铝金属栅极的形成方法
【专利摘要】本发明提供了一种铝金属栅极的形成方法，在该方法中，使得位于沟槽开口处的浸润层排斥铝的化学气相沉积工艺，由此，当后续利用化学气相沉积工艺形成铝种子层时，所述铝种子层将不能在沟槽开口处积聚，从而再通过沉积铝体层填满所述沟槽时，能够方便、可靠地将所述沟槽填满，避免了包括铝种子层及铝体层的铝金属层中空洞的产生，从而能够得到高可靠性的铝金属栅极。
【专利说明】铝金属栅极的形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及集成电路制造工艺【技术领域】，特别涉及一种铝金属栅极的形成方法。【背景技术】
[0002]为了控制短沟道效应，更小特征尺寸的半导体器件要求进一步提高栅电极电容，这能够通过不断减薄栅氧化层的厚度来实现，但随之而来的是栅电极漏电流的提升。特别的，当二氧化硅作为栅氧化层，厚度低于3.0纳米时，漏电流就变得无法忍受了。
[0003]为了解决上述问题，高介电常数绝缘材料被用来取代二氧化硅，高介电常数绝缘材料可以为铪硅酸盐、铪硅氧氮化合物、铪氧化物等，介电常数一般都大于15。采用这种材料能够进一步提高栅电极电容，同时，栅电极漏电流又能够得到明显的改善。对于相同的栅氧化层厚度，将高介电常数绝缘材料与金属栅极搭配，其栅电极漏电流将减少几个指数量级，而且用金属栅极取代多晶硅栅电极解决了高介电常数绝缘材料与多晶硅之间不兼容的问题。
[0004]请参考图la?lc，其为现有的铝金属栅极的形成方法中所形成的器件剖面示意图。
[0005]如图1a所示，提供半导体结构10，所述半导体结构10包括半导体衬底11、层间介质层12及浸润层13，其中，所述层间介质层12位于所述半导体衬底11上且所述层间介质层12具有沟槽100，所述沟槽100露出部分半导体衬底11，所述浸润层13覆盖所述层间介质层12及露出的部分半导体衬底11。
[0006]如图1b所示，沉积铝种子层14，所述铝种子层14覆盖所述浸润层13，同时填充部分沟槽100。
[0007]如图1c所示，沉积铝体层15，所述铝体层15覆盖所述铝种子层14，同时填满所述沟槽100。
[0008]接着，可执行化学机械研磨(CMP)工艺，去除所述层间介质层12表面的浸润层13、铝种子层14及铝体层15，形成铝金属栅极。在整个铝金属栅极的形成过程中，沉积铝金属层16 (包括沉积铝种子层14及铝体层15)是关键，若能够形成均匀的铝金属层16填满沟槽100，则最终形成的铝金属栅极的质量也便能够得到保障。
[0009]正因为此，现有工艺中先形成一浸润层13，同时又分成两步形成铝金属层16，其目的均是为了形成均匀的铝金属层16。但即使在这样的情况下，填充沟槽100的铝金属层16仍经常会出现空洞101，从而导致最终形成的金属栅极的质量下降。究其原因在于，在沉积铝种子层14的过程中，铝种子层14会在沟槽100的开口处102积聚，从而导致沟槽100的开口变小；由此，后续沉积铝体层15时，难以充分、均匀地将沟槽100填满，从而导致空洞101的产生，进而降低金属栅极的质量。
【发明内容】
[0010]本发明的目的在于提供一种铝金属栅极的形成方法，以解决现有技术中，形成铝金属栅极的铝金属层中易于产生空洞，从而造成所形成的铝金属栅极可靠性低的问题。[0011]为解决上述技术问题，本发明提供一种铝金属栅极的形成方法，包括:
[0012]提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有层间介质层，所述层间介质层具有沟槽，所述沟槽露出部分半导体衬底；
[0013]形成浸润层，所述浸润层覆盖所述层间介质层，同时填充所述沟槽，其中，位于所述沟槽开口处的浸润层排斥铝的化学气相沉积工艺；
[0014]利用化学气相沉积工艺形成铝种子层，所述铝种子层填充所述沟槽；
[0015]沉积铝体层，所述铝体层填满所述沟槽。
[0016]可选的，在所述的铝金属栅极的形成方法中，位于所述沟槽开口处的浸润层的材料为氮化钛。
[0017]可选的，在所述的铝金属栅极的形成方法中，形成浸润层的工艺包括如下步骤:
[0018]形成初始浸润层，所述初始浸润层的材料为钛；
[0019]对所述初始浸润层执行氮离子注入工艺，形成浸润层，其中，位于沟槽开口处的浸润层的材料为氮化钛，位于沟槽内的浸润层的材料为钛。
[0020]可选的，在所述的铝金属栅极的形成方法中，利用氮气对所述初始浸润层执行氮离子注入工艺。
[0021]可选的，在所述的铝金属栅极的形成方法中，对所述初始浸润层执行氮离子注入工艺的工艺条件为:
[0022]注入角度:5°?15° ；
[0023]注入能量:lkeV?30keV;
[0024]注入剂量:1014/CnTl015/Cm2。
[0025]可选的，在所述的铝金属栅极的形成方法中，所述浸润层的厚度为4nm?15nm。
[0026]可选的，在所述的铝金属栅极的形成方法中，利用AlH2 (BH4)和N (CH3) 3执行化学气相沉积工艺形成铝种子层。
[0027]可选的，在所述的铝金属栅极的形成方法中，形成铝种子层的工艺温度为:250C ?150°C。
[0028]可选的，在所述的铝金属栅极的形成方法中，利用物理气相沉积工艺沉积铝体层。
[0029]在本发明提供的铝金属栅极的形成方法中，位于沟槽开口处的浸润层排斥铝的化学气相沉积工艺，由此，当后续利用化学气相沉积工艺形成铝种子层时，所述铝种子层将不能在沟槽开口处积聚，从而再通过沉积铝体层填满所述沟槽时，能够方便、可靠地将所述沟槽填满，避免了包括铝种子层及铝体层的铝金属层中空洞的产生，从而能够得到高可靠性的铝金属栅极。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1alc是现有的铝金属栅极的形成方法中所形成的器件剖面示意图；
[0031]图2是本发明实施例的铝金属栅极的形成方法的流程示意图；
[0032]图3a?3e是本发明实施例的铝金属栅极的形成方法中所形成的器件剖面示意图。
【具体实施方式】
[0033]以下结合附图和具体实施例对本发明提出的铝金属栅极的形成方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0034]请参考图2，其为本发明实施例的铝金属栅极的形成方法的流程示意图。如图2所示，所述铝金属栅极的形成方法具体包括:
[0035]S20:提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有层间介质层，所述层间介质层具有沟槽，所述沟槽露出部分半导体衬底；
[0036]S21:形成浸润层，所述浸润层覆盖所述层间介质层，同时填充所述沟槽，其中，位于所述沟槽开口处的浸润层排斥铝的化学气相沉积工艺；
[0037]S22:利用化学气相沉积工艺形成铝种子层，所述铝种子层填充所述沟槽；
[0038]S23:沉积铝体层，所述铝体层填满所述沟槽。
[0039]本发明的核心思想在于，通过使得位于沟槽开口处的浸润层排斥铝的化学气相沉积工艺，由此，当后续利用化学气相沉积工艺形成铝种子层时，所述铝种子层将不能在沟槽开口处积聚，从而再通过沉积铝体层填满所述沟槽时，能够方便、可靠地将所述沟槽填满，避免了包括铝种子层及铝体层的铝金属层中空洞的产生，从而能够得到高可靠性的铝金属栅极。
[0040]具体的，请参考图3a?3e，其为本发明实施例的铝金属栅极的形成方法中所形成的器件剖面示意图。
[0041]如图3a所示，提供半导体衬底31，所述半导体衬底31可以为单晶硅衬底或者多晶硅衬底，也可以为绝缘体上硅(SOI)衬底；所述半导体衬底31上形成有层间介质层32，所述层间介质层32具有沟槽300，所述沟槽300露出部分半导体衬底31。
[0042]具体的，可先在所述半导体衬底31上形成伪栅结构；接着形成一介质材料层，所述介质材料层覆盖所述伪栅结构及半导体衬底；对所述介质材料层执行化学机械研磨工艺，露出所述伪栅结构；接着，移除所述伪栅结构，从而形成具有沟槽300的层间介质层32。
[0043]请继续参考图3a，接着，形成高介电常数绝缘材料层(即高K介质层)331，所述高介电常数绝缘材料层331可以为氧化铪、氧化铪硅、氧化镧、氧化镧铝、氧化锆、氧化锆硅、氧化钛、氧化钽、氧化钡银钛、氧化钡钛、氧化银钛、氧化钇、氧化招、氧化铅钪钽以及银酸铅锋等。
[0044]然后，在所述高介电常数绝缘材料层331上顺次形成功函数层332及阻挡层333，其中，所述阻挡层333的材料可以为氮化硅等，而通过所述功函数层332可以提高所形成的器件的热稳定性等性能。
[0045]接着，在所述阻挡层333上形成初始浸润层33’，优选的，所述初始浸润层33’的材料为钛(Ti)，此外，在本发明的其他实施例中，所述初始浸润层33’的材料也可以为钴(Co)。优选的，所述初始浸润层33’通过物理气相沉积工艺形成，其厚度为4nnTl5nm。
[0046]请参考图3b，接着，对所述初始浸润层33’执行氮离子注入工艺，以形成浸润层33(其厚度为4nnTl5nm)，其中，位于沟槽300开口处的浸润层33的材料为氮化钛，位于沟槽300内的浸润层33的材料为钛。
[0047]具体的，在此，利用氮气对所述初始浸润层33’执行氮离子注入工艺，优选的，其工艺条件为:注入角度5°?15° ;注入能量=IkeV?30keV ;注入剂量:1014/cnTl015/cm2。在本实施例中，通过上述氮离子注入工艺，形成了浸润层33，所述浸润层33包括第一浸润层33A及第二浸润层33B，所述第一浸润层33A的材料为氮化钛，其覆盖沟槽300外的阻挡层333以及沟槽300开口处的阻挡层333 ;所述第二浸润层33B的材料为钛，其覆盖沟槽300内(在此，所述沟槽300内不包括开口处)的阻挡层333。特别的，在本实施例中，通过氮离子注入工艺的注入角度的选取，对于沟槽300而言，使得基本仅在开口处形成具有铝的化学气相沉积工艺排斥性能的氮化钛，即无需任何附加的保护措施，例如在沟槽300内部形成保护层等，而使得沟槽300内部均为钛材料(即氮离子注入工艺对于沟槽300内部不发生影响)，从而使得后续铝的化学气相沉积工艺既能实现其铝沉积的目的，又可不阻塞沟槽300的开□。
[0048]需要说明的是，尽管上述描述中第一浸润层33A同时覆盖沟槽300开口处的阻挡层333以及沟槽300外的阻挡层333，但是，在本发明其它具体实施例中，所述第一浸润层33A也可仅覆盖沟槽300开口处的阻挡层333，例如，执行氮离子注入工艺中仅对沟槽开口处的初始浸润层进行轰击，如此即可使沟槽开口处的钛材料转变为氮化钛材料(而沟槽内和沟槽外的钛材料不发生变化)，同样可实现使位于所述沟槽开口处的浸润层排斥铝的化学气相沉积工艺的目的。
[0049]接着，请参考图3c，利用化学气相沉积工艺形成铝种子层34，所述铝种子层34填充所述沟槽300。具体的，利用AlH2 (BH4)和N (CH3)3 (即TMAAB材料)执行化学气相沉积工艺形成铝种子层34，优选的，形成铝种子层34的工艺温度为25°C ?150°C。在此，利用了化学气相沉积工艺的选择性能或者说利用了氮化钛材料对于化学气相沉积工艺形成铝的排斥性能，使得所述铝种子层34仅覆盖了第二浸润层33B，保持了沟槽300开口处301的清洁(即不会使得铝种子层34封闭沟槽300的开口，或者使得沟槽300的开口尺寸变小)。
[0050]如图3d所示，沉积铝体层35，所述铝体层35填满所述沟槽300。优选的，通过物理气相沉积工艺形成所述铝体层35，当然，在本发明的其他实施例中，也可以通过原子层沉积工艺形成所述铝体层35。
[0051]在此，通过两步沉积工艺(即沉积形成铝种子层34及铝体层35)形成了铝金属层36，由于在该两步沉积工艺中，沟槽300的开口清洁(即无封闭或者开口尺寸变小的情况)，从而使得形成的铝金属层36均匀、质量可靠，避免了空洞缺陷的产生。
[0052]接着，请参考图3e，执行化学机械研磨工艺，以形成金属栅极37。在此，通过化学机械研磨工艺，平坦化了铝金属层36，去除了所述层间介质层32表面的部分高介电常数绝缘材料层331、函数层332、阻挡层333及浸润层33，形成了铝金属栅极37。通过本实施例提供的铝金属栅极的形成方法所形成的铝金属栅极37避免了空洞缺陷的产生，提高了产品质量。
[0053]上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
【权利要求】
1.一种铝金属栅极的形成方法，其特征在于，包括: 提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有层间介质层，所述层间介质层具有沟槽，所述沟槽露出部分半导体衬底； 形成浸润层，所述浸润层覆盖所述层间介质层，同时填充所述沟槽，其中，位于所述沟槽开口处的浸润层排斥铝的化学气相沉积工艺； 利用化学气相沉积工艺形成铝种子层，所述铝种子层填充所述沟槽； 沉积铝体层，所述铝体层填满所述沟槽。
2.如权利要求1所述的铝金属栅极的形成方法，其特征在于，位于所述沟槽开口处的浸润层的材料为氮化钛。
3.如权利要求2所述的铝金属栅极的形成方法，其特征在于，形成浸润层的工艺包括如下步骤: 形成初始浸润层，所述初始浸润层的材料为钛； 对所述初始浸润层执行氮离子注入工艺，形成浸润层，其中，位于沟槽开口处的浸润层的材料为氮化钛，位于沟槽内的浸润层的材料为钛。
4.如权利要求3所述的铝金属栅极的形成方法，其特征在于，利用氮气对所述初始浸润层执行氮离子注入工艺。
5.如权利要求4所述的铝金属栅极的形成方法，其特征在于，对所述初始浸润层执行氮离子注入工艺的工艺条件为: 注入角度:5°?15° ； 注入能量:lkeV?30keV ； 注入剂量:1014/CnTl015/Cm2。
6.如权利要求2飞中的任一项所述的铝金属栅极的形成方法，其特征在于，所述浸润层的厚度为4nnTl5nm。
7.如权利要求2?5中的任一项所述的铝金属栅极的形成方法，其特征在于，利用AlH2(BH4)和N (CH3) 3执行化学气相沉积工艺形成铝种子层。
8.如权利要求7所述的铝金属栅极的形成方法，其特征在于，形成铝种子层的工艺温度为:25°C ?150。。。
9.如权利要求2飞中的任一项所述的铝金属栅极的形成方法，其特征在于，利用物理气相沉积工艺沉积铝体层。
【文档编号】H01L21/285GK103578940SQ201210264971
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年7月27日 优先权日:2012年7月27日
【发明者】周鸣, 平延磊 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司