選擇性形成高k介質(zhì)層的方法
【專利摘要】一種選擇性形成高K介質(zhì)層的方法，包括：提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底具有第一區(qū)域和第二區(qū)域；在第一區(qū)域的半導(dǎo)體襯底上形成第一氧化硅層；將半導(dǎo)體襯底置于原子層沉積腔室中；在第一區(qū)域的第一氧化硅層和第二區(qū)域的半導(dǎo)體襯底表面形成第二高K材料層，第一區(qū)域的第二高K材料層厚度大于第二區(qū)域的第二高K材料層的厚度；通入刻蝕氣體，去除第二區(qū)域的第二高K材料層，在第一區(qū)域的第一氧化硅層表面形成第三高K材料層；重復(fù)第二高K材料層形成步驟和通入刻蝕氣體的步驟，直至在第一區(qū)域的第一氧化硅層表面形成第一高K介質(zhì)層。通過(guò)本方法，選擇性的在第一區(qū)域的第一氧化硅層表面形成第一高K介質(zhì)層。
【專利說(shuō)明】選擇性形成高K介質(zhì)層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制作領(lǐng)域，特別涉及一種采用原子層沉積工藝選擇性形成高K介質(zhì)層的方法。
【背景技術(shù)】[0002]隨著集成電路制造技術(shù)的不斷發(fā)展，MOS晶體管的特征尺寸也越來(lái)越小，傳統(tǒng)的氧化硅作為柵介質(zhì)層已經(jīng)不能滿足集成電路高速發(fā)展的需求，隨著工藝節(jié)點(diǎn)的不斷減小，柵氧化硅層的厚度也不斷減小，柵氧化硅層厚度的減小會(huì)導(dǎo)致MOS晶體管的漏電流呈指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)，因此高K柵介質(zhì)層/金屬柵極的柵極疊層結(jié)構(gòu)取代現(xiàn)有的柵氧化硅層/多晶硅柵極被引入到MOS晶體管中。
[0003]現(xiàn)有的高K柵介質(zhì)層的形成方法包括物理氣相沉積工藝(PVD)和化學(xué)氣相沉積工藝(CVD),化學(xué)氣相沉積工藝主要包括原子層沉積工藝(Atomic Layer Deposition,ALD^EI金屬氧化物沉積工藝(Metal Organic CVD, MOCVD)。
[0004]現(xiàn)有采用原子層沉積工藝形成高K介質(zhì)層時(shí)，以形成氧化鉿高K介質(zhì)層為例，包括:步驟10，提供半導(dǎo)體襯底，將半導(dǎo)體襯底置于原子層沉積腔室中；步驟11，在原子層沉積腔室中通入第一前驅(qū)物，比如=H2O ;步驟12，排出未反應(yīng)的第一前驅(qū)物和反應(yīng)產(chǎn)物；步驟13，通入第二前驅(qū)物，比如:四氯化鉿；步驟14，排出未反應(yīng)的第二前驅(qū)物和反應(yīng)產(chǎn)物；重復(fù)步驟If步驟14，直至在半導(dǎo)體襯底表面形成氧化鉿高K介質(zhì)層。
[0005]現(xiàn)有的采用原子層沉積工藝形成高K介質(zhì)層時(shí)，難以在半導(dǎo)體襯底的不同區(qū)域形成不同厚度的高K介質(zhì)層，不能滿足半導(dǎo)體器件制作的要求。
[0006]更多關(guān)于高K介質(zhì)層的形成工藝請(qǐng)參考專利號(hào)為US7192892B2的美國(guó)專利。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明解決的問(wèn)題是提供一種選擇性形成高K介質(zhì)層的方法，使不同區(qū)域形成的高K介質(zhì)層具有不同的厚度。
[0008]為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種選擇性形成高K介質(zhì)層的方法，包括:步驟S21，提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底具有第一區(qū)域和第二區(qū)域；步驟S22，在第一區(qū)域的半導(dǎo)體襯底上形成第一氧化硅層；步驟S23，將半導(dǎo)體襯底置于原子層沉積腔室中；步驟S24，通入第一前驅(qū)物，在第一區(qū)域的第一氧化硅層和第二區(qū)域的半導(dǎo)體襯底表面形成吸附層；步驟S25，排出殘留的第一前驅(qū)物和第一反應(yīng)產(chǎn)物；步驟S26，通入第二前驅(qū)物，第二前驅(qū)物與吸附層反應(yīng)，形成第一高K材料層，第一區(qū)域的第一氧化硅層表面的第一高K材料層的覆蓋率大于第二區(qū)域的半導(dǎo)體襯底表面的第一高K材料層的覆蓋率；步驟S27，排出殘留的第二前驅(qū)物和第二反應(yīng)產(chǎn)物；步驟S28，重復(fù)步驟S24至步驟S27，在第一區(qū)域的第一氧化硅層和第二區(qū)域的半導(dǎo)體襯底表面形成第二高K材料層，第一區(qū)域的第二高K材料層厚度大于第二區(qū)域的第二高K材料層的厚度；步驟S29，通入刻蝕氣體，去除第二區(qū)域的第二高K材料層，在第一區(qū)域的第一氧化硅層表面形成第三高K材料層；步驟S30，排出殘留的刻蝕氣體和第三反應(yīng)產(chǎn)物；步驟S31，重復(fù)步驟S24至步驟S30，直至在第一區(qū)域的第一氧化娃層表面形成第一高K介質(zhì)層。
[0009]可選的，所述第一前驅(qū)物為水或臭氧。
[0010]可選的，第一前驅(qū)物的流量為f300sccm，第一前驅(qū)物通入時(shí)間為0.01~10秒。
[0011]可選的，所述第二前驅(qū)物為四氯化鉿、四氯化鋯或三甲基鋁。
[0012]可選的，所述第二前驅(qū)物的流量為f300sccm，第二前驅(qū)物的通入時(shí)間為0.01~10秒。
[0013]可選的，所述第一高K介質(zhì)層的材料為氧化鉿、氧化鉿或氧化鋁。
[0014]可選的，所述刻蝕氣體為HF。
[0015]可選的，所述刻蝕氣體的流量為1~300sccm，刻蝕氣體的通入時(shí)間為0.01~10秒。
[0016]可選的，所述步驟S24至步驟S27的重復(fù)次數(shù)為1~15次。
[0017]可選的，所述步驟S24至步驟S27的重復(fù)次數(shù)為5~10次。
[0018]可選的，所述步驟S24至步驟S30的重復(fù)次數(shù)為20~3000次。
[0019]可選的，所述原子層沉積腔室的壓力為0.1~ 50托，溫度為100~500攝氏度。
[0020]可選的，排出殘留的第一前驅(qū)物、第一反應(yīng)產(chǎn)物、殘留的第二前驅(qū)物、第二反應(yīng)產(chǎn)物、殘留的刻蝕氣體和第三反應(yīng)產(chǎn)物的方法為:向原子層沉淀腔室通入惰性氣體，排出腔室中殘留的第一前驅(qū)物、第一反應(yīng)產(chǎn)物、殘留的第二前驅(qū)物、第二反應(yīng)產(chǎn)物、殘留的刻蝕氣體和第三反應(yīng)產(chǎn)物。
[0021]可選的，所述惰性氣體為氮?dú)饣驓鍤饣騼烧叩幕旌衔?，惰性氣體的通入時(shí)間為0.01~10 秒。
[0022]可選的，在形成第一高K介質(zhì)層后，還包括步驟:在第二區(qū)域的半導(dǎo)體襯底表面形成第二氧化硅層；在第一高K介質(zhì)層和第二氧化硅層表面形成第二高K介質(zhì)層。
[0023]可選的，所述第二高K介質(zhì)層的材料與第一高K介質(zhì)層的材料相同。
[0024]可選的，所述第二高K介質(zhì)層的形成工藝為原子層沉積工藝。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0026]在第一區(qū)域的半導(dǎo)體襯底上形成第一氧化硅層，然后重復(fù)一定次數(shù)的第一前驅(qū)物通入步驟和第二前驅(qū)物通入步驟，利用氧化硅材料和硅材料的不同特性，使得第一區(qū)域I的第一氧化硅層表面形成的第二高K材料層的厚度大于第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底表面形成的第二高K材料層的厚度，然后通入刻蝕氣體，進(jìn)行刻蝕步驟，去除第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底表面形成的第二高K材料層，而去除過(guò)程中第一區(qū)域I的第一氧化硅層表面形成的第二高K材料層只會(huì)被去除一小部分，從而在第一區(qū)域I的第一氧化硅層表面選擇性的形成高K介質(zhì)層，實(shí)現(xiàn)原子層沉積工藝的選擇性。
[0027]進(jìn)一步，所述進(jìn)行第一前驅(qū)物通入步驟、殘留的第一前驅(qū)物和第一反應(yīng)產(chǎn)物排出步驟、第二前驅(qū)物通入步驟和殘留的第二前驅(qū)物和第二反應(yīng)產(chǎn)物排出步驟的重復(fù)次數(shù)為1~15次，使得第一區(qū)域I的第一氧化硅層表面的第二高K材料層的覆蓋率遠(yuǎn)大于第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底表面的第二高K材料層的覆蓋率，并且第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底表面的第二高K材料層的覆蓋率很小或者趨于零，通入刻蝕氣體時(shí)，可以很方便的去除第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底表面形成的第二高K材料層，而第一區(qū)域I的第一氧化硅層表面形成的第二高K材料層只會(huì)被去除一小部分。[0028]進(jìn)一步，所述刻蝕氣體為HF，在去除半導(dǎo)體襯底表面的第二高K材料層的時(shí)候不會(huì)造成半導(dǎo)體襯底表面的損傷，所述刻蝕氣體流量為f300sccm，刻蝕氣體的通入時(shí)間為0.01-10秒，在將半導(dǎo)體襯底表面的第二高K材料層去除干凈的同時(shí)，不會(huì)對(duì)第一氧化硅層表面的第二高K材料層產(chǎn)生過(guò)量的刻蝕。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0029]圖廣圖4為現(xiàn)有高K介質(zhì)層形成過(guò)程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖5為不同基底上形成的氧化鉿層的覆蓋率與原子層沉積過(guò)程的重復(fù)次數(shù)的對(duì)比示意圖；
[0031]圖6為本發(fā)明實(shí)施例選擇性形成高K介質(zhì)層的方法的流程示意圖；
[0032]圖疒圖14為本發(fā)明實(shí)施例選擇性形成高K介質(zhì)層的過(guò)程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]發(fā)明人在現(xiàn)有技術(shù)MOS晶體管的制作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，為了使半導(dǎo)體襯底上的不同區(qū)域的MOS晶體管具有不同的閾值電壓，需要調(diào)節(jié)不同區(qū)域形成的高K介質(zhì)層的厚度，具體請(qǐng)參考圖f圖4，首先，請(qǐng)參考圖1，提供半導(dǎo)體襯底100，所述半導(dǎo)體襯底100具有第一區(qū)域I和第二區(qū)域II，在所述半導(dǎo)體襯底100上形成高K介質(zhì)層101 ;接著，請(qǐng)參考圖2，在所述高K介質(zhì)層101表面形成掩膜層102，所述掩膜層102具有暴露第二區(qū)域II高K介質(zhì)層101表面的開口 ；然后，請(qǐng)參考圖3，以所述掩膜層102為掩膜，回刻蝕去除部分厚度第二區(qū)域II的高K介質(zhì)層101，使第一區(qū)域I和第二區(qū)域II的高K介質(zhì)層101具有不同厚度；最后，去除所述掩膜層102。但是上述方法，在去除掩膜層102時(shí)，容易對(duì)第一區(qū)域I和第二區(qū)域II的高K介質(zhì)層101的表面造成刻蝕損傷，并且回刻蝕去除部分厚度第二區(qū)域II的高K介質(zhì)層101時(shí)，高K介質(zhì)層101被去除的厚度不好控制，影響后續(xù)形成的器件的性能。
[0034]發(fā)明人進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，另外一種防止刻蝕損傷形成不同厚度的高K介質(zhì)層的方法是:形成高K介質(zhì)層時(shí)，采用不同的基底材料。但是采用這種方法在不同基底材料上形成的高K介質(zhì)層的厚度的差值非常有限，難以滿足工藝的要求。比如:現(xiàn)有采用原子層沉積工藝在硅基底和氧化硅基底上可以形成不同厚度氧化鉿高K介質(zhì)層，硅基底和氧化硅基底上形成的氧化鉿高K介質(zhì)層兩者的厚度的差值非常小，具體請(qǐng)參考圖5，圖5為原子層沉積工藝中硅基底和氧化硅基底上形成的氧化鉿層的覆蓋率與第一前驅(qū)物和第二前驅(qū)物的通入次數(shù)的關(guān)系示意圖，其中橫坐標(biāo)表示第一前驅(qū)物和第二前驅(qū)物的通入次數(shù)(原子層沉積工藝的重復(fù)次數(shù))，縱坐標(biāo)表示氧化鉿層的覆蓋率，所述氧化鉿層的覆蓋率為每平方厘米上鉿原子的數(shù)量，從圖中可以看出，在重復(fù)次數(shù)較小的時(shí)候，硅基底上氧化鉿層的覆蓋率遠(yuǎn)小于氧化硅基底上氧化鉿層的覆蓋率，但是隨著重復(fù)次數(shù)的增加，兩者的差值在逐漸減小，氧化鉿層的厚度與氧化鉿層的覆蓋率直接相關(guān)，覆蓋率越高厚度越厚，而原子層沉積工藝中，一個(gè)循環(huán)形成的氧化鉿層的厚度往往小于I埃，因此要形成幾十到幾百埃厚度的氧化鉿層時(shí)，原子層沉積工藝的重復(fù)次數(shù)需要從幾十次到幾百次，重復(fù)次數(shù)的增加必然使得硅基底上氧化鉿層的覆蓋率與氧化硅基底上氧化鉿層的覆蓋率之間的差異很小，從而使得硅基底上氧化鉿層的厚度與氧化硅基底上氧化鉿層的厚度之間的差值很小或者趨于零，顯然這種厚度差異的大小遠(yuǎn)不能滿足工藝發(fā)展的要求。[0035]為解決上述問(wèn)題，發(fā)明人提出一種選擇性形成高K介質(zhì)層的方法，參考圖6，圖6為本發(fā)明實(shí)施例選擇性形成高K介質(zhì)層的方法的流程示意圖，包括:[0036]步驟S21，提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底具有第一區(qū)域和第二區(qū)域；
[0037]步驟S22，在第一區(qū)域的半導(dǎo)體襯底上形成第一氧化硅層；
[0038]步驟S23，將半導(dǎo)體襯底置于原子層沉積腔室中；
[0039]步驟S24，通入第一前驅(qū)物H2O,在第一區(qū)域的第一氧化硅層和第二區(qū)域的半導(dǎo)體襯底表面形成吸附層，第一區(qū)域的吸附層的覆蓋率大于第二區(qū)域吸附層的覆蓋率；
[0040]步驟S25，排出殘留的第一前驅(qū)物!120和第一反應(yīng)產(chǎn)物；
[0041]步驟S26，通入第二前驅(qū)物HfCl4，第二前驅(qū)物與吸附層反應(yīng)，形成第一高K材料層，第一區(qū)域的第一氧化硅層表面的第一高K材料層的覆蓋率大于第二區(qū)域的半導(dǎo)體襯底表面的第一高K材料層的覆蓋率；
[0042]步驟S27，排出殘留的第二前驅(qū)物HfCl4和第二反應(yīng)產(chǎn)物；
[0043]步驟S28，重復(fù)步驟S24至步驟S27，在第一區(qū)域的第一氧化硅層和第二區(qū)域的半導(dǎo)體襯底表面形成第二高K材料層，第一區(qū)域的第二高K材料層厚度大于第二區(qū)域的第二高K材料層的厚度；
[0044]步驟S29，通入刻蝕氣體HF，去除第二區(qū)域的第二高K材料層，在第一區(qū)域的第一氧化硅層表面形成第三高K材料層；
[0045]步驟S30，排出殘留的刻蝕氣體和第三反應(yīng)產(chǎn)物；
[0046]步驟S31,重復(fù)步驟S24至步驟S30,直至在第一區(qū)域的第一氧化娃層表面形成氧化鉿層；
[0047]步驟S32，在第二區(qū)域的半導(dǎo)體襯底表面形成第二氧化硅層；采用原子層沉積工藝在第一氧化鉿層和第二氧化硅層表面形成第二氧化鉿層。
[0048]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做詳細(xì)的說(shuō)明。在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為便于說(shuō)明，示意圖會(huì)不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。此外，在實(shí)際制作中應(yīng)包含長(zhǎng)度、寬度及深度的三維空間尺寸。
[0049]圖疒圖14為本發(fā)明實(shí)施例選擇性形成高K介質(zhì)層的過(guò)程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0050]參考圖7，提供半導(dǎo)體襯底300，所述半導(dǎo)體襯底300具有第一區(qū)域I和第二區(qū)域II ;在所述半導(dǎo)體襯底300內(nèi)形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)301，所述淺溝道隔離結(jié)構(gòu)301用于電性隔離后續(xù)在所述第一區(qū)域I的半導(dǎo)體襯底和第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底上形成的半導(dǎo)體器件。
[0051]在第一區(qū)域I的半導(dǎo)體襯底300上，后續(xù)采用選擇性原子層沉積工藝在第一區(qū)域I的第一氧化硅層表面形成第一高K介質(zhì)層時(shí)，第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300上不會(huì)形成高K介質(zhì)材料，在形成第一高K介質(zhì)層后，采用非選擇性的原子層沉積工藝在第一高K介質(zhì)層和第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300上形成第二高K介質(zhì)層，從而使得第一區(qū)域I的半導(dǎo)體襯底300上形成的高K介質(zhì)層(包括第一高K介質(zhì)層和第二高K介質(zhì)層)的厚度與第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300上形成的高K介質(zhì)層(第二高K介質(zhì)層)的厚度不相同，并且第一區(qū)域I的半導(dǎo)體襯底300上高K介質(zhì)層的厚度與第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300上高K介質(zhì)層的厚度的差值的大小與第一區(qū)域I的半導(dǎo)體襯底300上形成的第一高K介質(zhì)層的厚度直接相關(guān)，使得第一區(qū)域I的高K介質(zhì)層的厚度與第二區(qū)域II的高K介質(zhì)層的厚度的差值可以有較大的變動(dòng)范圍，不僅滿足工藝的需求，而且形成的高K介質(zhì)層不會(huì)受到刻蝕的損傷，提高了高K介質(zhì)層形貌的均勻性。
[0052]所述第一區(qū)域I形成的高K介質(zhì)層后續(xù)作為第一晶體管的柵介質(zhì)層，第二區(qū)域II形成的高K介質(zhì)層后續(xù)作為第二晶體管的柵介質(zhì)層，從而使得第一晶體管和第二晶體管具有不同的閾值電壓。
[0053]在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，所述第一區(qū)域I形成的高K介質(zhì)層后續(xù)作為阻變式隨機(jī)存儲(chǔ)器(Resistive Random Access Memory, RRAM)的存儲(chǔ)介質(zhì),第二區(qū)域II形成的高K介質(zhì)層后續(xù)作為第三晶體管的柵介質(zhì)層，第三晶體管可以作為選擇晶體管或其他功能的晶體管。
[0054]所述半導(dǎo)體襯底300為硅襯底、鍺襯底、氮化鎵襯底、玻璃襯底、絕緣體上硅襯底、絕緣體上鍺襯底等其中的一種。在本實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體襯底300為硅襯底。
[0055]參考圖8，在第一區(qū)域I的半導(dǎo)體襯底300表面形成第一氧化硅層302。
[0056]所述第一氧化硅層302的形成工藝為熱氧化工藝或化學(xué)氣相沉積工藝或者其他合適的工藝。
[0057]所述第一氧化硅層302形成的具體過(guò)程為:采用熱氧化工藝在所述半導(dǎo)體襯底300表面形成第一氧化娃薄膜；在第一氧化娃薄膜表面形成掩膜層，所述掩膜層具有暴露第二區(qū)域II的第一氧化硅薄膜表面的開口 ；以所述掩膜層為掩膜，刻蝕去除第二區(qū)域II的第一氧化硅薄膜，在第一區(qū)域I的半導(dǎo)體襯底300表面形成第一氧化硅層302 ;去除所述掩膜層。
[0058]所述第一氧化硅層302的斥水性小于硅襯底的斥水性，后續(xù)在通入第一前驅(qū)物，形成吸附層時(shí)，第一區(qū)域I的第一氧化硅層302表面形成的吸附層的覆蓋率大于第二區(qū)域II的半導(dǎo)體表面300形成的吸附層的覆蓋率，使得第一區(qū)域I的第一氧化硅層302表面的活性大于第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面的活性。
[0059]參考圖9，將半導(dǎo)體襯底300置于原子層沉積腔室(圖中未示出)中；進(jìn)行第一前驅(qū)物通入步驟:通入第一前驅(qū)物，在第一區(qū)域I的第一氧化硅層302和第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面形成吸附層(圖中未示出)，第一區(qū)域I的吸附層的覆蓋率大于第二區(qū)域II吸附層的覆蓋率；進(jìn)行殘留的第一前驅(qū)物和第一反應(yīng)產(chǎn)物排出步驟:通入惰性氣體，排出原子層沉積腔室中殘留的第一前驅(qū)物和第一反應(yīng)產(chǎn)物；進(jìn)行第二前驅(qū)物通入步驟:通入第二前驅(qū)物，第二前驅(qū)物與吸附層反應(yīng)，形成第一高K材料層303，第一區(qū)域I的第一氧化硅層302表面的第一高K材料層303的覆蓋率大于第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面的第一高K材料層303的覆蓋率；進(jìn)行殘留的第二前驅(qū)物和第二反應(yīng)產(chǎn)物排出步驟:排出原子層沉積腔室中殘留的第二前驅(qū)物和第二反應(yīng)產(chǎn)物。
[0060]采用第一前驅(qū)物對(duì)第一區(qū)域I的第一氧化硅層302和第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面進(jìn)行處理，形成吸附層302，所述吸附層302為單原子層結(jié)構(gòu)，所述吸附層302在后續(xù)形成第一高K材料層時(shí)提供反應(yīng)用的氧化基團(tuán)，由于第一氧化硅層302和半導(dǎo)體襯底300的材料和采用第一前驅(qū)物進(jìn)行處理時(shí)表現(xiàn)的特性不一樣，第一區(qū)域I的吸附層的覆蓋率大于第二區(qū)域II吸附層的覆蓋率，所述吸附層的覆蓋率為每平方厘米的第一氧化硅層或半導(dǎo)體襯底表面的吸附層材料原子的數(shù)量。覆蓋率的增大會(huì)增加材料表面的活性，因此第一區(qū)域I的第一氧化硅層302的表面活性大于第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300的表面活性，后續(xù)通入第二前驅(qū)物，進(jìn)行反應(yīng)形成第一高K材料層時(shí)，第一區(qū)域I的吸附層能提供更多的氧化基團(tuán)，使得第一區(qū)域I的第一氧化硅層302表面形成的第一高K材料層的覆蓋率要大于第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面形成的第一高K材料層的覆蓋率。第一高K材料層的覆蓋率為第一氧化硅層或第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底表面每平方厘米面積上高K材料中金屬原子的數(shù)量。
[0061]所述第一前驅(qū)物為水(H2O)或者臭氧(03)，當(dāng)?shù)谝磺膀?qū)物為水時(shí)，通過(guò)氮?dú)庾鳛檩d氣將水以氣體的形式供入原子層沉積腔室中。
[0062]在本實(shí)施例中，所述第一前驅(qū)物為水，形成的吸附層材料為氫氧元素，以氫氧鍵的形式與第一氧化娃層302表面和半導(dǎo)體襯底300表面連接，由于氧化娃材料的斥水性要小于硅材料的斥水性，因此第一區(qū)域I的第一氧化硅層302表面形成的吸附層的覆蓋率要大于第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面形成的吸附層的覆蓋率，即每平方厘米的第一氧化硅層302表面氫氧根的數(shù)量要大于每平方厘米的第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面的氫氧根的數(shù)量，使得第一區(qū)域I的第一氧化硅層302的表面活性大于第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300的表面活性。
[0063]所述第一前驅(qū)物的流量為f300sccm，第一前驅(qū)物通入的時(shí)間為0.Ο1~?Ο秒。
[0064]在形成吸附層之后，向原子層沉淀腔室通入惰性氣體，排出原子層沉積腔室中殘留的第一前驅(qū)物和第一反應(yīng)產(chǎn)物，防止通入第二前驅(qū)物時(shí)，原子層沉積腔室中殘留的第一前驅(qū)物與第二前驅(qū)物直接反應(yīng)，不利于第一高K材料層的形成。
[0065]所述惰性氣體為氮?dú)饣驓鍤饣騼烧叩幕旌衔?，惰性氣體的通入時(shí)間為0.1~10秒。
[0066]在排除殘留的第一前驅(qū)物和第一反應(yīng)產(chǎn)物之后，向原子層沉積腔室中通入第二前驅(qū)物，第二前驅(qū)物與吸附層反應(yīng)，形成第一高K材料層303。
[0067]所述第二前驅(qū)物為四氯化鉿(HfCl4)、四氯化鋯(ZrCl4)或三甲基鋁(TMA)，所述第二前驅(qū)物的流量為f300sccm，第二前驅(qū)物的通入時(shí)間為0.Ο1~1Ο秒，本實(shí)施例中，所述第二前驅(qū)物為四氯化鉿(HfCl4),四氯化鉿(HfCl4)與吸附層反應(yīng)形成單原子層的氧化鉿層(第一高K材料層)，由于第一區(qū)域I的第一氧化硅層302表面形成的吸附層的覆蓋率要大于第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面形成的吸附層的覆蓋率，因此第一區(qū)域I的第一氧化硅層302表面形成的第一高K材料層303的覆蓋率大于第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面形成的第一高K材料層303的覆蓋率，第一高K材料層303的覆蓋率的大小與后續(xù)形成的第二高K材料層的厚度直接相 關(guān)，第一高K材料層303的覆蓋率越高，后續(xù)形成的第二高K材料層的厚度越厚。需要說(shuō)明的是，第一高K材料層303的覆蓋率為第一氧化硅層302或第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面每平方厘米面積上高K材料中金屬原子的數(shù)量。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，當(dāng)所述第二前驅(qū)物為四氯化鋯(ZrCl4)或三甲基鋁(TM)時(shí)，形成的第二高K材料層為單原子層的氧化鋯或氧化鋁。
[0068]形成第一高K材料層303后，還包括:向原子層沉淀腔室通入惰性氣體，排出原子層沉積腔室中殘留的第二前驅(qū)物和第二反應(yīng)產(chǎn)物。
[0069]參考圖10，進(jìn)行形成第二高K材料層304的步驟:依次重復(fù)第一前驅(qū)物通入步驟、殘留的第一前驅(qū)物和第一反應(yīng)產(chǎn)物排出步驟、第二前驅(qū)物通入步驟和殘留的第二前驅(qū)物和第二反應(yīng)產(chǎn)物排出步驟，直至在第一區(qū)域I的第一氧化硅層302和第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面形成第二高K材料層304。[0070]第二高K材料層304為單原子層的第一高K材料層303 (參考圖9)的多層堆疊結(jié)構(gòu)，由于第一區(qū)域I的第一氧化娃層302表面形成的第一高K材料層303的覆蓋率大于第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面形成的第一高K材料層303的覆蓋率，因此第一區(qū)域I的第一氧化硅層302表面的第二高K材料層304的覆蓋率大于第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面的第二高K材料層304的覆蓋率，即第一區(qū)域I的第一氧化硅層302表面的第二高K材料層304的厚度會(huì)大于第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面的第二高K材料層304的厚度。
[0071]所述依次進(jìn)行第一前驅(qū)物通入步驟、殘留的第一前驅(qū)物和第一反應(yīng)產(chǎn)物排出步驟、第二前驅(qū)物通入步驟和殘留的第二前驅(qū)物和第二反應(yīng)產(chǎn)物排出步驟的重復(fù)次數(shù)為廣15次，較佳的所述重復(fù)次數(shù)為5~10次，使得第一區(qū)域I的第一氧化硅層302表面的第二高K材料層304的覆蓋率遠(yuǎn)大于第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面的第二高K材料層304的覆蓋率，并且第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面的第二高K材料層304的覆蓋率很小或者趨于零。請(qǐng)參考圖5，原子層沉積工藝的重復(fù)次數(shù)在小于20時(shí)，氧化硅基底上形成的氧化鉿的覆蓋率要遠(yuǎn)大于硅基底上形成的氧化鉿的覆蓋率，并且硅基底上形成的氧化鉿的覆蓋率很小或趨于零，本發(fā)明利用上述特性，使得第一區(qū)域I的第一氧化硅層302表面形成的第二高K材料層304的覆蓋率(厚度)遠(yuǎn)大于第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面形成的第二高K材料層304的覆蓋率(厚度)，后續(xù)通入刻蝕氣體時(shí)，可以很方便的去除第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面形成的第二高K材料層304，而第一區(qū)域I的第一氧化硅層302表面形成的第二高K材料層304只會(huì)被去除一小部分，從而在第一區(qū)域I的第一氧化硅層302表面選擇性的形成高K介質(zhì)層，實(shí)現(xiàn)原子層沉積工藝的選擇性。
[0072]參考圖11，進(jìn)行刻蝕步驟:通入刻蝕氣體，去除第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面的第二高K材料層304 (參考圖10)，在第一區(qū)域I的第一氧化硅層302表面形成第三高K材料層305 ;進(jìn)行殘留的刻蝕氣體和第三反應(yīng)產(chǎn)物排出步驟:通入惰性氣體，排出殘留的刻蝕氣體和第三反應(yīng)產(chǎn)物排出步驟。
[0073]通入刻蝕氣體HF，在去除第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面的第二高K材料層304的同時(shí)，也會(huì)去除第一區(qū)域I的第一氧化硅層302表面的部分第二高K材料層304，第一氧化硅層302表面剩余的第二高K材料層作為第三高K材料層305。另外，由于第一區(qū)域I的第一氧化硅層302表面形成的第二高K材料層304的覆蓋率遠(yuǎn)大于第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面形成的第二高K材料層304的覆蓋率，因此在完全去除第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面的第二高K材料層304時(shí)，第一氧化硅層302表面的第二高K材料層304被去除量非常小。
[0074]所述刻蝕氣體為HF，在去除半導(dǎo)體襯底300表面的第二高K材料層304的時(shí)候不會(huì)造成半導(dǎo)體襯底表面的損傷，所述刻蝕氣體流量為f300sccm，刻蝕氣體的通入時(shí)間為0.01-10秒，在將干凈去除半導(dǎo)體襯底300表面的第二高K材料層304的同時(shí)，不會(huì)對(duì)第一氧化硅層302表面的第二高K材料層304產(chǎn)生過(guò)量的刻蝕。
[0075]進(jìn)行刻蝕的步驟、排出殘留的刻蝕氣體和第三反應(yīng)產(chǎn)物步驟和前述形成第二高K材料層304的步驟構(gòu)成選擇性原子層沉積工藝的一個(gè)過(guò)程，選擇性原子層沉積工藝的一個(gè)過(guò)程形成的第二高K材料層304厚度(幾埃到十幾埃)仍較小，難以滿足工藝的要求。
[0076]參考圖12，重復(fù)第二高K材料層304的形成步驟、進(jìn)行刻蝕的步驟、排出殘留的刻蝕氣體和第三反應(yīng)產(chǎn)物步驟，直至在第一區(qū)域I的第一氧化硅層302表面形成第一高K介質(zhì)層306。
[0077]所述重復(fù)形成第二高K材料層304的步驟、進(jìn)行刻蝕的步驟、排出殘留的刻蝕氣體和第三反應(yīng)產(chǎn)物步驟的重復(fù)次數(shù)為20-3000次，以形成一定厚度的第一高K介質(zhì)層306，較佳的，所述重復(fù)次數(shù)為5(Tl000次。
[0078]通過(guò)選擇性原子層沉積工藝，選擇性的在第一區(qū)域I的第一氧化硅層302表面形成第一高K介質(zhì)層306,而在第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面不會(huì)形成高K介質(zhì)材料,后續(xù)在第一區(qū)域I的第一高K介質(zhì)層306表面和第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面形成第二高K介質(zhì)層時(shí)，使得第一區(qū)域I的高K介質(zhì)層(包括:第一高K介質(zhì)層和第二高K介質(zhì)層)的厚度大于第二區(qū)域II的高K介質(zhì)層(第二高K介質(zhì)層)的厚度，即第一區(qū)域I的高K介質(zhì)層的厚度和第二區(qū)域II的高K介質(zhì)層的厚度的差值為通過(guò)選擇性原子層沉積工藝形成的第一高K介質(zhì)層306的厚度，第一高K介質(zhì)層306的厚度可以根據(jù)選擇性原子層沉積工藝重復(fù)次數(shù)來(lái)控制，具有較大的范圍，滿足工藝多樣化的需求。
[0079]參考圖13，在第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面形成第二氧化硅層307。
[0080]所述第二氧化硅層307的形成工藝為熱氧化工藝，第二氧化硅層307的厚度可以與第一氧化硅層302的厚度相同也可以不同。
[0081]參考圖14，采用原子層沉積工藝在第一高K介質(zhì)層306和第二氧化硅層307表面形成第二高K介質(zhì)層308。所述原子層沉積工藝為現(xiàn)有的原子層沉積工藝，即沉積過(guò)程中不會(huì)采用刻蝕氣體。 [0082]所述第二高K介質(zhì)層308的材料與第一高K介質(zhì)層306的相同，本實(shí)施例中，所述第二高K介質(zhì)層308的材料為氧化鉿。
[0083]通過(guò)選擇性原子層沉積工藝，選擇性的在第一區(qū)域I的第一氧化硅層302表面形成第一高K介質(zhì)層306時(shí)，在第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面不會(huì)形成高K介質(zhì)材料，然后在第一區(qū)域I的第一高K介質(zhì)層306表面和第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底300表面形成第二高K介質(zhì)層308時(shí)，使得第一區(qū)域I的高K介質(zhì)層(包括:第一高K介質(zhì)層306和第二高K介質(zhì)層308)的厚度大于第二區(qū)域II的高K介質(zhì)層(第二高K介質(zhì)層308)的厚度，即第一區(qū)域I的高K介質(zhì)層的厚度和第二區(qū)域II的高K介質(zhì)層的厚度的差值為第一高K介質(zhì)層306的厚度，第一高K介質(zhì)層306的厚度可以根據(jù)選擇性原子層沉積工藝重復(fù)次數(shù)來(lái)控制，具有較大的范圍，滿足工藝多樣化的需求。
[0084]綜上，本發(fā)明實(shí)施例選擇性形成高K介質(zhì)層的方法，在第一區(qū)域的半導(dǎo)體襯底上形成第一氧化硅層，然后重復(fù)一定次數(shù)的第一前驅(qū)物通入步驟和第二前驅(qū)物通入步驟，利用氧化硅材料和硅材料的不同特性，使得第一區(qū)域I的第一氧化硅層表面形成的第二高K材料層的厚度大于第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底表面形成的第二高K材料層的厚度，然后通入刻蝕氣體，進(jìn)行刻蝕步驟，去除第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底表面形成的第二高K材料層，而去除過(guò)程中第一區(qū)域I的第一氧化硅層表面形成的第二高K材料層只會(huì)被去除一小部分，從而在第一區(qū)域I的第一氧化硅層表面選擇性的形成高K介質(zhì)層，實(shí)現(xiàn)原子層沉積工藝的選擇性。
[0085]進(jìn)一步，所述進(jìn)行第一前驅(qū)物通入步驟、殘留的第一前驅(qū)物和第一反應(yīng)產(chǎn)物排出步驟、第二前驅(qū)物通入步驟和殘留的第二前驅(qū)物和第二反應(yīng)產(chǎn)物排出步驟的重復(fù)次數(shù)為1-15次，使得第一區(qū)域I的第一氧化硅層表面的第二高K材料層的覆蓋率遠(yuǎn)大于第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底表面的第二高K材料層的覆蓋率，并且第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底表面的第二高K材料層的覆蓋率很小或者趨于零，通入刻蝕氣體時(shí)，可以很方便的去除第二區(qū)域II的半導(dǎo)體襯底表面形成的第二高K材料層，而第一區(qū)域I的第一氧化硅層表面形成的第二高K材料層只會(huì)被去除一小部分。
[0086]進(jìn)一步，所述刻蝕氣體為HF，在去除半導(dǎo)體襯底表面的第二高K材料層的時(shí)候不會(huì)造成半導(dǎo)體襯底表面的損傷，所述刻蝕氣體流量為f300sccm，刻蝕氣體的通入時(shí)間為0.01~10秒，在將半導(dǎo)體襯底表面的第二高K材料層去除干凈的同時(shí)，不會(huì)對(duì)第一氧化硅層表面的第二高K材料層產(chǎn)生過(guò)量的刻蝕。
[0087]本發(fā)明雖然已以較佳實(shí)施例公開如上，但其并不是用來(lái)限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變 動(dòng)和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種選擇性形成高K介質(zhì)層的方法，其特征在于，包括: 步驟S21，提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底具有第一區(qū)域和第二區(qū)域； 步驟S22，在第一區(qū)域的半導(dǎo)體襯底上形成第一氧化硅層； 步驟S23，將半導(dǎo)體襯底置于原子層沉積腔室中； 步驟S24，通入第一前驅(qū)物，在第一區(qū)域的第一氧化硅層和第二區(qū)域的半導(dǎo)體襯底表面形成吸附層； 步驟S25，排出殘留的第一前驅(qū)物和第一反應(yīng)產(chǎn)物； 步驟S26，通入第二前驅(qū)物，第二前驅(qū)物與吸附層反應(yīng)，形成第一高K材料層，第一區(qū)域的第一氧化硅層表面的第一高K材料層的覆蓋率大于第二區(qū)域的半導(dǎo)體襯底表面的第一高K材料層的覆蓋率； 步驟S27，排出殘留的第二前驅(qū)物和第二反應(yīng)產(chǎn)物； 步驟S28，重復(fù)步驟S24至步驟S27，在第一區(qū)域的第一氧化硅層和第二區(qū)域的半導(dǎo)體襯底表面形成第二高K材料層，第一區(qū)域的第二高K材料層厚度大于第二區(qū)域的第二高K材料層的厚度； 步驟S29，通入刻蝕氣體，去除第二區(qū)域的第二高K材料層，在第一區(qū)域的第一氧化硅層表面形成第三高K材料層； 步驟S30，排出殘留的刻蝕氣體和第三反應(yīng)產(chǎn)物； 步驟S31，重復(fù)步驟S24至步驟S30，直至在第一區(qū)域的第一氧化硅層表面形成第一高K介質(zhì)層。
2.如權(quán)利要求1所述的選擇性形成高K介質(zhì)層的方法，其特征在于，所述第一前驅(qū)物為水或臭氧。
3.如權(quán)利要求2所述的選擇性形成高K介質(zhì)層的方法，其特征在于，第一前驅(qū)物的流量為I~300sccm,第一前驅(qū)物通入時(shí)間為0.01~10秒。
4.如權(quán)利要求2所述的選擇性形成高K介質(zhì)層的方法，其特征在于，所述第二前驅(qū)物為四氯化鉿、四氯化鋯或三甲基鋁。
5.如權(quán)利要求4所述的選擇性形成高K介質(zhì)層的方法，其特征在于，所述第二前驅(qū)物的流量為f300sccm，第二前驅(qū)物的通入時(shí)間為0.01-10秒。
6.如權(quán)利要求4所述的選擇性形成高K介質(zhì)層的方法，其特征在于，所述第一高K介質(zhì)層的材料為氧化鉿、氧化鉿或氧化鋁。
7.如權(quán)利要求4所述的選擇性形成高K介質(zhì)層的方法，其特征在于，所述刻蝕氣體為HF。
8.如權(quán)利要求7所述的選擇性形成高K介質(zhì)層的方法，其特征在于，所述刻蝕氣體的流量為f300sccm，刻蝕氣體的通入時(shí)間為0.01-10秒。
9.如權(quán)利要求1所述的選擇性形成高K介質(zhì)層的方法，其特征在于，所述步驟S24至步驟S27的重復(fù)次數(shù)為f 15次。
10.如權(quán)利要求9所述的選擇性形成高K介質(zhì)層的方法，其特征在于，所述步驟S24至步驟S27的重復(fù)次數(shù)為5~10次。
11.如權(quán)利要求1所述的選擇性形成高K介質(zhì)層的方法，其特征在于，所述步驟S24至步驟S30的重復(fù)次數(shù)為20-3000次。
12.如權(quán)利要求1所述的選擇性形成高K介質(zhì)層的方法，其特征在于，所述原子層沉積腔室的壓力為0.50托，溫度為100-500攝氏度。
13.如權(quán)利要求1所述的選擇性形成高K介質(zhì)層的方法，其特征在于，排出殘留的第一前驅(qū)物、第一反應(yīng)產(chǎn)物、殘留的第二前驅(qū)物、第二反應(yīng)產(chǎn)物、殘留的刻蝕氣體和第三反應(yīng)產(chǎn)物的方法為:向原子層沉淀腔室通入惰性氣體，排出腔室中殘留的第一前驅(qū)物、第一反應(yīng)產(chǎn)物、殘留的第二前驅(qū)物、第二反應(yīng)產(chǎn)物、殘留的刻蝕氣體和第三反應(yīng)產(chǎn)物。
14.如權(quán)利要求13所述的選擇性形成高K介質(zhì)層的方法，其特征在于，所述惰性氣體為氮?dú)饣驓鍤饣騼烧叩幕旌衔?，惰性氣體的通入時(shí)間為0.10秒。
15.如權(quán)利要求1所述的選擇性形成高K介質(zhì)層的方法，其特征在于，在形成第一高K介質(zhì)層后，還包括步驟:在第二區(qū)域的半導(dǎo)體襯底表面形成第二氧化硅層；在第一高K介質(zhì)層和第二氧化硅層表面形成第二高K介質(zhì)層。
16.如權(quán)利要求15所述的選擇性形成高K介質(zhì)層的方法，其特征在于，所述第二高K介質(zhì)層的材料與第一高K介質(zhì)層的材料相同。
17.如權(quán)利要求15所述的選擇性形成高K介質(zhì)層的方法，其特征在于，所述第二高K介質(zhì)層的形成工藝為原子層沉積工藝。
【文檔編號(hào)】H01L21/28GK103681269SQ201210321917
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2012年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月3日
【發(fā)明者】陳勇 申請(qǐng)人:中芯國(guó)際集成電路制造(上海)有限公司