Cmos管的pmos替代柵極的去除方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種CMOS管的PMOS替代柵極的去除方法。在半導(dǎo)體襯底上以STI為界，形成具有PMOS結(jié)構(gòu)的第一區(qū)域和具有NMOS結(jié)構(gòu)的第二區(qū)域；在上述區(qū)域表面依次沉積刻蝕終止層和層間介質(zhì)層，并對層間介質(zhì)層進行化學(xué)機械研磨，所述研磨停止在刻蝕終止層上，顯露出PMOS結(jié)構(gòu)和NMOS結(jié)構(gòu)的替代柵極；沉積硬掩膜層；用光阻膠層遮擋第二區(qū)域，將PMOS結(jié)構(gòu)表面上的硬掩膜層打開，顯露出PMOS替代柵極；分兩步去除光阻膠層，第一步采用含氧氣體對光阻膠層進行處理，第二步采用氮氣或者氮氣和氫氣的組合去除剩余光阻膠層；將PMOS替代柵極從掩埋的層間介質(zhì)層中去除。本發(fā)明能夠避免去除PMOS替代柵極過程中產(chǎn)生聚合物。
【專利說明】CMOS管的PMOS替代柵極的去除方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件的制作技術(shù)，特別涉及一種CMOS管的PMOS替代柵極的去除方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，在半導(dǎo)體器件的制造工藝中，P型金屬氧化物半導(dǎo)體(PMOS)管、NMOS管、或者由PMOS管和NMOS管共同構(gòu)成的互補型金屬氧化物半導(dǎo)體(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor, CMOS)管成為構(gòu)成芯片的基本器件。
[0003]為了控制短溝道效應(yīng)，更小尺寸器件要求進一步提高柵電極電容。這能夠通過不斷減薄柵氧化層的厚度而實現(xiàn)，但隨之而來的是柵電極漏電流的提升。當(dāng)二氧化硅作為柵氧化層，厚度低于5.0納米時，漏電流就變得無法忍受了。解決上述問題的方法就是使用高介電常數(shù)(HK)絕緣材料取代二氧化硅，高介電常數(shù)絕緣材料可以為鉿硅酸鹽、鉿硅氧氮化合物、鉿氧化物等，介電常數(shù)一般都大于15，采用這種材料能夠進一步提高柵電容，同時柵漏電流又能夠得到明顯的改善。對于相同的柵氧化層厚度，將高介電常數(shù)絕緣材料與金屬柵電極搭配，其柵電極漏電流將減少幾個指數(shù)量級，而且用金屬柵電極取代多晶硅柵電極解決了高介電常數(shù)絕緣材料與多晶硅之間不兼容的問題。
[0004]因此，高介電常數(shù)柵氧化層和金屬柵電極被用于制造CMOS器件。
[0005]圖1a至圖1e為現(xiàn)有技術(shù)去除CMOS管的PMOS替代柵極具體過程的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0006]步驟11、請參閱圖la，在半導(dǎo)體襯底100上以淺溝槽隔離區(qū)101為界，形成具有PMOS結(jié)構(gòu)的第一區(qū)域和具有NMOS結(jié)構(gòu)的第二區(qū)域；所述PMOS結(jié)構(gòu)和NMOS結(jié)構(gòu)都至少包括在半導(dǎo)體襯底100表面依次形成的高介電常數(shù)柵氧化層102和替代柵極103，以及位于替代柵極103兩側(cè)且在半導(dǎo)體襯底中的有源區(qū)(圖中未示)；
[0007]高介電常數(shù)柵氧化層102可以為鉿硅酸鹽、鉿硅氧氮化合物或鉿氧化物等，介電常數(shù)一般都大于15。因為最終形成的是金屬柵電極，替代柵極會被金屬柵電極替代，也就是說替代柵極最終是不存在的，所以作為替代柵極103的材料可以有多種，本實施例中替代柵極的材料為多晶硅。
[0008]步驟12、請參閱圖lb，在上述區(qū)域表面依次沉積刻蝕終止層104和層間介質(zhì)層105，并對層間介質(zhì)層105進行化學(xué)機械研磨，所述研磨停止在刻蝕終止層104上，顯露出PMOS結(jié)構(gòu)和NMOS結(jié)構(gòu)的替代柵極103 ；
[0009]步驟13、請參閱圖lc，沉積硬掩膜層106，所述硬掩膜層106覆蓋PMOS結(jié)構(gòu)和NMOS結(jié)構(gòu)；
[0010]步驟14、請參閱圖ld，用光阻膠層107遮擋第二區(qū)域，將PMOS結(jié)構(gòu)表面上的硬掩膜層打開，顯露出PMOS替代柵極，然后將PMOS替代柵極從掩埋的層間介質(zhì)層中去除；
[0011]步驟15、請參閱圖le，去除所述光阻膠層107。
[0012]從圖1d可以看出，去除PMOS替代柵極的過程中，仍然有光阻膠存在，由于去除PMOS替代柵極采用干法刻蝕，所以也會損耗部分光阻膠，產(chǎn)生大量聚合物，附著在PMOS替代柵極的位置，使得無法完全清除PMOS替代柵極，也就是說這會導(dǎo)致圖1d中去除PMOS替代柵極的位置不是垂直溝槽，而是具有一定的坡度，整個溝槽呈上窄下寬的形狀，從而使得后續(xù)不是很容易在這種形狀的溝槽內(nèi)填充PMOS金屬柵電極材料。因此如何減少去除PMOS替代柵極過程中產(chǎn)生的聚合物，成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]有鑒于此，本發(fā)明提供一種CMOS管的PMOS替代柵極的去除方法，能夠避免去除PMOS替代柵極過程中產(chǎn)生聚合物。
[0014]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的:
[0015]一種互補型金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS管的PMOS替代柵極的去除方法，所述CMOS包括PMOS結(jié)構(gòu)和NMOS結(jié)構(gòu)，該方法包括:
[0016]在半導(dǎo)體襯底上以淺溝槽隔離區(qū)為界，形成具有PMOS結(jié)構(gòu)的第一區(qū)域和具有NMOS結(jié)構(gòu)的第二區(qū)域；所述PMOS結(jié)構(gòu)和NMOS結(jié)構(gòu)都至少包括在半導(dǎo)體襯底表面依次形成的高介電常數(shù)柵氧化層和替代柵極，以及位于替代柵極兩側(cè)且在半導(dǎo)體襯底中的有源區(qū)；
[0017]在上述區(qū)域表面依次沉積刻蝕終止層和層間介質(zhì)層，并對層間介質(zhì)層進行化學(xué)機械研磨，所述研磨停止在刻蝕終止層上，顯露出PMOS結(jié)構(gòu)和NMOS結(jié)構(gòu)的替代柵極；
[0018]沉積硬掩膜層，所述硬掩膜層覆蓋PMOS結(jié)構(gòu)和NMOS結(jié)構(gòu)；
[0019]用光阻膠層遮擋第二區(qū)域，將PMOS結(jié)構(gòu)表面上的硬掩膜層打開，顯露出PMOS替代柵極；
[0020]分兩步去除所述光阻膠層，第一步采用含氧氣體對光阻膠層進行處理，第二步采用氮氣或者氮氣和氫氣的組合氣體去除剩余光阻膠層；
[0021]以NMOS結(jié)構(gòu)表面的硬掩膜層為遮擋，將PMOS替代柵極從掩埋的層間介質(zhì)層中去除。
[0022]第一步和第二步的時間比的范圍為10?3。
[0023]含氧氣體包括:氧氣或者二氧化碳或者二氧化碳和一氧化碳的組合氣體；其中，第一步去除光阻膠層在反應(yīng)腔內(nèi)進行，反應(yīng)腔壓力為10?100毫托，反應(yīng)腔功率為100?1000瓦，反應(yīng)時間10?120秒，氧氣的流量為100?500標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘，二氧化碳的流量為100?1000標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘，一氧化碳的流量為100?500標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘。
[0024]第二步去除光阻膠層在反應(yīng)腔內(nèi)進行，反應(yīng)腔壓力為10?100毫托，反應(yīng)腔功率為100?1000瓦，反應(yīng)時間10?120秒，氮氣的流量為50?500標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘，氫氣的流量為50?500標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘。
[0025]所述硬掩膜層采用物理氣相沉積PVD的方法形成。
[0026]去除PMOS替代柵極之后，該方法進一步包括:清洗去除PMOS替代柵極過程中產(chǎn)生的聚合物。
[0027]在所述高介電常數(shù)柵氧化層和半導(dǎo)體襯底表面之間進一步包括界面層。
[0028]在所述高介電常數(shù)柵氧化層和替代柵極之間進一步包括保護層，所述保護層為TiN或者TaN或者兩者組合的疊層。
[0029]從上述方案可以看出，本發(fā)明采用硬掩膜層為遮擋，去除PMOS替代柵極，基本上不會產(chǎn)生聚合物，在去除PMOS替代柵極之后的位置形成垂直溝槽，從而使得后續(xù)很容易在溝槽內(nèi)填充PMOS金屬柵電極材料。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1a至圖1e為現(xiàn)有技術(shù)去除CMOS管的PMOS替代柵極具體過程的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖2為本發(fā)明去除CMOS管的PMOS替代柵極的方法流程圖。
[0032]圖2a至2f為本發(fā)明去除CMOS管的PMOS替代柵極具體過程的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0033]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0034]本發(fā)明去除CMOS管的PMOS替代柵極的方法流程圖如圖2所示，其包括以下步驟:
[0035]步驟21、請參閱圖2a，在半導(dǎo)體襯底100上以淺溝槽隔離區(qū)101為界，形成具有PMOS結(jié)構(gòu)的第一區(qū)域和具有NMOS結(jié)構(gòu)的第二區(qū)域；所述PMOS結(jié)構(gòu)和NMOS結(jié)構(gòu)都至少包括在半導(dǎo)體襯底表面依次形成的高介電常數(shù)柵氧化層102和替代柵極103，以及位于替代柵極兩側(cè)且在半導(dǎo)體襯底中的有源區(qū)(圖中未示)；
[0036]本發(fā)明實施例中，在所述高介電常數(shù)柵氧化層102和半導(dǎo)體襯底100表面之間還可以包括界面層，在所述高介電常數(shù)柵氧化層102和替代柵極103之間還可以包括保護層。其中，界面層極薄，一般為氧化硅層，或者氮氧化硅層。高介電常數(shù)柵氧化層102可以為鉿硅酸鹽、鉿硅氧氮化合物或鉿氧化物等，介電常數(shù)一般都大于15。保護層可以為氮化鈦(TiN)或者氮化鉭(TaN)或者兩者組合的疊層。因為最終形成的是金屬柵電極，替代柵極會被金屬柵電極替代，也就是說替代柵極最終是不存在的，所以作為替代柵極的材料可以有多種，本實施例中替代柵極的材料為多晶硅。
[0037]簡單介紹上述結(jié)構(gòu)的形成方法:
[0038]在半導(dǎo)體襯底100上形成淺溝槽隔離區(qū)101，隔離區(qū)右側(cè)定義為第一區(qū)域，左側(cè)定義為第二區(qū)域；
[0039]在半導(dǎo)體襯底100表面依次生長界面層、高介電常數(shù)柵氧化層102、保護層和多晶硅層，然后對多晶硅層、保護層、高介電常數(shù)柵氧化層102和界面層進行刻蝕，在半導(dǎo)體襯底100表面的第一區(qū)域和第二區(qū)域上分別形成具有替代柵極103的結(jié)構(gòu)；
[0040]以替代柵極為屏蔽，分別進行PMOS結(jié)構(gòu)和NMOS結(jié)構(gòu)有源區(qū)注入步驟，以形成源極和漏極。其中，由于PMOS結(jié)構(gòu)用空穴作為多數(shù)載流子，所以PMOS結(jié)構(gòu)的源極和漏極為P型，注入的離子為硼或銦；而NMOS結(jié)構(gòu)用電子作為多數(shù)載流子，所以NMOS結(jié)構(gòu)的源極和漏極為N型，注入的離子為磷或砷。
[0041]因此，以淺溝槽隔離區(qū)101為界，將形成PMOS結(jié)構(gòu)的右側(cè)區(qū)域定義為第一區(qū)域，將形成NMOS結(jié)構(gòu)的左側(cè)區(qū)域定義為第二區(qū)域。
[0042]步驟22、請參閱圖2b，在上述區(qū)域表面依次沉積刻蝕終止層104和層間介質(zhì)層105，并對層間介質(zhì)層105進行化學(xué)機械研磨，所述研磨停止在刻蝕終止層104上，顯露出PMOS結(jié)構(gòu)和NMOS結(jié)構(gòu)的替代柵極103 ；
[0043]層間介質(zhì)層105 —般為氧化娃層。[0044]步驟23、請參閱圖2c，沉積硬掩膜層106，所述硬掩膜層106覆蓋PMOS結(jié)構(gòu)和NMOS結(jié)構(gòu)；
[0045]硬掩膜層采用物理氣相沉積(PVD)的方法形成，硬掩膜層可以為氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)或鋁化鈦(TiAl)中的任意一種或者多種的組合。
[0046]步驟24、請參閱圖2d，用光阻膠層107遮擋第二區(qū)域，將PMOS結(jié)構(gòu)表面上的硬掩膜層打開，顯露出PMOS替代柵極；
[0047]打開PMOS結(jié)構(gòu)表面上的硬掩膜層即干法刻蝕PMOS結(jié)構(gòu)表面上的硬掩膜層。
[0048]步驟25、請參閱圖2e，分兩步去除所述光阻膠層，第一步采用含氧氣體對光阻膠層進行處理，第二步采用氮氣或者氮氣和氫氣的組合氣體去除剩余光阻膠層；
[0049]該步驟是本發(fā)明的關(guān)鍵，兩步采用的氣體不同，時間也不同。第一步和第二步的時間比的范圍為10?3。
[0050]第一步采用的含氧氣體包括:氧氣或者二氧化碳或者二氧化碳和一氧化碳的組合氣體；其中，第一步去除光阻膠層在反應(yīng)腔內(nèi)進行，反應(yīng)腔壓力為10?100毫托，反應(yīng)腔功率為100?1000瓦，反應(yīng)時間10?120秒，氧氣的流量為100?500標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘，二氧化碳的流量為100?1000標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘，一氧化碳的流量為100?500標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘。本發(fā)明實施例優(yōu)選采用氧氣快速處理光阻膠層，去除大部分的光阻膠層。但需要注意的是，此時PMOS結(jié)構(gòu)表面上的硬掩膜層已經(jīng)打開，顯露出PMOS替代柵極，如果長時間通入氧氣，就會導(dǎo)致PMOS替代柵極的上頂表面被氧化，氧化成與層間介質(zhì)層相同的材料，這樣后續(xù)在去除PMOS替代柵極時，很容易損耗層間介質(zhì)層。而層間介質(zhì)層的厚度是一個很重要的參數(shù)，本發(fā)明實施例能夠很好地實現(xiàn)對層間介質(zhì)層厚度的控制。因此第一步需要采用含氧氣體對光阻膠層進行快速處理，第二步再完全去除光阻膠層。
[0051]第二步去除光阻膠層在反應(yīng)腔內(nèi)進行，反應(yīng)腔壓力為10?100毫托，反應(yīng)腔功率為100?1000瓦，反應(yīng)時間10?120秒，氮氣的流量為50?500標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘，氫氣的流量為50?500標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘。
[0052]需要注意的是，由于與替代柵極接觸的是保護層例如TiN等，很容易被氧氣氧化，而氧氣是去除光阻膠層最為有效的氣體，所以如果像現(xiàn)有技術(shù)那樣，去除PMOS替代柵極之后再去除光阻膠層，一方面，為防止保護層被氧化，不能采用氧氣去除光阻膠層；另一方面，如果采用氮氣和氫氣直接去除光阻膠層時間又太長，不能很好地達到去除效果。因此，本發(fā)明實施例在兩步去除光阻膠層之后，以硬掩膜層為遮擋，去除PMOS替代柵極，就不會發(fā)生上述問題。而且兩步去除光阻膠層達到了很好的去除效果。
[0053]步驟26、請參閱圖2f，以NMOS結(jié)構(gòu)表面的硬掩膜層為遮擋，將PMOS替代柵極從掩埋的層間介質(zhì)層中去除。
[0054]去除替代柵極，可以采用干法刻蝕，刻蝕氣體為含氟或者含氯的氣體，可以為六氟化硫(SF6)或氯氣(Cl2),這是本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)，在此不再贅述。
[0055]至此，本發(fā)明完成去除CMOS管的PMOS替代柵極。去除PMOS替代柵極之后，該方法還可以進一步包括:清洗去除PMOS替代柵極過程中產(chǎn)生的聚合物。本發(fā)明實施例采用弱堿性溶液N-甲基吡咯烷酮(NMP)。
[0056]綜上，現(xiàn)有技術(shù)采用光阻膠層為遮擋，去除PMOS替代柵極，所以在干法刻蝕PMOS替代柵極過程中會產(chǎn)生很多聚合物，而本發(fā)明采用硬掩膜層為遮擋，去除PMOS替代柵極，基本上不會產(chǎn)生聚合物，從而達到本發(fā)明的目的。
[0057]接下來，步驟27至步驟29為按照現(xiàn)有技術(shù)的方法，形成CMOS金屬柵電極。
[0058]步驟27、在去除PMOS替代柵極的位置沉積PMOS金屬柵電極材料，并進行化學(xué)機械研磨顯露出NMOS結(jié)構(gòu)上的替代柵極；
[0059]步驟28、再次用光阻膠層遮擋第一區(qū)域，將NMOS結(jié)構(gòu)上的替代柵極從掩埋的層間介質(zhì)層中去除形成第二區(qū)域上的溝槽；
[0060]步驟29、在去除NMOS替代柵極的位置沉積NMOS金屬柵電極材料，并進行化學(xué)機械研磨形成CMOS金屬柵電極。
[0061]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(yīng)包含在本發(fā)明保護的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種互補型金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS管的PMOS替代柵極的去除方法，所述CMOS包括PMOS結(jié)構(gòu)和NMOS結(jié)構(gòu)，該方法包括: 在半導(dǎo)體襯底上以淺溝槽隔離區(qū)為界，形成具有PMOS結(jié)構(gòu)的第一區(qū)域和具有NMOS結(jié)構(gòu)的第二區(qū)域；所述PMOS結(jié)構(gòu)和NMOS結(jié)構(gòu)都至少包括在半導(dǎo)體襯底表面依次形成的高介電常數(shù)柵氧化層和替代柵極，以及位于替代柵極兩側(cè)且在半導(dǎo)體襯底中的有源區(qū)； 在上述區(qū)域表面依次沉積刻蝕終止層和層間介質(zhì)層，并對層間介質(zhì)層進行化學(xué)機械研磨，所述研磨停止在刻蝕終止層上，顯露出PMOS結(jié)構(gòu)和NMOS結(jié)構(gòu)的替代柵極； 沉積硬掩膜層，所述硬掩膜層覆蓋PMOS結(jié)構(gòu)和NMOS結(jié)構(gòu)； 用光阻膠層遮擋第二區(qū)域，將PMOS結(jié)構(gòu)表面上的硬掩膜層打開，顯露出PMOS替代柵極； 分兩步去除所述光阻膠層，第一步采用含氧氣體對光阻膠層進行處理，第二步采用氮氣或者氮氣和氫氣的組合氣體去除剩余光阻膠層； 以NMOS結(jié)構(gòu)表面的硬掩膜層為遮擋，將PMOS替代柵極從掩埋的層間介質(zhì)層中去除。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第一步和第二步的時間比的范圍為10?3。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，含氧氣體包括:氧氣或者二氧化碳或者二氧化碳和一氧化碳的組合氣體；其中，第一步去除光阻膠層在反應(yīng)腔內(nèi)進行，反應(yīng)腔壓力為10?100毫托，反應(yīng)腔功率為100?1000瓦，反應(yīng)時間10?120秒，氧氣的流量為100?500標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘，二氧化碳的流量為100?1000標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘，一氧化碳的流量為100?500標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，第二步去除光阻膠層在反應(yīng)腔內(nèi)進行，反應(yīng)腔壓力為10?100毫托，反應(yīng)腔功率為100?1000瓦，反應(yīng)時間10?120秒，氮氣的流量為50?500標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘,氫氣的流量為50?500標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述硬掩膜層采用物理氣相沉積PVD的方法形成。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，去除PMOS替代柵極之后，該方法進一步包括:清洗去除PMOS替代柵極過程中產(chǎn)生的聚合物。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述高介電常數(shù)柵氧化層和半導(dǎo)體襯底表面之間進一步包括界面層。
8.如權(quán)利要求1或7所述的方法，其特征在于，在所述高介電常數(shù)柵氧化層和替代柵極之間進一步包括保護層，所述保護層為TiN或者TaN或者兩者組合的疊層。
【文檔編號】H01L21/8238GK103545259SQ201210244037
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年7月13日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月13日
【發(fā)明者】張海洋, 李鳳蓮 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司