CN102184852B

CN102184852B - 双掺杂多晶硅刻蚀方法

Info

Publication number: CN102184852B
Application number: CN201110061799.1A
Authority: CN
Inventors: 易春燕
Original assignee: Shanghai Integrated Circuit Research and Development Center Co Ltd
Current assignee: Shanghai IC R&D Center Co Ltd
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2031-03-15
Also published as: CN102184852A

Abstract

本发明公开了一种双掺杂多晶硅刻蚀方法，包括：提供包含N型掺杂区域和P型掺杂区域的多晶硅层；在所述多晶硅层上形成图形化硬掩模层；以图形化硬掩模层为掩模，执行第一刻蚀步骤，去除部分厚度的多晶硅层；继续以图形化硬掩模层为掩模，执行第二刻蚀步骤，去除剩余的多晶硅层；其中，所述第一刻蚀步骤使用的刻蚀气体包括含氮气体和四氟化碳。本发明可在减小N型多晶硅栅和P型多晶硅栅的形貌差异的前提下，保证对硬掩模层具有较高的刻蚀选择比，加大刻蚀步骤的工艺窗口。

Description

双掺杂多晶硅刻蚀方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，具体涉及一种双掺杂多晶硅刻蚀方法。

背景技术

随着集成电路尺寸的不断缩小，工艺流程亦在不断的演化。为了实现更小的栅电极尺寸，可以利用光刻和刻蚀的方法来实现，即光刻工艺采用更为先进的193nm光刻胶，来达到更高的分辨率，同时利用刻蚀的方法亦可以缩小关键尺寸(CDtrim)。

所述193nm光刻胶与传统光刻胶相比最大的特点是其抗刻蚀性能比较差，在刻蚀过程中，该193nm光刻胶表面极易起皱，并且线条容易扭曲、弯曲，同时容易产生严重的线边缘粗糙(lineedgeroughness)等问题，从而影响最终器件的性能。

具体的说，由于193nm光刻胶较差的抗刻蚀性能，会导致光刻胶厚度不够，或者光刻胶在刻蚀过程中的扭曲变形，从而影响到最终栅电极的刻蚀形貌。为此，在刻蚀多晶硅层的过程中，通常在多晶硅层上加入一层厚度适当的硬掩模层(通常为氧化硅层)，之后刻蚀所述硬掩模层以形成图形化硬掩模层，接着去除193nm光刻胶，转而使用所述图形化硬掩模层作为硬掩模层，使得后续的刻蚀步骤工艺窗口更大，即后续多晶硅刻蚀步骤就可以不考虑193nm光刻胶引入的变形、弯曲、扭曲等问题。也就是说，只要硬掩模层的刻蚀能够保证足够好的CD和LWR性能，即接下来只要将图形化硬掩模的图案传递到多晶硅层上即可。为此在后续多晶硅层的刻蚀过程中，只要保证做到常规的双掺杂多晶硅刻蚀要求，同时又保证对硬掩模层的足够刻蚀选择比即可。

一般的，常规双掺杂多晶硅(即包含N型掺杂区域和P型掺杂区域的多晶硅)刻蚀有如下要求：垂直的侧壁形貌、无栅氧化层损伤、无硬掩模层损伤、CD偏差均匀性(3西格玛)小于5nm、最终形成的N型与P型多晶栅之间的关键尺寸(CD)偏差小于10nm。

然而，在双掺杂多晶硅刻蚀过程中，由于N型掺杂多晶硅的刻蚀速率通常比P型掺杂多晶硅的蚀速率快，因此N型掺杂多晶硅的形貌更容易内凹，并且N型掺杂多晶硅的CD也比P型掺杂多晶硅的CD小。目前，为了保证N型掺杂多晶硅与P型掺杂多晶硅的刻蚀特性差异最小，通常在常规的多晶硅刻蚀气体中加入含氟气体(例如为四氟化碳)，此类含氟气体可以减少N型掺杂多晶硅和P型掺杂多晶硅的刻蚀速率差异，但是此类氟气体的加入大大降低了对硬掩模层(如二氧化硅层)的刻蚀选择比(selectivity)。

详细的，在现有的双掺杂多晶硅的刻蚀过程中，通常包括以下三个刻蚀步骤：第一刻蚀步骤(也称为主刻蚀步骤1)，以去除部分厚度的多晶硅层；第二刻蚀步骤(也称为主刻蚀步骤2)，去除剩余的多晶硅层；第三刻蚀步骤(也称为过刻蚀步骤)，去除多晶硅残渣，以形成N型多晶硅栅和P型多晶硅栅。通常在主刻蚀步骤1中加入一定比例的含氟气体，来调节最终形成的N型多晶硅栅与P型多晶硅栅之间的形貌差异；然而，只有当此类含氟气体的比例超过某一比例时，才能弥补N型多晶硅栅与P型多晶硅栅之间的形貌差异。例如，只有当四氟化碳气体比例超过20％时，N型与P型多晶硅栅的形貌差异才能减少到可以接受的水准。但是，当四氟化碳比例不断上升时，刻蚀菜单(recipe)对硬掩模层的刻蚀选择比亦直线下降，从而导致硬掩模层的厚度不够完成剩余多晶硅的刻蚀。

由此可见，对于双掺杂多晶硅刻蚀工艺而言，其难点在于N型多晶硅栅和P型多晶硅栅的刻蚀形貌要求与对硬掩模层高刻蚀选择比之间的矛盾。而此硬掩模层的厚度又是不能随意增加的，该硬掩模层的厚度是由光刻特性和刻蚀特性同时决定的。因此，提供一种双掺杂多晶硅刻蚀方法，能够使得N型多晶硅栅和P型多晶硅栅的形貌差异降至最小，同时又保证了对硬掩模层足够高的刻蚀选择比，是非常必要的。

发明内容

本发明提供一种双掺杂多晶硅刻蚀方法，能够减小N型多晶硅栅和P型多晶硅栅的形貌差异，并能保证对硬掩模层具有较高的刻蚀选择比。

为解决上述技术问题，本发明提供一种双掺杂多晶硅刻蚀方法，包括：提供包含N型掺杂区域和P型掺杂区域的多晶硅层；在所述多晶硅层上形成图形化硬掩模层；以图形化硬掩模层为掩模，执行第一刻蚀步骤，去除部分厚度的多晶硅层；继续以图形化硬掩模层为掩模，执行第二刻蚀步骤，去除剩余的多晶硅层；其中，所述第一刻蚀步骤使用的刻蚀气体包括含氮气体和四氟化碳。

可选的，在所述的双掺杂多晶硅刻蚀方法中，所述含氮气体为氮气；所述氮气的流量为1～12sccm；所述第一刻蚀步骤使用的刻蚀气体还包括溴化氢、氯气、氧气中的一种或多种；所述第一刻蚀步骤的压力为5～40mTorr，源功率为250～800W，偏转电压为-60～-200V。

可选的，在所述的双掺杂多晶硅刻蚀方法中，所述第二刻蚀步骤使用的刻蚀气体包括含氮气体；所述含氮气体为氮气；所述氮气的流量为1～6sccm；所述第二刻蚀步骤使用的刻蚀气体还包括溴化氢、氯气、氧气中的一种或多种；压力为15～50mTorr，源功率为150～600W，偏转电压为-60～-200V。

可选的，在所述的双掺杂多晶硅刻蚀方法中，还包括第三刻蚀步骤，所述第三刻蚀步骤使用的刻蚀气体包括溴化氢、氧气、氦气中的一种或多种；压力为40～80mTorr，源功率为150～600W，偏转电压为-60～-300V。

可选的，在所述的双掺杂多晶硅刻蚀方法中，执行第一刻蚀步骤之后，剩余的多晶硅层的厚度为

可选的，在所述的双掺杂多晶硅刻蚀方法中，在所述多晶硅层上形成图形化硬掩模层的步骤包括：在所述多晶硅层上依次形成硬掩模层、抗反射层和光刻胶层；图形化所述光刻胶层形成图形化光刻胶层；以所述图形化光刻胶层为掩模，刻蚀所述抗反射层形成图形化抗反射层；继续刻蚀所述图形化光刻胶层和图形化抗反射层，使所述图形化光刻胶层和图形化抗反射层的关键尺寸缩小；刻蚀所述硬掩模层形成图形化硬掩模层；去除所述图形化光刻胶层和图形化抗反射层。

可选的，在所述的双掺杂多晶硅刻蚀方法中，去除所述图形化光刻胶层和图形化抗反射层之后，还包括：刻蚀所述多晶硅层表面的自然氧化层。

可选的，在所述的双掺杂多晶硅刻蚀方法中，所述硬掩模层的材料为二氧化硅，所述抗反射层为有机抗反射层，所述光刻胶层为193nm光刻胶。

由于采用了以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的第一刻蚀步骤使用的刻蚀气体包括含氮气体，所述含氮气体中的氮原子与四氟化碳中的碳原子结合形成C-N化合键，从而形成额外的侧壁保护钝化层，同时确保对硬掩膜层材料具有较高的刻蚀选择比，并可确调节N型多晶硅栅和P型多晶硅栅之间的形貌差异；即，本发明可在减小N型多晶硅栅和P型多晶硅栅的形貌差异的前提下，保证对硬掩模层具有较高的刻蚀选择比，加大了刻蚀步骤的工艺窗口。

附图说明

图1为本发明实施例的双掺杂多晶硅刻蚀方法的流程示意图；

图2A～2I为本发明实施例的双掺杂多晶硅刻蚀方法中各步骤对应的器件的剖面结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要保护的范围更加清楚，发明内容更容易理解，下面介绍本发明的较佳实施例。

在背景技术中已经提及，硬掩模层的厚度是不能随意增加的，因为该硬掩模层的厚度是由光刻特性和刻蚀特性同时决定的；因此，保持N型多晶硅栅与P型多晶硅栅之间的形貌差异最小化，并且确保对硬掩模层具有较高的刻蚀选择比(即对多晶硅的刻蚀速率远远大于对硬掩模层的刻蚀速率)，是相互矛盾的。为此，发明人经过大量实验与分析发现，在第一刻蚀步骤中使用含氮气体，所述含氮气体中的氮原子与四氟化碳(CF₄)中的碳原子将会结合形成C-N化合键，从而形成额外的侧壁保护钝化层，同时确保对硬掩膜层材料具有较高的刻蚀选择比，并可确调节N型多晶硅栅和P型多晶硅栅的形貌差异。

具体请参考图1，其为本发明一实施例的双掺杂多晶硅刻蚀方法的流程示意图，所述双掺杂多晶硅刻蚀方法包括以下步骤：

步骤S100，提供包含N型掺杂区域和P型掺杂区域的多晶硅层；

步骤S110，在所述多晶硅层上形成图形化硬掩模层；

步骤S120，以所述图形化硬掩模层为掩模，执行第一刻蚀步骤，去除部分厚度的多晶硅层，所述第一刻蚀步骤使用的刻蚀气体包括含氮气体和四氟化碳；

步骤S100，继续以所述图形化硬掩模层为掩模，执行第二刻蚀步骤，去除剩余的多晶硅层。

下面将结合剖面示意图对本发明的双掺杂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。

参考图2A所示，并结合步骤S100，首先，提供包含N型掺杂区域121和P型掺杂区域122的多晶硅层120，所述多晶硅层120也被称为双掺杂多晶硅。在本实例中，所述多晶硅层120形成于栅氧化层110上。其中，所述N型掺杂区域121掺入了N型杂质离子，例如，磷离子、砷离子或锑离子；所述P型掺杂区域122掺入了P型杂质离子，例如，硼离子。

此外，为了图示方便，在剖视图中将N型掺杂区域121和P型掺杂区域122的交界面表示为水平线，本领域的技术人员应当理解，实际的交界面并不一定是平面；并且，在本发明其它实施例中，N型掺杂区域121和P型掺杂区域122的面积也不一定是相等的，可根据实际情况相应的调整其面积大小；另外，在所述多晶硅层120还可包括除N型掺杂区域121和P型掺杂区域122之外的其它区域，例如，未掺杂的区域。

参考图2B所示，接着，在所述多晶硅层120上依次形成硬掩模层130、抗反射层140和光刻胶层150。

其中，所述硬掩模层130的材料优选为二氧化硅。所述抗反射层140能够减少光刻工艺中的光反射，进一步提高光刻分辨率；所述抗反射层140优选为有机抗反射层，其有利于执行后续的关键尺寸缩小过程，所述抗反射层140的材料例如是包含羧基的有机衍生物，当然，本领域的普通技术人员应该理解，所述抗反射层140的材料不仅仅局限于包含羧基的有机衍生物，还可以是能够减少光刻工艺中光反射的其他有机材料；此外，在本发明其它实施例中，所述抗反射层也可为无机抗反射层。所述光刻胶层150优选为193nm光刻胶，以获得更高的分辨率，有利于形成尺寸较小的多晶硅栅。

参考图2C所示，接下来，图形化所述光刻胶层150，以形成图形化光刻胶层151，所述图形化光刻胶层151仅覆盖需要形成N型多晶硅栅和P型多晶硅栅的区域。更具体的说，所述“图形化”也被称为“图案化”，其是指利用曝光和显影等工艺，将掩模版(mask)上的图形转移到光刻胶层150上，所述图形化过程是本领域内的公知常识，在此不再详细描述。

参考图2D所示，之后，以所述图形化光刻胶层151为掩模，刻蚀所述抗反射层140，以形成图形化抗反射层141。优选的，采用干法刻蚀的方式刻蚀所述抗反射层140，该刻蚀步骤使用的刻蚀气体例如为四氟化碳(CF₄)和氦气(He)，压力(pressure)为5～20mTorr，源功率(sourcepower)为150～600W，偏转电压(biasvoltage)为-100～-200V，刻蚀时间可由终点检测(EPD)来确定。

参考图2E所示，随后，继续刻蚀所述图形化光刻胶层151和图形化抗反射层141，使所述图形化光刻胶层151和图形化抗反射层141的关键尺寸缩小，直至达到目标CD值，此过程也被称为CDtrim步骤，以获得关键尺寸更小的多晶硅栅。优选的，采用干法刻蚀的方式进行CDtrim，刻蚀气体例如为溴化氢(HBr)和氧气(O₂)，压力为15～20mTorr，源功率为150～600W，偏转电压为0V，刻蚀时间例如为5～50sec。

参考图2F所示，之后，以关键尺寸缩小后的图形化光刻胶层151和图形化抗反射层141共同作掩模，刻蚀所述硬掩模层130，以形成图形化硬掩模层131。此步骤的刻蚀要求是对光刻胶形貌产生的损伤最小，即没有光刻胶的扭曲变形、LWR最小化，CD均匀性最小化。该刻蚀步骤使用的刻蚀气体例如为四氟化碳(CF₄)，压力为5～20mTorr，源功率为150～600W，偏转电压为-100～-200V，刻蚀时间例如为5～50sec。

参考图2G所示，其后，去除所述图形化光刻胶层151和图形化抗反射层141，而仅保留所述图形化硬掩模层131，也就是说，接下来只要将所述图形化硬掩模层131的图案传递到多晶硅层120上即可，而无需考虑193nm光刻胶引入的变形、弯曲、扭曲等问题。

在本发明另一具体实施例中，去除所述图形化光刻胶层151和图形化抗反射层141之后，较佳的，再执行另一刻蚀步骤，以刻蚀掉所述多晶硅层120表面自然形成的自然氧化层(nativeoxide)。优选的，该刻蚀步骤使用的刻蚀气体为四氟化碳(CF₄)，压力为5～20mTorr，源功率为150～600W，偏转电压为-110V，刻蚀时间例如为5～20sec。需要说明的是，上述数值并不用于限定本发明，本领域技术人员可根据实际的自然氧化层的厚度以及刻蚀机台的具体性能相应的调整上述工艺参数。

参考图2H所示，接下来，以所述图形化硬掩模层131为掩模，执行第一刻蚀步骤(也称为主刻蚀步骤1)，以去除部分厚度的多晶硅层，所述第一刻蚀步骤使用的刻蚀气体包括含氮气体和四氟化碳(CF₄)，所述含氮气体中的氮原子与四氟化碳(CF₄)中的碳原子将会结合形成C-N化合键，从而形成额外的侧壁保护钝化层，来确保对硬掩膜层材料具有较高的刻蚀选择比，并可确调节N型多晶硅栅和P型多晶硅栅的形貌差异，即可在减小N型多晶硅栅和P型多晶硅栅的形貌差异的前提下，保证对硬掩模层具有较高的刻蚀选择比。

在本实施例中，所述含氮气体为氮气(N₂)，所述第一刻蚀步骤使用的刻蚀气体还包括溴化氢(HBr)、氯气(Cl₂)、氧气(O₂)，通过调整CF₄和N₂的比例可最大程度的调节N型多晶硅栅和P型多晶硅栅之间的形貌差异。较佳的，N₂的流量为1～12sccm，Cl₂的流量为10～100sccm，HBr的流量为50～200sccm，O₂的流量为1～7sccm，压力为5～40mTorr，源功率为250～800W，偏转电压为-60～-200V。可以理解的是，在本发明其它实施例中，所述含氮气体还可以其它包含氮原子、并可用于形成额外的侧壁保护钝化层的气体，本领域技术人员可相应的调整上述工艺参数。

参考图2I所示，继续以所述图形化硬掩模层131为掩模，执行第二刻蚀步骤(也称为主刻蚀步骤2)，以去除剩余的多晶硅层，从而形成N型多晶硅栅121’和P型多晶硅栅122’。在本实施例中，所述第二刻蚀步骤使用的刻蚀气体也可包括含氮气体，更进一步的说，第一刻蚀步骤通过加入适量的CF₄和含氮气体可用于调节N型多晶硅栅121’和P型多晶硅栅122’上半部分的形貌差异，而第二刻蚀步骤加入适量的含氮气体则主要用于调节N型多晶硅栅121’和P型多晶硅栅122’下半部分的形貌差异。需要说明的是，在本发明的其它具体实施例中，所述第二刻蚀步骤(也称为主刻蚀步骤2)也可以不包含含氮气体。

其中，所述含氮气体为氮气，所述第二刻蚀步骤使用的刻蚀气体还包括溴化氢(HBr)和氧气(O₂)，其中，N₂的流量为1～8sccm，HBr的流量为50～300sccm，O₂的流量为1～7sccm，压力为15～50mTorr，源功率为150～600W，偏转电压为-60～-200V。优选的，执行第一刻蚀步骤之后，剩余的多晶硅层的厚度为此剩余的多晶硅层则由所述第二刻蚀步骤来刻蚀，可获得较为理想的形貌。

在本发明又一具体实施例中，双掺杂多晶硅刻蚀方法还包括第三刻蚀步骤(也可称为过刻蚀步骤)，该过刻蚀步骤用于将最终形貌调整至完全垂直，并去除可能的多晶硅残渣。在本实施例中，所述第三刻蚀步骤使用的刻蚀气体包括溴化氢(HBr)、氧气(O₂)、氦气(He)，HBr的流量为90～200sccm，O₂的流量为1～10sccm，He的流量为30～300sccm，压力为40～80mTorr，源功率为150～600W，偏转电压为-60～-300V。

综上所述，本发明的第一刻蚀步骤使用了含氮气体和四氟化碳，不但能成功地使N型多晶硅栅和P型多晶硅栅之间的形貌差异最小化，而且保持了极高的对硬掩模层的刻蚀选择比，极大的增强了刻蚀步骤的工艺窗口。

需要说明的是，以上各个刻蚀步骤的具体工艺参数(如压力、源功率、偏转电压、刻蚀时间和气体流量)依赖于具体的膜层的厚度及膜层材料不同而有所不同，故上述具体描述不应理解为对本发明的限制。本领域的技术人员可以对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

1.一种双掺杂多晶硅刻蚀方法，包括：

提供包含N型掺杂区域和P型掺杂区域的多晶硅层；

在所述多晶硅层上形成图形化硬掩模层；

以图形化硬掩模层为掩模，执行第一刻蚀步骤，去除部分厚度的多晶硅层；

继续以图形化硬掩模层为掩模，执行第二刻蚀步骤，去除剩余的多晶硅层；

其中，所述第一刻蚀步骤使用的刻蚀气体包括含氮气体和四氟化碳，所述四氟化碳占刻蚀气体的比例超过某一预设比例，以弥补N型多晶硅栅与P型多晶硅栅之间的形貌差异，且所述含氮气体中的氮原子与四氟化碳中的碳原子将会结合形成C-N化合键，从而在所述多晶硅层中被刻蚀的部分形成侧壁保护钝化层，以对硬掩模层具有足够高的刻蚀选择比。

2.如权利要求1所述的双掺杂多晶硅刻蚀方法，其特征在于，所述含氮气体为氮气。

3.如权利要求2所述的双掺杂多晶硅刻蚀方法，其特征在于，所述氮气的流量为1～12sccm。

4.如权利要求1所述的双掺杂多晶硅刻蚀方法，其特征在于，所述第一刻蚀步骤使用的刻蚀气体还包括溴化氢、氯气、氧气中的一种或多种。

5.如权利要求1或2或3或4所述的双掺杂多晶硅刻蚀方法，其特征在于，所述第一刻蚀步骤的压力为5～40mTorr，源功率为250～800W，偏转电压为-60～-200V。

6.如权利要求1所述的双掺杂多晶硅刻蚀方法，其特征在于，所述第二刻蚀步骤使用的刻蚀气体包括含氮气体。

7.如权利要求6所述的双掺杂多晶硅刻蚀方法，其特征在于，所述含氮气体为氮气。

8.如权利要求7所述的双掺杂多晶硅刻蚀方法，其特征在于，所述氮气的流量为1～6sccm。

9.如权利要求6所述的双掺杂多晶硅刻蚀方法，其特征在于，所述第二刻蚀步骤使用的刻蚀气体还包括溴化氢、氯气、氧气中的一种或多种。

10.如权利要求1或6或7或8所述的双掺杂多晶硅刻蚀方法，其特征在于，所述第二刻蚀步骤的压力为15～50mTorr，源功率为150～600W，偏转电压为-60～-200V。

11.如权利要求1所述的双掺杂多晶硅刻蚀方法，其特征在于，所述双掺杂多晶硅刻蚀方法还包括第三刻蚀步骤，所述第三刻蚀步骤使用的刻蚀气体包括溴化氢、氧气、氦气中的一种或多种。

12.如权利要求11所述的双掺杂多晶硅刻蚀方法，其特征在于，所述第三刻蚀步骤的压力为40～80mTorr，源功率为150～600W，偏转电压为-60～-300V。

13.如权利要求1所述的双掺杂多晶硅刻蚀方法，其特征在于，执行第一刻蚀步骤之后，剩余的多晶硅层的厚度为

14.如权利要求1所述的双掺杂多晶硅刻蚀方法，其特征在于，在所述多晶硅层上形成图形化硬掩模层的步骤包括：

在所述多晶硅层上依次形成硬掩模层、抗反射层和光刻胶层；

图形化所述光刻胶层形成图形化光刻胶层，所述图形化光刻胶层仅覆盖需要形成N型多晶硅栅和P型多晶硅栅的区域；

以所述图形化光刻胶层为掩模，刻蚀所述抗反射层形成图形化抗反射层；

继续刻蚀所述图形化光刻胶层和图形化抗反射层，使所述图形化光刻胶层和图形化抗反射层的关键尺寸缩小，直至达到目标CD值；

以关键尺寸缩小后的图形化光刻胶层和图形化抗反射层共同作掩模，刻蚀所述硬掩模层形成图形化硬掩模层；

去除所述图形化光刻胶层和图形化抗反射层，仅保留所述图形化硬掩模层。

15.如权利要求14所述的双掺杂多晶硅刻蚀方法，其特征在于，去除所述图形化光刻胶层和图形化抗反射层之后，还包括：刻蚀所述多晶硅层表面的自然氧化层。

16.如权利要求14或15所述的双掺杂多晶硅刻蚀方法，其特征在于，所述硬掩模层的材料为二氧化硅，所述抗反射层为有机抗反射层，所述光刻胶层为193nm光刻胶。