專利名稱：特征尺寸收縮方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及新一代半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)下的光刻后特征尺寸收縮技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)逐漸進(jìn)入65nm、45nm時(shí)代，并向著更為先進(jìn)的22nm以及16nm進(jìn)發(fā)。然而,隨著半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)的不斷向前推進(jìn),在半導(dǎo)體器件制備前端工藝(FEOL)和后端工藝(BEOL)中的特征尺寸(Critical Dimension, CD)需求變得越來(lái)越苛刻。其中，65nm工藝中的器件特征尺寸已開(kāi)始大大小于主流平板印刷的尺寸，在半導(dǎo)體器件制備過(guò)程中，越來(lái)越多特征尺寸小于65nm、甚至小于45nm、28nm的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)開(kāi)始出現(xiàn)，光刻開(kāi)始成為半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的瓶頸。
為了解決該問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及相關(guān)企業(yè)均在光刻技術(shù)上做了大量研究，包括浸沒(méi)式、極紫外光刻等在內(nèi)的新一代光刻技術(shù)越來(lái)越多的出現(xiàn)在人們的視野中。然而，無(wú)論在考慮目前工藝節(jié)點(diǎn)下的技術(shù)難題還是未來(lái)技術(shù)時(shí)，通常有一點(diǎn)是肯定的當(dāng)前的解決方案在實(shí)在不能再用之前始終都是最好的。因此，對(duì)于半導(dǎo)體技術(shù)而言，盡可能的延長(zhǎng)干法光刻的使用時(shí)間，是業(yè)內(nèi)普遍期待并共同努力的目標(biāo)。
為了更好地解決新一代工藝節(jié)點(diǎn)中光刻所存在的瓶頸問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)了一種能夠擴(kuò)展工藝窗口的方法及工具，基于曝光后圖形增強(qiáng)系統(tǒng)采用專用等離子體輔助工藝來(lái)獲得可控的光刻膠孔洞(hole)和高達(dá)IOOnm的間隔區(qū)特征尺寸縮小(space⑶ shrink),能夠獲得小至IOnm的特征圖形,并表現(xiàn)出擴(kuò)展到22nm及以下節(jié)點(diǎn)的能力。具體的講，為了縮小特征尺寸，在印制好的光刻膠孔洞和間隔區(qū)上淀積一層薄膜，該薄膜厚度通常即為期望的特征縮小尺度。利用現(xiàn)有的光刻技術(shù)和掩膜技術(shù)，以足夠大的尺寸來(lái)印制光刻膠孔洞和間隔區(qū)，并進(jìn)一步優(yōu)化曝光容忍度(exposure latitude),以使失真最小。在完成圖形光刻之后，使用基于等離子體技術(shù)的縮小工藝來(lái)將被印制的特征圖形縮小至期望尺寸，并進(jìn)行刻蝕。而在刻蝕后的光刻膠剝離步驟中，所淀積的作為掩膜層的薄膜將被去除。 該解決方案中，淀積的薄膜具有較好的抗刻蝕等離子體的能力，從而能夠降低圖形縮小和轉(zhuǎn)移過(guò)程中的線邊緣粗糙度和失真，并能夠提供良好的特征尺寸均勻性，通常等于或優(yōu)于即將引入的新的光刻技術(shù)，并能夠在一定范圍內(nèi)對(duì)圖形中的特征尺寸進(jìn)行調(diào)整。
除此之外，中國(guó)發(fā)明專利CN200810109206. 2中還提供了一解決方案在待刻蝕的襯底上以圖形化的光致抗蝕劑和未圖形化的有機(jī)抗反射涂層(BARC)作為多層掩膜，該多層掩膜還包括位于該有機(jī)抗反射涂層和襯底層之間的未圖形化的無(wú)定形碳層，該有機(jī)抗反射涂層由一有效的負(fù)性刻蝕偏置刻蝕以減小位于由在光致抗蝕劑中確定尺寸的平板印刷之下的該多層掩膜中的開(kāi)口的 特征尺寸。而為了使用一有效的負(fù)性刻蝕偏置在有機(jī)抗反射涂層上等離子體刻蝕開(kāi)口，采用如CHF3等聚合物氣體在高頻、低壓環(huán)境下的刻蝕腔室中進(jìn)行聚合化學(xué)反應(yīng)，可以在激發(fā)等離子體時(shí)產(chǎn)生CF2種類，有益于縮減自光致抗蝕劑的有機(jī)抗反射涂層開(kāi)口的特征尺寸以提供有效的刻蝕偏置。在該技術(shù)方案中，等離子體刻蝕涉及的聚合工藝氣體是全鹵化的，如C4F8、C5F8, C6F6, C4F6等；也可以是部分鹵化的，如C4F60、CH2F2 等；該聚合工藝氣體還可以是CHF3。此外，等離子體刻蝕還涉及非聚合工藝氣體CF4以有利于產(chǎn)生更少的CF2種類，并進(jìn)一步涉及N2或NH3或He等載體氣體，以進(jìn)一步在側(cè)壁聚合形成中起到作用。
由上述描述可知，以上述解決方案為代表的實(shí)現(xiàn)特征尺寸收縮的現(xiàn)有技術(shù)均具有相同的構(gòu)思和必不可少的步驟進(jìn)行較大尺寸的光刻曝光后，采用干法刻蝕，特別是等離子體刻蝕技術(shù)實(shí)現(xiàn)特征尺寸收縮，從而得到更小特征尺寸的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
然而，現(xiàn)有技術(shù)特征尺寸收縮的等離子體刻蝕工藝中均采用CF4和聚合物氣體(如 CHF3、C4F8、CH2F2等)在高頻功率下實(shí)現(xiàn)。在該工藝條件下，雖然能夠?qū)⑻卣鞒叽缡湛s至更小， 并有效改善了低頻偏置問(wèn)題，卻由于采用了較大分子的聚合物而不可避免的使得條紋現(xiàn)象 (Striation)更為嚴(yán)重,刻蝕結(jié)構(gòu)的線邊緣粗糙度(Line-edge roughness,LER)無(wú)法得到保障。
在現(xiàn)有技術(shù)特征尺寸收縮工藝中造成條紋現(xiàn)象嚴(yán)重、刻蝕結(jié)構(gòu)線邊緣粗糙度差的原因主要有兩個(gè)1、由于等離子體刻蝕采用的聚合物氣體具有較長(zhǎng)的分子鏈，且采用的混合氣體含C量高，使得刻蝕過(guò)程中長(zhǎng)鏈CxFy聚合物不均勻地沉積在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)表面。圖1為現(xiàn)有技術(shù)中聚合物不均勻沉積形成的不規(guī)則圖形化邊界結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，由于長(zhǎng)鏈CxFy聚合物不均勻地沉積在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)表面，使得圓形或長(zhǎng)方形設(shè)計(jì)的原始圖形化區(qū)域IOla邊界形狀發(fā)生形變，成為不規(guī)則形狀，影響圖形化轉(zhuǎn)移質(zhì)量。
2、由于傳統(tǒng)等離子體刻蝕過(guò)程通常在200mT以下的低壓環(huán)境下進(jìn)行，在大分子聚合物沉積過(guò)程中帶來(lái)較為嚴(yán)重的物理轟擊進(jìn)一步加劇了對(duì)刻蝕結(jié)構(gòu)線邊緣的損傷，帶來(lái)更嚴(yán)重的條紋現(xiàn)象。圖2為現(xiàn)有技術(shù)特征尺寸收縮工藝中條紋現(xiàn)象示意圖。如圖2所示，在條紋現(xiàn)象的影響下，使得圓形或長(zhǎng)方形設(shè)計(jì)的原始圖形化區(qū)域IOlb邊界出現(xiàn)較為嚴(yán)重的毛刺或條紋102，一方面影響圖形化轉(zhuǎn)移精度，另一方面，毛刺或條紋102的出現(xiàn)，也影響了圖形化區(qū)域IOlb邊界的刻蝕質(zhì)量。
與普通大尺寸半導(dǎo)體器件相比，結(jié)構(gòu)側(cè)壁質(zhì)量對(duì)于特征尺寸較小的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)性能的影響更為顯著，如何在有效實(shí)現(xiàn)特征尺寸收縮的同時(shí)，避免引入由此帶來(lái)的側(cè)壁損傷或表面雜質(zhì)，避免條紋現(xiàn)象，改善刻蝕結(jié)構(gòu)的線邊緣粗糙度，成為新一代半導(dǎo)體工藝下制備高質(zhì)量、小特征尺寸半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)急需解決的問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種特征尺寸收縮方法，能夠在有效實(shí)現(xiàn)特征尺寸收縮的同時(shí)，避免引入由此帶來(lái)的側(cè)壁損傷或表面雜質(zhì)，避免條紋現(xiàn)象，改善刻蝕結(jié)構(gòu)的線邊緣粗糙度。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種特征尺寸收縮方法，其步驟包括提供半導(dǎo)體基底，所述半導(dǎo)體基底表面覆蓋有圖形化的光阻材料；將所述半導(dǎo)體基底置于等離子體刻蝕腔室內(nèi)；以所述圖形化的光阻材料層為掩膜，對(duì)刻蝕氣體為飽和小分子碳氟氣體、含 N氣體以及CO的混合氣體等離子化，并采用等離子化的上述氣體對(duì)半導(dǎo)體基底進(jìn)行刻蝕。
作為可選的技術(shù)方案，該特征尺寸收縮方法還包括刻蝕未圖形化的有機(jī)抗反射涂層至半導(dǎo)體基底表面的過(guò)程，所述未圖形化的有機(jī)抗反射涂層位于所述半導(dǎo)體基底和圖形化的光阻材料之間。
作為可選的技術(shù)方案，該特征尺寸收縮方法還包括刻蝕無(wú)定形碳至半導(dǎo)體基底表面的過(guò)程，所述無(wú)定形碳位于所述半導(dǎo)體基底和有機(jī)抗反射涂層之間。
作為可選的技術(shù)方案，所述飽和小分子碳氟氣體為CF4或C2F6或二者的混合氣體； 所述含N氣體為N2或NH3或二者的混合氣體。
進(jìn)一步地，等離子體刻蝕過(guò)程中，采用的刻蝕氣體為CF4、N2和CO混合氣體。
作為可選的技術(shù)方案，等離子體刻蝕過(guò)程中，所述飽和小分子碳氟氣體的氣體流量小于所述含N氣體的氣體流量，且所述含N氣體的氣體流量小于所述CO的氣體流量。
進(jìn)一步地，所述等離子體刻蝕過(guò)程中，所述飽和小分子碳氟氣體、含N氣體、CO的氣體流量比范圍為1:2:5 1:8:40。
進(jìn)一步地，所述等離子體刻蝕過(guò)程中，所述飽和小分子碳氟氣體、含N氣體、CO的氣體流量比為1:6:30。
作為可選的技術(shù)方案，所述等離子體刻蝕過(guò)程中，所述飽和小分子碳氟氣體的氣體流量小于200sccm ;所述含N氣體的氣體流量小于IOOOsccm ;所述CO的氣體流量小于 3000sccmo
作為可選的技術(shù)方案，所述等離子體刻蝕過(guò)程中，所述等離子體刻蝕腔室的腔體壓力為2OOmT 8OOmT。
進(jìn)一步地，所述等離子體刻蝕腔室的腔體壓力為750mT。
作為可選的技術(shù)方案，所述等離子體刻蝕過(guò)程中，源功率為(T400W，源功率頻率為 25MHz 120MHz ;偏置功率為20(T800W，偏置功率頻率為2MHz 15MHz。進(jìn)一步地，所述等離子體刻蝕過(guò)程在偏置功率控制下進(jìn)行，且所述源功率和偏置功率比為(Tl:20。
進(jìn)一步地，所述等離子體刻蝕過(guò)程中，偏置功率頻率為2MHz或13. 56MHz。
作為可選的技術(shù)方案，該特征尺寸收縮方法基于28nnT45nm工藝制程。
進(jìn)一步地，該特征尺寸收縮方法刻蝕的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)深寬比小于10:1。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，所提供的特征尺寸收縮方法中，采用CO替代傳統(tǒng)的碳氟化合物以及含H的碳氟化合物氣體，作為特征尺寸收縮方法中的高分子聚合物氣體，在低頻射頻功率下進(jìn)行等離子體刻蝕，能夠有效控制特征尺寸收縮過(guò)程中分子鏈長(zhǎng)度和等離子體能量、密度，從而控制等離子體刻蝕形成的聚合物分子鏈長(zhǎng)度，避免了等離子體刻蝕過(guò)程中長(zhǎng)分子鏈聚合物的形成。此外，本發(fā)明提供的特征尺寸收縮方法中，等離子體刻蝕工藝在高壓環(huán)境下進(jìn)行，能夠進(jìn)一步改善刻蝕過(guò)程中聚合物沉積的物理轟擊現(xiàn)象，從而有效避免條紋現(xiàn)象的出現(xiàn)，改善特征尺寸收縮后刻蝕結(jié)構(gòu)的線邊緣粗糙度，進(jìn)一步提高工藝質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)特征尺寸的有效、高質(zhì)量收縮。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中聚合物不均勻沉積形成的不規(guī)則圖形化邊界結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)特征尺寸收縮工藝中條紋現(xiàn)象示意圖；圖3為本發(fā)明提供的特征尺寸收縮方法步驟流程圖；圖4為本發(fā)明具體實(shí)施方式
提供的半導(dǎo)體基底結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明具體實(shí)施方式
提供的半導(dǎo)體基底表面形成圖形化光阻材料層結(jié)構(gòu)示意圖；圖6a為本發(fā)明具體實(shí)方式提供的一種電感耦合型等離子體刻蝕反應(yīng)腔室的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6b為本發(fā)明具體實(shí)方式提供的一種電容耦合型等離子體刻蝕反應(yīng)腔室的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明具體實(shí)施方式
提供的等離子體刻蝕過(guò)程中小分子聚合物沉積結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本發(fā)明一實(shí)施例中特征尺寸收縮前后特征尺寸對(duì)比示意圖；圖9為本發(fā)明又一實(shí)施例中特征尺寸收縮前后特征尺寸對(duì)比示意圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū)所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí)施方式
加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
圖3為本發(fā)明提供的特征尺寸收縮方法步驟流程圖。
如圖3所示，本具體實(shí)施方式
提供的特征尺寸收縮方法包括以下步驟步驟S1:提供半導(dǎo)體基底100，所述半導(dǎo)體基底100表面覆蓋有圖形化的光阻材料層200。
圖4為本具體實(shí)施方式
提供的半導(dǎo)體基底結(jié)構(gòu)示意圖。
作為可選實(shí)施方式，如圖4a、圖4b所示，所述半導(dǎo)體基底100可以為原始或外延的半導(dǎo)體材料晶圓110，如單晶硅/鍺硅/鍺或其他公知的II1-V族半導(dǎo)體材料晶圓110a、 帶有絕緣埋層111的單晶硅/鍺硅/應(yīng)變硅/鍺/或其他公職的II1-V族半導(dǎo)體材料晶圓 IlOb (S0I/SG0I/sS0I/G0I晶圓)等，且所述原始或外延的半導(dǎo)體材料晶圓110表面或待刻蝕區(qū)域還可以包括半導(dǎo)體摻雜的阱區(qū) 或有源區(qū)。
作為又一可選實(shí)施方式，所述半導(dǎo)體基底100可以包括形成于所述半導(dǎo)體材料晶圓110表面的各種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。作為一具體實(shí)施例，所述半導(dǎo)體基底100可以包括形成于所述半導(dǎo)體材料晶圓110表面的介電層或介質(zhì)層120,如圖4c所不，該表面介質(zhì)層120可以為用于形成多晶硅柵的柵氧化層120a和多晶硅柵層120b。此外，如圖4d、圖4e所示，所述半導(dǎo)體基底100還可以包括形成于所述半導(dǎo)體材料晶圓110表面的半導(dǎo)體器件130等半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，以及覆蓋材料晶圓110或半導(dǎo)體器件130表面的單層或多層的層間介質(zhì)層140。 作為另一具體實(shí)施例，如圖4f所不，所述半導(dǎo)體基底100還可以包括在半導(dǎo)體材料晶圓110 表面形成溝槽并在溝槽內(nèi)填充介質(zhì)材料150形成的待刻蝕結(jié)構(gòu)。
圖3為本具體實(shí)施方式
提供的半導(dǎo)體基底100表面形成圖形化的光阻材料層200結(jié)構(gòu)示意圖。
本具體實(shí)施方式
中，如圖5a所示，半導(dǎo)體基底100表面覆蓋有光阻材料層200，且其表面具有圖形化窗口 201暴露出所述半導(dǎo)體基底100表面，用于對(duì)半導(dǎo)體基底100表面圖形化窗口 201對(duì)應(yīng)區(qū)域進(jìn)行刻蝕，以實(shí)現(xiàn)圖形化轉(zhuǎn)移。該步驟中，光阻材料層200為光致抗蝕劑，即正性或負(fù)性光刻膠，其通過(guò)光刻曝光或等離子體處理開(kāi)圖形化窗口 201。
作為較佳實(shí)施例，如圖5b所示，半導(dǎo)體基底100與圖形化的光阻材料層200之間， 還包括未圖形化的有機(jī)抗反射涂層300。所述有機(jī)抗反射涂層300為有機(jī)材料，可以為聚酰胺或聚砜，其厚度為IOOA 800A。
作為又一可選實(shí)施例，如圖5c所示，半導(dǎo)體襯底100與有機(jī)抗反射涂層300之間還包括無(wú)定形碳層400。該實(shí)施例中，無(wú)定形碳層400為化學(xué)氣相沉積碳膜，該無(wú)定形碳材料以spl、sp2、sp3鍵合狀態(tài)的碳構(gòu)成,使得該膜具有熱解碳、石墨碳和類金剛石碳的混合物特性。無(wú)定形碳層400為非光敏性材料，可以通過(guò)等離子體刻蝕以高保真的重現(xiàn)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)表面覆蓋的光阻材料層200上的圖形。較佳的，所述無(wú)定形碳層400厚度為 ΙΟΟΑΙΟΟΟΑ，進(jìn)一步地，所述無(wú)定形碳層400厚度為2000A。此外，該無(wú)定形碳層400還可以包括氮或其他添加劑。
步驟S2 :將所述半導(dǎo)體基底100置于等離子體刻蝕腔室500中。
圖6為本具體實(shí)施方式
中等離子體刻蝕腔室500結(jié)構(gòu)示意圖。
該步驟中，如圖6a、圖6b所示，等離子體刻蝕腔室500底部包括一基片支撐結(jié)構(gòu) 501，所述半導(dǎo)體基底100即置于該基片支撐結(jié)構(gòu)501上。
所述等離子體刻蝕腔室500具有一源射頻功率系統(tǒng)503，刻蝕氣體在等離子體刻蝕腔室500中等離子化產(chǎn)生等離子體506。需要指出的是，本發(fā)明所提供的特征尺寸收縮方法適用于電感耦合型等離子體(ICP)刻蝕反應(yīng)腔室或電容耦合型等離子體(CCP)刻蝕反應(yīng)腔室。圖6a所示為一種電感耦合型等離子體刻蝕反應(yīng)腔室的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，源射頻功率系統(tǒng)503設(shè)置于反應(yīng)腔室500的上方并與一電感線圈(未圖示)相連接，偏置射頻功率系統(tǒng)502與基片支撐結(jié)構(gòu)501相連接。圖6b所示為一種電容耦合型等離子體刻蝕反應(yīng)腔室的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，源射頻功率系統(tǒng)503與偏置射頻功率系統(tǒng)502同時(shí)與作為下電極的基片支撐結(jié)構(gòu)501相連接。
在等離子體506中，首先是電子從電場(chǎng)中吸收能量，然后通過(guò)與各種粒子間的相互碰撞實(shí)現(xiàn)能量的傳遞、轉(zhuǎn)移，使得吸收能量的粒子產(chǎn)生激發(fā)、電離、分解等過(guò)程。因此，產(chǎn)生電場(chǎng)的源射頻功率系統(tǒng)503射頻功率的大小直接影響著等離子體的性質(zhì)，決定了所述等離子體刻蝕腔室500中等離子體密度的大小。
而所述等離子體刻蝕腔室500下方具有一偏置射頻功率系統(tǒng)502，在置于基片支撐結(jié)構(gòu)501上的半導(dǎo)體基底100上產(chǎn)生射頻偏壓，從而控制轟擊離子的能量大小。
該步驟中，所述等離 子體刻蝕腔室500還包括氣體注入裝置505，用于在等離子體刻蝕過(guò)程中通入刻蝕所需的刻蝕氣體。
作為較佳實(shí)施例，等離子體刻蝕采用電感耦合型等離子體刻蝕(ICP)技術(shù)，此時(shí)， 如圖6a所示，所述等離子體刻蝕腔室500包括兩個(gè)或兩個(gè)以上氣體注入裝置505，其分布在所述等離子體刻蝕腔室500頂部的兩側(cè)，或均勻分布在所述等離子體刻蝕腔室500頂部周圍。
作為可選實(shí)施例，等離子體刻蝕采用電感耦合型等離子體刻蝕(CCP)技術(shù)，此時(shí)， 如圖6b所示，所述等離子體刻蝕腔室500的氣體注入裝置505為置于等離子體刻蝕腔室500頂部的噴淋裝置，刻蝕氣體從等離子體刻蝕腔室500頂部注入。
需要指出的是，本具體實(shí)施方式
中，所述等離子體刻蝕腔室500還包括位于其頂部的絕緣材料窗口、位于等離子體刻蝕腔室500內(nèi)的擋板、抽真空系統(tǒng)、源射頻功率系統(tǒng) 503及偏置射頻功率系統(tǒng)502的匹配電路等等離子體刻蝕設(shè)備中的常規(guī)結(jié)構(gòu)，附圖中并未不意。
步驟S3 :以圖形化光阻材料層200為掩膜，對(duì)刻蝕氣體為飽和小分子碳氟氣體、含 N氣體以及CO的混合氣體等離子化，并對(duì)半導(dǎo)體基底100進(jìn)行刻蝕。
該步驟中，經(jīng)由氣體注入裝置505向等離子體刻蝕腔室500中注入刻蝕氣體，并在源射頻功率系統(tǒng)503的作用下產(chǎn)生等離子體506。作為最佳實(shí)施例，該步驟中，刻蝕氣體的等離子化過(guò)程采用電感耦合型等離子體(ICP)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，此時(shí)，刻蝕氣體在設(shè)置為上電極的源射頻功率系統(tǒng)503的線圈耦合作用下產(chǎn)生等離子體506。此外，作為可選實(shí)施例，該步驟中刻蝕氣體的等離子化過(guò)程還可以采用電容耦合型等離子體(CCP)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，此時(shí)，源射頻功率系統(tǒng)503設(shè)置為下電極，位于等離子體刻蝕腔室500下方。此過(guò)程中，采用的刻蝕氣體為飽和小分子碳氟氣體、含N氣體以及CO的混合氣體。具體地，所述飽和小分子碳氟氣體為CF4或C2F6或二者的混合氣體；所述含N氣體為N2或NH3或二者的混合氣體。
該步驟中，經(jīng)由氣體注入裝置505向等離子體刻蝕腔室500中注入的飽和小分子碳氟氣體的氣體流量小于含N氣體的氣體流量，而含N氣體的氣體流量小于CO的氣體流量。
該步驟中，經(jīng)由氣體注入裝置505向等離子體刻蝕腔室500中注入的飽和小分子碳氟氣體、含N氣體、CO的氣體流量比范圍為1:2:5 1:8:40，且經(jīng)由氣體注入裝置505向等離子體刻蝕腔室500中注入的飽和小分子碳氟氣體的氣體流量小于200sccm，含N氣體的氣體流量小于IOOOsccm, CO的氣體流量小于3000sccm。
作為最佳實(shí)施例，經(jīng)由氣體注入裝置505向等離子體刻蝕腔室500中注入的刻蝕氣體為CF4、N2和CO混合氣體，且注入的CF4、N2和CO氣體流量比為1:6:30。
本具體實(shí)施方式
中，低流量的CF4用作生成小分子聚合物CF的反應(yīng)氣體；N2產(chǎn)生的N離子可以起到調(diào)節(jié)聚合物濃度及聚合物的沉積速度的作用，用以控制等離子體刻蝕過(guò)程中產(chǎn)生的聚合物數(shù)量，此外，N2還可以與C元素發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生CN聚合物；高流量的CO氣體則用作提供 包括無(wú)定形碳在內(nèi)的小分子聚合物中C元素的氣體源。
本具體實(shí)施方式
提供的特征尺寸收縮方法在等離子體刻蝕過(guò)程中，以CO代替?zhèn)鹘y(tǒng)的碳氟化合物(如C4F8、CF4等)以及含H的碳氟化合物氣體(如CHF3、CH2F2等)作為該等離子體刻蝕過(guò)程中的高分子聚合物氣體，在低頻射頻功率下進(jìn)行等離子體刻蝕，能夠有效控制刻蝕過(guò)程中的等離子體能量、密度和反應(yīng)生成的聚合物分子鏈長(zhǎng)度，避免在特征尺寸收縮技術(shù)的等離子體刻蝕過(guò)程中長(zhǎng)分子鏈聚合物的形成。而采用飽和小分子碳氟氣體、含 N氣體以及CO的混合氣體進(jìn)行等離子體刻蝕，產(chǎn)生的小分子聚合物能夠均勻沉積在半導(dǎo)體基底100表面，避免了傳統(tǒng)大分子鏈聚合物不均勻沉積而帶來(lái)的條紋現(xiàn)象。
該步驟中，刻蝕氣體在源射頻功率系統(tǒng)503的作用下等離子化生成用于刻蝕的等離子體506，所述源射頻功率系統(tǒng)503提供的源功率為(T400W，源功率頻率為 25MHz 120MHz。
在低壓作用下，刻蝕氣體在源功率的激發(fā)下，產(chǎn)生電離并形成等離子體506，等離子體506是由帶電的電子和離子組成，等離子體刻蝕腔室500內(nèi)的刻蝕氣體在電子的撞擊下，除了轉(zhuǎn)變成離子外，還能吸收能量并形成大量的活性基團(tuán)，活性反應(yīng)基團(tuán)和被刻蝕物質(zhì)表面形成化學(xué)反應(yīng)并形成揮發(fā)性的反應(yīng)生成物。
在刻蝕氣體形成等離子體506過(guò)程中，當(dāng)源功率為100W左右的低射頻輸入功率時(shí)，電子密度較低，電子具有較大的平均自由程，可以從電場(chǎng)中吸收更多的能量，同時(shí)由于較低的電子密度，電子與刻蝕氣體分子、荷電粒子和中性基團(tuán)之間的反應(yīng)率也低，使得電子損失的能量較少；當(dāng)源功率增加時(shí)，電子密度迅速增加，與刻蝕氣體分子、荷電粒子和中性基團(tuán)之間的反應(yīng)率也迅速增加，使得電子能量損失變大，同時(shí)分解形成的中性基團(tuán)和荷電粒子的密度上升，電子的平均自由程縮短，電子從電場(chǎng)中吸收的能量減少；而電子與刻蝕氣體分子、荷電粒子和中性基團(tuán)之間的碰撞也使得更多的高能電子向低能電子轉(zhuǎn)化。
在源功率100W 400W范圍時(shí)，平均電子密度較為穩(wěn)定；而源功率超過(guò)400W、特別是超過(guò)600W時(shí)的高源功率情況下，平均電子密度將在高功率作用下將迅速上升，等離子體密度，特別是CF*自由活性基的濃度大幅度增加，形成長(zhǎng)分子鏈聚合物的幾率增大。因此，本具體實(shí)施方式
中，選用源射頻功率系統(tǒng)503提供的源功率為(T400W。
該步驟中，等離子體刻蝕過(guò)程在偏置射頻功率系統(tǒng)502控制下進(jìn)行，所述偏置射頻功率系統(tǒng)502提供的偏置功率為20(T800W，偏置功率頻率為2MHf 15MHz。為有效控制轟擊離子的能量大小及聚合物的濃度，源射頻功率系統(tǒng)503提供的源功率和偏置射頻功率系統(tǒng)502提供的偏置功率比為(Tl:20。
在等離子體刻蝕過(guò)程中，在偏置射頻功率系統(tǒng)502提供的偏置功率作用下，使帶正電的刻蝕氣體離子加速撞擊半導(dǎo)體基底100表面，這種離子轟擊可大大加快半導(dǎo)體基底 100表面的化學(xué)反應(yīng)以及反應(yīng)生成物的脫附。
該步驟的等離子體刻蝕過(guò)程中，等離子體刻蝕腔室500內(nèi)的腔體壓力為 200mT^800mT,即等離子體刻蝕過(guò)程在高壓環(huán)境下進(jìn)行，能夠有效控制離子能量，降低物理轟擊作用。
作為最佳實(shí)施例，特征尺寸收縮方法的等離子體刻蝕過(guò)程中離子體刻蝕腔室500 內(nèi)的腔體壓力為750mT。
圖7為等離子體刻蝕過(guò)程中小分子聚合物沉積結(jié)構(gòu)示意圖。
該步驟中，如圖7a所示，在等離子體刻蝕過(guò)程中，刻蝕氣體等離子化在等離子體刻蝕腔室內(nèi)形成等離子體，并化學(xué)反應(yīng)生成包括無(wú)定形碳在內(nèi)的小分子聚合物600，該小分子聚合物600均勻沉積在覆蓋半導(dǎo)體基底100表面的圖形化光阻材料層200表面及圖形化窗口 201側(cè)壁，從而使得對(duì)半導(dǎo)體基底100刻蝕的特征尺寸，小于光阻材料層200圖形化窗口 201的特征尺寸，實(shí)現(xiàn)等離子體刻蝕特征尺寸的縮小。
需要指出的是，為了充分體現(xiàn)特征尺寸收縮方法所能實(shí)現(xiàn)的對(duì)于特征尺寸的有效、高質(zhì)量收縮，本具體實(shí)施方式
提供的特征尺寸收縮方法，較佳的適用于28nnT45nm工藝制程，待刻蝕的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)深度通常為幾百納米，設(shè)計(jì)參數(shù)深寬比一般小于10:1，可用于后端工藝中孔洞或金屬接觸孔的刻蝕，采用本具體實(shí)施方式
提供的特征尺寸收縮方法，刻蝕所得半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的特征尺寸可縮小至20nm以下。
圖8為本具 體實(shí)施方式一實(shí)施例中特征尺寸收縮前后特征尺寸對(duì)比示意圖。
本實(shí)施例中，如圖5b所示，半導(dǎo)體基底100與圖形化的光阻材料層200之間，還包括一未圖形化的有機(jī)抗反射涂層300。此時(shí)，該特征尺寸收縮方法的等離子體刻蝕過(guò)程中， 還包括刻蝕有機(jī)抗反射涂層300至暴露半導(dǎo)體基底100表面的過(guò)程。
該刻蝕過(guò)程中，如圖7b所示，刻蝕氣體等離子化形成等離子體，并化學(xué)反應(yīng)生成包括無(wú)定形碳在內(nèi)的小分子聚合物600，該小分子聚合物600均勻沉積在圖形化光阻材料層200表面及圖形化窗口 201側(cè)壁，并在對(duì)有機(jī)抗反射涂層300的刻蝕過(guò)程中，進(jìn)一步沉積在刻蝕后的有機(jī)抗反射涂層300側(cè)壁，從而使得對(duì)半導(dǎo)體基底100刻蝕的特征尺寸，小于光阻材料層200圖形化窗口 201的特征尺寸，實(shí)現(xiàn)等離子體刻蝕特征尺寸的縮小。
如圖8所示，作為可選實(shí)施例，待刻蝕半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)采用特征尺寸收縮技術(shù)前的光刻曝光前的特征尺寸CD1為140nm，等離子體刻蝕過(guò)程中注入的刻蝕氣體為C2F6、NHjP CO的混合氣體，且注入CF4、N2和CO的氣體流量比為1:3:20，刻蝕過(guò)程中偏置射頻功率系統(tǒng)502 提供的偏置功率頻率為13. 56MHz，等離子體腔室500的腔體壓力為500mT。此時(shí)，等離子體刻蝕后得到的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)特征尺寸CD2收縮至70nm。
圖9為本具體實(shí)施方式
又一實(shí)施例中特征尺寸收縮前后特征尺寸對(duì)比示意圖。
本實(shí)施例中，如圖5c所示，半導(dǎo)體基底100表面依次覆蓋無(wú)定形碳層400、未圖形化的有機(jī)抗反射涂層300和圖形化的光阻材料層200。此時(shí)，該特征尺寸收縮方法的等離子體刻蝕過(guò)程中，還包括刻蝕有機(jī)抗反射涂層300和無(wú)定形碳層400至暴露半導(dǎo)體基底100 表面的過(guò)程。
該刻蝕過(guò)程中，如圖7c所示，刻蝕氣體等離子化形成等離子體，并化學(xué)反應(yīng)生成包括無(wú)定形碳在內(nèi)的小分子聚合物600，該小分子聚合物600均勻沉積在圖形化光阻材料層200表面及圖形化窗口 201側(cè)壁，并在對(duì)有機(jī)抗反射涂層300以及無(wú)定形碳層400的刻蝕過(guò)程中，進(jìn)一步沉積在刻蝕后的有機(jī)抗反射涂層300及無(wú)定形碳層400側(cè)壁，從而使得對(duì)半導(dǎo)體基底100刻蝕的特征尺寸，小于光阻材料層200圖形化窗口 201的特征尺寸，實(shí)現(xiàn)等尚子體刻蝕特征尺寸的縮小。
如圖9所示，作為又一可選實(shí)施例，待刻蝕半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)采用特征尺寸收縮技術(shù)前的光刻曝光前的特征尺寸CD3為lOOnm，等離子體刻蝕過(guò)程中注入的刻蝕氣體為CF4、N2和 CO的混合氣體，且注入CF4、N2和CO的氣體流量比為1:6:30，刻蝕過(guò)程中偏置射頻功率系統(tǒng) 502提供的偏置功率頻率為2MHz，等離子體腔室500的腔體壓力為750mT。此時(shí)，等離子體刻蝕后得到的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)特征尺寸CD4收縮至40nm。
本具體實(shí)施方式
所提供的特征尺寸收縮方法的優(yōu)點(diǎn)在于，采用CO替代傳統(tǒng)的碳氟化合物(CF4、C4F8等)以及含H的碳氟化合物氣體(如CHF3、CH2F2等)，作為特征尺寸收縮方法中的高分子聚合物氣體，在高壓、低頻射頻功率下進(jìn)行等離子體刻蝕，能夠有效控制特征尺寸收縮 過(guò)程中分子鏈長(zhǎng)度和等離子體能量、密度，從而控制等離子體可是過(guò)程中形成的聚合物分子鏈長(zhǎng)度，避免了等離子體刻蝕過(guò)程中長(zhǎng)分子鏈聚合物的形成。
此外，本具體實(shí)施方式
提供的特征尺寸收縮方法中，等離子體刻蝕工藝在高壓環(huán)境(200πιΓ800πιΤ)下進(jìn)行，能夠進(jìn)一步改善刻蝕過(guò)程中聚合物沉積的物理轟擊現(xiàn)象，從而有效避免條紋現(xiàn)象的出現(xiàn)，改善特征尺寸收縮后刻蝕結(jié)構(gòu)的線邊緣粗糙度，進(jìn)一步提高工藝質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)特征尺寸的有效、高質(zhì)量收縮。
采用本具體實(shí)施方式
提供的特征尺寸收縮方法，采用等離子體刻蝕實(shí)現(xiàn)尺寸收縮的圖像化轉(zhuǎn)移介質(zhì)層可以為有機(jī)抗反射涂層或其他可用作硬掩膜的介質(zhì)層，也可以為常規(guī)電介質(zhì)層。需要指出的是，本具體實(shí)施方式
提供的特征尺寸收縮方法除上述步驟外，還進(jìn)一步的包括等離子體刻蝕前的掩膜層沉積、圖形化曝光以及等離子體刻蝕后的去掩膜層、清洗等常規(guī)半導(dǎo)體工藝步驟，上述各工藝步驟均可采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的常規(guī)半導(dǎo)體方法實(shí)現(xiàn)。
上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效`修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種特征尺寸收縮方法，包括步驟 提供半導(dǎo)體基底，所述半導(dǎo)體基底表面覆蓋有圖形化的光阻材料層； 將所述半導(dǎo)體基底置于等離子體刻蝕腔室內(nèi)； 其特征在于 以所述圖形化的光阻材料層為掩膜，對(duì)刻蝕氣體為飽和小分子碳氟氣體、含N氣體以及CO的混合氣體等離子化，并采用等離子化的上述氣體對(duì)半導(dǎo)體基底進(jìn)行刻蝕。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的特征尺寸收縮方法，其特征在于，還包括刻蝕未圖形化的有機(jī)抗反射涂層至半導(dǎo)體基底表面的過(guò)程，所述未圖形化的有機(jī)抗反射涂層位于所述半導(dǎo)體基底和圖形化的光阻材料層之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的特征尺寸收縮方法，其特征在于，還包括刻蝕無(wú)定形碳至半導(dǎo)體基底表面的過(guò)程，所述無(wú)定形碳位于所述半導(dǎo)體基底和有機(jī)抗反射涂層之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的特征尺寸收縮方法，其特征在于，所述飽和小分子碳氟氣體為CF4或C2F6或二者的混合氣體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的特征尺寸收縮方法，其特征在于，所述含N氣體為N2或NH3或二者的混合氣體。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的特征尺寸收縮方法，其特征在于，所述等離子體刻蝕過(guò)程中，所述飽和小分子碳氟氣體的氣體流量小于所述含N氣體的氣體流量，且所述含N氣體的氣體流量小于所述CO的氣體流量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的特征尺寸收縮方法，其特征在于，所述等離子體刻蝕過(guò)程中，采用的刻蝕氣體為CF4、N2和CO混合氣體。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的特征尺寸收縮方法，其特征在于，所述等離子體刻蝕過(guò)程中，所述飽和小分子碳氟氣體、含N氣體、CO的氣體流量比范圍為1:2:5 1:8:40。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的特征尺寸收縮方法，其特征在于，所述等離子體刻蝕過(guò)程中，所述飽和小分子碳氟氣體、含N氣體、CO的氣體流量比范圍為1:6:30。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的特征尺寸收縮方法，其特征在于，所述等離子體刻蝕過(guò)程中，所述飽和小分子碳氟氣體的氣體流量小于200sCCm;所述含N氣體的氣體流量小于IOOOsccm ;所述CO的氣體流量小于3000sccm。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的特征尺寸收縮方法，其特征在于，所述等離子體刻蝕過(guò)程中，所述等離子體刻蝕腔室的腔體壓力為200πιΓ800πιΤ。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的特征尺寸收縮方法，其特征在于，所述等離子體刻蝕過(guò)程中，源功率為(T400W，源功率頻率為25ΜΗζ 120ΜΗζ ;偏置功率為20(T800W，偏置功率頻率為2MHz"l5MHzo
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的特征尺寸收縮方法，其特征在于，所述等離子體刻蝕過(guò)程在偏置功率控制下進(jìn)行，且所述源功率和偏置功率比為(Tl:20。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一特征尺寸收縮方法，采用CO替代傳統(tǒng)的碳氟化合物以及含H的碳氟化合物氣體，作為特征尺寸收縮方法中的高分子聚合物氣體，在低頻射頻功率下進(jìn)行等離子體刻蝕，從而有效控制特征尺寸收縮過(guò)程中分子鏈長(zhǎng)度和等離子體能量、密度，能夠控制等離子體刻蝕形成的聚合物分子鏈長(zhǎng)度，避免了等離子體刻蝕過(guò)程中長(zhǎng)分子鏈聚合物的形成。同時(shí)，該特征尺寸收縮方法的等離子體刻蝕工藝在高壓環(huán)境下進(jìn)行，能夠進(jìn)一步改善刻蝕過(guò)程中聚合物沉積的物理轟擊現(xiàn)象，從而有效避免條紋現(xiàn)象的出現(xiàn)，改善特征尺寸收縮后刻蝕結(jié)構(gòu)的線邊緣粗糙度，進(jìn)一步提高工藝質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)特征尺寸的有效、高質(zhì)量收縮。
文檔編號(hào)H01L21/3065GK103035508SQ201210593718
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者王兆祥, 杜若昕, 劉志強(qiáng), 蘇興才 申請(qǐng)人:中微半導(dǎo)體設(shè)備(上海)有限公司