專利名稱：高介電常數(shù)膜的精確圖案化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造微電子器件，更具體而言，涉及電介質(zhì)層中溝槽的精確形成。
背景技術(shù)：
通過在由各種材料制成的各種結(jié)構(gòu)構(gòu)造中形成層和溝槽，可以產(chǎn)生比如半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的微電子結(jié)構(gòu)。與被用于對諸如高介電常數(shù)(或“高K”)膜的電介質(zhì)膜進行圖案化的傳統(tǒng)技術(shù)有關(guān)的一項挑戰(zhàn)是精確地形成溝槽，以避免對相鄰結(jié)構(gòu)的完整性的損害。參考圖1A，描繪了典型的柵極結(jié)構(gòu)的橫截面圖，其中與高K柵極氧化物層102相鄰形成了具有間隔層108、110、112、114的兩個柵極104、106，其中高K柵極氧化物層102鄰近襯底層100形成。圖1B描繪了不理想的圖案化情形，其中應(yīng)用了干法刻蝕技術(shù)，造成過深的溝槽116。盡管干法刻蝕技術(shù)的相對各向異性性質(zhì)有利于最小化負刻蝕偏差，但是它們可能伴隨著在控制溝槽形成的深度中的困難，例如如圖1B所描繪的，其中溝槽116不理想地延伸到了襯底層100中。圖1C圖示了另一種不理想的圖案化情形，其中應(yīng)用了濕法刻蝕，造成了不理想地下切(undercut)了鄰近結(jié)構(gòu)的溝槽118，這些鄰近結(jié)構(gòu)例如是柵極104、106以及間隔層110、112。許多濕法刻蝕處理與基本各向同性的刻蝕速率特性相關(guān)聯(lián)，造成負的刻蝕偏差以及下切，例如如圖1C所描繪的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種方法，包括在襯底材料層上形成高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層；在所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層上至少形成第一柵極和第二柵極，留出在所述第一和第二柵極之間的所述高介電常數(shù)材料的暴露的部分；將所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層的所述暴露部分暴露給氫氣，來還原所述暴露部分，以從所述外露部分形成金屬部分；通過將所述金屬部分暴露給對所述金屬部分具有選擇性的濕法化學(xué)刻蝕劑，從所述高介電常數(shù)材料層去除所述金屬部分，以形成溝槽；以及形成與所述第一柵極和所述第二柵極相鄰的間隔層。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種方法，包括在襯底上形成高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層；將所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層的暴露部分暴露給氫氣，來還原所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層的所述暴露部分，以從所述暴露部分形成金屬部分；以及通過將所述金屬部分暴露給對所述金屬部分具有選擇性的濕法化學(xué)刻蝕劑，從所述高介電常數(shù)材料層去除所述金屬部分。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種形成穿過高介電常數(shù)電介質(zhì)材料薄膜的具有基本為零的刻蝕偏差的溝槽的方法，包括在襯底上形成高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層；將所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層的暴露部分暴露給氫氣，來還原所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層的所述暴露部分，以從所述暴露部分形成金屬部分；以及通過將所述金屬部分暴露給對所述金屬部分具有選擇性的濕法化學(xué)刻蝕劑，從所述高介電常數(shù)材料層去除所述金屬部分。


本發(fā)明以舉例的方式被圖示說明，并且本發(fā)明不限于附圖中的圖形，在圖中相似的標(biāo)記表示類似的元件。附圖中示出的特征并沒有被規(guī)定為按比例繪制，也沒有被規(guī)定為以精確的位置關(guān)系示出。
圖1A～圖1C是傳統(tǒng)的襯底圖案化處理的橫截面描繪；圖2A～圖2C是本發(fā)明實施例的圖案化處理的各方面的橫截面圖；圖3是描繪本發(fā)明實施例的圖案化處理的各階段的流程圖；圖4A～圖4D是本發(fā)明第二實施例的圖案化處理的各方面的橫截面圖；圖5是描繪本發(fā)明第二實施例的圖案化處理的各階段的流程圖。
具體實施例方式
在下面對本發(fā)明實施例的詳細說明中，參考了附圖，其中相似的標(biāo)記表示類似的元件。這里所述的示意性實施例被充分詳細地公開，以使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。因此下面的詳細說明并不具有限制的意味，本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求來定義。
圖2A～圖2C是本發(fā)明的一個實施例的圖案化處理的各方面的橫截面圖。參考圖2A，示出了與圖1A中所描繪的相類似的微電子結(jié)構(gòu)?？梢岳酶鞣N技術(shù)和材料來形成這樣的結(jié)構(gòu)。例如，可以使用比如化學(xué)或物理氣相沉積或其他的技術(shù)，在襯底層100上形成高K電介質(zhì)層102。在各個實施例中，高K電介質(zhì)層102可以包括比如二氧化鉿、二氧化鋯或其硅酸鹽衍生物的高K材料，襯底層100可以包括比如硅或另外的材料的半導(dǎo)體材料。隨后，可以在間隔層108、110、112、114之間形成柵極104、106。在一個實施例中，柵極104、106包括比如多晶硅的柵極材料，間隔層108、110、112、114包括比如氮化硅的間隔層材料，盡管在其他實施例中也可以使用其他材料。在形成柵極104、106以及間隔層108、110、112、114之后，高K電介質(zhì)層102表面的一部分132保持暴露。
參考圖2B，暴露的高K電介質(zhì)層表面132被暴露給氫氣120，產(chǎn)生氫還原反應(yīng)。使用氫氣分子將d區(qū)(元素周期表中II族和III族之間)過渡金屬絡(luò)合物/膜還原為相應(yīng)的金屬元素是一種公知的現(xiàn)象，舉例來說，例如如1997年N.N.Greenwood和A.Earnshaw編寫的第二版《Chemistry ofthe Elements》的出版物中所描述的那樣。氫氣以基本各向異性的方式，在其被施加的方向上，容易地穿入這樣的膜中，到在高K微電子器件結(jié)構(gòu)中通常遇到的深度，比如在約5埃到約100埃之間。
在一個實施例中，在平行板等離子室中，暴露的表面132被暴露給氫氣120，其中包括了柵極104、106，高K電介質(zhì)層102以及襯底層100的器件晶片用作一塊極板，并且與第二塊極板隔開約5mm到約10mm的范圍內(nèi)的間隔。具有射頻(“RF”)功率源，其具有約2W/cm2到約4W/cm2范圍內(nèi)的功率密度和約200KHz到約13.5MHz范圍內(nèi)的頻率。晶片溫度在從約20℃到約450℃的范圍內(nèi)。具有約1000SCCM到約2000SCCM范圍內(nèi)的氫氣流量，以及約0SCCM到約2000SCCM范圍內(nèi)的比如氬氣或氦氣的惰性氣體流量。該室的壓力在約1托到約2托的范圍內(nèi)。其他實施例可以使用不同的條件來進行氫氣還原反應(yīng)。
在其中高K柵極電介質(zhì)102包括二氧化鉿的一個實施例中，氫氣還原反應(yīng)可以如下表示
還原反應(yīng)得到高K柵極電介質(zhì)層102被還原的部分122。如圖2C所描繪的，現(xiàn)在是金屬物質(zhì)的被還原的或“被轉(zhuǎn)變的”部分122可以通過暴露于對經(jīng)轉(zhuǎn)變的金屬具有選擇性的濕法刻蝕化學(xué)品124，被選擇性地去除，以留下溝槽126，其中濕法刻蝕化學(xué)品124例如是被稱作“piranha”刻蝕化學(xué)品的基于硫酸和過氧化氫的刻蝕化學(xué)品，或者被稱作“SC2”或“RCA標(biāo)準清洗2”濕法刻蝕化學(xué)品的基于鹽酸和過氧化氫的刻蝕化學(xué)品。還原部分122的去除也產(chǎn)生剩余的高K電介質(zhì)層102的不連續(xù)部分128、130。由于這樣的濕法刻蝕化學(xué)品124的對比于其他相鄰非金屬材料的對金屬物質(zhì)相對高的選擇性，溝槽126基本上沒有負刻蝕偏差或?qū)ο旅娴囊r底層100的損害，所述其他相鄰非金屬材料包括相鄰的沒有被還原或被轉(zhuǎn)變的高K柵極電介質(zhì)102的部分。實際上，由去除被還原的材料122而得到的溝槽126基本上是直的，具有基本上平行的壁——這在本領(lǐng)域中也被稱作具有基本為零的正或負“刻蝕偏差”的溝槽。比如piranha和SC2的濕法刻蝕化學(xué)品124，作為用于選擇性地去除有機物和金屬以到達下面的金屬或襯底材料的體系，在本領(lǐng)域中是公知的。例如，具有氧化劑的低pH體系，比如像在SC2刻蝕化學(xué)品中的具有過氧化氫的鹽酸，是一種溶解金屬的公知的有效方法。在其他實施例中，可以使用其他方法，例如比如膦酸脂衍生物或乙二胺四乙酸的普通螯合劑水溶液，來選擇性地去除被還原的部分122。從而，電介質(zhì)層102被精確地圖案化，避免了腐蝕下面的襯底層100以及下切相鄰的比如柵極104、106或間隔層108、110、112、114的結(jié)構(gòu)的問題。
參考圖3，描繪了總結(jié)本發(fā)明一個實施例的圖案化處理的流程圖，其中，鄰近襯底層形成300高K柵極電介質(zhì)層，其后鄰近高K柵極電介質(zhì)層形成302柵極和間隔層，留出高K柵極電介質(zhì)層的暴露的表面。該暴露的高K柵極電介質(zhì)層表面被暴露給304導(dǎo)致還原反應(yīng)的氫氣。通過對被還原的高K柵極電介質(zhì)材料具有選擇性的濕法刻蝕化學(xué)品，刻蝕306被還原的高K柵極電介質(zhì)材料，以形成溝槽，使得被還原的柵極電介質(zhì)材料被選擇性地去除，而基本不會下切相鄰的柵極結(jié)構(gòu)或基本不會腐蝕下面的襯底層材料。
圖4A～圖4D是本發(fā)明第二實施例的圖案化處理的各方面的橫截面圖。參考圖4A，示出了與圖2A中所描繪的類似的微電子結(jié)構(gòu)。但是，圖4A中的結(jié)構(gòu)不包括與柵極104、106相鄰的間隔層108、110、112、114?？梢允褂酶鞣N技術(shù)和材料形成這樣的結(jié)構(gòu)。例如，可以使用比如化學(xué)或物理氣相沉積或其他的技術(shù)，在襯底層100上形成高K電介質(zhì)層102。在各個實施例中，高K電介質(zhì)層102可以包括比如二氧化鉿、二氧化鋯或其硅酸鹽衍生物的高K材料，襯底層100可以包括比如硅或另外的材料的半導(dǎo)體材料。隨后，可以在高K電介質(zhì)層102上形成柵極104、106。在一個實施例中，柵極104、106包括比如多晶硅的柵極材料，盡管在其他實施例中也可以使用其他材料。在形成柵極104、106之后，在柵極104、106之間的高K電介質(zhì)層102的一部分132保持暴露。
參考圖4B，暴露的高K電介質(zhì)層表面132被暴露給氫氣120，產(chǎn)生氫還原反應(yīng)。在一個實施例中，所進行的這種暴露與上面關(guān)于圖2B所描述的暴露相似，得到高K柵極電介質(zhì)層102被還原的部分122的相同的結(jié)果。如圖4C所描繪的，現(xiàn)在是金屬物質(zhì)的被還原的或“被轉(zhuǎn)變的”部分122可以通過暴露于對經(jīng)轉(zhuǎn)變的金屬具有選擇性的濕法刻蝕化學(xué)品124，被選擇性的去除，以留下溝槽126。該濕法刻蝕化學(xué)品124一般以上面關(guān)于圖2C所描述的相同的方式完成功能。被還原部分122的去除也產(chǎn)生剩余的高K電介質(zhì)層102剩余的不連續(xù)部分128、130。由于這樣的濕法刻蝕化學(xué)品124的對比于其他相鄰非金屬材料的對金屬物質(zhì)相對高的選擇性，溝槽126基本上沒有負刻蝕偏差或?qū)ο旅娴囊r底層100的損害，所述其他相鄰非金屬材料包括相鄰的沒有被還原或被轉(zhuǎn)變的高K柵極電介質(zhì)102的部分。實際上，由去除被還原的材料122而得到的溝槽126基本上是直的，具有基本上平行的壁——這在本領(lǐng)域也被稱作具有基本為零的正或負“刻蝕偏差”的溝槽。從而，電介質(zhì)層102被精確地圖案化，避免了腐蝕下面的襯底層100以及下切相鄰的比如柵極104、106的結(jié)構(gòu)的問題。
參考圖4D，然后與高K電介質(zhì)層102的不連續(xù)部分128、130和柵極104、106相鄰形成間隔層108、110、112、114。如圖4D所示，間隔層110、112鄰近高K電介質(zhì)層102的不連續(xù)部分128、130和柵極104、106兩者而形成，并且基本上從柵極104、106的上表面延伸到溝槽126中，并到通過去除高K電介質(zhì)層102的被還原部分122而被暴露的材料的上表面上。通過去除高K電介質(zhì)層的被還原部分122而被暴露的材料的上表面是溝槽126的下表面，這在所圖示的實施例中是襯底層100的上表面。在所圖示的實施例中，在每個柵極104、106的一側(cè)上形成溝槽126。高K電介質(zhì)層102保留在柵極104、106的非溝槽側(cè)上。在這樣的實施例中，在柵極104、106的非溝槽側(cè)上的間隔層108、114鄰近柵極104、106被形成，并且基本上從柵極104、106的上表面延伸到高K電介質(zhì)層102的不連續(xù)部分128、130的上表面。但是，在其他實施例(未示出)中，溝槽126可以形成在柵極104、106中的一個或兩者的兩側(cè)上。在其他這些實施例中，在柵極104、106的非溝槽側(cè)上的間隔層108、114的一個或兩者也可以鄰近高K電介質(zhì)層102的不連續(xù)部分128、130和柵極104、106被形成，并且基本上從柵極104、106的上表面延伸到溝槽126中，并到通過去除高K電介質(zhì)層102的被還原部分122而被暴露的襯底層100的上表面。從而，電介質(zhì)層102被精確地圖案化，避免了腐蝕下面的襯底層100以及下切相鄰的比如柵極104、106或間隔層108、110、112、114的結(jié)構(gòu)的問題。
參考圖5，描繪了總結(jié)本發(fā)明一個實施例的圖案化處理的流程圖，其中鄰近襯底層形成500高K柵極電介質(zhì)層，其后鄰近高K柵極電介質(zhì)層形成502柵極，留出高K柵極電介質(zhì)層的被暴露的表面。該暴露的高K柵極電介質(zhì)層表面被暴露504給導(dǎo)致還原反應(yīng)的氫氣。通過對被還原的高K柵極電介質(zhì)材料具有選擇性的濕法刻蝕化學(xué)品，刻蝕506被還原的高K柵極電介質(zhì)材料，以形成溝槽，使得被還原的柵極電介質(zhì)材料被選擇性地去除，而基本不會下切相鄰的柵極結(jié)構(gòu)或基本不會腐蝕下面的襯底層材料。然后，鄰近剩余的高K柵極電介質(zhì)層的一部分和柵極形成508間隔層。在柵極鄰近溝槽的側(cè)上，這些間隔層基本上從柵極的上表面延伸到襯底層的上表面。
如此公開了一種新穎的襯底圖案化解決方法。雖然這里參考特定的實施例說明了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易地想到其中的許多修改。因此，所有這些變化和修改都被包括由所附權(quán)利要求所確定的本發(fā)明意圖的保護范圍中。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括在襯底材料層上形成高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層；在所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層上至少形成第一柵極和第二柵極，留出在所述第一和第二柵極之間的所述高介電常數(shù)材料的暴露的部分；將所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層的所述暴露部分暴露給氫氣，來還原所述暴露部分，以從所述外露部分形成金屬部分；通過將所述金屬部分暴露給對所述金屬部分具有選擇性的濕法化學(xué)刻蝕劑，從所述高介電常數(shù)材料層去除所述金屬部分，以形成溝槽；以及形成與所述第一柵極和所述第二柵極相鄰的間隔層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成所述間隔層的步驟包括，在從所述高介電常數(shù)材料層去除所述金屬部分之后，形成與所述柵極相鄰的所述間隔層。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中至少一個所述間隔層基本上從所述第一和第二柵極中一個的上表面延伸到所述溝槽中，到所述溝槽的下表面。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成所述間隔層的步驟包括，在將所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層的所述暴露部分暴露給氫氣之前，形成所述間隔層。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述間隔層基本上從所述間隔層所鄰近的柵極的上表面延伸到所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層的上表面。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料包括二氧化鉿，并且其中所述金屬部分包括鉿。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料包括二氧化鋯，并且其中所述金屬部分包括鋯。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中將所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層的所述暴露部分暴露給氫氣的步驟包括，在等離子室中將所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層的所述暴露部分暴露給氫氣。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層以離極板從約5mm到約10mm的范圍的距離，被置于所述等離子室中。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中將所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層的所述暴露部分暴露給氫氣的步驟包括，將所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層的所述暴露部分暴露給流量范圍從約1000SCCM到約2000SCCM的氫氣。
11.一種方法，包括在襯底上形成高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層；將所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層的暴露部分暴露給氫氣，來還原所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層的所述暴露部分，以從所述暴露部分形成金屬部分；以及通過將所述金屬部分暴露給對所述金屬部分具有選擇性的濕法化學(xué)刻蝕劑，從所述高介電常數(shù)材料層去除所述金屬部分。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料包括二氧化鉿，并且其中所述金屬部分包括鉿。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料包括二氧化鋯，并且其中所述金屬部分包括鋯。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中將所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層的所述暴露部分暴露給氫氣的步驟包括，在等離子室中將所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層的所述暴露部分暴露給氫氣。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層以離極板從約5mm到約10mm的范圍的距離，被置于所述等離子室中。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中將所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層的所述暴露部分暴露給氫氣的步驟包括，將所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料層的所述暴露部分暴露給流量范圍從約1000SCCM到約2000SCCM的氫氣。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述濕法化學(xué)刻蝕劑包括基于硫酸和過氧化氫的刻蝕化學(xué)品。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述刻蝕化學(xué)品是piranha刻蝕化學(xué)品。
19.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述濕法化學(xué)刻蝕劑包括基于鹽酸和過氧化氫的刻蝕化學(xué)品。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述刻蝕化學(xué)品是SC2刻蝕化學(xué)品。
21.一種形成穿過高介電常數(shù)電介質(zhì)材料薄膜的具有基本為零的刻蝕偏差的溝槽的方法，包括將所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料膜的暴露部分暴露給氫氣，來還原所述暴露部分，以從所述外露部分形成金屬部分；以及通過將所述金屬部分暴露給對所述金屬部分具有選擇性的濕法化學(xué)刻蝕劑，從所述高介電常數(shù)材料層去除所述金屬部分。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述濕法化學(xué)刻蝕劑包括基于硫酸和過氧化氫的刻蝕化學(xué)品。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述刻蝕化學(xué)品是piranha刻蝕化學(xué)品。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述濕法化學(xué)刻蝕劑包括基于鹽酸和過氧化氫的刻蝕化學(xué)品。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述刻蝕化學(xué)品是SC2刻蝕化學(xué)品。
26.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料包括二氧化鉿，并且其中所述金屬部分包括鉿。
27.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述高介電常數(shù)電介質(zhì)材料包括二氧化鋯，并且其中所述金屬部分包括鋯。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高介電常數(shù)薄膜的精確圖案化的方法，用于解決傳統(tǒng)圖案化技術(shù)中的結(jié)構(gòu)和工藝限制。在形成與高介電常數(shù)電介質(zhì)層相鄰的柵極結(jié)構(gòu)之后，高介電常數(shù)電介質(zhì)層的一部分優(yōu)選地通過暴露給氫氣而被還原，以形成高介電常數(shù)電介質(zhì)層的被還原部分?？梢允褂脻穹涛g化學(xué)品選擇性地去除被還原部分，以留下具有理想幾何特征的溝槽。
文檔編號H01L21/28GK1581446SQ20041007082
公開日2005年2月16日 申請日期2004年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月1日
發(fā)明者賈斯廷·K·布拉斯克, 馬克·L·多齊, 馬修·V·梅斯, 約翰·巴納科, 保羅·R·馬克沃斯 申請人:英特爾公司