專利名稱：一種高k柵介質(zhì)的刻蝕方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種在先柵工藝金屬柵/高κ(高介電常數(shù))柵介質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)中高K柵介質(zhì)的刻蝕去除方法，以及在后柵工藝高K柵介質(zhì)在先的工藝中，高K柵介質(zhì)的刻蝕去除方法。本發(fā)明適合在45nm及以下技術(shù)代互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件和電路中應(yīng)用。
背景技術(shù)：
當(dāng)CMOS特征尺寸縮小到45nm及以下時，由于常規(guī)超薄的SiON柵介質(zhì)嚴(yán)重的直接隧穿漏電流已無法應(yīng)用，采用高K柵介質(zhì)已勢在必行，因為高K柵介質(zhì)在同樣的等效氧化物厚度(EOT)下有較厚的物理厚度，所以可以大幅度降低柵極漏電流。但常規(guī)的多晶硅柵極與高K不兼容，所以必須采用金屬柵極，以消除費米釘扎和多晶硅耗盡效應(yīng)，減小柵電阻。 金屬柵/高K結(jié)構(gòu)應(yīng)用到器件制備中去，刻蝕難度較大，特別是高K介質(zhì)的刻蝕，不僅要各向異性剖面好，要刻干凈、無殘留，而且對襯底Si要求有很高的刻蝕選擇比，對硅襯底不產(chǎn)生損傷。Cl2和F基氣體都不能滿足要求，我們采用BCl3反應(yīng)離子刻蝕輔以Ar離子轟擊，獲得成功。這是由于BCl3等離子體可刻蝕金屬氧化物，其中的氧可以通過形成揮發(fā)性的BOCl 反應(yīng)產(chǎn)物而除去，同時在硅襯底表面形成起鈍化作用的B-Si鍵，提高了對硅襯底的刻蝕選擇比。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種高K柵介質(zhì)的的高選擇比刻蝕方法，以改進(jìn)公知技術(shù)中存在的缺陷。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的高K柵介質(zhì)的刻蝕方法，對于后柵工藝，主要步驟為步驟1)在器件隔離形成后，在硅襯底上依次形成界面Si02/Hf基高K柵介質(zhì)/多晶硅/硬掩膜的疊層?xùn)沤Y(jié)構(gòu)；步驟2)光刻形成膠圖形；步驟幻刻蝕硬掩膜，終止在多晶硅上；步驟4)去膠后刻蝕多晶硅，刻蝕終止在Hf基高K柵介質(zhì)上；步驟5)采用BCl3/Ar的混合氣體反應(yīng)離子刻蝕Hf基高K柵介質(zhì)，終止在硅襯底上。本發(fā)明提供的高K柵介質(zhì)的刻蝕方法，對于先柵工藝，主要步驟為步驟ι)在器件隔離形成后，在硅襯底上依次形成界面SiO2Aif基高κ柵介質(zhì)/金屬柵/多晶硅/硬掩膜的疊層?xùn)沤Y(jié)構(gòu)；步驟2)光刻形成膠圖形；步驟；3)刻蝕硬掩膜，終止在多晶硅上；步驟4)去膠后刻蝕多晶硅，終止在金屬柵上；
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步驟幻刻蝕金屬柵，終止在Hf基高K柵介質(zhì)上；步驟6)采用BCl3/Ar的混合氣體反應(yīng)離子刻蝕Hf基高K柵介質(zhì)，終止在硅襯底上。所述的刻蝕方法，其中的金屬柵是金屬氮化物或摻雜的難熔金屬，如TaN、TiN、 TaC, TaCN、TiAIN、TiGaN 或 MoAlN 等。所述的刻蝕方法，其中的Hf基高K柵介質(zhì)是Hf基摻雜氧化物，如Hf02、HfSiON、 HfLaO, HfLaON, HfAlON 或 HfAlSiON。所述的刻蝕方法，其中的硬掩膜是Si02、SiSN4或其疊層構(gòu)成。所述的刻蝕方法，其中刻蝕硬掩膜是采用氟基反應(yīng)離子刻蝕，如CF4、CHF3或及其組合。所述的刻蝕方法，其中刻蝕多晶硅是采用Cl2Affir的反應(yīng)離子刻蝕。所述的刻蝕方法，其中刻蝕金屬柵是采用Cl基反應(yīng)離子刻蝕，如BCl3/Cl2/Ar、 BCl3/Cl2/SF6/Ar等混合氣氛的反應(yīng)離子刻蝕。所述的刻蝕方法，其中Hf基高K柵介質(zhì)的刻蝕條件為=BCl3流量20-120SCCm，Ar 流量10-60sccm ；刻蝕功率上電極功率120-400W，下電極功率40-250W ；腔體壓力3_10m τ ； 腔體溫度60-200°C。本發(fā)明不僅可以獲得陡直的刻蝕剖面，不留殘余，而且對硅襯底具有優(yōu)良的刻蝕選擇比，不產(chǎn)生損傷。與CMOS工藝兼容性好，成本低。


圖1為硬掩膜/多晶硅/TaN金屬柵/HfSiON高K柵介質(zhì)/界面SW2結(jié)構(gòu)中HfSiON 高K柵介質(zhì)刻蝕后的SEM剖面照片。其中主要標(biāo)號是I-SiO2硬掩模，2-多晶硅，3-TaN金屬柵/HfSiON高K柵介質(zhì)/界面SiO2,4_硅襯底。圖2為上述疊層?xùn)沤Y(jié)構(gòu)刻蝕后的X光電子能譜(XPS)分析圖，其中主要標(biāo)號是A為刻蝕TaN金屬柵后的XPS分析圖；B為刻蝕TaN金屬柵后緊接著進(jìn)行HfSiON高K柵介質(zhì)刻蝕(即為過刻程序)后的 XPS分析圖。
具體實施例方式本發(fā)明的高K柵介質(zhì)的高選擇比刻蝕方法，其主要的步驟為步驟1)在器件隔離形成后，對于后柵工藝，在硅襯底上依次形成界面Si02/Hf基高K柵介質(zhì)/多晶硅/硬掩模的疊層?xùn)沤Y(jié)構(gòu)。對于先柵工藝，在硅襯底上依次形成界面 SiO2Aif基高κ柵介質(zhì)/金屬柵/多晶硅/硬掩模的疊層?xùn)沤Y(jié)構(gòu)。其中Hf基高K柵介質(zhì)為Hf基摻雜氧化物，如Hf02、HfSi0N、HfLa0、HfLa0N、HfA10N 或HfAlSiON等；金屬柵為金屬氮化物或摻雜的難熔金屬，如TaN、TiN、TaC, TaCN、TiAIN、 TiGaN或MoAlN等；硬掩膜為Si02、Si3N4或其組合。步驟2)光刻形成膠圖形。步驟3)刻蝕硬掩膜，采用氟基反應(yīng)離子刻蝕，如CF4、CHF3或及其組合，終止在多晶娃上。步驟4)去膠后，刻蝕多晶硅，采用(Cl2Affir)混合氣體中的反應(yīng)離子刻蝕，對于先柵工藝刻蝕終止在金屬柵上，對于后柵工藝，刻蝕終止在Hf基高K柵介質(zhì)上。步驟5)對于先柵工藝需刻蝕金屬柵，采用Cl基反應(yīng)離子刻蝕，如BCl3/Cl2/Ar、 BCl3/Cl2/SF6/Ar等混合氣體中的反應(yīng)離子刻蝕，終止在Hf基高K柵介質(zhì)上。步驟6) Hf基高K柵介質(zhì)的刻蝕采用BCl3/Ar混合氣體的反應(yīng)離子刻蝕，BCl3流量20-100sccm，Ar流量10_60sccm ；刻蝕功率上電極功率120-400W，下電極功率40-250W ； 腔體壓力3-IOm τ ；腔體溫度60_200°C。以下所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非限定本發(fā)明的范圍。步驟1)在器件隔離形成后，對于后柵工藝，在硅襯底上依次形成界面SiO2/ HfSiON高K柵介質(zhì)/多晶硅/SW2硬掩模的疊層?xùn)沤Y(jié)構(gòu)；對于先柵工藝，在硅襯底上依次形成界面SiO2MfSiON高K柵介質(zhì)/TaN金屬柵/多晶硅/SW2硬掩模的疊層?xùn)沤Y(jié)構(gòu)。步驟2、光刻形成膠圖形步驟3)刻蝕硬掩膜，采用CF4/CHF3混合氣體的反應(yīng)離子刻蝕，終止在多晶硅上。步驟4)去膠后，刻蝕多晶硅，采用(Cl2Affir)混合氣體中的反應(yīng)離子刻蝕，對于先柵工藝刻蝕終止在TaN金屬柵上，對于后柵工藝，刻蝕終止在Hf基高K柵介質(zhì)上。步驟5)對于先柵工藝需刻蝕金屬柵，采用Cl基反應(yīng)離子刻蝕，如BCl3/Cl2/Ar、 BCl3/Cl2/SF6/Ar等混合氣體中的反應(yīng)離子刻蝕，終止在Hf基高K柵介質(zhì)上。步驟6) Hf基高K柵介質(zhì)的刻蝕采用BCl3/Ar混合氣體的反應(yīng)離子刻蝕，BCl3流量20-100sccm，Ar流量10_60sccm ；刻蝕功率上電極功率120-400W，下電極功率40-250W ； 腔體壓力3-IOm τ ；腔體溫度60_200°C。圖1所示是硬掩膜/多晶硅/TaN金屬柵/HfSiON高K柵介質(zhì)/界面SW2結(jié)構(gòu)中 HfSiON高K柵介質(zhì)采用BCl3/Ar混合氣體的反應(yīng)離子刻蝕后的SEM剖面照片。由圖1可見，其剖面陡直，沒有硅襯底的損傷發(fā)生，這是因為反應(yīng)生成的B-Si鍵的鈍化作用，提高了刻蝕選擇比所致。圖2中A為刻蝕TaN金屬柵后的XPS分析圖，可見很強(qiáng)的Hf4f特征峰；B為刻蝕 TaN金屬柵后緊接著進(jìn)行HfSiON高K柵介質(zhì)刻蝕(即為過刻程序)后的XPS分析圖，Hf4f 元素已不存在，表明HfSiON高K柵介質(zhì)已刻干凈了。
權(quán)利要求
1.一種高K柵介質(zhì)的刻蝕方法，主要步驟為步驟ι)在器件隔離形成后，在硅襯底上依次形成界面SiO2Aif基高κ柵介質(zhì)/多晶硅 /SiO2硬掩膜的疊層?xùn)沤Y(jié)構(gòu)； 步驟幻光刻形成膠圖形； 步驟；3)刻蝕硬掩膜，終止在多晶硅上； 步驟4)去膠后刻蝕多晶硅，刻蝕終止在Hf基高K柵介質(zhì)上； 步驟幻采用BCl3Ar的混合氣體反應(yīng)離子刻蝕Hf基高K柵介質(zhì)，終止在硅襯底上。
2.一種高K柵介質(zhì)的刻蝕方法，主要步驟為步驟1)在器件隔離形成后，在硅襯底上依次形成界面Si02/Hf基高K柵介質(zhì)/金屬柵 /多晶硅/硬掩膜的疊層?xùn)沤Y(jié)構(gòu)； 步驟幻光刻形成膠圖形； 步驟幻刻蝕硬掩膜，終止在多晶硅上； 步驟4)去膠后刻蝕多晶硅，終止在金屬柵上； 步驟幻刻蝕金屬柵，終止在Hf基高K柵介質(zhì)上；步驟6)采用BCl3Ar的混合氣體反應(yīng)離子刻蝕Hf基高K柵介質(zhì)，終止在硅襯底上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的刻蝕方法，其中，步驟1)中的金屬柵是金屬氮化物或摻雜的難熔金屬。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的刻蝕方法，其中，步驟1)中Hf基高K柵介質(zhì)是Hf基摻雜氧化物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的刻蝕方法，其中，步驟1)中的硬掩膜是Si02、Si3N4或其疊層構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的刻蝕方法，其中，步驟幻中刻蝕硬掩膜是采用氟基反應(yīng)離子刻蝕。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的刻蝕方法，其中，步驟4)中刻蝕多晶硅是采用Cl2Affir 的反應(yīng)離子刻蝕。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的刻蝕方法，其中，步驟5)中刻蝕金屬柵是采用Cl基反應(yīng)離子刻蝕。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的刻蝕方法，其中，Cl基反應(yīng)離子刻蝕是BCl3/Cl2/Ar或BCl3/ Cl2/SF6/Ar混合氣氛的反應(yīng)離子刻蝕。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的刻蝕方法，其中，Hf基高K柵介質(zhì)的刻蝕條件為出(13流量20-120sccm，Ar流量10_60sccm ；刻蝕功率上電極功率120-400W，下電極功率40-250W ； 腔體壓力3-IOm τ ；腔體溫度60_200°C。
全文摘要
一種高K柵介質(zhì)的刻蝕方法1)在硅襯底上依次形成界面SiO2/高K柵介質(zhì)/金屬柵/多晶硅/硬掩膜疊層?xùn)沤Y(jié)構(gòu)，對于后柵工藝，柵結(jié)構(gòu)中沒有金屬柵這一層，其余同先柵工藝；2)光刻形成膠圖形。3)刻蝕硬掩膜，終止在多晶硅上；4)去膠后刻蝕多晶硅，對于前極工藝終止在金屬柵上，對后柵工藝，刻蝕終止在高K柵介質(zhì)上；5)對于先柵工藝，刻蝕金屬柵終止在高K柵介質(zhì)上；6)刻蝕高K柵介質(zhì)，終止在硅襯底上。本發(fā)明采用BCl3反應(yīng)離子刻蝕輔以Ar離子轟擊，不僅可以獲得陡直的刻蝕剖面，不留殘余，而且對硅襯底具有優(yōu)良的刻蝕選擇比，不產(chǎn)生損傷。與CMOS工藝兼容性好，成本低。
文檔編號H01L21/311GK102468157SQ201010541140
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月10日
發(fā)明者徐秋霞, 李永亮 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所