專利名稱：一種金屬柵極的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，尤其涉及一種金屬柵極的形成方法。
背景技術(shù)：
隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的降低，為改善集成電路器件的性能，現(xiàn)有技術(shù)提供將金屬柵極替代多晶硅柵極的解決方案。其中，“后柵極(gate last)”工藝為形成金屬柵極的一個(gè)工藝。專利申請(qǐng)?zhí)枮?00780016613. 2的中國專利申請(qǐng)?zhí)峁┮环N使用“后柵極”工藝形成金屬柵極的方法，包括提供基底，所述基底上形成有偽柵極結(jié)構(gòu)、及位于所述基底上，且覆蓋有所述偽柵極結(jié)構(gòu)的層間介質(zhì)層，所述偽柵極結(jié)構(gòu)的側(cè)面垂直于基底；以所述偽柵極結(jié)構(gòu)作為停止層，對(duì)所述層間介質(zhì)層進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光工藝；除去所述偽柵極結(jié)構(gòu)后形成溝槽，因?yàn)樗鰝螙艠O結(jié)構(gòu)的側(cè)面垂直于基底，所以去除其形成的溝槽的側(cè)壁同樣垂直基底， 即所述溝槽開口處的拐角為直角；最后對(duì)所述溝槽填充介質(zhì)和金屬，以形成柵極介質(zhì)層和金屬柵電極層。如圖1所示為上述技術(shù)方案形成的溝槽形狀，因?yàn)樗鰷喜鄣膫?cè)壁垂直于所述基底，且所述溝槽開口處的拐角001為直角，所以當(dāng)對(duì)溝槽填充介質(zhì)和金屬時(shí)，位于所述直角 001處的沉積速率較高，越靠近底部，沉積速率越低，最后將會(huì)在金屬柵極內(nèi)出現(xiàn)空隙002。 隨著柵極長度的減小，溝槽的尺寸也隨之減小，將介質(zhì)和金屬沉積到溝槽中愈發(fā)變得困難， 愈加可能形成空隙。專利申請(qǐng)?zhí)枮?00910161763.3的中國專利申請(qǐng)?zhí)峁┝肆硗庖环N使用“后柵極 (gate last)”工藝形成金屬柵極的方法，用以解決上述空隙問題。其解決方案為形成溝槽之后，對(duì)所述溝槽進(jìn)行氬離子濺射，修正所述溝槽的開口，使所述溝槽的開口寬度大于底部寬度。如圖2所示為氬離子濺射修正后形成的溝槽形狀。但是，所述溝槽側(cè)壁僅靠近開口的部分為傾斜，而靠近底部的側(cè)壁與基底垂直，在傾斜側(cè)壁和垂直側(cè)壁的交界處的側(cè)壁拐角003為尖角，而在所述尖角003處，仍然造成填充的材料堆積，會(huì)形成空隙004。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是提供一種金屬柵極的形成方法，以解決填充形成金屬柵極時(shí)產(chǎn)生的空隙問題。為解決上述問題，本發(fā)明提供一種金屬柵極的形成方法，包括提供基底，所述基底上形成有犧牲層；刻蝕所述犧牲層，形成具有傾斜側(cè)壁的錐形溝槽，所述溝槽開口寬度大于底部寬度；采用填充物質(zhì)填充所述溝槽，形成偽柵電極層；去除所述犧牲層；在所述偽柵電極層兩側(cè)形成側(cè)墻，并以所述側(cè)墻為掩膜，對(duì)所述基底進(jìn)行離子注入；在所述基底上沉積層間介質(zhì)層，并以所述偽柵電極層為停止層，對(duì)所述層間介質(zhì)層進(jìn)行平坦化；去除所述偽柵電極層，對(duì)去除偽柵電極層后的溝槽依次填充介質(zhì)和金屬?？蛇x的，所述犧牲層為氧化硅層。可選的，刻蝕所述犧牲層的刻蝕氣體為NF3與C4F6的混合氣體、SF6與C4F6的混合氣體、NF3與CH2F2的混合氣體、SF6與CH2F2的混合氣體、CF4與CHF3的混合氣體、或CF4與 CH2F2的混合氣體?？蛇x的，刻蝕所述犧牲層的刻蝕氣體為(/6、(/8、或(丨8?？蛇x的，刻蝕所述犧牲層的刻蝕氣體為SFf^n CH2F2的混合氣體，其中所述混合氣體的SF6與CH2F2體積比值范圍8 1 15 1。可選的,所述SF6流量為50sccm至250sccm，所CH2F2流量為5sccm至20sccm?？蛇x的，所述刻蝕時(shí)間為10秒至100秒，所述刻蝕的腔體壓力為5毫托至50毫托， 功率為500瓦至1000瓦?？蛇x的，所述溝槽的開口寬度范圍為25nm 50nm，底部寬度范圍為15nm 45nm?？蛇x的，所述形成偽柵電極層的材料為多晶硅。可選的，所述去除偽柵電極層的工藝為使用硝酸和氫氟酸的混合溶液去除工藝?？蛇x的，所述柵極介質(zhì)層為高K柵極介質(zhì)層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述方案具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明通過形成底部小，開口大、具有傾斜側(cè)壁的錐形溝槽，避免了填充物質(zhì)后金屬柵極產(chǎn)生空隙，提高金屬柵極的質(zhì)量。


圖1至圖2為現(xiàn)有金屬柵極形成方法形成的溝槽結(jié)構(gòu)示意圖；圖3至圖15為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的金屬柵極形成方法結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在“后柵極”制造工藝中，當(dāng)填充物質(zhì)填充到溝槽中，形成金屬柵極時(shí)，會(huì)在金屬柵極內(nèi)出現(xiàn)空隙(void)。隨著柵極長度的減小，溝槽的尺寸也隨之減小，將填充物質(zhì)填充到溝槽中愈加變得困難，愈加會(huì)形成空隙?；谏鲜霭l(fā)現(xiàn)，本發(fā)明提供一種金屬柵極的形成方法，包括提供基底，所述基底上形成有犧牲層；刻蝕所述犧牲層，形成具有傾斜側(cè)壁的錐形溝槽，所述溝槽開口寬度大于底部寬度；采用填充物質(zhì)填充所述溝槽，形成偽柵電極層；去除所述犧牲層；在所述偽柵電極層兩側(cè)形成側(cè)墻，并以所述側(cè)墻為掩膜，對(duì)所述基底進(jìn)行離子注入；在所述基底上沉積層間介質(zhì)層，并以所述偽柵電極層為停止層，對(duì)所述層間介質(zhì)層進(jìn)行平坦化；去除所述偽柵電極層，對(duì)去除偽柵電極層后的溝槽依次填充介質(zhì)和金屬。為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例做詳細(xì)的說明。圖3至圖15為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的金屬柵極形成方法結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，提供基底10，所述基底10上形成有氧化硅層20和氮化硅層30。
所述基底10可以選自硅基底、絕緣層上的硅(SOI)、或者還可以是其它的材料，例如砷化鎵等III-V族化合物。所述基底10內(nèi)形成有隔離結(jié)構(gòu)110，用于隔離后續(xù)形成的有源器件區(qū)。繼續(xù)參考圖3，在所述氮化硅層30上形成一層犧牲層40，所述犧牲層40可以通過化學(xué)氣相沉積法形成。作為一個(gè)實(shí)施例，所述犧牲層40的材料為氧化硅。其中，所述氧化硅層20用于在后續(xù)刻蝕犧牲層40時(shí)，保護(hù)基底10不暴露在刻蝕環(huán)境中，避免所述刻蝕環(huán)境對(duì)基底10造成晶格損傷；所述氮化硅層30作為刻蝕阻擋的作用，使得后續(xù)形成溝槽時(shí)，犧牲層40的刻蝕可以停止在所述氮化硅層30上，而不會(huì)對(duì)所述氧化硅層20進(jìn)行刻蝕。如圖4所示，在所述犧牲層40上形成光刻膠圖形(未圖示)，所述光刻膠圖形與溝槽400的位置對(duì)應(yīng)；以所述光刻膠圖形為掩膜，對(duì)所述犧牲層40和氮化硅層30進(jìn)行刻蝕， 形成溝槽400。隨著刻蝕的進(jìn)行，溝槽400的側(cè)壁將逐漸收縮，最終得到一個(gè)底部小，開口大、具有傾斜側(cè)壁的錐形溝槽400。具體地，所述刻蝕氣體包括主蝕刻氣體和保護(hù)性氣體，所述主蝕刻氣體為含氟元素的氣體，以對(duì)所述犧牲層40進(jìn)行刻蝕；而保護(hù)性氣體為含碳元素較高的氣體，所述含碳元素較高的保護(hù)性氣體在刻蝕過程中，將會(huì)在溝槽400的側(cè)壁上形成聚合物，所述聚合物將使得所述犧牲層40不容易被刻蝕掉。隨著刻蝕的進(jìn)行，犧牲層40越難以被刻蝕掉，進(jìn)而形成的溝槽400底部較開口要小。同時(shí)所述刻蝕氣體中還可以加入氧氣，以去除部分聚合物，避免聚合物過多導(dǎo)致刻蝕在溝槽未完全形成前停止。所述溝槽400為錐形形狀，即所述溝槽400的側(cè)壁與基底10具有一定的傾斜角度，其中，頂部開口處的寬度約為25nm 50歷，底部的寬度約為15nm 45nm。作為一個(gè)實(shí)施例，可以通過對(duì)刻蝕參數(shù)，主要是主蝕刻氣體和保護(hù)性氣體類型、及主蝕刻氣體和保護(hù)性氣體的比例的調(diào)整，逐步收縮溝槽400的開口，以得到底部開口小，頂部開口大、具有傾斜側(cè)壁的錐形溝槽400。所述刻蝕氣體為以下混合氣體的一組或組合主刻蝕氣體為NF3,保護(hù)性氣體 C4F6 ；主刻蝕氣體為SF6,保護(hù)性氣體為C4F6 ；主刻蝕氣體為NF3,保護(hù)性氣體為CH2F2 ；主刻蝕氣體為SF6,保護(hù)性氣體為CH2F2 ；主刻蝕氣體為CF4,保護(hù)性氣體為CHF3 ；主刻蝕氣體為CF4,保護(hù)性氣體為CH2F2。所述刻蝕氣體還可以為以下氣體的一種C4F6、C4F8或C5F8。這些氣體中同時(shí)含有氟元素和碳元素，單獨(dú)使用其中的一種氣體能夠得到底部小，開口大、具有傾斜側(cè)壁的錐形溝槽400。如圖4所示，所述溝槽400的側(cè)壁傾斜程度由側(cè)壁角度A來衡量，所述側(cè)壁傾斜角度A為所述側(cè)壁與氧化硅層20的上表面所形成的銳角。其中，所述側(cè)壁傾斜角度A可以通過調(diào)整混合氣體中的各氣體的比例來達(dá)到。經(jīng)過研究，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在上述刻蝕氣體的組合中，主刻蝕氣體與保護(hù)氣體的體積比值越高，側(cè)壁越陡。作為一個(gè)實(shí)施例，使用主刻蝕氣體SF6,保護(hù)性氣體為CH2F2對(duì)所述犧牲層40進(jìn)行刻蝕。當(dāng)刻蝕氣體體積比值(SF6 CH2F2)在15 1的時(shí)候，所述側(cè)壁傾斜角度A為90度，當(dāng)刻蝕氣體體積比值為8 1時(shí)，所述側(cè)壁傾斜角度A為80度。位于80度 90度區(qū)間的側(cè)壁傾斜角度與刻蝕氣體體積比值為線性關(guān)系。圖5示出了氣體成分為SF6與CH2F2氣體體積比值(用字母Z標(biāo)示)與所述溝槽的側(cè)壁角度A的關(guān)系圖。如圖5所示，當(dāng)體積比值Z為SF6 CH2F2 = 15 1時(shí)候，側(cè)壁傾斜角度A約為90 度；體積比值Z越低，例如，當(dāng)SF6 CH2F2 = 8:1時(shí)候，側(cè)壁傾斜角度A約為80度。在側(cè)壁傾斜角度A為80度 90度區(qū)間之內(nèi)，側(cè)壁傾斜角度A與體積比值Z為線性關(guān)系，所述函數(shù)關(guān)系為A= (10/7)Z+(480/7) 0通過調(diào)整混合氣體體積比值Z，可以得到所需要達(dá)到的側(cè)壁傾斜角度A。例如當(dāng)所需要達(dá)到的側(cè)壁傾斜角度為85度時(shí)候，可將體積比值Z調(diào)整至23 2即可。所述具體的刻蝕參數(shù)可以如下所述SF6流量為50sCCm至250sCCm，CH2F2流量為 5sccm至20sCCm ；所述刻蝕時(shí)間為10秒至100秒；所述刻蝕的腔體壓力為5毫托至50毫托；所述刻蝕功率為500瓦至1000瓦。如圖6所示，對(duì)所述溝槽400進(jìn)行填充多晶硅，形成偽柵電極層410。具體地，化學(xué)氣相沉積多晶硅至所述溝槽400內(nèi)，沉積之后，以犧牲層40作為阻擋層，進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨，使偽柵電極層410具有光滑的表面。在該步驟中，填充多晶硅形成上述的偽柵電極層410，原因如下若在該步驟中， 直接填充金屬形成金屬柵電極層，則后續(xù)形成源漏區(qū)的離子注入環(huán)境中，所述金屬柵電極層將會(huì)受到損傷，所以首先形成一個(gè)偽柵電極層410，用于后續(xù)形成源漏區(qū)的離子注入環(huán)境中。如圖7所示，去除所述犧牲層40。本實(shí)施例中，所述犧牲層40的材料為氧化硅，所述犧牲層40采用熱氫氟酸溶液去除。繼續(xù)參考圖7，還包括去除氮化硅層30，所述氮化硅層30的去除方式可采用熱磷酸溶液進(jìn)行去除。如圖8所示，對(duì)所述偽柵電極層410進(jìn)行氧化，形成氧化物。所述氧化物為第一側(cè)墻420，所述形成方法為熱氧化。以所述第一側(cè)墻420為掩膜，對(duì)所述基底10進(jìn)行離子注入，形成離子輕摻雜區(qū) (未示出)。參考圖9和圖10，在所述第一側(cè)墻420的表面形成第二側(cè)墻431。作為一個(gè)實(shí)施例，所述第二側(cè)墻431的形成工藝為如圖9所示，首先在所述氧化硅層20上形成介質(zhì)層430，所述介質(zhì)層430覆蓋第一側(cè)墻420表面和氧化硅層20表面。所述介質(zhì)層430為氧化硅、氮化硅、碳化硅中的一種；如圖10所示，對(duì)所述介質(zhì)層430進(jìn)行回刻，在所述第一側(cè)墻420表面形成第二側(cè)墻431。如圖11所示，以所述第二側(cè)墻431為掩膜，對(duì)所述基底10進(jìn)行離子摻雜，在所述基底10內(nèi)形成離子摻雜區(qū)120，所述離子摻雜區(qū)120可以為源區(qū)或漏區(qū)。如圖12所示，在所述基底10上沉積層間介質(zhì)層41，并以所述第一側(cè)墻420為停止層，對(duì)所述層間介質(zhì)層41進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨，使所述層間介質(zhì)層41形成平坦表面。其中，所述層間介質(zhì)層41是具有低介電系數(shù)的無機(jī)硅基質(zhì)層(inorganicsilicon based layer)。所述層間介質(zhì)層41的介電系數(shù)一般小于3. 0，如碳氧化硅(SiCO)或氟化硅玻璃(FSG)。如圖13所示，去除所述偽柵電極層410及第一側(cè)墻420，形成溝槽402。去除所述第一側(cè)墻420的同時(shí)，位于溝槽402內(nèi)的氧化硅層20也會(huì)部分去除。本圖示出的溝槽內(nèi)的氧化硅層20完全被去除，所述溝槽402的底部暴露出所述基底10的表面。作為其他實(shí)施例，所述部分氧化硅層20可以不完全去除，留有少量氧化硅層20作為基底10與后續(xù)的高 K柵極介質(zhì)層之間的良好界面。具體地，通過硝酸和氫氟酸的混合溶液去除所述偽柵電極層410，通過氫氟酸溶液去除所述第一側(cè)墻420。如圖14所示，在所述溝槽402內(nèi)沉積高K介質(zhì)，形成高K柵極介質(zhì)層440。所述高 K柵極介質(zhì)層440的厚度介于5埃至60埃之間，優(yōu)選為40埃。所述高K柵極介質(zhì)層440可以是二氧化鉿、氧化鉿硅、氧化鑭、氧化鑭鋁、氧化鋯、 氧化鋯硅、氧化鉭、氧化鈦、氧化鋇鍶鈦、氧化鋇鈦、氧化鍶鈦、氧化釔、氧化鋁、氧化鉛鈧鉭或鈮酸鉛鋅等一種。此處僅描述了可用于形成高K柵極介質(zhì)層440的幾個(gè)實(shí)例，但是所述高K柵極介質(zhì)層440也可以由于其他材料形成。形成所述高K柵極介質(zhì)層440后，還可以對(duì)所述高K柵極介質(zhì)層440進(jìn)行其他處理，例如退火工藝，以提高高K柵極介質(zhì)層440的質(zhì)量。如圖15所示，在形成有所述高K柵極介質(zhì)層440的溝槽402內(nèi)，沉積金屬，形成金屬柵電極層450。所述金屬柵電極層450的材料可以為Ti、TiN, TaN, Ta、TaC, TaSiN, W、WN中的一種或多種組合。本發(fā)明在形成金屬柵極的溝槽工藝中，通過調(diào)節(jié)刻蝕氣體的組合和流量，形成底部小，開口大的錐形結(jié)構(gòu)溝槽，所述溝槽的側(cè)壁為傾斜狀態(tài)，不具有尖角，避免了填充物質(zhì)后金屬柵極產(chǎn)生的空隙，提高金屬柵極的質(zhì)量。在以下描述中闡述了具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以多種不同于在此描述的其它方式來實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣。因此本發(fā)明不受下面公開的具體實(shí)施的限制。
權(quán)利要求
1.一種金屬柵極的形成方法，其特征在于，包括提供基底，所述基底上形成有犧牲層；刻蝕所述犧牲層，形成具有傾斜側(cè)壁的錐形溝槽，所述溝槽開口寬度大于底部寬度；采用填充物質(zhì)填充所述溝槽，形成偽柵電極層；去除所述犧牲層；在所述偽柵電極層兩側(cè)形成側(cè)墻，并以所述側(cè)墻為掩膜，對(duì)所述基底進(jìn)行離子注入；在所述基底上沉積層間介質(zhì)層，并以所述偽柵電極層為停止層，對(duì)所述層間介質(zhì)層進(jìn)行平坦化；去除所述偽柵電極層，對(duì)去除偽柵電極層后的溝槽依次填充介質(zhì)和金屬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述犧牲層為氧化硅層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，刻蝕所述犧牲層的刻蝕氣體為NF3與C4F6的混合氣體、SF6與C4F6的混合氣體、NF3與CH2F2的混合氣體、SF6與CH2F2 的混合氣體、CF4與CHF3的混合氣體、或CF4與CH2F2的混合氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，刻蝕所述犧牲層的刻蝕氣體為 C4F6、C4F8jC5F8。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，刻蝕所述犧牲層的刻蝕氣體為SFf^P CH2F2的混合氣體，其中所述混合氣體的5&與01#2體積比值范圍8 1 15 I0
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述SF6流量為50sCCm至 250sccm,所述 CH2F2 流量為 5sccm 至 20sccm。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述刻蝕時(shí)間為10秒至 100秒，所述刻蝕的腔體壓力為5毫托至50毫托，功率為500瓦至1000瓦。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述溝槽的開口寬度范圍為25nm 50nm，底部寬度范圍為15nm 45nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述形成偽柵電極層的材料為多晶硅。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述去除偽柵電極層的工藝為使用硝酸和氫氟酸的混合溶液去除工藝。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述柵極介質(zhì)層為高K柵極介質(zhì)層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種金屬柵極的形成方法，包括提供基底，所述基底上形成有犧牲層；刻蝕所述犧牲層，形成具有傾斜側(cè)壁的錐形溝槽，所述溝槽開口寬度大于底部寬度；采用填充物質(zhì)填充所述溝槽，形成偽柵電極層；去除所述犧牲層；在所述偽柵電極層表面形成側(cè)墻，并以所述側(cè)墻為掩膜，對(duì)所述基底進(jìn)行離子注入；在所述基底上沉積層間介質(zhì)層，并以所述偽柵電極層為停止層，對(duì)所述層間介質(zhì)層進(jìn)行平坦化；去除所述偽柵電極層，對(duì)去除偽柵電極層后的溝槽依次填充介質(zhì)和金屬，形成金屬柵極，所述金屬柵極包括柵極介質(zhì)層和金屬柵電極層。本發(fā)明通過形成底部小，開口大、具有傾斜側(cè)壁的錐形溝槽，避免了填充物質(zhì)后金屬柵極產(chǎn)生空隙，提高金屬柵極的質(zhì)量。
文檔編號(hào)H01L21/28GK102347227SQ20101024529
公開日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2010年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月30日
發(fā)明者張翼英 申請(qǐng)人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司