CN100334688C - 一种消除栅刻蚀横向凹槽的方法 - Google Patents

Abstract

半导体制造工艺中，通过栅刻蚀工艺形成栅电极。它要求刻蚀后栅的侧壁垂直，没有横向凹槽；刻蚀尽量停止在栅氧化层上，以避免损伤下面的硅衬底，即没有栅氧化层的穿透，这就要求栅刻蚀工艺保持高的选择性，以上的要求是保证晶体管正常工作的基础。然而消除横向凹槽和保持刻蚀对栅氧化层的高选择性历来是一对矛盾，这也是栅刻蚀工艺的难点所在。本发明通过将过刻蚀步骤分为两步，第一步用高压力过刻蚀，此高压力容易使等离子体中产生高分子聚合物，使栅侧壁上及底部形成钝化保护层，第二步是一般常规的过刻蚀，它的压力相较第一步而言稍低，用来去除未刻尽的硅残留，并调整栅的侧壁垂直度。本发明方法既能保持栅的侧壁垂直、没有横向凹槽，又能保持高的选择比，解决了0.18μm以上栅刻蚀工艺的一大难点。

Description

一种消除栅刻蚀横向凹槽的方法

技术领域

本发明属于半导体制造工艺技术领域，具体涉及栅电极刻蚀时横向凹槽的消除方法。

技术背景

栅电极刻蚀工艺通常是主要是由以下三步组成，第一步：抗反射层的刻蚀(ARC OPEN)，这一步是用来打开光刻抗反射层的，栅电极的尺寸(CD)主要由这一步决定；第二步：主刻蚀(Main Etch)，用来形成栅电极的主体形状，在这一步大部分硅被快速刻尽形成栅线条，这一步主要影响栅电极的主体垂直度；第三步：过刻蚀(Over Etch)，这一步用来去除主刻蚀步骤中没有刻尽的硅残留，相对于主刻蚀步骤而言，此步骤对栅氧化层的选择性非常高(对氧化层的刻蚀速率很慢)，主要是为了防止刻穿栅氧化层，保护氧化层下面的硅衬底不受到损伤。美国专利(US5160407)用于半导体硅片上钛硅化物或者在栅氧化物上多晶硅沉淀层钛硅化物的低压力各向异性刻蚀工艺，其要解决的问题是在刻蚀钛硅化物或者钛硅化物/多晶硅/栅氧化层结构时在硅化物内凹和多晶硅靠近硅化物外凸问题。

横向凹槽正是在这步产生的，其产生机理是由于等离子体中离子和电子的入射角度的分布差异(离子入射角度分布小，垂直方向上的方向性好，电子入射角度分布大，方向性差如附图1所示)在刻蚀结构上产生局部电场，当主刻蚀结束时，栅氧化层暴露在等离子体中，此时局部电场的强度在栅的底部为最大，当离子入射时由于此局部电场的存在导致离子入射轨迹的偏转，由于物理上的轰击和化学反应引起了底部的横向刻蚀(如附图2所示)，从而产生横向凹槽。现有的用于解决横向凹槽的方法是在过刻蚀步骤中增大偏转电压(Bias power)使离子垂直方向上的能量增大、方向性增强，从而减小局部电场对离子的横向偏转，同时减小过刻蚀步骤中氧气的流量，为了精确调节氧气的流量通常是采用氦(He)稀释的氧气(70％∶30％)，但是氧气流量的减小会降低对栅氧的选择性，增加栅氧穿通的风险，正是由于这些矛盾使得栅刻蚀工艺成为整个集成电路刻蚀工艺中的难点，使得用于该模块的研发耗费了大量的人力物力。同时有些栅刻蚀设备并没有现成氦-氧混合气路可用，单纯使用O2来调节菜单，就更增加了栅刻蚀中横向凹槽的去除难度。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的难度和复杂性，尤其是在没有氦-氧混合气路的设备条件下，提出一种可简化工艺、调节难度的消除栅刻蚀横向凹槽的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，通过提高过刻蚀步骤中的压力，使得等离子体倾向于产生更多的聚合物以钝化栅的侧壁和衬底，从而减小由离子偏转引起的横向刻蚀，同时还保持住了对栅氧化层的高选择性。

本发明方法的特征是：在常规抗反射层的刻蚀(ARC OPEN)、主刻蚀(Main Etch)、恒定压力过刻蚀(Over Etch)等主要工艺步骤实现的栅电极刻蚀工艺过程中，将上述的过刻蚀分为变压力两个步骤，即第一步为60-80mTorr的高压力步骤和第二步为40-60mTorr低压力步骤，用高压力步骤中产生的聚合物对侧壁进行钝化保护，在第一步的基础上，用第二步类似常规过刻蚀来清除未刻尽的硅残留并调整栅侧壁的垂直度，去除栅刻蚀横向凹槽。

上述的变压力过刻蚀中第一步高压力的相关工作参数为：

压力(pressure mTorr)：60~80mTorr(毫托)；

源功率(source power w)：400~1000W；

偏转功率(bias power)：60~120w；

气体比率：HBr 90~200sccm；O₂ 1~7sccm。

上述的高压力刻蚀的时间可控制在10~50秒。

上述的变压力过刻蚀中第二步低压力的相关工作参数为：

压力(pressure mTorr)：40~60mTorr(毫托)；

源功率(source power w)：400~1000W；

偏转功率(bias power)：60~120w；

气体比率：HBr 90~200sccm；O₂ 1~7sccm。

上述的低压力刻蚀的时间可控制在10~50秒。

将栅的过刻蚀步骤分为两步，提高第一步中压力，形成足够的聚合物以保护侧壁后，通过第二步低压力(常规)栅过刻蚀步骤来清除未去尽的硅，并调整栅形貌使其侧壁垂直。其具体工艺菜单可设置如下：第一步：抗反射层刻蚀(ARC OPEN)；第二步：主刻蚀；第三步：高压力的过刻蚀1；第四步：低压力常规过刻蚀2。

本发明不但能成功地消除栅刻蚀中的横向凹槽，保持栅侧壁垂直及对栅氧化层很高的选择性，还简化了原本极端复杂的栅刻蚀菜单的调试，同时使得那些没有氦氧气路的设备无需进行硬件的升级改造就能刻蚀更为先进一代的栅电极，大大缩短了研发时间并节约了研发成本和生产成本。

附图说明

图1是等离子体在被刻蚀图形上产生局部电场的原理图。

图2是被刻蚀图形上局部电场而引起横向凹槽的原理图。

图中标号：1表示人射离子、2表示人射电子、3为光刻胶、4为硅栅、5为栅氧化层

具体实施方式

以0.18um 2000A非掺杂多晶硅刻蚀为例(所用设备为AMAT DPS CENTURA)，本发明的具体实施过程如下：

第一步：无机抗反射层刻蚀(ARC OPEN)：

压力(pressure mTorr)：7mTorr(毫托)；

源功率(source power w)：500W；

偏转功率(bias power)：90w；

气体比率：CF4 80sccm，时间可由终点检测(EPD)决定；

第二步：主刻蚀：

压力(pressure mTorr)：4mTorr(毫托)；

源功率(source power w)：500W；

偏转功率(bias power)：90w；

气体比率：C12 60sccm；HBr 110sccm；02 2sccm，时间可由终点检测(EPD)决定；

第三步：高压力的过刻蚀1：

压力(pressure mTorr)：70mTorr(毫托)；

源功率(source power w)：700W；

偏转功率(bias power)：90w；

气体比率：HBr 160sccm；02 3sccm，时间为30秒；

第四步：低压力的常规过刻蚀2：

压力(pressure mTorr)：50mTorr(毫托)；

源功率(source power w)：700W；

偏转功率(bias power)：90w；

气体比率：HBr 160sccm；02 3sccm，时间为30秒；

以上各步骤的具体实施时间一般应依赖于具体的刻蚀膜层厚度及膜质不同而不同，高压力的过刻蚀1和常规(低压力)过刻蚀2的具体实施时间也是依赖于主刻蚀后的形貌不同而不同，具体特点是过刻蚀1越长侧壁的钝化保护层就越厚，形貌就越倾斜，横向凹槽出现的可能性也越小，过刻蚀2的时间越长栅就越垂直，但是横向凹槽出现的可能性也就越大。为了确保既没有横向凹槽，又尽可能的侧壁垂直过刻蚀1和过刻蚀2的时间比例非常关键。这样通过反复调节过刻蚀1、2的时间比例即可达到栅刻蚀要求，从而简化栅刻蚀菜单的调试。

Claims (3)

1、一种消除栅刻蚀横向凹槽的方法，其特征在于在抗反射层的刻蚀、主刻蚀、过刻蚀主要工艺步骤中，将过刻蚀步骤分为变压力的两个步骤：第一步压力为60-80mTorr，第二步压力为40-60mTorr，用第一步中产生的聚合物对侧壁进行钝化保护，用第二步过刻蚀来清除未刻尽的硅残留并调整栅侧壁的垂直度，去除栅刻蚀横向凹槽；其中：

第一步的相关工作参数为：

源功率：400~1000W；

偏转功率：60~120w；

气体比率：HBr 90~200sccm；O₂ 1~7sccm，

第二步的相关工作参数为：

源功率：400~1000W

偏转功率：60~120w

气体比率：HBr 90~200sccm；O₂ 1~7sccm。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的第一步刻蚀的时间控制在10~50秒。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的第二步刻蚀的时间控制在10~50秒。