CN101789363A

CN101789363A - 一种基于氧化和化学机械抛光工艺制备超细线条的方法

Info

Publication number: CN101789363A
Application number: CN 201010128839
Authority: CN
Inventors: 艾玉杰; 许晓燕; 黄如; 安霞; 郝志华; 范春晖; 浦双双; 王阳元
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2010-03-22
Filing date: 2010-03-22
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2030-03-22
Also published as: CN101789363B

Abstract

本发明提供了一种基于氧化和化学机械抛光工艺制备超细线条的方法，属于超大规模集成电路制造技术领域。该方法包括：制备化学机械抛光停止层；淀积氮化硅薄膜；在氮化硅薄膜上淀积多晶硅薄膜；将多晶硅薄膜加工成条状；在条状多晶硅的顶面和两个侧面上生长氧化硅，衬底材料由于氮化硅的保护没有被氧化；再淀积一层多晶硅，并以停止层为准化学机械抛光该多晶硅，在氧化硅的保护下依次干法刻蚀多晶硅、氮化硅和衬底材料，然后腐蚀去掉氧化硅硬掩模，制备出衬底材料的细线条。本发明制备出的超细线条的形状可以接近矩形，且线条左右两侧衬底材料分布情况一致。

Description

一种基于氧化和化学机械抛光工艺制备超细线条的方法

技术领域

本发明涉及超大规模集成电路制造技术，具体是一种基于氧化和化学机械抛光工艺制备超细线条的方法。

背景技术

为了不断提高集成电路的性能和集成密度，集成电路中器件的特征尺寸在不断缩小，对光刻技术提出了越来越高的要求。尽管采用了光学邻近效应修正技术和移相掩模技术等提高光学分辨率的手段，传统的光学光刻在70nm时会在技术上存在无法克服的难关。因此，下一代光刻技术，例如极紫外光刻、X射线光刻、电子束光刻、离子束投影光刻等引起了研究者的关注，而且最近几年来研究迅速升温，其中，电子束光刻技术是目前应用比较广泛的制备纳米细线条的方法，然而电子束光刻的效率很低，不利于大规模生产，并且由于电子束散射导致的邻近效应的影响，采用电子束光刻技术制备20纳米以下的线条会遇到很大挑战。所以有必要开发基于现有的传统光刻工艺制备超细线条的方法。

德国多特蒙德大学采用侧墙技术成功制备出亚100nm场效应晶体管[JohnT,etal.,TED1998,45,299-305.]。利用侧墙工艺制备细线条的主要工艺包括：（1）在衬底上淀积氧化硅，并将氧化硅加工为条状；（2）淀积氮化硅覆盖层；（3）各向异性干法刻蚀氮化硅，在氧化硅条两侧的台阶处将形成氮化硅侧墙；（4）用氢氟酸腐蚀掉氧化硅支撑层，然后以氮化硅侧墙为掩模各向异性刻蚀衬底材料，制备出衬底材料的细线条。但侧墙工艺存在如下缺点：（1）利用侧墙工艺制备出的硬掩模细线条的截面并非是理想矩形，而是接近于三角形，该细线条的截面形状很容易通过刻蚀工艺转移到衬底材料的细线条上；（2）侧墙工艺中采用湿法腐蚀工艺去掉氧化硅支撑层，然而由于水的张力作用，容易导致氧化硅细线条倒塌。

文献[Yang-KyuChoi,etal.,J.Phys.Chem.B2003,107,3340-3343.]报道了另外一种基于侧墙工艺制备细线条的方法，其主要工艺流程包括：（1）在衬底上依次生长氧化硅和多晶硅，并将多晶硅加工为条状；（2）淀积氧化硅覆盖层；（3）各向异性干法刻蚀氧化硅，在多晶硅条两侧的台阶处将形成氧化硅侧墙；（4）通过干法刻蚀去掉多晶硅支撑层和底层氧化硅，并继续刻蚀衬底材料，制备出衬底材料的细线条。虽然没有采用湿法腐蚀工艺，但解决了硬掩膜细线条容易倒塌的问题，但仍然存在以下缺点：（1）硬掩模细线条截面并非理想矩形，这种截面形状很容易通过刻蚀工艺转移到衬底材料的细线条上；（2）由于氧化硅硬掩模两侧材料分布情况不一致，即硬掩模细线条一侧有多晶硅和氧化硅材料，另一侧仅有氧化硅材料，导致最终得到的衬底材料的细线条两侧高度不一致，有多晶硅一侧的细线条高度将会小于另一侧的高度，如图1所示。

最近美国专利US2009/0124097Al报道了一种基于氧化工艺制备细线条的方法，参考图2，其主要流程包括：（1）在衬底上依次生长底层氮化硅、多晶硅和顶层氮化硅，然后将顶层氮化硅和多晶硅加工成条状；（2）通过氧化工艺在多晶硅条的两侧生长氧化硅，由于氮化硅的保护，衬底材料和多晶硅顶部没有被氧化；（3）采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺去掉顶层氮化硅和多晶硅支撑层，形成氧化硅硬掩模细线条；（4）在氧化硅硬掩模细线条的保护下各向异性刻蚀衬底材料，制备出衬底材料的细线条。此工艺也存在缺点，即多晶硅支撑层若通过湿法腐蚀工艺去掉，则在腐蚀过程中会存在与侧墙工艺类似的氧化硅硬掩模细线条倒塌问题；若多晶硅通过干法刻蚀工艺去掉，则会导致最终形成的衬底材料的细线条两侧高度不一致。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于氧化和化学机械抛光工艺制备超细线条的方法。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的：

一种制备细线条的方法，包括以下步骤：

（1）制备化学机械抛光停止层

该步骤主要目的是制备出后续化学机械抛光氧化硅和多晶硅时的停止层，该停止层采用氮化硅薄膜材料，氮化硅薄膜的厚度决定了最终形成氧化硅细线条的高度。可通过以下工艺步骤予以实现。

a）在衬底上淀积氮化硅薄膜；

b）在氮化硅薄膜上涂光刻胶，光刻定义出将要作为化学机械抛光停止层的区域；

c）通过湿法腐蚀工艺将光刻胶上的图形转移到氮化硅薄膜上；

d）去掉光刻胶。

（2）制备氧化硅细线条

该步骤主要目的是制备出氧化硅细线条，作为形成衬底材料细线条的硬掩模。氧化硅细线条的高度根据最终要制备出的衬底材料细线条的高度而定，可通过步骤（1）中化学机械抛光停止层的厚度进行控制。氧化硅细线条的宽度根据最终要制备出的衬底材料细线条的宽度而定，可通过氧化工艺精确控制。该步骤主要包括以下工艺流程：

a）在衬底材料和作为化学机械抛光停止层的氮化硅薄膜上淀积一薄层氮化硅；

b）在氮化硅薄膜材料上淀积多晶硅薄膜；

c）在多晶硅薄膜上涂光刻胶，通过光刻定义线条；

d）通过干法刻蚀将光刻胶上的图形转移到多晶硅上，形成多晶硅线条，并去掉光刻胶；

e）通过氧化工艺在多晶硅线条的上表面和左右两个侧面形成氧化硅薄膜，衬底材料由于受到氮化硅薄膜的保护而没有被氧化，该薄膜厚度决定了最终形成氧化硅细线条的宽度；

f）淀积多晶硅，并化学机械抛光多晶硅，以氮化硅作为停止层，制备出氧化硅细线条，该氧化硅细线条截面形状接近理想矩形，此外，氧化硅细线条左右两侧材料分布情况是一致的；

（3）制备衬底材料细线条

该步骤主要目的是采用各向异性干法刻蚀工艺将氧化硅定义的细线条形状转移到衬底材料上，由于氧化硅细线条截面形状接近理想矩形，并且氧化硅细线条左右两侧材料分布情况是一致的，所以制备出的衬底材料细线条形状接近理想矩形，并且衬底材料细线条两侧高度是一致的，该步骤主要包括以下工艺流程。

a）刻蚀剩余多晶硅薄膜；

b）刻蚀氮化硅薄膜至衬底；

c）刻蚀衬底材料，得到衬底材料的细线条；

d）通过腐蚀工艺去掉氧化硅。

上述方法中，淀积多晶硅和氮化硅采用化学气相沉积法，刻蚀氮化硅、多晶硅和衬底材料采用各向异性干法刻蚀技术，采用热的浓磷酸湿法腐蚀氮化硅，采用缓冲氢氟酸湿法腐蚀氧化硅。

上述方法的步骤（3）中，也可以通过采用刻蚀多晶硅的条件依次刻蚀多晶硅薄膜、氮化硅薄膜至衬底。

本发明的技术优点和效果：

针对传统工艺制备超细线条方法中存在的问题，本发明提出了一种基于氧化和化学机械抛光工艺制备超细线条的方法。采用此方法制备出的硬掩模细线条截面形状接近理想矩形，制备出的衬底材料细线条的形状也接近矩形。此外，采用此工艺制备出的硬掩膜细线条左右两侧材料分布情况一致，因此可以制备出左右两侧高度相同的衬底材料的细线条。且此方法在制备硬掩模细线条的过程中没有使用湿法腐蚀工艺，解决了硬掩模细线条在湿法腐蚀过程中容易倒塌的问题。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步详细地说明：

图1是文献[Yang-KyuChoi,etal.,J.Phys.Chem.B2003,107,3340-3343.]提出的侧墙工艺制备出的衬底材料细线条的SEM照片；

图2(a)-(d)是美国专利US2009/0124097Al报道的基于氧化工艺制备细线条的流程示意图。工艺流程的简要说明如下：图2(a)在衬底上依次生长底层氮化硅、多晶硅、和顶层氮化硅，然后将顶层氮化硅和多晶硅加工成条状；图2(b)通过氧化工艺在多晶硅条的两侧生长氧化硅，由于氮化硅的保护，衬底材料和多晶硅顶部没有被氧化；图2(c)采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺去掉顶层氮化硅和多晶硅支撑层，形成氧化硅硬掩模细线条；图2(d)在氧化硅硬掩模细线条的保护下各向异性刻蚀衬底材料，制备出衬底材料的细线条；

图3(a)-(h)是本发明提出的基于氧化和化学机械抛光工艺制备超细线条的工艺流程示意图，其中，图3(a)在衬底上淀积氮化硅薄膜；图3(b)通过光刻、腐蚀工艺在衬底的一部分区域留下氮化硅薄膜，作为后续化学机械抛光工艺停止层；图3(c)在衬底上淀积氮化硅薄膜；图3(d)在氮化硅薄膜上淀积多晶硅薄膜；图3(e)通过光刻、刻蚀工艺将多晶硅薄膜加工成条状；图3(f)通过氧化工艺在多晶硅条的顶面和两个侧面上生长氧化硅，衬底材料由于氮化硅的保护没有被氧化；图3(g)淀积多晶硅，并化学机械抛光多晶硅，以氮化硅为停止层；图3(h)在氧化硅的保护下依次干法刻蚀多晶硅，氮化硅和衬底材料，制备出衬底材料的纳米线。

图中：1——衬底材料；2——氮化硅；3——多晶硅；4——氧化硅；5——衬底材料细线条。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，具体给出一实现本发明提出的制备细线条的工艺方案，但不以任何方式限制本发明的范围。

根据下列步骤制备宽度约为10纳米的细线条：

1. 在硅衬底上低压化学气相沉积氮化硅，厚度为500

，如图3(a)所示；

2. 接着在氮化硅薄膜上涂光刻胶，光刻定义出将要作为化学机械抛光停止层的区域；

3. 热的(170℃)浓磷酸煮氮化硅500

；

4. 去掉光刻胶，如图3(b)所示；

5. 在硅衬底和作为化学机械抛光停止层的氮化硅薄膜上淀积氮化硅，厚度为50

，如图3(c)所示；

6. 在氮化硅薄膜材料上淀积多晶硅薄膜，厚度为2000

，如图3(d)所示；

7. 在多晶硅薄膜上涂光刻胶，通过光刻定义线条；

8. 干法刻蚀多晶硅2000

；

9. 去掉光刻胶，如图3(e)所示；

10.通过干氧氧化在多晶硅线条的上表面和左右两个侧面生长氧化硅薄膜，厚度为100

，如图3(f)所示；

11.淀积多晶硅2000

；

12.化学机械抛光多晶硅，以氮化硅停止层为准，形成宽度为100

的氧化硅细线条，如图3(g)所示；

13.各向异性干法刻蚀多晶硅500；

14.各向异性干法刻蚀氮化硅50

；

15.各向异性干法刻蚀硅2000，如图3(h)所示；

16.缓冲氢氟酸腐蚀去掉氧化硅硬掩模，得到所需的硅细线条。

上面描述的实施例并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的更动和润饰，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。

Claims

1.一种超细线条的制备方法，其包括如下步骤：

1)在衬底上制备化学机械抛光停止层；

2)淀积一氮化硅层，在氮化硅层上淀积一多晶硅层；

3)将上述多晶硅加工成条状；

4)通过氧化工艺在上述条状多晶硅的顶面和两个侧面生长氧化硅；

5)再次淀积一多晶硅层，以所述停止层为准，化学机械抛光多晶硅；

6)在氧化硅的保护下依次干法刻蚀剩余多晶硅、氮化硅和衬底材料，然后腐蚀去掉氧化硅，制备出衬底材料的细线条。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）具体包括：

2-a）在衬底上淀积一氮化硅层；

2-b）在氮化硅层上涂光刻胶，通过光刻定义将要作为停止层的区域；

2-c）通过湿法腐蚀工艺将光刻胶上的图形转移到氮化硅层上；

2-d）去掉光刻胶。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3）具体包括：

3-a）在多晶硅层上涂光刻胶，通过光刻定义线条；

3-b）通过干法刻蚀光刻胶上的图形转移到多晶硅层上，形成多晶硅线条，并去掉光刻胶。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，淀积多晶硅和氮化硅采用化学气相沉积法。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤6）中，刻蚀多晶硅、氮化硅和衬底材料采用各向异性干法刻蚀。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤6）中，采用缓冲氢氟酸湿法腐蚀氧化硅。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）中，停止层的厚度为20-100nm。

8.如权利要求1或7所述的方法，其特征在于，步骤2）中，氮化硅层的厚度为5-10nm。