[发明专利]以氮化铝为势垒层的Mo基金属栅叠层结构的刻蚀方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路制造技术领域，尤其涉及一种先栅工艺中以氮化铝为势垒层的Mo基金属栅叠层结构的刻蚀方法。

背景技术

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(PMOSFET)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。

对于引入高K、金属栅材料的纳米级CMOS器件来说，为了得到较好的短沟效应以及合适的阈值，N管和P管的功函数应在Si的导带底附近(4.1eV左右)和价带顶附近(5.2eV左右)。Mo金属栅由于具有低的电阻率(5×10^-6Ω.cm)、高的熔点(大于2600度)以及(100)晶向的Mo金属栅展现出5eV附近的功函数，使得Mo基金属栅成为P管金属栅材料的有力候选者。另外，为了降低刻蚀的难度，不过多地增加原有CMOS工艺的复杂性，一般采用插入式金属栅的叠层结构(即硅栅/金属栅的叠层结构)代替纯金属栅电极来实现高K、金属栅材料的集成。但由于直接在Mo基金属栅上淀积硅栅时的高温过程导致Mo金属栅与硅栅发生反应，我们在Mo基金属栅与硅栅间加入一层热稳定性很高的金属氮化物势垒层来提高热稳定性。加入势垒层后虽解决了热稳定性的问题，但是也增加了高K/金属栅结构刻蚀的难度。因此，解决好势垒层/Mo基金属栅叠层结构的刻蚀是实现P管Mo基金属栅集成的有力保证。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明针对的纳米级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，提供一种先栅工艺中以氮化铝为势垒层的Mo基金属栅叠层结构的刻蚀方法。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种以氮化铝为势垒层的Mo基金属栅叠层结构的刻蚀方法，该方法包括：

在半导体衬底上依次形成界面SiO₂层、高K栅介质层、Mo基金属栅电极层、AlN势垒层、硅栅层和硬掩膜层；

对形成界面SiO₂层、高K栅介质层、Mo基金属栅电极层、AlN势垒层、硅栅层和硬掩膜层的半导体衬底进行光刻和硬掩膜的刻蚀；

去胶，以硬掩膜为掩蔽，采用干法刻蚀工艺对硅栅层进行高选择比的各向异性刻蚀；

采用干法刻蚀工艺对AlN势垒层、Mo基金属栅和高K介质进行各向异性刻蚀。

上述方案中，所述高K栅介质层由HfO₂、HfON、HfAlO、HfAlON、HfTaO、HfTaON、HfSiO、HfSiON、HfLaO或者HfLaON形成。

上述方案中，所述Mo基金属栅电极层由Mo、MoN、MoAlN或者MoAlN、MoN、Mo中任意两种材料的叠层结构构成。

上述方案中，所述AlN势垒层通过物理气相淀积工艺制备，其厚度为2至10纳米。

上述方案中，所述硅栅层由多晶硅或非晶硅构成。

上述方案中，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，所述采用干法刻蚀工艺对AlN势垒层、Mo基金属栅和高K介质进行各向异性刻蚀，是采用BCl₃基刻蚀气体对AlN势垒层、Mo基金属栅和高K介质进行高选择比的各向异性刻蚀。

上述方案中，所述BCl₃基刻蚀气体除了包括BCl₃外，还包括Cl₂、O₂、Ar中的一种或几种气体作为刻蚀气体。

上述方案中，所述BCl₃基刻蚀气体中Cl₂与BCl₃的比率为0～1∶4，O₂与BCl₃的比率为0～1∶8，Ar与BCl₃的比率为1∶5到1∶2。

上述方案中，所述AlN势垒层、Mo基金属栅和高K介质叠层结构的干法刻蚀工艺条件为：上电极功率为140～450W，下电极功率为30～120W，压强为4～15mt，BCl₃基刻蚀气体的总流量为50～130sccm，腔体和电极的温度控制在50～80度。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：