專利名稱：偽多晶硅的移除方法及cmos金屬柵極的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及半導體器件制造領域，尤其涉及一種偽多晶硅的移除方法及CMOS金屬柵極的制作方法。
背景技術(shù)：
隨著半導體集成電路的發(fā)展，現(xiàn)有的半導體器件，如互補金屬氧化物半導體(CMOS)器件中普遍使用的多晶硅柵極逐漸顯露出以下問題:因柵極損耗引起柵極絕緣層有效厚度增加，摻雜物容易通過多晶硅柵極滲透到襯底引起閥值電壓變化，難以實現(xiàn)細小寬度上低電阻值等。為解決上述問題，半導體技術(shù)發(fā)展了以金屬柵極替代現(xiàn)有多晶硅柵極的半導體器件，并使用高介電常數(shù)(high k)材料作為柵絕緣層的半導體器件，稱之為高介電層金屬柵(HKMG, high-k metal-gate)器件。在生成金屬柵極前，一般首先形成偽多晶娃(dummypoly)柵，繼續(xù)處理直到沉積層間介質(zhì)層(ILD)，移除為偽晶硅柵且以真實金屬柵來替代。根據(jù)移除偽多晶硅柵方式的不同，現(xiàn)有技術(shù)分為整體移除和分別移除兩種工藝，仍以CMOS器件為例，如圖1a 圖1d展示了現(xiàn)有分別移除偽多晶硅柵工藝的制作流程。如圖1a所示，CMOS包括NMOS區(qū)及PMOS區(qū)，NMOS區(qū)和PMOS區(qū)之間形成有淺溝槽隔離8 (STI) ；NM0S區(qū)上形成有NMOS高介電層I以及設置在NMOS高介電層I上的NMOS偽多晶硅6，在NMOS高介電層I以及NMOS偽多晶硅6的兩側(cè)形成有NMOS側(cè)壁氧化層4，形成NMOS柵極結(jié)構(gòu)；PM0S區(qū)上同樣形成有PMOS高介電層2、PM0S偽多晶硅7及PMOS高介電層2和PMOS偽多晶硅7兩側(cè)的PMOS側(cè)壁氧化層5，形成PMOS柵極結(jié)構(gòu)；在形成上述半導體結(jié)構(gòu)后，在NMOS側(cè)壁氧化層4及PMOS側(cè)壁氧化層5之間沉積夾層絕緣層3，進行第一次化學機械研磨去除多余的沉積材料，以露出偽多晶硅6和7 ;接著如圖1b所示，在NMOS柵極結(jié)構(gòu)上形成覆蓋NMOS柵極結(jié)構(gòu)的光刻膠9，通過干法刻蝕去除PMOS偽多晶硅7 ;如圖1c所示，去除光刻膠9后，在整個CMOS上沉積一層PMOS金屬功函數(shù)層10，并在PMOS金屬功函數(shù)層10沉積金屬層，如金屬鋁(Al)，進行第二次化學機械研磨，去除層絕緣層3上的PMOS金屬功函數(shù)層10以及多余的金屬，以露出夾層絕緣層3這樣就在原PMOS偽多晶硅7的位置上形成了 PMOS金屬柵極11 ;以同樣的工序，用光刻膠掩膜覆蓋PMOS柵極結(jié)構(gòu)，利用干法刻蝕移除NMOS偽多晶硅6，去除覆蓋PMOS的光刻膠掩膜，沉積NMOS金屬功函數(shù)層及金屬層，進行第三次化學機械研磨，去除夾層絕緣層3上的NMOS金屬功函數(shù)層12以及金屬層，這樣就在原NMOS偽多晶硅6的位置形成了 NMOS金屬柵極13，進而，形成了高介電層金屬柵CMOS結(jié)構(gòu)，如圖1d所示。在實際工藝當中，在去除NMOS及PMOS偽多晶硅6和7時，分別要進行兩次干法刻蝕，這會使夾層絕緣層3有一定的損失，進而使整個CMOS結(jié)構(gòu)中，NMOS及PMOS的金屬柵極11和13形成的高度降低，而金屬柵極高度的降低會影響后續(xù)離子注入工藝，進而影響高介電層金屬柵器件性能，使器件性能偏離設計標準；若使用濕法刻蝕去除偽多晶硅，由于濕法刻蝕的各向同性，使得柵極側(cè)壁氧化層等在濕法刻蝕時也同樣有所損失，影響器件性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種偽多晶硅的移除方法及CMOS金屬柵極的制作方法。本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下:一種偽多晶硅的移除方法，包括:在襯底上形成包括高介電層、偽多晶硅和側(cè)壁氧化層的柵極結(jié)構(gòu)；在襯底上沉積形成夾層絕緣層，并進行化學機械研磨以露出所述偽多晶硅；在所述柵極結(jié)構(gòu)和夾層絕緣層上形成圖案化光刻膠，所述圖案化光刻膠暴露所述偽多晶娃;以圖案化光刻膠為掩膜，對所述偽多晶硅進行磷離子注入摻雜；灰化去除所述圖案化光刻膠，在冷卻前將柵極結(jié)構(gòu)暴露在空氣中，并利用硫酸雙氧水溶液清洗柵極結(jié)構(gòu)；使用四甲基氫氧化銨溶液對所述偽多晶硅進行刻蝕，以移除所述偽多晶硅。進一步，所述磷離子注入摻雜的濃度為IO15至1017，離子注入的能量為2KV-50KV。進一步，所述灰化溫度為250至300攝氏度。進一步，所述硫酸雙氧水溶液中硫酸和雙氧水的摩爾比例為5: I，所述硫酸雙氧水溶液濃度為73%。

進一步，所述四甲基氫氧化銨溶液的濃度為5%~20 ^本發(fā)明還提供了一種CMOS金屬柵極的制作方法，包括:在襯底上定義NMOS區(qū)及PMOS區(qū)，并在NMOS區(qū)和PMOS區(qū)之間形成淺溝槽隔離；在NMOS區(qū)及PMOS區(qū)上分別形成NMOS高介電層及PMOS高介電層，及NMOS偽多晶硅和PMOS偽多晶硅，并在NMOS高介電層、NMOS偽多晶硅的兩側(cè)及PMOS高介電層、PMOS偽多晶硅的兩側(cè)形成側(cè)壁氧化層；在襯底上的所述NMOS側(cè)壁氧化層和PMOS側(cè)壁氧化層之間沉積形成夾層絕緣層，并進行化學機械研磨以露出NMOS偽多晶硅及PMOS偽多晶硅；在所述NMOS柵極結(jié)構(gòu)和夾層絕緣層上形成第一圖案化光刻膠，所述第一圖案化光刻膠暴露所述PMOS偽多晶硅；以所述第一圖案化光刻膠為掩膜，對所述PMOS偽多晶硅進行磷離子注入；灰化去除所述第一圖案化光刻膠，在冷卻前將PMOS偽多晶硅暴露在空氣中，并利用硫酸雙氧水溶液清洗PMOS偽多晶硅；形成覆蓋所述NMOS柵極結(jié)構(gòu)的第二圖案化光刻膠，并使用四甲基氫氧化銨溶液對所述PMOS偽多晶硅進行刻蝕，以移除所述PMOS偽多晶硅；去除所述第二圖案化光刻膠，依次沉積PMOS金屬功函數(shù)層和金屬柵極，并進行第一次化學機械研磨，以露出夾層絕緣層；使用四甲基氫氧化銨溶液對所述NMOS偽多晶硅進行刻蝕，以移除所述NMOS偽多晶娃;依次沉積NMOS金屬功函數(shù)層和金屬柵極，并進行第二次化學機械研磨，以露出夾層絕緣層。進一步，所述磷離子注入的濃度為IO15至1017，離子注入的能量為2KV-50KV。進一步，所述灰化溫度為250至300攝氏度。進一步，所述硫酸雙氧水溶液中硫酸和雙氧水的摩爾比例為5: I，所述硫酸雙氧水溶液濃度為73%。進一步，所述四甲基氫氧化銨溶液的濃度為5%-20 。進一步，所述PMOS金屬功函數(shù)層材料為TiN;所述NMOS金屬功函數(shù)層材料為TiAl ;所述PMOS和NMOS的金屬柵極材料為Al。在本發(fā)明中，利用磷離子注入偽多晶硅，使偽多晶硅摻雜，并在灰化光刻膠掩膜后，在未冷卻的情況下，使摻雜的偽多晶硅與空氣接觸，此時空氣中的水分會與偽多晶硅中的磷反應生成偏磷酸，再利用硫酸雙氧水溶液進行清洗偽多晶硅時可以將生成的偏磷酸溶解形成磷酸，而磷酸可以與偽多晶硅反應，因此大部分偽多晶硅去除，最后利用TMAH溶液進行濕法刻蝕，去除剩余的偽多晶硅，即可在去除偽多晶硅的同時，最小化其他半導體結(jié)構(gòu)的損失。


圖1a 圖1d為現(xiàn)有技術(shù)分 別移除偽多晶硅柵工藝形成HKMG CMOS器件流程示意圖；圖2為本發(fā)明移除偽多晶硅的方法流程圖；圖3a 圖3f為本發(fā)明CMOS金屬柵極的制作流程結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。如圖2所示，本發(fā)明提供了一種移除偽多晶硅的方法，包括:在襯底上形成包括高介電層、偽多晶硅和側(cè)壁氧化層的柵極結(jié)構(gòu)；在襯底上沉積形成夾層絕緣層，并進行化學機械研磨以露出偽多晶硅；在柵極結(jié)構(gòu)和夾層絕緣層上形成圖案化光刻膠，圖案化光刻膠暴露偽多晶硅；以圖案化光刻膠為掩膜，對偽多晶硅進行磷離子注入摻雜；灰化去除圖案化光刻膠，在冷卻前將柵極結(jié)構(gòu)暴露在空氣中，并利用硫酸雙氧水溶液清洗柵極結(jié)構(gòu)；使用四甲基氫氧化銨溶液對偽多晶硅進行刻蝕，以移除偽多晶硅。參照圖3a 圖3f所示的一種實施例，具體描述利用上述移除偽多晶硅的方法制造CMOS金屬柵極的過程。如圖3a所示，在襯底上定義NMOS區(qū)及PMOS區(qū)，在NMOS區(qū)及PMOS區(qū)上分別形成NMOS高介電層及21和PMOS高介電層22，及NMOS偽多晶硅26和PMOS偽多晶硅27，并在NMOS高介電層21、NM0S偽多晶硅26的兩側(cè)及PMOS高介電層22、PM0S偽多晶硅27的兩側(cè)形成側(cè)壁氧化層24、25，形成NMOS柵極結(jié)構(gòu)和PMOS柵極結(jié)構(gòu)；在襯底上的NMOS側(cè)壁氧化層24和PMOS側(cè)壁氧化層25之間沉積形成夾層絕緣層23，并進行化學機械研磨以露出NMOS偽多晶硅26及PMOS偽多晶硅27 ；參照圖3b，在襯底上形成第一圖案化光刻膠29，第一圖案化光刻膠29暴露PMOS偽多晶硅27 ；以第一圖案化光刻膠29為掩膜，對PMOS偽多晶硅進行磷離子注入，作為優(yōu)選的，磷離子注入的濃度為IO15至1017，離子注入的能量為2KV-50KV ；灰化去除所述第一圖案化光刻膠29，優(yōu)選灰化溫度為250至300攝氏度，在冷卻前將PMOS偽多晶硅27暴露在空氣中，并利用硫酸雙氧水溶液清洗PMOS偽多晶硅27，優(yōu)選的，硫酸雙氧水溶液中硫酸和雙氧水的摩爾比例為5: I，硫酸雙氧水溶液濃度為73%。由于在灰化光刻膠掩膜后，在未冷卻的情況下，使摻雜磷的PMOS偽多晶娃27與空氣接觸，此時空氣中的水分會與偽多晶硅中的磷反應生成偏磷酸，再利用硫酸雙氧水溶液進行清洗偽多晶硅時可以將生成的偏磷酸溶解，進而形成磷酸，生成的磷酸會將大部分PMOS偽多晶硅27去除。 如圖3c所示，形成覆蓋NMOS柵極結(jié)構(gòu)的第二圖案化光刻膠30，使用四甲基氫氧化銨TMAH溶液對殘留的PMOS偽多晶硅27’進行刻蝕，以移除殘留的PMOS偽多晶硅27’，四甲基氫氧化銨TMAH溶液的濃度優(yōu)選為5% -20%;由于TMAH對硅的腐蝕速率原高于二氧化硅的腐蝕速率，而二氧化硅則是夾層絕緣層的主要成分，所以在利用TMAH濕法刻蝕以移除殘留的PMOS偽多晶硅27’的過程中，夾層絕緣層的損失可以降低到最小，相對比直接使用各向同性濕法刻蝕去除偽多晶硅，其在選擇性及夾層絕緣層的損失上有著優(yōu)異的表現(xiàn)。去除第二圖案化光刻膠層30，如圖3d所示，依次沉積PMOS金屬功函數(shù)層31和金屬柵極32，并進行第一次化學機械研磨，以露出夾層絕緣層23 ；如圖3e所示，使用四甲基氫氧化銨溶液對NMOS偽多晶硅進行刻蝕，以移除NMOS偽多晶娃；依次沉積NMOS金屬功函數(shù)層33和金屬柵極34 ；進行第二次化學機械研磨，去除多余的NMOS金屬功函數(shù)層33和金屬柵極34，參照圖3f，以露出夾層絕緣層23，最終形成金屬柵極的CMOS結(jié)構(gòu)。其中，PMOS金屬功函數(shù)層材料優(yōu)選為TiN ；NM0S金屬功函數(shù)層材料優(yōu)選為TiAl ；PMOS和NMOS的金屬柵極材料優(yōu)選為Al。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明保護的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種偽多晶硅的移除方法，包括: 在襯底上形成包括高介電層、偽多晶硅和側(cè)壁氧化層的柵極結(jié)構(gòu)； 在襯底上沉積形成夾層絕緣層，并進行化學機械研磨以露出所述偽多晶硅； 在所述柵極結(jié)構(gòu)和夾層絕緣層上形成圖案化光刻膠，所述圖案化光刻膠暴露所述偽多晶娃; 以圖案化光刻膠為掩膜，對所述偽多晶硅進行磷離子注入摻雜； 灰化去除所述圖案化光刻膠，在冷卻前將柵極結(jié)構(gòu)暴露在空氣中，并利用硫酸雙氧水溶液清洗柵極結(jié)構(gòu)； 使用四甲基氫氧化銨溶液對所述偽多晶硅進行刻蝕，以移除所述偽多晶硅。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述磷離子注入摻雜的濃度為IO15至1017，離子注入的能量為2KV-50KV。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述灰化溫度為250至300攝氏度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述硫酸雙氧水溶液中硫酸和雙氧水的摩爾比例為5: I，所述硫酸雙氧水溶液濃度為73%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述四甲基氫氧化銨溶液的濃度為5% -20%。
6.—種CMOS金屬柵極的制作方法,包括: 在襯底上 定義NMOS區(qū)及PMOS區(qū)，并在NMOS區(qū)和PMOS區(qū)之間形成淺溝槽隔離；在NMOS區(qū)及PMOS區(qū)上分別形成NMOS高介電層及PMOS高介電層，及NMOS偽多晶硅和PMOS偽多晶硅，并在NMOS高介電層、NMOS偽多晶硅的兩側(cè)及PMOS高介電層、PMOS偽多晶硅的兩側(cè)形成側(cè)壁氧化層； 在襯底上的所述NMOS側(cè)壁氧化層和PMOS側(cè)壁氧化層之間沉積形成夾層絕緣層，并進行化學機械研磨以露出NMOS偽多晶硅及PMOS偽多晶硅； 在所述NMOS柵極結(jié)構(gòu)和夾層絕緣層上形成第一圖案化光刻膠，所述第一圖案化光刻膠暴露所述PMOS偽多晶硅； 以所述第一圖案化光刻膠為掩膜，對所述PMOS偽多晶硅進行磷離子注入； 灰化去除所述第一圖案化光刻膠，在冷卻前將PMOS偽多晶硅暴露在空氣中，并利用硫酸雙氧水溶液清洗PMOS偽多晶硅； 形成覆蓋所述NMOS柵極結(jié)構(gòu)的第二圖案化光刻膠，并使用四甲基氫氧化銨溶液對所述PMOS偽多晶硅進行刻蝕，以移除所述PMOS偽多晶硅； 去除所述第二圖案化光刻膠，依次沉積PMOS金屬功函數(shù)層和金屬柵極，并進行第一次化學機械研磨，以露出夾層絕緣層； 使用四甲基氫氧化銨溶液對所述NMOS偽多晶硅進行刻蝕，以移除所述NMOS偽多晶硅； 依次沉積NMOS金屬功函數(shù)層和金屬柵極，并進行第二次化學機械研磨，以露出夾層絕緣層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述磷離子注入的濃度為IO15至1017，離子注入的能量為2KV-50KV。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述灰化溫度為250至300攝氏度。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述硫酸雙氧水溶液中硫酸和雙氧水的摩爾比例為5: I，所述硫酸雙氧水溶液濃度為73%。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述四甲基氫氧化銨溶液的濃度為5% -20%。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述PMOS金屬功函數(shù)層材料為TiN;所述NMOS金屬功函數(shù) 層材料為TiAl ;所述PMOS和NMOS的金屬柵極材料為Al。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種偽多晶硅的移除方法，利用光刻膠作為掩膜對偽多晶硅進行磷離子注入摻雜，且在灰化光刻膠，在冷卻前將柵極結(jié)構(gòu)暴露在空氣中，并利用硫酸雙氧水溶液清洗柵極結(jié)構(gòu)破化大部分多晶硅，最后使用四甲基氫氧化銨溶液對偽多晶硅進行刻蝕，以完全移除偽多晶硅，實現(xiàn)了在去除偽多晶硅的同時，最小化其他半導體結(jié)構(gòu)損失的效果。本發(fā)明還提供了一種CMOS金屬柵極的制作方法。
文檔編號H01L21/28GK103137559SQ20111039744
公開日2013年6月5日 申請日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月2日
發(fā)明者韓秋華, 李鳳蓮 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司