专利名称：一种金属栅极的形成方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种金属栅极的形成方法。
背景技术：
随着技术节点的降低，为改善集成电路器件的性能，现有技术提供将金属栅极替代多晶硅栅极的解决方案。其中，“后栅极(gate last)”工艺为形成金属栅极的一个工艺。专利申请号为200780016613. 2的中国专利申请提供一种使用“后栅极”工艺形成金属栅极的方法，包括提供基底，所述基底上形成有伪栅极结构、及位于所述基底上，且覆盖有所述伪栅极结构的层间介质层，所述伪栅极结构的侧面垂直于基底；以所述伪栅极结构作为停止层，对所述层间介质层进行化学机械抛光工艺；除去所述伪栅极结构后形成沟槽，因为所述伪栅极结构的侧面垂直于基底，所以去除其形成的沟槽的侧壁同样垂直基底， 即所述沟槽开口处的拐角为直角；最后对所述沟槽填充介质和金属，以形成栅极介质层和金属栅电极层。如图1所示为上述技术方案形成的沟槽形状，因为所述沟槽的侧壁垂直于所述基底，且所述沟槽开口处的拐角001为直角，所以当对沟槽填充介质和金属时，位于所述直角 001处的沉积速率较高，越靠近底部，沉积速率越低，最后将会在金属栅极内出现空隙002。 随着栅极长度的减小，沟槽的尺寸也随之减小，将介质和金属沉积到沟槽中愈发变得困难， 愈加可能形成空隙。专利申请号为200910161763.3的中国专利申请提供了另外一种使用“后栅极 (gate last)”工艺形成金属栅极的方法，用以解决上述空隙问题。其解决方案为形成沟槽之后，对所述沟槽进行氩离子溅射，修正所述沟槽的开口，使所述沟槽的开口宽度大于底部宽度。如图2所示为氩离子溅射修正后形成的沟槽形状。但是，所述沟槽侧壁仅靠近开口的部分为倾斜，而靠近底部的侧壁与基底垂直，在倾斜侧壁和垂直侧壁的交界处的侧壁拐角003为尖角，而在所述尖角003处，仍然造成填充的材料堆积，会形成空隙004。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种金属栅极的形成方法，以解决填充形成金属栅极时产生的空隙问题。为解决上述问题，本发明提供一种金属栅极的形成方法，包括提供基底，所述基底上形成有牺牲层；刻蚀所述牺牲层，形成具有倾斜侧壁的锥形沟槽，所述沟槽开口宽度大于底部宽度；采用填充物质填充所述沟槽，形成伪栅电极层；去除所述牺牲层；在所述伪栅电极层两侧形成侧墙，并以所述侧墙为掩膜，对所述基底进行离子注入；在所述基底上沉积层间介质层，并以所述伪栅电极层为停止层，对所述层间介质层进行平坦化；去除所述伪栅电极层，对去除伪栅电极层后的沟槽依次填充介质和金属。可选的，所述牺牲层为氧化硅层。可选的，刻蚀所述牺牲层的刻蚀气体为NF3与C4F6的混合气体、SF6与C4F6的混合气体、NF3与CH2F2的混合气体、SF6与CH2F2的混合气体、CF4与CHF3的混合气体、或CF4与 CH2F2的混合气体。可选的，刻蚀所述牺牲层的刻蚀气体为(/6、(/8、或(丨8。可选的，刻蚀所述牺牲层的刻蚀气体为SFf^n CH2F2的混合气体，其中所述混合气体的SF6与CH2F2体积比值范围8 1 15 1。可选的,所述SF6流量为50sccm至250sccm，所CH2F2流量为5sccm至20sccm。可选的，所述刻蚀时间为10秒至100秒，所述刻蚀的腔体压力为5毫托至50毫托， 功率为500瓦至1000瓦。可选的，所述沟槽的开口宽度范围为25nm 50nm，底部宽度范围为15nm 45nm。可选的，所述形成伪栅电极层的材料为多晶硅。可选的，所述去除伪栅电极层的工艺为使用硝酸和氢氟酸的混合溶液去除工艺。可选的，所述栅极介质层为高K栅极介质层。与现有技术相比，上述方案具有以下优点本发明通过形成底部小，开口大、具有倾斜侧壁的锥形沟槽，避免了填充物质后金属栅极产生空隙，提高金属栅极的质量。
图1至图2为现有金属栅极形成方法形成的沟槽结构示意图；图3至图15为本发明一个实施例的金属栅极形成方法结构示意图。
具体实施例方式发明人发现，在“后栅极”制造工艺中，当填充物质填充到沟槽中，形成金属栅极时，会在金属栅极内出现空隙(void)。随着栅极长度的减小，沟槽的尺寸也随之减小，将填充物质填充到沟槽中愈加变得困难，愈加会形成空隙。基于上述发现，本发明提供一种金属栅极的形成方法，包括提供基底，所述基底上形成有牺牲层；刻蚀所述牺牲层，形成具有倾斜侧壁的锥形沟槽，所述沟槽开口宽度大于底部宽度；采用填充物质填充所述沟槽，形成伪栅电极层；去除所述牺牲层；在所述伪栅电极层两侧形成侧墙，并以所述侧墙为掩膜，对所述基底进行离子注入；在所述基底上沉积层间介质层，并以所述伪栅电极层为停止层，对所述层间介质层进行平坦化；去除所述伪栅电极层，对去除伪栅电极层后的沟槽依次填充介质和金属。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。图3至图15为本发明一个实施例的金属栅极形成方法结构示意图。如图3所示，提供基底10，所述基底10上形成有氧化硅层20和氮化硅层30。
所述基底10可以选自硅基底、绝缘层上的硅(SOI)、或者还可以是其它的材料，例如砷化镓等III-V族化合物。所述基底10内形成有隔离结构110，用于隔离后续形成的有源器件区。继续参考图3，在所述氮化硅层30上形成一层牺牲层40，所述牺牲层40可以通过化学气相沉积法形成。作为一个实施例，所述牺牲层40的材料为氧化硅。其中，所述氧化硅层20用于在后续刻蚀牺牲层40时，保护基底10不暴露在刻蚀环境中，避免所述刻蚀环境对基底10造成晶格损伤；所述氮化硅层30作为刻蚀阻挡的作用，使得后续形成沟槽时，牺牲层40的刻蚀可以停止在所述氮化硅层30上，而不会对所述氧化硅层20进行刻蚀。如图4所示，在所述牺牲层40上形成光刻胶图形(未图示)，所述光刻胶图形与沟槽400的位置对应；以所述光刻胶图形为掩膜，对所述牺牲层40和氮化硅层30进行刻蚀， 形成沟槽400。随着刻蚀的进行，沟槽400的侧壁将逐渐收缩，最终得到一个底部小，开口大、具有倾斜侧壁的锥形沟槽400。具体地，所述刻蚀气体包括主蚀刻气体和保护性气体，所述主蚀刻气体为含氟元素的气体，以对所述牺牲层40进行刻蚀；而保护性气体为含碳元素较高的气体，所述含碳元素较高的保护性气体在刻蚀过程中，将会在沟槽400的侧壁上形成聚合物，所述聚合物将使得所述牺牲层40不容易被刻蚀掉。随着刻蚀的进行，牺牲层40越难以被刻蚀掉，进而形成的沟槽400底部较开口要小。同时所述刻蚀气体中还可以加入氧气，以去除部分聚合物，避免聚合物过多导致刻蚀在沟槽未完全形成前停止。所述沟槽400为锥形形状，即所述沟槽400的侧壁与基底10具有一定的倾斜角度，其中，顶部开口处的宽度约为25nm 50歷，底部的宽度约为15nm 45nm。作为一个实施例，可以通过对刻蚀参数，主要是主蚀刻气体和保护性气体类型、及主蚀刻气体和保护性气体的比例的调整，逐步收缩沟槽400的开口，以得到底部开口小，顶部开口大、具有倾斜侧壁的锥形沟槽400。所述刻蚀气体为以下混合气体的一组或组合主刻蚀气体为NF3,保护性气体 C4F6 ；主刻蚀气体为SF6,保护性气体为C4F6 ；主刻蚀气体为NF3,保护性气体为CH2F2 ；主刻蚀气体为SF6,保护性气体为CH2F2 ；主刻蚀气体为CF4,保护性气体为CHF3 ；主刻蚀气体为CF4,保护性气体为CH2F2。所述刻蚀气体还可以为以下气体的一种C4F6、C4F8或C5F8。这些气体中同时含有氟元素和碳元素，单独使用其中的一种气体能够得到底部小，开口大、具有倾斜侧壁的锥形沟槽400。如图4所示，所述沟槽400的侧壁倾斜程度由侧壁角度A来衡量，所述侧壁倾斜角度A为所述侧壁与氧化硅层20的上表面所形成的锐角。其中，所述侧壁倾斜角度A可以通过调整混合气体中的各气体的比例来达到。经过研究，发明人发现在上述刻蚀气体的组合中，主刻蚀气体与保护气体的体积比值越高，侧壁越陡。作为一个实施例，使用主刻蚀气体SF6,保护性气体为CH2F2对所述牺牲层40进行刻蚀。当刻蚀气体体积比值(SF6 CH2F2)在15 1的时候，所述侧壁倾斜角度A为90度，当刻蚀气体体积比值为8 1时，所述侧壁倾斜角度A为80度。位于80度 90度区间的侧壁倾斜角度与刻蚀气体体积比值为线性关系。图5示出了气体成分为SF6与CH2F2气体体积比值(用字母Z标示)与所述沟槽的侧壁角度A的关系图。如图5所示，当体积比值Z为SF6 CH2F2 = 15 1时候，侧壁倾斜角度A约为90 度；体积比值Z越低，例如，当SF6 CH2F2 = 8:1时候，侧壁倾斜角度A约为80度。在侧壁倾斜角度A为80度 90度区间之内，侧壁倾斜角度A与体积比值Z为线性关系，所述函数关系为A= (10/7)Z+(480/7) 0通过调整混合气体体积比值Z，可以得到所需要达到的侧壁倾斜角度A。例如当所需要达到的侧壁倾斜角度为85度时候，可将体积比值Z调整至23 2即可。所述具体的刻蚀参数可以如下所述SF6流量为50sCCm至250sCCm，CH2F2流量为 5sccm至20sCCm ；所述刻蚀时间为10秒至100秒；所述刻蚀的腔体压力为5毫托至50毫托；所述刻蚀功率为500瓦至1000瓦。如图6所示，对所述沟槽400进行填充多晶硅，形成伪栅电极层410。具体地，化学气相沉积多晶硅至所述沟槽400内，沉积之后，以牺牲层40作为阻挡层，进行化学机械研磨，使伪栅电极层410具有光滑的表面。在该步骤中，填充多晶硅形成上述的伪栅电极层410，原因如下若在该步骤中， 直接填充金属形成金属栅电极层，则后续形成源漏区的离子注入环境中，所述金属栅电极层将会受到损伤，所以首先形成一个伪栅电极层410，用于后续形成源漏区的离子注入环境中。如图7所示，去除所述牺牲层40。本实施例中，所述牺牲层40的材料为氧化硅，所述牺牲层40采用热氢氟酸溶液去除。继续参考图7，还包括去除氮化硅层30，所述氮化硅层30的去除方式可采用热磷酸溶液进行去除。如图8所示，对所述伪栅电极层410进行氧化，形成氧化物。所述氧化物为第一侧墙420，所述形成方法为热氧化。以所述第一侧墙420为掩膜，对所述基底10进行离子注入，形成离子轻掺杂区 (未示出)。参考图9和图10，在所述第一侧墙420的表面形成第二侧墙431。作为一个实施例，所述第二侧墙431的形成工艺为如图9所示，首先在所述氧化硅层20上形成介质层430，所述介质层430覆盖第一侧墙420表面和氧化硅层20表面。所述介质层430为氧化硅、氮化硅、碳化硅中的一种；如图10所示，对所述介质层430进行回刻，在所述第一侧墙420表面形成第二侧墙431。如图11所示，以所述第二侧墙431为掩膜，对所述基底10进行离子掺杂，在所述基底10内形成离子掺杂区120，所述离子掺杂区120可以为源区或漏区。如图12所示，在所述基底10上沉积层间介质层41，并以所述第一侧墙420为停止层，对所述层间介质层41进行化学机械研磨，使所述层间介质层41形成平坦表面。其中，所述层间介质层41是具有低介电系数的无机硅基质层(inorganicsilicon based layer)。所述层间介质层41的介电系数一般小于3. 0，如碳氧化硅(SiCO)或氟化硅玻璃(FSG)。如图13所示，去除所述伪栅电极层410及第一侧墙420，形成沟槽402。去除所述第一侧墙420的同时，位于沟槽402内的氧化硅层20也会部分去除。本图示出的沟槽内的氧化硅层20完全被去除，所述沟槽402的底部暴露出所述基底10的表面。作为其他实施例，所述部分氧化硅层20可以不完全去除，留有少量氧化硅层20作为基底10与后续的高 K栅极介质层之间的良好界面。具体地，通过硝酸和氢氟酸的混合溶液去除所述伪栅电极层410，通过氢氟酸溶液去除所述第一侧墙420。如图14所示，在所述沟槽402内沉积高K介质，形成高K栅极介质层440。所述高 K栅极介质层440的厚度介于5埃至60埃之间，优选为40埃。所述高K栅极介质层440可以是二氧化铪、氧化铪硅、氧化镧、氧化镧铝、氧化锆、 氧化锆硅、氧化钽、氧化钛、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛、氧化钇、氧化铝、氧化铅钪钽或铌酸铅锌等一种。此处仅描述了可用于形成高K栅极介质层440的几个实例，但是所述高K栅极介质层440也可以由于其他材料形成。形成所述高K栅极介质层440后，还可以对所述高K栅极介质层440进行其他处理，例如退火工艺，以提高高K栅极介质层440的质量。如图15所示，在形成有所述高K栅极介质层440的沟槽402内，沉积金属，形成金属栅电极层450。所述金属栅电极层450的材料可以为Ti、TiN, TaN, Ta、TaC, TaSiN, W、WN中的一种或多种组合。本发明在形成金属栅极的沟槽工艺中，通过调节刻蚀气体的组合和流量，形成底部小，开口大的锥形结构沟槽，所述沟槽的侧壁为倾斜状态，不具有尖角，避免了填充物质后金属栅极产生的空隙，提高金属栅极的质量。在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
权利要求
1.一种金属栅极的形成方法，其特征在于，包括提供基底，所述基底上形成有牺牲层；刻蚀所述牺牲层，形成具有倾斜侧壁的锥形沟槽，所述沟槽开口宽度大于底部宽度；采用填充物质填充所述沟槽，形成伪栅电极层；去除所述牺牲层；在所述伪栅电极层两侧形成侧墙，并以所述侧墙为掩膜，对所述基底进行离子注入；在所述基底上沉积层间介质层，并以所述伪栅电极层为停止层，对所述层间介质层进行平坦化；去除所述伪栅电极层，对去除伪栅电极层后的沟槽依次填充介质和金属。
2.根据权利要求1所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述牺牲层为氧化硅层。
3.根据权利要求2所述金属栅极的形成方法，其特征在于，刻蚀所述牺牲层的刻蚀气体为NF3与C4F6的混合气体、SF6与C4F6的混合气体、NF3与CH2F2的混合气体、SF6与CH2F2 的混合气体、CF4与CHF3的混合气体、或CF4与CH2F2的混合气体。
4.根据权利要求2所述金属栅极的形成方法，其特征在于，刻蚀所述牺牲层的刻蚀气体为 C4F6、C4F8jC5F8。
5.根据权利要求3所述金属栅极的形成方法，其特征在于，刻蚀所述牺牲层的刻蚀气体为SFf^P CH2F2的混合气体，其中所述混合气体的5&与01#2体积比值范围8 1 15 I0
6.根据权利要求5所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述SF6流量为50sCCm至 250sccm,所述 CH2F2 流量为 5sccm 至 20sccm。
7.根据权利要求6所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述刻蚀时间为10秒至 100秒，所述刻蚀的腔体压力为5毫托至50毫托，功率为500瓦至1000瓦。
8.根据权利要求1所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述沟槽的开口宽度范围为25nm 50nm，底部宽度范围为15nm 45nm。
9.根据权利要求1所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述形成伪栅电极层的材料为多晶硅。
10.根据权利要求9所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述去除伪栅电极层的工艺为使用硝酸和氢氟酸的混合溶液去除工艺。
11.根据权利要求1所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述栅极介质层为高K栅极介质层。
全文摘要
本发明提供一种金属栅极的形成方法，包括提供基底，所述基底上形成有牺牲层；刻蚀所述牺牲层，形成具有倾斜侧壁的锥形沟槽，所述沟槽开口宽度大于底部宽度；采用填充物质填充所述沟槽，形成伪栅电极层；去除所述牺牲层；在所述伪栅电极层表面形成侧墙，并以所述侧墙为掩膜，对所述基底进行离子注入；在所述基底上沉积层间介质层，并以所述伪栅电极层为停止层，对所述层间介质层进行平坦化；去除所述伪栅电极层，对去除伪栅电极层后的沟槽依次填充介质和金属，形成金属栅极，所述金属栅极包括栅极介质层和金属栅电极层。本发明通过形成底部小，开口大、具有倾斜侧壁的锥形沟槽，避免了填充物质后金属栅极产生空隙，提高金属栅极的质量。
文档编号H01L21/28GK102347227SQ20101024529
公开日2012年2月8日 申请日期2010年7月30日 优先权日2010年7月30日
发明者张翼英 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司