[發明專利]金屬柵極的形成方法

有效

• 申請號: 201010604678.2
• 申請日: 2010-12-23
• 公開（公告）號: CN102543702A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 蔣莉
• 申請（專利權）人: 中芯國際集成電路制造（上海）有限公司
• 主分類號: H01L21/28
• 分類號: H01L21/28;H01L21/285;H01L21/3213
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 駱蘇華

技術領域

本發明涉及一種半導體制造工藝，特別是一種金屬柵極的形成方法。

背景技術

隨著半導體制造技術的迅速發展，芯片的特征尺寸也不斷縮小，傳統的多晶硅柵極引起的漏電流和功耗急劇增加。為了解決多晶硅柵極帶來的嚴重問題，對于32納米及以下的工藝中，目前采用高k介質材料作為柵介質層，金屬材料作為柵極，使得漏電流和功耗得到很好的控制。

現有的制造高k介質層金屬柵極工藝，常見的有如美國專利US20100109088中介紹的一種制造方法：先在襯底上利用淺溝槽隔離技術定義出有源區，接著用硬掩膜定義出pFET有源區，并對pFET有源區進行刻蝕。在刻蝕區域外延生長一層SiGe，至與襯底表面平齊。去除硬掩膜，然后在襯底上形成柵材料層。圖形化處理，并形成金屬柵極堆疊。對有源區進行離子植入，并形成金屬柵極堆疊側墻(spacers)，最后在襯底上形成源極和漏極。

現有的另一種制備工藝如圖1至圖4。如圖1所示，提供半導體襯底(未示出)，所述半導體襯底的表面區域分為周邊電路區II和核心單元區I；所述半導體襯底上形成有犧牲氧化層102、多晶硅柵極101a、101b；多晶硅柵極101a、101b兩側半導體襯底上的具有側墻(spacer)104；在半導體襯底上還形成有層間介質層(ILD)103，所述層間介質層103與多晶硅柵極101a、101b及側墻104表面齊平。其中在核心單元區I，由于器件密集度高，因此多晶硅柵極101a相對也比較密集，多晶硅柵極101a的關鍵尺寸(CD)也較小；而在周邊電路區II，由于器件密集度低，多晶硅柵極101b分布稀疏，且關鍵尺寸較大。如圖2所示，去除多晶硅柵極101a、101b和犧牲氧化層102至露出半導體襯底，形成溝槽；由于周邊電路區II的多晶硅柵極101b關鍵尺寸大于核心單元區I的多晶硅柵極101a的關鍵尺寸，因此去除多晶硅柵極101a、101b后，在周邊電路區II形成的溝槽尺寸大于在核心單元區I形成的溝槽尺寸。

如圖3所示，在層間介質層上形成金屬層105，并將金屬層105填充滿所述溝槽；在形成完金屬層105后，金屬層105不是平坦的，由于在周邊電路區II內溝槽尺寸大于核心單元區I內溝槽尺寸，因此位于周邊電路區II的溝槽內的金屬層105高度低于核心單元區I的溝槽內金屬層105。

如圖4所示，研磨金屬層105至露出層間介質層103，在核心單元區I形成金屬柵極105a，在周邊電路區II形成金屬柵極105b。其中周邊電路區II的金屬柵極105b出現了凹陷106。

由于周邊電路區是有源器件非密集區，因此在周邊電路區形成的金屬柵極關鍵尺寸比較大，通常會大于10微米，對溝槽內的金屬柵極進行研磨后，周邊電路區的金屬柵極會出現很嚴重的凹陷，凹陷深度可達到300埃以上。例如，要形成總高度為400～600埃的鋁金屬柵極，300埃的凹陷使金屬柵極的厚度變小導致金屬柵極電阻率嚴重變化，引起半導體器件失效。

發明內容

本發明解決的問題是提供一種金屬柵極的形成方法，防止在有源器件非密集區的金屬柵極出現凹陷引起柵極的電阻率嚴重變化，避免出現半導體器件失效問題。

為解決上述問題，本發明采用如下技術方案：

一種金屬柵極的形成方法，包括：提供半導體襯底，所述半導體襯底上依次形成有犧牲氧化層和多晶硅柵極，所述多晶硅柵極兩側的半導體襯底上具有側墻；在所述半導體襯底上形成層間介質層，所述層間介質層表面與多晶硅柵極頂部齊平；去除所述多晶硅柵極和犧牲氧化層，形成溝槽；在層間介質層及側墻上形成金屬層，且所述金屬層填充滿溝槽；在金屬層上形成保護層；研磨保護層及金屬層至露出層間介質層，形成金屬柵極，對所述保護層的研磨速率小于金屬層。

優選的，所述研磨保護層及金屬層的方法為化學機械研磨法。

優選的，所述化學機械研磨法采用的研磨液為氧化鋁研磨液。

優選的，所述保護層為氧化鋁層。

優選的，所述氧化鋁層采用熱氧化法形成。

優選的，所述氧化鋁層厚度為10～100埃。

優選的，所述研磨液對金屬層與氧化鋁層的研磨速率比為3∶1～10∶1。

優選的，所述保護層為氮化物金屬層。

優選的，所述氮化物金屬層材料為TaN或TiN。

優選的，所述氮化物金屬層厚度為50～500埃。

優選的，所述氮化物金屬層采用化學氣相沉積法形成。

優選的，所述研磨液對金屬層與氮化物金屬層的研磨速率比為3∶1～10∶1。