專利名稱：一種柵刻蝕工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種柵刻蝕工藝，具體來說，涉及一種能夠提高柵刻蝕關(guān)鍵尺寸(CD)控制能力的柵刻蝕工藝。
背景技術(shù)：
光刻工藝和柵刻蝕工藝是實現(xiàn)半導(dǎo)體制造特征尺寸的重要步驟，隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，柵刻蝕的線條越來越窄，在柵刻蝕工藝中實現(xiàn)關(guān)鍵尺寸(CD，Critical Dimension)控制的難度也隨之不斷升高。
隨著柵極線條越來越細(xì)，傳統(tǒng)的利用光阻圖案為掩膜進行硅材料刻蝕的技術(shù)由于自身的缺陷而無法滿足技術(shù)的需要(通常光阻層很厚，約3000-6000埃，而現(xiàn)在的線條越來越細(xì)，僅有500-1300埃，因此刻蝕時的深寬比很大，工藝氣體擴散進入掩膜線條的難度很大；此外，先進半導(dǎo)體制造中采用的248-193nm光阻材料在等離子體條件下非常容易變形，無法保證光阻圖案的順利轉(zhuǎn)移，也就是說CD控制差)。因此，目前半導(dǎo)體制造工藝在光阻層與多晶硅層之間加入SiON層或SiO2/SiON雙層結(jié)構(gòu)，稱為硬掩膜(Hard Mask)。柵刻蝕工藝中，首先將光阻圖案轉(zhuǎn)移至硬掩膜層后，將光阻層去除，再將硬掩膜圖案轉(zhuǎn)移至多晶硅層，形成硅柵，最后將硬掩膜層去除。光刻工藝開始前，硅片上膜層結(jié)構(gòu)依次為硅片(SiSubstrate)/柵氧層(Oxide)10-80埃/多晶硅(Poly Si)1000-2000埃/硬掩膜(Hard Mask，為SiON或SiO2/SiON雙層結(jié)構(gòu))300-500埃/光阻(PR)3000-6000埃。
在膜層結(jié)構(gòu)加入硬掩膜層后，柵刻蝕工藝開始時的硅片膜層結(jié)構(gòu)則由原來的硅片/柵氧層10-80埃/多晶硅1000-2000埃/光阻3000-6000埃變?yōu)楣杵?柵氧層10-80埃/多晶硅1000-2000A/硬掩膜300-500埃，但柵刻蝕工藝本身沒有改變，依然分為BT(Breakthrough)步，主刻(Mainetch)步，過刻(Overetch)步三個主要步驟(有時將主刻步分為兩步進行，工藝氣體種類略有改變)。其中主刻步為主體刻蝕步驟，主刻步對SiON層(Hard Mask)刻蝕選擇比(指對Si的刻蝕速率與對SiON的刻蝕速率的比值，該項比值越大，則在刻蝕Si的過程中，SiON的減少越少)不高，在刻蝕工藝中，造成硬掩膜層損傷，刻蝕線條寬度比刻蝕前明顯變窄，CD控制出現(xiàn)偏差，刻蝕工藝的關(guān)鍵尺寸控制能力(CriticalDimension Control)不好，這在低于100nm的半導(dǎo)體制造工藝中無法接受。所以，仍需要提供一種能夠提高關(guān)鍵尺寸控制能力的柵刻蝕工藝。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的目的旨在提供一種柵刻蝕工藝，能夠提高關(guān)鍵尺寸控制能力以滿足先進柵刻蝕工藝的需要。
(二)技術(shù)方案為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的發(fā)明人提供了一種新的柵刻蝕工藝，包括BT步、主刻步和過刻步，其中所述的主刻步中所使用的氣體為為選自N2O、NO、NO2、NO3、N2O5中的一種和Cl2、HBr的混合氣體。優(yōu)選Cl2、HBr和N2O的混合氣體。
所述的BT步中所使用的氣體為CF4、C2F6、Cl2中的一種。
所述的過刻步中所使用的氣體為HBr、He和O2的混合氣體。
其中在主刻步和過刻步中所使用的各種氣體之間用量比例沒有特別的要求。
對于BT步，上RF(射頻電源)功率為200-400W，下RF功率為30-100W，腔室壓力為5-15mT，氣體流量為30-100sccm。
對于主刻步，上RF功率為250-450W，下RF功率為30-100W，腔室壓力為5-30mT，氣體總流量為80-310sccm，其中Cl2為10-50sccm，HBr為50-200sccm，N2O、NO、NO2、NO3、N2O5中的一種為20-60sccm。
對于過刻步，上RF功率為250-450W，下RF功率為30-100W，腔室壓力為5-90mT，氣體總流量為155-530sccm，其中HBr為50-250sccm，He為100-250sccm，O2為5-30sccm。
本發(fā)明的柵刻蝕工藝具備實現(xiàn)多個技術(shù)代刻蝕工藝的能力(適合如180nm工藝、130nm工藝、90nm工藝等)以及對不同深寬比溝槽的刻蝕能力。
在柵刻蝕工藝主刻步中用N2O、NO、NO2、NO3、N2O5中的一種氣體取代O2，由于在刻蝕等離子體中將存在N、O原子或自由基，可以有效的抑止工藝氣體與SiON發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而提高主刻步工藝氣體對SiON的刻蝕選擇比。原主刻步工藝氣體對SiON的刻蝕選擇比為20∶1-40∶1；用N2O、NO、NO2、NO3、N2O5中的一種氣體取代O2后，主刻步工藝氣體對SiON的刻蝕選擇比可達60∶1-120∶1，使得在主刻步刻蝕工藝中，SiON層幾乎不會受到損傷，從而提高柵刻蝕工藝的關(guān)鍵尺寸控制能力。
通過冷場掃描電子顯微鏡觀察，可以看出SiON損傷明顯減弱，經(jīng)過對刻蝕前后線寬的測量后可知CD Bias明顯減小，說明加入N2O、NO、NO2、NO3、N2O5中的一種氣體后，CD控制能力顯著改善。
本發(fā)明提供的柵刻蝕工藝適用于所有柵刻蝕設(shè)備，在所有采用SiON層作為硬掩膜的刻蝕工藝中均可提高柵刻蝕工藝關(guān)鍵尺寸控制能力。
(三)有益效果該方法能夠在不改變硬件設(shè)計的前提下，僅通過改變柵刻蝕工藝中主刻工藝步驟的氣體種類和配比來提高柵刻蝕工藝關(guān)鍵尺寸控制能力，滿足先進柵刻蝕工藝的需要。這種方法簡單易行，不僅避免了系統(tǒng)硬件設(shè)計所增加的變數(shù)、保證工藝的穩(wěn)定性；還可以避免系統(tǒng)升級、節(jié)約大筆開支。


圖1為現(xiàn)有柵刻蝕工藝刻蝕后硅片截面顯微2為本發(fā)明柵刻蝕工藝刻蝕后硅片截面顯微圖所用設(shè)備為日立公司生產(chǎn)的S-4700冷場掃描電子顯微鏡，放大倍數(shù)為150,000倍。
具體實施例方式
下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。
實施例1使用硅刻蝕設(shè)備為北方微電子200mm商業(yè)機。
所采用的圖形片硅片結(jié)構(gòu)為硅片/二氧化硅(10-100埃)/多晶硅(1300-2000埃)/二氧化硅(100-150埃)/氮氧化硅(200-300埃)?？涛g圖形已由光阻轉(zhuǎn)移至硬掩膜即二氧化硅/氮氧化硅雙層結(jié)構(gòu)上。圖形片上具有80-260nm線寬圖形。
刻蝕工藝中，首先將硅片傳入刻蝕反應(yīng)室，由靜電卡盤吸附固定，腔室溫度控制為60℃，硅片溫度控制系統(tǒng)設(shè)定溫度為60℃，為提高溫度均勻性而加入的He氣背吹系統(tǒng)壓力設(shè)定為8T，輔助工藝條件穩(wěn)定后，進行刻蝕工藝。
BT步刻蝕去除多晶硅表面的原生二氧化硅薄層(空氣中自然氧化形成，厚度一般在5-20埃)。具體工藝條件如下腔室壓力7mT，上RF電源功率300W，下RF電源功率80W，工藝氣體CF4或C2F6流量50sccm。工藝時間5s。
主刻步刻蝕刻蝕去除絕大部分不需要的硅材料，形成硅柵結(jié)構(gòu)主體，是刻蝕工藝的主體部分，該步驟的關(guān)鍵尺寸控制能力對最終刻蝕結(jié)果有重要的影響。具體工藝條件如下腔室壓力15mT，上RF電源功率350W，下RF電源功率50W，工藝氣體為Cl230sccm，HBr 170sccm，O210sccm的混合氣體，工藝時間控制由終點檢測系統(tǒng)檢測控制。
過刻步刻蝕用于對主刻步刻蝕出的硅柵形狀作進一步修整完善。具體工藝條件如下腔室壓力80mT，上RF電源功率250W，下RF電源功率50W，工藝氣體為180sccm HBr、100sccm He、8sccm O2組成的混合氣體，工藝時間50s。
刻蝕工藝完成后，通過冷場掃描電子顯微鏡觀察，可以看出SiON層已經(jīng)受損，兩側(cè)損傷尤為明顯，形成圓頭，在兩側(cè)邊緣的SiON已經(jīng)完全刻蝕掉，導(dǎo)致邊緣本為硬掩膜覆蓋希望保留的硅材料由于失去硬掩膜的保護而被刻蝕掉(見圖1)，通過采用標(biāo)準(zhǔn)的CD 5點測量方法測量刻蝕前后的線寬，可以發(fā)現(xiàn)刻蝕后線條明顯變窄，CD控制出現(xiàn)偏差(數(shù)據(jù)見表1)，這在低于100nm的半導(dǎo)體制造工藝中是無法接受的。主刻步刻蝕速率為1637埃/分鐘。
表1傳統(tǒng)工藝的CD Bias(nm)

實施例2按照實施例1所述的方法，不同之處在于，在主刻步中通入由15sccmCl2、140sccm HBr和50sccm N2O組成的混合氣體，其他主刻步工藝條件包括腔室壓力15mT，上RF電源功率350W，下RF電源功率40W，工藝時間控制由終點檢測系統(tǒng)檢測控制。
柵刻蝕工藝完成后，通過冷場掃描電子顯微鏡觀察硅片截面形貌，可以看出SiON層幾乎不會受到損傷(見圖2)，通過采用標(biāo)準(zhǔn)的CD 5點測量方法測量刻蝕前后的線寬，可以看出CD Bias明顯減小，CD控制能力顯著改善(見表2)。主刻步刻蝕速率為1461埃/分鐘。
表2本發(fā)明工藝的CD Bias(nm)

本實施例測試線條為90nm線寬，可反映90nm工藝結(jié)果，眾所周知，工藝具有向下兼容性，即能滿足高端的90nm工藝時，低端的130nm、180nm工藝等完全能夠滿足要求，當(dāng)然工藝參數(shù)會有所調(diào)整。
實施例3按照實施例1所述的方法，不同之處在于，在主刻步中通入由30sccmCl2、130sccm HBr和30sccm NO組成的混合氣體，其他主刻步工藝條件包括腔室壓力15mT，上RF電源功率350W，下RF電源功率40W，工藝時間控制由終點檢測系統(tǒng)檢測控制。
柵刻蝕工藝完成后，測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)片內(nèi)各點CD Bias＜4.0nm，CD控制能力較實施例1同樣有明顯改善，SiON層損傷很小。主刻步刻蝕速率升高為1549埃/分鐘。
實施例4按照實施例1所述的方法，不同之處在于，在主刻步中通入由30sccmCl2、125sccm HBr和15sccm N2O5組成的混合氣體，其他主刻步工藝條件包括腔室壓力10mT，上RF電源功率350W，下RF電源功率50W，工藝時間控制由終點檢測系統(tǒng)檢測控制。
柵刻蝕工藝完成后，測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)片內(nèi)各點CD Bias＜5nm，由于通入N2O量較少，CD控制能力僅較實施例1有一定提高。主刻步刻蝕速率為1525埃/分鐘。
權(quán)利要求
1.一種柵刻蝕工藝，其步驟包括BT步、主刻步和過刻步，其特征在于所述的主刻步中所使用的氣體為選自N2O、NO、NO2、NO3、N2O5中的一種和Cl2、HBr的混合氣體。
2.如權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于所述的主刻步中所使用的氣體為N2O和Cl2、HBr的混合氣體。
3.如權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于所述的BT步中所使用的氣體為CF4、C2F6、Cl2中的一種。
4.如權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于所述的過刻步中所使用的氣體為HBr、He和O2的混合氣體。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種能夠提高柵刻蝕關(guān)鍵尺寸控制能力的柵刻蝕工藝，包括BT步、主刻步和過刻步，其中所述的主刻步中所使用的氣體為選自N
文檔編號C23F4/00GK1851875SQ20051012626
公開日2006年10月25日 申請日期2005年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月2日
發(fā)明者楊柏 申請人:北京北方微電子基地設(shè)備工藝研究中心有限責(zé)任公司