CN102543700A

CN102543700A - 铝金属栅极的形成方法

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Publication number: CN102543700A
Application number: CN2010106036827A
Authority: CN
Inventors: 蒋莉; 黎铭琦
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-12-23
Also published as: CN102543700B

Abstract

一种铝金属栅极的形成方法，包括如下步骤：提供半导体衬底；所述半导体衬底上依次形成有牺牲氧化层、多晶硅栅极及侧墙；所述侧墙位于多晶硅栅极两侧的半导体衬底上；在多晶硅栅极和侧墙两侧的半导体衬底上形成层间介质层，所述层间介质层多与晶硅栅极和侧墙齐平；去除多晶硅栅极和牺牲氧化层，形成沟槽；在层间介质层上形成铝金属层，并填充满沟槽；研磨铝金属层至露出层间介质层；对铝金属层表面进行防腐蚀处理，形成铝金属栅极。本发明的铝金属栅极形成方法，可以防止铝金属栅极表面发生腐蚀，从而保证铝金属栅极的电阻率，提高半导体器件的电性能和可靠性。

Description

铝金属栅极的形成方法

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺，特别是涉及一种铝金属栅极的形成方法。

背景技术

随着集成电路中集成度的提高，半导体制造工艺的特征尺寸也越来越小，传统的多晶硅栅极因其电性能的缺陷而逐渐被金属栅极替代。目前，在32纳米及以下的工艺中，栅极结构基本都采用高k介质作为栅介质层，金属层作为栅极，以满足器件电性能的要求。

现有制备金属栅极的工艺，一般是先以传统工艺制备多晶硅栅极结构，在半导体衬底内形成源/漏极以及在半导体衬底上形成与多晶硅栅极结构表面齐平的层间介质层后，将多晶硅栅极去除，在原多晶硅栅极所在的地方依次形成高k栅介质层和金属层；最后研磨金属层至露出层间介质层，形成金属栅极。由于金属层的研磨质量直接关系到金属栅极的性能，因此，研磨金属层是一道重要的工艺。在美国专利20050112894中介绍了两步法研磨金属层，先用一种研磨液研磨金属层至接近层间介质层，然后换另一种研磨液继续研磨金属层至露出层间介质层，以此保证研磨的平整性，提高金属栅极质量。

在上述工艺中，金属层研磨完成后，还必须用去离子水清洗或在研磨最后阶段用去离子水研磨，去除研磨液产生的残留物，以便使金属层表面干净。然后，在采用铝作为金属层时，由于研磨后的纯铝化学性质比较活泼，在铝金属层表面与去离子水长时间接触后，去离子水中的氢离子会与铝金属层的电子结合，生成氢气，有关反应式如下：

H₂O＝2H⁺+O^2-；Al-3e＝Al³⁺；2H⁺+2e＝H₂；

Al³⁺+3O^2-+3H⁺＝Al(OH)₃；

2Al(OH)₃＝Al₂O₃+3H₂O

由上述公式可知，氢离子得到电子后生成氢气；而失去电子的铝离子则会与去离子水中的氧离子和氢离子结合形成氢氧化铝；如果进一步反应则会生成氧化铝；从而使得铝金属层被腐蚀；如果铝金属层含有其他杂质，则腐蚀更严重。这种现象直接导致了铝金属栅极的电阻率产生偏差，影响了半导体器件的可靠性。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种铝金属栅极的形成方法，避免在研磨铝金属层的最后清洗铝金属层表面的阶段，出现铝金属层的腐蚀，导致形成的铝金属栅极电阻率发生偏差，影响半导体器件的可靠性。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种铝金属栅极的形成方法，包括以下步骤：提供半导体衬底，所述半导体衬底上依次形成有牺牲氧化层、多晶硅栅极及侧墙，所述侧墙位于多晶硅栅极两侧的半导体衬底上；在多晶硅栅极和侧墙两侧的半导体衬底上形成层间介质层，所述层间介质层多与晶硅栅极和侧墙齐平；去除多晶硅栅极和牺牲氧化层，形成沟槽；在层间介质层上形成铝金属层，并填充满沟槽；研磨铝金属层至露出层间介质层；对铝金属层表面进行防腐蚀处理，形成铝金属栅极。

优选的，所述防腐蚀处理方法是采用去离子水清洗铝金属层表面，去离子水流量为500～1500毫升/分钟，清洗时间小于等于30秒。

优选的，所述去离子水清洗铝金属层表面的去离子水流量为1000毫升/分钟，清洗时间为20秒。

优选的，所述防腐蚀处理方法是采用有机溶液研磨铝金属层表面。

优选的，所述有机溶液为有机酸，浓度为重量百分比0.01～10％。

优选的，所述有机酸为草酸、丙二酸、丁二酸、顺丁烯二酸、邻苯二甲酸或氨基酸。

优选的，在用所述有机溶液研磨铝金属表面以后，还包括步骤：用氧气对铝金属表面进行灰化处理，形成氧化铝层。

优选的，所述氧化铝层厚度为10～100埃。

优选的，研磨铝金属层的方法为化学机械研磨法。

优选的，所述化学机械研磨法采用的研磨液为氧化铝研磨液。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的铝金属栅极形成方法，对铝金属层表面进行防腐蚀处理，防止去离子水中的氢离子与铝金属层的电子结合，避免了对铝金属层表面的腐蚀，进而保证了铝金属栅极的电阻率正常，提高了半导体器件的可靠性。

进一步，在对铝金属层研磨后，用去离子水清洗铝金属层表面，去离子水流量为500～1500毫升/分钟，清洗时间小于等于30秒。使用大流量的去离子水快速冲洗铝金属层表面，减少去离子水与铝金属层表面的接触时间，防止去离子水中的氢离子与铝金属层中的电子结合，避免发生铝金属层腐蚀现象。

进一步，用有机溶液代替传统的去离子水在研磨最后阶段研磨铝金属层表面，利用有机成分会吸附在铝金属层表面，形成一层保护膜，防止了采用去离子水长时间清洗时，氢离子与铝金属层的电子结合，避免了铝金属层被腐蚀。然后用热氧化法去除铝金属层表面的有机成分，并使铝金属层表面形成完整的氧化铝薄膜，保护铝金属层在后续工艺中不被损伤。

附图说明

图1是本发明形成铝金属栅极的具体实施例流程图；

图2至图7是本发明形成铝金属栅极的第一实施例示意图；

图8至图14是本发明形成铝金属栅极的第二实施例示意图。

具体实施方式

发明人发现在制备铝金属栅极的时候，现有工艺都是在铝金属层研磨完成后，直接用去离子水清洗或研磨，以使铝金属层表面干净；由于纯铝的化学性质比较活泼，去离子水直接与铝金属层表面相接触，去离子水中的氢离子会与铝金属层中的电子相结合，形成氢气，其反应式如下：

H₂O＝2H⁺+O^2-；Al-3e＝Al³⁺；2H⁺+2e＝H₂；

Al³⁺+3O^2-+3H⁺＝Al(OH)₃；

2Al(OH)₃＝Al₂O₃+3H₂O

铝金属层中的铝失去电子后形成铝离子，会与去离子水中的氧离子和氢离子反应生成氢氧化铝或进一步生成氧化铝，使得铝金属层出现腐蚀；接触时间越长则腐蚀越严重；而且，如果铝金属层含有其他杂质，则反应更激烈，腐蚀更严重。这种腐蚀会导致形成的铝金属栅极的电阻率发生偏差，引起半导体器件的电性能和可靠性问题。

针对上述问题，发明人提出了一种铝金属栅极的形成方法，具体技术方案如下：

如图1所述，执行步骤S11，提供半导体衬底，所述半导体衬底上依次形成有牺牲氧化层、多晶硅栅极及侧墙，所述侧墙位于多晶硅栅极两侧的半导体衬底上；

执行步骤S12，在多晶硅栅极和侧墙两侧的半导体衬底上形成层间介质层，所述层间介质层多与晶硅栅极和侧墙齐平；

执行步骤S13，去除多晶硅栅极和牺牲氧化层，形成沟槽。

执行步骤S14，在层间介质层上形成铝金属层，并填充满所述沟槽。

执行步骤S15，研磨铝金属层至露出层间介质层。

执行步骤S16，对铝金属层表面进行防腐蚀处理，形成铝金属栅极。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

第一实施例

图2至图4为本发明提供的铝金属栅极形成方法的第一具体实施例示意图。如图2所示，提供半导体衬底100；在所述半导体衬底100上依次形成有牺牲氧化层101和多晶硅栅极102，具体形成多晶硅栅极的工艺如下：用炉管热氧化法在半导体衬底100上形成牺牲氧化层101；在所述牺牲氧化层101上形成多晶硅层；在所述多晶硅层上形成第一光刻胶层(未示出)，经过曝光显影后，定义出栅极图形；以所述第一光刻胶层为掩膜，沿栅极图形刻蚀多晶硅层和牺牲氧化层102至露出半导体衬底100，形成多晶硅栅极102。

如图3所示，在所述多晶硅栅极102两侧的半导体衬底100上形成侧墙103；所述侧墙103包含依次位于多晶硅栅极102两侧的氧化硅层1031和氮化硅层1032，具体形成工艺如下：用化学气相沉积法在半导体衬底100上形成包围多晶硅栅极102的氧化硅层1031；用化学气相沉积法在氧化硅层1031上形成氮化硅层1032；然后采用回蚀法刻蚀氮化硅层1032和氧化硅层1031，去除半导体衬底100上的氮化硅层1032和氧化硅层1031，保留多晶硅栅极102两侧的氧化硅层1031和氮化硅层1032。

如图4所示，在所述半导体衬底100上形成层间介质层104，所述层间介质层104的表面与多晶硅栅极102及侧墙103顶部齐平，具体形成工艺如下：用化学气相沉积法在半导体衬底100上形成层间介质层104，所述层间介质层104覆盖多晶硅栅极102及侧墙103；采用化学机械研磨工艺对层间介质层104进行平坦化至露出多晶硅栅极102及侧墙103顶部，使得层间介质层104表面与多晶硅栅极102和侧墙103顶部齐平。

本实施例中，所述层间介质层104的材料为含硅氧化物，形成所述层介质层104的方法为高密度等离子(HDP：high density plasma)生长方法或高深宽比(HARP：high aspect ratio process)生长方法。

如图5所示，用干法刻蚀法去除多晶硅栅极102；去除牺牲氧化层101，形成沟槽。

本实施例中，去除牺牲氧化层101采用湿法刻蚀法，如用添加氟化铵为缓冲剂的氢氟酸溶液，在温度为30～40℃时进行刻蚀。

如图6所示，在层间介质层104上形成铝金属层105，并填充满所述沟槽。

本实施例中，形成铝金属层105的方法采用常规的沉积工艺处理，如化学气相沉积(CVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、或物理气相沉积(PVD)。

如图7所示，用化学机械抛光法研磨所述铝金属层105至露出层间介质层104；处理铝金属层105表面，形成金属栅极106，所述金属栅极106的表面平整。

本实施例中，处理铝金属层105表面的方法采用去离子水清洗法，去离子水清洗流量为500～1500毫升/分钟，优选1000毫升/分钟，清洗时间为小于等于30秒，优选20秒。例如，采用去离子水清洗流量为1000毫升/分钟，清洗时间为20秒的方式清洗铝金属层105表面。相对于现有去离子水清洗方法中的清洗流量100～300毫升/分钟，清洗时间大于1分钟的情形。

本实施例中的清洗方法，在对铝金属层研磨后，用去离子水清洗铝金属层表面，去离子水流量为500～1500毫升/分钟，清洗时间小于等于30秒。使用大流量的去离子水快速冲洗铝金属层105表面，减少去离子水与铝金属层105表面的接触时间，防止去离子水中的氢离子与铝金属层105中的电子结合，避免发生铝金属层腐蚀现象。

第二实施例

图8至图14为本发明的铝金属栅极形成方法第二具体实施例示意图。如图8所示，提供半导体衬底200；所述半导体衬底200上依次形成有牺牲氧化层201和多晶硅栅极202，具体形成多晶硅栅极202的工艺如第一实施例所述。

如图9所示，在多晶硅栅极202两侧的半导体衬底200上形成侧墙203；所述侧墙203包括依次位于多晶硅两侧的氧化硅层2031和氮化硅层2032，具体形成工艺见第一实施例。

如图10所示，在半导体衬底200上形成层间介质层204；所述层间介质层204表面与多晶硅栅极202和侧墙203顶部齐平，具体形成工艺见第一实施例。

如图11所示，去除多晶硅栅极202和牺牲氧化层201，形成沟槽。

如图12所示，在层间介质层204上形成铝金属层205，并填充满所述沟槽。

如图13所示，用化学机械抛光法研磨铝金属层205至露出层间介质层；处理铝金属层205表面，形成金属栅极206，所述金属栅极206表面平整。

本实施例中，处理铝金属层205表面的方法为用稀释的有机溶液研磨铝金属层205表面。所述有机溶液一般为有机酸和去离子水的混合溶液，所述有机酸有如草酸、丙二酸、丁二酸、顺丁烯二酸、邻苯二甲酸或氨基酸，所述有机溶液的浓度为0.01～10％(重量百分比)，优选1％。例如，选用浓度为1％的丙二酸溶液清洗铝金属层205表面。

本实施例中，采用有机溶液清洗研磨后的铝金属层205表面，由于有机溶液中有机成分会吸附在铝金属层205表面，形成保护层，防止了采用去离子水长时间清洗时，氢离子与铝金属层的电子结合，并与铝金属层205反应形成氢氧化铝或氧化铝，避免了铝金属层205表面发生腐蚀。

如图14所示，热氧化法处理铝金属栅极206表面，形成氧化铝层207。

本实施例中，氧化铝层的厚度为10～100埃；所述热氧化法具体为在铝金属栅极206表面通入热O₂或O₃，使氧分子与铝金属栅极206表面发生反应，形成氧化铝层207。所述热氧化法处理铝金属栅极206表面具有两方面的作用：一方面可以让残留在铝金属栅极206表面的有机溶液与氧分子反应而被去除干净；另一方面，热氧化法形成的氧化铝层207可以保护铝金属栅极206在后续工艺处理中不会被损伤。

本发明提供的铝金属栅极形成方法，通过对铝金属层表面进行防腐蚀处理，阻止去离子水或溶液中氢离子与铝金属层中的电子相结合，从而避免铝金属层被腐蚀，保证铝金属栅极的电阻率，提高半导体器件的电性能和可靠性。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，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，均可作各种更动和修改，因此本发明的保护范围应当以权力要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种铝金属栅极的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供半导体衬底，所述半导体衬底上依次形成有牺牲氧化层、多晶硅栅极及侧墙，所述侧墙位于多晶硅栅极两侧的半导体衬底上；

在多晶硅栅极和侧墙两侧的半导体衬底上形成层间介质层，所述层间介质层多与晶硅栅极和侧墙齐平；

去除多晶硅栅极和牺牲氧化层，形成沟槽；

在层间介质层上形成铝金属层，并填充满沟槽；

研磨铝金属层至露出层间介质层；

对铝金属层表面进行防腐蚀处理，形成铝金属栅极。

2.根据权利要求1所述铝金属栅极的形成方法，其特征在于，所述防腐蚀处理方法是采用去离子水清洗铝金属层表面，去离子水流量为500～1500毫升/分钟，清洗时间小于等于30秒。

3.根据权利要求2所述铝金属栅极的形成方法，其特征在于，所述去离子水清洗铝金属层表面的去离子水流量为1000毫升/分钟，清洗时间为20秒。

4.根据权利要求1所述铝金属栅极的形成方法，其特征在于，所述防腐蚀处理方法是采用有机溶液研磨铝金属层表面。

5.根据权利要求4所述铝金属栅极的形成方法，其特征在于，所述有机溶液为有机酸，浓度为重量百分比0.01～10％。

6.根据权利要求4所述铝金属栅极的形成方法，其特征在于，所述有机酸为草酸、丙二酸、丁二酸、顺丁烯二酸、邻苯二甲酸或氨基酸。

7.根据权利要求4所述铝金属栅极的形成方法，其特征在于，在用所述有机溶液研磨铝金属表面以后，还包括步骤：

用氧气对铝金属表面进行灰化处理，形成氧化铝层。

8.根据权利要求7所述铝金属栅极的形成方法，其特征在于，所述氧化铝层厚度为10～100埃。

9.根据权利要求1所述铝金属栅极的形成方法，其特征在于，研磨铝金属层的方法为化学机械研磨法。

10.根据权利要求1所述铝金属栅极的形成方法，其特征在于，所述化学机械研磨法采用的研磨液为氧化铝研磨液。