一种用于功率MOSFET低欧姆接触金属结构的制造方法

摘要

本发明提供了一种用于功率MOSFET低欧姆接触金属结构的制造方法，其方法步骤是：按照功率MOSFET的常规方法完成body区、源区、栅介质层、多晶硅、介质层从下往上依次覆盖而成准备待加工器件后；在待加工器件表面依次溅射Ti和TiN；然后进行退火工艺；再进行剥离TiN和Ti，在接触孔底部形成TiSi层，并牢固黏附在接触孔底部；最后溅射互连金属铝薄膜、光刻并刻互连金属铝薄膜及合金，在接触孔底部的TiSi表面和介质层表面形成互联金属铝薄膜，从而形成所述用于功率MOSFET的低欧姆接触金属结构。本发明消除了TiN应力与厚铝应力叠加造成的圆片翘曲、I线投影光刻机无法吸片的问题，同时保持了低欧姆接触的优点，可广泛用于功率MOSFET的工艺制造领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种互连金属结构的制造方法，特别涉及一种用于 功率MOSFET、低欧姆接触金属结构的制造方法，属于半导体器件制 造领域。

背景技术

在功率MOSFET器件制造领域，大量使用钛(Ti)/氮化钛(TiN) /铝复合金属结构作为MOSFET器件的金属电极，其中Ti与半导体硅 或多晶硅接触，通过一定的高温退火形成欧姆接触；TiN用于铝与绝 缘介质层(二氧化硅、氮化硅等)的粘附层，保证铝与绝缘介质层的 良好粘附；铝用于制作功率MOSFET的互连金属，其中铝可以是铝硅 铜(AlSiCu)、硅铝(AlSi)、铝铜(AlCu)等，最多地使用AlSiCu。 在Ti/TiN/AlSiCu复合金属结构的制造工艺中，目前均采用如图1所 示的制造步骤，其工艺特点是：(1)Ti/TiN在磁控溅射设备的同一 腔室溅射形成；(2)通过一定温度退火使Ti与硅形成钛硅化物 (TiSi)；(3)光刻刻蚀时，使用同一刻蚀工艺菜单完成Ti/TiN/AlSiCu 复合金属结构刻蚀；(4)在绝缘介质层上的互连金属结构为 Ti/TiN/AlSiCu。在半导体工艺制造领域，国外有相关专利技术要求 了一种价格低廉的接触金属结构，该金属薄膜层结构为Ti/TiN/Ti， 在同一溅射腔室中溅射完成，不仅形成良好的欧姆接触，还可以减少 工艺时间，降低成本。类似的，也有专利技术要求了一种Ti/TiN的 形成方法，在Ti溅射完成后，在同一腔室中TiN采用一边溅射Ti、 一边通氮气(N2)的方式原位淀积形成，该工艺可以改善Al的晶粒。

尽管如此，背景技术存在如下问题：复合金属结构存在TiN应力 与互连金属铝的应力失配，应力失配会引起圆片细微变形，圆片细微 变形会造成套刻精度差，严重时会造成光刻机吸片系统无法吸片，从 而造成圆片报废。特别地，对于采用Ti/TiN/铝复合金属结构的硅栅 非自对准功率MOSFET，互连金属铝采用厚铝(≥2μm)保证大功率 转换、采用I线投影光刻机光刻保证套刻精度、采用多项目芯片共版 降低产品开发成本，在金属互连(M1)光刻时，由于厚铝应力与TiN 应力的叠加，加大了圆片的翘曲，造成I线光刻机无法吸片，增加了 圆片报废率。

发明内容

为了克服上述背景技术在功率MOSFET中应用出现的圆片翘曲、I 线投影光刻机无法吸片的问题，本发明提供了一种用于功率MOSFET 低欧姆接触金属结构的制造方法，实现了减小复合金属结构应力、降 低圆片翘曲、I线光刻机正常吸片的目的。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种用于功率 MOSFET低欧姆接触金属结构的制造方法，其特征在于：

按照功率MOSFET的常规方法完成body区、源区、栅介质层、多晶 硅、介质层从下往上地依次覆盖而成准备待加工器件，所述的待加工 器件由衬底、外延层、栅介质层、介质层和多晶硅从下往上地依次覆 盖而成。所述栅介质层的中间和多晶硅的中间形成孔洞Ⅰ。

外延层内部形成body区，body区的内部形成源区。body区的上端 露出外延层的上表面。源区的上端露出body区的上表面。形成的body 区表面包括外围上表面及被源区围绕在中心的body区上表面。栅介质 层和多晶硅的下表面完全覆盖外延层的上表面及body区的外围上表 面，覆盖源区的部分上表面。源区的未被覆盖的上表面及被源区围绕 在中心的body区上表面裸露，形成孔洞Ⅰ的底部。

所述介质层完全覆盖多晶硅的表面、源区裸露的上表面和被源区 围绕在中心的body区上表面，介质层从而在孔洞Ⅰ的位置凹陷形成孔 洞II。

一种用于功率MOSFET低欧姆接触金属结构的制造方法，包括以 下步骤：

1)待加工器件后，在介质层孔洞II部位经过完全刻蚀形成接触 孔。接触孔形状为口大底小，类似于碗状，接触孔中央部位为body 区，body区周围被源区的上表面围绕。经过刻蚀后，介质层表面包括 形成接触孔的圆周表面以及介质层上表面。

2)待加工器件完成步骤1后，进行溅射工艺。使用磁控溅射台在 同一腔室中射频对待加工器件先溅射Ti，接触孔底部和介质层表面都 覆盖一层Ti层，Ti层厚度为27nm～33nm。然后对待加工器件再溅射 TiN，接触孔底部和介质层表面的Ti层上再覆盖一层TiN层，TiN层厚 度为81nm～99nm。完成溅射工艺后，待加工器件的介质层的表面覆盖 Ti层和TiN层。

3)待加工器件完成步骤2后，进行退火工艺。采用RTP设备对待 加工器件快速退火。待加工器件接触孔底部的Ti/TiN层发生化学反应 变成TiSi层。介质层表面的Ti层和TiN层没有变化。

4)待加工器件完成步骤3后，进行剥离和漂洗工艺。采用 NH₄OH:H₂O₂:H₂O溶液体积配比为4:5:20，对Ti层和TiN层进行剥离， 剥离时间为35min～50min。然后再采用H₂SO₄:H₂O₂溶液体积配比为 4:1进行漂洗，漂洗时间为5min～15min。经过该剥离和漂洗过程后， 介质层表面的Ti层和TiN层被剥离，接触孔底部的TiSi层牢固黏附在 接触孔底部。

5)待加工器件完成步骤4后，进行互连金属铝溅射工艺，最后在 接触孔底部的TiSi层表面和介质层表面形成互连金属铝薄膜。至此形 成了功率MOSFET的低欧姆接触金属结构。

进一步的，一种用于功率MOSFET低欧姆接触金属结构的制造方法， 剥离Ti层和TiN层的过程工艺是在Ti/TiN退火工艺过程之后，互连金 属铝薄膜溅射过程工艺之前。

进一步的，一种用于功率MOSFET低欧姆接触金属结构的制造方法， 在Ti/TiN进行退火工艺中，采用RTP设备快速退火，退火的条件包括， 退火温度在700℃～730℃、退火时间在15s～45s、退火氮气流量在 2.7L/min～3.3L/min。

进一步的，一种用于功率MOSFET低欧姆接触金属结构的制造方法， 进行金属溅射工艺中，互连金属铝溅射工艺包括溅射互连金属铝薄 膜、光刻并刻蚀互连金属铝薄膜和合金三个过程。溅射互连金属铝薄 膜材料可以为AlSiCu、AlSi或AlCu，互连金属铝薄膜厚度控制在3.6 μm～4.4μm范围。光刻为正胶投影光刻，刻蚀方式包括等离子刻蚀 或湿法腐蚀。合金温度380℃～440℃，合金时间30min～60min，气氛 为氮气。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，具有如下优点：

1)本发明溅射Ti厚度为27nm～33nm，通过退火温度为700℃～ 730℃、退火时间为15s～45s、退火氮气流量为2.7L～3.3L的快速 退火，使Ti与硅形成欧姆接触，可有效降低功率MOSFET器件的导通 电阻；以面积为6mm×5.5mm的一颗N沟道200V功率MOSFET为例， 导通电阻由50mΩ降低为26mΩ；

2)本发明在Ti/TiN退火完成后，将未形成TiSi的Ti和TiN剥 离掉，释放了应力，减小了圆片翘曲，有效解决了因圆片翘曲而I线 投影光刻机无法吸片的问题。

附图说明

图1是常规Ti/TiN/AlSiCu复合金属结构的制造工艺示意图；

图2是本发明提供的低欧姆接触金属结构的制造工艺示意图；

图3是完成body区、源区、栅氧、多晶硅栅和介质工艺后的功 率MOSFET器件剖面示意图；

图4是完成Ti溅射后的功率MOSFET器件剖面示意图；

图5是完成TiN溅射后的功率MOSFET器件剖面示意图；

图6是完成Ti/TiN退火、剥离后的功率MOSFET器件剖面示意图；

图7是完成互连金属铝薄膜溅射、光刻、刻蚀及合金后的功率 MOSFET器件剖面示意图；

图中：1为功率MOSFET衬底的衬底材料、2为外延层、3为body 区、4为源区、5为栅介质层、6为多晶硅、7为介质层、8为接触孔、 9为Ti、10为TiN、11为TiSi、12为互连金属铝薄膜。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本 发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想 的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变 更，均应包括在本发明的保护范围内。

本发明结合示意图进行描述，在描述本发明实施例时，为了便于 说明，示意图中的尺度比例跟具体实施中存在差别，并且所述示意图 只是示例，不应该限制本发明的保护范围。在实际设计和制造过程中 应包含长度、宽度及深度等三维空间尺寸。

实施例1

本实施例的具体制造方法包括：

按照功率MOSFET的常规方法完成body区3、源区4、栅介质层5、 多晶硅6、介质7结构的制作准备待加工器件，所述的待加工器件由衬 底1、外延层2、栅介质层5、多晶硅6和介质层7从下往上地依次覆盖 而成。所述栅介质层5的中间和多晶硅6的中间形成孔洞Ⅰ。

外延层2内部形成body区3，body区3的内部形成源区4；body区3 的上端露出外延层2的上表面，源区4的上端露出body区3的上表面， 形成的body区3表面包括外围上表面及被源区4围绕在中心的body区3 上表面。栅介质层5和多晶硅6的下表面完全覆盖外延层2的上表面及 body区3的外围上表面，覆盖源区4的部分上表面。源区4的未被覆盖 的上表面及被源区4围绕在中心的body区3上表面裸露，形成孔洞Ⅰ的 底部。

所述介质层7完全覆盖多晶硅6的表面、源区4裸露的上表面和被 源区4围绕在中心的body区3上表面，介质层7从而在孔洞Ⅰ的位置凹 陷形成孔洞II。

一种用于功率MOSFET低欧姆接触金属结构的制造方法包括以下 步骤：

1)形成待加工器件后，在介质层7孔洞II部位经过完全刻蚀形成 接触孔8。接触孔8形状为口大底小，类似于碗状。接触孔8中央部位 为body区3，body区3周围被源区4的上表面围绕。经过刻蚀后，介质 层7表面包括形成接触孔8的圆周表面以及介质层7上表面，器件结构 的剖面如图3所示。

2)待加工器件完成步骤1后，进行溅射工艺。采用常规 SPM+HF+SC₁+SC₂方式，进行溅射前清洗。使用磁控溅射台在同一腔室 中射频对待加工器件先溅射Ti，接触孔8底部和介质层7表面都覆盖一 层Ti层9，Ti层9厚度为30nm，器件剖面如图4所示。然后对待加工器 件再溅射TiN，接触孔8底部和介质层7表面的Ti层上再覆盖一层TiN 层10，TiN层10厚度为90nm。完成溅射工艺后，待加工器件的介质层7 的表面覆盖Ti层和TiN层，器件结构的剖面如图5所示。

3)待加工器件完成步骤2后，进行退火工艺。采用RTP设备对待 加工器件快速退火。退火温度715℃、退火时间为30s、退火氮气流量 为3.0L/min。待加工器件接触孔8底部的Ti/TiN层发生化学反应变成 TiSi层11，介质层7表面的Ti层9和TiN层10没有变化。

4)待加工器件完成步骤3后，进行剥离和漂洗工艺。采用 NH₄OH:H₂O₂:H₂O溶液体积配比为4:5:20，对Ti层9和TiN层10进行剥 离，剥离时间为45min。然后再采用H₂SO₄:H₂O₂溶液体积配比为4:1 进行漂洗，漂洗时间为10min。经过该剥离和漂洗过程后，介质层7 表面的Ti层9和TiN层10被剥离，接触孔7底部的TiSi层11牢固黏附在 接触孔7底部，剥离完成后器件结构的剖面如图6所示。

5)待加工器件完成步骤4后，进行金属溅射工艺，最后在接触 孔8底部的TiSi层11表面和介质层7表面形成互连金属铝薄膜12，器件 结构的剖面如图7所示。

I)溅射互连金属铝薄膜的厚度为4.0μm。

II)互连金属铝光刻的过程是先涂2.6μm厚胶，然后经过曝光和 显影操作实现光刻。

III)互连金属铝刻蚀过程，采用湿法腐蚀，剥离液体积组分为 H₃PO₄:CH₃COOH:HNO₃:H₂O，比例为15:1:1:1，剥离时间为8min，温度 控制在42℃。

IV)金属合金：合金温度为435℃，合金时间为30min，合金气 氛为N₂，N₂流量为20L/min。

完成以上工艺后，至此形成了功率MOSFET的低欧姆接触金属结 构，器件结构的剖面图如图7所示，在接触孔8底部的TiSi层11表面、 和介质层7表面形成互连金属铝薄膜12。此结构可有效降低功率 MOSFET器件的导通电阻；以面积为6mm×5.5mm的一颗N沟道200V功率 MOSFET为例，导通电阻由50mΩ降低为26mΩ；且解决了TiN应力与厚 铝应力适配引起的I线光刻机无法吸片的问题，减少圆片报废率。

实施例2

本实施例的具体制造方法包括：

按照功率MOSFET的常规方法完成body区3、源区4、栅介质层5、 多晶硅6、介质7结构的制作准备待加工器件，所述的待加工器件由衬 底1、外延层2、栅介质层5、多晶硅6和介质层7从下往上地依次覆盖 而成。所述栅介质层5的中间和多晶硅6的中间形成孔洞Ⅰ。

外延层2内部形成body区3，body区3的内部形成源区4；body区3 的上端露出外延层2的上表面，源区4的上端露出body区3的上表面， 形成的body区3表面包括外围上表面及被源区4围绕在中心的body区3 上表面。栅介质层5和多晶硅6的下表面完全覆盖外延层2的上表面及 body区3的外围上表面，覆盖源区4的部分上表面。源区4的未被覆盖 的上表面及被源区4围绕在中心的body区3上表面裸露，形成孔洞Ⅰ的 底部。

所述介质层7完全覆盖多晶硅6的表面、源区4裸露的上表面和被 源区4围绕在中心的body区3上表面，介质层7从而在孔洞Ⅰ的位置凹 陷形成孔洞II。

一种用于功率MOSFET低欧姆接触金属结构的制造方法包括以下 步骤：

1)形成待加工器件后，在介质层7孔洞II部位经过完全刻蚀形成 接触孔8。接触孔8形状为口大底小，类似于碗状。接触孔8底部中央 部位为body区3，body区3周围被源区4的上表面围绕。经过刻蚀后， 介质层7表面包括形成接触孔8的圆周表面以及介质层7上表面，器件 结构的剖面如图3所示。

2)待加工器件完成步骤1后，进行溅射工艺。采用常规 SPM+HF+SC₁+SC₂方式，进行溅射前清洗。使用磁控溅射台在同一腔室 中射频对待加工器件先溅射Ti，接触孔8底部和介质层7表面都覆盖一 层Ti层9，Ti层9厚度为27nm，器件结构的剖面如图4所示。然后对待 加工器件再溅射TiN，接触孔8底部和介质层7表面的Ti层上再覆盖一 层TiN层10，TiN层10厚度为81nm。完成溅射工艺后，待加工器件的介 质层7的表面覆盖Ti层和TiN层，器件结构的剖面如图5所示。

3)待加工器件完成步骤2后，进行退火工艺。采用RTP设备对待 加工器件快速退火。退火温度700℃、退火时间为15s、退火氮气流量 为2.7L/min。待加工器件接触孔8底部的Ti/TiN层发生化学反应变成 TiSi层11，介质层7表面的Ti层9和TiN层10没有变化。

4)待加工器件完成步骤3后，进行剥离和漂洗工艺。采用 NH₄OH:H₂O₂:H₂O溶液体积配比为4:5:20，对Ti层9和TiN层10进行剥 离，剥离时间为35min。然后再采用H₂SO₄:H₂O₂溶液体积配比为4:1 进行漂洗，漂洗时间为5min。剥离完成后如图6所示，经过该剥离和 漂洗过程后，介质层7表面的Ti层9和TiN层10被剥离，接触孔7底部的 TiSi层11牢固黏附在接触孔7底部，剥离完成后器件结构的剖面如图6 所示。

5)待加工器件完成步骤4后，进行金属溅射工艺，最后在接触 孔8底部的TiSi层11表面、和介质层7表面形成互连金属铝薄膜12，器 件结构的剖面如图7所示。

I)溅射互连金属铝薄膜的厚度为3.6μm。

II)互连金属铝光刻的过程是先涂2.6μm厚胶，然后经过曝光和 显影操作实现光刻。

III)互连金属铝刻蚀过程，采用湿法腐蚀，剥离液体积组分为 H₃PO₄:CH₃COOH:HNO₃:H₂O，比例为15:1:1:1，剥离时间为5min，温度 控制在40℃。

IV)金属合金：合金温度380℃，合金时间为30min，合金气氛 为N₂，N₂流量为20L/min。

完成以上工艺后，至此形成了功率MOSFET的低欧姆接触金属结 构，器件结构的剖面图如图7所示，在接触孔8底部的TiSi层11表面、 和介质层7表面形成互连金属铝薄膜12。此结构可有效降低功率 MOSFET器件的导通电阻；以面积为6mm×5.5mm的一颗N沟道200V功率 MOSFET为例，导通电阻由50mΩ降低为31mΩ；且解决了TiN应力与厚 铝应力适配引起的I线光刻机无法吸片的问题，减少圆片报废率。

实施例3

本实施例的具体制造方法包括：

按照功率MOSFET的常规方法完成body区3、源区4、栅介质层5、 多晶硅6、介质7结构的制作准备待加工器件，所述的待加工器件由衬 底1、外延层2、栅介质层5、多晶硅6和介质层7从下往上地依次覆盖 而成。所述栅介质层5的中间和多晶硅6的中间形成孔洞Ⅰ。

外延层2内部形成body区3，body区3的内部形成源区4；body区3 的上端露出外延层2的上表面，源区4的上端露出body区3的上表面， 形成的body区3表面包括外围上表面及被源区4围绕在中心的body区3 上表面。栅介质层5和多晶硅6的下表面完全覆盖外延层2的上表面及 body区3的外围上表面，覆盖源区4的部分上表面。源区4的未被覆盖 的上表面及被源区4围绕在中心的body区3上表面裸露，形成孔洞Ⅰ的 底部。

所述介质层7完全覆盖多晶硅6的表面、源区4裸露的上表面和被 源区4围绕在中心的body区3上表面，介质层7从而在孔洞Ⅰ的位置凹 陷形成孔洞II。

一种用于功率MOSFET低欧姆接触金属结构的制造方法包括以下 步骤：

1)形成待加工器件后，在介质层7孔洞II部位经过完全刻蚀形成 接触孔8。接触孔8形状为口大底小，类似于碗状。接触孔8底部中央 部位为body区3，body区3周围被源区4的上表面围绕。经过刻蚀后， 介质层7表面包括形成接触孔8的圆周表面以及介质层7上表面，器件 结构的剖面如图3所示。

2)待加工器件完成步骤1后，进行溅射工艺。采用常规 SPM+HF+SC₁+SC₂方式，进行溅射前清洗。使用磁控溅射台在同一腔室 中射频对待加工器件先溅射Ti，接触孔8底部和介质层7表面都覆盖一 层Ti层9，Ti层9厚度为33nm，器件结构的剖面如图4所示。然后对待 加工器件再溅射TiN，接触孔8底部和介质层7表面的Ti层上再覆盖一 层TiN层10，TiN层10厚度为99nm。完成溅射工艺后，待加工器件的介 质层7的表面覆盖Ti层和TiN层，器件结构的剖面如图5所示。

3)待加工器件完成步骤2后，进行退火工艺。采用RTP设备对待 加工器件快速退火。退火温度730℃、退火时间为45s、退火氮气流 量为3.3L/min。待加工器件接触孔8底部的Ti/TiN层发生化学反应变 成TiSi层11，介质层7表面的Ti层9和TiN层10没有变化。

4)待加工器件完成步骤3后，进行剥离和漂洗工艺。采用 NH₄OH:H₂O₂:H₂O溶液体积配比为4:5:20，对Ti层9和TiN层10进行剥 离，剥离时间为50min。然后再采用H₂SO₄:H₂O₂溶液体积配比为4:1 进行漂洗，漂洗时间为15min。剥离完成后如图6所示，经过该剥离和 漂洗过程后，介质层7表面的Ti层9和TiN层10被剥离，接触孔7底部的 TiSi层11牢固黏附在接触孔7底部，剥离完成后器件结构的剖面如图6 所示。

5)待加工器件完成步骤4后，进行金属溅射工艺，最后在接触 孔8底部的TiSi层11表面、和介质层7表面形成互连金属铝薄膜12，器 件结构的剖面如图7所示。

I)溅射互连金属铝薄膜的厚度为4.4μm。

II)互连金属铝光刻的过程是先涂2.6μm厚胶，然后经过曝光和 显影操作实现光刻。

III)互连金属铝刻蚀过程，采用湿法腐蚀，剥离液体积组分为 H₃PO₄:CH₃COOH:HNO₃:H₂O，比例为15:1:1:1，剥离时间为5min，温度 控制在44℃。

IV)金属合金：合金温度为440℃，合金时间为60min，合金气 氛为N₂，N₂流量为20L/min。

完成以上工艺后，至此形成了功率MOSFET的低欧姆接触金属结 构，器件结构的剖面图如图7所示，在接触孔8底部的TiSi层11表面、 和介质层7表面形成互连金属铝薄膜12。此结构可有效降低功率 MOSFET器件的导通电阻；以面积为6mm×5.5mm的一颗N沟道200V功率 MOSFET为例，导通电阻由50mΩ降低为29mΩ；且解决了TiN应力与厚 铝应力适配引起的I线光刻机无法吸片的问题，减少圆片报废率。