CN102931073B - 一种半导体器件的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体器件的制作方法，该方法是对已经图形化的半导体衬底上所形成的微图案窗口两侧的各层进行步骤：(1)干法刻蚀去除光刻胶层；(2)、第一次湿法刻蚀，包括：氢氟酸清洗，清洗时间10至15秒；硫酸、双氧水混合清洗，清洗时间大于10分钟；(3)、第二次湿法刻蚀，包括再次氢氟酸清洗，清洗时间为70至150秒，磷酸清洗，清洗时间大于10分钟。通过分阶段的两次湿法腐蚀，尤其是第二次湿法腐蚀中，长时间的氢氟酸清洗，将光刻胶层以及抗发射层中的二氧化硅彻底清除，从而杜绝了制程工艺中二氧化硅剥落缺陷的产生，保证了半导体器件的质量。

Description

一种半导体器件的制作方法

技术领域

本发明涉及一种半导体器件的制作方法，尤其涉及一种消除二氧化硅剥落缺陷的半导体器件的制作方法。

背景技术

通常，人们习惯以多晶硅(Poly)的特征尺寸(Critical Dimension，CD)来反映整个半导体器件的特征尺寸。而随着大规模集成电路制造工艺中半导体器件的特征尺寸不断减小，人们对多晶硅均匀性的要求也越来越高。所以当多晶硅的特征尺寸发展到0.16微米以后，在多晶硅光刻前，为了消除或消弱曝光工艺中光刻胶层底部的膜层反射光的影响，得到更好侧壁轮廓的光刻胶图形，业界引入了抗反射层(Dielectric Anti-Reflective Coating，DARC)。

一种常用的抗反射层是由氮氧化硅和氧化硅组成的，由于抗反射层通常形成在栅极多晶硅上，所以由氮氧化硅和氧化硅组成的抗反射层可以利用现有的成膜工艺直接制作在栅极多晶硅上，较其他形式的抗反射层而言，其成本低廉，制作简单，因而被大量使用在半导体器件的制作工艺中。请参见图1，图1是现有的半导体器件制作工艺中，在光刻前各层的剖面示意图。如图1所示，半导体衬底100依次设有介质层101、栅层102、抗反射层110和光刻胶层105。其中介质层101可以是二氧化硅层或氮氧化硅中的一种，栅层102可以是多晶硅层。抗反射层110包括位于栅层102上的氮氧化硅层103和位于该氮氧化硅103上的氧化硅104。

这种结构的抗反射层，由于有二氧化硅的存在，在后续去除抗反射层的工艺中，很容易产生二氧化硅的剥落缺陷(Peeling Defect)，如图2所示，图2是二氧化硅的剥落缺陷在电子显微镜下的效果图。其中有圈线表示出来的1、2、3就是二氧化硅的剥落缺陷。该剥落缺陷会严重影响后续半导体器件的制作品质，导致半导体器件报废。

因此解决该二氧化硅的剥落缺陷成了业界十分关注的一个问题。

目前，人们提出了两种解决的方案，一种是通过降低二氧化硅的厚度，减少二氧化硅在整个工艺中的量，从而可以减轻二氧化硅剥落缺陷的影响程度。但是随着二氧化硅的厚度降低，会提高氮氧化硅中存在的氮的悬挂键和光刻胶发生反应，增加光刻胶中毒的风险，所以二氧化硅厚度不能无限降低，此种方案不能根本解决二氧化硅的剥落缺陷问题。

另外一种是通过在干法去除光刻胶后，加入一道氢氟酸清洗的工艺，试图利用该氢氟酸清洗去除所有的二氧化硅。但是人们发现，尽管该道氢氟酸清洗时间被不断增加，但却始终无法杜绝二氧化硅剥落缺陷的出现。这是因为：第一由于在干法去除光刻胶的过程中会在抗反射层表面形成一层自然氧化层，该自然氧化会对氢氟酸有相当的消耗，在不换液的情况下，即使长时间清洗，对二氧化硅的去除效果也会越来越差；第二在干法去除光刻胶之后，光刻胶里面的残余有机物(Polymer)会对二氧化硅起到一定的保护，使得氢氟酸出现清洗死角，较难在一次清洗中去除这些二氧化硅。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种半导体器件的制作方法，该制作方法能够有效去除在去除光刻胶和抗反射层过程中，因湿法刻蚀清洗不净残留下来的二氧化硅层。从而解决包含二氧化硅层的抗反射层在制作半导体器件时容易产生的二氧化硅剥落缺陷的问题。

为实现上述目的，本发明提供的半导体器件的制作方法，包括步骤：

1).提供一半导体衬底；在所述半导体衬底上依次形成介质层、栅层、抗反射层和光刻胶层，其中所述抗反射层包括位于栅层上的氮氧化硅层和位于氮氧化硅层上的二氧化硅层；

2).在光刻胶上光刻出一带有半导体器件功能性的微图案；以该光刻胶层为掩模，对抗反射层进行刻蚀，将上述微图案转移到抗反射层上；以上述光刻胶层和抗反射层为掩模，对栅层进行刻蚀，将上述微图案转移到栅层上，在所述半导体衬底和介质层上形成半导体器件功能性的微图案窗口；

3)、干法去胶去除所述微图案窗口两侧的光刻胶层，同时形成自然氧化层和残留有机物的混合层；

4)、第一次湿法刻蚀，包括：

氢氟酸清洗，清洗时间10至15秒，以去除自然氧化层和抗反射层中的部分二氧化硅层；

硫酸、双氧水混合清洗，清洗时间大于10分钟，以清除残留有机物；

5)、第二次湿法刻蚀，包括再次氢氟酸清洗，清洗时间为70至150秒，以清除第一次湿法刻蚀未能完全清除的二氧化硅残留；

磷酸清洗，清洗时间大于10分钟，以清除抗反射层中的氮氧化硅层。

可选的，所述氢氟酸兑水的比例为1∶100。

可选的，所述硫酸、双氧水混合物兑水的比例为1∶10。

可选的，所述介质层为二氧化硅或氮氧化硅中的一种。

可选的，所述栅层为多晶硅层。

可选的，所述步骤2)中，对抗反射层进行刻蚀时，采用干法刻蚀的方法，刻蚀气体为CF4。

可选的，所述步骤2)中，对栅层进行刻蚀时，采用干法刻蚀的方法，刻蚀气体为Cl2。

通过两次的湿法腐蚀，尤其是第二次湿法腐蚀中，采用较长时间的氢氟酸清洗，将光刻胶层以及抗发射层中的二氧化硅彻底清除，从而杜绝了制程工艺中二氧化硅剥落缺陷的产生，保证了半导体器件的质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1至是一种现有的具有抗反射层的半导体器件结构剖面图。

图2是晶圆在实际生产中产生二氧化硅剥落的电子显微镜图。

图3为本发明的半导体器件制作方法的流程示意图。

图4至图10是本发明的半导体器件制作方法各步骤相关的剖面示意图。

图11是通过本发明的方法制作的半导体器件的表面电子显微镜图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，现有的去除光刻胶层和抗反射层的工艺过程中，先采用干法刻蚀去处光刻胶，再使用氢氟酸清洗二氧化硅层，并通过延长这次氢氟酸清洗的时间来达到彻底去除二氧化硅层的目的。但是在进行干法刻蚀得时候，会在抗反射层上产生自然氧化层，这层自然氧化层会对氢氟酸有相当的消耗，同时光刻胶中的残余有机物(polymer)也会对底下的二氧化硅起到一定的保护作用，这两者的存在会导致即使延长氢氟酸清洗的时间后，依然有部分二氧化硅存留下来。这部分二氧化硅形成剥落缺陷(Peeling Defect)，严重影响半导体器件的质量。

有鉴于此，本发明提供了一种半导体器件制作方法，该方法包括：提供一具有栅层的半导体衬底；在所述栅层上形成抗反射层，在所述抗反射层上形成光刻胶层。

接着，进行图形化工艺，首先利用光罩在光刻胶层上曝光并刻蚀出半导体器件的功能性图案。

然后，以上述光刻胶层为掩模，对抗反射层进行刻蚀，将光刻胶图案转移到抗反射层上。

完成抗反射层的刻蚀后，以光刻胶和抗反射层作为掩模对栅层进行刻蚀，将上述图案转移到栅层上来。其中，对抗反射层和栅层的刻蚀采用干法刻蚀，可以使用相同的刻蚀气体一次性完成对抗反射层和栅层的刻蚀，也可采用不同的气体分几步工序中完成。

图形化工艺完成后，进行光刻胶和抗反射层的去除工艺。

本发明所提供的光刻胶和抗反射层的去除方法中，首先采用干法刻蚀去光刻胶，在干法去胶的过程中，会在抗反射层表面产生自然氧化层，同时光刻胶中依然会有残余有机物(Polymer)，这两者组成新的混合层覆盖在抗反射层上。接着使用湿法刻蚀工艺去除上述自然氧化层和残余有机物，同时该湿法刻蚀工艺会腐蚀掉部分抗反射层中的二氧化硅层。

上述的湿法刻蚀工艺具体为氢氟酸+硫酸和双氧水的混合物SPM(H2SO4+H2O2)工艺，其中氢氟酸工艺主要为使用兑水比例为1∶100的氢氟酸做短时间清洗，该短时间清洗的目的主要为了：第一，去除自然氧化层；第二，去除抗反射层中的大部分二氧化硅层，并露出适当面积的氮氧化硅层。之所以采用短时间清洗是因为：第一由于自然氧化层的存在会对氢氟酸有相当的消耗，在不换液的情况下，即使长时间清洗，对二氧化硅的去除效果也会越来越差；第二由于残留的有机物对二氧化硅的保护，使得氢氟酸出现清洗死角，较难在一次清洗中去除这些二氧化硅。

硫酸和双氧水的混合物清洗工艺主要为使用兑水比例1∶10的H2SO4+H2O2混合液清洗10分钟左右，该工艺主要为了去除光刻胶中残余的有机物。

然后再进行一次氢氟酸的清洗工艺，以消除那些残余的二氧化硅。具体为使用兑水比例为1∶100的氢氟酸对残余二氧化硅做长时间清洗，使二氧化硅被充分反应，彻底去除该部分二氧化硅。

最后再使用磷酸工艺清洗抗反射层中的氮氧化硅层，具体为使用磷酸对氮氧化硅层清洗10分钟左右。

由于本发明通过在对光刻胶残留物进行清洗的前后，分别采用两次不同的氢氟酸清洗工艺，且针对各自上道工艺的特点，采用了短时间和长时间的清洗处理，其中短时间清洗可以去除干法去胶后形成的自然氧化层以及抗反射层中的部分二氧化硅层，长时间清洗则可以彻底去除残余的二氧化硅层，从而杜绝了二氧化硅剥落缺陷的出现。

下面结合附图详细描述本发明所提供的半导体器件制作方法。

图3为本发明的半导体器件制作方法的流程示意图。如图3所示，本发明的半导体器件制作方法的包括步骤：

S110.提供一半导体衬底；在所述半导体衬底上依次形成介质层、栅层、抗反射层和光刻胶层，其中所述抗反射层包括位于栅层上的氮氧化硅层和位于氮氧化硅层上的二氧化硅层；

S120.在光刻胶上光刻出一带有半导体器件功能性的微图案；以该光刻胶层为掩模，对抗反射层进行刻蚀，将上述微图案转移到抗反射层上；以上述光刻胶层和抗反射层为掩模，对栅层进行刻蚀，将上述微图案转移到栅层上，在所述半导体衬底和介质层上形成半导体器件功能性的微图案窗口；

S130、干法刻蚀去除所述微图案窗口两侧的光刻胶层，使大部分光刻胶层去除，同时形成自然氧化层和残留有机物的混合层；

S140、第一次湿法刻蚀，包括：

S141氢氟酸清洗，清洗时间10至15秒，以去除自然氧化层和抗反射层中的部分二氧化硅层；

S142硫酸、双氧水混合清洗，清洗时间大于10分钟，以清除残留有机物；

S150、第二次湿法刻蚀，包括：

S151再次氢氟酸清洗，清洗时间为70至150秒，以清除第一次湿法刻蚀未能完全清除的二氧化硅残留。

S152磷酸清洗，清洗时间大于10分钟，以清除抗反射层中的氮氧化硅层；

图4至图10是本发明的半导体器件制作方法各步骤相关的剖面示意图。

如图4所示，半导体衬底200上具有介质层201，在介质层201上具有栅层202，在栅层202上形成抗反射层210，在抗反射层210上形成光刻胶层205。

所述半导体衬底200可以是单晶硅、多晶硅、非晶硅中的一种，也可以是硅锗化和物、硅镓化合物中的一种，所述半导体衬底200也可以包括外延层或绝缘层上硅(Silicon On Insulator，SOI)结构。

所述介质层201可以是氧化硅或氮氧化硅，厚度为5至100nm。形成所述氧化硅的方法包括炉管氧化、快速热退火氧化及原位水蒸气产生氧化中的一种。对所诉氧化硅执行氮化工艺可以形成氮氧化硅，所述氮化包括炉管氮化、快速热退火氮化以及等离子体氮化中的一种。

所述栅层203为多晶硅或多晶硅与金属硅化物的堆叠层。形成多晶硅栅层的方法为化学气相沉积或原子层沉积。在多晶硅的栅层中可以掺入杂质，以降低电阻率。在多晶硅的栅层中掺杂质的方法可以通过离子注入的工艺来实现，或通过原位沉积掺杂的工艺来实现。

所述抗反射层210包括氮氧化硅层203和氧化硅层204。所述氮氧化硅层203的形成方法为先在多晶硅层上制作氧化硅层，然后对氧化硅层氮化得到氮氧化硅层，具体方法可参照上述制作介质层201中采用的方法。所述氧化硅层204起隔断和保护的作用，因为氮氧化硅中存在的N的悬挂键和后续工艺中制作的光刻胶容易发生反应，产生有毒物质，增加人员光刻胶中毒的风险，所以在氮氧化硅层203上需要生覆盖该氧化硅层204。

所述光刻胶层205可以是正胶或负胶，本实施方式中采用正胶。形成所述光刻胶层205的方法为旋涂法。在抗反射层210上形成光刻胶层205后，对所述光刻胶层205执行软烤(Soft Bake)工艺可去除其中的溶剂，并提高光刻胶层205在抗反射层210上的粘附特性，有利于形成轮廓较好的光刻胶图案，并能减少在显影时形成缺陷。

图5为对光刻胶层执行图形化工艺后的剖面示意图。

如图5所示，采用光刻工艺图形化光刻胶层205，在其上面形成具有半导体器件功能性作用的光刻胶图案205a。具体地步骤如下：

将具有光刻胶层205的半导体衬底200置于曝光设备中，曝光光源的光通过掩模板上的半导体功能性图案，对所述光刻胶层205进行选择性曝光，将掩模板上的图案转移到所述光刻胶层205上；

将具有已曝光的光刻胶层205的半导体衬底200置于烘烤设备中，执行曝光后烘烤(Post Exposure Bake，PEB)工艺；

完成曝光后烘烤后，将所述半导体衬底200至于显影设备中，通过显影液冲洗所属光刻胶层205，溶解去除已经曝光的部分，然后用离子水进行清洗，未被溶解去除的光刻胶则生成光刻胶图案205a。

图6为对抗反射层210执行图形化工艺后的剖面示意图。

如图6所示，以上述光刻胶层205作为掩模保护层，刻蚀露出在光刻胶图案205a中抗反射层210，在所述抗反射层210上形成抗反射层图案210a。

在一种实施方式中，刻蚀所述抗反射层210的工艺采用干法刻蚀，具体步骤如下：

将具有光刻胶图案205a的半导体衬底置于刻蚀腔室中，以光刻胶层205为阻挡层，用刻蚀气体进行刻蚀，所述刻蚀气体可以为SF6、CF4、C2F2中的一种，也可以在上述气体中掺入Cl2或HBr。刻蚀时，以栅层202作为停留层，当刻蚀露出栅层时停止刻蚀。需要注意的是，在此次干法刻蚀过程中，选用的刻蚀气体针对抗反射层材质的无机物而设定，因此对于光刻胶的影响比较少，另外由于光刻胶本身的厚度比较大，约有4000埃，其在此次干法刻蚀中的损失可以忽略。

图7为对栅层202执行图形化工艺后的剖面示意图。

如图7所示，以光刻胶层205和抗反射层210为阻挡层，对露出在抗反射层图案205a处的栅层进行刻蚀，在所述栅层202上形成栅层图案202a。

对所述栅层202进行刻蚀的方法也为干法刻蚀，所用工艺跟刻蚀抗反射层210相同，此处不再赘述。值得注意的是，刻蚀抗反射层210和刻蚀栅层202可以采用相同的刻蚀气体，在同一道工序中一次刻蚀成型。也可以采用不同的刻蚀气体，分两步刻蚀完成。当分两步刻蚀时，采用的气体可以为氯气(Cl2)，可以在同一腔室中采用原位刻蚀法进行，也可以在不同的腔室中进行。

参见图8，图8是去除栅层图案窗口两侧的光刻胶层205后的剖面示意图。

如图8所示，采用干法刻蚀去除所述光刻胶层205.具体为：将半导体衬底200放在去胶设备中，采用等离子体对光刻胶205进行轰击。产生等离子体的气体可以为HBr/O2或者O2等气体中的一种。值得注意的是，在对光刻胶进行干法刻蚀时，由于采用的气体是针对有机物而设定，因此对图形区露出的介质层201的影响十分少。在该过程中，由于干法刻蚀的高温(150度-250度)环境，在抗反射层210表面形成一层自然氧化层206，并与光刻胶205中残留的有机物207一起形成新的混合层覆盖在抗反射层210表面。

参见图9，图9为第一湿法刻蚀去除混合层和部分抗反射层后的剖面示意图。

如图9所示，第一次湿法刻蚀的具体步骤包括：

氢氟酸清洗，具体为：采用兑水比例为1∶100的氢氟酸对完成干法去胶后的半导体衬底200进行短时间清洗，清洗时间为10至15秒，该氢氟酸清洗的主要目的在于去除自然氧化层206以及部分二氧化硅层204；

SPM(H2SO4+H2O2)工艺清洗，具体为：采用兑水比例为1∶10的SPM对完成氢氟酸清洗后的半导体衬底200进行清洗，清洗时间大于10分钟，该SPM清洗的目的在于去除残留的有机物207；

经过第一次湿法刻蚀后，由于自然氧化层206对氢氟酸的消耗以及残留有机物207对二氧化硅起到的保护作用，会有部分二氧化硅204被遗留在氮氧化硅层203上，形成新的二氧化硅层208。

参见图10，图10是第二次湿法刻蚀去除残留二氧化硅层和氮氧化硅后的剖面图。

如图10所示，第二次湿法刻蚀的具体步骤为，先采用兑水比例为1∶100的氢氟酸对二氧化硅层208做长时间清洗，清洗时间为70至150秒，视具体的二氧化硅层208厚度而定。

经过这次氢氟酸清洗后，残留的二氧化硅被全部去除，从而杜绝了后续工艺中二氧化硅剥落缺陷的产生，保证了整个半导体器件的质量。

最后使用H3PO4清洗，具体为：使用H3PO4溶液对去除完二氧化硅208后的半导体衬底200进行清洗，清洗时间大于10分钟，该H3PO4清洗的目的在于去除氮氧化硅层203。

参见图11，图11是通过本发明的方法制作的半导体器件的表面电子显微镜图。与现有的方法相比，本发明的方法制得的半导体器件表面基本没有二氧化硅剥落缺陷。

综上所述，本发明的半导体器件的制作方法中，对去除光刻胶和抗反射层的工艺中加入了两次氢氟酸的清洗，第一次氢氟酸清洗安排在干法去胶后，为短时间清洗，该短时间清洗可以除自然氧化层和抗反射层中的部分二氧化硅层。之所以采用短时间清洗是因为：第一由于自然氧化层的存在会对氢氟酸有相当的消耗，在不换液的情况下，即使长时间清洗，对二氧化硅的去除效果也不佳；第二由于残留有机物对二氧化硅的保护，使得氢氟酸出现清洗死角，较难在一次清洗中去除这些二氧化硅。第二氢氟酸清洗安排在SPM清洗之后，为长时间清洗，使残留的二氧化硅层能够被充分反应，彻底清除。从而杜绝了二氧化硅剥落缺陷的产生，保证了半导体器件的质量。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种半导体器件的制作方法，其特征在于包括步骤：

1).提供一半导体衬底；在所述半导体衬底上依次形成介质层、栅层、抗反射层和光刻胶层，其中所述抗反射层包括位于栅层上的氮氧化硅层和位于氮氧化硅层上的二氧化硅层；

2).在光刻胶上光刻出一带有半导体器件功能性的微图案；以该光刻胶层为掩模，对抗反射层进行刻蚀，将上述微图案转移到抗反射层上；以上述光刻胶层和抗反射层为掩模，对栅层进行刻蚀，将上述微图案转移到栅层上，在所述半导体衬底和介质层上形成半导体器件功能性的微图案窗口；

3)、干法刻蚀去除所述微图案窗口两侧的光刻胶层，使大部分光刻胶层去除，同时形成自然氧化层和残留有机物的混合层；

4)、第一次湿法刻蚀，包括:

氢氟酸清洗，清洗时间10至15秒，以去除自然氧化层和抗反射层中的部分二氧化硅层；

硫酸、双氧水混合清洗，清洗时间大于10分钟，以清除残留有机物；

5)、第二次湿法刻蚀，包括再次氢氟酸清洗，清洗时间为70至150秒，以清除第一次湿法刻蚀未能完全清除的二氧化硅残留；

磷酸清洗，清洗时间大于10分钟，以清除抗反射层中的氮氧化硅层。

2.如权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于：所述氢氟酸兑水的比例为1：100。

3.如权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于：所述硫酸、双氧水混合物兑水的比例为1：10。

4.如权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于：所述介质层为二氧化硅或氮氧化硅中的一种。

5.如权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于：所述栅层为多晶硅层。

6.如权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于：所述步骤2)中，对抗反射层进行刻蚀时，采用干法刻蚀的方法，刻蚀气体为SF₆、CF₄或C₂F₂中的一种。

7.如权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于：所述步骤2)中，对栅层进行刻蚀时，采用干法刻蚀的方法，刻蚀气体为Cl₂。