[發明專利]高選擇性氮化物蝕刻工藝

有效

• 申請號: 201280052538.6
• 申請日: 2012-10-25
• 公開（公告）號: CN103890918A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發明（設計）人: J·B·張;S·U·恩格爾曼;N·C·M·富勒;M·A·古羅恩;中村昌洋
• 申請（專利權）人: 國際商業機器公司;日本瑞翁株式會社
• 主分類號: H01L21/31
• 分類號: H01L21/31
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所 11247
• 代理人: 賀月嬌;于靜

技術領域

本公開涉及半導體處理方法，特別地涉及以相對于硅和氧化硅的高選擇性各向異性蝕刻氮化硅的方法以及實現該方法的結構。

背景技術

相對于不止一種材料選擇性地蝕刻氮化硅是很有挑戰的。尤其在納米尺度水平，在氮化硅的選擇性蝕刻時常常觀察到差的性能。

在其中形成氮化硅間隔物(spacer)以將柵電極與源極區和漏極區電隔離的間隔物模塊中，觀察到了氮化物蝕刻工藝的選擇性的差性能的例子。足夠選擇性的缺乏導致在未被柵電極覆蓋的半導體材料部分內形成凹陷(recess)。

在其中采用氮化硅層作為蝕刻停止層的溝槽氮化物蝕刻中，觀察到氮化物蝕刻的選擇性的差性能的另一個例子。在氮化硅層蝕刻期間足夠選擇性的缺乏使得電介質層被過量蝕刻或在硅化物本身中形成凹陷。

典型的氮化硅蝕刻工藝采用與Ar、H₂、N₂和/或O₂氣體混合的單碳CH_xF_y氣體。在這種氮化硅蝕刻工藝中采用的氟代烴等離子體是相對于氧化硅有選擇性的，即，不蝕刻氧化硅。通過混合O₂氣體，促進相對于硅的選擇性，O₂氣體將硅轉化成氧化硅并且由此在形成氧化硅層時防止對硅的進一步腐蝕。在諸如溝槽硅化物模塊這樣的模塊中采用硅蝕刻工藝的變型。

采用CH₃F和O₂氣體的氮化硅蝕刻的缺點之一是在該蝕刻工藝中相對于硅的選擇性并不是固有的，并且相對于硅的選擇性依賴于硅到氧化硅的轉變。然而，在納米尺度水平，在相對的尺度上，硅到氧化硅的轉變需要顯著的硅消耗。結果，本領域中已知的氮化硅蝕刻工藝在納米尺度水平并不提供相對于硅的高選擇性。

發明內容

各向異性氮化硅蝕刻通過在硅表面和氧化硅表面上形成包含氟代烴的聚合物而提供相對于硅和氧化硅的選擇性。采用選擇性的氟代烴沉積來提供相對于非氮化物表面的選擇性。包含氟代烴的聚合物與氮化硅相互作用以形成揮發性化合物，由此使得能夠蝕刻氮化硅。包含氟代烴的聚合物以低反應速率與氧化硅相互作用，延遲或者完全停止對氧化硅的蝕刻。包含氟代烴的聚合物不與硅相互作用，并且保護硅不受等離子體蝕刻。在包括小于50nm的小尺寸的任何尺寸下，都可以采用該各向異性氮化硅蝕刻來相對于硅和氧化硅選擇性地蝕刻氮化硅。

根據本公開的一個方面，提供了一種形成半導體結構的方法。所述方法包括：在半導體襯底上形成硅部分、氧化硅部分和氮化硅部分；以及采用包含氟代烴的等離子體各向異性蝕刻所述氮化硅部分；以及采用包含氟代烴的等離子體各向異性蝕刻所述氮化硅部分，其中具有第一厚度的第一包含氟代烴的聚合物形成在所述硅部分上，具有第二厚度的第二包含氟代烴的聚合物形成在所述氧化硅部分上，并且具有第三厚度的第三包含氟代烴的聚合物形成在所述氮化硅部分上。所述第一厚度可以大于所述第二厚度，并且可以大于所述第三厚度。

根據本公開的另一個方面，提供了另一種形成半導體結構的方法。所述方法包括：在半導體襯底中的半導體材料部分內形成包含氧化硅的淺溝槽隔離結構；在所述半導體材料部分上形成柵極疊層，所述柵極疊層包括柵極電介質、柵電極和柵極蓋帽電介質；以及在所述柵極疊層、所述半導體材料部分和所述淺溝槽隔離結構上形成氮化硅層；以及各向異性蝕刻所述氮化硅層以形成橫向包圍所述柵極疊層的氮化硅間隔物。所述淺溝槽隔離結構的頂面和所述半導體材料部分的頂面在所述各向異性蝕刻期間被物理暴露并且隨后被凹陷。在所述半導體材料部分的表面的物理暴露之后所述氮化硅間隔物的頂面所凹陷的第一凹陷距離可以大于在所述半導體材料部分的所述表面的所述物理暴露之后所述淺溝槽隔離結構的頂面所凹陷的第二凹陷距離，并且可以大于在所述半導體材料部分的所述頂面的所述物理暴露之后所述半導體材料部分的頂面所凹陷的第三凹陷距離。

根據本公開的又一個方面，提供了又一種形成半導體結構的方法。所述方法包括：在半導體襯底中的半導體材料部分之上形成柵極疊層和至少一個柵極間隔物；在所述柵極疊層、所述柵極間隔物和所述半導體材料部分之上形成氮化硅襯里(liner)；在所述氮化硅襯里之上形成圖案化的掩蔽結構；以及采用等離子體各向異性蝕刻所述氮化硅襯里以在其中形成至少一個開口。具有第一厚度的第一包含氟代烴的聚合物直接形成在所述至少一個開口的底部處的所述半導體材料部分上。具有第二厚度的第二包含氟代烴的聚合物直接形成在所述至少一個柵極間隔物的氧化硅表面上。所述第一厚度可以大于所述第二厚度。