專利名稱：一種金屬柵極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域的檢測(cè)技術(shù)，特別涉及一種金屬柵極的制作方法。
背景技術(shù)：
目前，高介電常數(shù)絕緣材料和金屬柵極將被用于制造半導(dǎo)體器件中的邏輯電路器件。為了控制短溝道效應(yīng)，更小特征尺寸的半導(dǎo)體器件要求進(jìn)一步提高柵電極電容。 這能夠通過(guò)不斷減薄柵氧化層的厚度而實(shí)現(xiàn)，但隨之而來(lái)的是柵電極漏電流的提升。當(dāng)二氧化硅作為柵氧化層，厚度低于3.0納米時(shí)，漏電流就變得無(wú)法忍受了。解決上述問(wèn)題的方法就是使用高介電常數(shù)絕緣材料取代二氧化硅，高介電常數(shù)絕緣材料可以為鉿硅酸鹽、鉿硅氧氮化合物、鉿氧化物等，介電常數(shù)一般都大于15，采用這種材料能夠進(jìn)一步提高柵電極電容，同時(shí)柵電極漏電流又能夠得到明顯的改善。對(duì)于相同的柵氧化層厚度，將高介電常數(shù)絕緣材料與金屬柵極搭配，其柵電極漏電流將減少幾個(gè)指數(shù)量級(jí)，而且用金屬柵極取代多晶硅柵電極解決了高介電常數(shù)絕緣材料與多晶硅之間不兼容的問(wèn)題。在制作金屬柵極時(shí)，常常采用柵極后制作的方式制作，也就是先在半導(dǎo)體襯底下形成有源區(qū)后，再形成金屬柵極，以下詳細(xì)說(shuō)明。圖1為現(xiàn)有技術(shù)提供的制作金屬柵極的方法流程圖，結(jié)合圖2 圖8所示的現(xiàn)有技術(shù)制作金屬柵極的方法過(guò)程剖面結(jié)構(gòu)圖說(shuō)明步驟101、如圖2所示，在半導(dǎo)體襯底200上依次形成具有高介電常數(shù)的柵氧化層 201和替代柵極202。在該步驟之前，在半導(dǎo)體襯底200已經(jīng)進(jìn)行了雙阱工藝定義N型半導(dǎo)體器件和P 型半導(dǎo)體器件的有源區(qū)，并采用淺槽隔離(STI)隔離了 N型半導(dǎo)體器件和P型半導(dǎo)體器件的有源區(qū)，這與本發(fā)明的方案無(wú)關(guān)，不再詳述。在本步驟中，高介電常數(shù)的柵氧化層101可以為鉿硅酸鹽、鉿硅氧氮化合物、鉿氧化物等，介電常數(shù)一般都大于15。在本步驟中，替代柵極202可以通過(guò)在沉積的替代柵極材料上涂布光阻膠層，對(duì)所述光阻膠層進(jìn)行圖案化，定義替代柵極的位置，然后以圖案化的光阻膠層為掩膜進(jìn)行刻蝕，得到替代柵極。需要說(shuō)明的是，因?yàn)樽罱K形成的是金屬柵極，替代柵極會(huì)被金屬柵極替代，也就是說(shuō)替代柵極最終是不存在的，所以作為替代柵極的材料可以有多種，比如替代柵極的材料為多晶硅。步驟102、如圖3所示，在替代柵極202的兩側(cè)形成側(cè)壁層203，以所述側(cè)壁層203 和替代柵極202為掩膜，采用離子注入方式在半導(dǎo)體襯底200中形成源漏區(qū)204。其中，側(cè)壁層的材料與后續(xù)沉積的第一金屬前介質(zhì)層(PMD)的材料相同，比如氮
化硅層。步驟103、如圖4所示，沉積接觸刻蝕停止層205。在本步驟中，接觸刻蝕停止層205可以為氧化硅層，要求與上層要沉積的第一金屬前介質(zhì)層來(lái)說(shuō)，有比較高的選擇比。步驟104、如圖5所示，在接觸刻蝕停止層205上沉積第一金屬前介質(zhì)206，所沉積第一金屬前介質(zhì)層206的整體高度超過(guò)替代柵極202的高度，然后經(jīng)過(guò)化學(xué)機(jī)械研磨 (CMP)，在接觸刻蝕停止層205停止，防止CMP到替代柵極202。在本步驟中，所沉積的金屬前介質(zhì)層206可以為氮化硅層。在本步驟中，由于在CMP過(guò)程中，第一金屬前介質(zhì)層206和接觸刻蝕停止層205之間具有很高的刻蝕選擇比，所以在拋光至接觸刻蝕停止層205時(shí)，在同一平面的接觸刻蝕停止層205與第一金屬前介質(zhì)層206的刻蝕速率不相同，會(huì)造成臺(tái)階效應(yīng)。在本步驟中，金屬前介質(zhì)層的壓力為0 1. 6GPa，拉伸力為0 3. 5GPa。步驟105、如圖6所示，對(duì)替代柵極202進(jìn)行刻蝕，得到替代柵極溝槽207?？涛g替代柵極201可以采用干法刻蝕，也可以采用濕法刻蝕。其中，干法刻蝕的氣體可以包含六氟化硫(SF6)或氯氣(Cl2)；濕法刻蝕，具體可以采用硝酸和氫氟酸的混合溶液去除。無(wú)論干法刻蝕還是濕法刻蝕，都可以確?？涛g替代柵極201的同時(shí)，不對(duì)其兩側(cè)的金屬前介質(zhì)層進(jìn)行刻蝕。步驟106，如圖7所示，在替代柵極溝槽207填充金屬柵極材料，得到金屬柵極。在本步驟中，沉積作為金屬柵極的材料，沉積時(shí)該金屬柵極材料還會(huì)覆蓋第一金屬前介質(zhì)層206和接觸停止層205表面，然后通過(guò)CMP，對(duì)第一金屬前介質(zhì)層206和接觸停止層205表面上的金屬柵極材料進(jìn)行拋光，得到金屬柵極。作為金屬柵極的材料可以為鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)中的任意兩種或者三種的組合。從上述制作金屬柵極的方案可以看出，由于圖6所示的臺(tái)階，會(huì)對(duì)后續(xù)在刻蝕替代柵極及填充金屬柵極產(chǎn)生影響，最終影響所得到的半導(dǎo)體器件的性能。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供一種金屬柵極的制作方法，該方法能夠消除制作過(guò)程中所產(chǎn)生的臺(tái)階效應(yīng)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明實(shí)施的技術(shù)方案具體是這樣實(shí)現(xiàn)的一種金屬柵極的制作方法，該方法包括在提供的半導(dǎo)體襯底上形成柵氧化層和替代柵極后，在替代柵極兩側(cè)形成側(cè)壁層；以側(cè)壁層和替代柵極為掩膜，對(duì)半導(dǎo)體襯底進(jìn)行離子注入形成源漏區(qū)；在半導(dǎo)體襯底、側(cè)壁層及替代柵極表面沉積接觸刻蝕停止層；在接觸刻蝕停止層沉積第一金屬前介質(zhì)層后，所沉積的第一金屬前介質(zhì)層高度超過(guò)替代柵極表面，拋光至接觸刻蝕停止層停止，在同一平面上的第一金屬前介質(zhì)層表面和接觸刻蝕停止層表面形成臺(tái)階；在第一金屬前介質(zhì)層表面和接觸刻蝕停止層表面沉積第二金屬前介質(zhì)層，完全覆蓋所述臺(tái)階后，再次拋光至替代柵極表面；刻蝕掉替代柵極得到替代柵極溝槽，在替代柵極溝槽填充金屬柵極。所述第二金屬前介質(zhì)層的材料為氧化硅。
所述第二金屬前介質(zhì)層采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD方法得到。所述第二金屬前介質(zhì)層采用亞大氣壓化學(xué)氣相沉積SACVD方法得到。所述第二金屬前介質(zhì)層采用SACVD方法和PECVD方法得到。所述第二金屬前介質(zhì)層先采用SACVD方法，再采用PECVD方法得到。由上述技術(shù)方案可見，本發(fā)明在刻蝕替代柵極之前，在拋光了第一金屬前介質(zhì)層之后，還包括沉積第二金屬前介質(zhì)層覆蓋住拋光第一金屬前介質(zhì)所產(chǎn)生的臺(tái)階，然后再將第二金屬前介質(zhì)層拋光至替代柵極表面。這樣，在后續(xù)刻蝕替代柵極及填充金屬柵極過(guò)程中，半導(dǎo)體器件上就不會(huì)存在臺(tái)階。因此，本發(fā)明提供的方法消除金屬柵極制作過(guò)程中所產(chǎn)生的臺(tái)階效應(yīng)。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)提供的制作金屬柵極的方法流程圖；圖2 圖7為現(xiàn)有技術(shù)制作金屬柵極的方法過(guò)程剖面結(jié)構(gòu)圖；圖8為本發(fā)明提供的金屬柵極的制作方法流程圖；圖9 圖15本發(fā)明提供的金屬柵極的制作方法剖面結(jié)構(gòu)圖。
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(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。在制作金屬柵極過(guò)程中，本發(fā)明為了克服在拋光第一金屬前介質(zhì)層時(shí)在半導(dǎo)體器件上所產(chǎn)生的臺(tái)階效應(yīng)，在刻蝕替代柵極之前，在拋光了第一金屬前介質(zhì)層之后，還包括沉積第二金屬前介質(zhì)層覆蓋住拋光第一金屬前介質(zhì)所產(chǎn)生的臺(tái)階，然后再將第二金屬前介質(zhì)層拋光至替代柵極表面。這樣，在后續(xù)刻蝕替代柵極及填充金屬柵極過(guò)程中，半導(dǎo)體器件上就不會(huì)存在臺(tái)階。在本發(fā)明中，第二金屬前介質(zhì)可以為氧化硅層，采用的方式為亞大氣壓化學(xué)氣相沉積(SACVD)方法、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法或者SACVD方法與PECVD方法相結(jié)合得到。其中，采用SACVD方法得到氧化硅層的過(guò)程為反應(yīng)腔通入1 5克的TEOS 和2000 20000毫升每立方厘米(sccm)的臭氧(O3)，載氣采用2000 20000sccm的氦氣 (He)和2000 20000sccm的氮?dú)?N2)，反應(yīng)腔的壓力為500 700托，溫度為350 450 攝氏度；采用PECVD方法得到氧化硅層的過(guò)程為反應(yīng)腔通入2 IOgm的TEOS和2000 lOOOOsccm的氧氣(O2)，載氣采用2000 OOOOsccm的HE，反應(yīng)腔的射頻功率為1000 1500 瓦，壓力為500 700托，溫度為；350 450攝氏度。在采用SACVD方法與PECVD方法相結(jié)合得到氧化硅層時(shí)，可以采用先進(jìn)行SACVD 方法，然后再進(jìn)行PECVD方法得到氧化硅層，SACVD方法能夠克服在沉積過(guò)程中的孔洞問(wèn)題，而PECVD的沉積速度更快。圖8為本發(fā)明提供的制作金屬柵極的方法流程圖，其具體步驟為步驟801、如圖9所示，在半導(dǎo)體襯底200上依次形成具有高介電常數(shù)的柵氧化層 201和替代柵極202。步驟802、如圖10所示，在替代柵極202的兩側(cè)形成側(cè)壁層203，以所述側(cè)壁層203和替代柵極202為掩膜，在半導(dǎo)體襯底200中形成源漏區(qū)204。其中，側(cè)壁層的材料與后續(xù)沉積的金屬前介質(zhì)層的材料相同，比如氮化硅層。步驟803、如圖11所示，沉積接觸刻蝕停止層205。在本步驟中，接觸刻蝕停止層205可以為氧化硅層，要求與上層要沉積的金屬前介質(zhì)層來(lái)說(shuō)，有比較高的選擇比。步驟804、如圖12所示，在接觸刻蝕停止層205上沉積第一金屬前介質(zhì)層206，所沉積的第一金屬前介質(zhì)層206的整體高度超過(guò)替代柵極202的高度，然后經(jīng)過(guò)CMP，在接觸刻蝕停止層205停止，防止CMP到替代柵極202。在本步驟中，所沉積的第一金屬前介質(zhì)層206可以為氮化硅層。在本步驟中，由于在CMP過(guò)程中，第一金屬前介質(zhì)層206和接觸刻蝕停止層之間具有很高的刻蝕選擇比，所以在拋光至接觸刻蝕停止層205時(shí)，在同一平面的接觸刻蝕停止層205與第一金屬前介質(zhì)層206的刻蝕速率不相同，會(huì)造成臺(tái)階效應(yīng)。在本步驟中，金屬前介質(zhì)層的壓力為0 1. 6GPa，拉伸力為0 3. 5GPa。步驟801 804所述過(guò)程與步驟101 步驟104所述過(guò)程相同，這里不再贅述。步驟805、如圖13所示，在接觸刻蝕停止層205表面和第一金屬前介質(zhì)層206表面上沉積第二金屬前介質(zhì)層901后，采用CMP對(duì)第二金屬前介質(zhì)層901進(jìn)行拋光至替代柵極表面。在本步驟中第二金屬前介質(zhì)層901可以為氧化硅層，用于覆蓋住臺(tái)階。步驟806、如圖14所示，對(duì)替代柵極202進(jìn)行刻蝕，得到替代柵極溝槽207?？涛g替代柵極202可以采用干法刻蝕，也可以采用濕法刻蝕。其中，干法刻蝕的氣體可以包含SF6或Cl2 ；濕法刻蝕，具體可以采用硝酸和氫氟酸的混合溶液去除。無(wú)論干法刻蝕還是濕法刻蝕，都可以確?？涛g替代柵極202的同時(shí)，不對(duì)其兩側(cè)的金屬前介質(zhì)層進(jìn)行刻蝕。步驟807，如圖15所示，在替代柵極溝槽207填充金屬柵極材料，得到金屬柵極 208。在本步驟中，沉積作為金屬柵極的材料，沉積時(shí)該金屬柵極材料還會(huì)覆蓋第二金屬前介質(zhì)層901和接觸停止層205表面，然后通過(guò)CMP，對(duì)第二金屬前介質(zhì)層901和接觸停止層205表面上的金屬柵極材料進(jìn)行拋光，得到金屬柵極208。作為金屬柵極的材料可以為Ti、TiN、Ta、TaN中的任意兩種或者三種的組合。以上舉較佳實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，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)，所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種金屬柵極的制作方法，其特征在于，該方法包括在提供的半導(dǎo)體襯底上形成柵氧化層和替代柵極后，在替代柵極兩側(cè)形成側(cè)壁層；以側(cè)壁層和替代柵極為掩膜，對(duì)半導(dǎo)體襯底進(jìn)行離子注入形成源漏區(qū)；在半導(dǎo)體襯底、側(cè)壁層及替代柵極表面沉積接觸刻蝕停止層；在接觸刻蝕停止層沉積第一金屬前介質(zhì)層后，所沉積的第一金屬前介質(zhì)層高度超過(guò)替代柵極表面，拋光至接觸刻蝕停止層停止，在同一平面上的第一金屬前介質(zhì)層表面和接觸刻蝕停止層表面形成臺(tái)階；在第一金屬前介質(zhì)層表面和接觸刻蝕停止層表面沉積第二金屬前介質(zhì)層，完全覆蓋所述臺(tái)階后，再次拋光至替代柵極表面；刻蝕掉替代柵極得到替代柵極溝槽，在替代柵極溝槽填充金屬柵極。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二金屬前介質(zhì)層的材料為氧化硅。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第二金屬前介質(zhì)層采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD方法得到。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第二金屬前介質(zhì)層采用亞大氣壓化學(xué)氣相沉積SACVD方法得到。
5.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第二金屬前介質(zhì)層采用SACVD方法和PECVD方法得到。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二金屬前介質(zhì)層先采用SACVD方法， 再采用PECVD方法得到。
全文摘要
一種金屬柵極的制作方法在提供的半導(dǎo)體襯底上形成柵氧化層和替代柵極后，在替代柵極兩側(cè)形成側(cè)壁層；以側(cè)壁層和替代柵極為掩膜，對(duì)半導(dǎo)體襯底進(jìn)行離子注入形成源漏區(qū)；在半導(dǎo)體襯底、側(cè)壁層及替代柵極表面沉積接觸刻蝕停止層；在接觸刻蝕停止層沉積第一金屬前介質(zhì)層后，所沉積的第一金屬前介質(zhì)層高度超過(guò)替代柵極表面，拋光至接觸刻蝕停止層停止，在同一平面上的第一金屬前介質(zhì)層表面和接觸刻蝕停止層表面形成臺(tái)階；在第一金屬前介質(zhì)層表面和接觸刻蝕停止層表面沉積第二金屬前介質(zhì)層，完全覆蓋所述臺(tái)階后，再次拋光至替代柵極表面；刻蝕掉替代柵極得到替代柵極溝槽，在替代柵極溝槽填充金屬柵極。本發(fā)明消除了制作過(guò)程產(chǎn)生的臺(tái)階效應(yīng)。
文檔編號(hào)H01L21/283GK102569049SQ201010610018
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月28日
發(fā)明者蔣莉, 鮑宇 申請(qǐng)人:中芯國(guó)際集成電路制造(上海)有限公司