TWI376734B - A novel solution for polymer and capping layer removing with wet dipping in hk metal gate etching process - Google Patents

Description

U76734 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 關於一種 本發明係有關於半導體技術，且 開極結構之形成方法。 、』疋有 【先前技術】 开的半導體技術為採用高介電常數材料及全屬來 开乂成％效電晶體（FET)，例如 金屬求 ((MOSFETs) --如以虱+v體場效電晶體 , ars)的閘極堆豐。在形成金屬閉極堆 、使用各種不同的乾式及濕式钱刻 ^ 士 / ，電常數材料層及金屬間極層之間設有蓋層H有 :::呈本會/生大量難以移除的高分子殘餘物。而 此盍層本身也難以被移除。 【發明内容】 本發明提供一種半導體裝置的 方法，自括.H〜 扪金屬閘極堆疊之形成 材上的―夕θ L 第—㈣製㈣移除該基 的夕日日石夕層及一金屬層；對該美封佶田狂理 氫氟酸來移除高分子殘餘物；才使用-稀釋的 液，該清潔溶液包括鹽酸、、過氣介1:使用一清潔溶 杆—過乳化氫及水；對該基材進 :濕式㈣m程來移除-蓋層， 稀釋的鹽酸’·以及對該基材 包括 一高介電常數㈣層。 τ 4—軸製程來移除 成方=Γ也提供—種半導體裝置的金相極堆疊之形 匕括.在一基材上形成各種閘極材料層，包含 0;,〇J-A33〇96TWF/iefir -向介電常數材料層、 上、-金屬層位於在該”上、电常數材料層 層上;對該基材進行一第二=位於該金屬 :=開°來移除該多晶妙層及該金 釋=:r分子殘餘物及該蓋層:該: 行-第二蝕刻二及稀釋的鹽酸’·以及對該基材進 本發明㈣來移除該高介電常數材料層。 成方法:包括㈣r金屬閘極堆疊之形 來移除該第==,對該基材使用-稀釋的氣氣酸 用-濕式㈣容液來：'的：餘物；隨後對該基材使 行一第二斜々丨制移除一虱化鑭層，·以及對該基材進 為：太1、程來移除—高介電常數材料層。 明顯目的、特徵、和優點能更 作詳細說明如下：+ 貫施例，並配合所附圖式， 【實施方式】 在本說::=c置的閘極結構之形成方法。 便許二：“列中可能會出現重複的元件符號以 仃特6: “但艳不代表在各個實施例及/或圖示之間有 m連。然而，當提到第一元件形成在第二元件 _jL· 或“卜 " 、 / ’可代表兩元件之間為直接接觸或 凡牛之間更夹設有其他元件而無直接接觸。 第1圖顯示為依照本發明-實施例中形成含有金屬

OSO^-A^TOQf^TV^F/jefT 1376734 閉極堆叠的半導體裝置之流程圖。第2圖及第3圖顯示 為在一實施例中之含金屬閘極堆疊的半導體結構200於 各種製造階段的剖面圖。半導體裝置的形成方法ι〇〇為 配合第〗圖至第3圖來描述。 方法100之起始步驟】〇2為提供—半導體基材21〇。 此半導體基材2U)包切。或者，此基材包含鍺或錯化 矽。在其他實施例中，此基材21〇可選用其他半導體材 料，像是鑽石、碳化矽、砷化鎵、GaAsP、AUnAs、AiGaAs、 • GalnP或前述之組合。 接著進行步驟104,其為於半導體基材21〇上形成各 種金屬閘極堆疊材料層。在一實施例中，一高介電常數 材料層214形成在半導體基材21〇上。一蓋層216形成 在高介電常數材料層214上》—金屬閘極層（金屬層） 218形成在蓋層216上。一多晶矽層22〇額外形成在金 屬f 218上。一界面層（IL) 212失設在半導體基材21〇 及高介電常數材料層214之間。 _ 高介電常數材料層214為經由像是原子層沈積法 (ALD)的適當製程形成。而其他用來形成此高介電常 數材料層的方法包含金屬有機化學氣相沈積法 (MOVCD)、物理氣相沈積法（PVD)、紫外線臭氧氧 化法及分子束磊晶法（MBE)。在一實施例中，此高介 電常數材料包含氧化铪（Hf〇2)。或者，此高介電常數 材料層包含金屬氮化物、金屬石夕化物或其他金屬氧化物。 金屬閘極層218為經由物理氣相沈積法（PVD )或 其他合適製程形成。此金屬閘極層218包含氮化鈦。在 〇5〇3-A33096TWF/jeff L:施：中’此金屬閘極層可包含氮化组、氮化.、 n碳❹、氮碳倾錢化純。 極居為夹设在高介電#數材料層214及金屬閘 蚀層218之間。此蓋層216 ^ 此蓋層可包含其他合適材料乳化鋼（La0)。或者， 常數==之為:薄:氧切層’其為在高介電 i 2M形成之刖’先形成於石夕基材21〇上。此 缚的减㈣可用原子層沈積法或熱氧化法來形成。 =化罩奉222為絲作為形成金制極的 宰為^在多層金制極堆疊上。如第2圖所示，此圖 罩暴222形成在多晶石夕層220上。在一實施例中， 二匕罩„ 222包含一甴微影技術製程形成的圖案化光阻 y標準微影製程的製程步驟可包含光阻塗佈、軟供 料罩幕對準、曝光、曝光後供烤、顯影及硬烘烤。此 微影技術曝光製程也可同時使用或用其他合適的方法替 代’例如敍無罩幕微影技術、電子束寫人(eieet__b_ w—g)、離子束寫入（i〇n_beam她㈣及分子拓印 (molecular imprint)。 在另一實施例中，圖案化罩幕層222包含一圖案化 的硬罩幕層’例如氮化矽。在一個形成此圖案化的氮化 石夕硬罩幕層之實施例中，係經由_低壓化學氣相沈積法 (LPCVD)製程沈積一氮化矽層於多晶矽層上。以氣相 沈積法形成氮化矽層所使用之前驅物包含二氣矽烷 (SiHA ; DSC)、雙（第三丁基胺基）我(C8H22N2Si ; BTBAS)及一石夕乙院（Sl2H6 ; DS)。此氮化梦層上可進 050?-Aj3〇%TWF{ieff 1376734 乂心成圖案化的光阻声，；§伯田 化光阻層之開口 阻層幻吏用-蝕刻製程在圖案 介電材料4“耗圍蝕刻氮化矽。或者，可使用其他 作為此硬罩Γ案化的硬罩幕。例如，可用氮氧化石夕來 多晶發IT::: 106 ’其為進行第-银刻製程來圖案化 域及各開口暴·^化的罩幕層222定義各個間極區 _裎移二=7Λ4材料層。進行第— 層。在-實施例中：第罩—幕:刻= 製程。為X 一一 j衣耘為利用一乾式蝕刻 在另一貫施例中，此乾 ，移除多晶-例如詞氟::的 ::之:，的氣體包含氣氣'漠化氫、氧氣:是 接著進行步驟108,爾一错一 „ 化金屬閘極層218。可: T㈤製程來圖案 幕層或多晶#來移除在圖案化罩 曰之開口㈣内的金屬閘極層。在一實施 ’此第二蝕刻製程為使用乾式蝕刻製程 二杏 轭例中，此乾式蝕刻製程為使用一含氟 f另一貝 屬閘極屬。特別的是，此第二钱 :移除金 %。仓丨程使用氟石反化物電 7 1 ’银刻的氣體包含四氟化碳。 二！_製程來-併移除多晶石夕及金屬閘極層了1早 早的截刻製程利用一含氟電t的乾式製 除多晶石夕及全屬闡朽屉 + , V驟來移 用盡ΐ ί 早—的_製程特別是可使 用虱石反化物的電漿，像是四氟化碳。 …接著進行步驟11G，其為對基材使用―稀釋的氯氣 °^〇-'-A33996TWF/ieff _ *. / 會形成在包含屬的製程之後，高分子殘餘物 各個表面上。例如，㈣？的多晶矽和金屬層之側壁的 物，包含含氣二==產，分子殘餘 化氫高分子及/或含石夕高分：氟高分子、含漠 屬合產生久錄H 子。在另一貫施例中，姓刻金 屬曰屋生各種鬲分子殘餘物， 分子及/或含淳化奇古八工 3欽南分子、含氯高 行一豨釋的#\至门77 。在蝕刻多晶矽/金屬之後，進 地移酸浸泡製程可將這些高分子殘餘物有效 500.1 轭例中，稀釋的氫氟酸溶液的濃度為 .卜即代表為5〇0份水對i份的氫氟酸。在另一實 二 稀釋的氫氟酸溶液的濃度在51 !到100: ! 之間。 人趟:者進仃步驟112’其為對半導體結構使用一包 >軌化氫及水的溶液。此溶液為—標準化學清 泡製程合產二在之則的步郵110中的氫氟酸浸 包二j生像疋氟化鑭（LaF3)的其他副產物，而此 程可有效地清潔此半導體結構綱及浸泡氫 齓\生的相關副產物。而且’此SC2浸泡製程也可 移除蓋層的氧化部分。 接著進订步驟114，其為料導體結構使用一稀 的二U液來移除蓋層’稀釋的鹽§曼濃度約小於500 : 2或j者，可選用硫酸來移除此由氧化鑭形成的蓋層。 在另貝施例中，稀釋的氫氟酸及鹽酸可混合在一起形 成:混合溶液。然後對半導體結構使用此混合溶液來移 除南分子殘餘物及蓋層。 〇503-A339Q6TWF/jeff 高介=:Γ116,其為進行第三韻刻製程來圖案化 及心層214。此第三飯刻製程為依照刪 d »況做調控來有效地移除此高 暴露於圖案化罩蓋展笔吊數材科層。 214可被篦-為,杂曰幵乾圍内的高介電常數材料層 :被第二蝕刻製程實質移除。在— 敲刻製程包含乾式㈣。在―實施例t，此第 =Γ氣電裝來移除此高介電常數材料層：：另二實 ⑪歹1中’此第二蝴製程使用包含像是氟、氯至，卜盆一 及惰的化學細勿來移除此高介電常數刪、。 的』形成在基材上及/或金屬間極堆疊侧壁上 子殘餘物及其他污染物。在-實施例中：清=: 似於使用於多晶秒及金屬 、 、 此清潔製程包含—騎=14的U料。例如， 驟110及/七丰稀釋的虱鼠馼浸泡製程，其近似於步

為使用驟112的们浸泡製程。在另一實施例中， 為使用一包含氫氧化錄f W 的SCI溶液來進行 程 過化氮（¾¾) 用包含硫酸及過氧化氫一貫施例中，可選 程。 2 2)的溶液來進行此清潔製 在本方法中，整合了氫氟酸 程及_製程來有效地移除蓋層5分二:物包製 對半導體結構使用一接雜严产 寻別的疋本方法 如為氧化鑭的蓋層:::=r2來有效地移除例 0503-A339%T'VF/ieft、 1376734 其他製程步驟雖然未顯示於圖中，也可形成例如為 源極/;及極區的各種摻雜區域及多層内連線結構等元件震 置:在-實施例中，輕摻雜汲極（LDD)區於形成問極 堆疊之後形成。閘極間隔物可形成在閘極金屬閘極堆疊 的侧壁上。源極/及極區為大致對齊間隔物的外部邊緣。 此閘極間隔物可擁有—多層結構及包含氧切、氮化 矽、氮氧化矽或其他介電材料。無論摻雜n型雜質或p 型雜質的摻雜源極/祕區及輕摻雜汲極（ldd)區皆由 傳統的摻雜方法像是離子佈植來形成。心摻雜雜質可包 含碟、坤及/或其他材料以用來形成相關的摻雜區域 型摻雜雜質可包含硼、銦及/或其他材料。 者可進-步形成多層内連線結構。此多層内連線 結構包含垂直内連線像是傳統的通〒L(vias)、接觸點 (__)，及水平内連線像是金屬線。 士 構;件可❹各種導電材料例如為銅、鎢切化 -貝施例中’ 一鑲嵌製程用於形成關於銅的多層 =構。在另—實施例中，鎮用於在接觸孔Uom⑽holes) 中形成鎢拴塞。 ^ 此半導體基材可進-步包含額㈣関元件來對並 他兀件彼此之間做㈣。隔離元件可包含不同的《士構且 可用不同的製程來形成。例如，-隔離元件可包含淺溝 = CSW的元件。淺溝槽隔離的形成可包二: j中=槽並將此料填滿介電㈣，像是氧化石夕、 氧：…'填滿的溝槽可有-多層結構例如 成、'氧切層（thennal Qxide u叫_)並以氮化石夕 〇5G3-A33i>〇6TWP/jeff 1376734 填入溝槽。在一實施例中，可使用下列的製程順序創造 此淺溝槽隔離（STI)結構：成長一襯墊氧化層；形成一 低壓化學氣相沈積（LPCVD )之氮化物層；使用光阻及 罩幕來圖案化一淺溝槽隔離開口；在基材中蝕刻一溝 槽；選擇性地在溝槽襯層中成長熱氧化物來改善此溝槽 的界面；用化學氣相沈積（CVD)之氧化物填滿此溝槽； 使用化學機械研磨（CMP)回蝕刻及將氮化物剝離淺溝 槽隔離（STI)結構。 φ 此半導體結構200在此只作為方法100的應用之 一。此半導體結構200及方法100可樣用於形成其他含 有高介電常數及金屬閘極元件的半導體裝置，例如應變 半導體基材（strained semiconductor substrate)、異質半導 體裝置（hetero semiconductor devices)或無應力隔離結構 (stress-free isolation structure) ° 本發明不只限於應用在含有場效電晶體的半導體結 構，也可延伸用於其他含有金屬閘極堆疊的積體電路。 • 例如，此半導體結構200可包含動態隨機存取記憶體 (DRAM )單元、單電子電晶體（single electron transistor; SET)及/或其他微電子裝置（在此統稱為微 電子裝置）。在另一實施例中，此半導體200包含鰭式 場效電晶體 （FinFET)。當然，本發明也可應用於或輕 易適用於其他型態的電晶體，包含單閘極電晶體、雙閘 極電晶體及其他多閘極電晶體，及可在多種不同的應用 中做使用，包含感應單元（sensor cells )、記憶單元 (memory cells )、邏輯單元（logic cells )及其他應用。 0503-A2'39%TWF/:jeff 15 lb 入，=實施例中，蓋層可為氧化鋁。相同的處理步驟 I 3氫氟酸的浸泡及SC2的浸泡皆可用於移除高分子殘 餘物。然後鹽酸的蝕刻或硫酸的蝕刻可用於移除蓋層。 ί 一實施例中，此方法可用於形成η型金氧半“ 1 體（NM0SFET)。在另一實施例中，本發明也可用 月’J閘極製程形成一金屬間極堆疊，其為用方法⑽ 形成金屬閘極結構並留置至最終結構中。在另一實施例 I^ ^P-cess) 、田 且，、為用方法100形成第一型金屬閘極堆 ，（像疋NMOS金屬閘極堆疊）並留置至最終結構中。 弟二型金屬祕堆疊（像是助S金制極堆疊）則形 閘極結構’如此即可進行源/沒極離子佈植製程 .U然後，移除一部份的虛置閘極堆疊並將此 虛置閘極溝槽重新填滿適當的材料。例如，移除掉在 =〇s區域中的多晶⑦層及金屬層，然後將其填滿p型 金屬:疊步填充其他金屬(例如銅)來形成。m〇s 在另-實施例中，此半導體基材可 例如射擁有4晶層位於—塊狀半導體（㈣ 不二二It，此蠢晶層可包含與那些塊狀半導體 : ^入4，例如為一鍺化矽層位於一基體矽上 grol；SEG)3^#^ (SeieCtiVC 6Ρ^Χί31 衣私末形成位於塊狀鍺化矽層上的矽 曰 基材可包含絕緣層上覆石夕（S0I)結構，例 0503-A3?9〇6TWF{ieff 12 1376734 如深埋介電層。或者，此基材可包含一深埋介電層（buried dielectric layer)像是深埋氧化（BOX)層，其可用像是 佈植氧隔離(separation by implantation of oxygen ； SIMOX)技術、晶圓鍵合（wafer bonding)、選擇性蠢晶生 長（SEG)或是其他合適方法形成。 本發明更可在進行第二鞋刻製程之後對基枋進行一 濕式蝕刻製程來移除額外的高分子殘餘物。在一實施例 中，所使用的稀釋氫氟酸之濃度為約小於100 : 1 ( 100 份水：1份氫氟酸）， 雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並 非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識 者，在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作任意之更 動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利 範圍所界定者為準。

0503-A33996TWF.{ieff 【圖式簡單說明】 人第1圖顯示為依照本發明所提供在一實施例中形成 3有金屬閘極堆疊的半導體t置之流程圖。 第2及第3圖為在一實施例中形成含金屬閘極堆疊 的半導體裝置在各種製造階段的剖面圖。 【主要元件符號說明】 200〜半導體結構； 212〜界面層； 216〜蓋層； 220〜多晶矽層； 210〜基材； 214〜高介電常數材料層； 218〜金屬閘極層； 222〜圖案化罩幕層。 0503-A.l.'PQ6TWF/ieff

Claims (1)

101年9月4日修正替換頁 第98129224號申請專利範圍修正本 七、申請專利範圍： 種半導體裝置的金屬閉極堆 括： 疊之形成方法，包 多晶:層第-钱刻製程來移除該基材上的-物；對該基材使用一稀釋的氫氟酸來移除高分子殘餘 過氧=2使用—清潔溶液，該清潔溶液包括鹽酸、 式濕式餘刻製程來移除-蓋層，該濕 八蝕刻製％包括稀釋的鹽酸；以及 材料層。"基材進灯—第二㈣製程來移除一高介電常數 閘極項所述之半導體裝置的金屬 後，對兮其 / 更I含在進行該第二蝕刻製程之 子殘餘物二卩另—濕式_製程來移除額外的高分 問極=申請專利範圍第1項所述之半導體裝置的金屬 閘^$之形成方法’其中該蓋層係包含氧化鋼（La〇)。 閘極堆叠之形成方法，其中導體”的金屬 100:丨（⑽料份以魏之濃度小於 5·如申請專利範圍第1 閘極堆疊之护成方本甘員所述之半導體裝置的金屬 500: 2。 其中該稀釋的鹽酸之濃度約為 〇503-A33996TWF!/jeff 15 第98129224號申請專利範圍修正本 如申請專利範圍第1項所述之半導 閘極堆疊之形成方法，其中該金屬閘極層係包含氮化欽。 申吻專利範圍第1項所述之半導體裝置的全屬 =堆叠之形成方法’其中該金屬閉極層係 =擇自由下列所組叙料：氮㈣、碳倾 石反化鈕、氮化鉬、氮化鎢及鎢。 虱 括 8.一種半導體裝置的金相極堆疊之形成方法，包 數材t基各種閘極材料層，包含—高介電常 译妙θ於5亥向介電常數材料層上、一金屬 層上、一多晶石夕層位於該金屬層上； 罩幕‘；二第一蝕刻製程，透過-圖案化閘極 除該多晶石夕層及該金屬問極層； 層，噹溶：俜二—浴液來移除高分子殘餘物及該蓋 的氳氟醆及稀釋的鹽酸；以及 材料層:土 π帛一麵刻製矛呈來移除該高介電常數 9. 如申請專利範圍第8 間極堆疊之形成方法，其中該圖二的金屬 -圖案化的光阻層。 ΰ案化閘極罩幕層係包含 10. 如申請專利範圍第8 閘極堆疊之形成方法，其t該二的金屬 一圖案化的硬罩幕層。 園案化_罩幕層係包含 如申請專利範圍第1〇 屬閘極堆疊之形成方 員所述之半導體裝置的金 啊 其中該圖案化的硬單幕層係包 16 1376734

第撕29224號申請專利範圍修正本 含氮化石夕。 括：12.-種半導體裝置的金屬閘極堆疊之形成方法，包 金屬Ιί極^材進行—第—則製程來移除該基材上的一 程二 =一稀釋的氣氣酸來移除該第--刻製 層;對錄材使用—濕式蝕刻溶液來移除一氧化鑭 材料上基材進订—第二㈣製程來移除—高介電常數 屬二堆？/專利範圍第12項所述之半導體裝置的金 :間極堆疊之形成方法’其中該濕式姓刻溶液係包含鹽 屬閘==第：項所述之半導體裝置的金 酸。 形成方法，其中該濕式蝕刻溶液係包含硫 屬巾請專利範圍第12項所述之半導體裝置的金 之Iη且之形成方法’更包含在使用該濕式餘刻溶液 使用該稀釋的氫I酸之後對該基材使用-清潔 浴液。 16.如申凊專利犯圍第15項所述之半導體裝置的金 :問：堆疊之形成方法’其中該清潔溶液係包含氫氟 I、過氧化氫及水。 口·如申凊專利範圍第12項所述之半導體裝置的金 05D3-A33996TWFl/jeff 17 1376734 101年9月4日修正替換頁 -· β程更包含移除沈 第98129224號申請專利範圍修正本 屬閘極堆疊之形成方法，其中該第一 積在該金屬層上的一多晶矽層。 如申請專利範圍第12項所述之 屬閘極堆疊之报忐方決，爭七人+ 牛導體震置的金 义*且之形成方法，更包含在進行該第一 之刖圖案化一位於該金屬閘極層上 極區域。 a上㈣幕層來定義-閘 19.如申請專利範圍第12項所述之半導體裝置的金 屬閘極堆#之形成方法，更包含在進行該第二㈣製程 之後，對該基材使用一額外的氫氟酸濕式蝕刻製程。 2〇·如申請專利範圍第12項所述之半導體裝置的金 屬閘極堆疊之形成方法，其中該金屬閘極堆疊為一 N型 金氧半導體場效電晶體（NMOSFET)的一金屬閘極結構。 〇503-A33996TWFl/jeff