用于高温蚀刻高-k材料栅结构的方法

专利名称：用于高温蚀刻高-k材料栅结构的方法
技术领域：
本发明的实施方式主要涉及高温蚀刻高一K材料的方法，更具体地，涉及 在栅结构制造期间，高温蚀刻高一K材料的方法。
背景技术：
对于下一代半导体器件的甚大规模集成电路(VLSI)和超大规模集成电 路(ULSI)来说，可靠地生产亚半微米以及更小的部件是关键技术之一。然 而，随着电路技术的局限推动，VLSI和ULSI技术中连接尺寸的减小对处理 能力提出了额外的要求。栅图案的可靠形成对实现VLSI和ULSI以及增加电 路密度和不断提高单个衬底和芯片的质量很重要。通常，栅结构包括设置在栅 介电层上方的栅极。利用栅结构控制在该栅介电层下方的漏区和源区之间形成 的沟道区中电荷载流子的流动。
高一K介电材料(例如，具有大于4的介电常数的材料)在栅结构应用中， 广泛地用于栅介电层。高一K栅介电材料具有低的等效氧化层厚度(EOT)并 减小栅极漏电流。尽管大多数高一K材料在周围温度下相对稳定，但已经证实 这些材料在栅结构制造工序期间很难被蚀刻。此外，传统蚀刻剂蚀刻高一k材 料相对于栅结构中存在的其它材料诸如栅极和/或下层材料具有低选择性，从 而在其它材料与高一K材料的接触面上留下硅凹槽、印记(foot)或其它相关 缺陷留。
因此，本领域需要在栅结构制造期间用于蚀刻高一K材料的改进方法。

发明内容
本发明提供蚀刻沉积在栅结构中的高一K材料的方法。在一个实施方式 中， 一种蚀刻高一K材料的方法可以包括将在其上沉积有高一K材料层的衬底 提供给蚀刻腔室，由蚀刻腔室中的至少包括含卤素气体的蚀刻气体混合物形成 等离子体，以及将衬底的温度保持在约100摄氏度和约250摄氏度之间同时在
所述等离子体中蚀刻高一K材料层。
在另一实施方式中，为形成栅结构蚀刻薄膜叠层的方法可以包括在蚀刻腔 室中，提供其上形成有薄膜叠层的衬底，其中该薄膜叠层包括在第一和第二多 晶硅层之间所夹的高一K材料，蚀刻衬底上的第一多晶硅层以形成暴露高一K
材料的沟槽，在沟槽的侧壁上形成保护层，在约100摄氏度和约250摄氏度之 间的温度下通过含卤素气体通过所保护的沟槽蚀刻高一K材料，以及蚀刻沉积 在衬底上的第二多晶硅层。
在另一实施方式中，蚀刻用于形成栅结构的薄膜叠层的方法可以包括将其 上形成有薄膜叠层的衬底提供给蚀刻腔室，其中所述薄膜叠层包括在第一和第 二多晶硅层之间所夹的含铪氧化物层；以及在蚀刻腔室中顺序蚀刻第一多晶硅 层、含铪氧化物层和第二多晶硅层，同时将所述衬底保持在约IOO摄氏度和约 250摄氏度之间的温度。
在另一实施方式中，蚀刻用于形成栅结构的薄膜叠层的方法可包括将具有 金属栅极的衬底提供给蚀刻腔室，所述金属栅极设置在形成于所述衬底之上的 高一K材料层之上，蚀刻所述金属栅极层以形成暴露所述高一K材料的沟槽； 以及通过含卤素气体在约100摄氏度和约250摄氏度之间的温度下，通过所述 沟槽蚀刻所述高一K材料。
在一个实施方式中，蚀刻在衬底上的高一K材料的方法可以包括将其上沉 积有高一K材料层的衬底提供给腔室，由蚀刻腔室的至少含含卤素气体的蚀刻 气体混合物形成等离子体，保持蚀刻腔室的内部体积表面的温度超过约100 摄氏度，以及将衬底的温度保持在约100摄氏度和250摄氏度之间，同时在等 离子体中蚀刻高一K材料层。


通过以下详细说明，结合附图很容易理解本发明的教导。其中 图1示出了根据本发明一个实施方式的用于执行蚀刻工艺的等离子体工 艺装置的示意图2示出了结合本发明一个实施方式的方法的工艺流程图；以及 图3示出了结合本发明另一个实施方式的方法的工艺流程图4A-4D示出了设置为其上形成栅结构的薄膜叠层的横截面图；以及
图5A-C示出了设置为形成栅结构的不同薄膜叠层的可选的横截面的视图。
为了便于理解，尽可能的，附图中相同的附图标记表示相同的元件。可以 认为， 一个实施方式的元件和特征可以在不需进一步描述的情况下，有益地结 合到另一实施方式中。
然而，应该注意到附图只示出了本发明的示例性实施方式，因此不能认为 是对本发明范围的限定，本发明可以有其他等效的实施方式。
具体实施例方式
本发明主要涉及用于蚀刻高一K材料的方法，该高一K材料为适用于栅结 构制造的薄膜叠层的一部分。在一个实施方式中，在约100摄氏度和约250 摄氏度之间的温度下蚀刻栅结构薄膜叠层的高一K材料。在另一实施方式中， 在约100摄氏度和约250摄氏度之间相近的温度下对高一K材料与相邻的栅级 层均进行蚀刻。在此所描述的工艺有利地适用于具有亚微型临界尺寸的含高一 K栅结构应用中应用。该工艺也保持形成的栅结构的光滑、垂直、无印 (foot-free)、零硅凹槽(recess)以及整齐的外形。在单个蚀刻腔室中顺序执 行蚀刻工艺。
在此所描述的蚀刻工艺可以在任何适合的等离子体蚀刻腔室中执行，例 如，Decopuled Plasma Source ( (DPS)，去耦等离子体源)、DPS-II、 DPS-II AdvantEdge HT、 DPS Plus或DPS DT、 HART和HART TS蚀刻反应器，所 有这些都可以从California的Santa Clara应用材料公司购买到。本发明也可以 在从其他制造商购买的等离子体蚀刻反应器中实施。
图1示出了适用于实施本发明至少一个实施方式的示意性蚀刻工艺腔室 100的一个实施方式的示意图。腔室100包括支撑罩(lid) 120的导电腔室壁 130。壁130连接到地线(electrical ground) 134。罩120可以具有平顶(flat ceiling)、圆形的顶或用于限定工艺腔室100的内部体积的上边界的其他几何 形状的顶。
至少一个感应线圈天线部分(segment) 112通过匹配网络119耦合到射频 (RF)源118。天线部分112位于罩120的外部并用于保持在腔室中由工艺气 体形成的等离子体155。在一个实施方式中，施加于感应线圈天线112的源RF功率在约0瓦到约2500瓦之间的范围，以约50 kHz和约13.56 MHz之间 的频率。在另一实施方式中，用于感应线圈大线112的源RF功率在约200 fc 到约2000瓦之间的范围，诸如约800瓦。
罩120可以包括适用于在处理期间控制罩120的内表面162的温度的一个 或多个温度控制元件。在一个实施方式中，温度控制元件包括一个或多个设置 为在其中流动液体的管道164。通过管道164循环的液体的温度可以根据需要， 通过选择地加热或冷却罩120来控制罩120的内表面162的温度的方式来调 节，以保持预定温度。可选地，控制元件可以是电阻加热器、灯和/或冷却器 件。
工艺腔室100还包括衬底支撑基座116 (偏置元件)，其连接到第二 (偏 置)RF源122，该第二(偏置)RF源122通常能够产生RF信号以在约13.56MHz 的频率下产生约1500瓦或更少(例如，没有偏置功率)的偏置功率。偏置源 122通过匹配网络123连接到衬底支撑基座116。用于衬底支撑基座116的偏 置功率通常可以为DC或RF。
在操作中，衬底114设置在衬底支撑基座116上，并通过诸如静电卡盘、 真空或机械夹具的传统方法保持在其上。通过气体面板138从入口将气体成分 提供给工艺腔室100以形成气体混合物150。等离子体155由气体混合物形成。 在一个实施方式中，入口包含在喷嘴170中，该喷嘴170设置在工艺腔室100 的罩中。喷嘴170包括至少一个第一出口 172，用于将向下定向的第一气体成 分提供给衬底114的中心，以及至少一个第二出口 174，用于将径向向外定向 的第二气体成分提供给工艺腔室100的壁130。在该方式中，气体混合物中第 一和第二气体成分的分布可以在衬底的中心和边缘之间径向控制。由混合物 150形成的等离子体通过将分别来自RF源118和122的RF功率施加在天线 112和衬底支撑基座116上保持在在工艺腔室100中。利用位于腔室100和真 空泵136之间的节流阀127可以控制蚀刻腔室100的内部体积的压力。利用含 有液体的管道(未示出)可以控制腔室壁130表面的温度，含有液体的管道位 于腔室IOO的壁130中。
可以通过稳定支撑基座116的温度以及将热交换气体从源148经由管道 149流到衬底114的背部和基座表面上的凹槽(未示出)之间限定的沟道来控 制衬底114的温度。氦气可用作热交换气体以便于衬底支撑基座116和衬底
114之间的热传递。在蚀刻工艺期间，通过设置在衬底支撑基座116内的电阻
加热器125经DC电源124将衬底114加热到稳态温度。设置在基座116和衬 底114之间的氦便于衬底114的均匀受热。利用对罩120和衬底支撑基座116 两者的热控制，衬底114可以保持在约100摄氏度和约500摄氏度之间的温度。
熟悉本领域的技术人员应该理解其它形式的蚀刻腔室也可用于实施本发 明。例如，具有远程等离子体源的腔室、微波等离子体腔室、电子回旋共振 (ECR)等离子体腔室等可用于实施本发明。
控制器140，其包括中央处理单元(CPU) 144、存储器142和用于CPU 的辅助电路146，连接到DPS蚀刻工艺腔室100的不同元件以便于蚀刻工艺的 控制。为了便于腔室的控制，如上所述，CPU144可以为用于工业设置中便于 控制不同腔室和子处理器的任何一种形式的通用计算机处理器。存储器142 连接到CPU144。存储器142或计算机可读介质可以是一种或多种易得到的存 储器，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、软盘、硬盘或 任何其它形式的数字存储器、本地或远程。辅助电路146连接到CPU144用于 以传统的方式辅助处理器。这些电路包括缓存、电源、时钟电路、输入/输出 电路和子系统等。蚀刻工艺，诸如在此所描述的，通常作为软件程序存储在存 储器142中。软件程序还可以通过远离由CPU144控制的硬件设置的第二 CPU (未示出)存储和/或执行。
图2示出了可在示例的腔室100或其它适合的工艺腔室中实施的蚀刻工艺 200的一个实施方式的流程图。工艺200在方框202开始，将衬底114传送(即， 提供)到蚀刻工艺腔室，诸如示出的工艺腔室100，如图1所示。衬底114具 有设置在其上的包含高一K材料介电层的薄膜叠层。在一个实施方式中，高一 K材料层为二氧化铪(Hf02) 、 二氧化锆(Zr02)硅酸铪氧化合物(HfSi04)、 铪铝氧化物(HfAlO)、硅酸锆氧化物(ZrSi04)、 二氧化钽(Ta02)、氧化铝、铝 掺杂的二氧化铪、钛酸锶铋(BST)或钛酸锆铂(PZT)等中的至少一种。高一K 材料介电层的一些部分通过构图的掩模层暴露。衬底114可以是半导体衬底、 硅晶圆、玻璃衬底等中的任何一种。
在方框204，暴露的高一K材料层通过构图的掩模层限定的开口在高温环 境下进行等离子体蚀刻。蚀刻高一K材料层直到暴露薄膜叠层的下层的上表面 为止。高一K材料层在高温环境下进行蚀刻。具体地，在高一K材料层蚀刻期
间至少一些腔室元件，保持在大于约100摄氏度的温度。在室温下执行的传统 高一K蚀刻工艺期间，在蚀刻期间产生的蚀刻的高一K材料副产品易于凝聚在 相对冷的腔室表面上，而不是形成可以从腔室抽出的挥发性气体。在一个实施
方式中，在蚀刻期间，罩120保持在约100摄氏度和约250摄氏度之间的温度， 从而电绝缘的高一K蚀刻副产品不会凝聚在罩120上，其中电绝缘的高一K蚀 刻副产品将阻碍用于执行蚀刻工艺的等离子体的功率耦合。从而，通过使罩 120保持在充分清洁的条件，实现更均匀并精确的等离子体控制，由此产生更 可预测的，均匀的和精确的蚀刻性能。
此外，将被蚀刻的高一K材料层的温度保持在大于约80摄氏度的温度。 在一个实施方式中，利用加热的衬底支架将高一K材料层的温度保持在约100 摄氏度到约250摄氏度之间，例如，在约130摄氏度和约220摄氏度之间，诸 如约150摄氏度。从上面注意到，通过将蚀刻温度控制在约100摄氏度和约 250摄氏度之间，很容易形成作为挥发性产品的高一K蚀刻副产品，从腔室中 抽出并移除，从而产生更精确的分布和图案转移。形成挥发性产品也促进残余 物从腔室排出以在衬底114上留下(leaven)清洁的后蚀刻表面。此外，由于 为蚀刻高一K材料层控制的衬底温度充分高于传统技术，因此不需要偏置功率 维持合理的高一K材料蚀刻速率，从而避免轰击，其可能产生不需要的凹槽或 对下层和/或衬底的表面损坏。
在由工艺气体混合物形成的等离子体中蚀刻高一K材料层。在一个实施方 式中，工艺气体混合物至少包括含卤素气体。在一个示例性实施方式中，含卤 素气体可以是含氯气体。含卤素气体的适合示例包括BC13、 C12等。提供给含 卤素气体的卤族元素蚀刻高一K材料层，并从衬底114移除高一K材料层。在 实施方式中，其中高一K材料层包含从工艺气体分解的铪、氯元素，与从含铪 的材料中分解的铪元素反应，从而形成氯化铪(HfC14)，其为易于从工艺腔室 中抽出的挥发性副产品。由于高温高一K蚀刻工艺增加了副产品的挥发性，因 此蚀刻副产品可以有效地从衬底支架和罩(或其它高温腔室表面)移除，使得 蚀刻工艺之后表面清洁且无残余物。
可选地，可以在工艺气体中提供烃气。烃气提供聚合材料，在蚀刻工艺期 间，该聚合材料沉积在蚀刻后的高一K材料层和掩模层的侧壁上。这改进了临 界尺寸和分布控制。烃气包括CH4、 CHF3、 CH2F2及其混合物。
在蚀刻高一K材料层的同时可以调节几个工艺参数。在一个实施方式中，
将高一K蚀刻工艺气体屮的腔室压力调节在约2毫托到约500毫托之间，例如， 在约20毫托。可以应用RF源功率保持由高一K蚀刻工艺气体形成的等离子 体。例如，约0瓦到约1500瓦的功率可以施加到感应耦合天线源以保持蚀刻 腔室内部的等离子体。可以施加在约0瓦到约1000瓦之间，例如约250瓦的 RF偏置功率。在一个实施方式中，不使用偏置功率，这减少了离子轰击，从 而使栅极下面的硅源和漏极中不需要的凹槽的发生显著减少。可选地，可以根 据需要消除偏置功率。高一K蚀刻工艺气体可以以约0 sccm到约500 sccm之 间的速率流到腔室中。例如，可以以约5sccm和约500sccm之间的流速，例 如，在约30 sccm和约100 sccm之间提供含卤素气体。可以以0 sccm和约100 sccm之间的流速，诸如约0 sccm和约10 sccm之间提供烃气。可以以约0 sccm 和约500 sccm之间的流速提供惰性气体。衬底温度保持在约大于80摄氏度， 诸如大于约120摄氏度，例如约150摄氏度。
图3示出了可在示例的腔室100或其它适合的工艺腔室中实施蚀刻工艺 250的一个实施方式的流程图。图4A-4D示出了与工艺250的各个阶段对应的 复合衬底的一部分的示意性横截面图。尽管对工艺250用于形成图4A-4D的 栅结构进行说明，但工艺250可有益于制造其它结构。
工艺250在方框252开始，将衬底114传送(g卩，提供)给蚀刻工艺腔室， 诸如图1所示的示例性工艺腔室100。在图4A示出的实施方式中，衬底114 具有设置在其上的含高一K材料介电层的薄膜叠层300，用于制造栅结构。衬 底114可以是半导体衬底、硅晶圆、玻璃衬底等中的任何一种。利用一个或多 个适合的传统沉积技术诸如原子层沉积(ALD)、物理气相沉积(PVD)、化 学气相沉积(CVD)、等离子体增强CVD (PECVD)等形成包括薄膜叠层300 的多层。
在一个实施方式中，薄膜叠层300至少包括夹有高一K介电材料层304 (高一K材料具有大于4.0的介电常数)的一个或多个层302、 306。薄膜叠层300 可以设置在介电层(未示出)之上，或直接位于衬底114之上。介电层的适合 示例包括，但不限于，氧化层、氮化层、氮化钛层、氧化层和氮化层的组合， 夹有氮化层的至少一个或多个氧化层，及其组合等。构图的掩模308，例如， 硬质掩模、光刻胶掩模或其组合，可以用作通过开口 310暴露薄膜叠层300 的多个部分便于蚀刻其上特征的蚀刻掩模。
在图4A不出的实施方式中，高一K材料可以是二氧化铪(Hf02)、 二氧 化锆(Zr02)、硅酸铪氧化物(HfSi04)、铪铝氧化物(HfAlO)、硅酸锆氧化物 (ZrSi04)、 二氧化钽(Ta02)、氧化铝、铝掺杂的二氧化铪、钛酸锶铋(BST)或 钛酸锆铂(PZT)等中的一层。在示例性实施方式中，高一K材料为铪铝氧化物 (HfAlO)。高一K材料层304具有约10 A和约500 A之间的厚度，诸如约50 A 和约300 A，例如约150 A。
第一层306沉积在高一K材料层304上方，并可以包括一个或多个层。在 一个实施方式中，第一层306为多晶硅层，用于栅结构中的栅极层。可选地， 第一层306可以是金属材料，用于栅极。金属栅极的示例包括钨(W)、硅化钨 (WSi)、钨多晶硅(W/poly)、钩合金、钽(Ta)、氮化钽(TaN)、氮化钽硅(TaSiN)、 以及氮化钛(TiN)等。在另一实施方式中，栅极层306可以是包括沉积在金属 材料之上的多晶硅层的复合薄膜。在该具体实施方式
中，栅极层306可以是沉 积在氮化钛(TiN)层之上的多晶硅层。在图4A示出的实施方式中，沉积在高一 K材料层304之上的第一层306为多晶硅层。第一层306可以具有约500A和 约4000A之间的厚度，诸如在约800A和约2500A之间，例如约1650A。
第二层302沉积在高—K材料层304下方，还可以包括一个或多个层。在 一个实施方式中，第二层302可以是介电层，诸如多晶硅层、氧化硅层、氮化 硅层、氧氮化硅及其组合。在一些实施方式中，其中没有第二层302，薄膜叠 层300中的高一K材料层304可以直接沉积在衬底114上。在图4A示出的实 施方式中，第二层302为多晶硅层并具有约50A和约2000A之间的厚度，诸 如约100A和约IOOOA之间，例如约500 A。
在方框254，通过由构图的掩模308限定的开口 310，执行蚀刻工艺以蚀 刻衬底114上的第一层306以在第一层306中形成沟槽320，如图4B所示。 方框254中执行的蚀刻工艺可以具有一个或多个蚀刻步骤以蚀刻第一层306 的不同部分。在一个实施方式中，蚀刻工艺可以是单个步骤的蚀刻工艺， 一步 蚀刻第一层306，直到暴露高一K材料层304。在另一实施方式中，蚀刻工艺 可以包括蚀刻衬底114上的第一层306的不同部分的多个步骤。
在示例的实施方式中，可以执行多个蚀刻步骤以蚀刻第一层306，并暴露 薄膜叠层300的高一K材料层304。开始可以执行突破(break-through)蚀刻
以蚀刻第一层306的上表面，例如自然氧化物。用于突破蚀刻的蚀刻气体混合 物包括氟和碳气体。由气体混合物形成的等离子体产生的反应物种与诸如二氧
化硅的自然氧化物反应，以形成挥发性反应物，诸如SiF4和C02，其从工艺腔 室中抽出。用于突破蚀刻的蚀刻气体混合物的合适的示例包括CF4、 CHF3、 CH2F2、 CH3F和C4F8等。可选地，惰性气体可以提供给蚀刻气体混合物。惰 性气体的适合示例包括Ar、 He、 Kr、 Ne等。
在突破蚀刻期间可以调节蚀刻气体混合物中的腔室压力。在一个示例性实 施方式中，可以将蚀刻腔室中的气体压力调节在约2毫托到约IOO毫托之间， 例如，约4毫托。可以施加RF源功率以保持由气体混合物形成的等离子体。 例如，约100瓦到约1500瓦的功率，诸如约300瓦，可以施加到感应耦合的 天线源以维持蚀刻腔室内部的等离子体，可以施加约100瓦到约1500瓦之间， 例如约100瓦的RF偏置功率。用于突破蚀刻的蚀刻气体混合物可以以约 50sccm到约1000sccm之间的速率流到腔室。例如，氟和碳气可以以约5sccm 和约500sccm之间的速率，诸如100sccm提供。惰性气体可以以约Osccm和 约500sccm之间的流速提供。衬底温度保持在约30摄氏度到约500摄氏度之 间。在另一实施方式中，衬底温度保持在约大于80摄氏度，诸如在约100摄 氏度到约250摄氏度之间，例如，在约130摄氏度和约220摄氏度之间，诸如 约150摄氏度。
在自然氧化物突破之后，执行主蚀刻以蚀刻第一层306的主要部分。通过 构图的掩模308蚀刻第一层306以在第一层306中形成沟槽320，直到暴露下 层高一K材料304的上表面312为止。突破蚀刻和主蚀刻可以在不将衬底114 从蚀刻腔室移除的情况下连续地执行。用于主蚀刻步骤的蚀刻气体混合物至少 包括含卤素气体和氟和碳气体。含卤素气体的适合示例包括HBr、 HC1、 Cl2、 Br2、 NF3及其组合等。用于氟和碳气的适合示例包括CF4,CHF3，CH2F2，CH3F， QF8及其组合等。可选地，诸如02、 N2及其组合等的载气，和惰性气体可以 提供给蚀刻气体混合物。惰性气体的适合示例包括Ar、 He、 Kr等。在具体的 实施方式中，主蚀刻气体混合物可以包括HBr气、NF3气、CF4气、02气、N2 气和He气。
在一个实施方式中，在突破蚀刻和主蚀刻期间用于蚀刻第一层306的工艺 参数可以通过基本相似的方式控制。在另一实施方式中，在突破蚀刻和主蚀刻
期间，用于蚀刻第一层306的工艺参数可以根据不同的工艺要求改变。此外，
在又-一实施方式中，在第 -层306的主蚀刻期间的工艺参数可以根据需要而改 变，从而致使主蚀刻工艺为两步或更多步蚀刻工艺。
在一个实施方式中，在第一层306的蚀刻期间主蚀刻气体混合物的压力可 以调节。在一个示例的实施方式中，蚀刻腔室的工艺压力调节在约2毫托到约 IOO毫托之间，例如在约7毫托。可以施加RF源功率以维持由工艺气体混合 物形成的等离子体。例如，约100瓦到约1500瓦的功率，诸如约300瓦，可 以施加到感应耦合天线源以维持蚀刻腔室内部的等离子体。可以在约100瓦到 约1000瓦之间，诸如约150瓦和约250瓦施加RF偏置功率。主蚀刻期间的 蚀刻气体混合物可以以约50sccm到约1000sccm之间的速率流到腔室。例如， 可以以约5sccm和约500sccm之间的流速，诸如约170sccm提供含卤素气体。 可以以约5sccm和约500sccn的流速，诸如在约40和约70sccm之间提供氟和 碳气体。可以以约Osccm和约500sccm的流速提供惰性气体。衬底的温度保持 在约30摄氏度到约500摄氏度之间。在另一实施方式中，衬底温度保持在大 约80摄氏度，诸如大于约120摄氏度，例如，约150摄氏度。
在第一层306中形成沟槽320之后，如图4B所示，可以执行过蚀刻工艺 以蚀刻留在衬底114上的第一层306的地形(topography)以及在蚀刻后的第 一层306的侧壁322上沉积保护层。沉积在暴露的侧壁322上的保护层防止侧 壁在蚀刻留在衬底114上的第一层306的地形时，和/或在随后蚀刻工艺期间 受到冲击，从而防止分布不可控以及图案的变形。
在一个实施方式中，除了在方框254蚀刻第一层306的主蚀刻工艺中使用 的气体混合物外，还可以添加含硅和卤素气体以蚀刻留在衬底114上的第一层 306的地形。添加到气体混合物中的气体的适合示例包括SiCU等。由含硅和 卤素气体产生的卤素反应物种将蚀刻残留物和剩余的第一层306从衬底表面 移除。此外，由含硅和卤素气体产生的硅反应物种与第一层306反应，在蚀刻 后的表面上形成硅侧壁保护层，从而提供坚固的侧壁保护。坚固的侧壁保护保 护第一层306在随后高一K材料层304的蚀刻和下面的第二层302蚀刻工艺期 间不受冲击。
在方框256，在高温环境下通过由构图的掩模308和沟槽320限定的开口 310蚀刻高一K材料层304的暴露的上表面312。蚀刻高一K材料层304,直
到暴露下面的第二层302的上表面为止，如图4C所示。在一个实施方式中， 通过将工艺腔室100的罩120保持在在约100到约150摄氏度之间，诸如约 120摄氏度而提供高温环境。
选择用于蚀刻高一K材料层304的高一K蚀刻气体混合物，对于高一K材 料层304相对于覆盖第一层306的侧壁322的硅保护层以及下面第二层302 来说该高一K蚀刻气体混合物具有高选择性。由于第一层306的侧壁322通过 坚固的保护层保护，相对高的工艺温度，例如，高于用于传统技术中的室温工 艺，可以在不损坏在第一层306中形成的沟槽外形的情况下，用于蚀刻高一K 材料层304。在一个实施方式中，在约大于80摄氏度的温度下，诸如在约IOO 摄氏度到250摄氏度之间，例如，在约130摄氏度和约220摄氏度，诸如约 150摄氏度蚀刻高—K材料层304。在室温下进行的传统高一 K蚀刻工艺期间， 在蚀刻期间产生的蚀刻的高一K材料副产品易于聚集在衬底表面上，而不是形 成可以从腔室中抽出的易挥发性反应产品，从而产生劣质图案转移。因此，通 过控制蚀刻温度在约100摄氏度和约250摄氏度之间，高一K蚀刻副产品很容 易形成为从腔室中抽出并移除的挥发性产品，从而产生更精确的外形和图案转 移。形成挥发性产品也促进残余物从腔室排出使得在衬底114上留下清洁后蚀 刻表面。此夕卜，由于控制用于蚀刻高一K材料层304的衬底温度充分高于传统 技术，不需要偏置功率维持合理的高一K材料蚀刻速率，从而避免轰击，其将 在下层和/或衬底中产生不合需要的凹槽或表面损坏。
在一个实施方式中，提供蚀刻高一K材料层304的高一K气体混合物至少 包括含卤素气体。在示例性实施方式中，含卤素气体可以是含氯气体。含卤素 气体的适合示例包括BC13、 Cb等。提供给含卤素气体的卤元素蚀刻高一K材 料层304并从衬底114移除高一K材料层304。在该实施方式中，含卤素气体 为BCb，含卤素气体在材料304和下面第一层306之间具有高选择性。例如， 在实施方式中，其中高一K材料层304为含铪和氧的材料，在蚀刻等离子体分 解期间由BCl3分解的硼元素与含铪和氧化物的材料分解的氧元素反应，从而 在衬底的暴露表面上形成BxOy保护层。在蚀刻工艺期间形成的BxOy保护层钝 化硅表面，例如，蚀刻的上层或初期暴露的下层，从而防止在衬底上不希望被 蚀刻的其它区域在蚀刻期间受到冲击，其导致在衬底上产生凹槽或缺损。由 BCl3气体分解的氯元素与由含铪和氧的材料分解的铪元素反应，从而形成氯化
铪(HfCl4)挥发性副产品，其从腔室中抽出。由于高温高一K蚀刻工艺增加副产
品的挥发性，蚀刻副产品nj以从衬底有效移除，使得在蚀刻工艺后的衬底上留 下后蚀刻清洁和无残余物表面。因此，得到能够提供垂直、直角、无缺损(零 凹槽和无印)结构以及对于相邻层高选择性的高一K工艺。
可选地，在气体混合物中可以提供烃气。烃气提供聚合材料，其沉积在第 一层306的侧壁322和蚀刻的高一K材料层304的侧壁324上，如图4C所示， 同时在蚀刻工艺期间等离子体分解。烃气体的示例包括CH4、 CHF3、 CH2F2 及其组合。
在一个实施方式中，可以在蚀刻上部第一层306相同的腔室中蚀刻高一K 材料304，从而在单个腔室中完成薄膜叠层300的蚀刻。可以在不从工艺腔室 100中移除衬底114的情况下，连续执行方框254和256的蚀刻工艺。选择蚀 刻第一层306的温度是可控的，其基本与设置为蚀刻高一K材料304的温度相 同。从而在不需要等待改变和稳定衬底温度的情况下，有效蚀刻衬底114。在 一个实施方式中，方框256的高一K材料蚀刻工艺和方框254的第一层306的 蚀刻都可以在相似的温度下执行，该温度大于80摄氏度，诸如在约100摄氏 度和约200摄氏度之间。在一个实施方式中，设置为蚀刻第一层306和高一K 材料304的温度都控制为大于约80摄氏度，诸如在约100摄氏度到约250摄 氏度之间，例如，在约130摄氏度和约220摄氏度之间，诸如约150摄氏度。
在蚀刻高一K材料层304时，可以调节数个工艺参数。在方框254调节的 工艺参数可以平滑地转换到在方框256调节的工艺参数。在一个实施方式中， 高一K蚀刻气体混合物中的腔室压力在约2毫托到约500毫托之间调节，例如， 在约20毫托。可以施加RF源功率以维持由高一K蚀刻气体混合物形成的等 离子体。例如，约O瓦到约1500瓦的功率可以施加到感应耦合天线源以保持 蚀刻腔室内部的等离子体。可以施加约0瓦到约100瓦之间的RF偏置功率， 诸如约250瓦。在一个实施方式中，没有使用偏置功率，这减少了离子轰击， 从而显著减少栅极下面的硅源和漏极中不合需要的凹槽的发生。可选地，偏置 功率可以根据需要消除。高一K蚀刻气体混合物可以以约Osccm到约500sccm 的速率流到腔室。例如，可以以约5sccm和约500sccm之间的流速，诸如约 30sccm和约100sccm之间提供含卣素气体。可以以约Osccm和约100sccm之 间的流速，诸如约Osccm和约10sccm之间提供烃气。可以以约Osccm和约
500sccm之间的流速提供惰性气体。衬底温度保持在大于80摄氏度，诸如大 于约120摄氏度，例如，约150摄氏度。
可选地，可在方框256将高一K气体混合物提供到蚀刻腔室之前，执行氧 气闪蒸工艺(flash process)。氧气闪蒸工艺辅助在第一层306的蚀刻的侧壁 322上形成氧化物层，从而在蚀刻的表面上提供表面钝化层。由于第一层306 可以是含硅的材料，供给到腔室的氧气与第一层306的硅元素反应，形成侧壁 氧化硅保护层。可以调节在氧气闪蒸工艺中使用的工艺参数。在一个实施方式 中，调节腔室压力在约2毫托到约500毫托之间，例如，约20毫托。约200 瓦到约2000瓦的RF源功率可以施加到感应耦合的天线源以维持蚀刻腔室内 部的等离子体。可以以约20sccm和约500sccm之间的流速，诸如在约50sccm 和约150sccm之间提供氧气。可选地，可以以约Osccm和约500sccm之间的 流速提供诸如He或Ar的惰性气体。衬底温度保持在约大约80摄氏度，诸如 在约100摄氏度到约250摄氏度之间，例如，在约130摄氏度和约220摄氏度 之间，诸如约150摄氏度。
在方框258，通过由构图的掩模308和沟槽320限定的开口 310蚀刻薄膜 叠层300的第二层302。蚀刻工艺蚀刻第二层302，直到暴露衬底114的上表 面316，如图4D所示。在方框258执行的蚀刻工艺可以具有一个或多个蚀刻 歩骤以蚀刻第二层302的不同部分，类似于在方框254执行的蚀刻第一层306 的蚀刻步骤。在一个实施方式中，蚀刻工艺可以是单个步骤蚀刻工艺，蚀刻第 二层302直到暴露下层衬底114的上表面316。在另一实施方式中，蚀刻工艺 可以包括多个歩骤以蚀刻衬底114上的第二层302的不同部分。
在示例性的实施方式中，在方框258可以执行2步蚀刻工艺以蚀刻薄膜叠 层300的第二层306。第一，最初可以执行突破蚀刻以蚀刻第二层302的表面。 用于突破蚀刻的蚀刻气体混合物包括氟和碳气体。在方框258，用于突破第二 层302的突破气体混合物可以与方框254中用于突破第一层306的突破气体混
合物基本相同，如上面所述。可选地，惰性气体可以提供给蚀刻气体混合物。 惰性气体的适合示例包括Ar、 He、 Kr、 Ne等。
突破之后，执行主蚀刻以蚀刻通过掩模开口 310暴露的第二层306的剩余 部分。可以在不从蚀刻腔室移除衬底114的情况下连续执行突破和主蚀刻。在 一个实施方式中，第一和第二层306、 302均为多晶硅层，用于蚀刻第一和第
二层306、 302的主要部分的气体混合物和工艺参—数基本相同。用于主蚀刻的
蚀刻气体混合物至少包括含卤素气体和氟碳气体。含卤素气体的适合示例包括
HBr、 HC1、 Cl2、 Br2、 ，3及其组合等。用于氟碳气体的适合示例包括CF4、 CHF3、 CH2F2、 CH3F、 C4F8及其组合等。可选地，诸如〇2、 N2、 N20、 N02
及其组合等的载气和惰性气体可以提供给蚀刻气体混合物。惰性气体的适合示
例包括Ar、 He、 Kr、 Ne等。在一个实施方式中，用于主蚀刻步骤的蚀刻气体 混合物可以包括HBr气、，3气、CF4气、02气、Nz气和He气。方框258 中调节的工艺参数是可控的，与方框254中描述的基本相似。
可以在蚀刻上层第一层306和高一K材料304相同的腔室蚀刻薄膜叠层 300中的第二层302，从而，在单个腔室中完成薄膜叠层300的蚀刻。由于第 一层306、高一K材料304和第二层302在相似的温度下进行蚀刻，因此对于 蚀刻各层的工艺衬底达到稳定的工艺温度所需的时间减小，从而增加了产量。
一般预期其它高—K蚀刻工艺可适于从在高温环境下蚀刻高一K材料层 (例如，保持腔室表面，诸如罩120，在大于约IOO摄氏度的温度)中受益。 不作限定，在2006年3月21日提交的美国专利申请序列号11/386,054中，2007 年7月12日提交的美国专利申请序列号11/777,259中；2007年4月17日提 交的美国专利申请序列号11/736,562中；2007年7月6日提交的美国专利临 时申请号60/948,376以及2002年3月6日提交的美国专利号6,806,095中描述 的高一K蚀刻工艺可以修改为包括如上面所述的腔室表面的温度的调节以提 供高温蚀刻环境。
图5A-C示出了对应于不同薄膜叠层的复合衬底的一部分的示意性横截面 图，其中利用上面所述的高一K蚀刻工艺有益于蚀刻不同的薄膜叠层。例如， 图5A示出了具有高一K介电层504的薄膜叠层510。高一K介电层504为含 铪的材料，诸如Hf20、 HfSiO、 HfSiN等。高迁移率界面层502设置在高一K 介电层504和衬底114之间。高迁移率界面层502通常为薄膜SiON层。可以 分级高迁移率界面层502的SiON材料，其中层502的化学计量(stoichiometry) 可以包括Hf与SiON的混合以便为整个叠层提供更高净值的k。在2003年4 月4日提交的美国专利申请号10/407，930,中描述适合的界面层的示例。金属栅 层512沉积在高一K介电层504上。低电阻层514沉积在金属栅层512上。
在另一实施方式中，图5B示出了具有高一K介电层504的薄膜叠层530。
高迁移率界面层502设置在高一K介电层和衬底114之间。薄介电盖层532设 置在高一K介电层504之上。金属栅层534设置在介电盖层532之上。诸如多 晶硅的低电阻层536，设置在金属栅层534之上。
在另一实施方式中，图5C示出了适用于电荷捕获闪存器件的薄膜叠层 550，例如，TANOS结构。薄膜叠层550包括设置在衬底114上的沟道氧化层 552。电荷捕获氮化物层554设置在沟道氧化物层552之上。高一K介电层504 设置在电荷捕获氮化物层554之上。高WP金属层556设置在高一K介电层 504之上。低阻抗层558，诸如PVD金属层，设置在高WP金属层556之上。
因此，本发明提供通过高温蚀刻工艺，用于蚀刻高一K材料层的改进方法。 高温蚀刻工艺在图案转移无损的情况下，有效蚀刻高一K材料，从而有利于形 成具有无缺陷的、清洁后蚀刻表面以及理想外形和尺寸的结构。
虽然前述涉及本发明的实施方式，但在不偏离本发明的基本范围内可设计 其它和另外的实施方式，并且本发明的范围由以下权利要求确定。
权利要求
1、一种蚀刻高-K材料的方法，包括将其上沉积有高-K材料的衬底提供给蚀刻腔室；由所述蚀刻腔室中的至少包括含卤素气体的蚀刻气体混合物形成等离子体；以及将衬底的温度保持在约100摄氏度和约250摄氏度之间，同时在所述等离子体中蚀刻高-K材料层。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高一K材料选自包括 二氧化铪(Hf02)、 二氧化锆(Zr02)、硅酸铪氧化物(HfSi04)、铪铝氧化物 (HfAlO)、硅酸锆氧化物(ZrSi04)、 二氧化钽(Ta02)、氧化铝、铝掺杂的二氧 化铪，钛酸锶铋(BST)和钛酸锆铂(PZT)的组。
3、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高一K材料为铪铝氧 化物。
4、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供所述气体混合物还包括将含氯气体供给到所述蚀刻腔室。
5、 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述含氯气体至少包括BC13和Cl2中的一种。
6、 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，供给含氯气体还包括 将碳氢气体与含氯气体一起提供到所述蚀刻腔室。
7、 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，提供所述含氯气体还包括: 将惰性气体与所述含氯气体一起提供。
8、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述等离子体中蚀刻所述高一K材料层的同时，将所述蚀刻腔室的内部 体积表面保持在超过100摄氏度的温度。
9、 一种蚀刻薄膜叠层的方法，用于形成栅结构，包括将其上形成有薄膜叠层的衬底提给到蚀刻腔室中，其中所述薄膜叠层包括在第一和第二多晶硅层之间夹有的高一K材料；蚀刻在所述衬底上的第一多晶硅层以形成暴露高一K材料的沟槽；在所述沟槽的侧壁上形成保护层；通过所保护的沟槽利用含卤素气体在约100摄氏度和约250摄氏度的温度下蚀刻所述高一K材料；以及蚀刻沉积在所述衬底上的第二多晶硅层。
10、 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括在等离子体中蚀刻所述高一K材料的同时，保持所述蚀刻腔室的内部体积 表面的温度超过约100摄氏度。
11、 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述高一K材料为铪氧化 物层或铪铝氧化物层。
12、 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，蚀刻所述第一多晶硅层还包括提供第一气体混合物以蚀刻所述第一多晶硅层；以及 提供所述第二气体混合物以过蚀刻所述第一多晶硅层。
13、 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，提供所述第二气体混合 物进一歩包括将含硅气体与所述第二气体混合物一起提供。
14、 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述含硅气体包括SiCl4。
15、 根据权利要求ll所述的方法，其特征在于，所述含卤素气体至少包括BCl3和Cl2中的一种。
16、 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将用于蚀刻所述第一和第 二多晶硅层的所述温度控制在与用于蚀刻所述高一K材料的温度基本相同。
17、 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在单个腔室中蚀刻所述薄 膜叠层。
18、 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，保护所述第一多晶硅层的 侧壁进一步包括执行氧气闪蒸工艺。
19、 一种蚀刻薄膜叠层的方法，用于形成栅结构，包括 将其上形成有薄膜叠层的衬底提供给蚀刻腔室，其中所述薄膜叠层包括在第一和第二多晶硅层之间所夹的含铪氧化物层；在所述蚀刻腔室中顺序蚀刻所述第一多晶硅层、含铪氧化物层和第二多晶硅层，同时将所述衬底保持在约100摄氏度和约250摄氏度之间的温度；以及 将所述蚀刻腔室的内部体积表面的温度保持超过约IOO摄氏度，同时在所 述等离子体中蚀刻所述高一K材料层。
20、 根据权利要求19所述的方法，其特征在于，保持所述蚀刻腔室的内部体积表面温度还包括将所述蚀刻腔室的内部体积表面的温度保持在约100到150摄氏度之间。
21、 根据权利要求19所述的方法，其特征在于，顺序蚀刻所述第一多晶硅层、含铪氧化物层和第二多晶硅层还包括在蚀刻所述含铪氧化物层之前，提供含硅气体以在所蚀刻的第一多晶硅层 的侧壁上形成保护层。
22、 根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述含硅气体包括SiCU。
23、 根据权利要求19所述的方法，其特征在于，顺序蚀刻所述第一多晶硅层、含铪氧化物层和第二多晶硅层还包括提供含卤素气体以蚀刻所述含铪氧化物层。
24、 根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述含卤素气体至少包括BCl3和Cl2中的一种。
25、 一种蚀刻高—K材料的方法，包括将具有金属栅极的衬底提供给蚀刻腔室，所述金属栅极设置在形成于所述 衬底之上的高—K材料层之上；蚀刻所述金属栅极层以形成暴露所述高一K材料的沟槽；以及利用含卤素气体在约100摄氏度和约250摄氏度之间的温度下，通过所述 沟槽蚀刻所述高一K材料。
全文摘要
本发明提供了一种在高温下蚀刻高-K材料的方法。在一个实施方式中，在衬底上蚀刻高-K材料的方法可以包括将其上沉积有高-K材料层的衬底提供给腔室，利用蚀刻腔室中至少含有含卤素气体的蚀刻气体混合物形成等离子体，保持蚀刻腔室的内部体积表面的温度超过约100摄氏度，同时在等离子体中蚀刻高-K材料层，保持衬底的温度在约100摄氏度和250摄氏度之间，同时在等离子体中蚀刻高-K材料层。
文档编号H01L21/02GK101339903SQ20081012758
公开日2009年1月7日 申请日期2008年6月27日 优先权日2007年6月27日
发明者炜 刘, 安基特·强·潘, 川濑羊平, 巴尔特·芬奇, 戴维·帕拉加什利, 松末英一, 沈美华, 约翰·I·夏恩, 肖尚可·德谢穆克, 迈克尔·D·威沃思 申请人:应用材料股份有限公司