金属栅的形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体集成电路制造工艺技术领域，尤其涉及一种金属栅的形成方法。
【背景技术】
[0002]随着CMOS电路线宽的不断缩小，栅氧厚度已经达到极限，漏电现象越发明显，而高k栅介电层技术+金属栅组合技术(high k metal gate，简称HKMG)能有效地解决栅极漏电问题，得到较高性能的晶体管，因此从28nm工艺代开始取代传统的二氧化硅氧化物或氮氧化物+多晶硅栅极而成为主流技术。
[0003]在28nm、20nm工艺代，金属栅采用的材料一般为铝、钛铝合金、钨和铝铜等。目前对金属栅进行平坦化的工艺是化学机械抛光工艺(Chemical-Mechanical Polishing,简称CMP)。图1a至Ic为现有的金属栅制备工艺流程图，该方法包括以下步骤:
[0004]步骤一，参见图la，提供一半导体衬底101，在衬底上的介质层102中形成凹槽103 ；
[0005]步骤二，参见图lb，在凹槽中103依次填充有高k栅介电材料104、调整功函数的金属105、金属阻挡层106和栅金属层107 ；
[0006]步骤三，参见图lc，采用化学机械抛光工艺(CMP)将依次去除表面的栅金属层107、金属阻挡层106、调整功函数的金属105和高k栅介电材料104，停止在介质层102表面，形成金属栅108。
[0007]采用上述现有的CMP工艺来去除表面的栅金属、金属阻挡层、调整功函数的金属和高k栅介电材料来形成金属栅，会造成栅金属表面划伤109和由于图形密集区凹陷(eros1n) 110造成的金属栅不一致的现象，如图1c所示。因为栅金属如Al的质地较软，其硬度约为160MPa。但是在Al的CMP过程中会产生多种副产物(by product)，如氧化销的颗粒，其硬度约为20000MPa，是铝的上百倍，因而很容易在金属铝表面造成划伤(scratch)，从而影响器件的性能和可靠性。同时，CMP受到图形密度效应(loading effect)的影响，即在晶片上不同区域由于图形密度不同会造成抛光速率不同，导致图形密度较高的区域容易产生凹陷(eros1n)，从而导致金属栅的高度不一致，使器件的良率和一致性降低。因此，需要一种新的形成金属栅的方法来避免金属栅高度不一致和栅金属表面划伤的缺陷问题。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于弥补上述现有技术的不足，提供一种金属栅的形成方法，能够有效避免采用CMP工艺产生的金属栅高度不一致和栅金属表面产生划伤等缺陷。
[0009]为实现上述目的，本发明提供一种金属栅的形成方法，其包括以下步骤:
[0010]步骤S01，提供半导体衬底，在衬底上形成介质层，并在所述介质层中形成凹槽；
[0011]步骤S02，在具有所述凹槽的衬底上依次形成高k栅介电材料层、调整功函数的金属层、金属阻挡层和栅金属层，所述栅金属层填充满所述凹槽；
[0012]步骤S03，采用金属电解抛光工艺去除表面的栅金属层，并停止在所述金属阻挡层表面；
[0013]步骤S04，在所述衬底表面涂布光刻胶，并光刻出所述凹槽内栅金属层的金属栅区域；
[0014]步骤S05，以所述金属栅区域的光刻胶为掩模，刻蚀去除表面的金属阻挡层、调整功函数的金属层和高k栅介电材料层，并停止在所述介质层表面；
[0015]步骤S06，去除所述凹槽内栅金属层表面的光刻胶，形成金属栅。
[0016]进一步地，步骤S02中栅金属层材料选自Al、W、T1、AlCu、TiAl中的一种或多种。
[0017]进一步地，步骤S02中调整功函数的金属层材料选自TiN、TiAl、TaN、TiC、TaC、Ti中的一种或多种。
[0018]进一步地，步骤S03中金属电解抛光工艺采用的电解液是有机酸或无机酸，较佳地选自硫酸、硝酸、盐酸、磷酸、醋酸、柠檬酸中的一种或多种。
[0019]进一步地，步骤S03中金属电解抛光工艺后凹槽内的栅金属层的凹陷深度为3_20nmo
[0020]进一步地，步骤S04中所述凹槽内栅金属层表面的光刻胶厚度为50-200nm。
[0021]进一步地，步骤S05中刻蚀工艺是反应离子刻蚀。
[0022]进一步地，步骤S05中反应离子刻蚀采用的刻蚀气体为含F或者含Cl的刻蚀气体。
[0023]进一步地，步骤S05中刻蚀工艺后，损失的介质层厚度在5-20nm。
[0024]进一步地，步骤S06中采用湿法清洗，其药剂选自无机酸、有机酸、含氟溶液中的一种或多种。
[0025]本发明中，当表面的栅金属层被去除后，暴露出来的金属阻挡层材料如Ta或TaN，具有很高的化学稳定性，不会被电解反应去除。进一步地，凹槽中栅金属层的高度可以通过金属电解抛光工艺中喷嘴的移动速度，施加的电流/电压等工艺参数来调节。为了去除表面的金属阻挡层、调整功函数的金属层和高k栅介电材料层，可以采用光刻、刻蚀的工艺。利用光刻胶为掩模来保护凹槽中的栅金属，刻蚀工艺将金属阻挡层、调整功函数的金属层和高k栅介电材料层去除，露出下面的介质层。然后，用湿法清洗工艺将凹槽表面的光刻胶清除，露出栅金属。至此，形成金属栅结构。
[0026]本发明的金属栅的形成方法，采用金属电解抛光工艺代替现有的CMP工艺，避免了栅金属平坦化时CMP工艺中由于图形密度效应导致的金属栅高度不一致，以及CMP中机械作用导致的栅金属表面产生划伤等缺陷，使得整个晶片上表面的栅金属层均匀地被去除，提升了金属栅的高度的一致性和栅金属的表面质量，从而提高器件的良率和一致性。
【附图说明】
[0027]为能更清楚理解本发明的目的、特点和优点，以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细描述，其中:
[0028]图1a至Ic是现有的金属栅制备工艺各步骤结构示意图；
[0029]图2是本发明金属栅形成方法的流程示意图；
[0030]图3a至3f是本发明金属栅形成方法的各步骤结构示意图。
【具体实施方式】
[0031]请同时参阅图2及图3a至3f，本实施例的金属栅的形成方法，包括以下步骤:
[0032]步骤S01，如图3a所示，提供半导体衬底401，在衬底401上形成介质层402，并在介质层402中形成凹槽403。
[0033]其中，本步骤中介质层的形成以及凹槽的形成可通过本领域常用手段如沉积、光刻刻蚀等工艺实现。衬底可以是Si ;介质层可以是S12;凹槽的深度可以是40-80nm，本实施例为60nm。
[0034]步骤S02，如图3b所示，在具有凹槽403的衬底上依次形成高k栅介电材料层404、调整功函数的金属层405、金属阻挡层406和栅金属层407，栅金属层407填充满凹槽403。
[0035]