CN101661880A - 大马士革工艺制备金属栅极和接触孔的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大马士革工艺制备金属栅极和接触孔的方法，其采用金属栅极取代传统工艺中的多晶硅栅极，且通过两次光刻和刻蚀，以及湿法可显影的填充材料实现了采用大马士革工艺制备金属栅极中的接触孔和金属连线，简化了制备流程。

Description

大马士革工艺制备金属栅极和接触孔的方法
技术领域
本发明涉及一种半导体器件制备方法，特别涉及一种半导体器件的金属栅电极和接触孔的制备方法。
背景技术
在目前传统的半导体工艺中，普遍使用多晶硅作为栅极材料。但现在已经开始使用金属栅电极的工艺。目前的金属栅电极工艺，与传统工艺中的基本相同，而将其中的多晶硅栅极用金属来代替。作为金属栅电极使用的材料，在NMOS管(n型场效应晶体管)中可为氮化钽(TaN)和二氧化铪(HfO2)材料，而在PMOS管(p型场效应晶体管)中可为氮化钛(TiN)和二氧化铪(HfO2)材料。同时，目前半导体制备中采用大马士革工艺主要停留在以通孔为主的流程中。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种大马士革工艺制备金属栅电极和接触孔的方法，其简化了制备工艺。
为解决上述技术问题，本发明的大马士革工艺制备金属栅电极和接触孔的方法，在硅片上完成常规的多晶硅栅极制备之后，包括如下步骤：
(1)制备栅极侧墙，之后进行源漏离子注入形成源漏区，然后在源漏区硅表面上形成金属硅化物；
(2)在硅片上淀积第一介质层，至覆盖多晶硅栅极台阶；
(3)采用化学机械研磨法研磨第一介质层材料至多晶硅栅极上表面，后在第一介质层上淀积一层第二介质层；
(4)接着在所述第二介质层上淀积第三介质层；
(5)进行光刻工艺曝出源漏极接触孔的位置和金属栅极的位置，之后在曝出的源漏极接触孔的位置处依次刻蚀第三介质层、第二介质层和第一介质层至金属硅化物表面；同时在曝出的金属栅极的位置处依次刻蚀第三介质层、第二介质层和多晶硅至栅氧表面，之后去除光刻胶并清洗硅片；
(6)用湿法可显影的填充材料涂覆硅片以填充所述步骤五中刻蚀后形成的间隙；
(7)用显影液显影步骤6中填充后的硅片，去除第三介质层表面的填充材料以形成平整的表面；
(8)进行第二次光刻曝出源漏极接触孔上的互连金属位置，以第二次光刻后形成的光刻胶为掩膜进行干法刻蚀，刻蚀曝出的第三介质层至第二介质层表面，刻蚀同时去除曝出的该位置处的湿法可显影的填充材料；
(9)去除硅片上的光刻胶和剩余的湿法可显影的填充材料，后用常规工艺清洗硅片；
(10)在硅片表面淀积金属栅极材料，使栅氧表面和源漏极接触孔底部覆盖有金属栅极材料；
(11)接着淀积互连金属，填充步骤9中的沟槽，后采用CMP平整化去除高于第三介质层上的金属栅极材料和互连金属，形成源漏极接触孔、金属栅极和互连金属结构。
本发明的大马士革工艺制备金属栅极和接触孔的方法，在实现金属栅极制作完成后，采用大马士革工艺，实现了接触孔填充和互连金属线的制备，简化了工艺流程。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为本发明具体实施例中完成栅极侧墙和金属硅化物后的结构示意图；
图2为本发明具体实施例中淀积第一介质层后的结构示意图；
图3为本发明具体实施例中淀积第二介质层后的结构示意图；
图4为本发明具体实施例中淀积第三介质层后的结构示意图；
图5为本发明具体实施例中完成步骤5后的结构示意图；
图6为本发明具体实施例中去除图5中光刻胶后的结构示意图；
图7为本发明具体实施例中完成步骤6后的结构示意图；
图8为本发明具体实施例中完成步骤7后的结构示意图；
图9为本发明具体实施例中完成步骤8后的结构示意图；
图10为本发明具体实施例中完成步骤9后的结构示意图；
图11为本发明具体实施例中完成步骤10后的结构示意图；
图12为本发明具体实施例中完成步骤11后的结构示意图；
图13为本发明的实施流程图。
具体实施方式
本发明的大马士革工艺制备金属栅极和接触孔的方法中，具体流程可为(见图13)：
1、将传统工艺中的完成多晶硅栅极制备后的硅片，进行栅极的侧墙工艺，之后进行源漏离子注入形成源漏区，然后在源漏区硅表面制备金属硅化物。而在金属硅化物工艺中需要注意的是在多晶硅栅极上不需要形成金属硅化物(见图1)，这是与传统工艺不太一样的地方。
2、淀积第一介质层，所淀积的第一介质层厚度大于多晶硅栅极厚度，完全覆盖住多晶硅栅极台阶，该位置的介质层通常被称为金属前电介质(PMD，Pre-metal Dielectric)(见图2)，可采用TEOS二氧化硅或硼酸盐玻璃。
3、采用化学机械研磨(CMP：Chemical Mechanical Planarization)法平整化去除高出金属栅极高度的第一介质层，在研磨过程中采用终点监测方法来检测研磨终点(EPD：End Point Detect)；然后再淀积一层第二介质层，采用低介电常数介质，K值在1.0到3.5之间，常用的低K介电常数介质为碳化硅层(见图3)，厚度可为50-5000埃。
4、接着再淀积第三介质层，该第三介质层中所用介质材料与第一介质层相同(见图4)，厚度可为厚度可为：100-10000埃。
5、进行一次光刻工艺(包括涂光刻胶、光刻以及显影)曝出源漏极的接触孔位置和多晶硅栅极的位置，然后刻蚀，在源漏极接触孔的位置处依次刻蚀第三介质层、第二介质层和第一介质层至金属硅化物表面，而同时在多晶硅栅极的位置处依次刻蚀第三介质层、第二介质层和多晶硅至栅氧表面(见图5)，后去除光刻胶并进行硅片清洗(见图6)。
6、用湿法可显影的填充材料涂覆硅片以填充步骤5中所刻蚀出的沟槽，要求完全填满。其中需要检测涂覆表现，如不能完全填充沟槽，则需要进行多次涂覆，直至满足要求为止(见图7)。湿法可显影的填充材料(Nissan Chemical公司有生产)，由酮类，醚类，烷烃类有机溶剂、抗反射吸收材料、可与标准四甲基氢氧化铵显影液反应的有机酸基团树脂以及含氧、氟元素的有机基团树脂，和交联树脂构成，分子量在1000到50000之间，其折射率在1.0到3.0之间，其消光系数在0.1到3.0之间。
7、显影涂覆后的硅片，完全去除第三介质层表面的填充材料，实现硅片的表面平整，之后检测显影表现，如发现第三介质层仍然存在填充材料，则需要进行多次显影，直至满足要求为止(见图8)。
8、进行第二次光刻工艺(包括涂光刻胶、光刻以及显影)曝出源漏极接触孔上互连金属的位置，然后刻蚀第三介质层至第二介质层表面，刻蚀出互连金属区域，刻蚀过程中位于金属线位置处的湿法可显影材料也一并被去除(见图9)。刻蚀中第二介质层充当刻蚀终止层的作用。
9、去除光刻胶和剩余的湿法可显影材料，后用常规清洗工艺清洗硅片(见图10)。
10、在硅片表面淀积金属栅极材料，使栅氧表面和源漏极接触孔底部淀积有金属栅极材料(见图11)。金属栅极材料在NMOS晶体管中可用氮化钽和二氧化铪，具体实施中为先淀积二氧化铪，再淀积氮化钽；而在PMOS晶体管中可用氮化钛和二氧化铪，具体实施中为先淀积二氧化铪再淀积氮化钛。覆盖在栅氧表面的金属栅极材料用于改善互连金属(如铜)和栅氧的接触特性，即可阻挡铜扩散进入栅氧中以破坏器件的性能。
11、淀积金属(一般为铜)，填充步骤9中的沟槽，然后通过化学机械研磨法CMP平整化去除高于第三介质层上互连金属(见图12)，形成源漏极接触孔、金属栅极和互连金属线结构。

Claims (5)

1、一种大马士革工艺制备金属栅极和接触孔的方法，在硅片上完成常规的多晶硅栅极制备之后，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备栅极侧墙，之后进行源漏离子注入形成源漏区，然后在源漏区硅表面上形成金属硅化物；
(2)在硅片上淀积第一介质层，至覆盖多晶硅栅极台阶；
(3)采用化学机械研磨法研磨第一介质层材料至多晶硅栅极上表面，后在第一介质层上淀积一层第二介质层；
(4)接着在所述第二介质层上淀积第三介质层；
(5)进行光刻工艺曝出源漏极接触孔的位置和金属栅极的位置，之后在曝出的源漏极接触孔的位置处依次刻蚀第三介质层、第二介质层和第一介质层至金属硅化物表面；同时在曝出的金属栅极的位置处依次刻蚀第三介质层、第二介质层和多晶硅至栅氧表面，形成间隙，之后去除光刻胶并清洗硅片；
(6)用湿法可显影的填充材料涂覆硅片以填充所述步骤五中刻蚀后形成的间隙；
(7)用显影液显影步骤6中填充后的硅片，去除第三介质层表面的填充材料以形成平整的表面；
(8)进行第二次光刻工艺曝出源漏极接触孔上的互连金属位置，以第二次光刻后形成的光刻胶为掩膜进行干法刻蚀，刻蚀曝出的第三介质层至第二介质层表面，刻蚀同时去除曝出的该位置处的湿法可显影的填充材料；
(9)去除硅片上的光刻胶和剩余的湿法可显影的填充材料，后用常规工艺清洗硅片；
(10)在硅片表面淀积金属栅极材料，使栅氧表面和源漏极接触孔底部覆盖有金属栅极材料；
(11)接着淀积互连金属，填充步骤9中的沟槽，后采用CMP平整化去除高于第三介质层上的金属栅极材料和互连金属，形成源漏极接触孔、金属栅极和互连金属结构。
2、按照权利要求1所述的大马士革工艺制备金属栅极和接触孔的方法，其特征在于：所述第一介质层与第三介质层相同，为TEOS二氧化硅或硼酸盐玻璃；所述第二介质层采用低K介电常数介质，K值在1.0到3.5之间，厚度为50-5000埃。
3、按照权利要求2所述的大马士革工艺制备金属栅极和接触孔的方法，其特征在于：所述第二介质层为碳化硅。
4、按照权利要求1或2所述的大马士革工艺制备金属栅极和接触孔的方法，其特征在于：所述湿法可显影的填充材料由酮类，醚类，烷烃类有机溶剂、抗反射吸收材料、可与标准四甲基氢氧化铵显影液反应的有机酸基团树脂以及含氧、氟元素的有机基团树脂构成，分子量在1000到50000之间。
5、按照权利要求1或2所述的大马士革工艺制备金属栅极和接触孔的方法，其特征在于：所述金属栅极材料在NMOS晶体管中为氮化钽和二氧化铪，在PMOS晶体管中为氮化钛和二氧化铪，所述互连金属为铜。
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