本發(fā)明涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，尤其涉及一種接觸孔栓塞的形成方法。

背景技術(shù)：

在半導(dǎo)體制造中，隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展趨勢(shì)，集成電路越來(lái)越復(fù)雜，所含元件也越來(lái)越多，而MOS晶體管是最為重要的元件之一。其中，接觸孔工藝是MOS晶體管制造中不可或缺的工藝步驟，接觸孔栓塞是連接MOS晶體管有源區(qū)與后端金屬層，最終連接外部電路的重要媒介，接觸孔栓塞的好壞直接影響到器件性能及產(chǎn)品良率。

圖1至圖4為現(xiàn)有技術(shù)的一種接觸孔栓塞的形成過(guò)程。

參考圖1，提供一半導(dǎo)體襯底10，所述半導(dǎo)體襯底10含硅；所述半導(dǎo)體襯底10上已形成有MOS晶體管，包括柵極11、源極12和漏極13；在半導(dǎo)體襯底10上形成有介電層14，所述介電層14覆蓋MOS晶體管；刻蝕介電層14，形成暴露柵極11表面、源極12表面和漏極13表面的接觸孔15。

參考圖2，刻蝕工藝后，在接觸孔15側(cè)壁、底部和介電層14表面沉積鈦層16；所述鈦層16的沉積工藝為物理氣相沉積法。

參考圖3，在鈦層16表面沉積氮化鈦層17；所述氮化鈦層17的沉積工藝為化學(xué)氣相沉積法。

在形成氮化鈦層17后，進(jìn)行均溫退火工藝。所述均溫退火工藝在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行，工藝溫度為600℃-700℃，工藝時(shí)間為5秒-60秒。所述均溫退火后，鈦層16與源極11、漏極12位置處的接觸孔15底部的半導(dǎo)體襯底中的硅反應(yīng)生成介于C-49相和C-54相之間的硅化鈦層18。

參考圖4，均溫退火后，在表面已沉積鈦層16和氮化鈦層17的接觸孔15內(nèi)填滿(mǎn)導(dǎo)電層19；所述填充方式為化學(xué)氣相沉積法。通過(guò)化學(xué)機(jī)械研磨工藝平坦化導(dǎo)電層19直至露出介電層14表面。

上述接觸孔栓塞的形成方法是最常用的方法，但是此工藝中的均溫退火 對(duì)器件熱預(yù)算有較大影響，進(jìn)而引起器件電性能的偏移；此外，因?yàn)榫鶞赝嘶鸸に囋诘亴?7的沉積與導(dǎo)電層19的填充工藝之間，使氮化鈦層17沉積與導(dǎo)電層19填充工藝間隔時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致鈦層16/氮化鈦層17的電阻升高，進(jìn)而導(dǎo)致接觸孔的接觸電阻升高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的問(wèn)題是提供一種接觸孔栓塞的形成方法，避免均溫退火對(duì)器件熱預(yù)算產(chǎn)生的副作用，進(jìn)而避免器件電性能的偏移。

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種接觸孔栓塞的形成方法。包括如下步驟：

提供已形成MOS晶體管的半導(dǎo)體襯底；

在所述半導(dǎo)體襯底上形成介電層；

刻蝕所述介電層，在介電層內(nèi)形成接觸孔；

在接觸孔側(cè)壁、底部和介電層表面沉積鈦層；

在鈦層表面形成氮化鈦層；

在所述氮化鈦層上沉積導(dǎo)電層直至填滿(mǎn)接觸孔；

對(duì)接觸孔內(nèi)的導(dǎo)電層進(jìn)行研磨，至所述導(dǎo)電層表面與所述介電層表面齊平；

采用800℃-900℃的高溫進(jìn)行毫秒級(jí)熱退火以形成低阻的硅化鈦層；

所述高溫毫秒級(jí)熱退火的工藝時(shí)間為250μs至500μs，最終工藝時(shí)間根據(jù)實(shí)際工藝溫度而定；在退火過(guò)程中需通入氮?dú)?、氬氣或者氦氣的任一種氣體，所述氣體流量為1000sccm至10000sccm。

可選的，所述介電層為單層結(jié)構(gòu)或疊層結(jié)構(gòu)。

可選的，當(dāng)所述介電層為單層結(jié)構(gòu)時(shí)，所述介電層為氧化硅層。

可選的，當(dāng)所述介電層為疊層結(jié)構(gòu)時(shí)，所述介電層為氮化硅和氧化硅構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)或者氧化硅/氮化硅/氧化硅構(gòu)成的三層結(jié)構(gòu)。

可選的，所述鈦層的厚度為

可選的，所述氮化鈦層的厚度為

可選的，所述鈦層的沉積方式為物理氣相沉積法。

可選的，所述氮化鈦層的沉積方式為化學(xué)氣相沉積法。

可選的，在所述接觸孔側(cè)壁、底部和介電層表面形成鈦層之前，需進(jìn)行清洗工藝。

可選的，所述的清洗工藝為氬氣濺射原位預(yù)清洗工藝，清洗工藝與所述鈦層沉積工藝在同一機(jī)臺(tái)中進(jìn)行。

可選的，所述導(dǎo)電層的材料為金屬鎢。

可選的，所述導(dǎo)電層的填充方式為化學(xué)氣相沉積法。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明的技術(shù)方案中，采用800℃-900℃的高溫進(jìn)行高溫毫秒級(jí)熱退火工藝；所述高溫毫秒級(jí)熱退火工藝的退火時(shí)間很短，對(duì)器件熱預(yù)算影響很小，保證器件電性能不產(chǎn)生偏移。另一方面，此退火工藝是在導(dǎo)電層研磨后進(jìn)行的，縮短了氮化鈦層沉積導(dǎo)電層填充工藝的間隔時(shí)間，避免接觸孔的接觸電阻升高。

進(jìn)一步，所述高溫毫秒級(jí)熱退火工藝的退火時(shí)間可以縮短為250μs至500μs，因此能夠進(jìn)一步減小對(duì)器件熱預(yù)算的影響，更好地保證器件電性能不產(chǎn)生偏移。

附圖說(shuō)明

圖1至圖4是現(xiàn)有技術(shù)接觸孔栓塞形成方法各步驟對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5至圖8是本發(fā)明實(shí)施例的接觸孔栓塞形成方法各步驟對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

經(jīng)過(guò)發(fā)明人分析，發(fā)現(xiàn)退火工藝中，退火溫度曲線(xiàn)的峰值溫度及峰值溫度駐留時(shí)間是影響退火工藝效果的兩大關(guān)鍵參數(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)的均溫退火工藝是在600℃-700℃的峰值溫度下駐留時(shí)間5秒至60秒；由于峰值溫度的駐留 時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致?lián)诫s離子的擴(kuò)散從而破壞結(jié)的分布，進(jìn)而使器件電性能產(chǎn)生偏移。

此外，均溫退火工藝是在氮化鈦層的沉積與導(dǎo)電層的填充工藝之間進(jìn)行的，這樣會(huì)導(dǎo)致氮化鈦沉積與導(dǎo)電層填充工藝間隔時(shí)間較長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致接觸孔栓塞的接觸電阻升高。

本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過(guò)進(jìn)一步研究驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)高溫毫秒級(jí)熱退火工藝的退火時(shí)間很短，峰值溫度下駐留時(shí)間為250μs至500μs，以高溫毫秒級(jí)熱退火工藝代替現(xiàn)有技術(shù)的均溫退火工藝，對(duì)器件熱預(yù)算影響很小，既能激活摻雜離子又能抑制摻雜離子的擴(kuò)散，保證器件電性能不發(fā)生偏移；同時(shí)，將熱退火工藝步驟由氮化鈦層沉積后進(jìn)行，改為在接觸孔導(dǎo)電層研磨之后進(jìn)行，縮短了氮化鈦層沉積與導(dǎo)電層填充工藝的間隔時(shí)間，避免接觸孔的接觸電阻升高。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例做詳細(xì)的說(shuō)明。

圖5至圖8是本發(fā)明實(shí)施例的接觸孔栓塞形成方法各步驟對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體參考圖5，提供半導(dǎo)體襯底100，所述半導(dǎo)體襯底100含硅；所述半導(dǎo)體襯底100上已經(jīng)形成有MOS晶體管，所述MOS晶體管包括柵極110、源極120和漏極130。其中所述柵極110兩側(cè)已形成側(cè)墻(未標(biāo)注)。在半導(dǎo)體襯底100上形成介電層140，所述介電層140覆蓋MOS晶體管。所述介電層140內(nèi)具有接觸孔150，所述接觸孔150分別暴露柵極110、源極120和漏極130的頂面。

本實(shí)施例中，所述介電層140可以為單層結(jié)構(gòu)或疊層結(jié)構(gòu)。當(dāng)介電層140為疊層結(jié)構(gòu)時(shí)，所述疊層結(jié)構(gòu)可以包括位于半導(dǎo)體襯底100上的刻蝕阻擋層和位于刻蝕阻擋層上的層間介質(zhì)層，但所述疊層結(jié)構(gòu)不局限于雙層結(jié)構(gòu)，還可以是三層膜層、四層膜層或更多膜層的堆疊結(jié)構(gòu)。其中，所述刻蝕阻擋層的材料可以為氮化硅，所述位于刻蝕阻擋層上的層間介質(zhì)層的材料可以為氧化硅。

本實(shí)施例中，形成接觸孔的工藝具體可以為：在介電層140上形成光刻 膠層(未標(biāo)注)，所述光刻膠層內(nèi)定義有接觸孔圖形；以所述光刻膠層為掩膜，采用等離子體干法刻蝕工藝沿所述接觸孔圖形刻蝕介電層140，以在相應(yīng)位置形成接觸孔150。

所述等離子體干法刻蝕工藝具體可以為：采用氣體四氟化碳混合氧氣和氬氣作為刻蝕氣體，利用刻蝕氣體形成等離子體，借助氬氣的強(qiáng)轟擊能力實(shí)現(xiàn)第一步物理刻蝕；所述第一步物理刻蝕的源功率為1500瓦-3000瓦；偏置功率為2000瓦-4000瓦，氬氣流量為500sccm-1500sccm，刻蝕至層間介質(zhì)層上方終止，該刻蝕氣體四氟化碳產(chǎn)生的聚合物較少。采用碳元素和氮元素比例大于1:4的刻蝕氣體混合氦氣實(shí)現(xiàn)第二步物理刻蝕，例如C4F8、C5F8等，所述刻蝕氣體刻蝕氧化層和氮化層選擇比比較高；所述第二步物理刻蝕的源功率為500瓦-2000瓦，偏置功率為500瓦-2000瓦，氦氣流量為100sccm-1000sccm，刻蝕至刻蝕阻擋層終止，但仍會(huì)過(guò)刻部分刻蝕阻擋層，此刻蝕過(guò)程中接觸孔內(nèi)會(huì)產(chǎn)生很多聚合物。所述第一步物理刻蝕工藝和第二步物理刻蝕工藝的反應(yīng)腔內(nèi)的壓力為10毫托-50毫托。最后采用一氧化碳和氦氣的混合氣體去除接觸孔底部的剩余刻蝕阻擋層直至暴露出半導(dǎo)體襯底100表面；所述一氧化碳的流量為0sccm-30sccm，所述氦氣的流量為100sccm-800sccm。為了保證接觸孔中所有的刻蝕阻擋層和層間介質(zhì)層均已完全去除，所述等離子體干法刻蝕工藝會(huì)過(guò)刻的半導(dǎo)體襯底100。

本實(shí)施例中，干法刻蝕介電層140形成接觸孔150后，由于等離子體轟擊刻蝕，會(huì)在接觸孔150內(nèi)殘留很多聚合物；在后續(xù)由刻蝕機(jī)臺(tái)至沉積機(jī)臺(tái)的傳輸過(guò)程中，因半導(dǎo)體襯底100離開(kāi)真空腔而會(huì)在半導(dǎo)體襯底100表面形成自然氧化層。因此，在沉積后續(xù)膜層之前，需要通過(guò)清洗工藝去除接觸孔150內(nèi)的殘留聚合物及半導(dǎo)體襯底100表面的自然氧化層。

上述清洗工藝為氬氣濺射原位預(yù)清洗工藝。所述清洗工藝中，氬氣被激發(fā)到等離子態(tài)并被施予最大的速度，且由于氬氣的原子尺寸較大，所形成的離子可以用很大的力量轟擊接觸孔150表面，使聚合物脫離接觸孔150表面而最終被真空泵吸走。所述清洗工藝中，氣體本身不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。接觸孔150表面不會(huì)留下任何所述自然氧化層和所述聚合物，可以保持接觸孔150的純凈性；同時(shí)所述清洗工藝與后續(xù)沉積工藝在同一機(jī)臺(tái)中進(jìn)行，不僅使半導(dǎo) 體襯底100不再暴露在空氣中，同時(shí)縮短了兩步工藝步驟間的停留時(shí)間以減少整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝時(shí)間。

參考圖6，在接觸孔150側(cè)壁、底部和介電層140表面沉積鈦層160和氮化鈦層170。

本實(shí)施例中，所述鈦層160和氮化鈦層170的工藝具體可以為：采用物理氣相沉積法在接觸孔150側(cè)壁、底部和介電層140表面形成鈦層160；然后，采用化學(xué)氣相沉積法在鈦層160表面沉積氮化鈦層170。

所述鈦層160的厚度為所述鈦層160不僅與接觸孔150底部的半導(dǎo)體襯底100和接觸孔150側(cè)壁的氧化硅具有良好的黏附性，且在后續(xù)高溫毫秒級(jí)熱退火工藝后與源極110、漏極120位置處的接觸孔150底部半導(dǎo)體襯底100中的硅反應(yīng)生成硅化鈦層，以降低接觸孔栓塞的接觸電阻。

所述氮化鈦層170的厚度為所述氮化鈦層170用氮化鈦?zhàn)鳛椴牧系脑蛟谟冢旱佒袛U(kuò)散所需的激活能量很高，同時(shí)氮化鈦具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，其熔點(diǎn)為2950℃，電阻率只有27μΩ·cm-75μΩ·cm，作為擴(kuò)散阻擋層，可以防止后續(xù)向接觸孔150填充導(dǎo)電層時(shí)所用反應(yīng)物WF6與源極110、漏極120位置處的接觸孔150底部的半導(dǎo)體襯底100中的硅發(fā)生反應(yīng)，也可以防止向接觸孔150內(nèi)填充導(dǎo)電層時(shí)所用反應(yīng)物WF6與所述鈦層160發(fā)生反應(yīng)；所述反應(yīng)的生成物在導(dǎo)電層的沉積表面上會(huì)產(chǎn)生突起而成為接觸孔栓塞的雜質(zhì)，使接觸孔栓塞電阻偏大，甚至使器件與后端金屬層無(wú)法正常連通而導(dǎo)致低良率問(wèn)題，因此在導(dǎo)電層的填充工藝前需沉積氮化鈦層170，防止所述反應(yīng)的發(fā)生，從而提高了導(dǎo)電層的形成質(zhì)量，保證了產(chǎn)品的成品率。此外，由于后續(xù)在接觸孔150內(nèi)填充的導(dǎo)電層在一些絕緣層上的襯墊能力特別弱，如：熱氧化物、等離子增強(qiáng)氧化物或等離子增強(qiáng)氮化硅等，而對(duì)氮化鈦的襯墊性較好，且氮化鈦與這些絕緣物質(zhì)的襯墊性也較好，通過(guò)在鈦層160上沉積氮化鈦層170，可以將導(dǎo)電層很好的襯墊在接觸孔150表面，增加導(dǎo)電層和接觸孔150之間的黏附性，起到了接觸孔襯墊層的作用。

通過(guò)鈦層160和氮化鈦層170的沉積，最終在接觸孔150底部形成了由上而下為氮化鈦和鈦和硅的三層結(jié)構(gòu)，結(jié)合鈦和氮化鈦各自的特性，使接觸 結(jié)構(gòu)具有更低的接觸電阻，并且具有相當(dāng)高的熱穩(wěn)定性。

參考圖7，在接觸孔150內(nèi)形成導(dǎo)電層180，所述導(dǎo)電層180的頂面與介電層140表面齊平。

本實(shí)施例中，形成導(dǎo)電層180的工藝具體可以為：采用化學(xué)氣相沉積法在介電層140上形成導(dǎo)電層180，且所述導(dǎo)電層180填充滿(mǎn)接觸孔150；采用化學(xué)機(jī)械研磨工藝平坦化導(dǎo)電層180至露出介電層140表面。

所述導(dǎo)電層180的材料為鎢。所述化學(xué)氣相沉積法形成導(dǎo)電層180的工藝具體可以為：首先使用硅烷還原反應(yīng)形成一層薄鎢，所述反應(yīng)在133.3Pa氣壓下進(jìn)行，然后再使用氫氣還原反應(yīng)沉積剩余厚度的金屬鎢，以形成導(dǎo)電層180，所述反應(yīng)氣壓為3E3Pa至1E4Pa，形成的導(dǎo)電層180厚度為最后通過(guò)化學(xué)機(jī)械研磨工藝平坦化導(dǎo)電層180直至露出介電層140表面。

參考圖8，采用800℃-900℃的高溫進(jìn)行高溫毫秒級(jí)熱退火工藝，圖中箭頭表示所述高溫毫秒級(jí)熱退火工藝中的熱源。

本實(shí)施例中，在導(dǎo)電層180沉積并研磨后采用高溫毫秒級(jí)熱退火工藝使鈦層160與源極110、漏極120位置處的接觸孔150底部的半導(dǎo)體襯底100中的硅反應(yīng)生成介于C-49相和C-54相之間的硅化鈦層190，有效地降低了接觸孔150底部中源極110和漏極120位置處的接觸電阻，提高接觸孔的質(zhì)量；所述高溫毫秒級(jí)熱退火工藝并不會(huì)影響接觸孔栓塞形成工藝中硅化鈦層190的形成質(zhì)量，起到了與現(xiàn)有技術(shù)下硅化鈦層190的形成質(zhì)量相同的作用。

所述高溫毫秒級(jí)熱退火的工藝溫度為800℃至900℃，工藝時(shí)間為250μs至500μs。

在所述高溫毫秒級(jí)熱退火過(guò)程中需通入氮?dú)?、氬氣或氦氣的一種或多種惰性氣體以保護(hù)硅片，所述惰性氣體總流量為1000sccm至10000sccm。由于所述高溫毫秒級(jí)熱退火工藝，在高溫條件下退火時(shí)間很短，峰值溫度下駐留時(shí)間為250μs至500μs，對(duì)器件熱預(yù)算影響很小，既能激活摻雜離子又能抑制摻雜離子的擴(kuò)散，從而保證器件電性能不產(chǎn)生偏移。

所述高溫毫秒級(jí)熱退火工藝中，工藝溫度需要與工藝時(shí)間搭配設(shè)定。

當(dāng)工藝溫度低于800℃或時(shí)間少于250μs時(shí)，所述高溫毫秒級(jí)熱退火工藝提供的熱量不足，導(dǎo)致器件的金屬硅化物電阻升高；當(dāng)工藝溫度高于900℃或工藝時(shí)間多于500μs時(shí)，將引起器件的電性能偏移。

同時(shí)將高溫毫秒級(jí)熱退火工藝的進(jìn)行時(shí)間做出調(diào)整，由現(xiàn)有在氮化鈦層170沉積后進(jìn)行，更改至在導(dǎo)電層180研磨后進(jìn)行，縮短了氮化鈦層170沉積及導(dǎo)電層180填充工藝的間隔時(shí)間，形成高質(zhì)量的接觸孔栓塞。

本發(fā)明通過(guò)以高溫毫秒級(jí)熱退火工藝代替現(xiàn)有技術(shù)的均溫退火工藝，保證了器件電性特性不發(fā)生偏移；同時(shí)將所述高溫毫秒級(jí)熱退火時(shí)間由在氮化鈦層沉積之后進(jìn)行，改為在接觸孔導(dǎo)電層的研磨工藝后進(jìn)行，不僅不會(huì)影響鈦層與源極和漏極位置處的接觸孔底部的半導(dǎo)體襯底中的硅反應(yīng)生成硅化鈦的質(zhì)量，且縮短了氮化鈦層沉積和導(dǎo)電層填充工藝的間隔時(shí)間，提高了接觸孔栓塞的形成質(zhì)量。

雖然本發(fā)明披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動(dòng)與修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。