专利名称：一种栅极刻蚀方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体制造方法，特别涉及一种栅极刻蚀方法。
背景技术：
半导体集成电路(IC)制造工艺过程，包括三个基本组成部分，即半导体器件制作、互连和半导体器件隔离。其中，半导体器件隔离的作用是使每个半导体器件都能彼此独立地工作。目前普遍采用的半导体器件隔离技术是浅沟槽隔离(Shallow Trench Isolation, STI)技术。浅沟槽隔离技术是在晶片的衬底中刻蚀出沟槽后，以绝缘材料，例如二氧化硅填充沟槽形成STI。在晶片的衬底中，STI的两侧被定义为半导体器件的有源区，在半导体器件的有源区上方形成栅极。按照IC制造工艺的需要，现有技术中常常在半导体器件隔离之后再进行半导体器件制作，栅极是由衬底表面沉积的多晶硅层光刻和刻蚀形成。衡量刻蚀形成栅极质量的重要指标之一是特征尺寸(Critical Dimension，⑶)。在IC制造工艺中，要求所述栅极⑶ 保持一致稳定，尽量避免栅极CD的浮动。现有技术中，如图加所示，对晶片的衬底进行半导体器件隔离形成STI201后，在衬底表面200沉积用于制作栅极的多晶硅层202。下面结合图2b 2c，说明图1所示的现有技术中栅极刻蚀步骤步骤101、光刻晶片衬底表面200沉积的多晶硅层202后，采用终点检测 (Interferometry Endpoint, IEP)技术对多晶硅层202进行主刻蚀，如图沘所示，包括衬底表面200、左右两个高度不同的STI201、光刻图案203和剩余的多晶硅层202’。本步骤中的光刻是指，先在晶片衬底表面200沉积的多晶硅层202上涂覆一层光刻胶，按照栅极的掩模板图案对光刻胶曝光显影，形成光刻图案203。本步骤中的主刻蚀采用干法刻蚀，以光刻图案203为掩膜对多晶硅层202进行干法刻蚀。本步骤中的终点检测(Interferometry Endpoint, IEP)技术为在主刻蚀多晶硅层202的过程中，通过干涉光谱实时检测晶片的多晶硅层202残留的厚度，当检测得到晶片剩余的多晶硅层202厚度到达第一终点时，停止主刻蚀。步骤102、过刻蚀去除所述剩余的多晶硅层202’形成栅极204，以时间模式控制所述过刻蚀的第二终点，得到图2c所示的结构不同高度的STI201、具有不同STI201高度的两个晶片的衬底表面200、光刻图案203和栅极204。本步骤中，过刻蚀采用干法刻蚀，以光刻图案203为掩膜对剩余的多晶硅层202’ 进行干法刻蚀。以时间模式控制所述过刻蚀的第二终点为，按照经验值设置时间，按照该设置的时间进行过刻蚀，其中，所设置的时间一般为采用与过刻蚀同样的速率，刻蚀所述多晶硅层202所需时间的30%到50%。但是，主刻蚀和过刻蚀采用的干法刻蚀方法，其对多晶硅层的刻蚀并非严格的各向异性，因此在形成栅极的过程中，栅极CD也会随着主刻蚀时间和过刻蚀时间的不同而改变，例如，在过刻蚀时间不变的前提下，主刻蚀时间越长，栅极CD越小。如图2c所示，由于前层工艺的不同或工艺条件的改变，在制造不同半导体器件或不同批次同种半导体器件的 IC制造工艺中，半导体器件衬底中的STI高度并不一致，也就是衬底中STI的二氧化硅的含量不同。由于主刻蚀所用的终点检测技术采用光学干涉原理判断第一终点，因此对主刻蚀时间的控制受到STI折射率的影响，实验证明，对于相同多晶硅层，不同STI高度的晶片来说，主刻蚀时间不同，STI的二氧化硅含量越小，也就是说STI高度越小，主刻蚀时间越短。 然而在后续过刻蚀过程中，现有技术并没有考虑STI高度的不同对主刻蚀时间的影响，而是以相同的过刻蚀时间作为停止过刻蚀的控制条件。因此，所述STI高度造成的主刻蚀时间的差异和过刻蚀时间的固定，使得过刻蚀最终形成栅极CD不同，严重影响了栅极刻蚀工艺的稳定性。
发明内容
有鉴于此，本发明解决的技术问题是因为STI高度造成的主刻蚀时间的差异和过刻蚀时间的固定，使得最终过刻蚀形成栅极的CD不同，严重影响了栅极刻蚀工艺的稳定性。为解决上述问题，本发明的技术方案具体是这样实现的一种栅极刻蚀方法，应用于在衬底上具有浅沟槽隔离和多晶硅层的晶片，其特征在于，设置晶片的浅沟槽隔离高度范围对应的最小栅极主刻蚀时间，及在所述浅槽隔离高度范围内各个浅槽隔离高度对应的栅极过刻蚀时间，该方法包括测量晶片的浅沟槽隔离高度，确定所述晶片的浅沟槽隔离高度所在的晶片的浅沟槽隔离高度范围，采用对应的最小栅极主刻蚀时间进行多晶硅层的刻蚀；采用所述晶片的浅沟槽隔离高度对应的栅极过刻蚀时间，对剩余的多晶硅层进行过刻蚀，得到栅极。一种栅极刻蚀方法，该方法还包括所述晶片的浅沟槽隔离高度不在所设置的晶片的浅沟槽隔离高度范围内时，根据所述晶片的浅沟槽隔离高度重新设置晶片的浅沟槽隔离高度范围对应的最小栅极主刻蚀时间，及重新设置在所述浅槽隔离高度范围内各个浅槽隔离高度对应的栅极过刻蚀时间。所述设置晶片的浅沟槽隔离高度范围对应的最小栅极主刻蚀时间的过程为制作多个具有浅沟槽隔离和多晶硅层的测试样片，所述不同测试样片的浅槽隔离高度不同且都在设置的浅沟槽隔离高度范围内；分别采用终点检测技术对所述测试样片的多晶硅层进行主刻蚀，并分别记录主刻蚀时间，将其中记录的最小主刻蚀时间作为所设置晶片的浅沟槽隔离高度范围对应的最小栅极主刻蚀时间。所述在所述浅槽隔离高度范围内各个浅槽隔离高度对应的栅极过刻蚀时间的过程为设置多组具有浅沟槽隔离和多晶硅层的测试样片，不同组测试样片的浅槽隔离高度不同且都在设置的浅沟槽隔离高度范围内，同一组测试样片的浅槽隔离高度相同；对于每组测试样片，采用所设置的浅沟槽隔离高度范围对应的最小栅极主刻蚀时间进行多晶硅层的主刻蚀后，分别采用设置的不同过刻蚀时间过刻蚀剩余的多晶硅层得到栅极；分别测量所得到栅极的特征尺寸，选取其中符合设定栅极特征尺寸的测试样片，将该测试样片的过刻蚀时间作为该组测试样片的浅槽隔离高度对应的栅极过刻蚀时间。所述主刻蚀采用干法刻蚀。所述不同测试样片的浅槽隔离高度相差50埃到200埃。所述过刻蚀采用干法刻蚀。所述设置的不同过刻蚀时间范围为采用与所述过刻蚀同样的速率，刻蚀所述多晶硅层所需时间的30%到50% ；所述设置的不同过刻蚀时间相差1秒到10秒。由上述的技术方案可见，本发明在采用所设置的最小栅极主刻蚀时间对晶片的多晶硅层主刻蚀之后，根据所设定的晶片不同 STI高度对应的栅极过刻蚀时间控制晶片的多晶硅层过刻蚀，得到符合要求的栅极CD，克服了 STI高度对主刻蚀时间的影响无法由固定的过刻蚀时间弥补而造成的栅极CD不同的问题，增加了不同STI高度晶片在栅极刻蚀后的栅极CD稳定性。
图1为现有技术栅极刻蚀流程图；图加 2c为现有技术栅极刻蚀剖面示意图；图3为本发明设置STI高度范围对应的最小栅极主刻蚀时间和STI高度范围内各个STI高度对应的栅极过刻蚀时间及栅极刻蚀流程图；图如 4b为本发明栅极刻蚀剖面示意图。
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。本发明应用于在衬底上具有STI和多晶硅层的晶片，制作晶片的方法是按照现有技术对晶片的衬底进行半导体器件隔离形成STI后，在衬底表面沉积用于制作栅极的多晶硅层。下面结合图3，详细说明本发明如何设置晶片的STI高度范围对应的最小栅极主刻蚀时间，如何设置STI高度范围内各个STI高度对应的栅极过刻蚀时间，及如何进行晶片的栅极刻蚀。步骤301、设置晶片的STI高度范围对应的最小栅极主刻蚀时间。具体地，制作多个具有STI和多晶硅层的测试样片，不同测试样片的STI高度不同且都在设置的浅沟槽隔离高度范围内；分别采用终点检测技术对测试样片的多晶硅层进行主刻蚀，并分别记录主刻蚀时间，将其中记录的最小主刻蚀时间作为所设置晶片的浅沟槽隔离高度范围对应的最小栅极主刻蚀时间。举一个例子说明，设置晶片的STI高度范围对应的最小主刻蚀时间的具体实施方式
，其过程如下首先，测量和记录上述晶片在半导体器件隔离步骤完成后的STI高度，据此设置STI高度范围，本实施例中，测量得到所述衬底中STI高度范围是3000埃到3500埃。其次，在确定的STI高度范围内选取若干STI高度值作为不同测试样片的STI高度；其中，不同测试样片的STI高度相差50埃到200埃，例如，50埃，100埃或200埃；也可以在STI高度范围内根据实际需要任意选取其他STI高度值。本实施例中，不同测试样片的 STI高度相差100埃，选取的六个STI高度值分别3000埃、3100埃、3200埃、3300埃、3400 埃和3500埃。然后，采用半导体器件的IC制造工艺，制作六个具有STI和多晶硅层的测试样片， 每个测试样片的STI高度分别为上述选取的STI高度值；其中，不同的STI高度可以由湿法刻蚀控制。最后，采用终点检测技术主刻蚀六个测试样片，并分别记录主刻蚀时间，将得到的最小主刻蚀时间作为晶片的STI高度范围对应的最小栅极主刻蚀时间。本步骤的主刻蚀是与现有技术的主刻蚀采用相同条件和参数的干法刻蚀，主刻蚀时间由终点检测法测得。需要注意的是，本步骤和以下步骤中提及的STI高度均指同一晶片的STI高度的平均值，晶片中的STI高度可以通过光学特征尺寸(Optical CriticalDimension, 0CD)或原子力显微镜(Atom Forced Microscope, AFM)测量得到，以上所述方法均为现有技术，不在此赘述。步骤302、设置在STI高度范围内各个STI高度对应的栅极过刻蚀时间。具体地，设置多组具有STI和多晶硅层的测试样片，不同组测试样片的浅槽隔离高度不同且都在设置的浅沟槽隔离高度范围内，同一组测试样片的浅槽隔离高度相同；对于每组测试样片，采用所设置的浅沟槽隔离高度范围对应的最小栅极主刻蚀时间进行多晶硅层的主刻蚀后，分别采用设置的不同过刻蚀时间过刻蚀剩余的多晶硅层得到栅极；分别测量所得到栅极的特征尺寸，选取其中符合设定栅极特征尺寸的测试样片，将该测试样片的过刻蚀时间作为该组测试样片的浅槽隔离高度对应的栅极过刻蚀时间。举一个例子说明，在STI高度范围内设置各个STI高度对应的栅极过刻蚀时间的具体实施方式
，其过程如下首先，在过刻蚀时间范围内设置不同的过刻蚀时间；其中，采用和现有技术中过刻蚀同样的速率刻蚀多晶硅层所需时间的30%为下限，50%为上限作为过刻蚀时间范围，设置的过刻蚀时间至少包括下限和上限，其他过刻蚀时间则在下限和所述上限之间设置，不同过刻蚀时间相差1秒到10秒。例如，1秒，5秒或10秒；也可以在所述时间的下限和所述时间的上限的范围内，根据实际需要任意选取其他时间点。本实施例中，过刻蚀时间下限为 20秒，时间上限为40秒，不同过刻蚀时间相差5秒，设置的五个不同过刻蚀时间分别为20 秒，25秒，30秒，35秒和40秒；其次，采用半导体器件的IC制造工艺，制作多组具有STI和多晶硅层的测试样片。 本实施例中，根据步骤301中选取的六个STI高度值3000埃、3100埃、3200埃、3300埃、 3400埃和3500埃，制作与上述STI高度值对应的六组测试样片，其中，不同组测试样片的 STI高度值不同，同一组测试样片的STI高度值相同，每组包括五个测试样片，与上述设置的过刻蚀时间的数量相同。接着，采用步骤301所设置的STI高度范围对应的最小栅极主刻蚀时间对每组测试样片的多晶硅层进行主刻蚀，在每组测试样片的衬底表面得到剩余的多晶硅层。本步骤中的主刻蚀是与现有技术的主刻蚀采用相同条件和参数的干法刻蚀，不同之处在于，本步骤中的主刻蚀时间采用最小栅极主刻蚀时间。本步骤中，以最小栅极主刻蚀时间控制测试样片的主刻蚀是为了防止由于主刻蚀时间过长使得本步骤中过刻蚀形成的栅极CD过小，无法符合栅极CD要求。在主刻蚀之后，对每组测试样片，采用上述设置的五个过刻蚀时间分别对每组的五个测试样片剩余的多晶硅层进行过刻蚀，得到栅极后，分别测量和记录栅极的CD ；在每一组测试样片中，选取符合IC制造工艺中栅极CD设定的测试样片，将该测试样片对应的过刻蚀时间作为该组测试样片STI高度对应的栅极过刻蚀时间；确定六组测试样片STI高度分别对应的栅极过刻蚀时间后，建立不同STI高度与栅极过刻蚀时间的对应关系。本实施例中，由对应关系拟合得出STI高度与栅极过刻蚀时间的线性关系，做出以STI高度为横坐标(χ轴)，以栅极过刻蚀时间为纵坐标(y轴)的曲线。本步骤中，过刻蚀是与现有技术的过刻蚀采用相同条件和参数的干法刻蚀，但是过刻蚀时间不再采用现有技术中固定的过刻蚀时间，而是对同一组测试样片分别采用上述设置的不同过刻蚀时间以上步骤301和步骤302完成了设置最小栅极主刻蚀时间和STI高度范围内各个 STI高度对应的栅极过刻蚀时间的步骤。在完成上述步骤301和步骤302之后，以最小栅极主刻蚀时间和STI高度范围内各个STI高度对应的栅极过刻蚀时间为前提，刻蚀晶片的多晶硅层形成栅极的步骤如下。步骤303、测量晶片的STI高度，判断STI高度是否在上述步骤301和步骤302设置的STI高度范围内；如果是，则进行步骤304到步骤306，如果不是，则重新进行步骤301 和步骤302，根据晶片的STI高度重新设置晶片的STI高度范围所对应的最小栅极主刻蚀时间，及在晶片的STI高度范围内各个STI高度对应的栅极过刻蚀时间，然后再进行步骤304 到步骤306。本步骤中，测量晶片中STI高度的方法是，通过0⑶或AFM测量得到，以上所述方法均为现有技术，不在此赘述。本步骤中，所述晶片是既可以是上述已经制作完成的晶片，也可以是按照现有半导体器件的IC制造工艺，在晶片衬底中制作STI和在晶片衬底表面沉积用于栅极刻蚀的多晶硅层之后的新一批次晶片。由于步骤301和步骤302是本发明提出的栅极刻蚀方法的前提，因此，对同一批次或不同批次的同种类型半导体器件的栅极刻蚀，如果所述晶片的STI高度在步骤301和步骤302的STI高度范围内，则直接进行步骤304、步骤305和步骤306。但是，如果由于前层工艺的不稳定性，使得晶片的STI高度超出了步骤301中确定的STI高度范围，那么就需要再从步骤301开始，在本步骤测量得到的STI高度范围内重新设置最小栅极主刻蚀时间和各个STI高度对应的栅极过刻蚀时间，然后进行步骤304到步骤306。步骤304、光刻晶片衬底表面沉积的多晶硅层后，采用最小栅极主刻蚀时间主刻蚀多晶硅层，得到剩余的多晶硅层402’，如图如所示，包括衬底表面400、左右两个高度不同的STI401、光刻图案403和剩余的多晶硅层402，。本步骤中的光刻是指，先在晶片衬底表面400沉积的多晶硅层上涂覆一层光刻胶，按照栅极的掩模板图案对光刻胶曝光和显影，形成光刻图案403。本步骤中的主刻蚀采用干法刻蚀，以光刻图案403为掩膜对多晶硅层进行干法刻蚀。当主刻蚀所用时间达到最小栅极主刻蚀时间时，停止主刻蚀。其中，左右两个高度不同的STI401上的剩余的多晶硅层402，高度一致。本步骤中的主刻蚀与现有技术的主刻蚀采用相同条件和参数。采用最小栅极主刻蚀时间，有效避免了现有技术中由IEP控制主刻蚀造成的主刻蚀时间不一致，并且还避免了主刻蚀时间大于最小主刻蚀时间可能造成的栅极CD偏小问题。步骤305、确定晶片的STI高度对应的栅极过刻蚀时间；本实施例中，根据步骤302中做出的曲线，以晶片的STI401高度为横坐标，找到曲线中对应的纵坐标的值作为晶片的栅极过刻蚀时间。步骤306、采用栅极过刻蚀时间过刻蚀剩余的多晶硅层402’形成栅极404，得到如图4b所示的结构不同高度的STI401、具有不同STI401高度的两个晶片的衬底表面400、 光刻图案403和栅极404。本步骤中，过刻蚀采用干法刻蚀，以光刻图案403为掩膜对剩余的多晶硅层402’ 进行干法刻蚀。当过刻蚀所用时间达到栅极过刻蚀时间时，停止过刻蚀。本步骤中的过刻蚀与现有技术的过刻蚀采用相同条件和参数，因此，对不同 STI401高度的晶片，都可以由步骤305得到的栅极过刻蚀时间准确控制过刻蚀，得到符合 IC制造工艺要求的栅极⑶。至此，多晶硅栅极刻蚀完成。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
权利要求
1.一种栅极刻蚀方法，应用于在衬底上具有浅沟槽隔离和多晶硅层的晶片，其特征在于，设置晶片的浅沟槽隔离高度范围对应的最小栅极主刻蚀时间，及在所述浅槽隔离高度范围内各个浅槽隔离高度对应的栅极过刻蚀时间，该方法包括测量晶片的浅沟槽隔离高度，确定所述晶片的浅沟槽隔离高度所在的晶片的浅沟槽隔离高度范围，采用对应的最小栅极主刻蚀时间进行多晶硅层的刻蚀；采用所述晶片的浅沟槽隔离高度对应的栅极过刻蚀时间，对剩余的多晶硅层进行过刻蚀，得到栅极。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括所述晶片的浅沟槽隔离高度不在所设置的晶片的浅沟槽隔离高度范围内时，根据所述晶片的浅沟槽隔离高度重新设置晶片的浅沟槽隔离高度范围对应的最小栅极主刻蚀时间， 及重新设置在所述浅槽隔离高度范围内各个浅槽隔离高度对应的栅极过刻蚀时间。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述设置晶片的浅沟槽隔离高度范围对应的最小栅极主刻蚀时间的过程为制作多个具有浅沟槽隔离和多晶硅层的测试样片，所述不同测试样片的浅槽隔离高度不同且都在设置的浅沟槽隔离高度范围内；分别采用终点检测技术对所述测试样片的多晶硅层进行主刻蚀，并分别记录主刻蚀时间，将其中记录的最小主刻蚀时间作为所设置晶片的浅沟槽隔离高度范围对应的最小栅极主刻蚀时间。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述在所述浅槽隔离高度范围内各个浅槽隔离高度对应的栅极过刻蚀时间的过程为设置多组具有浅沟槽隔离和多晶硅层的测试样片，不同组测试样片的浅槽隔离高度不同且都在设置的浅沟槽隔离高度范围内，同一组测试样片的浅槽隔离高度相同；对于每组测试样片，采用所设置的浅沟槽隔离高度范围对应的最小栅极主刻蚀时间进行多晶硅层的主刻蚀后，分别采用设置的不同过刻蚀时间过刻蚀剩余的多晶硅层得到栅极；分别测量所得到栅极的特征尺寸，选取其中符合设定栅极特征尺寸的测试样片，将该测试样片的过刻蚀时间作为该组测试样片的浅槽隔离高度对应的栅极过刻蚀时间。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述主刻蚀采用干法刻蚀。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述不同测试样片的浅槽隔离高度相差50 埃到200埃。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述过刻蚀采用干法刻蚀。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述设置的不同过刻蚀时间范围为采用与所述过刻蚀同样的速率，刻蚀所述多晶硅层所需时间的30%到50% ；所述设置的不同过刻蚀时间相差1秒到10秒。
全文摘要
本发明提供了一种栅极刻蚀方法，在刻蚀晶片的多晶硅层之前，根据晶片中STI高度范围，设置STI高度范围对应的最小栅极主刻蚀时间，及在STI高度范围内各个STI高度对应的栅极过刻蚀时间，该方法包括测量所述晶片STI高度；以所设置的最小栅极主刻蚀时间主刻蚀多晶硅层；由STI高度确定对应的栅极过刻蚀时间后；采用栅极过刻蚀时间过刻蚀剩余的多晶硅层形成栅极。本发明采用最小栅极主刻蚀时间进行主刻蚀，采用各个STI高度对应的栅极过刻蚀时间进行过刻蚀，从而得到符合栅极特征尺寸要求的栅极，克服了终点检测中STI高度造成的主刻蚀时间差异无法由固定的过刻蚀时间弥补的问题，增强了栅极特征尺寸的稳定性。
文档编号H01L21/66GK102376553SQ20101024815
公开日2012年3月14日 申请日期2010年8月5日 优先权日2010年8月5日
发明者张海洋, 沈满华 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司