專利名稱：采用后柵工藝制備cmos器件中接觸孔的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件的制備方法，特別涉及CMOS器件中接觸孔的制備方法。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)的MOS晶體管工藝中，通常采用多晶硅作為柵極材料，但隨著器件的幾何尺寸不斷縮小，由于多晶硅柵極/柵氧化層厚度減小帶來高的柵 漏電流。目前器件的特征尺寸已進(jìn)入32納米節(jié)點(diǎn)，在這種尺度下，已提出的解決方案是采用高K介質(zhì)/金屬柵 (HKMG)結(jié)構(gòu)代替柵氧化層/多晶硅柵極結(jié)構(gòu)。據(jù)htel報(bào)道，采用高K電介質(zhì)材料后，其
柵漏電流降為原來的十分之一。目前來看，高K介質(zhì)/金屬柵結(jié)構(gòu)的應(yīng)用成為32納米及以下技術(shù)代集成電路發(fā)展的必然趨勢。不過在制作HKMG結(jié)構(gòu)晶體管的工藝方面，業(yè)內(nèi)卻存在兩大陣營，分別是以IBM為代表的前柵;工藝流派和以^tel為代表的后柵極工藝流派。前柵極集成方案與現(xiàn)行的多晶硅柵極/柵氧化層工藝類似，但是金屬柵易受到包括高溫結(jié)退火在內(nèi)的多次熱處理的影響，進(jìn)而引起電學(xué)性能的漂移。在后柵;fe集成方案中，多晶硅的柵極經(jīng)過后續(xù)的熱處理和相關(guān)工藝，隨后它會被金屬柵極所取代。后柵極工藝的優(yōu)勢在于到金屬硅化物工序內(nèi)的所有工藝都不會對高K絕緣材料或金屬柵電極產(chǎn)生影響。目前，后柵集成方案是唯一應(yīng)用于產(chǎn)品的HKMG工藝。目前的后柵工藝制備HKMG結(jié)構(gòu)的CMOS器件的方法是在制備完NMOS與PMOS的 HKMG結(jié)構(gòu)并刻蝕出接觸孔后如圖1所示，由于源漏極(S/D)接觸孔的高寬比d/w隨著接觸孔的橫向尺寸w不斷縮小而逐漸變大，從32nm節(jié)點(diǎn)開始，被迫使用兩次光刻兩次刻蝕的復(fù)雜工藝。同時(shí)也使得在如此的接觸孔中淀積互連金屬變得困難。這也必然會導(dǎo)致制作成本大幅上升。另外，如圖所示，另一個缺點(diǎn)是在對源漏接觸孔進(jìn)行金屬淀積時(shí)，由于接觸孔直至源漏極上面的較薄的金屬硅化物層，所淀積的金屬(通常為W或Cu)易于進(jìn)入器件本身中而破壞器件的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種采用后柵工藝制備接觸孔的新方法，其降低了接觸孔刻蝕及金屬淀積的難度，簡化了工藝步驟，并且使器件的可靠性提高。為了解決上述技術(shù)問題，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供一種采用后柵工藝制備CMOS 器件中接觸孔的方法，包括形成第一類型MOS的高K介質(zhì)/金屬柵(HKMG)；形成并金屬化第一類型MOS和第二類型MOS的源漏極的下接觸孔，同時(shí)形成第二類型MOS的HKMG，其中所述源漏極下接觸孔中填充有與第二類型MOS的金屬柵所用相同的材料；
形成并金屬化第一類型和第二類型MOS的金屬柵的接觸孔以及源漏極上接觸孔， 其中源漏極上接觸孔與源漏極下接觸孔對準(zhǔn)；其中，所述第一類型MOS與第二類型MOS類型相反。


為了更好地理解本發(fā)明并且示出如何使其生效，現(xiàn)在將通過示例來參考附圖，其中圖1是目前后柵工藝制備CMOS器件的接觸孔結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是形成源漏極以及包括高K介質(zhì)層和多晶硅柵極的CMOS器件的示意圖。圖3是形成了 PMOS HKMG結(jié)構(gòu)的CMOS器件的示意圖。圖4是去除了 NMOS多晶硅柵的CMOS器件的示意圖。圖5是光刻曝出源漏極接觸孔位置的CMOS器件的示意圖。圖6是刻蝕表面絕緣層并露出源漏極下層接觸孔的CMOS器件的示意圖。圖7是對源漏極下層接觸孔和去除了多晶硅的NMOS柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行金屬填充后的 CMOS器件的示意圖。圖8是形成了源漏極上層接觸孔以及柵極接觸孔的CMOS器件的示意圖。圖9是對源漏極上層接觸孔以及柵極接觸孔進(jìn)行金屬化后的CMOS器件的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面，參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例的一個或多個方面，其中在整個附圖中一般用相同的參考標(biāo)記來指代相同的元件。在下面的描述中，為了解釋的目的，闡述了許多特定的細(xì)節(jié)以提供對本發(fā)明實(shí)施例的一個或多個方面的徹底理解。然而，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說可以說顯而易見的是，可以利用較少程度的這些特定細(xì)節(jié)來實(shí)行本發(fā)明實(shí)施例的一個或多個方面。另外，雖然就一些實(shí)施方式中的僅一個實(shí)施方式來公開實(shí)施例的特定特征或方面，但是這樣的特征或方面可以結(jié)合對于任何給定或特定應(yīng)用來說可能是期望的且有利的其它實(shí)施方式的一個或多個其它特征或方面。提供襯底，襯底可以是電子領(lǐng)域中已知的任何類型，例如體硅、絕緣層上半導(dǎo)體 (SOI)、完全耗盡、部分耗盡、FIN型或任何其他類型。如圖2所示，利用CMOS工藝(光亥lj、刻蝕)定出器件隔離溝槽1及有源區(qū)，并依次淀積高K介質(zhì)層10和犧牲層多晶硅柵電極層20。其中，高K介質(zhì)層10材料可以是&02、 Hf02、Al203、HfSi0、HfSi0N和/或其混合物。在另一個實(shí)施例，在定出器件隔離溝槽及有源區(qū)后，并不像圖2所示那樣淀積高K介質(zhì)層10，而是淀積犧牲層?xùn)叛趸瘜幼鳛樘娲?圖中未示出)，而后再淀積犧牲層多晶硅柵電極層20，其中犧牲層?xùn)叛趸瘜訛镾W2或SiON。在制備側(cè)墻3之后進(jìn)行源漏離子注入并退火從而形成源漏區(qū)(S/D)，然后在源漏區(qū)硅表面上以及多晶硅柵電極上形成金屬硅化物5，其中該金屬硅化物為NiPt金屬硅化物，優(yōu)選地金屬硅化物的厚度為20nm。淀積下絕緣層30，所淀積的下絕緣層厚度大于柵極臺階厚度，完全覆蓋柵極臺階。 該下絕緣層通常包括兩層，即下層的SIN和上層的Si02，SIN的厚度優(yōu)選地為50nm，SiO2的厚度優(yōu)選地為300nm。采用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)將下絕緣層30平整化高出多晶硅柵極高度的下絕緣層 30。利用光刻曝出PMOS的犧牲層多晶硅柵電極層區(qū)域。利用濕法或干法刻蝕去除PMOS的犧牲層多晶硅柵電極層20。在另一實(shí)施例中，在形成源漏區(qū)之前沒有淀積高K介質(zhì)柵10而是淀積犧牲層?xùn)叛趸瘜幼鳛樘娲那闆r下，則需將犧牲層多晶硅柵電極層及其下面的犧牲層?xùn)叛趸瘜?未示出)一并除去，其中犧牲層?xùn)叛趸瘜訛镾iA或SiON。淀積PMOS金屬柵材料40，填滿柵，并采用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)平整化從而得到 PMOS的HKMG結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其中，淀積PMOS金屬柵材料40是利用原子層淀積(ALD) 或?yàn)R射工藝順序淀積功函數(shù)合適的材料以及金屬填充材料(圖中未分層示出)，更優(yōu)選的， 功函數(shù)合適的材料為TiN，金屬填充材料為TiAl、Al或W。在另一實(shí)施例中，在去除的是犧牲層多晶硅柵電極層及其下面的犧牲層?xùn)叛趸瘜?未示出)的情況下，依次淀積PMOS高K介質(zhì)層材料以及PMOS的金屬柵材料40，其中高K介質(zhì)層材料可以是&02、Hf02、Al203、HfSi0、 HfSiON和/或其混合物。利用光刻曝出NMOS的犧牲層多晶硅柵電極層區(qū)域。利用濕法或干法刻蝕去除NMOS的犧牲層多晶硅柵電極層20，如圖4所示。在另外的實(shí)施例中，在形成源漏區(qū)之前沒有淀積高K介質(zhì)柵而是淀積犧牲層?xùn)叛趸瘜幼鳛樘娲那闆r下，則需將犧牲層多晶硅柵電極層及其下面的犧牲層?xùn)叛趸瘜?未示出)除去，其中犧牲層?xùn)叛趸瘜訛镾^2或SiON。利用光刻工藝曝出源漏極位置，形成的光刻膠(PR)圖案，此時(shí)除去NMOS的犧牲層多晶硅柵電極層的柵極結(jié)構(gòu)內(nèi)也填充有光刻膠，如圖5所示。刻蝕暴露出的下絕緣層30，至源漏極表面上的金屬硅化物，形成源漏極下接觸孔， 所得到的結(jié)構(gòu)如圖6所示。同時(shí)向源漏極下接觸孔和去除NMOS犧牲層多晶硅柵電極層20后所得到的NMOS 的柵中淀積NMOS金屬柵材料50，填滿這兩者，并通過CMP平整化，這樣NMOS的HKMG結(jié)構(gòu)和源漏極下接觸孔刻蝕和金屬化同時(shí)完成，如圖7所示。這樣做的有益效果是源漏極下接觸孔的高寬比(dl/w)相對于圖1所示的源漏接觸孔的高寬比(d/w)降低，從而降低了刻蝕及淀積金屬的難度。另一方面，源漏極下接觸孔與NMOS柵結(jié)構(gòu)淀積相同的金屬材料，從而簡化了工藝。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，淀積NMOS金屬柵的步驟包括兩個子步驟，即依次淀積功函數(shù)合適的材料以及金屬填充材料(圖中未分層示出)，更優(yōu)選的，功函數(shù)合適的材料為 TiN，并且金屬填充材料為TiAl、Al或W。另外，金屬柵淀積可以選擇濺射、ALD等工藝方法。 在另外的實(shí)施例中，在形成源漏區(qū)之前沒有淀積高K介質(zhì)柵10而是淀積犧牲層?xùn)叛趸瘜幼鳛樘娲⑶以趯哦嗑Ч杓捌湎旅娴墓柩趸瘜右徊⒊サ那闆r下，還需要在同時(shí)向源漏極下接觸孔和去除NMOS犧牲層多晶硅柵電極層20后所得到的NMOS的柵中淀積NMOS金屬柵材料之前利用光刻刻蝕及淀積工藝形成NMOS高K柵介質(zhì)層，NMOS的高K柵介質(zhì)材料可以是 &02、Hf02、Al203、HfSi0、HfSiON 和 / 或其混合物。在器件表面上淀積上絕緣層60。光刻并刻蝕上絕緣層60，得到源漏極上接觸孔以及PMOS和NMOS金屬柵極接觸孔，所得到的結(jié)構(gòu)如圖8所示。依次淀積隔離層材料Ti和TiN(未示出)。淀積互連金屬70，填滿所刻蝕出的金屬柵極接觸孔和源漏極上接觸孔，并通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)平整化高于上絕緣層的部分，如圖9所示。這樣做的有益效果是源漏極上接觸孔的高寬比(d2/w)相對于圖1所示的源漏接觸孔的高寬比(d/w)降低，從而降低了刻蝕及淀積金屬的難度。同時(shí)，將源漏極接觸孔分成兩部分制備，使得上接觸孔和下接觸孔的銜接面提升至柵結(jié)構(gòu)表面，有利于降低源漏接觸孔和柵短路的幾率，更好的保護(hù)柵結(jié)構(gòu)。 在一個優(yōu)選實(shí)施例中，源漏極上接觸孔的互連金屬優(yōu)選地為TiAl、W或Cu。在進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施例中源漏極上接觸孔的互連金屬與源漏極下接觸孔的互連金屬選擇相同的材料，這樣有利于降低源漏極上接觸孔和下接觸孔的銜接面的接觸電阻降低，提高器件性能。應(yīng)了解，上述實(shí)施例以及所涉及的附圖僅是示意性表示。如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，結(jié)構(gòu)中可能包括比圖中所示更多或更少的元件，但這些并不會影響本發(fā)明實(shí)施例的范圍。另外，盡管在上述實(shí)施例中首先制作的是PMOS金屬柵結(jié)構(gòu)，而源漏極下接觸孔是與 NMOS金屬柵結(jié)構(gòu)同時(shí)制備的，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是也可以反過來， 即先制備NMOS金屬柵結(jié)構(gòu)，而源漏極下接觸孔與PMOS金屬柵結(jié)構(gòu)同時(shí)制備。本發(fā)明的范圍包括可以使用上面的結(jié)構(gòu)和方法的任何其它實(shí)施例和應(yīng)用。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)該參考所附權(quán)利要求連同被給予這樣的權(quán)利要求的同等物的范圍來一起確定。
權(quán)利要求
1.一種采用后柵工藝制備CMOS器件中接觸孔的方法，包括 形成第一類型MOS的高K介質(zhì)/金屬柵(HKMG)；形成并金屬化第一類型MOS和第二類型MOS的源漏極的下接觸孔，同時(shí)形成第二類型MOS的HKMG，其中所述源漏極下接觸孔中淀積有與第二類型MOS的金屬柵所用相同的材料；形成并金屬化第一類型和第二類型MOS的金屬柵的接觸孔以及源漏極上接觸孔，其中源漏極上接觸孔與源漏極下接觸孔對準(zhǔn)；并且其中，所述第一類型MOS與第二類型MOS類型相反。
2.如權(quán)利要求1所述的采用后柵工藝制備CMOS器件中接觸孔的方法，其中所述形成第一類型MOS的HKMG包括形成包括高K介質(zhì)層(10)和犧牲層多晶硅柵電極層00)的柵極結(jié)構(gòu)； 形成源漏極；在源漏區(qū)表面上以及犧牲層多晶硅柵電極層00)上形成金屬硅化物； 淀積下絕緣層(30)并平整化至所述柵極結(jié)構(gòu)高度； 去除第一類型MOS的犧牲層多晶硅柵電極層00)；并且淀積第一類型MOS金屬柵材料00)。
3.如權(quán)利要求1所述的采用后柵工藝制備CMOS器件中接觸孔的方法，其中所述形成第一類型MOS的HKMG包括形成包括犧牲層?xùn)叛趸瘜雍蜖奚鼘佣嗑Ч钖烹姌O層00)的柵極結(jié)構(gòu)； 形成源漏極；在源漏區(qū)表面上以及犧牲層多晶硅柵電極層00)上形成金屬硅化物； 淀積下絕緣層(30)并平整化至所述柵極結(jié)構(gòu)高度； 去除第一類型MOS的犧牲層?xùn)叛趸瘜雍蜖奚鼘佣嗑Ч钖烹姌O層00)；并且依次淀積第一類型MOS的高K介質(zhì)層(10)和金屬柵材料00)。
4.如權(quán)利要求3所述的采用后柵工藝制備CMOS器件中接觸孔的方法，其中犧牲層?xùn)叛趸瘜訛镾W2或SiON。
5.如權(quán)利要求2或3所述的采用后柵工藝制備CMOS器件中接觸孔的方法，其中高K介質(zhì)層材料是&02、Hf02、A1203、HfSiO、HfSiON和/或其混合物。
6.如權(quán)利要求2或3所述的采用后柵工藝制備CMOS器件中接觸孔的方法，其中所述淀積第一類型MOS金屬柵材料00)包括依次淀積功函數(shù)合適的材料以及金屬填充材料。
7.如權(quán)利要求6所述的采用后柵工藝制備CMOS器件中接觸孔的方法，其中所述功函數(shù)合適的材料為TiN，所述金屬填充材料為TiAl、Al或W。
8.如權(quán)利要求2或3所述的采用后柵工藝制備CMOS器件中接觸孔的方法，其中用濺射或原子層淀積(ALD)方法淀積所述金屬柵材料。
9.如權(quán)利要求1或2所述的采用后柵工藝制備CMOS器件中接觸孔的方法，所述形成并金屬化第一類型MOS和第二類型MOS的源漏極的下接觸孔，同時(shí)形成第二類型MOS的HKMG 包括去除第二類型MOS的犧牲層多晶硅柵電極層00)； 光刻曝出源漏極接觸孔位置；刻蝕下絕緣層(30)，至源漏極表面上的金屬硅化物，形成源漏極下接觸孔；并且向源漏極下接觸孔以及去除第二類型MOS的犧牲層多晶硅柵電極層00)后所得到的第二類型MOS的柵結(jié)構(gòu)中淀積第二類型MOS金屬柵材料(50)。
10.如權(quán)利要求9所述的采用后柵工藝制備CMOS器件中接觸孔的方法，其中所述淀積第二類型MOS金屬柵材料(50)包括依次淀積功函數(shù)合適的材料以及金屬填充材料。
11.如權(quán)利要求9所述的采用后柵工藝制備CMOS器件中接觸孔的方法，其中所述功函數(shù)合適的材料為TiN，所述金屬填充材料為TiAl、Al或W。
12.如權(quán)利要求9所述的采用后柵工藝制備CMOS器件中接觸孔的方法，其中用濺射或 ALD方法淀積所述金屬柵材料。
13.如權(quán)利要求1或3所述的采用后柵工藝制備CMOS器件中接觸孔的方法，其中所述形成并金屬化第一類型MOS和第二類型MOS的源漏極的下接觸孔，同時(shí)形成第二類型MOS 的HKMG包括去除第二類型MOS的犧牲層多晶硅柵電極層00)以及其下面的犧牲層?xùn)叛趸瘜?；光刻曝出源漏極接觸孔位置；刻蝕下絕緣層(30)，至源漏極表面上的金屬硅化物，形成了源漏極下接觸孔；形成第二類型MOS的高K介質(zhì)層；向源漏極下接觸孔以及第二類型MOS的高K介質(zhì)層上淀積第二類型MOS金屬柵材料 (50)。
14.如權(quán)利要求13所述的采用后柵工藝制備CMOS器件中接觸孔的方法，其中犧牲層?xùn)叛趸瘜訛镾iA或SiON。
15.如權(quán)利要求13所述的采用后柵工藝制備CMOS器件中接觸孔的方法，其中所述淀積第二類型MOS金屬柵材料(50)包括依次淀積功函數(shù)合適的材料以及金屬填充材料。
16.如權(quán)利要求13所述的采用后柵工藝制備CMOS器件中接觸孔的方法，其中所述功函數(shù)合適的材料為TiN，所述金屬填充材料為TiAl、Al或W。
17.如權(quán)利要求13所述的采用后柵工藝制備CMOS器件中接觸孔的方法，其中用濺射或 ALD方法淀積所述金屬柵材料。
18.如權(quán)利要求13所述的采用后柵工藝制備CMOS器件中接觸孔的方法，其中高K介質(zhì)層材料是&02、Hf02、A1203、HfSiO、HfSiON和/或其混合物。
19.如權(quán)利要求1所述的采用后柵工藝制備CMOS器件中接觸孔的方法，其中所述形成并金屬化第一類型和第二類型MOS的金屬柵的接觸孔以及源漏極上接觸孔包括在器件表面上淀積上絕緣層(60)；形成第一類型和第二類型MOS的金屬柵的接觸孔以及源漏極上接觸孔，其中源漏極上接觸孔與源漏極下接觸孔對準(zhǔn)；依次淀積隔離層材料Ti和TiN ；并且淀積互連金屬(70)，并平整化。
20.如權(quán)利要求19所述的采用后柵工藝制備CMOS器件中接觸孔的方法，其中所述互連金屬(70)為 TiAl、W 或 Cu。
全文摘要
本發(fā)明提供一種采用后柵工藝制備CMOS器件中接觸孔的方法，包括形成第一類型MOS的高K介質(zhì)/金屬柵(HKMG)；形成并金屬化第一類型MOS和第二類型MOS的源漏極的下接觸孔，同時(shí)形成第二類型MOS的HKMG，其中所述源漏極下接觸孔中填充有與第二類型MOS的金屬柵所用相同的材料；形成并金屬化第一類型和第二類型MOS的金屬柵的接觸孔以及源漏極上接觸孔，其中源漏極上接觸孔與源漏極下接觸孔對準(zhǔn)。該方法降低了接觸孔刻蝕及金屬淀積的難度，簡化了工藝步驟，并且使器件的可靠性提高。
文檔編號H01L21/768GK102468221SQ20101054247
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月11日
發(fā)明者閆江 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所