專利名稱：金屬柵極的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，尤其涉及一種金屬柵極的形成方法。
背景技術(shù)：
隨著技術(shù)節(jié)點的降低，傳統(tǒng)的柵介質(zhì)層不斷變薄，晶體管漏電量隨之增加，引起半導(dǎo)體器件功耗浪費等問題。為解決上述問題，現(xiàn)有技術(shù)提供一種將金屬柵極替代多晶硅柵極的解決方案。其中，“后柵極(gate last)”工藝為形成金屬柵極的一個主要工藝。專利公開號為CN101438389A的中國專利申請?zhí)峁┮环N使用“后柵極”工藝形成金屬柵極的方法，包括提供基底，所述基底上形成有替代柵結(jié)構(gòu)、及位于所述基底上覆蓋所述替代柵結(jié)構(gòu)的層間介質(zhì)層；以所述替代柵結(jié)構(gòu)作為停止層，對所述層間介質(zhì)層進行化學機械拋光工藝；除去所述替代柵結(jié)構(gòu)后形成溝槽；最后對所述溝槽填充介質(zhì)和金屬，以形成柵介質(zhì)層和金屬柵電極層。實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，通過上述技術(shù)方案形成的半導(dǎo)體器件的可靠性較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是提供一種金屬柵極的形成方法，以解決采用現(xiàn)有技術(shù)形成的半導(dǎo)體器件的可靠性較低的問題。為解決上述問題，本發(fā)明提供一種金屬柵極的形成方法，包括提供基底，所述基底上形成有第一替代柵電極層，所述第一替代柵電極層包括第一犧牲層及位于第一犧牲層上的第二犧牲層，其中，第二犧牲層的熱膨脹系數(shù)高于第一犧牲層的熱膨脹系數(shù)；對所述第一替代柵電極層進行高溫處理，形成第二替代柵電極層，所述第二替代柵電極層中，第一犧牲層的寬度為第一寬度，所述第二犧牲層的寬度為第二寬度，所述第一寬度小于第二寬度；在所述基底上形成介質(zhì)層，所述介質(zhì)層表面與第二替代柵電極層表面齊平；去除所述第二替代柵電極層，形成溝槽；采用填充物質(zhì)對所述溝槽進行填充，形成金屬柵極。可選的，所述第一犧牲層為多晶硅、非晶硅、單晶硅、多晶鍺、非晶鍺、單晶鍺、鍺化硅之一?？蛇x的，所述第二犧牲層為鎢的硅化物或鈦的硅化物材料?？蛇x的，所述第二犧牲層和第一犧牲層的熱膨脹系數(shù)比值大于1?？蛇x的，所述第二犧牲層和第一犧牲層的熱膨脹系數(shù)比值范圍為2 1 10 1?？蛇x的，第二寬度與第一寬度的比值范圍為4 3 3 1。可選的，第二寬度比第一寬度大Inm 20nm?？蛇x的，所述高溫處理為高溫氧化?？蛇x的，所述高溫處理的溫度范圍為700°C 1500°C。
可選的，所述高溫氧化下，第二犧牲層因高溫膨脹的寬度為Inm 20nm?？蛇x的，所述第一犧牲層厚度范圍為50埃 200埃，所述第二犧牲層厚度范圍為 300埃 500埃。可選的，所述第二替代柵電極層的去除方法為干法去除或濕法去除。可選的，所述干法刻蝕是采用含有氯氣、溴化氫的刻蝕氣體去除第一犧牲層，采用氟化氮去除第二犧牲層?？蛇x的，所述濕法刻蝕是采用熱氨水溶液去除所述第一犧牲層和第二犧牲層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點本發(fā)明通過對具有不同層熱膨脹系數(shù)材料的第一替代柵電極層進行高溫處理，使其分別因熱膨脹不同的寬度，以形成具有T型的第二替代柵電極層，去除所述第二替代柵電極層后，形成靠近底部具有第一寬度，靠近開口具有第二寬度的T型溝槽，所述溝槽的第一寬度小于第二寬度，避免了填充物質(zhì)后金屬柵極產(chǎn)生空隙，提高金屬柵極的質(zhì)量，進而避免金屬柵極的電阻值較待形成的目標電阻值偏高及偏高的電阻值導(dǎo)致功耗上升問題，提高含有所述金屬柵極的半導(dǎo)體器件的可靠性。


圖1為本發(fā)明一個實施例的金屬柵極形成方法流程示意圖。圖2至圖10為本發(fā)明一個實施例的金屬柵極形成方法結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式現(xiàn)有技術(shù)形成的半導(dǎo)體器件的可靠性較低。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體器件的可靠性較低是由于金屬柵極的電阻值較目標電阻值偏高造成，進一步研究發(fā)現(xiàn)是因為所述金屬柵極的填充物質(zhì)內(nèi)部存在空隙，所述空隙會提高金屬柵極的電阻值，使其較目標電阻值偏高。發(fā)明人進一步發(fā)現(xiàn)，所述空隙形成的原因如下現(xiàn)有技術(shù)中，替代柵結(jié)構(gòu)的側(cè)面垂直于基底，所以去除所述替代柵結(jié)構(gòu)形成的溝槽的側(cè)壁也垂直于所述基底，且所述溝槽開口處的拐角近似為直角，所以當對溝槽進行填充時，位于開口附近的沉積速率較高，越靠近底部沉積速率越低，最后將會在金屬柵極內(nèi)出現(xiàn)空隙。隨著柵極長度的減小，溝槽的尺寸也隨之減小，將對溝槽填充愈發(fā)變得困難，愈加可能形成空隙。為解決上述問題，本發(fā)明提供一種金屬柵極的形成方法，如圖1所示，包括
步驟Sl，提供基底，所述基底上形成有第一替代柵電極層，所述第一替代柵電極層包括第一犧牲層及位于第一犧牲層上的第二犧牲層，其中，第二犧牲層的熱膨脹系數(shù)高于第一犧牲層的熱膨脹系數(shù)；步驟S2，對所述第一替代柵電極層進行高溫處理，形成第二替代柵電極層，所述第二替代柵電極層中，第一犧牲層的寬度為第一寬度，所述第二犧牲層的寬度為第二寬度，所述第一寬度小于第二寬度；步驟S3，在所述基底上形成介質(zhì)層，所述介質(zhì)層表面與第二替代柵電極層表面齊平；步驟S4，去除所述第二替代柵電極層，形成溝槽；步驟S5，采用填充物質(zhì)對所述溝槽進行填充，形成金屬柵極。為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明
4的具體實施例做詳細的說明。圖2至圖10為本發(fā)明一個實施例的金屬柵極形成方法結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，提供基底110，所述基底110上形成有柵介質(zhì)層120。所述基底110可以選自硅基底、絕緣層上的硅(SOI)、或者還可以是其它的材料， 例如砷化鎵等III-V族化合物。所述柵介質(zhì)層120為氧化硅、氮氧化硅、氮化硅之一或組合。參考圖3，在所述柵介質(zhì)層120上依次形成第一犧牲層131和第二犧牲層132。其中，所述第二犧牲層132和第一犧牲層131的熱膨脹系數(shù)比值大于1。作為一個實施例，所述第二犧牲層132和第一犧牲層131的熱膨脹系數(shù)比值范圍為2 1 10 1，即在同樣的高溫環(huán)境下，所述第二犧牲層132因熱而膨脹的寬度(或厚度)與第一犧牲層131因熱而膨脹的寬度(或厚度)的比值范圍是2 1 10 1。作為其他實施例，所述第二犧牲層132可以具有較高的熱膨脹系數(shù)，而第一犧牲層131的熱膨脹系數(shù)接近零，即在同樣的高溫環(huán)境下，所述第二犧牲層132寬度(或厚度)因熱膨脹而增大，而第一犧牲層131因熱而膨脹的寬度(或厚度)接近于零。其中，所述第一犧牲層131材料為多晶硅、非晶硅、單晶硅、多晶鍺、非晶鍺、單晶鍺、鍺化硅之一。所述第二犧牲層132為鎢的硅化物、鈦的硅化物等熱膨脹系數(shù)較高的材料。所述第一犧牲層131的厚度范圍為50 200埃，所述第二犧牲層132的厚度范圍為 300 500埃。形成所述第一犧牲層131和第二犧牲層132的方法為化學氣相沉積法，所述化學氣相沉積法的溫度范圍為100°C 700°C。本實施例中，所述第一犧牲層131的材料為多晶硅，所述第二犧牲層132的材料選取為硅化鎢。如圖4所示，在所述第二犧牲層132上形成圖案化的硬掩膜層140，所述硬掩膜層 140的圖案與后續(xù)形成的第一替代柵電極層位置對應(yīng)。所述硬掩膜層140的材料為氧化硅、
氮化硅、氮氧化硅之一。如圖5所示，以所述硬掩膜層140為掩膜，對所述第二犧牲層132和第一犧牲層 131進行干法刻蝕，形成第一替代柵電極層151。所述干法刻蝕對第一犧牲層131和第二犧牲層132具有相同的刻蝕速率，包括橫向刻蝕速率和縱向刻蝕速率。即第一替代柵電極層 151中，所述第一犧牲層131的寬度和第二犧牲層132的寬度相同，所述第一替代柵電極層 151的側(cè)壁垂直于所述柵介質(zhì)層120。本實施例中，所述干法刻蝕氣體包括氯氣、溴化氫、氫化氮或六氟化硫中的一種或多種。如圖6所示，去除硬掩膜層140，接著對所述第一替代柵電極層151進行高溫處理， 形成第二替代柵電極層152。所述高溫處理的溫度范圍為700°C 1500°C。所述高溫處理可以為高溫氧化，即對所述第一替代柵電極層151進行高溫氧化， 在所述第一替代柵電極層151的表面形成氧化物，以使得第二替代柵電極層152與后續(xù)形成的物質(zhì)之間形成有良好界面。繼續(xù)參考圖6，在高溫環(huán)境下，所述第一犧牲層131和第二犧牲層132均因熱膨脹有體積的增大。本實施例中，因為所述第二犧牲層132的熱膨脹系數(shù)高于所述第一犧牲層 131的熱膨脹系數(shù)，所以所述高溫處理環(huán)境中，所述第二犧牲層132增大的體積大于所述第一犧牲層131增大的體積，包括所述第二犧牲層132增大的寬度大于所述第一犧牲層131增大的寬度。最終形成的第二替代柵電極層152中，所述第一犧牲層131的寬度具有第一寬度，所述第二犧牲層132具有第二寬度，第二寬度與第一寬度的比值范圍為4 3 3 1。 作為一個實施例，第二寬度比第一寬度大Inm 20nm。所述第二犧牲層132因熱膨脹增大的寬度范圍為Inm 20nm，所述第一犧牲層因熱膨脹增大的寬度為0 0.9nm。即所述第二替代柵電極層152為T字形結(jié)構(gòu)。如圖7所示，以所述第二替代柵電極層152為掩膜，在所述基底110內(nèi)形成淺離子摻雜區(qū)161 ；然后，在所述替代柵電極層152兩側(cè)的基底110上形成側(cè)墻170，并以所述側(cè)墻 170為掩膜，在所述基底110內(nèi)形成源/漏區(qū)162。在其他實施例中，也可以直接對替代柵電極層152兩側(cè)的基底110進行源/漏離子注入，形成源/漏區(qū)；所述源/漏區(qū)的形成也可以參考現(xiàn)有的源/漏區(qū)形成工藝，在這里就不一一例舉。如圖8所示，在所述柵介質(zhì)層120上沉積介質(zhì)層180，所述介質(zhì)層180覆蓋所述第二替代柵電極層152 ；接著以所述第二替代柵電極層152為停止層，對所述介質(zhì)層180進行平坦化。如圖9所示，去除所述第二替代柵電極層152，形成溝槽200。因為所述第二替代柵電極層152中，所述第一犧牲層131的第一寬度Dl小于第二犧牲層132的第二寬度D2， 所以去除第二替代柵電極層152后形成的溝槽200也具有不同的寬度，靠近底部的溝槽具有第一寬度Dl，靠近開口的溝槽具有第二寬度D2，其中，所述具有第一寬度Dl的溝槽高度為50 200埃，所述具有第二寬度D2的溝槽高度為300 500埃。所述溝槽200的形狀為T型，其底部寬度小于開口寬度，避免了填充物質(zhì)后金屬柵極產(chǎn)生空隙，提高金屬柵極的質(zhì)量，進而避免金屬柵極的電阻值較待形成的目標電阻值偏高及偏高的電阻值導(dǎo)致功耗上升問題，提高含有所述金屬柵極的半導(dǎo)體器件的可靠性。其中，所述第二替代柵電極層152的去除方法可以為干法刻蝕或者濕法刻蝕。若為干法刻蝕，則采用含有氯氣、溴化氫的刻蝕氣體去除第一犧牲層131，采用氟化氮去除第二犧牲層132 ；若為濕法刻蝕，則采用熱氨水溶液去除所述第一犧牲層131和第二犧牲層 132。如圖10所示，采用填充物質(zhì)對所述溝槽200進行填充，形成金屬柵電極層190。所述柵介質(zhì)層120和金屬柵電極層190構(gòu)成金屬柵極結(jié)構(gòu)。其中，所述金屬柵電極層190的材料可以為Al、Cu、Ag、Au、Pt、Ni、Ti、TiN、TaN、 Ta、TaC、TaSiN、W、WN、WSi 的一種或多種。本實施例中，所述柵介質(zhì)層120為金屬柵極結(jié)構(gòu)的柵介質(zhì)層，作為其他實施例，還可以采用高K介質(zhì)作為金屬柵極的柵介質(zhì)層，具體包括在采用填充物質(zhì)對所述溝槽200進行填充前，去除所述柵介質(zhì)層120，暴露出基底110的表面；對暴露出基底110表面的溝槽 200依次填充高K介質(zhì)和金屬，以形成高K柵介質(zhì)層和金屬柵極。所述高K介質(zhì)可以是二氧化鉿、氧化鉿硅、氧化鑭、氧化鑭鋁、氧化鋯、氧化鋯硅、 氧化鉭、氧化鈦、氧化鋇鍶鈦、氧化鋇鈦、氧化鍶鈦、氧化釔、氧化鋁、氧化鉛鈧鉭或鈮酸鉛鋅等一種。所述金屬柵電極層材料可以為Al、Cu、Ag、Au、Pt、Ni、Ti、TiN, TaN,Ta、TaC、TaSiN, W、WN、WSi的一種或多種。本發(fā)明通過對具有不同層熱膨脹系數(shù)材料的第一替代柵電極層進行高溫處理，使其分別因熱膨脹不同的寬度，以形成具有T型的第二替代柵電極層，去除所述第二替代柵電極層后，形成靠近底部具有第一寬度，靠近開口具有第二寬度的T型溝槽，所述溝槽的底部寬度小于開口寬度，避免了填充物質(zhì)后金屬柵極產(chǎn)生空隙，提高金屬柵極的質(zhì)量，進而避免金屬柵極的電阻值較待形成的目標電阻值偏高及偏高的電阻值導(dǎo)致功耗上升問題，提高含有所述金屬柵極的半導(dǎo)體器件的可靠性。 雖然本發(fā)明披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍應(yīng)當以權(quán)利要求所限定的范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種金屬柵極的形成方法，其特征在于，包括提供基底，所述基底上形成有第一替代柵電極層，所述第一替代柵電極層包括第一犧牲層及位于第一犧牲層上的第二犧牲層，其中，第二犧牲層的熱膨脹系數(shù)高于第一犧牲層的熱膨脹系數(shù)；對所述第一替代柵電極層進行高溫處理，形成第二替代柵電極層，所述第二替代柵電極層中，第一犧牲層的寬度為第一寬度，所述第二犧牲層的寬度為第二寬度，所述第一寬度小于第二寬度；在所述基底上形成介質(zhì)層，所述介質(zhì)層表面與第二替代柵電極層表面齊平；去除所述第二替代柵電極層，形成溝槽；采用填充物質(zhì)對所述溝槽進行填充，形成金屬柵極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述第一犧牲層為多晶硅、 非晶硅、單晶硅、多晶鍺、非晶鍺、單晶鍺、鍺化硅之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述第二犧牲層為鎢的硅化物或鈦的硅化物材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述第二犧牲層和第一犧牲層的熱膨脹系數(shù)比值大于1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述第二犧牲層和第一犧牲層的熱膨脹系數(shù)比值范圍為2 1 10 1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，第二寬度與第一寬度的比值范圍為4 3 3 1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，第二寬度比第一寬度大 Inm 20nmo
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述高溫處理為高溫氧化。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述高溫處理的溫度范圍為 700 1500 0C ο
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述高溫氧化下，第二犧牲層因高溫膨脹的寬度為Inm 20nm。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述第一犧牲層厚度范圍為50埃 200埃，所述第二犧牲層厚度范圍為300埃 500埃。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述第二替代柵電極層的去除方法為干法去除或濕法去除。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述干法刻蝕是采用含有氯氣、溴化氫的刻蝕氣體去除第一犧牲層，采用氟化氮去除第二犧牲層。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述濕法刻蝕是采用熱氨水溶液去除所述第一犧牲層和第二犧牲層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種金屬柵極的形成方法，提供形成第一替代柵電極層的基底，第一替代柵電極層包括第一犧牲層及位于第一犧牲層上的第二犧牲層，第二犧牲層熱膨脹系數(shù)高于第一犧牲層熱膨脹系數(shù)；對第一替代柵電極層高溫處理形成第二替代柵電極層，第一犧牲層的寬度小于第二犧牲層的寬度；在基底上形成介質(zhì)層，介質(zhì)層表面與第二替代柵電極層表面齊平；去除第二替代柵電極層形成溝槽；采用填充物質(zhì)對溝槽進行填充，形成金屬柵極。本發(fā)明通過高溫處理使得第一犧牲層厚度小于第二犧牲層厚度，形成底部寬度小于開口寬度的溝槽，避免金屬柵極產(chǎn)生空隙，避免金屬柵極的電阻值較待形成的目標電阻值偏高等問題，提高含有所述金屬柵極的半導(dǎo)體器件的可靠性。
文檔編號H01L21/28GK102468146SQ201010532550
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月1日
發(fā)明者李鳳蓮 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司