[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4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表面的栅介质层102和位于栅介质102上的替代栅103，所述替代栅103的材料为多晶硅，所述栅极结构的侧壁还形成有侧墙(图中未示出)；在半导体衬底100表面形成介质层104，介质层104的表面与替代栅103的表面平齐；在替代栅103和介质层104表面形成氮化钛层105，所述氮化钛层105作为替代栅103和后续形成的光刻胶层之间的隔离层，防止光刻胶层与多晶硅替代栅的直接接触，在多晶硅替代栅表面造成光刻胶的残留，影响后续多晶硅替代栅的去除；在所述氮化钛层105上形成光刻胶层106，图形化所述光刻胶层106，在光刻胶层106中形成暴露氮化钛层105表面的第一开口10，所述第一开口10的位置对应替代栅103的位置。

参考图2，以所述图形化的光刻胶层106为掩膜，沿第一开口10刻蚀所述氮化钛层105，形成暴露替代栅103表面的第二开口20。

参考图3，以所述图形化的光刻胶层106和氮化钛层105为掩膜，去除所述替代栅103(图2所示)，形成凹槽107。

参考图4，去除图3所示的图形化的光刻胶层106和氮化钛层105，在凹槽内填充满金属，形成金属栅极108。

更多关于金属栅极的形成方法请参考公开号为US2002/0064964A1的美国专利。

现有金属栅极的形成方法，在光刻工艺阶段，图形化光刻胶层106形成的第一开口10，第一开口10的特征尺寸变化较大，不利于光刻工艺阶段第一开口10的特征尺寸的控制，并影响后续第二开口20的形成和替代栅103的刻蚀。

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，在光刻胶层中形成特征尺寸稳定的第一开口，方便光刻工艺阶段第一开口特征尺寸的控制。

为解决上述问题，本发明提供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替代栅；

在所述半导体衬底上形成介质层，所述介质层表面与替代栅表面平齐；

在介质层和替代栅表面形成氮化钛层；

对所述氮化钛层进行氧化处理，在氮化钛层表面形成二氧化钛层；

在二氧化钛层上形成图形化的光刻胶层，所述图形化的光刻胶层具有对应替代栅的第一开口；

以所述图形化的光刻胶层为掩膜，依次刻蚀二氧化钛层和氮化钛层，形成暴露替代栅表面的第二开口；

以所述图形化的光刻胶层和氮化钛层为掩膜，去除所述替代栅，形成凹槽，在凹槽内填充满金属，形成金属栅极。

可选的，所述对氮化钛层的氧化处理为灰化工艺或炉管工艺。

可选的，所述灰化工艺采用的气体为氧气，反应温度为40摄氏度～250摄氏度，氧气流量为10sccm～1000sccm。

可选的，所述炉管工艺采用的气体为氧气，反应温度为400摄氏度～800摄氏度，氧气流量为10sccm～30sccm。

可选的，所述氮化钛层的厚度为20埃～200埃。

可选的，所述氮化钛层的形成工艺为物理气相沉积。

可选的，所述替代栅表面和侧壁以及半导体衬底表面形成有刻蚀停止层。

可选的，所述刻蚀停止层的材料为拉应力的氮化硅或压应力的氮化硅。

可选的，所述介质层的形成过程为：在刻蚀停止层表面形成介质材料层；化学机械研磨所述介质材料层和刻蚀停止层，以替代栅表面为停止层，形成介质层，介质层的表面与替代栅表面平齐。

可选的，所述金属栅极的形成过程为：以所述图形化的光刻胶层和氮化钛层为掩膜，去除所述替代栅，形成凹槽；去除所述图形化的光刻胶层、二氧化钛层和氮化钛层；形成覆盖凹槽、刻蚀停止层、介质层表面的金属层；化学机械研磨所述金属层，以介质层表面为停止层，形成金属栅极。

可选的，所述替代栅和半导体衬底之间还形成有栅介质层。