專利名稱：金屬柵極形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造技術(shù)，特別涉及一種金屬柵極的形成方法。
背景技術(shù)：
隨著集成電路集成度的高度發(fā)展，金屬柵極已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于半導(dǎo)體器件之中，以解決集成電路中MOS (metal oxide semiconductor,金屬氧化物)晶體管尺寸進(jìn)入45nm以內(nèi)時多晶硅柵極泄漏電流增加的問題。圖1至圖7所示，為現(xiàn)有的一種金屬柵極的形成方法，其具體過程如下。如圖1所示，在襯底100上沉積犧牲層110并對其進(jìn)行刻蝕，形成溝槽120并露出所述襯底100。襯底100可以包含任何能夠作為在其上構(gòu)建半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)材料，比如硅襯底，或者已制成了場隔離區(qū)的硅襯底或者絕緣材料上的硅襯底。犧牲層100材料可以選擇氧化硅材料。如圖2所示，在溝槽120中沉積多晶硅，形成偽多晶硅柵極130，并在偽多晶硅柵極130表面沉積阻擋層140，阻擋層140材料可以為SiN(氮化硅)。在沉積多晶硅之前，本領(lǐng)域慣用的手段還包括在溝槽120中暴露的襯底100進(jìn)行離子注入形成輕摻雜源漏區(qū)210，以及在溝槽120的側(cè)壁上形成隔離側(cè)墻150 (offset spacer)的過程，可以選擇SiN作為隔離側(cè)墻150材料；在沉積阻擋層140之后還對器件表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)以使表面平坦。如圖3所示，對犧牲層110進(jìn)行刻蝕并暴露出所述襯底100。刻蝕過程中，可以保留犧牲層110靠近偽多晶娃柵極130部分的氧化娃材料，以形成主側(cè)墻160 (main spacer),或者刻蝕掉全部犧牲層110后，在隔離側(cè)墻外沉積氧化硅形成主側(cè)墻160。由于SiN的保護(hù)，處于沉積阻擋層140以及隔離側(cè)墻中的偽多晶硅柵極130在對犧牲層110的刻蝕過程中得以完好的保護(hù)。如圖4所示，對暴露出的處于偽多晶硅柵極130兩側(cè)的襯底100表面進(jìn)行離子注入，形成源漏區(qū)220。如圖5所示,在源漏區(qū)220上沉積層間介質(zhì)層170 (ILD, interlayerdielectric),并對器件表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)，將沉積阻擋層140研磨掉以露出偽多晶硅柵極130，并且使得表面平坦。層間介質(zhì)層170采用低介電系數(shù)(Low k)材料，如碳氧化硅(SiCO)、氟化硅玻璃(FSG)或者二氧化硅(SiO2)等。如圖6所示，去除偽多晶硅柵極130，并在隔離側(cè)墻150之間暴露出襯底100，形成溝槽180?？刹捎脻穹涛g技術(shù)，對偽多晶硅柵極130進(jìn)行刻蝕以達(dá)到去除目的。如圖7所示，在隔離側(cè)墻150之間的溝槽中所暴露出的襯底100上依次形成柵介質(zhì)層190和金屬層200,以形成金屬柵極。其中，柵介質(zhì)層190采用高介電系數(shù)(High k)材料，如氧化鉿、鉿硅氧化物、氧化鑭、氧化鋯、氧化鉭等；柵介質(zhì)層190可以采用如化學(xué)氣相沉積(CVD, Chemical VaporDeposition)、低壓CVD或者物理氣相沉積(PVD, Physical VaporDeposition)等常規(guī)沉積方法制成。金屬層200可采用金屬、金屬合金、金屬娃化物、金屬合金硅化物等材料，可以采用電鍍法或者金屬化學(xué)氣相沉積工藝制成。金屬柵極的出現(xiàn)可以使得MOSFET(Metallic Oxide SemiconductorFieldEffectTransistor,金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)的尺寸變得很小。但同時，也是由于尺寸的變小，使得現(xiàn)有技術(shù)中在形成金屬層200的過程中，如圖6、圖7所示，金屬并不容易沉積進(jìn)入溝槽 180 中。比如，隨著 CMOS (Complementary Metal-Oxi de-Semi conductor,互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管的尺寸的減小，側(cè)墻之間的溝槽180的寬度也在隨之減小，在CMOS的尺度范圍內(nèi)，金屬在沉積過程中極易附著在溝槽180的開口上，使得溝槽180的開口隨著金屬沉積過程的進(jìn)行變得越來越小，進(jìn)而阻礙了金屬向溝槽180內(nèi)部的沉積，從而導(dǎo)致了器件性能的下降。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供一種金屬柵極形成方法，以解決金屬柵極形成過程中，金屬極易附著在溝槽開口上，使得溝槽的開口在金屬沉積過程中變小，而阻礙金屬向溝槽內(nèi)部的沉積，從而導(dǎo)致了器件性能的下降的問題。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種金屬柵極形成方法，包括:提供襯底，在所述襯底上形成犧牲層；對所述犧牲層進(jìn)行刻蝕，形成溝槽并露出所述襯底,所述溝槽的側(cè)壁傾斜,并且溝槽開口寬度大于所露出的襯底寬度；在所述溝槽的側(cè)壁上形成隔離側(cè)墻，形成隔離側(cè)墻后的溝槽開口寬度大于所露出的襯底寬度；在所述溝槽內(nèi)形成偽多晶硅柵極，并在所述偽多晶硅柵極表面形成阻擋層；去除所述犧牲層，并在所述隔離側(cè)墻外側(cè)形成主側(cè)墻；去除所述阻擋層和偽多晶硅柵極，形成溝槽；在溝槽中所露出的襯底上依次形成柵介質(zhì)層和金屬層，以形成金屬柵極。進(jìn)一步，在形成隔離側(cè)墻之后和形成偽多晶硅柵極之前，還包括步驟:對溝槽中所露出的襯底進(jìn)行離子注入形成輕摻雜源漏區(qū)。進(jìn)一步，在去除所述犧牲層之后和去除所述阻擋層和偽多晶硅柵極之前，還包括步驟:對處于偽多晶硅柵極兩側(cè)的襯底表面進(jìn)行離子注入，形成源漏區(qū)；在形成源漏區(qū)之后的襯底上形成層間介質(zhì)層。進(jìn)一步，所述溝槽的側(cè)壁與襯底表面所處平面之間呈80° 90°夾角。進(jìn)一步，所述犧牲層材料為氧化硅，所述溝槽利用干法蝕刻方法刻蝕形成。進(jìn)一步，利用干法蝕刻方法刻蝕形成所述溝槽的過程中，通過逐漸降低偏壓和增加反應(yīng)腔室壓力以形成傾斜的溝槽側(cè)壁。進(jìn)一步，所述隔離側(cè)墻材料為氮化硅，所述隔離側(cè)墻的形成過程為:采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法在所述溝槽的側(cè)壁和底部中沉積一氮化硅層；利用干法蝕刻的方法去除沉積在所述溝槽底部的氮化硅。
進(jìn)一步，所述阻擋層材料為氮化硅，所述阻擋層采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法沉積形成。進(jìn)一步，所述犧牲層采用干法蝕刻的方法進(jìn)行去除，在去除所述犧牲層的過程中，保留鄰近所述隔離側(cè)墻部分的犧牲層材料，以形成所述主側(cè)墻。進(jìn)一步，采用化學(xué)機(jī)械研磨CMP的方法去除所述阻擋層。從上述方案可以看出，本發(fā)明在金屬柵極形成的過程中，將溝槽的側(cè)壁制作成開口寬度大于所露出的襯底寬度的倒梯形形狀，使得在后續(xù)的金屬層形成過程中在溝槽開口上附著的金屬不會導(dǎo)致溝槽開口過小而阻礙金屬向溝槽內(nèi)部進(jìn)行沉積，保證了金屬柵極的可靠性和良好的半導(dǎo)體器件性能。


圖1至圖7為現(xiàn)有的一種金屬柵極的形成方法的示意圖；圖8為本發(fā)明金屬柵極的形成方法的流程圖；圖9至圖18為本發(fā)明金屬柵極的形成方法示意圖。附圖中，各標(biāo)號所代表的部件如下:100、襯底，110、犧牲層，120、溝槽，130、偽多晶硅柵極，140、阻擋層，150、隔離側(cè)墻，160、主側(cè)墻，170、層間介質(zhì)層，180、溝槽，190、柵介質(zhì)層，200、金屬層，210、輕摻雜源漏區(qū)，220、源漏區(qū)
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明所提供的金屬柵極形成方法，包括:提供襯底，在所述襯底上形成犧牲層；對所述犧牲層進(jìn)行刻蝕，形成溝槽并露出所述襯底,所述溝槽的側(cè)壁傾斜,并且溝槽開口寬度大于所露出的襯底寬度；在所述溝槽的側(cè)壁上形成隔離側(cè)墻，形成隔離側(cè)墻后的溝槽開口寬度大于所露出的襯底寬度；在所述溝槽內(nèi)形成偽多晶硅柵極，并在所述偽多晶硅柵極表面形成阻擋層；去除所述犧牲層，并在所述隔離側(cè)墻外側(cè)形成主側(cè)墻；去除所述阻擋層和偽多晶硅柵極，形成溝槽；在溝槽中所露出的襯底上依次形成柵介質(zhì)層和金屬層，以形成金屬柵極。其中，在所述溝槽的側(cè)壁上形成隔離側(cè)墻之后，在形成隔離側(cè)墻之后和形成偽多晶硅柵極之前，還包括步驟:對溝槽中所露出的襯底進(jìn)行離子注入形成輕摻雜源漏區(qū)。在去除所述犧牲層之后和去除所述阻擋層和偽多晶硅柵極之前，還包括步驟:對處于偽多晶硅柵極兩側(cè)的襯底表面進(jìn)行離子注入，形成源漏區(qū)；在形成源漏區(qū)之后的襯底上形成層間介質(zhì)層。以下結(jié)合具體實(shí)施例對上述金屬柵極形成方法進(jìn)行具體的介紹，在本實(shí)施例中在金屬柵極的形成過程中，也一并形成了具有金屬柵極、源漏區(qū)和輕摻雜源漏區(qū)的基本MOS晶體管的器件結(jié)構(gòu)。如圖8所示，本發(fā)明的金屬柵極的形成方法具體包括如下過程。步驟1:如圖9所示，提供襯底100，在所述襯底100上形成犧牲層110。其中，襯底100可以包含任何能夠作為在其上構(gòu)建半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)材料，比如硅襯底，或者已制成了場隔離區(qū)的硅襯底或者絕緣材料上的硅襯底。犧牲層100材料可以選擇氧化硅材料，可以采用現(xiàn)有的亞大氣壓化學(xué)氣相沉積或等離子體化學(xué)氣相沉積，作為一個具體的實(shí)施例，其厚度可以選擇為300 800nm。步驟2:如圖10所示，對所述犧牲層110進(jìn)行刻蝕，形成溝槽120并露出所述襯底100，所述溝槽120的側(cè)壁傾斜，并且溝槽120的開口寬度大于溝槽120底部所露出的襯底100覽度。由于溝槽120的側(cè)壁傾斜，從而使得溝槽120成為一種倒梯形的形狀，這種開口寬、底部窄的倒梯形結(jié)構(gòu)，使得后期在溝槽120中形成柵極時，避免了由于開口部位材料的沉積而導(dǎo)致開口變窄影響溝槽120底部材料沉積的問題。所述溝槽120的通過干法蝕刻的方法刻蝕形成，溝槽120側(cè)壁的傾斜角度主要通過在蝕刻過程中逐漸降低偏壓和增加反應(yīng)腔室壓力形成的。作為一個具體的實(shí)施例，該刻蝕過程的參數(shù)為=CHF3流量20 50sccm，He流量80 150sccm，反應(yīng)腔室壓力I 5毫托，偏壓50 100V，溫度50 60°C，刻蝕時間100 300s，在100 300s的刻蝕過程中，通過對偏壓在50 100V范圍之內(nèi)逐漸進(jìn)行降低以及對反應(yīng)腔室壓力在I 5毫托范圍之內(nèi)逐漸進(jìn)行升高的控制，最終形成了側(cè)壁的傾斜的溝槽120。如果要使溝槽120側(cè)壁的傾斜角度更大一些，則可以通入流量為10 lOOsccm的CH3F,以產(chǎn)生更重的聚合物(如CH4，或更長鏈的烷)，從而使得溝槽120側(cè)壁的傾斜角度更大。形成所述溝槽120后，其側(cè)壁與襯底100表面之間的角度為80° 90°。步驟3:如圖11所示，在所述溝槽120的側(cè)壁上形成隔離側(cè)墻150，形成隔離側(cè)墻150后的溝槽120開口寬度大于所露出的襯底100寬度。所述隔離側(cè)墻150材料為氮化硅，所述隔離側(cè)墻150采用化學(xué)氣相沉積和干法蝕刻的方法形成，具體為:在所述溝槽120中(包括溝槽120的側(cè)壁以及溝槽120底部露出的襯底100)采用化學(xué)氣相沉積方法沉積一氮化硅層，然后利用干法蝕刻的方法去除沉積在溝槽120底部襯底100上的氮化硅材料，從而形成隔離側(cè)墻150。在前述步驟2中，溝槽120的側(cè)壁與襯底100表面之間有一定角度傾斜，當(dāng)形成隔離側(cè)墻150后，溝槽120的側(cè)壁(即隔離側(cè)墻150的表面)與襯底100之間仍然存在一定的角度，該角度范圍可在80° 90°之間。步驟4:如圖12所示，對溝槽120中所露出的襯底100進(jìn)行離子注入形成輕摻雜源漏區(qū)210。此步驟可采用本領(lǐng)域中的現(xiàn)有技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)，此處不再贅述。步驟5:如圖13所示，在所述溝槽120內(nèi)形成偽多晶硅柵極130，并在所述偽多晶硅柵極130表面形成阻擋層140。此步驟5中可包括如下的過程。在所述溝槽120中形成偽多晶硅柵極130，可以采用現(xiàn)有的化學(xué)氣相沉積方法在所述溝槽120內(nèi)沉積多晶硅薄膜形成。形成偽多晶硅柵極130后，對偽多晶硅柵極130和犧牲層110表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)，以去掉沉積偽多晶硅柵極130時殘留在犧牲層110表面的多余的多晶硅。之后，對偽多晶硅柵極130進(jìn)行回刻，可以采用干法蝕刻或者濕法蝕刻的方法，刻蝕掉表面的一部分多晶硅，從而形成一個凹槽。之后，在所述凹槽中沉積阻擋層140。阻擋層140材料可以為氮化硅，可以采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法形成。該阻擋層140的作用是:在后續(xù)步驟形成源漏區(qū)時，在源極、漏極形成金屬硅化物的過程中保護(hù)偽多晶硅柵極130，以防止所述偽多晶硅柵極130形成金屬娃化物。步驟6:如圖14所示，去除所述犧牲層110，并在所述隔離側(cè)墻150外側(cè)形成主側(cè)墻 160。采用干法蝕刻的方法去除所述犧牲層110(氧化硅)。去除所述犧牲層110的過程中，保留鄰近所述隔離側(cè)墻150部分的犧牲層110材料(氧化硅)，以形成主側(cè)墻160，此過程為現(xiàn)有技術(shù)，此處不再贅述。步驟7:如圖15所示，對處于偽多晶硅柵極130兩側(cè)的襯底100表面進(jìn)行離子注入，形成源漏區(qū)220。此步驟可采用本領(lǐng)域中的現(xiàn)有技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)，此處不再贅述。步驟8:如圖16所示，在形成源漏區(qū)之后的襯底上形成層間介質(zhì)層170。此步驟可采用本領(lǐng)域中的現(xiàn)有技術(shù)手段如化學(xué)氣相沉積方法實(shí)現(xiàn)。層間介質(zhì)層170材料米用低介電常數(shù)(Low K)材料,一般所述介電系數(shù)小于3.0,例如碳氧化娃(SiCO)、氟化硅玻璃(FSG)或者二氧化硅(Si02)等。步驟9:如圖17所示，去除所述阻擋層140和偽多晶硅柵極130，形成溝槽180。去除所述阻擋層140的過程采用化學(xué)機(jī)械研磨CMP的方法，在去除阻擋層140的同時，也相應(yīng)的去掉了一部分層間介質(zhì)層170。在去除所述阻擋層140之后，去除偽多晶硅柵極130的過程可采用現(xiàn)有的干法蝕刻或濕法蝕刻的方法進(jìn)行。步驟10:如圖18所示，在溝槽180中所露出的襯底100上依次形成柵介質(zhì)層190和金屬層200,以形成金屬柵極。其中，柵介質(zhì)層190采用高介電系數(shù)(High k)材料，如氧化鉿、鉿硅氧化物、氧化鑭、鑭招氧化物、氧化錯、錯娃氧化物、氧化鉭、鋇銀鈦氧化物、鋇鈦氧化物、銀鈦氧化物、氧化釔、氧化鋁、鉛鈧鉭氧化物和鈮化鉛鋅等；柵介質(zhì)層190可以采用如CVD、低壓CVD或者PVD等常規(guī)沉積方法制成。金屬層200可米用金屬、金屬合金、金屬娃化物、金屬合金硅化物、含有金屬的導(dǎo)電氧化物或者含有金屬的導(dǎo)電硅化物等材料，可以采用電鍍法或者金屬化學(xué)氣相沉積工藝制成，其中金屬可以為鋁(Al)、鈷(Co)、鉻(Cr)、鐵(Fe)、鉿(Hf)、鎂(Mg)、鑰(Mo)、錳(Mn)、鎳(Ni)、鈀(Pd)、鉬(Pt)、鑭(La)、鋨(Os)、鈮(Nb)、銠(Rh)、錸(Re)、錫(Sn)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、釩(V)、鎢(W)、釔⑴和鋯(Zr)等金屬中的一種或其組合。經(jīng)過上述金屬柵極形成的過程，由于所述溝槽呈開口寬度大于所露出的襯底寬度的倒梯形形狀，使得金屬層形成過程中，在溝槽開口上附著的金屬不會導(dǎo)致溝槽開口過小而阻礙金屬向溝槽內(nèi)部進(jìn)行沉積，保證了金屬柵極的可靠性和良好的半導(dǎo)體器件性能。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種金屬柵極形成方法，其特征在于，包括: 提供襯底，在所述襯底上形成犧牲層； 對所述犧牲層進(jìn)行刻蝕，形成溝槽并露出所述襯底，所述溝槽的側(cè)壁傾斜，并且溝槽開口寬度大于所露出的襯底寬度； 在所述溝槽的側(cè)壁上形成隔離側(cè)墻，形成隔離側(cè)墻后的溝槽開口寬度大于所露出的襯底寬度； 在所述溝槽內(nèi)形成偽多晶硅柵極，并在所述偽多晶硅柵極表面形成阻擋層； 去除所述犧牲層，并在所述隔離側(cè)墻外側(cè)形成主側(cè)墻； 去除所述阻擋層和偽多晶硅柵極，形成溝槽； 在溝槽中所露出的襯底上依次形成柵介質(zhì)層和金屬層，以形成金屬柵極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬柵極形成方法，其特征在于，在形成隔離側(cè)墻之后和形成偽多晶娃柵極之前，還包括步驟: 對溝槽中所露出的襯底進(jìn)行離子注入形成輕摻雜源漏區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬柵極形成方法，其特征在于，在去除所述犧牲層之后和去除所述阻擋層和偽多晶硅柵極之前，還包括步驟: 對處于偽多晶硅柵極兩側(cè)的襯底表面進(jìn)行離子注入，形成源漏區(qū)； 在形成源漏區(qū)之后的襯底上形成層間介質(zhì)層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的金屬柵極形成方法，其特征在于，所述溝槽的側(cè)壁與襯底表面所處平面之間呈80° 90°夾角。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的金屬柵極形成方法，其特征在于，所述犧牲層材料為氧化硅，所述溝槽利用干法蝕刻方法刻蝕形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的金屬柵極形成方法，其特征在于，利用干法蝕刻方法刻蝕形成所述溝槽的過程中，通過逐漸降低偏壓和增加反應(yīng)腔室壓力以形成傾斜的溝槽側(cè)壁。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的金屬柵極形成方法，其特征在于，所述隔離側(cè)墻材料為氮化硅，所述隔離側(cè)墻的形成過程為: 采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法在所述溝槽的側(cè)壁和底部中沉積一氮化硅層； 利用干法蝕刻的方法去除沉積在所述溝槽底部的氮化硅。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的金屬柵極形成方法，其特征在于，所述阻擋層材料為氮化硅，所述阻擋層采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法沉積形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的金屬柵極形成方法，其特征在于，所述犧牲層采用干法蝕刻的方法進(jìn)行去除，在去除所述犧牲層的過程中，保留鄰近所述隔離側(cè)墻部分的犧牲層材料，以形成所述主側(cè)墻。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的金屬柵極形成方法，其特征在于，采用化學(xué)機(jī)械研磨CMP的方法去除所述阻擋層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬柵極形成方法，包括在襯底上形成犧牲層；對犧牲層進(jìn)行刻蝕形成側(cè)壁傾斜的溝槽，且溝槽開口寬度大于所露出的襯底寬度；在溝槽的側(cè)壁上形成隔離側(cè)墻，且溝槽開口寬度大于所露出的襯底寬度；在溝槽內(nèi)依次形成偽多晶硅柵極和阻擋層；去除犧牲層，并形成主側(cè)墻；去除阻擋層和偽多晶硅柵極，形成溝槽；在溝槽中所露出的襯底上依次形成柵介質(zhì)層和金屬層，以形成金屬柵極。本發(fā)明在金屬柵極形成的過程中，將溝槽的側(cè)壁制作成開口寬度大于所露出的襯底寬度的倒梯形形狀，使得在后續(xù)的金屬層形成過程中在溝槽開口上附著的金屬不會導(dǎo)致溝槽開口過小而阻礙金屬向溝槽內(nèi)部進(jìn)行沉積，保證了金屬柵極的可靠性和良好的半導(dǎo)體器件性能。
文檔編號H01L21/28GK103117213SQ20111036305
公開日2013年5月22日 申請日期2011年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月16日
發(fā)明者鮑宇, 平延磊, 肖海波 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司