[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造领域，特别涉及一种金属栅极的形成方法。

背景技术

集成电路尤其是超大规模集成电路中的主要器件是金属-氧化物-半导体场效应晶体管（metal oxide semiconductor field effect transistor，简称MOS晶体管）。自从MOS管被发明以来，其几何尺寸一直在不断缩小。在此情况下，各种实际的和基本的限制和技术挑战开始出现，器件尺寸的进一步缩小正变得越来越困难。随着复合金属氧化物半导体结构(CMOS，ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor)制造工艺缩减到32nm以下级别，引入了采用新的设计和材料的技术。

其中，在MOS晶体管器件和电路制备中，最具挑战性的是传统CMOS器件在缩小的过程中由于多晶硅/SiO₂或SiON栅氧化层介质厚度减小带来的较高的栅泄露电流。为此，现有技术已提出的解决方案是，采用金属栅和高介电常数（K）栅介质替代传统的重掺杂多晶硅栅和SiO₂（或SiON）栅介质。金属栅和高K介质的形成方法分为很多种，主要分为先栅极（gate first）和后栅极（gate late），其中后栅极又分为先高K（high K first）和后高K（high K last）。由于半导体器件的不断缩小，其gap fill（间隙填充）的工艺窗口也越来越小，发展到28nm以下，gap fill的工艺十分困难，导致栅极金属很难填充。

请参考图1，图1为以现有gap fill工艺形成的金属栅极示意图。图1中，在衬底1中间包括有浅沟槽隔离区11，在该浅沟槽隔离区11的左右两侧分别形成有一个MOS管，其中左边的一个为NMOS管，右边的一个为PMOS管。由于左右两边的MOS管的结构基本相同，我们先以左边的NMOS管为例，加以说明（右边的PMOS管与左边的NMOS管在功函数金属层5的组成上存在不同，虽然同为两层结构，但是PMOS管的功函数金属层5由53和54两层组成，不同于NMOS管功函数金属层5由51和52两层组成）。

在图1的NMOS管中，存在着高K栅介质层2，在该高K栅介质层2两侧为侧墙，图1中侧墙为蚀刻停止层3，而在蚀刻停止层3上有着中间介质层4（ILD,Inter Layer Dielectrics）。高K栅介质层2和蚀刻停止层3形成的沟槽的内壁形成有呈现U型的功函数金属层5，该功函数金属层5包括有两层，分别为51和52（在另外一个沟槽的内壁中功函数金属层5由53和54构成），通过两层结构，功函数金属层5能够使得高K栅介质层2和最后形成在功函数金属层5内部的金属栅极600相适应（相容）。但是，由于关键尺寸已经在28nm以下，因而图1中功函数多层层5内壁所限定出的凹槽（gap）已经很小，以至于在填充金属栅极600时，在金属栅极600内部会出现空隙601（void）。

为此，亟需一种新的金属栅极的形成方法以克服gap fill工艺困难和在金属栅极内部会出现空隙的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是gap fill工艺困难和在金属栅极内部会出现空隙的问题。

为解决上述问题，本发明提供了一种金属栅极的形成方法，包括：

在衬底上形成伪栅极层，在所述伪栅极层的两侧形成侧墙；

移除所述伪栅极层，以在所述侧墙间形成栅极沟槽；

沉积功函数金属，以在所述栅极沟槽的底部及侧壁形成功函数金属层，所述栅极沟槽底部及侧壁的所述功函数金属层围成凹槽；

形成保护层填充所述凹槽，然后进行平坦化；

蚀刻位于所述栅极沟槽侧壁的所述功函数金属层以形成凹陷；

去除所述保护层，使所述凹槽和所述凹陷连接形成缺口；

沉积金属材料填充所述缺口。

可选的，蚀刻位于所述栅极沟槽侧壁的所述功函数金属层以形成凹陷的过程中，所述侧墙也被部分去除，形成所述凹陷的一部分。

可选的，所述侧墙包括由刻蚀阻挡层构成的第一侧墙。

可选的，所述侧墙还包括第二侧墙，所述第二侧墙位于所述伪栅极层与所述第一侧墙之间。

可选的，另包括形成高K栅介质层的步骤，所述伪栅极层形成在所述高K栅介质层上。

可选的，沉积功函数金属前，先在所述栅极沟槽的底部形成高K栅介质层。

可选的，所述保护层包括有机材料层。

可选的，采用灰化法去除所述有机材料层。