专利名称：15－50纳米线宽多晶硅栅的刻蚀方法
技术领域：
本发明属于半导体器件工艺及实现方法，特别涉及一种线宽15-50纳米的多晶硅栅的反应离子刻蚀方法，采用此方法可以提供陡直刻蚀剖面和多晶硅对其下SiO2栅介质远大于500∶1的高选择比刻蚀。
背景技术：
多晶硅栅图形的刻蚀工艺决定了器件的物理栅尺寸和剖面形状，是决定器件电学性能的最严格的因素之一。特别是在亚50纳米器件中栅介质厚度减薄到2.0纳米以下，所以如何提高多晶硅对其下的超薄栅介质的刻蚀选择比，获得极高的各向异性剖面和精确的多晶硅栅尺寸控制是三个十分严峻的挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米线宽多晶硅栅的刻蚀方法，该方法可刻蚀出15-50纳米线宽多晶硅栅。本发明不需要购置昂贵的专用设备，可用0.5微米(500纳米)工艺的老设备来完成高水平亚30纳米多晶硅栅图形的刻蚀，且具有成本低和实用性强的特点。
本发明所以能克服上述三大严峻的挑战，主要原因之一是把常规的三步刻蚀改成了四步刻蚀，即把主刻蚀分成了两步，主刻蚀-1是为了获得极好的各向异性及精确度，主刻蚀-2是为了获得极好的刻蚀选择比，使即使对多晶硅下的1.3纳米的超薄栅介质也不造成刻蚀损伤。同时，每一步都选择了合理的气体及其组份，合适的功率、压力等刻蚀参量，它们相辅相成，才达到了理想的效果。
具体地说，本发明提供的刻蚀方法，其主要步骤如下步骤1在1.2-5.0纳米厚的SiO2栅介质上沉积100-300纳米厚的多晶硅膜，然后在多晶硅膜上形成15-50纳米线宽的硬掩膜图形，包括
(1)于720℃在多晶硅膜上沉积75纳米厚的正硅酸乙酯热分解SiO2(TEOS SiO2)膜；(2)电子束光刻或光学光刻(248纳米或193纳米准分子激光曝光等)得到90-250纳米线宽的胶图形。
(3)胶的灰化处理采用氧等离子体对胶进行各向同性的刻蚀，达到缩小线宽的目的。
(4)氟化和烘烤用CF4等离子体对胶表面进行处理，以提高胶的软化温度，然后烘烤。
(5)对无胶掩蔽区域的TEOS SiO2膜首先进行各向异性刻蚀，去胶、清洗后，对TEOS SiO2图形进行各向同性的化学腐蚀，进一步缩小线宽，以达到要求的15-50纳米线宽TEOS SiO2硬掩膜图形。
步骤2刻蚀掉无胶掩蔽区域的多晶硅表面的自然氧化物射频功率300瓦，反应气体四氟化碳，氟里昂-14CF4，流量100sccm，稀释气体氦气(He)，流量50sccm，工作压力750mτ，电极温度35℃。
步骤3主刻蚀-1，控制刻蚀掉的多晶硅占总厚度的80-90％，射频功率250-350瓦，反应气体Cl2/HBr＝60-100sccm/30-50sccm，Cl2∶HBr＝2∶1，工作压力200-300mτ，电极温度35℃。此步能获得极好的各向异性刻蚀。
步骤4主刻蚀-2，此步是刻蚀掉主刻蚀-1留下的20-10％的多晶硅层，至栅介质暴露，终点触发止。此步由于有合适比例的氧的加入和HBr比例的适当增加，使多晶硅对超薄栅介质的刻蚀选择比大大提高(＞500∶1)，X光谱分析(XPS)表明，实际上获得了类SiO2膜的净沉积。射频功率120-140瓦，反应气体C12/HBr/O2＝60-90sccm/40-60sccm/2.5-3.5sccm，工作压力240-280mτ，电极温度35℃。
步骤5过刻蚀是刻蚀净可能残存的多晶硅，此步由于氧的加入和HBr比例的进一步增加，使刻蚀选择比进一步提高(＞＞500∶1)，因类SiO2膜净沉积进一步增加。射频功率120-140瓦，反应气体Cl2/HBr/O2＝40-80sccm/60-120sccm/2.5-3.5sccm，工作压力240-280mτ。
图1为根据本发明制备的TEOS SiO2硬掩膜栅图形的扫描电镜(SEM)照片，栅线条宽为21.3纳米。
图2为根据本发明制备的Co/Ti硅化物形成后的多晶硅栅刻蚀剖面的SEM照片，多晶硅线宽为20.2纳米。
图3为根据本发明研制成功的栅长27纳米CMOS器件剖面的透射电镜(TEM)照片。
具体实施例方式
实施例步骤1包括(1)在800℃下生长氮化氧化栅介质1.3纳米；(2)620℃下沉积200纳米多晶硅薄膜；(3)720℃下正硅酸乙酯热分解沉积TEOS SiO2膜75纳米；(4)电子束光刻SAL601负胶，形成100-110纳米线宽胶图形；(5)灰化和烘烤射频功率60瓦，反应气体O240sccm，稀释气体He60sccm，工作压力450mτ，电极距离1.5厘米，电极温度35℃。控制灰化时间获得50-60纳米胶条线宽图形。然后烘烤125℃，40分，缓慢升降温；(6)反应离子刻蚀TEOS SiO2膜，射频功率300瓦，CHF3/CF4/Ar＝50sccm/10sccm/250sccm，工作压力200mτ，终点触发止，无过刻；(7)去胶清洗3#去胶，然后3#清洗，再1#清洗；(8)湿化学腐蚀室温，HF/IPA/H2O＝0.5％∶0.02％∶1，腐蚀速率约0.3纳米/秒，控制腐蚀时间获得约20纳米线宽图形；图1给出了步骤1后得到的TEOS SiO2硬掩膜栅图形的扫描电镜(SEM)照片，掩膜栅图形线条宽为21.3纳米。
步骤2刻蚀自然氧化层，射频功率300瓦，反应气体CF4，流量100sccm，工作压力750mτ。
步骤3主刻蚀-1刻蚀掉多晶硅总厚度的85％，反应气体Cl2/HBr＝80sccm/40sccm＝2∶1，射频功率280瓦，工作压力250mτ。
步骤4主刻蚀-2刻蚀至触发，射频功率130瓦，反应气体Cl2/HBr＝70sccm/50sccm＝1.4∶1，O2＝3sccm，工作压力260mτ。
步骤5过腐蚀射频功率130，反应气体Cl2/HBr＝60sccm/95sccm，O2＝3sccm，过腐蚀时间40％。
图2给出了Co/Ti硅化物形成后的多晶硅栅刻蚀后剖面的SEM照片，多晶硅线宽为20.2纳米。可见剖面光滑，陡直，约为90度角。高/宽比大于7。线宽损失约5纳米。
图3给出了研制成功的栅长27纳米CMOS器件剖面的透射电镜(TEM)照片，多晶硅剖面陡直、光滑。器件特性优良。
权利要求
1.一种纳米线宽多晶硅栅的反应离子刻蚀方法，制出的栅宽为15-50纳米，其主要步骤为步骤1在多晶硅膜上形成15-50纳米线宽的SiO2硬掩膜图形a)在超薄栅介质上淀积多晶硅膜，然后淀积正硅酸乙酯热分解SiO2薄膜；b)用准分子激光或电子束曝光，光刻形成胶栅图形；c)胶的灰化，用氧等离子体对胶进行各向同性的刻蚀，射频功率30-100瓦，工作压力200-800mτ，反应气体氧气，流量20-80sccm，稀释气体氦气，流量30-120sccm，电极间距1-2厘米，电极温度30-40℃；d)用CF4气体氟化和烘烤；e)各向异性地反应离子刻蚀正硅酸乙酯热分解SiO2薄膜；采用的刻蚀气体为四氟化碳氟里昂-14/三氟甲烷/氩气，CF4流量6-30sccm，CHF3流量20-150sccm，Ar流量150-360sccm，工作压力100-300mτ，射频功率200-400瓦，电极间距1-2厘米，电极温度0℃。f)用湿法化学去胶和清洗；于120℃，用体积比为H2SO4∶H2O2＝4-6∶1的溶液去胶，时间10分钟；同一溶液清洗；于60℃用体积比为NH4OH∶H2O2∶H2O＝0.7-0.9∶1∶4-6的溶液清洗5分钟；热N2气氛中甩干；g)室温下湿法化学腐蚀，腐蚀液为40％的氢氟酸/异丙醇/H2O＝0.4-0.6％∶0.01-0.04％∶1，达到要求的15-50纳米线宽TEOS SiO2硬掩膜图形止；步骤2采用CF4腐蚀气体去除多晶硅表面的自然氧化物，CF4气体流量50-150sccm，功率250-350瓦，工作压力650-850mτ，电极间距0.7-1.0厘米，电极温度30-40℃；步骤3主刻蚀-1，采用Cl2/HBr混合气体，刻蚀掉多晶硅总厚度的80-90％；其中Cl2/HBr＝60-100sccm/30-50sccm，射频功率250-350瓦，工作压力200-300mτ；步骤4主刻蚀-2，采用Cl2/HBr/O2混合气体，刻蚀至终点触发止；Cl2/HBr/O2＝60-80sccm/45-65sccm/2.5-3.5sccm，射频功率120-140瓦，工作压力240-280mτ；步骤5过刻蚀，采用Cl2/HBr/O2＝40-80sccm/70-120sccm/2.5-3.5sccm混合气体，射频功率120-140瓦，工作压力240-280mτ。
2.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其中步骤1中栅介质厚1.2-5.0纳米，多晶硅层厚100-300纳米。
3.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其中步骤2是刻蚀掉无掩膜区域的多晶硅表面的自然氧化物。
4.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其中步骤4中主刻蚀-2是刻蚀至栅介质暴露止。
5.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其中步骤5过刻蚀是刻蚀净可能残余的多晶硅。
全文摘要
一种纳米线宽多晶硅栅的刻蚀方法，主要步骤为(1)采用电子束光刻或光学光刻结合胶的灰化处理工艺和硬掩膜修整技术，获得15－50纳米线宽的硬SiO
文档编号H01L21/3065GK1700426SQ20041004753
公开日2005年11月23日 申请日期2004年5月21日 优先权日2004年5月21日
发明者徐秋霞, 钱鹤, 赵玉印 申请人:中国科学院微电子研究所