一种插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法技术

本发明专利技术公开了一种插入式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。本发明专利技术不仅可以满足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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及集成电路制造
，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。
技术介绍
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 (PM0SFET)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(CM0Q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。
技术实现思路
(一 )要解决的技术问题本专利技术针对的纳米级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。( 二 )技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了，该方法包括步骤10 在半导体衬底上形成界面SiA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Hf02、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、02、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、02、Ar的混合气体中BCl3气体的流量为20 llOsccm，O2 的流量为2 15sccm，Ar的流量为10 60sccm。上述方案中，所述BC13、Cl2, Ar的混合气体中BCl3气体的流量为20 llOsccm， 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，本专利技术具有以下有益效果1、本专利技术提供的这种插入式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、本专利技术提供的这种插入式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、本专利技术提供的这种插入式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、本专利技术提供的这种插入式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是本专利技术提供的插入式TiN金属栅叠层结构的制备和刻蚀方法流程图；图2依照本专利技术实施例在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为依照本专利技术实施例采用BC13/02/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为依照本专利技术实施例采用BC13/C12/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。具体实施例方式为使本专利技术的目的、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，对本专利技术进一步详细说明。如图1所示，图1是本专利技术提供的插入式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10 在半导体衬底上形成界面SW2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。其中，步骤10 中所述高 K 栅介质层由 Hf02、Hf0N、HfA10、HfA10N、HfTa0、HfTa0N、 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、02、A本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李永亮，徐秋霞，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：11