[发明专利]金属栅极的形成方法

说明书

本发明公开了一种金属栅极的形成方法，在NMOS的TiAl沉积后，增加一次回刻工艺，刻蚀掉金属栅极顶部功函数层，形成一个喇叭口形状，从而增大后续栅极金属填充的工艺窗口，降低金属栅极填充的缺陷，提高可靠性。

技术领域

本发明涉及半导体器件制造工艺领域，特别是指一种在后栅极工艺中，金属栅极的形成方法。

背景技术

伴随器件尺寸的不断缩小，栅极介质的厚度不断减薄，栅极的漏电流也随之增大，在5nm以下，由于电子的隧穿效应，SiO₂作为栅极介质所产生的漏电流已经无法接受。采用高介电常数（high-k）介质取代SiO₂看可以有效降低等效二氧化硅绝缘厚度，同时可得到较大的栅极介质的物理厚度，从而在源头堵住栅极漏电。目前在32nm节点中可以采用先栅极（gate-first）工艺和后栅极（gate-last）工艺两种制程来获得高介电常数金属栅极（HKMG：High-K Metal Gate）结构。在28nm HK后栅极工艺，即替代金属栅（RMG：Replacement MetalGate）工艺中，High-K材料不用经历高温过程，可以有效降低阈值电压Vt的漂移，从而提高器件的可靠性，但是RMG工艺需包含更多工艺步骤，给制造带来更多的挑战。

随着集成电路的关键尺寸不断缩小，在22nm及以下技术节点，后金属栅极工艺中的金属填充越来越困难。高深宽比带来金属填充的空洞，从而导致高阻、可靠性等问题。

在主流的22nm集成电路工艺中金属栅极的制备，通常在虚拟多晶硅栅极去除后，会先沉积一层大约20Å的氮化钽（TaN），作为反扩散层。再沉积一层氮化钛（TiN）作为PMOS的功函数层。 然后通过一次光刻和刻蚀工艺去除掉NMOS区域的TiN层，保留PMOS的TiN。接下来是NMOS的功函数金属层TiAl的沉积，最后是反扩散层沉积、金属栅极Al填充及CMP。

在主流的22纳米集成电路工艺中，金属栅极的填充问题有以下两种解决方案：

一，金属铝AL填充工艺参数的优化，比如顶部使用较低的AL回流温度，底部使用较高的AL回流温度，但是同时会对器件开启电压Vt有负面的影响。

二，湿润层材料从钛铝改变成钴铝，可以改善金属AL的填充能力，也不会带来对器件的影响。但是材料的改变带来后续的化学机械研磨容易产生电化学反应缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种金属栅极的形成方法，改善金属栅极填充的工艺窗口。

本发明所述的金属栅极的形成方法，是在后栅极工艺中形成金属栅极的制造工艺，其包含如下的工艺步骤：

第一步，虚拟多晶硅栅极去除后，先沉积一层TiN作为PMOS的功函数层，然后通过刻蚀去除掉NMOS区域的TiN层。

第二步，再沉积一层TiAl作为NMOS的功函数层。

第三步，在晶圆表面沉积一层有机材料，利用其良好的填充性，填充到金属栅极中。

第四步，第一次刻蚀，进行有机材料回刻工艺，打开金属栅极顶部区域。

第五步，第二次刻蚀，去除掉金属栅极顶部10～20nm的TiN及TiAl功函数层。

第六步，去除剩余的有机材料。

第七步，金属栅极Al填充。

第八步，金属栅极Al 化学机械研磨CMP。

进一步的改进是，所述的有机材料的厚度为1000～1500Å；所述的有机材料完全填充满形成栅极的空间。

进一步的改进是，所述第四步中，第一次刻蚀采用干法刻蚀，打开金属栅极顶部10～20nm。