发明内容
本发明解决的问题是提供一种金属栅极的形成方法,以解决填充形成金属栅极时产生的空隙问题。
为解决上述问题,本发明提供一种金属栅极的形成方法,包括:
提供基底,所述基底上形成有牺牲层;
刻蚀所述牺牲层,形成具有倾斜侧壁的锥形沟槽,所述沟槽开口宽度大于底部宽度;
采用填充物质填充所述沟槽,形成伪栅电极层;
去除所述牺牲层;
在所述伪栅电极层两侧形成侧墙,并以所述侧墙为掩膜,对所述基底进行离子注入;
在所述基底上沉积层间介质层,并以所述伪栅电极层为停止层,对所述层间介质层进行平坦化;
去除所述伪栅电极层,对去除伪栅电极层后的沟槽依次填充介质和金属。
可选的,所述牺牲层为氧化硅层。
可选的,刻蚀所述牺牲层的刻蚀气体为NF3与C4F6的混合气体、SF6与C4F6的混合气体、NF3与CH2F2的混合气体、SF6与CH2F2的混合气体、CF4与CHF3的混合气体、或CF4与CH2F2的混合气体。
可选的,刻蚀所述牺牲层的刻蚀气体为C4F6、C4F8、或C5F8。
可选的,刻蚀所述牺牲层的刻蚀气体为SF6和CH2F2的混合气体,其中所述混合气体的SF6与CH2F2体积比值范围8∶1~15∶1。
可选的,所述SF6流量为50sccm至250sccm,所CH2F2流量为5sccm至20sccm。
可选的,所述刻蚀时间为10秒至100秒,所述刻蚀的腔体压力为5毫托至50毫托,功率为500瓦至1000瓦。
可选的,所述沟槽的开口宽度范围为25nm~50nm,底部宽度范围为15nm~45nm。
可选的,所述形成伪栅电极层的材料为多晶硅。
可选的,所述去除伪栅电极层的工艺为:使用硝酸和氢氟酸的混合溶液去除工艺。
可选的,所述栅极介质层为高K栅极介质层。
与现有技术相比,上述方案具有以下优点:本发明通过形成底部小,开口大、具有倾斜侧壁的锥形沟槽,避免了填充物质后金属栅极产生空隙,提高金属栅极的质量。
具体实施方式
发明人发现,在“后栅极”制造工艺中,当填充物质填充到沟槽中,形成金属栅极时,会在金属栅极内出现空隙(void)。随着栅极长度的减小,沟槽的尺寸也随之减小,将填充物质填充到沟槽中愈加变得困难,愈加会形成空隙。
基于上述发现,本发明提供一种金属栅极的形成方法,包括:提供基底,所述基底上形成有牺牲层;刻蚀所述牺牲层,形成具有倾斜侧壁的锥形沟槽,所述沟槽开口宽度大于底部宽度;采用填充物质填充所述沟槽,形成伪栅电极层;去除所述牺牲层;在所述伪栅电极层两侧形成侧墙,并以所述侧墙为掩膜,对所述基底进行离子注入;在所述基底上沉积层间介质层,并以所述伪栅电极层为停止层,对所述层间介质层进行平坦化;去除所述伪栅电极层,对去除伪栅电极层后的沟槽依次填充介质和金属。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图3至图15为本发明一个实施例的金属栅极形成方法结构示意图。
如图3所示,提供基底10,所述基底10上形成有氧化硅层20和氮化硅层30。
所述基底10可以选自硅基底、绝缘层上的硅(SOI)、或者还可以是其它的材料,例如砷化镓等III-V族化合物。
所述基底10内形成有隔离结构110,用于隔离后续形成的有源器件区。
继续参考图3,在所述氮化硅层30上形成一层牺牲层40,所述牺牲层40可以通过化学气相沉积法形成。作为一个实施例,所述牺牲层40的材料为氧化硅。
其中,所述氧化硅层20用于在后续刻蚀牺牲层40时,保护基底10不暴露在刻蚀环境中,避免所述刻蚀环境对基底10造成晶格损伤;所述氮化硅层30作为刻蚀阻挡的作用,使得后续形成沟槽时,牺牲层40的刻蚀可以停止在所述氮化硅层30上,而不会对所述氧化硅层20进行刻蚀。
如图4所示,在所述牺牲层40上形成光刻胶图形(未图示),所述光刻胶图形与沟槽400的位置对应;以所述光刻胶图形为掩膜,对所述牺牲层40和氮化硅层30进行刻蚀,形成沟槽400。随着刻蚀的进行,沟槽400的侧壁将逐渐收缩,最终得到一个底部小,开口大、具有倾斜侧壁的锥形沟槽400。
具体地,所述刻蚀气体包括:主蚀刻气体和保护性气体,所述主蚀刻气体为含氟元素的气体,以对所述牺牲层40进行刻蚀;而保护性气体为含碳元素较高的气体,所述含碳元素较高的保护性气体在刻蚀过程中,将会在沟槽400的侧壁上形成聚合物,所述聚合物将使得所述牺牲层40不容易被刻蚀掉。随着刻蚀的进行,牺牲层40越难以被刻蚀掉,进而形成的沟槽400底部较开口要小。同时所述刻蚀气体中还可以加入氧气,以去除部分聚合物,避免聚合物过多导致刻蚀在沟槽未完全形成前停止。
所述沟槽400为锥形形状,即所述沟槽400的侧壁与基底10具有一定的倾斜角度,其中,顶部开口处的宽度约为25nm~50nm,底部的宽度约为15nm~45nm。
作为一个实施例,可以通过对刻蚀参数,主要是主蚀刻气体和保护性气体类型、及主蚀刻气体和保护性气体的比例的调整,逐步收缩沟槽400的开口,以得到底部开口小,顶部开口大、具有倾斜侧壁的锥形沟槽400。
所述刻蚀气体为以下混合气体的一组或组合:主刻蚀气体为NF3,保护性气体C4F6;主刻蚀气体为SF6,保护性气体为C4F6;主刻蚀气体为NF3,保护性气体为CH2F2;
主刻蚀气体为SF6,保护性气体为CH2F2;
主刻蚀气体为CF4,保护性气体为CHF3;
主刻蚀气体为CF4,保护性气体为CH2F2。
所述刻蚀气体还可以为以下气体的一种:C4F6、C4F8或C5F8。这些气体中同时含有氟元素和碳元素,单独使用其中的一种气体能够得到底部小,开口大、具有倾斜侧壁的锥形沟槽400。
如图4所示,所述沟槽400的侧壁倾斜程度由侧壁角度A来衡量,所述侧壁倾斜角度A为所述侧壁与氧化硅层20的上表面所形成的锐角。其中,所述侧壁倾斜角度A可以通过调整混合气体中的各气体的比例来达到。
经过研究,发明人发现:在上述刻蚀气体的组合中,主刻蚀气体与保护气体的体积比值越高,侧壁越陡。
作为一个实施例,使用主刻蚀气体SF6,保护性气体为CH2F2对所述牺牲层40进行刻蚀。当刻蚀气体体积比值(SF6∶CH2F2)在15∶1的时候,所述侧壁倾斜角度A为90度,当刻蚀气体体积比值为8∶1时,所述侧壁倾斜角度A为80度。位于80度~90度区间的侧壁倾斜角度与刻蚀气体体积比值为线性关系。
图5示出了气体成分为SF6与CH2F2气体体积比值(用字母Z标示)与所述沟槽的侧壁角度A的关系图。
如图5所示,当体积比值Z为SF6∶CH2F2=15∶1时候,侧壁倾斜角度A约为90度;体积比值Z越低,例如,当SF6∶CH2F2=8∶1时候,侧壁倾斜角度A约为80度。
在侧壁倾斜角度A为80度~90度区间之内,侧壁倾斜角度A与体积比值Z为线性关系,所述函数关系为A=(10/7)Z+(480/7)。通过调整混合气体体积比值Z,可以得到所需要达到的侧壁倾斜角度A。例如当所需要达到的侧壁倾斜角度为85度时候,可将体积比值Z调整至23∶2即可。
所述具体的刻蚀参数可以如下:所述SF6流量为50sccm至250sccm,CH2F2流量为5sccm至20sccm;所述刻蚀时间为10秒至100秒;所述刻蚀的腔体压力为5毫托至50毫托;所述刻蚀功率为500瓦至1000瓦。
如图6所示,对所述沟槽400进行填充多晶硅,形成伪栅电极层410。具体地,化学气相沉积多晶硅至所述沟槽400内,沉积之后,以牺牲层40作为阻挡层,进行化学机械研磨,使伪栅电极层410具有光滑的表面。
在该步骤中,填充多晶硅形成上述的伪栅电极层410,原因如下:若在该步骤中,直接填充金属形成金属栅电极层,则后续形成源漏区的离子注入环境中,所述金属栅电极层将会受到损伤,所以首先形成一个伪栅电极层410,用于后续形成源漏区的离子注入环境中。
如图7所示,去除所述牺牲层40。本实施例中,所述牺牲层40的材料为氧化硅,所述牺牲层40采用热氢氟酸溶液去除。
继续参考图7,还包括去除氮化硅层30,所述氮化硅层30的去除方式可采用热磷酸溶液进行去除。
如图8所示,对所述伪栅电极层410进行氧化,形成氧化物。所述氧化物为第一侧墙420,所述形成方法为热氧化。
以所述第一侧墙420为掩膜,对所述基底10进行离子注入,形成离子轻掺杂区(未示出)。
参考图9和图10,在所述第一侧墙420的表面形成第二侧墙431。
作为一个实施例,所述第二侧墙431的形成工艺为:如图9所示,首先在所述氧化硅层20上形成介质层430,所述介质层430覆盖第一侧墙420表面和氧化硅层20表面。所述介质层430为氧化硅、氮化硅、碳化硅中的一种;如图10所示,对所述介质层430进行回刻,在所述第一侧墙420表面形成第二侧墙431。
如图11所示,以所述第二侧墙431为掩膜,对所述基底10进行离子掺杂,在所述基底10内形成离子掺杂区120,所述离子掺杂区120可以为源区或漏区。
如图12所示,在所述基底10上沉积层间介质层41,并以所述第一侧墙420为停止层,对所述层间介质层41进行化学机械研磨,使所述层间介质层41形成平坦表面。
其中,所述层间介质层41是具有低介电系数的无机硅基质层(inorganicsilicon based layer)。所述层间介质层41的介电系数一般小于3.0,如碳氧化硅(SiCO)或氟化硅玻璃(FSG)。
如图13所示,去除所述伪栅电极层410及第一侧墙420,形成沟槽402。去除所述第一侧墙420的同时,位于沟槽402内的氧化硅层20也会部分去除。本图示出的沟槽内的氧化硅层20完全被去除,所述沟槽402的底部暴露出所述基底10的表面。作为其他实施例,所述部分氧化硅层20可以不完全去除,留有少量氧化硅层20作为基底10与后续的高K栅极介质层之间的良好界面。
具体地,通过硝酸和氢氟酸的混合溶液去除所述伪栅电极层410,通过氢氟酸溶液去除所述第一侧墙420。
如图14所示,在所述沟槽402内沉积高K介质,形成高K栅极介质层440。所述高K栅极介质层440的厚度介于5埃至60埃之间,优选为40埃。
所述高K栅极介质层440可以是二氧化铪、氧化铪硅、氧化镧、氧化镧铝、氧化锆、氧化锆硅、氧化钽、氧化钛、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛、氧化钇、氧化铝、氧化铅钪钽或铌酸铅锌等一种。此处仅描述了可用于形成高K栅极介质层440的几个实例,但是所述高K栅极介质层440也可以由于其他材料形成。
形成所述高K栅极介质层440后,还可以对所述高K栅极介质层440进行其他处理,例如退火工艺,以提高高K栅极介质层440的质量。
如图15所示,在形成有所述高K栅极介质层440的沟槽402内,沉积金属,形成金属栅电极层450。
所述金属栅电极层450的材料可以为Ti、TiN、TaN、Ta、TaC、TaSiN、W、WN中的一种或多种组合。
本发明在形成金属栅极的沟槽工艺中,通过调节刻蚀气体的组合和流量,形成底部小,开口大的锥形结构沟槽,所述沟槽的侧壁为倾斜状态,不具有尖角,避免了填充物质后金属栅极产生的空隙,提高金属栅极的质量。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。