CN104810267B - 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，包括：提供衬底；形成伪栅结构、层间介质层；去除伪栅结构，以形成开口；在开口以及层间介质层上形成金属层；采用氧化气体对金属层表面进行处理，使位于层间介质层上方的部分金属层转化为金属氧化层；去除金属氧化层以及位于层间介质层上的金属层，保留位于开口中的金属层以形成金属栅极。本发明的有益效果在于，通过氧化气体对金属层表面进行处理，使位于层间介质层上方的部分金属层转化为性质稳定的金属氧化层，以阻挡在研磨过程中可能发生的无法控制的腐蚀。此外，氧化气体不含有氢氧根，可以使金属层直接转化为金属氧化层而不会形成其它中间产物，从而尽量避免金属层被氧化的深度过大。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体涉及一种金属栅极的形成方法。
背景技术
为了跟上超大规模集成电路(Ultra Large Scale Integration,ULSI)的飞速的发展，半导体器件的制作工艺变得越来越复杂和精细。
为了进一步减小半导体器件的特征尺寸，同时提升半导体器件的性能，当前的集成电路制造逐渐由先形成栅极，然后进行离子注入以形成源区和漏区的前栅工艺，转变为后栅工艺（gate last）。后栅工艺先形成伪栅(dummy gate)，然后形成源区和漏区，再覆盖层间介质层，并去除伪栅以在层间介质层中形成栅沟槽，再用金属填充栅沟槽以形成金属层。在形成金属层之后，需要通过平坦化工艺去除多余的金属，仅保留位于层间介质层开口中的金属以作为半导体器件的栅极。
目前被广泛使用的平坦化工艺为化学机械研磨(Chemical MechanicalPolishing,CMP)工艺，这种工艺是达成全局平坦化的最佳方法，尤其在半导体工艺进入亚微米领域后，化学机械研磨已成为一种不可或缺的技术。
但是，现有的化学机械研磨对于金属的平坦化效果不够理想，因为在化学机械研磨的过程中，经常会对金属造成腐蚀作用，金属的腐蚀影响研磨后形成的栅极的良率，甚至影响形成的半导体器件的性能。
为此，如何减小化学机械研磨对于金属的腐蚀作用，提升研磨良率，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种金属栅极的形成方法，以减小化学机械研磨对金属栅极的腐蚀作用。
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：
提供衬底；
在所述衬底上形成伪栅结构；
在所述衬底以及伪栅结构上形成层间介质层；
去除所述伪栅结构，以在所述层间介质层中形成暴露出部分衬底的开口；
在所述层间介质层的开口中，以及层间介质层上形成金属层；
采用氧化气体对所述金属层表面进行处理，使位于所述层间介质层上方的部分金属层转化为金属氧化层；
去除所述金属氧化层以及位于所述层间介质层上的金属层，保留位于所述开口中的金属层以形成金属栅极。
可选的，在层间介质层中形成开口的步骤之后，在形成金属层的步骤之前，还包括以下步骤：
在所述层间介质层的开口中形成介质层。
可选的，所述介质层包括高K介质层。
可选的，采用氧化气体对金属层表面进行处理的步骤包括，采用所述氧化气体处理所述金属层表面的晶界的区域。
可选的，形成金属层的步骤包括，形成铝金属层。
可选的，采用氧化气体对金属层表面进行处理的步骤包括：所述氧化气体包括臭氧。
可选的，使臭氧的气体流量在50～100标况毫升每分的范围内，并使与所述臭氧与所述铝金属层间的反应温度在150～250摄氏度的范围内。
可选的，采用氧化气体对金属层表面进行处理的步骤包括：所述氧化气体包括氧气。
可选的，采用氧化气体对金属层表面进行处理的步骤包括：所述金属层转化形成的所述金属氧化层为三氧化二铝。
可选的，形成的金属氧化层的厚度在50～80埃的范围内。
可选的，去除所述金属氧化层以及位于所述层间介质层上的金属层的步骤包括，采用化学机械研磨的方式对所述金属氧化层、金属层进行平坦化。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
通过氧化气体对金属层表面进行处理，使位于所述层间介质层上方的部分金属层转化为性质稳定的金属氧化层，以阻挡在研磨过程中可能发生的无法控制的腐蚀。此外，氧化气体不含有氢氧根，可以使金属层直接转化为金属氧化层而不会形成其它中间产物，从而尽量避免金属层被氧化的深度过大。
进一步，采用臭氧作为氧化气体对金属层表面进行处理，臭氧具有较强的氧化性，能够迅速的使部分金属层转化为金属氧化层。
附图说明
图1是本发明金属栅极的形成方法一实施例的流程示意图；
图2至图5是图1中各个步骤的半导体器件的结构示意图。
具体实施方式
现有的化学机械研磨在具体操作时，常采用去离子水（De-ionized Water,DIW）对金属层的表面进行冲洗。但是，去离子水冲洗的动作与研磨动作通常不是同步进行的。也就是说，去离子水会与金属层长时间接触，这时的金属层非常容易被腐蚀，而且这种腐蚀现象是难以控制的，也就是说，金属在遭到这种腐蚀后，被腐蚀的程度是难以预见的，特别是金属层被腐蚀的深度难以预测，腐蚀可能蔓延至金属层的深处，以至于可能影响到需要保留的、作为栅极的金属层。
例如，在化学机械研磨刚开始进时，研磨设备通常先提供去离子水，然后研磨头开始转动以对金属层进行研磨。在提供去离子水与研磨头转动开始之前有一段时间间隔，在这段时间，金属层与去离子水长时间接触，导致金属层被氧化。
另外，在化学机械研磨进行的过程中，如果研磨设备发生问题而停止研磨，此时金属层也会与去离子水有相对较长时间的接触，也会发生上述的腐蚀现象。
为此，本发明提供一种金属栅极的形成方法，参考图1为本发明金属栅极的形成方法一实施例的流程示意图。所述形成方法包括：
步骤S1，提供衬底，在所述衬底上形成伪栅结构；
步骤S2，在所述衬底以及伪栅结构上形成层间介质层；
步骤S3，去除所述伪栅结构，以在所述层间介质层中形成暴露出部分衬底的开口；
步骤S4，在所述层间介质层的开口中，以及层间介质层上形成金属层；
步骤S5，采用氧化气体对所述金属层表面进行处理，使位于所述层间介质层上方的部分金属层转化为金属氧化层；
步骤S6，去除所述金属氧化层以及位于所述层间介质层上的金属层，保留位于所述开口中的金属层以形成金属栅极。
通过上述步骤，采用氧化气体对金属层进行处理，使得所述金属层的一部分预先转化为金属氧化层，所述金属氧化层可以起到保护作用，从而能够抵挡在研磨开始之前或者研磨过程中发生的腐蚀。
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作详细的说明。
参考图2，执行步骤S1，提供衬底100，在所述衬底100上形成伪栅结构（图中未示出）。
在本实施例中，在所述伪栅结构中可以采用多晶硅作为伪栅的材料，但是本发明对此不做限定，也可以采用其它材料形成所述伪栅；
另外，在形成所述伪栅结构之后，在执行步骤S2之前，还包括以下步骤：在所述伪栅两侧的衬底100中分别形成源区以及漏区。
继续执行步骤S2，在所述衬底100以及伪栅结构上形成层间介质层110。
本步骤S2包括以下分步骤：
分步骤S21，在所述衬底100以及伪栅上覆盖层间介质层110，所述层间介质层110覆盖所述源区和漏区；
分步骤S22，平坦化所述层间介质层110，直至露出所述伪栅结构；本步骤的目的在于使所述伪栅结构暴露，以便于后续的去除所述伪栅结构的步骤S3的进行。
以上分步骤为本领域的常用技术手段，本发明对此不做赘述，也不加限定。
执行步骤S3，去除所述伪栅结构，以在所述层间介质层110中形成暴露出部分衬底100的开口50。
可以通过刻蚀方法去除多晶硅材料的伪栅结构，以形成用于填充金属栅极的开口50。
此外，在本实施例中，在执行步骤S4之前，还包括以下步骤：
在所述层间介质层110的开口50中形成介质层。所述介质层可以是高K介质层、渗透阻挡层等，本发明对此不做限制。
参考图3，执行步骤S4，在所述层间介质层110的开口50中，以及层间介质层110上形成金属层。
所述金属层120用于在后续步骤中经过平坦化以形成所述金属栅极。
在本实施例中，所述金属层120采用铝作为材料。相应的，在本实施例中可以通过沉积的方式形成所述铝金属层。但是本发明对此不作限定。
参考图4，继续执行步骤S5，采用氧化气体对所述金属层120表面进行处理，使位于所述层间介质层110上方的部分金属层120转化为金属氧化层121。
本步骤S5的目的在于通过氧化气体预先将所述金属层120位于层间介质层110上方的一部分转化为金属氧化层121，其原因在于：
在形成了所述金属氧化层121后，所述金属氧化层121能够阻挡诸如上述情况（例如，先通入去离子水再进行研磨、或者研磨设备发生问题突然停止研磨等）下，去离子水对金属氧化层121下方铝金属层的腐蚀，且形成金属氧化层121仅限于层间介质层110上方，研磨的过程中金属氧化层121也会逐渐被研磨掉，因而不会对最终要保留用于形成金属栅极的金属层部分造成影响。
此外，之所以采用氧化气体的好处在于，氧化气体不含有氢氧根离子，也就是说铝金属层被氧化直接形成可以阻挡铝被进一步氧化的氧化铝，氧化过程能够立即停止，基本不会向着铝金属层的深处蔓延。以去离子水这种氧化物为例，去离子水中的氢氧根（OH-）离子会迅速与铝离子反应生成中间产物氢氧化铝，氢氧化铝进一步分解才形成性质稳定的氧化铝（Al2O3），最后铝金属层受到的腐蚀程度还是很大，而且铝金属层的腐蚀程度难以被控制和预测。
另一方面，通入的氧化气体是可控的，也就是说对金属层120进行氧化以形成的金属氧化层121的厚度也是可以控制的。
为了使金属氧化层121的厚度足够以对下方的金属层120起到保护作用，同时又不至于过厚以至于影响到金属层120位于层间介质层下方的部分，也就是位于开口50中用于形成栅极的部分，在本实施例中，形成的金属氧化层121的厚度在50～80埃的范围内。但是本发明对此不做限制，形成的金属氧化层121的厚度可以根据实际情况，通过控制所述氧化气体来控制。
在本实施例中，所述氧化气体可以采用臭氧（O3），这种气体的氧化能力较强，能够使铝金属层迅速氧化形成氧化铝层。形成的氧化铝层能够阻挡氧化反应继续进行，也就是说，金属层120的表面能够迅速的被氧化形成金属氧化层121，然后迅速停止氧化，以避免影响到金属层120需要保留的部分。
另外，在本发明旨在通过氧化气体在金属层120表面形成厚度可控的金属氧化层121，以在使金属氧化层121不影响到形成的栅极的前提下阻挡研磨过程中可能发生的无法控制的腐蚀。所以，其它实施例中，也可以采用氧气作为所述氧化气体。
在本实施例中，在采用氧化气体对金属层120表面进行处理时，所述处理步骤包括对所述金属层120表面的晶界（grain boundary）区域进行处理。其原因在于，通常情况下金属材料在受到氧化时，氧化最先发生在金属材料的晶界处，氧化的范围会沿着晶界延伸至金属层深处，也就是说，以铝金属为例，即使铝金属在形成氧化铝后，被氧化速度会急剧变慢直至停止，但是铝金属在晶界处的受到氧化的深度仍然远大于周围的部分。
本发明采用氧化气体着重处理金属层120的晶界的区域，使得晶界区域优先转化为金属氧化层121，以防止上述情况发生。
所以，相应的，为了使臭氧可以较好地使铝金属层转化为氧化铝（Al2O3）材料的金属氧化层121，在本实施例中，可以使臭氧的气体流量在50～100标况毫升每分（sccm）的范围内，并使与所述气体与所述铝金属层间的反应温度在150～250摄氏度的范围内；在此温度和流量下，臭氧容易在金属层120的表面形成致密的氧化铝（Al2O3）材料的金属氧化层121，尤其是铝金属层的晶界附近。
参考图5，执行步骤S6，去除所述金属氧化层121以及位于所述层间介质层110上的金属层120，保留位于所述开口50中的金属层120以形成金属栅极130。
在本实施例中，通过化学机械研磨的方式去除所述金属氧化层121以及部分金属层120。由于在前一步骤S5中将所述金属层120的表面的一部分形成了金属氧化层121，在本步骤S6的研磨过程中，即使发生了上述的去离子水长时间停留于金属层120表面的情况，由于金属层120与去离子水之间有所述金属氧化层121隔离，所以不会发生上述的金属层120被去离子水腐蚀的情况。
在去除所述金属氧化层121以及部分金属层120后，剩余的位于所述开口50中的金属层120便成为所述金属栅极130。
需要说明的是，本发明所述的去离子水仅为一种腐蚀情况，此外，本发明的金属氧化层121也可以用于阻挡研磨过程中例如研磨液等其它液体或者气体的腐蚀，本发明对此不做限定。
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 (10)
1.一种金属栅极的形成方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成伪栅结构；
在所述衬底以及伪栅结构上形成层间介质层；
去除所述伪栅结构，以在所述层间介质层中形成暴露出部分衬底的开口；
在所述层间介质层的开口中，以及层间介质层上形成金属层；
采用氧化气体对所述金属层表面进行处理，使位于所述层间介质层上方的部分金属层转化为金属氧化层,其中，采用氧化气体对金属层表面进行处理的步骤包括，采用所述氧化气体处理所述金属层表面的晶界的区域；
去除所述金属氧化层以及位于所述层间介质层上的金属层，保留位于所述开口中的金属层以形成金属栅极。
2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在层间介质层中形成开口的步骤之后，在形成金属层的步骤之前，还包括以下步骤：
在所述层间介质层的开口中形成介质层。
3.如权利要求2所述的形成方法，其特征在于，所述介质层包括高K介质层。
4.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，形成金属层的步骤包括，形成铝金属层。
5.如权利要求4所述的形成方法，其特征在于，采用氧化气体对金属层表面进行处理的步骤包括：所述氧化气体包括臭氧。
6.如权利要求5所述的形成方法，其特征在于，使臭氧的气体流量在50～100标况毫升每分的范围内，并使与所述臭氧与所述铝金属层间的反应温度在150～250摄氏度的范围内。
7.如权利要求1或4所述的形成方法，其特征在于，采用氧化气体对金属层表面进行处理的步骤包括：所述氧化气体包括氧气。
8.如权利要求4所述的形成方法，其特征在于，采用氧化气体对金属层表面进行处理的步骤包括：所述金属层转化形成的所述金属氧化层为三氧化二铝。
9.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，形成的金属氧化层的厚度在50～80埃的范围内。
10.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，去除所述金属氧化层以及位于所述层间介质层上的金属层的步骤包括，采用化学机械研磨的方式对所述金属氧化层、金属层进行平坦化。
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