CN102468146B - 金属栅极的形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种金属栅极的形成方法，提供形成第一替代栅电极层的基底，第一替代栅电极层包括第一牺牲层及位于第一牺牲层上的第二牺牲层，第二牺牲层热膨胀系数高于第一牺牲层热膨胀系数；对第一替代栅电极层高温处理形成第二替代栅电极层，第一牺牲层的宽度小于第二牺牲层的宽度；在基底上形成介质层，介质层表面与第二替代栅电极层表面齐平；去除第二替代栅电极层形成沟槽；采用填充物质对沟槽进行填充，形成金属栅极。本发明通过高温处理使得第一牺牲层厚度小于第二牺牲层厚度，形成底部宽度小于开口宽度的沟槽，避免金属栅极产生空隙，避免金属栅极的电阻值较待形成的目标电阻值偏高等问题，提高含有所述金属栅极的半导体器件的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种金属栅极的形成方法。
背景技术
随着技术节点的降低，传统的栅介质层不断变薄，晶体管漏电量随之增加，引起半导体器件功耗浪费等问题。为解决上述问题，现有技术提供一种将金属栅极替代多晶硅栅极的解决方案。其中，“后栅极(gate last)”工艺为形成金属栅极的一个主要工艺。
专利公开号为CN101438389A的中国专利申请提供一种使用“后栅极”工艺形成金属栅极的方法，包括：提供基底，所述基底上形成有替代栅结构、及位于所述基底上覆盖所述替代栅结构的层间介质层；以所述替代栅结构作为停止层，对所述层间介质层进行化学机械抛光工艺；除去所述替代栅结构后形成沟槽；最后对所述沟槽填充介质和金属，以形成栅介质层和金属栅电极层。
实际应用中发现，通过上述技术方案形成的半导体器件的可靠性较低。
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，以解决采用现有技术形成的半导体器件的可靠性较低的问题。
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，所述基底上形成有第一替代栅电极层，所述第一替代栅电极层包括第一牺牲层及位于第一牺牲层上的第二牺牲层，其中，第二牺牲层的热膨胀系数高于第一牺牲层的热膨胀系数；
对所述第一替代栅电极层进行高温处理，形成第二替代栅电极层，所述第二替代栅电极层中，第一牺牲层的宽度为第一宽度，所述第二牺牲层的宽度为第二宽度，所述第一宽度小于第二宽度；
在所述基底上形成介质层，所述介质层表面与第二替代栅电极层表面齐平；
去除所述第二替代栅电极层，形成沟槽；
采用填充物质对所述沟槽进行填充，形成金属栅极。
可选的，所述第一牺牲层为多晶硅、非晶硅、单晶硅、多晶锗、非晶锗、单晶锗、锗化硅之一。
可选的，所述第二牺牲层为钨的硅化物或钛的硅化物材料。
可选的，所述第二牺牲层和第一牺牲层的热膨胀系数比值大于1。
可选的，所述第二牺牲层和第一牺牲层的热膨胀系数比值范围为2∶1～10∶1。
可选的，第二宽度与第一宽度的比值范围为4∶3～3∶1。
可选的，第二宽度比第一宽度大1nm～20nm。
可选的，所述高温处理为高温氧化。
可选的，所述高温处理的温度范围为700℃～1500℃。
可选的，所述高温氧化下，第二牺牲层因高温膨胀的宽度为1nm～20nm。
可选的，所述第一牺牲层厚度范围为50埃～200埃，所述第二牺牲层厚度范围为300埃～500埃。
可选的，所述第二替代栅电极层的去除方法为干法去除或湿法去除。
可选的，所述干法刻蚀是采用含有氯气、溴化氢的刻蚀气体去除第一牺牲层，采用氟化氮去除第二牺牲层。
可选的，所述湿法刻蚀是采用热氨水溶液去除所述第一牺牲层和第二牺牲层。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明通过对具有不同层热膨胀系数材料的第一替代栅电极层进行高温处理，使其分别因热膨胀不同的宽度，以形成具有T型的第二替代栅电极层，去除所述第二替代栅电极层后，形成靠近底部具有第一宽度，靠近开口具有第二宽度的T型沟槽，所述沟槽的第一宽度小于第二宽度，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，进而避免金属栅极的电阻值较待形成的目标电阻值偏高及偏高的电阻值导致功耗上升问题，提高含有所述金属栅极的半导体器件的可靠性。
附图说明
图1为本发明一个实施例的金属栅极形成方法流程示意图。
图2至图10为本发明一个实施例的金属栅极形成方法结构示意图。
具体实施方式
现有技术形成的半导体器件的可靠性较低。发明人发现，半导体器件的可靠性较低是由于金属栅极的电阻值较目标电阻值偏高造成，进一步研究发现是因为所述金属栅极的填充物质内部存在空隙，所述空隙会提高金属栅极的电阻值，使其较目标电阻值偏高。
发明人进一步发现，所述空隙形成的原因如下：现有技术中，替代栅结构的侧面垂直于基底，所以去除所述替代栅结构形成的沟槽的侧壁也垂直于所述基底，且所述沟槽开口处的拐角近似为直角，所以当对沟槽进行填充时，位于开口附近的沉积速率较高，越靠近底部沉积速率越低，最后将会在金属栅极内出现空隙。随着栅极长度的减小，沟槽的尺寸也随之减小，将对沟槽填充愈发变得困难，愈加可能形成空隙。
为解决上述问题，本发明提供一种金属栅极的形成方法，如图1所示，包括：
步骤S1，提供基底，所述基底上形成有第一替代栅电极层，所述第一替代栅电极层包括第一牺牲层及位于第一牺牲层上的第二牺牲层，其中，第二牺牲层的热膨胀系数高于第一牺牲层的热膨胀系数；
步骤S2，对所述第一替代栅电极层进行高温处理，形成第二替代栅电极层，所述第二替代栅电极层中，第一牺牲层的宽度为第一宽度，所述第二牺牲层的宽度为第二宽度，所述第一宽度小于第二宽度；
步骤S3，在所述基底上形成介质层，所述介质层表面与第二替代栅电极层表面齐平；
步骤S4，去除所述第二替代栅电极层，形成沟槽；
步骤S5，采用填充物质对所述沟槽进行填充，形成金属栅极。
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2至图10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2所示，提供基底110，所述基底110上形成有栅介质层120。
所述基底110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。所述栅介质层120为氧化硅、氮氧化硅、氮化硅之一或组合。
参考图3，在所述栅介质层120上依次形成第一牺牲层131和第二牺牲层132。其中，所述第二牺牲层132和第一牺牲层131的热膨胀系数比值大于1。作为一个实施例，所述第二牺牲层132和第一牺牲层131的热膨胀系数比值范围为2∶1～10∶1，即在同样的高温环境下，所述第二牺牲层132因热而膨胀的宽度(或厚度)与第一牺牲层131因热而膨胀的宽度(或厚度)的比值范围是2∶1～10∶1。作为其他实施例，所述第二牺牲层132可以具有较高的热膨胀系数，而第一牺牲层131的热膨胀系数接近零，即在同样的高温环境下，所述第二牺牲层132宽度(或厚度)因热膨胀而增大，而第一牺牲层131因热而膨胀的宽度(或厚度)接近于零。
其中，所述第一牺牲层131材料为多晶硅、非晶硅、单晶硅、多晶锗、非晶锗、单晶锗、锗化硅之一。所述第二牺牲层132为钨的硅化物、钛的硅化物等热膨胀系数较高的材料。所述第一牺牲层131的厚度范围为50～200埃，所述第二牺牲层132的厚度范围为300～500埃。形成所述第一牺牲层131和第二牺牲层132的方法为化学气相沉积法，所述化学气相沉积法的温度范围为100℃～700℃。
本实施例中，所述第一牺牲层131的材料为多晶硅，所述第二牺牲层132的材料选取为硅化钨。
如图4所示，在所述第二牺牲层132上形成图案化的硬掩膜层140，所述硬掩膜层140的图案与后续形成的第一替代栅电极层位置对应。所述硬掩膜层140的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅之一。
如图5所示，以所述硬掩膜层140为掩膜，对所述第二牺牲层132和第一牺牲层131进行干法刻蚀，形成第一替代栅电极层151。所述干法刻蚀对第一牺牲层131和第二牺牲层132具有相同的刻蚀速率，包括横向刻蚀速率和纵向刻蚀速率。即第一替代栅电极层151中，所述第一牺牲层131的宽度和第二牺牲层132的宽度相同，所述第一替代栅电极层151的侧壁垂直于所述栅介质层120。
本实施例中，所述干法刻蚀气体包括氯气、溴化氢、氢化氮或六氟化硫中的一种或多种。
如图6所示，去除硬掩膜层140，接着对所述第一替代栅电极层151进行高温处理，形成第二替代栅电极层152。所述高温处理的温度范围为700℃～1500℃。
所述高温处理可以为高温氧化，即对所述第一替代栅电极层151进行高温氧化，在所述第一替代栅电极层151的表面形成氧化物，以使得第二替代栅电极层152与后续形成的物质之间形成有良好界面。
继续参考图6，在高温环境下，所述第一牺牲层131和第二牺牲层132均因热膨胀有体积的增大。本实施例中，因为所述第二牺牲层132的热膨胀系数高于所述第一牺牲层131的热膨胀系数，所以所述高温处理环境中，所述第二牺牲层132增大的体积大于所述第一牺牲层131增大的体积，包括所述第二牺牲层132增大的宽度大于所述第一牺牲层131增大的宽度。最终形成的第二替代栅电极层152中，所述第一牺牲层131的宽度具有第一宽度，所述第二牺牲层132具有第二宽度，第二宽度与第一宽度的比值范围为4∶3～3∶1。作为一个实施例，第二宽度比第一宽度大1nm～20nm。所述第二牺牲层132因热膨胀增大的宽度范围为1nm～20nm，所述第一牺牲层因热膨胀增大的宽度为0～0.9nm。即所述第二替代栅电极层152为T字形结构。
如图7所示，以所述第二替代栅电极层152为掩膜，在所述基底110内形成浅离子掺杂区161；然后，在所述替代栅电极层152两侧的基底110上形成侧墙170，并以所述侧墙170为掩膜，在所述基底110内形成源/漏区162。在其他实施例中，也可以直接对替代栅电极层152两侧的基底110进行源/漏离子注入，形成源/漏区；所述源/漏区的形成也可以参考现有的源/漏区形成工艺，在这里就不一一例举。
如图8所示，在所述栅介质层120上沉积介质层180，所述介质层180覆盖所述第二替代栅电极层152；接着以所述第二替代栅电极层152为停止层，对所述介质层180进行平坦化。
如图9所示，去除所述第二替代栅电极层152，形成沟槽200。因为所述第二替代栅电极层152中，所述第一牺牲层131的第一宽度D1小于第二牺牲层132的第二宽度D2，所以去除第二替代栅电极层152后形成的沟槽200也具有不同的宽度，靠近底部的沟槽具有第一宽度D1，靠近开口的沟槽具有第二宽度D2，其中，所述具有第一宽度D1的沟槽高度为50～200埃，所述具有第二宽度D2的沟槽高度为300～500埃。所述沟槽200的形状为T型，其底部宽度小于开口宽度，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，进而避免金属栅极的电阻值较待形成的目标电阻值偏高及偏高的电阻值导致功耗上升问题，提高含有所述金属栅极的半导体器件的可靠性。
其中，所述第二替代栅电极层152的去除方法可以为干法刻蚀或者湿法刻蚀。若为干法刻蚀，则采用含有氯气、溴化氢的刻蚀气体去除第一牺牲层131，采用氟化氮去除第二牺牲层132；若为湿法刻蚀，则采用热氨水溶液去除所述第一牺牲层131和第二牺牲层132。
如图10所示，采用填充物质对所述沟槽200进行填充，形成金属栅电极层190。所述栅介质层120和金属栅电极层190构成金属栅极结构。
其中，所述金属栅电极层190的材料可以为Al、Cu、Ag、Au、Pt、Ni、Ti、TiN、TaN、Ta、TaC、TaSiN、W、WN、WSi的一种或多种。
本实施例中，所述栅介质层120为金属栅极结构的栅介质层，作为其他实施例，还可以采用高K介质作为金属栅极的栅介质层，具体包括：在采用填充物质对所述沟槽200进行填充前，去除所述栅介质层120，暴露出基底110的表面；对暴露出基底110表面的沟槽200依次填充高K介质和金属，以形成高K栅介质层和金属栅极。
所述高K介质可以是二氧化铪、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。所述金属栅电极层材料可以为Al、Cu、Ag、Au、Pt、Ni、Ti、TiN、TaN、Ta、TaC、TaSiN、W、WN、WSi的一种或多种。
本发明通过对具有不同层热膨胀系数材料的第一替代栅电极层进行高温处理，使其分别因热膨胀不同的宽度，以形成具有T型的第二替代栅电极层，去除所述第二替代栅电极层后，形成靠近底部具有第一宽度，靠近开口具有第二宽度的T型沟槽，所述沟槽的底部宽度小于开口宽度，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，进而避免金属栅极的电阻值较待形成的目标电阻值偏高及偏高的电阻值导致功耗上升问题，提高含有所述金属栅极的半导体器件的可靠性。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (13)
1.一种金属栅极的形成方法，其特征在于，包括：
提供基底，所述基底上形成有第一替代栅电极层，所述第一替代栅电极层包括第一牺牲层及位于第一牺牲层上的第二牺牲层，其中，第二牺牲层的热膨胀系数高于第一牺牲层的热膨胀系数；
对所述第一替代栅电极层进行高温处理，形成第二替代栅电极层，所述第二替代栅电极层中，第一牺牲层的宽度为第一宽度，所述第二牺牲层的宽度为第二宽度，所述第一宽度小于第二宽度；所述高温处理的温度范围为700℃～1500℃；
在所述基底上形成介质层，所述介质层表面与第二替代栅电极层表面齐平；
去除所述第二替代栅电极层，形成沟槽；
采用填充物质对所述沟槽进行填充，形成金属栅极。
2.根据权利要求1所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述第一牺牲层为多晶硅、非晶硅、单晶硅、多晶锗、非晶锗、单晶锗、锗化硅之一。
3.根据权利要求1所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述第二牺牲层为钨的硅化物或钛的硅化物材料。
4.根据权利要求1所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述第二牺牲层和第一牺牲层的热膨胀系数比值大于1。
5.根据权利要求1所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述第二牺牲层和第一牺牲层的热膨胀系数比值范围为2：1～10：1。
6.根据权利要求1所述金属栅极的形成方法，其特征在于，第二宽度与第一宽度的比值范围为4：3～3：1。
7.根据权利要求1所述金属栅极的形成方法，其特征在于，第二宽度比第一宽度大1nm～20nm。
8.根据权利要求1所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述高温处理为高温氧化。
9.根据权利要求1所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述高温氧化下，第二牺牲层因高温膨胀的宽度为1nm～20nm。
10.根据权利要求1所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述第一牺牲层厚度范围为50埃～200埃，所述第二牺牲层厚度范围为300埃～500埃。
11.根据权利要求1所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述第二替代栅电极层的去除方法为干法去除或湿法去除。
12.根据权利要求11所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述干法刻蚀是采用含有氯气、溴化氢的刻蚀气体去除第一牺牲层，采用氟化氮去除第二牺牲层。
13.根据权利要求11所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述湿法刻蚀是采用热氨水溶液去除所述第一牺牲层和第二牺牲层。
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