一种多晶硅刻蚀方法与流程

本发明属于半导体制造领域，涉及一种多晶硅刻蚀方法。

背景技术：

在传统半导体制造工艺中，多晶硅(polysilicon)常用作MOS器件的栅极。栅极的形成往往需要用到氮化硅(SiN)作为硬掩膜(Hardmask，HM)。氮化硅作为硬掩膜解决了传统DARC(SiON)作为硬掩膜在经过后续高温制程之后很难去除(磷酸无效)的不足。

目前一种由双层多晶硅形成的MOS器件结构能有效地缩小器件的面积，这一独特工艺也吸引了越来越多的关注。在这种双层多晶硅器件中同样需要用到氮化硅作为硬掩膜材料。然而，在氮化硅硬掩膜的工艺中，很容易产生大量微小的多晶硅残留，这不仅会导致电路短路造成产品良率降低，还给后续工艺中缺陷扫描带来了干扰。

如图1～3所示，显示为现有的多晶硅刻蚀过程，其中，图1显示为在SiN层101表面形成图形化光阻层102的示意图，图2显示为刻蚀SiN层101形成SiN硬掩膜层103的示意图，图3显示为以SiN硬掩膜层103作为掩膜刻蚀多晶硅层104的示意图。如图2所示，SiN硬掩膜层周围具有未被刻蚀彻底的SiN残留颗粒105。如图3所示，由于SiN残留颗粒105的影响，导致多晶硅刻蚀之后形成了不必要的多晶硅残留物106。通常，所述多晶硅残留物为柱状，其在后续制程中可能倒掉，导致电路短路，同时，该多晶硅残留物也会对后续缺陷扫描造成干扰。

目前的解决方法主要有三种：(1)在底部抗反射涂层(BARC)涂覆之前增加一步氮气处理，以减少SiN层对水汽、杂质的吸附，使得SiN层各部位的刻蚀速率更加一致，但是结果表明这种方法收效甚微；(2)在底部抗反射涂层涂覆之前增加一层PEOX(聚氧化乙烯)，以改善BARC/SiN界面特性，这种方法同样没有太大作用；(3)增加氮化硅硬掩膜层的过刻蚀时间，这种方法容易将多晶硅刻蚀得太多，导致后续工艺不稳定，并且仍然会有大的多晶硅残留缺陷。

因此，提供一种多晶硅刻蚀方法，以降低多晶硅残留缺陷，减少对后续工艺的影响，保证器件的良率，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多晶硅刻蚀方法，用于解决 现有技术中在SiN硬掩膜的刻蚀过程中形成SiN残留颗粒，导致多晶硅刻蚀过程中产生不必要的多晶硅残留，降低产品良率的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种多晶硅刻蚀方法，包括以下步骤：

S1：在多晶硅层表面形成SiN层，并刻蚀所述SiN层使其图形化，得到SiN硬掩膜层；

S2：在所述SiN硬掩膜层周围未被刻蚀彻底的SiN残留颗粒与所述多晶硅层之间形成氧化层；

S3：采用湿法腐蚀去除所述氧化层，使所述SiN残留颗粒因悬空而脱离所述多晶硅层；

S4：以所述SiN硬掩膜层作为掩模对所述多晶硅层进行刻蚀。

作为本发明的多晶硅刻蚀方法的一种优选方案，于所述步骤S1中，首先在所述SiN层表面形成图形化光阻层，并以所述图形化光阻层作为掩膜对所述SiN层进行刻蚀，得到所述SiN硬掩膜层。

作为本发明的多晶硅刻蚀方法的一种优选方案，于所述步骤S1中，采用干法刻蚀将所述SiN层图形化。

作为本发明的多晶硅刻蚀方法的一种优选方案，于所述步骤S1中，刻蚀所述SiN层时，对所述多晶硅层进行预设厚度的过刻蚀；所述预设厚度为100～500埃。

作为本发明的多晶硅刻蚀方法的一种优选方案，于所述步骤S2中，采用快速热氧化法将所述SiN残留颗粒以下的多晶硅凸起氧化，形成所述氧化层。

作为本发明的多晶硅刻蚀方法的一种优选方案，所述快速热氧化法的温度范围是800～1000℃，升温速率为10～200℃/秒，保温时间为1～30秒。

作为本发明的多晶硅刻蚀方法的一种优选方案，于所述步骤S3中，所述湿法腐蚀采用氢氟酸溶液。

作为本发明的多晶硅刻蚀方法的一种优选方案，所述氢氟酸溶液采用质量分数为49％的氢氟酸与水配置而成，其中，氢氟酸与水的体积比为10:1～100:1；湿法腐蚀的处理时间为1～10min。

作为本发明的多晶硅刻蚀方法的一种优选方案，于所述步骤S4中，采用干法刻蚀对所述多晶硅层进行刻蚀。

作为本发明的多晶硅刻蚀方法的一种优选方案，所述多晶硅层底部形成有一栅氧化层。

如上所述，本发明的多晶硅刻蚀方法，具有以下有益效果：本发明通过在氮化硅硬掩膜刻蚀之后通过快速热氧化法形成一层氧化硅(Silicon Oxide)，并用氢氟酸湿法蚀刻去除氧化层，使得氮化硅残留颗粒因悬空脱离多晶硅层表面，避免了因氮化硅残留颗粒的遮挡阻碍后续多晶硅刻蚀，极大地降低了多晶硅残留缺陷的产生。本发明的多晶硅刻蚀方法无需增加光 刻次数，对后续工艺几乎没有影响，并且成功避免了使用传统DARC作为硬掩膜的不足，也成功减少了SiN作为硬掩膜带来的多晶硅残留缺陷，可以有效提高产品良率。对于常见SiN作为硬掩膜刻蚀多晶硅，无论是为了形成多晶硅栅极还是其它多晶硅结构，如果干法刻蚀产生的残留缺陷对后续工艺影响较大，均可采用本发明的方法，具有普适性。

附图说明

图1显示为现有技术中在SiN层表面形成光阻层的示意图。

图2显示为现有技术中刻蚀SiN层形成SiN硬掩膜层的示意图。

图3显示为现有技术中以SiN硬掩膜层作为掩膜刻蚀多晶硅层的示意图

图4显示为本发明的多晶硅刻蚀方法的工艺流程图。

图5显示为本发明的多晶硅刻蚀方法中在多晶硅层表面依次形成SiN层及图形化光阻层的示意图。

图6显示为本发明的多晶硅刻蚀方法中刻蚀SiN层使其图形化，得到SiN硬掩膜层的示意图。

图7显示为本发明的多晶硅刻蚀方法中在SiN残留颗粒与多晶硅层之间形成氧化层的示意图。

图8显示为本发明的多晶硅刻蚀方法中采用湿法腐蚀去除氧化层，使所述SiN残留颗粒因悬空而脱离所述多晶硅层的示意图。

图9显示为本发明的多晶硅刻蚀方法中以所述SiN硬掩膜层作为掩模对所述多晶硅层进行刻蚀的示意图。

图10显示为采用常规多晶硅刻蚀方法得到的KLA扫描结果。

图11显示为采用本发明的多晶硅刻蚀方法得到的KLA扫描结果。

元件标号说明

S1～S4 步骤

101，204 SiN层

102，205 图形化光阻层

103，206 SiN硬掩膜层

104，203 多晶硅层

105，207 SiN残留颗粒

106 多晶硅残留物

201 硅衬底

202 栅氧化层

208 多晶硅凸起

209 氧化层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图4至图11。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种多晶硅刻蚀方法，请参阅图4，显示为该方法的工艺流程图，包括以下步骤：

S1：在多晶硅层表面形成SiN层，并刻蚀所述SiN层使其图形化，得到SiN硬掩膜层；

S2：在所述SiN硬掩膜层周围未被刻蚀彻底的SiN残留颗粒与所述多晶硅层之间形成氧化层；

S3：采用湿法腐蚀去除所述氧化层，使所述SiN残留颗粒因悬空而脱离所述多晶硅层；

S4：以所述SiN硬掩膜层作为掩模对所述多晶硅层进行刻蚀。

首先请参阅图5及图6，执行步骤S1：在多晶硅层203表面形成SiN层204，并刻蚀所述SiN层204使其图形化，得到SiN硬掩膜层206。

作为示例，所述多晶硅层203形成于Si衬底201上，且所述多晶硅层203底部形成有一栅氧化层202，所述多晶硅层203用于后续形成多晶硅栅极。当然，在其它实施例中，所述多晶硅层203也可以形成于其它常规半导体衬底上，所述多晶硅层203也可以用于形成其它半导体结构，此处不应过分限制本发明的保护范围。

具体的，如图5所示，首先通过光刻、显影等常规半导体工艺在所述SiN层204表面形成图形化光阻层205，然后以所述图形化光阻层205作为掩膜对所述SiN层204进行刻蚀，得到所述SiN硬掩膜层206。

本实施例中，优选采用干法刻蚀将所述SiN层204图形化。干法刻蚀是用等离子体进行 薄膜刻蚀的技术。当气体以等离子体形式存在时，它具备两个特点：一方面等离子体中的这些气体化学活性比常态下时要强很多，根据被刻蚀材料的不同，选择合适的气体，就可以更快地与材料进行反应，实现刻蚀去除的目的；另一方面，还可以利用电场对等离子体进行引导和加速，使其具备一定能量，当其轰击被刻蚀物的表面时，会将被刻蚀物材料的原子击出，从而达到利用物理上的能量转移来实现刻蚀的目的。因此，干法刻蚀是晶圆片表面物理和化学两种过程平衡的结果。干法刻蚀具有方向性好的优点，可以得到较好的SiN硬掩膜层形貌。

如图6所示，由于涂覆光阻层之前所述SiN层表面吸附的水汽及其它杂质等原因，造成部分区域的SiN层刻蚀速率较为缓慢，导致所述SiN硬掩膜层206周围出现未被刻蚀彻底的SiN残留颗粒207。这些SiN残留颗粒207若不去除，将会对后续制程产生不良影响。

本实施例中，在刻蚀所述SiN层204时，对所述多晶硅层203进行预设厚度的过刻蚀(如图6所示)，使得所述SiN残留颗粒207下方形成多晶硅凸起208。优选的，所述预设厚度为100～500埃。

然后请参阅图7，执行步骤S2：在所述SiN硬掩膜层206周围未被刻蚀彻底的SiN残留颗粒207与所述多晶硅层203之间形成氧化层209。

本实施例中，优选采用快速热氧化法将所述SiN残留颗粒207以下的多晶硅凸起209氧化，形成所述氧化层210。作为示例，工艺条件如下：气氛为纯氧，氧气流量为0.5～50L/分钟，气压在一个大气压左右。所述快速热氧化法的温度范围是800～1000℃，升温速率为10～200℃/秒，保温时间为1～30秒。

上述步骤S1中的过刻蚀形成了SiN残留颗粒下的多晶硅凸起208，该多晶硅凸起208四周暴露于工艺气氛中，很容易被快速完全氧化，同时，所述多晶硅层203表面被氧化的程度又不致太高。

再请参阅图8，执行步骤S3：采用湿法腐蚀去除所述氧化层209，使所述SiN残留颗粒207因悬空而脱离所述多晶硅层203。

由于所述氧化层的主要成分为氧化硅，因此，本实施例中，所述湿法腐蚀优选采用氢氟酸溶液。作为示例，所述氢氟酸溶液采用质量分数为49％的氢氟酸与水配置而成，其中，氢氟酸与水的体积比为10:1～100:1；湿法腐蚀的处理时间为1～10min。当然在其它实施例中，也可以采用其它常规腐蚀溶液配方，并相应选择合适的处理时间，此处不应过分限制本发明的保护范围。

在所述湿法腐蚀过程中，被氧化的所述多晶硅凸起(氧化层)及所述多晶硅层203表面的薄氧化层均被去除，所述SiN残留颗粒因悬空而脱离所述多晶硅层203。后续还可采用纯水、去离子水等清洗液对器件表面进一步清洗。

最后请参阅图9，执行步骤S4：以所述SiN硬掩膜层206作为掩模对所述多晶硅层203进行刻蚀。

具体的，采用干法刻蚀对所述多晶硅层203进行刻蚀。在干法刻蚀过程中，所述SiN硬掩膜层206可以较好的保持其原有形貌，有利于得到理想的多晶硅刻蚀结构。由于所述SiN硬掩膜层206周围的SiN残留颗粒在所述步骤S3中被有效去除，可以预见，在多晶硅刻蚀过程中产生的多晶硅残留将大为减少。

请参阅图10及图11，分别显示为采用常规多晶硅刻蚀方法得到的KLA扫描结果及采用本发明的多晶硅刻蚀方法得到的KLA扫描结果。此处KLA扫描指的是采用LKA-Tencor生产的缺陷扫面机进行缺陷扫描。如图10所示，采用常规多晶硅刻蚀方法，KLA扫描结果显示缺陷数目约为1800ea，而如图11所示，采用本发明的多晶硅刻蚀方法，KLA扫描结果显示缺陷数目约为320ea，可见，本发明的多晶硅刻蚀方法可以极大降低多晶硅残留缺陷的产生。本发明通过实验得到了很好的验证，完全达到了发明目的，能够很好地解决生产中的难题。

综上所述，本发明通过在氮化硅硬掩膜刻蚀之后通过快速热氧化法形成一层氧化硅(Silicon Oxide)，并用氢氟酸湿法蚀刻去除氧化层，使得氮化硅残留颗粒因悬空脱离多晶硅层表面，避免了因氮化硅残留颗粒的遮挡阻碍后续多晶硅刻蚀，极大地降低了多晶硅残留缺陷的产生。本发明的多晶硅刻蚀方法无需增加光刻次数，对后续工艺几乎没有影响，并且成功避免了使用传统DARC作为硬掩膜的不足，也成功减少了SiN作为硬掩膜带来的多晶硅残留缺陷，可以有效提高产品良率。对于常见SiN作为硬掩膜刻蚀多晶硅，无论是为了形成多晶硅栅极还是其它多晶硅结构，如果干法刻蚀产生的残留缺陷对后续工艺影响较大，均可采用本发明的方法，具有普适性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。