[發(fā)明專利]金屬柵極的形成方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210553000.5
• 申請日: 2012-12-18
• 公開（公告）號: CN103871856A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發(fā)明（設計）人: 韓秋華;孟曉瑩
• 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
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權代理有限公司 11227
• 代理人: 駱蘇華

技術領域

本發(fā)明涉及半導體制造領域，特別涉及一種金屬柵極的形成方法。

背景技術

集成電路尤其是超大規(guī)模集成電路中的主要器件是金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（metal?oxide?semiconductor?field?effect?transistor，簡稱MOS晶體管）。自從MOS管被發(fā)明以來，其幾何尺寸一直在不斷縮小。在此情況下，各種實際的和基本的限制和技術挑戰(zhàn)開始出現(xiàn)，器件尺寸的進一步縮小正變得越來越困難。隨著復合金屬氧化物半導體結構(CMOS，ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor)制造工藝縮減到32nm以下級別，引入了采用新的設計和材料的技術。

其中，在MOS晶體管器件和電路制備中，最具挑戰(zhàn)性的是傳統(tǒng)CMOS器件在縮小的過程中由于多晶硅/SiO₂或SiON柵氧化層介質厚度減小帶來的較高的柵泄露電流。為此，現(xiàn)有技術已提出的解決方案是，采用金屬柵和高介電常數(shù)（K）柵介質替代傳統(tǒng)的重摻雜多晶硅柵和SiO₂（或SiON）柵介質。金屬柵和高K介質的形成方法分為很多種，主要分為先柵極（gate?first）和后柵極（gate?late），其中后柵極又分為先高K（high?K?first）和后高K（high?K?last）。由于半導體器件的不斷縮小，其gap?fill（間隙填充）的工藝窗口也越來越小，發(fā)展到28nm以下，gap?fill的工藝十分困難，導致柵極金屬很難填充。

請參考圖1，圖1為以現(xiàn)有gap?fill工藝形成的金屬柵極示意圖。圖1中，在襯底1中間包括有淺溝槽隔離區(qū)11，在該淺溝槽隔離區(qū)11的左右兩側分別形成有一個MOS管，其中左邊的一個為NMOS管，右邊的一個為PMOS管。由于左右兩邊的MOS管的結構基本相同，我們先以左邊的NMOS管為例，加以說明（右邊的PMOS管與左邊的NMOS管在功函數(shù)金屬層5的組成上存在不同，雖然同為兩層結構，但是PMOS管的功函數(shù)金屬層5由53和54兩層組成，不同于NMOS管功函數(shù)金屬層5由51和52兩層組成）。

在圖1的NMOS管中，存在著高K柵介質層2，在該高K柵介質層2兩側為側墻，圖1中側墻為蝕刻停止層3，而在蝕刻停止層3上有著中間介質層4（ILD,Inter?Layer?Dielectrics）。高K柵介質層2和蝕刻停止層3形成的溝槽的內壁形成有呈現(xiàn)U型的功函數(shù)金屬層5，該功函數(shù)金屬層5包括有兩層，分別為51和52（在另外一個溝槽的內壁中功函數(shù)金屬層5由53和54構成），通過兩層結構，功函數(shù)金屬層5能夠使得高K柵介質層2和最后形成在功函數(shù)金屬層5內部的金屬柵極600相適應（相容）。但是，由于關鍵尺寸已經(jīng)在28nm以下，因而圖1中功函數(shù)多層層5內壁所限定出的凹槽（gap）已經(jīng)很小，以至于在填充金屬柵極600時，在金屬柵極600內部會出現(xiàn)空隙601（void）。

為此，亟需一種新的金屬柵極的形成方法以克服gap?fill工藝困難和在金屬柵極內部會出現(xiàn)空隙的問題。

發(fā)明內容

本發(fā)明要解決的技術問題是gap?fill工藝困難和在金屬柵極內部會出現(xiàn)空隙的問題。

為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種金屬柵極的形成方法，包括：

在襯底上形成偽柵極層，在所述偽柵極層的兩側形成側墻；

移除所述偽柵極層，以在所述側墻間形成柵極溝槽；

沉積功函數(shù)金屬，以在所述柵極溝槽的底部及側壁形成功函數(shù)金屬層，所述柵極溝槽底部及側壁的所述功函數(shù)金屬層圍成凹槽；

形成保護層填充所述凹槽，然后進行平坦化；

蝕刻位于所述柵極溝槽側壁的所述功函數(shù)金屬層以形成凹陷；

去除所述保護層，使所述凹槽和所述凹陷連接形成缺口；

沉積金屬材料填充所述缺口。

可選的，蝕刻位于所述柵極溝槽側壁的所述功函數(shù)金屬層以形成凹陷的過程中，所述側墻也被部分去除，形成所述凹陷的一部分。

可選的，所述側墻包括由刻蝕阻擋層構成的第一側墻。

可選的，所述側墻還包括第二側墻，所述第二側墻位于所述偽柵極層與所述第一側墻之間。

可選的，另包括形成高K柵介質層的步驟，所述偽柵極層形成在所述高K柵介質層上。

可選的，沉積功函數(shù)金屬前，先在所述柵極溝槽的底部形成高K柵介質層。

可選的，所述保護層包括有機材料層。

可選的，采用灰化法去除所述有機材料層。