CMOS器件金属栅极的制造方法技术

本发明专利技术提供一种CMOS器件金属栅极的制造方法，本发明专利技术同时去除虚设栅极，形成栅极沟槽，利用能够凝固的流动性聚合物的填充层填充栅极沟槽，再依次在CMOS器件上第一区域和第二区域分别形成NMOS金属栅极和PMOS金属栅极，从而在可以同时去除NMOS区域和PMOS区域中的虚设栅极，减少光刻工艺的同时，在NMOS区域和PMOS区域中形成不同的功函数金属层，满足CMOS器件不同金属栅极的功函数要求，提高CMOS器件性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体制造方法，尤其涉及一种CMOS器件金属栅极的制造方法。
技术介绍
随着半导体工艺生产过程中晶体管的尺寸不断缩小，晶体管元件工作需要的电压和电流不断降低，晶体管开关的速度也随之加快，随之对半导体工艺各方面要求大幅提高。晶体管的组成部分做到了几个分子和原子的厚度，组成半导体的材料达到了物理电气特性的极限。现有的工艺通常采用二氧化硅(SiO2)作为栅极介质层的材料，至今晶体管中的二氧化硅层已经缩小到只有最初的十分之一，甚至达到仅有5个氧原子的厚度。栅介质层作为阻隔栅极导电层和其下层(例如半导体衬底)之间的绝缘层，已经不能再缩小了，否则产生的漏电流会让晶体管无法正常工作。因此，业界找到了比二氧化硅具有更高的介电常数和更好的场效应特性的材料-高介电常数材料(High-K Material)，用以更好的分隔栅极和晶体管其他部分，大幅减少漏电量。同时，为了与高介电常数材料兼容，采用金属材料代替原有多晶硅作为栅导电层材料，从而形成了新的栅极结构。金属材料的栅极结构在高温退火工艺过程中，其功函数(Work Function)会发生大幅变化、导致栅极耗尽和RC延迟等问题影响半导体器件性能。因而形成了栅极最后工艺(Gate-Last Process),即，先形成具有多晶硅的虚设栅极，进行源漏掺杂离子注入及高温退火工艺后，去除虚设栅极中的多晶娃层，并沉积金属材料，形成金属栅极(Metal Gate Stack)。对于NMOS金属栅极和PMOS金属栅极需要设置不同的金属功函数,需要在金属栅极的沟槽中形成不同的金属功函数层，以调整金属栅极的功函数。因此，在现有技术中，先去除NMOS虚设栅极和PMOS虚设栅极中的一个虚设栅极，然后在该虚设栅极去除后的沟槽中形成包括功函数层和金属层的金属栅极，接着，去除另一个虚设栅极，在所述该虚设栅极去除的后的凹槽中形成包括功函数层和金属层的金属栅极。通过两次分别去除NMOS虚设栅极和PMOS虚设栅极的过程中，分别去除NMOS虚设栅极和PMOS虚设栅极，上述工艺需要进行两次光刻工艺，不仅延长了工艺时间，并且容易因光刻工艺中曝光图形的偏移等问题，形成有偏差的掩模图形，造成氧化物侧墙残留问题(Sidewall Oxide Residue Issue)以及刻蚀后界面不良等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种减少光刻工艺、提高CMOS器件金属栅极性能的制造方法。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种CMOS器件金属栅极的制造方法，包括以下步骤:提供一半导体衬底，包括第一区域和第二区域，所述第一区域上形成第一虚设栅极，在所述第二区域上形成第二虚设栅极，所述第一虚设栅极两侧和第二虚设栅极两侧形成有层间介质层；去除第一虚设栅极和第二虚设栅极，形成第一栅极沟槽和第二栅极沟槽；在所述第一栅极沟槽和第二栅极沟槽中形成填充层；在所述层间介质层和填充层上沉积氧化层，并利用光刻和刻蚀工艺去除位于第二区域上的氧化层和位于所述第二栅极沟槽中的填充层； 依次沉积第二功函数金属层和第二金属电极层，所述第二金属电极层填充所述第二栅极沟槽；进行第一次化学机械研磨，以去除位于所述第二栅极沟槽外的第二金属层和第二功函数金属层，以形成第二金属栅极；去除所述氧化层和填充层；依次沉积第一功函数金属层和第一金属电极层，所述第一金属电极层填充所述第一栅极沟槽；进行第二次化学机械研磨，以去除位于所述第一栅极沟槽外的金属层和功函数金属层，以形成第一金属栅极。进一步的，所述填充层的材质为能够凝固的流动性聚合物。进一步的，所述填充层的材质为有机抗反射涂层。进一步的，采用无图形刻蚀的方法去除所述第一虚设栅极和第二虚设栅极。进一步的，采用低温化学气相沉积工艺形成所述氧化层，温度为300°C 500°C，氧化层的厚度为20埃 200埃。进一步的，所述第二金属电极层和所述第一金属电极层的材质为铜或铝。可选的，所述第一区域为NMOS区域，所述第二区域为PMOS区域，所述第二功函数金属层的材质为氮化钛，第一功函数金属层的材质为钛招合金。可选的，所述第一区域为PMOS区域，所述第二区域为NMOS区域。相比于现有技术，本专利技术通过利用能够凝固的流动性聚合物的填充层，从而可以同时去除NMOS区域和PMOS区域中的虚设栅极，减少光刻工艺，并在NMOS区域和PMOS区域中形成不同的功函数金属层，满足CMOS器件不同金属栅极的功函数要求。附图说明图1为本专利技术CMOS器件金属栅极的制造方法的简要流程示意图。图2为本专利技术实施例一中CMOS器件金属栅极的制造方法的流程示意图。图3a 图3j本专利技术实施例一中CMOS器件金属栅极制造中的结构示意图。具体实施例方式为使本专利技术的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本专利技术的内容作进一步说明。当然本专利技术并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本专利技术的保护范围内。其次，本专利技术利用示意图进行了详细的表述，在详述本专利技术实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本专利技术的限定。本专利技术所述CMOS器件金属栅极的制造方法，通过在所述NMOS栅极沟槽和PMOS栅极沟槽中形成填充层，接着分别在NMOS栅极沟槽和PMOS栅极沟槽中形成NMOS金属栅极和PMOS金属栅极。图1为本专利技术CMOS器件金属栅极的制造方法，包括以下步骤:步骤SOl:提供一半导体衬底，所述半导体衬底包括NMOS区域和PMOS区域，在所述NMOS区域上形成NMOS虚设栅极，在所述PMOS区域上形成PMOS虚设栅极，在所述NMOS虚设栅极两侧和PMOS虚设栅极两侧形成层间介质层；步骤S02:去除所述NMOS虚设栅极和PMOS虚设栅极，形成NMOS栅极沟槽和PMOS栅极沟槽；步骤S03:沉积填充层，以填充所述NMOS栅极沟槽和PMOS栅极沟槽，并进行回刻蚀工艺，直至暴露所述层间介质层；步骤S04:在所述层间介质层和填充层上沉积氧化层，并利用光刻和刻蚀工艺去除位于PMOS区域上的氧化层和位于所述PMOS栅极沟槽中的填充层；步骤S05:依次沉积PMOS功函数金属层和PMOS金属电极层，所述PMOS金属电极层填充所述PMOS栅极沟槽；步骤S06:进行第一次化学机械研磨，以去除位于所述PMOS栅极沟槽外的PMOS金属层和PMOS功函数金属层，以形成PMOS金属栅极；步骤S07:去除所述氧化层和填充层；步骤S08:依次沉积NMOS功函数金属层和NMOS金属电极层，所述NMOS金属电极层填充所述NMOS栅极沟槽；步骤S09:进行第二次化学机械研磨，以去除位于所述NMOS栅极沟槽外的金属层和功函数金属层，以形成NMOS金属栅极。图2为本专利技术实施例一中CMOS器件金属栅极的制造方法的流程示意图。图3a 图3j本专利技术实施例一中CMOS器件金属栅极制造中的结构示意图。以下结合图2及图3a 图3j详细说明CMOS器件金属栅极的制造方法。实施例一在本实施例中，所述第一区域为NMOS区域，所述第二区域为PMOS区域，即，本实施例在半导体衬底上先形成PMOS金属栅极，再形成NMOS金属栅极，结合2，具体包括以下步骤:如图3a所示，在步骤SOl中，提供一半导体衬底100，包括NMOS区域10和PMOS区域20，在所述NMOS区域10上形成NMOS虚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种CMOS器件金属栅极的制造方法，包括：提供一半导体衬底，所述半导体衬底包括第一区域和第二区域，所述第一区域上形成有第一虚设栅极，所述第二区域上形成有第二虚设栅极，所述第一虚设栅极两侧和第二虚设栅极两侧形成有层间介质层；去除第一虚设栅极和第二虚设栅极，形成第一栅极沟槽和第二栅极沟槽；在所述第一栅极沟槽和第二栅极沟槽中形成填充层；在所述层间介质层和填充层上沉积氧化层，并利用光刻和刻蚀工艺去除位于第二区域上的氧化层和位于所述第二栅极沟槽中的填充层；依次沉积第二功函数金属层和第二金属电极层，所述第二金属电极层填充所述第二栅极沟槽；进行第一次化学机械研磨，以去除位于所述第二栅极沟槽外的第二金属层和第二功函数金属层，以形成第二金属栅极；去除所述氧化层和填充层；依次沉积第一功函数金属层和第一金属电极层，所述第一金属电极层填充所述第一栅极沟槽；进行第二次化学机械研磨，以去除位于所述第一栅极沟槽外的金属层和功函数金属层，以形成第一金属栅极。

【技术特征摘要】
1.一种CMOS器件金属栅极的制造方法，包括: 提供一半导体衬底，所述半导体衬底包括第一区域和第二区域，所述第一区域上形成有第一虚设栅极，所述第二区域上形成有第二虚设栅极，所述第一虚设栅极两侧和第二虚设栅极两侧形成有层间介质层； 去除第一虚设栅极和第二虚设栅极，形成第一栅极沟槽和第二栅极沟槽； 在所述第一栅极沟槽和第二栅极沟槽中形成填充层； 在所述层间介质层和填充层上沉积氧化层，并利用光刻和刻蚀工艺去除位于第二区域上的氧化层和位于所述第二栅极沟槽中的填充层； 依次沉积第二功函数金属层和第二金属电极层，所述第二金属电极层填充所述第二栅极沟槽； 进行第一次化学机械研磨，以去除位于所述第二栅极沟槽外的第二金属层和第二功函数金属层，以形成第二金属栅极； 去除所述氧化层和填充层； 依次沉积第一功函数金属层和第一金属电极层，所述第一金属电极层填充所述第一栅极沟槽； 进行第二次化学机械研磨，以去除位于所述第一栅极沟槽外的金属层和功函数金属层，以形成第一金属栅极。2.按权利要求1所述的CMOS器件金属栅极的制造方法，其特征在于，所述填充层的材质为能够凝固的流动性聚合物。3.按权利要求2所述的CMOS器件金属栅极的制造方...

【专利技术属性】
技术研发人员：李凤莲，韩秋华，
申请(专利权)人：中芯国际集成电路制造上海有限公司，
类型：发明
国别省市：