專利名稱：金屬柵極的形成方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體制造領域，尤其涉及一種金屬柵極的形成方法。
背景技術：
隨著技術節(jié)點的降低，傳統(tǒng)的柵介質層不斷變薄，晶體管漏電量隨之增加，引起半導體器件功耗浪費等問題。為解決上述問題，現有技術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的中國專利申請文獻提供一種使用“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構、及位于所述基底上覆蓋所述替代柵結構的介質層；以所述替代柵結構作為停止層，對所述介質層進行化學機械拋光工藝；除去所述替代柵結構后形成溝槽；最后對所述溝槽填充介質和金屬，以形成柵介質層和金屬柵電極層。實際應用中發(fā)現，通過上述技術方案形成的半導體器件的可靠性較低。

發(fā)明內容
本發(fā)明解決的問題是提供一種金屬柵極的形成方法，以解決采用現有技術形成的半導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，所述基底表面形成有替代柵結構；在所述基底表面形成介質層，所述介質層覆蓋所述替代柵結構；化學機械研磨所述介質層，使得介質層表面與所述替代柵結構表面齊平；去除所述替代柵結構，形成溝槽；采用填充物質對所述溝槽進行填充，形成金屬柵極；其中，在化學機械研磨至介質層表面與所述替代柵結構表面齊平前，還包括對所述替代柵結構進行離子摻雜，使得所述替代柵結構由疏水性材料轉換為親水性材料?？蛇x的，所述化學機械研磨包括采用第一化學機械研磨去除部分所述介質層，并在所述替代柵結構表面剩余保留介質層；接著對所述替代柵結構進行離子摻雜；采用第二化學機械研磨，直至介質層表面與替代柵結構表面齊平；可選的，所述保留介質層的表面距離所述替代柵結構頂部的厚度范圍為50 200A。可選的，形成覆蓋所述替代柵結構的介質層后，對所述替代柵結構進行離子摻雜；然后進行化學機械研磨所述介質層，使得介質層表面與所述替代柵結構表面齊平?？蛇x的，所述離子摻雜的離子為氧離子或氟離子?？蛇x的，所述介質層的材料為氧化硅、氮化硅之一或組合?？蛇x的,所述離子摻雜的工藝參數包括離子摻雜能量范圍為IKev IOKev,所述離子濃度為1E14 5E16atom/cm2。
可選的，所述離子摻雜的工藝參數包括離子摻雜能量范圍為IOKev 200Kev，所述離子濃度為1E15 5E17atom/cm2?？蛇x的，所述介質層包括第一介質層及位于所述第一介質層表面的第二介質層?？蛇x的，所述第一介質層為氮化硅，所述第二介質層為氧化硅。可選的，所述第一化學機械研磨以所述第一介質層表面為研磨停止層?？蛇x的，所述離子摻雜的離子為氧離子或氟離子?？蛇x的，所述介質層的材料為氧化硅、氮化硅之一或組合?？蛇x的，對所述介質層進行離子摻雜后，還包括對所述介質層進行退火工藝。 可選的，所述退火工藝參數包括退火氣體為氮氣、氦氣、惰性氣體或氮氣和氧氣的混合氣體、氦氣和氧氣的混合氣體，退火溫度范圍為400 600°C，退火時間范圍10 120s或退火溫度范圍為700 1000°C，退火時間范圍為O. 25 2ms。可選的，所述對替代柵結構進行離子摻雜，同時對所述介質層進行離子摻雜。與現有技術相比，上述方案具有以下優(yōu)點在化學機械研磨至介質層表面與所述替代柵結構表面齊平前，對所述替代柵結構進行離子摻雜，使得所述替代柵結構由疏水性材料轉換為親水性材料，即摻雜后的替代柵極和與其相鄰的介質層均為親水性材料，減少了因材料的差異造成的研磨效果的差異，研磨液在所述替代柵極和介質層表面上的分布和作用效果均勻，避免因替代柵結構與介質層之間因研磨造成的凹陷，進一步避免形成不必要的凹陷金屬，提高金屬柵極的可靠性。


圖I至圖3為現有技術的金屬柵極形成方法結構示意圖。圖4至圖12為本發(fā)明一實施例的金屬柵極形成方法結構示意圖。
具體實施例方式通過現有技術形成金屬柵極的可靠性較低，主要表現在形成有金屬柵極的晶體管之間可能會發(fā)生短路現象或導電性能不穩(wěn)定。發(fā)明人發(fā)現原因如下在形成替代柵結構及覆蓋所述替代柵結構的介質層后，需要以所述替代柵結構作為停止層，對所述介質層進行化學機械拋光工藝，但是因為替代柵結構材料主要為多晶硅，而介質層多為氧化硅。兩種材料的差異造成了化學機械研磨時作用的不均衡。如圖I所示為化學機械研磨后的結構，包括兩個替代柵結構010，及位于所述兩個替代柵結構010之間的介質層020。其中，為了圖示方便，所述替代柵結構010僅示出替代柵極，未示出位于所述替代柵極兩側的側墻。其中，所述替代柵極為多晶硅材料，所述介質層020為氧化硅，其中多晶硅材料為疏水性材料，氧化硅為親水性材料。在化學機械研磨過程中，與疏水性材料的替代柵極相比，親水性材料的介質層020更易于使得研磨液附著于其表面，進而提高介質層020的刻蝕效果?？涛g結果表現為在替代柵結構010與介質層020的界面處，所述介質層020被刻蝕更多，造成如圖I所示的凹陷。如圖2所示，去除替代柵結構，形成溝槽010'。后續(xù)將在所述溝槽010'內填充金屬，以形成金屬柵極。如圖3所示，對所述溝槽010'進行填充形成金屬柵極012。但是因為前述的化學機械研磨過程中，在介質層020與所述替代柵結構的相鄰處形成凹陷。在填充金屬材料形成金屬柵極的過程中，所述金屬材料會同時填充所述凹陷。凹陷內充滿金屬使得原介質層的位置具有導電性能，進而使得形成有金屬柵極的晶體管之間可能會發(fā)生短路現象或導電性能不穩(wěn)定。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，所述基底表面形成有替代柵結構；在所述基底表面形成介質層，所述介質層覆蓋所述替代柵結構；化學機械研磨所述介質層，使得介質層表面與所述替代柵結構表面齊平；去除所述替代柵結構，形成溝槽；
采用填充物質對所述溝槽進行填充，形成金屬柵極；其中，在化學機械研磨至介質層表面與所述替代柵結構表面齊平前，還包括對所述替代柵結構進行離子摻雜，使得所述替代柵結構由疏水性材料轉換為親水性材料。下面結合附圖對本發(fā)明一實施例的金屬柵極的形成方法進行詳細說明。如圖4所示，提供基底110，所述基底110表面形成有氧化層120及位于所述氧化層120表面的犧牲層130，所述犧牲層130為多晶硅層；后續(xù)將刻蝕所述犧牲層130以形成替代柵極。進一步地，所述基底110內形成有隔離結構100，用于對后續(xù)形成的器件進行電學絕緣。后續(xù)地，將在所述隔離結構100的兩側各形成一個金屬柵極結構。如圖5所示，在所述犧牲層130表面形成圖案化的光刻膠層140，所述光刻膠層140的圖案與后續(xù)待形成的替代柵極對應。一并參考圖5和圖6，以所述光刻膠層140為掩?？涛g所述犧牲層130，形成替代柵極150。同時暴露出所述氧化層120表面。如圖7所示，去除光刻膠層，并以所述替代柵極150為掩模，對所述基底110進行離子摻雜，在所述替代柵極150兩側形成輕摻雜源/漏區(qū)161。接著在所述替代柵極150兩側形成側墻170。并以所述側墻170為掩模，在所述側墻170兩側形成重摻雜源/漏區(qū)162。其中，所述替代柵極150和位于其兩側的側墻170構成替代柵結構。如圖8所示，在所述氧化層120表面形成介質層180，同時覆蓋所述替代柵結構。為后續(xù)形成與替代柵極結構齊平的介質層表面，所以所述介質層180應覆蓋所述替代柵結構且高出所述替代柵結構表面。所述介質層180的材料為氧化硅、氮化硅之一或組合。如圖9所示，采用第一化學機械研磨去除部分的所述介質層180，并在所述替代柵結構表面剩余有保留介質層，所述保留介質層的表面距離所述替代柵結構頂部的厚度范圍約為50-200 A。接著，對表面覆蓋有所述保留介質層的替代柵結構進行離子摻雜。本實施例中，所述對替代柵結構進行離子摻雜，同時對所述介質層180進行離子摻雜。作為其他實施例，還可以僅對所述替代柵結構進行離子摻雜。具體地，所述摻雜離子為氧離子或氟離子，所述氧離子與氟離子摻雜入所述替代柵結構后，較佳地經過退火工藝后，所述氧離子或氟離子會與所述替代柵結構中的硅元素鍵合，形成硅-氧鍵或硅-氟鍵。與原替代柵極相比，所述形成有硅-氧鍵或硅-氟鍵的替代柵結構更易于附著化學機械研磨中的液體分子。即近表面處的替代柵極形成有硅-氧鍵或硅-氟鍵，且轉換為親水性材料(原未摻雜所述氧離子或氟離子的替代柵極為疏水性材料)，使得所述替代柵結構中的氧離子或氟離子易于與所述液體中的氫元素鍵合(如水分子中的氫元素)。在后續(xù)化學機械研磨過程中，所述替代柵極和與其相鄰的介質層均為親水性材料，減少了因材料的差異造成的研磨效果的差異。即所述研磨液在所述替代柵極和介質層表面上的分布和作用效果均勻，避免因替代柵結構與介質層之間因研磨造成的凹陷，進一步避免在后續(xù)金屬電極的研磨時，在凹陷區(qū)有金屬殘留，從而提高器件的可靠性。具體地，所述離子摻雜的工藝參數包括所述摻雜離子的摻雜能量范圍為IKev IOKev,所述摻雜離子的摻雜濃度為1E14 5E16atom/cm2。進一步地，對所述替代柵結構進行離子摻雜后，還包括對所述替代柵結構進行退火工藝。其中，所述退火工藝參數包括退火氣體為氮氣、氦氣、惰性氣體或氮氣和氧氣的混合氣體、氦氣和氧氣的混合氣體，退火溫度范圍為400 600°C，退火時間范圍10 120s或退火溫度范圍為700 1000°C，退火時間范圍為O. 25 2ms。 如圖10所述，采用第二化學機械研磨，直至介質層180表面與所述替代柵結構表面齊平。在第二化學機械研磨過程中，形成有硅-氧鍵或硅-氟鍵的替代柵極轉換為親水性材料，即所述替代柵結構中的氧元素或氟元素易于與所述液體中的氫元素鍵合。與所述替代柵結構相鄰的介質層180同為親水性材料，減少了因材料的差異造成的研磨效果的差異。即研磨液在所述替代柵極和介質層180表面上的分布和作用效果均勻，避免所述替代柵結構與介質層之間因研磨造成的凹陷，進一步避免形成不必要的凹陷金屬，提高金屬柵極的可靠性。本實施例中，通過首先去除部分的介質層，然后對所述替代柵極進行離子摻雜，同時也對保留介質層進行離子摻雜；然后再進行第二化學機械研磨。作為其他實施例，還可以在第一化學機械研磨之前，對所述覆蓋有介質層的替代柵結構進行離子摻雜。但因尚未進行任何化學機械研磨，所述介質層的厚度較厚，所以摻雜離子的摻雜能量和摻雜濃度都需要更高。所述摻雜離子的摻雜能量范圍為IOKev 200Kev，所述離子濃度為1E15 5E17atom/cm2。上述實施例中，所述介質層180為氧化硅材料。作為其他實施例，所述介質層180還可以為復合介質層。作為另一個實施例，所述介質層180為兩層材料的堆疊，包括有第一介質層及位于所述第一介質層表面的第二介質層。其中，所述第一介質層可以為氮化硅，所述第二介質層可以為氧化硅。具體地，可以以所述第一介質層(如氮化硅)為第一化學機械研磨的研磨停止層，對所述介質層進行化學機械研磨，即所述第一介質層(如氮化硅)作為保留介質層；接著對覆蓋有保留介質層的替代柵結構進行離子摻雜，以使得所述替代柵結構由疏水性材料轉換為親水性材料；然后采用第二化學機械研磨所述介質層，以使得所述介質層表面與所述替代柵結構的表面齊平。如圖11所示，去除所述替代柵極形成溝槽200。本實施例中，所述側墻170保留，并繼續(xù)作為后續(xù)金屬柵極的側墻。作為其他實施例，還可以去除所述側墻170，并在后續(xù)的工藝中再形成一層新的側墻作為金屬柵極的側墻。
如圖12所示，對所述溝槽進行填充，形成金屬柵極210。所述金屬柵極210和所述側墻170構成所述金屬柵極結構。作為其他實施例，還可以在金屬填充之前，去除位于溝槽內的所述氧化層120，并填充新的介質材料(如高K材料)作為金屬柵極的氧化層，然后再填充金屬形成金屬柵極210。與現有技術相比，上述方案具有以下優(yōu)點在化學機械研磨至介質層表面與所述替代柵結構表面齊平前，對所述替代柵結構進行離子摻雜，使得所述替代柵結構由疏水性材料轉換為親水性材料，即摻雜后的替代柵極和與其相鄰的介質層均為親水性材料，減少了因材料的差異造成的研磨效果的差異。即所述研磨液在所述替代柵極和介質層表面上的分布和作用效果均勻，避免所述替代柵結構與介質層之間因研磨造成的凹陷，進一步避免形成不必要的凹陷金屬，提高金屬柵極的可靠性。以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例，為了使本領域技術人員更好的理解本發(fā)明的精神，然而本發(fā)明的保護范圍并不以該具體實施例的具體描述為限定范圍，任何本領域的 技術人員在不脫離本發(fā)明精神的范圍內，可以對本發(fā)明的具體實施例做修改，而不脫離本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種金屬柵極的形成方法，其特征在于，包括 提供基底，所述基底表面形成有替代柵結構； 在所述基底表面形成介質層，所述介質層覆蓋所述替代柵結構； 化學機械研磨所述介質層，使得介質層表面與所述替代柵結構表面齊平； 去除所述替代柵結構，形成溝槽； 對所述溝槽進行填充，形成金屬柵極； 其中，在化學機械研磨至介質層表面與所述替代柵結構表面齊平前，還包括對所述替代柵結構進行離子摻雜，使得所述替代柵結構由疏水性材料轉換為親水性材料。
2.根據權利要求I所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述化學機械研磨包括采用第一化學機械研磨去除部分所述介質層，并在所述替代柵結構表面剩余保留介質層；接著對所述替代柵結構進行所述離子摻雜；采用第二化學機械研磨，直至介質層表面與替代柵結構表面齊平。
3.根據權利要求2所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述保留介質層的表面距離所述替代柵結構頂部的厚度范圍為50 200 A。
4.根據權利要求I所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，形成覆蓋所述替代柵結構的介質層后，對所述替代柵結構進行所述離子摻雜；然后進行化學機械研磨所述介質層，使得介質層表面與所述替代柵結構表面齊平。
5.根據權利要求2所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述離子摻雜的工藝參數包括離子摻雜能量范圍為IKev lOKev，所述離子濃度為1E14 5E16atom/cm2。
6.根據權利要求4所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述離子摻雜的工藝參數包括離子摻雜能量范圍為IOKev 200Kev,所述離子濃度為1E15 5E17atom/cm2。
7.根據權利要求2所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述介質層包括第一介質層及位于所述第一介質層表面的第二介質層。
8.根據權利要求7所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述第一介質層為氮化硅，所述第二介質層為氧化硅。
9.根據權利要求7所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述第一化學機械研磨以所述第一介質層表面為研磨停止層。
10.根據權利要求I 9任一項所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述離子摻雜的離子為氧離子或氟離子。
11.根據權利要求I 9任一項所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述介質層的材料為氧化硅、氮化硅之一或組合。
12.根據權利要求I所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，對所述介質層進行離子摻雜后，還包括對所述介質層進行退火工藝。
13.根據權利要求12所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述退火工藝參數包括退火氣體為氮氣、氦氣、惰性氣體或氮氣和氧氣的混合氣體、氦氣和氧氣的混合氣體，退火溫度范圍為400 600°C，退火時間范圍10 120s或退火溫度范圍為700 1000°C，退火時間范圍為O. 25 2ms。
14.根據權利要求I 13任一項中所述金屬柵極的形成方法，其特征在于，所述對替代柵結構進行離子摻雜，同時對所述介質層進行離子摻雜。
全文摘要
本發(fā)明提供一種金屬柵極的形成方法，包括提供基底，所述基底表面形成有替代柵結構；在所述基底表面形成介質層，所述介質層覆蓋所述替代柵結構；化學機械研磨所述介質層，使得介質層表面與所述替代柵結構表面齊平；去除所述替代柵結構，形成溝槽；采用填充物質對所述溝槽進行填充，形成金屬柵極。其中，在化學機械研磨至介質層表面與所述替代柵結構表面齊平前，還包括對所述替代柵結構進行離子摻雜，使得所述替代柵結構由疏水性材料轉換為親水性材料。摻雜后的替代柵極和與其相鄰的介質層均為親水性材料，減少了因材料的差異造成的研磨效果的差異。即所述研磨液在所述替代柵極和介質層表面上的分布和作用效果均勻，提高金屬柵極的可靠性。
文檔編號H01L21/28GK102931065SQ201110231650
公開日2013年2月13日 申請日期2011年8月12日 優(yōu)先權日2011年8月12日
發(fā)明者何永根, 劉俊良 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司