CN105161409A - U形栅极的形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种U形栅极的形成方法，包括：在硅片中形成有源区和浅沟槽隔离；在硅片上依次形成栅氧化层和栅极多晶硅薄膜，在栅极多晶硅薄膜上沉积硬掩模层；布置光刻胶，并且对光刻胶进行第一次光刻以形成H型图案，并且通过干法刻蚀将H型图案转移到硬掩模上；旋涂填充材料将硬掩模上的H型图案填平；随后布置光刻胶并进行第二次光刻，形成用于将硬掩模上的H型图案切断以形成U形图案的光刻胶图案；通过干法刻蚀将所述光刻胶图案转移到硬掩模上以形成U形图案；进行最终刻蚀将硬掩模上的U形图案转移到多晶硅上形成U形栅极。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，更具体地说，本发明涉及一种U形栅极的形成方法。
背景技术
超大规模集成电路的特征尺寸按照摩尔定律的发展，已经发展到28纳米及以下的特征尺寸，以便在更小面积上集成更多的半导体器件，提高器件的容量，降低成本，形成具有更好的性能，更低的功耗的半导体器件。
但是在28纳米及以下技术工艺中，以栅极为例说明：减小栅极线宽可以提高集成度以及减小器件尺寸，但是单一的减少线宽将会遇到一系列问题，两条栅极线之间的距离我们称为线端距离(Lineendtoend)，制作小线宽栅极的光刻工艺会产生线端收缩(line-endshortening)。栅极线宽越小，线端收缩越严重，这实际上减少了栅极超出有源区的有效距离。但是大部分器件又要求栅极线条末端必须超出有源区域(Activearea)，如果没有超出有源区域，漏出的有源区域在后续工艺中易发生锗硅外延，形成缺陷，造成器件的失效。
为解决线端收缩，传统的方法是在光掩模上进行光学临近效应修正(opticalproximitycorrection,OPC)来矫正线端收缩。但是当线端收缩太严重，所需光学临近效应修正的修正量太大，以至于在光掩模上相邻两个线端图形形成重叠形成桥连，导致光学临近效应修正方法失效。
在这种情况下，就不得不增加一步线端切割工艺LEC(line-endcut)。LEC技术有别于传统的一次光刻和刻蚀方法，而是光刻，刻蚀，再光刻，再刻蚀的两次曝光两次刻蚀技术(doublepatterning)。栅极线端切割工艺首先利用一次光刻一次刻蚀形成长距离的连续线条图案，然后使用专用的LEC光罩，将前述所形成的长条切成长度不一的短线条。这种方案制作的图形在线端不再呈圆弧形，而是近似直角形，能有效增加隔绝面积。但是，这种方案的制造过程非常复杂。
U形Poly在正向端口SRAM(DueportSRAM)中被采用，通过U形多晶硅，两个NPD器件分享同一个栅极，增加了SRAM的读写能力，但是U形多晶由于图形更为复杂，线端圆弧化的效应更为明显，特别是在有源区域上的多晶硅由于圆弧化导致栅极的宽度差别很大，产生寄生器件，导致SRAM失效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种U形栅极的形成方法，能够解决U形多晶硅的线端圆弧化效应，从而使得多晶硅的尺寸更加均一，降低了产生寄生集体管的几率，提高了器件的可靠性。
为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种U形栅极的形成方法，包括：在硅片中形成有源区和浅沟槽隔离；在硅片上依次形成栅氧化层和栅极多晶硅薄膜，在栅极多晶硅薄膜上沉积硬掩模层；布置光刻胶并且对光刻胶进行第一次光刻以形成H型图案，并且通过干法刻蚀将H型图案转移到硬掩模上；旋涂填充材料将硬掩模上的H型图案填平；随后，布置光刻胶并进行第二次光刻，形成用于将硬掩模上的H型图案切断以形成U形图案的光刻胶图案；通过干法刻蚀将所述光刻胶图案转移到硬掩模上以形成U形图案；进行最终刻蚀将硬掩模上的U形图案转移到多晶硅上形成U形栅极。
优选地，所述填充材料为无定形碳或者是有机自旋碳材料。
优选地，填充材料中的碳含量>60％，填充材料的消光系数小于0.6。
优选地，填充材料的厚度为150-250纳米。
优选地，在所述布置光刻胶并且对光刻胶进行第一次光刻以形成H型图案的步骤之前，先形成第一减反射层，然后再布置光刻胶；
在布置光刻胶并进行第二次光刻的步骤之前，先在填充材料上形成第二减反射层，然后再布置光刻胶。
优选地，第一和第二减反射层的材料也是无碳且硅含量>40％的富硅减反射材料。
优选地，第一和第二减反射层的消光系数小于0.4，第一和第二减反射层的厚度为20-40纳米。
优选地，干法刻蚀中刻蚀硬掩模的气体为取CF4和CH2F2的混合气体。
优选地，CF4和CH2F2的气体比在10:1和6:1之间。
优选地，用于将硬掩模上的H型图案切断以形成U形图案的光刻胶图案包括第一开口、第二开口和第三开口；其中，第一开口用于将H型图案的中部横杆上部的图案分离出去，第二开口用于将H型图案的中部横杆下部的两个支脚中的一个切断，第三开口用于将H型图案的中部横杆下部的两个支脚中的另一个切断。
本发明通过改进第二次光刻的光刻区域，增加一个第三开口区域，改善了线端圆弧化效应，形成的栅极线更加准直：首先在硅片上形成有源区和浅沟槽隔离，然后依次形成栅氧化层和栅极多晶硅薄膜，在多晶硅上沉积硬掩模层；进行第一次光刻，形成H型栅极图案，干法刻蚀将图案转移到硬掩模上；旋涂填充材料将上述图案填平，旋涂光刻胶进行第二次光刻，将H型栅极图案切断，形成U形栅极图案，干法刻蚀将图案转移到硬掩模上；进行最终刻蚀将硬掩模上的图案转移到多晶硅上形成U形栅极
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的U形栅极的形成方法的在有源区上形成H型栅极后的俯视图。
图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的U形栅极的形成方法的第二次光刻的光刻版示意图。
图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的U形栅极的形成方法的第二次光刻的示意图。
图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的U形栅极的形成方法的第二次刻蚀(LEC)后的俯视图。
图5示意性地示出了根据本发明优选实施例的U形栅极的形成方法的第一次光刻刻蚀时的叠层截面图。
图6示意性地示出了根据本发明优选实施例的U形栅极的形成方法的第一次光刻刻蚀后形成栅极的截面图。
图7示意性地示出了根据本发明优选实施例的U形栅极的形成方法的填充H型栅极进行第二次光刻的叠层截面图。
需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
根据本发明优选实施例的U形栅极的形成方法包括：在硅片中形成有源区和浅沟槽隔离；在硅片上依次形成栅氧化层和栅极多晶硅薄膜，在栅极多晶硅薄膜上沉积硬掩模层；布置光刻胶，并且对光刻胶进行第一次光刻以形成H型图案(具体地，如图1所示，所述H型图案是多个H型依次上下连接的梯子形图案，图1示出了两个H型依次上下连接的情况)，并且通过干法刻蚀将H型图案转移到硬掩模上(硬掩模上的H型图案如图1的10所示)；旋涂填充材料(例如，无定形碳)将硬掩模上的H型图案填平；随后旋涂光刻胶进行第二次光刻，形成用于将硬掩模上的H型图案切断以形成U形图案的光刻胶图案(如图2所示，光刻版20中的光刻胶图案包括第一开口21、第二开口22和第三开口23)；通过干法刻蚀将所述光刻胶图案转移到硬掩模上(如图3所示，第一开口21、第二开口22和第三开口23会分别对硬掩模上的H型图案进行切断)以形成U形图案(如图4所示)；进行最终刻蚀将硬掩模上的U形图案转移到多晶硅上形成U形栅极。
具体地，第一开口21用于将H型图案的中部横杆上部的图案分离出去，第二开口22用于将H型图案的中部横杆下部的两个支脚中的一个切断，第三开口23用于将H型图案的中部横杆下部的两个支脚中的另一个切断。
下面将参考附图来详细描述本发明的优选示例处理。例如，优选示例以SRAM中形成U形栅极为例进行说明。
在该实施例中，首先在硅衬底上形成浅沟槽隔离和有源区，并采用离子注入工艺完成阱参杂，采用热氧化法生长栅氧化层，本例中氧化层的厚度为2纳米，紧接着采用LPCVD沉积一层多晶硅层，本例中多晶硅的厚度为60纳米。
采用PECVD的方法在多晶硅上沉积一层SiN层作为硬掩模层，厚度在30到50纳米之间；紧接着采用PECVD的方法在SiN上沉积一层100-200纳米厚的非晶碳层，通过分解C2H2，形成非晶碳，工艺设定为：C2H2的流量为1500sccm，温度为400C，缓冲气体He流量为300-1500sccm，射频为13.56Mhz功率为800-1200W，压强位10托；
采用旋涂凝胶法沉积减反射层BARC和光刻胶，优选的减反射层为氮氧化硅和高分子材料为主体的有机抗反射薄膜(bottom-anti-reflective-coating，BARC)。形成的叠层如图5所示。
用第一张光刻版(MASK1)进行第一次光刻，进行第一次曝光后形成H型栅极图案，H型栅极图案的特征为有两个长条和连接两个长条的短条，本例中长条的宽度为器件的沟道长度30纳米,短条的宽度为长条宽度的3倍。
采用干法刻蚀将图案转移到硬掩模层上，本例中刻蚀硬掩模的气体为取CF4和CH2F2的混合气体，优选的气体比在10:1和6:1之间；形成的结构如图6所示。
采用填充材料将栅极图形填平，以利于第二次光刻的对焦，所述填充材料为无定形碳或者是有机自旋碳(SOC，spinoncarbon)材料。优选地，在填充材料中的碳含量>60％，填充材料的消光系数小于0.6。优选地，填充材料的厚度为150-250纳米。优选的在SOC上会增加一层减反射层BARC，该材料也是无碳且硅含量>40％的富硅减反射材料，消光系数小于0.4，厚度为20-40纳米；上述两层薄膜都采用旋涂凝胶法，实现良好填充能力、低反射率的光刻材料层组合。形成的叠层如图7所示。
采用第二张光刻板进行第二次曝光，所述第二张光刻板的特征是有三个开口区。形成的U形图案不是完全对称，而是两侧长度不一样；那么相应地，第一开口区将H型图案的长条切断，第二开口区将H型图案的短条下端切断，第三开口区将H型图案的短条的上端切断。
再次采用干法刻蚀将图案转移到硬掩模层上，本例中刻蚀硬掩模的气体为取CF4和CH2F2的混合气体，优选的气体比在10:1和6:1之间。
采用灰化工艺和SPM湿法清洗去除剩余的光刻胶和填充的有机SOC，灰化工艺气体为O2和SO2以及载气He，通过Plasma解离完成对光刻胶和SOC的刻蚀，然后采用湿法工艺SPM(H2SO4：H2O2比例为6：1)完成清洗。
以硬掩模形成的U形图形作为刻蚀阻挡层对多晶硅进行刻蚀，形成最终的U形多晶硅栅极。
本发明主要应用在40纳米及以下集成电路制造光刻刻蚀工艺；其中，首先在硅片上形成有源区和浅沟槽隔离，然后依次形成栅氧化层和栅极多晶硅薄膜，在多晶硅上沉积硬掩模层；进行第一次光刻，形成H型栅极图案，干法刻蚀将图案转移到硬掩模上；旋涂无定性碳和BARC材料将上述图案填平，进行第二次光刻，将H型栅极图案切断，形成U形栅极图案，干法刻蚀将图案转移到硬掩模上；进行最终刻蚀将硬掩模上的图案转移到多晶硅上形成U形栅极。由于采用了两次曝光方法，避免了一次曝光带来的线端收缩和方形圆化效应，使得最终形成的栅极图形更加精准，更符合器件的尺寸要求，降低了器件的漏电并提高了器件可靠性。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种U形栅极的形成方法，其特征在于包括：在硅片中形成有源区和浅沟槽隔离；在硅片上依次形成栅氧化层和栅极多晶硅薄膜，在栅极多晶硅薄膜上沉积硬掩模层；布置光刻胶并且对光刻胶进行第一次光刻以形成H型图案，并且通过干法刻蚀将H型图案转移到硬掩模上；旋涂填充材料将硬掩模上的H型图案填平；随后，布置光刻胶并进行第二次光刻，形成用于将硬掩模上的H型图案切断以形成U形图案的光刻胶图案；通过干法刻蚀将所述光刻胶图案转移到硬掩模上以形成U形图案；进行最终刻蚀将硬掩模上的U形图案转移到多晶硅上形成U形栅极。
2.根据权利要求1所述的U形栅极的形成方法，其特征在于，所述填充材料为无定形碳或者是有机自旋碳材料。
3.根据权利要求1或2所述的U形栅极的形成方法，其特征在于，填充材料中的碳含量>60％，填充材料的消光系数小于0.6。
4.根据权利要求1或2所述的U形栅极的形成方法，其特征在于，填充材料的厚度为150-250纳米。
5.根据权利要求1或2所述的U形栅极的形成方法，其特征在于，
在所述布置光刻胶并且对光刻胶进行第一次光刻以形成H型图案的步骤之前，先形成第一减反射层，然后再布置光刻胶；
在布置光刻胶并进行第二次光刻的步骤之前，先在填充材料上形成第二减反射层，然后再布置光刻胶。
6.根据权利要求5所述的U形栅极的形成方法，其特征在于，第一和第二减反射层的材料也是无碳且硅含量>40％的富硅减反射材料。
7.根据权利要求1或2所述的U形栅极的形成方法，其特征在于，第一和第二减反射层的消光系数小于0.4，第一和第二减反射层的厚度为20-40纳米。
8.根据权利要求1或2所述的U形栅极的形成方法，其特征在于，干法刻蚀中刻蚀硬掩模的气体为取CF4和CH2F2的混合气体。
9.根据权利要求8所述的U形栅极的形成方法，其特征在于，CF4和CH2F2的气体比在10:1和6:1之间。
10.根据权利要求1或2所述的U形栅极的形成方法，其特征在于，用于将硬掩模上的H型图案切断以形成U形图案的光刻胶图案包括第一开口、第二开口和第三开口；其中，第一开口用于将H型图案的中部横杆上部的图案分离出去，第二开口用于将H型图案的中部横杆下部的两个支脚中的一个切断，第三开口用于将H型图案的中部横杆下部的两个支脚中的另一个切断。
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