[發(fā)明專利]金屬柵及其制造方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210154895.9
• 申請(qǐng)日: 2022-02-21
• 公開（公告）號(hào): CN114695539A
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊海龍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海華力集成電路制造有限公司
• 主分類號(hào): H01L29/423
• 分類號(hào): H01L29/423;H01L21/28;H01L21/336
• 代理公司: 上海浦一知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31211
• 代理人: 郭四華

本發(fā)明公開了一種金屬柵，柵極凹槽分成底部凹槽和頂部凹槽。底部凹槽由偽柵極結(jié)構(gòu)的去除區(qū)域組成，所述底部凹槽的寬度設(shè)置為柵極關(guān)鍵尺寸；底部凹槽的高度由第零層層間膜和偽柵極結(jié)構(gòu)的平坦化工藝調(diào)節(jié)，通過(guò)降低底部凹槽的高度降低底部凹槽的高寬比且底部凹槽的高寬比調(diào)節(jié)到使金屬柵無(wú)空洞的填充底部凹槽。頂部凹槽位于底部凹槽的正上方且頂部凹槽的寬度大于底部凹槽的寬度，頂部凹槽的高寬比小于底部凹槽的高寬比，頂部凹槽的高度用于補(bǔ)償?shù)撞堪疾鄣母叨冉档汀１景l(fā)明還公開了一種金屬柵的制造方法。本發(fā)明能使柵極關(guān)鍵尺寸保持不變或降低的條件下，降低金屬柵的填充難度、由于金屬柵填充的工藝窗口并提高工藝健康度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路領(lǐng)域，特別涉及一種金屬柵(metal gate，MG)。本發(fā)明還涉及一種金屬柵的制造方法。

背景技術(shù)

在現(xiàn)有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，多晶硅廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體元件如MOS晶體管中，一般被作為標(biāo)準(zhǔn)的柵極填充材料。然而，隨著MOS晶體管尺寸減小，傳統(tǒng)多晶硅柵極因硼穿透(boronpenetration)效應(yīng)導(dǎo)致元件效能降低，及難以避免的空乏效應(yīng)(depletion effect)等問(wèn)題，使得等效柵極介電層厚度增加、柵極電容值下降，進(jìn)而導(dǎo)致元件性能衰退等。因此，半導(dǎo)體業(yè)界便嘗試以新的柵極填充材料，例如利用功函數(shù)(work function，WF)金屬層來(lái)取代傳統(tǒng)的多晶硅柵極，功函數(shù)金屬層頂部還需要疊加金屬導(dǎo)電材料層并一起作為金屬柵。金屬柵的底部往往還需要匹配具有高介電常數(shù)層(HK)的柵介質(zhì)層，具有高介電常數(shù)層和金屬柵的柵極結(jié)構(gòu)往往稱為高介電常數(shù)金屬柵(HKMG)。

在金屬柵工藝中，由于關(guān)鍵尺寸的減小，使金屬柵的填充難度增加；而且PMOS和NMOS集成在一起時(shí)，往往還會(huì)出現(xiàn)功函數(shù)金屬層的疊加，如PMOS的P型功函數(shù)金屬層的底部還會(huì)疊加N型功函數(shù)金屬層，這都使得金屬柵的填充非常具有挑戰(zhàn)，往往對(duì)工藝填充能力的要求很高，當(dāng)關(guān)鍵尺寸較小，容易產(chǎn)生金屬填充問(wèn)題，在金屬柵中出現(xiàn)空洞，造成良率損失。

現(xiàn)有方法是通過(guò)適當(dāng)增大柵極尺寸如寬度，或者降低柵極高度，這樣都能降低金屬柵填充的柵極凹槽的高寬比，從而能降低填充難度。但是柵極寬度為柵極關(guān)鍵尺寸，和溝道長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)，故柵極寬度的增加會(huì)影響器件的性能；而柵極高度的降低會(huì)影響到金屬柵極電阻，所以工藝調(diào)整的窗口往往很小。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種金屬柵，能使柵極關(guān)鍵尺寸保持不變或降低的條件下，降低金屬柵的填充難度、由于金屬柵填充的工藝窗口并提高工藝健康度。為此，本發(fā)明還提供一種金屬柵的制造方法。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的金屬柵中，由柵介質(zhì)層和金屬柵疊加形成的柵極結(jié)構(gòu)形成于柵極凹槽中，所述柵極凹槽分成底部凹槽和頂部凹槽。

所述底部凹槽由偽柵極結(jié)構(gòu)的去除區(qū)域組成，在所述偽柵極結(jié)構(gòu)的側(cè)面形成有側(cè)墻，在所述側(cè)墻外的半導(dǎo)體襯底表面形成有頂部表面和所述偽柵極結(jié)構(gòu)的頂部表面相平的第零層層間膜，所述偽柵極結(jié)構(gòu)去除后，所述側(cè)墻的內(nèi)側(cè)面組成所述底部凹槽的側(cè)面，所述底部凹槽的寬度由所述偽柵極結(jié)構(gòu)的寬度定義且所述底部凹槽的寬度設(shè)置為柵極關(guān)鍵尺寸；所述底部凹槽的高度由所述第零層層間膜和所述偽柵極結(jié)構(gòu)的平坦化工藝調(diào)節(jié)，通過(guò)降低所述底部凹槽的高度降低所述底部凹槽的高寬比且將所述底部凹槽的高寬比調(diào)節(jié)到使所述金屬柵無(wú)空洞的填充所述底部凹槽。

所述頂部凹槽位于所述底部凹槽的正上方，所述頂部凹槽的寬度大于所述底部凹槽的寬度且所述頂部凹槽的側(cè)面分別延伸到所述底部凹槽的側(cè)面的外側(cè)；所述頂部凹槽穿過(guò)第一介質(zhì)層，所述第一介質(zhì)層形成于所述第零層層間膜表面；所述頂部凹槽的高寬比小于所述底部凹槽的高寬比，使所述金屬柵無(wú)空洞的填充所述頂部凹槽；所述頂部凹槽的高度用于補(bǔ)償所述底部凹槽的高度降低，使所述金屬柵的厚度增加并從而降低柵極電阻。

進(jìn)一步的改進(jìn)是，所述柵介質(zhì)層中包括高介電常數(shù)層。

進(jìn)一步的改進(jìn)是，所述金屬柵包括功函數(shù)金屬層和金屬導(dǎo)電材料層。