金屬柵極的形成方法
【專利摘要】一種金屬柵極的形成方法，包括:提供半導體襯底，在所述半導體襯底上形成偽柵；在所述半導體襯底表面形成介質層，介質層的表面與偽柵的表面齊平；去除所述偽柵，形成凹槽，在凹槽的底部和側壁形成功能層；在凹槽內的功能層表面形成硅材料層，硅材料層的表面與介質層的表面平齊；在所述介質層和硅材料層表面形成鋁金屬層；在含氟氛圍中對所述半導體襯底進行退火，鋁金屬層中的鋁與硅材料層中的硅發生交換，形成金屬柵極，同時交換的硅與氟元素發生反應形成氟硅化合物。在含氟氛圍中進行退火，氟元素會消耗存在于鋁金屬層中交換出來的硅，從而提高了鋁金屬層中的鋁與硅材料層中的硅交換的速度和效率。
【專利說明】金屬柵極的形成方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體制作領域，特別涉及一種鋁金屬柵極的形成方法。
【背景技術】
[0002]隨著集成電路制造技術的不斷發展，MOS晶體管的特征尺寸也越來越小，為了降低MOS晶體管柵極的寄生電容，提高器件速度，高K柵介電層與金屬柵極的柵極疊層結構被引入到MOS晶體管中。為了避免金屬柵極的金屬材料對晶體管其他結構的影響，所述金屬柵極與高K柵介電層的柵極疊層結構通常采用“后柵(gate last)”工藝制作。
[0003]圖1?圖3為現有采用“后柵(gate last)”工藝制作金屬柵極的剖面結構示意圖。
[0004]參考圖1，提供半導體襯底100，所述半導體襯底100上形成有替代柵結構，所述替代柵結構包括位于半導體襯底100上的柵介質層103和位于柵介質層103上的替代柵102 ；在半導體襯底100上形成覆蓋所述替代柵結構的刻蝕停止層104(CESL,contact etch stoplayer);在刻蝕停止層104表面形成介質層105。
[0005]所述刻蝕停止層104的材料為壓應力氮化娃(Compressive SiN)或拉應力氮化娃(Tensile SiN),當待形成的金屬柵極為NMOS晶體管的金屬柵極時，所述刻蝕停止層104的材料為拉應力的氮化硅；當待形成的金屬柵極為PMOS晶體管的金屬柵極時，所述刻蝕停止層104的材料為壓應力的氮化硅。
[0006]參考圖2，化學機械研磨所述介質層105和刻蝕停止層104，以替代柵102的表面為停止層，使介質層105和刻蝕停止層104的表面與替代柵102表面平齊。
[0007]參考圖3，去除所述替代柵102 (圖2所示)，形成凹槽(圖中未示出)；在所述凹槽內填充滿金屬層(圖中未示出)，化學機械研磨所述金屬層，以介質層105為停止層，形成金屬柵極106。所述金屬層的材料為鋁，填充所述金屬層的工藝為物理氣相沉積工藝。
[0008]但是隨著器件尺寸的不斷減小，上述方法形成的金屬柵極的阻抗會變大，并且容易產生漏電流，填充金屬層時容易產生間隙，影響晶體管的穩定性，為解決上述問題，申請號為US6080646A的美國專利提出一種金屬柵極的形成方法，包括:提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有偽柵；在所述半導體襯底上形成介質層，所述介質層表面與偽柵表面齊平；在偽柵和介質層表面形成鋁金屬層；進行退火，偽柵中的多晶硅與鋁金屬層中的鋁進行交換，形成金屬柵極；去除交互的多晶硅和部分未反應的鋁層。
[0009]但是上述形成鋁金屬柵極的方法，鋁和多晶硅的交互速率和效率較低，并且退火時溫度較高。
【發明內容】
[0010]本發明解決的問題是提供一種金屬柵極的形成方法，提高了金屬柵極的性能。
[0011]為解決上述問題，本發明實施例提供了一種金屬柵極的形成方法，包括:提供半導體襯底，在所述半導體襯底上形成偽柵；在所述半導體襯底表面形成介質層，介質層的表面與偽柵的表面齊平；去除所述偽柵，形成凹槽；在凹槽的底部和側壁形成功能層；在凹槽內的功能層表面形成娃材料層，娃材料層的表面與介質層的表面平齊；在所述介質層和娃材料層表面形成鋁金屬層；在含氟氛圍中對所述半導體襯底進行退火，鋁金屬層中的鋁與硅材料層中的娃發生交換，形成金屬柵極，同時交換的娃與氟兀素發生反應形成氟娃化合物。
[0012]可選的，所述硅材料層的材料為多晶硅或無定形硅。
[0013]可選的，所述退火的溫度為350?600攝氏度，退火時間為30?450分鐘。
[0014]可選的，所述含氟氛圍為退火時通入含氟氣體，所述含氟氣體為HF、SF6, NF3、CF4,C2F6、C3F8中的一種或幾種。
[0015]可選的，所述含氟氛圍為退火時通入含氟等離子體，產生所述含氟等離子體采用的氣體為HF、SF6, NF3> CF4, C2F6, C3F8中的一種或幾種。
[0016]可選的，所述退火時采用的氣體還包括Ar、He和N2。
[0017]可選的，所述偽柵和半導體襯底之間還形成有柵介質層，所述柵介質層為界面層和高K介質層的堆疊結構，界面層位于半導體襯底表面，高K介質層位于界面層表面。
[0018]可選的，所述高K介質層材料為氧化鉿、氧化硅鉿、氮氧化硅鉿、氧化鉿鉭、氧化鉿鈦、氧化鉿鋯中的一種或幾種，所述界面層的材料為氧化硅。
[0019]如權利要求1所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述鋁金屬層的厚度為500 ?5000 埃。
[0020]可選的，所述功能層的材料T1、Ta、TiN、TaN、TiAl、TaC、TaSiN、TiAlN中的一種或幾種。
[0021]本發明實施例還提供了一種金屬柵極的形成方法，包括:提供半導體襯底，所述半導體襯底包括第一區域和第二區域，所述半導體襯底的第一區域上形成有第一偽柵，所述半導體襯底的第二區域上形成有第二偽柵；在所述半導體襯底表面形成介質層，介質層的表面與第一偽柵和第二偽柵的表面齊平；去除所述第一偽柵，形成第一凹槽；在第一凹槽的底部和側壁形成第一功能層；在第一功能層表面形成第一娃材料層，第一娃材料層的表面與介質層的表面平齊；去除所述第二偽柵，形成第二凹槽；在第二凹槽的底部和側壁形成第二功能層；在第二功能層表面形成第二娃材料層，第二娃材料層的表面與介質層的表面平齊；在介質層、第一硅材料層、第二硅材料層表面形成鋁金屬層；在含氟氛圍中對所述半導體襯底進行退火，鋁金屬層中的鋁與第一硅材料層和第二硅材料中的硅發生交換，形成第一金屬柵極和第二金屬柵極，同時交換的娃與氟兀素反應形成氟娃化合物。
[0022]可選的，所述第一硅材料層和第二硅材料層的材料為多晶硅或無定形硅。
[0023]可選的，所述退火的溫度為350?600攝氏度，退火時間為30?450分鐘。
[0024]可選的，所述含氟氛圍為退火時通入含氟氣體，所述含氟氣體為HF、SF6, NF3、CF4,C2F6、C3F8中的一種或幾種。
[0025]可選的，所述含氟氛圍為退火時通入含氟等離子體，產生所述含氟等離子體采用的氣體為HF、SF6, NF3> CF4, C2F6, C3F8中的一種或幾種。
[0026]可選的，所述退火時采用的氣體還包括Ar、He和N2。
[0027]可選的，所述鋁金屬層的厚度為500?5000埃。
[0028]可選的，所述第一偽柵和第二偽柵與半導體襯底之間還形成有第一柵介質層和第二柵介質層，所述第一柵介質層和第二柵介質層為界面層和高K介質層的堆疊結構，界面層位于半導體襯底表面，高K介質層位于界面層表面。[0029]可選的，所述高K介質層材料為氧化鉿、氧化硅鉿、氮氧化硅鉿、氧化鉿鉭、氧化鉿鈦、氧化鉿鋯中的一種或幾種，所述界面層的材料為氧化硅。
[0030]可選的，所述第一功能層的材料T1、Ta、TiN、TaN、TiAl、TaC、TaSiN、TiAlN 中的一種或幾種。
[0031]可選的，所述第二功能層的材料與第一功能層的材料不一樣，所述第二功能層的材料為 T1、Ta、TiN、TaN、TiAl、TaC、TaSiN、TiAlN 中的一種或幾種。
[0032]與現有技術相比，本發明技術方案具有以下優點:
[0033]本發明技術方案提供的金屬柵極的形成方法，去除偽柵后，形成功能層和硅材料層，之后形成鋁金屬層，退火時，鋁金屬層中的鋁與硅材料層中的硅發生交換，直至硅材料層全部被招交換，形成金屬柵極，交換過程中交換出來的娃會存在于娃材料層上方招金屬層中，由于退火過程是在含氟氛圍中進行的，退火時，交換出來的硅會與氟元素發生反應，形成氟硅化合物，從而消耗鋁金屬層中交換出來的硅，并使得硅向鋁金屬層表面的擴散速度加快，減小了交換出來的硅在鋁金屬層中占據的空間，不會阻礙硅材料層上方鋁金屬層中鋁的擴散，有利于鋁金屬層中鋁和硅材料層中的硅交換的進行，提高了交換的速度和效率。
[0034]本發明技術方案提供的金屬柵極形成的集成工藝，去除第一偽柵后，形成第一功能層和第一硅材料層，去除第二偽柵后，形成第二功能層和第二硅材料層，之后形成鋁金屬層，退火時，招金屬層中的招與第一娃材料層和第二娃材料中的娃發生交換，直至第一娃材料層和第二硅材料全部被鋁交換，形成第一金屬柵極和第二金屬柵極，交換過程中交換出來的娃會存在于第一娃材料層和第二娃材料上方招金屬層中，由于退火過程是在含氟氛圍中進行的，退火時，交換出來的硅會與氟元素發生反應，形成氟硅化合物，從而消耗鋁金屬層中交換出來的硅，并使得硅向鋁金屬層表面的擴散速度加快，減小了交換出來的硅在鋁金屬層中占據的空間，不會阻礙第一娃材料層和第二娃材料上方招金屬層中招的擴散，有利于鋁金屬層中鋁和第一硅材料層和第二硅材料中的硅交換的進行，提高了交換的速度和效率。。
[0035]所述含氟氛圍為退火時通入含氟氣體，所述含氟氣體為HF、SF6、NF3、CF4、C2F6、C3F8中的一種或幾種。退火時溫度較高，含氟氣體在高溫下會分解為氟離子(氟元素)，氟離子與交換出來的硅發生反應形成氟硅化合物；且含氟氣體不會腐蝕鋁金屬層，避免鋁金屬層中鋁的消耗，保證鋁金屬層中鋁與第一硅材料層和第二硅材料中硅交換時不會受到影響。
[0036]所述含氟氛圍還可以為退火時通入含氟等離子體，產生所述含氟等離子體采用的氣體為HF、SF6, NF3、CF4, C2F6, C3F8中的一種或幾種，含氟等離子體具有較高的活性，能提高與交換的硅反應的速率，從而使得鋁金屬層中交換的硅被更快的消耗，有利于提高金屬層中鋁和第一硅材料層和第二硅材料中的硅進行交換的速度和效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0037]圖1?圖3為現有金屬柵極形成過程的剖面結構示意圖；
[0038]圖4為本發明第一實施例金屬柵極形成方法的流程示意圖；
[0039]圖5?圖12為本發明第一實施例金屬柵極形成過程的剖面結構示意圖；
[0040]圖13為本發明第二實施例金屬柵極形成方法的流程示意圖；[0041]圖14?圖22為本發明第二實施例金屬柵極形成過程的剖面結構示意圖。
【具體實施方式】
[0042]現有采用多晶硅層和金屬鋁相互交換的方法形成的金屬柵極時，偽柵中的多晶硅與鋁金屬層中鋁交互的速率和效率較低，提高了制作成本，并且退火的溫度較高(大于500攝氏度)，影響了晶體管的性能。
[0043]為此，發明人提出一種金屬柵極的形成方法，去除偽柵后，形成功能層和硅材料層，之后形成鋁金屬層，退火時，鋁金屬層中的鋁與硅材料層中的硅發生交換，直至硅材料層全部被招交換，形成金屬柵極，交換過程中交換出來的娃會存在于娃材料層上方招金屬層中，由于退火過程是在含氟氛圍中進行的，退火時，交換出來的硅會與氟元素發生反應，形成氟硅化合物，從而消耗鋁金屬層中交換出來的硅，并使得硅向鋁金屬層表面的擴散速度加快，減小了交換出來的硅在鋁金屬層中占據的空間，不會阻礙硅材料層上方鋁金屬層中鋁的擴散，有利于鋁金屬層中鋁和硅材料層中的硅交換的進行，提高了交換的速度和效率。
[0044]為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】做詳細的說明。在詳述本發明實施例時，為便于說明，示意圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應限制本發明的保護范圍。此外，在實際制作中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。
[0045]第一實施例
[0046]參考圖4，圖4為本發明第一實施例金屬柵極形成方法的流程示意圖，包括步驟:
[0047]步驟S21，提供半導體襯底，在所述半導體襯底上形成偽柵，所述半導體襯底和偽柵之間形成有柵介質層，所述柵介質層為界面層和高K介質層的堆疊結構；
[0048]步驟S22，在所述半導體襯底表面形成介質層，介質層的表面與偽柵的表面齊平；
[0049]步驟S23，去除所述偽柵，形成凹槽，在凹槽的底部和側壁形成功能層；
[0050]步驟S24,在凹槽內的功能層表面形成娃材料層,娃材料層的表面與介質層的表面平齊；
[0051]步驟S25，在所述介質層和硅材料層表面形成鋁金屬層；
[0052]步驟S26，在含氟氛圍中對所述半導體襯底進行退火，鋁金屬層中的鋁與硅材料層中的硅發生交換，形成金屬柵極，同時交換的硅與氟元素發生反應形成氟硅化合物。
[0053]圖5?圖12為本發明第一實施例金屬柵極形成過程的剖面結構示意圖。
[0054]參考圖5，提供半導體襯底200，在所述半導體襯底200上形成偽柵202，所述半導體襯底200和偽柵202之間形成有柵介質層201，所述柵介質層201為界面層和高K介質層的堆疊結構。
[0055]所述半導體襯底200為硅襯底、鍺襯底、氮化硅襯底或者絕緣體上硅襯底等。本領域的技術人員可以根據半導體襯底200上形成的半導體器件選擇所述半導體襯底200的類型，因此所述半導體襯底的類型不應限制本發明的保護范圍。
[0056]所述偽柵202和柵介質層201的形成過程為:在所述半導體襯底200表面形成界面材料層，在界面材料層表面形成高K材料層，在高K材料層表面形成多晶硅材料層；依次刻蝕所述多晶硅材料層、高K材料層、界面材料層，形成偽柵202和柵介質層201，所述柵介質層201為界面層和高K介質層的堆疊結構，所述界面層可以避免高K介質層與半導體襯底直接接觸可能會因為兩者晶格不匹配造成的缺陷。
[0057]所述高K介質層材料為氧化鉿、氧化硅鉿、氮氧化硅鉿、氧化鉿鉭、氧化鉿鈦、氧化鉿鋯中的一種或幾種，所述界面層的材料為氧化硅。
[0058]在本發明的其他實施例中，所述高K介質層可以在去除偽柵202，形成凹槽之后，通過物理氣相沉積工藝形成在凹槽的側壁和底部，避免除去偽柵的工藝對高K柵介質層造成損傷，影響最終形成的金屬柵極的電學性能。
[0059]在形成偽柵202和柵介質層201后，還包括:在偽柵202和柵介質層201兩側的半導體襯底200內形成源/漏區(圖中未示出)。在具體的實施例中，當形成晶體管為PMOS晶體管時，所述源/漏區可以為硅鍺源/漏區，當形成晶體管為NMOS晶體管時，所述源/漏區可以為碳化硅源/漏區，以提高載流子的遷移率。硅鍺源/漏區或碳化硅源/漏區的形成過程為:以所述偽柵和柵介質層為掩膜，刻蝕所述偽柵和柵介質層兩側的半導體襯底，形成第三凹槽，所述第三凹槽的剖面形狀為sigma形狀；在第三凹槽內填充滿硅鍺材料或碳化硅材料，形成硅鍺源/漏區或碳化硅源/漏區。
[0060]參考圖6，在半導體襯底200上形成介質層204，介質層204的表面與偽柵202的
表面齊平。
[0061]在形成介質層204之前，還包括:在偽柵202和柵介質層201的側壁以及半導體襯底200表面形成阻擋層203。
[0062]所述介質層204和阻擋層203形成的具體過程為:在所述半導體襯底表面形成阻擋材料層，所述阻擋材料層覆蓋所述偽柵202表面；在阻擋材料層表面形成介質材料層；化學機械研磨所述介質材料層和阻擋材料層，以偽柵202表面為停止層，形成介質層204和阻擋層203。
[0063]所述阻擋層203有益于防止化學機械研磨時，對偽柵202的過研磨，所述阻擋層203的材料氮化硅，所述氮化硅可以為壓應力氮化硅、拉應力氮化硅或非應力的氮化硅。當形成的晶體管為PMOS晶體管時，所述氮化硅可以為壓應力氮化硅，當形成的晶體管為NMOS晶體管時，所述氮化硅可以為拉應力氮化硅，以提高溝道區載流子的遷移率，提高晶體管的性能。
[0064]所述介質層204的材料為氧化硅或超低K材料。
[0065]參考圖7，去除所述偽柵202 (參考圖6)，形成凹槽205。
[0066]去除所述偽柵202的工藝為濕法刻蝕工藝或干法刻蝕工藝，在去除所述偽柵202之前，在介質層204上形成掩膜層，所述掩膜層具有暴露偽柵202表面的開口。
[0067]所述濕法刻蝕采用的溶液為四甲基氫氧化銨溶液或氫氧化鉀溶液。
[0068]所述干法刻蝕采用的氣體為溴化氫或氯氣。
[0069]參考圖8和圖9，在所述介質層204表面、柵介質層201表面和凹槽205 (參考圖7)的側壁形成功能層薄膜206a ;在功能層薄膜206a表面形成硅材料層薄膜207a，硅材料層薄膜207a填充滿凹槽；化學機械研磨所述硅材料層薄膜207a和功能層薄膜206a，以介質層204表面為停止層，形成功能層206和硅材料層207。
[0070]所述功能層206用于調節晶體管的功函數，所述功能層206的材料為T1、Ta、TiN、TaN、TiAl、TaC、TaSiN、TiAlN中的一種或幾種。本實施例中所述功能層的材料為TiN。[0071]形成所述功能層206的工藝為物理氣相沉積工藝或原子層沉積工藝(AtomicLayer Deposition, ALD)。
[0072]在形成所述功能層206之前，在所述柵介質層201表面和凹槽205的側壁還可以形成擴散阻擋層(未圖示)，以防止后續形成的金屬擴散到所述介質層204、柵介質層201中。所述擴散阻擋層的材料為T1、Ta、TiN、TaN的單層或多層堆疊結構。在其他實施例中，也可以不形成所述擴散阻擋層，將功能層作為擴散阻擋層，減少了工藝步驟，且仍能阻擋金屬的擴散。
[0073]所述硅材料層207的材料為多晶硅或無定形硅，所述硅材料層207中的硅與后續形成鋁金屬層中的鋁交換形成金屬柵極，所述硅材料層207的形成工藝為物理氣相沉積工藝(PVD)或低功率化學氣相沉積工藝(CVD)。采用低功率的化學氣相沉積工藝時，所述功率小于200瓦，防止形成硅材料層207時，等離子體對柵介質層的損傷。
[0074]參考圖10，在所述介質層204和硅材料層207表面形成鋁金屬層208。
[0075]所述鋁金屬層208的形成工藝為物理氣相沉積，所述鋁金屬層208中鋁后續與硅材料層207中的硅發生交換，硅材料層207整個被鋁交換形成金屬柵極。
[0076]所述鋁金屬層208的厚度為500?5000埃，以提供足夠的鋁源，并使交換的硅容易向鋁金屬層208的表面移動，使得交換的硅在含氟氛圍的退火過程中與氟元素發生反應形成氟硅化合物，從而消耗鋁金屬層208中交換出的硅，減小了交換的硅在鋁金屬層208中占據的空間，不會阻礙硅材料層207上方鋁的擴散，有利于鋁和硅交換的進行，提高了交換的速度和效率，并且減小了退火的時間。
[0077]參考圖11，在含氟氛圍中對所述半導體襯底300進行退火，鋁金屬層208中的鋁與娃材料層207 (參考圖10)中的娃發生交換,形成金屬柵極210,同時交換的娃與氟兀素發生反應形成氟硅化合物。
[0078]退火時，鋁金屬層208中的鋁與硅材料層207中的硅發生交換，直至硅材料層207全部被鋁交換，形成金屬柵極210，交換過程中交換出來的硅會存在于硅材料層207上方鋁金屬層208中，由于退火過程是在含氟氛圍中進行的，退火時，交換出來的硅會與氟元素發生反應，形成氟硅化合物，氟硅化合物以氣體的方式排出退火腔室，由于鋁金屬層208中替換出來的硅被消耗，從而在鋁金屬層208形成凹槽212，并使得硅向鋁金屬層208表面的擴散速度加快，減小了交換出來的硅在鋁金屬層208中占據的空間，不會阻礙硅材料層207上方鋁金屬層208中鋁的擴散，有利于鋁金屬層208中鋁和硅材料層207中的硅交換的進行，提高了交換的速度和效率。
[0079]所述退火的溫度為400?600攝氏度，退火時間為30?450分鐘。
[0080]所述含氟氛圍為退火時通入含氟氣體，所述含氟氣體為HF、SF6、NF3、CF4、C2F6、C3F8中的一種或幾種。退火時溫度較高，含氟氣體在高溫下會分解為氟離子(氟元素)，氟離子與交換出來的硅發生反應形成氟硅化合物；且含氟氣體不會腐蝕鋁金屬層208，避免鋁金屬層208中鋁的消耗，保證鋁金屬層208中鋁與硅材料層207中硅交換時不會受到影響。較佳的，所述含氟氣體為NF3和C3F8的混合物，氣體較容易分解，且分解后的氟離子的濃度較高，有利于氟離子與交換出來的硅反應，形成氟硅化合物。
[0081]所述含氟氛圍還可以為退火時通入含氟等離子體，產生所述含氟等離子體采用的氣體為HF、SF6, NF3、CF4, C2F6, C3F8中的一種或幾種，含氟等離子體具有較高的活性，能提高與交換的硅反應的速率，從而使得鋁金屬層208中交換的硅被更快的消耗,有利于提高金屬層208中鋁和硅材料層207中的硅進行交換的速度和效率。
[0082]所述退火時采用的氣體還包括Ar、He和N2。
[0083]參考圖12，化學機械研磨所述鋁金屬層208 (參考圖11)，直至暴露金屬柵極210表面。
[0084]由于鋁金屬層208中不存在交換出來的硅或只存在少量交換出來的硅，使得化學機械研磨容易控制，避免對金屬柵極210和介質層204造成過研磨。
[0085]第二實施例
[0086]參考圖13，圖13為本發明第二實施例金屬柵極形成方法的流程示意圖，包括步驟:
[0087]步驟S31，提供半導體襯底，所述半導體襯底包括第一區域和第二區域，所述半導體襯底的第一區域上形成有第一偽柵，所述半導體襯底的第二區域上形成有第二偽柵；
[0088]步驟S32，在所述半導體襯底表面形成介質層，介質層的表面與第一偽柵和第二偽柵的表面齊平；
[0089]步驟S33，去除所述第一偽柵，形成第一凹槽，在第一凹槽的底部和側壁形成第一功能層；
[0090]步驟S34,在第一功能層表面形成第一娃材料層,第一娃材料層的表面與介質層的表面平齊；
[0091]步驟S35，去除所述第二偽柵，形成第二凹槽，在第二凹槽的底部和側壁形成第二功能層；
[0092]步驟S36，在第二功能層表面形成第二硅材料層，第二硅材料層的表面與介質層的表面平齊；
[0093]步驟S37，在介質層、第一硅材料層、第二硅材料層表面形成鋁金屬層；
[0094]步驟S38，在含氟氛圍中對所述半導體襯底進行退火，鋁金屬層中的鋁與第一硅材料層和第二娃材料中的娃發生交換，形成第一金屬柵極和第二金屬柵極，同時交換的娃與氟元素反應形成氟硅化合物。
[0095]圖14?圖22為本發明第二實施例金屬柵極形成過程的剖面結構示意圖。
[0096]參考圖14，提供半導體襯底300，所述半導體襯底300包括第一區域I和第二區域II，第一區域I可以與第二區域II相鄰也可以不相鄰，所述半導體襯底300的第一區域I上形成有第一偽柵312，所述半導體襯底300的第二區域II上形成有第二偽柵322。
[0097]所述半導體襯底300為硅襯底、鍺襯底、氮化硅襯底或者絕緣體上硅襯底等。本領域的技術人員可以根據半導體襯底300上形成的半導體器件選擇所述半導體襯底300的類型，因此所述半導體襯底的類型不應限制本發明的保護范圍。
[0098]所述半導體襯底300的第一區域I用于形成第一晶體管，后續去除第一偽柵311后形成第一晶體管的第一金屬柵極，所述半導體襯底300的第二區域II用于形成第二晶體管，后續去除第二偽柵322后形成第二晶體管的第二金屬柵極。所述第一晶體管和第二晶體管的類型不相同，本實施例中所述第一晶體管為NMOS晶體管，第二晶體管為PMOS晶體管，在本發明的其他實施例中，所述第一晶體管為PMOS晶體管，第二晶體管為NMOS晶體管。
[0099]所述第一偽柵312和半導體襯底300之間還形成有第一柵介質層311，所述第二偽柵322和半導體襯底300之間還形成有第二柵介質層321，所述第一柵介質層311和第二柵介質層321均為界面層和高K介質層的堆疊結構，所述界面層可以避免高K介質層與半導體襯底直接接觸可能會因為兩者晶格不匹配造成的缺陷。
[0100]所述高K介質層材料為氧化鉿、氧化硅鉿、氮氧化硅鉿、氧化鉿鉭、氧化鉿鈦、氧化鉿鋯中的一種或幾種，所述界面層的材料為氧化硅。
[0101]所述第一偽柵312、第一柵介質層311、第二偽柵322和第二柵介質層321的形成過程為:在所述半導體襯底300表面形成界面材料層，在界面材料層表面形成高K材料層，在高K材料層表面形成多晶硅材料層；依次刻蝕所述多晶硅材料層、高K材料層、界面材料層，在半導體襯底300的第一區域I形成第一柵介質層311和位于第一柵介質層311表面的第一偽柵312，在半導體襯底300的第二區域II形成第二柵介質層321和位于第二柵介質層321表面的第二偽柵322。
[0102]在本發明的其他實施例中，所述第一區域的高K介質層可以在去除第一偽柵，形成第一凹槽之后，通過物理氣相沉積工藝形成在第一凹槽的側壁和底部，所述第二區域的高K介質層可以在去除第二偽柵，形成第二凹槽之后，通過物理氣相沉積工藝形成在第二凹槽的側壁和底部，避免除去第一偽柵和第二偽柵的工藝對高K柵介質層造成損傷，影響最終形成的金屬柵極的電學性能。
[0103]在形成第一偽柵312和第一柵介質層311后，還包括:在第一偽柵312和第一柵介質層311兩側的第一區域I的半導體襯底300內形成源/漏區(圖中未示出)。在具體的實施例中，所述源/漏區可以為碳化硅源/漏區，以提高NMOS晶體管溝道區載流子的遷移率。碳化硅源/漏區的形成過程為:在半導體襯底上形成第一掩膜層，所述第一掩膜層暴露第一區域的半導體襯底；以所述第一偽柵和第一柵介質層為掩膜，刻蝕所述第一偽柵和第一柵介質層兩側的第一區域的半導體襯底，形成第四凹槽，所述第四凹槽的剖面形狀為sigma形狀；在第四凹槽內填充滿碳化硅材料，形成碳化硅源/漏區。
[0104]在形成第二偽柵322和第二柵介質層321后，還包括:在第二偽柵322和第二柵介質層321兩側的第二區域II的半導體襯底300內形成源/漏區(圖中未示出)。在具體的實施例中，所述源/漏區可以為硅鍺源/漏區，以提高PMOS晶體管溝道區載流子的遷移率。硅鍺源/漏區的形成過程為:在半導體襯底上形成第二掩膜層，所述第二掩膜層暴露第二區域的半導體襯底；以所述第二偽柵和第二柵介質層為掩膜，刻蝕所述第二偽柵和第二柵介質層兩側的第二區域的半導體襯底，形成第五凹槽，所述第無凹槽的剖面形狀為sigma形狀；在第五凹槽內填充滿碳化硅材料，形成硅鍺源/漏區。
[0105]參考圖15,在半導體襯底300上形成介質層302,介質層302的表面與第一偽柵312和第二偽柵322的表面齊平。
[0106]在形成介質層302之前，還包括:在第一偽柵312和第一柵介質層311的側壁、第二偽柵322和第二柵介質層321的側壁、以及半導體襯底300表面形成阻擋層301。
[0107]所述介質層302和阻擋層301形成的具體過程為:在所述半導體襯底表面形成阻擋材料層，所述阻擋材料層覆蓋所述第一偽柵312和第二偽柵322表面；在阻擋材料層表面形成介質材料層；化學機械研磨所述介質材料層和阻擋材料層，以第一偽柵312和第二偽柵322表面為停止層，形成介質層302和阻擋層301。
[0108]所述阻擋層301有益于防止化學機械研磨時，對第一偽柵312和第二偽柵322的過研磨，所述阻擋層301的材料氮化硅，所述介質層204的材料為氧化硅或超低K材料。
[0109]參考圖16和圖17，去除所述第一偽柵312 (參考圖15)，形成第一凹槽；在所述介質層302表面、第一凹槽的底部和側壁形成第一功能層薄膜314a ;在第一功能層薄膜314a表面形成第一娃材料層薄膜315a,所述第一娃材料層薄膜315a填充滿第一凹槽；化學機械研磨所述第一硅材料層薄膜315a和第一功能層薄膜314a，以介質層表面為停止層，形成第一功能層314和第一娃材料層315。
[0110]去除所述第一偽柵312的工藝為濕法刻蝕工藝或干法刻蝕工藝，在去除所述第一偽柵312之前，在介質層302和第二偽柵322的表面形成掩膜層，所述掩膜層暴露出第一偽柵312的表面。
[0111]所述濕法刻蝕采用的溶液為四甲基氫氧化銨溶液或氫氧化鉀溶液。
[0112]所述干法刻蝕采用的氣體為溴化氫或氯氣。
[0113]所述第一功能層314用于調節NMOS晶體管的功函數，所述第一功能層314的材料為T1、Ta、TiN、TaN、TiAl、TaC、TaSiN、TiAlN中的一種或幾種。本實施例中所述第一功能層314的材料為TiN。
[0114]形成所述第一功能層314的工藝為物理氣相沉積工藝或原子層沉積工藝(AtomicLayer Deposition, ALD)。
[0115]在形成所述第一功能層314之前，在所述第一柵介質層311表面和第一凹槽的側壁形成第一擴散阻擋層(未圖示)，以防止后續形成的金屬擴散到所述介質層302、第一柵介質層311中。所述第一擴散阻擋層的材料為T1、Ta、TiN、TaN的單層或多層堆疊結構。在其他實施例中，也可以不形成所述第一擴散阻擋層，將第一功能層作為擴散阻擋層，減少了工藝步驟，且仍能阻擋金屬的擴散。
[0116]所述第一娃材料層315的材料為多晶娃或無定形娃,所述第一娃材料層315中的硅與后續形成鋁金屬層中的鋁交換，形成第一金屬柵極，所述第一硅材料層315的形成工藝為物理氣相沉積工藝(PVD)或低功率化學氣相沉積工藝(CVD)。
[0117]參考圖18和圖19，去除所述第二偽柵322 (參考圖15)，形成第二凹槽，在所述介質層302表面、第二凹槽的底部和側壁形成第二功能層薄膜324a ;在所述第二功能層薄膜324a表面形成第二硅材料層薄膜325a，所述第二硅材料層薄膜325a填充滿第二凹槽；化學機械研磨所述第二硅材料層薄膜325a和第二功能層薄膜324a，以介質層302表面為停止層，形成第二功能層324和第二硅材料層325。
[0118]去除所述第二偽柵322的工藝為濕法刻蝕工藝或干法刻蝕工藝，在去除所述第二偽柵322之前，在介質層302和第一偽柵312的表面形成掩膜層，所述掩膜層暴露出第二偽柵322的表面。
[0119]所述濕法刻蝕采用的溶液為四甲基氫氧化銨溶液或氫氧化鉀溶液。
[0120]所述干法刻蝕采用的氣體為溴化氫或氯氣。
[0121]所述第二功能層324材料與第一功能層314材料不相同，所述第二功能層324用于調節PMOS晶體管的功函數，所述第二功能層324的材料為T1、Ta、TiN、TaN、TiAl、TaC、TaSiN、TiAlN中的一種或幾種。本實施例中所述第二功能層324的材料為TiN。
[0122]形成所述第二功能層324的工藝為物理氣相沉積工藝或原子層沉積工藝(AtomicLayer Deposition, ALD)。[0123]在形成所述第二功能層324之前，在所述第二柵介質層321表面和第二凹槽的側壁形成第二擴散阻擋層(未圖示)，以防止后續形成的金屬擴散到所述介質層302、第二柵介質層321中。所述第二擴散阻擋層的材料為T1、Ta、TiN、TaN的單層或多層堆疊結構。在其他實施例中，也可以不形成所述第二擴散阻擋層，將第二功能層作為擴散阻擋層，減少了工藝步驟，且仍能阻擋金屬的擴散。
[0124]所述第二硅材料層325的材料為多晶硅或無定形硅，所述第二硅材料層325中的硅與后續形成鋁金屬層中的鋁交換形成第二金屬柵極，所述第二硅材料層325的形成工藝為物理氣相沉積工藝(PVD)或低功率化學氣相沉積工藝(CVD)。
[0125]參考圖20,在所述介質層302、第一娃材料層315、第二娃材料層325表面形成招金屬層303。
[0126]所述鋁金屬層303的形成工藝為物理氣相沉積，所述鋁金屬層303中的鋁后續與第一娃材料層315和第二娃材料層325中的娃發生交換,第一娃材料層315和第二娃材料層325整個被鋁交換形成第一金屬柵極和第二金屬柵極。
[0127]所述鋁金屬層303的厚度為500?5000埃，以提供足夠的鋁源，并使交換的硅容易向鋁金屬層303的表面移動，使得交換的硅與硅捕獲金屬層304中的金屬發生反應形成氟硅化合物，從而消耗鋁金屬層303中交換出的硅，減小了交換的硅在鋁金屬層303中占據的空間，不會阻礙第一娃材料層315和第二娃材料層325上方招的擴散,有利于招和娃交換的進行，提高了交換的速度和效率，并且減小了退火的時間。
[0128]參考圖21，在含氟氛圍中對所述半導體襯底300進行退火，鋁金屬層303中的鋁與第一娃材料層315和第二娃材料325中的娃發生交換,形成第一金屬柵極316和第二金屬柵極326，同時交換的硅與氟元素反應形成氟硅化合物。
[0129]退火時,招金屬層303中的招與第一娃材料層315和第二娃材料325中的娃發生交換，直至第一娃材料層315和第二娃材料325全部被招交換,形成第一金屬柵極316和第二金屬柵極326,交換過程中交換出來的娃會存在于第一娃材料層315和第二娃材料325上方鋁金屬層303中，由于退火過程是在含氟氛圍中進行的，退火時，交換出來的硅會與氟元素發生反應，形成氟娃化合物，氟娃化合物以氣體的方式排出退火腔室，由于招金屬層303中交換出來的硅被消耗，從而在鋁金屬層303形成凹槽307，并使得硅向鋁金屬層303表面的擴散速度加快，減小了交換出來的硅在鋁金屬層303中占據的空間，不會阻礙第一硅材料層315和第二硅材料325上方鋁金屬層303中鋁的擴散，有利于鋁金屬層303中鋁和第一硅材料層315和第二硅材料325中的硅交換的進行，提高了交換的速度和效率。
[0130]所述退火的溫度為400?600攝氏度，退火時間為30?450分鐘。
[0131]所述含氟氛圍為退火時通入含氟氣體，所述含氟氣體為HF、SF6、NF3、CF4、C2F6、C3F8中的一種或幾種。退火時溫度較高，含氟氣體在高溫下會分解為氟離子(氟元素)，氟離子與交換出來的硅發生反應形成氟硅化合物；且含氟氣體不會腐蝕鋁金屬層303，避免鋁金屬層303中鋁的消耗，保證鋁金屬層303中鋁與第一硅材料層315和第二硅材料325中硅交換時不會受到影響。較佳的，所述含氟氣體為NF3和C3F8的混合物，氣體較容易分解，且分解后的氟離子的濃度較高，有利于氟離子與交換出來的硅反應，形成氟硅化合物。
[0132]所述含氟氛圍還可以為退火時通入含氟等離子體，產生所述含氟等離子體采用的氣體為HF、SF6, NF3、CF4, C2F6, C3F8中的一種或幾種，含氟等離子體具有較高的活性，能提高與交換的硅反應的速率，從而使得鋁金屬層303中交換的硅被更快的消耗，有利于提高金屬層303中鋁和第一硅材料層315和第二硅材料325中的硅進行交換的速度和效率。
[0133]所述退火時采用的氣體還包括Ar、He和N2，作為反應氣體和等離子體的載氣。
[0134]參考圖22，化學機械研磨所述鋁金屬層303 (參考圖21 )，直至暴露第一金屬柵極316和第二金屬柵極326表面。
[0135]由于鋁金屬層208中不存在交換出來的硅或只存在少量交換出來的硅，使得化學機械研磨容易控制，避免對金屬柵極210和介質層204造成過研磨。
[0136]綜上，本發明技術方案提供的金屬柵極的形成方法，去除偽柵后，形成功能層和硅材料層，之后形成鋁金屬層，退火時，鋁金屬層中的鋁與硅材料層中的硅發生交換，直至硅材料層全部被招交換，形成金屬柵極，交換過程中交換出來的娃會存在于娃材料層上方招金屬層中，由于退火過程是在含氟氛圍中進行的，退火時，交換出來的硅會與氟元素發生反應，形成氟硅化合物，從而消耗鋁金屬層中交換出來的硅，并使得硅向鋁金屬層表面的擴散速度加快，減小了交換出來的硅在鋁金屬層中占據的空間，不會阻礙硅材料層上方鋁金屬層中鋁的擴散，有利于鋁金屬層中鋁和硅材料層中的硅交換的進行，提高了交換的速度和效率。
[0137]本發明技術方案提供的金屬柵極形成的集成工藝，去除第一偽柵后，形成第一功能層和第一硅材料層，去除第二偽柵后，形成第二功能層和第二硅材料層，之后形成鋁金屬層，退火時，招金屬層中的招與第一娃材料層和第二娃材料中的娃發生交換，直至第一娃材料層和第二硅材料全部被鋁交換，形成第一金屬柵極和第二金屬柵極，交換過程中交換出來的娃會存在于第一娃材料層和第二娃材料上方招金屬層中，由于退火過程是在含氟氛圍中進行的，退火時，交換出來的硅會與氟元素發生反應，形成氟硅化合物，從而消耗鋁金屬層中交換出來的硅，并使得硅向鋁金屬層表面的擴散速度加快，減小了交換出來的硅在鋁金屬層中占據的空間，不會阻礙第一娃材料層和第二娃材料上方招金屬層中招的擴散，有利于鋁金屬層中鋁和第一硅材料層和第二硅材料中的硅交換的進行，提高了交換的速度和效率。
[0138]所述含氟氛圍為退火時通入含氟氣體，所述含氟氣體為HF、SF6、NF3、CF4、C2F6、C3F8中的一種或幾種。退火時溫度較高，含氟氣體在高溫下會分解為氟離子(氟元素)，氟離子與交換出來的硅發生反應形成氟硅化合物；且含氟氣體不會腐蝕鋁金屬層，避免鋁金屬層中鋁的消耗，保證鋁金屬層中鋁與第一硅材料層和第二硅材料中硅交換時不會受到影響。
[0139]所述含氟氛圍還可以為退火時通入含氟等離子體，產生所述含氟等離子體采用的氣體為HF、SF6, NF3、CF4, C2F6, C3F8中的一種或幾種，含氟等離子體具有較高的活性，能提高與交換的硅反應的速率，從而使得鋁金屬層中交換的硅被更快的消耗，有利于提高金屬層中鋁和第一硅材料層和第二硅材料中的硅進行交換的速度和效率。
[0140]本發明雖然已以較佳實施例公開如上，但其并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范圍內，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，均屬于本發明技術方案的保護范圍。
【權利要求】
1.一種金屬柵極的形成方法，其特征在于，包括: 提供半導體襯底，在所述半導體襯底上形成偽柵； 在所述半導體襯底表面形成介質層，介質層的表面與偽柵的表面齊平； 去除所述偽柵，形成凹槽； 在凹槽的底部和側壁形成功能層； 在凹槽內的功能層表面形成娃材料層，娃材料層的表面與介質層的表面平齊； 在所述介質層和硅材料層表面形成鋁金屬層； 在含氟氛圍中對所述半導體襯底進行退火，鋁金屬層中的鋁與硅材料層中的硅發生交換，形成金屬柵極，同時交換的硅與氟元素發生反應形成氟硅化合物。
2.如權利要求1所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述硅材料層的材料為多晶娃或無定形娃。
3.如權利要求1所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述退火的溫度為350~600攝氏度，退火時間為30~450分鐘。
4.如權利要求3所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述含氟氛圍為退火時通入含氟氣體，所述含氟氣體為HF、SF6, NF3、CF4, C2F6, C3F8中的一種或幾種。
5.如權利要求3所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述含氟氛圍為退火時通入含氟等離子體，產生所述含氟等離子體采用的氣體為hf、sf6、nf3、cf4、c2f6、c3f8中的一種或幾種。
6.如權利要求4或5所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述退火時采用的氣體還包括Ar、He和N2。
7.如權利要求1所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述偽柵和半導體襯底之間還形成有柵介質層，所述柵介質層為界面層和高K介質層的堆疊結構，界面層位于半導體襯底表面，高K介質層位于界面層表面。
8.如權利要求7所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述高K介質層材料為氧化鉿、氧化硅鉿、氮氧化硅鉿、氧化鉿鉭、氧化鉿鈦、氧化鉿鋯中的一種或幾種，所述界面層的材料為氧化硅。
9.如權利要求1所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述鋁金屬層的厚度為500 ~5000 埃。
10.如權利要求1所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述功能層的材料T1、Ta、TiN、TaN、TiAl、TaC, TaSiN、TiAlN 中的一種或幾種。
11.一種金屬柵極的形成方法，其特征在于，包括: 提供半導體襯底，所述半導體襯底包括第一區域和第二區域，所述半導體襯底的第一區域上形成有第一偽柵，所述半導體襯底的第二區域上形成有第二偽柵； 在所述半導體襯底表面形成介質層，介質層的表面與第一偽柵和第二偽柵的表面齊平； 去除所述第一偽柵，形成第一凹槽； 在第一凹槽的底部 和側壁形成第一功能層； 在第一功能層表面形成第一娃材料層，第一娃材料層的表面與介質層的表面平齊； 去除所述第二偽柵，形成第二凹槽；在第二凹槽的底部和側壁形成第二功能層； 在第二功能層表面形成第二硅材料層，第二硅材料層的表面與介質層的表面平齊； 在介質層、第一娃材料層、第二娃材料層表面形成招金屬層； 在含氟氛圍中對所述半導體襯底進行退火，鋁金屬層中的鋁與第一硅材料層和第二硅材料中的娃發生交換，形成第一金屬柵極和第二金屬柵極，同時交換的娃與氟兀素反應形成氟硅化合物。
12.如權利要求11所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述第一硅材料層和第二硅材料層的材料為多晶硅或無定形硅。
13.如權利要求如權利要求11所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述退火的溫度為350~600攝氏度，退火時間為30~450分鐘。
14.如權利要求13所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述含氟氛圍為退火時通入含氟氣體，所述含氟氣體為HF、SF6, NF3、CF4, C2F6, C3F8中的一種或幾種。
15.如權利要求13所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述含氟氛圍為退火時通入含氟等離子體，產生所述含氟等離子體采用的氣體為HF、SF6、NF3、CF4、C2F6、C3F8中的一種或幾種。
16.如權利要求14或15所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述退火時采用的氣體還包括Ar、He和N2。
17.如權利要求11所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述鋁金屬層的厚度為500 ~5000 埃。
18.如權利要求11所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述第一偽柵和第二偽柵與半導體襯底之間還形成有第一柵介質層和第二柵介質層，所述第一柵介質層和第二柵介質層為界面層和高K介質層的堆疊結構，界面層位于半導體襯底表面，高K介質層位于界面層表面。
19.如權利要求18所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述高K介質層材料為氧化鉿、氧化硅鉿、氮氧化硅鉿、氧化鉿鉭、氧化鉿鈦、氧化鉿鋯中的一種或幾種，所述界面層的材料為氧化硅。
20.如權利要求11所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述第一功能層的材料T1、Ta、TiN、TaN、TiAl、TaC, TaSiN、TiAlN 中的一種或幾種。
21.如權利要求11所述的金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述第二功能層的材料與第一功能層的材料不一樣，所述第二功能層的材料為T1、Ta、TiN、TaN、TiAl、TaC, TaSiN、TiAlN中的一種或幾種。
【文檔編號】H01L21/28GK103545180SQ201210238599
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年7月10日 優先權日:2012年7月10日
【發明者】洪中山 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司