专利名称：刻蚀栅极的方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种刻蚀栅极的方法。
背景技术：
目前，伴随着半导体制造技术的飞速发展，半导体器件为了达到更快的运算速度、 更大的数据存储量以及更多的功能，晶片朝向更高的元件密度、高集成度方向发展，半导体器件的栅极变得越来越细且长度变得较以往更短。那么，对栅极尺寸的精确控制变得越来越重要，而且栅极前端与前端之间的距离也需要准确控制。如图3a所示，在Y轴方向上，两个长条状的栅极之间的距离，由双向箭头标示，为栅极前端与前端之间的距离。多晶硅是制造栅极的优选材料，其具有特殊的耐热性以及较高的刻蚀成图精确性。现有技术中刻蚀形成多晶硅栅的方法包括以下步骤步骤11、首先需在半导体衬底100上生成栅极氧化层110，然后在栅极氧化层 Iio上依次沉积多晶硅层120、接触氧化层130，随后涂布具有流动性的有机底部抗反射层 (BARC) 140和光阻胶150。其中，接触氧化层130用于减少对多晶硅层进行掺杂时，离子对多晶硅层的损伤。BARC140用于在光阻胶曝光显影时，增加光阻胶的抗反射系数，更为有效地曝光显影定义栅极的位置。步骤12、曝光显影光阻胶。即图案化光阻胶150，定义出栅极的位置。步骤13、BARC刻蚀。以图案化的光阻胶为掩膜，对BARC进行刻蚀。一般采用含氟的气体，例如四氟化碳(CF4)干法刻蚀BARC。该步骤中刻蚀反应腔内压力为4毫托(mt)；源功率为350瓦；偏置功率为100瓦；刻蚀气体CF4的流量为25标准立方厘米每分钟(sccm)。步骤14、以刻蚀后的光阻胶150和BARC层140为掩膜依次刻蚀接触氧化层130、 多晶硅层120，形成栅极，如图1所示。图1为形成栅极的结构示意图。在同一晶片(wafer)上，从单线(Iso)处到密线(Dense)处，栅极与栅极之间的间距是逐渐减小的。Iso处和Dense处的区别是指wafer上图案分布的密度不同。具体地， 如图3a所示，在X轴方向上，两个长条状的栅极之间的距离，在Iso处的栅极间距比较宽， 而在Dense处的栅极间距相对比较窄。采用含氟气体进行BARC刻蚀时，同时会消耗BARC 表面的光阻胶，产生聚合物(polymer)附着在栅极侧壁，在Iso处，栅极间距较宽，产生的 polymer对栅极侧壁形成的保护相对较少，所以在以刻蚀后的光阻胶和BARC层为掩膜刻蚀栅氧化层和多晶硅层形成栅极时，所形成的Iso处的栅极尺寸比Dense处的栅极尺寸要小很多，因此Iso处和Dense处的栅极尺寸差异较大，达不到相同的尺寸，就会导致生产出的器件性能降低。另一方面，由于采用含氟气体进行BARC刻蚀，使得栅极前端与前端(head to head)之间的距离，其刻蚀前与刻蚀后的尺寸差异较大，即刻蚀偏移量(etch bias)较大， 同样会导致生产出的器件性能降低。etch bias等于刻蚀后检测(After Etch Inspection, ΑΕΙ)的特征尺寸减去显影后检测(AfterDevelopment Inspection,ADI)的特征尺寸，这里刻蚀后检测的特征尺寸为刻蚀栅极后，栅极的特征尺寸；显影后检测的特征尺寸为未刻蚀栅极前，光阻胶显影后的特征尺寸。
发明内容
有鉴于此，本发明解决的技术问题是提高栅极质量。为解决上述技术问题，本发明的技术方案具体是这样实现的本发明公开了一种刻蚀栅极的方法，该方法包括在半导体衬底上依次形成栅氧化层、多晶硅层、接触氧化层、底部抗反射层和光阻胶；曝光显影图案化所述光阻胶，定义栅极的位置；以图案化的光阻胶为掩膜，采用溴化氢HBr和氯气Cl2相结合干法刻蚀所述底部抗反射层；以刻蚀后的光阻胶和底部抗反射层为掩膜，依次刻蚀接触氧化层和多晶硅层，形成栅极。刻蚀所述底部抗反射层在刻蚀反应腔内进行，所述刻蚀反应腔内HBr的流量为 60 120标准立方厘米每分钟sccm ；Cl2的流量为10 20sccm。刻蚀所述底部抗反射层在刻蚀反应腔内进行，所述刻蚀反应腔内源功率为200 700瓦；偏置功率为100 500瓦。刻蚀所述底部抗反射层在刻蚀反应腔内进行，所述刻蚀反应腔内压力为2 5毫托mt。由上述的技术方案可见，本发明在形成栅极时，采用溴化氢(HBr)和氯气(Cl2)相结合进行BARC刻蚀，该BARC刻蚀气体在BARC刻蚀过程中产生了较多的polymer，有效保护 Iso处的栅极侧壁，缩小在Iso处和Dense处对栅极侧壁形成保护的差异，所以在以刻蚀后的光阻胶和BARC层为掩膜刻蚀栅氧化层和多晶硅层形成栅极时，所形成的Iso处的栅极尺寸与Dense处的栅极尺寸趋于一致，不但提高了晶片上从Iso到Dense的栅极尺寸均勻性， 同时也使栅极前端与前端之间距离的etch bias有效减小，从而得到理想的栅极。
图1为形成栅极的结构示意图。图2为本发明刻蚀形成多晶硅栅的方法流程示意图。图3a为对光阻胶显影之后，栅极前端与前端之间距离的扫描示意图。图北为采用现有技术的方法进行BARC刻蚀，得到的刻蚀之后栅极前端与前端之间距离的扫描示意图。图3c为采用本发明实施例的方法进行BARC刻蚀，得到的刻蚀之后栅极前端与前端之间距离的扫描示意图。图4为分别采用本发明的方法和现有技术的方法，各自得到的在不同间距下量测的栅极尺寸曲线图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。本发明的核心思想是在形成栅极时，关键是采用HBr和Cl2相结合进行BARC刻蚀，与现有技术中采用含氟气体进行BARC刻蚀相比，不但提高了晶片上从Iso到Dense的栅极尺寸均勻性，同时也使栅极前端与前端之间距离的etch bias有效减小。本发明刻蚀形成多晶硅栅的方法包括以下步骤，其流程示意图如图2所示。步骤21、首先需在半导体衬底100上生成栅极氧化层110，然后在栅极氧化层110 上依次沉积多晶硅层120、接触氧化层130，随后涂布具有流动性的有机BARC140和光阻胶150。其中，接触氧化层130用于减少对多晶硅层进行掺杂时，离子对多晶硅层的损伤。 BARC140用于在光阻胶曝光显影时，增加光阻胶的抗反射系数，更为有效地曝光显影定义栅极的位置。步骤22、曝光显影光阻胶。即图案化光阻胶150，定义出栅极的位置。步骤23、BARC刻蚀。以图案化的光阻胶为掩膜，对BARC进行刻蚀。本发明采用 HBr和Cl2相结合干法刻蚀BARC。步骤24、以刻蚀后的光阻胶150和BARC层140为掩膜依次刻蚀接触氧化层130、 多晶硅层120，形成栅极。对于本发明实施例进行BARC刻蚀的具体工艺参数刻蚀反应腔内压力范围为2 5mt，优选为2mt、3mt或％it，该步骤在低压下进行，能够有效去除BARC刻蚀过程产生的 polymer ；源功率为200 700瓦，优选为300瓦、500瓦或600瓦；偏置功率为100 500 瓦，优选为100瓦、200瓦或300瓦；将该步骤控制在上述功率范围内，能够保护BARC层上的图案化的光阻胶，不会在刻蚀过程中严重消耗；刻蚀气体 HBr 的流量为 60 120sccm，优选为 60sccm、80sccm 或 IOOsccm ；Cl2 的流量为 10 20sccm,优选为 lOsccm、15sccm 或 20sccmo图3a为对光阻胶显影之后，栅极前端与前端之间距离的扫描示意图；图北为采用现有技术的方法进行BARC刻蚀，得到的刻蚀之后栅极前端与前端之间距离的扫描示意图； 图3c为采用本发明上述实施例的方法进行BARC刻蚀，得到的刻蚀之后栅极前端与前端之间距离的扫描示意图。经过量测，图3a中栅极前端与前端之间ADI尺寸为66纳米；图北中栅极前端与前端之间AEI尺寸为79纳米；图3c中栅极前端与前端之间AEI尺寸为71纳米。图中长条状为栅极，栅极前端与前端之间的距离由双向箭头标示，图中黑色区域为有源区(AA)。由此可以看出，通过本发明的方法，etch bias = AEI-ADI = 71-66 = 5纳米，与现有技术etch bias = AEI-ADI = 79-66 = 13纳米相比，明显减小，这意味着采用本发明的方法，刻蚀前后特征尺寸差异不大，不会出现刻蚀之后栅极前端与前端之间的距离太大， 导致栅极与其下的AA之间的重叠窗口缩小，也不会出现刻蚀之后栅极前端与前端之间的距离太小，导致栅极与栅极电连接。图4为分别采用本发明的方法和现有技术的方法，各自得到的在不同间距下量测的栅极尺寸曲线图。图4中横坐标为栅极间距(poly pitch)，单位为纳米；纵坐标为刻蚀之后的栅极特征尺寸，单位也为纳米。从图4可以看出，栅极与栅极之间的间距从120纳米到6000纳米逐渐增大，采用现有技术的方法，形成的栅极尺寸在A-6 A+6纳米之间，即变化范围为12纳米；而采用本发明的方法，形成的栅极尺寸在A-I A+5纳米之间，即变化范围只有6纳米。也就是说采用本发明的方法，从wafer的Dense到Iso，栅极尺寸均勻性明显提高，wafer上各处的栅极尺寸趋于一致。综上所述，本发明关键是采用HBr和Cl2相结合进行BARC刻蚀，BARC刻蚀时同时会消耗BARC表面的光阻胶，产生polymer，在Iso处，栅极间距较宽，产生的polymer对栅极侧壁形成的保护相对较少。而本发明采用HBr和Cl2相结合进行BARC刻蚀，恰好能够在 BARC刻蚀过程中产生更多的聚合物，有效保护Iso处的栅极侧壁，缩小在Iso处和Dense处对栅极侧壁形成保护的差异，所以在以刻蚀后的光阻胶和BARC层为掩膜刻蚀栅氧化层和多晶硅层形成栅极时，所形成的Iso处的栅极尺寸与Dense处的栅极尺寸趋于一致，不但提高了晶片上从Iso到Dense的栅极尺寸均勻性，同时也使栅极前端与前端之间距离的etch bias有效减小。而现有技术中BARC刻蚀采用含氟气体，该类气体并不会在BARC刻蚀过程中产生更多的聚合物，所以Iso处和Dense处的差异仍然存在，因此无法形成高质量的栅极。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种刻蚀栅极的方法，该方法包括在半导体衬底上依次形成栅氧化层、多晶硅层、接触氧化层、底部抗反射层和光阻胶； 曝光显影图案化所述光阻胶，定义栅极的位置；以图案化的光阻胶为掩膜，采用溴化氢HBr和氯气Cl2相结合干法刻蚀所述底部抗反射层；以刻蚀后的光阻胶和底部抗反射层为掩膜，依次刻蚀接触氧化层和多晶硅层，形成栅极。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，刻蚀所述底部抗反射层在刻蚀反应腔内进行，所述刻蚀反应腔内HBr的流量为60 120标准立方厘米每分钟sccm ；Cl2的流量为10 20sccmo
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，刻蚀所述底部抗反射层在刻蚀反应腔内进行，所述刻蚀反应腔内源功率为200 700瓦；偏置功率为100 500瓦。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，刻蚀所述底部抗反射层在刻蚀反应腔内进行，所述刻蚀反应腔内压力为2 5毫托mt。
全文摘要
本发明公开了一种刻蚀栅极的方法，该方法包括在半导体衬底上依次形成栅氧化层、多晶硅层、接触氧化层、底部抗反射层和光阻胶；曝光显影图案化所述光阻胶，定义栅极的位置；以图案化的光阻胶为掩膜，采用溴化氢HBr和氯气Cl2相结合干法刻蚀所述底部抗反射层；以刻蚀后的光阻胶和底部抗反射层为掩膜，依次刻蚀接触氧化层和多晶硅层，形成栅极。采用本发明的方法能够得到高质量的栅极。
文档编号H01L21/28GK102194678SQ20101013025
公开日2011年9月21日 申请日期2010年3月11日 优先权日2010年3月11日
发明者孟晓莹, 沈满华, 王新鹏, 黄怡 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司