專利名稱：15－50納米線寬多晶硅柵的刻蝕方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件工藝及實(shí)現(xiàn)方法，特別涉及一種線寬15-50納米的多晶硅柵的反應(yīng)離子刻蝕方法，采用此方法可以提供陡直刻蝕剖面和多晶硅對其下SiO2柵介質(zhì)遠(yuǎn)大于500∶1的高選擇比刻蝕。
背景技術(shù)：
多晶硅柵圖形的刻蝕工藝決定了器件的物理柵尺寸和剖面形狀，是決定器件電學(xué)性能的最嚴(yán)格的因素之一。特別是在亞50納米器件中柵介質(zhì)厚度減薄到2.0納米以下，所以如何提高多晶硅對其下的超薄柵介質(zhì)的刻蝕選擇比，獲得極高的各向異性剖面和精確的多晶硅柵尺寸控制是三個十分嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種納米線寬多晶硅柵的刻蝕方法，該方法可刻蝕出15-50納米線寬多晶硅柵。本發(fā)明不需要購置昂貴的專用設(shè)備，可用0.5微米(500納米)工藝的老設(shè)備來完成高水平亞30納米多晶硅柵圖形的刻蝕，且具有成本低和實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。
本發(fā)明所以能克服上述三大嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，主要原因之一是把常規(guī)的三步刻蝕改成了四步刻蝕，即把主刻蝕分成了兩步，主刻蝕-1是為了獲得極好的各向異性及精確度，主刻蝕-2是為了獲得極好的刻蝕選擇比，使即使對多晶硅下的1.3納米的超薄柵介質(zhì)也不造成刻蝕損傷。同時，每一步都選擇了合理的氣體及其組份，合適的功率、壓力等刻蝕參量，它們相輔相成，才達(dá)到了理想的效果。
具體地說，本發(fā)明提供的刻蝕方法，其主要步驟如下步驟1在1.2-5.0納米厚的SiO2柵介質(zhì)上沉積100-300納米厚的多晶硅膜，然后在多晶硅膜上形成15-50納米線寬的硬掩膜圖形，包括
(1)于720℃在多晶硅膜上沉積75納米厚的正硅酸乙酯熱分解SiO2(TEOS SiO2)膜；(2)電子束光刻或光學(xué)光刻(248納米或193納米準(zhǔn)分子激光曝光等)得到90-250納米線寬的膠圖形。
(3)膠的灰化處理采用氧等離子體對膠進(jìn)行各向同性的刻蝕，達(dá)到縮小線寬的目的。
(4)氟化和烘烤用CF4等離子體對膠表面進(jìn)行處理，以提高膠的軟化溫度，然后烘烤。
(5)對無膠掩蔽區(qū)域的TEOS SiO2膜首先進(jìn)行各向異性刻蝕，去膠、清洗后，對TEOS SiO2圖形進(jìn)行各向同性的化學(xué)腐蝕，進(jìn)一步縮小線寬，以達(dá)到要求的15-50納米線寬TEOS SiO2硬掩膜圖形。
步驟2刻蝕掉無膠掩蔽區(qū)域的多晶硅表面的自然氧化物射頻功率300瓦，反應(yīng)氣體四氟化碳，氟里昂-14CF4，流量100sccm，稀釋氣體氦氣(He)，流量50sccm，工作壓力750mτ，電極溫度35℃。
步驟3主刻蝕-1，控制刻蝕掉的多晶硅占總厚度的80-90％，射頻功率250-350瓦，反應(yīng)氣體Cl2/HBr＝60-100sccm/30-50sccm，Cl2∶HBr＝2∶1，工作壓力200-300mτ，電極溫度35℃。此步能獲得極好的各向異性刻蝕。
步驟4主刻蝕-2，此步是刻蝕掉主刻蝕-1留下的20-10％的多晶硅層，至柵介質(zhì)暴露，終點(diǎn)觸發(fā)止。此步由于有合適比例的氧的加入和HBr比例的適當(dāng)增加，使多晶硅對超薄柵介質(zhì)的刻蝕選擇比大大提高(＞500∶1)，X光譜分析(XPS)表明，實(shí)際上獲得了類SiO2膜的凈沉積。射頻功率120-140瓦，反應(yīng)氣體C12/HBr/O2＝60-90sccm/40-60sccm/2.5-3.5sccm，工作壓力240-280mτ，電極溫度35℃。
步驟5過刻蝕是刻蝕凈可能殘存的多晶硅，此步由于氧的加入和HBr比例的進(jìn)一步增加，使刻蝕選擇比進(jìn)一步提高(＞＞500∶1)，因類SiO2膜凈沉積進(jìn)一步增加。射頻功率120-140瓦，反應(yīng)氣體Cl2/HBr/O2＝40-80sccm/60-120sccm/2.5-3.5sccm，工作壓力240-280mτ。


圖1為根據(jù)本發(fā)明制備的TEOS SiO2硬掩膜柵圖形的掃描電鏡(SEM)照片，柵線條寬為21.3納米。
圖2為根據(jù)本發(fā)明制備的Co/Ti硅化物形成后的多晶硅柵刻蝕剖面的SEM照片，多晶硅線寬為20.2納米。
圖3為根據(jù)本發(fā)明研制成功的柵長27納米CMOS器件剖面的透射電鏡(TEM)照片。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例步驟1包括(1)在800℃下生長氮化氧化柵介質(zhì)1.3納米；(2)620℃下沉積200納米多晶硅薄膜；(3)720℃下正硅酸乙酯熱分解沉積TEOS SiO2膜75納米；(4)電子束光刻SAL601負(fù)膠，形成100-110納米線寬膠圖形；(5)灰化和烘烤射頻功率60瓦，反應(yīng)氣體O240sccm，稀釋氣體He60sccm，工作壓力450mτ，電極距離1.5厘米，電極溫度35℃?？刂苹一瘯r間獲得50-60納米膠條線寬圖形。然后烘烤125℃，40分，緩慢升降溫；(6)反應(yīng)離子刻蝕TEOS SiO2膜，射頻功率300瓦，CHF3/CF4/Ar＝50sccm/10sccm/250sccm，工作壓力200mτ，終點(diǎn)觸發(fā)止，無過刻；(7)去膠清洗3#去膠，然后3#清洗，再1#清洗；(8)濕化學(xué)腐蝕室溫，HF/IPA/H2O＝0.5％∶0.02％∶1，腐蝕速率約0.3納米/秒，控制腐蝕時間獲得約20納米線寬圖形；圖1給出了步驟1后得到的TEOS SiO2硬掩膜柵圖形的掃描電鏡(SEM)照片，掩膜柵圖形線條寬為21.3納米。
步驟2刻蝕自然氧化層，射頻功率300瓦，反應(yīng)氣體CF4，流量100sccm，工作壓力750mτ。
步驟3主刻蝕-1刻蝕掉多晶硅總厚度的85％，反應(yīng)氣體Cl2/HBr＝80sccm/40sccm＝2∶1，射頻功率280瓦，工作壓力250mτ。
步驟4主刻蝕-2刻蝕至觸發(fā)，射頻功率130瓦，反應(yīng)氣體Cl2/HBr＝70sccm/50sccm＝1.4∶1，O2＝3sccm，工作壓力260mτ。
步驟5過腐蝕射頻功率130，反應(yīng)氣體Cl2/HBr＝60sccm/95sccm，O2＝3sccm，過腐蝕時間40％。
圖2給出了Co/Ti硅化物形成后的多晶硅柵刻蝕后剖面的SEM照片，多晶硅線寬為20.2納米。可見剖面光滑，陡直，約為90度角。高/寬比大于7。線寬損失約5納米。
圖3給出了研制成功的柵長27納米CMOS器件剖面的透射電鏡(TEM)照片，多晶硅剖面陡直、光滑。器件特性優(yōu)良。
權(quán)利要求
1.一種納米線寬多晶硅柵的反應(yīng)離子刻蝕方法，制出的柵寬為15-50納米，其主要步驟為步驟1在多晶硅膜上形成15-50納米線寬的SiO2硬掩膜圖形a)在超薄柵介質(zhì)上淀積多晶硅膜，然后淀積正硅酸乙酯熱分解SiO2薄膜；b)用準(zhǔn)分子激光或電子束曝光，光刻形成膠柵圖形；c)膠的灰化，用氧等離子體對膠進(jìn)行各向同性的刻蝕，射頻功率30-100瓦，工作壓力200-800mτ，反應(yīng)氣體氧氣，流量20-80sccm，稀釋氣體氦氣，流量30-120sccm，電極間距1-2厘米，電極溫度30-40℃；d)用CF4氣體氟化和烘烤；e)各向異性地反應(yīng)離子刻蝕正硅酸乙酯熱分解SiO2薄膜；采用的刻蝕氣體為四氟化碳氟里昂-14/三氟甲烷/氬氣，CF4流量6-30sccm，CHF3流量20-150sccm，Ar流量150-360sccm，工作壓力100-300mτ，射頻功率200-400瓦，電極間距1-2厘米，電極溫度0℃。f)用濕法化學(xué)去膠和清洗；于120℃，用體積比為H2SO4∶H2O2＝4-6∶1的溶液去膠，時間10分鐘；同一溶液清洗；于60℃用體積比為NH4OH∶H2O2∶H2O＝0.7-0.9∶1∶4-6的溶液清洗5分鐘；熱N2氣氛中甩干；g)室溫下濕法化學(xué)腐蝕，腐蝕液為40％的氫氟酸/異丙醇/H2O＝0.4-0.6％∶0.01-0.04％∶1，達(dá)到要求的15-50納米線寬TEOS SiO2硬掩膜圖形止；步驟2采用CF4腐蝕氣體去除多晶硅表面的自然氧化物，CF4氣體流量50-150sccm，功率250-350瓦，工作壓力650-850mτ，電極間距0.7-1.0厘米，電極溫度30-40℃；步驟3主刻蝕-1，采用Cl2/HBr混合氣體，刻蝕掉多晶硅總厚度的80-90％；其中Cl2/HBr＝60-100sccm/30-50sccm，射頻功率250-350瓦，工作壓力200-300mτ；步驟4主刻蝕-2，采用Cl2/HBr/O2混合氣體，刻蝕至終點(diǎn)觸發(fā)止；Cl2/HBr/O2＝60-80sccm/45-65sccm/2.5-3.5sccm，射頻功率120-140瓦，工作壓力240-280mτ；步驟5過刻蝕，采用Cl2/HBr/O2＝40-80sccm/70-120sccm/2.5-3.5sccm混合氣體，射頻功率120-140瓦，工作壓力240-280mτ。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刻蝕方法，其中步驟1中柵介質(zhì)厚1.2-5.0納米，多晶硅層厚100-300納米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刻蝕方法，其中步驟2是刻蝕掉無掩膜區(qū)域的多晶硅表面的自然氧化物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刻蝕方法，其中步驟4中主刻蝕-2是刻蝕至柵介質(zhì)暴露止。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刻蝕方法，其中步驟5過刻蝕是刻蝕凈可能殘余的多晶硅。
全文摘要
一種納米線寬多晶硅柵的刻蝕方法，主要步驟為(1)采用電子束光刻或光學(xué)光刻結(jié)合膠的灰化處理工藝和硬掩膜修整技術(shù)，獲得15－50納米線寬的硬SiO
文檔編號H01L21/3065GK1700426SQ20041004753
公開日2005年11月23日 申請日期2004年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月21日
發(fā)明者徐秋霞, 錢鶴, 趙玉印 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所