專利名稱：最小化非平面性效應(yīng)的晶體管金屬柵結(jié)構(gòu)及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體器件，更具體地，涉及最小化非平面性效應(yīng)的晶體管金屬柵結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在本文中，術(shù)語“高k材料”或“高介電常數(shù)材料”指任何介電常數(shù)大于二氧化硅的材料。二氧化硅的介電常數(shù)大約是3.9。
在工業(yè)上由于使用薄二氧化硅層的電問題而向高介電常數(shù)材料前進時，使用多晶硅作為柵電極可能導致多晶硅中載流子的耗盡。為了減輕多晶硅耗盡問題，可以使用金屬柵結(jié)構(gòu)。
一種用于形成晶體管金屬柵結(jié)構(gòu)的方法包括沿圍繞柵溝槽的絕緣材料的頂表面在柵溝槽中沉積金屬層，溝槽指柵極隨后將形成的位置。使用回蝕刻或拋光工藝除去位于柵溝槽之外的部分金屬層。
在采用化學機械拋光(CMP)除去金屬層時，可能沿半導體晶片發(fā)生凹陷(dishing)，而在采用回蝕刻時，可能腐蝕柵溝槽周圍的絕緣材料。這導致非功能性的器件，降低產(chǎn)量。因此，需要一種在除去柵溝槽之外的金屬層時最小化非平面性效應(yīng)的半導體工藝。


通過示例的方式說明本發(fā)明，并且本發(fā)明不限于附圖，在附圖中相似的參考標記表示類似的元件，其中圖1說明按照本發(fā)明的一種實施方式在替代柵集成中除去假柵極之后半導體器件的截面圖；圖2說明按照本發(fā)明的一種實施方式在沉積柵介質(zhì)和柵電極之后圖1中的半導體器件；圖3說明按照本發(fā)明的一種實施方式在沉積停止層之后圖2中的半導體器件；圖4說明按照本發(fā)明的一種實施方式在沉積金屬層之后圖3中的半導體器件；圖5說明按照本發(fā)明的一種實施方式在除去部分金屬層之后圖4中的半導體器件；圖6說明按照本發(fā)明的一種實施方式在除去部分金屬層、停止層、柵電極層和柵介質(zhì)之后圖5中的半導體器件。
熟練的技術(shù)人員明白圖中的元件為了簡化和清楚而示例說明，沒有必要按比例繪制。例如，圖中一些元件的尺寸可以相對于其它元件夸大，以幫助改善對本發(fā)明的實施方式的理解。
具體實施例方式
鄰接控制電極溝槽的所有表面并延伸出控制電極溝槽，形成控制電極介質(zhì)層。鄰接控制電極溝槽中的控制電極介質(zhì)層形成控制電極。在控制電極介質(zhì)層之上，在控制電極溝槽中形成停止層。控制電極層和停止層兩者的填充少于全部控制電極溝槽。鄰接停止層的所有露出表面并且延伸出柵溝槽并且基本上填充控制電極溝槽剩余的全部體積，形成導電層?？刂齐姌O介質(zhì)層、控制電極層、停止層和導電層形成覆蓋襯底中的溝道區(qū)并具有橫向尺寸和高度的控制電極疊層，所述和高度定義由側(cè)壁隔層決定的控制電極溝槽。
采用基本上阻止去除的停止層來去除停止層上的導電層的一部分。停止層是在去除覆蓋材料時具有比覆蓋材料慢的去除速率的導電材料。同樣去除在預(yù)定高度上的導電層、停止層、控制電極層和控制電極介質(zhì)層的所有部分。通過參考附圖可以更好地理解本發(fā)明，本發(fā)明由權(quán)利要求來限定。
正如熟練的技術(shù)人員已知的那樣，圖1說明在去除假的柵疊層以形成替代柵集成中的柵溝槽19之后半導體器件或集成電路10的截面，包括半導體襯底12、源區(qū)14、漏區(qū)16、側(cè)壁隔層18和層間介質(zhì)層(ILD)20。半導體襯底12可以是任何半導體材料，如硅、砷化鎵、硅鍺等。此外，半導體襯底12可以是絕緣體上硅(SOI)襯底的硅層。源區(qū)14和漏區(qū)16被摻雜成與半導體襯底12(如果摻雜)相反的導電性，并且彼此分離，以限定半導體襯底12中的溝道區(qū)。側(cè)壁隔層18是絕緣的，并且，優(yōu)選地包括氮化物或氧化物材料。在一個實施方式中，側(cè)壁隔層18是絕緣材料的疊層。ILD層20是絕緣材料，如二氧化硅，并且也可以包括絕緣材料的疊層。ILD層20鄰接側(cè)壁隔層的外圍并且絕緣隨后形成的晶體管結(jié)構(gòu)。
如圖2所示，通過CVD(化學氣相沉積)、PVD(物理氣相沉積)、ALD(原子層沉積)、MBE(分子束外延)、鍍覆、上述工藝的組合等，在柵溝槽19中并沿ILD層20的上表面形成柵介質(zhì)或控制電極介質(zhì)22和柵電極24。然而沒有必要通過相同的工藝形成柵介質(zhì)層22和柵電極24。柵介質(zhì)層可以是任何介質(zhì)材料，如二氧化硅、高k材料、金屬氮氧化物、金屬氧化物、金屬硅酸鹽或金屬鋁酸鹽。例如，柵介質(zhì)層22可以是氮化硅、二氧化硅、HfO2、ZrO2、HfSixOy、SiOxNy等。典型地，柵介質(zhì)層22大約是10埃到60埃。
柵電極或電流電極24可以是金屬氮化物(如TiN、TaN、TiSiN、TaSiN)、導電金屬氧化物(如IrO、RuO)或金屬鋁氮化物(如TixAlyNz)、金屬硅化物、金屬硅氮化物或具有合適的功函數(shù)的任何其它材料。合適的功函數(shù)是決定晶體管的所需閾值電壓值的材料性質(zhì)。在一個實施方式中，柵電極24的厚度小于晶體管柵長度的一半并大于10埃。
如圖3所示，在形成柵介質(zhì)層22和柵電極24之后，通過CVD、PVD、ALD、MBE、鍍覆等或上述工藝的組合形成停止層26。停止層26是導電的并且可以是純金屬(如Ti、Ta、Ag、Au、Ir或Ru)、金屬硅化物(如硅化鈷或硅化鈦)或硅。停止層26可以用作停止層和/或用于隨后形成的覆蓋層的拋光停止層。停止層26可以是用于覆蓋材料的化學機械拋光(CMP)或物理機械拋光的拋光停止層。在其中停止層26是拋光停止層的實施方式中，50埃的厚度對于使用傳統(tǒng)CMP裝置是足夠的。在用作蝕刻停止層時，停止層26可以是用于覆蓋材料的化學回蝕刻的停止層。
如圖4所示，在形成停止層26之后，通過CVD、PVD、ALD、MBE、鍍覆等或上述工藝的組合，在半導體器件10上形成導電層28。導電層28是低電阻率的導電材料，可以是金屬(如W、Al、Au、Cu、Ag、Pt)、金屬硅化物或硅等，或這些金屬的組合。導電層28應(yīng)當能夠相對于停止層26的材料被選擇性地拋光或蝕刻。導電層28比停止層26、柵電極層24和柵介質(zhì)層22的總厚度更厚。因此，停止層26、柵電極層24和柵介質(zhì)層22比導電層28更薄。在一個實施方式中，導電層28的厚度大約是柵溝槽19的深度的兩倍。
如圖5所示，在形成導電層28之后，對部分導電層28拋光或蝕刻，直到露出停止層26。這可以通過采用對選作停止層26的材料具有選擇性的工藝來進行。例如，如果導電層28是鎢而停止層26是鈦，可以采用使用FeNO3的CMP化學物質(zhì)。用于去除適合作導電層28的材料的該化學物質(zhì)傾向于對金屬氮化物或其它柵電極類型的材料沒有選擇性，然而該化學物質(zhì)對于所公開的停止層26的材料具有選擇性。
如圖6所示，在去除位于停止層28之上的部分導電層28之后，進行不同的拋光或蝕刻工藝以去除停止層26、柵電極層24和柵介質(zhì)層22。ILD層20將用作對覆蓋材料選擇性層去除的第二停止材料。例如，如果通過CMP去除導電層28，半導體器件10可以被轉(zhuǎn)換到采用不同漿料的CMP工具中的不同工作臺上，并且相對于ILD層20選擇性地進行去除停止層26、柵電極層24和柵介質(zhì)層22。例如使用氫氧化銨的化學物質(zhì)可以用于對三層26、24和22進行CMP。然而，沒有必要采用同一化學物質(zhì)或同一工藝步驟中去除停止層26、柵電極層24和柵介質(zhì)層22。因此，可以采用多于一個的處理化學物質(zhì)和步驟以去除層26、24和22。
在去除ILD層20之上的部分柵電極疊層或控制電極疊層之后，所得到的結(jié)構(gòu)具有柵或控制電極疊層的最小凹陷或凹進，該柵電極疊層包括導電層28、停止層26、柵電極層24和柵介質(zhì)層22。在半導體襯底12(未示出)的其它區(qū)域中，ILD層20的凹陷也被最小化。有利地，由于凹陷的減少而提高了產(chǎn)量。停止層26的存在允許進行至少兩個步驟的拋光或蝕刻工藝。由于通常拋光或蝕刻較厚的層比較薄的層更難以達到沿芯片或晶片的良好均勻性，采用獨立的工藝，通過停止在停止層相對于覆蓋薄層選擇性地去除較厚層并隨后去除較薄層的能力提高了平面性控制。
本發(fā)明的另一優(yōu)點是允許與其拋光或蝕刻特性無關(guān)地選擇柵電極材料。因此，本發(fā)明對于柵電極材料提供了比不采用停止層26時更寬的選擇范圍。
在形成最小化非平面性的晶體管金屬柵之后，進行對于本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員已知的傳統(tǒng)附加處理(未示出)。例如，在圖6所示的結(jié)構(gòu)上沉積第二ILD材料，并且隨后形成金屬互連。
在前面的說明書中，已經(jīng)參照特定的實施方式描述了本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員明白可以進行不同的更改和修改，而不背離權(quán)利要求中所提出的本發(fā)明。例如，可以在柵電極疊層中結(jié)合附加的層，如擴散和阻擋層。因此，本說明書和附圖被認為是示例性的而不是限制性的，并且所有這樣的更改都包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
在上文中參照特定的實施方式描述了益處、其它優(yōu)點和對問題的解決。然而，益處、優(yōu)點和對問題的解決，以及其它可能導致任何益處、優(yōu)點或解決的發(fā)生或更為明顯的元素不應(yīng)理解成任何或全部權(quán)利要求的關(guān)鍵的、所需的或必要的特征或元素。正如在本文中所使用的，術(shù)語“包括”、“包含”或任何其它的變化應(yīng)覆蓋非排它性的包含，使得包括一組元素的工藝、方法、制品或設(shè)備不是只包括這些元素，而是可以包括在表達上未列出或?qū)@樣的工藝、方法、制品或設(shè)備所固有的其它元素。
權(quán)利要求
1.一種晶體管結(jié)構(gòu)(10)，包括具有第一(14)和第二(16)電流電極的襯底(12)，所述第一和第二電極在襯底中形成并分隔開以在襯底中限定溝道區(qū)；覆蓋襯底中的溝道區(qū)的控制電極疊層，該控制電極疊層具有由側(cè)壁隔層(18)決定的橫向尺寸并具有限定控制電極溝槽的高度，該控制電極疊層還包括直接鄰接側(cè)壁隔層(18)和溝道區(qū)之上的區(qū)域的控制電極介質(zhì)(22)，該控制電極介質(zhì)填充控制電極溝槽的第一部分；直接鄰接控制電極介質(zhì)的控制電極層(24)，該控制電極層填充控制電極溝槽的第二部分并具有決定該晶體管結(jié)構(gòu)的閾值電壓的材料性質(zhì)；直接鄰接控制電極層的導電停止層(26)，該導電停止層填充控制電極溝槽的第三部分并在形成晶體管結(jié)構(gòu)期間提供用于對覆蓋材料選擇性層去除的停止材料；以及直接鄰接導電停止層的導電層(28)，該導電層填充控制電極溝槽的第四部分，所述第一部分、第二部分、第三部分和第四部分基本上填滿控制電極溝槽。
2.如權(quán)利要求1所述的晶體管結(jié)構(gòu)，其中所述導電停止層(26)是用于對覆蓋材料的化學機械拋光的拋光停止層。
3.如權(quán)利要求1所述的晶體管結(jié)構(gòu)，其中所述導電停止層(26)是用于對覆蓋材料的物理機械拋光的拋光停止層。
4.如權(quán)利要求1所述的晶體管結(jié)構(gòu)，其中所述導電停止層(26)是用于對覆蓋材料的化學回蝕刻的蝕刻停止層。
5.如權(quán)利要求1所述的晶體管結(jié)構(gòu)，其中所述控制電極介質(zhì)(22)包括從二氧化硅、硅氮氧化物、氮化硅、金屬硅酸鹽、金屬鋁酸鹽、金屬氧化物和金屬氮氧化物構(gòu)成的組中選擇的一種材料。
6.如權(quán)利要求1的晶體管結(jié)構(gòu)，其中所述導電停止層(26)包括在去除覆蓋材料時去除速率比覆蓋材料更慢的導電材料。
7.一種用于提供晶體管(10)的方法，包括提供襯底(12)；在襯底中形成第一(14)和第二(16)電流電極，該第一和第二電流電極被隔開，以在襯底中限定溝道區(qū)；形成決定控制電極位置的控制電極溝槽；以及在控制電極溝槽中形成控制電極疊層，所述控制電極疊層的形成還包括在控制電極溝槽中并超出控制電極溝槽、直接鄰接控制電極溝槽壁形成控制電極介質(zhì)(22)，該控制電極介質(zhì)填充控制電極溝槽的第一部分；直接鄰接控制電極介質(zhì)形成控制電極層(24)，該控制電極層填充控制電極溝槽的第二部分并且具有決定晶體管的閾值電壓的材料性質(zhì)；直接鄰接控制電極層形成導電停止層(26)，該導電停止層填充控制電極溝槽的第三部分并且在形成晶體管時提供用于對覆蓋材料選擇性層去除的停止材料；直接鄰接導電停止層形成導電層(28)，該導電層填充控制電極溝槽的第四部分，所述第一部分、第二部分、第三部分和第四部分基本上填滿控制電極溝槽開口；去除導電層在26的頂表面上的第一初始部分，從而通過使用導電停止層停止去除而形成第一上表面；以及去除導電層在20的頂表面上的第二初始部分和導電停止層、控制電極層和控制電極介質(zhì)的一部分，從而形成具有基本上平整的上表面的控制電極疊層。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，還包括鄰接控制電極溝槽的外圍形成層間介質(zhì)(20)，該層間介質(zhì)電絕緣晶體管；以及將層間介質(zhì)用作第二停止材料，以去除導電層的第二初始部分和導電停止層、控制電極層和控制電極介質(zhì)的一部分。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，還包括采用在去除導電層的第一初始部分時去除速率比覆蓋材料更慢的導電材料形成導電停止層(26)。
10.一種在柵溝槽中形成最小化非平面性效應(yīng)的金屬柵結(jié)構(gòu)(10)的方法，包括鄰接柵溝槽的所有表面并伸出柵溝槽形成柵介質(zhì)(22)；鄰接柵介質(zhì)并伸出柵溝槽形成第一金屬的柵電極層(24)，該柵電極層的填充少于全部柵溝槽；鄰接柵電極層的所有露出表面并伸出柵溝槽形成停止層(26)，該停止層的填充也少于全部柵溝槽；鄰接停止層的所有露出表面并伸出柵溝槽形成第二金屬的導電層(28)，該導電層基本上填滿柵溝槽；通過采用基本上阻止去除的停止層來去除停止層(26)之上的導電層(28)的所有部分；以及在預(yù)定高度即側(cè)壁隔層的高度之上去除導電層(28)、停止層(26)、柵電極層(24)和柵介質(zhì)(22)的所有部分。
全文摘要
通過在柵溝槽(19)中沉積柵介質(zhì)(22)、柵電極(24)、停止層(26)和金屬層(28)，并除去位于柵溝槽(19)外的該多層的一部分，形成金屬柵結(jié)構(gòu)(10)。采用第一拋光或蝕刻工藝對于停止層(26)選擇性地除去部分金屬層(28)。在第一拋光或蝕刻工藝之后，采用第二拋光或蝕刻工藝除去位于所述柵溝槽(19)之外的部分柵介質(zhì)(22)、柵電極(24)、停止層(26)和金屬層(28)。所得到的結(jié)構(gòu)改善了金屬柵結(jié)構(gòu)頂表面的均勻性和非平面性。
文檔編號H01L29/78GK1596460SQ02823661
公開日2005年3月16日 申請日期2002年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月30日
發(fā)明者約翰·M·格蘭特, 奧路班密·O·艾蒂, 尤蘭德·S·姆斯格魯夫 申請人:自由度半導體公司