CN117253898A - 一种半导体器件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种半导体器件的制造方法，包括以下步骤：提供半导体衬底；在所述半导体衬底上形成图案化的光阻层；采用含卤族元素的刻蚀气体对所述光阻层进行第一刻蚀，在所述第一刻蚀中，所述卤族元素粘附到所述光阻层的上表面上，并与所述光阻层的上表面的表层反应形成抗蚀络合物层。在刻蚀气体中添加卤族元素，在电场牵引下等离子体和卤族元素自上而下地流向光阻层的上表面，其中卤族元素与光阻层的表面反应形成了抗蚀络合物层，抗蚀络合物层能够减缓刻蚀气体对光阻层表面的刻蚀，达到同时满足CD微缩尺寸和光阻层垂直方向残留厚度的要求。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种半导体器件的制造方法。
背景技术
在55纳米图像传感器(CIS，Contact Image Sensor)的制造流程中，通常在光阻曝光显影后，有两道应用于离子注入(IMP，Ion implantation)的光阻(PR)微缩(descum)制程，需要通过在光阻曝光显影后进行刻蚀，用以微缩PR关键尺寸(CD)分别实现二次IMP，而出于第二次IMP的遮挡需求，第二次微缩制程之后的光阻残值(在垂直方向上，或者说光阻的厚度)需大于300nm。
两道应用于离子注入的光阻微缩制程中的第一道为初步微缩光阻层以用于二次IMP中的第一次离子注入，其一般把光阻层单边光阻微缩50nm左右，且保证剩余的光阻层有相对足够的纵向厚度并避免光阻层坍塌。通常在曝光显影后，光阻层的纵向厚度可以达到1000nm，在主蚀刻机台来对光阻层进行主刻蚀时，常规以氧气O2为主蚀刻气体，经历主刻蚀之后，剩余的光阻层不但能够满足关键尺寸(横向上的尺寸)的要求(单边微缩50nm)，同时刻蚀后的光阻层的纵向厚度在不同区域和图形处均超过600nm(如图1电镜图所示，意味着PR的损失控制在400nm以内，其中a表示光阻层垂直/纵向方向厚度，b、c、d依次表示光阻层顶部、中部、底部水平方向厚度)，能够良好地执行后续的第一次离子注入工序。
两道应用于离子注入的光阻微缩制程中的第二道是为了进一步微缩光阻层以用于二次IMP中的第二次离子注入，其需要对光阻微缩制程后的光阻层单边微缩100nm，最终剩余的光阻层在横向上的关键尺寸例如为220nm。第二道光阻微缩制程也一般用氧气/O2为蚀刻气体，但是当采用与第一道光阻微缩制程相同的工艺条件(例如该工艺温度、气体流量、射频偏置功率等均相同)时，由于光阻层的垂直方向的刻蚀速率远大于水平方向的刻蚀速率，若要达到单边微缩100nm要求，则意味着第二道光阻微缩制程的刻蚀时间需要加倍，在这种情况下，PR在垂直方向上的损失的厚度则在800nm左右，而第一道光阻微缩制程后剩余光阻层的纵向厚度只有600nm，由此最终会导致第二道光阻微缩制程后出现一些区域的PR厚度不足，难以保护光阻层下方的晶圆(wafer)的问题，从而导致第二次IMP失效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体器件的制造方法，以解决微缩制程时，垂直方向刻蚀速率过快导致光阻层残留不足的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种半导体器件的制造方法，包括以下步骤：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底上形成图案化的光阻层；
采用含卤族元素的刻蚀气体对所述光阻层进行第一刻蚀，在所述第一刻蚀中，所述卤族元素粘附到所述光阻层的上表面上，并与所述光阻层的上表面的表层反应形成抗蚀络合物层。
优选的，所述光阻层的材质包括248纳米的光阻材料和/或193纳米的光阻材料。
优选的，所述光阻层的材质包括聚甲基丙烯酸酯衍生物、聚对羟基苯乙烯及聚对羟基苯乙烯衍生物中的至少一种。
优选的，在所述半导体衬底上形成图案化的光阻层的步骤包括：对所述光阻层进行曝光、显影，形成图案化的光阻层。
优选的，在对所述光阻层进行曝光、显影之后，且在采用含卤族元素的刻蚀气体对所述光阻层进行第一刻蚀之前，先对所述光阻层进行第二刻蚀，所述光阻层的关键尺寸在所述第二刻蚀中的微缩量小于其在所述第一刻蚀中的微缩量。
优选的，所述第二刻蚀采用的刻蚀气体与所述第一刻蚀所采用的刻蚀气体相同，且所述第二刻蚀和所述第一刻蚀的刻蚀时间不同；
或者，所述第二刻蚀采用的刻蚀气体比所述第一刻蚀所采用的刻蚀气体少所述卤族元素；
或者，所述第二刻蚀的工艺温度高于所述第一刻蚀的工艺温度。
优选的，在对所述光阻层进行曝光、显影之后且在对所述光阻层进行第二刻蚀之前，或者在对所述光阻层进行第二刻蚀之后且在对所述光阻层进行第一刻蚀之前，以所述光阻层为掩膜，对所述半导体衬底进行第一离子注入；以及，
在采用含卤族元素的刻蚀气体对所述光阻层进行第一刻蚀之后，以所述光阻层为掩膜，对所述半导体衬底进行第二离子注入。
优选的，所述刻蚀气体包括主刻蚀气体和用于产生所述卤族元素的辅刻蚀气体，所述辅刻蚀气体包括溴化氢、四氟化碳及氯气中的至少一种。
优选的，所述辅刻蚀气体包括溴化氢，所述溴化氢的流量至少为50sccm；所述主刻蚀气体包括氧气。
优选的，所述抗蚀络合物层使得所述刻蚀气体对所述光阻层的纵向刻蚀速率和横向刻蚀速率之比小于5:1。
在本发明提供的半导体器件的制造方法，为解决垂直方向刻蚀速率过快导致的光阻层残留厚度不足的问题，在刻蚀气体中添加卤族元素，在电场牵引下等离子体和卤族元素自上而下地流向光阻层的上表面，其中卤族元素与光阻层的表面反应形成了抗蚀络合物层，抗蚀络合物层能够减缓刻蚀气体对光阻层表面的刻蚀，从而能够降低光阻层刻蚀时垂直方向损失与水平方向损失的厚度之比，达到同时满足CD微缩尺寸和光阻层垂直方向残留厚度的要求。
附图说明
图1是现行技术执行PDW微缩制程后光刻胶的电镜图；
图2a是聚苯乙烯二乙烯苯树脂的化学结构式；
图2b是聚甲基丙烯酸类树脂的化学结构式；
图3是本发明一实施例执行的流程图；
图4是本发明一实施例在半导体衬底上形成图案化的光阻层后的结构示意图；
图5是本发明一实施例在刻蚀气体进行第一刻蚀时的结构示意图；
图6是本发明一实施例在刻蚀完成后的结构示意图；
图7是本发明一实施例相对现行刻蚀工艺下仅添加50sccm的溴化氢进行刻蚀后光阻层横截面的电镜图。
图中：
1、半导体衬底；2、光阻层；3、刻蚀气体；4、抗蚀络合物层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的半导体器件的制造方法作进一步详细说明。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。
发明人研究发现，在执行光刻微缩制程时，由于一般采用干法刻蚀(或者说等离子刻蚀、电浆刻蚀)，等离子体在电场的牵引下自上而下地流向光刻胶(即光阻层)的表面进行刻蚀，因此对光刻胶的纵向刻蚀速率(或者说垂直刻蚀速率)往往会大于横向蚀刻速率(例如纵向刻蚀速率与横向刻蚀速率之比大于5:1)，因而导致横向上预定缩减的临界尺寸还未达到，即己在纵向上耗损过多的图案光刻胶的厚度，使得在缩减图案化光刻胶在横向上的线宽而达到预定的临界尺寸后，图案光刻胶纵向上的厚度会变得过薄，在以微缩后的图案化光刻胶为掩膜以进行后续的离子注入工序时，图案化光刻胶极容易被离子击穿，导致李子注入后的可靠性降低，甚至引起器件失效。
发明人进一步研究发现，光刻胶材料(即光阻材料)一般由感光树脂、增感剂和溶剂三种主要成分组成，对于常使用的感光树脂进行研究发现，感光树脂均充斥着可成为配位化合物(也称为络合物)的化学键，无论是248纳米的光阻材料，采用聚对羟基苯乙烯及其衍生物，如图2a结构，还是193纳米的光阻材料，采用聚甲基丙烯酸酯衍生物，如图2b结构，卤族元素可在如上结构经过化学反应形成配位化合物，从而导致光阻表面形成衍生聚合物，进而能够达到减慢光阻材料在垂直方向的蚀刻速率。
基于此，在本发明实的核心思想在于，通过在刻蚀气体中添加卤族元素，当刻蚀气体在电场牵引下自上而下地流动到光阻层表面时，卤族元素与光阻层的上表面反应生成聚合物抗蚀络合物层(一种聚合物)，减缓光阻层在垂直方向的刻蚀速率，从而能够解决在各向异性电子束的等离子体刻蚀光阻层时，垂直方向刻蚀速率过快导致光阻层残留厚度不足的问题。
具体的，请参考图3，其为本发明实施例的示意图。如图3所示，包括以下步骤：
S1，提供半导体衬底1。
S2，在半导体衬底1上形成光阻层2，然后对光阻层2进行曝光、显影，形成图案化的光阻层2，如图4所示，其中，光阻层2的材质包括248纳米的光阻材料和/或193纳米的光阻材料，以与刻蚀气体3反应，更具体的，光阻层2的材质包括聚甲基丙烯酸酯衍生物、聚对羟基苯乙烯及聚对羟基苯乙烯衍生物中的至少一种。
S3，先对光阻层2进行第二刻蚀，光阻层2在横向上的关键尺寸在第二刻蚀中的微缩量小于其在后续的第一刻蚀中的微缩量，正如在背景技术中提出的，光阻层2在横向上的关键尺寸在第二刻蚀中的微缩量为50nm，而在光阻层2在横向上的关键尺寸在后续的第一刻蚀中微缩量为100nm。第一刻蚀与第二刻蚀的微缩量需求不同，因此，第二刻蚀和第一刻蚀进程中的工艺参数可以不同，例如至少刻蚀时间不同。
可选地，在进行步骤S2之后且在S3之前或者在S3之后且在S4之前，增加第一离子注入工序，即在对光阻层2进行曝光、显影之后且在对光阻层2进行第二刻蚀之前，或者在对光阻层2进行第二刻蚀之后且在对光阻层2进行第一刻蚀之前，以光阻层2为掩膜，对半导体衬底1进行第一离子注入。
S4，采用含卤族元素的刻蚀气体3对光阻层2进行第一刻蚀，在第一刻蚀中，卤族元素粘附到光阻层2的上表面上，并与光阻层2的上表面的表层反应形成抗蚀络合物层4，如图5所示，以阻挡刻蚀气体3对光阻层2表面的刻蚀，能够减缓光阻层2上表面的刻蚀，达到减慢光阻层2的垂直刻蚀速率的目的，降低垂直方向厚度与水平方向厚度之比。其中，刻蚀气体3包括主刻蚀气体和用于产生卤族元素的辅刻蚀气体，辅刻蚀气体包括溴化氢、四氟化碳及氯气中的至少一种，主刻蚀气体包括氧气。
卤族元素与S2中的反应生成络合物(或者说聚合物)，因此络合物也就是抗蚀络合物层4的主要成分，对于光阻层2采用干法刻蚀，刻蚀气体3(或者说等离子体)在电场的牵引下自上而下(相对于半导体衬底1的表面)到达半导体衬底1的上表面进行刻蚀，与此同时，刻蚀气体3中的卤族元素与光阻层2的上表面反应形成络合物，减缓刻蚀气体3的垂直刻蚀速率。
为达到第一刻蚀中减缓垂直刻蚀速率的目的，保证光阻层2的残留厚度，如步骤S3中提到的光阻层2的关键尺寸在第二刻蚀中的微缩量为50nm，而在第一刻蚀中微缩量为100nm，第二刻蚀和第一刻蚀进程中的工艺参数不同，且第二刻蚀按现行的技术方案能够满足需求，具体地说：第二刻蚀采用的刻蚀气体3与第一刻蚀所采用的刻蚀气体3相同，且第二刻蚀和第一刻蚀的刻蚀时间不同，在一种实施方式中，第二刻蚀的刻蚀时间是第一刻蚀的一半；
或者，第二刻蚀采用的刻蚀气体3比第一刻蚀所采用的刻蚀气体3少卤族元素，第二刻蚀中由于光阻层2能够达到1000nm，在刻蚀后能够保证残留的光阻层2厚度，因此无需调整刻蚀气体3，而第一刻蚀中出于防止光阻层2倒塌以及满足光阻层2遮蔽进行离子注入的需求，需要相对第二刻蚀增加如溴化氢等卤族元素气体，减缓光阻层2的垂直方向的刻蚀速率，且因第一刻蚀和第二刻蚀的其余刻蚀气体相对不变。可以简化两次刻蚀的工艺，降低两次刻蚀的成本；
或者，第二刻蚀的工艺温度高于第一刻蚀的工艺温度，这是由于在第一刻蚀中需要调整对光阻层2的垂直方向刻蚀速率，且第一刻蚀的刻蚀气体3中均含有卤族元素，例如溴化氢，第一刻蚀的低温环境，可以让溴化氢在低温状态下液化，从而更易于附着在光阻层2的上表面上并进行反应形成抗蚀络合物层4，并最大程度地减少溴化氢与光阻层2的侧壁反应，达到最大程度地调整光阻层2的垂直方向刻蚀速率的效果。第二刻蚀中由于光阻层2纵向上较厚，即使光阻层的垂直方向刻蚀速率较大，也能保证第二刻蚀后剩余的光阻层2纵向上依然足够厚，即第二刻蚀没有调整垂直方向刻蚀速率的需求，因此其工艺温度可以适当调高，即使第二刻蚀中的刻蚀气体也包含溴化氢等低温易液化的卤素气体，其高温环境可以保持溴化氢等低温易液化的卤素气体处于气态。
需要注意的是，为保有一定量的光阻层2厚度残留，抗蚀络合物层4使得刻蚀气体3对光阻层2的纵向刻蚀速率和横向刻蚀速率之比小于5:1。
在一种示例中，辅刻蚀气体3包括溴化氢(HBr)，溴化氢的流量至少为50sccm；主刻蚀气体包括氧气。光阻层2在刻蚀前的垂直方向厚度为600nm，发明人对卤族元素进行分析发现，HBr属于低温易液化凝结气体，刻蚀气体3中的HBr和等离子体(plasma)是由上而下经过电场牵引来到半导体衬底1上表面的，溴化氢的垂直方向的黏附能力要强于水平方向，可以近似认为溴化氢在水平方向不与光阻层2反应，HBr黏附光阻层2形成的抗蚀络合物层4能够更着重于减缓垂直方向(PR remain光刻胶垂直厚度方向)的刻蚀速率，减缓光阻层2垂直方向的刻蚀。
加入溴化氢后需重新测试垂直方向和水平方向刻蚀速率(通过对半导体衬底1切片观察光阻层2的横截面)，调整刻蚀时间，以实现在第一刻蚀后剩余的光阻层2垂直方向上的厚度达到至少300nm的残留。
经过测试，在现行刻蚀工艺的参数基础上，本发明仅仅添加50sccm(标准毫升/分钟)的HBr，结果在CD单边微缩100nm的基础上PR remain(光阻层残留厚度)保持350nm以上，图4的电镜图示出的是本发明提供的方法，在添加50sccmHBr的情况下光阻层2的形状参数，光阻层2顶部水平方向的宽度b＝0.90686μm，光阻层2中部水平方向宽度c＝0.85527μm，光阻层2底部水平方向宽度d＝0.80169μm，光阻层2垂直方向的厚度a＝0.35520μm，大于光阻层2垂直方向所要求的厚度为300nm的残值，能够满足后续遮蔽半导体衬底1，进行二次离子注入工序。
如下表所示，将现行方法和本发明提供的方法进行数据对比。
表1现行方法与本发明方法下的数据
S4，在刻蚀之后，增加额外的purge step(在反应腔室中加少量的功率保持plasma不消失)，同时向反应腔室中通入一定量的气体将等离子体中混杂的细微颗粒带走，不仅能够去除一些残余的反应生成物，还能预防加入卤族元素后潜在的副作用或者二次污染，对半导体衬底1所处的空间，以去除半导体衬底1表面的杂质。
S5，以剩余的图案化的光阻层2为掩膜，对半导体衬底1进行第二离子注入，由于依次执行上述的S1、S2、S3、S4后，刻蚀后剩余的图案化光阻层2垂直方向的厚度大于300nm，能够满足遮蔽半导体衬底1的要求，保证离子注入的可靠性，避免二次离子注入失效。
需要说明的是，上述实施例中需要两次不同范围的离子注入，因此可以在进行步骤S2之后且在S3之前或者在S3之后且在S4之前，增加第一离子注入工序，但是本发明的技术方案并不仅仅限定于此，在本发明的其他实施例中，当需要使得图案化的光阻层在横向微缩到一定尺寸且仅根据该光阻层进行一次离子注入时，可省略第一离子注入工序。
综上可见，在本发明实施例提供的半导体器件的制造方法中，通过在刻蚀气体中添加卤族元素，在电场牵引下等离子体和卤族元素自上而下地流向光阻层的上表面，其中卤族元素与光阻层的表面反应形成了抗蚀络合物层，抗蚀络合物层能够减缓刻蚀气体对光阻层表面的刻蚀，使得光阻层在横向上的关键尺寸微缩至要求程度时，光阻层在纵向上的厚度也满足要求，保证了后续的离子注入工序的效果。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (10)
1.一种半导体器件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底上形成图案化的光阻层；
采用含卤族元素的刻蚀气体对所述光阻层进行第一刻蚀，在所述第一刻蚀中，所述卤族元素粘附到所述光阻层的上表面上，并与所述光阻层的上表面的表层反应形成抗蚀络合物层。
2.如权利要求1所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述光阻层的材质包括248纳米的光阻材料和/或193纳米的光阻材料。
3.如权利要求2所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述光阻层的材质包括聚甲基丙烯酸酯衍生物、聚对羟基苯乙烯及聚对羟基苯乙烯衍生物中的至少一种。
4.如权利要求1所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，在所述半导体衬底上形成图案化的光阻层的步骤包括：对所述光阻层进行曝光、显影，形成图案化的光阻层。
5.如权利要求4所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，在对所述光阻层进行曝光、显影之后，且在采用含卤族元素的刻蚀气体对所述光阻层进行第一刻蚀之前，先对所述光阻层进行第二刻蚀，所述光阻层的关键尺寸在所述第二刻蚀中的微缩量小于其在所述第一刻蚀中的微缩量。
6.如权利要求5所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述第二刻蚀采用的刻蚀气体与所述第一刻蚀所采用的刻蚀气体相同，且所述第二刻蚀和所述第一刻蚀的刻蚀时间不同；
或者，所述第二刻蚀采用的刻蚀气体比所述第一刻蚀所采用的刻蚀气体少所述卤族元素；
或者，所述第二刻蚀的工艺温度高于所述第一刻蚀的工艺温度。
7.如权利要求5所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，还包括：在对所述光阻层进行曝光、显影之后且在对所述光阻层进行第二刻蚀之前，或者在对所述光阻层进行第二刻蚀之后且在对所述光阻层进行第一刻蚀之前，以所述光阻层为掩膜，对所述半导体衬底进行第一离子注入；以及，
在采用含卤族元素的刻蚀气体对所述光阻层进行第一刻蚀之后，以所述光阻层为掩膜，对所述半导体衬底进行第二离子注入。
8.如权利要求1-7中任一项所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述刻蚀气体包括主刻蚀气体和用于产生所述卤族元素的辅刻蚀气体，所述辅刻蚀气体包括溴化氢、四氟化碳及氯气中的至少一种。
9.如权利要求8所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述辅刻蚀气体包括溴化氢，所述溴化氢的流量至少为50sccm；所述主刻蚀气体包括氧气。
10.如权利要求1-7中任一项所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述抗蚀络合物层使得所述刻蚀气体对所述光阻层的纵向刻蚀速率和横向刻蚀速率之比小于5:1。
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