半导体器件的形成方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种半导体器件的形成方法。


背景技术：

2.目前，对于互补金属氧化物半导体(cmos)器件的制作，通常采用高介电常数绝缘层金属栅（hkmg, high-k metal-gate）工艺，采用氮化钛层制作高阻器件，并需要制作接触孔来实现半导体器件与金属布线层的电连接。现有技术中一般通过同一道干法刻蚀工艺在金属栅极、源极/漏极和氮化钛层处制作接触孔，由于金属栅极和氮化钛层上方的接触孔的深度小于源极/漏极上方的接触孔的深度，金属栅极和氮化钛层会提早接触到离子，在之后的刻蚀过程金属栅极的表面会被离子较多地轰击，导致金属表面损伤，在后续接触孔内的金属表面沉积薄膜时，薄膜的均匀度会产生异常，金属表面的含氟气体离子也会扩散到金属表面的薄膜上，氟离子扩散也会造成金属栅极电性异常。以及，因为金属栅极、氮化钛层和源极/漏极上方接触孔的深度不同，在最早接触到的刻蚀离子的氮化钛层接触点会因腔体内部阻抗改变而出现过蚀刻刻蚀现象, 当刻蚀太深会造成跟下方设计的功能电路导通，达不到工艺需要的阻值规格。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种半导体器件的形成方法，以解决金属栅极表面刻蚀损伤的问题。
4.本发明的另一目的在于，避免接触孔刻蚀过程中氮化钛层过刻蚀。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种半导体器件的形成方法，包括：提供一衬底，所述衬底上形成金属栅极，所述金属栅极两侧的衬底中形成有源极和漏极；形成介质层，所述介质层覆盖所述衬底和所述金属栅极；执行干法刻蚀工艺，在所述金属栅极上方形成第一接触孔，并在所述源极和漏极上方形成第二接触孔，所述第一接触孔暴露所述金属栅极的顶面，所述第二接触孔暴露所述源极和漏极；其中，在所述源极和漏极上方形成第二接触孔之前，在所述金属栅极的顶面形成保护层。
6.可选的，所述金属栅极的材质为铝，所述保护层为氧化铝或者氮化铝。
7.可选的，所述保护层采用等离子体氧化工艺或者等离子体氮化工艺形成。
8.可选的，所述介质层包括第一介质层和第二介质层；执行干法刻蚀工艺在所述金属栅极上方形成第一接触孔的同时，在所述源极和漏极上方形成第四接触孔，所述第一接触孔贯穿所述第二介质层并暴露所述金属栅极的顶面，所述第四接触孔贯穿所述第二介质层并暴露所述第一介质层的顶面；继续执行干法刻蚀工艺，自所述第四接触孔向下刻蚀形成所述第二接触孔，所述
第二接触孔贯穿所述第二介质层和所述第一介质层。
9.可选的，形成所述金属栅极之后、形成所述第一接触孔之前，包括：形成所述第一介质层，所述第一介质层覆盖所述金属栅极和所述衬底；执行化学机械研磨工艺以去除所述金属栅极上方的所述第一介质层；在所述金属栅极的顶面形成所述保护层；形成所述第二介质层，所述第二介质层覆盖所述第一介质层和所述保护层。
10.可选的，形成所述金属栅极之后、形成所述第一接触孔之前，包括：形成所述第一介质层，所述第一介质层覆盖所述金属栅极和所述衬底；执行化学机械研磨工艺去除所述金属栅极上方的所述第一介质层；形成所述第二介质层，所述第二介质层覆盖所述第一介质层和所述金属栅极的顶面。
11.可选的，形成所述第一接触孔之后、形成所述第二接触孔之前，在所述金属栅极的顶面形成保护层。
12.可选的，所述第二介质层上形成有第三介质层，所述第二介质层和第三介质层之间形成有氮化钛层和刻蚀阻挡层，所述刻蚀阻挡层覆盖所述氮化钛层；执行干法刻蚀工艺在所述金属栅极上方形成所述第一接触孔的同时，在所述氮化钛层上方形成第三接触孔，所述第三接触孔贯穿所述第三介质层并暴露所述刻蚀阻挡层。
13.可选的，所述刻蚀阻挡层为氮化硅。
14.可选的，执行干法刻蚀工艺在所述金属栅极上方形成所述第一接触孔时，所述刻蚀阻挡层与所述第二介质层的刻蚀速率不同，调整所述刻蚀阻挡层、所述第二介质层以及所述第一介质层的刻蚀速率，以使所述第三接触孔和所述第二接触孔同时分别到达所述氮化钛层、所述源极和所述漏极。
15.在本发明提供的半导体器件的形成方法中，在金属栅极上形成一层保护层，让金属栅极表面的硬度增加，从而解决接触孔刻蚀工艺中由于金属栅极上的接触孔与源极/漏极上的接触孔深度不同对金属栅极表面产生的刻蚀损伤的问题。进一步的，在氮化钛层上形成刻蚀阻挡层，通过调整刻蚀选择比以使刻蚀离子尽可能同时到达不同位置的接触孔的底部。
附图说明
16.图1是本发明实施例的半导体器件的形成方法流程图。
17.图2是本发明实施例的形成金属栅极后的结构示意图。
18.图3是本发明另一实施例的金属栅极上形成保护层的结构示意图。
19.图4是本发明实施例的形成图形化的第一光刻胶层后的结构示意图。
20.图5是本发明实施例的形成氮化钛层和刻蚀停止层后的结构示意图。
21.图6是本发明实施例的形成第三介质层后的结构示意图。
22.图7是本发明实施例的形成图形化的第二光刻胶层后的结构示意图。
23.图8是本发明实施例的接触孔到达金属栅极顶面的结构示意图。
24.图9是本发明实施例的金属栅极上形成保护层的结构示意图。
25.图10是本发明实施例的形成第一接触孔、第三接触孔和第二接触孔的结构示意
图。
26.图中，10-衬底；10a-pmos区域；10b-nmos区域；11-沟槽隔离结构；101-源极/漏极；12-栅极结构；121-高介电常数栅极绝缘层；122-金属栅极；123-侧墙；13-保护层；14-第一介质层；15-第二介质层；16-氮化钛层；16a-第一底部抗反射涂层；16b-图形化的第一光刻胶层；16c-氮化钛材料层；17-刻蚀停止层；17a-刻蚀停止材料层； 18-第三介质层；19-图形化的第二光刻胶层；19a-第二底部抗反射涂层；21-第一接触孔；22-第二接触孔；23-第三接触孔；24-第四接触孔。
具体实施方式
27.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种半导体器件的形成方法作详细说明。根据下面说明，本发明的优点将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以实现方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
28.图1为本发明实施例的半导体器件的形成方法流程图。如图1所示，本实施例提供一种半导体器件的形成方法，包括：步骤s10，提供一衬底，所述衬底上形成金属栅极，所述金属栅极两侧的衬底中形成有源极和漏极；步骤s20，形成介质层，所述介质层覆盖所述衬底和所述金属栅极；步骤s30，执行干法刻蚀工艺，在所述金属栅极上方形成第一接触孔，并在所述源极和漏极上方形成第二接触孔，所述第一接触孔暴露所述金属栅极的顶面，所述第二接触孔暴露所述源极和漏极，在所述源极和漏极上方形成第二接触孔之前，在所述金属栅极的顶面形成保护层。
29.图2至图10是本发明实施例的半导体器件的形成方法对应的结构示意图。下面结合附图2~图10对本实施例提供的半导体器件的形成方法其各个步骤进行更详细地说明。
30.请参考图2，在步骤s10中，提供一衬底10，所述衬底10可以包括半导体材料、绝缘材料、导体材料或者它们的任意组合，其可以为单层结构，也可以包括多层结构。因此，衬底10可以是诸如si、sige、sigec、sic、gaas、inas、inp和其它的iii/v或ii/vi化合物半导体的半导体材料，也可以包括诸如si/sige、si/sic、绝缘体上硅(soi)或绝缘体上硅锗的层状衬底。
31.所述衬底10 上形成有pmos 区域10a和nmos区域10b，在两区域间形成有沟槽隔离结构（sti）11。在pmos 区域10a和nmos区域10b上分别形成有栅极结构12，其中，栅极结构12包括位于衬底10上的高介电常数栅极绝缘层121、位于高介电常数栅极绝缘层121上的金属栅极122以及形成于栅极绝缘层和金属栅极122两侧的栅极侧墙123。所述侧墙123例如是氧化层、氮化层或者氧化层-氮化层叠层结构，所述侧墙123可以采用化学气相沉积工艺形成。栅极结构12两侧的衬底10中形成源极和漏极。
32.在步骤s20中，所述介质层包括第一介质层14和第二介质层15，首先所述衬底10 上形成第一介质层14，所述第一介质层14覆盖所述衬底10和所述金属栅极122的顶面。所述第一介质层14例如是氧化层，可以采用化学气相沉积工艺形成。可通过对所述第一介质层14进行化学机械研磨工艺，以暴露出所述金属栅极122的顶面。
33.在步骤s30中，在所述源极和漏极上方形成第二接触孔22之前，在所述金属栅极的顶面形成保护层13。
34.在一个实施例中，如图4~图9所示，在第一接触孔21暴露出所述金属栅极122的顶面后，在所述金属栅极122的顶面形成保护层13。所述金属栅极122的材质例如是铝，所述保护层13例如是氧化铝或者氮化铝。可以采用等离子体氧化或者等离子体氮化工艺将氧气或者氮气等离子化后，氧气或者氮气的等离子体与金属栅极122反应生成氧化铝或者氮化铝，从而得到所述保护层13。所述保护层13的厚度例如是5埃~15埃。所述保护层13用于保护后续形成第二接触孔22时所述金属栅极122的顶面不受刻蚀损伤。等离子体氧化工艺或者等离子体氮化工艺的工艺气体例如是氧气或者氮气，等离子体氧化工艺或者等离子体氮化工艺在压力小于100mt时，射频功率例如是500w~1500w，偏压为0时激发氧气或者氮气反应。
35.在另一个实施例中，如图3所示，在形成第一介质层14后，直接在所述金属栅极122的顶面形成保护层13。所述保护层13例如是氧化铝或者氮化铝。可以采用等离子体氧化工艺或者等离子体氮化工艺将氧气或者氮气等离子化后与金属栅极122反应生成氧化铝或者氮化铝，所述保护层13的厚度例如是5埃~15埃。所述保护层13用于保护形成第二接触孔22时，所述金属栅极122的顶面不受刻蚀损伤。
36.下文以图4~图9为例进行详细说明。也就是说，在第一接触孔21暴露出所述金属栅极122的顶面时，在所述金属栅极122的顶面形成保护层13。
37.请参考图4和图5，在第一介质层14上形成第二介质层15，所述第二介质层15覆盖所述第一介质层14和所述金属栅极122的顶面。所述第二介质层15例如是氧化层，可以采用化学气相沉积工艺形成。所述第一介质层14也是氧化层，在形成所述第一介质层14后进行化学机械研磨工艺，以保证所述第一介质层14的平整度，在所述第一介质层14上形成的第二介质层15也具有较好的平整度。
38.接着，在第二介质层15上形成氮化钛层16，在所述氮化钛层16上形成一层刻蚀阻挡层17。所述氮化钛层16用于制作高阻器件，可以采用原子层沉积工艺或者物理气相沉积工艺形成。所述刻蚀阻挡层17例如是氮化硅层，可以采用化学气相沉积工艺形成。所述刻蚀阻挡层17的厚度例如是15nm~25nm。在形成第三接触孔23时，通过调整刻蚀阻挡层17和第二介质层15以及第一介质层14的刻蚀选择比，以使得第三接触孔23和第二接触孔22同时到达所述氮化钛层16和所述源极/漏极101，有利于确保所述氮化钛层16的阻值稳定，并可以根据需求客制化。所述刻蚀阻挡层17的厚度还可以根据所述刻蚀阻挡层17和第二介质层15以及第一介质层14的刻蚀选择比计算，第一介质层14和第二介质层15的材质均为氧化层，因此第一介质层14和第二介质层15的刻蚀选择比相同。在第二接触孔和第三接触孔刻蚀时，所述刻蚀阻挡层17和第二介质层15以及第一介质层14的刻蚀选择比可以大于10：1：1。通过在所述氮化钛层16上增加所述刻蚀阻挡层17，解决了所述氮化钛层16过刻蚀的问题，使得所述氮化钛层16的阻值稳定，提供稳定的产品，增加了机台有效时间，避免因所述氮化钛层16的阻值不稳定的缺陷停机。经实验证明，在本实施例中，可以增加1%的机台有效时间。
39.具体实施时，形成所述氮化钛层16和所述刻蚀阻挡层17的步骤包括：首先，如图4所示，在第二介质层15上依次形成所述氮化钛材料层16c和所述刻蚀阻挡材料层17a；接着，在所述刻蚀阻挡材料层17a上形成图形化的第一光刻胶层16b，在形成图形化的第一光刻胶层16b之前，可以先形成第一底部抗反射涂层16a，第一底部抗反射涂层16a用于实现增大光
刻工艺窗口、提高光刻线宽控制的目的；再接着，如图5所示，以图形化的第一光刻胶层16b为掩膜，依次刻蚀所述第一底部抗反射涂层16a、所述刻蚀阻挡材料层17a和所述氮化钛材料层16c，以形成所述氮化钛层16和所述刻蚀阻挡层17。所述刻蚀工艺例如是干法刻蚀工艺。形成所述氮化钛层16和所述刻蚀阻挡层17之后，形成图形化的第一光刻胶层16b和第一底部抗反射涂层16a可能消耗殆尽也可能还有残留，如果还有残留，采用灰化工艺去除。
40.请参考图6，形成第三介质层18，所述第三介质层18覆盖所述第二介质层15和所述刻蚀阻挡层17。所述第三介质层18例如是氧化层，可以采用化学气相沉积工艺形成。
41.请参考图7，在所述第三介质层18上形成图形化的第二光刻胶层19。在形成第二光刻胶层19之前，可以先形成第二底部抗反射涂层19a，第二底部抗反射涂层19a有利于增大光刻工艺窗口及提高光刻线宽控制能力。
42.请参考图8，执行刻蚀工艺，以图形化的第二光刻胶层19为掩膜，刻蚀所述第二底部抗反射涂层19a、第三介质层18和第二介质层15，以暴露出所述金属栅极122的顶面，以在金属栅极122上方形成第一接触孔21。执行干法刻蚀工艺在所述金属栅极122上方形成第一接触孔21的同时，在所述源极和漏极上方形成第四接触孔24，所述第一接触孔21贯穿所述第二介质层15并暴露所述金属栅极122的顶面，所述第四接触孔24贯穿所述第二介质层15并暴露所述第一介质层14的顶面；当该刻蚀工艺暴露出刻蚀阻挡层17时，继续刻蚀第二介质层15和第一介质层14时，所述刻蚀停止层17可以保护氮化钛层16不被过刻蚀，避免氮化钛层16过刻蚀导致其与下方的功能电路导通，达不到工艺要求需要的阻值规格。所述刻蚀工艺例如是干法刻蚀工艺。干法刻蚀工艺的压力例如是10mt~100mt，干法刻蚀工艺的射频功率例如是500w~1500w，干法刻蚀工艺的温度例如是40℃~60℃，干法刻蚀工艺的偏压射频功率例如是100w~800w。由于干法刻蚀工艺中的偏压射频功率较大，因此会造成金属栅极表面的损伤，因此，金属栅极表面需要保护层保护。请参考图9，在所述金属栅极122的顶面形成保护层13。所述保护层13例如是氧化铝或者氮化铝。可以采用等离子体氮化工艺或者等离子体氧化工艺将氧气或者氮气等离子化后与金属栅极122反应生成氧化铝或者氮化铝。所述保护层13的厚度例如是5埃~15埃，所述保护层13用于保护后续形成第二接触孔22时，所述金属栅极122的顶面不受刻蚀损伤。通过在所述金属栅极122的顶面形成保护层13，解决了金属栅极接触孔过刻蚀表面损伤的问题，可确保金属栅极阻值稳定。
43.请参考图10，继续刻蚀所述第一介质层14，自所述第四接触孔24向下刻蚀形成所述第二接触孔22，所述第二接触孔22贯穿所述第二介质层15和所述第一介质层14第二接触孔22暴露所述源极和漏极。此时，所述氮化钛层16上的刻蚀停止层17刚好被刻穿，暴露出所述氮化钛层16的顶面，以形成第三接触孔23。
44.综上可见，在本发明提供的一种半导体器件的形成方法中，通过在金属栅极上形成一层保护层，让金属栅极表面的硬度增加，从而能够解决接触孔刻蚀工艺中由于金属栅极上的接触孔与源极/漏极上的接触孔深度不同对金属栅极表面产生的刻蚀损伤的问题。金属栅极阻值稳定，提供稳定的产品，增加机台有效时间，避免因为金属栅极的阻值不稳定的缺陷停机。
45.进一步的，通过在氮化钛层上形成刻蚀阻挡层，在刻蚀时因为刻蚀阻挡层和介质层选择比不同，通过调整刻蚀选择比，以同时到达不同位置的接触孔的底部。使得所述氮化钛层的阻值稳定，提供稳定的产品，增加了机台有效时间，避免因所述氮化钛层的阻值不稳
定的缺陷停机。
46.需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可，此外，各个实施例之间不同的部分也可互相组合使用，本发明对此不作限定。
47.此外还应该认识到，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。