CN102237268A

CN102237268A - 一种插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法

Info

Publication number: CN102237268A
Application number: CN 201010157530
Authority: CN
Inventors: 李永亮; 徐秋霞
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Beijing Yandong Microelectronic Co., Ltd.
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2030-04-21
Also published as: CN102237268B

Abstract

本发明公开了一种插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法，包括：在半导体衬底上形成界面SiO₂层，然后在其上形成高K栅介质层；所述高K栅介质层经过快速热退火处理后，在其上形成TiN金属栅电极层；在所述TiN金属栅电极层上形成硅栅层，并在其上形成硬掩膜层；光刻，通过干法刻蚀工艺对硬掩膜层进行刻蚀；去胶，以硬掩膜层为掩蔽，通过干法刻蚀工艺对硅栅层进行各向异性刻蚀；通过干法刻蚀工艺对TiN金属栅电极层和高K栅介质层进行高选择比各向异性刻蚀。本发明不仅可以满足TiN金属栅以及高K材料在插入式金属栅叠层结构中制备的需要，而且还能通过优化TiN金属栅和高K介质的刻蚀工艺得到陡直的刻蚀剖面，为实现高K/金属栅的集成提供了必要保证。

Description

一种插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造技术领域，尤其涉及一种在先栅工艺中金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法。

背景技术

随着半导体器件的特征尺寸进入到45nm技术节点以后，为了减小栅隧穿电流，降低器件的功耗，并彻底消除多晶硅耗尽效应和P型金属-氧化物-半导体场效应晶体管(PMOSFET)中B穿透引起的可靠性问题，缓解费米能级钉扎效应，采用高介电常数(K)/金属栅材料代替传统的SiO₂/多晶硅(poly)结构已经成为了必然的选择。在诸多高K材料中，Hf基高K材料最终被认为是最有希望成为SiO₂栅介质的替代者。另一方面，TiN金属栅材料由于具有好的热稳定性、化学稳定性以及与Hf基高介电常数栅介质有好的粘附性等特点使其成为了纳米级互补型金属-氧化物-半导体场效应晶体管(CMOS)器件中金属栅材料的有力候选者。

虽然Hf基高K和金属栅材料的引入可以改善器件的性能，但在先栅工艺中实现高K/金属栅的集成，特别是金属栅叠层结构的刻蚀工艺，一直是高K、金属栅材料实际应用到CMOS工艺的主要挑战之一。为了降低刻蚀的难度，避免后续源漏离子注入工艺对金属栅电极的影响，以及引入高K和金属栅材料后不过多地增加原有CMOS工艺的复杂性，须采用插入式金属栅的叠层结构(即硅栅/金属栅的叠层结构)代替纯金属栅电极。另外，在高K/金属栅结构刻蚀的过程中，不仅要得到陡直的刻蚀剖面，还要对Si衬底的选择比很高，对Si衬底消耗要控制在1纳米以下。因此，优化的金属栅叠层结构的制备和刻蚀工艺是实现高K/金属栅集成的必要条件。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明针对的纳米级CMOS器件制备过程中引入高K，金属栅材料后，为实现高K/金属栅集成的新课题，提供一种插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法，该方法包括：

步骤10：在半导体衬底上形成界面SiO₂层，然后在其上形成高K栅介质层；

步骤20：所述高K栅介质层经过快速热退火处理后，在其上形成TiN金属栅电极层；

步骤30：在所述TiN金属栅电极层上形成硅栅层，并在其上形成硬掩膜层；

步骤40：光刻，通过干法刻蚀工艺对硬掩膜层进行刻蚀；

步骤50：去胶，以硬掩膜层为掩蔽，通过干法刻蚀工艺对硅栅层进行各向异性刻蚀；

步骤60：通过干法刻蚀工艺对TiN金属栅电极层和高K栅介质层进行高选择比各向异性刻蚀。

上述方案中，步骤10中所述高K栅介质层由HfO₂、HfON、HfAlO、HfAlON、HfTaO、HfTaON、HfSiO、HfSiON、HfLaO或者HfLaON形成，所述高K栅介质层通过物理气相淀积、金属有机化学气相沉积或者原子层淀积工艺形成。

上述方案中，步骤20中所述高K栅介质层的快速热退火处理的温度500～900度，处理时间为10～90秒。

上述方案中，步骤20中所述TiN金属栅电极层通过物理气相淀积、金属有机化学气相沉积或者原子层淀积工艺形成。

上述方案中，步骤30中所述硅栅层既由多晶硅或非晶硅构成，所述硬掩膜层由氧化硅、氮化硅或氧化硅/氮化硅叠层结构构成。

上述方案中，步骤60中所述TiN金属栅和高K介质的干法刻蚀的上电极功率为140～450W，下电极功率为30～180W，压强为4～20mt，BCl₃基刻蚀气体的总流量为30～120sccm，腔体和电极的温度控制在50～120度。

上述方案中，步骤60中所述TiN金属栅和高K介质的干法刻蚀工艺中采用BCl₃基气体作为刻蚀气体。

上述方案中，所述BCl₃基刻蚀气体是BCl₃、O₂、Ar的混合气体，或者是BCl₃、Cl₂、Ar的混合气体。

上述方案中，所述BCl₃、O₂、Ar的混合气体中BCl₃气体的流量为20～110sccm，O₂的流量为2～15sccm，Ar的流量为10～60sccm。

上述方案中，所述BCl₃、Cl₂、Ar的混合气体中BCl₃气体的流量为20～110sccm，Cl₂的流量为5～40sccm，Ar的流量为10～60sccm。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法，不仅可以满足TiN金属栅以及高K材料在插入式金属栅叠层结构中制备的需要，而且还能通过优化TiN金属栅和高K介质的刻蚀工艺得到陡直的刻蚀剖面，而且对Si衬底的损耗很小，为实现高K/金属栅的集成提供了必要保证。

2、本发明提供的这种插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法，满足先栅工艺中高K、金属栅集成的需要，可成功制备出高K/TiN金属栅/poly的叠层结构。

3、本发明提供的这种插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法，不仅可以得到陡直的刻蚀剖面，而且对Si衬底的损耗很小，满足集成工艺中引入新的高K、金属栅材料后对刻蚀工艺的要求。

4、本发明提供的这种插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法，降低了新材料的刻蚀难度，没有过多地增加原有CMOS工艺的复杂性，与现有的CMOS工艺兼容性较高。

附图说明

图1是本发明提供的插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法流程图；

图2依照本发明实施例在HfSiON高K介质上，制备TiN金属栅叠层结构的扫描电镜照片；

图3为依照本发明实施例采用BCl3/O2/Ar刻蚀气体刻蚀插入式金属栅中的HfSiON/TiN结构后的扫描电镜照片；

图4为依照本发明实施例采用BCl3/Cl2/Ar刻蚀气体刻蚀插入式金属栅中的HfSiON/TiN结构后的扫描电镜照片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1是本发明提供的插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤40：光刻，通过干法刻蚀工艺对硬掩膜层进行刻蚀；

其中，步骤10中所述高K栅介质层由HfO₂、HfON、HfAlO、HfAlON、HfTaO、HfTaON、HfSiO、HfSiON、HfLaO或者HfLaON形成，所述高K栅介质层通过物理气相淀积、金属有机化学气相沉积或者原子层淀积工艺形成。步骤20中所述高K栅介质层的快速热退火处理的温度500～900度，处理时间为10～90秒。步骤20中所述TiN金属栅电极层通过物理气相淀积、金属有机化学气相沉积或者原子层淀积工艺形成。步骤30中所述硅栅层既由多晶硅或非晶硅构成，所述硬掩膜层由氧化硅、氮化硅或氧化硅/氮化硅叠层结构构成。

步骤60中所述TiN金属栅和高K介质的干法刻蚀的上电极功率为140～450W，下电极功率为30～180W，压强为4～20mt，BCl₃基刻蚀气体的总流量为30～120sccm，腔体和电极的温度控制在50～120度。步骤60中所述TiN金属栅和高K介质的干法刻蚀工艺中采用BCl₃基气体作为刻蚀气体。所述BCl₃基刻蚀气体是BCl₃、O₂、Ar的混合气体，或者是BCl₃、Cl₂、Ar的混合气体。所述BCl₃、O₂、Ar的混合气体中BCl₃气体的流量为20～110sccm，O₂的流量为2～15sccm，Ar的流量为10～60sccm。所述BCl₃、Cl₂、Ar的混合气体中BCl₃气体的流量为20～110sccm，Cl₂的流量为5～40sccm，Ar的流量为10～60sccm。

基于图1所示的本发明提供的插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法流程图，图2至图4示出了依照本发明实施例插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法。

图2是依照本发明实施例在HfSiON高K介质上，制备TiN金属栅叠层结构的扫描电镜照片。其具体制备工艺为在Si衬底上RTO生成界面SiO₂层，然后采用物理气相淀积工艺形成3nm的HfSiON高K介质；经900度高温处理后，通过物理气相淀积工艺形成厚度为14nm的TiN金属栅；采用低压化学气相淀积形成厚度为110纳米的多晶硅，并在其上采用低温热氧化工艺形成厚度为65纳米的二氧化硅硬掩膜。从图2可以看出，这种插入式TiN金属栅叠层结构的制备方法可以实现在高K介质上TiN/poly金属栅叠层结构的制备，满足器件制备的需要。

图3是依照本发明实施例采用BCl₃/O₂/Ar刻蚀气体刻蚀插入式金属栅中的HfSiON/TiN结构后的扫描电镜照片。其具体工艺为对于已经制备好的Si/SiO₂/HfSiON/TiN/poly/SiO₂叠层结构，光刻后，通过干法刻蚀工艺对硬掩膜刻蚀；去胶后，以硬掩膜为掩蔽，通过干法刻蚀工艺对硅栅层进行各向异性刻蚀；通过优化BCl₃/O₂/Ar混合气体的比率、刻蚀工艺的上下电极功率、压力以及腔体和电极的温度等参数对HfSiON/TiN结构进行刻蚀。从图3可以看出，刻蚀后，多晶硅和金属栅的刻蚀剖面都是陡直的，无刻蚀残余，且该刻蚀工艺对Si衬底的损耗较少。

图4是依照本发明实施例采用BCl₃/Cl₂/Ar刻蚀气体刻蚀插入式金属栅中的HfSiON/TiN结构后的扫描电镜照片。其具体工艺为对于已经制备好的Si/SiO₂/HfSiON/TiN/poly/SiO₂叠层结构，光刻后，通过干法刻蚀工艺对硬掩膜刻蚀；去胶后，以硬掩膜为掩蔽，通过干法刻蚀工艺对硅栅层进行各向异性刻蚀；通过优化BCl₃/Cl₂/Ar混合气体的比率、刻蚀工艺的上下电极功率、压力以及腔体和电极的温度等参数对HfSiON/TiN结构进行刻蚀。从图4可以看出，刻蚀后，多晶硅和金属栅的刻蚀剖面都是陡直的，无刻蚀残余，且该刻蚀工艺对Si衬底的损耗较少。

因此，本发明所提供的一种插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法适于纳米级CMOS器件中高介电常数介质/金属栅材料集成的需要，为实现高K/金属栅集成提供了必要保证。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法，其特征在于，该方法包括：

步骤40：光刻，通过干法刻蚀工艺对硬掩膜层进行刻蚀；

2.根据权利要求1所述的插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法，其特征在于，步骤10中所述高K栅介质层由HfO₂、HfON、HfAlO、HfAlON、HfTaO、HfTaON、HfSiO、HfSiON、HfLaO或者HfLaON形成，所述高K栅介质层通过物理气相淀积、金属有机化学气相沉积或者原子层淀积工艺形成。

3.根据权利要求1所述的插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法，其特征在于，步骤20中所述高K栅介质层的快速热退火处理的温度500～900度，处理时间为10～90秒。

4.根据权利要求1所述的插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法，其特征在于，步骤20中所述TiN金属栅电极层通过物理气相淀积、金属有机化学气相沉积或者原子层淀积工艺形成。

5.根据权利要求1所述的插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法，其特征在于，步骤30中所述硅栅层既由多晶硅或非晶硅构成，所述硬掩膜层由氧化硅、氮化硅或氧化硅/氮化硅叠层结构构成。

6.根据权利要求1所述的插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法，其特征在于，步骤60中所述TiN金属栅和高K介质的干法刻蚀的上电极功率为140～450W，下电极功率为30～180W，压强为4～20mt，BCl₃基刻蚀气体的总流量为30～120sccm，腔体和电极的温度控制在50～120度。

7.根据权利要求1所述的插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法，其特征在于，步骤60中所述TiN金属栅和高K介质的干法刻蚀工艺中采用BCl₃基气体作为刻蚀气体。

8.根据权利要求7所述的插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法，其特征在于，所述BCl₃基刻蚀气体是BCl₃、O₂、Ar的混合气体，或者是BCl₃、Cl₂、Ar的混合气体。

9.根据权利要求8所述插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法，其特征在于，所述BCl₃、O₂、Ar的混合气体中BCl₃气体的流量为20～110sccm，O₂的流量为2～15sccm，Ar的流量为10～60sccm。

10.根据权利要求8所述的插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法，其特征在于，所述BCl₃、Cl₂、Ar的混合气体中BCl₃气体的流量为20～110sccm，Cl₂的流量为5～40sccm，Ar的流量为10～60sccm。