專利名稱：金屬柵mos器件的接觸孔刻蝕方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件技術領域，尤其涉及一種金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法。
背景技術：
隨著半導體集成電路的集成度不斷提高，半導體器件的特征尺寸不斷縮小，目前 MOS晶體管的特征尺寸已進入壓50納米范圍。在此尺度下，各種實際的和基本的限制和技術挑戰開始出現，器件尺寸的進一步縮小正變得越來越困難。其中，在MOS晶體管器件和電路制備中，最具挑戰性的是傳統CMOS器件在縮小過程中，由于多晶硅/S^2或SiON柵氧化層介質厚度減小帶來的高的柵泄露電流。為此，已提出的解決方案是，采用金屬柵和高K柵介質(即具有大于大約3. 9的K值的電介質常量的柵電介質材料)代替傳統的重摻雜多晶硅柵和SiO2 (或SiON)柵介質。金屬柵極結構的制備有兩種工藝技術，一種是先柵工藝(Gate First)，另一種是后柵工藝(Gate Last)。所謂先柵工藝，是指在對硅片進行源/漏區離子注入操作以及退火處理之前形成金屬柵極；所謂后柵工藝，是指在對硅片進行漏/源區離子注入操作以及退火處理之后再形成金屬柵極。由于退火處理需要進行數千度的高溫處理，而后柵工藝可令金屬柵極避開高溫退火處理，因此相比先柵工藝而言，后柵工藝對用于制作金屬柵極的金屬材料要求更低，因而具有良好的發展前景。關于后柵工藝的流程請參考圖IA至圖1F，圖IA至圖IF為后柵工藝流程各步驟對應的器件剖面結構圖，如圖IA至圖IF所示，后柵工藝的流程如下提供半導體襯底10 ；在所述半導體襯底10上沉積高K介質膜和多晶硅膜，并對所述高K介質膜及多晶硅膜進行光刻及刻蝕，形成高K柵介質11和虛擬多晶硅柵極12，如圖IA所示；沉積介質層，所述介質層覆蓋所述半導體襯底及所述虛擬多晶硅柵極12，對所述介質層進行刻蝕，形成柵極側墻13，如圖IB所示；以所述柵極側墻13為掩膜，對所述半導體襯底10進行離子注入摻雜，形成源/漏有源區14，如圖IC所示；在所述半導體襯底10上沉積層間介質層(ILD，Inter Layer Dielectric) 15，所述層間介質層15覆蓋所述虛擬多晶硅柵極11，并對所述層間介質層15進行化學機械拋光， 以露出所述虛擬多晶硅柵極12，如圖ID所示；去除所述虛擬多晶硅柵極12，形成溝槽16，如圖IE所示；在所述溝槽16中填充金屬，并對所述金屬進行化學機械拋光，形成金屬柵極17， 如圖IF所示。當然，上面指出的只是后柵工藝中的一種工藝流程，實際上后柵工藝還可以通過其它的工藝流程實現。對于現有的后柵工藝來說，完成金屬柵極的制備之后，即進行第一層金屬布線(Contact)工藝，且在淀積第一層金屬布線所需的層間介質層之前沒有制備刻蝕阻擋層，從而在后續的接觸孔刻蝕過程中，沒有刻蝕阻擋層來保護金屬柵極，因而給接觸孔刻蝕帶來了極大的挑戰。請參考圖2以及圖3A至圖3E，其中圖2為傳統的金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法步驟流程圖，圖3A至圖3E為傳統的金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法各步驟對應的器件剖面結構示意圖，如圖2以及圖3A至圖3E所示，傳統的金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法包括如下步驟S101、提供半導體襯底101，并在所述半導體襯底101上形成MOS器件有源區105 及金屬柵極結構，所述金屬柵極結構位于層間介質層106內，且所述金屬柵極結構的頂部與所述層間介質層106的頂部齊平，如圖3A所示；具體地，所述金屬柵極結構包括高K柵介質102、位于所述高K柵介質102上的金屬柵極104以及位于所述高K柵介質102與所述金屬柵極104兩側的柵極側墻103 ；S102、在所述半導體襯底101上沉積層間介質層106，并對所述層間介質層106進行化學機械拋光，所述層間介質層106覆蓋所述金屬柵極結構，如圖:3B所示；S103、在所述層間介質層106上制備光阻107 ；S104、利用第一掩模版對所述光阻107進行光刻，將所述光阻圖形化，其中所述第一掩模版上具有柵極接觸孔圖形及有源區接觸孔圖形，如圖3C所示；S105、以所述被圖形化的光阻107為掩膜，對所述層間介質層106進行刻蝕，形成金屬柵極接觸孔108和有源區接觸孔109，如圖3D所示；以及S106、去除所述光阻107，如圖3E所示。然而，由于金屬柵極104的頂部與層間介質層106的頂部的距離小于有源區105 的頂部與層間介質層106的頂部的距離，因而，采用上述傳統的金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法在形成有源區接觸孔110的同時，會對金屬柵極104的金屬造成過刻蝕，導致金屬柵極104的金屬損失過多(如圖3D中圓圈標識部分所示)，從而影響器件性能。為了解決上述在接觸孔刻蝕過程中導致的金屬柵極金屬損失的問題，目前采取的另一種方法是利用兩塊掩模版分別形成柵極接觸孔和有源區接觸孔。請參考圖4以及圖5A 至圖5G，其中圖4為現有的第二種金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法步驟流程圖，圖5A至圖5G為現有的第二種金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法各步驟對應的器件剖面結構示意圖，如圖4以及圖5A至圖5G所示，現有的第二種金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法包括如下步驟S201、提供半導體襯底201，并在所述半導體襯底201上形成MOS器件有源區205 及金屬柵極結構，所述金屬柵極結構位于層間介質層206內，且所述金屬柵極結構的頂部與所述層間介質層206的頂部齊平，如圖3A所示；具體地，所述金屬柵極結構包括高K柵介質202、位于所述高K柵介質202上的金屬柵極204以及位于所述高K柵介質202與所述金屬柵極204兩側的柵極側墻203 ；S202、在所述半導體襯底201上沉積層間介質層206，并對所述層間介質層206進行化學機械拋光，所述層間介質層206覆蓋所述金屬柵極結構，如圖5B所示；S203、在所述層間介質層206上制備光阻207 ；S204、利用柵極接觸孔掩模版對所述光阻207進行光刻，將所述光阻圖形化，如圖5C所示；S205、以所述被圖形化的光阻207為掩膜，對所述層間介質層206進行刻蝕，形成金屬柵極接觸孔208，如圖5D所示；S206、在所述層間介質層206上及金屬柵極接觸孔208內制備光阻207 ；S207、利用有源區接觸孔掩模版對所述光阻207進行光刻，將所述光阻圖形化，如圖5E所示；S208、以所述被圖形化的光阻207為掩膜，對所述層間介質層206進行刻蝕，形成有源區接觸孔209，如圖5F所示；以及S209、去除所述光阻207，如圖5G所示。上述現有的第二種金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法雖然能避免金屬柵極的金屬損失問題，然而該方法需要兩塊掩模版，從而大大增加了成本，并且對兩層掩模版之間的對準有很高的要求。因此，有必要對現有的金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法進行改進。
發明內容
本發明的目的在于提供一種金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法，以減少金屬柵 MOS器件的接觸孔刻蝕對金屬柵極的金屬造成的損失，同時降低成本。為解決上述問題，本發明提出一種金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法，該方法包括如下步驟提供半導體襯底，并在所述半導體襯底上形成MOS器件有源區及金屬柵極結構， 所述金屬柵極結構位于層間介質層內，且所述金屬柵極結構的頂部與所述層間介質層的頂部齊平；沉積刻蝕阻擋層，所述刻蝕阻擋層覆蓋所述層間介質層及所述金屬柵極結構，并利用柵極掩模版對所述刻蝕阻擋層進行光刻及刻蝕，形成圖形化的刻蝕阻擋層；在所述半導體襯底上沉積層間介質層，并對所述層間介質層進行化學機械拋光， 所述層間介質層覆蓋所述被圖形化的刻蝕阻擋層；在所述層間介質層上制備光阻，并利用第一掩模版對所述光阻進行光刻，將所述光阻圖形化，其中所述第一掩模版上具有柵極接觸孔圖形及有源區接觸孔圖形；以所述被圖形化的光阻為掩膜，對所述層間介質層進行刻蝕，形成金屬柵極接觸孔和有源區接觸孔，所述金屬柵極接觸孔與所述刻蝕阻擋層相連；去除所述光阻及所述金屬柵極接觸孔正下方的刻蝕阻擋層，使所述金屬柵極接觸孔與所述金屬柵極結構相連。可選的，所述層間介質層與所述刻蝕阻擋層的刻蝕選擇比大于10。可選的，所述刻蝕阻擋層為氮化硅或氮氧化硅或氮摻雜的碳化硅。可選的，所述刻蝕阻擋層的厚度為100 400埃。可選的，所述金屬柵極結構包括高K柵介質、位于所述高K柵介質上的金屬柵極以及位于所述高K柵介質與所述金屬柵極兩側的柵極側墻。可選的，所述高K柵介質的材料為氧化鉿、硅酸鉿、氧化鑭、氧化鋅、硅酸鋅、氧化鉭、氧化鈦、鈦酸鍶鋇、鈦酸鋇、鈦酸鍶、氧化釔、氧化鋁、鐵電薄膜、鈮鋅酸鉛鈦酸鉛中的一種。可選的，所述金屬柵極的材料為鉿、鈦、鉭、鋁、鋯、釕、鈀、鉬、鈷、鎳、導電金屬氧化物、導電金屬碳化物中的一種。與現有技術相比，本發明提供的金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法在對接觸孔進行刻蝕之前，在金屬柵極結構的上方制備了圖形化的刻蝕阻擋層，從而可利用一塊掩模版同時刻蝕金屬柵極接觸孔和有源區接觸孔，節約了成本；并且由于有刻蝕阻擋層的保護，因而不會對金屬柵極的金屬造成損失，提高了器件性能。
圖IA至圖IF為后柵工藝流程各步驟對應的器件剖面結構圖；圖2為傳統的金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法步驟流程圖；圖3A至圖3E為傳統的金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法各步驟對應的器件剖面結構示意圖；圖4為現有的第二種金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法步驟流程圖；圖5A至圖5G為現有的第二種金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法各步驟對應的器件剖面結構示意圖；圖6為本發明實施例提供的金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法步驟流程圖；圖7A至圖7F為本發明實施例提供的金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法各步驟對應的器件剖面結構示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施例對本發明提出的金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法作進一步詳細說明。根據下面說明和權利要求書，本發明的優點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準的比率，僅用于方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。本發明的核心思想在于，提供一種金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法，該方法在對接觸孔進行刻蝕之前，在金屬柵極結構的上方制備了圖形化的刻蝕阻擋層，從而可利用一塊掩模版同時刻蝕金屬柵極接觸孔和有源區接觸孔，節約了成本；并且由于有刻蝕阻擋層的保護，因而不會對金屬柵極的金屬造成損失，提高了器件性能。請參考圖6以及圖7A至圖7F，其中，圖6為本發明實施例提供的金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法步驟流程圖，圖7A至圖7F為本發明實施例提供的金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法各步驟對應的器件剖面結構示意圖，如圖6以及圖7A至圖7F所示，本發明實施例提供的金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法，包括如下步驟S301、提供半導體襯底301，并在所述半導體襯底301上形成MOS器件有源區305 及金屬柵極結構，所述金屬柵極結構位于層間介質層306內，且所述金屬柵極結構的頂部與所述層間介質層306的頂部齊平，如圖7A所示；具體地，所述金屬柵極結構包括高K柵介質302、位于所述高K柵介質302上的金屬柵極304以及位于所述高K柵介質302與所述金屬柵極304兩側的柵極側墻303 ；S302、沉積刻蝕阻擋層307，所述刻蝕阻擋層307覆蓋所述層間介質層306及所述金屬柵極結構，并利用柵極掩模版對所述刻蝕阻擋層307進行光刻及刻蝕，將所述刻蝕阻擋層307圖形化，如圖7B所示；從而僅保留所述金屬柵極結構上的刻蝕阻擋層307 ；由于柵極掩模版是現有的，而且是半導體前端線(FEOL，Front End Of Line)必須的，因而不會造成掩模版的增加；S303、在所述半導體襯底301上沉積層間介質層306，并對所述層間介質層306進行化學機械拋光，所述層間介質層306覆蓋所述被圖形化的刻蝕阻擋層307，如圖7C所示；S304、在所述層間介質層306上制備光阻308，并利用第一掩模版對所述光阻 308進行光刻，將所述光阻308圖形化，其中所述第一掩模版上具有柵極接觸孔圖形及有源區接觸孔圖形，如圖7D所示；其中，所述光阻308可以是一層材料，也可以是三層 (tri-layer)材料，所述一層材料為光阻材料，所述三層材料從上至下分別為光阻材料、 底部抗反射層(BARC)以及硬掩膜層。S305、以所述被圖形化的光阻308為掩膜，對所述層間介質層306進行刻蝕，形成金屬柵極接觸孔309和有源區接觸孔310，所述金屬柵極接觸孔309與所述刻蝕阻擋層307相連，如圖7E所示；S306、去除所述光阻308及所述金屬柵極接觸孔309正下方的刻蝕阻擋層307，使所述金屬柵極接觸孔309與所述金屬柵極結構相連，如圖7F所示；具體地，使所述金屬柵極接觸孔309與所述金屬柵極304相連。進一步地，所述層間介質層306與所述刻蝕阻擋層307的刻蝕選擇比大于10，從而有利于保護金屬柵極304的金屬不因過刻蝕而損失。進一步地，所述刻蝕阻擋層307為氮化硅或氮氧化硅或氮摻雜的碳化硅。進一步地，所述刻蝕阻擋層307的厚度為100 400埃，從而使得在有源區接觸孔刻蝕完后，所述刻蝕阻擋層307還未被刻蝕完，有利于保護金屬柵極304不被刻蝕。進一步地，所述高K柵介質302的材料為氧化鉿、硅酸鉿、氧化鑭、氧化鋅、硅酸鋅、 氧化鉭、氧化鈦、鈦酸鍶鋇、鈦酸鋇、鈦酸鍶、氧化釔、氧化鋁、鐵電薄膜、鈮鋅酸鉛鈦酸鉛中的一種。進一步地，所述金屬柵極304的材料為鉿、鈦、鉭、鋁、鋯、釕、鈀、鉬、鈷、鎳、導電金屬氧化物、導電金屬碳化物中的一種。綜上所述，本發明提供了一種金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法，該方法在對接觸孔進行刻蝕之前，在金屬柵極結構的上方制備了圖形化的刻蝕阻擋層，從而可利用一塊掩模版同時刻蝕金屬柵極接觸孔和有源區接觸孔，節約了成本；并且由于有刻蝕阻擋層的保護，因而不會對金屬柵極的金屬造成損失，提高了器件性能。顯然，本領域的技術人員可以對發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.一種金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法，其特征在于，該方法包括如下步驟提供半導體襯底，并在所述半導體襯底上形成MOS器件有源區及金屬柵極結構，所述金屬柵極結構位于層間介質層內，且所述金屬柵極結構的頂部與所述層間介質層的頂部齊平；沉積刻蝕阻擋層，所述刻蝕阻擋層覆蓋所述層間介質層及所述金屬柵極結構，并利用柵極掩模版對所述刻蝕阻擋層進行光刻及刻蝕，形成圖形化的刻蝕阻擋層；在所述半導體襯底上沉積層間介質層，并對所述層間介質層進行化學機械拋光，所述層間介質層覆蓋所述被圖形化的刻蝕阻擋層；在所述層間介質層上涂上光阻，并利用第一掩模版對所述光阻進行光刻，將所述光阻圖形化，其中所述第一掩模版上具有柵極接觸孔圖形及有源區接觸孔圖形；以所述被圖形化的光阻為掩膜，對所述層間介質層進行刻蝕，形成金屬柵極接觸孔和有源區接觸孔，所述金屬柵極接觸孔與所述刻蝕阻擋層相連；去除所述光阻及所述金屬柵極接觸孔正下方的刻蝕阻擋層，使所述金屬柵極接觸孔與所述金屬柵極結構相連。
2.如權利要求1所述的金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法，其特征在于，所述層間介質層與所述刻蝕阻擋層的刻蝕選擇比大于10。
3.如權利要求2所述的金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法，其特征在于，所述刻蝕阻擋層為氮化硅或氮氧化硅或氮摻雜的碳化硅。
4.如權利要求1所述的金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法，其特征在于，所述刻蝕阻擋層的厚度為100 400埃。
5.如權利要求1所述的金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法，其特征在于，所述金屬柵極結構包括高K柵介質、位于所述高K柵介質上的金屬柵極以及位于所述高K柵介質與所述金屬柵極兩側的柵極側墻。
6.如權利要求5所述的金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法，其特征在于，所述高K柵介質的材料為氧化鉿、硅酸鉿、氧化鑭、氧化鋅、硅酸鋅、氧化鉭、氧化鈦、鈦酸鍶鋇、鈦酸鋇、鈦酸鍶、氧化釔、氧化鋁、鐵電薄膜、鈮鋅酸鉛鈦酸鉛中的一種。
7.如權利要求5所述的金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法，其特征在于，所述金屬柵極的材料為鉿、鈦、鉭、鋁、鋯、釕、鈀、鉬、鈷、鎳、導電金屬氧化物、導電金屬碳化物中的一種。
全文摘要
本發明公開了一種金屬柵MOS器件的接觸孔刻蝕方法，該方法在對接觸孔進行刻蝕之前，在金屬柵極結構的上方制備了圖形化的刻蝕阻擋層，從而可利用一塊掩模版同時刻蝕金屬柵極接觸孔和有源區接觸孔，節約了成本；并且由于有刻蝕阻擋層的保護，因而不會對金屬柵極的金屬造成損失，提高了器件性能。
文檔編號H01L21/768GK102403264SQ20101028579
公開日2012年4月4日 申請日期2010年9月17日 優先權日2010年9月17日
發明者張翼英, 韓秋華, 鮑俊波, 黃敬勇 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司