专利名称：金属栅电极层的形成方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种金属栅电极层的形成方法。
背景技术：
随着半导体器件的集成化、微型化的发展，采用材料为二氧化硅的栅介质层和材料为多晶硅的栅电极层的MOS器件出现了漏电量增加和栅电极层损耗等问题；为解决上述的问题，高K材料的介质层和金属材料的栅电极层(简称高K金属栅，HKMG)工艺成为现在研究的热点。高K金属栅的形成工艺可分为“前栅”工艺、“后栅”工艺两种。后栅工艺由于能够避免金属栅电极层经过高温退火，能够保持器件的优良性能，是目前形成金属栅的较为主要的方法，高K金属栅的形成工艺的后栅工艺具体为:首先，提供基底，所述基底表面具有多晶硅伪栅极层和位于多晶硅伪栅极层两侧的侧墙；其次，在所述基底表面形成覆盖所述多晶硅伪栅极层和侧墙的刻蚀阻挡层；之后，在所述刻蚀阻挡层表面形成层间介质层；采用平坦化工艺平坦化所述层间介质层和刻蚀阻挡层直至暴露出所述多晶硅伪栅极层；去除所述多晶硅伪栅极层，形成开口 ；在所述开口底部形成高K介质层，在所述高K介质层表面形成填充所述开口的金属栅电极层。在公开号为US2010/0081262 Al的美国专利文件中还可以发现更多的HKMG的形
成工艺。然而，依照现有工艺制得的器件，在所述高K介质层表面形成填充所述开口的金属栅电极层的工艺步骤中，却容易在金属栅电极层内形成空隙，造成半导体器件性能降低，功耗增加，可靠性降低。
发明内容
本发明是为了解决在利用现有技术制造高K金属栅的过程中，金属栅电极层中形成空隙的问题。为解决上述问题，本发明实施例提供一种去除金属栅电极层中空隙的方法，包括:提供基底，所述基底表面具有多晶硅伪栅极层和位于多晶硅伪栅极层两侧的侧墙；所述基底表面形成有覆盖所述多晶硅伪栅极层和侧墙的刻蚀阻挡层；所述刻蚀阻挡层表面形成有层间介质层；平坦化所述层间介质层和刻蚀阻挡层直至暴露出所述多晶硅伪栅极层；去除所述多晶硅伪栅极层，形成开口，且在所述开口顶部的侧壁形成凸起；在所述层间介质层和刻蚀阻挡层表面形成保护层，所述保护层填充满所述开口 ；平坦化部分厚度的所述保护层、所述层间介质层、刻蚀阻挡层和侧墙，直至去除凸起；去除所述保护层。
可选的，所述保护层材料为光刻胶。可选的，当所述保护层材料为光刻胶时，所述保护层的形成工艺为:厚度是400埃 1500埃，旋涂的速率为300-4000转/分钟，旋涂的温度为15_100°C。可选的，平坦化去除凸起的工艺为第二化学机械抛光工艺。可选的，化学机械抛光工艺的参数为:采用的研磨液是氧化硅或氧化铈为主要成分，其中，氧化娃研磨液的颗粒尺寸为I IOOnm,氧化铺研磨液的颗粒尺寸为10 20nm,所述第二化学机械抛光的研磨液对氧化硅与氮化硅的平坦化速率选择比为0.5 2。可选的，平坦化所述层间介质层和刻蚀阻挡层的工艺为第一化学机械抛光工艺。可选的，第一化学机械抛光工艺的参数为:采用的研磨液是氧化硅或氧化铈为主要成分，其中，氧化娃研磨液的颗粒尺寸为I IOOnm,氧化铺研磨液的颗粒尺寸为10 20nm，所述第一化学机械抛光的研磨液对氧化硅与氮化硅的平坦化速率选择比大于I。可选的，去除所述保护层的工艺为干法去胶法或湿法去胶法。可选的，还包括:在所述开口的底部形成栅介质层和位于栅介质层表面且填充满所述开口的金属层。可选的，所述栅介质层材料为氧化硅或高k介质，高k介质包括氧化锆，氧化铪等。可选的，金属层为单一覆层或者多层堆叠结构。可选的，当所述金属层为单一覆层时，所述金属层材料为铝、铜、银、金、钼、镍、钛、钴、铊、钽、钨、钛钨、镍钼、氮化钛、氮化铊或氮化钽。可选的，当所述金属层为多层堆叠结构时，所述金属层包括:位于所述栅介质层表面的功能金属层，位于所述功能金属层表面的铝金属层。可选的，所述功能金属层材料为氮化钛、氮化铊或氮化钽。与现有技术相比，本发明具有以下优点:采用第二次化学抛光工艺去除形成在所述开口顶部内侧壁的多晶硅凸起，使得后续在所述开口内形成所述金属栅电极层时不会形成空隙；本实施例还在去除多晶硅凸起之前，采用保护层填充满所述开口，避免在此第二次化学机械抛光以去除氧化多晶硅凸起的工艺中，额外的在开口的内侧壁再次形成其他凸起或残留物，提高后续填充所述金属层栅电极层的质量。进一步的，所述保护层材料为光刻胶，能够有效保护开口的同时，去除简便且不会损害开口的界面的。
图1至图4是现有工艺形成高K金属栅的剖面结构示意图；图5是本发明一实施例形成金属栅的工艺流程示意图；图6至图12是本发明一实施例金属栅电极层的形成方法过程的剖面结构示意图。
具体实施例方式发明人发现，现有的高K金属栅的形成工艺中，在所述高K栅介质层表面形成填充所述开口的金属栅电极层的工艺步骤中，容易在金属栅电极层内形成空隙，造成半导体器件性能降低，功耗增加，可靠性降低。
发明人经过进一步研究发现，高K金属栅工艺包括如下步骤:请参考图1，提供基底100，所述基底100表面具有多晶硅伪栅极层101和位于多晶硅伪栅极层101两侧的侧墙102 ;所述基底100表面形成有覆盖所述多晶硅伪栅极层101和侧墙102的刻蚀阻挡层103，所述刻蚀阻挡层103为氮化硅；所述刻蚀阻挡层103表面形成有层间介质层104，所述层间介质层为氧化硅；请参考图2，采用平坦化工艺平坦化所述层间介质层104和刻蚀阻挡层103直至暴露出所述多晶硅伪栅极层101，所述平坦化工艺为化学机械抛光工艺；请参考图3，去除所述多晶硅伪栅极层101，形成开口 105 ;所述去除工艺为干法刻蚀或湿法刻蚀，由于所述开口 105的顶部为所述多晶硅伪栅极层101、侧墙102和刻蚀阻挡层103的交接界面；在采用干法刻蚀或湿法刻蚀去除所述多晶硅伪栅极层101时，容易在所述界面位置形成多晶硅堆积，在所述开口 105的顶部的侧壁会形成经过氧化的多晶硅凸起106 ；请参考图4，在所述开口 105底部形成高K介质层107，在所述高K介质层106表面形成填充所述开口 105的金属栅电极层108 ;需要说明的是，在形成填充所述开口 105的金属栅电极层108时，所述金属栅电极层108内通常会出现空隙109。发明人深入研究发现，所述在金属栅电极层内形成空隙的原因是:现有工艺在去除所述多晶硅伪栅极层并形成开口后，所述开口的顶部的内侧壁会形成氧化多晶硅凸起106 ;从而使得开口的顶部变得狭窄，在后续采用金属沉积工艺形成填充所述开口的金属栅电极层时，在具有凸起的位置填充速率较快，使得开口内未完全填充而具有凸起的位置却已经封闭，从而在金属栅电极层内部形成空隙，造成半导体器件性能降低，功耗增加，可靠性降低。为此，本发明的发明人提供一种金属栅电极层的形成方法，请参考图5，包括如下步骤:步骤S101，提供基底，所述基底表面具有多晶硅伪栅极层和位于多晶硅伪栅极层两侧的侧墙；所述基底表面形成有覆盖所述多晶硅伪栅极层和侧墙的刻蚀阻挡层；所述刻蚀阻挡层表面形成有层间介质层；步骤S102，平坦化所述层间介质层和刻蚀阻挡层直至暴露出所述多晶硅伪栅极层；步骤S103，去除所述多晶硅伪栅极层，形成开口，且在所述开口顶部的内侧壁形成凸起；步骤S104，在所述层间介质层和刻蚀阻挡层表面形成保护层，所述保护层填充满所述开口 ；步骤S105，平坦化部分厚度的所述保护层、所述层间介质层、刻蚀阻挡层和侧墙，直至去除凸起；步骤S106，去除所述保护层；步骤S107，在所述开口的底部形成栅介质层和位于栅介质层表面且填充满所述开口的金属栅电极层。本发明的实施例采用平坦化工艺去除形成在所述开口顶部的侧壁的凸起，避免在后续工艺填充的金属层内形成有空隙，进一步地，本发明先形成填充满所述开口的保护层，所述保护层能够避免在平坦化去除凸起工艺中额外的在开口的侧壁形成凸起，采用本发明实施例形成的半导体器件金属层内部没有空隙，形成的器件性能提高，功耗减小，可靠性提闻。下面结合具体实施例对本发明实施例的金属栅电极层的形成方法做具体描述。请参考图6，提供基底200，所述基底200表面具有多晶硅伪栅极层201和位于多晶硅伪栅极层201两侧的侧墙202 ;所述基底200表面形成有覆盖所述多晶硅伪栅极层201和侧墙202的刻蚀阻挡层203 ;所述刻蚀阻挡层203表面形成有层间介质层204。所述基底200作用是为后续形成半导体器件提供工作平台，所述基底200材料为η型硅衬底、P型硅衬底、绝缘层上的硅(SOI)衬底、氮化硅衬底以及砷化镓等II1-V族化合物等。所述刻蚀阻挡层203的材料为氮化硅，所述层间介质层204的为氧化硅层。所述基底200、多晶硅伪栅极层201、侧墙202、刻蚀阻挡层203、层间介质层204的具体形成工艺请参考现有技术，在这里不再赘述。请参考图7，平坦化所述层间介质层204和刻蚀阻挡层203直至暴露出所述多晶硅伪栅极层201。所述平坦化的工艺是第一化学机械抛光工艺，具体地，所述第一化学机械抛光工艺参数为:化学机械抛光采用的研磨液是以氧化硅或者氧化铈为主要成分的，所述研磨液对氧化硅与氮化硅的平坦化速率选择比大于I。需要说明的是，所述氧化硅研磨液的颗粒尺寸为I lOOnm，采用氧化硅研磨液的优点是:研磨颗粒分散性好、化学性质活泼、后清洗过程容易的优点。需说明的是，所述氧化铈研磨液的颗粒尺寸为10 20nm，采用氧化铈研磨液的优点是:具有抛光速率高、材料的去除率高、对被抛光表面的损伤较小的优点。还需要说明的是，在本实施例中，层间介质层204的材料为氧化硅、刻蚀阻挡层203为氮化硅，选择第一化学机械抛光的研磨液对氧化硅和氮化硅的选择比大于I的工艺参数能够保证高于多晶硅伪栅极层的氮化硅蚀刻阻挡层203与氧化硅层间介质层204 —起被去除。请参考图8，去除所述多晶硅伪栅极层201，形成开口 205，且在所述开口 205顶部的内侧壁形成凸起206。所述去除凸起206的工艺为干法刻蚀或湿法刻蚀。在一实施例中，所述干法刻蚀法采用反应离子刻蚀法，采用的气体可以选择氯气、氦气、溴化氢或者氦气和氧气的混合物。采用干法刻蚀的优点是，各向异性、选择性好以及刻蚀效率高。在另一实施例中，所述湿法刻蚀选用四甲基氢氧化铵溶液，质量百分比浓度为2 4%，温度为50°C 90°C，刻蚀速率为100 3000埃/分钟，刻蚀多晶硅与氧化硅的速率比大于100: I ;采用湿法刻蚀的优点是操作简便、对设备要求低、易于大批量生产。所述凸起206材料是多晶硅的氧化物，具体地，所述凸起206的形成的原因是:所述开口 205顶部为所述多晶硅伪栅极层201、侧墙202和刻蚀阻挡层203的界面位置，在采用干法刻蚀或湿法刻蚀去除所述多晶硅伪栅极层101时，容易在所述界面位置形成多晶硅堆积，残余多晶硅暴露在空气中或会被氧化，在开口 205顶部的内侧壁形成被氧化的多晶硅凸起206。请参考图9，在所述层间介质层204和刻蚀阻挡层203表面形成保护层207，所述保护层207填充满所述开口 205。所述保护层204用于在后续平坦化去除凸起206的工艺步骤中保护开口 205内侧壁，避免在开口 205的侧壁形成额外的残留堆积，使得开口顶部尺寸变小。所述保护层207的材料光刻胶，具体地，涂覆光刻胶的具体工艺参数为:厚度是400埃 1500埃，旋涂的速率为300-4000转/分钟，旋涂的温度为15_100°C，光刻胶作为保护层具有如下的优点:易于成膜，易于去除，使用方便，抗蚀性好，粘附性高、能够充分填充所述开口 205起到保护作用，不会造成开口界面的损害。请参考图10，平坦化部分厚度的所述保护层207、所述层间介质层204、刻蚀阻挡层203和侧墙202，直至去除凸起206。所述平坦化去除凸起206的工艺是第二化学机械抛光工艺，具体地，所述第二化学机械抛光的工艺参数为:化学机械抛光采用的研磨液是以氧化硅或氧化铈为主要成分的，具体地，氧化娃研磨液颗粒尺寸为I IOOnm,氧化铺研磨液的颗粒尺寸为10 20nm,所述第二化学机械抛光的研磨液对氧化硅与氮化硅的平坦化速率选择比为0.5 2。采用上述的第二化学机械抛光工艺参数，结合光刻胶的保护层，能够有效去除凸起且不会额外在开口侧壁形成其他的残留物。本实施例中，采用第二次化学抛光工艺去除形成在所述开口 205顶部内侧壁的多晶硅凸起206，以避免在后续工艺填充的如图12所示的金属栅介质层209内部形成空隙。进一步地，本实施例中，先前形成填充满所述开口 205的光刻胶保护层207，能够避免在此第二次化学机械抛光以去除氧化多晶硅凸起206的工艺中，额外的在开口的内侧壁再次形成凸起206。请参考图11，去除所述保护层207 ；所述去除保护层207工艺的作用是形成顶端宽度增加的开口 205，使得之后的如图12所示金属栅电极层209的填充不会形成如图4所示的空隙109。在一实施例中，当保护层207的材料是光刻胶时，所述去除工艺是干法去胶法或湿法去胶法，具体地，所述干法去胶法采用的气体可为，惰性气体、空气、氮气、氧气、氟碳化合物气体及碳氢化合物气体中的一种或多种，干法去胶的优点是操作简单、去胶效率高、表面干净光洁；具体地，所述湿法去胶法的去胶溶剂可为硫酸和过氧化氢的混合液，湿法去胶的优点是成本低、产量高。在另一实施例中，当保护层207材料是二氧化硅时，所述的去除工艺是混凝脱硅法，包括镁剂脱硅、铝盐脱硅、铁盐脱硅和石灰脱硅。请参考图12，在所述开口 205的底部形成栅介质层208和位于栅介质层208表面且填充满所述开口 205的金属栅电极层209。所述栅介质层208为高K栅介质层的作用是防止漏电现象的出现。所述高K栅介质层208的材料是二氧化铪、氧化铪硅、氧化镧、氧化镧铝、氧化锆、氧化错娃、氧化钽、氧化钛、氧化钡银钛、氧化钡钛、氧化银钛、氧化钇、氧化招、氧化铅钪钽或铌酸铅锌，所述高K栅介质层208的形成工艺可为化学气相沉积法或物理气相沉积。所述金属栅电极层209可以为单一覆层或者多层堆叠结构。
在一实施例中，当所述金属栅电极层209为单一覆层时，所述金属层材料为铝、铜、银、金、钼、镍、钛、钴、I它、钽、鹤、钛鹤、镍钼、氮化钛、氮化I它或氮化钽。在另一实施例中，当所述金属栅电极层209为多层堆叠结构时，所述金属层包括:位于所述栅介质层208表面的功能金属层，位于所述功能金属层表面的铝金属层，具体地，所述功能金属层作用是防止之后铝金属层的形成过程中在开口 205侧壁表面积聚造成开口变窄，所述功能金属层的材料是氮化钛、氮化铊或氮化钽。所述金属栅电极层209的形成工艺是化学气相沉积或物理气相沉积，具体地，所述金属层209的形成步骤为:在开口 205底部沉积形成所述的高K栅介质层，在高K栅介质层表面以及开口 205内侧壁形成所述功能金属层，最后在所述功能金属层表面形成铝金属层。本发明的实施例的优点是采用第二次化学抛光工艺去除形成在所述开口 205顶部内侧壁的多晶硅凸起206，使得后续在所述开口 205内形成所述金属栅电极层209时不会形成如图4所示的空隙109 ;本实施例还在去除多晶硅凸起206之前，采用保护层207填充满所述开口 205，避免在此第二次化学机械抛光以去除氧化多晶硅凸起206的工艺中，额外的在开口的内侧壁再次形成其他凸起或残留物，提高后续填充所述金属层栅电极层209的质量。进一步的，所述保护层207材料为光刻胶，能够有效保护开口的同时，去除简便且不会损害开口 205的界面的。虽本发明实施例如上所述，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
权利要求
1.一种金属栅电极层的形成方法，其特征在于，包括: 提供基底，所述基底表面具有多晶硅伪栅极层和位于多晶硅伪栅极层两侧的侧墙；所述基底表面形成有覆盖所述多晶硅伪栅极层和侧墙的刻蚀阻挡层；所述刻蚀阻挡层表面形成有层间介质层； 平坦化所述层间介质层和刻蚀阻挡层直至暴露出所述多晶硅伪栅极层； 去除所述多晶硅伪栅极层，形成开口，且在所述开口顶部的侧壁形成凸起； 在所述层间介质层和刻蚀阻挡层表面形成保护层，所述保护层填充满所述开口 ； 平坦化部分厚度的所述保护层、所述层间介质层、刻蚀阻挡层和侧墙，直至去除凸起； 去除所述保护层。
2.如权利要求1所述的金属栅电极层的形成方法，其特征在于，所述保护层材料为光刻胶。
3.如权利要求1所述的金属栅电极层的形成方法，其特征在于，当所述保护层材料为光刻胶时，所述保护层的形成工艺为:厚度是400埃 1500埃，旋涂的速率为300-4000转/分钟，旋涂的温度为15-100°C。
4.如权利要求1所述的金属栅电极层的形成方法，其特征在于，平坦化去除凸起的工艺为第二化学机械抛光工艺。
5.如权利要求4所述的金属 栅电极层的形成方法，其特征在于，化学机械抛光工艺的参数为:采用的研磨液是氧化硅或氧化铈为主要成分，其中，氧化硅研磨液的颗粒尺寸为I IOOnm,氧化铺研磨液的颗粒尺寸为10 20nm,所述第二化学机械抛光的研磨液对氧化硅与氮化硅的平坦化速率选择比为0.5 2。
6.如权利要求1所述的金属栅电极层的形成方法，其特征在于，平坦化所述层间介质层和刻蚀阻挡层的工艺为第一化学机械抛光工艺。
7.如权利要求6所述的金属栅电极层的形成方法，其特征在于，第一化学机械抛光的工艺参数为:化学机械抛光采用的研磨液是以氧化硅或氧化铈为主要成分，其中，氧化硅研磨液的颗粒尺寸为I IOOnm,氧化铺研磨液的颗粒尺寸为10 20nm,所述第一化学机械抛光的研磨液对氧化硅与氮化硅的平坦化速率选择比大于I。
8.如权利要求1所述的金属栅电极层的形成方法，其特征在于，去除所述保护层的工艺为干法去胶法或湿法去胶法。
9.如权利要求1所述的金属栅电极层的形成方法，其特征在于，还包括:在所述开口的底部形成栅介质层和位于栅介质层表面且填充满所述开口的金属层。
10.如权利要求9所述的金属栅电极层的形成方法，其特征在于，所述栅介质层材料为氧化硅或高k介质，高k介质包括氧化锆，氧化铪等。
11.如权利要求9所述的金属栅电极层的形成方法，其特征在于，金属层为单一覆层或者多层堆叠结构。
12.如权利要求11所述的金属栅电极层的形成方法，其特征在于，当所述金属层为单一覆层时，所述金属层材料为招、铜、银、金、怕、镇、钦、钻、铭、组、鹤、钦鹤、镇怕、氣化钦、氣化铊或氮化钽。
13.如权利要求11所述的金属栅电极层的形成方法，其特征在于，当所述金属层为多层堆叠结构时，所述金属层包括:位于所述栅介质层表面的功能金属层，位于所述功能金属层表面的铝金属层。
14.如权利要求13所述的金属栅电极层的形成方法，其特征在于，所述功能金属层材料为氮化钛、氮 化铊或氮化钽。
全文摘要
一种金属栅电极层的形成方法，包括提供基底，所述基底表面具有多晶硅伪栅极层和位于多晶硅伪栅极层两侧的侧墙；所述基底表面形成有覆盖所述多晶硅伪栅极层和侧墙的刻蚀阻挡层；所述刻蚀阻挡层表面形成有层间介质层；平坦化所述层间介质层和刻蚀阻挡层直至暴露出所述多晶硅伪栅极层；去除所述多晶硅伪栅极层，形成开口，且在所述开口顶部的侧壁形成凸起；在所述层间介质层和刻蚀阻挡层表面形成保护层，所述保护层填充满所述开口；平坦化部分厚度的所述保护层、所述层间介质层、刻蚀阻挡层和侧墙，直至去除凸起；去除所述保护层。本发明实施例的金属栅电极层的形成方法形成的金属栅电极层质量高。
文档编号H01L21/336GK103117215SQ20111036610
公开日2013年5月22日 申请日期2011年11月17日 优先权日2011年11月17日
发明者王庆玲, 邵群 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司