專利名稱：犧牲柵去除方法及柵堆疊制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體工藝領(lǐng)域，更具體地，涉及一種犧牲柵去除方法及柵堆疊制作方法，其中可以在避免對柵堆疊中其他部分造成損傷的同時有效地去除犧牲柵。
背景技術(shù)：
隨著高K/金屬柵工程在45nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)上的成功應(yīng)用，使其成為亞30nm以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)不可缺少的關(guān)鍵模塊化工程。目前只有堅持高K/后金屬柵(gate last)路線的英特爾公司在45nm和32nm量產(chǎn)上取得了成功。近年來，緊隨IBM產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的三星、臺積電、英飛凌等業(yè)界巨頭也將開發(fā)重點(diǎn)由高K/先金屬柵(gate first)轉(zhuǎn)向高K/后金屬柵工程。在高K/后金屬柵工程中，在完成高溫退火進(jìn)行離子激活之后，需要把犧牲柵如多 晶硅柵去除，隨后再填充金屬柵電極，以形成高K/金屬柵堆疊。圖1-3中示意性示出了這種工藝的處理流程。如圖I所示，在半導(dǎo)體襯底1000上形成一個或多個柵堆疊(圖I中作為示例示出了兩個)，每一柵堆疊例如包括柵介質(zhì)(例如，氧化物如氧化硅、氮氧化物如氮氧化硅、或高K柵介質(zhì))1001、犧牲柵(例如，多晶硅)1002和側(cè)墻(例如，氧化硅或氮化硅)1003。這種柵堆疊的制作方法對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是眾所周知的，在此不再贅述。根據(jù)后柵工藝，在形成上述柵堆疊之后，需要去除其中的犧牲柵。目前，通常采用各向異性的干法刻蝕如反應(yīng)離子刻蝕(RIE)，來實(shí)現(xiàn)犧牲柵的去除。具體地，如圖I中的虛線箭頭所示，例如通過向半導(dǎo)體襯底1000上形成的結(jié)構(gòu)發(fā)射特定種類的離子，以干法刻蝕犧牲柵1002。在如上所述進(jìn)行干法刻蝕之后，得到圖2所示的結(jié)構(gòu)，其中柵堆疊中的犧牲柵1002大體上被去除，留下柵介質(zhì)1001和側(cè)墻1003。隨后可以如圖3所示，在由于去除犧牲柵1002而形成的開口中填充柵導(dǎo)體例如金屬柵導(dǎo)體1005，來形成高K/金屬柵的柵堆疊結(jié)構(gòu)。但是，用來去除犧牲柵的干法刻蝕存在如下問題。根據(jù)目前的工藝所制造的各種半導(dǎo)體特征(例如，柵堆疊)的尺寸非常小。要在如此小的柵堆疊中完全去除犧牲柵是相當(dāng)困難的。通常，會在犧牲柵的底部拐角處存在殘留的犧牲柵材料，如圖2和3中1002'所示。此外，干法刻蝕過程不可避免會對柵堆疊中的其他部分如柵介質(zhì)1001和側(cè)墻1003造成損傷。尤其在為了去除拐角處的殘留犧牲柵材料而加大刻蝕強(qiáng)度時，將會進(jìn)一步惡化對柵堆疊中其他部分的損傷。如果在如此刻蝕后的結(jié)構(gòu)中形成柵堆疊，如圖3所示，那么會對這種柵堆疊以及由此制造的半導(dǎo)體器件的性能造成不利影響。鑒于上述問題，需要提供一種新穎的方法來有效去除犧牲柵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種犧牲柵去除方法及柵堆疊制作方法，以至少部分地克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種去除柵堆疊中犧牲柵的方法，包括對犧牲柵進(jìn)行各向同性濕法刻蝕，以去除犧牲柵。這樣，通過以各向同性的濕法刻蝕代替常規(guī)工藝中各向異性的干法刻蝕，可以完全去除犧牲柵。優(yōu)選地，柵堆疊包括犧牲柵、位于犧牲柵之下的柵介質(zhì)層、以及側(cè)墻，其中在濕法刻蝕步驟中，選擇相對于柵介質(zhì)層、側(cè)墻材料而對犧牲柵具有選擇性刻蝕作用的刻蝕劑。這樣，可以將刻蝕對柵堆疊中其他部分的損傷降低到最小。優(yōu)選地，犧牲柵的材料可以包括多晶硅，柵介質(zhì)層的材料可以包括氧化物、氮氧化物或高k材料，側(cè)墻的材料可以包括氧化物和/或氮化物。在這種情況下，刻蝕劑可以包括四甲基氫氧化氨(TMAH)溶液。優(yōu)選地，高k材料可以包括HfSiON、HfO2, HfSiAlON和HfSiO之一或其組合。
優(yōu)選地，TMAH溶液的濃度可以為10-25 (體積)％，刻蝕溫度可以為60-80°C。進(jìn)一步優(yōu)選地，TMAH溶液的濃度為10 (體積)％，刻蝕溫度為60°C。優(yōu)選地，在刻蝕溫度為60°C的情況下，過刻階段時間為主刻階段時間的100-200%;或者在刻蝕溫度為80°C的情況下，過刻階段時間不超過主刻階段時間的100%。優(yōu)選地，在刻蝕犧牲柵之前，該方法還可以包括對犧牲柵表面進(jìn)行預(yù)處理，以便能夠?qū)奚鼥胚M(jìn)行刻蝕。這種預(yù)處理例如可以用于去除表面層如氧化層。優(yōu)選地，可以通過干法刻蝕來進(jìn)行預(yù)處理。例如，可以利用SF6*CF4基氣體，進(jìn)行干法刻蝕，其中根據(jù)犧牲柵表面存在的氧化層厚度以及干法刻蝕的速度，確定刻蝕時間，以在預(yù)處理中去除氧化層。優(yōu)選地，刻蝕時間不超過10秒。備選地，可以通過濕法刻蝕來進(jìn)行預(yù)處理。例如，利用HF或緩沖氧化物刻蝕(BOE)溶液，進(jìn)行濕法刻蝕，其中根據(jù)犧牲柵表面存在的氧化層厚度以及濕法刻蝕的速度，確定刻蝕時間，以在預(yù)處理中去除氧化層。優(yōu)選地，可以使用濃度為3-5 (體積)％的HF溶液，或者濃度為7-15 (體積)％的BOE溶液。優(yōu)選地，刻蝕時間為5-10秒。優(yōu)選地，在預(yù)處理且進(jìn)行清洗之后，進(jìn)行濕法刻蝕步驟。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種制作柵堆疊的方法，包括在半導(dǎo)體襯底上形成包括犧牲柵的第一柵堆疊；根據(jù)上述方法，去除第一柵堆疊中的犧牲柵；以及在第一柵堆疊中由于去除犧牲柵而形成的開口中填充柵導(dǎo)體，形成第二柵堆疊。優(yōu)選地，第一柵堆疊還包括柵介質(zhì)，柵介質(zhì)的材料可以包括氧化物、氮氧化物或高k材料，以及柵導(dǎo)體可以包括金屬柵導(dǎo)體。由于根據(jù)本發(fā)明的方法，可以有效地去除犧牲柵，從而可以形成更高質(zhì)量的柵導(dǎo)體，并因此提高最終形成的器件的性能。


通過以下參照附圖對本發(fā)明實(shí)施例的描述，本發(fā)明的上述以及其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將更為清楚，在附圖中圖I 3示意性示出了常規(guī)后柵工藝的流程圖；以及圖4 7示意性示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的后柵工藝的流程圖。
具體實(shí)施方式
以下，通過附圖中示出的具體實(shí)施例來描述本發(fā)明。但是應(yīng)該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。此外，在以下說明中，省略了對公知知識和技術(shù)的描述，以避免不必要地混淆本發(fā)明的概念。在附圖中示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法流程中各階段得到的結(jié)構(gòu)的截面圖。這些圖并非是按比例繪制的，其中為了清楚的目的，放大了某些細(xì)節(jié)，并且可能省略了某些細(xì)節(jié)。圖中所示出的各種區(qū)域、層的形狀以及它們之間的相對大小、位置關(guān)系僅是示例性的，實(shí)際中可能由于制造公差或技術(shù)限制而有所偏差，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際所需可以另外設(shè)計具有不同形狀、大小、相對位置的區(qū)域/層。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法始于包括犧牲柵的柵堆疊的形成。具體地，如圖4所示，在半導(dǎo)體襯底2000上形成一個或多個柵堆疊(圖4中作為示例示出了兩個)，每一柵堆疊例如可以包括柵介質(zhì)2001、犧牲柵2002和側(cè)墻2003。半導(dǎo)體襯底2000可以包括各種類型的半導(dǎo)體襯底，例如IV族半導(dǎo)體襯底如Si襯底、GeSi襯底等，III-V族化合物半導(dǎo)體襯底 如InP襯底、GaAs襯底等，以及其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)襯底如SOI (絕緣體上硅)襯底，等等。在以下的描述中，以Si襯底為例來進(jìn)行描述。但是需要指出的是，本發(fā)明并不局限于此。柵介質(zhì)2001例如可以包括氧化物如氧化硅，氮氧化物如氮氧化硅，或高K介質(zhì)如HfSiON、HfO2, HfSiAlON和HfSiO之一或其組合，等等。在此，優(yōu)選地使用高K介質(zhì)作為柵介質(zhì)層2001。犧牲柵2002例如可以包括多晶硅。側(cè)墻2003例如可以包括氧化物(如氧化硅)和/或氮化物(如氮化硅)。可以以多種方法來在半導(dǎo)體襯底上形成柵堆疊。例如，可以通過在半導(dǎo)體襯底2000上依次淀積柵介質(zhì)層、犧牲柵層，并對其進(jìn)行構(gòu)圖，然后通過淀積、刻蝕來在其側(cè)面形成側(cè)墻，從而形成柵堆疊。這種柵堆疊的形成對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是眾所周知的，在此不再贅述。接下來，對如上所述形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕，以去除柵堆疊中的犧牲柵2002。在本發(fā)明中，不同于常規(guī)技術(shù)中采用各向異性干法刻蝕對犧牲柵進(jìn)行刻蝕，而是采用各向同性濕法刻蝕。由于濕法刻蝕的各向同性特性，在刻蝕過程中可以很好地去除犧牲柵下部拐角處的部分(而這在干法刻蝕工藝中很難予以去除)，從而可以通過刻蝕基本上完全去除犧牲柵。具體地，如圖5所示，可以將上述得到的形成有柵堆疊的半導(dǎo)體襯底浸入槽體3000中盛放的刻蝕劑3001中。這種刻蝕設(shè)置例如可以通過槽式機(jī)臺來實(shí)現(xiàn)。在此，優(yōu)選地選擇相對于柵堆疊中的其他部分如柵介質(zhì)2001和側(cè)墻2003的材料，對犧牲柵2002具有選擇性刻蝕作用的刻蝕劑。即，刻蝕劑3001可以刻蝕犧牲柵2002的材料，而對于柵堆疊中的其他部分如柵介質(zhì)2001和側(cè)墻2003的材料基本上不會造成影響。例如，在犧牲柵材料為多晶硅、柵介質(zhì)層為高K材料、側(cè)墻材料為氧化物(如氧化硅)和/或氮化物(如氮化硅)的情況下，可以選擇四甲基氫氧化氨(TMAH)溶液作為刻蝕劑3001。通過實(shí)驗(yàn)已確定，根據(jù)實(shí)施例的TMAH溶液對氧化硅、氮化硅、氮氧化硅以及高K材料的刻蝕速率非常低，小于10A/min。即，TMAH對犧牲柵和上述材料的刻蝕速率選擇比非常高，經(jīng)測定后，均在200以上，甚至更高。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，可以控制刻蝕溫度在60_80°C的范圍、TMAH溶液的濃度在10-25 (體積)%的范圍，以實(shí)現(xiàn)所需的刻蝕。優(yōu)選地，可以控制刻蝕溫度為60°C、TMAH溶液的濃度為10 (體積)％，在這種情況下，TMAH溶液對犧牲柵(多晶硅)的刻蝕相對于柵介質(zhì)(高K材料)和側(cè)墻(氧化硅和/或氮化硅)具有最佳的選擇比。在此，為了避免刻蝕劑3001對于犧牲柵2002下方的柵介質(zhì)2001造成過度損傷，優(yōu)選地需要對刻蝕的時間進(jìn)行控制。具體地，例如在刻蝕溫度為60°C的情況下，控制過刻階段時間為主刻階段時間的100-200%;在刻蝕溫度為80°C的情況下，控制過刻階段時間不超過主刻階段時間的100%。在此，所謂主刻階段是指根據(jù)犧牲柵的高度和刻蝕劑對犧牲柵的刻蝕速率而計算出的刻蝕掉犧牲柵所需要的時間段。但在實(shí)際應(yīng)用中，為保證將犧牲柵完全刻蝕干凈，需要進(jìn)行過刻蝕。所謂過刻階段是指為完全去除剩余犧牲柵而在主刻階段之后繼續(xù)刻蝕的時間段。為了增強(qiáng)刻蝕效果，在刻蝕過程中，可以不斷搖晃裝盛晶片的晶圓花籃。可選地，在對犧牲柵進(jìn)行上述刻蝕之前，還可以對犧牲柵表面進(jìn)行預(yù)處理。例如， 在犧牲柵為多晶硅的情況下，其表面可能存在氧化層，這種氧化層會阻礙TMAH對多晶硅的刻蝕。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對犧牲柵的刻蝕處理，需要去除其可能存在的表面層如氧化層。這種預(yù)處理例如可以通過干法刻蝕或者濕法刻蝕來進(jìn)行。具體地，例如可以選擇SF6或CF4基氣體，通過干法刻蝕來進(jìn)行預(yù)處理?？梢愿鶕?jù)犧牲柵表面存在的氧化層厚度及干法刻蝕的速度，來確定刻蝕時間，以充分去除犧牲柵表面的氧化層，而不會對器件結(jié)構(gòu)(例如，形成側(cè)墻的氧化物、形成淺溝槽隔離STI的氧化物等)造成損傷。一般而言，刻蝕時間不超過10秒。備選地，例如可以選擇HF或緩沖氧化物刻蝕(Buffer Oxide Etch, B0E)溶液，通過濕法刻蝕來進(jìn)行預(yù)處理。例如，可以使用濃度為3-5 (體積的HF溶液，或者濃度為7-15(體積的BOE溶液?？梢愿鶕?jù)犧牲柵表面存在的氧化層厚度及濕法刻蝕的速度，來確定刻蝕時間，以充分去除犧牲柵表面的氧化層，而不會對器件結(jié)構(gòu)(例如，形成側(cè)墻的氧化物、形成淺溝槽隔離STI的氧化物等)造成損傷。一般而言，刻蝕時間為5-10秒。優(yōu)選地，為了保證順利地對犧牲柵進(jìn)行刻蝕，在上述預(yù)處理之后，對晶片進(jìn)行清洗，例如利用去離子水沖洗以去除刻蝕劑成分如氟離子造成的污染；而后立即將晶片浸入刻蝕劑3001中，以進(jìn)行濕法刻蝕。在濕法刻蝕之后，將晶片取出，并進(jìn)行例如清洗、烘干等處理，得到圖6所示的結(jié)構(gòu)。如圖6所示，經(jīng)過上述處理，完全去除了犧牲柵2002而在柵堆疊中形成了開口 2004。經(jīng)過對利用常規(guī)干法刻蝕的犧牲柵去除工藝以及根據(jù)本發(fā)明的利用濕法刻蝕的犧牲柵去除工藝所得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行SEM(掃描電鏡)分析，發(fā)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法能有效清除小尺寸犧牲柵的底部拐角部分。而且，由于根據(jù)本發(fā)明的方法不涉及等離子發(fā)生和反應(yīng)過程，因此對柵介質(zhì)不會造成等離子損傷。在得到圖6所示的結(jié)構(gòu)之后，可以如圖7所示，進(jìn)一步在開口 2004中填充柵導(dǎo)體2005，來形成最終的柵堆疊。這種柵導(dǎo)體2005例如為金屬柵導(dǎo)體。由于在犧牲柵刻蝕步驟中，完全去除了犧牲柵，且將對于柵堆疊中其他部分特別是柵介質(zhì)的影響降低到最小，從而最終形成的柵堆疊以及由此得到的半導(dǎo)體器件的性能得到了改善。以上參照本發(fā)明的實(shí)施例對本發(fā)明予以了說明。但是，這些實(shí)施例僅僅是為了說明的目的，而并非為了限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等價物限定。不脫離本發(fā)明的范圍，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以做出多種替代和修改，這些替代和修改都應(yīng)落在本發(fā)明的范 圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種去除柵堆疊中犧牲柵的方法，包括 對犧牲柵進(jìn)行各向同性濕法刻蝕，以去除犧牲柵。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中， 柵堆疊包括所述犧牲柵、位于犧牲柵之下的柵介質(zhì)層、以及側(cè)墻， 其中在濕法刻蝕步驟中，選擇相對于柵介質(zhì)層、側(cè)墻材料而對犧牲柵具有選擇性刻蝕作用的刻蝕劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述犧牲柵的材料包括多晶硅，所述柵介質(zhì)層的材料包括氧化物、氮氧化物或高K材料，所述側(cè)墻的材料包括氧化物和/或氮化物；以及 所述刻蝕劑包括四甲基氫氧化氨TMAH溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述高k材料包括HfSiON、HfO2,HfSiAlON和HfSiO之一或其組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，TMAH溶液的濃度為10-25(體積)%，刻蝕溫度為 60-80。。。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，TMAH溶液的濃度為10(體積)％，刻蝕溫度為60。。。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中， 在刻蝕溫度為60°C的情況下，過刻階段時間為主刻階段時間的100-200% ;或者 在刻蝕溫度為80°C的情況下，過刻階段時間不超過主刻階段時間的100%。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，在刻蝕犧牲柵之前，該方法還包括 對犧牲柵表面進(jìn)行預(yù)處理，以便能夠?qū)奚鼥胚M(jìn)行刻蝕。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，通過干法刻蝕來進(jìn)行預(yù)處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，利用SF6或CF4基氣體，進(jìn)行干法刻蝕， 其中根據(jù)犧牲柵表面存在的氧化層厚度以及干法刻蝕的速度，確定刻蝕時間，以在預(yù)處理中去除所述氧化層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，刻蝕時間不超過10秒。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，通過濕法刻蝕來進(jìn)行預(yù)處理。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，利用HF或緩沖氧化物刻蝕BOE溶液，進(jìn)行濕法刻蝕， 其中根據(jù)犧牲柵表面存在的氧化層厚度以及濕法刻蝕的速度，確定刻蝕時間，以在預(yù)處理中去除所述氧化層。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，使用濃度為3-5(體積)％的HF溶液，或者濃度為7-15 (體積)%的BOE溶液。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，刻蝕時間為5-10秒。
16.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，在預(yù)處理并進(jìn)行清洗之后，進(jìn)行所述濕法刻蝕步驟。
17.一種制作柵堆疊的方法，包括 在半導(dǎo)體襯底上形成包括犧牲柵的第一柵堆疊； 根據(jù)權(quán)利要求I中所述的方法，去除第一柵堆疊中的犧牲柵；以及 在第一柵堆疊中由于去除犧牲柵而形成的開口中填充柵導(dǎo)體，形成第二柵堆疊。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述第一柵堆疊還包括柵介質(zhì)，所述柵介質(zhì)的材料包括氧化物、氮氧化物或高k材料，以及所述柵導(dǎo)體包括金屬柵導(dǎo)體。
全文摘要
本申請公開了一種犧牲柵去除方法及柵堆疊制作方法。根據(jù)本發(fā)明的犧牲柵去除方法，包括對犧牲柵進(jìn)行各向同性濕法刻蝕，以去除犧牲柵。并且，去除犧牲柵之后，可以進(jìn)一步填充柵導(dǎo)體，以形成替代柵堆疊。通過利用各向同性濕法刻蝕代替常規(guī)的各向異性干法刻蝕來去除犧牲柵，可以更有效地清除犧牲柵，并且可以避免對柵堆疊中其他部分造成損傷。
文檔編號H01L21/8238GK102655121SQ20111005145
公開日2012年9月5日 申請日期2011年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月3日
發(fā)明者徐秋霞, 楊濤, 殷華湘, 趙超, 陳大鵬 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所