使用有机平面化掩膜切割多条栅极线的制作方法

使用有机平面化掩膜切割多条栅极线的制作方法
【专利摘要】在其上包括多条栅极线的半导体衬底顶上形成有机平面化层(OPL)。每条栅极线至少包括高k栅极电介质以及金属栅极。然后在OPL顶上设置其中形成有至少一个图形的构图的光致抗蚀剂。所述光致抗蚀剂中的所述至少一个图形垂直于每一条所述栅极线。然后通过蚀刻将所述图形转移到OPL以及下伏的栅极线中的每一条的一部分中以提供多个栅极叠层，每一个栅极叠层至少包括高k栅极电介质部分和金属栅极部分。然后利用一系列步骤去除构图的光致抗蚀剂和剩余的OPL层，所述一系列步骤包括与第一酸的第一接触、与水性含铈溶液的第二接触以及与第二酸的第三接触。
【专利说明】使用有机平面化掩膜切割多条栅极线
【技术领域】
[0001]本公开涉及半导体器件制造，更具体地，涉及将多条栅极线切割成多个栅极叠层的方法。
【背景技术】
[0002]场效应晶体管(FET)在电子工业中广泛用于切换、放大、过滤以及与模拟和数字电信号相关的其它任务。这些场效应晶体管中最常见的是金属氧化物半导体场效应晶体管(M0SFET或M0S)，其中栅结构被加电以在下伏的(underlying)半导体本体的沟道区中产生电场，由此允许电子行经该半导体本体的源极区和漏极区之间的沟道。互补MOS(CMOS)已经变得在半导体工业中广泛应用，其中η型和P型(匪OS和PM0S)晶体管都用于制造逻辑和电路。
[0003]半导体器件制造中的持续趋势包括减小电器件特征尺寸(按比例缩小)，以及在器件切换速度和功耗方面提高器件性能。近来的MOS和CMOS晶体管按比例缩小的努力致力于介电常数大于氧化硅的介电常数(例如，大于约3.9)的高k材料，其能够以比按比例缩小的氧化硅更厚的层形成且还产生等效的场效应性能。可以获得的另一种类型的CMOS器件是这样一种器件，其中栅电极包括至少金属栅极层。
[0004]在制造这种器件时，在半导体衬底的表面上形成至少包括高k栅极电介质和上覆的金属栅极的多条栅极线(gate line)。所述多条栅极线中的每条栅极线可以被切割成能够用于制造场效应晶体管器件的多个栅极叠层。在切割栅极线时，典型地在衬底上以及所述多条栅极线顶上形成至少包括光致抗蚀剂的叠层。然后穿过所述叠层形成暴露每条栅极线的最上部分的至少一个图形。使用蚀刻工艺来将所述至少一个图形转移到下伏的栅极线。在蚀刻过程中，每条下伏的栅极线被切割成多个栅极叠层。在蚀刻之后，需要去除构图的叠层。在常规方法中，使用硫酸和过氧化物的混合物来从所述衬底顶上去除所述构图的叠层。这种混合物不仅去除所述构图的叠层，而且还侵袭每个栅极叠层的金属栅极的一部分。例如，硫酸和过氧化物的混合物可导致提供具有底切(undercut)金属栅极的栅极叠层。或者，如果所述栅极叠层被暴露，硫酸和过氧化物的混合物可导致每个栅极叠层的材料损失。或者，硫酸和过氧化物的混合物的使用可导致栅极叠层的完全剥离。
[0005]考虑到上述情况，仍然需要提供改进的方法来将多条栅极线切割成栅极叠层，所述改进的方法避免与现有技术方法相关的缺点，在现有技术方法中使用硫酸和过氧化物的混合物来从所述结构去除构图的叠层。

【发明内容】

[0006]在包括位于其上的多条栅极线的半导体衬底顶上形成有机平面化层(OPL)。所述多条栅极线中的每条栅极线至少包括高k栅极电介质以及金属栅极。然后在所述OPL上设置其中形成有至少一个图形的构图的光致抗蚀剂。所述光致抗蚀剂中的至少一个图形垂直于每一条所述栅极线。然后通过蚀刻将所述图形转移到所述OPL以及下伏的栅极线中的每一条的一部分中以提供多个栅极叠层，每一个栅极叠层至少包括高k栅极电介质部分和金属栅极部分。然后利用一系列步骤去除构图的抗蚀剂和剩余的OPL层，而不负面地影响每个所述栅极叠层的任何金属栅部分，所述一系列步骤包括与第一酸的第一接触、与水性含铈溶液的第二接触以及与第二酸的第三接触。
[0007]在本公开的一个实施例中，提供了一种形成半导体结构的方法。该方法包括首先在半导体衬底的表面上形成多条栅极线。每条栅极线至少包括高k栅极电介质以及上覆的金属栅极。然后，在所述半导体衬底和所述多条栅极线顶上形成有机平面化层(OPL)。然后形成包括至少一个图形的构图的光致抗蚀剂。所述至少一个图形位于所述多条栅极线中的每条栅极线的一部分顶上。然后将所述至少一个图形转移到下伏的OPL和每条栅极线中。通过如下步骤完全去除所述OPL层的剩余部分和所述构图的光致抗蚀剂:(a)所述结构与第一酸的第一接触，该第一接触在第一温度下持续第一时间段，(b)所述结构与水性含铈溶液的第二接触，该第二接触在第二温度下持续第二时间段，以及(c)所述结构与第二酸的第三接触，该第三接触在第三温度下持续第三时间段。可以视需要重复接触步骤(b)和
(C)。
[0008]在另一个实施例中，提供了一种方法,该方法包括在半导体衬底的表面上形成多条栅极线。所述多条栅极线中的每条栅极线至少包括高k栅极电介质以及上覆的金属栅极。然后，在所述半导体衬底和所述多条栅极线顶上形成有机平面化层(OPL)。在所述OPL顶上形成包括至少一个图形的构图的光致抗蚀剂。所述至少一个图形位于所述多条栅极线中的每条栅极线的一部分顶上。通过蚀刻将所述至少一个图形转移到下伏的OPL和每条栅极线中。接下来，通过一系列接触步骤去除所述构图的光致抗蚀剂和剩余的OPL层，所述一系列接触步骤包括:(a)与硫酸的第一接触，(b)与水性溶液的第二接触，所述水性溶液包含含铺(IV)络合物(complex)或盐以及至少一种铵盐或络合物，以及(c)与硫酸的第三接触。
【专利附图】

【附图说明】
[0009]图1A是(通过自顶向下视图)示例出包括具有位于其上的多条栅极线的半导体衬底的初始结构的图示。
[0010]图1B是沿着图1A所示的剖线A-A’的所述初始结构的横截面视图。
[0011]图1C是沿着图1A所示的剖线B-B’的所述初始结构的横截面视图。
[0012]图2是(通过自顶向下视图)示例出在形成有机平面化层之后的图1A的初始结构的图示。
[0013]图2B是沿着图2A所示的剖线A-A’的所述结构的横截面视图。
[0014]图2C是沿着图2A所示的剖线B-B’的所述结构的横截面视图。
[0015]图3A是(通过自顶向下视图)示例出在所述有机平面化层顶上形成光致抗蚀剂之后的图2A的结构的图示。
[0016]图3B是沿着图3A所示的剖线A-A’的所述结构的横截面视图。
[0017]图3C是沿着图3A所示的剖线B-B’的所述结构的横截面视图。
[0018]图4A是(通过自顶向下视图)示例出在对所述光致抗蚀剂进行构图以在其中包括至少一个图形之后的图3A的结构的图示。[0019]图4B是沿着图4A所示的剖线A-A’的所述结构的横截面视图。
[0020]图4C是沿着图4A所示的剖线B-B’的所述结构的横截面视图。
[0021]图5A是(通过自顶向下视图)示例出在将至少一个图形从构图的光致抗蚀剂转移到所述有机平面化层和所述多条栅极线中的每条栅极线中之后的、图4A的结构的图示。
[0022]图5B是沿着图5A所示的剖线A_A’的所述结构的横截面视图。
[0023]图5C是沿着图5A所示的剖线B-B’的所述结构的横截面视图。
[0024]图6A是(通过自顶向下视图)示例出在从所述结构去除了所述有机平面化层的剩余部分和所述构图的光致抗蚀剂之后的图5A的结构的图示，现在所述结构包括位于所述半导体衬底的表面上的多个栅极叠层。
[0025]图6B是沿着图6A所示的剖线A_A’的所述结构的横截面视图。
[0026]图6C是沿着图6A所示的剖线B-B’的所述结构的横截面视图。
[0027]图7是在形成至少一个分隔物(spacer)以及源极区和漏极区之后的穿过相同的剖线A-A’的图6B的结构的图示。
【具体实施方式】
[0028]现在将通过参考下面的讨论和本申请的附图更详细地描述本公开，本公开涉及将至少包括高k栅极电介质和上覆的金属栅极的栅极线切割成至少包括高k栅极电介质部分和上覆的金属栅极部分的栅极叠层的方法。注意，本申请的附图是为了示例的目的而提供的，因此它们未按比例绘制。
[0029]在下面的描述中，阐述了大量的具体细节，诸如特定结构、部件、材料、尺寸、处理步骤和技术，以便提供对本发明的彻底的理解。然而，本领域普通技术人员将理解，本公开可以在没有这些具体细节的情况下以可行的备选工艺选项来实践。在其它情况下，未详细描述公知的结构或处理步骤，以免使本公开的各种实施例模糊不清。
[0030]应当理解，当诸如层、区域或衬底的要素被称为在另一要素“上”或“之上”时，它可以直接在该另一要素上，或者也可以存在中间要素。相反，当一个要素被称为“直接在”另一要素“上”或者“之上”时，不存在中间要素。还应当理解，当一个要素被称为在另一要素“下”或“之下”时，它可以直接在该另一要素下，或者可以存在中间要素。相反，当一个要素被称为“直接在”另一要素“下”或者“之下”时，不存在中间要素。
[0031]现在参考图1A、1B和1C，其示例出了可以在本公开中采用的初始结构10。初始结构10包括半导体衬底12，该半导体衬底12具有位于其表面上的多条栅极线(14L和14R)。所述多条栅极线的每条栅极线14L和14R彼此平行地取向。每条栅极线14L和14R至少包括高k栅极电介质16L、16R以及金属栅极18L、18R。每条栅极线14L和14R可以可选地包括位于每个金属栅极18L、18R顶上的含Si栅电极20L、20R。
[0032]所述半导体衬底12包含包括但不限于下述材料的任何半导体材料:S1、SiGe,SiGeC、SiC、Ge合金、GaAs、InAs、InP以及其它III/V或II/VI化合物半导体。除了所列出的类型的半导体材料，半导体衬底12也可以是层叠的半导体，诸如，例如Si/SiGe、Si/SiC、绝缘体上硅(SOI)或者绝缘体上硅锗(SGOI)。在一些实施例中，半导体衬底12是含Si的半导体材料，即，包含硅的半导体材料。半导体衬底12可以包括单晶取向或者其可以包括具有不同晶体取向的至少两个共面表面区域(后一衬底在本领域中被称为混合衬底)。为了示例的目的，半导体衬底12由体半导体构成。“体”的意思是整个衬底由半导体材料构成。
[0033]半导体衬底12也可以包括掺杂(η或P)区。为了清楚起见，在本申请的任何图中未具体示出掺杂区。所述掺杂区被称为“阱”，并且可以利用本领域技术人员已知的常规离子注入工艺形成所述阱。
[0034]可以在半导体衬底12中形成至少一个隔离区(未示出)。所述至少一个隔离区可以是沟槽隔离区或者场氧化物隔离区。可以利用本领域技术人员公知的沟槽隔离工艺形成所述沟槽隔离区。例如，光刻、蚀刻并且用沟槽电介质填充沟槽，可以被用于形成沟槽隔离区。可选地，可以在沟槽填充之前在沟槽中形成衬里(liner)，可以在沟槽填充之后进行致密化步骤， 并且也可以在沟槽填充之后进行平面化工艺。可以利用所谓的硅局部氧化工艺形成场氧化物。如本领域技术人员已知的，所述至少一个隔离区在相邻器件之间提供隔离，典型地当相邻器件具有相反导电性WPnFEI^PpFET)时需要这种隔离。位于相邻隔离区之间的半导体衬底12的部分在本申请中被称为半导体衬底12的“有源区”。所述半导体衬底的有源区是其中可以形成诸如晶体管的半导体器件的区域。
[0035]每条栅极线14L和14R的每个高k栅极电介质16L和16R都包括介电常数大于氧化硅的介电常数(例如3.9)的电介质材料。典型地，能够在本公开中采用的每个高k栅极电介质16L和16R所具有的介电常数大于4.0,其中大于8.0的介电常数甚至更典型。能够在本公开中采用的示例性高k电介质材料包括但不限于:Hf02、ZrO2, La203、A1203、TiO2,SrTiO3> LaAlO3' Y2O3> HfOxNy、ZrOxNy, La2OxNy' Al2OxNy' TiOxNy, SrTiOxNy, LaAlOxNy、Y2OxNy、其硅酸盐以及其合金。X的每一个值独立地为0.5-3，且y的每个值独立地为0-2。在一些实施例中，可以采用上述高k电介质材料中的至少两种的多层叠层。在一些实施例中，高k栅极电介质16L由与高k栅极电介质16R相同的高k栅极电介质构成。在其它实施例中，高k栅极电介质16L由与高k栅极电介质16R不同的高k栅极电介质构成。当采用不同的高k栅极电介质材料时，可以使用遮挡掩膜(block mask)技术来形成不同类型的高k栅极电介质材料。
[0036]在一个实施例中，每条栅极线14L和14R的每个高k栅极电介质16L和16R可以形成在界面层(未示出)顶上，所述界面层在形成每条栅极线14L和14R的每个高k栅极电介质16L和16R之前被形成在半导体衬底12顶上。在这种实施例中，所述界面层可以由半导体氧化物、半导体氮化物和/或半导体氧氮化物构成。这种界面材料可以利用诸如例如热氧化和/或热氮化的热处理形成。
[0037]每条栅极线14L和14R的每个高k栅极电介质16L和16R的厚度可以根据用于形成其的技术而变化。然而，典型地，每条栅极线14L和14R的每个高k栅极电介质16L和16R具有0.5nm到IOnm的厚度，其中1.0nm到5nm的厚度更典型。在本公开的一些实施例中，所采用的每条栅极线14L和14R的每个高k栅极电介质16L和16R可以具有2nm量级或者不到2nm的有效氧化物厚度。
[0038]每条栅极线14L和14R的每个高k栅极电介质16L和16R可以通过本领域中公知的方法形成，所述方法包括例如:化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、分子束沉积(MBD)、脉冲激光沉积(PLD)、液态源雾化的化学沉积(LSMCD)、原子层沉积(ALD)以及其它类似的沉积工艺。[0039]每条栅极线14L和14R的每个金属栅极18L和18R包含包括但不限于下述材料的任何导电的含金属材料:元素金属(例如，钨、钛、钽、铝、镍、钌、钯和钼)、至少两种元素金属的合金、元素金属氮化物(例如，氮化钨、氮化铝和氮化钛)、元素金属硅化物(例如，硅化钨、硅化镍和硅化钛)及它们的多层。在一个实施例中，每条栅极线14L和14R的每个金属栅极18L和18R由nFET金属构成。在另一个实施例中，每个金属栅极18L和18R由pFET金属构成。在再一个实施例中，每条栅极线14L和14R的每个金属栅极18L和18R由TiN构成。在一些实施例中，金属栅极18L由与金属栅极18R不同的金属栅极材料构成。在这种实施例中，可以使用遮挡掩膜技术来为材料栅极18L和金属栅极18R形成不同的金属栅极材料。
[0040]可以利用常规沉积工艺形成每条栅极线14L和14R的每个金属栅极18L和18R，所述沉积工艺包括例如化学气相沉积(CVD)、等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)、蒸镀、物理气相沉积(PVD)、溅射、化学溶液沉积、原子层沉积(ALD)或者其它类似的沉积工艺。当形成金属硅化物时，可以采用常规硅化工艺。
[0041]在一些实施例中，所述多条栅极线中的每条栅极线14L和14R包括位于每个金属栅极18L和18R顶上的含Si栅电极20L和20R。每个含Si栅电极20L和20R包括掺杂的多晶硅、掺杂的SiGe及其组合。可以通过首先在每个金属栅极18L和18R顶上形成非掺杂的含Si层，之后通过利用离子注入、气相掺杂之一，或者通过从该非掺杂的含Si层附近形成的牺牲材料层转移掺杂剂并且然后从该结构除去所述牺牲层，将掺杂剂引入到所述非掺杂的含Si层中，来形成每个含Si栅电极20L和20R。或者，可以利用原位掺杂沉积工艺形成掺杂的含Si层。
[0042]在一些实施例中，每条栅极线14L和14R的每个材料层被形成为毯式(blanket)层并且之后在形成每条栅极线14L和14R时使用构图工艺。所述构图工艺包括光刻(在所述毯式材料层的最上表面顶上施加光致抗蚀剂，将所述光致抗蚀剂暴露于辐射并且使用常规显影剂显影已暴露的抗蚀剂)。该光刻步骤在所述栅极线的最上面的毯式材料层顶上提供构图的光致抗蚀剂。然后使用蚀刻步骤将图形从所述构图的光致抗蚀剂转移到下伏的栅极电介质16L和16R、金属栅极18R和18L以及可选的含Si栅电极20L和20R的毯式层中。该蚀刻可以包括干法蚀刻工艺，诸如例如反应离子蚀刻、等离子体蚀刻、离子蚀刻或者激光烧蚀。该蚀刻还可以包括湿法化学蚀刻工艺，其中使用一种或多种化学蚀刻剂来去除所述毯式层的未被构图的光致抗蚀剂保护的部分。可以利用灰化工艺去除构图的光致抗蚀剂。
[0043]现在参考图2A、2B和2C，分别示例出了在半导体衬底12顶上以及所述多条栅极线中的每条栅极线14L和14R周围形成有机平面化层(OPL) 22之后的图1A、1B和IC的结构。如图所示，OPL层22的一部分直接接触所述多条栅极线中的每条栅极线14L和14R。
[0044]在本公开中采用的0PL22包含任何有机材料，所述有机材料包括但不限于近无摩擦的碳(near-frictionless carbon, NFC)材料和聚酸亚胺。
[0045]可以利用诸如例如旋涂、CVD、PECVD、蒸镀、化学溶液沉积及其它类似的沉积技术的沉积工艺形成0PL22。可以使用化学机械平面化(CMP)和/或研磨来平面化所沉积的0PL22。
[0046]0PL22的厚度可以变化，只要其厚度大于所述多条栅极线中的每条栅极线14L和14R的总厚度即可。在一个实施例中，0PL22具有50nm-500nm的厚度。在另一个实施例中，0PL22 具有 150nm-300nm 的厚度。
[0047]现在参考图3A、3B和3C，分别示例出了在0PL22顶上形成毯式光致抗蚀剂层24之后的图2A、2B和2C的结构。在一些实施例中，可以在OPL层22与光致抗蚀剂24之间形成可选的抗反射涂层(未示出)。
[0048]当采用时，所述可选的抗反射涂层包括能够控制如下(i)和(ii)的任何无机或有机材料:(i)光穿过上覆的光致抗蚀剂材料的反射；以及(ii)从所述抗反射涂层下方的材料层回到光致抗蚀剂材料中的光的反射，所述光可能与入射光干涉并且引起光致抗蚀剂材料被不均匀地曝光。通常，可以可选地采用的抗反射涂层可以被模制以便找到抗反射涂层的最佳光学参数(η和k值)以及最佳厚度。在一个实施例中，抗反射涂层的光学常数在365、248、193和157、126nm以及极紫外(13.4nm)辐射波长下在η = 1.2到η = 3.0以及k = 0.01到k = 0.9的范围内，更典型地，在η = 1.4到η = 2.6以及k = 0.02到k =0.78的范围内。抗反射涂层的光学特性和厚度被优化以获得最佳分辨率、轮廓控制并且在随后的构图步骤期间最大化光致抗蚀剂的工艺窗口，这对于本领域普通技术人员而言是公知的。
[0049]能够在本公开中采用的抗反射涂层包括例如有机均聚物或者聚酯、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚砜和无定形碳的共聚物。可以通过旋涂技术、喷涂技术、浸溃等施加抗反射涂层。诸如氧氮化硅(SiON)、碳化硅(SiC)、氧碳化硅(Si0C)、SiC0H、硅氧烷、硅烷、碳娃烧、氧碳娃烧(oxycarbosilane)和倍半娃氧烧(silsesquioxane)的无机抗反射涂层,作为聚合物或者共聚物，也可以被采用或者通过例如等离子体增强的化学气相沉积、旋涂技术、浸溃等被沉积。在施加了抗反射涂层一尤其是来自液相的那些一之后，通常需要沉积后烘烤步骤来去除不想要的成分(例如溶剂)以及实现交联。抗反射涂层的沉积后烘烤步骤典型地，但不必总是，在80°C到300°C的温度下进行，其中120°C到200°C的烘烤温度更典型。
[0050]可以在本公开中采用的光致抗蚀剂24包括任何常规光致抗蚀剂材料，所述常规光致抗蚀剂材料包括正色调(positive-tone)光致抗蚀剂材料或负色调(negative-tone)光致抗蚀剂材料。“正色调”的意思是光致抗蚀剂的暴露于光刻的部分将通过常规显影剂被去除，而光致抗蚀剂的未暴露部分不被去除。“负色调”的意思是光致抗蚀剂的暴露于光刻的部分通过常规显影剂将不被去除，而光致抗蚀剂的未暴露部分被去除。光致抗蚀剂可以包括光致产酸剂(photoacid generator)、碱添加剂和/或溶剂,它们中的每一者对于本领域技术人员而言都是公知的，因此未全面地提供关于这些成分的细节。
[0051]利用本领域技术人员公知的技术在0PL22的表面顶上形成毯式光致抗蚀剂层24，所述技术包括例如旋涂、浸溃涂布、蒸镀、化学溶液沉积和化学气相沉积。在沉积之后，典型地利用本领域技术人员公知的处理条件干燥和固化毯式光致抗蚀剂层24。
[0052]现在参考图4A、4B和4C，分别示例出了在毯式光致抗蚀剂层24中形成至少一个图形之后的图3A、3B和3C的结构。在图中将构图的光致抗蚀剂标记为24’。如图所示(尤其在图4C中)，构图的光致抗蚀剂24’保护0PL22的一些部分，同时使0PL22的其它部分不受保护。可以利用光刻进行对毯式光致抗蚀剂层24的构图，所述光刻包括将毯式光致抗蚀剂层24暴露于期望的辐射图形并且然后利用常规显影剂去除暴露的光致抗蚀剂材料的部分以便形成图4A、4B和4C中所示的结构。如图所示，构图的光致抗蚀剂24包括位于其中的至少一个图形26，即开口。所述至少一个图形26形成为垂直于所述多条栅极线中的每条栅极线14L和14R，并且所述至少一个图形26横跨(cross over)所述多条栅极线中的每条栅极线14L和14R。因此，在本公开中可以使用构图的光致抗蚀剂26’中的所述至少一个图形26来将栅极线14L和14R中的每一条切割成多个栅极叠层。
[0053]现在参考图5A、5B和5C，分别示例出了在穿过OPL层22并且穿过所述多条栅极线中的每条栅极线14L和14R转移所述至少一个图形26、形成了多个金属栅极14L’、14L〃、14R’和14R〃之后的图4A、4B和4C的结构。金属栅极叠层14L〃和14R〃位于图5B中的横截面视图中示例的栅极叠层14L’和14R’后方。每个栅极叠层14L’、14L"、14R’和14R"都包括高k栅极电介质部分16L’、16L〃、16R’和16R〃、金属栅极部分18L’、18L〃、18R’和18R"、以及可选的含Si栅电极部分20L’、20L〃、20R’和20R〃。在图5C中，用要素26’表示从构图的光致抗蚀剂24’转移到OPL层22和所述多条栅极线中的每条栅极线14L和14R的所述至少一个图形，即开口。现在在图中将构图的OPL标记为22’。
[0054]可以使用干法蚀刻工艺进行位于构图的光致抗蚀剂24’中的至少一个图形26向OPL层22和所述多条栅极线中的每条栅极线14L和14R的转移，所述干法蚀刻工艺包括例如反应离子蚀刻、离子束蚀刻、等离子体蚀刻、激光烧蚀以及它们的任何组合。在一些实施例中，可以使用一种干法蚀刻工艺。在其它实施例中，可以使用多种干法蚀刻工艺。
[0055]现在参考图6A、6B和6C，分别示例出了在从所述结构去除了构图的光致抗蚀剂24’和剩余的OPL(即构图的0PL22’)之后的图5A、5B和5C的结构。构图的光致抗蚀剂24’和构图的0PL22’的去除包括:(a)使所述结构与第一酸进行第一接触，该第一接触在第一温度下持续第一时间段，(b)使所述结构与水性含铈溶液进行第二接触，该第二接触在第二温度下持续第二时间段，以及(c)使所述结构与第二酸进行第三接触，该第三接触在第三温度下持续第三时间段。可以视需要重复接触步骤(b)和(C)。在一个实施例中，可以重复接触步骤(b)和接触步骤(c)至少一次。典型地，重复接触步骤(b)和(c) 1-3次。
[0056]如上所述，第一接触包括第一酸。与第一酸的接触被认为部分地破坏了有机平面化层。在第一接触期间能够在本公开中采用的第一酸包括在添加到水时释放质子(即H+)的任何酸。这种酸的示例性实例包括但不限于盐酸(HCl)、硫酸(H2SO4)、乙酸、硝酸(HNO3)、高氯酸(HClO4)、磷酸(H3PO4)及其混合物。典型地，第一酸是硫酸。
[0057]在典型地为15°C到150°C的第一温度下进行与第一酸的第一接触。更典型地，在从25°C到100°C的第一温度下进行与第一酸的第一接触。与第一酸的第一接触典型地进行从I分钟到60分钟的第一时间段。更典型地，与第一酸的第一接触进行从5分钟到30分钟的第一时间段。
[0058]使用水性含铈溶液进行第二接触。与水性含铈溶液的第二接触被认为通过侵袭不饱和碳键而与有机平面化层化学反应，导致随后从衬底去除构图的0PL22’。
[0059]尽管铈是在该水性溶液中采用的活性元素，应当理解，可以使用具有与铈相同或相似的化学特性的元素。例如，其它镧系元素可具有与铈相似的一些特性并且因此可以被使用。镧系元素通常已知为具有57-71的原子数的那些元素，即，镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铺、镝、钦、铒、钱、镱和镥。此外，特定非镧系元素可能具有与铈相似的化学特性并且因此可以被使用。这种元素可以包括但不限于钴、镍、锰、铁、钒、钛、钌、铑和钥。
[0060]在本公开的第二接触中使用的水性含铈溶液包含至少一种铈(IV)络合物或盐。在一个实施例中，所述至少一种铈(IV)络合物或盐可以是例如硝酸铵铈。硝酸铵铈的化学式可以表示为Ce (NH4) 2 (NO3) 6或(NH4) 2Ce (NO3) 6。硝酸铵铈也称为CAN、硝酸铵铈(IV)、硝酸铵高铺(eerie ammonium nitrate)和硝酸铺铵。CAN是可以用作氧化剂的橙色水溶性盐。
[0061]可以使用的其它铈(IV)络合物或盐包括但不限于硝酸高铈、硫酸铵高铈、硫酸高铈、硫酸氢高铈、高氯酸高铈、甲磺酸高铈、三氟甲磺酸高铈、氯化高铈、氢氧化高铈和乙酸高铈。可以代替CAN或者与CAN结合使用这些铈(IV)络合物或盐。在本公开的一些实施例中，所述溶液可以包含上述铈(IV)络合物或盐中的不止一种。在一些实施例中，所述铈(IV)络合物或盐优选包括硝酸铵铺。
[0062]由于水中的高铈溶液趋于水解并且随着时间流逝产生沉淀物，当保持为高于环境温度(即，高于约20°C-25°C)时尤其如此，因此可以采用至少一种稳定剂来稳定所述溶液。换言之，水中的铈(IV)络合物或盐通常是稳定的，但是在约70°C的升高的温度下，铈(IV)络合物或盐由于水解和/或氧化还原反应而产生沉淀物。然而，在强酸溶液中，这种沉淀物是可溶解的。“强酸”的意思是PH小于I。由于该原因，典型地在酸性媒质中配制含铈溶液，以便使所述溶液稳定并且防止或限制铈的沉淀。可以通过至少一种稳定剂提供的酸性媒质用于例如通过溶解来自所述溶液的沉淀物而减少沉淀物。所述至少一种稳定剂可以称为浴稳定剂(bath stabilizer)。
[0063]在一个实施例中，所述至少一种稳定剂是铵盐。铵盐是对CAN中的铵化合物或能够用作铈(IV)盐的铈的任何其它铵化合物的补充。可以用作稳定剂的铵盐包括但不限于氯化铵、硝酸铵、硫酸铵(NH4)2SO4At酸氢铵、乙酸铵、高氯酸铵(NH4ClO4)、三氟乙酸铵、甲磺酸铵、以及三氟甲磺酸铵中的至少一种。
[0064]作为稳定剂并且能够在本公开的水性溶液中使用的其它化合物包括但不限于酸。能够用作稳定剂的酸包括但不限于如下中的一种或多种:硝酸、盐酸、硫酸、高氯酸、冰醋酸、甲磺酸、三氟甲磺酸、以及聚磺酸(例如聚(4-苯乙烯磺酸))。替代地，或者作为补充，可以添加其它水溶性的酸性聚合物，所述聚合物包括但不限于聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、以及聚合酸(polymeric acid)。聚合酸的例子包括但不限于聚马来酸、聚四氟磺酸、聚(乙烯-马来)酸和聚苯乙烯羧酸。
[0065]在一个实施例中，可以存在于所述水性含铈溶液中的稳定剂的浓度的有效范围为基于所述水性含铈溶液的总重量的0.5重量％到15重量％。在另一个实施例中，可以存在于所述水性含铈溶液中的稳定剂的浓度的有效范围为基于所述水性含铈溶液的总重量的
0.5重量％到10重量％。
[0066]除了上述，所述水性含铈溶液包括诸如去离子水(DI水)的水作为溶剂。在一个实施例中，所述水性含铈溶液包含基于该水性溶液的总重量的1?〖％到50被％的铈(IV)络合物或盐以及50被％到99wt%的水。在另一个实施例中，水性含铈溶液包含基于该水性溶液的总重量的10wt%到40wt%的铺(IV)络合物或盐以及60wt%到90wt%的水。在再一个实施例中，所述水性含铈溶液包含基于该水性含铈溶液的总重量的15被％到35被％的铈(IV)络合物或盐以及65被％到85被％的水。在又一个实施例中，所述水性含铈溶液包含基于该水性含铈溶液的总重量的20被％到30wt%的铈(IV)络合物或盐以及70被％到80wt%的水。
[0067]本公开的含铈水溶液的实施例包括但不限于:(i)包括铈(IV)络合物或盐以及水的溶液、由铈(IV)络合物或盐以及水构成的溶液、或者实质上由铈(IV)络合物或盐以及水构成的溶液，(ii)包括铈(IV)络合物或盐、水以及铵盐的溶液，由铈(IV)络合物或盐、水以及铵盐构成的溶液、或者实质上由铈(IV)络合物或盐、水以及铵盐构成的溶液，(iii)包括铈(IV)络合物或盐、水以及酸的溶液，由铈(IV)络合物或盐、水以及酸构成的溶液、或者实质上由铈(IV)络合物或盐、水以及酸构成的溶液，(iv)包括铈(IV)络合物或盐、水、铵盐以及酸的溶液、由铈(IV)络合物或盐、水、铵盐以及酸构成的溶液、或者实质上由铈(IV)络合物或盐、水、铵盐以及酸构成的溶液。
[0068]在典型地从25°C到150°C的第二温度下进行与所述水性含铈溶液的第二接触。更典型地，在从50°C到100°C的第二温度下进行与所述水性含铈溶液的第二接触。与所述水性含铈溶液的第二接触典型地进行从I分钟到60分钟的第二时间段。更典型地，与所述水性含铈溶液的第二接触进行从5分钟到30分钟的第二时间段。
[0069]在与所述水性含铈溶液的第二接触之后，进行与第二酸的第三接触。在第三接触中使用的第二酸可以与第一接触的第一酸相同或者不同，典型地相同。与第二酸的接触被认为进一步去除了构图的有机材料。在第三接触期间能够在本公开中采用的第二酸包括在添加到水时释放质子(即tf)的任何酸。这种酸的示例性实例包括但不限于盐酸(HCl)、硫酸(H2SO4)、乙酸、硝酸(HNO3)、高氯酸(HClO4)、磷酸(H3PO4)及其混合物。典型地，第二酸是硫fe。
[0070]在典型地从25°C到150°C的第三温度下进行与第二酸的第三接触。更典型地，在从50°C到100°C的第三温度下进行与第二酸的第三接触。与第二酸的第三接触典型地进行从I分钟到60分钟的第三时间段。更典型地，与第二酸的第三接触进行从5分钟到30分钟的第二时间段。
[0071]上面提及的接触步骤中的每一个可以包括将所述结构浸没在包含特定材料(即，第一酸、水性含铈溶液或第二酸)的浴中。也可以预期其它接触方法，例如，在特定材料(即，第一酸、水性含铈溶液或第二酸)中喷涂、冲洗或清洗所述结构并且摇动所述结构。所述第一接触、第二接触和第三接触可以包括上述方法中的任何一种。
[0072]现在参考图7，示例出了在所形成的每个栅极叠层14L’、14L”、14R’和14R”的暴露侧壁上形成至少一个分隔物32之后的图6B的结构。注意，在图中栅极结构14L”和14R”分别位于栅极结构14L’和14R’后方。在一些实施例中，可以从每个栅极叠层14L’、14L”、14R’和14R”的侧壁省略所述至少一个分隔物32。当存在时，所述至少一个分隔物32可以由诸如例如氧化硅、氮化硅和/或氧氮化硅的不透氧电介质材料构成。所述至少一个分隔物32可以通过沉积不透氧电介质材料并且然后蚀刻而形成。在一些实施例中，在形成所述至少一个分隔物32中可以使用热处理。
[0073]每个栅极叠层14L’、14L”、14R’和14R”也包括源极区和漏极区(本申请中合称为源极/漏极区34)。在图中，栅极叠层14L’和14R’之间的中间源极/漏极区被示为公共源极/漏极区。尽管示出了这样的实施例，但是位于栅极叠层14L’和14R’之间的源极/漏极区34可以是分隔开的源极/漏极区。源极/漏极区34典型地利用离子注入和退火形成在衬底10中并且位于每个栅极叠层14L’、14L”、14R’和14R”的覆盖区域(footprint)处。用于所述离子注入工艺的条件和掺杂剂对于本领域技术人员而言是公知的。激活被离子注入到半导体衬底12中的掺杂剂的退火包括在约800°C或更高的温度下加热。半导体衬底12的位于每个栅极叠层14L’、14L”、14R’和14R”下方并且被源极/漏极区32横向界定的部分是晶体管的沟道区。
[0074]注意，在每个栅极叠层14L’、14L”、14R’和14R”中，高栅极电介质部分、金属栅极部分和含Si栅电极部分中的每一者都具有垂直地彼此一致的侧壁。
[0075]尽管就本公开的优选实施例特别地示出和描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以做出前述和其它形式和细节上的变化。因此本公开旨在不限于所描述和示例的确切形式和细节，而是落入所附权利要求的范围内。
【权利要求】
1.一种形成半导体结构(10)的方法，包括:在半导体衬底(12)的表面上形成多条栅极线(14L、14R)，其中所述多条栅极线中的每条栅极线(14L、14R)至少包括高k栅极电介质(16L、16R)和上覆的金属栅极(18L、18R)；在所述半导体衬底(12)和所述多条栅极线(14L、14R)顶上形成有机平面化层(OPL)(22)； 在所述0PL(22)顶上形成包括至少一个图形(26)的构图的光致抗蚀剂(24’)，其中所述至少一个图形(26)位于所述多条栅极线中的每条栅极线(14L、14R)的一部分顶上； 通过蚀刻将所述至少一个图形(26)转移到下伏的OPL (22)和栅极线(14L、14R)中；以及 通过一系列接触步骤去除所述构图的光致抗蚀剂(24’ )和剩余的OPL层(22’)，所述一系列接触步骤包括:(a)在第一温度下持续第一时间段与第一酸的第一接触，(b)在第二温度下持续第二时间段与水性含铈溶液的第二接触，以及(c)在第三温度下持续第三时间段与第二酸的第三接触。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，重复接触步骤(b)和(c)至少一次。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述0PL(22)选自聚酰亚胺和近无摩擦的碳材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一酸是硫酸。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一温度为15°C到150°C，并且所述第一时间段为I分钟到60分钟。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述水性含铈溶液包含含铈(IV)络合物或盐以及水。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述含铈(IV)络合物或盐是硝酸铵高铈、硝酸高铈、硫酸铵高铈、硫酸高铈、硫酸氢高铈、高氯酸高铈、甲磺酸高铈、三氟甲磺酸高铈、氯化高铺、氢氧化高铺和乙酸高铺中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述水性含铈溶液还包括作为稳定剂的至少一种铵盐。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述至少一种铵盐包括氯化铵、硝酸铵、硫酸铵(NH4)2SO4At酸氢铵、乙酸铵、高氯酸铵(NH4ClO4)、三氟乙酸铵、甲磺酸铵、或三氟甲磺酸铵。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述水性含铈溶液还包括作为稳定剂的至少一种酸。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述至少一种酸包括硝酸、盐酸、硫酸、高氯酸、冰醋酸、甲磺酸、三氟甲磺酸、聚磺酸、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚马来酸、聚四氟磺酸、聚(乙烯-马来)酸或聚苯乙烯羧酸。
12.根据权利要求6所述的方法，其中，所述含铈(IV)络合物或盐是硝酸铵高铈，并且所述水性含铈溶液还包括作为稳定剂的三氟乙酸铵。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二温度为25°C到150°C，并且所述第二时间段为I分钟到60分钟。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二酸是硫酸。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第三温度为25°C到150°C，并且所述第三时间段为I分钟到60分钟。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一和第二酸包括选自硫酸、盐酸、乙酸、硝酸、高氯酸、磷酸及其混合物的相同或不同的酸。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属栅极(18L、18R)包括元素金属、至少两种元素金属的合金、元素金属氮化物、元素金属硅化物或者其多层。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属栅极(18L、18R)由TiN构成。
19.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多条栅极线中的每条栅极线(14L、14R)包括位于所述金属栅极(18L、18R)顶上的含Si栅电极(20L、20R)。
20.根据权利要求1所述的方法，其中，在去除了所述构图的光致抗蚀剂(24’)和所述剩余的OPL(22’ )之后，所述多条栅极线中的每条栅极线(14L、14R)被切割成多个栅极叠层(14L’、14L”、14R’、14R”)，其中所述多个栅极叠层(14L’、14L”、14R’、14R”)中的每个栅极叠层具有金属栅极部分(18L’、18L”、18R’、18R” )，所述金属栅极部分的侧壁与下伏的高k栅极电介质部分(16L，、16L”、16R，、16R”)的侧壁垂直一致。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括:在所述多个栅极叠层中的每个栅极叠层(14L’、14L”、14R’、14R”)上形成至少一个分隔物(32)，并且在所述半导体衬底(12)中在所述多个栅极叠层中的每个栅极叠层(14L’、14L”、14R’、14R”)的覆盖区域处形成源极区和漏极区(34)。
22.根据权利要求1所述的方法，其中，所述有机平面化层(OPL)(22)与所述多条栅极线中的每条栅极线(14L、14R)直接接触。
23.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一和第二酸均包含硫酸，并且所述水性含铈溶液包含硝酸铵高铈、三氟乙酸铵和水的混合物。
24.一种形成半导体结构(10)的方法，包括: 在半导体衬底(12)的表面上形成多条栅极线(14L、14R)，其中所述多条栅极线中的每条栅极线(14L、14R)至少包括高k栅极电介质和上覆的金属栅极(18L、18R)； 在所述半导体衬底(12)和所述多条栅极线(14L、14R)顶上形成有机平面化层(OPL)(22)； 在所述0PL(22)顶上形成包括至少一个图形(26)的构图的光致抗蚀剂(24’)，所述至少一个图形(26)位于所述多条栅极线中的每条栅极线(14L、14R)的一部分顶上； 通过蚀刻将所述至少一个图形(26)转移到下伏的OPL (22)和栅极线(14L、14R)中；以及 通过一系列接触步骤去除所述构图的光致抗蚀剂(24’ )和剩余的OPL层(22’)，所述一系列接触步骤包括:(a)与硫酸的第一接触，(b)与水性溶液的第二接触，所述水性溶液包含含铈(IV)络合物或盐以及至少一种铵盐或络合物，以及(c)与硫酸的第三接触。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述含铈(IV)络合物或盐是硝酸铵高铈，并且所述铵络合物或盐是三氟乙酸铵。
【文档编号】H01L21/00GK103975415SQ201280059362
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2012年11月23日 优先权日:2011年12月1日
【发明者】N·C·M·富勒, P·P·乔希, M·霍贾斯特, R·M·拉纳德, G·G·托蒂尔 申请人:国际商业机器公司