CN101593686B

CN101593686B - 金属栅极形成方法

Info

Publication number: CN101593686B
Application number: CN2008101139919A
Authority: CN
Inventors: 郑春生; 杨瑞鹏
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2028-05-30
Also published as: CN101593686A

Abstract

一种金属栅极形成方法，包括：在基底上形成栅介质层；在所述栅介质层上形成图形化的非晶碳层；形成环绕所述图形化的非晶碳层的侧墙；形成覆盖所述图形化的非晶碳层及侧墙的层间介质层；平坦化所述层间介质层并暴露所述图形化的非晶碳层；采用氧气灰化工艺去除所述图形化的非晶碳层，在所述层间介质层内形成沟槽；形成填充所述沟槽且覆盖所述层间介质层的金属层。本发明还提供了一种金属栅极形成方法。均可减少承载所述金属栅极的基底表面损伤。

Description

金属栅极形成方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种金属栅极形成方法。

背景技术

随着工艺节点缩至45纳米及其以下，为满足器件尺寸缩小而引发的新要求，金属栅极被广泛应用。

如2008年1月23日公告的公告号为“CN 100364058C”的中国专利中所涉及的，通常，形成金属栅极的步骤包括，步骤101：如图1所示，在基底10上形成栅介质层20；步骤102：如图2所示，在所述栅介质层20上形成图形化的多晶硅层30；步骤103：如图3所示，形成环绕所述图形化的多晶硅层30的侧墙32；步骤104：如图4所示，形成覆盖所述图形化的多晶硅层30及侧墙32的层间介质层40；步骤105：如5所示，平坦化所述层间介质层40并暴露所述图形化的多晶硅层30；步骤106：如图6所示，去除所述图形化的多晶硅层，在所述层间介质层内形成沟槽50；如图7所示，形成填充所述沟槽50且覆盖所述层间介质层40的金属层60。

实践中，去除所述图形化的多晶硅层时，通常采用干法刻蚀工艺，导致即使在所述多晶硅层和基底之间夹有栅介质层，由于所述栅介质层较薄，且难以控制所述多晶硅层、栅介质层和基底之间的刻蚀选择比，所述干法刻蚀工艺中涉及的等离子体在去除所述图形化的多晶硅层的过程中，造成承载所述金属栅极的基底表面损伤。如何减少所述基底表面损伤成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种金属栅极形成方法，可减少承载所述金属栅极的基底表面损伤。

本发明提供的一种金属栅极形成方法，包括：

在基底上形成栅介质层；

在所述栅介质层上形成图形化的非晶碳层；

形成环绕所述图形化的非晶碳层的侧墙；

形成覆盖所述图形化的非晶碳层及侧墙的层间介质层；

平坦化所述层间介质层并暴露所述图形化的非晶碳层；

采用氧气灰化工艺去除所述图形化的非晶碳层，在所述层间介质层内形成沟槽；

形成填充所述沟槽且覆盖所述层间介质层的金属层。

可选地，形成所述非晶碳层的工艺条件包括：通过分解反应气体C₃H₆获得非晶碳；C₃H₆的流量范围为1000sccm～2000sccm；缓冲气体He的流量范围为100sccm～1000sccm；反应压力范围为1Torr～10Torr；反应温度范围为400摄氏度～500摄氏度；偏压功率范围为1000W～1500W。

可选地，去除所述图形化的非晶碳层的工艺条件包括：所述氧气的流量范围为100sccm～1000sccm；反应压力范围为100sccm～500mTorr；反应温度范围为200摄氏度～300摄氏度；偏压功率范围为300W～500W。

本发明提供的一种金属栅极形成方法，包括：

在基底上形成栅介质层；

在所述栅介质层上形成非晶碳层；

在所述非晶碳层内形成沟槽，所述沟槽在所述栅介质层上形成图形区；

形成环绕所述沟槽侧壁的第一隔离层；

形成填充所述沟槽的金属层；

形成覆盖所述非晶碳层、第一隔离层和金属层的第二隔离层；

图形化所述第二隔离层，暴露所述非晶碳层；

采用氧气灰化工艺去除所述图形化的非晶碳层；

采用湿法工艺去除所述第一隔离层和第二隔离层。

可选地，所述第一隔离层及/或第二隔离层为氧化硅层；可选地，所述第一隔离层及/或第二隔离层为氮氧化硅层；

可选地，形成所述氮氧化硅层的工艺条件包括：反应压力范围为5毫米汞柱～10毫米汞柱；反应功率范围为30瓦～80瓦；反应温度范围为350摄氏度～450摄氏度；反应气体包含硅烷，所述硅烷的流量范围为15sccm～40sccm；反应气体包含氨气，所述氨气的的流量范围为30sccm～80sccm；以氮气作为缓冲气体，所述氮气的流量范围为15000sccm～25000sccm；

可选地，形成所述非晶碳层的工艺条件包括：通过分解反应气体C₃H₆获得非晶碳；C₃H₆的流量范围为1000sccm～2000sccm；缓冲气体He的流量范围为100sccm～1000sccm；反应压力范围为1Torr～10Torr；反应温度范围为400摄氏度～500摄氏度；偏压功率范围为1000W～1500W；

可选地，去除所述图形化的非晶碳层的工艺条件包括：所述氧气的流量范围为100sccm～1000sccm；反应压力范围为100sccm～500mTorr；反应温度范围为200摄氏度～300摄氏度；偏压功率范围为300W～500W；

可选地，采用湿法工艺去除所述第一隔离层和第二隔离层选用的清洗溶液为氢氟酸溶液。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

上述技术方案提供的金属栅极形成方法，通过采用非晶碳层代替多晶硅层作为金属栅极形成过程中的牺牲层，使得在去除所述非晶碳层以填充所述金属栅极时，可利用氧气执行所述非晶碳层的去除操作，避免传统工艺中应用氟碳气体执行所述去除操作时，对承载所述金属栅极的基底表面造成的损伤；

上述技术方案提供的金属栅极形成方法，通过采用非晶碳层代替多晶硅层作为金属栅极形成过程中的牺牲层，使得在形成所述金属栅极后去除所述非晶碳层时，可利用氧气执行所述非晶碳层的去除操作，避免传统工艺中应用氟碳气体执行所述去除操作时，对具有所述金属栅极的基底表面造成的损伤；

上述技术方案提供的金属栅极形成方法的可选方式，通过选用特定工艺形成所述氮氧化硅层，使得可利用氢氟酸溶液去除包含所述氮氧化硅层的第一隔离层及/或第二隔离层，避免利用传统的热磷酸去除所述氮氧化硅层时，氧化所述氮氧化硅层。

附图说明

图1～7为说明现有技术中金属栅极形成过程的结构示意图；

图8为说明本发明第一实施例的形成金属栅极的流程示意图；

图9～15为说明本发明第一实施例的金属栅极形成过程的结构示意图；

图16为说明本发明第二实施例的形成金属栅极的流程示意图；

图17～25为说明本发明第二实施例的金属栅极形成过程的结构示意图。

具体实施方式

尽管下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应当理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列的描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛教导，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下列说明和权利要求书本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图8所示，作为本发明的第一实施例，形成所述金属栅极的具体步骤包括：

步骤801：如图9所示，在基底100上形成栅介质层120。

在衬底(substrate)上定义器件有源区并完成浅沟槽隔离后形成所述基底100。所述衬底包含但不限于包括半导体元素的硅材料，例如单晶、多晶或非晶结构的硅或硅锗(SiGe)，也可以是绝缘体上硅(SOI)。

所述栅介质层120包含氧化硅层或氮氧化硅层。

所述氧化硅层可利用热氧化工艺或现场水汽生成(in situ steamgeneration，ISSG)工艺获得。

所述氮氧化硅层可利用化学气相淀积工艺获得。或者，应用氧化-氮化工艺获得。应用氧化-氮化工艺形成所述氮氧化硅层的步骤包括：形成氧化硅层；对所述氧化硅层执行氮化操作。

所述热氧化工艺可应用高温氧化设备或氧化炉进行。形成所述氧化硅层的过程可包含热氧化及检测步骤，具体可应用任何传统的工艺，在此不再赘述。应用去耦合等离子体氮化(decoupled plasmanitridation，DPN)工艺执行所述氮化操作，形成的氮化硅层内具有梯度氮分布，氮的浓度由所述基底表面向其内部逐渐减小。

所述DPN操作中还包含PNA(post nitridation anneal，氮化后退火)操作。

步骤802：如图10所示，在所述栅介质层120上形成图形化的非晶碳层140。

通过分解反应气体C₃H₆、C₂H₄或CH₄获得非晶碳；以分解C₃H₆为例，形成所述非晶碳层的工艺条件包括：C₃H₆的流量范围为1000sccm～2000sccm，如1200sccm、1500sccm、1800sccm；缓冲气体可包含He、N₂中的一种或其组合，以包含He为例，He的流量范围为100sccm～1000sccm，如200sccm、500sccm、800sccm；反应压力范围为1Torr～10Torr，如2Torr、4Torr、5.5Torr、7Torr；反应温度范围为400摄氏度～500摄氏度，如450摄氏度；偏压功率范围为1000W～1500W，如1150W、1200W、1250W、1300W、1400W、1450W。

形成图形化的非晶碳层140的步骤包括：

步骤8021：在所述栅介质层上形成非晶碳层；

步骤8022：在所述非晶碳层上形成硬掩模；所述硬掩模材料包含氮化硅、氧化硅或氮氧化硅中的一种或其组合；

步骤8023：采用氧气去除所述硬掩模暴露的非晶碳层。

去除所述非晶碳层的工艺条件包括：所述氧气的流量范围为100sccm～1000sccm，如200sccm、500sccm、800sccm；反应压力范围为100Torr～500mTorr，如200mTorr、300mTorr、400mTorr；反应温度范围为200摄氏度～300摄氏度，如250摄氏度；偏压功率范围为300W～500W，如350W、400W、450W。

步骤803：如图11所示，形成环绕所述图形化的非晶碳层140的侧墙142。

形成所述侧墙142的步骤包括：沉积覆盖所述图形化的非晶碳层的介质层；刻蚀所述介质层，暴露所述图形化的非晶碳层且在所述图形化的非晶碳层环绕有所述介质层。所述介质层包含氧化硅层、氮氧化硅层及/或氮化硅层。

沉积和刻蚀所述介质层的步骤包含间隔沉积氧化硅层和氮化硅层后顺序刻蚀所述氧化硅层和氮化硅层的操作；即，将间隔沉积于所述半导体基底上的氧化硅层和氮化硅层分别称为第一氧化硅层、第一氮化硅层、第二氧化硅层、第二氮化硅层、......、第N氧化硅层/第N氮化硅层时，沉积和刻蚀所述介质层的步骤包含顺序形成第一氧化硅层、第一氮化硅层、第二氧化硅层、第二氮化硅层、......、第N氧化硅层/第N氮化硅层后，再顺序刻蚀第N氧化硅层/第N氮化硅层、......、第二氮化硅层、第二氧化硅层、第一氮化硅层、第一氧化硅层的操作。

此外，沉积和刻蚀所述介质层的步骤还包含间隔沉积及刻蚀氧化硅层和氮化硅层的操作；即，将间隔沉积于所述半导体基底上的氧化硅层和氮化硅层分别称为第一氧化硅层、第一氮化硅层、第二氧化硅层、第二氮化硅层、......、第N氧化硅层/第N氮化硅层时，沉积和刻蚀所述介质层的步骤包含沉积所述第一氧化硅层后，刻蚀所述第一氧化硅层；继而，沉积所述第一氮化硅层，所述第一氮化硅层覆盖刻蚀后的所述第一氧化硅层；进而，刻蚀所述第一氮化硅层；......；直至沉积第N氧化硅层/第N氮化硅层后，刻蚀所述第N氧化硅层/第N氮化硅层。

步骤804：如图12所示，形成覆盖所述图形化的非晶碳层140及侧墙142的层间介质层160。

可采用PECVD(等离子体增强化学气相淀积)、SACVD(亚常压化学气相淀积)或LPCVD(低压化学气相淀积)等工艺形成所述层间介质层160。所述层间介质层材料包含但不限于磷硅玻璃(phosphosilicateglass，PSG)、硼硅玻璃(borosilicate，BSG)、硼磷硅玻璃(borophosphosilicate，BPSG)、氟硅玻璃(FSG)或具有低介电常数材料中的一种或其组合。所述具有低介电常数材料包括但不限于黑钻石(Black Diamond，BD)或coral等。

步骤805：如图13所示，平坦化所述层间介质层160并暴露所述图形化的非晶碳层140。

采用化学机械研磨(CMP)执行所述平坦化操作。执行所述平坦化操作时，可同步运行终点检测系统(EPD)。

步骤806：如图14所示，采用氧气灰化工艺去除所述图形化的非晶碳层140，在所述层间介质层160内形成沟槽180。

去除所述非晶碳层140的工艺条件包括：所述氧气的流量范围为100sccm～1000sccm，如200sccm、500sccm、800sccm；反应压力范围为100mTorr～500mTorr，如200mTorr、300mTorr、400mTorr；反应温度范围为200摄氏度～300摄氏度，如250摄氏度；偏压功率范围为300W～500W，如350W、400W、450W。

步骤807：如图15所示，形成填充所述沟槽180且覆盖所述层间介质层160的金属层200。

所述金属层200包括金属、金属合金、金属硅化物、金属合金硅化物、含有金属的导电氧化物或者含有金属的导电硅化物，其中金属从由Al、Co、Cr、Fe、h、h、Hf、Mg、Mo、Mn、N1Pd、Pt、La、Os、Nb、Rh、Re、Ru、Sn、Ta、Ti、V、W、Y和Zr中的一种或其组合。可采用电镀法或金属化学气相淀积工艺形成所述金属层。

通过采用非晶碳层代替多晶硅层作为金属栅极形成过程中的牺牲层，使得在去除所述非晶碳层以填充所述金属栅极时，可利用氧气执行所述非晶碳层的去除操作，避免传统工艺中应用氟碳气体执行所述去除操作时，对承载所述金属栅极的基底表面造成的损伤。

如图16所示，作为本发明的第二实施例，形成所述金属栅极的具体步骤包括：

步骤1601：如图17所示，在基底100上形成栅介质层120。

所述栅介质层120包含氧化硅层或氮氧化硅层。

步骤1602：如图18所示，在所述栅介质层120上形成非晶碳层140。

步骤1603：如图19所示，在所述非晶碳层140内形成沟槽142，所述沟槽142在所述栅介质层120上形成图形区。

在所述非晶碳层140内形成沟槽的步骤包括：

步骤16031：在所述非晶碳层上形成具有沟槽图形的硬掩模；所述硬掩模材料包含氮化硅、氧化硅或氮氧化硅中的一种或其组合；

步骤16032：采用氧气去除所述硬掩模暴露的非晶碳层。

去除所述非晶碳层的工艺条件包括：所述氧气的流量范围为100sccm～1000sccm，如200sccm、500sccm、800sccm；反应压力范围为100mTorr～500mTorr，如200mTorr、300mTorr、400mTorr；反应温度范围为200摄氏度～300摄氏度，如250摄氏度；偏压功率范围为300W～500W，如350W、400W、450W。

步骤1604：如图20所示，形成环绕所述沟槽142侧壁的第一隔离层144。

所述第一隔离层144为氧化硅层或氮氧化硅层。所述第一隔离层144作为后续去除所述非晶碳层时已形成的金属栅极的保护层。

形成所述氮氧化硅层的工艺条件包括：反应压力范围为5毫米汞柱～10毫米汞柱，如6毫米汞柱、8毫米汞柱；反应功率范围为30瓦～80瓦，如40瓦、50瓦、60瓦；反应温度范围为350摄氏度～450摄氏度，如400摄氏度；反应气体包含硅烷，所述硅烷的流量范围为15sccm～40sccm，如20sccm、30sccm、35sccm；反应气体包含氨气，所述氨气的的流量范围为30sccm～80sccm，如40sccm、60sccm；以氮气作为缓冲气体，所述氮气的流量范围为15000sccm～25000sccm，如18000sccm、20000sccm。

通过选用特定工艺形成所述氮氧化硅层，使得可利用氢氟酸溶液去除包含所述氮氧化硅层的第一隔离层，避免利用传统的热磷酸去除所述氮氧化硅层时，氧化所述氮氧化硅层。

步骤1605：如图21所示，形成填充所述沟槽142的金属层160。

形成环绕所述沟槽142侧壁的第一隔离层144后，在所述沟槽142内填充的金属层160用以形成金属栅极。

所述金属层160包括金属、金属合金、金属硅化物、金属合金硅化物、含有金属的导电氧化物或者含有金属的导电硅化物，其中金属从由Al、Co、Cr、Fe、h、h、Hf、Mg、Mo、Mn、Nl Pd、Pt、La、Os、Nb、Rh、Re、Ru、Sn、Ta、Ti、V、W、Y和Zr中的一种或其组合。可采用电镀法或金属化学气相淀积工艺形成所述金属层。

步骤1606：如图22所示，形成覆盖所述非晶碳层140、第一隔离层144和金属层160的第二隔离层146。

所述第二隔离层146为氧化硅层或氮氧化硅层。所述第二隔离层146作为后续去除所述非晶碳层时已形成的金属栅极的保护层。

通过选用特定工艺形成所述氮氧化硅层，使得可利用氢氟酸溶液去除包含所述氮氧化硅层的第二隔离层，避免利用传统的热磷酸去除所述氮氧化硅层时，氧化所述氮氧化硅层。

步骤1607：如图23所示，图形化所述第二隔离层146，暴露所述非晶碳层140。

可采用等离子体干式刻蚀工艺图形化所述第二隔离层146。

步骤1608：如图24所示，采用氧气灰化工艺去除所述图形化的非晶碳层140。

步骤1609：如图25所示，采用湿法工艺去除所述第一隔离层和第二隔离层。

采用湿法工艺去除所述第一隔离层和第二隔离层选用的清洗溶液为氢氟酸溶液。所述氢氟酸溶液既可为浓度为49％的原液，也可为稀释后获得的溶液，稀释后的氢氟酸溶液的浓度可为45％、35％、25％、15％或小于3％。采用氢氟酸溶液去除包含所述氮氧化硅层的第一隔离层及/或第二隔离层，避免利用传统的热磷酸去除所述氮氧化硅层时，氧化所述氮氧化硅层。

通过采用非晶碳层代替多晶硅层作为金属栅极形成过程中的牺牲层，使得在形成所述金属栅极后去除所述非晶碳层时，可利用氧气执行所述非晶碳层的去除操作，避免传统工艺中应用氟碳气体执行所述去除操作时，对具有所述金属栅极的基底表面造成的损伤。

需强调的是，未加说明的步骤均可采用传统的方法获得，且具体的工艺参数根据产品要求及工艺条件确定。

尽管通过在此的实施例描述说明了本发明，和尽管已经足够详细地描述了实施例，申请人不希望以任何方式将权利要求书的范围限制在这种细节上。对于本领域技术人员来说另外的优势和改进是显而易见的。因此，在较宽范围的本发明不限于表示和描述的特定细节、表达的设备和方法和说明性例子。因此，可以偏离这些细节而不脱离申请人总的发明概念的精神和范围。

Claims

1.一种金属栅极形成方法，其特征在于，包括：

在基底上形成栅介质层；

在所述栅介质层上形成图形化的非晶碳层；

形成环绕所述图形化的非晶碳层的侧墙；

形成覆盖所述图形化的非晶碳层及侧墙的层间介质层；

平坦化所述层间介质层并暴露所述图形化的非晶碳层；

形成填充所述沟槽且覆盖所述层间介质层的金属层。

2.根据权利要求1所述的金属栅极形成方法，其特征在于，形成所述非晶碳层的工艺条件包括：通过分解反应气体C₃H₆获得非晶碳；C₃H₆ 的流量范围为1000sccm～2000sccm；缓冲气体He的流量范围为100sccm～1000sccm；反应压力范围为1Torr～10Torr；反应温度范围为400摄氏度～500摄氏度；偏压功率范围为1000W～1500W。

3.根据权利要求1所述的金属栅极形成方法，其特征在于，去除所述图形化的非晶碳层的工艺条件包括：所述氧气的流量范围为100sccm～1000sccm；反应压力范围为100sccm～500mTorr；反应温度范围为200摄氏度～300摄氏度；偏压功率范围为300W～500W。

4.一种金属栅极形成方法，其特征在于，包括：

在基底上形成栅介质层；

在所述栅介质层上形成非晶碳层；

形成环绕所述沟槽侧壁的第一隔离层；

形成填充所述沟槽的金属层；

图形化所述第二隔离层，暴露所述非晶碳层；

采用氧气灰化工艺去除所述图形化的非晶碳层；

采用湿法工艺去除所述第一隔离层和第二隔离层。

5.根据权利要求4所述的金属栅极形成方法，其特征在于：所述第一隔离层或第二隔离层为氧化硅层。

6.根据权利要求4所述的金属栅极形成方法，其特征在于：所述第一隔离层或第二隔离层为氮氧化硅层。

7.根据权利要求6所述的金属栅极形成方法，其特征在于，形成所述氮氧化硅层的工艺条件包括：反应压力范围为5毫米汞柱～10毫米汞柱；反应功率范围为30瓦～80瓦；反应温度范围为350摄氏度～450摄氏度；反应气体包含硅烷，所述硅烷的流量范围为15sccm～40sccm；反应气体包含氨气，所述氨气的的流量范围为30sccm～80sccm；以氮气作为缓冲气体，所述氮气的流量范围为15000sccm～25000sccm。

8.根据权利要求4所述的金属栅极形成方法，其特征在于，形成所述非晶碳层的工艺条件包括：通过分解反应气体C₃H₆获得非晶碳；C₃H₆的流量范围为1000sccm～2000sccm；缓冲气体He的流量范围为100sccm～1000sccm；反应压力范围为1Torr～10Torr；反应温度范围为400摄氏度～500摄氏度；偏压功率范围为1000W～1500W。

9.根据权利要求4所述的金属栅极形成方法，其特征在于，去除所述图形化的非晶碳层的工艺条件包括：所述氧气的流量范围为100sccm～1000sccm；反应压力范围为100sccm～500mTorr；反应温度范围为200摄氏度～300摄氏度；偏压功率范围为300W～500W。

10.根据权利要求4所述的金属栅极形成方法，其特征在于：采用湿法工艺去除所述第一隔离层和第二隔离层选用的清洗溶液为氢氟酸溶液。