一種蝕刻高介電常數材料的方法

專利名稱：一種蝕刻高介電常數材料的方法
技術領域：
本發明涉及一種蝕刻高介電常數材料的方法。
背景技術：
集成電路(IC)在現代半導體技術領域起到非常重要的作用。集成電路的發展已經使得現代社會充滿先進的電子技術。集成電路的應用非常廣泛，并且它們的重要性從便攜電話、數字電視到相機中的閃存芯片影響了我們的每一天生活。這些集成電路一般形成于硅襯底或晶片上，其可以包括經過用于不同材料制成的大范圍堆疊層的結構處理的有源半導體器件，這允許其具有存儲能力。
最近，在現代半導體技術中，集成電路已經朝小器件大存儲量的方向發展。在半導體集成電路(IC)制造中，一般地，諸如二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)以及氧氮化硅(SiON)的電介質材料已經得到廣泛應用。然而，隨著技術的發展，IC器件幾何形狀已經變得越來越小，導致逐漸更薄的集成電路器件。當一般的IC器件達到幾納米或更小的厚度時，傳統的上述電介質材料一般可能遭到電子擊穿，并且還可能不能再提供需要的存儲能力。
為了解決上述問題，高介電常數材料(高K電介質材料)已經用于半導體芯片制造中，并且在存儲器器件中存在它們的潛在應用。高K材料的示例包括氧化鋁(Al2O3)、氧化鉿(HfO2)、氧化鋯(ZrO2)及其混合物、以及諸如HfSixOy、ZrSiO4及其混合物的金屬硅酸鹽。
雖然在上述高K材料被用在IC應用中之后，一直在探索高k材料的使用，但是本領域一般技術人員公知，其可能非常難以干法蝕刻。高K材料一般非常穩定，并且(由于它們的化學惰性)抵抗大多數的蝕刻反應物，這導致它們在等離子體蝕刻中用作蝕刻阻擋層和硬掩模層及其它材料。
雖然一般的沉積處理期望在襯底(例如，硅晶片)上生成高K電介質膜，但是不希望的反應物可能形成于這些膜以及反應室的其它部件上。這些不希望的殘余物的累積可能導致顆粒脫落、沉積均勻性的降低，這些結果可能導致晶片缺陷，更壞地，可能隨后導致器件失效。
對于高介電常數材料，本領域一般技術人員一般公知，氧化鋁(Al2O3)是具有最慢的蝕刻速率的材料之一。一般地，在強大的等離子體環境下，該環境可能導致高吸盤偏壓電壓，并會導致增強離子濺射和濺射引起的蝕刻。
蝕刻高K電介質材料的傳統方法一般包括在較高晶片溫度下引入氯氣(Cl2)、以及氟氣體。這些方法已經呈現許多優點。本領域一般技術人員公知，基于Cl2的化學劑會強烈蝕刻多晶硅(poly)，導致對多晶硅的低選擇性。蝕刻后，蝕刻的高K電介質層能夠在晶片上形成殘余物，產生低電容性結構或有缺陷的晶片。對于氧化鋁更具體而言，這表示對于閃存和其它相關應用很難以在薄的poly1層的頂部上蝕刻Al2O3。氟在蝕刻高K電介質材料中已經顯示一般沒有效果。氟一般可以產生金屬氟化物產品，該金屬氟化物產品是非揮發性的，由此難以從反應器中去除。
對于55nm及以下節點的閃存疊層由poly2/Al2O3(或者其它高K電介質)/poly1構成。本領域一般技術人員公知，Al2O3不同于膜疊層中的poly，并且難以蝕刻。成功蝕刻高K電介質材料(諸如，新閃存膜疊層的poly1層的薄層頂部上的Al2O3)的關鍵在于尋找這樣的一種處理，其具有合理的Al2O3蝕刻速率以及對多晶硅的高選擇性。
如本領域一般技術人員能夠意識到需要一種能夠蝕刻高介電常數材料的方法。這種蝕刻方法應該優選地不具有不期望的特性，即，不促進能夠使晶片產生缺陷的不希望殘余物。更進一步，需要一種低成本高效率的蝕刻高介電常數材料(諸如，氧化鋁)的方法，其具有高選擇性和合理的高蝕刻速率。

發明內容
在一種實施方式中，提供一種用于在等離子體蝕刻反應器中蝕刻高K電介質材料的方法，該方法包括使用具有BCl3的等離子體氣體反應物混合物蝕刻該高K電介質材料。高K電介質材料可以是在還具有至少一個硅層的疊層中的Al2O3。可以為蝕刻供應鈍化氣體(諸如烴，即CH4、C2H4等)以及諸如稀有氣體(例如He)的稀釋氣體。在一些實施方式中，蝕刻可以用反應離子蝕刻處理進行。


圖1示出具有部分蝕刻的疊層的側剖視圖，該疊層具有待蝕刻的高介電常數層或高K層。
圖2示出蝕刻圖1的高K層后的疊層的側剖視圖。
圖3示出蝕刻前具有高介電常數層的疊層的側剖視圖。
圖4示出蝕刻圖3的高K層后的疊層的側剖視圖。
具體實施例方式
圖1示出部分蝕刻的疊層100的側剖視圖，該疊層100具有待蝕刻的高介電常數層或高K層140。在這個實施方式中，掩模層110被圖案化于高K層140之上。另外的可選層120、130可以位于掩模層110和高K層140之間。在一個實施例中，掩模層110一般是硬掩模，諸如等離子體增強化學氣相沉積氧化物或PECVD氧化物、BSG或摻硼的旋涂玻璃、其它氧化物硬掩模、氮化硅或其它硬掩模。在一個實施例中，可選層120是鎢(W)，可選層130是氮化鈦(TiN)。高K層下方是多晶硅層150。圖2示出蝕刻圖1的高K層140后的疊層200。蝕刻的高K層240被蝕刻到達下面的多晶硅層150，在一些實施例中，多晶硅層150可以是襯底的一部分。諸如氮化硅(SiN)或其它阻擋層材料的阻擋層(未示出)可以位于高K層140和多晶硅層150之間。在這樣的實施例中，蝕刻高K層140到達阻擋層。
具有高介電常數的材料稱為高K電介質材料。高K電介質材料一般具有大于4的介電常數，在一些實施例中，介電常數優選地大于5，甚至在一些實施例中，介電常數至少是7。在一些實施例中，高K材料優選地選自下列組中的至少一個Al2O3、HfO2、AlHfxOy、ZrO2、HfSixOy、ZrSixOy、及其混合物。
參考圖1，在一種實施方式中，使用BCl3進行高K材料層140的蝕刻。在高K材料為Al2O3的情況下，BCl3通過形成揮發性AlCl3來化學蝕刻Al2O3。可以引入鈍化氣體(諸如C2H4、CH4或其它烴)，以分別提供層120和130的側壁結構120s和130s的鈍化，并提高對下面的多晶硅層150的選擇性。選擇BCl3與C2H4或BCl3與CH4的比例，以提供期望的蝕刻速率和對多晶硅層150的高選擇性。烴添加劑減小多晶硅層150的蝕刻速率，以提高選擇性。C2H4的一個優點在于其是聚丙烯的聚合物前聚體，并且具有和光刻膠相似的含量。
稀釋氣體(諸如He)可以與鈍化氣體(例如C2H4)一起引入。在一些實施方式中，C2H4與He的原子比例可以為約2.7％-1。其它比例亦是可以的。在一個具體實施方式
中，對于稀釋因子為37時，商業上可獲得的C2H4He包含2.7％C2H4和97.3％He。
在其它實施方式中，高K材料層140可以使用包括其它含鹵氣體以及含其它烴的鈍化氣體的氣體混合物來進行蝕刻。因此，在一些實施方式中，鈍化氣體可以包括選自下列組的惰性氣體氦、氬、氖、氙以及氪。
參考圖1，在一些實施方式中，高K層140蝕刻處理可以使用反應離子蝕刻進行。所有的蝕刻步驟可以在單個等離子體蝕刻室中進行，該蝕刻室諸如DPS蝕刻反應器或反應離子蝕刻(RIE)，兩者均可以從SantaClara，California的應用材料公司獲得。在一個RIE處理中，處理參數包括在80℃下的0W的源功率、約200W的偏壓功率、約20mT的室壓力、約30sscm的BCl3。這在約150埃/分的蝕刻速率下提供了少于100埃的多晶硅層150的損失和低側壁錐度以及良好的側壁輪廓。偏壓功率可以從約150W到約300W之間變化。總而言之，W層120和TiN層130的側壁鈍化在較高陰極溫度下比在較低陰極溫度或約100℃以下的溫度下更難以控制。例如，80℃提供了W層120和TiN層130的良好鈍化，以在上述的RIE處理中提供良好的蝕刻輪廓。
在另一個實施方式中，在10mT下具有約800W的源功率、200W的偏壓功率以及在約250℃下具有約60sccm的BCl3的感應耦合模式提供了良好的側壁輪廓。雖然感應耦合模式提供Al2O3的高K層140的更高蝕刻速率，但是上面討論的RIE模式對多晶硅層150提供了高于3倍的選擇性。在一些實施方式中，偏壓功率范圍在約150-300W之間。
在一些實施方式中，蝕刻可以在具有主蝕刻和過蝕刻步驟的兩步蝕刻處理中進行，如本領域中一般技術人員公知的。主蝕刻設計成蝕刻高K層140。過蝕刻步驟確保均勻穿透高介電常數層140到達多晶硅層150或者阻擋層(圖1中未示出)。
高K電介質材料(諸如Al2O3)可以在高至約250℃或低至80℃的溫度下蝕刻。在完成主蝕刻步驟和過蝕刻步驟后，如需要，可以進行室的拆卸和清潔。在一些實施方式中，可能的更低溫度(例如，約100℃以下或低至80℃)操作能夠便于更快的冷卻和拆卸，以提高晶片生產量。
在一些實施方式中，在低于40mT的室壓力下，可以將包括氫和碳的烴鈍化氣體加入到氣體混合物中。鈍化氣體是烴，諸如-(CH2)n-氣體，在一些實施方式中是乙烯，但是亦可以使用諸如甲烷的其它烴。
為了在合理蝕刻速率和對多晶硅的高選擇性下蝕刻Al2O3，使用BCl3或三氯化硼。雖然Cl2氣已經一般地用于蝕刻高K電介質材料，但是其可以強烈地蝕刻多晶硅和其它材料。當蝕刻具有高介電常數的材料時，硼通過形成硅-硼組合物有助于減小多晶硅蝕刻速率，由此增大選擇性，并提供成功的結果。三氯化硼通過形成揮發性AlCl3可以化學地蝕刻Al2O3。選擇BCl3與C2H4/He或BCl3與CH4的比例，以提供合理的Al2O3的蝕刻速率和對多晶硅的高選擇性。B2O3和B-Si絡合物的形成將促進對多晶硅的高選擇性。烴鈍化氣體(諸如C2H4/He、CH4和其它)減小多晶硅蝕刻速率以提高選擇性，當多晶硅層暴露時減小蝕刻速率，并抑制其它層120和130的側壁120s和130s的側向攻擊，在其它實施例中，其它層可以包括一個或多個多晶硅層(在圖1中未示出)。
如上討論的，除了這里討論的反應物之外，可以加入惰性稀釋氣體，諸如氦、氬、氖、氪或氙。需要惰性稀釋氣體是由于安全原因，并且惰性稀釋氣體還可以改善等離子體特性。在氦的情況下，惰性氣體的濃度可以從1.0％到約3.0％之間變化。其它惰性稀釋氣體亦是可以的。
在一些實施方式中，在蝕刻處理之后，可以進行傳統的室清潔。
在另一個實施方式中，HBr可以用于蝕刻高K電介質材料。如上，可以使用鈍化氣體和稀釋氣體。在Al2O3高K材料的情況下，HBr通過形成揮發性AlBr3蝕刻Al2O3。選擇HBr和C2H4的比例，以提供合理的蝕刻速率。如上所討論的，稀釋物可以是惰性氣體，例如氦，其中C2H4與He的比例為約2.7％到1。
轉向圖3，在一個實施方式中，高K材料位于兩層多晶硅之間，poly1用標號341指示，poly2用標號342指示。poly2 342位于高K層340上方，而poly1 341位于高K層340下方。根據一個實施方式，疊層300使用掩模310蝕刻，掩模310在一些實施方式中是硬掩模。poly2 342的蝕刻停止于高K層340，例如Al2O3，使得蝕刻對Al2O3具有高選擇性。接著是Al2O3蝕刻，Al2O3蝕刻對poly2 342和poly1 341具有高選擇性，并停止于poly1 341。可以使用SiN的可選阻擋層322。然后蝕刻poly1 341到達下面的柵極氧化物層347。
在Al2O3蝕刻中，為了獲得高蝕刻選擇性，反應物混合物可以具有BCl3以及可能的諸如C2H4的烴鈍化氣體。Al2O3層340可以使用稀釋有He的BCl3蝕刻劑和C2H4來蝕刻。對于小流率的C2H4來說，稀釋法尤為有效。處理可以包括兩個步驟主蝕刻和隨后的過蝕刻，過蝕刻可以具有與主蝕刻相同的反應物混合物。在一些實施方式中，高于100℃的溫度提供良好的結果，150℃提供更好的結果。
圖4示出蝕刻圖3的高K層之后蝕刻的疊層400的側剖示圖。為了形成蝕刻的疊層400，蝕刻poly2層442之后，形成蝕刻的高K層440。蝕刻高K層440之后，形成蝕刻的阻擋層444，在蝕刻的poly2、蝕刻的高K層440以及蝕刻的阻擋層444的蝕刻之后，形成蝕刻的poly1層441。掩模410用于限定蝕刻的poly2、蝕刻的高K層440、蝕刻的阻擋層444和蝕刻的poly1層441。
一般地，多晶硅相關的處理利用具有解耦的等離子體源功率和偏壓功率的化學等離子體蝕刻。然而，上述實施方式中的一些可以使用反應離子蝕刻進行，反應離子蝕刻僅使用偏壓功率。在某些實施方式中，高K材料的反應離子蝕刻提供多晶硅的更大選擇性。在一個示例性實施方式中，處理窗口在約30℃到約350℃下具有約100W到約400W之間的偏壓功率、約0W的源功率、約5mT到約50mT之間的室壓力、和約20sccm到約200sccm流率的BCl3。
在一些實施方式中，對于主蝕刻處理或上面討論的過蝕刻步驟，可以使用化學等離子體蝕刻，然后在接近終點時切換到反應離子蝕刻。
上面討論的某些實施方式的幾個優點之一在于可以在沒有氟的情況下形成主蝕刻氣體混合物，氟很可能與Al2O3反應形成氟化鋁污染物。
上文僅是本發明的說明，而不意圖將本發明限制于上述的化合物。這里描述的實施方式并不限于所圖示的具體疊層構造。其它疊層構造和實施方式亦是可以的。在不脫離本發明的基本范圍和精神的情況下，本領域的一般技術人員可以作出各種改變和變化，本發明的范圍由權利要求確定。
權利要求
1.一種用于在等離子體蝕刻反應器中蝕刻高K電介質材料的方法，所述方法包括使用包含BCl3的等離子體氣體反應物混合物蝕刻所述高K電介質材料。
2.如權利要求1所述的方法，其中蝕刻包括供應鈍化氣體。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述高K電介質材料選自下列項構成的組氧化鋁、氧化鉿、氧化鋯及其混合物。
4.如權利要求3所述的方法，其中所述電介質材料是氧化鋁。
5.如權利要求4所述的方法，其中所述鈍化氣體包括C2H4。
6.如權利要求2所述的方法，其中所述鈍化氣體包括烴。
7.如權利要求6所述的方法，其中所述鈍化氣體包括C2H4。
8.如權利要求7所述的方法，其中蝕刻還包括供應稀釋氣體，所述稀釋氣體包括稀有氣體。
9.如權利要求8所述的方法，其中供應所述稀釋氣體包括供應He。
10.如權利要求9所述的方法，還包括使用氧化物硬掩模進行蝕刻。
11.如權利要求9所述的方法，其中所述高K電介質材料包括Al2O3。
12.如權利要求11所述的方法，其中蝕刻包括使用反應離子蝕刻處理。
13.如權利要求12所述的方法，其中蝕刻包括在約250℃范圍內蝕刻。
14.如權利要求12所述的方法，其中蝕刻包括在約100℃以下蝕刻。
15.如權利要求14所述的方法，其中蝕刻包括在約80℃下蝕刻。
16.如權利要求6所述的方法，其中所述鈍化氣體包括CH4。
17.如權利要求16所述的方法，其中所述高K電介質材料包括Al2O3。
18.如權利要求17所述的方法，其中蝕刻包括使用反應離子蝕刻處理。
19.如權利要求18所述的方法，其中蝕刻包括在約250℃范圍內蝕刻。
20.如權利要求18所述的方法，其中蝕刻包括在約100℃以下蝕刻。
21.如權利要求20所述的方法，其中蝕刻包括在約80℃下蝕刻。
22.如權利要求2所述的方法，其中蝕刻所述高K電介質材料包括蝕刻含硅疊層。
23.如權利要求22所述的方法，其中蝕刻所述高K電介質材料包括蝕刻含硅層下方的所述高K電介質材料。
24.如權利要求23所述的方法，其中蝕刻所述高K電介質材料包括蝕刻所述高K電介質材料到達所述高K電介質材料下方的含硅材料。
25.如權利要求23所述的方法，其中蝕刻所述高K電介質材料包括蝕刻所述高K電介質材料到達所述高K電介質材料下方的阻擋層。
26.一種用于在等離子體蝕刻反應器中蝕刻高K電介質材料的方法，所述方法包括使用由BCl3、烴鈍化氣體和稀有氣體形成的等離子體來等離子體蝕刻含硅疊層中的Al2O3層。
27.如權利要求26所述的方法，其中所述稀有氣體包括He。
28.如權利要求27所述的方法，其中所述烴鈍化氣體包括C2H4。
29.如權利要求27所述的方法，其中所述烴鈍化氣體包括CH4。
30.如權利要求26所述的方法，其中蝕刻包括使用反應離子蝕刻處理。
31.一種用于在等離子體蝕刻反應器中蝕刻高K電介質材料的方法，所述方法包括使用包含HBr的第一等離子體反應物混合物、包含烴的鈍化氣體以及稀有氣體稀釋劑來等離子體蝕刻所述高K電介質材料。
32.如權利要求31所述的方法，其中所述鈍化氣體包括C2H4。
33.如權利要求31所述的方法，其中所述稀有氣體稀釋劑包括He。
34.如權利要求31所述的方法，其中蝕刻所述高K電介質材料包括蝕刻含硅疊層。
35.如權利要求31所述的方法，其中蝕刻包括使用反應離子蝕刻處理。
全文摘要
在一種實施方式中，提供一種用于在等離子體蝕刻反應器中蝕刻高K電介質材料的方法，該方法包括使用具有BCl
文檔編號H01L21/311GK1921072SQ200610111269
公開日2007年2月28日 申請日期2006年8月21日 優先權日2005年8月22日
發明者王希昆, 劉維, 杜彥, 沈美化 申請人:應用材料公司