專利名稱：一種半導(dǎo)體器件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造工藝，具體而言涉及一種提高金屬柵填充能力的方法。
背景技術(shù)：
在下一代集成電路的制造工藝中，對于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)的柵極的制作，通常采用后柵極(gate-last)工藝。典型的后柵極工藝的過程包括首先，在半導(dǎo)體襯底上形成虛擬柵極結(jié)構(gòu)，所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)由自下而上的界面層、高k介電層、覆蓋層(capping layer)和犧牲柵電極層構(gòu)成；然后，在所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)的兩側(cè)形成柵極間隙壁結(jié)構(gòu)，之后去除所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)的犧牲柵電極層，在所述柵極間隙壁結(jié)構(gòu)之間留下一溝槽；接著，在所述溝槽內(nèi)依次沉積功函數(shù)金屬層(workfunction metal layer)、阻擋層(barrier layer)和浸潤層(wetting layer);最后進(jìn)行金屬柵(通常為招)的填充。采用上述工藝制作的晶體管結(jié)構(gòu)通常稱為高k介電層/金屬柵晶體管。在形成所述金屬柵極結(jié)構(gòu)的過程中，通常采用沉積工藝形成所述金屬柵極結(jié)構(gòu)的各層材料，包括原子層沉積(ALD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)。其中，前兩種沉積工藝可以在所述溝槽的底部和側(cè)壁形成很好的共形覆蓋層，但是隨著沉積層數(shù)的增力口，使得所述溝槽的頂部開口越來越小，影響后續(xù)金屬柵的填充；物理氣相沉積工藝則可以通過控制相關(guān)參數(shù)使所述金屬柵極結(jié)構(gòu)的各層材料僅沉積在所述溝槽的底部，但是在填充具有高深寬比結(jié)構(gòu)的溝槽時(shí)，濺射出的原子由于散射效應(yīng)在未完成底部沉積的情況下，已經(jīng)先將所述溝槽的頂部開口封住，影響后續(xù)金屬柵的填充。因此，上述傳統(tǒng)的沉積方法不能有效地實(shí)施后柵極工藝中的金屬柵的填充，需要提出一種方法，提高采用傳統(tǒng)的沉積方法形成金屬柵極結(jié)構(gòu)的能力。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體器件的制造方法，包括提供半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底、高k介電層、浸潤層和犧牲柵電極層；形成虛擬柵極結(jié)構(gòu)；在所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)的兩側(cè)形成緊靠所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)的間隙壁結(jié)構(gòu)；去除所述犧牲柵電極層，以在所述間隙壁結(jié)構(gòu)的中間形成柵溝槽；在所述柵溝槽中形成金屬柵。進(jìn)一步，形成虛擬柵極結(jié)構(gòu)的步驟包括蝕刻形成在所述半導(dǎo)體襯底上的所述各層材料。進(jìn)一步，形成金屬柵的步驟包括形成TMAAB于所述柵溝槽中，所述TMAAB作為金屬鋁填充的前體；對所述金屬鋁前體進(jìn)行退火處理。進(jìn)一步，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括位于所述高k介電層和浸潤層之間的功函數(shù)金屬
層和復(fù)蓋層。進(jìn)一步，采用原子層沉積工藝或物理氣相沉積工藝形成所述覆蓋層。進(jìn)一步，所述覆蓋層的材料是氮化鈦或氮化鉭；所述覆蓋層的厚度為10-20埃。
進(jìn)一步，采用物理氣相沉積工藝形成所述浸潤層。
進(jìn)一步，所述浸潤層的材料是不含有氧化物或含氮金屬的材料。進(jìn)一步，所述浸潤層的材料是鈦或鈦鋁合金。進(jìn)一步，所述浸潤層的厚度為30-100埃。進(jìn)一步，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括位于所述半導(dǎo)體襯底和高k介電層之間的界面層。進(jìn)一步，采用化學(xué)氣相沉積工藝形成所述TMAAB于所述柵溝槽中。進(jìn)一步，所述化學(xué)氣相沉積工藝是在40_70°C的條件下進(jìn)行的。 進(jìn)一步，所述化學(xué)氣相沉積工藝是在70°C的條件下進(jìn)行的。進(jìn)一步，所述退火處理的溫度為100-500°C。進(jìn)一步，所述退火處理持續(xù)的時(shí)間為100-600S。進(jìn)一步，所述金屬柵為金屬鋁柵。根據(jù)本發(fā)明，可以有效提高應(yīng)用傳統(tǒng)沉積工藝實(shí)現(xiàn)金屬柵填充的能力。


本發(fā)明的下列附圖在此作為本發(fā)明的一部分用于理解本發(fā)明。附圖中示出了本發(fā)明的實(shí)施例及其描述，用來解釋本發(fā)明的原理。附圖中
圖IA-圖IF為本發(fā)明提出的提高金屬柵填充能力的方法的各步驟的示意性剖面圖； 圖2為本發(fā)明提出的提高金屬柵填充能力的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式在下文的描述中，給出了大量具體的細(xì)節(jié)以便提供對本發(fā)明更為徹底的理解。然而，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，本發(fā)明可以無需一個(gè)或多個(gè)這些細(xì)節(jié)而得以實(shí)施。在其他的例子中，為了避免與本發(fā)明發(fā)生混淆，對于本領(lǐng)域公知的一些技術(shù)特征未進(jìn)行描述。為了徹底理解本發(fā)明，將在下列的描述中提出詳細(xì)的步驟，以便闡釋本發(fā)明提出的提高金屬柵填充能力的方法。顯然，本發(fā)明的施行并不限定于半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟習(xí)的特殊細(xì)節(jié)。本發(fā)明的較佳實(shí)施例詳細(xì)描述如下，然而除了這些詳細(xì)描述外，本發(fā)明還可以具有其他實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或組件，但不排除存在或附加一個(gè)或多個(gè)其他特征、整體、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組合。下面，參照圖IA-圖IF和圖2來描述本發(fā)明提出的提高金屬柵填充能力的方法的詳細(xì)步驟。參照圖IA-圖1F，其中示出了本發(fā)明提出的提高金屬柵填充能力的方法的各步驟的示意性剖面圖。首先，如圖IA所示，提供半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100包括半導(dǎo)體襯底101、界面層102、高k介電層103和功函數(shù)金屬層104。所述半導(dǎo)體襯底101的構(gòu)成材料可以采用未摻雜的單晶硅、摻雜有雜質(zhì)的單晶硅、絕緣體上硅(SOI)等。作為示例，在本實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底101選用單晶硅材料構(gòu)成。在半導(dǎo)體襯底101中形成有隔離槽、埋層等，為了簡化，圖示中予以省略。所述界面層102的材料可包括氧化物，如二氧化硅(SiO2)。所述高k介電層103的材料可包括氧化鉿、氧化鉿硅、氮氧化鉿硅、氧化鑭、氧化鋯、氧化鋯硅、氧化鈦、氧化鉭、氧化鋇銀鈦、氧化鋇鈦、氧化銀鈦、氧化招等，特別優(yōu)選的是氧化鉿、氧化錯(cuò)和氧化招。所述功函數(shù)金屬層104可包括一層或多層金屬，其構(gòu)成材料包括氮化鈦、鈦鋁合金和氮化鎢。接著，如圖IB所示，在所述功函數(shù)金屬層104上依次形成覆蓋層105、浸潤層106 和犧牲柵電極層107。所述覆蓋層105的材料包括氮化鈦和氮化鉭。采用原子層沉積工藝或物理氣相沉積工藝形成所述覆蓋層105。所述覆蓋層105的厚度為10-20埃。所述浸潤層106的材料包括鈦、鈦鋁合金和其它不含有氧化物或含氮金屬的材料。本實(shí)施例中，采用鈦或鈦鋁合金作為所述浸潤層106的材料，選用物理氣相沉積工藝形成所述浸潤層106。所述浸潤層106的厚度為30-100埃。所述犧牲柵電極層107的材料為多晶硅。采用低壓化學(xué)氣相沉積工藝(LPCVD)形成所述犧牲柵電極層107。接著，如圖IC所示，蝕刻形成在所述半導(dǎo)體襯底101上的各層材料，得到虛擬柵極結(jié)構(gòu)108。所述蝕刻過程采用傳統(tǒng)工藝進(jìn)行，該工藝為本領(lǐng)域所公知，在此不再加以贅述。接著，如圖ID所示，在所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)108的兩側(cè)形成緊靠所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)的間隙壁結(jié)構(gòu)109。所述間隙壁結(jié)構(gòu)109可以包括至少一層氧化物層和/或至少一層氮化物層。形成所述間隙壁結(jié)構(gòu)109的方法為本領(lǐng)域所公知，在此不再加以贅述。接下來，在所述半導(dǎo)體襯底101上沉積層間絕緣層(圖中為示出)，之后對所述層間絕緣層進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨以露出所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)108的頂部。所述層間絕緣層采用本領(lǐng)域中常用的各種材料，例如氧化物。接著，如圖IE所示，以所述間隙壁結(jié)構(gòu)109為掩膜，蝕刻所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)，去除所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)最上層的犧牲柵電極層，在所述間隙壁結(jié)構(gòu)109的中間形成一柵溝槽110。采用傳統(tǒng)工藝完成對所述犧牲柵電極層的蝕刻，例如干法蝕刻。接著，如圖IF所示，在所述柵溝槽中形成金屬柵111。在所述柵溝槽中填充金屬鋁，所述金屬鋁的填充步驟包括首先，在40-70°C下，采用化學(xué)氣相沉積工藝沉積TMAAB(AlH2(BH4) IN(CH3)3)于所述柵溝槽中，TMAAB為金屬鋁填充的前體；然后，對沉積形成的所述金屬鋁前體進(jìn)行退火處理，所述退火處理的溫度為100-500°C，持續(xù)時(shí)間為100-600S。至此，完成了根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的方法實(shí)施的全部工藝步驟。由于TMAAB對介電層材料和含氮的金屬材料具有很差的附著性，且形成的所述柵溝槽的側(cè)壁的材料為介電層材料，所述柵溝槽底部的浸潤層的材料為不含有氧化物或含氮金屬的材料，所以TMAAB只能形成在所述柵溝槽的底部。在退火處理之后，TMAAB中的Al分解出來，形成金屬鋁柵。因此，Al只能從所述柵溝槽的底部自下而上生長，基于此特點(diǎn)，應(yīng)用本發(fā)明提出的方法可以在任何結(jié)構(gòu)的柵溝槽中填充金屬鋁柵。根據(jù)本發(fā)明，可以有效提高應(yīng)用傳統(tǒng)沉積工藝實(shí)現(xiàn)金屬柵填充的能力。參照圖2，其中示出了本發(fā)明提出的提高金屬柵填充能力的方法的流程圖，用于簡要示出整個(gè)制造工藝的流程。
在步驟201中，提供半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底、高k介電層、浸潤層和犧牲柵電極層；
在步驟202中，形成虛擬柵極結(jié)構(gòu)；
在步驟203中，在所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)的兩側(cè)形成緊靠所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)的間隙壁結(jié)
構(gòu)；
在步驟204中，去除所述犧牲柵電極層，以在所述間隙壁結(jié)構(gòu)的中間形成柵溝槽； 在步驟205中，在所述柵溝槽中形成金屬柵。本發(fā)明已經(jīng)通過上述實(shí)施例進(jìn)行了說明，但應(yīng)當(dāng)理解的是，上述實(shí)施例只是用于
舉例和說明的目的，而非意在將本發(fā)明限制于所描述的實(shí)施例范圍內(nèi)。此外本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施例，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍以內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍由附屬的權(quán)利要求書及其等效范圍所界定。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件的制造方法，包括 提供半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底、高k介電層、浸潤層和犧牲柵電極層； 形成虛擬柵極結(jié)構(gòu)； 在所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)的兩側(cè)形成緊靠所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)的間隙壁結(jié)構(gòu)； 去除所述犧牲柵電極層，以在所述間隙壁結(jié)構(gòu)的中間形成柵溝槽； 在所述柵溝槽中形成金屬柵。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，形成虛擬柵極結(jié)構(gòu)的步驟包括蝕刻形成在所述半導(dǎo)體襯底上的所述各層材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，形成金屬柵的步驟包括形成TMAAB于所述柵溝槽中，所述TMAAB作為金屬鋁填充的前體；對所述金屬鋁前體進(jìn)行退火處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括位于所述高k介電層和浸潤層之間的功函數(shù)金屬層和覆蓋層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，采用原子層沉積工藝或物理氣相沉積工藝形成所述覆蓋層。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述覆蓋層的材料是氮化鈦或氮化鉭。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述覆蓋層的厚度為10-20埃。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，采用物理氣相沉積工藝形成所述浸潤層。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述浸潤層的材料是不含有氧化物或含氮金屬的材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述浸潤層的材料是鈦或鈦鋁合金。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述浸潤層的厚度為30-100埃。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括位于所述半導(dǎo)體襯底和高k介電層之間的界面層。
13.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，采用化學(xué)氣相沉積工藝形成所述TMAAB于所述柵溝槽中。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述化學(xué)氣相沉積工藝是在40-70°C的條件下進(jìn)行的。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述化學(xué)氣相沉積工藝是在70°C的條件下進(jìn)行的。
16.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述退火處理的溫度為100-500°C。
17.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述退火處理持續(xù)的時(shí)間為100-600S。
18.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述金屬柵為金屬鋁柵。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體器件的制造方法，包括提供半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底、高k介電層、浸潤層和犧牲柵電極層；形成虛擬柵極結(jié)構(gòu)；在所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)的兩側(cè)形成緊靠所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)的間隙壁結(jié)構(gòu)；去除所述犧牲柵電極層，以在所述間隙壁結(jié)構(gòu)的中間形成柵溝槽；在所述柵溝槽中形成金屬柵。其中，形成金屬柵的步驟包括形成TMAAB于所述柵溝槽中，所述TMAAB作為金屬鋁填充的前體；對所述金屬鋁前體進(jìn)行退火處理。根據(jù)本發(fā)明，可以有效提高應(yīng)用傳統(tǒng)沉積工藝實(shí)現(xiàn)金屬柵填充的能力，并且由于金屬鋁只能從所述柵溝槽的底部自下而上生長，基于此特點(diǎn)，應(yīng)用本發(fā)明提出的方法可以在任何結(jié)構(gòu)的柵溝槽中填充金屬鋁柵。
文檔編號(hào)H01L21/8238GK102956464SQ20111023927
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月19日
發(fā)明者平延磊 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司