專利名稱：一種插入式TiN金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備和刻蝕方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種在先柵工藝中金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備和刻蝕方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體器件的特征尺寸進(jìn)入到45nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)以后，為了減小柵隧穿電流，降低器件的功耗，并徹底消除多晶硅耗盡效應(yīng)和P型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (PM0SFET)中B穿透引起的可靠性問題，緩解費(fèi)米能級釘扎效應(yīng)，采用高介電常數(shù)(K)/金屬柵材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的SiO2/多晶硅(poly)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為了必然的選擇。在諸多高K材料中， Hf基高K材料最終被認(rèn)為是最有希望成為SiO2柵介質(zhì)的替代者。另一方面，TiN金屬柵材料由于具有好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性以及與Hf基高介電常數(shù)柵介質(zhì)有好的粘附性等特點(diǎn)使其成為了納米級互補(bǔ)型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(CM0Q器件中金屬柵材料的有力候選者。雖然Hf基高K和金屬柵材料的引入可以改善器件的性能，但在先柵工藝中實(shí)現(xiàn)高 K/金屬柵的集成，特別是金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的刻蝕工藝，一直是高K、金屬柵材料實(shí)際應(yīng)用到 CMOS工藝的主要挑戰(zhàn)之一。為了降低刻蝕的難度，避免后續(xù)源漏離子注入工藝對金屬柵電極的影響，以及引入高K和金屬柵材料后不過多地增加原有CMOS工藝的復(fù)雜性，須采用插入式金屬柵的疊層結(jié)構(gòu)(即硅柵/金屬柵的疊層結(jié)構(gòu))代替純金屬柵電極。另外，在高K/ 金屬柵結(jié)構(gòu)刻蝕的過程中，不僅要得到陡直的刻蝕剖面，還要對Si襯底的選擇比很高，對 Si襯底消耗要控制在1納米以下。因此，優(yōu)化的金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備和刻蝕工藝是實(shí)現(xiàn)高K/金屬柵集成的必要條件。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題本發(fā)明針對的納米級CMOS器件制備過程中引入高K，金屬柵材料后，為實(shí)現(xiàn)高K/ 金屬柵集成的新課題，提供一種插入式TiN金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備和刻蝕方法。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種插入式TiN金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備和刻蝕方法，該方法包括步驟10 在半導(dǎo)體襯底上形成界面SiA層，然后在其上形成高K柵介質(zhì)層；步驟20 所述高K柵介質(zhì)層經(jīng)過快速熱退火處理后，在其上形成TiN金屬柵電極層；步驟30 在所述TiN金屬柵電極層上形成硅柵層，并在其上形成硬掩膜層；步驟40 光刻，通過干法刻蝕工藝對硬掩膜層進(jìn)行刻蝕；步驟50 去膠，以硬掩膜層為掩蔽，通過干法刻蝕工藝對硅柵層進(jìn)行各向異性刻蝕；
步驟60 通過干法刻蝕工藝對TiN金屬柵電極層和高K柵介質(zhì)層進(jìn)行高選擇比各向異性刻蝕。上述方案中，步驟10中所述高K柵介質(zhì)層由Hf02、HfON, HfAlO, HfAlON, HfTaO, HfTaON, HfSiO、HfSiON、HfLaO或者HfLaON形成，所述高K柵介質(zhì)層通過物理氣相淀積、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積或者原子層淀積工藝形成。上述方案中，步驟20中所述高K柵介質(zhì)層的快速熱退火處理的溫度500 900度， 處理時(shí)間為10 90秒。上述方案中，步驟20中所述TiN金屬柵電極層通過物理氣相淀積、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積或者原子層淀積工藝形成。上述方案中，步驟30中所述硅柵層既由多晶硅或非晶硅構(gòu)成，所述硬掩膜層由氧化硅、氮化硅或氧化硅/氮化硅疊層結(jié)構(gòu)構(gòu)成。上述方案中，步驟60中所述TiN金屬柵和高K介質(zhì)的干法刻蝕的上電極功率為 140 450W，下電極功率為30 180W，壓強(qiáng)為4 20mt，BCl3基刻蝕氣體的總流量為30 120SCCm，腔體和電極的溫度控制在50 120度。上述方案中，步驟60中所述TiN金屬柵和高K介質(zhì)的干法刻蝕工藝中采用BCl3基氣體作為刻蝕氣體。上述方案中，所述BCl3基刻蝕氣體是BCl3、02、Ar的混合氣體，或者是BCl3、Cl2、Ar 的混合氣體。上述方案中，所述BCl3、02、Ar的混合氣體中BCl3氣體的流量為20 llOsccm，O2 的流量為2 15sccm，Ar的流量為10 60sccm。上述方案中，所述BC13、Cl2, Ar的混合氣體中BCl3氣體的流量為20 llOsccm， Cl2的流量為5 40sccm，Ar的流量為10 60sccm。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、本發(fā)明提供的這種插入式TiN金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備和刻蝕方法，不僅可以滿足TiN金屬柵以及高K材料在插入式金屬柵疊層結(jié)構(gòu)中制備的需要，而且還能通過優(yōu)化TiN 金屬柵和高K介質(zhì)的刻蝕工藝得到陡直的刻蝕剖面，而且對Si襯底的損耗很小，為實(shí)現(xiàn)高 K/金屬柵的集成提供了必要保證。2、本發(fā)明提供的這種插入式TiN金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備和刻蝕方法，滿足先柵工藝中高K、金屬柵集成的需要，可成功制備出高K/TiN金屬柵/poly的疊層結(jié)構(gòu)。3、本發(fā)明提供的這種插入式TiN金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備和刻蝕方法，不僅可以得到陡直的刻蝕剖面，而且對Si襯底的損耗很小，滿足集成工藝中引入新的高K、金屬柵材料后對刻蝕工藝的要求。4、本發(fā)明提供的這種插入式TiN金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備和刻蝕方法，降低了新材料的刻蝕難度，沒有過多地增加原有CMOS工藝的復(fù)雜性，與現(xiàn)有的CMOS工藝兼容性較高。


圖1是本發(fā)明提供的插入式TiN金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備和刻蝕方法流程圖；圖2依照本發(fā)明實(shí)施例在HfSiON高K介質(zhì)上，制備TiN金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片；圖3為依照本發(fā)明實(shí)施例采用BC13/02/Ar刻蝕氣體刻蝕插入式金屬柵中的 HfSiON/TiN結(jié)構(gòu)后的掃描電鏡照片；圖4為依照本發(fā)明實(shí)施例采用BC13/C12/Ar刻蝕氣體刻蝕插入式金屬柵中的 HfSiON/TiN結(jié)構(gòu)后的掃描電鏡照片。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的插入式TiN金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備和刻蝕方法流程圖，該方法包括以下步驟步驟10 在半導(dǎo)體襯底上形成界面SW2層，然后在其上形成高K柵介質(zhì)層；步驟20 所述高K柵介質(zhì)層經(jīng)過快速熱退火處理后，在其上形成TiN金屬柵電極層；步驟30 在所述TiN金屬柵電極層上形成硅柵層，并在其上形成硬掩膜層；步驟40 光刻，通過干法刻蝕工藝對硬掩膜層進(jìn)行刻蝕；步驟50 去膠，以硬掩膜層為掩蔽，通過干法刻蝕工藝對硅柵層進(jìn)行各向異性刻蝕；步驟60 通過干法刻蝕工藝對TiN金屬柵電極層和高K柵介質(zhì)層進(jìn)行高選擇比各向異性刻蝕。其中，步驟10 中所述高 K 柵介質(zhì)層由 Hf02、Hf0N、HfA10、HfA10N、HfTa0、HfTa0N、 HfSiO、HfSiON、HfLaO或者HfLaON形成，所述高K柵介質(zhì)層通過物理氣相淀積、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積或者原子層淀積工藝形成。步驟20中所述高K柵介質(zhì)層的快速熱退火處理的溫度500 900度，處理時(shí)間為10 90秒。步驟20中所述TiN金屬柵電極層通過物理氣相淀積、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積或者原子層淀積工藝形成。步驟30中所述硅柵層既由多晶硅或非晶硅構(gòu)成，所述硬掩膜層由氧化硅、氮化硅或氧化硅/氮化硅疊層結(jié)構(gòu)構(gòu)成。步驟60中所述TiN金屬柵和高K介質(zhì)的干法刻蝕的上電極功率為140 450W，下電極功率為30 180W，壓強(qiáng)為4 20mt，BCl3基刻蝕氣體的總流量為30 120sccm，腔體和電極的溫度控制在50 120度。步驟60中所述TiN金屬柵和高K介質(zhì)的干法刻蝕工藝中采用BCl3基氣體作為刻蝕氣體。所述BCl3基刻蝕氣體是BCl3、02、Ar的混合氣體，或者是 BCl3、Cl2、Ar的混合氣體。所述BCl3、02、Ar的混合氣體中BCl3氣體的流量為20 llOsccm， O2的流量為2 lkccm，Ar的流量為10 60sccm。所述BC13、Cl2、Ar的混合氣體中BCl3 氣體的流量為20 llOsccm，Cl2的流量為5 40sccm，Ar的流量為10 60sccm?；趫D1所示的本發(fā)明提供的插入式TiN金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備和刻蝕方法流程圖，圖2至圖4示出了依照本發(fā)明實(shí)施例插入式TiN金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備和刻蝕方法。圖2是依照本發(fā)明實(shí)施例在HfSiON高K介質(zhì)上，制備TiN金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片。其具體制備工藝為在Si襯底上RTO生成界面SW2層，然后采用物理氣相淀積工藝形成3nm的HfSiON高K介質(zhì)；經(jīng)900度高溫處理后，通過物理氣相淀積工藝形成厚度為 14nm的TiN金屬柵；采用低壓化學(xué)氣相淀積形成厚度為110納米的多晶硅，并在其上采用低溫?zé)嵫趸に囆纬珊穸葹?5納米的二氧化硅硬掩膜。從圖2可以看出，這種插入式TiN 金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備方法可以實(shí)現(xiàn)在高K介質(zhì)上TiN/poly金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備，滿足器件制備的需要。圖3是依照本發(fā)明實(shí)施例采用BCl 3/02/Ar刻蝕氣體刻蝕插入式金屬柵中的 HfSiON/TiN結(jié)構(gòu)后的掃描電鏡照片。其具體工藝為對于已經(jīng)制備好的Si/Si02/HfSi0N/ TiN/poly/Si02疊層結(jié)構(gòu)，光刻后，通過干法刻蝕工藝對硬掩膜刻蝕；去膠后，以硬掩膜為掩蔽，通過干法刻蝕工藝對硅柵層進(jìn)行各向異性刻蝕；通過優(yōu)化BCl3/02/Ar混合氣體的比率、 刻蝕工藝的上下電極功率、壓力以及腔體和電極的溫度等參數(shù)對HfSiON/TiN結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕。從圖3可以看出，刻蝕后，多晶硅和金屬柵的刻蝕剖面都是陡直的，無刻蝕殘余，且該刻蝕工藝對Si襯底的損耗較少。圖4是依照本發(fā)明實(shí)施例采用BCl3/Cl2/Ar刻蝕氣體刻蝕插入式金屬柵中的 HfSiON/TiN結(jié)構(gòu)后的掃描電鏡照片。其具體工藝為對于已經(jīng)制備好的Si/Si02/HfSi0N/ TiN/poly/Si02疊層結(jié)構(gòu)，光刻后，通過干法刻蝕工藝對硬掩膜刻蝕；去膠后，以硬掩膜為掩蔽，通過干法刻蝕工藝對硅柵層進(jìn)行各向異性刻蝕；通過優(yōu)化BCl3/Cl2/Ar混合氣體的比率、刻蝕工藝的上下電極功率、壓力以及腔體和電極的溫度等參數(shù)對HfSiON/TiN結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕。從圖4可以看出，刻蝕后，多晶硅和金屬柵的刻蝕剖面都是陡直的，無刻蝕殘余，且該刻蝕工藝對Si襯底的損耗較少。因此，本發(fā)明所提供的一種插入式TiN金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備和刻蝕方法適于納米級CMOS器件中高介電常數(shù)介質(zhì)/金屬柵材料集成的需要，為實(shí)現(xiàn)高K/金屬柵集成提供了必要保證。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種插入式TiN金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備和刻蝕方法，其特征在于，該方法包括步驟10 在半導(dǎo)體襯底上形成界面SiO2層，然后在其上形成高K柵介質(zhì)層；步驟20 所述高K柵介質(zhì)層經(jīng)過快速熱退火處理后，在其上形成TiN金屬柵電極層；步驟30 在所述TiN金屬柵電極層上形成硅柵層，并在其上形成硬掩膜層；步驟40 光刻，通過干法刻蝕工藝對硬掩膜層進(jìn)行刻蝕；步驟50 去膠，以硬掩膜層為掩蔽，通過干法刻蝕工藝對硅柵層進(jìn)行各向異性刻蝕；步驟60 通過干法刻蝕工藝對TiN金屬柵電極層和高K柵介質(zhì)層進(jìn)行高選擇比各向異性刻蝕。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的插入式TiN金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備和刻蝕方法，其特征在于， 步驟 10 中所述高 K 柵介質(zhì)層由 Hf02、Hf0N、HfA10、HfA10N、HfTa0、HfTa0N、HfSi0、HfSi0N、 HfLaO或者HfLaON形成，所述高K柵介質(zhì)層通過物理氣相淀積、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積或者原子層淀積工藝形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的插入式TiN金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備和刻蝕方法，其特征在于， 步驟20中所述高K柵介質(zhì)層的快速熱退火處理的溫度500 900度，處理時(shí)間為10 90 秒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的插入式TiN金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備和刻蝕方法，其特征在于， 步驟20中所述TiN金屬柵電極層通過物理氣相淀積、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積或者原子層淀積工藝形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的插入式TiN金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備和刻蝕方法，其特征在于， 步驟30中所述硅柵層既由多晶硅或非晶硅構(gòu)成，所述硬掩膜層由氧化硅、氮化硅或氧化硅 /氮化硅疊層結(jié)構(gòu)構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的插入式TiN金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備和刻蝕方法，其特征在于， 步驟60中所述TiN金屬柵和高K介質(zhì)的干法刻蝕的上電極功率為140 450W，下電極功率為30 180W，壓強(qiáng)為4 20mt，BCl3基刻蝕氣體的總流量為30 120sccm，腔體和電極的溫度控制在50 120度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的插入式TiN金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備和刻蝕方法，其特征在于， 步驟60中所述TiN金屬柵和高K介質(zhì)的干法刻蝕工藝中采用BCl3基氣體作為刻蝕氣體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的插入式TiN金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備和刻蝕方法，其特征在于， 所述BCl3基刻蝕氣體是BC13、02、Ar的混合氣體，或者是BC13、Cl2, Ar的混合氣體。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述插入式TiN金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備和刻蝕方法，其特征在于，所述BC13、02、Ar的混合氣體中BCl3氣體的流量為20 llOsccm，O2的流量為2 lkccm， Ar的流量為10 60sccm。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的插入式TiN金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備和刻蝕方法，其特征在于，所述BC13、Cl2, Ar的混合氣體中BCl3氣體的流量為20 llOsccm，Cl2的流量為5 40sccm, Ar 的流量為 10 60sccmo
全文摘要
本發(fā)明公開了一種插入式TiN金屬柵疊層結(jié)構(gòu)的制備和刻蝕方法，包括在半導(dǎo)體襯底上形成界面SiO2層，然后在其上形成高K柵介質(zhì)層；所述高K柵介質(zhì)層經(jīng)過快速熱退火處理后，在其上形成TiN金屬柵電極層；在所述TiN金屬柵電極層上形成硅柵層，并在其上形成硬掩膜層；光刻，通過干法刻蝕工藝對硬掩膜層進(jìn)行刻蝕；去膠，以硬掩膜層為掩蔽，通過干法刻蝕工藝對硅柵層進(jìn)行各向異性刻蝕；通過干法刻蝕工藝對TiN金屬柵電極層和高K柵介質(zhì)層進(jìn)行高選擇比各向異性刻蝕。本發(fā)明不僅可以滿足TiN金屬柵以及高K材料在插入式金屬柵疊層結(jié)構(gòu)中制備的需要，而且還能通過優(yōu)化TiN金屬柵和高K介質(zhì)的刻蝕工藝得到陡直的刻蝕剖面，為實(shí)現(xiàn)高K/金屬柵的集成提供了必要保證。
文檔編號H01L21/28GK102237268SQ201010157530
公開日2011年11月9日 申請日期2010年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月21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