[发明专利]一种金属栅极结构及其形成方法

说明书

技术领域

本申请涉及半导体领域，特别是涉及一种金属栅极形成方法及金属栅极结构。

背景技术

随着半导体工艺的发展，半导体器件的特征尺寸越来越小，集成电路的集成度越来越高。在半导体发展前期，多晶硅常常被用作器件的栅极填充材料。多晶硅本质上是半导体，可以通过掺杂不同极性的杂质改变其功函数，进而改变晶体管的临界电压。此外，在半导体制造工艺中，常常使用退火等工艺提升器件特性，而半导体由于融点较高，可以承受退火时的高温。以上这些特性，使得多晶硅栅极在中小规模集成电路上得到广泛应用。

然而，随着大规模以及超大规模集成电路的发展，器件的尺寸缩小到一定程度，栅极氧化层变得非常薄时，例如缩到1nm左右，产生了一种现象“多晶硅耗尽”。以金属氧化物半导体晶体管MOS为例，当MOS的反型层形成时，栅极多晶硅靠近氧化层处形成一个耗尽层(depletion layer)，影响MOS的导通性。为此，业界尝试以新的栅极填充材料，例如功函数金属，包括钨、铜、铝等，代替传统的多晶硅栅极，以改善器件的导通性。

金属钨栅极结构由于具有很高的深宽比，为了实现良好的栅极性能，一般采用低温环境下的化学气相沉积法形成金属钨薄膜。然而，即使在低温条件下，金属钨也无法填满整个栅级，在缝隙中仍有氟残留。在后续热处理过程中，氟会腐蚀二氧化硅，使得器件产生漏电，击穿电压(Break Voltage)异常甚至导致器件损坏。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种金属栅极形成方法，及金属栅极结构，改善了器件漏电以及击穿电压异常等现象，提升了器件的稳定性。

本申请实施例公开了如下技术方案：

第一方面，本申请实施例公开了一种金属栅极形成方法，该方法包括：

提供衬底，衬底上形成有栅极待填充区域；

沿待填充区域表面形成第一阻挡层；

向待填充区域填充含氟钨源制成的金属钨，以形成金属钨电极层；

对金属钨电极层进行反刻形成凹槽，沿凹槽表面形成不含氟的第二阻挡层。

可选的，第二阻挡层可以通过无氟化合物热分解，与离子化氢气发生还原反应形成。

可选的，第二阻挡层可以通过化学气相沉积法形成。

可选的，在凹槽内形成第二阻挡层之后还包括在第二阻挡层表面形成氧化层。

可选的，第二阻挡层可以是无氟金属钨层。

可选的，栅极待填充区域可以为氧化硅/氮化硅层堆叠结构中的氮化硅层被去除后形成的镂空层。

第二方面，本申请实施例提供了一种金属栅极结构，包括：

衬底，衬底上形成有栅极待填充区域；

在栅极待填充区域内依次形成有第一阻挡层、金属钨电极层和第二阻挡层；其中，金属钨电极通过含氟钨源淀积，第二阻挡层不含氟。

该金属栅极结构的有益效果可以参见与方法对应的有益效果，这里不再赘述。

可选的，该金属栅极结构还包括位于第二阻挡层之上的氧化层。

可选的，该金属栅极结构可以应用于3D NAND存储器件中。

由上述技术方案可以看出，本申请通过提供衬底，衬底上形成有栅极待填充区域，沿待填充区域表面形成第一阻挡层，向待填充区域填充含氟钨源制成的金属钨，形成金属钨电极层，在金属钨电极层上形成不含氟的第二阻挡层，其中第二阻挡层是在对金属钨电极层反刻形成的凹槽上形成的。由于第二阻挡层不含氟，也不与氟化物发生化学反应，可以抑制电极层缝隙或空洞中残留的氟化物侵蚀氧化硅，避免了因氟侵蚀导致的器件漏电和击穿电压异常，提升器件的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统的金属钨栅极工艺流程图；

图2为本申请实施例提供的一种金属栅极形成方法的流程图；

图3A至图3F为本申请实施例提供的一种金属栅极形成方法一系列工序形成的结构对应的剖面示意图；

图4A和图4B分别为本申请实施例提供的不具有第二阻挡层的金属钨栅极与具有第二阻挡层的金属钨栅极的剖面示意图。

具体实施方式