CN101866844A

CN101866844A - 多晶硅刻蚀方法

Info

Publication number: CN101866844A
Application number: CN201010172660A
Authority: CN
Inventors: 张振兴; 奚裴
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2030-05-12
Also published as: CN101866844B

Abstract

本发明公开了一种多晶硅刻蚀方法，该方法包括：提供具有第一区域和第二区域的晶片，所述第一区域形成有第一多晶硅层，所述第二区域形成有第二多晶硅层，其中，第一多晶硅层包括非掺杂层以及位于非掺杂层上的掺杂层；在第一多晶硅层和第二多晶硅层上形成图案化光阻层；执行第一刻蚀步骤，以去除未被图案化光阻层覆盖的部分第一多晶硅层和部分第二多晶硅层；执行第二刻蚀步骤，以去除未被图案化光阻层覆盖的剩余的第一多晶硅层和剩余的第二多晶硅层；在所述第一刻蚀步骤中，未被图案化光阻层覆盖的掺杂层被完全去除，从而确保形成具有垂直轮廓的栅极，提高了半导体器件的性能。

Description

多晶硅刻蚀方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，特别是涉及一种多晶硅刻蚀方法。

背景技术

在互补金属氧化物器件(CMOS)的制造工艺中，栅极的制造工艺举足轻重，其代表整个半导体制造工艺的工艺水准，这是由于栅极的线宽、电阻率等参数直接影响形成的互补金属氧化物器件的响应速率、功耗等参数，因此必须严格控制栅极的轮廓和尺寸。

目前，互补金属氧化物器件的栅极通常由多晶硅制成，一般采用干法刻蚀工艺来刻蚀所述多晶硅。具体请参考图1A～1D，其为现有的多晶硅刻蚀方法的各步骤相应结构的剖面示意图。

参考图1A，首先，提供具有第一区域和第二区域的晶片10，所述晶片10上形成有栅极氧化层20，所述第一区域的栅极氧化层20上形成有第一多晶硅层31，所述第二区域的栅极氧化层20上形成有第二多晶硅层32。

其中，所述第一区域用以形成NMOS器件，所述第二区域用以形成PMOS器件，所述第一多晶硅层31包括非掺杂层31a以及位于非掺杂层31a上的掺杂层31b，所述掺杂层31b中掺入了N型杂质，例如，磷离子、砷离子或锑离子，以改善NMOS器件的电阻率，而所述第二多晶硅层32未掺入杂质。一般的，第一多晶硅层31和第二多晶硅层32的厚度为

参考图1B，接着，可利用曝光显影等工艺，在第一多晶硅层31和第二多晶硅层32上形成图案化光阻层40。

参考图1C，接下来，以图案化光阻层40为掩膜，执行主刻蚀(Main etch)步骤，以去除未被图案化光阻层40覆盖的部分的第一多晶硅层31，同时去除未被图案化光阻层40覆盖的部分的第二多晶硅层32。一般的，在所述主刻蚀步骤中，未被图案化光阻层40覆盖的掺杂层31b未被完全去除。

其中，所述主刻蚀步骤所使用的刻蚀气体通常包括氯气、四氟化碳、氧气以及溴化氢，反应腔室压力范围为7～9mTorr，射频功率范围为700～900W，控制电压为-100V，所述主刻蚀步骤的刻蚀速率较快，且轮廓的控制效果较好。

参考图1D，执行软着陆刻蚀步骤，以去除未被剩余的第一多晶硅层和剩余的第二多晶硅层，也就是说，在软着陆刻蚀步骤中，去除第一多晶硅层31的全部非掺杂层以及剩余的掺杂层，并去除剩余的第二多晶硅层，以在所述第一区域上形成第一栅极，并在所述第二区域上形成第二栅极。

其中，所述软着陆刻蚀步骤所使用的刻蚀气体包括二氧化氦、氦气以及溴化氢，且所述软着陆刻蚀步骤的射频功率小于所述主刻蚀步骤的射频功率，并可通过光学终点检测的方式，使所述软着陆刻蚀操作停留在栅极氧化层20上，因此，所述软着陆刻蚀步骤对栅极氧化层20的选择比较高，可避免损伤栅极氧化层20，但是该软着陆刻蚀步骤对栅极轮廓的控制效果不如主刻蚀步骤理想。

然而，在实际生产中发现，由于在软着陆刻蚀步骤中，同时去除第一多晶硅层31的全部非掺杂层31b以及剩余的掺杂层，而剩余的掺杂层的刻蚀速率比非掺杂层31b的刻蚀速率快，并且，该软着陆刻蚀步骤的轮廓控制效果不如所述主刻蚀步骤理想，因此导致最终形成的第一栅极上形成了弓形缺陷(图1D中虚线所示区域)，所述弓形缺陷通常发生在掺杂层31a和非掺杂层31b的分界处，所述弓形缺陷导致最终形成的栅极轮廓较差，且栅极的尺寸偏差较大，影响了半导体器件的性能。

发明内容

本发明提供一种多晶硅刻蚀方法，以解决现有的多晶硅刻蚀方法形成的栅极轮廓较差，且栅极的尺寸偏差较大的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种多晶硅刻蚀方法，包括：提供具有第一区域和第二区域的晶片，所述第一区域形成有第一多晶硅层，所述第二区域形成有第二多晶硅层，所述第一多晶硅层包括非掺杂层以及位于所述非掺杂层上的掺杂层；在所述第一多晶硅层和第二多晶硅层上形成图案化光阻层；执行第一刻蚀步骤，以去除未被所述图案化光阻层覆盖的部分第一多晶硅层和部分第二多晶硅层；执行第二刻蚀步骤，以去除未被所述图案化光阻层覆盖的剩余的第一多晶硅层和剩余的第二多晶硅层；在所述第一刻蚀步骤中，未被所述图案化光阻层覆盖的掺杂层被完全去除。

进一步的，所述第一刻蚀步骤持续的时间根据所述晶片的掺杂层的厚度与选定的刻蚀速率计算获得。

进一步的，所述晶片的掺杂层的厚度利用以下步骤获得：提供具有第三区域和第四区域的试片，所述第三区域形成有第三多晶硅层，所述第四区域形成有第四多晶硅层，所述第三多晶硅层包括试片非掺杂层以及位于该试片非掺杂层上的试片掺杂层；在所述第三多晶硅层和第四多晶硅层上形成图案化光阻层；执行主刻蚀步骤，以去除未被图案化光阻层覆盖的部分试片掺杂层和部分第四多晶硅层；执行软着陆刻蚀步骤，以去除未被图案化光阻层覆盖的剩余的第三多晶硅层和剩余的第四多晶硅层；对所述试片进行切片分析，并根据所述切片分析结果确定所述试片掺杂层的厚度，进而确定所述晶片的掺杂层的厚度。

进一步的，所述第一刻蚀步骤所使用的刻蚀气体包括氯气、四氟化碳、氧气以及溴化氢，所述主刻蚀步骤所使用的刻蚀气体包括氯气、四氟化碳、氧气以及溴化氢，所述第二刻蚀步骤所使用的刻蚀气体包括二氧化氦、氦气以及溴化氢，所述软着陆刻蚀步骤所使用的刻蚀气体包括二氧化氦、氦气以及溴化氢。

进一步的，所述掺杂层掺入了N型杂质，所述第二多晶硅层未掺入杂质。

与现有技术相比，本发明确保在第一刻蚀步骤中，未被图案化光阻层覆盖的掺杂层被完全去除，从而确保在第二刻蚀步骤中，仅仅刻蚀非掺杂层，可形成具有垂直轮廓的栅极，并可减小栅极的尺寸偏差，提高了半导体器件的性能。

附图说明

图1A～1D为现有多晶硅刻蚀方法的各步骤相应结构的剖面示意图；

图2为本发明实施例所提供的多晶硅刻蚀方法的流程图；

图3A～3D为本发明实施例所提供的多晶硅刻蚀方法的各步骤相应结构的剖面示意图。

具体实施方式

本发明的核心思想在于，提供一种多晶硅刻蚀方法，该刻蚀方法在第一刻蚀步骤中，确保未被图案化光阻层覆盖的掺杂层被完全去除，进而确保在第二刻蚀步骤中，仅仅刻蚀非掺杂层，以形成具有垂直轮廓的栅极，并可减小栅极的尺寸偏差，提高了半导体器件的性能。

请参考图2，其为本发明实施例所提供的多晶硅刻蚀方法的流程图，结合该图，该方法包括以下步骤：

步骤S210，提供具有第一区域和第二区域的晶片，所述第一区域形成有第一多晶硅层，所述第二区域形成有第二多晶硅层，所述第一多晶硅层包括非掺杂层以及位于所述非掺杂层上的掺杂层；

步骤S220，在所述第一多晶硅层和第二多晶硅层上形成图案化光阻层；

步骤S230，执行第一刻蚀步骤，以去除未被所述图案化光阻层覆盖的部分第一多晶硅层和部分第二多晶硅层，在所述第一刻蚀步骤中，未被所述图案化光阻层覆盖的掺杂层被完全去除；

步骤S240，执行第二刻蚀步骤，以去除未被所述图案化光阻层覆盖的剩余的第一多晶硅层和剩余的第二多晶硅层。

下面将结合剖面示意图对本发明的多晶硅刻蚀方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图3A，首先，提供具有第一区域和第二区域的晶片100，所述晶片100上形成有栅极氧化层200，所述第一区域的栅极氧化层200上形成有第一多晶硅层310，所述第二区域的栅极氧化层200上形成有第二多晶硅层320。其中，所述第一区域用以形成NMOS器件，所述第二区域用以形成PMOS器件，所述第一多晶硅层310和第二多晶硅层320的厚度可以为

所述第一多晶硅层310包括非掺杂层310a以及位于非掺杂层310a上的掺杂层310b，所述掺杂层310b中掺入了N型杂质，所述第二多晶硅层320则未掺入任何杂质。优选的，掺杂层310b的N型杂质是通过离子注入的方式掺入的，所述N型杂质可以是磷离子、砷离子或锑离子。

请参考图3B，接下来，可利用曝光显影等工艺，同时在第一多晶硅层310以及第二多晶硅层320上形成图案化光阻层400，所述图案化光阻层400用于后续刻蚀步骤的掩膜层。

请参考图3C，以图案化光阻层400为掩膜，执行第一刻蚀步骤，以去除未被图案化光阻层400覆盖的部分第一多晶硅层310，同时去除未被图案化光阻层400覆盖的部分第二多晶硅层320。需要说明的是，在所述第一刻蚀步骤中，需确保未被图案化光阻层400覆盖的掺杂层310b被完全去除。

在本发明的一个具体实施例中，所述第一刻蚀步骤所使用的刻蚀气体包括氯气、四氟化碳、氧气以及溴化氢气体，所述第一刻蚀步骤的反应腔室压力范围为7～9mTorr，射频功率范围为700～900W，控制电压为-100V，所述第一刻蚀步骤的刻蚀速率较快，且轮廓的控制效果较好。

在本发明的一个具体实施例中，所述第一刻蚀步骤持续的时间可根据掺杂层310b的厚度与选定的刻蚀速率计算获得。较佳的，所述晶片100的掺杂层310b的厚度可利用以下步骤获得：

首先，提供与晶片100具有相同的结构的试片(也称为测试晶片)，具体的说，所述试片具有第三区域和第四区域，所述第三区域形成有第三多晶硅层，所述第四区域形成有第四多晶硅层，所述第三多晶硅层包括试片非掺杂层以及位于该试片非掺杂层上的试片掺杂层，其中，所述第三多晶硅层相当于晶片100的第一多晶硅层310，第四多晶硅层相当于晶片100的第二多晶硅层320。

接着，执行主刻蚀步骤，以去除未被所述图案化光阻层覆盖的部分试片掺杂层和部分第四多晶硅层；接下来，执行软着陆刻蚀步骤，以去除未被所述图案化光阻层覆盖的剩余的第三多晶硅层和剩余的第四多晶硅层。其中，所述主刻蚀步骤和软着陆刻蚀步骤的工艺条件与现有技术相同，也就是说，所述主刻蚀步骤所使用的刻蚀气体仍然为氯气、四氟化碳、氧气以及溴化氢，反应腔室压力为7～9mTorr，射频功率为700～900W，控制电压为-100V；所述软着陆刻蚀步骤所使用的刻蚀气体包括二氧化氦、氦气以及溴化氢气体，反应腔室压力为70～90mTorr，射频功率为200～300W，控制电压为-240V。

之后，可利用扫描式电子显微镜对所述试片进行切片分析(check crosssection)，由于在软着陆刻蚀步骤中，需要同时刻蚀所述试片非掺杂层以及剩余的试片掺杂层，而剩余的试片掺杂层的刻蚀速率比试片非掺杂层的刻蚀速率快，并且，该软着陆刻蚀步骤的轮廓控制效果不如所述主刻蚀步骤理想，导致所述试片上会出现弓形缺陷，所述弓形缺陷出现在试片掺杂层和试片非掺杂层的分界处，因此，可根据所述切片分析结果确定所述试片的掺杂层的厚度，进而确定所述晶片的掺杂层的厚度，从而确定所述第一刻蚀步骤需持续的时间。

请参考图3D，执行第二刻蚀步骤，以去除剩余的第一多晶硅层和剩余的第二多晶硅层，也就是说，在所述第二刻蚀步骤中，仅仅刻蚀未被图案化光阻层400覆盖的非掺杂层310a，并同时刻蚀未被图案化光阻层400覆盖的剩余的第二多晶硅层。

由于在轮廓控制效果相对较差的第二刻蚀步骤中，无需同时刻蚀掺杂的多晶硅和非掺杂的多晶硅，避免由于掺杂多晶硅与非掺杂多晶硅的刻蚀速率不一致而导致出现弓形缺陷，减小了栅极的尺寸偏差，提高了半导体器件的性能。

在本发明的一个具体实施例中，所述第二刻蚀步骤所使用的刻蚀气体包括二氧化氦、氦气以及溴化氢气体，反应腔室压力范围为70～90mTorr，射频功率范围为200～300W，控制电压为-240V。在所述第二刻蚀步骤中，可通过光学终点检测的方式，使所述刻蚀操作停留在栅极氧化层200上，以提高刻蚀选择比，避免损伤栅极氧化层200。

在本发明第一实施例中，所述第一刻蚀步骤是在掺杂层310b被去除后，即停止刻蚀操作，然而应当认识到，在本发明其它实施例中，也可在刻蚀掉所述掺杂层310b后，再持续2～3秒钟，然后再进行第二刻蚀步骤，以进一步确保掺杂层310被完全去除。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种多晶硅刻蚀方法，包括：

提供具有第一区域和第二区域的晶片，所述第一区域形成有第一多晶硅层，所述第二区域形成有第二多晶硅层，所述第一多晶硅层包括非掺杂层以及位于所述非掺杂层上的掺杂层；

在所述第一多晶硅层和第二多晶硅层上形成图案化光阻层；

执行第一刻蚀步骤，以去除未被所述图案化光阻层覆盖的部分第一多晶硅层和部分第二多晶硅层；

执行第二刻蚀步骤，以去除未被所述图案化光阻层覆盖的剩余的第一多晶硅层和剩余的第二多晶硅层；

其特征在于，在所述第一刻蚀步骤中，未被所述图案化光阻层覆盖的掺杂层被完全去除。

2.如权利要求1所述的多晶硅刻蚀方法，其特征在于，所述第一刻蚀步骤持续的时间根据所述晶片的掺杂层的厚度与选定的刻蚀速率计算获得。

3.如权利要求2所述的多晶硅刻蚀方法，其特征在于，所述晶片的掺杂层的厚度利用以下步骤获得：

提供具有第三区域和第四区域的试片，所述第三区域形成有第三多晶硅层，所述第四区域形成有第四多晶硅层，所述第三多晶硅层包括试片非掺杂层以及位于该试片非掺杂层上的试片掺杂层；

在所述第三多晶硅层和第四多晶硅层上形成图案化光阻层；

执行主刻蚀步骤，以去除未被所述图案化光阻层覆盖的部分试片掺杂层和部分第四多晶硅层；

执行软着陆刻蚀步骤，以去除未被所述图案化光阻层覆盖的剩余的第三多晶硅层和剩余的第四多晶硅层；

对所述试片进行切片分析，并根据所述切片分析结果确定所述试片掺杂层的厚度，进而确定所述晶片的掺杂层的厚度。

4.如权利要求3所述的多晶硅刻蚀方法，其特征在于，所述第一刻蚀步骤所使用的刻蚀气体包括氯气、四氟化碳、氧气以及溴化氢。

5.如权利要求4所述的多晶硅刻蚀方法，其特征在于，所述主刻蚀步骤所使用的刻蚀气体包括氯气、四氟化碳、氧气以及溴化氢。

6.如权利要求3所述的多晶硅刻蚀方法，其特征在于，所述第二刻蚀步骤所使用的刻蚀气体包括二氧化氦、氦气以及溴化氢。

7.如权利要求6所述的多晶硅刻蚀方法，其特征在于，所述软着陆刻蚀步骤所使用的刻蚀气体包括二氧化氦、氦气以及溴化氢。

8.如权利要求1至7中任意一项所述的多晶硅刻蚀方法，其特征在于，所述掺杂层掺入了N型杂质。

9.如权利要求8所述的多晶硅刻蚀方法，其特征在于，所述第二多晶硅层未掺入杂质。