專利名稱：一種金屬柵極/高k柵介質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)的制備和成形方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于半導體技術(shù)領域，特別指一種金屬柵極/高K柵介質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)的制備方法。本發(fā)明適合于32納米及以下技術(shù)代高性能互補型金屬氧化物半導體(CM0Q器件的應用。
背景技術(shù)：
隨著CMOS器件特征尺寸的不斷縮小，高介電常數(shù)(K)柵介質(zhì)和金屬柵電極的應用勢在必行。采用高K介質(zhì)，由于在同樣的等效氧化物厚度(EOT)下有較厚的物理厚度，所以可大大降低柵極漏電流。而金屬柵的采用可消除多晶硅柵的耗盡效應和硼的穿透效應，提高器件可靠性，減小柵電阻。但要把金屬柵/高K介質(zhì)工藝集成的CMOS技術(shù)中仍然面臨著很多挑戰(zhàn)。特別是在先柵工藝CMOS技術(shù)中，高K柵介質(zhì)/金屬柵極疊層結(jié)構(gòu)的刻蝕成形難度很大，包括刻蝕速率、刻蝕選擇比，疊層結(jié)構(gòu)的刻蝕剖面的各向異性程度等都很難同時兼顧好。為降低刻蝕難度和防止后續(xù)源/漏區(qū)高劑量離子注入時離子穿透金屬柵極，可以采用多晶硅/薄層金屬柵疊層結(jié)構(gòu)來代替單一的厚的金屬柵極。即便如此，金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的高度陡直的各向異性刻蝕剖面和對硅襯底和硬掩膜刻蝕的高選擇比仍然是一個非常大的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種金屬柵極/高K柵介質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)的制備方法，不僅可以獲得疊層結(jié)構(gòu)陡直的刻蝕剖面，而且對襯底硅具有良好的刻蝕選擇比，還與CMOS工藝完全兼容，成本低，便于集成電路產(chǎn)業(yè)化。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的金屬柵極/高K柵介質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)的制備和成形方法，其主要步驟為步驟1)在硅襯底上生成一層SiON和SW2界面層；步驟2、在界面層上沉積高K柵介質(zhì)膜；步驟幻對高K介質(zhì)膜進行快速熱退火；步驟4)在高K介質(zhì)上沉積TaN金屬柵電極膜；步驟幻在TaN金屬柵極上沉積多晶硅柵層，然后沉積硬掩膜層；步驟6)光刻形成膠膜圖形，通過反應離子刻蝕對硬掩膜介質(zhì)層進行各向異性刻蝕，將膠膜圖形轉(zhuǎn)移到硬掩膜層；步驟7)去膠，以硬掩膜為掩蔽層，采用Cl2Affir混合氣體反應離子刻蝕多晶硅柵；步驟8)以硬掩膜為掩蔽層，通過BCl3基刻蝕氣體刻蝕對TaN金屬柵/高K柵介質(zhì)疊層進行各向異性和高選擇比刻蝕。所述方法中，步驟1之前先將硅襯底于清洗液中浸泡2-10分鐘進行清洗；清洗液按重量計，氫氟酸異丙醇水為0.2-1. 5% 0.01-0. 10% 1%。所述方法中，步驟1中采用先注入氮再快速熱氧化形成，或先氧化再等離子氮化形成SiON界面層。所述方法中，步驟2中高K柵介質(zhì)膜是Hf基摻雜氧化物Hf 02、Hf ON、Hf SiO、 HfSi0N、HfTa0N、HfA10、HfA10N、HfSiA10N、HfLaO 或 HfLaON ；所述高 K 柵介質(zhì)層通過物理氣相淀積、金屬有機化學氣相淀積或原子層淀積工藝形成。所述方法中，步驟3中快速熱退火溫度600-1000°C，時間10-120秒。所述方法中，步驟4中TaN金屬柵采用隊/Ar氣氛中反應濺射Ta靶形成，或用有機化學氣相淀積或原子層淀積形成。所述方法中，步驟5中硬掩膜介層是氧化硅、氮化硅或其疊層形成。所述方法中，步驟6中硬掩膜的刻蝕采用氟基反應離子刻蝕；氟基反應離子刻蝕采用的是CF4、CHF3或SF6。所述方法中，步驟8中BCl3基刻蝕氣體為BCl3/Cl2/ArA)2的混合氣體；BCl3流量為 20-120sccm，Clji量為 5_30sccm，O2 流量為 2_15sccm，Ar 流量為 10_60sccm ；亥 Ij 蝕功率上電極為120-450W，下電極為30-200W ；腔體工作壓力為4_15m τ ；腔體和電極溫度50_150°C。本發(fā)明不僅可以獲得陡直的疊層結(jié)構(gòu)刻蝕剖面，而且對襯底硅具有良好的刻蝕選擇比。這是由于BCl3氣體不僅可以產(chǎn)生Cl元素與金屬形成揮發(fā)的產(chǎn)物，而且還可以通過形成BOClx揮發(fā)性產(chǎn)物達到刻蝕金屬氧化物目的；另外，由于高K材料也與金屬氧化物相關(guān)， 所以BCl3氣體也可以刻蝕Hf基高K材料。而且BC13氣體可與Si襯底形成起到鈍化襯底作用的Si-B鍵，提高對Si襯底的選擇比。本發(fā)明在高電場、低壓力下采用BCl3/Cl2/Ar/少量A混合氣體作為TaN/高K介質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)的刻蝕氣體，Cl2和&的加入有利于陡直刻蝕剖面的形成，高電場、低壓力有利于陡直刻蝕剖面的形成，適當高的腔體和電極溫度有利于反應副產(chǎn)物揮發(fā)被抽走。通過優(yōu)化上、下電極的功率、氣體的壓強以及其比例，不僅可得到了陡直的刻蝕剖面，而且對硅襯底具有良好的刻蝕選擇比，硅的損耗很小。而且該方法與CMOS 工藝兼容，成本低，為金屬柵極/高K柵介質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)集成到先進的CMOS技術(shù)中攻克了難關(guān)，便于集成電路產(chǎn)業(yè)化。


圖1是本發(fā)明制備完成的硬掩膜/多晶硅/TaN金屬柵極/高K介質(zhì)層/SiO2界面層/硅襯底疊層結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片；圖2是本發(fā)明采用氟基反應離子刻硬掩膜，然后采用Cl2Affir氣體反應離子刻蝕多晶硅柵后的掃描電鏡照片；圖3是本發(fā)明最后采用BCl3/Cl2/02/Ar混合氣體反應離子刻蝕TaN金屬柵極/高 K介質(zhì)層完成的疊層結(jié)構(gòu)的刻蝕后的掃描電鏡照片。
具體實施例方式本發(fā)明是針對32nm/22nm CMOS技術(shù)節(jié)點中必須集成高K柵介質(zhì)/金屬柵極新工藝所面臨的挑戰(zhàn)，提出了一種金屬柵極/高K柵介質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)的制備和成形方法。以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的特征進行說明，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。步驟1)清洗先用常規(guī)方法清洗，然后用氫氟酸/異丙醇/水混合溶液于室溫中浸泡2-10分鐘，氫氟酸/異丙醇/水混合溶液重量濃度比為 0. 2-1. 5% 0. 01-0. 10% 1% ；然后去離子水沖洗，甩干進爐；步驟幻在硅襯底上生成一層超薄的SiON和SW2界面層，界面層SiON采用先注入氮再快速熱氧化形成或先氧化再等離子氮化形成；步驟幻在界面層上沉積高K柵介質(zhì)膜，即Hf基摻雜氧化物，如Hf02、Hf0N、HfSi0、 HfSiON、HfTaON, HfAlO、HfAlON、HfSiAlON、HfLaO, HfLaON 等；所述高 K 柵介質(zhì)層通過物理氣相淀積、金屬有機化學氣相淀積或原子層淀積工藝形成；步驟4)對高K介質(zhì)膜進行快速熱退火，溫度600-1000°C，時間10-120秒；步驟5)沉積TaN金屬柵電極膜，采用N2/Ar氣氛中反應濺射Ta靶形成，也可用有機化學氣相淀積或原子層淀積形成；步驟6)在TaN金屬柵電極上沉積多晶硅柵層，然后沉積硬掩膜層，硬掩膜介層可以是氧化硅、氮化硅或其疊層形成(圖1為制備完成的硬掩膜/多晶硅柵/TaN金屬柵極/ 高K介質(zhì)/S^2界面層/硅襯底疊層結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片)；步驟7)光刻形成膠膜圖形，通過氟基反應離子刻蝕，如CF4、CHF3或SF6等的反應離子刻蝕對硬掩膜介質(zhì)層進行各向異性刻蝕，將膠膜圖形轉(zhuǎn)移到硬掩膜層；步驟8)去膠后，以硬掩膜為掩蔽層，采用Cl2Affir混合氣體反應離子刻蝕多晶硅柵(圖2為刻蝕多晶硅柵后的掃描電鏡照片)；步驟9)進一步以硬掩膜為掩蔽層，通過采用BCl3基刻蝕氣體的干法刻蝕對TaN金屬柵/高K柵介質(zhì)疊層進行各向異性和高選擇比刻蝕。BCl3基刻蝕氣體為BCl3/Cl2/Ar/少量A的混合氣體，其中BCl3流量為20-120sccm，Cl2流量為5_30sccm，O2流量為2_Msccm， Ar流量為10-60sccm ；刻蝕功率上電極為120-450W，下電極為30-200W ；腔體工作壓力為 4-15m τ ；腔體和電極溫度50_150°C (圖3為最后采用BCl3/Cl2/02/Ar混合氣體反應離子刻蝕TaN金屬柵極/高K介質(zhì)層完成的疊層結(jié)構(gòu)刻蝕后的掃描電鏡照片)。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高金屬柵極/高K柵介質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)的制備和成形方法，主要步驟為 步驟1)在硅襯底上生成一層SiON和SiA界面層；步驟2、在界面層上沉積高K柵介質(zhì)膜； 步驟幻對高K介質(zhì)膜進行快速熱退火； 步驟4)在高K介質(zhì)上沉積TaN金屬柵電極膜； 步驟幻在TaN金屬柵極上沉積多晶硅柵層，然后沉積硬掩膜層； 步驟6)光刻形成膠膜圖形，通過反應離子刻蝕對硬掩膜介質(zhì)層進行各向異性刻蝕，將膠膜圖形轉(zhuǎn)移到硬掩膜層；步驟7)去膠，以硬掩膜為掩蔽層，采用Cl2Affir混合氣體反應離子刻蝕多晶硅柵； 步驟8)以硬掩膜為掩蔽層，通過BCl3基刻蝕氣體刻蝕對TaN金屬柵/高K柵介質(zhì)疊層進行各向異性和高選擇比刻蝕。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，步驟1之前先將硅襯底于清洗液中浸泡2-10分鐘進行清洗；清洗液按重量計，氫氟酸異丙醇水為 0. 2-1. 5% 0. 01-0. 10% 1%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，步驟1中采用先注入氮再快速熱氧化形成， 或先氧化再等離子氮化形成SiON界面層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，步驟2中高K柵介質(zhì)膜是Hf基摻雜氧化物 Hf O2, Hf ON, Hf SiO, Hf SiON, Hf TaON, Hf A10, Hf A ION, Hf SiAlON, HfLaO 或 HfLaON ；所述高 K 柵介質(zhì)層通過物理氣相淀積、金屬有機化學氣相淀積或原子層淀積工藝形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，步驟3中快速熱退火溫度600-1000°C，時間 10-120 秒。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，步驟4中TaN金屬柵采用N2/Ar氣氛中反應濺射Ta靶形成，或用有機化學氣相淀積或原子層淀積形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，步驟5中硬掩膜介層是氧化硅、氮化硅或其疊層形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，步驟6中硬掩膜的刻蝕采用氟基反應離子刻蝕。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述方法，其特征在于，氟基反應離子刻蝕采用的是0&、0^或3&。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，步驟8中BCl3基刻蝕氣體為BCl3/Cl2/Ar/ O2的混合氣體；BCl3流量為20-120sccm，Cl2流量為5_30sccm，A流量為2_15sccm，Ar流量為10-60sccm ；刻蝕功率上電極為120-450W，下電極為30-200W ；腔體工作壓力為4_15m τ ； 腔體和電極溫度50-150°C。
全文摘要
一種高金屬柵極/高K柵介質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)的制備和成形方法1)在硅襯底上生成一層SiON和SiO2界面層；2)在界面層上沉積高K柵介質(zhì)膜；3)對高K介質(zhì)膜進行快速熱退火；4)在高K介質(zhì)上沉積TaN金屬柵電極膜；5)在TaN金屬柵極上沉積多晶硅柵層，然后沉積硬掩膜層；6)光刻形成膠膜圖形，通過反應離子刻蝕對硬掩膜介質(zhì)層進行各向異性刻蝕，將膠膜圖形轉(zhuǎn)移到硬掩膜層；7)去膠，以硬掩膜為掩蔽層，采用Cl2/HBr混合氣體反應離子刻蝕多晶硅柵；8)以硬掩膜為掩蔽層，通過BCl3基刻蝕氣體刻蝕對TaN金屬柵/高K柵介質(zhì)疊層進行各向異性和高選擇比刻蝕。
文檔編號H01L21/28GK102214563SQ20101014526
公開日2011年10月12日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者徐秋霞, 李永亮 申請人:中國科學院微電子研究所