專利名稱：一種選擇性去除TaN金屬柵電極層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種選擇性去除金屬柵電極層的方法，尤其涉及一種選擇性去除TaN金屬柵 電極層的方法，屬于集成電路制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體器件的特征尺寸進(jìn)入到45nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)以后，采用高K(介電常數(shù))/金屬柵材料 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Si02/poly (多晶硅)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為了必然的選擇。TaN金屬柵材料由于具有好的 熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性，可以控制的功函數(shù)，以及與Hf基高介電常數(shù)柵介質(zhì)有好的粘附性等 特點(diǎn)使其成為了納米級CMOS (互補(bǔ)型金屬一氧化物一半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)器件中NMOSFET(N型金屬一氧化物一半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)金屬柵材料的有力候選者。為了實(shí)現(xiàn)N/PM0SFET 對金屬柵功函數(shù)的不同要求，S卩N/PMOSFET金屬柵的有效功函數(shù)應(yīng)分別處于Si的導(dǎo)帶底/價帶 頂，可采用淀積-腐蝕-再淀積的集成方法實(shí)現(xiàn)。該集成方法是在高K柵介質(zhì)層上淀積第一層 金屬柵電極層后，先用濕法腐蝕選擇性去除第一層金屬柵電極層，然后再淀積第二層金屬柵 電極層，從而實(shí)現(xiàn)N/PMOSFET具有不同功函數(shù)的金屬柵。采用淀積-腐蝕-再淀積的集成方法實(shí)現(xiàn)雙金屬柵的集成時，若第一層金屬柵電極層是由 TaN形成的，為了實(shí)現(xiàn)TaN金屬柵電極層的選擇性去除必須要滿足以下條件TaN金屬柵電極 層的腐蝕溶液要對高K柵介質(zhì)層和掩膜具有較高的選擇比；TaN金屬柵電極層濕法腐蝕后，去 除掩膜時也不能損傷高K柵介質(zhì)層和TaN金屬柵電極層，否則會影響器件的可靠性。采用含有 NH40H和H202的混合溶液腐蝕TaN金屬柵電極層時，由于該溶液中含有的NH40H溶液對光刻膠 掩膜損傷較大，采用光刻膠掩膜為掩膜的工藝窗口很小，所以一般采用正硅酸四乙酯(TE0S )硬掩膜來實(shí)現(xiàn)TaN金屬柵電極層的選擇性去除。另外，雖然NH40H和&02的混合溶液對正硅 酸四乙酯硬掩膜的選擇比很高，可以實(shí)現(xiàn)TaN金屬柵電極層的選擇性去除，但去除正硅酸四 乙酯時需采用含有HF的溶液，該溶液對Hf02高K柵介質(zhì)層的選擇比很高，但對HfSiON等高K 柵介質(zhì)層的選擇比很低，所以正硅酸四乙酯硬掩膜與HfSiON高K柵介質(zhì)層存在兼容性的問題 ，不適用于在HfSiON高K柵介質(zhì)層上實(shí)現(xiàn)TaN金屬柵電極層選擇性去除的需要。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對現(xiàn)有濕法腐蝕選擇性去除第一層TaN金屬柵電極層后，需采用含有HF的溶液 去除TE0S硬掩膜，但含有HF的溶液對HfSiON等高K柵介質(zhì)層的選擇比很低，使得TEOS硬掩膜 與HfSiON高K柵介質(zhì)層存在兼容性的問題，不適用于在HfSiON高K柵介質(zhì)層上實(shí)現(xiàn)TaN金屬柵 電極層選擇性去除需要的不足，提供一種選擇性去除TaN金屬柵電極層的方法。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下 一種選擇性去除TaN金屬柵電極層的方法， 包括以下步驟
步驟10:在半導(dǎo)體襯底上形成高K柵介質(zhì)層；
步驟20:在所述高K柵介質(zhì)層上形成TaN金屬柵電極層，并在所述TaN金屬柵電極層上形 成非晶硅硬掩膜；
步驟30:采用干法刻蝕所述非晶硅硬掩膜形成硬掩膜的圖形；
步驟40:采用含有NH40H和H202的混合溶液對未被所述硬掩膜的圖形覆蓋的TaN金屬柵電 極層進(jìn)行選擇性腐蝕；
步驟50:采用含有NH40H的水溶液去除所述硬掩膜的圖形。
進(jìn)一步，所述步驟10中的高K柵介質(zhì)層由Hf02、 HfON、 HfAlO、 HfA10N、 HfTaO、 HfTaON 、HfSiO、 HfSiON、 HfZrO、 HfZrON、 HfLaO或者HfLaON形成，所述高K柵介質(zhì)層通過物理氣相 淀積、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積或者原子層淀積形成。
進(jìn)一步，所述步驟20中非晶硅硬掩膜通過低壓化學(xué)氣相淀積或者等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相 淀積形成，其厚度為400埃 1500埃。
進(jìn)一步，所述步驟30中采用體積比為1:3 3: l的Cl2和HBr混合氣體對所述非晶硅硬掩膜 進(jìn)行干法刻蝕，從而形成硬掩膜的圖形。
進(jìn)一步，所述步驟40中于5(TC 7(rC下，采用含有NH40H和&02的混合溶液，對未被所 述硬掩膜的圖形覆蓋的TaN金屬柵電極層進(jìn)行濕法腐蝕。
進(jìn)一步，所述NH40H和H202的混合溶液中NH40H溶液和&02溶液的體積比為1: 5 2 :1 。
進(jìn)一步，所述朋4011溶液的濃度為25%，所述&02溶液的濃度為30%。
進(jìn)一步，所述步驟50中于5(TC 7(rC下，采用含有NH40H的水溶液去除所述硬掩膜的圖形。
進(jìn)一步，所述含有NH40H的水溶液為包括NH40H和&0的混合溶液，所述NH40H溶液和H20 的體積比為1:20 1:1。
進(jìn)一步，所述NH40H溶液的濃度為25呢。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明選擇性去除TaN金屬柵電極層的方法，以非晶硅為硬掩膜，采用NH40H和H202的混合溶液腐蝕TaN金屬柵電極層時，對高K柵介質(zhì)層和非晶硅硬掩膜的 選擇比很高，可以實(shí)現(xiàn)高選擇比的TaN金屬柵電極層的去除；另外，選擇性去除TaN金屬柵電 極層后，采用含NH40H的水溶液去除剩余的非晶硅硬掩膜時，含NH40H的水溶液對TaN金屬柵 電極層和高K柵介質(zhì)層的選擇比很高，不存在兼容性問題，該方法完全滿足雙金屬柵集成中 選擇性去除由TaN形成的第一層金屬柵電極層的需要。
圖1為本發(fā)明實(shí)施例選擇性去除TaN金屬柵電極層的方法流程圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例形成高K柵電極層的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明實(shí)施例形成非晶硅硬掩膜的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明實(shí)施例形成硬掩膜的圖形后的結(jié)構(gòu)示意圖5為本發(fā)明實(shí)施例形成硬掩膜的圖形后的掃描電鏡圖6為本發(fā)明實(shí)施例TaN金屬柵電極層濕法腐蝕后的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7為本發(fā)明實(shí)施例TaN金屬柵電極層濕法腐蝕后的掃描電鏡圖8為本發(fā)明實(shí)施例非晶硅硬掩膜的圖形濕法腐蝕后的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖9為本發(fā)明實(shí)施例非晶硅硬掩膜的圖形濕法腐蝕后的掃描電鏡圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于 限定本發(fā)明的范圍。
圖l為本發(fā)明實(shí)施例選擇性去除TaN金屬柵電極層的方法流程圖。如圖1所示，所述方法 包括以下步驟
步驟10:提供一種具有NMOS區(qū)域101和PMOS區(qū)域102的半導(dǎo)體襯底100，并在所述半導(dǎo)體 襯底100上形成高K柵介質(zhì)層103。
所述高K柵介質(zhì)層103由鵬2、 H擺、鵬IO、鵬亂HfTaO、 HfTaON、鵬iO、 、HfZrO、 HfZrON、 HfLaO或者HfLaON形成，其厚度為2納米 4納米。所述高K柵介質(zhì)層103可 以使用常規(guī)的沉積方法形成，如物理氣相淀積、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積或者原子層淀積形成 。圖2為本發(fā)明實(shí)施例形成高K柵介質(zhì)層的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，所述高K柵電極層103的 材料為HfSiON，是通過原子層淀積形成的，其厚度為3納米。
步驟20:在所述高K柵介質(zhì)層103上形成TaN金屬柵電極層104，并在所述TaN金屬柵電極層104上形成非晶硅硬掩膜105。
所述TaN金屬柵電極層104的厚度為10納米 50納米。所述非晶硅硬掩膜105通過低壓化 學(xué)氣相淀積或者等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積形成，其厚度為400埃 1500埃。圖3為本發(fā)明實(shí) 施例形成非晶硅硬掩膜的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，所述非晶硅硬掩膜105是通過低壓化學(xué)氣 相淀積形成的，于550。C下在厚度為500埃的TaN金屬柵電極層104上形成了厚度為650埃的非 晶硅硬掩膜105。
步驟30:采用干法刻蝕所述非晶硅硬掩膜105形成硬掩膜的圖形。
在進(jìn)行干法刻蝕前，先在所述非晶硅硬掩膜105表面旋涂光刻膠進(jìn)行光刻，形成光刻圖 形后，再采用Cl2/HBr基氣體對所述非晶硅硬掩膜105進(jìn)行干法刻蝕，從而形成硬掩膜的圖形 。圖4為本發(fā)明實(shí)施例形成硬掩膜的圖形后的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5為本發(fā)明實(shí)施例形成硬掩膜的 圖形后的掃描電鏡圖。如圖4及圖5所示，光刻后，采用體積比為l:3 3:l的Cl2和HBr混合氣 體干法刻蝕形成硬掩膜圖形，其中，干法刻蝕的射頻功率為100瓦 500瓦，壓強(qiáng)為80mt(相 當(dāng)于10.7pa) 250 mt(相當(dāng)于33.3pa)。通過優(yōu)化的非晶硅硬掩膜的干法刻蝕工藝，不僅得 到了陡直的刻蝕剖面，而且刻蝕可以停止在所述TaN金屬柵電極層104的表面上。
步驟40:采用含有NH40H和H202的混合溶液對未被所述硬掩膜的圖形覆蓋的TaN金屬柵電 極層104進(jìn)行選擇性刻蝕。
于5(TC 7(TC下，優(yōu)選于6(TC下，采用含有NH40H和&02的混合溶液，對未被所述硬掩 膜的圖形覆蓋的TaN金屬柵電極層104進(jìn)行濕法腐蝕。所述NH40H和H202的混合溶液中NH40H溶 液和H202溶液的體積比為l:5 2:l，優(yōu)選地，所述NH40H溶液和&02溶液的體積比為1:2。 所述NH40H溶液的濃度為25y。，所述&02溶液的濃度為30%。圖6為本發(fā)明實(shí)施例TaN金屬柵電 極層濕法腐蝕后的結(jié)構(gòu)示意圖，圖7為本發(fā)明實(shí)施例TaN金屬柵電極層濕法腐蝕后的掃描電鏡 圖。如圖6及圖7所示，未被所述硬掩膜的圖形覆蓋的TaN金屬柵電極層104已經(jīng)完全腐蝕干凈 ，且沒有過多的橫向腐蝕。
步驟50:采用含有NH40H的水溶液去除所述硬掩膜的圖形。
為了后續(xù)工藝的順利進(jìn)行，必須高選擇比地去除所述非晶硅硬掩膜的圖形。故，于50。C 7(TC下，優(yōu)選于6(TC下，采用含有NH40H的水溶液去除所述硬掩膜的圖形。所述含有NH40H 的水溶液為包括NH40H和H20的混合溶液，所述NH40H溶液和&0的體積比為1:20 1: 1，優(yōu)選 地，所述NH40H溶液和H20的體積比為l:10。所述NH40H溶液的濃度為25。/。。圖8為本發(fā)明實(shí)施 例非晶硅硬掩膜的圖形濕法腐蝕后的結(jié)構(gòu)示意圖，圖9為本發(fā)明實(shí)施例非晶硅硬掩膜的圖形 濕法腐蝕后的掃描電鏡圖。如圖8及圖9所示，剩余的非晶硅硬掩膜已經(jīng)完全腐蝕干凈。綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例選擇性去除TaN金屬柵電極層的方法具有以下三個有意效果
1、 本發(fā)明所采用的TaN金屬柵電極層的腐蝕溶液，對HfSiON等高K柵介質(zhì)層具有很高的 選擇比，不影響高K柵介質(zhì)層的可靠性。采用經(jīng)過優(yōu)化配比的NH40H和H202的混合溶液腐蝕TaN 金屬柵電極層時，TaN金屬柵電極層對HfSi0N等高K柵介質(zhì)層的選擇比可達(dá)到80: 1 202: 1
2、 本發(fā)明提出的選擇性去除TaN金屬柵電極層的方法中采用的非晶硅硬掩膜，可以采用 NH40H水溶液去除，且該溶液對TaN金屬柵電極層和HfSiON等高K柵介質(zhì)層的選擇比非常高， 不存在硬掩膜去除與HfSiON等高K柵介質(zhì)層不兼容的問題。采用經(jīng)過優(yōu)化配比的NH40H水溶液 去除非晶硅硬掩膜時，非晶硅硬掩膜對TaN金屬柵電極層和HfSiON等高K柵介質(zhì)層的選擇比可 以達(dá)到500: l以上。
3、 本發(fā)明提出的選擇性去除TaN金屬柵電極層的方法滿足雙金屬柵集成中選擇性去除第 一層金屬柵的需要，為實(shí)現(xiàn)高K/雙金屬柵的集成提供了必要保證。
因此，本發(fā)明所提供的選擇性去除TaN金屬柵電極層的方法更適于納米級CMOS器件中高 介電常數(shù)介質(zhì)/雙金屬柵的集成，更符合超大規(guī)模集成電路的內(nèi)在要求和發(fā)展方向。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之 內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種選擇性去除TaN金屬柵電極層的方法，其特征在于，包括以下步驟步驟10在所述半導(dǎo)體襯底(100)上形成高K柵介質(zhì)層(103)；步驟20在所述高K柵介質(zhì)層(103)上形成TaN金屬柵電極層(104)，并在所述TaN金屬柵電極層(104)上形成非晶硅硬掩膜(105)；步驟30采用干法刻蝕所述非晶硅硬掩膜(105)形成硬掩膜的圖形；步驟40采用含有NH4OH和H2O2的混合溶液對未被所述硬掩膜的圖形覆蓋的TaN金屬柵電極層(104)進(jìn)行選擇性腐蝕；步驟50采用含有NH4OH的水溶液去除所述硬掩膜的圖形。
2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的選擇性去除TaN金屬柵電極層的方法，其特征在于，所述步驟IO 中的高K柵介質(zhì)層(103;)由Hf02、 HfON、 HfAlO、 HfA亂HfTaO、 HfTaON、 HfSiO、 HfSiON、 HfZrO、 HfZrON、 HfLaO或者HfLaON形成，所述高K柵介質(zhì)層(103)通過物理氣相淀積、金屬有 機(jī)化學(xué)氣相沉積或者原子層淀積形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的選擇性去除TaN金屬柵電極層的方法，其特征在于，所述步驟20 中非晶硅硬掩膜(105)通過低壓化學(xué)氣相淀積或者等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積形成，其厚度 為400埃 1500埃。
4.根據(jù)權(quán)利要求l所述的選擇性去除TaN金屬柵電極層的方法，其特征在于，所述步驟30 中采用體積比為l: 3 3:1的C12和HBr混合氣體對所述非晶硅硬掩膜(105)進(jìn)行干法刻蝕，從 而形成硬掩膜的圖形。
5.根據(jù)權(quán)利要求l所述的選擇性去除TaN金屬柵電極層的方法，其特征在于，所述步驟40中于5(TC 7(TC下，采用含有NH40H和H202的混合溶液，對未被所述硬掩膜的圖形覆蓋的 TaN金屬柵電極層(104)進(jìn)行濕法腐蝕。
6 根據(jù)權(quán)利要求5所述的選擇性去除TaN金屬柵電極層的方法，其特征在于，所述NH40H和 H202的混合溶液中NH40H溶液和H202溶液的體積比為l: 5 2 :1 。
7 根據(jù)權(quán)利要求6所述的選擇性去除TaN金屬柵電極層的方法，其特征在于，所述NH40H溶 液的濃度為25%，所述H202溶液的濃度為30呢。
8 根據(jù)權(quán)利要求l所述的選擇性去除TaN金屬柵電極層的方法，其特征在于，所述步驟50 中于5(TC 70°C下，采用含有NH40H的水溶液去除所述硬掩膜的圖形。
9 根據(jù)權(quán)利要求8所述的選擇性去除TaN金屬柵電極層的方法，其特征在于，所述含有 NH40H的水溶液為包括NH40H和H20的混合溶液，所述NH40H溶液和H20的體積比為l :20 1:1
10 根據(jù)權(quán)利要求9所述的選擇性去除TaN金屬柵電極層的方法，其特征在于，所述NH40H溶 液的濃度為25%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種選擇性去除TaN金屬柵電極層的方法，屬于集成電路制造技術(shù)領(lǐng)域。所述方法包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底上形成高K柵介質(zhì)層；在所述高K柵介質(zhì)層上形成TaN金屬柵電極層，并在其上形成非晶硅硬掩膜；采用干法刻蝕所述非晶硅硬掩膜形成硬掩膜的圖形；采用濕法腐蝕對未被所述硬掩膜的圖形覆蓋的TaN金屬柵電極層進(jìn)行選擇性腐蝕；采用濕法腐蝕去除所述硬掩膜的圖形。本發(fā)明以非晶硅為硬掩膜，采用濕法腐蝕TaN金屬柵電極層時，可以實(shí)現(xiàn)高選擇比的TaN金屬柵電極層的去除；另外，采用濕法腐蝕液去除剩余的非晶硅硬掩膜時，對TaN金屬柵電極層和高K柵介質(zhì)層的選擇比很高，不存在兼容性問題。
文檔編號H01L21/28GK101656208SQ200910307689
公開日2010年2月24日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月25日
發(fā)明者徐秋霞, 李永亮 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所