[发明专利]高选择性氮化物蚀刻工艺

说明书

技术领域

本公开涉及半导体处理方法，特别地涉及以相对于硅和氧化硅的高选择性各向异性蚀刻氮化硅的方法以及实现该方法的结构。

背景技术

相对于不止一种材料选择性地蚀刻氮化硅是很有挑战的。尤其在纳米尺度水平，在氮化硅的选择性蚀刻时常常观察到差的性能。

在其中形成氮化硅间隔物(spacer)以将栅电极与源极区和漏极区电隔离的间隔物模块中，观察到了氮化物蚀刻工艺的选择性的差性能的例子。足够选择性的缺乏导致在未被栅电极覆盖的半导体材料部分内形成凹陷(recess)。

在其中采用氮化硅层作为蚀刻停止层的沟槽氮化物蚀刻中，观察到氮化物蚀刻的选择性的差性能的另一个例子。在氮化硅层蚀刻期间足够选择性的缺乏使得电介质层被过量蚀刻或在硅化物本身中形成凹陷。

典型的氮化硅蚀刻工艺采用与Ar、H₂、N₂和/或O₂气体混合的单碳CH_xF_y气体。在这种氮化硅蚀刻工艺中采用的氟代烃等离子体是相对于氧化硅有选择性的，即，不蚀刻氧化硅。通过混合O₂气体，促进相对于硅的选择性，O₂气体将硅转化成氧化硅并且由此在形成氧化硅层时防止对硅的进一步腐蚀。在诸如沟槽硅化物模块这样的模块中采用硅蚀刻工艺的变型。

采用CH₃F和O₂气体的氮化硅蚀刻的缺点之一是在该蚀刻工艺中相对于硅的选择性并不是固有的，并且相对于硅的选择性依赖于硅到氧化硅的转变。然而，在纳米尺度水平，在相对的尺度上，硅到氧化硅的转变需要显著的硅消耗。结果，本领域中已知的氮化硅蚀刻工艺在纳米尺度水平并不提供相对于硅的高选择性。

发明内容

各向异性氮化硅蚀刻通过在硅表面和氧化硅表面上形成包含氟代烃的聚合物而提供相对于硅和氧化硅的选择性。采用选择性的氟代烃沉积来提供相对于非氮化物表面的选择性。包含氟代烃的聚合物与氮化硅相互作用以形成挥发性化合物，由此使得能够蚀刻氮化硅。包含氟代烃的聚合物以低反应速率与氧化硅相互作用，延迟或者完全停止对氧化硅的蚀刻。包含氟代烃的聚合物不与硅相互作用，并且保护硅不受等离子体蚀刻。在包括小于50nm的小尺寸的任何尺寸下，都可以采用该各向异性氮化硅蚀刻来相对于硅和氧化硅选择性地蚀刻氮化硅。

根据本公开的一个方面，提供了一种形成半导体结构的方法。所述方法包括：在半导体衬底上形成硅部分、氧化硅部分和氮化硅部分；以及采用包含氟代烃的等离子体各向异性蚀刻所述氮化硅部分；以及采用包含氟代烃的等离子体各向异性蚀刻所述氮化硅部分，其中具有第一厚度的第一包含氟代烃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烃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烃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。

根据本公开的另一个方面，提供了另一种形成半导体结构的方法。所述方法包括：在半导体衬底中的半导体材料部分内形成包含氧化硅的浅沟槽隔离结构；在所述半导体材料部分上形成栅极叠层，所述栅极叠层包括栅极电介质、栅电极和栅极盖帽电介质；以及在所述栅极叠层、所述半导体材料部分和所述浅沟槽隔离结构上形成氮化硅层；以及各向异性蚀刻所述氮化硅层以形成横向包围所述栅极叠层的氮化硅间隔物。所述浅沟槽隔离结构的顶面和所述半导体材料部分的顶面在所述各向异性蚀刻期间被物理暴露并且随后被凹陷。在所述半导体材料部分的表面的物理暴露之后所述氮化硅间隔物的顶面所凹陷的第一凹陷距离可以大于在所述半导体材料部分的所述表面的所述物理暴露之后所述浅沟槽隔离结构的顶面所凹陷的第二凹陷距离，并且可以大于在所述半导体材料部分的所述顶面的所述物理暴露之后所述半导体材料部分的顶面所凹陷的第三凹陷距离。

根据本公开的又一个方面，提供了又一种形成半导体结构的方法。所述方法包括：在半导体衬底中的半导体材料部分之上形成栅极叠层和至少一个栅极间隔物；在所述栅极叠层、所述栅极间隔物和所述半导体材料部分之上形成氮化硅衬里(liner)；在所述氮化硅衬里之上形成图案化的掩蔽结构；以及采用等离子体各向异性蚀刻所述氮化硅衬里以在其中形成至少一个开口。具有第一厚度的第一包含氟代烃的聚合物直接形成在所述至少一个开口的底部处的所述半导体材料部分上。具有第二厚度的第二包含氟代烃的聚合物直接形成在所述至少一个栅极间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。