專利名稱：具有金屬柵極疊層的半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件的制作方法，特別是涉及一種具有金屬柵極疊層的半導(dǎo)體器件的制作方法。
背景技術(shù)：
目前半導(dǎo)體工藝中標(biāo)準(zhǔn)晶體管結(jié)構(gòu)如圖1所示，半導(dǎo)體襯底I上設(shè)置有柵介質(zhì)層2，柵介質(zhì)層2上設(shè)置有多晶硅柵極3。柵介質(zhì)層2用以將多晶硅柵極3與半導(dǎo)體襯底I隔絕，現(xiàn)有工藝一般采用二氧化硅(SiO2)層作為晶體管的柵介質(zhì)層。柵介質(zhì)層2及多晶硅柵極3的兩側(cè)設(shè)置有晶體管的源極4、漏極5，源極4、漏極5之間的區(qū)域稱為溝道。隨著半導(dǎo)體集成電路的集成度越來越高，集成電路中組成器件的尺寸越來越小，晶體管的柵介質(zhì)層的厚度也隨之越來越小。半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)65納米工藝中晶體管的柵介質(zhì)層的厚度已經(jīng)不能再進(jìn)一步縮小了，否則晶體管的源極、漏極之間產(chǎn)生的漏電流會(huì)導(dǎo)致晶體管無法正常工作。進(jìn)而當(dāng)半導(dǎo)體工藝進(jìn)入45納米甚至32納米工藝時(shí)上述問題更是無法避免。經(jīng)過不斷探索后人們發(fā)現(xiàn)，在晶體管中設(shè)置“高K柵介質(zhì)層+金屬柵極”構(gòu)成的金屬柵極疊層(metal gate stack)可以解決上述問題并改善半導(dǎo)體器件的性能。由此形成的新型晶體管結(jié)構(gòu)如圖2所示，高K柵介質(zhì)層(這里的K用于衡量一種材料的存儲(chǔ)電荷的能力)6替代現(xiàn)有的柵介質(zhì)層2，金屬柵極7替代現(xiàn)有的多晶硅柵極3。所述金屬柵極疊層通常由一種后柵極工藝(gate-last approach)形成,利用后柵極工藝形成金屬柵極疊層時(shí)，可以減少金屬柵極疊層形成之后其所在半導(dǎo)體器件的制作工藝，如高溫處理工藝。后柵極工藝的基本原理是:首先在半導(dǎo)體器件中形成材質(zhì)為二氧化硅的柵介質(zhì)層、位于柵介質(zhì)層之上的多晶硅虛擬柵極(dummy poly gate);然后沉積一層或多層層間介質(zhì)層，利用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝對(duì)層間介質(zhì)層進(jìn)行平坦化處理直至露出多晶硅虛擬柵極；去除多晶硅虛擬柵極，并在多晶硅虛擬柵極所在位置形成溝槽，沉積高K柵介質(zhì)層，以在所述溝槽的底部及其側(cè)壁上形成高K柵介質(zhì)層，沉積金屬層以使金屬層填充所述溝槽，這樣由金屬層構(gòu)成的金屬柵極可以替代多晶硅虛擬柵極，高K柵介質(zhì)層與金屬層一起形成金屬柵極疊層。根據(jù)半導(dǎo)體制程需要，在制作半導(dǎo)體器件的過程中有時(shí)需用到如圖9所示的一種半導(dǎo)體器件，它具有上述金屬柵極疊層，其制作方法如下:首先執(zhí)行步驟S1:在半導(dǎo)體襯底上形成多個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)、柵介質(zhì)層。如圖3所示，利用淺溝槽隔離(STI)工藝在半導(dǎo)體襯底10上形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)
11。具體的，淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)11的形成方法如下:對(duì)半導(dǎo)體襯底10的指定區(qū)域進(jìn)行刻蝕以在半導(dǎo)體襯底10上形成多個(gè)淺溝槽；沉積絕緣層使其填充淺溝槽并覆蓋半導(dǎo)體襯底10 ;利用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝去除半導(dǎo)體襯底表面IOa上的絕緣層。形成的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)11的頂部Ila會(huì)高于半導(dǎo)體襯底表面10a。然后在半導(dǎo)體襯底10上形成柵介質(zhì)層12。然后執(zhí)行步驟S2:在相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)及相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的半導(dǎo)體襯底上形成多晶硅虛擬柵極。在半導(dǎo)體襯底10的柵介質(zhì)層12上形成多晶硅層，利用刻蝕工藝去除部分多晶硅層，以在淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)11上及相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)11之間的柵介質(zhì)層上分別形成多晶硅虛擬柵極14a、多晶硅虛擬柵極14b，如圖4所示。如前所述，由于淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)11的頂部Ila高于半導(dǎo)體襯底表面10a，因此刻蝕多晶硅層13以形成多晶硅虛擬柵極14a、多晶硅虛擬柵極14b后，位于相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)11之間的多晶硅虛擬柵極14b的頂部14b’會(huì)低于淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)11之上的多晶硅虛擬柵極14a的頂部14a’，且多晶硅虛擬柵極14b的頂部14b’與多晶硅虛擬柵極14a的頂部14a’之間存在較大的斷差。然后在多晶硅虛擬柵極14a、多晶硅虛擬柵極14b的兩側(cè)分別形成側(cè)墻15a、側(cè)墻15b。然后執(zhí)行步驟S3:在多晶硅虛擬柵極及其側(cè)墻、柵介質(zhì)層上形成硬掩膜層及層間介質(zhì)層。如圖5所示，在多晶硅虛擬柵極14a、多晶硅虛擬柵極14b及其側(cè)墻15a、側(cè)墻15b、柵介質(zhì)層12上形成硬掩膜層16。將多晶硅虛擬柵極14a及其兩側(cè)的側(cè)墻15a、覆蓋在多晶硅虛擬柵極14a及側(cè)墻15a上的硬掩膜層16稱作柵極結(jié)構(gòu)18a，將多晶硅虛擬柵極14b及其兩側(cè)的側(cè)墻15b、覆蓋在多晶硅虛擬柵極14b及側(cè)墻15b上的硬掩膜層16稱作柵極結(jié)構(gòu)18b。然后在硬掩膜層16上形成層間介質(zhì)層17。然后執(zhí)行步驟S4:利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝去除部分層間介質(zhì)層及其下方的硬掩膜層，直至露出所有多晶硅虛擬柵極。如圖6所示，利用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝去除部分層間介質(zhì)層17及位于層間介質(zhì)層17下方的硬掩膜層16直至露出多晶硅虛擬柵極14a、多晶硅虛擬柵極14b，即當(dāng)拋光至多晶硅虛擬柵極14a的頂部14a’、多晶硅虛擬柵極14b的頂部14b’時(shí)，此拋光過程停止。最后執(zhí)行步驟S5:去除多晶硅虛擬柵極，在多晶硅虛擬柵極去除后的溝槽內(nèi)填充高K柵介質(zhì)層、金屬層以形成金屬柵極疊層。如圖7所示，利用干法刻蝕或其他方法去除多晶硅虛擬柵極14a、多晶硅虛擬柵極14b，然后形成高K柵介質(zhì)層191、一層或多層金屬層192，以使其填充多晶硅虛擬柵極14a、多晶硅虛擬柵極14b去除后所形成的溝槽，利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝去除部分金屬層192、高K柵介質(zhì)層191并使拋光過程停止硬掩膜層16的最高處，從而在半導(dǎo)體器件內(nèi)形成金屬柵極疊層，分別為金屬柵極疊層19a、金屬柵極疊層1%。至此獲得如圖9所示的半導(dǎo)體器件。上述具有金屬柵極疊層的半導(dǎo)體器件的制作方法存在諸多缺點(diǎn):一、如前所述，由于多晶硅虛擬柵極14b的頂部14b’會(huì)低于多晶硅虛擬柵極14a的頂部14a’，且多晶硅虛擬柵極14b的頂部14b’與多晶硅虛擬柵極14a的頂部14a’之間存在較大的斷差，因此如果頂部較高的多晶硅虛擬柵極14a暴露后就停止化學(xué)機(jī)械拋光工藝，那么頂部較低的多晶硅虛擬柵極14b就不會(huì)暴露，造成其頂部14b’上還殘留有部分硬掩膜層16’，如圖8所示。為了去除半導(dǎo)體器件中的多晶硅虛擬柵極以形成金屬柵極，需首先將多晶硅虛擬柵極頂部14b’上殘留的硬掩膜層16’去除。去除殘留的硬掩膜層16’有多種方法，如可以先在半導(dǎo)體襯底上形成圖形化光刻膠層，并使多晶硅虛擬柵極14b上方的硬掩膜層16’沒有被光刻膠層覆蓋，然后利用干法刻蝕或濕法刻蝕去除未被光刻膠層覆蓋的硬掩膜層16’。但這樣會(huì)增加半導(dǎo)體器件的制作工藝，并增加其制作成本、制作周期。另外，采用該方法去除殘留的硬掩膜層16’后，多晶硅虛擬柵極14b的頂部14b’依然會(huì)低于多晶硅虛擬柵極14a的頂部14a’，這會(huì)影響此半導(dǎo)體器件的后期制作。例如，后續(xù)步驟S5中利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝去除部分金屬層、高K柵介質(zhì)層時(shí)，由于硬掩膜層16充當(dāng)拋光阻擋層，CMP工藝進(jìn)行至硬掩膜層16的最高處時(shí)此工藝就會(huì)停止，造成金屬柵極疊層1%上殘留有過多的金屬層(當(dāng)金屬層包括多層金屬層時(shí)，會(huì)殘留有過多的表層金屬層)，這會(huì)影響金屬柵極疊層的電學(xué)特性等。因此，為了節(jié)省此半導(dǎo)體器件的制作工藝、制作成本、制作周期，上述利用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝去除部分層間介質(zhì)層17及位于層間介質(zhì)層17下方的硬掩膜層16的過程中會(huì)進(jìn)行過拋光(over polishing)以一并去除殘留的硬掩膜層16’。在過拋光的過程中多晶硅虛擬柵極14a也會(huì)被拋光，導(dǎo)致多晶硅虛擬柵極14a的高度減小。二、為了獲得所需高度的多晶硅虛擬柵極14a，在上述步驟S2中形成多晶硅層13的過程中，會(huì)使淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)11上的多晶硅層13較厚，如圖5所示，致使后續(xù)步驟S3中形成的柵極結(jié)構(gòu)18a的深寬比(aspect ratio)較大，因此柵極結(jié)構(gòu)18a與柵極結(jié)構(gòu)18b之間形成的間隙具有較大的深寬比。在上述步驟S3中沉積層間介質(zhì)層17時(shí)，層間介質(zhì)層17很難填充在柵極結(jié)構(gòu)18a與柵極結(jié)構(gòu)18b之間，致使填充效果不佳。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是提供一種具有金屬柵極疊層的半導(dǎo)體器件的制作方法，由此制作方法能形成頂部位于同一高度的多晶硅虛擬柵極，進(jìn)而能獲得頂部位于同一高度的金屬柵極疊層，避免了在制作所述半導(dǎo)體器件的過程中由于多晶硅虛擬柵極頂部不位于同一高度而導(dǎo)致的一系列問題。為解決上述問題，本發(fā)明提供一種具有金屬柵極疊層的半導(dǎo)體器件的制作方法，包括以下步驟:在半導(dǎo)體襯底上形成至少兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)頂部高于半導(dǎo)體襯底表面，在所述半導(dǎo)體襯底上形成柵介質(zhì)層；在所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)、柵介質(zhì)層上形成填充層，所述填充層覆蓋所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)頂部，去除部分所述填充層以使所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)頂部與相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的填充層表面位于同一高度；在所述填充層及淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)上形成多晶硅層，去除部分所述多晶硅層以在所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)及相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的填充層上形成多晶硅虛擬柵極，在所述多晶硅虛擬柵極的兩側(cè)形成側(cè)墻；在所述柵介質(zhì)層、多晶硅虛擬柵極及其側(cè)墻上依次形成硬掩膜層、氧化硅層，依次去除部分氧化硅層、硬掩膜層直至露出所述多晶硅虛擬柵極的頂部；去除所述多晶硅虛擬柵極，在所述氧化硅層及多晶硅虛擬柵極上依次形成高K柵介質(zhì)層、金屬層，使所述高K柵介質(zhì)層、金屬層填充在所述多晶硅虛擬柵極去除后所形成的溝槽內(nèi)，去除部分所述金屬層、高K柵介質(zhì)層直至所述硬掩膜層頂部露出，以形成金屬柵極置層。可選的，所述去除部分填充層步驟中包括:利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝去除所述填充層直至所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)頂部露出，利用適于選擇性地刻蝕所述填充層的研磨液來進(jìn)行所述化學(xué)機(jī)械拋光過程?？蛇x的，所述填充層的材質(zhì)為多晶硅?？蛇x的，所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)包括形成在半導(dǎo)體襯底內(nèi)的淺溝槽及填充在所述淺溝槽內(nèi)的氧化硅?？蛇x的，所述化學(xué)機(jī)械拋光過程中，對(duì)材質(zhì)為多晶硅的填充層的刻蝕速率與對(duì)所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)中的氧化硅的刻蝕速率之比大于10。可選的，所述研磨液為氧化硅研磨液或氧化鈰研磨液?？蛇x的，所述填充層的材質(zhì)為多晶硅，所述化學(xué)機(jī)械拋光過程中，拋光速度低于800A/min,拋光壓力低于2psi,磨頭、轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速低于30rpm。可選的，所述去除部分氧化硅層、硬掩膜層步驟中包括:利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝去除所述氧化硅層、硬掩膜層直至所述多晶硅虛擬柵極的頂部露出，所述化學(xué)機(jī)械拋光過程中包括一次或多次拋光過程?？蛇x的，所述金屬層包括一層金屬或多層材質(zhì)不同的金屬。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:制作半導(dǎo)體器件的過程中，在半導(dǎo)體襯底中形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)后再沉積一填充層，在后續(xù)形成多晶硅虛擬柵極的過程中通過采用合理的工藝及工藝參數(shù)能使淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)上的多晶硅虛擬柵極及相鄰兩淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的多晶硅虛擬柵極頂部位于同一高度，這給半導(dǎo)體器件的后期制作帶來了很多好處:如，由多晶硅虛擬柵極及其側(cè)墻等構(gòu)成的柵極結(jié)構(gòu)具有較小的深寬比，使氧化硅層能較佳的填充在其上方；利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝可以一并去除多晶硅虛擬柵極上的硬掩膜層，不會(huì)產(chǎn)生硬掩膜層殘留的問題，并簡(jiǎn)化了制作工藝。


圖1是目前標(biāo)準(zhǔn)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是具有金屬柵極疊層的晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是現(xiàn)有一種具有金屬柵極疊層的半導(dǎo)體器件的制作過程中半導(dǎo)體襯底上形成有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)、柵介質(zhì)層的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是現(xiàn)有一種具有金屬柵極疊層的半導(dǎo)體器件的制作過程中相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)上及相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的半導(dǎo)體襯底上形成有多晶硅虛擬柵極及其側(cè)墻的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是現(xiàn)有一種具有金屬柵極疊層的半導(dǎo)體器件的制作過程中多晶硅虛擬柵極及其側(cè)墻、柵介質(zhì)層上形成有硬掩膜層及層間介質(zhì)層的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是現(xiàn)有一種具有金屬柵極疊層的半導(dǎo)體器件的制作過程中利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝去除部分層間介質(zhì)層及其下方的硬掩膜層，所有多晶硅虛擬柵極露出的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是現(xiàn)有一種具有金屬柵極疊層的半導(dǎo)體器件的制作過程中去除多晶硅虛擬柵極，在多晶硅虛擬柵極去除后的溝槽內(nèi)填充高K柵介質(zhì)層、金屬層的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是現(xiàn)有一種具有金屬柵極疊層的半導(dǎo)體器件的制作過程中部分層間介質(zhì)層及其下方的硬掩膜層被去除后，相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)上的多晶硅虛擬柵極頂部殘留有硬掩膜層的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9是由現(xiàn)有制作方法形成的一種具有金屬柵極疊層的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10是本發(fā)明具有金屬柵極疊層的半導(dǎo)體器件的制作方法實(shí)施例中此半導(dǎo)體器件的制作流程圖。圖11是本發(fā)明制作方法過程中在半導(dǎo)體襯底上依次形成墊氧化層、硬掩膜層、圖形化光刻膠，并在半導(dǎo)體襯底中形成淺溝槽的結(jié)構(gòu)示意圖。圖12是本發(fā)明制作方法過程中在硬掩膜層、淺溝槽上形成用作絕緣層的氧化硅層并使其填充在淺溝槽內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖13是本發(fā)明制作過程中依次去除硬掩膜層上的氧化硅層、硬掩膜層、墊氧化層并形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，然后在半導(dǎo)體襯底上形成柵介質(zhì)層的結(jié)構(gòu)示意圖。圖14是本發(fā)明制作過程中在淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)、柵介質(zhì)層上形成填充層，去除部分填充層以使淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)頂部與相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的填充層表面位于同一高度的結(jié)構(gòu)示意圖。圖15是本發(fā)明制作過程中在填充層及淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)上形成多晶硅層的結(jié)構(gòu)示意圖。圖16是本發(fā)明制作過程中對(duì)多晶硅層及填充層進(jìn)行刻蝕并在淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)及相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的半導(dǎo)體襯底上形成多晶硅虛擬柵極及其側(cè)墻的結(jié)構(gòu)示意圖。圖17是本發(fā)明制作過程中在柵介質(zhì)層、多晶硅虛擬柵極及其側(cè)墻上依次形成硬掩膜層、氧化硅層，依次去除部分氧化硅層、硬掩膜層直至多晶硅虛擬柵極頂部露出的結(jié)構(gòu)示意圖。圖18是本發(fā)明制作過程中去除多晶硅虛擬柵極及其下方的柵介質(zhì)層，在氧化硅層、多晶硅虛擬柵極上形成高K柵介質(zhì)層、金屬層的結(jié)構(gòu)示意圖。圖19是本發(fā)明制作過程中依次去除部分金屬層、高K柵介質(zhì)層直至金屬柵極疊層頂部露出的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式如前所述，本發(fā)明要解決的問題是提供一種具有金屬柵極疊層的半導(dǎo)體器件的制作方法，由此制作方法能形成頂部位于同一高度的多晶硅虛擬柵極，進(jìn)而能獲得頂部位于同一高度的金屬柵極疊層，避免了在制作所述半導(dǎo)體器件的過程中由于多晶硅虛擬柵極頂部不位于同一高度而導(dǎo)致的一系列問題。本發(fā)明在半導(dǎo)體襯底上形成頂部高于半導(dǎo)體襯底表面的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)后，再在形成有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底上沉積一填充層，并去除超出淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)頂部的填充層，通過控制去除所述填充層時(shí)的工藝精度可使淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的填充層表面與淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的頂部位于同一高度，使后續(xù)制作過程中淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)上的多晶硅虛擬柵極頂部與相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的多晶硅虛擬柵極頂部位于同一高度，從而避免了現(xiàn)有制作方法中由于多晶硅虛擬柵極頂部不位于同一高度而導(dǎo)致的一系列問題。圖10是本發(fā)明具有金屬柵極疊層的半導(dǎo)體器件的制作方法實(shí)施例中此半導(dǎo)體器件的制作流程圖，如圖10所示，此制作方法包括以下步驟:S10.在半導(dǎo)體襯底上形成至少兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的頂部高于半導(dǎo)體襯底表面，然后在半導(dǎo)體襯底上形成柵介質(zhì)層。
Sll.在淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)、柵介質(zhì)層上形成填充層，填充層覆蓋淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)頂部，去除部分填充層以使淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)頂部與相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的填充層表面位于同一高度。S12.在填充層及淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)上形成多晶硅層，去除部分多晶硅層以在淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)及相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的填充層上形成多晶硅虛擬柵極，然后在多晶硅虛擬柵極的兩側(cè)形成側(cè)墻。S13.在柵介質(zhì)層、多晶硅虛擬柵極及其側(cè)墻上依次形成硬掩膜層、氧化硅層，依次去除部分氧化硅層、硬掩膜層直至露出多晶硅虛擬柵極的頂部。S14.去除多晶硅虛擬柵極，在氧化硅層及多晶硅虛擬柵極上依次形成高K柵介質(zhì)層、金屬層使其填充在多晶硅虛擬柵極去除后所形成的溝槽內(nèi)，去除部分金屬層、高K柵介質(zhì)層直至硬掩膜層頂部，以形成金屬柵極疊層。圖11至圖19是圖10所示制作方法在形成半導(dǎo)體器件過程中的結(jié)構(gòu)示意圖，為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面將圖10與圖11至圖19結(jié)合起來對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實(shí)施，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實(shí)施例的限制。首先執(zhí)行步驟SlO:在半導(dǎo)體襯底上形成至少兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的頂部高于半導(dǎo)體襯底表面，然后在半導(dǎo)體襯底上形成柵介質(zhì)層。提供半導(dǎo)體襯底20,半導(dǎo)體襯底20可以包括娃(silicon)、鍺(germanium)等半導(dǎo)體襯底材料；半導(dǎo)體襯底20內(nèi)還可以形成有摻雜區(qū)，例如N阱(n-well)、P阱(p-well)、源極(source)、漏極(drain)、漂移區(qū)等；半導(dǎo)體襯底20內(nèi)還可以包括外延層、絕緣體上硅(SOI)等結(jié)構(gòu)。如圖11所示，在半導(dǎo)體襯底20上依次形成墊氧化層21、硬掩膜層22。墊氧化層21 (如氧化硅)可以利用熱氧化生長(zhǎng)或化學(xué)氣相沉積(CVD)或其它傳統(tǒng)的半導(dǎo)體薄膜制作工藝形成。同樣的，硬掩膜層22 (如氮化硅)也可利用化學(xué)氣相沉積(CVD)等傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制作工藝形成。墊氧化層21、硬掩膜層22用作填充層以保護(hù)位于其下方的半導(dǎo)體襯底20在后續(xù)的制作工藝中不受損害。后續(xù)墊氧化層21、硬掩膜層22會(huì)被去除。在硬掩膜層22上沉積光刻膠層23，對(duì)光刻膠層23進(jìn)行曝光、顯影以形成圖形化光刻膠層。此時(shí)光刻膠層23上形成有開口 24。利用刻蝕工藝(如干法刻蝕)依次去除位于開口 24下方的硬掩膜層22、墊氧化層21、半導(dǎo)體襯底20，以在半導(dǎo)體襯底20上對(duì)應(yīng)開口24的位置形成至少兩個(gè)淺溝槽25。如圖12所示，去除圖形化光刻膠層23，如可以利用有機(jī)溶劑將其去除。然后在硬掩膜層22、淺溝槽25上形成用作絕緣層的氧化硅層27以使其填充在淺溝槽25內(nèi)。氧化硅層27可以利用化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝形成。如圖13所示，去除硬掩膜層22上的氧化硅層27以形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)28。可以利用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝將部分氧化硅層27去除，在進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的過程中硬掩膜層22用作拋光阻擋層。然后依次去除硬掩膜層22、墊氧化層21。可以利用濕法刻蝕依次將硬掩膜層22、墊氧化層21去除。硬掩膜層22、墊氧化層21去除后，淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)28的頂部28a高于半導(dǎo)體襯底表面20a，在本實(shí)施例中，淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)28與半導(dǎo)體襯底表面20a的高度斷差值范圍可為ΙΟΟΑ-ΙΟΟΟΑ。半導(dǎo)體器件內(nèi)可包括多個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)以將半導(dǎo)體襯底內(nèi)的有源區(qū)隔離，為能更清楚的說明本發(fā)明，本實(shí)施例中以在半導(dǎo)體器件中形成兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行說明。在半導(dǎo)體襯底20上形成柵介質(zhì)層29，柵介質(zhì)層29的材質(zhì)可為氧化硅，它可利用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體熱氧化生長(zhǎng)工藝形成，也可利用其它的薄膜制作工藝形成。柵介質(zhì)層29用以將半導(dǎo)體襯底20與位于其上的有源區(qū)或有源器件進(jìn)行隔離。接著執(zhí)行步驟Sll:在淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)、柵介質(zhì)層上形成填充層，填充層覆蓋淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)頂部，去除部分填充層以使淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)頂部與相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的填充層表面位于同一高度。如圖14所示，在淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)28、柵介質(zhì)層29上形成填充層30，填充層30覆蓋淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)頂部28a。填充層30可以利用化學(xué)氣相沉積或其它薄膜生長(zhǎng)工藝形成。去除部分填充層30以使淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)頂部28a與相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)28之間的填充層表面30a位于同一高度。為使部分填充層30去除后淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)頂部28a與相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)28之間的填充層表面30a位于同一高度，應(yīng)使填充層的材料與淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)28中的氧化硅材料之間具有較高的選擇比，以致當(dāng)刻蝕至淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)頂部28a時(shí)不會(huì)產(chǎn)生過刻蝕。在本實(shí)施例中，填充層30的材質(zhì)為多晶硅。在后續(xù)步驟S12、S13中，相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)28之間的填充層30的其中一部分會(huì)與用以形成多晶硅虛擬柵極34b的多晶硅層31 一起構(gòu)成多晶硅虛擬柵極34b，之后在步驟S14中會(huì)將多晶硅虛擬柵極34b去除以形成金屬柵極疊層。填充層30的去除方法有多種，如干法刻蝕、濕法刻蝕、化學(xué)機(jī)械拋光或它們的組合。本實(shí)施例中采用化學(xué)機(jī)械拋光工藝去除部分填充層30。化學(xué)機(jī)械拋光填充層30時(shí)，選用一種能選擇性地刻蝕填充層30的研磨液(即，利用該研磨液能對(duì)填充層30進(jìn)行快速刻蝕、對(duì)氧化硅進(jìn)行較慢刻蝕)來對(duì)填充層30進(jìn)行刻蝕。通過控制研磨液對(duì)填充層30、氧化硅的刻蝕速率差可實(shí)現(xiàn)精度較高的刻蝕。本實(shí)施例中，研磨液可為氧化娃研磨液(silica-based slurry)或氧化鋪研磨液(ceria-based slurry)。如前所述,填充層30的材質(zhì)優(yōu)選為多晶娃。此研磨液對(duì)多晶娃與氧化硅的刻蝕選擇比大于10。此步驟中當(dāng)填充層30的材質(zhì)為多晶硅時(shí)，化學(xué)機(jī)械拋光的部分工藝參數(shù)較佳為:拋光速度低于800A/min,拋光壓力低于2psi，磨頭、轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速低于30rpmo通過控制化學(xué)機(jī)械拋光工藝中所采用的研磨料、工藝參數(shù)等可使部分填充層30去除后，淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)頂部28a與相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)28之間的填充層表面30a位
于同一高度。接著執(zhí)行步驟S12:在填充層及淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)上形成多晶硅層，去除部分多晶硅層以在淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)及相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的填充層上形成多晶硅虛擬柵極，然后在多晶硅虛擬柵極的兩側(cè)形成側(cè)墻。如前所述，由于淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)頂部28a與相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)28之間的填充層表面30a位于同一高度，因此在填充層30及淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)28上形成多晶硅層31時(shí)，不需在淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)28上形成較厚的多晶硅層31，如圖15所示，此時(shí)多晶硅層31的表面較平坦。多晶硅層31可利用化學(xué)氣相沉積等工藝形成。如圖16所示，對(duì)多晶硅層31及填充層30進(jìn)行刻蝕以在淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)28及相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)28之間的半導(dǎo)體襯底20上形成多晶硅虛擬柵極34a、34b，其中，相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)28之間的多晶硅虛擬柵極34b由兩個(gè)部分構(gòu)成:多晶硅層31及其下方的填充層30。本實(shí)施例中，可先利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝對(duì)多晶硅層31進(jìn)行平坦化處理，然后在多晶硅層上形成圖形化光刻膠層，并在圖形化光刻膠層的指定區(qū)域形成開口。對(duì)位于開口下方的多晶硅層進(jìn)行刻蝕以在淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)28上形成多晶硅虛擬柵極34a、在相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)28之間的半導(dǎo)體襯底20上形成多晶硅虛擬柵極34b?？涛g后，柵介質(zhì)層29暴露出來。去除圖形化光刻膠層，繼續(xù)參圖16所示，在多晶硅虛擬柵極34a、多晶硅虛擬柵極34b及柵介質(zhì)層29上沉積用以形成側(cè)墻的氧化硅層，對(duì)氧化硅層進(jìn)行干法刻蝕以在多晶硅虛擬柵極34a、多晶硅虛擬柵極34b的兩側(cè)形成側(cè)墻35。接著執(zhí)行步驟S13:在柵介質(zhì)層、多晶硅虛擬柵極及其側(cè)墻上依次形成硬掩膜層、氧化硅層，依次去除部分氧化硅層、硬掩膜層直至露出多晶硅虛擬柵極的頂部。如圖17所示，在柵介質(zhì)層29、多晶硅虛擬柵極34a、多晶硅虛擬柵極34b及其側(cè)墻35上依次形成硬掩膜層36、氧化硅層37。硬掩膜層36的材質(zhì)可以是氮化硅、氮氧化硅等，硬掩膜層36、氧化硅層37均可用化學(xué)氣相沉積等傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝形成。將多晶硅虛擬柵極、側(cè)墻及位于多晶硅虛擬柵極、側(cè)墻之上的硬掩膜層稱作柵極結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明中形成的柵極結(jié)構(gòu)具有較小的深寬比(aspect ratio)，因此相鄰兩柵極結(jié)構(gòu)之間的間隙也具有較小的深寬比，從而使在硬掩膜層上形成氧化硅層時(shí)其填充效果更好。在本實(shí)施例中，利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝依次去除部分氧化硅層37、硬掩膜層36，直至多晶硅虛擬柵極34a的頂部34a’、多晶硅虛擬柵極34b的頂部34b’露出，在此拋光過程中，硬掩膜層36充當(dāng)拋光阻擋層，即當(dāng)拋光至硬掩膜層36頂部時(shí)拋光工藝會(huì)停止。此刻蝕步驟中可利用一次或多次化學(xué)機(jī)械拋光工藝以去除氧化硅層37、硬掩膜層36，以實(shí)現(xiàn)更均勻的平坦化處理。至此得到的半導(dǎo)體器件中，淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)28上的多晶硅虛擬柵極34a的頂部34a’與相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)28之間的半導(dǎo)體襯底20上的多晶硅虛擬柵極34b的頂部34b’幾乎位于同一高度。因此，此步驟中進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光之后多晶硅虛擬柵極34b的頂部34b’上不會(huì)殘留有硬掩膜層36。需說明的是，在淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)上設(shè)置多晶硅虛擬柵極的原因有多種，如可以增加相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的多晶硅虛擬柵極在此區(qū)域的密度，以便半導(dǎo)體器件的后期制作等。后續(xù)在淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)上形成的金屬疊層可以不用與其它有源器件連接。最后執(zhí)行步驟S14:去除多晶硅虛擬柵極，在氧化硅層及多晶硅虛擬柵極上依次形成高K柵介質(zhì)層、金屬層使其填充在多晶硅虛擬柵極去除后所形成的溝槽內(nèi)，去除部分金屬層、高K柵介質(zhì)層直至硬掩膜層頂部，以形成金屬柵極疊層。如圖18所示，去除多晶硅虛擬柵極34a、多晶硅虛擬柵極34b，以在對(duì)應(yīng)它們的位置處形成溝槽?？梢岳酶煞涛g將多晶硅虛擬柵極34a、多晶硅虛擬柵極34b去除。在氧化硅層37、多晶硅虛擬柵極34a、多晶硅虛擬柵極34b上形成高K柵介質(zhì)層38，此時(shí)，高K柵介質(zhì)層38填充在多晶硅虛擬柵極所對(duì)應(yīng)的溝槽內(nèi)。高K柵介質(zhì)層38的材質(zhì)可為Hf02、HfSi0、HfSi0N、HfZr0等，可利用化學(xué)氣相沉積、原子層沉積(ALD)等工藝形成高K柵介質(zhì)層38。然后在高K柵介質(zhì)層38上形成金屬層39，此時(shí)，金屬層39填充在多晶硅虛擬柵極所對(duì)應(yīng)的溝槽內(nèi)并覆蓋在高K柵介質(zhì)層38上。金屬層39可包括一層金屬或多層材質(zhì)不同的金屬，金屬層39的材質(zhì)可包括:Ta (鉭)、TaN (氮化鉭)、TaC (碳化鉭)、W (鎢)、WN (氮化鎢)、A1 (鋁)、TiAl (鋁化鈦)、TiAlN (氮化鈦鋁)、TiN(氮化鈦)等。金屬層39的材質(zhì)需根據(jù)應(yīng)用需求設(shè)置，如當(dāng)此半導(dǎo)體器件中的金屬疊層應(yīng)用于PMOS時(shí)，金屬層39的材質(zhì)可包括W(鎢)或Al(鋁)、TiN(氮化鈦)、WN(氮化鎢)、TiAl(鋁化鈦)、TiAlN (氮化鈦鋁)；如當(dāng)金屬疊層應(yīng)用于NMOS時(shí)，金屬層39的材質(zhì)可包括W (鎢)或Al (鋁)、TiN (氮化鈦)、TaN(氮化鉭)、TiAl(鋁化鈦)?？衫梦锢須庀喑练e、化學(xué)氣相沉積、原子層沉積(ALD)等工藝形成金屬層39。金屬層39及其下方的高K柵介質(zhì)層38構(gòu)成金屬柵極疊層40。如圖19所示，依次去除部分金屬層39、高K柵介質(zhì)層38直至硬掩膜層36頂部露出，此時(shí)金屬柵極疊層40的頂部也40a露出。去除金屬層39、高K柵介質(zhì)層38的方法有多種，本實(shí)施例中，利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝去除部分金屬層39、高K柵介質(zhì)層38，當(dāng)拋光至硬掩膜層36頂部時(shí)拋光過程會(huì)停止，至此，金屬柵極疊層40的頂部40a露出?？梢詫?duì)具有上述結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件進(jìn)行后續(xù)加工以在半導(dǎo)體器件內(nèi)形成多種有源器件，如晶體管等。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):制作半導(dǎo)體器件的過程中，在半導(dǎo)體襯底中形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)后再沉積一填充層，在后續(xù)形成多晶硅虛擬柵極的過程中通過采用合理的工藝及工藝參數(shù)能使淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)上的多晶硅虛擬柵極及相鄰兩淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的多晶硅虛擬柵極頂部位于同一高度，這給半導(dǎo)體器件的后期制作帶來了很多好處:如，由多晶硅虛擬柵極及其側(cè)墻等構(gòu)成的柵極結(jié)構(gòu)具有較小的深寬比，使氧化硅層能較佳的填充在其上方；利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝可以一并去除多晶硅虛擬柵極上的硬掩膜層，不會(huì)產(chǎn)生硬掩膜層殘留的問題，并簡(jiǎn)化了制作工藝。本發(fā)明雖然已以較佳實(shí)施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變動(dòng)和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種具有金屬柵極疊層的半導(dǎo)體器件的制作方法，其特征在于，包括以下步驟: 在半導(dǎo)體襯底上形成至少兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)頂部高于半導(dǎo)體襯底表面，在所述半導(dǎo)體襯底上形成柵介質(zhì)層； 在所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)、柵介質(zhì)層上形成填充層，所述填充層覆蓋所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)頂部，去除部分所述填充層以使所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)頂部與相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的填充層表面位于同一高度； 在所述填充層及淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)上形成多晶硅層，去除部分所述多晶硅層以在所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)及相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的填充層上形成多晶硅虛擬柵極，在所述多晶硅虛擬柵極的兩側(cè)形成側(cè)墻； 在所述柵介質(zhì)層、多晶硅虛擬柵極及其側(cè)墻上依次形成硬掩膜層、氧化硅層，依次去除部分氧化硅層、硬掩膜層直至露出所述多晶硅虛擬柵極的頂部； 去除所述多晶硅虛擬柵極，在所述氧化硅層及多晶硅虛擬柵極上依次形成高K柵介質(zhì)層、金屬層，使所述高K柵介質(zhì)層、金屬層填充在所述多晶硅虛擬柵極去除后所形成的溝槽內(nèi)，去除部分所述金屬層、高K柵介質(zhì)層直至所述硬掩膜層頂部露出，以形成金屬柵極疊層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述去除部分填充層步驟中包括:利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝去除所述填充層直至所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)頂部露出，利用適于選擇性地刻蝕所述填充層的研磨液來進(jìn)行所述化學(xué)機(jī)械拋光過程。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述填充層的材質(zhì)為多晶硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)包括形成在半導(dǎo)體襯底內(nèi)的淺溝槽及填充在所述淺溝槽內(nèi)的氧化硅。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述化學(xué)機(jī)械拋光過程中，對(duì)材質(zhì)為多晶硅的填充層的刻蝕速率與對(duì)所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)中的氧化硅的刻蝕速率之比大于10。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述研磨液為氧化硅研磨液或氧化鋪研磨液。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述填充層的材質(zhì)為多晶硅，所述化學(xué)機(jī)械拋光過程中，拋光速度低于800A/min,拋光壓力低于2psi，磨頭、轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速低于30rpmo
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述去除部分氧化硅層、硬掩膜層步驟中包括:利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝去除所述氧化硅層、硬掩膜層直至所述多晶硅虛擬柵極的頂部露出，所述化學(xué)機(jī)械拋光過程中包括一次或多次拋光過程。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述金屬層包括一層金屬或多層材質(zhì)不同的金屬。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有金屬柵極疊層的半導(dǎo)體器件的制作方法，其包括在半導(dǎo)體襯底上形成頂部高于半導(dǎo)體襯底表面的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)后，在半導(dǎo)體襯底上形成一填充層并去除超出淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)頂部的填充層，通過控制去除所述填充層時(shí)的工藝精度可使淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的填充層表面與淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的頂部位于同一高度，使后續(xù)制作過程中淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)上的多晶硅虛擬柵極頂部與相鄰兩個(gè)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)之間的多晶硅虛擬柵極頂部位于同一高度，從而避免了現(xiàn)有制作方法中由于多晶硅虛擬柵極頂部不位于同一高度而導(dǎo)致的一系列問題。
文檔編號(hào)H01L21/28GK103117214SQ20111036610
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者陳楓 申請(qǐng)人:中芯國(guó)際集成電路制造(上海)有限公司