一種制作金屬柵極的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種制作金屬柵極的方法，該方法包括：在制作金屬柵極過程中，采用電鍍的方式形成金屬柵極層，該金屬柵極層采用鈦鋁合金，這與形成功函數(shù)金屬層所采用的沉積方式不同，則金屬含量不同，在MOSFET工作時(shí)，擴(kuò)散到p型MOSFET的阻擋層和n型MOSFET的擴(kuò)散量也不同，對于p型溝道MOSFET和n型溝道MOSFET金屬柵極層中的鋁擴(kuò)散到功函數(shù)金屬層的離子數(shù)量不同，這樣，在保證p型溝道MOSFET的功函數(shù)值達(dá)到極值時(shí)，提高性能，n型溝道MOSFET的第二阻擋層中從金屬柵極層所擴(kuò)散的鋁也比較少，不會降低阻擋層的介電常數(shù)值，從而使得不會降低性能。因此，本發(fā)明提供的方法可以使得所制作的MOSFET器件的總體性能提高。
【專利說明】一種制作金屬柵極的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制作領(lǐng)域，特別涉及一種制作金屬柵極的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，半導(dǎo)體制造工業(yè)主要在硅襯底的晶片(wafer)器件面上生長器件，例如，互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件?，F(xiàn)在普遍采用雙阱CMOS工藝在硅襯底上同時(shí)制作導(dǎo)電溝道為空穴的P型溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)和導(dǎo)電溝道為電子的η型溝道M0SFET，具體步驟為:首先，將硅襯底中的不同區(qū)域通過摻雜分別成為以電子為多數(shù)載流子的(η型)硅襯底和以空穴為多數(shù)載流子的(P型)硅襯底之后，在η型硅襯底和P型硅襯底之間制作淺溝槽隔離(STI)lOl，然后在STI兩側(cè)用離子注入的方法分別形成空穴型摻雜擴(kuò)散區(qū)(P阱)102和電子型摻雜擴(kuò)散區(qū)(N阱)103，接著分別在P阱102和N阱103位置的wafer器件面依次制作由柵極電介質(zhì)層104和金屬柵105組成的層疊柵極，最后在P阱102和N阱103中分別制作源極和漏極，源極和漏極位于層疊柵極的兩側(cè)(圖中未畫出)，在P阱中形成η型溝道M0SFET，在N阱中形成ρ型溝道M0SFET，得到如圖1所示的CMOS器件結(jié)構(gòu)。
[0003]傳統(tǒng)的氮氧化合物/多晶硅層疊柵極，是以氮氧化物作為柵極電介質(zhì)層，多晶硅作為柵極。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，氮氧化合物/多晶硅層疊柵極的CMOS器件由于漏電流和功耗過大等問題，已經(jīng)不能滿足小尺寸半導(dǎo)體工藝的需要。因此，提出了以合金金屬作為功函數(shù)金屬層、高介電系數(shù)(HK)材料作為阻擋層，以金屬材料作為金屬柵的金屬柵極。
[0004]目前，采用化學(xué)機(jī)械平坦化(CMP)制作金屬柵極。
[0005]圖2a?圖2f為現(xiàn)有技術(shù)在制作金屬柵極的剖面示意圖，其中，
[0006]如圖2a所示，按照圖1所述的過程在半導(dǎo)體襯底11上形成CMOS器件結(jié)構(gòu)，該CMOS器件結(jié)構(gòu)包括替代柵極22、源極及漏極(源極及漏極未示出)，該CMOS器件中還具有第一阻擋層33 ;在第一阻擋層33表面上沉積第一介質(zhì)層44 ；
[0007]在這里，第一阻擋層33為氮化硅層，作為刻蝕停止層存在；
[0008]在這里，左邊空白的半導(dǎo)體襯底11為η阱，在其上制作的CMOS器件為ρ型溝道M0SFET，右邊網(wǎng)格的半導(dǎo)體襯底11為ρ阱，在其上制作的CMOS器件為η型溝道MOSFET ；
[0009]如圖2b所示，采用化學(xué)機(jī)械平坦化(CMP)方式對第一介質(zhì)層44進(jìn)行拋光，直到第一阻擋層33停止；
[0010]如圖2c所示，對第一阻擋層33采用干法繼續(xù)刻蝕，裸露出替代柵極22 ；
[0011]如圖2d所示，去除裸露的替代柵極22 ；
[0012]如圖2e所示，在去除替代柵極22的區(qū)域填充功函數(shù)金屬層55 ；
[0013]該過程的具體步驟為:在ρ型溝道MOSFET的替代柵極22區(qū)域及η型溝道MOSFET的替代柵極22區(qū)域中填充鈦鋁合金；
[0014]在該步驟中，功函數(shù)金屬層用于MOSFET工作過程中，金屬柵極層的金屬擴(kuò)散到該層上；[0015]如圖2f所示，在功函數(shù)金屬層55上填充第二阻擋層55’，再填充金屬柵極層66后，采用CMP拋光，得到金屬柵極；
[0016]在該步驟中，在P型溝道MOSFET的替代柵極22區(qū)域及η型溝道MOSFET的替代柵極22區(qū)域中氮化鈦(TiN)，作為P型溝道MOSFET的第二阻擋層55’，然后去除η型溝道MOSFET的替代柵極22填充的TiN層后(采用光刻技術(shù)進(jìn)行)，再填充氮化鉭(TaN)到η型溝道MOSFET的替代柵極22區(qū)域中，作為η型溝道MOSFET的第二阻擋層55’ ；
[0017]在該步驟中，金屬柵極層44為鋁鈦合金層。
[0018]應(yīng)用該方法，具有金屬柵極的P型溝道MOSFET的諸如閾值電壓等性能參數(shù)將顯著提高，這是因?yàn)榻饘贃艠O層中的金屬合金在工作過程中通過第二阻擋層擴(kuò)散到功函數(shù)金屬層，使得功函數(shù)值達(dá)到一個(gè)高值，比如如果是100埃的TaN層，其功函數(shù)值為4.1伏特，提高了 P型溝道MOSFET的性能；具有金屬柵極的η型溝道MOSFET的性能卻降低，這是因?yàn)?，金屬柵極層中的金屬合金在工作中擴(kuò)散到功函數(shù)金屬層時(shí)，會降低TiN層的介電常數(shù)值，從而使得η型溝道MOSFET的漏電流值降低。
[0019]因此，應(yīng)用該方法制作的MOSFET器件的總體性能并沒有提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]有鑒于此，本發(fā)明提供一種制作金屬柵極的方法，該方法能夠使得所制作的MOSFET器件的總體性能提高。
[0021]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0022]一種制作金屬柵極的方法，該方法包括:
[0023]提供CMOS器件，刻蝕CMOS器件上方的第一阻擋層后，露出替代柵極；
[0024]去除所述CMOS器件中的P型溝道MOSFET的替代柵極后，填充P型溝道MOSFET的第一功函數(shù)金屬層和第二阻擋層；
[0025]在第二阻擋層上方采用電鍍的方式電鍍鈦鋁合金，采用化學(xué)機(jī)械平坦化CMP后得到第一鈦鋁合金金屬柵極層；
[0026]去除所述CMOS器件中的η型溝道MOSFET中的裸露的替代柵極后，填充η型溝道MOSFET的第二功函數(shù)金屬層和第三阻擋層；
[0027]在第三阻擋層上方采用電鍍的方式電鍍鈦鋁合金，采用CMP后得到第二鈦鋁合金金屬柵極層。
[0028]在所述去除所述CMOS器件中的P型溝道MOSFET的替代柵極，填充p型溝道MOSFET的第一功函數(shù)金屬層和第二阻擋層；在第二阻擋層上方采用電鍍的方式電鍍鈦鋁合金，采用CMP后得到第一鈦鋁合金金屬柵極層的過程中，將η型溝道MOSFET的替代柵極及半導(dǎo)體襯底區(qū)域采用光刻膠圖案化遮蓋。
[0029]在所述去除所述CMOS器件中的η型溝道MOSFET中的裸露的替代柵極后，填充η型溝道MOSFET的第二功函數(shù)金屬層和第三阻擋層；在第三阻擋層上方采用電鍍的方式電鍍鈦鋁合金，采用CMP后得到第二鈦鋁合金金屬柵極層的過程中，將P型溝道MOSFET的替代柵極及半導(dǎo)體襯底區(qū)域采用光刻膠圖案化遮蓋。
[0030]所述第一功函數(shù)金屬層為鈦鋁合金，采用ALD、PVD或CVD方式沉積得到，厚度為10埃?100埃；[0031]所述第二功函數(shù)金屬層為鈦鋁合金，采用ALD、PVD或CVD方式沉積得到，厚度為10
埃?100埃。
[0032]所述電鍍方式為:
[0033]在第二阻擋層或第三阻擋層上沉積TaN和Al種子層作為陰極后，采用鈦鋁合金作為陽極，采用烷基或烴基鋁溶液和氯化鈦的溶液進(jìn)行電鍍。
[0034]述烷基或烴基鋁溶液為氯化鋁溶液。
[0035]在所述電鍍后，該方法還包括:
[0036]采用CVD或PVD沉積鋁。
[0037]該方法還包括:進(jìn)行退火步驟，溫度為300攝氏度到500攝氏度，大約10分鐘?60分鐘。
[0038]所述第三阻擋層為TaN，含鈦的氮化物中的一種或多種組合；
[0039]采用ALD、PVD和CVD方式得到，厚度范圍為10埃到100埃。
[0040]從上述方案可以看出，本發(fā)明在制作金屬柵極過程中，采用電鍍的方式形成金屬柵極層，該金屬柵極層采用鈦鋁合金，這與形成功函數(shù)金屬層所采用的沉積方式不同，則金屬含量不同，在MOSFET工作時(shí)，擴(kuò)散到P型MOSFET的阻擋層和η型MOSFET的擴(kuò)散量也不同，對于P型溝道MOSFET和η型溝道MOSFET金屬柵極層中的鋁擴(kuò)散到功函數(shù)金屬層的離子數(shù)量不同，這樣，在保證P型溝道MOSFET的功函數(shù)值達(dá)到極值時(shí)，提高性能，η型溝道MOSFET的第二阻擋層中從金屬柵極層所擴(kuò)散的鋁也比較少，不會降低阻擋層的介電常數(shù)值，從而使得不會降低性能。因此，本發(fā)明提供的方法可以使得所制作的MOSFET器件的總體性能提聞。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0041]圖1為現(xiàn)有技術(shù)提供的CMOS器件結(jié)構(gòu)剖面示意圖；
[0042]圖2a?2f為現(xiàn)有技術(shù)提供的在制作金屬柵極的剖面示意圖；
[0043]圖3為本發(fā)明提供的制作金屬柵極的方法流程圖；
[0044]圖4a?圖4i所示的制作金屬柵極過程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0045]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉實(shí)施例，對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0046]采用【背景技術(shù)】提供的方法制作MOSFET時(shí)，造成MOSFET器件的總體性能并沒有提高的原因就是:提高P型溝道MOSFET性能的金屬柵極層中的金屬通過第二阻擋層擴(kuò)散至功函數(shù)金屬層的數(shù)量，就可以提高P型溝道MOSFET的工作性能，而由于P型溝道MOSFET的金屬柵極層和η型溝道MOSFET的金屬柵極層采用填充和CMP方式同時(shí)制作，同時(shí)η型溝道MOSFET的金屬柵極層中的金屬擴(kuò)散至第二阻擋層中的數(shù)量也會提高，這會使得η型溝道MOSFET的第二阻擋層，也就是TiN層的介電常數(shù)值變低，降低漏電電流值，使得η型溝道MOSFET性能降低。
[0047]為了克服這個(gè)問題，就需要在制作η型MOSFET的金屬柵極層和制作P型MSFET的金屬柵極層時(shí)，擴(kuò)散至功函數(shù)金屬層的鋁金屬的離子數(shù)量不同，也就是所制作的金屬柵極層中銅鋁合金含量不同。因此，本發(fā)明在制作金屬柵極過程中，采用電鍍的方式形成金屬柵極層，該金屬柵極層采用鈦鋁合金，這與形成功函數(shù)金屬層所采用的沉積方式不同，則金屬含量不同，在MOSFET工作時(shí)，擴(kuò)散到P型MOSFET的阻擋層和η型MOSFET的擴(kuò)散量也不同，對于P型溝道MOSFET和η型溝道MOSFET金屬柵極層中的鋁擴(kuò)散到功函數(shù)金屬層的離子數(shù)量不同，這樣，在保證P型溝道MOSFET的功函數(shù)值達(dá)到極值時(shí)，提高性能，η型溝道MOSFET的第二阻擋層中從金屬柵極層所擴(kuò)散的鋁也比較少，不會降低阻擋層的介電常數(shù)值，從而使得不會降低性能。因此，本發(fā)明提供的方法可以使得所制作的MOSFET器件的總體性能提聞。
[0048]圖3為本發(fā)明提供的制作金屬柵極的方法流程圖，結(jié)合圖4a?圖4i所示的制作金屬柵極過程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0049]步驟301、如圖4a所示，按照圖1所述的過程在半導(dǎo)體襯底11上形成CMOS器件結(jié)構(gòu)，該CMOS器件結(jié)構(gòu)包括替代柵極22、源極及漏極(源極及漏極未示出)，該CMOS器件中還具有第一阻擋層33 ;在第一阻擋層33表面上沉積第一介質(zhì)層44 ；
[0050]在這里，第一阻擋層33為氮化硅層，作為刻蝕停止層存在；
[0051]在這里，左邊空白的半導(dǎo)體襯底11為η阱，在其上制作的CMOS器件為p型溝道M0SFET，右邊網(wǎng)格的半導(dǎo)體襯底11為P阱，在其上制作的CMOS器件為η型溝道MOSFET ；
[0052]在這里，替代柵極22中還包括了柵極側(cè)墻等結(jié)構(gòu)；
[0053]步驟302，如圖4b所示，采用CMP方式對第一介質(zhì)層44進(jìn)行拋光，直到第一阻擋層33停止；
[0054]步驟303、如圖4c所示，對第一阻擋層33采用干法繼續(xù)刻蝕，裸露出替代柵極22 ；
[0055]步驟304、如圖4d所示，去除P型溝道MOSFET中的裸露的替代柵極22 ；
[0056]在進(jìn)行該步驟時(shí)，將η型溝道MOSFET的替代柵極22及半導(dǎo)體相關(guān)襯底區(qū)域11采用光刻膠圖案化遮蓋；
[0057]步驟305、如圖4e所示，在去除替代柵極22的區(qū)域填充p型溝道MOSFET的第一功函數(shù)金屬層55和第二阻擋層56 ；
[0058]在該步驟中，第一功函數(shù)金屬層55為鈦鋁合金，采用ALD、PVD或CVD方式沉積得至丨J，厚度為10埃?100埃；
[0059]步驟306、如圖4f所示，在P型溝道MOSFET的去除替代柵極22的區(qū)域內(nèi)第二阻擋層56上方采用電鍍的方式電鍍鈦鋁合金，采用CMP后得到第一鈦鋁合金金屬柵極層57 ；
[0060]在該步驟中，第二阻擋層56為TiN層；
[0061]在本步驟中，在第二阻擋層56上沉積TaN和Al種子層作為陰極后，采用鈦鋁合金作為陽極，采用烷基或烴基鋁溶液和氯化鈦的溶液進(jìn)行電鍍，得到第一鈦鋁合金金屬柵極層57，該烷基或烴基鋁溶液包括鋁混合離子液體，該液體采用有機(jī)陽離子和無極陰離子組成，或者采用有機(jī)陽離子和有機(jī)陰離子組成，控制該鋁溶液的含鋁量就可以得到設(shè)定鋁含量的第一鈦招合金金屬柵極層57 ；
[0062]具體地，可以采用氯化鋁溶液和氯化鈦溶液進(jìn)行電鍍，得到第一鈦鋁合金金屬柵極層57 ；
[0063]在該步驟進(jìn)行的同時(shí)，還可以采用CVD或PVD沉積鋁，在完成后，進(jìn)行退火步驟，溫度為300攝氏度到500攝氏度，大約10分鐘?60分鐘；[0064]完成后，將圖案化遮蓋η型溝道MOSFET的替代柵極22及半導(dǎo)體襯底區(qū)域11的光刻膠層濕法去除；
[0065]步驟307、如圖4g所示，去除η型溝道MOSFET中的裸露的替代柵極22 ；
[0066]在進(jìn)行該步驟時(shí)，將ρ型溝道MOSFET所制作的金屬柵極及半導(dǎo)體相關(guān)襯底區(qū)域11采用光刻膠圖案化遮蓋；
[0067]步驟308、如圖4h所示，在η型溝道MOSFET的去除替代柵極22的區(qū)域填充η型溝道MOSFET的第二功函數(shù)金屬層55’和第三阻擋層56’ ；
[0068]在該步驟中，第二功函數(shù)金屬層55’為鈦鋁合金，采用ALD、PVD或CVD方式沉積得至丨J，厚度為10埃?100埃；
[0069]在該步驟中，第三阻擋層56’為TaN，含鈦的氮化物中的一種或多種組合；采用ALD、PVD和CVD方式得到，厚度范圍為10埃到100埃；
[0070]步驟309、如圖4i所示，在η型溝道MOSFET的去除替代柵極22的區(qū)域內(nèi)第三阻擋層56’上方采用電鍍的方式電鍍鈦鋁合金，采用CMP后得到第二鈦鋁合金金屬柵極層57’ ；
[0071]在本步驟中，在第三阻擋層56’上沉積TaN和Al種子層作為陰極后，采用鈦鋁合金作為陽極，采用烷基或烴基鋁溶液和氯化鈦的溶液進(jìn)行電鍍，得到第三鈦鋁合金金屬柵極層57’，該烷基或烴基鋁溶液包括鋁混合離子液體，該液體采用有機(jī)陽離子和無極陰離子組成，或者采用有機(jī)陽離子和有機(jī)陰離子組成，控制該鋁溶液的含鋁量就可以得到設(shè)定鋁含量的第二鈦鋁合金金屬柵極層57’，該第二鈦鋁合金金屬柵極層57’中鋁的含量小于第一鈦招合金金屬柵極層57’ ；
[0072]具體地，可以采用氯化鋁溶液和氯化鈦溶液進(jìn)行電鍍，得到第二鈦鋁合金金屬柵極層57’，在電鍍時(shí)采用的溶液濃度為0.1?10A/cm2，溫度為5?90攝氏度；
[0073]在該步驟進(jìn)行的同時(shí)，還可以采用CVD或PVD沉積鋁，在完成后，進(jìn)行退火步驟，溫度為300攝氏度到500攝氏度，大約10分鐘?60分鐘；
[0074]這樣，就制作完成了金屬柵極。
[0075]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明保護(hù)的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種制作金屬柵極的方法，其特征在于，該方法包括: 提供CMOS器件，刻蝕CMOS器件上方的第一阻擋層后，露出替代柵極； 去除所述CMOS器件中的P型溝道MOSFET的替代柵極后，填充P型溝道MOSFET的第一功函數(shù)金屬層和第二阻擋層； 在第二阻擋層上方采用電鍍的方式電鍍鈦鋁合金，采用化學(xué)機(jī)械平坦化CMP后得到第一鈦招合金金屬柵極層； 去除所述CMOS器件中的η型溝道MOSFET中的裸露的替代柵極后，填充η型溝道MOSFET的第二功函數(shù)金屬層和第三阻擋層； 在第三阻擋層上方采用電鍍的方式電鍍鈦鋁合金，采用CMP后得到第二鈦鋁合金金屬柵極層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述去除所述CMOS器件中的P型溝道MOSFET的替代柵極，填充P型溝道MOSFET的第一功函數(shù)金屬層和第二阻擋層；在第二阻擋層上方采用電鍍的方式電鍍鈦鋁合金，采用CMP后得到第一鈦鋁合金金屬柵極層的過程中，將η型溝道MOSFET的替代柵極及半導(dǎo)體襯底區(qū)域采用光刻膠圖案化遮蓋，完成后濕法去除。
3.如權(quán)利要求1所述的方式，其特征在于，在所述去除所述CMOS器件中的η型溝道MOSFET中的裸露的替代柵極后，填充η型溝道MOSFET的第二功函數(shù)金屬層和第三阻擋層；在第三阻擋層上方采用電鍍的方式電鍍鈦鋁合金，采用CMP后得到第二鈦鋁合金金屬柵極層的過程中，將P型溝道MOSFET的替代柵極及半導(dǎo)體襯底區(qū)域采用光刻膠圖案化遮蓋，完成后濕法去除。
4.如權(quán)利要求1所述的方式，其特征在于，所述第一功函數(shù)金屬層為鈦鋁合金，采用ALD、PVD或CVD方式沉積得到，厚度為10埃?100埃； 所述第二功函數(shù)金屬層為鈦鋁合金，采用ALD、PVD或CVD方式沉積得到，厚度為10埃?100埃。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電鍍方式為: 在第二阻擋層或第三阻擋層上沉積TaN和Al種子層作為陰極后，采用鈦鋁合金作為陽極，采用烷基或烴基鋁溶液和氯化鈦的溶液進(jìn)行電鍍。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述烷基或烴基鋁溶液為氯化鋁溶液。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述電鍍后，該方法還包括: 采用CVD或PVD沉積鋁。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，該方法還包括:進(jìn)行退火步驟，溫度為300攝氏度到500攝氏度，大約10分鐘?60分鐘。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三阻擋層為TaN，含鈦的氮化物中的一種或多種組合； 采用ALD、PVD和CVD方式得到，厚度范圍為10埃到100埃。
【文檔編號】H01L21/8238GK103794486SQ201210420931
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月29日
【發(fā)明者】周鳴, 平延磊 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司