CN103035508A - 特征尺寸收缩方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体技术领域，公开了一特征尺寸收缩方法，采用CO替代传统的碳氟化合物以及含H的碳氟化合物气体，作为特征尺寸收缩方法中的高分子聚合物气体，在低频射频功率下进行等离子体刻蚀，从而有效控制特征尺寸收缩过程中分子链长度和等离子体能量、密度，能够控制等离子体刻蚀形成的聚合物分子链长度，避免了等离子体刻蚀过程中长分子链聚合物的形成。同时，该特征尺寸收缩方法的等离子体刻蚀工艺在高压环境下进行，能够进一步改善刻蚀过程中聚合物沉积的物理轰击现象，从而有效避免条纹现象的出现，改善特征尺寸收缩后刻蚀结构的线边缘粗糙度，进一步提高工艺质量，实现特征尺寸的有效、高质量收缩。

Description

特征尺寸收缩方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及新一代半导体工艺节点下的光刻后特征尺寸收缩技术。

背景技术

随着集成电路技术的不断发展，半导体工艺节点逐渐进入65nm、45nm时代，并向着更为先进的22nm以及16nm进发。然而，随着半导体工艺节点的不断向前推进，在半导体器件制备前端工艺（FEOL）和后端工艺（BEOL）中的特征尺寸（Critical Dimension，CD）需求变得越来越苛刻。其中，65nm工艺中的器件特征尺寸已开始大大小于主流平板印刷的尺寸，在半导体器件制备过程中，越来越多特征尺寸小于65nm、甚至小于45nm、28nm的半导体结构开始出现，光刻开始成为半导体技术发展的瓶颈。

为了解决该问题，国内外学者及相关企业均在光刻技术上做了大量研究，包括浸没式、极紫外光刻等在内的新一代光刻技术越来越多的出现在人们的视野中。然而，无论在考虑目前工艺节点下的技术难题还是未来技术时，通常有一点是肯定的：当前的解决方案在实在不能再用之前始终都是最好的。因此，对于半导体技术而言，尽可能的延长干法光刻的使用时间，是业内普遍期待并共同努力的目标。

为了更好地解决新一代工艺节点中光刻所存在的瓶颈问题，现有技术中出现了一种能够扩展工艺窗口的方法及工具，基于曝光后图形增强系统采用专用等离子体辅助工艺来获得可控的光刻胶孔洞（hole）和高达100nm的间隔区特征尺寸缩小（space CD shrink），能够获得小至10nm的特征图形，并表现出扩展到22nm及以下节点的能力。具体的讲，为了缩小特征尺寸，在印制好的光刻胶孔洞和间隔区上淀积一层薄膜，该薄膜厚度通常即为期望的特征缩小尺度。利用现有的光刻技术和掩膜技术，以足够大的尺寸来印制光刻胶孔洞和间隔区，并进一步优化曝光容忍度（exposure latitude），以使失真最小。在完成图形光刻之后，使用基于等离子体技术的缩小工艺来将被印制的特征图形缩小至期望尺寸，并进行刻蚀。而在刻蚀后的光刻胶剥离步骤中，所淀积的作为掩膜层的薄膜将被去除。该解决方案中，淀积的薄膜具有较好的抗刻蚀等离子体的能力，从而能够降低图形缩小和转移过程中的线边缘粗糙度和失真，并能够提供良好的特征尺寸均匀性，通常等于或优于即将引入的新的光刻技术，并能够在一定范围内对图形中的特征尺寸进行调整。

除此之外，中国发明专利CN200810109206.2中还提供了一解决方案：在待刻蚀的衬底上以图形化的光致抗蚀剂和未图形化的有机抗反射涂层（BARC）作为多层掩膜，该多层掩膜还包括位于该有机抗反射涂层和衬底层之间的未图形化的无定形碳层，该有机抗反射涂层由一有效的负性刻蚀偏置刻蚀以减小位于由在光致抗蚀剂中确定尺寸的平板印刷之下的该多层掩膜中的开口的特征尺寸。而为了使用一有效的负性刻蚀偏置在有机抗反射涂层上等离子体刻蚀开口，采用如CHF₃等聚合物气体在高频、低压环境下的刻蚀腔室中进行聚合化学反应，可以在激发等离子体时产生CF₂种类，有益于缩减自光致抗蚀剂的有机抗反射涂层开口的特征尺寸以提供有效的刻蚀偏置。在该技术方案中，等离子体刻蚀涉及的聚合工艺气体是全卤化的，如：C₄F₈、C₅F₈、C₆F₆、C₄F₆等；也可以是部分卤化的，如C₄F₆O、CH₂F₂等；该聚合工艺气体还可以是CHF₃。此外，等离子体刻蚀还涉及非聚合工艺气体CF₄以有利于产生更少的CF₂种类，并进一步涉及N₂或NH₃或He等载体气体，以进一步在侧壁聚合形成中起到作用。

由上述描述可知，以上述解决方案为代表的实现特征尺寸收缩的现有技术均具有相同的构思和必不可少的步骤：进行较大尺寸的光刻曝光后，采用干法刻蚀，特别是等离子体刻蚀技术实现特征尺寸收缩，从而得到更小特征尺寸的半导体结构。

然而，现有技术特征尺寸收缩的等离子体刻蚀工艺中均采用CF₄和聚合物气体（如CHF₃、C₄F₈、CH₂F₂等）在高频功率下实现。在该工艺条件下，虽然能够将特征尺寸收缩至更小，并有效改善了低频偏置问题，却由于采用了较大分子的聚合物而不可避免的使得条纹现象（Striation）更为严重，刻蚀结构的线边缘粗糙度（Line-edge roughness，LER）无法得到保障。

在现有技术特征尺寸收缩工艺中造成条纹现象严重、刻蚀结构线边缘粗糙度差的原因主要有两个：

1、由于等离子体刻蚀采用的聚合物气体具有较长的分子链，且采用的混合气体含C量高，使得刻蚀过程中长链C_xF_y聚合物不均匀地沉积在半导体结构表面。图1为现有技术中聚合物不均匀沉积形成的不规则图形化边界结构示意图。如图1所示，由于长链C_xF_y聚合物不均匀地沉积在半导体结构表面，使得圆形或长方形设计的原始图形化区域101a边界形状发生形变，成为不规则形状，影响图形化转移质量。

2、由于传统等离子体刻蚀过程通常在200mT以下的低压环境下进行，在大分子聚合物沉积过程中带来较为严重的物理轰击进一步加剧了对刻蚀结构线边缘的损伤，带来更严重的条纹现象。图2为现有技术特征尺寸收缩工艺中条纹现象示意图。如图2所示，在条纹现象的影响下，使得圆形或长方形设计的原始图形化区域101b边界出现较为严重的毛刺或条纹102，一方面影响图形化转移精度，另一方面，毛刺或条纹102的出现，也影响了图形化区域101b边界的刻蚀质量。

与普通大尺寸半导体器件相比，结构侧壁质量对于特征尺寸较小的半导体结构性能的影响更为显著，如何在有效实现特征尺寸收缩的同时，避免引入由此带来的侧壁损伤或表面杂质，避免条纹现象，改善刻蚀结构的线边缘粗糙度，成为新一代半导体工艺下制备高质量、小特征尺寸半导体结构急需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种特征尺寸收缩方法，能够在有效实现特征尺寸收缩的同时，避免引入由此带来的侧壁损伤或表面杂质，避免条纹现象，改善刻蚀结构的线边缘粗糙度。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种特征尺寸收缩方法，其步骤包括：提供半导体基底，所述半导体基底表面覆盖有图形化的光阻材料；将所述半导体基底置于等离子体刻蚀腔室内；以所述图形化的光阻材料层为掩膜，对刻蚀气体为饱和小分子碳氟气体、含N气体以及CO的混合气体等离子化，并采用等离子化的上述气体对半导体基底进行刻蚀。

作为可选的技术方案，该特征尺寸收缩方法还包括刻蚀未图形化的有机抗反射涂层至半导体基底表面的过程，所述未图形化的有机抗反射涂层位于所述半导体基底和图形化的光阻材料之间。

作为可选的技术方案，该特征尺寸收缩方法还包括刻蚀无定形碳至半导体基底表面的过程，所述无定形碳位于所述半导体基底和有机抗反射涂层之间。

作为可选的技术方案，所述饱和小分子碳氟气体为CF₄或C₂F₆或二者的混合气体；所述含N气体为N₂或NH₃或二者的混合气体。

进一步地，等离子体刻蚀过程中，采用的刻蚀气体为CF₄、N₂和CO混合气体。

作为可选的技术方案，等离子体刻蚀过程中，所述饱和小分子碳氟气体的气体流量小于所述含N气体的气体流量，且所述含N气体的气体流量小于所述CO的气体流量。

进一步地，所述等离子体刻蚀过程中，所述饱和小分子碳氟气体、含N气体、CO的气体流量比范围为1:2:5~1:8:40。

进一步地，所述等离子体刻蚀过程中，所述饱和小分子碳氟气体、含N气体、CO的气体流量比为1:6:30。

作为可选的技术方案，所述等离子体刻蚀过程中，所述饱和小分子碳氟气体的气体流量小于200sccm；所述含N气体的气体流量小于1000sccm；所述CO的气体流量小于3000sccm。

作为可选的技术方案，所述等离子体刻蚀过程中，所述等离子体刻蚀腔室的腔体压力为200mT~800mT。

进一步地，所述等离子体刻蚀腔室的腔体压力为750mT。

作为可选的技术方案，所述等离子体刻蚀过程中，源功率为0~400W，源功率频率为25MHz~120MHz；偏置功率为200~800W，偏置功率频率为2MHz~15MHz。

进一步地，所述等离子体刻蚀过程在偏置功率控制下进行，且所述源功率和偏置功率比为0~1:20。

进一步地，所述等离子体刻蚀过程中，偏置功率频率为2MHz或13.56MHz。

作为可选的技术方案，该特征尺寸收缩方法基于28nm~45nm工艺制程。

进一步地，该特征尺寸收缩方法刻蚀的半导体结构深宽比小于10:1。

本发明的优点在于，所提供的特征尺寸收缩方法中，采用CO替代传统的碳氟化合物以及含H的碳氟化合物气体，作为特征尺寸收缩方法中的高分子聚合物气体，在低频射频功率下进行等离子体刻蚀，能够有效控制特征尺寸收缩过程中分子链长度和等离子体能量、密度，从而控制等离子体刻蚀形成的聚合物分子链长度，避免了等离子体刻蚀过程中长分子链聚合物的形成。此外，本发明提供的特征尺寸收缩方法中，等离子体刻蚀工艺在高压环境下进行，能够进一步改善刻蚀过程中聚合物沉积的物理轰击现象，从而有效避免条纹现象的出现，改善特征尺寸收缩后刻蚀结构的线边缘粗糙度，进一步提高工艺质量，实现特征尺寸的有效、高质量收缩。

附图说明

图1为现有技术中聚合物不均匀沉积形成的不规则图形化边界结构示意图；

图2为现有技术特征尺寸收缩工艺中条纹现象示意图；

图3为本发明提供的特征尺寸收缩方法步骤流程图；

图4为本发明具体实施方式提供的半导体基底结构示意图；

图5为本发明具体实施方式提供的半导体基底表面形成图形化光阻材料层结构示意图；

图6a为本发明具体实方式提供的一种电感耦合型等离子体刻蚀反应腔室的结构示意图；

图6b为本发明具体实方式提供的一种电容耦合型等离子体刻蚀反应腔室的结构示意图；

图7为本发明具体实施方式提供的等离子体刻蚀过程中小分子聚合物沉积结构示意图；

图8为本发明一实施例中特征尺寸收缩前后特征尺寸对比示意图；

图9为本发明又一实施例中特征尺寸收缩前后特征尺寸对比示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

图3为本发明提供的特征尺寸收缩方法步骤流程图。

如图3所示，本具体实施方式提供的特征尺寸收缩方法包括以下步骤：

步骤S1：提供半导体基底100，所述半导体基底100表面覆盖有图形化的光阻材料层200。

图4为本具体实施方式提供的半导体基底结构示意图。

作为可选实施方式，如图4a、图4b所示，所述半导体基底100可以为原始或外延的半导体材料晶圆110，如单晶硅/锗硅/锗或其他公知的III-V族半导体材料晶圆110a、带有绝缘埋层111的单晶硅/锗硅/应变硅/锗/或其他公职的III-V族半导体材料晶圆110b（SOI/SGOI/sSOI/GOI晶圆）等，且所述原始或外延的半导体材料晶圆110表面或待刻蚀区域还可以包括半导体掺杂的阱区或有源区。

作为又一可选实施方式，所述半导体基底100可以包括形成于所述半导体材料晶圆110表面的各种半导体结构。作为一具体实施例，所述半导体基底100可以包括形成于所述半导体材料晶圆110表面的介电层或介质层120，如图4c所示，该表面介质层120可以为用于形成多晶硅栅的栅氧化层120a和多晶硅栅层120b。此外，如图4d、图4e所示，所述半导体基底100还可以包括形成于所述半导体材料晶圆110表面的半导体器件130等半导体结构，以及覆盖材料晶圆110或半导体器件130表面的单层或多层的层间介质层140。作为另一具体实施例，如图4f所示，所述半导体基底100还可以包括在半导体材料晶圆110表面形成沟槽并在沟槽内填充介质材料150形成的待刻蚀结构。

图3为本具体实施方式提供的半导体基底100表面形成图形化的光阻材料层200结构示意图。

本具体实施方式中，如图5a所示，半导体基底100表面覆盖有光阻材料层200，且其表面具有图形化窗口201暴露出所述半导体基底100表面，用于对半导体基底100表面图形化窗口201对应区域进行刻蚀，以实现图形化转移。该步骤中，光阻材料层200为光致抗蚀剂，即：正性或负性光刻胶，其通过光刻曝光或等离子体处理开图形化窗口201。

作为较佳实施例，如图5b所示，半导体基底100与图形化的光阻材料层200之间，还包括未图形化的有机抗反射涂层300。所述有机抗反射涂层300为有机材料，可以为聚酰胺或聚砜，其厚度为100Å~800Å。

作为又一可选实施例，如图5c所示，半导体衬底100与有机抗反射涂层300之间还包括无定形碳层400。该实施例中，无定形碳层400为化学气相沉积碳膜，该无定形碳材料以sp1、sp2、sp3键合状态的碳构成，使得该膜具有热解碳、石墨碳和类金刚石碳的混合物特性。无定形碳层400为非光敏性材料，可以通过等离子体刻蚀以高保真的重现半导体结构表面覆盖的光阻材料层200上的图形。较佳的，所述无定形碳层400厚度为100Å~3000Å，进一步地，所述无定形碳层400厚度为2000Å。此外，该无定形碳层400还可以包括氮或其他添加剂。

步骤S2：将所述半导体基底100置于等离子体刻蚀腔室500中。

图6为本具体实施方式中等离子体刻蚀腔室500结构示意图。

该步骤中，如图6a、图6b所示，等离子体刻蚀腔室500底部包括一基片支撑结构501，所述半导体基底100即置于该基片支撑结构501上。

所述等离子体刻蚀腔室500具有一源射频功率系统503，刻蚀气体在等离子体刻蚀腔室500中等离子化产生等离子体506。需要指出的是，本发明所提供的特征尺寸收缩方法适用于电感耦合型等离子体（ICP）刻蚀反应腔室或电容耦合型等离子体（CCP）刻蚀反应腔室。图6a所示为一种电感耦合型等离子体刻蚀反应腔室的结构示意图，其中，源射频功率系统503设置于反应腔室 500的上方并与一电感线圈（未图示）相连接，偏置射频功率系统502与基片支撑结构501相连接。图6b所示为一种电容耦合型等离子体刻蚀反应腔室的结构示意图，其中，源射频功率系统503与偏置射频功率系统502同时与作为下电极的基片支撑结构501相连接。

在等离子体506中，首先是电子从电场中吸收能量，然后通过与各种粒子间的相互碰撞实现能量的传递、转移，使得吸收能量的粒子产生激发、电离、分解等过程。因此，产生电场的源射频功率系统503射频功率的大小直接影响着等离子体的性质，决定了所述等离子体刻蚀腔室500中等离子体密度的大小。

而所述等离子体刻蚀腔室500下方具有一偏置射频功率系统502，在置于基片支撑结构501上的半导体基底100上产生射频偏压，从而控制轰击离子的能量大小。

该步骤中，所述等离子体刻蚀腔室500还包括气体注入装置505，用于在等离子体刻蚀过程中通入刻蚀所需的刻蚀气体。

作为较佳实施例，等离子体刻蚀采用电感耦合型等离子体刻蚀（ICP）技术，此时，如图6a所示，所述等离子体刻蚀腔室500包括两个或两个以上气体注入装置505，其分布在所述等离子体刻蚀腔室500顶部的两侧，或均匀分布在所述等离子体刻蚀腔室500顶部周围。

作为可选实施例，等离子体刻蚀采用电感耦合型等离子体刻蚀（CCP）技术，此时，如图6b所示，所述等离子体刻蚀腔室500的气体注入装置505为置于等离子体刻蚀腔室500顶部的喷淋装置，刻蚀气体从等离子体刻蚀腔室500顶部注入。

需要指出的是，本具体实施方式中，所述等离子体刻蚀腔室500还包括位于其顶部的绝缘材料窗口、位于等离子体刻蚀腔室500内的挡板、抽真空系统、源射频功率系统503及偏置射频功率系统502的匹配电路等等离子体刻蚀设备中的常规结构，附图中并未一一示意。

步骤S3：以图形化光阻材料层200为掩膜，对刻蚀气体为饱和小分子碳氟气体、含N气体以及CO的混合气体等离子化，并对半导体基底100进行刻蚀。

该步骤中，经由气体注入装置505向等离子体刻蚀腔室500中注入刻蚀气体，并在源射频功率系统503的作用下产生等离子体506。作为最佳实施例，该步骤中，刻蚀气体的等离子化过程采用电感耦合型等离子体（ICP）技术实现，此时，刻蚀气体在设置为上电极的源射频功率系统503的线圈耦合作用下产生等离子体506。此外，作为可选实施例，该步骤中刻蚀气体的等离子化过程还可以采用电容耦合型等离子体（CCP）技术实现，此时，源射频功率系统503设置为下电极，位于等离子体刻蚀腔室500下方。此过程中，采用的刻蚀气体为饱和小分子碳氟气体、含N气体以及CO的混合气体。具体地，所述饱和小分子碳氟气体为CF₄或C₂F₆或二者的混合气体；所述含N气体为N₂或NH₃或二者的混合气体。

该步骤中，经由气体注入装置505向等离子体刻蚀腔室500中注入的饱和小分子碳氟气体的气体流量小于含N气体的气体流量，而含N气体的气体流量小于CO的气体流量。

该步骤中，经由气体注入装置505向等离子体刻蚀腔室500中注入的饱和小分子碳氟气体、含N气体、CO的气体流量比范围为1:2:5~1:8:40，且经由气体注入装置505向等离子体刻蚀腔室500中注入的饱和小分子碳氟气体的气体流量小于200sccm，含N气体的气体流量小于1000sccm，CO的气体流量小于3000sccm。

作为最佳实施例，经由气体注入装置505向等离子体刻蚀腔室500中注入的刻蚀气体为CF₄、N₂和CO混合气体，且注入的CF₄、N₂和CO气体流量比为1:6:30。

本具体实施方式中，低流量的CF₄用作生成小分子聚合物CF的反应气体；N₂产生的N离子可以起到调节聚合物浓度及聚合物的沉积速度的作用，用以控制等离子体刻蚀过程中产生的聚合物数量，此外，N₂还可以与C元素发生反应，产生CN聚合物；高流量的CO气体则用作提供包括无定形碳在内的小分子聚合物中C元素的气体源。

本具体实施方式提供的特征尺寸收缩方法在等离子体刻蚀过程中，以CO代替传统的碳氟化合物（如C₄F₈、CF₄等）以及含H的碳氟化合物气体（如CHF₃、CH₂F₂等）作为该等离子体刻蚀过程中的高分子聚合物气体，在低频射频功率下进行等离子体刻蚀，能够有效控制刻蚀过程中的等离子体能量、密度和反应生成的聚合物分子链长度，避免在特征尺寸收缩技术的等离子体刻蚀过程中长分子链聚合物的形成。而采用饱和小分子碳氟气体、含N气体以及CO的混合气体进行等离子体刻蚀，产生的小分子聚合物能够均匀沉积在半导体基底100表面，避免了传统大分子链聚合物不均匀沉积而带来的条纹现象。

该步骤中，刻蚀气体在源射频功率系统503的作用下等离子化生成用于刻蚀的等离子体506，所述源射频功率系统503提供的源功率为0~400W，源功率频率为25MHz~120MHz。

在低压作用下，刻蚀气体在源功率的激发下，产生电离并形成等离子体506，等离子体506是由带电的电子和离子组成，等离子体刻蚀腔室500内的刻蚀气体在电子的撞击下，除了转变成离子外，还能吸收能量并形成大量的活性基团，活性反应基团和被刻蚀物质表面形成化学反应并形成挥发性的反应生成物。

在刻蚀气体形成等离子体506过程中，当源功率为100W左右的低射频输入功率时，电子密度较低，电子具有较大的平均自由程，可以从电场中吸收更多的能量，同时由于较低的电子密度，电子与刻蚀气体分子、荷电粒子和中性基团之间的反应率也低，使得电子损失的能量较少；当源功率增加时，电子密度迅速增加，与刻蚀气体分子、荷电粒子和中性基团之间的反应率也迅速增加，使得电子能量损失变大，同时分解形成的中性基团和荷电粒子的密度上升，电子的平均自由程缩短，电子从电场中吸收的能量减少；而电子与刻蚀气体分子、荷电粒子和中性基团之间的碰撞也使得更多的高能电子向低能电子转化。

在源功率100W~400W范围时，平均电子密度较为稳定；而源功率超过400W、特别是超过600W时的高源功率情况下，平均电子密度将在高功率作用下将迅速上升，等离子体密度，特别是CF*自由活性基的浓度大幅度增加，形成长分子链聚合物的几率增大。因此，本具体实施方式中，选用源射频功率系统503提供的源功率为0~400W。

该步骤中，等离子体刻蚀过程在偏置射频功率系统502控制下进行，所述偏置射频功率系统502提供的偏置功率为200~800W，偏置功率频率为2MHz~15MHz。为有效控制轰击离子的能量大小及聚合物的浓度，源射频功率系统503提供的源功率和偏置射频功率系统502提供的偏置功率比为0~1:20。

在等离子体刻蚀过程中，在偏置射频功率系统502提供的偏置功率作用下，使带正电的刻蚀气体离子加速撞击半导体基底100表面，这种离子轰击可大大加快半导体基底100表面的化学反应以及反应生成物的脱附。

该步骤的等离子体刻蚀过程中，等离子体刻蚀腔室500内的腔体压力为200mT~800mT，即：等离子体刻蚀过程在高压环境下进行，能够有效控制离子能量，降低物理轰击作用。

作为最佳实施例，特征尺寸收缩方法的等离子体刻蚀过程中离子体刻蚀腔室500内的腔体压力为750mT。

图7为等离子体刻蚀过程中小分子聚合物沉积结构示意图。

该步骤中，如图7a所示，在等离子体刻蚀过程中，刻蚀气体等离子化在等离子体刻蚀腔室内形成等离子体，并化学反应生成包括无定形碳在内的小分子聚合物600，该小分子聚合物600均匀沉积在覆盖半导体基底100表面的图形化光阻材料层200表面及图形化窗口201侧壁，从而使得对半导体基底100刻蚀的特征尺寸，小于光阻材料层200图形化窗口201的特征尺寸，实现等离子体刻蚀特征尺寸的缩小。

需要指出的是，为了充分体现特征尺寸收缩方法所能实现的对于特征尺寸的有效、高质量收缩，本具体实施方式提供的特征尺寸收缩方法，较佳的适用于28nm~45nm工艺制程，待刻蚀的半导体结构深度通常为几百纳米，设计参数深宽比一般小于10:1，可用于后端工艺中孔洞或金属接触孔的刻蚀，采用本具体实施方式提供的特征尺寸收缩方法，刻蚀所得半导体结构的特征尺寸可缩小至20nm以下。

图8为本具体实施方式一实施例中特征尺寸收缩前后特征尺寸对比示意图。

本实施例中，如图5b所示，半导体基底100与图形化的光阻材料层200之间，还包括一未图形化的有机抗反射涂层300。此时，该特征尺寸收缩方法的等离子体刻蚀过程中，还包括刻蚀有机抗反射涂层300至暴露半导体基底100表面的过程。

该刻蚀过程中，如图7b所示，刻蚀气体等离子化形成等离子体，并化学反应生成包括无定形碳在内的小分子聚合物600，该小分子聚合物600均匀沉积在图形化光阻材料层200表面及图形化窗口201侧壁，并在对有机抗反射涂层300的刻蚀过程中，进一步沉积在刻蚀后的有机抗反射涂层300侧壁，从而使得对半导体基底100刻蚀的特征尺寸，小于光阻材料层200图形化窗口201的特征尺寸，实现等离子体刻蚀特征尺寸的缩小。

如图8所示，作为可选实施例，待刻蚀半导体结构采用特征尺寸收缩技术前的光刻曝光前的特征尺寸CD₁为140nm，等离子体刻蚀过程中注入的刻蚀气体为C₂F₆、NH₃和CO的混合气体，且注入CF₄、N₂和CO的气体流量比为1:3:20，刻蚀过程中偏置射频功率系统502提供的偏置功率频率为13.56MHz，等离子体腔室500的腔体压力为500mT。此时，等离子体刻蚀后得到的半导体结构特征尺寸CD₂收缩至70nm。

图9为本具体实施方式又一实施例中特征尺寸收缩前后特征尺寸对比示意图。

本实施例中，如图5c所示，半导体基底100表面依次覆盖无定形碳层400、未图形化的有机抗反射涂层300和图形化的光阻材料层200。此时，该特征尺寸收缩方法的等离子体刻蚀过程中，还包括刻蚀有机抗反射涂层300和无定形碳层400至暴露半导体基底100表面的过程。

该刻蚀过程中，如图7c所示，刻蚀气体等离子化形成等离子体，并化学反应生成包括无定形碳在内的小分子聚合物600，该小分子聚合物600均匀沉积在图形化光阻材料层200表面及图形化窗口201侧壁，并在对有机抗反射涂层300以及无定形碳层400的刻蚀过程中，进一步沉积在刻蚀后的有机抗反射涂层300及无定形碳层400侧壁，从而使得对半导体基底100刻蚀的特征尺寸，小于光阻材料层200图形化窗口201的特征尺寸，实现等离子体刻蚀特征尺寸的缩小。

如图9所示，作为又一可选实施例，待刻蚀半导体结构采用特征尺寸收缩技术前的光刻曝光前的特征尺寸CD₃为100nm，等离子体刻蚀过程中注入的刻蚀气体为CF₄、N₂和CO的混合气体，且注入CF₄、N₂和CO的气体流量比为1:6:30，刻蚀过程中偏置射频功率系统502提供的偏置功率频率为2MHz，等离子体腔室500的腔体压力为750mT。此时，等离子体刻蚀后得到的半导体结构特征尺寸CD₄收缩至40nm。

本具体实施方式所提供的特征尺寸收缩方法的优点在于，采用CO替代传统的碳氟化合物（CF₄、C₄F₈等）以及含H的碳氟化合物气体（如CHF₃、CH₂F₂等），作为特征尺寸收缩方法中的高分子聚合物气体，在高压、低频射频功率下进行等离子体刻蚀，能够有效控制特征尺寸收缩过程中分子链长度和等离子体能量、密度，从而控制等离子体可是过程中形成的聚合物分子链长度，避免了等离子体刻蚀过程中长分子链聚合物的形成。

此外，本具体实施方式提供的特征尺寸收缩方法中，等离子体刻蚀工艺在高压环境（200mT~800mT）下进行，能够进一步改善刻蚀过程中聚合物沉积的物理轰击现象，从而有效避免条纹现象的出现，改善特征尺寸收缩后刻蚀结构的线边缘粗糙度，进一步提高工艺质量，实现特征尺寸的有效、高质量收缩。

采用本具体实施方式提供的特征尺寸收缩方法，采用等离子体刻蚀实现尺寸收缩的图像化转移介质层可以为有机抗反射涂层或其他可用作硬掩膜的介质层，也可以为常规电介质层。需要指出的是，本具体实施方式提供的特征尺寸收缩方法除上述步骤外，还进一步的包括等离子体刻蚀前的掩膜层沉积、图形化曝光以及等离子体刻蚀后的去掩膜层、清洗等常规半导体工艺步骤，上述各工艺步骤均可采用本领域技术人员熟知的常规半导体方法实现。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种特征尺寸收缩方法，包括步骤：

提供半导体基底，所述半导体基底表面覆盖有图形化的光阻材料层；

将所述半导体基底置于等离子体刻蚀腔室内；

其特征在于：

以所述图形化的光阻材料层为掩膜，对刻蚀气体为饱和小分子碳氟气体、含N气体以及CO的混合气体等离子化，并采用等离子化的上述气体对半导体基底进行刻蚀。

2.根据权利要求1所述的特征尺寸收缩方法，其特征在于，还包括刻蚀未图形化的有机抗反射涂层至半导体基底表面的过程，所述未图形化的有机抗反射涂层位于所述半导体基底和图形化的光阻材料层之间。

3.根据权利要求2所述的特征尺寸收缩方法，其特征在于，还包括刻蚀无定形碳至半导体基底表面的过程，所述无定形碳位于所述半导体基底和有机抗反射涂层之间。

4.根据权利要求1所述的特征尺寸收缩方法，其特征在于，所述饱和小分子碳氟气体为CF₄或C₂F₆或二者的混合气体。

5.根据权利要求1所述的特征尺寸收缩方法，其特征在于，所述含N气体为N₂或NH₃或二者的混合气体。

6.根据权利要求4或5所述的特征尺寸收缩方法，其特征在于，所述等离子体刻蚀过程中，所述饱和小分子碳氟气体的气体流量小于所述含N气体的气体流量，且所述含N气体的气体流量小于所述CO的气体流量。

7.根据权利要求6所述的特征尺寸收缩方法，其特征在于，所述等离子体刻蚀过程中，采用的刻蚀气体为CF₄、N₂和CO混合气体。

8.根据权利要求6所述的特征尺寸收缩方法，其特征在于，所述等离子体刻蚀过程中，所述饱和小分子碳氟气体、含N气体、CO的气体流量比范围为1:2:5~1:8:40。

9.根据权利要求8所述的特征尺寸收缩方法，其特征在于，所述等离子体刻蚀过程中，所述饱和小分子碳氟气体、含N气体、CO的气体流量比范围为1:6:30。

10.根据权利要求6所述的特征尺寸收缩方法，其特征在于，所述等离子体刻蚀过程中，所述饱和小分子碳氟气体的气体流量小于200sccm；所述含N气体的气体流量小于1000sccm；所述CO的气体流量小于3000sccm。

11.根据权利要求6所述的特征尺寸收缩方法，其特征在于，所述等离子体刻蚀过程中，所述等离子体刻蚀腔室的腔体压力为200mT~800mT。

12.根据权利要求6所述的特征尺寸收缩方法，其特征在于，所述等离子体刻蚀过程中，源功率为0~400W，源功率频率为25MHz~120MHz；偏置功率为200~800W，偏置功率频率为2MHz~15MHz。

13.根据权利要求12所述的特征尺寸收缩方法，其特征在于，所述等离子体刻蚀过程在偏置功率控制下进行，且所述源功率和偏置功率比为0~1:20。

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