CN102315115A - 一种HfSiAlON高K介质的干法刻蚀方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集成电路制造技术领域，公开了一种HfSiAlON高K介质的干法刻蚀方法。Hf基高K材料干法刻蚀的主要问题是卤素基刻蚀产物的挥发性差以及对硅衬底的选择比低。由于BCl3气体不仅可以刻蚀金属氧化物，还可以与Si衬底反应生成Si-B键，增加高K对Si衬底的选择比。所以，对于HfSiAlON高K材料的干法刻蚀，采用BCl3基刻蚀气体并通过优化电极功率、压强、刻蚀气体的成分、腔体和电极的温度等参数得到可以应用于CMOS器件制备中的干法刻蚀工艺。

Description

一种HfSiAlON高K介质的干法刻蚀方法
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HfSiAlON高介电常数(K)介质的干法刻蚀方法。
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，二氧化硅或氮化二氧化硅栅介质泄漏电流显著增加，因此必须引入相同等效氧化层厚度下具有更厚物理厚度的高K材料来减小栅漏电流，降低器件的功耗。在诸多高K材料中，铪(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。但HfO2高K介质因其结晶温度低于600℃，部分或是全部结晶会作为氧或杂质扩散进入栅介质甚至沟道的快通道，引起低K界面层生长，电学稳定性下降，缺陷的产生，漏电流变大等不利影响使其失去了应用的价值。为了改善HfO2的缺点，人们在HfO2中引入Si、Al、N、La、Ta等元素并通过优化各元素的比率来得到可以实用的高K材料。其中，HfSiAlON高K材料不仅具有较大的介电常数和带隙，而且在Si衬底上具有很好的热力学稳定性和界面特性；另外，由于Al元素的引入可以在界面处形成Al-O键的偶极子层，该偶极子层的引入可有效缓解PMOS的费米能级钉扎效应，利于得到满足PMOS功函数要求的高K/金属栅叠层结构。
为了能使HfSiAlON高K材料能实际应用到现有的CMOS工艺中去，除了要解决该材料的制备、薄膜质量和界面控制等关键问题外，还要解决HfSiAlON高K材料的刻蚀问题。对于引入高K/金属栅叠层结构的CMOS器件来说，在刻蚀金属栅材料后，必须高选择地去除高K材料。虽然采用湿法腐蚀去除高K材料的选择比较高，但由于湿法腐蚀的各向同性以及湿法腐蚀后在硅片表面存在金属残余，所以一般采用干法刻蚀工艺高选择比地去除高K材料。
Hf基高K干法刻蚀的主要问题是卤素基刻蚀产物的挥发性差以及对硅衬底的选择比较低。由于BCl3中的B易与高K材料中的氧反应形成挥发的化合物，如(BOCl)3，使得Cl可以自由地与Hf反应形成易挥发的挥发化合物，如HfCl4；而且BCl3中的B可与Si衬底反应生成Si-B键，从而减缓或阻止对Si衬底的刻蚀，增加高K对Si衬底的选择比。所以，对于HfSiAlON高K材料，采用BCl3基刻蚀气体的干法刻蚀工艺是实现其集成的有效的途径。
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/金属栅集成的目的，提供了一种HfSiAlON高K介质的干法刻蚀方法。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种HfSiAlON高K介质的干法刻蚀方法，该方法是在Si衬底/SiO2界面层上形成HfSiAlON高K栅介质层并进行快速热退火处理后，采用BCl3基刻蚀气体对HfSiAlON高K栅介质进行高选择比去除。
上述方案中，所述HfSiAlON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于Si衬底/SiO2界面层上。
上述方案中，所述HfSiAlON高K栅介质层的快速热退火处理的温度为700℃～950℃，处理时间为10秒～60秒。
上述方案中，所述BCl3基刻蚀气体中除了包括BCl3以外，还包括Ar、O2、N2一种或几种气体的混合气体。
上述方案中，所述BCl3基刻蚀气体中Ar与BCl3的比率为0∶1至1∶2，O2与BCl3的比率为0∶1至1∶10，N2与BCl3的比率为0∶1至1∶8。
上述方案中，所述HfSiAlON高K介质的干法刻蚀的上电极功率为60W～200W，下电极功率为0W～60W，压强为4mt～15mt，BCl3基刻蚀气体的总流量为20sccm～100sccm，腔体和电极的温度控制在50℃～120℃。
(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HfSiAlON高K介质的干法刻蚀方法，通过采用BCl3基刻蚀气体解决了Hf的卤素基刻蚀产物的挥发性差的问题，使得样品表面无Hf、Al等金属的残余。
2、本发明提供的这种HfSiAlON高K介质的干法刻蚀方法，通过与Si衬底形成Si-B键可实现HfSiAlON高K介质的高选择比去除，为实现高K/金属栅的集成提供了必要保证。
3、本发明提供的这种HfSiAlON高K介质的干法刻蚀方法，与现有的CMOS工艺具有较高的兼容性，为实现高K/金属栅的集成提供了必要保证。
附图说明
图1为依照本发明实施例HfSiAlON高K介质采用BCl3/Ar刻蚀气体刻蚀前后的Hf4f的XPS分析；
图2为依照本发明实施例HfSiAlON高K介质采用BCl3/Ar刻蚀气体刻蚀前后的Al2p的XPS分析。
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。
本发明提供的这种HfSiAlON高K介质的干法刻蚀方法，是在Si衬底/SiO2界面层上形成HfSiAlON高K栅介质层并进行快速热退火处理后，采用BCl3基刻蚀气体对HfSiAlON高K栅介质进行高选择比去除。
其中，所述HfSiAlON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于Si衬底/SiO2界面层上。所述HfSiAlON高K栅介质层的快速热退火处理的温度为700℃～950℃，处理时间为10秒～60秒。
所述BCl3基刻蚀气体中除了包括BCl3以外，还可以包括Ar、O2、N2一种或几种气体的混合气体。在BCl3基刻蚀气体中Ar与BCl3的比率为0∶1至1∶2，O2与BCl3的比率为0∶1至1∶10，N2与BCl3的比率为0∶1至1∶8。
所述HfSiAlON高K介质的干法刻蚀的上电极功率为60W～200W，下电极功率为0W～60W，压强为4mt～15mt，BCl3基刻蚀气体的总流量为20sccm～100sccm，腔体和电极的温度控制在50℃～120℃。
本发明在Si衬底上通过快速热氧化工艺(RTO)生成界面SiO2层，然后采用物理气相淀积工艺形成HfSiAlON高K介质；经900℃高温处理后，采用BCl3/Ar混合气体，通过优化上电极功率、下电极功率、气体比率、气体总流量、压力、腔体和电极温度等工艺条件对HfSiAlON高K介质进行干法刻蚀。图1和图2分别是对HfSiAlON高K介质采用BCl3/Ar刻蚀气体刻蚀前后的Hf4f、Al2p的XPS分析。从Hf4f和Al2p的XPS分析结果可以看出，采用BCl3/Ar刻蚀后，硅片表面已经没有Hf和Al元素了，这说明采用BCl3基刻蚀气体可以实现HfSiAlON高K介质的去除，且刻蚀后刻蚀产物完全挥发了，没有重新淀积到Si衬底的表面，不存在Hf、Al等金属的残余。
因此，本发明所提供的这种HfSiAlON高K介质的干法刻蚀方法，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 (6)

1.一种HfSiAlON高K介质的干法刻蚀方法，其特征在于，该方法是在Si衬底/SiO2界面层上形成HfSiAlON高K栅介质层并进行快速热退火处理后，采用BCl3基刻蚀气体对HfSiAlON高K栅介质进行高选择比去除。
2.根据权利要求1所述的HfSiAlON高K介质的干法刻蚀方法，其特征在于，所述HfSiAlON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于Si衬底/SiO2界面层上。
3.根据权利要求1所述的HfSiAlON高K介质的干法刻蚀方法，其特征在于，所述HfSiAlON高K栅介质层的快速热退火处理的温度为700℃～950℃，处理时间为10秒～60秒。
4.根据权利要求1所述的HfSiAlON高K介质的干法刻蚀方法，其特征在于，所述BCl3基刻蚀气体中除了包括BCl3以外，还包括Ar、O2、N2一种或几种气体的混合气体。
5.根据权利要求4所述的HfSiAlON高K介质的干法刻蚀方法，其特征在于，所述BCl3基刻蚀气体中Ar与BCl3的比率为0∶1至1∶2，O2与BCl3的比率为0∶1至1∶10，N2与BCl3的比率为0∶1至1∶8。
6.根据权利要求1所述的HfSiAlON高K介质的干法刻蚀方法，其特征在于，所述HfSiAlON高K介质的干法刻蚀的上电极功率为60W～200W，下电极功率为0W～60W，压强为4mt～15mt，BCl3基刻蚀气体的总流量为20sccm～100sccm，腔体和电极的温度控制在50℃～120℃。
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