一种双接触孔刻蚀停止层的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种双接触孔刻蚀停止层的制作方法，通过在MOS器件作为接触孔刻蚀停止层的高张应力氮化硅层上，以由氮化硅层和氧化硅层交替组成的多层叠层作为PMOS区域的紫外光阻挡层，对PMOS、NMOS区域的高张应力氮化硅层进行选择性的紫外光固化处理，得到在PMOS区域上覆盖张应力相对较低的高张应力氮化硅层，而在NMOS区域上覆盖张应力相对较高的高张应力氮化硅层，实现在PMOS、NMOS区域具有不同高张应力的氮化硅双接触孔刻蚀停止层，既避免了单步高张应力氮化硅沉积对PMOS器件空穴迁移率的消极影响，又避免了两步氮化硅沉积形成双接触孔刻蚀停止层工艺的复杂性，实现用较低的成本提升了器件的电性能。
【专利说明】一种双接触孔刻蚀停止层的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体集成电路制造【技术领域】，更具体地，涉及一种基于应变硅技术的双接触孔刻蚀停止层的制作方法。
【背景技术】
[0002]随着CMOS集成电路制造工艺的发展以及关键尺寸的缩小，很多新的方法被运用到器件制造工艺中，用以改善器件性能。高应力氮化硅薄膜由于能够有效提高MOS管载流子迁移率，进而提高器件运行速度，因此被引入到集成电路制造工艺中。PMOS沟道方向上的压应力能提高PMOS器件中空穴迁移率，而NMOS沟道方向上的张应力能提高NMOS器件中电子迁移率。
[0003]请参阅图1，图1是现有的在MOS器件上形成高应力氮化硅薄膜接触孔刻蚀停止层的器件结构示意图。如图所示，在MOS器件I上形成有高应力氮化硅薄膜2作为接触孔刻蚀停止层。从器件的性能上讲，PMOS器件上需要压应力高的氮化硅接触孔刻蚀停止层，而NMOS器件上需要张应力高的氮化硅接触孔刻蚀停止层。这就要求应用Dual CESL工艺(双接触孔刻蚀停止层工艺)。
[0004]传统的Dual CESL工艺需要进行两步氮化硅沉积，其主要流程为高张应力氮化硅沉积(包括紫外光固化工艺)一氧化硅掩膜层沉积一光刻一去除PMOS区域的高张应力氮化硅层一高压应力氮化硅沉积一光刻一去除NMOS区域的高压应力氮化硅层。由于在传统的Dual CESL工艺中需要进行两步光刻，以去除PMOS区域的高张应力氮化硅和NMOS区域的高压应力氮化硅，因此，该工艺极大地增加了工艺成本以及工艺复杂性。所以，目前广泛采用的还是Single CESL工艺，即采用单步氮化硅沉积工艺形成CESL层(接触孔刻蚀停止层)。一般而言，由于NMOS器件中的电子迁移率指标显得更关键，所以，一般的Single CESL工艺就是在PMOS区域和NMOS区域同时采用高张应力氮化硅形成接触孔刻蚀停止层。
[0005]高张应力氮化娃薄膜(High Tensile Stress SiN)是在PECVD(等离子体增强化学气相沉积系统)中沉积得到的，反应物为硅烷(SiH4)和氨气(NH3),需要利用射频激发等离子体维持反应的进行。由于这种方法形成的氮化硅薄膜中含有大量的H(氢原子)，其结构疏松，以致应力达不到要求，只有约0.7Gpa。所以，接下来还需要对薄膜进行UV cure (紫外光固化)，利用紫外光破坏薄膜中的氢键，使氢原子形成氢气析出，而留下的悬挂键S1-与N-能形成S1-N键。这样，氮化硅薄膜的空间网络结构发生变化，从而可形成应力满足要求的高张应力氮化硅薄膜。目前，通过PECVD沉积得到的张应力氮化硅薄膜的应力极限为1.7Gpa左右(经紫外光固化之后)，能够显著提高NMOS的性能。所以，通常以这种氮化硅薄膜作为接触孔刻蚀阻挡层，其厚度一般为300?600A。
[0006]但是，采用Single CESL工艺在PMOS区域和NMOS区域同时形成了高张应力氮化硅接触孔刻蚀停止层，而高张应力氮化硅的存在对PMOS器件的电性能是有不利影响的，故Single CESL工艺毕竟是以牺牲PMOS器件中的空穴迁移率为代价的一种折中方法。因此，如何避免单步高张应力氮化硅沉积对PMOS器件的消极影响，以及避免两步氮化硅沉积形成双接触孔刻蚀停止层工艺的复杂性，成为当前业界的一个重要课题。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种双接触孔刻蚀停止层的制作方法，通过在MOS器件上沉积高张应力氮化硅层作为接触孔刻蚀停止层、沉积非晶碳层作为高张应力氮化硅层的保护层，并以由氮化硅层和氧化硅层交替组成的多层叠层作为MOS器件PMOS区域的紫外光阻挡层，对MOS器件PM0S、NM0S区域的高张应力氮化硅层进行选择性的紫外光固化处理，实现在PMOS、NMOS区域具有不同张应力的高张应力氮化硅双接触孔刻蚀停止层，可以避免单步高张应力氮化硅沉积对PMOS器件空穴迁移率的消极影响，又可避免两步氮化硅沉积形成双接触孔刻蚀停止层工艺的复杂性。
[0008]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0009]一种双接触孔刻蚀停止层的制作方法，包括以下步骤:
[0010]步骤一:提供一MOS器件，在所述MOS器件上沉积一层高张应力氮化硅层作为接触孔刻蚀停止层；
[0011]步骤二:在所述高张应力氮化硅层上沉积一层非晶碳层作为所述高张应力氮化硅层的保护层；
[0012]步骤三:在所述非晶碳层上依次交替沉积氮化硅层、氧化硅层，形成由所述氮化硅层和所述氧化硅层组成的多层叠层，作为紫外光阻挡层；
[0013]步骤四:将所述MOS器件NMOS区域的所述叠层去除；
[0014]步骤五:对所述高张应力氮化硅层进行紫外光固化处理；
[0015]步骤六:将所述MOS器件PMOS区域的所述叠层去除，然后，去除所述非晶碳层，以在所述MOS器件上形成具有不同高张应力的氮化硅双接触孔刻蚀停止层。
[0016]在上述技术方案中，由于PMOS区域在紫外光固化的过程中依然保留着由氮化硅层和氧化硅层交替组成的多层叠层，而此多层叠层可通过具有不同折射率的空气、氮化硅层和氧化硅层的介质界面，对紫外光进行反射，使紫外光在通过多层叠层、非晶碳层到达下面的高张应力氮化硅层的过程中光强逐步衰减。氮化硅层和氧化硅层交替沉积的重复次数，决定了最终到达高张应力氮化硅层的紫外光的强度。所以，在经过紫外光固化后，PMOS区域的高张应力氮化硅层的张应力的提高程度将受到明显影响。这种相对较低的张应力状态明显降低了对PMOS器件电性能的不利影响。而对于NMOS区域的高张应力氮化硅层，因由氮化硅层和氧化硅层交替组成的多层叠层已被去除，所以其紫外光固化过程不会受到影响，在紫外光固化工艺之后，该区域的高张应力氮化硅层将可以达到1.7Gpa左右的极限张应力，能够显著提高NMOS器件中的电子迁移率。
[0017]本发明通过将由氮化硅层和氧化硅层交替组成的多层叠层作为PMOS区域的紫外光阻挡层，对PMOS、NMOS区域的高张应力氮化硅层进行选择性的紫外光固化过程，实现在PM0S.NM0S区域具有不同高张应力的氮化硅双接触孔刻蚀停止层，即可在PMOS区域上覆盖张应力相对较低的高张应力氮化硅层,在NMOS区域上覆盖张应力相对较高的高张应力氮化硅层。因此，本发明可以避免单步高张应力氮化硅沉积对PMOS器件的消极影响，又可避免两步氮化硅沉积形成双接触孔刻蚀停止层工艺的复杂性。而且，本发明的工艺方法相对传统的双接触孔刻蚀停止层工艺要更简单，成本更低。
[0018]优选的，步骤一中，所述高张应力氮化硅层的沉积厚度为300?1000A。
[0019]优选的，步骤二中，所述非晶碳层的沉积厚度为1000?5000A。
[0020]优选的，步骤三中，所述叠层中的所述氮化硅层的层数为3层及以上，所述氧化硅层的层数为2层及以上。
[0021 ] 优选的，步骤三中，所述叠层中的最上层为所述氮化硅层。
[0022]优选的，步骤三中，每层所述氮化硅层的厚度为100?300A。
[0023]优选的，步骤三中，每层所述氧化硅层的厚度为100?300A。
[0024]优选的，步骤四中，采用光刻工艺，用光刻胶覆盖所述MOS器件的PMOS区域，然后，采用干法刻蚀工艺去除所述MOS器件NMOS区域的所述叠层。
[0025]优选的，步骤五中，采用波长为190?400nm的紫外光对所述高张应力氮化硅层进行紫外光固化处理。
[0026]优选的，步骤六中，先采用等离子氧化工艺去除所述MOS器件PMOS区域的所述光刻胶，然后采用干法刻蚀工艺去除所述MOS器件PMOS区域的所述叠层，最后采用等离子氧化工艺去除所述非晶碳层。
[0027]从上述技术方案可以看出，本发明通过在MOS器件上沉积高张应力氮化硅层作为接触孔刻蚀停止层、沉积非晶碳层作为高张应力氮化硅层的保护层，并在非晶碳层上以由氮化硅层和氧化硅层交替组成的多层叠层作为MOS器件PMOS区域的紫外光阻挡层，对MOS器件PM0S、NM0S区域的高张应力氮化硅层进行选择性的紫外光固化处理，得到在PMOS区域上覆盖张应力相对较低的高张应力氮化硅层，在NMOS区域上覆盖张应力相对较高的高张应力氮化硅层，实现在PMOS、NMOS区域具有不同高张应力的氮化硅双接触孔刻蚀停止层，既可以避免单步高张应力氮化硅沉积对PMOS器件空穴迁移率的消极影响，又可避免两步氮化硅沉积形成双接触孔刻蚀停止层工艺的复杂性。而且，本发明的工艺方法相对传统的双接触孔刻蚀停止层工艺要更简单，成本更低，因而具有用较低的成本提升了器件电性能的显著进步。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是现有的在MOS器件上形成高应力氮化硅薄膜接触孔刻蚀停止层的器件结构示意图；
[0029]图2是本发明一种双接触孔刻蚀停止层的制作方法的流程图；
[0030]图3?图11是本发明一实施例中根据图2的制作方法制作双接触孔刻蚀停止层的器件结构示意图；
[0031]图12是多层叠层的局部结构放大示意图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图，对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。当然本发明并不局限于下述具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
[0033]需要说明的是，在下述的实施例中，利用图3?图12的示意图对按本发明的双接触孔刻蚀停止层的制作方法形成的器件结构进行了详细的表述。在详述本发明的实施方式时，为了便于说明，各示意图不依照一般比例绘制并进行了局部放大及省略处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定。
[0034]请参阅图2，图2是本发明一种双接触孔刻蚀停止层的制作方法的流程图。同时，请对照参考图3?图11以及图12，图3?图11是本发明一实施例中根据图2的制作方法制作双接触孔刻蚀停止层的器件结构示意图；图12是作为紫外光阻挡层的氮化硅-氧化硅多层叠层的局部结构放大示意图。图3?图11中示意的器件结构，分别与图2中的各制作步骤相对应，以便于对本发明方法的理解。
[0035]如图2所示，本发明提供了一种双接触孔刻蚀停止层的制作方法，包括:
[0036]如框I所示，步骤一:提供一 MOS器件，在所述MOS器件上沉积一层高张应力氮化硅层作为接触孔刻蚀停止层。
[0037]请参考图3，在已制作完成的MOS器件3上沉积一层高张应力氮化硅层4作为接触孔刻蚀停止层。MOS器件3的制作工艺与现有工艺相同，MOS器件3具有NMOS区域9和PMOS区域8。氮化硅层4可采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法沉积形成，反应气体可包括SiH4 (硅烷)和NH3 (氨气)，但不限于此。沉积厚度为300?1000A。反应过程需要利用射频激发等离子体以维持反应的进行。作为一个实例，氮化硅层4的沉积厚度可为600A，此时氮化硅层4的应力大概为0.7Gpa左右。
[0038]如框2所示，步骤二:在所述高张应力氮化硅层上沉积一层非晶碳层作为所述高张应力氮化硅层的保护层。
[0039]请参考图4，在高张应力氮化硅层4上沉积一层非晶碳层5，作为高张应力氮化硅层的保护层。在后续的步骤中，由于需要去除非晶碳层上的紫外光阻挡层(详见后文说明)，为了避免去除紫外光阻挡层时对高张应力氮化硅层造成破坏，因而沉积此非晶碳层5，作为高张应力氮化硅层在去除紫外光阻挡层时的刻蚀阻挡层，来保护下面的高张应力氮化硅层4薄膜。非晶碳层5的厚度可为1000?5000A，可采用现有的工艺方法生成。作为一个实例，可在高张应力氮化娃层4上沉积厚度为3000A的非晶碳层5。
[0040]如框3所示，步骤三:在所述非晶碳层上依次交替沉积氮化硅层、氧化硅层，形成由所述氮化硅层和所述氧化硅层组成的多层叠层，作为紫外光阻挡层。
[0041]请参考图5，在非晶碳层5上沉积形成一叠层6，此叠层6的作用是在后续步骤中对高张应力氮化硅层4进行紫外光固化处理时，作为PMOS区域8的紫外光阻挡层，以减弱紫外光对PMOS区域8的高张应力氮化硅层4的辐射光强(详见后文说明)。
[0042]请参考图12，图5中的叠层6由依次交替沉积的氮化硅层和氧化硅层组成。作为本发明的一个优选实施例，叠层6由在非晶碳层5上依次交替沉积的3层氮化硅层10-1、10-2、10_3和2层氧化娃层11-1、11_2组成多层叠层。叠层6中的最上层为氮化娃层10_3。每层氮化硅层的厚度为100?300A ;每层氧化硅层的厚度为100?300A。需要说明的是，理论上，叠层6中氮化硅层和氧化硅层的交替层数越多，对紫外光的阻挡效果越大(其阻挡机理将在后文详述)，但需要结合器件的设计要求来决定。因此，作为本发明的其他可选实施例，叠层可由3层以上的氮化硅层和2层以上的氧化硅层组成多层叠层；并且，氮化硅层和氧化硅层的层数可以相同，此时的叠层中的最上层将变为氧化硅层。
[0043]如框4所示，步骤四:将所述MOS器件NMOS区域的所述叠层去除。
[0044]请参考图6，采用光刻工艺，在整个MOS器件3上进行光刻胶7涂布，即在整个MOS器件3上方将NMOS区域9和PMOS区域8的叠层6进行覆盖。
[0045]请参考图7，通过曝光显影，将NMOS区域9的光刻胶7去除(图示为NMOS区域9的光刻胶7已去除状态)，使NMOS区域9的叠层6暴露出来，而PMOS区域8上方仍被光刻胶7所覆盖。
[0046]请参考图8，采用干法刻蚀工艺，利用含氟等离子体气体刻蚀去除NMOS区域9的叠层6 (图示为NMOS区域9的叠层6已去除状态)。
[0047]如框5所示，步骤五:对所述高张应力氮化硅层进行紫外光固化处理。
[0048]请参考图9，在如图9所示的器件状态下，采用波长为190~400nm的紫外光，例如波长为193nm的紫外光，对高张应力氮化硅层进行紫外光固化处理(图中向下的空心箭头代表紫外光的照射方向)。
[0049]采用等离子体增强化学气相沉积方法形成的氮化硅薄膜中含有大量的H(氢原子)，其结构疏松，以致应力达不到要求，只有约0.7Gpa。所以，还需要对薄膜进行UVcure (紫外光固化)，利用紫外光破坏薄膜中的氢键，使氢原子形成氢气析出，而留下的悬挂键S1-与N-能形成S1-N键。这样，氮化硅薄膜的空间网络结构发生变化，从而可形成应力极限为1.7Gpa左右的氮化硅薄膜，能够显著提高NMOS的性能。
[0050]由于PMOS区域8在紫外光固化的过程中依然保留着由氮化硅层和氧化硅层交替组成的多层叠层6，而此多层叠层6可通过具有不同折射率的空气、
[0051]氮化硅层和氧化硅层的介质界面，对紫外光进行反射，使紫外光在通过多层叠层
6、非晶碳层5到达下面的高张应力氮化硅层4的过程中光强逐步衰减。氮化硅层和氧化硅层交替沉积的重复次数，决定了最终到达高张应力氮化硅层的紫外光的强度。
[0052]根据光的反射原理，光在两种折射率不同的介质的界面处会发生反射。当光束接近正入射(入射角约等于90度)时，反射率计算公式是:
[0053]R= (nl-n2)2/(nl+n2)2
[0054]其中，R代表反射率，nl、n2分别是两种介质的真实折射率(即相对于真空的折射率)。
[0055]以上述如图12所示的具有3层氮化硅层10-1、10-2、10-3和2层氧化硅层11_1、11-2的叠层为例，根据已有数据，在193nm波长的紫外光下，氮化硅薄膜的折射率是2.7左右，氧化硅为1.5左右，非晶碳膜为1.5左右，空气为I。将数据代入上述反射率计算公式，可得到紫外光在各层的透过率(即1-反射率)及紫外光抵达高张应力氮化硅层4时的总透过率，如下表所示:
[0056]
【权利要求】
1.一种双接触孔刻蚀停止层的制作方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一:提供一MOS器件，在所述MOS器件上沉积一层高张应力氮化硅层作为接触孔刻蚀停止层； 步骤二:在所述高张应力氮化硅层上沉积一层非晶碳层作为所述高张应力氮化硅层的保护层； 步骤三:在所述非晶碳层上依次交替沉积氮化硅层、氧化硅层，形成由所述氮化硅层和所述氧化硅层组成的多层叠层，作为紫外光阻挡层； 步骤四:将所述MOS器件NMOS区域的所述叠层去除； 步骤五:对所述高张应力氮化硅层进行紫外光固化处理； 步骤六:将所述MOS器件PMOS区域的所述叠层去除，然后，去除所述非晶碳层，以在所述MOS器件上形成具有不同高张应力的氮化硅双接触孔刻蚀停止层。
2.根据权利要求1所述的双接触孔刻蚀停止层的制作方法，其特征在于，步骤一中，所述高张应力氮化硅层的沉积厚度为300?1000A。
3.根据权利要求1所述的双接触孔刻蚀停止层的制作方法，其特征在于，步骤二中，所述非晶碳层的沉积厚度为1000?5000A。
4.根据权利要求1所述的双接触孔刻蚀停止层的制作方法，其特征在于，步骤三中，所述叠层中的所述氮化硅层的层数为3层及以上，所述氧化硅层的层数为2层及以上。
5.根据权利要求1或4所述的双接触孔刻蚀停止层的制作方法，其特征在于，步骤三中，所述叠层中的最上层为所述氮化硅层。
6.根据权利要求1或4所述的双接触孔刻蚀停止层的制作方法，其特征在于，步骤三中，每层所述氮化硅层的厚度为100?300A。
7.根据权利要求1或4所述的双接触孔刻蚀停止层的制作方法，其特征在于，步骤三中，每层所述氧化硅层的厚度为100?300A。
8.根据权利要求1所述的双接触孔刻蚀停止层的制作方法，其特征在于，步骤四中，采用光刻工艺，用光刻胶覆盖所述MOS器件的PMOS区域，然后，采用干法刻蚀工艺去除所述MOS器件NMOS区域的所述叠层。
9.根据权利要求1所述的双接触孔刻蚀停止层的制作方法，其特征在于，步骤五中，采用波长为190?400nm的紫外光对所述高张应力氮化硅层进行紫外光固化处理。
10.根据权利要求1所述的双接触孔刻蚀停止层的制作方法，其特征在于，步骤六中，先采用等离子氧化工艺去除所述MOS器件PMOS区域的所述光刻胶，然后采用干法刻蚀工艺去除所述MOS器件PMOS区域的所述叠层，最后采用等离子氧化工艺去除所述非晶碳层。
【文档编号】H01L21/318GK104201101SQ201410428687
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】雷通, 周海锋, 方精训 申请人:上海华力微电子有限公司