专利名称：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，传统的栅介质层不断变薄，晶体管漏电量随之增加，引起半导体器件功耗浪费等问题。为解决上述问题，现有技术提供一种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主要工艺。专利公开号为CN101438389A的中国专利申请文献提供一种使用“后栅极”工艺形成金属栅极的方法，包括提供基底，所述基底上形成有替代栅结构、及位于所述基底上覆盖所述替代栅结构的介质层；以所述替代栅结构作为停止层，对所述介质层进行化学机械抛光工艺；除去所述替代栅结构后形成沟槽；最后对所述沟槽填充介质和金属，以形成栅介质层和金属栅电极层。实际应用中发现，通过上述技术方案形成的半导体器件的可靠性较低。
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，以解决采用现有技术形成的半导体器件的可靠性较低的问题。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，所述基底表面形成有替代栅结构；在所述基底表面形成介质层，所述介质层覆盖所述替代栅结构；化学机械研磨所述介质层，使得介质层表面与所述替代栅结构表面齐平；去除所述替代栅结构，形成沟槽；采用填充物质对所述沟槽进行填充，形成金属栅极；其中，在化学机械研磨至介质层表面与所述替代栅结构表面齐平前，还包括对所述替代栅结构进行离子掺杂，使得所述替代栅结构由疏水性材料转换为亲水性材料。可选的，所述化学机械研磨包括采用第一化学机械研磨去除部分所述介质层，并在所述替代栅结构表面剩余保留介质层；接着对所述替代栅结构进行离子掺杂；采用第二化学机械研磨，直至介质层表面与替代栅结构表面齐平；可选的，所述保留介质层的表面距离所述替代栅结构顶部的厚度范围为50 200A。可选的，形成覆盖所述替代栅结构的介质层后，对所述替代栅结构进行离子掺杂；然后进行化学机械研磨所述介质层，使得介质层表面与所述替代栅结构表面齐平。可选的，所述离子掺杂的离子为氧离子或氟离子。可选的，所述介质层的材料为氧化硅、氮化硅之一或组合。可选的,所述离子掺杂的工艺参数包括离子掺杂能量范围为IKev IOKev,所述离子浓度为1E14 5E16atom/cm2。
可选的，所述离子掺杂的工艺参数包括离子掺杂能量范围为IOKev 200Kev，所述离子浓度为1E15 5E17atom/cm2。可选的，所述介质层包括第一介质层及位于所述第一介质层表面的第二介质层。可选的，所述第一介质层为氮化硅，所述第二介质层为氧化硅。可选的，所述第一化学机械研磨以所述第一介质层表面为研磨停止层。可选的，所述离子掺杂的离子为氧离子或氟离子。可选的，所述介质层的材料为氧化硅、氮化硅之一或组合。可选的，对所述介质层进行离子掺杂后，还包括对所述介质层进行退火工艺。 可选的，所述退火工艺参数包括退火气体为氮气、氦气、惰性气体或氮气和氧气的混合气体、氦气和氧气的混合气体，退火温度范围为400 600°C，退火时间范围10 120s或退火温度范围为700 1000°C，退火时间范围为O. 25 2ms。可选的，所述对替代栅结构进行离子掺杂，同时对所述介质层进行离子掺杂。与现有技术相比，上述方案具有以下优点在化学机械研磨至介质层表面与所述替代栅结构表面齐平前，对所述替代栅结构进行离子掺杂，使得所述替代栅结构由疏水性材料转换为亲水性材料，即掺杂后的替代栅极和与其相邻的介质层均为亲水性材料，减少了因材料的差异造成的研磨效果的差异，研磨液在所述替代栅极和介质层表面上的分布和作用效果均匀，避免因替代栅结构与介质层之间因研磨造成的凹陷，进一步避免形成不必要的凹陷金属，提高金属栅极的可靠性。
图I至图3为现有技术的金属栅极形成方法结构示意图。图4至图12为本发明一实施例的金属栅极形成方法结构示意图。
具体实施例方式通过现有技术形成金属栅极的可靠性较低，主要表现在形成有金属栅极的晶体管之间可能会发生短路现象或导电性能不稳定。发明人发现原因如下在形成替代栅结构及覆盖所述替代栅结构的介质层后，需要以所述替代栅结构作为停止层，对所述介质层进行化学机械抛光工艺，但是因为替代栅结构材料主要为多晶硅，而介质层多为氧化硅。两种材料的差异造成了化学机械研磨时作用的不均衡。如图I所示为化学机械研磨后的结构，包括两个替代栅结构010，及位于所述两个替代栅结构010之间的介质层020。其中，为了图示方便，所述替代栅结构010仅示出替代栅极，未示出位于所述替代栅极两侧的侧墙。其中，所述替代栅极为多晶硅材料，所述介质层020为氧化硅，其中多晶硅材料为疏水性材料，氧化硅为亲水性材料。在化学机械研磨过程中，与疏水性材料的替代栅极相比，亲水性材料的介质层020更易于使得研磨液附着于其表面，进而提高介质层020的刻蚀效果。刻蚀结果表现为在替代栅结构010与介质层020的界面处，所述介质层020被刻蚀更多，造成如图I所示的凹陷。如图2所示，去除替代栅结构，形成沟槽010'。后续将在所述沟槽010'内填充金属，以形成金属栅极。如图3所示，对所述沟槽010'进行填充形成金属栅极012。但是因为前述的化学机械研磨过程中，在介质层020与所述替代栅结构的相邻处形成凹陷。在填充金属材料形成金属栅极的过程中，所述金属材料会同时填充所述凹陷。凹陷内充满金属使得原介质层的位置具有导电性能，进而使得形成有金属栅极的晶体管之间可能会发生短路现象或导电性能不稳定。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，所述基底表面形成有替代栅结构；在所述基底表面形成介质层，所述介质层覆盖所述替代栅结构；化学机械研磨所述介质层，使得介质层表面与所述替代栅结构表面齐平；去除所述替代栅结构，形成沟槽；
采用填充物质对所述沟槽进行填充，形成金属栅极；其中，在化学机械研磨至介质层表面与所述替代栅结构表面齐平前，还包括对所述替代栅结构进行离子掺杂，使得所述替代栅结构由疏水性材料转换为亲水性材料。下面结合附图对本发明一实施例的金属栅极的形成方法进行详细说明。如图4所示，提供基底110，所述基底110表面形成有氧化层120及位于所述氧化层120表面的牺牲层130，所述牺牲层130为多晶硅层；后续将刻蚀所述牺牲层130以形成替代栅极。进一步地，所述基底110内形成有隔离结构100，用于对后续形成的器件进行电学绝缘。后续地，将在所述隔离结构100的两侧各形成一个金属栅极结构。如图5所示，在所述牺牲层130表面形成图案化的光刻胶层140，所述光刻胶层140的图案与后续待形成的替代栅极对应。一并参考图5和图6，以所述光刻胶层140为掩模刻蚀所述牺牲层130，形成替代栅极150。同时暴露出所述氧化层120表面。如图7所示，去除光刻胶层，并以所述替代栅极150为掩模，对所述基底110进行离子掺杂，在所述替代栅极150两侧形成轻掺杂源/漏区161。接着在所述替代栅极150两侧形成侧墙170。并以所述侧墙170为掩模，在所述侧墙170两侧形成重掺杂源/漏区162。其中，所述替代栅极150和位于其两侧的侧墙170构成替代栅结构。如图8所示，在所述氧化层120表面形成介质层180，同时覆盖所述替代栅结构。为后续形成与替代栅极结构齐平的介质层表面，所以所述介质层180应覆盖所述替代栅结构且高出所述替代栅结构表面。所述介质层180的材料为氧化硅、氮化硅之一或组合。如图9所示，采用第一化学机械研磨去除部分的所述介质层180，并在所述替代栅结构表面剩余有保留介质层，所述保留介质层的表面距离所述替代栅结构顶部的厚度范围约为50-200 A。接着，对表面覆盖有所述保留介质层的替代栅结构进行离子掺杂。本实施例中，所述对替代栅结构进行离子掺杂，同时对所述介质层180进行离子掺杂。作为其他实施例，还可以仅对所述替代栅结构进行离子掺杂。具体地，所述掺杂离子为氧离子或氟离子，所述氧离子与氟离子掺杂入所述替代栅结构后，较佳地经过退火工艺后，所述氧离子或氟离子会与所述替代栅结构中的硅元素键合，形成硅-氧键或硅-氟键。与原替代栅极相比，所述形成有硅-氧键或硅-氟键的替代栅结构更易于附着化学机械研磨中的液体分子。即近表面处的替代栅极形成有硅-氧键或硅-氟键，且转换为亲水性材料(原未掺杂所述氧离子或氟离子的替代栅极为疏水性材料)，使得所述替代栅结构中的氧离子或氟离子易于与所述液体中的氢元素键合(如水分子中的氢元素)。在后续化学机械研磨过程中，所述替代栅极和与其相邻的介质层均为亲水性材料，减少了因材料的差异造成的研磨效果的差异。即所述研磨液在所述替代栅极和介质层表面上的分布和作用效果均匀，避免因替代栅结构与介质层之间因研磨造成的凹陷，进一步避免在后续金属电极的研磨时，在凹陷区有金属残留，从而提高器件的可靠性。具体地，所述离子掺杂的工艺参数包括所述掺杂离子的掺杂能量范围为IKev IOKev,所述掺杂离子的掺杂浓度为1E14 5E16atom/cm2。进一步地，对所述替代栅结构进行离子掺杂后，还包括对所述替代栅结构进行退火工艺。其中，所述退火工艺参数包括退火气体为氮气、氦气、惰性气体或氮气和氧气的混合气体、氦气和氧气的混合气体，退火温度范围为400 600°C，退火时间范围10 120s或退火温度范围为700 1000°C，退火时间范围为O. 25 2ms。 如图10所述，采用第二化学机械研磨，直至介质层180表面与所述替代栅结构表面齐平。在第二化学机械研磨过程中，形成有硅-氧键或硅-氟键的替代栅极转换为亲水性材料，即所述替代栅结构中的氧元素或氟元素易于与所述液体中的氢元素键合。与所述替代栅结构相邻的介质层180同为亲水性材料，减少了因材料的差异造成的研磨效果的差异。即研磨液在所述替代栅极和介质层180表面上的分布和作用效果均匀，避免所述替代栅结构与介质层之间因研磨造成的凹陷，进一步避免形成不必要的凹陷金属，提高金属栅极的可靠性。本实施例中，通过首先去除部分的介质层，然后对所述替代栅极进行离子掺杂，同时也对保留介质层进行离子掺杂；然后再进行第二化学机械研磨。作为其他实施例，还可以在第一化学机械研磨之前，对所述覆盖有介质层的替代栅结构进行离子掺杂。但因尚未进行任何化学机械研磨，所述介质层的厚度较厚，所以掺杂离子的掺杂能量和掺杂浓度都需要更高。所述掺杂离子的掺杂能量范围为IOKev 200Kev，所述离子浓度为1E15 5E17atom/cm2。上述实施例中，所述介质层180为氧化硅材料。作为其他实施例，所述介质层180还可以为复合介质层。作为另一个实施例，所述介质层180为两层材料的堆叠，包括有第一介质层及位于所述第一介质层表面的第二介质层。其中，所述第一介质层可以为氮化硅，所述第二介质层可以为氧化硅。具体地，可以以所述第一介质层(如氮化硅)为第一化学机械研磨的研磨停止层，对所述介质层进行化学机械研磨，即所述第一介质层(如氮化硅)作为保留介质层；接着对覆盖有保留介质层的替代栅结构进行离子掺杂，以使得所述替代栅结构由疏水性材料转换为亲水性材料；然后采用第二化学机械研磨所述介质层，以使得所述介质层表面与所述替代栅结构的表面齐平。如图11所示，去除所述替代栅极形成沟槽200。本实施例中，所述侧墙170保留，并继续作为后续金属栅极的侧墙。作为其他实施例，还可以去除所述侧墙170，并在后续的工艺中再形成一层新的侧墙作为金属栅极的侧墙。
如图12所示，对所述沟槽进行填充，形成金属栅极210。所述金属栅极210和所述侧墙170构成所述金属栅极结构。作为其他实施例，还可以在金属填充之前，去除位于沟槽内的所述氧化层120，并填充新的介质材料(如高K材料)作为金属栅极的氧化层，然后再填充金属形成金属栅极210。与现有技术相比，上述方案具有以下优点在化学机械研磨至介质层表面与所述替代栅结构表面齐平前，对所述替代栅结构进行离子掺杂，使得所述替代栅结构由疏水性材料转换为亲水性材料，即掺杂后的替代栅极和与其相邻的介质层均为亲水性材料，减少了因材料的差异造成的研磨效果的差异。即所述研磨液在所述替代栅极和介质层表面上的分布和作用效果均匀，避免所述替代栅结构与介质层之间因研磨造成的凹陷，进一步避免形成不必要的凹陷金属，提高金属栅极的可靠性。以上所述仅为本发明的具体实施例，为了使本领域技术人员更好的理解本发明的精神，然而本发明的保护范围并不以该具体实施例的具体描述为限定范围，任何本领域的 技术人员在不脱离本发明精神的范围内，可以对本发明的具体实施例做修改，而不脱离本发明的保护范围。
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，所述基底表面形成有替代栅结构； 在所述基底表面形成介质层，所述介质层覆盖所述替代栅结构； 化学机械研磨所述介质层，使得介质层表面与所述替代栅结构表面齐平； 去除所述替代栅结构，形成沟槽； 对所述沟槽进行填充，形成金属栅极； 其中，在化学机械研磨至介质层表面与所述替代栅结构表面齐平前，还包括对所述替代栅结构进行离子掺杂，使得所述替代栅结构由疏水性材料转换为亲水性材料。
2.根据权利要求I所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述化学机械研磨包括采用第一化学机械研磨去除部分所述介质层，并在所述替代栅结构表面剩余保留介质层；接着对所述替代栅结构进行所述离子掺杂；采用第二化学机械研磨，直至介质层表面与替代栅结构表面齐平。
3.根据权利要求2所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述保留介质层的表面距离所述替代栅结构顶部的厚度范围为50 200 A。
4.根据权利要求I所述金属栅极的形成方法，其特征在于，形成覆盖所述替代栅结构的介质层后，对所述替代栅结构进行所述离子掺杂；然后进行化学机械研磨所述介质层，使得介质层表面与所述替代栅结构表面齐平。
5.根据权利要求2所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述离子掺杂的工艺参数包括离子掺杂能量范围为IKev lOKev，所述离子浓度为1E14 5E16atom/cm2。
6.根据权利要求4所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述离子掺杂的工艺参数包括离子掺杂能量范围为IOKev 200Kev,所述离子浓度为1E15 5E17atom/cm2。
7.根据权利要求2所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述介质层包括第一介质层及位于所述第一介质层表面的第二介质层。
8.根据权利要求7所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述第一介质层为氮化硅，所述第二介质层为氧化硅。
9.根据权利要求7所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述第一化学机械研磨以所述第一介质层表面为研磨停止层。
10.根据权利要求I 9任一项所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述离子掺杂的离子为氧离子或氟离子。
11.根据权利要求I 9任一项所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述介质层的材料为氧化硅、氮化硅之一或组合。
12.根据权利要求I所述金属栅极的形成方法，其特征在于，对所述介质层进行离子掺杂后，还包括对所述介质层进行退火工艺。
13.根据权利要求12所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述退火工艺参数包括退火气体为氮气、氦气、惰性气体或氮气和氧气的混合气体、氦气和氧气的混合气体，退火温度范围为400 600°C，退火时间范围10 120s或退火温度范围为700 1000°C，退火时间范围为O. 25 2ms。
14.根据权利要求I 13任一项中所述金属栅极的形成方法，其特征在于，所述对替代栅结构进行离子掺杂，同时对所述介质层进行离子掺杂。
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，所述基底表面形成有替代栅结构；在所述基底表面形成介质层，所述介质层覆盖所述替代栅结构；化学机械研磨所述介质层，使得介质层表面与所述替代栅结构表面齐平；去除所述替代栅结构，形成沟槽；采用填充物质对所述沟槽进行填充，形成金属栅极。其中，在化学机械研磨至介质层表面与所述替代栅结构表面齐平前，还包括对所述替代栅结构进行离子掺杂，使得所述替代栅结构由疏水性材料转换为亲水性材料。掺杂后的替代栅极和与其相邻的介质层均为亲水性材料，减少了因材料的差异造成的研磨效果的差异。即所述研磨液在所述替代栅极和介质层表面上的分布和作用效果均匀，提高金属栅极的可靠性。
文档编号H01L21/28GK102931065SQ201110231650
公开日2013年2月13日 申请日期2011年8月12日 优先权日2011年8月12日
发明者何永根, 刘俊良 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司