专利名称：一种栅极补偿隔离区刻蚀方法
技术领域：
本发明涉及集成电路制造技术领域，且特别涉及ー种栅极补偿隔离区刻蚀方法。
背景技术：
在先进集成电路エ艺中，栅极补偿隔离区通常环绕栅极结构，防止后续エ艺中更大剂量的离子注入临近区域而导致源/漏穿通。栅极补偿隔离区刻蚀エ艺一般有主刻蚀和过刻蚀两个主要步骤，主刻蚀完成对氧化层的刻蚀，过刻蚀则完成对于空旷区的残余氧化物清除。现有技术中主刻蚀步骤一般采用光学发光光谱仪(OES)或者固定时间来进行刻蚀终点的侦测。就采用光学发光光谱仪的刻蚀终点侦测而言，利用侦测等离子体中刻蚀生成物CO的光谱强度的原理，当刻蚀氧化硅大部分完成时，生成物CO的浓度減少，该波长的光谱强度就会减弱，以此来判断刻蚀终点。采用传统的光学发光光谱仪进行刻蚀终点侦测，由于刻蚀終止吋，往往刻蚀界面已经达到底层的衬底硅表面，在刻蚀速度稍快的区域难以避免的造成一定量的衬底硅损失，一定程度上影响器件的性能。而就采用固定时间的刻蚀终点侦测而言，由于被刻蚀的氧化硅层的膜厚变化与实时エ艺腔体内刻蚀速率的变化在刻蚀时间上都难以反映，增加了刻蚀的不可控性。光学发光干涉仪(IEP :Interferometric Endpoint)在集成电路中一般用于90nm以下エ艺的浅沟槽_离(STI Shadow Trench Isolation)刻蚀エ艺和多晶娃栅极(Poly)刻蚀エ艺，其侦测介质通常为硅。在浅沟槽隔离刻蚀エ艺中，通过侦测沟槽的刻蚀深度来进行刻蚀终点的判断，沟槽的深度一般为3000至4000埃，所用光源的波长一般为200至400nm ；而在多晶硅栅极刻蚀エ艺中，通过侦测刻蚀剩余的多晶硅层厚度进行刻蚀终点的判断，所能侦测最小的多晶硅厚度一般为200埃左右，所用光源波长一般为200至400nm。
发明内容
为了克服现有技术中栅极补偿隔离区刻蚀对底层衬底硅的损伤以及等离子体对于衬底的损伤，本发明提供ー种栅极补偿隔离区刻蚀方法。为了实现上述目的，本发明提出ー种栅极补偿隔离区刻蚀方法，包括提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有栅极结构、覆盖所述栅极结构和所述半导体衬底的氧化层；进行第一刻蚀过程，所述第一刻蚀过程刻蚀所述氧化层，直到光学发生干涉仪确定刻蚀终点，即被刻蚀的所述氧化层达到预定厚度；进行第二刻蚀过程，所述第二刻蚀过程去除所述栅极结构顶部和半导体衬底上空旷区的氧化层，保留所述栅极结构侧壁的氧化层，形成栅极补偿隔离区。进ー步地，所述光学发生干涉仪的光源为波长30nm至IOOnm的极低紫外光。进ー步地,所述氧化层的预定厚度为40埃至50埃。进ー步地，所述氧化层材质为氧化硅或氮氧化硅。
进ー步地，所述第一刻蚀过程为各向异性刻蚀，主导刻蚀方向为垂直于所述半导体衬底方向。进ー步地，所述第二刻蚀过程为各向同性刻蚀，刻蚀方向为垂直于所述半导体衬底方向。进ー步地,所述第一刻蚀过程的參数包括腔体压カ为IOmtorr至30mtorr, RF功率为400W至700W，刻蚀气体流量为IOsccm至20sccm。进ー步地，所述第一刻蚀过程的刻蚀气体包括CHF3、CH2F2,CH3F、C4F8和C5F8中的一种或多种的组合。进ー步地，所述第一刻蚀过程的刻蚀气体还包括惰性气体。进ー步地，所述第二刻蚀过程采用定时控制。进ー步地,所述第二刻蚀过程的參数包括腔体压カ为IOmtorr至30mtorr, RF功率为200W至400W，刻蚀气体流量为12sccm至24sccm。进ー步地，所述第二刻蚀过程的刻蚀气体包括CHF3、CH2F2、CH3F、C4F8和C5F8中的一种或多种的组合。进ー步地，所述第二刻蚀过程的刻蚀气体还包括惰性气体。与现有技术相比，本发明所述的栅极补偿隔离区刻蚀方法的有益效果主要表现在第一刻蚀过程中采用光学发光干涉仪的光源对第一刻蚀过程进行刻蚀终点侦测，能有精确有效的控制第一刻蚀过程后的氧化层的预定厚度，结合第二刻蚀过程的刻蚀，在有效去除所述栅极结构顶部和半导体衬底上空旷区的氧化层、形成栅极补偿隔离区形貌的同时，减小刻蚀过程对于半导体衬底的损伤，有效防止了刻蚀过程中的等离子体对于空旷区的氧注入和等离子体损伤，从而改善器件的性能。
图I为本发明栅极补偿隔离区刻蚀方法的流程图；图2至图4为本发明栅极补偿隔离区刻蚀过程中的器件结构剖面示意图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、特征和有益效果更佳明显易懂，下面结合附图对发明作进一歩的描述。图I为本发明栅极补偿隔离区刻蚀方法的流程图。图2至图4为本发明栅极补偿隔离区刻蚀过程中的器件结构剖面示意图。请參考图1，本发明栅极补偿隔离区刻蚀方法包括步骤SlOl至S103。步骤SlOl :提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有栅极结构、覆盖所述栅极结构和所述半导体衬底的氧化层。请參考图2，提供半导体衬底201，所述的半导体衬底201可以是单晶硅、多晶硅、或非晶硅；所述半导体衬底201也可以是硅、锗、神化镓或硅锗化合物等。 在所述半导体衬底201上形成栅极结构202，所述栅极结构202包括底部栅氧化层202a和上部栅层202b，所述栅氧化层202a的材料包括ニ氧化硅、掺铪Hf ニ氧化硅或者其他高介电常数的介质材料。所述栅层202b为多晶硅材料。形成覆盖栅极结构202和半导体衬底201的氧化层203。进ー步地，氧化层203为氧化硅材料。步骤S102 :进行第一刻蚀过程，所述第一刻蚀过程刻蚀所述氧化层，直到光学发生干涉仪确定刻蚀终点，即被刻蚀的氧化层达到预定厚度。请參考图3，所述第一刻蚀过程可以使用现有技术中任意ー种刻蚀技术，优选等离子体刻蚀技术，刻蚀气体包括chf3、CH2F2, CH3F, C4F8和C5F8中的一种或多种的组合，刻蚀气体具体主导表现为各向异性刻蚀，其主导刻蚀方向为垂直于所述半导体衬底方向。在第一刻蚀过程刻蚀所述半导体衬底201空旷区上的氧化层203’的同吋，也会对所述栅极结构202侧壁上的氧化层203’有造成少量的刻蚀。由光学发生干涉仪(图中未示出)的入射光源301接触所述覆盖于半导体衬底201上的氧化层203’表面的反射光302a与入射光源301接触所述氧化层203’与底部半导体衬底201之间的界面的二次反射光302b的干渉波形，来侦测被刻蚀氧化层203’覆盖半导体衬底201空旷区部分的残余厚度来确定刻蚀终点。
具体地，反射光302a与反射光302b之间的光程差为α ^ α 2，侦测膜质的介电常数为η,侦测膜质的剩余膜厚为ΔΧ,光源波长为λ，AX=(Q1-Q2) λ/2 Jirio优选地，用于本发明的第一刻蚀过程侦测刻蚀终点的光学发生干涉仪的光源波长为30至IOOnm的极低紫外光,所能侦测的氧化层厚度最小为40至50埃。作为本发明的第一刻蚀过程的ー个优选实施例，所述第一刻蚀过程的刻蚀气体包括C4F8、O2和Ar,其流量范围分别为IOsccm至20sccm、3sccm至9sccm和400sccm至600sccm。所述C4F8的流量可以为lOsccm、16sccm、20sccm,所述O2的流量对应为4sccm、6sccm、9sccm,所述Ar的流量对应为400sccm、500sccm、600sccm。其他參数为腔体压カIOmtorr 至 30mtorrt, RF 功率 400W 至 700W。步骤S103 :进行第二刻蚀过程，所述第二刻蚀过程去除所述栅极结构顶部和半导体衬底上空旷区的氧化层，保留所述栅极结构侧壁的氧化层，形成栅极补偿隔离区。请參考图4，所述第二刻蚀过程可以使用现有技术中任意ー种刻蚀技术，优选等离子体刻蚀技术，刻蚀气体包括CHF3、CH2F2、CH3F、C4F8或者C5F8中的一种或多种的组合，刻蚀气体具体主导表现为各向同性刻蚀。在完成上述第二刻蚀过程后，原先覆盖于半导体衬底201空旷区和栅极结构202顶部的氧化层203被去除，最終形成在栅极结构202两侧的D型氧化层203”，完成栅极补偿隔离区的刻蚀。作为本发明的第二刻蚀过程的ー个优选实施例，所述第二刻蚀过程的刻蚀气体包括C4F8、O2和Ar,其流量范围分别为12sccm至24sccm、2sccm至6sccm和400sccm至600sccm。所述C4F8的流量可以为14sccm、18sccm、22sccm,所述O2的流量对应为3sccm、5sccm、6sccm,所述Ar的流量对应为400sccm、500sccm、600sccm。其他參数为腔体压カIOmtorr 至 30mtorr, RF 功率 400W 至 700W。结合上述，提供本发明栅极补偿隔离区刻蚀方法的ー个优选实施例，包括在具有栅极结构的半导体衬底上沉积厚度为300埃的氧化硅层；进行第一刻蚀过程，第一刻蚀过程的刻蚀气体为C4F8、O2和Ar，其流量对应为10sccm、4sccm、400sccm，腔体压カ为20mtorr，RF功率为550W ;光学发光干涉仪的光源波长为IOOnm,侦测的氧化层预定厚度为50埃；
进行第二刻蚀过程，第二刻蚀过程的刻蚀提起为C4F8、O2和Ar，其流量对应为14sccm、3sccm、400sccm,腔体压カ为 2Omtorr, RF 功率为 4δ(Μ ；在现有技术的栅极补偿隔离区刻蚀方法中，由于采用光学发光光谱仪或是固定时间的刻蚀终点侦测方法，对于进入第二刻蚀过程前的氧化层残余量控制不够精确，在完成第二刻蚀过程前，往往半导体衬底上方的氧化层已经去除完全，在整体刻蚀完成时，对底部半导体衬底造成损失，并对硅片的空旷区造成氧注入。而采用本发明所述的栅极补偿隔离区刻蚀方法，由于第一刻蚀过程中采用光学发光干涉仪的光源对第一刻蚀过程进行刻蚀终点侦测，能有精确有效的控制第一刻蚀过程后的半导体衬底上方氧化层预定厚度，防止了刻蚀过程中等离子体损伤以及空旷区的氧注入。通过第二刻蚀过程的刻蚀，在有效去除氧化层形成栅极补偿隔离区形貌的同时，有效地降低刻蚀过程对于半导体衬底的损伤。优选的，当采用光源波长为30nm至IOOnm的光学发光干涉仪进行第一刻蚀过程的終点侦测，能有效的控制第一刻蚀过程后氧化层的预定厚度到40埃至50埃，并搭配定时控制的第二刻蚀过程，将刻蚀过程中对半导体衬底的损伤从60埃左右范围降低到30埃以下，并有效地降低刻蚀过程对于半导体衬底的损伤、防止了刻蚀过程中等离子体损伤以及空旷区的氧注入。综上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明做任何限制。任何所述技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍落在本发明的保护范围之内。权利要求
1.ー种栅极补偿隔离区刻蚀方法，包括 提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有栅极结构、覆盖所述栅极结构和所述半导体衬底的氧化层； 进行第一刻蚀过程，所述第一刻蚀过程刻蚀所述氧化层，直到光学发生干涉仪确定刻蚀终点，即被刻蚀的所述氧化层达到预定厚度； 进行第二刻蚀过程，所述第二刻蚀过程去除所述栅极结构顶部和半导体衬底上空旷区的氧化层，保留所述栅极结构侧壁的氧化层，形成栅极补偿隔离区。
2.如权利要求I所述的栅极补偿隔离区刻蚀方法，其特征在于 所述光学发生干涉仪的光源为波长30nm至IOOnm的极低紫外光。
3.如权利要求I所述的栅极补偿隔离区刻蚀方法，其特征在于 所述氧化层的预定厚度为40埃至50埃。
4.如权利要求I所述的栅极补偿隔离区刻蚀方法，其特征在于 所述氧化层材质为氧化硅或氮氧化硅。
5.如权利要求I所述的栅极补偿隔离区刻蚀方法，其特征在于 所述第一刻蚀过程为各向异性刻蚀，主导刻蚀方向为垂直于所述半导体衬底方向。
6.如权利要求I所述的栅极补偿隔离区刻蚀方法，其特征在于 所述第二刻蚀过程为各向同性刻蚀，刻蚀方向为垂直于所述半导体衬底方向。
7.如权利要求I所述的栅极补偿隔离区刻蚀方法，其特征在于 所述第一刻蚀过程的參数包括腔体压カ为IOmtorr至30mtorr, RF功率为400W至700W，刻蚀气体流量为IOsccm至20sccm。
8.如权利要求7所述的栅极补偿隔离区刻蚀方法，其特征在于 所述第一刻蚀过程的刻蚀气体包括CHF3、CH2F2, CH3F, C4F8和C5F8中的一种或多种的组合ο
9.如权利要求8所述的栅极补偿隔离区刻蚀方法，其特征在于 所述第一刻蚀过程的刻蚀气体还包括惰性气体。
10.如权利要求I所述的栅极补偿隔离区刻蚀方法，其特征在于 所述第二刻蚀过程采用定时控制。
11.如权利要求I所述的栅极补偿隔离区刻蚀方法，其特征在于 所述第二刻蚀过程的參数包括腔体压カ为IOmtorr至30mtorr, RF功率为200W至400W，刻蚀气体流量为12sccm至24sccm。
12.如权利要求11所述的栅极补偿隔离区刻蚀方法，其特征在于 所述第二刻蚀过程的刻蚀气体包括CHF3、CH2F2, CH3F, C4F8和C5F8中的一种或多种的组合 ο
13.如权利要求12所述的栅极补偿隔离区刻蚀方法，其特征在于 所述第二刻蚀过程的刻蚀气体还包括惰性气体。
全文摘要
本发明提出一种栅极补偿隔离区刻蚀方法，包括提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有栅极结构、覆盖所述栅极结构和所述半导体衬底的氧化层；进行第一刻蚀过程，所述第一刻蚀过程刻蚀所述氧化层，直到光学发生干涉仪确定刻蚀终点，即被刻蚀的所述氧化层达到预定厚度；进行第二刻蚀过程，所述第二刻蚀过程去除所述栅极结构顶部和半导体衬底上空旷区的氧化层，保留所述栅极结构侧壁的氧化层，形成栅极补偿隔离区。
文档编号H01L21/28GK102637588SQ20121013819
公开日2012年8月15日 申请日期2012年5月4日 优先权日2012年5月4日
发明者李程, 杨渝书, 陈玉文 申请人:上海华力微电子有限公司