CN1921072B - 一种蚀刻高介电常数材料的方法 - Google Patents
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Abstract
在一种实施方式中，提供一种用于在等离子体蚀刻反应器中蚀刻高K电介质材料的方法，该方法包括使用具有BCl3的第一等离子体气体反应物混合物来等离子体蚀刻该高K电介质材料。高K电介质材料可以包括包含在具有硅层的叠层中的Al2O3。蚀刻可以包括供应钝化气体(例如C2H4)，并且还可以包括供应诸如稀有气体(例如He)的稀释气体。在一些实施方式中，蚀刻可以用反应离子蚀刻处理进行。
Description
技术领域
本发明涉及一种蚀刻高介电常数材料的方法。
背景技术
集成电路(IC)在现代半导体技术领域起到非常重要的作用。集成电路的发展已经使得现代社会充满先进的电子技术。集成电路的应用非常广泛，并且它们的重要性从便携电话、数字电视到相机中的闪存芯片影响了我们的每一天生活。这些集成电路一般形成于硅衬底或晶片上，其可以包括经过用于不同材料制成的大范围堆叠层的结构处理的有源半导体器件，这允许其具有存储能力。
最近，在现代半导体技术中，集成电路已经朝小器件大存储量的方向发展。在半导体集成电路(IC)制造中，一般地，诸如二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)以及氧氮化硅(SiON)的电介质材料已经得到广泛应用。然而，随着技术的发展，IC器件几何形状已经变得越来越小，导致逐渐更薄的集成电路器件。当一般的IC器件达到几纳米或更小的厚度时，传统的上述电介质材料一般可能遭到电子击穿，并且还可能不能再提供需要的存储能力。
为了解决上述问题，高介电常数材料(高K电介质材料)已经用于半导体芯片制造中，并且在存储器器件中存在它们的潜在应用。高K材料的示例包括氧化铝(Al2O3)、氧化铪(HfO2)、氧化锆(ZrO2)及其混合物、以及诸如HfSixOy、ZrSiO4及其混合物的金属硅酸盐。
虽然在上述高K材料被用在IC应用中之后，一直在探索高k材料的使用，但是本领域一般技术人员公知，其可能非常难以干法蚀刻。高K材料一般非常稳定，并且(由于它们的化学惰性)抵抗大多数的蚀刻反应物，这导致它们在等离子体蚀刻中用作蚀刻阻挡层和硬掩模层及其它材料。
虽然一般的沉积处理期望在衬底(例如，硅晶片)上生成高K电介质膜，但是不希望的反应物可能形成于这些膜以及反应室的其它部件上。这些不希望的残余物的累积可能导致颗粒脱落、沉积均匀性的降低，这些结果可能导致晶片缺陷，更坏地，可能随后导致器件失效。
对于高介电常数材料，本领域一般技术人员一般公知，氧化铝(Al2O3)是具有最慢的蚀刻速率的材料之一。一般地，在强大的等离子体环境下，该环境可能导致高吸盘偏压电压，并会导致增强离子溅射和溅射引起的蚀刻。
蚀刻高K电介质材料的传统方法一般包括在较高晶片温度下引入氯气(Cl2)、以及氟气体。这些方法已经呈现许多优点。本领域一般技术人员公知，基于Cl2的化学剂会强烈蚀刻多晶硅(poly)，导致对多晶硅的低选择性。蚀刻后，蚀刻的高K电介质层能够在晶片上形成残余物，产生低电容性结构或有缺陷的晶片。对于氧化铝更具体而言，这表示对于闪存和其它相关应用很难以在薄的poly1层的顶部上蚀刻Al2O3。氟在蚀刻高K电介质材料中已经显示一般没有效果。氟一般可以产生金属氟化物产品，该金属氟化物产品是非挥发性的，由此难以从反应器中去除。
对于55nm及以下节点的闪存叠层由poly2/Al2O3(或者其它高K电介质)/poly1构成。本领域一般技术人员公知，Al2O3不同于膜叠层中的poly，并且难以蚀刻。成功蚀刻高K电介质材料(诸如，新闪存膜叠层的poly1层的薄层顶部上的Al2O3)的关键在于寻找这样的一种处理，其具有合理的Al2O3蚀刻速率以及对多晶硅的高选择性。
如本领域一般技术人员能够意识到需要一种能够蚀刻高介电常数材料的方法。这种蚀刻方法应该优选地不具有不期望的特性，即，不促进能够使晶片产生缺陷的不希望残余物。更进一步，需要一种低成本高效率的蚀刻高介电常数材料(诸如，氧化铝)的方法，其具有高选择性和合理的高蚀刻速率。
发明内容
在一种实施方式中，提供一种用于在等离子体蚀刻反应器中蚀刻高K电介质材料的方法，该方法包括使用具有BCl3的等离子体气体反应物混合物蚀刻该高K电介质材料。高K电介质材料可以是在还具有至少一个硅层的叠层中的Al2O3。可以为蚀刻供应钝化气体(诸如烃，即CH4、C2H4等)以及诸如稀有气体(例如He)的稀释气体。在一些实施方式中，蚀刻可以用反应离子蚀刻处理进行。
附图说明
图1示出具有部分蚀刻的叠层的侧剖视图，该叠层具有待蚀刻的高介电常数层或高K层。
图2示出蚀刻图1的高K层后的叠层的侧剖视图。
图3示出蚀刻前具有高介电常数层的叠层的侧剖视图。
图4示出蚀刻图3的高K层后的叠层的侧剖视图。
具体实施方式
图1示出部分蚀刻的叠层100的侧剖视图，该叠层100具有待蚀刻的高介电常数层或高K层140。在这个实施方式中，掩模层110被图案化于高K层140之上。另外的可选层120、130可以位于掩模层110和高K层140之间。在一个实施例中，掩模层110一般是硬掩模，诸如等离子体增强化学气相沉积氧化物或PECVD氧化物、BSG或掺硼的旋涂玻璃、其它氧化物硬掩模、氮化硅或其它硬掩模。在一个实施例中，可选层120是钨(W)，可选层130是氮化钛(TiN)。高K层下方是多晶硅层150。图2示出蚀刻图1的高K层140后的叠层200。蚀刻的高K层240被蚀刻到达下面的多晶硅层150，在一些实施例中，多晶硅层150可以是衬底的一部分。诸如氮化硅(SiN)或其它阻挡层材料的阻挡层(未示出)可以位于高K层140和多晶硅层150之间。在这样的实施例中，蚀刻高K层140到达阻挡层。
具有高介电常数的材料称为高K电介质材料。高K电介质材料一般具有大于4的介电常数，在一些实施例中，介电常数优选地大于5，甚至在一些实施例中，介电常数至少是7。在一些实施例中，高K材料优选地选自下列组中的至少一个：Al2O3、HfO2、AlHfxOy、ZrO2、HfSixOy、ZrSixOy、及其混合物。
参考图1，在一种实施方式中，使用BCl3进行高K材料层140的蚀刻。在高K材料为Al2O3的情况下，BCl3通过形成挥发性AlCl3来化学蚀刻Al2O3。可以引入钝化气体(诸如C2H4、CH4或其它烃)，以分别提供层120和130的侧壁结构120s和130s的钝化，并提高对下面的多晶硅层150的选择性。选择BCl3与C2H4或BCl3与CH4的比例，以提供期望的蚀刻速率和对多晶硅层150的高选择性。烃添加剂减小多晶硅层150的蚀刻速率，以提高选择性。C2H4的一个优点在于：其是聚内烯的聚合物前聚体，并且具有和光刻胶相似的含量。
稀释气体(诸如He)可以与钝化气体(例如C2H4)一起引入。在一些实施方式中，C2H4与He的原子比例可以为约2.7％-1。其它比例亦是可以的。在一个具体实施方式中，对于稀释因子为37时，商上上可获得的C2H4：He包含2.7％C2H4和97.3％He。
在其它实施方式中，高K材料层140可以使用包括其它含卤气体以及含其它烃的钝化气体的气体混合物来进行蚀刻。因此，在一些实施方式中，钝化气体可以包括选自下列组的惰性气体：氦、氩、氖、氙以及氪。
参考图1，在一些实施方式中，高K层140蚀刻处理可以使用反应离子蚀刻进行。所有的蚀刻步骤可以在单个等离子体蚀刻室中进行，该蚀刻室诸如DPS蚀刻反应器或反应离子蚀刻(RIE)，两者均可以从SantaClara，California的应用材料公司获得。在一个RIE处理中，处理参数包括在80℃下的0W的源功率、约200W的偏压功率、约20mT的室压力、约30sscm的BCl3。这在约150埃/分的蚀刻速率下提供了少于100埃的多晶硅层150的损失和低侧壁锥度以及良好的侧壁轮廓。偏压功率可以从约150W到约300W之间变化。总而言之，W层120和TiN层130的侧壁钝化在较高阴极温度下比在较低阴极温度或约100℃以下的温度下更难以控制。例如，80℃提供了W层120和TiN层130的良好钝化，以在上述的RIE处理中提供良好的蚀刻轮廓。
在另一个实施方式中，在10mT下具有约800W的源功率、200W的偏压功率以及在约250℃下具有约60sccm的BCl3的感应耦合模式提供了良好的侧壁轮廓。虽然感应耦合模式提供Al2O3的高K层140的更高蚀刻速率，但是上面讨论的RIE模式对多晶硅层150提供了高于3倍的选择性。在一些实施方式中，偏压功率范围在约150-300W之间。
在一些实施方式中，蚀刻可以在具有主蚀刻和过蚀刻步骤的两步蚀刻处理中进行，如本领域中一般技术人员公知的。主蚀刻设计成蚀刻高K层140。过蚀刻步骤确保均匀穿透高介电常数层140到达多晶硅层150或者阻挡层(图1中未示出)。
高K电介质材料(诸如Al2O3)可以在高至约250℃或低至80℃的温度下蚀刻。在完成主蚀刻步骤和过蚀刻步骤后，如需要，可以进行室的拆卸和清洁。在一些实施方式中，可能的更低温度(例如，约100℃以下或低至80℃)操作能够便于更快的冷却和拆卸，以提高晶片生产量。
在一些实施方式中，在低于40mT的室压力下，可以将包括氢和碳的烃钝化气体加入到气体混合物中。钝化气体是烃，诸如-(CH2)n-气体，在一些实施方式中是乙烯，但是亦可以使用诸如甲烷的其它烃。
为了在合理蚀刻速率和对多晶硅的高选择性下蚀刻Al2O3，使用BCl3或三氯化硼。虽然Cl2气已经一般地用于蚀刻高K电介质材料，但是其可以强烈地蚀刻多晶硅和其它材料。当蚀刻具有高介电常数的材料时，硼通过形成硅-硼组合物有助于减小多晶硅蚀刻速率，由此增大选择性，并提供成功的结果。三氯化硼通过形成挥发性AlCl3可以化学地蚀刻Al2O3。选择BCl3与C2H4/He或BCl3与CH4的比例，以提供合理的Al2O3的蚀刻速率和对多晶硅的高选择性。B2O3和B-Si络合物的形成将促进对多晶硅的高选择性。烃钝化气体(诸如C2H4/He、CH4和其它)减小多晶硅蚀刻速率以提高选择性，当多晶硅层暴露时减小蚀刻速率，并抑制其它层120和130的侧壁120s和130s的侧向攻击，在其它实施例中，其它层可以包括一个或多个多晶硅层(在图1中未示出)。
如上讨论的，除这里讨论的反应物之外，可以加入惰性稀释气体，诸如氦、氩、氖、氪或氙。需要惰性稀样气体是由于安全原因，并且惰性稀释气体还可以改善等离子体特性。在氦的情况下，惰性气体的浓度可以从1.0％到约3.0％之间变化。其它惰性稀释气体亦是可以的。
在一些实施方式中，在蚀刻处理之后，可以进行传统的室清洁。
在另一个实施方式中，HBr可以用于蚀刻高K电介质材料。如上，可以使用钝化气体和稀释气体。在Al2O3高K材料的情况下，HBr通过形成挥发性AlBr3蚀刻Al2O3。选择HBr和C2H4的比例，以提供合理的蚀刻速率。如上所讨论的，稀释物可以是惰性气体，例如氦，其中C2H4与He的比例为约2.7％到1。
转向图3，在一个实施方式中，高K材料位于两层多晶硅之间，poly1用标号341指示，poly2用标号342指示。poly2 342位于高K层340上方，而poly1 341位于高K层340下方。根据一个实施方式，叠层300使用掩模310蚀刻，掩模310在一些实施方式中是硬掩模。poly2 342的蚀刻停止于高K层340，例如Al2O3，使得蚀刻对Al2O3具有高选择性。接着是Al2O3蚀刻，Al2O3蚀刻对poly2 342和poly1 341具有高选择性，并停止于poly1 341。可以使用SiN的可选阻挡层322。然后蚀刻poly1 341到达下面的栅极氧化物层347。
在Al2O3蚀刻中，为了获得高蚀刻选择性，反应物混合物可以具有BCl3以及可能的诸如C2H4的烃钝化气体。Al2O3层340可以使用稀释有He的BCl3蚀刻剂和C2H4来蚀刻。对于小流率的C2H4来说，稀释法尤为有效。处理可以包括两个步骤：主蚀刻和随后的过蚀刻，过蚀刻可以具有与主蚀刻相同的反应物混合物。在一些实施方式中，高于100℃的温度提供良好的结果，150℃提供更好的结果。
图4示出蚀刻图3的高K层之后蚀刻的叠层400的侧剖示图。为了形成蚀刻的叠层400，蚀刻poly2层442之后，形成蚀刻的高K层440。蚀刻高K层440之后，形成蚀刻的阻挡层444，在蚀刻的poly2、蚀刻的高K层440以及蚀刻的阻挡层444的蚀刻之后，形成蚀刻的poly1层441。掩模410用于限定蚀刻的poly2、蚀刻的高K层440、蚀刻的阻挡层444和蚀刻的poly1层441。
一般地，多晶硅相关的处理利用具有解耦的等离子体源功率和偏压功率的化学等离子体蚀刻。然而，上述实施方式中的一些可以使用反应离子蚀刻进行，反应离子蚀刻仅使用偏压功率。在某些实施方式中，高K材料的反应离子蚀刻提供多晶硅的更大选择性。在一个示例性实施方式中，处理窗口在约30℃到约350℃下具有约100W到约400W之间的偏压功率、约0W的源功率、约5mT到约50mT之间的室压力、和约20sccm到约200sccm流率的BCl3。
在一些实施方式中，对于主蚀刻处理或上面讨论的过蚀刻步骤，可以使用化学等离子体蚀刻，然后在接近终点时切换到反应离子蚀刻。
上面讨论的某些实施方式的几个优点之一在于：可以在没有氟的情况下形成主蚀刻气体混合物，氟很可能与Al2O3反应形成氟化铝污染物。
上文仅是本发明的说明，而不意图将本发明限制于上述的化合物。这里描述的实施方式并不限于所图示的具体叠层构造。其它叠层构造和实施方式亦是可以的。在不脱离本发明的基本范围和精神的情况下，本领域的一般技术人员可以作出各种改变和变化，本发明的范围由权利要求确定。
Claims (22)
1.一种用于蚀刻高K电介质材料的方法，所述方法包括：
将具有位于多晶硅层上的高K电介质材料的衬底放置在具有解耦的等离子体源的等离子体蚀刻反应器中；和
使用包含BCl3的等离子体气体反应物混合物并供应包括C2H4的钝化气体蚀刻所述高K电介质材料，其中，蚀刻步骤包括0瓦的源功率、在100瓦到400瓦之间的偏压功率、5mT到50mT之间的室压力、以及20sccm到200sccm流率的BCl3。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述高K电介质材料选自下列项构成的组：氧化铝、氧化铪、氧化锆及其混合物。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述高K电介质材料是氧化铝。
4.如权利要求1所述的方法，其中蚀刻还包括供应稀释气体，所述稀释气体包括稀有气体。
5.如权利要求4所述的方法，其中供应所述稀释气体包括供应He。
6.如权利要求5所述的方法，还包括使用氧化物硬掩模进行蚀刻。
7.如权利要求5所述的方法，其中所述高K电介质材料包括Al2O3。
8.如权利要求7所述的方法，其中蚀刻包括使用反应离子蚀刻处理。
9.如权利要求8所述的方法，其中蚀刻包括在80-250℃范围内蚀刻。
10.如权利要求8所述的方法，其中蚀刻包括在80-100℃范围内蚀刻。
11.如权利要求10所述的方法，其中蚀刻包括在80℃条件下蚀刻。
12.如权利要求1所述的方法，其中蚀刻包括使用反应离子蚀刻处理。
13.如权利要求12所述的方法，其中蚀刻包括在80-250℃范围内蚀刻。
14.如权利要求12所述的方法，其中蚀刻包括在80-100℃范围内蚀刻。
15.如权利要求14所述的方法，其中蚀刻包括在80℃条件下蚀刻。
16.如权利要求1所述的方法，其中蚀刻所述高K电介质材料包括蚀刻含硅叠层。
17.如权利要求16所述的方法，其中蚀刻所述高K电介质材料包括蚀刻含硅层下方的所述高K电介质材料。
18.如权利要求17所述的方法，其中蚀刻所述高K电介质材料包括蚀刻所述高K电介质材料到达所述高K电介质材料下方的多晶硅层。
19.如权利要求17所述的方法，其中蚀刻所述高K电介质材料包括蚀刻所述高K电介质材料到达所述高K电介质材料下方的阻挡层。
20.一种用于在具有解耦的等离子体源的等离子体蚀刻反应器中蚀刻高K电介质材料的方法，所述方法包括使用由BCl3、包括C2H4的烃钝化气体和稀有气体形成的等离子体来等离子体蚀刻含硅叠层中的Al2O3层，其中，蚀刻步骤包括0瓦的源功率、在100瓦到400瓦之间的偏压功率、5mT到50mT之间的室压力、以及20sccm到200sccm流率的BCl3。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述稀有气体包括He。
22.如权利要求20所述的方法，其中蚀刻包括使用反应离子蚀刻处理。
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