[发明专利]金属栅极及MOS晶体管的形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种金属栅极及MOS晶体管的形成方法。

背景技术

随着半导体器件集成度的不断提高，技术节点的降低，传统的栅介质层不断变薄，晶体管漏电量随之增加，引起半导体器件功耗浪费等问题。为解决上述问题，现有技术提供一种将金属栅极替代多晶硅栅极的解决方案。其中，“后栅极(gate last)”工艺为形成金属栅极的一个主要工艺。

在美国专利US6664195中提供了一种使用“后栅极”工艺形成金属栅极的方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有替代栅结构、及位于所述半导体衬底上覆盖所述替代栅结构的层间介质层；以所述替代栅结构作为停止层，对所述层间介质层进行化学机械抛光工艺；除去所述替代栅结构后形成沟槽；最后通过PVD方法向所述沟槽内填充金属，以形成金属栅电极层。

实际应用中发现，通过上述技术方案形成的金属栅极内部会有缝隙或孔洞，影响金属栅极的电性能。

发明内容

本发明解决的问题是金属栅极及MOS晶体管的形成方法，防止金属栅极内产生缝隙或孔洞。

为解决上述问题，本发明实施例提供一种金属栅极的形成方法，包括：提供衬底，在所述衬底表面形成替代栅极结构；在所述衬底上形成层间介质层，所述层间介质层的表面与替代栅极结构顶部齐平；以层间介质层为掩膜，去除替代栅极结构，形成沟槽；在层间介质层上、沟槽侧壁和底部形成第一金属层；在第一金属层上形成掩膜层，所述掩膜层填充满沟槽；对掩膜层进行回刻蚀至露出第一金属层后，去除沟槽内剩余的掩膜层；在第一金属层上形成第二金属层，所述第二金属层填充满沟槽；平坦化第二金属层和第一金属层至露出层间介质层，在沟槽内形成金属栅极。

本发明还提供一种MOS晶体管的形成方法，包括：提供衬底，在所述衬底表面形成替代栅极结构；在替代栅极结构两侧形成侧墙；在替代栅极结构及侧墙两侧的衬底内形成源极、漏极；在所述衬底上形成层间介质层，所述层间介质层的表面与替代栅极结构顶部齐平；以层间介质层为掩膜，去除替代栅极结构，形成沟槽；在层间介质层上、沟槽侧壁和底部形成第一金属层；在第一金属层上形成掩膜层，所述掩膜层填充满沟槽；对掩膜层进行回刻蚀至露出第一金属层后，去除沟槽内剩余的掩膜层；在第一金属层上形成第二金属层，所述第二金属层填充满沟槽；平坦化第二金属层和第一金属层至露出层间介质层，在沟槽内形成金属栅极。

与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点：在去除替代栅极结构后，先向沟槽内填充第一金属层，在沟槽侧壁顶部会产生第一金属层堆积；此时不再用金属层填充沟槽，而是在第一金属层及沟槽内形成掩膜层；通过回刻蚀掩膜层将第一金属层堆积去除，增大沟槽顶部开口；然后去除剩余掩膜层后再向沟槽内填充满第二金属层，可以避免由于沟槽侧壁顶部金属层堆积而导致的沟槽内形成缝隙和空洞，从而可以提高半导体器件的可靠性。

附图说明

图1是现有技术方案形成金属栅极过程中沟槽内填充效果图；

图2是本发明形成金属栅极的具体实施方式流程示意图；

图3至图12是本发明形成包含金属栅极的晶体管的实施例结构示意图。

具体实施方式

由背景技术得知，通过现有技术方案得到的半导体器件的可靠性较差。

本发明的发明人经过研究发现，半导体器件的可靠性较差是由于金属栅极的电阻值过高造成，再进一步研究发现是因为所述金属栅极的填充物质内部存在空隙，所述空隙会提高金属栅极的电阻值。

发明人进一步发现，所述空隙形成的原因如下：现有技术中，虽然所形成的开口顶部的宽度大于底部的宽度，但是所述开口侧壁仅靠近开口的部分为倾斜，而靠近底部的侧壁与衬底垂直，如图1所示，在倾斜侧壁和垂直侧壁的交界处形成侧壁拐角001，因而在所述拐角001处，仍然造成填充的材料堆积，会形成空隙002。

为解决上述问题，本发明提供一种金属栅极的形成方法，其形成流程如图2所示，包括：执行步骤S1，提供衬底，在所述衬底表面形成替代栅极结构；执行步骤S2，在所述衬底上形成层间介质层，所述层间介质层的表面与替代栅极结构顶部齐平；执行步骤S3，以层间介质层为掩膜，去除替代栅极结构，形成沟槽；执行步骤S4，在层间介质层上、沟槽侧壁和底部形成第一金属层；执行步骤S5，在第一金属层上形成掩膜层，所述掩膜层填充满沟槽；执行步骤S6，对掩膜层进行回刻蚀至露出第一金属层后，去除沟槽内剩余的掩膜层；执行步骤S7，在第一金属层上形成第二金属层，所述第二金属层填充满沟槽；执行步骤S8，平坦化第二金属层和第一金属层至露出层间介质层，在沟槽内形成金属栅极。