[发明专利]金属栅极的形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制作领域，特别涉及一种铝金属栅极的形成方法。

背景技术

随着集成电路制造技术的不断发展，MOS晶体管的特征尺寸也越来越小，为了降低MOS晶体管栅极的寄生电容，提高器件速度，高K栅介电层与金属栅极的栅极叠层结构被引入到MOS晶体管中。为了避免金属栅极的金属材料对晶体管其他结构的影响，所述金属栅极与高K栅介电层的栅极叠层结构通常采用“后栅（gate last）”工艺制作。

图1～图3为现有采用“后栅（gate last）”工艺制作金属栅极的剖面结构示意图。

参考图1，提供半导体衬底100，所述半导体衬底100上形成有替代栅结构，所述替代栅结构包括位于半导体衬底100上的栅介质层103和位于栅介质层103上的替代栅102；在半导体衬底100上形成覆盖所述替代栅结构的刻蚀停止层104（CESL，contact etch stop layer）；在刻蚀停止层104表面形成介质层105。

所述刻蚀停止层104的材料为压应力氮化硅（Compressive SiN）或拉应力氮化硅（Tensile SiN），当待形成的金属栅极为NMOS晶体管的金属栅极时，所述刻蚀停止层104的材料为拉应力的氮化硅；当待形成的金属栅极为PMOS晶体管的金属栅极时，所述刻蚀停止层104的材料为压应力的氮化硅。

参考图2，化学机械研磨所述介质层105和刻蚀停止层104，以替代栅102的表面为停止层，使介质层105和刻蚀停止层104的表面与替代栅102表面平齐。

参考图3，去除所述替代栅102（图2所示），形成凹槽（图中未示出）；在所述凹槽内填充满金属层（图中未示出），化学机械研磨所述金属层，以介质层105为停止层，形成金属栅极106。所述金属层的材料为铝，填充所述金属层的工艺为物理气相沉积工艺。

但是随着器件尺寸的不断减小，上述方法形成的金属栅极的阻抗会变大，并且容易产生漏电流，填充金属层时容易产生间隙，影响晶体管的稳定性，为解决上述问题，申请号为US6080646A的美国专利提出一种金属栅极的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有伪栅；在所述半导体衬底上形成介质层，所述介质层表面与伪栅表面齐平；在伪栅和介质层表面形成铝金属层；进行退火，伪栅中的多晶硅与铝金属层中的铝进行交换，形成金属栅极；去除交互的多晶硅和部分未反应的铝层。

但是上述形成铝金属栅极的方法，铝和多晶硅的交互速率和效率较低，并且退火时温度较高。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种金属栅极的形成方法，提高了金属栅极的性能。

为解决上述问题，本发明实施例提供了一种金属栅极的形成方法，包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成伪栅；在所述半导体衬底表面形成介质层，介质层的表面与伪栅的表面齐平；去除所述伪栅，形成凹槽；在凹槽的底部和侧壁形成功能层；在凹槽内的功能层表面形成硅材料层，硅材料层的表面与介质层的表面平齐；在所述介质层和硅材料层表面形成铝金属层；在含氟氛围中对所述半导体衬底进行退火，铝金属层中的铝与硅材料层中的硅发生交换，形成金属栅极，同时交换的硅与氟元素发生反应形成氟硅化合物。

可选的，所述硅材料层的材料为多晶硅或无定形硅。

可选的，所述退火的温度为350～600摄氏度，退火时间为30～450分钟。

可选的，所述含氟氛围为退火时通入含氟气体，所述含氟气体为HF、SF₆、NF₃、CF₄、C₂F₆、C₃F₈中的一种或几种。

可选的，所述含氟氛围为退火时通入含氟等离子体，产生所述含氟等离子体采用的气体为HF、SF₆、NF₃、CF₄、C₂F₆、C₃F₈中的一种或几种。

可选的，所述退火时采用的气体还包括Ar、He和N₂。

可选的，所述伪栅和半导体衬底之间还形成有栅介质层，所述栅介质层为界面层和高K介质层的堆叠结构，界面层位于半导体衬底表面，高K介质层位于界面层表面。

可选的，所述高K介质层材料为氧化铪、氧化硅铪、氮氧化硅铪、氧化铪钽、氧化铪钛、氧化铪锆中的一种或几种，所述界面层的材料为氧化硅。