一种高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺，至少包括以下步骤：1）于包括依次层叠于Si衬底表面的SiO2层、高K介质层、TiN层以及多晶硅层的栅极结构中去除所述多晶硅层，露出所述TiN层以及形成于其表面的氮氧化硅界面层；2）采用F-基干法刻蚀去除所述氮氧化硅界面层，去除过程中TiN表面会形成氟化钛界面层；3）于H2或者N2/H2的混合气体的气氛中对所述TiN层表面进行高温等离子体处理；4）采用湿法清洗工艺对所述TiN表面进行清洗。本发明可以有效去除TiN表面的氮氧化硅界面层以及此过程中所产生的氟化钛界面层，从而保证了晶体管阈值电压的稳定性，提高了晶体管的性能。
【专利说明】—种高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体制造领域，特别是涉及一种高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺。
【背景技术】
[0002]根据国际半导体技术发展蓝图(internat1naltechnology roadmap forsemiconductor, ITRS)，CMOS技术将于2009年进入32nm技术节点。然而，在CMOS逻辑器件从45nm向32nm节点按比例缩小的过程中却遇到了很多难题。为了跨越尺寸缩小所带来的这些障碍，要求把最先进的工艺技术整合到产品制造过程中。根据现有的发展趋势，可能被引入到32nm节点的新的技术应用，涉及如下几个方面:浸入式光刻的延伸技术、迁移率增强衬底技术、金属栅/高介电常数栅介质(metal/high-k, MHK)栅结构、超浅结(ultra-shallow junct1n, USJ)以及其他应变增强工程的方法,包括应力邻近效应(stress proximity effect, SPT)、双重应力衬里技术(dualstress liner, DSL)、应变记忆技术(stress memorizat1n technique, SMT)、STI 和 PMD 的高深宽比工艺(high aspectrat1 process, HARP)、米用选择外延生长(selective epitaxial growth, SEG)的嵌入SiGe (pFET)和 SiC(nFET)源漏技术、中端(middle of line, M0L)和后端工艺(back-endof line, BE0L)中的金属化以及超低k介质(ultra low-k, ULK)集成等。
[0003]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(PM0SFET)中硼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S12/多晶硅(poly)结构已经成为了必然的选择。在诸多高K材料中，Hf基高K材料最终被认为是最有希望成为S12栅介质的替代者。另一方面，TiN金属栅材料由于具有好的热稳定性、化学稳定性以及与Hf基高介电常数栅介质有好的粘附性等特点使其成为了纳米级互补型金属-氧化物-半导体场效应晶体管(CMOS)器件中金属栅材料的有力候选者。
[0004]一般的高K金属栅在制作过程中会形成包括S12层、高K介质层、TiN层以及多晶硅层的叠层结构，而在制作的过程中，TiN层与多晶硅层的界面通常会发生反应形成Si(N, 0)化合物,从对晶圆的电性能测试WAT (Wafer Acceptance Test)结果可以看出，TiN层表面的Si (N, 0)化合物的存在会明显增加晶体管的阈值电压Vt，从而影响晶体管的电性倉泛。
[0005]因此，提供一种有效去除TiN层表面的Si (N, 0)化合物，以保证晶体管最终电性能的方法实属必要。
【发明内容】
[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺，用于解决现有技术中TiN表面界面层会明显增加晶体管的阈值电压，从而影响晶体管性能的问题。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺，所述去除工艺至少包括以下步骤:
[0008]I)于包括依次层叠于Si衬底表面的S12层、高K介质层、TiN层以及多晶娃层的栅极结构中去除所述多晶硅层，露出所述TiN层以及形成于其表面的氮氧化硅界面层；
[0009]2 )采用F-基干法刻蚀去除所述氮氧化硅界面层，去除过程中于TiN表面形成氟化钛界面层；
[0010]3)于H2或H2/N2的混合气体的气氛中对所述TiN层表面进行高温等离子体处理；
[0011]4)采用湿法清洗工艺对所述TiN层表面进行清洗。
[0012]作为本发明的高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺的一种优选方案，所述高 K 介质层的材料包括 Hf02、Hf0N、HfA10、HfA10N、HfTa0、HfTa0N、HfSi0、HfSi0N、HfLa0或者HfLaON中的一种或一种以上。
[0013]作为本发明的高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺的一种优选方案，步骤I)还包括涂覆光刻胶并于栅极结构对应位置形成刻蚀窗口的步骤；步骤2)之后还包括对所述光刻胶进行灰化处理的步骤；步骤4)的湿法清洗工艺同时去除所述光刻胶。
[0014]作为本发明的高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺的一种优选方案，步骤2)中的F-基干法刻蚀所采用的气体包括CF4、CHF3、CH2F2、CH3F、NF3、SF6的中一种或一种以上。
[0015]作为本发明的高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺的一种优选方案，步骤2)中的F-基干法刻蚀所采用的刻蚀功率范围为I?500W。
[0016]作为本发明的高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺的一种优选方案，步骤3)中的高温等离子体处理的温度范围为150?500°C。
[0017]作为本发明的高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺的一种优选方案，步骤3)中的高温等离子体处理的气体为H2，其流量范围为50?500SCCm。
[0018]作为本发明的高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺的一种优选方案，步骤3)中的高温等离子体处理的气体为H2/N2的混合气体，其中，H2的流量范围为50?500sccm, N2的流量范围为50?5000sccm。
[0019]作为本发明的高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺的一种优选方案，步骤3)中的高温等离子体处理的功率范围为500?5000w。
[0020]如上所述，本发明提供一种高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺，至少包括以下步骤:1)于包括依次层叠于Si衬底表面的S12层、高K介质层、TiN层以及多晶硅层的栅极结构中去除所述多晶硅层，露出所述TiN层以及形成于其表面的氮氧化硅界面层；2)采用F-基干法刻蚀去除所述氮氧化硅界面层，去除过程中于TiN表面形成氟化钛界面层；3)于H2或H2/N2的混合气体的气氛中对所述TiN层表面进行高温等离子体处理；4)采用湿法清洗工艺对所述TiN表面进行清洗。本发明可以有效去除TiN表面的氮氧化硅界面层以及此过程中所产生的氟化钛界面层，从而保证了晶体管阈值电压的稳定性，提高了晶体管的性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1显示为本发明的高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺实施例1中的流程示意图。
[0022]图2显示为本发明的高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺实施例2中的流程示意图。
[0023]元件标号说明
[0024]Sll?S14实施例1中的步骤I)?步骤4)
[0025]S21?S25实施例2中的步骤I)?步骤5)
【具体实施方式】
[0026]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0027]请参阅图1?图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0028]实施例1
[0029]如图1所示，本实施例提供一种高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺，所述去除工艺至少包括以下步骤:
[0030]如图1所示，首先进行步骤1)S11，于包括依次层叠于Si衬底表面的S12层、高K介质层、TiN层以及多晶硅层的栅极结构中去除所述多晶硅层，露出所述TiN层以及形成于其表面的氮氧化硅界面层。
[0031]作为示例，所述高K介质层的材料包括Hf02、Hf0N、HfA10、HfA10N、HfTa0、HfTa0N、HfS1, HfS1N, HfLaO或者HfLaON中的一种或一种以上。在本实施例中，所述高K介质层的材料为HfLaO。
[0032]作为示例，本实施例直接采用TiN作为掩膜，采用ICP刻蚀法或湿法腐蚀法去除所述多晶硅层。
[0033]需要说明的是，由于所述栅极结构在形成过程中，各层间的材料可能会相互反应，一般来说，在TiN层表面沉积多晶硅时，多晶硅会与氧气及TiN形成难以去除的氮氧化硅界面层，研究表面，这些界面层的存在会使晶体管的阈值电压增大，影响晶体管的性能。
[0034]如图1所示，然后进行步骤2)S12，采用F-基干法刻蚀去除所述氮氧化硅界面层，去除过程中于TiN表面形成氟化钛界面层。
[0035]作为示例，F-基干法刻蚀所采用的气体包括CF4、CHF3、CH2F2、CH3F、NF3> SF6的中一种或一种以上。在本实施例中，采用CF4气体进行刻蚀以去除所述氮氧化硅。
[0036]作为示例，F-基干法刻蚀所采用的刻蚀功率范围为I?500W。在本实施例中，所采用的刻蚀功率为300W。
[0037]经过测试证明，采用F-基干法刻蚀过程中，F-离子会与TiN层发生反应，形成氟化钛界面层，因此，需要进一步将产生的氟化钛界面层去除。
[0038]如图1所示，接着进行步骤3) S13，于H2或H2/N2的混合气体的气氛中对所述TiN层表面进行高温等离子体处理。
[0039]作为示例，高温等离子体处理的温度范围为150?500°C。在本实施例中，高温等离子体处理所采用的温度为300°C。
[0040]作为示例，高温等离子体处理的气体为H2，其流量范围为50?500SCCm。
[0041]作为示例，高温等离子体处理的气体为H2/N2的混合气体，其中，H2的流量范围为50?500sccm，N2的流量范围为50?5000sccm。当然，也可以采用H2及其它的惰性气体进行高温等离子体处理，并不限定于此处所列举的两种方案。
[0042]作为示例，高温等离子体处理的功率范围为500?5000w。
[0043]如图1所示，最后进行步骤4)S14，采用湿法清洗工艺对所述TiN层表面进行清洗。
[0044]经过以上处理后，对所述TiN层表面进行清洗，可以简单地将TiN层表面残留的界面层去除，以达到提高晶体管性能的目的。
[0045]实施例2
[0046]如图2所示，本实施例提供一种高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺，所述去除工艺至少包括以下步骤:
[0047]如图2所示，首先进行步骤1)S21，于包括依次层叠于Si衬底表面的S12层、高K介质层、TiN层以及多晶硅层的栅极结构中去除所述多晶硅层，露出所述TiN层以及形成于其表面的氮氧化硅界面层。
[0048]作为示例，所述高K介质层的材料包括Hf02、Hf0N、HfA10、HfA10N、HfTa0、HfTa0N、HfS1, HfS1N, HfLaO或者HfLaON中的一种或一种以上。在本实施例中，所述高K介质层的材料为HfLaO。
[0049]作为示例，本实施例先于晶体光表面涂覆光刻胶并于栅极结构对应位置形成刻蚀窗口，然后采用ICP刻蚀法或湿法腐蚀法去除所述多晶硅层。
[0050]需要说明的是，由于所述栅极结构在形成过程中，各层间的材料可能会相互反应，一般来说，在TiN层表面沉积多晶硅时，多晶硅会与氧气及TiN形成难以去除的氮氧化硅界面层，研究表面，这些界面层的存在会使晶体管的阈值电压增大，影响晶体管的性能。
[0051]如图2所示，然后进行步骤2)S22，采用F-基干法刻蚀去除所述氮氧化硅界面层，去除过程中于TiN表面形成氟化钛界面层。
[0052]作为示例，F-基干法刻蚀所采用的气体包括CF4、CHF3、CH2F2、CH3F、NF3> SF6的中一种或一种以上。在本实施例中，采用CF4气体进行刻蚀以去除所述氮氧化硅。
[0053]作为示例，F-基干法刻蚀所采用的刻蚀功率范围为I?500W。在本实施例中，所采用的刻蚀功率为300W。
[0054]经过测试证明，采用F-基干法刻蚀过程中，F-离子会与TiN层发生反应，形成氟化钛界面层，因此，需要进一步将产生的氟化钛界面层去除。
[0055]如图2所示，接着进行步骤3) S23，对所述光刻胶进行灰化处理，以便于后续工艺中将所述光刻胶去除。
[0056]如图2所示，接着进行步骤4) S24，于具有H2或H2/N2的混合气体的气氛中对所述TiN层表面进行高温等离子体处理。
[0057]作为示例，高温等离子体处理的温度范围为150?500°C。在本实施例中，高温等离子体处理所采用的温度为300°C。
[0058]作为示例，高温等离子体处理的气体为H2，其流量范围为50?500SCCm。
[0059]作为示例，高温等离子体处理的气体为H2/N2的混合气体,其中，H2的流量范围为50?500sccm，N2的流量范围为50?5000sccm。当然，也可以采用H2及其它的惰性气体进行高温等离子体处理，并不限定于此处所列举的两种方案。
[0060]如图1所示，最后进行步骤5)S25，采用湿法清洗工艺对所述TiN层表面进行清洗。[0061 ] 经过以上处理后，对所述TiN层表面进行清洗，可以简单地将TiN层表面残留的界面层以及经过灰化处理的光刻胶一起去除，不需要额外增加工艺步骤，并可以达到提高晶体管性能的目的。
[0062]为了进一步说明本发明的有益效果，本发明还对经过实施例1及实施例2方法处理后的TiN层表面进行了相关测试。结果显示，没有经过高温热处理的TiN层表面残留有较大量的F元素，而采用CF4于300W功率下刻蚀20秒后，再经过高温热处理的TiN层表面基本没有F元素残留。
[0063]综上所述，本发明提供一种高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺，至少包括以下步骤:1)于包括依次层叠于Si衬底表面的S12层、高K介质层、TiN层以及多晶硅层的栅极结构中去除所述多晶硅层，露出所述TiN层以及形成于其表面的氮氧化硅界面层；2)采用F-基干法刻蚀去除所述氮氧化硅界面层，去除过程中于TiN表面形成氟化钛界面层；3)于具有H2*H2/N2的混合气体的气氛中对所述TiN层表面进行高温等离子体处理；
4)采用湿法清洗工艺对所述TiN表面进行清洗。本发明可以有效去除TiN表面的氮氧化硅界面层以及此过程中所产生的氟化钛界面层，从而保证了晶体管阈值电压的稳定性，提高了晶体管的性能。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0064]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属【技术领域】中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺，其特征在于，所述去除工艺至少包括以下步骤: O于包括依次层叠于Si衬底表面的S12层、高K介质层、TiN层以及多晶娃层的栅极结构中去除所述多晶硅层，露出所述TiN层以及形成于其表面的氮氧化硅界面层； 2)采用F-基干法刻蚀去除所述氮氧化硅界面层，去除过程中TiN表面会形成氟化钛界面层； 3)于H2或H2/N2的混合气体的气氛中对所述TiN层表面进行高温等离子体处理； 4)采用湿法清洗工艺对所述TiN层表面进行清洗。
2.根据权利要求1所述的高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺，其特征在于:所述高 K 介质层的材料包括 Hf02、HfON、HfAlO、HfAlON、HfTaO, HfTaON, HfS1、HfS1N、HfLaO或者HfLaON中的一种或一种以上。
3.根据权利要求1所述的高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺，其特征在于:步骤I)还包括涂覆光刻胶并于栅极结构对应位置形成刻蚀窗口的步骤；步骤2)之后还包括对所述光刻胶进行灰化处理的步骤；步骤4)的湿法清洗工艺同时去除所述光刻胶。
4.根据权利要求1所述的高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺，其特征在于:步骤2)中的F-基干法刻蚀所采用的气体包括CF4、CHF3、CH2F2、CH3F、NF3、SF6的中一种或一种以上。
5.根据权利要求1所述的高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺，其特征在于:步骤2)中的F-基干法刻蚀所采用的刻蚀功率范围为I?500W。
6.根据权利要求1所述的高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺，其特征在于:步骤3)中的高温等离子体处理的温度范围为150?500°C。
7.根据权利要求1所述的高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺，其特征在于:步骤3)中的高温等离子体处理的气体为H2，其流量范围为50?500SCCm。
8.根据权利要求1所述的高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺，其特征在于:步骤3)中的高温等离子体处理的气体为H2/N2的混合气体，其中，H2的流量范围为50?500sccm, N2的流量范围为50?5000sccm。
9.根据权利要求1所述的高K金属栅工艺中TiN表面界面层的去除工艺，其特征在于:步骤3)中的高温等离子体处理的功率范围为500?5000w。
【文档编号】H01L21/28GK104051247SQ201310080084
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年3月13日 优先权日:2013年3月13日
【发明者】李凤莲, 倪景华 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司