一種含金屬柵極的半導體器件及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種含金屬柵極的半導體器件及其制備方法，包括：提供一包含金屬柵極的半導體襯底，所述金屬柵極的最上層為金屬材料層；以所述金屬材料層為陽極，在電解液中進行電解，在所述金屬材料層表面形成具有微孔的金屬氧化物材料層，以增強所述金屬材料層與其上方將形成的接觸孔蝕刻停止層之間的粘附性能。在本發(fā)明中對所述金屬材料層進行電解，在金屬材料層的表面生成金屬氧化物層，由于所述金屬氧化物層上具有均勻分布的微孔，表面更為粗糙，所述金屬氧化物層與上方所形成的接觸孔蝕刻停止層之間的粘附力更強，因此在蝕刻或者平坦化的過程中兩者不會分離，不再發(fā)生脫落。
【專利說明】一種含金屬柵極的半導體器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體領(lǐng)域，具體地，本發(fā)明涉及一種含金屬柵極的半導體器件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在集成電路制造領(lǐng)域，隨著MOS晶體管的不斷縮小，尤其是在32nm以下的工藝中，各種因為器件的物理極限所帶來的二級效應(yīng)不可避免，器件的特征尺寸按比例縮小變得困難，其中MOS晶體管器件及其電路制造領(lǐng)域容易出現(xiàn)從柵極向襯底的漏電問題。
[0003]當前工藝的解決方法是采用高K柵極材料和金屬柵的方法，目前金屬柵的形成過程為首先在半導體襯底100上形成柵極介電層101，在柵極介電層101上形成柵極堆棧結(jié)構(gòu)的TiN覆蓋層102，在TiN層102上沉積擴散阻擋層103。蝕刻形成金屬柵極，所述金屬柵極包括函數(shù)金屬層，阻擋層和金屬材料層。然后對所述柵極以及源漏形成電連接，具體地為:在所述金屬材料層107 (金屬鋁)上沉積接觸孔蝕刻停止層104，在所述接觸孔蝕刻停止層上形成氧化物層106，蝕刻所述氧化物層106以及接觸孔蝕刻停止層，以在所述柵極上方以及兩側(cè)源漏形成接觸孔，進而形成接觸塞105，但是由于所述金屬材料層107金屬鋁與所述接觸孔蝕刻停止層SiN層之間的粘附力很小，在進行蝕刻形成接觸孔以及對所述金屬柵進行濕法清洗的過程中很容易造成所述金屬材料層107的脫落和碎裂，使所述器件損壞。
[0004]目前金屬柵的制備過程中大都選用金屬鋁作為導電層，存在上述所述容易發(fā)生脫落以及碎裂的問題，目前的制備方法并不能解決所述問題，因此需要對技術(shù)或者工藝過程進行改進。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在
【發(fā)明內(nèi)容】
部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在【具體實施方式】部分中進一步詳細說明。本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
部分并不意味著要試圖限定出所要求保護的技術(shù)方案的關(guān)鍵特征和必要技術(shù)特征，更不意味著試圖確定所要求保護的技術(shù)方案的保護范圍。
[0006]本發(fā)明為了克服目前存在問題，提供了一種含金屬柵極的半導體器件的制備方法，包括:
[0007]提供一包含金屬柵極的半導體襯底，所述金屬柵極的最上層為金屬材料層；
[0008]以所述金屬材料層為陽極，在電解液中進行電解，在所述金屬材料層表面形成具有微孔的金屬氧化物材料層，以增強所述金屬材料層與其上方將形成的接觸孔蝕刻停止層之間的粘附性能。
[0009]作為優(yōu)選，所述金屬材料層為鋁材料層。
[0010]作為優(yōu)選，所述接觸孔蝕刻停止層為氮化硅層。
[0011]作為優(yōu)選，所述電解液為草酸和NaCl的混合溶液。
[0012]作為優(yōu)選，所述電解液中草酸的濃度為0.5-3mol/L。
[0013]作為優(yōu)選，所述電解液中NaCl的濃度為0.l_lmol/L。[0014]作為優(yōu)選，所述電解電壓為1-30伏。
[0015]作為優(yōu)選，所述電解的電流密度為l-100A/m2。
[0016]作為優(yōu)選，所述電解時間為1-10分鐘。
[0017]作為優(yōu)選，所述微孔均勻分布于所述金屬氧化物材料層上，所述微孔的直徑為100nm-200nmo
[0018]作為優(yōu)選，所述微孔之間的間隔為300nm-500nm。
[0019]作為優(yōu)選，所述金屬柵極的形成方法為:
[0020]提供半導體襯底；
[0021]在所述半導體襯底上形成柵堆棧層，包括依次層疊的高K介電層、TiN覆蓋層、多晶硅層，以及位于所述TiN覆蓋層和多晶硅層之間的阻擋層；
[0022]蝕刻所述柵堆棧層以在所述襯底上形成虛設(shè)柵極結(jié)構(gòu)；
[0023]去除所述虛設(shè)柵極結(jié)構(gòu)的所述多晶硅層；
[0024]在所述阻擋層上形成金屬柵極。
[0025]作為優(yōu)選，所述阻擋層為TaN或AlN層，所述阻擋層的厚度為10_50埃。
[0026]作為優(yōu)選，所述金屬柵極由依次層疊的功函數(shù)金屬層、阻擋層和金屬材料層組成。
[0027]作為優(yōu)選，在形成所述具有微孔氧化鋁材料層后，進一步包含以下步驟:
[0028]在所述氧化鋁材料層上形成接觸孔蝕刻停止層；
[0029]在所述接觸孔蝕刻停止層上形成層間介電層；
[0030]蝕刻所述層間介電層和所述接觸孔蝕刻停止層形成接觸孔，露出所述金屬氧化物材料層；
[0031]采用金屬導電材料填充所述接觸孔，形成接觸塞，以形成電連接。
[0032]作為優(yōu)選，所述接觸孔蝕刻停止層為金屬氮化物層。
[0033]作為優(yōu)選，所述層間介電層為氧化物層。
[0034]本發(fā)明還提供了一種上述方法制備得到的半導體器件。
[0035]在本發(fā)明中對所述金屬材料層進行電解，在金屬材料層的表面生成金屬氧化物材料層，由于所述金屬氧化物材料層上具有均勻分布的微孔，表面更為粗糙，所述金屬氧化物材料層與上方所形成的接觸孔蝕刻停止層之間的粘附力更強，因此在蝕刻或者平坦化的過程中兩者不會分離，不再發(fā)生脫落；而且由于所述金屬氧化物材料層上具有均勻分布的微孔，所述金屬氧化物材料層的機械加工性增強，脆度降低，在應(yīng)力情況下更容易將所受到的力通過所述微孔分散，韌性更好，解決了現(xiàn)有技術(shù)中該金屬層容易發(fā)生碎裂的問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]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)明的實施例及其描述，用來解釋本發(fā)明的裝置及原理。在附圖中，
[0037]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中金屬柵極結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖2A-K為本發(fā)明含有金屬柵極的半導體器件制備示意圖；
[0039]圖3為本發(fā)明含有金屬柵極的半導體器件制備流程圖。
【具體實施方式】[0040]在下文的描述中，給出了大量具體的細節(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)明可以無需一個或多個這些細節(jié)而得以實施。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)特征未進行描述。
[0041]為了徹底理解本發(fā)明，將在下列的描述中提出詳細的步驟，以便闡釋本發(fā)明提出的含金屬柵極的半導體及其制造方法。顯然，本發(fā)明的施行并不限定于半導體領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟習的特殊細節(jié)。本發(fā)明的較佳實施例詳細描述如下，然而除了這些詳細描述外，本發(fā)明還可以具有其他實施方式。
[0042]應(yīng)當理解的是，當在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，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或多個其他特征、整體、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組合接下來，將結(jié)合附圖更加完整地描述本發(fā)明。
[0043]圖3為本發(fā)明的一種【具體實施方式】的工藝流程圖，結(jié)合圖2A-K，對本發(fā)明制備所述半導體器件的方法作進一步說明。
[0044]首先步驟301提供半導體襯底200 ；
[0045]具體地，所述半導體襯底200可以為以下所提到的材料中的至少一種:硅、絕緣體上硅(SOI)、絕緣體上層疊硅(SSOI)、絕緣體上層疊鍺化硅(S-SiGeOI)以及絕緣體上鍺化硅(SiGeOI)等。在所述襯底中可以形成有摻雜區(qū)域和/或隔離結(jié)構(gòu)，所述隔離結(jié)構(gòu)為淺溝槽隔離(STI)結(jié)構(gòu)或者局部氧化硅(LOCOS)隔離結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的實施例中，所述襯底可以是Si襯底，其還可以包括在Si上的SiO2界面層210，通過快速熱氧化工藝(RTO)或原子層沉積工藝(ALD)來形成SiO2界面層。
[0046]步驟302在所述半導體襯底上形成柵堆棧層，包括依次層疊的高K介電層、TiN覆蓋層、多晶硅層，以及位于所述TiN覆蓋層和多晶硅層之間的阻擋層；
[0047]具體地，在該襯底上形成柵極介電層201，可以選用高K材料來形成所述柵極介電層，例如用在Hfo2中引入S1、Al、N、La、Ta等元素并優(yōu)化各元素的比率來得到的高K材料等。所述形成柵極介電層的方法可以是物理氣相沉積工藝或原子層沉積工藝。在本發(fā)明的實施例中，在所述SiO2界面層上形成柵極介電層，其厚度為15到60埃。之后，在柵極介電層201上形成柵極堆棧結(jié)構(gòu)的TiN覆蓋層202，然后在TiN層202上沉積擴散阻擋層203，可以是TaN層或AlN層。之后在擴散阻擋層203上沉積包括多晶硅材料的柵極電極層204。
[0048]步驟303蝕刻所述柵堆棧層以在所述襯底上形成虛設(shè)柵極結(jié)構(gòu)；
[0049]具體地，如圖2B所示，可以使用光刻工藝對以上步驟所形成的SiO2界面層210，柵極介電層201、TiN層202和TaN層或AlN層203、柵極電極層204進行圖案化處理，得到所述虛擬柵極結(jié)構(gòu)，所形成的柵極具有堆棧的結(jié)構(gòu)。
[0050]然后，如圖2C所示，進行形成偏移側(cè)墻(offset spacer)211的步驟。偏移側(cè)墻的材料可以是氮化硅，氧化硅或者氮氧化硅等絕緣材料。偏移側(cè)墻可以提高形成的晶體管的溝道長度，減小短溝道效應(yīng)和由于短溝道效應(yīng)弓I起的熱載流子效應(yīng)。
[0051]作為優(yōu)選，在該步驟中還可以包含以下步驟:
[0052]形成輕摻雜源極/漏極(LDD)于柵極結(jié)構(gòu)任一側(cè)的襯底中。所述形成LDD的方法可以是離子注入工藝或擴散工藝。所述LDD注入的離子類型根據(jù)將要形成的半導體器件的電性決定，即形成的器件為NMOS器件，則LDD注入工藝中摻入的雜質(zhì)離子為磷、砷、銻、鉍中的一種或組合；若形成的器件為PMOS器件，則注入的雜質(zhì)離子為硼。根據(jù)所需的雜質(zhì)離子的濃度，離子注入工藝可以一步或多步完成。
[0053]在襯底200和上述步驟所形成的偏移側(cè)墻上形成間隙壁(Spacer) 212，可以使用氮化硅、碳化硅、氮氧化硅或其組合的材料。可以在襯底上沉積第一氧化硅層、第一氮化硅層以及第二氧化硅層，然后采用蝕刻方法形成間隙壁，所述間隙壁可以具有10-30匪的厚度。然后，用離子注入工藝或擴散工藝重摻雜源極和漏極(S/D)形成于柵極間隙壁任一側(cè)的襯底中。還可以包括退火步驟、形成袋形注入?yún)^(qū)、NiSi沉積等步驟。
[0054]在器件表面形成金屬硅化物(SAB)阻擋層，可以使用TEOS與氧氣形成氧化膜作為SAB膜，然后通過光刻和干刻來形成SAB區(qū)。優(yōu)選的，還可以在形成的SAB膜之前先沉積SiN膜以消除在SAB膜光亥_刻蝕中對會偵彳墻刻蝕掉的影響。
[0055]在表面沉積蝕刻停止層221，如圖2D所示，蝕刻停止層可用SiCN、SiN、SiC、SiOF、SiON等形成。然后進行沉積層間介電層(ILD)220于柵極結(jié)構(gòu)上?？梢圆捎没瘜W氣相沉積法、高密度等離子體化學氣相沉積法、旋轉(zhuǎn)涂布法、濺鍍等方法形成。所述層間介電層可以采用氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等材料。
[0056]對層間介電層220和以上步驟中沉積的層間介電層進行平坦化處理，如圖2E所示。所述平坦化處理的非限制性實例包括機械平坦化方法和化學機械拋光平坦化方法。以暴露柵極結(jié)構(gòu)的上表面并使其大致與層間介電層220位于一個平面上。
[0057]步驟304去除所述虛設(shè)柵極結(jié)構(gòu)的所述多晶硅層；
[0058]具體地，去除PMOS的虛設(shè)柵極，形成溝槽300。所述去除的方法可以是光刻和蝕亥IJ。在蝕刻過程中所用的氣體包括HBr，其作為主要蝕刻氣體；還包括作為刻蝕補充氣體的O2或Ar，其可以提高刻蝕的品質(zhì)。在該步驟之后，PMOS中的TaN或AlN層203的最終厚度在10-30埃之間。
[0059]步驟305在所述阻擋層上形成金屬柵極；
[0060]具體地，如圖2F所示，進行形成PMOS金屬柵極301的步驟。所述金屬柵極通過沉積多個薄膜堆棧形成。所述薄膜包括功函數(shù)金屬層，阻擋層和金屬材料層。所述阻擋層包括TaN、TiN, TaC、TaSiN、WN、TiAl、TiAlN或上述的組合。所述沉積阻擋層方法非限制性實例包括化學氣相沉積法(CVD)，如低溫化學氣相沉積(LTCVD)、低壓化學氣相沉積(LPCVD)、快熱化學氣相沉積(LTCVD)、等離子體化學氣相沉積(PECVD)。
[0061]在本發(fā)明的一個實施例中使用原子層沉積(ALD)、濺鍍及物理氣相沉積(PVD)的方法，所形成的阻擋層的厚度在10-100埃之間。所述功函數(shù)金屬層包括一層或多層金屬層。所述金屬層可以是TiN、TaN、TiN和TaN、上述的組合。所述金屬層可以用ALD、PVD或CVD的方法形成。優(yōu)選地，所述功函數(shù)金屬層的厚度在10-200埃之間。
[0062]所述金屬材料層可以用CVD或PVD的方法進行沉積。在該導電層形成之后，在300-500攝氏度溫度下進行退火。其在含氮環(huán)境中反應(yīng)的時間為10-60分鐘。最后進行導電層的平坦化，以除去溝槽300以外的導電層而形成PMOS金屬柵極301。
[0063]然后，可以選用上述形成PMOS金屬柵的方法形成NMOS金屬柵,參考圖2F,用光刻和蝕刻的方法進行NMOS的虛設(shè)柵極的去除形成溝槽400。在該步驟之后，NMOS中的TaN或AlN層203的最終厚度在5-20埃之間。然后，參照圖2G，進行形成NMOS金屬柵極401的步驟。[0064]步驟306以所述金屬柵極中金屬材料層為陽極在電解液中進行電解，在所述金屬材料層表面形成具有微孔金屬氧化物材料層，
[0065]具體地，如圖2H所示，以所述金屬材料層在電解液中作為陽極進行電解，在本發(fā)明所述金屬材料層優(yōu)選為金屬鋁材料層，在所述情況下，陰極上發(fā)生下列反應(yīng)，放出H2:2H++2e — H2，在陽極上發(fā)生下列反應(yīng)，40H-4e — 2H20+02,析出的氧不僅是分子態(tài)的氧(O2)，還包括原子氧(O)，以及離子氧(0_2)，通常在反應(yīng)中以分子氧表示，同時陽極材料金屬鋁材料層被其上析出的氧所氧化，形成無水的Al2O3膜:2Al+3[0] = AIA+1675.7KJ，需要說明的是，在本發(fā)明中所述生成的氧并不是全部與鋁作用，一部分以氣態(tài)的形式析出。
[0066]作為優(yōu)選，在本發(fā)明的一【具體實施方式】中，所述電解液為草酸和NaCl的混合溶液，其中，所述電解液中草酸的濃度為0.5-3mol/L，所述電解液中NaCl的濃度為0.1-1mol/L，在該電解反應(yīng)中，所述電解電壓為1-30伏，所述電解的電流密度為l-100A/m2，所述電解時間為1-10分鐘。
[0067]通過該步驟的操作，在所述金屬材料層的頂部位置形成了一層具有微孔金屬氧化物材料層，如圖21所示，所述微孔呈均勻分布，所述微孔的直徑為100nm-200nm，所述微孔之間具有一定的間隔，所述微孔之間的間隔為300nm-500nm。
[0068]在本發(fā)明中對所述金屬材料層進行電解，在金屬材料層的表面生成金屬氧化物材料層，由于所述金屬氧化物材料層上具有均勻分布的微孔，表面更為粗糙，所述金屬氧化物材料層與上方所形成的接觸孔蝕刻停止層之間的粘附力更強，因此在蝕刻或者平坦化的過程中兩者不會分離，不再發(fā)生脫落；而且由于所述金屬氧化物材料層上具有均勻分布的微孔，所述金屬氧化物材料層的機械加工性增強，脆度降低，在應(yīng)力情況下更容易將所受到的力通過所述微孔分散，韌性更好，解決了現(xiàn)有技術(shù)中該金屬層容易發(fā)生碎裂的問題。
[0069]步驟307在所述金屬氧化物材料層上形成接觸孔蝕刻停止層，其可以為金屬氮化物層，在所述金屬氮化物層上形成層間介電層，其可以為氧化物層；
[0070]具體地，首先執(zhí)行一平坦化步驟，去除所述金屬氧化物材料層，例如氧化鋁材料層，使其與所述層間介電層220位于一個平面上，如圖2J所示，然后沉積接觸孔蝕刻停止層，所述接觸孔蝕刻停止層優(yōu)選為金屬氮化物層，進一步優(yōu)選氮化硅層212，在所述金屬氮化物上沉積層間介質(zhì)層213，優(yōu)選為氧化物層，所述氧化物層可以為SiOF、SiON或SiO2，如圖2K所示。
[0071]步驟308蝕刻所述接觸孔蝕刻停止層以及層間介電層，形成接觸孔；露出所述金屬材料層，采用金屬導電材料填充所述接觸孔，形成接觸塞，以形成電連接；
[0072]具體地，在所述接觸孔蝕刻停止層(金屬氮化物)以及層間介質(zhì)層(氧化物層)上形成掩膜，然后進行蝕刻，分別在所述NMOS和PMOS柵極上形成接觸孔，然后在所述接觸孔中填充導電材料，最后進行平坦化，在所述柵極上形成接觸塞，用于電連接，如圖2K所示。
[0073]本發(fā)明已經(jīng)通過上述實施例進行了說明，但應(yīng)當理解的是，上述實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施例，根據(jù)本發(fā)明的教導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)明所要求保護的范圍以內(nèi)。本發(fā)明的保護范圍由附屬的權(quán)利要求書及其等效范圍所界定。
【權(quán)利要求】
1.一種含金屬柵極的半導體器件的制備方法，包括: 提供一包含金屬柵極的半導體襯底，所述金屬柵極的最上層為金屬材料層； 以所述金屬材料層為陽極，在電解液中進行電解，在所述金屬材料層表面形成具有微孔的金屬氧化物材料層，以增強所述金屬材料層與其上方將形成的接觸孔蝕刻停止層之間的粘附性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬材料層為鋁材料層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述接觸孔蝕刻停止層為氮化硅層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電解液為草酸和NaCl的混合溶液。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述電解液中草酸的濃度為0.5-3mol/L。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述電解液中NaCl的濃度為0.1-1mol/L0
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電解電壓為1-30伏。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電解的電流密度為l-100A/m2。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電解時間為1-10分鐘。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述微孔均勻分布于所述金屬氧化物材料層上，所述微孔的直徑為100nm-200nm。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述微孔之間的間隔為300nm-500nm。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬柵極的形成方法為: 提供半導體襯底； 在所述半導體襯底上形成柵堆棧層，包括依次層疊的高K介電層、TiN覆蓋層、多晶硅層，以及位于所述TiN覆蓋層和多晶硅層之間的阻擋層； 蝕刻所述柵堆棧層以在所述襯底上形成虛設(shè)柵極結(jié)構(gòu)； 去除所述虛設(shè)柵極結(jié)構(gòu)的所述多晶硅層； 在所述阻擋層上形成金屬柵極。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述阻擋層為TaN或AlN層，所述阻擋層的厚度為10-50埃。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述金屬柵極由依次層疊的功函數(shù)金屬層、阻擋層和金屬材料層組成。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在形成所述具有微孔氧化鋁材料層后，進一步包含以下步驟: 在所述氧化鋁材料層上形成接觸孔蝕刻停止層； 在所述接觸孔蝕刻停止層上形成層間介電層； 蝕刻所述層間介電層和所述接觸孔蝕刻停止層形成接觸孔，露出所述金屬氧化物材料層； 采用金屬導電材料填充所述接觸孔，形成接觸塞，以形成電連接。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述接觸孔蝕刻停止層為金屬氮化物層。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述層間介電層為氧化物層。
18.一種由權(quán)利要求1至17之一所述方法制備得到的半導體器件。
【文檔編號】H01L21/28GK103632941SQ201210303576
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年8月23日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月23日
【發(fā)明者】平延磊, 周鳴 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司