专利名称：一种栅刻蚀工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种栅刻蚀工艺，具体来说，涉及一种能够提高栅刻蚀关键尺寸(CD)控制能力的栅刻蚀工艺。
背景技术：
光刻工艺和栅刻蚀工艺是实现半导体制造特征尺寸的重要步骤，随着半导体工艺的发展，栅刻蚀的线条越来越窄，在栅刻蚀工艺中实现关键尺寸(CD，Critical Dimension)控制的难度也随之不断升高。
随着栅极线条越来越细，传统的利用光阻图案为掩膜进行硅材料刻蚀的技术由于自身的缺陷而无法满足技术的需要(通常光阻层很厚，约3000-6000埃，而现在的线条越来越细，仅有500-1300埃，因此刻蚀时的深宽比很大，工艺气体扩散进入掩膜线条的难度很大；此外，先进半导体制造中采用的248-193nm光阻材料在等离子体条件下非常容易变形，无法保证光阻图案的顺利转移，也就是说CD控制差)。因此，目前半导体制造工艺在光阻层与多晶硅层之间加入SiON层或SiO2/SiON双层结构，称为硬掩膜(Hard Mask)。栅刻蚀工艺中，首先将光阻图案转移至硬掩膜层后，将光阻层去除，再将硬掩膜图案转移至多晶硅层，形成硅栅，最后将硬掩膜层去除。光刻工艺开始前，硅片上膜层结构依次为硅片(SiSubstrate)/栅氧层(Oxide)10-80埃/多晶硅(Poly Si)1000-2000埃/硬掩膜(Hard Mask，为SiON或SiO2/SiON双层结构)300-500埃/光阻(PR)3000-6000埃。
在膜层结构加入硬掩膜层后，栅刻蚀工艺开始时的硅片膜层结构则由原来的硅片/栅氧层10-80埃/多晶硅1000-2000埃/光阻3000-6000埃变为硅片/栅氧层10-80埃/多晶硅1000-2000A/硬掩膜300-500埃，但栅刻蚀工艺本身没有改变，依然分为BT(Breakthrough)步，主刻(Mainetch)步，过刻(Overetch)步三个主要步骤(有时将主刻步分为两步进行，工艺气体种类略有改变)。其中主刻步为主体刻蚀步骤，主刻步对SiON层(Hard Mask)刻蚀选择比(指对Si的刻蚀速率与对SiON的刻蚀速率的比值，该项比值越大，则在刻蚀Si的过程中，SiON的减少越少)不高，在刻蚀工艺中，造成硬掩膜层损伤，刻蚀线条宽度比刻蚀前明显变窄，CD控制出现偏差，刻蚀工艺的关键尺寸控制能力(CriticalDimension Control)不好，这在低于100nm的半导体制造工艺中无法接受。所以，仍需要提供一种能够提高关键尺寸控制能力的栅刻蚀工艺。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明的目的旨在提供一种栅刻蚀工艺，能够提高关键尺寸控制能力以满足先进栅刻蚀工艺的需要。
(二)技术方案为实现上述目的，本发明的发明人提供了一种新的栅刻蚀工艺，包括BT步、主刻步和过刻步，其中所述的主刻步中所使用的气体为为选自N2O、NO、NO2、NO3、N2O5中的一种和Cl2、HBr的混合气体。优选Cl2、HBr和N2O的混合气体。
所述的BT步中所使用的气体为CF4、C2F6、Cl2中的一种。
所述的过刻步中所使用的气体为HBr、He和O2的混合气体。
其中在主刻步和过刻步中所使用的各种气体之间用量比例没有特别的要求。
对于BT步，上RF(射频电源)功率为200-400W，下RF功率为30-100W，腔室压力为5-15mT，气体流量为30-100sccm。
对于主刻步，上RF功率为250-450W，下RF功率为30-100W，腔室压力为5-30mT，气体总流量为80-310sccm，其中Cl2为10-50sccm，HBr为50-200sccm，N2O、NO、NO2、NO3、N2O5中的一种为20-60sccm。
对于过刻步，上RF功率为250-450W，下RF功率为30-100W，腔室压力为5-90mT，气体总流量为155-530sccm，其中HBr为50-250sccm，He为100-250sccm，O2为5-30sccm。
本发明的栅刻蚀工艺具备实现多个技术代刻蚀工艺的能力(适合如180nm工艺、130nm工艺、90nm工艺等)以及对不同深宽比沟槽的刻蚀能力。
在栅刻蚀工艺主刻步中用N2O、NO、NO2、NO3、N2O5中的一种气体取代O2，由于在刻蚀等离子体中将存在N、O原子或自由基，可以有效的抑止工艺气体与SiON发生化学反应，从而提高主刻步工艺气体对SiON的刻蚀选择比。原主刻步工艺气体对SiON的刻蚀选择比为20∶1-40∶1；用N2O、NO、NO2、NO3、N2O5中的一种气体取代O2后，主刻步工艺气体对SiON的刻蚀选择比可达60∶1-120∶1，使得在主刻步刻蚀工艺中，SiON层几乎不会受到损伤，从而提高栅刻蚀工艺的关键尺寸控制能力。
通过冷场扫描电子显微镜观察，可以看出SiON损伤明显减弱，经过对刻蚀前后线宽的测量后可知CD Bias明显减小，说明加入N2O、NO、NO2、NO3、N2O5中的一种气体后，CD控制能力显著改善。
本发明提供的栅刻蚀工艺适用于所有栅刻蚀设备，在所有采用SiON层作为硬掩膜的刻蚀工艺中均可提高栅刻蚀工艺关键尺寸控制能力。
(三)有益效果该方法能够在不改变硬件设计的前提下，仅通过改变栅刻蚀工艺中主刻工艺步骤的气体种类和配比来提高栅刻蚀工艺关键尺寸控制能力，满足先进栅刻蚀工艺的需要。这种方法简单易行，不仅避免了系统硬件设计所增加的变数、保证工艺的稳定性；还可以避免系统升级、节约大笔开支。
图1为现有栅刻蚀工艺刻蚀后硅片截面显微2为本发明栅刻蚀工艺刻蚀后硅片截面显微图所用设备为日立公司生产的S-4700冷场扫描电子显微镜，放大倍数为150,000倍。
具体实施例方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1使用硅刻蚀设备为北方微电子200mm商业机。
所采用的图形片硅片结构为硅片/二氧化硅(10-100埃)/多晶硅(1300-2000埃)/二氧化硅(100-150埃)/氮氧化硅(200-300埃)。刻蚀图形已由光阻转移至硬掩膜即二氧化硅/氮氧化硅双层结构上。图形片上具有80-260nm线宽图形。
刻蚀工艺中，首先将硅片传入刻蚀反应室，由静电卡盘吸附固定，腔室温度控制为60℃，硅片温度控制系统设定温度为60℃，为提高温度均匀性而加入的He气背吹系统压力设定为8T，辅助工艺条件稳定后，进行刻蚀工艺。
BT步刻蚀去除多晶硅表面的原生二氧化硅薄层(空气中自然氧化形成，厚度一般在5-20埃)。具体工艺条件如下腔室压力7mT，上RF电源功率300W，下RF电源功率80W，工艺气体CF4或C2F6流量50sccm。工艺时间5s。
主刻步刻蚀刻蚀去除绝大部分不需要的硅材料，形成硅栅结构主体，是刻蚀工艺的主体部分，该步骤的关键尺寸控制能力对最终刻蚀结果有重要的影响。具体工艺条件如下腔室压力15mT，上RF电源功率350W，下RF电源功率50W，工艺气体为Cl230sccm，HBr 170sccm，O210sccm的混合气体，工艺时间控制由终点检测系统检测控制。
过刻步刻蚀用于对主刻步刻蚀出的硅栅形状作进一步修整完善。具体工艺条件如下腔室压力80mT，上RF电源功率250W，下RF电源功率50W，工艺气体为180sccm HBr、100sccm He、8sccm O2组成的混合气体，工艺时间50s。
刻蚀工艺完成后，通过冷场扫描电子显微镜观察，可以看出SiON层已经受损，两侧损伤尤为明显，形成圆头，在两侧边缘的SiON已经完全刻蚀掉，导致边缘本为硬掩膜覆盖希望保留的硅材料由于失去硬掩膜的保护而被刻蚀掉(见图1)，通过采用标准的CD 5点测量方法测量刻蚀前后的线宽，可以发现刻蚀后线条明显变窄，CD控制出现偏差(数据见表1)，这在低于100nm的半导体制造工艺中是无法接受的。主刻步刻蚀速率为1637埃/分钟。
表1传统工艺的CD Bias(nm)
实施例2按照实施例1所述的方法，不同之处在于，在主刻步中通入由15sccmCl2、140sccm HBr和50sccm N2O组成的混合气体，其他主刻步工艺条件包括腔室压力15mT，上RF电源功率350W，下RF电源功率40W，工艺时间控制由终点检测系统检测控制。
栅刻蚀工艺完成后，通过冷场扫描电子显微镜观察硅片截面形貌，可以看出SiON层几乎不会受到损伤(见图2)，通过采用标准的CD 5点测量方法测量刻蚀前后的线宽，可以看出CD Bias明显减小，CD控制能力显著改善(见表2)。主刻步刻蚀速率为1461埃/分钟。
表2本发明工艺的CD Bias(nm)
本实施例测试线条为90nm线宽，可反映90nm工艺结果，众所周知，工艺具有向下兼容性，即能满足高端的90nm工艺时，低端的130nm、180nm工艺等完全能够满足要求，当然工艺参数会有所调整。
实施例3按照实施例1所述的方法，不同之处在于，在主刻步中通入由30sccmCl2、130sccm HBr和30sccm NO组成的混合气体，其他主刻步工艺条件包括腔室压力15mT，上RF电源功率350W，下RF电源功率40W，工艺时间控制由终点检测系统检测控制。
栅刻蚀工艺完成后，测试结果发现片内各点CD Bias＜4.0nm，CD控制能力较实施例1同样有明显改善，SiON层损伤很小。主刻步刻蚀速率升高为1549埃/分钟。
实施例4按照实施例1所述的方法，不同之处在于，在主刻步中通入由30sccmCl2、125sccm HBr和15sccm N2O5组成的混合气体，其他主刻步工艺条件包括腔室压力10mT，上RF电源功率350W，下RF电源功率50W，工艺时间控制由终点检测系统检测控制。
栅刻蚀工艺完成后，测试结果发现片内各点CD Bias＜5nm，由于通入N2O量较少，CD控制能力仅较实施例1有一定提高。主刻步刻蚀速率为1525埃/分钟。
权利要求
1.一种栅刻蚀工艺，其步骤包括BT步、主刻步和过刻步，其特征在于所述的主刻步中所使用的气体为选自N2O、NO、NO2、NO3、N2O5中的一种和Cl2、HBr的混合气体。
2.如权利要求1所述的工艺，其特征在于所述的主刻步中所使用的气体为N2O和Cl2、HBr的混合气体。
3.如权利要求1所述的工艺，其特征在于所述的BT步中所使用的气体为CF4、C2F6、Cl2中的一种。
4.如权利要求1所述的工艺，其特征在于所述的过刻步中所使用的气体为HBr、He和O2的混合气体。
全文摘要
本发明提供了一种能够提高栅刻蚀关键尺寸控制能力的栅刻蚀工艺，包括BT步、主刻步和过刻步，其中所述的主刻步中所使用的气体为选自N
文档编号C23F4/00GK1851875SQ20051012626
公开日2006年10月25日 申请日期2005年12月2日 优先权日2005年12月2日
发明者杨柏 申请人:北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司