CN102956542A

CN102956542A - 一种半导体器件的制造方法

Info

Publication number: CN102956542A
Application number: CN2011102392780A
Authority: CN
Inventors: 平延磊
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2011-08-19
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2031-08-19
Also published as: CN102956542B

Abstract

本发明提供一种半导体器件的制造方法，包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有虚拟栅极结构，所述虚拟栅极结构包括牺牲栅电极层，且在所述虚拟栅极结构的两侧形成有紧靠所述虚拟栅极结构的间隙壁结构；去除所述牺牲栅电极层，以在所述间隙壁结构的中间形成一栅沟槽，且在所述栅沟槽中依次形成功函数金属层和阻挡层；使用一牺牲层填满所述栅沟槽，并覆盖所述功函数金属层和阻挡层；去除所述间隙壁结构顶部的所述牺牲层、阻挡层和功函数金属层；蚀刻去除所述栅沟槽中的所述牺牲层，得到一沟槽；在所述沟槽中形成浸润层；实施金属栅的回填。根据本发明，可以提供具有更大顶部开口特征尺寸的栅沟槽，改善采用传统工艺实施金属栅填充的效果。

Description

一种半导体器件的制造方法

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺，具体而言涉及一种改善金属栅填充的方法。

背景技术

在下一代集成电路的制造工艺中，对于互补金属氧化物半导体（CMOS）的栅极的制作，通常采用后栅极(gate-last)工艺。典型的后栅极工艺的过程包括：首先，在半导体衬底上形成虚拟栅极结构，所述虚拟栅极结构由自下而上的层间介电层、高k介电层、覆盖层（capping layer）和牺牲栅电极层构成；然后，在所述虚拟栅极结构的两侧形成栅极间隙壁结构，之后去除所述虚拟栅极结构的牺牲栅电极层，在所述栅极间隙壁结构之间留下一沟槽；接着，在所述沟槽内依次沉积功函数金属层（workfunction metal layer）、阻挡层（barrier layer）和浸润层（wetting layer）；最后进行金属栅（通常为铝）的填充。采用上述工艺制作的晶体管结构通常称为高k介电层/金属栅晶体管。

在形成所述金属栅极结构的过程中，通常采用沉积工艺形成所述金属栅极结构的各层材料，包括原子层沉积（ALD）、化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）。其中，前两种沉积工艺可以在所述沟槽的底部和侧壁形成很好的共形覆盖层，但是随着沉积层数的增加，使得所述沟槽的顶部开口越来越小，影响后续金属栅的填充；物理气相沉积工艺则可以通过控制相关参数使所述金属栅极结构的各层材料仅沉积在所述沟槽的底部，但是在填充具有高深宽比结构的沟槽时，溅射出的原子由于散射效应在未完成底部沉积的情况下，已经先将所述沟槽的顶部开口封住，影响后续金属栅的填充。

因此，上述传统工艺不能有效地实施后栅极工艺中的金属栅的填充，需要提出一种方法，改善采用传统工艺实施金属栅填充的效果。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种半导体器件的制造方法，包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有虚拟栅极结构，所述虚拟栅极结构包括牺牲栅电极层，且在所述虚拟栅极结构的两侧形成有紧靠所述虚拟栅极结构的间隙壁结构；去除所述牺牲栅电极层，以在所述间隙壁结构的中间形成一栅沟槽，且在所述栅沟槽中依次形成功函数金属层和阻挡层；使用一牺牲层填满所述栅沟槽，并覆盖所述功函数金属层和阻挡层；去除所述间隙壁结构顶部的所述牺牲层、阻挡层和功函数金属层；蚀刻去除所述栅沟槽中的所述牺牲层，得到一沟槽；在所述沟槽中形成浸润层；实施金属栅的回填。

进一步，所述虚拟栅极结构包括自下而上依次层叠的界面层、高k介电层、覆盖层和牺牲栅电极层。

进一步，蚀刻所述虚拟栅极结构，去除所述虚拟栅极结构最上层的所述牺牲栅电极层，以形成所述栅沟槽。

进一步，采用原子层沉积工艺或物理气相沉积工艺形成所述功函数金属层。

进一步，所述功函数金属层包括一层或多层金属。

进一步，所述功函数金属层的构成材料包括氮化钛、钛铝合金或氮化钨。

进一步，采用原子层沉积工艺或物理气相沉积工艺形成所述阻挡层。

进一步，所述阻挡层的材料包括氮化钽或氮化钛。

进一步，所述牺牲层的材料是旋涂玻璃或者多晶硅。

进一步，采用旋涂工艺形成所述牺牲层。

进一步，在所述旋涂工艺之后，执行一烘焙处理。

进一步，所述烘焙处理的温度为110-300℃。

进一步，所述烘焙处理的持续时间少于两分钟。

进一步，采用低压化学气相沉积工艺或等离子增强化学气相沉积工艺形成所述牺牲层。

进一步，采用化学机械研磨工艺去除所述间隙壁结构顶部的所述牺牲层、阻挡层和功函数金属层。

进一步，所述化学机械研磨工艺包括：先采用硅氧化物研磨工艺或硅研磨工艺，再采用金属研磨工艺的两步研磨工艺。

进一步，采用干法蚀刻或湿法蚀刻去除所述栅沟槽中的所述牺牲层。

进一步，所述干法蚀刻的蚀刻气体为氟基、氯基或溴基气体。

进一步，所述干法蚀刻所采用的工艺条件为压力30-100mTorr。

进一步，所述干法蚀刻的持续时间为15-45s。

进一步，所述湿法蚀刻所使用的腐蚀液为氢氟酸溶液或四甲基氢氧化铵溶液。

进一步，所述湿法蚀刻所采用的工艺条件为温度20-80℃。

进一步，所述湿法蚀刻的持续时间为50-120s。

进一步，采用物理气相沉积工艺形成所述浸润层。

进一步，所述浸润层的材料为钛或钛铝合金。

进一步，所述金属栅的材料为铝。

进一步，采用化学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺进行所述金属铝栅的回填。

进一步，所述化学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺所采用的工艺条件为温度300-500℃。

进一步，所述化学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺的持续时间为120-300s。

进一步，在实施金属铝栅的回填之后，采用化学机械研磨工艺去除所述间隙壁结构顶部的所述金属铝栅和浸润层。

根据本发明，可以为后栅极工艺中的金属栅填充提供具有更大顶部开口特征尺寸的栅沟槽，从而改善采用传统工艺实施金属栅填充的效果。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1A-图1H为本发明提出的改善金属栅填充的方法的各步骤的示意性剖面图；

图2为本发明提出的改善金属栅填充的方法的流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便阐释本发明提出的改善金属栅填充的方法。显然，本发明的施行并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

下面，参照图1A-图1H和图2来描述本发明提出的改善金属栅填充的方法的详细步骤。

参照图1A-图1H，其中示出了本发明提出的改善金属栅填充的方法的各步骤的示意性剖面图。

首先，如图1A所示，提供半导体衬底100，所述半导体衬底100的构成材料可以采用未掺杂的单晶硅、掺杂有杂质的单晶硅、绝缘体上硅（SOI）等。作为示例，在本实施例中，半导体衬底100选用单晶硅材料构成。在半导体衬底100中形成有隔离槽、埋层等，为了简化，图示中予以省略。

在所述半导体衬底100上形成有虚拟栅极结构101，作为一个示例，所述虚拟栅极结构101可包括自下而上依次层叠的界面层、高k介电层、覆盖层（capping layer）和牺牲栅电极层。界面层的材料可包括氧化物，如二氧化硅（SiO₂）。高k介电层的材料可包括氧化铪、氧化铪硅、氮氧化铪硅、氧化镧、氧化锆、氧化锆硅、氧化钛、氧化钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛、氧化铝等，特别优选的是氧化铪、氧化锆和氧化铝。覆盖层的材料可包括氮化钛和氮化钽。牺牲栅电极层的材料可包括多晶硅。

此外，作为示例，在所述半导体衬底100上还形成有位于所述虚拟栅极结构101两侧且紧靠所述虚拟栅极结构的间隙壁结构102。其中，所述间隙壁结构102可以包括至少一层氧化物层和/或至少一层氮化物层。

接着，如图1B所示，以所述间隙壁结构102为掩膜，蚀刻所述虚拟栅极结构，去除所述虚拟栅极结构最上层的牺牲栅电极层，在所述间隙壁结构102的中间形成一栅沟槽103。采用传统工艺完成对所述牺牲栅电极层的蚀刻，例如干法蚀刻。

接下来，在所述栅沟槽103中依次形成功函数金属层104和阻挡层105。

采用原子层沉积工艺或物理气相沉积工艺形成所述功函数金属层104。所述功函数金属层104可包括一层或多层金属，其构成材料包括氮化钛、钛铝合金和氮化钨。在所述栅沟槽103中形成所述功函数金属层104的同时，在所述间隙壁结构102的顶部也会形成所述功函数金属层104。

采用原子层沉积工艺或物理气相沉积工艺形成所述阻挡层105。所述阻挡层105的材料包括氮化钽和氮化钛。同样，在所述栅沟槽103中形成所述阻挡层105的同时，在所述间隙壁结构102的顶部也会形成所述阻挡层105。

接着，如图1C所示，使用一牺牲层（coating layer）106填满所述栅沟槽，并覆盖所述功函数金属层和阻挡层。所述牺牲层106的材料是旋涂玻璃（SOG）或者多晶硅。

当所述牺牲层106的材料是SOG时，采用旋涂工艺（spin on）形成所述牺牲层106，在所述牺牲层106形成之后，执行一烘焙处理。所述烘焙处理的温度为110-300℃，持续时间少于两分钟。

当所述牺牲层106的材料是多晶硅时，采用低压化学气相沉积工艺（LPCVD）或等离子增强化学气相沉积工艺（PECVD）形成所述牺牲层106。

接着，采用化学机械研磨工艺（CMP）去除所述间隙壁结构102顶部的所述牺牲层、阻挡层和功函数金属层，得到的半导体结构107如图1D所示，所述牺牲层、阻挡层和功函数金属层的表面与所述间隙壁结构102的顶部平齐。

当所述牺牲层的材料是SOG时，采用硅氧化物研磨工艺（oxide CMP）去除所述间隙壁结构102顶部的所述牺牲层；当所述牺牲层的材料是多晶硅时，采用硅研磨工艺（poly CMP）去除所述间隙壁结构102顶部的所述牺牲层。

采用金属研磨工艺（metal CMP）去除所述间隙壁结构102顶部的所述阻挡层和功函数金属层。

接着，如图1E所示，蚀刻去除所述牺牲层，得到一沟槽108。采用干法蚀刻或湿法蚀刻去除所述牺牲层。

当采用干法蚀刻去除所述牺牲层时，所使用的蚀刻气体为氟基、氯基或溴基气体，所采用的工艺条件为压力30-100mTorr、持续时间15-45s。

当采用湿法蚀刻去除所述牺牲层时，所使用的腐蚀液为氢氟酸溶液（HF）或四甲基氢氧化铵溶液（TMAH），所采用的工艺条件为温度20-80℃、持续时间50-120s。

接着，如图1F所示，在所述沟槽108中形成浸润层109。选用物理气相沉积工艺形成所述浸润层109。所述浸润层109的材料为钛或钛铝合金。在所述沟槽108中形成所述浸润层109的同时，在所述间隙壁结构102的顶部也会形成所述浸润层109。

接着，如图1G所示，实施金属栅110的回填。本实例中，所述金属栅110的材料为铝。采用化学气相沉积工艺（CVD）或物理气相沉积工艺（PVD）进行所述金属铝栅的回填，所采用的工艺条件为温度300-500℃、持续时间120-300s。

接着，采用化学机械研磨工艺（CMP）去除所述间隙壁结构102顶部的所述金属铝栅和浸润层，得到的半导体结构111如图1H所示，所述金属铝栅和浸润层的表面与所述间隙壁结构102的顶部平齐。

至此，完成了根据本发明示例性实施例的方法实施的全部工艺步骤，根据本发明，可以为后栅极工艺中的金属栅填充提供具有更大顶部开口特征尺寸的栅沟槽，从而改善采用传统工艺实施金属栅填充的效果。

参照图2，其中示出了本发明提出的改善金属栅填充的方法的流程图，用于简要示出整个制造工艺的流程。

在步骤201中，提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有虚拟栅极结构，所述虚拟栅极结构包括牺牲栅电极层，且在所述虚拟栅极结构的两侧形成有紧靠所述虚拟栅极结构的间隙壁结构；

在步骤202中，去除所述牺牲栅电极层，以在所述间隙壁结构的中间形成一栅沟槽，且在所述栅沟槽中依次形成功函数金属层和阻挡层；

在步骤203中，使用一牺牲层填满所述栅沟槽，并覆盖所述功函数金属层和阻挡层；

在步骤204中，去除所述间隙壁结构顶部的所述牺牲层、阻挡层和功函数金属层；

在步骤205中，蚀刻去除所述栅沟槽中的所述牺牲层，得到一沟槽；

在步骤206中，在所述沟槽中形成浸润层；

在步骤207中，实施金属栅的回填。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims

1.一种半导体器件的制造方法，包括：

提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有虚拟栅极结构，所述虚拟栅极结构包括牺牲栅电极层，且在所述虚拟栅极结构的两侧形成有紧靠所述虚拟栅极结构的间隙壁结构；

去除所述牺牲栅电极层，以在所述间隙壁结构的中间形成一栅沟槽，且在所述栅沟槽中依次形成功函数金属层和阻挡层；

使用一牺牲层填满所述栅沟槽，并覆盖所述功函数金属层和阻挡层；

去除所述间隙壁结构顶部的所述牺牲层、阻挡层和功函数金属层；

蚀刻去除所述栅沟槽中的所述牺牲层，得到一沟槽；

在所述沟槽中形成浸润层；

实施金属栅的回填。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述虚拟栅极结构包括自下而上依次层叠的界面层、高k介电层、覆盖层和牺牲栅电极层。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，蚀刻所述虚拟栅极结构，去除所述虚拟栅极结构最上层的所述牺牲栅电极层，以形成所述栅沟槽。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用原子层沉积工艺或物理气相沉积工艺形成所述功函数金属层。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述功函数金属层包括一层或多层金属。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述功函数金属层的构成材料包括氮化钛、钛铝合金或氮化钨。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用原子层沉积工艺或物理气相沉积工艺形成所述阻挡层。

8.根据权利要求1或7所述的方法，其特征在于，所述阻挡层的材料包括氮化钽或氮化钛。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述牺牲层的材料是旋涂玻璃或者多晶硅。

10.根据权利要求1或9所述的方法，其特征在于，采用旋涂工艺形成所述牺牲层。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述旋涂工艺之后，执行一烘焙处理。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述烘焙处理的温度为110-300℃。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述烘焙处理的持续时间少于两分钟。

14.根据权利要求1或9所述的方法，其特征在于，采用低压化学气相沉积工艺或等离子增强化学气相沉积工艺形成所述牺牲层。

15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用化学机械研磨工艺去除所述间隙壁结构顶部的所述牺牲层、阻挡层和功函数金属层。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述化学机械研磨工艺包括：先采用硅氧化物研磨工艺或硅研磨工艺，再采用金属研磨工艺的两步研磨工艺。

17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用干法蚀刻或湿法蚀刻去除所述栅沟槽中的所述牺牲层。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述干法蚀刻的蚀刻气体为氟基、氯基或溴基气体。

19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述干法蚀刻所采用的工艺条件为压力30-100mTorr。

20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述干法蚀刻的持续时间为15-45s。

21.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述湿法蚀刻所使用的腐蚀液为氢氟酸溶液或四甲基氢氧化铵溶液。

22.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述湿法蚀刻所采用的工艺条件为温度20-80℃。

23.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述湿法蚀刻的持续时间为50-120s。

24.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用物理气相沉积工艺形成所述浸润层。

25.根据权利要求1或24所述的方法，其特征在于，所述浸润层的材料为钛或钛铝合金。

26.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属栅的材料为铝。

27.根据权利要求1或26所述的方法，其特征在于，采用化学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺进行所述金属铝栅的回填。

28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述化学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺所采用的工艺条件为温度300-500℃。

29.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述化学气相沉积工艺或物理气相沉积工艺的持续时间为120-300s。

30.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，进一步包括：在实施金属铝栅的回填之后，采用化学机械研磨工艺去除所述间隙壁结构顶部的所述金属铝栅和浸润层。