第一偽柵極、第一填充開口以及包圍所述第一偽柵極和所述第一填充開口的層間介電層；b)在所述第一偽柵極和所述層間介電層上以及所述第一填充開口內依次形成第一功函數層和第一犧牲層；c)執行化學機械研磨工藝以去除所述第一填充開口以外的所述第一功函數層和所述第一犧牲層；d)去除所述第一偽柵極以形成第二填充開口 ；e)執行第一清洗工藝；f)在所述第二填充開口內以及所述層間介電層、所述第一功函數層和所述第一犧牲層上依次形成第二功函數層和第二犧牲層；g)執行化學機械研磨工藝以去除所述第二填充開口以外的所述第二功函數層和所述第二犧牲層；h)去除所述第一犧牲層和所述第二犧牲層，以分別形成第一凹槽和第二凹槽；以及
i)在所述第一凹槽和所述第二凹槽內形成金屬層。優選地，所述a)步驟包括:在所述半導體襯底上形成第一偽柵極和第二偽柵極，并在所述半導體襯底上形成包圍所述第一偽柵極和所述第二偽柵極的層間介電層；去除所述第二偽柵極以形成第一填充開口 ；以及執行第二清洗工藝。優選地，所述第一清洗工藝和所述第二清洗工藝的清洗劑為酸性溶液。 優選地，所述酸性溶液為HF溶液。優選地，所述第一犧牲層和所述第二犧牲層是由相同的材料形成的。優選地，所述第一犧牲層和所述第二犧牲層包含氮化鈦。優選地，所述h)步驟中使用熱氨水和雙氧水混合溶液去除所述第一犧牲層和所述
第二犧牲層。優選地，所述金屬層的材料為鋁。優選地，所述第一功函數層和所述第二功函數層具有不同的功函數，以分別形成N型和P型金屬柵極的功函數層。優選地，所述b)步驟中形成所述第一功函數層之前還包括形成第一柵極介電層的工藝，和/或所述g)步驟中形成所述第二功函數層之前還包括形成第二柵極介電層的工藝。綜上所示，本發明的方法通過使用犧牲層來避免清洗步驟對金屬柵極的損壞，以避免半導體器件失效。
本發明的下列附圖在此作為本發明的一部分用于理解本發明。附圖中示出了本發明的實施例及其描述，用來解釋本發明的原理。在附圖中，
圖1A-1D為采用現有技術的Gate-1ast工藝形成半導體器件過程中各步驟的剖視圖； 圖2為根據本發明一個實施方式制造半導體器件工藝流程 圖3A-3J為根據本發明一個實施方式制造半導體器件工藝流程中各步驟所獲得的器件的剖視圖。
具體實施例方式接下來，將結合附圖更加完整地描述本發明，附圖中示出了本發明的實施例。但是，本發明能夠以不同形式實施，而不應當解釋為局限于這里提出的實施例。相反地，提供這些實施例將使公開徹底和完全，并且將本發明的范圍完全地傳遞給本領域技術人員。在附圖中，為了清楚，層和區的尺寸以及相對尺寸可能被夸大。自始至終相同附圖標記表示相同的元件。應當明白，當元件或層被稱為“在...上”、“與...相鄰”、“連接到”或“耦合到”其它元件或層時，其可以直接地在其它元件或層上、與之相鄰、連接或耦合到其它元件或層，或者可以存在居間的元件或層。相反，當元件被稱為“直接在...上”、“與...直接相鄰”、“直接連接到”或“直接耦合到”其它元件或層時，則不存在居間的元件或層。圖2示出了根據本發明一個實施方式制造半導體器件工藝流程圖，圖3A-3J示出了根據本發明一個實施方式制造半導體器件工藝流程中各步驟所獲得的器件的剖視圖。應當注意的是，半導體器件中的部分器件結構可以由CMOS制造流程來制造，因此在本發明的方法之前、之中或之后可以提供額外的工藝，且其中某些工藝在此僅作簡單的描述。下面將結合圖2和圖3A-3J來詳細說明本發明的制造方法。執行步驟201，提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有第一偽柵極、第一填充開口以及包圍所述第一偽柵極和所述第一填充開口的層間介電層。如圖3A所示，半導體襯底300可以為以下所提到的材料中的至少一種:娃、砷化鎵、絕緣體上硅(SOI )、絕緣體上層疊硅(SSOI )、絕緣體上層疊鍺化硅(S-SiGeOI )、絕緣體上鍺化硅(SiGeOI)以及絕緣體上鍺(GeOI)等。在半導體襯底300中可以形成有摻雜區域(未示出)，例如N型阱區和P型阱區。此外，半導體襯底300中還可以包括隔離結構311，例如淺溝槽隔離(STI)等，隔離結構311可以由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氟摻雜玻璃和/或其它現有的低介電常數材料形成。半導體襯底300上形成有第一偽柵極301和第一填充開口 302，其中，第一偽柵極301用于形成N型金屬柵極和P型金屬柵極中的一個，第一填充開口 302用于形成N型金屬柵極和P型金屬柵極中的另一個。第一偽柵極301的材料可以為本領域中常用的形成偽柵極的材料，例如多晶硅。在半導體襯底300上還形成有包圍第一偽柵極301和第一填充開口 302的層間介電層304。層間介電層304可包含由高深寬比(HARP)和/或高密度等離子體(HDP)沉積工藝形成的氧化物。此外，在半導體襯底300上以及第一偽柵極301和第一填充開口 302的兩側還可以形成有的應力層303，以提高溝道內載流子的遷移率。根據本發明一個實施方式，圖3A所示的半導體器件可以通過以下方法來形成，該方法包括:
首先，在半導體襯底300上形成第一偽柵極301和第二偽柵極(未示出)。第一偽柵極301和第二偽柵極的材料可以為多晶硅。在形成完第一偽柵極和第二偽柵極之后，可以進行額外的CMOS工藝來形成各種N型晶體管和P型晶體管內公知的元件，例如包括淺摻雜區、源/漏極區、間隙壁、P型晶體管的硅鍺元件、硅化物以及接觸孔刻蝕停止層(CESL)等。并且，在半導體襯底300上形成包圍第一偽柵極301和第二偽柵極的層間介電層304。具體地，可以在半導體襯底300上形成覆蓋第一偽柵極301和第二偽柵極的層間介電層，然后執行化學機械研磨工藝至露出第一偽柵極301和第二偽柵極的上表面。然后，去除第二偽柵極以形成第一填充開口 302。去除第二偽柵極的方法可以干法刻蝕，也可以為濕法刻蝕。作為示例，采用干法刻蝕來去除第二偽柵極，所使用的刻蝕氣體可以為氯氣、氦氣、六氟乙烷、氧氣和氟化硫等中的一種或多種。在去除第二偽柵極過程中，會在第一填充開口 302內以及沿第一偽柵極301的縱向上相鄰的第一偽柵極301與第一填充開口 302之間形成聚合物和氧化物，因此還需要執行下面的清洗步驟。最后，執行清洗工藝，以去除聚合物和氧化物。該清洗工藝的清洗劑可以為酸性溶液，優選地，該酸性溶液為HF溶液。執行步驟202，在第一偽柵極和層間介電層上以及第一填充開口內依次形成第一功函數層和第一犧牲層。如圖3B所示，在第一偽柵極301和層間介電層304上以及第一填充開口 302內形成第一功函數層305。其中，第一功函數層305占據了第一填充開口 302的一部分，剩余的第一填充開口 302用于形成第一犧牲層。由于N型金屬柵極和P型金屬柵極需要具有不同的功函數，因此，當第一填充開口 302用于形成P型晶體管時，第一功函數層305為用于形成P型金屬柵極的功函數層；當第一填充開口 302用于形成N型晶體管時，第一功函數層305為用于形成N型金屬柵極的功函數層。作為示例，第一功函數層305可包含例如氮化鈦、釕、鑰、鋁、氮化鎢、前述的氧化物或者硅化物的衍生物或者前述組合的單一金屬層或復合金屬層，以提高有效功函數(EWF)值。第一功函數層305可以由原子層沉積法(ALD)、物理氣相沉積法(PVD)或其它合適技術形成。當意預在第一填充開口 302內形成P型金屬柵極時，第一功函數層305的厚度可以約為50-100埃；當意預在第一填充開口 302內形成N型金屬柵極時，第一功函數層305的厚度應當小于P型金屬柵極的功函數層的厚度，并經熱處理工藝調整其功函數。優選地，在形成第一功函數層305之前還包括形成第一柵極介電層(未示出)的工藝。第一柵極介電層的厚度可以為10-30埃，且第一柵極介電層可包含氧化鉿(HfOx)，或者選擇性地包含HfSiOx、HfSiON, HfTaO, HfTiO, HfZrO或前述的組合。如圖3C所示，在第一功函數層305上形成第一犧牲層306。其中，第一犧牲層306填滿了第一填充開口 302的剩余部分。第一犧牲層306可以包含抗清洗劑中的酸性物質或堿性物質腐蝕的材料，例如包含氮化鈦等。執行步驟203，執行化學機械研磨工藝以去除第一填充開口以外的第一功函數層和第一犧牲層。如圖3D所示，執行化學機械研磨工藝去除第一填充開口 302以外的第一功函數層305和第一犧牲層306。執行步驟204，去除第一偽柵極以形成第二填充開口。如圖3E所示，去除第一偽柵極301以形成第二填充開口 307。去除第一偽柵極301的方法可以干法刻蝕，也可以為濕法刻蝕。作為示例，采用干法刻蝕來去除第一偽柵極301，所使用的刻蝕氣體可以為氯氣、氦氣、六氟乙烷、氧氣和氟化硫等中的一種或多種。在去除第一偽柵極301過程中，會在第二填充開口 307內以及沿第一偽柵極301的縱向上相鄰的第一填充開口 302與第二填充開口 307之間形成聚合物和氧化物，因此還需要執行下面的清洗步驟。執行步驟205，執行清洗工藝，以去除聚合物和氧化物。該清洗工藝的清洗劑可以為酸性溶液，優選地，該酸性溶液為HF溶液。需要說明的是，去除第二偽柵極后的清洗工藝和去除第一偽柵極301后的清洗工藝可以使用相同的清洗劑，也可以使用不同的清洗劑。本領域的技術人員可以根據需要選擇合適的材料作為清洗劑。執行步驟206，在第二填充開口內以及層間介電層、第一功函數層和第一犧牲層上依次形成第二功函數層和第二犧牲層。如圖3F所示，在層間介電層304、第一功函數層305和第一犧牲層306上以及第二填充開口 307內形成第二功函數層308。其中，第二功函數層308占據了第二填充開口 307的一部分，剩余的第一填充開口 302用于形成第二犧牲層。由于N型金屬柵極和P型金屬柵極需要具有不同的功函數，因此，當第二填充開口 307用于形成P型晶體管時，第二功函數層308為用于形成P型金屬柵極的功函數層；當第二填充開口 307用于形成N型晶體管時，第二功函數層308為用于形成N型金屬柵極的功函數層。作為示例，第二功函數層308可包含例如氮化鈦、釕、鑰、鋁、氮化鎢、前述的氧化物或者硅化物的衍生物或者前述組合的單一金屬層或復合金屬層，以提高有效功函數(EWF)值。第二功函數層308可以由原子層沉積法(ALD)、物理氣相沉積法(PVD)或其它合適技術形成。當意預在第二填充開口 307內形成P型金屬柵極時，第二功函數層308的厚度可以約為50-100埃；當意預在第二填充開口 307內形成N型金屬柵極時，第二功函數層308的厚度應當小于P型金屬柵極的功函數層的厚度，并經熱處理工藝調整其功函數。此外，還可以分別填充不同的金屬材料來形成N型和P型金屬柵極的功函數層。應當注意的是，第一功函數層305和第二功函數層308應當具有不同的功函數，以分別形成N型和P型金屬柵極的功函數層。在第二功函數層308上還形成有第二犧牲層309。其中，第二犧牲層309填滿了第二填充開口 307的剩余部分。第二犧牲層309可以包含抗清洗劑中的酸性物質或堿性物質腐蝕的材料，例如包含氮化鈦
坐寸ο優選地，第一犧牲層306和第二犧牲層309是由相同的材料形成的，以便于經后續的一步工藝就可以將兩者同時去除。優選地，在形成第二功函數層308之前還包括形成第二柵極介電層(未示出)的工藝。第二柵極介電層的厚度可以為10-30埃，且第一柵極介電層可包含氧化鉿(HfOx)，或者選擇性地包含HfSiOx、HfSiON, HfTaO, HfTiO, HfZrO或前述的組合。執行步驟207，執行化學機械研磨工藝以去除第二填充開口以外的第二功函數層和第二犧牲層。如圖3G所示，執行化學機械研磨工藝，去除第二填充開口 307以外的第二功函數層308和第二犧牲層309。執行步驟208，去除第一犧牲層和第二犧牲層，以分別形成第一凹槽和第二凹槽。如圖3H所示，去除第一犧牲層307和第二犧牲層309，以形成第一凹槽307’和第二凹槽309’。去除第一犧牲層307和第二犧牲層309的方法可以為干法刻蝕或濕法刻蝕。作為示例，使用熱氨水和雙氧水混合溶液去除第一犧牲層307和第二犧牲層309。執行步驟209，在第一凹槽和第二凹槽內形成金屬層。如圖31所示，在圖3H所示的半導體器件上形成金屬材料層310，金屬材料層310填滿第一凹槽307’和第二凹槽309’。如圖3J所示，采用例如化學機械掩膜工藝或刻蝕工藝等去除第一凹槽307’和第二凹槽309’以外的金屬材料層310，以在第一凹槽307’內形成金屬層320，并在第二凹槽309’內形成金屬層330。第一功函數層306和第二功函數層308分別與金屬層320和330形成了金屬柵極。優選地，金屬層的材料為鋁。綜上所示，本發明的方法通過使用犧牲層來避免清洗步驟對金屬柵極的損壞，以避免半導體器件失效。本發明已經通過上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用于舉例和說明的目的，而非意在將本發明限制于所描述的實施例范圍內。此外本領域技術人員可以理解的是，本發明并不局限于上述實施例，根據本發明的教導還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發明所要求保護的范圍以內。本發明的保護范圍由附屬的權利要求書及其等效范圍所界定。
權利要求
1.一種制造半導體器件的方法，包括: a)提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有第一偽柵極、第一填充開口以及包圍所述第一偽柵極和所述第一填充開口的層間介電層； b)在所述第一偽柵極和所述層間介電層上以及所述第一填充開口內依次形成第一功函數層和第一犧牲層； c)執行化學機械研磨工藝以去除所述第一填充開口以外的所述第一功函數層和所述第一犧牲層； d)去除所述第一偽柵極以形成第二填充開口； e)執行第一清洗工藝； f )在所述第二填充開口內以及所述層間介電層、所述第一功函數層和所述第一犧牲層上依次形成第二功函數層和第二犧牲層； g)執行化學機械研磨工藝以去除所述第二填充開口以外的所述第二功函數層和所述第二犧牲層； h)去除所述第一犧牲層和所述第二犧牲層，以分別形成第一凹槽和第二凹槽；以及 i)在所述第一凹槽和所述第二凹槽內形成金屬層。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述a)步驟包括: 在所述半導體襯底上形成第一偽柵極和第二偽柵極，并在所述半導體襯底上形成包圍所述第一偽柵極和所述第二偽柵極的層間介電層； 去除所述第二偽柵極以形成第一填充開口 ；以及 執行第二清洗工藝。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一清洗工藝和所述第二清洗工藝的清洗劑為酸性溶液。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述酸性溶液為HF溶液。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一犧牲層和所述第二犧牲層是由相同的材料形成的。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一犧牲層和所述第二犧牲層包含氮化鈦。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述h)步驟中使用熱氨水和雙氧水混合溶液去除所述第一犧牲層和所述第二犧牲層。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬層的材料為鋁。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一功函數層和所述第二功函數層具有不同的功函數，以分別形成N型和P型金屬柵極的功函數層。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述b)步驟中形成所述第一功函數層之前還包括形成第一柵極介電層的工藝，和/或所述g)步驟中形成所述第二功函數層之前還包括形成第二柵極介電層的工藝。
全文摘要
本發明公開了一種制造半導體器件的方法，包括提供其上形成有第一偽柵極、第一填充開口以及包圍第一偽柵極和第一填充開口的層間介電層的半導體襯底；在第一偽柵極和層間介電層上以及第一填充開口內依次形成第一功函數層和第一犧牲層；執行化學機械研磨工藝；去除第一偽柵極以形成第二填充開口；執行第一清洗工藝；在第二填充開口內以及層間介電層、第一功函數層和第一犧牲層上依次形成第二功函數層和第二犧牲層；執行化學機械研磨工藝；去除第一犧牲層和第二犧牲層，以分別形成第一凹槽和第二凹槽；以及在第一凹槽和第二凹槽內形成金屬層。本發明的方法通過使用犧牲層來避免清洗步驟對金屬柵極的損壞，以避免半導體器件失效。
文檔編號H01L21/8238GK103094211SQ20111033588
公開日2013年5月8日 申請日期2011年10月31日 優先權日2011年10月31日
發明者倪景華, 李鳳蓮 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司