专利名称：硬掩膜层刻蚀方法
技术领域：
本发明涉及集成电路制造领域，特别是涉及一种硬掩膜层刻蚀方法。
背景技术：
随着半导体制造技术的不断发展，作为衡量半导体制造技术工艺水平的栅极的线
宽也越来越小。目前，栅极的线宽已经能做到65nm甚至更小，小的栅极线宽可以减小形成
的半导体器件的驱动电压，进而减小功耗；此外，小的栅极线宽也可以使形成的半导体器件
尺寸减小，提高集成度，增加单位面积上半导体器件的数量，降低生产成本。 随着半导体器件线宽的减小，193nm光阻逐渐代替248nm光阻，但是通常193nm光
阻比较柔软，而且厚度也比较薄，为了能获得轮廓良好的栅极，在栅极制造过程中经常会使
用到硬掩膜层。 具体的说，使用193nm光阻的硬掩膜层刻蚀方法通常包括以下几个步骤首先，提 供半导体衬底，所述半导体衬底上依次形成有硬掩膜层、底部抗反射层以及图形化光阻层； 接着，以所述图形化光阻层为掩膜，刻蚀所述底部抗反射层，以形成图形化底部抗反射层； 接下来，以所述图形化光阻层和图形化底部抗反射层做掩膜，刻蚀所述硬掩膜层，以形成图 形化硬掩膜层。 为了获得较佳的轮廓，刻蚀所述底部抗反射层时通常采用的是干法刻蚀，所述干 法刻蚀依刻蚀产生的原理可分为化学性刻蚀(Chemical Etching)，物理性刻蚀(Physical Etching)和反应离子刻蚀(RIE)。其中，化学性刻蚀主要是利用等离子(plasma)产生的原 子团(Radicals)或反应性(Reactive)离子与被刻蚀层产生活性化学反应进行刻蚀。物 理性刻蚀是指利用被电浆与阴极电极间的电位差所加速的带正电荷离子，而轰击电极板表 面，这种现象称为"离子轰击"，也称为溅射刻蚀。反应离子刻蚀是介于化学性刻蚀和物理性 刻蚀之间的主流刻蚀技术，在物性和化性之间取得一个平衡点。其中，干法刻蚀所述底部抗 反射层时，采用的刻蚀气体可以为四氟化碳和溴化氢的混合气体，或者为溴化氢和氧气的 混合气体。 然而，在实际生产中发现，无论采用上述哪种干法刻蚀工艺，在刻蚀底部抗反 射层后，由于干法刻蚀中使用的离子的影响，图形化光阻层的侧壁表面变得非常粗糙 (roughness)，该粗糙的表面会导致后续形成的栅极的表面不光滑，且上述硬掩膜层刻蚀方 法的刻蚀选择比较低，进而导致半导体器件的漏电流增大，性能下降。
发明内容
本发明提供一种硬掩膜层刻蚀方法，以解决现有的刻蚀方法的选择比较低，且在 刻蚀底部抗反射层后，图形化光阻层的侧壁表面较为粗糙的问题。 为解决上述技术问题，本发明提供一种硬掩膜层刻蚀方法，包括提供半导体衬 底，所述半导体衬底上依次形成有硬掩膜层、底部抗反射层以及图形化光阻层；固化所述图 形化光阻层；以固化后的图形化光阻层为掩膜，刻蚀所述底部抗反射层，以形成图形化底部
3抗反射层；以所述固化后的图形化光阻层和图形化底部抗反射层做掩膜，刻蚀所述硬掩膜 层，以形成图形化硬掩膜层。 进一步的，利用溴化氢气体固化所述图形化光阻层。 进一步的，所述底部抗反射层为有机底部抗反射层，刻蚀所述底部抗反射层时所 采用的刻蚀气体为四氟化碳和二氧化氦，其特征在于，所述四氟化碳和二氧化氦的气体比 例为9 : 1 17 : 1，刻蚀所述底部抗反射层时反应室内的压力低于6mTorr。
进一步的，所述硬掩膜层的材质为氮化硅。 进一步的，所述硬掩膜层的厚度为1800 2200 A,所述底部抗反射层的厚度为
700 900 A,所述图形化光阻层的厚度为2600 3000 A。 与现有技术相比，本发明提供的硬掩膜层刻蚀方法具有以下优点 本发明在刻蚀底部抗反射层之前，增加了固化图形化光阻层的步骤，该固化步骤
可使所述图形化光阻层的表面硬化，从而增加对后续进行的刻蚀步骤的抵抗力，提高了刻
蚀选择比，确保刻蚀底部抗反射层后，固化后的图形化光阻层的侧壁较为光滑，且在刻蚀后
剩余的固化后的图形化光阻层的厚度较大； 此外，本发明刻蚀所述底部抗反射层时，所采用的刻蚀气体为四氟化碳和二氧化
氦，所述四氟化碳和二氧化氦的气体比例为9 : 1 17 : i，有利于使刻蚀步骤后的图形化
光阻层的侧壁光滑，提高了半导体器件的性能。
图1为本发明实施例所提供的硬掩膜层刻蚀方法的流程图； 图2A至图2D为本发明实施例所提供的硬掩膜层刻蚀方法的各步骤相应结构的剖 面示意图。
具体实施例方式
请参考图l，其为本发明实施例所提供的硬掩膜层刻蚀方法的流程图，结合该图， 该刻蚀方法包括以下步骤 步骤S10，提供半导体衬底，所述半导体衬底上依次形成有硬掩膜层、底部抗反射 层以及图形化光阻层； 步骤Sll，固化所述图形化光阻层； 步骤S12，以固化后的图形化光阻层为掩膜，刻蚀所述底部抗反射层，以形成图形 化底部抗反射层； 步骤S13，以所述固化后的图形化光阻层和图形化底部抗反射层做掩膜，刻蚀所述 硬掩膜层，以形成图形化硬掩膜层。 本发明在刻蚀所述底部抗反射层之前，增加了固化图形化光阻层的步骤，该固化 步骤可使图形化光阻层的表面硬化，从而增加对后续进行的刻蚀步骤的抵抗力，提高了刻 蚀选择比，确保刻蚀底部抗反射层后，固化后的图形化光阻层的侧壁较为光滑，且在刻蚀后 剩余的固化后的图形化光阻层的厚度较大。 下面将结合剖面示意图对本发明的硬掩膜层刻蚀方法进行更详细的描述，其中表 示了本发明的优选实施例，应所述理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍
4然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道， 而并不作为对本发明的限制。 为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能 和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开 发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的 限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费 时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。 在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。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。 参考图2A，首先，提供半导体衬底200，该半导体衬底200上依次形成有硬掩膜层 230、底部抗反射层240以及图形化光阻层250。 在本发明一个具体实施例中，硬掩膜层230是用于制造栅极，因此，在所述半导体 衬底200上，还形成有栅极介电层210以及位于栅极介电层210之上的栅极导电层220，其 中，硬掩膜层230、底部抗反射层240以及图形化光阻层250是依次位于栅极导电层220上。
所述栅极介电层210的材质可以为氧化硅，栅极导电层220的材质可以为多晶硅。 为了减小形成的栅极的电阻率，还可以在栅极导电层220内掺入杂质，例如，在用作N型金 属氧化物半导体晶体管栅极的多晶硅中可掺入磷或砷，在用作P型金属氧化物半导体晶体 管栅极的多晶硅中可掺入硼或硼的化合物。较佳的，所述栅极介电层210和栅极导电层220 可通过炉管沉积方式形成。 在本发明的一个具体实施例中，所述硬掩膜层230的材质为氮化硅，所述硬掩膜 层230可通过化学气相沉积方式形成；所述底部抗反射层240为有机底部抗反射层，其可通 过旋涂的方式形成。 所述图形化光阻层250可通过以下步骤形成；首先，在底部抗反射层240上旋涂光 阻，所述光阻为193nm的光阻；接着，可通过曝光和显影等工艺形成图形化光阻层250，所述 底部抗反射层240可消除或减小在曝光工艺中，反射光对图形化光阻层250的轮廓的影响。
在本发明的一个具体实施例中，硬掩膜层230的厚度较厚，例如，硬掩膜层230的 可以为1800 2200 A，底部抗反射层240的厚度为700 900 A,而图形化光阻层250的 厚度仅为2600 3000 A。 参考图2B，本发明的关键步骤是，在形成图形化光阻层250后，固化所述图形化光 阻层250，以形成固化后的图形化光阻层250a，所述固化步骤可使图形化光阻层250的表面 硬化。 所述固化步骤是在刻蚀机台内完成的，在进行该固化步骤时，刻蚀机台的反应室 内的压力低于6mTorr，偏压功率为0V，可利用溴化氢气体固化图形化光阻层250，所述溴化 氢气体可与图形化光阻层250的表面反应，使得图形化光阻层250的表面硬化，从而增加对 后续进行的刻蚀步骤的抵抗力，提高刻蚀选择比，确保刻蚀底部抗反射层240步骤后，固化 后的图形化光阻层250a的侧壁较为光滑，粗糙程度降低。 然而应当认识到，在发明的其它具体实施例中，也可利用其它方式固化图形化光 阻层，例如，可利用紫外线固化、电子束处理或者热固化等方式来固化所述图形化光阻层。
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参考图2C，并结合图2B，以固化后的图形化光阻层250a为掩膜，刻蚀底部抗反射 层240，以形成图形化底部抗反射层240a。 由于在刻蚀底部抗反射层240步骤之前，增加了固化图形化光阻层250的步骤，使 得图形化光阻层250的表面硬化，增加了对后续进行的刻蚀步骤的抵抗力，可确保刻蚀底 部抗反射层240步骤后，固化后的图形化光阻层250a的侧壁较为光滑；并且，由于固化后的 图形化光阻层250a的硬度较大，提高了刻蚀选择比，可确保在刻蚀底部抗反射层240步骤 后，剩余的固化后的图形化光阻层250a的厚度大于200A，确保其可作为后续进行的刻蚀硬 掩膜层230步骤中的掩膜层。 在本发明的一个具体实施例，刻蚀底部抗反射层240时，刻蚀设备的反应室内的 压力低于6mTorr，所采用的刻蚀气体为四氟化碳和二氧化氦，所述四氟化碳和二氧化氦的 气体比例为9 : 1 17 : l，利用该气体比例的四氟化碳和二氧化氦来刻蚀四氟化碳和二 氧化氦，有利于使刻蚀步骤后的图形化光阻层的侧壁较为光滑，进而提高了半导体器件的 性能。 参考图2D，并结合图2C，接下来，以固化后的图形化光阻层250a和图形化底部抗 反射层240a做掩膜，刻蚀硬掩膜层230，以形成图形化硬掩膜层230a。由于固化后的图形 化光阻层250a的硬度较大，提高了刻蚀选择比，且图形化光阻层250a的侧壁较为光滑，因 此，尽管硬掩膜层230的厚度较大，但是仍可形成轮廓较佳的图形化硬掩膜层230a。
需要说明的是，在上述具体实施例中，所述硬掩膜层230a是用于形成栅极，然而 应当认识到，在本发明其它实施例中，所述硬掩膜层还可用于制造其它半导体器件结构。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精 神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围 之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
一种硬掩膜层刻蚀方法，包括提供半导体衬底，所述半导体衬底上依次形成有硬掩膜层、底部抗反射层以及图形化光阻层；固化所述图形化光阻层；以固化后的图形化光阻层为掩膜，刻蚀所述底部抗反射层，以形成图形化底部抗反射层；以所述固化后的图形化光阻层和图形化底部抗反射层做掩膜，刻蚀所述硬掩膜层，以形成图形化硬掩膜层。
2. 如权利要求1所述的硬掩膜层刻蚀方法，其特征在于，利用溴化氢气体固化所述图 形化光阻层。
3. 如权利要求1或2所述的硬掩膜层刻蚀方法，其特征在于，所述底部抗反射层为有机 底部抗反射层。
4. 如权利要求3所述的硬掩膜层刻蚀方法，其特征在于，刻蚀所述底部抗反射层时所 采用的刻蚀气体为四氟化碳和二氧化氦。
5. 如权利要求4所述的硬掩膜层刻蚀方法，其特征在于，所述四氟化碳和二氧化氦的 气体比例为9 : 1 17 : 1。
6. 如权利要求5所述的硬掩膜层刻蚀方法，其特征在于，刻蚀所述底部抗反射层时反 应室内的压力低于6mTorr。
7. 如权利要求1所述的硬掩膜层刻蚀方法，其特征在于，所述硬掩膜层的材质为氮化娃o
8. 如权利要求7所述的硬掩膜层刻蚀方法，其特征在于，所述硬掩膜层的厚度为 1, 2200A。
9. 如权利要求8所述的硬掩膜层刻蚀方法，其特征在于，所述底部抗反射层的厚度为 700 900人。
10. 如权利要求9所述的硬掩膜层刻蚀方法，其特征在于，所述图形化光阻层的厚度为 2600 3000人。
全文摘要
本发明揭露了一种硬掩膜层刻蚀方法，该刻蚀方法包括提供半导体衬底，所述半导体衬底上依次形成有硬掩膜层、底部抗反射层以及图形化光阻层；固化所述图形化光阻层；以固化后的图形化光阻层为掩膜，刻蚀所述底部抗反射层，以形成图形化底部抗反射层；以固化后的图形化光阻层和图形化底部抗反射层做掩膜，刻蚀硬掩膜层，以形成图形化硬掩膜层。本发明可提高刻蚀选择比，并确保刻蚀底部抗反射层后，固化后的图形化光阻层的侧壁较为光滑，提高了半导体器件的性能。
文档编号H01L21/311GK101777493SQ20101010233
公开日2010年7月14日 申请日期2010年1月28日 优先权日2010年1月28日
发明者奚裴, 齐龙茵 申请人:上海宏力半导体制造有限公司