去除柵極結構中硬膜層的方法

2023-12-06 04:05:21 2

專利名稱：去除柵極結構中硬膜層的方法
技術領域：
本發明涉及一種去除電晶體柵極結構中硬膜層的方法，特別是涉及在半導體器件的製程中，所述電晶體柵極結構已經過柵極蝕刻處理，並且所述的柵極氧化物層和硬膜層含有相同成分物質的情況下，去除所述硬膜層的方法。
背景技術：
在半導體器件的製造工藝過程中，光阻材料被經常用來實現圖形的轉移，保護基體表面特定區域不被蝕刻或者摻雜等處理過程。隨著晶片技術的發展，晶片的特徵圖形尺寸越來越小，柵極寬度已經可以達到90納米或者65納米(nm)，而僅僅使用光阻材料已經很難實現圖形的精確轉移。所以為了滿足晶片技術的發展，現有技術中一般採用在柵極材料上澱積一層材料作為硬膜層，再在所述硬膜層上塗覆一層較薄的光阻材料，蝕刻完成後去除所述光阻層和硬膜層。
硬膜(HM)層主要實現晶片所設計圖形由光阻層轉移到柵極層。從技術角度考慮，硬膜層材料一般需要滿足如下要求1)曝光過程對其光學性能的要求(抗反射等)；2)在蝕刻過程中需要滿足一定的蝕刻速率要求；3)完成圖形由光阻層轉移到柵極層作用後，可以被去除或者被後續工藝所用。目前常用的硬膜層包括氧化矽、氮化矽或者氮氧化矽中的一種或者幾種，還可以包括一些金屬氧化物或者氮化物，如氮化鈦。例如，1995年申請的第5431770號美國專利所描述的電晶體柵極製造方法中的就提到了利用二氧化矽作為硬膜；1998年申請的第5796151號美國專利公開了將Si3N4覆蓋在包括鎢層的柵極堆棧上作為硬膜的技術方案，並指出可以用氧化矽或者氮氧化矽來替代所述的Si3N4。
以氧化矽為例對所述硬膜層的去除過程進行說明，一般採用乾式蝕刻方法，通入C4F8、C5F8或CF4等氟代烴氣體，在蝕刻裝置中發生諸如下式之類的分解反應。
CxFy+1-CxFy+F其結果，CxFy(x、y為自然數)或F(氟)的原子團或離子被供給到所述氧化矽硬膜層上。所述氧化矽硬膜層(SiO2膜)與氟原子團之間，出現用下述反應式等表示的反應SiO2+F-SiFx，+O*...(式1)所以可以實現對氧化矽進行腐蝕，能進行硬膜層的加工和去除。但是，由上述等離子體產生的氟代烴CxFy原子團，在腐蝕對象物的氧化膜上，產生由碳和氟構成的聚合物(氟代烴聚合物)。不過，由於在通過(式1)所示的反應後產生的O*(氧原子團)和氟代烴聚合物之間，發生用下述反應式等表示的反應CxFy+O*-Cox+F...(式2)所以能夠去掉氧化膜上的氟代烴聚合物。另一方面，氧化膜腐蝕結束後，氧化膜下面的矽基板或矽氮化膜一露出來，就不能產生(式1)所示的那種O*，所以也不能產生(式2)所示的由氧原子團進行的除去氟代烴聚合物的反應。就是說，在矽基板上或矽氮化膜上，在氟代烴原子團的作用下，堆積了氟代烴聚合物。其結果，由於矽及矽氮化膜的腐蝕速度受到抑制，所以就能確保氧化膜及其基底的矽或矽氮化膜之間的選擇比。從而可以實現硬膜層的去除而不傷害下面的柵極結構。
通常半導體器件都需要在晶圓表面首先生成一層柵極氧化層，在所述柵極氧化層上澱積柵極材料以形成柵極結構。所述柵極氧化層用於作摻雜阻擋層、絕緣層或者表面鈍化層，幾乎所有的半導體器件都包括所述柵極氧化層，柵極氧化層材料可以為二氧化矽膜。通常情況下半導體器件經過柵極蝕刻處理之後，形成圖1所示的柵極結構，包括半導體基體、柵極氧化物層(OX)、柵極材料層以及硬膜層(HM)。例如，國際專利PCT/US2003/021426中就公開了一種形成多晶矽柵極的方法。
當柵極氧化層和HM層中都含有氧化矽時，去除HM層的時候就會對所述柵極氧化層產生影響，導致柵極氧化層的側向蝕刻，形成凹陷或者孔，從而造成半導體器件性能或者質量的不可接受。
隨著器件尺寸的縮小，柵極氧化層的厚度也逐漸減小，為了防止從柵極材料層到基底的「B(硼)穿透」，以及降低電介質的洩漏電流，可以在柵極氧化層中添加氮物質，即所述柵極氧化層中會含有氮氧化矽。但是HM層中含有氮氧化矽也是很普遍的，例如，使用氮氧化矽作為無機抗反射層，所以當HM層和柵極氧化層都含有氮氧化矽時，去除HM層的時候仍然會對所述柵極氧化層產生影響，導致柵極氧化層的側向蝕刻，形成凹陷或者孔，從而造成半導體器件性能或者質量的不可接受。

發明內容
鑑於上述問題，本發明所解決的技術問題在於提供一種在半導體器件製程中去除HM層的方法，即使所述HM層和柵極氧化層含有相同的物質成分，去除HM層的過程也不會對柵極氧化層產生影響，從而保證半導體器件的性能和質量。
為解決上述技術問題，本發明的目的是通過以下技術方案實現的本發明提供了一種去除柵極結構中硬膜層的方法，所述柵極結構已經過柵極蝕刻處理，包括半導體基體、柵極氧化物層、柵極材料層以及硬膜層，所述的柵極氧化物層和硬膜層含有相同成分物質，包括以下步驟塗覆保護層；蝕刻所述保護層，露出所述硬膜層而仍覆蓋所述柵極氧化物層時停止蝕刻；去除所述硬膜層；去除剩餘的保護層。
優選的，所述保護層可以為光阻塗層或者底部抗反射塗層。優選的，所述保護層的塗覆方式可以為旋轉塗覆。優選的，所述柵極材料層可以為多晶矽層。
本發明還公開了一種去除柵極結構中硬膜層的方法，所述柵極結構已經過柵極蝕刻處理，包括半導體基體、柵極氧化物層、柵極材料層以及硬膜層，所述的柵極氧化物層含有氧化矽，所述硬膜層含有氧化矽層和位於氧化矽層之下的氮氧化矽層，包括以下步驟塗覆保護層；蝕刻所述保護層，露出所述硬膜層的氧化矽層而仍覆蓋所述柵極氧化物層時停止蝕刻；去除所述硬膜層的氧化矽層；去除剩餘的保護層；去除所述硬膜層的氮氧化矽層。
優選的，所述的去除氧化矽層的過程可以採用幹法蝕刻。優選的，所述的去除氮氧化矽層的過程可以採用溼法蝕刻。
本發明還提供了一種去除柵極結構中硬膜層的方法，所述柵極結構已經過柵極蝕刻處理，包括半導體基體、柵極氧化物層、柵極材料層以及硬膜層，所述的柵極氧化物層含有氧化矽，所述硬膜層含有氧化矽層和位於氧化矽層之下的氮氧化矽層，包括以下步驟塗覆保護層；蝕刻所述保護層，露出所述硬膜層的氧化矽層以及氮氧化矽層，而仍覆蓋所述柵極氧化物層時停止蝕刻；去除所述硬膜層的氧化矽層；去除所述硬膜層的氮氧化矽層；去除剩餘的保護層。
本發明還提供了一種去除柵極結構中硬膜層的方法，所述柵極結構已經過柵極蝕刻處理，包括半導體基體、柵極氧化物層、柵極材料層以及硬膜層，所述的柵極氧化物層含有氧化矽和氮氧化矽，所述硬膜層含有氮氧化矽層，包括以下步驟塗覆保護層；蝕刻所述保護層，露出所述硬膜層的氮氧化矽層，而仍覆蓋所述柵極氧化物層時停止蝕刻；蝕刻去除所述硬膜層的氮氧化矽層；去除剩餘的保護層。
本發明還提供了一種去除柵極結構中硬膜層的方法，所述柵極結構已經過柵極蝕刻處理，包括半導體基體、柵極氧化物層、柵極材料層以及硬膜層，所述的柵極氧化物層含有氧化矽和氮氧化矽，所述硬膜層含有氧化矽層和位於氧化矽層之下氮氧化矽層，包括以下步驟塗覆保護層；蝕刻所述保護層，露出所述硬膜層的氧化矽層以及氮氧化矽層，而仍覆蓋所述柵極氧化物層時停止蝕刻；去除所述硬膜層的氧化矽層；去除所述硬膜層的氮氧化矽層；去除剩餘的保護層。
與現有技術相比，本發明具有以下的優點由於本發明在柵極結構上塗覆了保護層，使得去除HM層時，僅僅露出所述柵極結構的HM層，柵極氧化層周圍仍然塗覆有保護層，保護柵極氧化層不會受到影響，從而保證半導體器件的性能和質量。
當HM層含有和所述柵極氧化物層相同成分的物質，由於去除HM層時或者去除與所述柵極氧化物層相同成分的物質層時，僅僅露出所述柵極結構的HM層，柵極氧化層周圍仍然塗覆有保護層，保護柵極氧化層不會受到影響，從而保證半導體器件的性能和質量。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。
圖1是去除HM層之前的一種柵極結構的剖面示意圖；圖2a-圖2e是本發明所述去除方法的剖面步驟圖；圖3是去除HM層之前的另一種柵極結構的剖面示意圖。
具體實施例方式
本發明的核心思想在於由於硬膜層和柵極氧化層含有相同的物質成分，所以對硬膜層的去除過程會對柵極氧化層產生不良影響，本發明在柵極氧化層上塗覆一層保護層，使得去除硬膜層時，柵極氧化層被保護起來，而不會對其產生影響，從而保證了柵極結構的性能和質量。
參照圖1，是去除HM層之前的一種柵極結構的剖面示意圖。
圖1中所示的柵極結構包括基體1，柵極氧化層2、柵極材料層3、HM層4。所述柵極氧化層2主要用於作摻雜阻擋層、絕緣層或者表面鈍化層，圖1中柵極氧化層2的主要組成為氧化矽。圖1中柵極材料層3的成分為多晶矽，當然柵極材料還可以是非晶矽、多晶矽疊層或者其他類型的柵極材料。圖1中HM層4包括氧化矽層41和氮氧化矽層42，這種結構的HM層是半導體器件的生產中使用最廣泛的。其中氧化矽層41主要用於保證柵極材料層獲得精確的圖形輪廓，並且有時候還可以消除下面的氮氧化矽層42帶來的缺陷。所述氮氧化矽層42主要作為無機的底部抗反射塗層，用於消除反射光對光刻膠的影響。通常HM層4的厚度可以為200埃()-1000埃()，氧化矽層41一般採用幹法蝕刻去除，氮氧化矽層42一般可以採用溼法蝕刻去除。所述氧化矽層41可以採用本領域常用的任何方式來實現，例如增強型等離子體化學氣相澱積技術，則採用PEOX表示所述氧化矽層。
參照圖2，圖2a-圖2e是本發明所述去除方法的剖面步驟圖。
步驟s1，在圖1所示的柵極結構上塗覆一層保護層。所述塗覆過程可以採用普通的塗覆光刻膠(光阻)的方法即可，例如刷法、旋轉塗覆方法或者浸泡法等。塗覆過程的目的就在於，在柵極結構表面建立一層薄而均勻，並且沒有缺陷的保護層5，用於保護柵極氧化層2不受去除HM層工藝的影響。參照圖2a，是在圖1所示的柵極結構上完成步驟s1之後的柵極結構剖面圖。
為了達到最好的保護效果，所述保護層5需要具備以下特徵a、在特定的溫度、壓力等條件下具備一定的流動能力，能夠完全覆蓋柵極蝕刻後形成的起伏不平的圖形，且在各種起伏圖形處形成的厚度差異在一定範圍內。b、在保護層的兩次去除過程中，保護層材料需要滿足去除工藝的要求(對柵極結構材料的選擇比)，並且最終能夠被去除。所述「流動能力」是為了能夠實現塗覆以及能夠完全覆蓋；所述「厚度差異在一定範圍內」是指最佳的覆蓋效果為能夠完全填滿柵極溝道，並且HM層上覆蓋的保護層比較薄，即塗覆後的表面厚度差異較小，便於露出HM層4而不會露出柵極或者柵極氧化層2。所述保護層材料的去除過程需要對柵極結構材料的較高的選擇比，以保證保護層的去除過程不會對柵極材料發生影響。
優選的，所述的保護層5可以採用半導體器件製程中普遍使用的光刻膠(光阻PR)，它是最容易獲得並且能夠滿足上述最佳特徵的材料。並且，在半導體器件製程中，會有很多在塗覆工序中浪費的光刻膠，所述保護層可以採用這些廢棄的光刻膠，也可以達到較好的效果，並節約資源、降低成本。當然，也可以採用半導體器件製程中普遍使用有機的底部抗反射塗層(BARC)，也能達到上述的效果。
步驟s2、蝕刻所述保護層，露出所述硬膜層而仍覆蓋所述柵極氧化物層時停止蝕刻。參照圖2b，是完成步驟s2之後的柵極結構剖面圖。
對保護層5的蝕刻可以採用本領域技術人員熟知的任何方式，例如，如果採用光刻膠作為保護層，則可以採用下述參數進行對保護層的蝕刻20-1000的處理氣體流率，2-200mTorr的處理室壓力，0-300W的RF偏置。
對所述保護層5進行蝕刻，當露出所述硬膜層4而仍掩蓋所述柵極氧化物層2時停止蝕刻。停止蝕刻的具體情況由技術人員進行選定，優選的，完全露出所述硬膜層4即可。對於圖所示的柵極結構來說，由於僅僅在去除氧化矽層41的時候會對柵極氧化層2產生影響，所以只需要露出HM層4的氧化矽層41即可。
對所述保護層5進行蝕刻的停止的時刻的準確控制，可以通過技術人員對保護層厚度以及蝕刻時間的經驗摸索，採用時間進行控制。當然，也可以採用更為準確和先進的控制技術，例如對蝕刻終止時間進行探測，在蝕刻過程中通過一定方法監測某些特定信號的變化，當氧化層開始暴露時，這些信號也會發生相對明顯的變化，因此可以通過監測此信號變化來判斷氧化層是否已經露出。
所述露出的程度由技術人員根據柵極結構的不同以及設備工藝的不同進行選擇，例如，可以剛剛露出硬膜層表面即可、或者露出硬膜層某一個成分物質層、或者露出整個硬膜層。這些都屬於本發明所述露出的意義範圍內。
步驟s3，去除所述硬膜層的氧化矽層。參照圖2c，是完成步驟s3之後的柵極結構剖面圖，在剩餘保護層5的保護下，去除了HM層4的氧化矽層41，對柵極材料層3和柵極氧化層2沒有影響。
所述去除工藝可以採用本領域技術人員熟知的任何可行方式，例如，背景技術中所述的採用C4F8、C5F8或CF4等氟代烴氣體進行幹法蝕刻去除氧化矽層。當然，也可以採用溼法蝕刻或者化學機械研磨法等。對硬膜層的去除工藝並不是本發明的核心，本發明對此並不作任何限定。
步驟s4，去除剩餘的保護層。參照圖2d，是完成步驟s4之後的柵極結構剖面圖。
所述保護層5可以為光阻(PR)塗層或者抗反射(BARC)塗層。所述去除過程可以採用本領域技術人員熟知的任何可行方式，例如，可以採用步驟s2中所述的去除工藝。當然所述去除過程也可以和步驟s2中所述的去除工藝不同，雖然兩次都需保證對柵極結構的暴露部分不能造成損傷，但是第一次去除過程需要考慮剩餘PR層或者BARC層在一定厚度範圍內，而第二次去除過程則需要保證所有的殘餘PR層或者BARC層需要完全被去除。例如，中國專利的03811241.8號就公開了一種去除光刻膠和蝕刻殘留物的方法。
步驟s5，去除氮氧化矽層。參照圖2e，是完成步驟s5之後的柵極結構剖面圖。
所述去除柵極硬膜層4的過程可以採用溼法蝕刻，幹法蝕刻，化學機械研磨等各種工藝。所述去除過程要求對柵極硬膜層下面的柵極結構影響要儘可能的小。
對於常見的氮化物硬膜層，多採用溼法蝕刻的方法，利用特定的化學材料(溶液)將硬膜層去除。此過程中用的化學材料(溶液)需要保持對硬膜層有較高的刻蝕速率，而對柵極結構中的各層材料的蝕刻速率則需要相對非常低。即此過程需要保證對柵極堆棧結構各層材料具有非常高的選擇比。所述的化學材料(溶液)一般使用的可以為熱磷酸，根據在使用熱磷酸的處理過程中測量的數據，對於氮氧化矽的蝕刻速率為59.3/min，對於柵極氧化層的蝕刻速率為1.62/min。例如，中國專利第00805123.2號就公開了一種在柵極蝕刻處理後用溼式化學方法去除氮氧化矽材料的技術方案。
上述的步驟s1-步驟s5的去除HM層的方法，保證了去除HM層時，僅僅露出所述柵極結構的HM層，柵極氧化層周圍仍然塗覆有保護層，保護柵極氧化層不會受到影響，從而保證半導體器件的性能和質量。
所述步驟s5和步驟s4之間可以互換順序，即，可以先去除氮氧化矽層42，再去除剩餘的保護層5。這樣的工藝步驟可以保住在去除氮氧化矽層42時，柵極氧化物層2仍然被保護層5覆蓋，即使去除氮氧化矽層42的工藝過程對柵極氧化物層2的微量影響也不會發生，可以更好的保證柵極結構的性能和質量。
參照圖3，是去除HM層之前的另一種柵極結構的剖面示意圖。
柵極結構中包括基體5、柵極材料層6、柵極氧化層7以及硬膜層8。所述的硬膜層8包括氮氧化矽層，所述的柵極氧化層2包括氧化矽層和氮氧化矽層，並以ONO的形式存在。當然所述ONO的形式僅僅是對包括氧化矽層和氮氧化矽層的柵極氧化層的一種描述，實際中還存在其他的疊層或者摻雜方式。所述柵極結構通過以下步驟去除HM層步驟t1，在圖1所示的柵極結構上塗覆一層保護層。
步驟t2、蝕刻所述保護層，露出所述硬膜層而仍覆蓋所述柵極氧化物層時停止蝕刻。
步驟t3，去除所述氮氧化矽層。
步驟t4，去除剩餘的保護層。
本發明還可以提供另一實施例。柵極結構已經過柵極蝕刻處理，包括半導體基體、柵極氧化物層、柵極材料層以及硬膜層，所述的柵極氧化物層含有氧化矽和氮氧化矽，所述硬膜層含有氧化矽層和位於氧化矽層之下氮氧化矽層。所述柵極結構通過以下步驟去除HM層塗覆保護層；蝕刻所述保護層，露出所述硬膜層的氧化矽層以及氮氧化矽層，而仍覆蓋所述柵極氧化物層時停止蝕刻；去除所述硬膜層的氧化矽層；去除所述硬膜層的氮氧化矽層；去除剩餘的保護層。
所述各步驟中具體的去除過程在前面已經進行了描述，並且都屬於本領域技術人員熟知的技術方案，所以在此就不再贅述。
以上對本發明所提供的一種去除柵極結構中硬膜層的方法進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式
及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
權利要求
1.一種去除柵極結構中硬膜層的方法，所述柵極結構已經過柵極蝕刻處理，包括半導體基體、柵極氧化物層、柵極材料層以及硬膜層，所述的柵極氧化物層和硬膜層含有相同成分物質，其特徵在於，包括塗覆保護層；蝕刻所述保護層，露出所述硬膜層而仍覆蓋所述柵極氧化物層時停止蝕刻；去除所述硬膜層；去除剩餘的保護層。
2.如權利要求1所述的去除柵極結構中硬膜層的方法，其特徵在於，所述保護層為光阻塗層或者底部抗反射塗層。
3.如權利要求1或2所述的去除柵極結構中硬膜層的方法，其特徵在於，所述保護層的塗覆方式為旋轉塗覆。
4.如權利要求1或2所述的去除柵極結構中硬膜層的方法，其特徵在於，所述柵極材料層為多晶矽層。
5.一種去除柵極結構中硬膜層的方法，所述柵極結構已經過柵極蝕刻處理，包括半導體基體、柵極氧化物層、柵極材料層以及硬膜層，所述的柵極氧化物層含有氧化矽，所述硬膜層含有氧化矽層和位於氧化矽層之下的氮氧化矽層，其特徵在於，包括塗覆保護層；蝕刻所述保護層，露出所述硬膜層的氧化矽層而仍覆蓋所述柵極氧化物層時停止蝕刻；去除所述硬膜層的氧化矽層；去除剩餘的保護層；去除所述硬膜層的氮氧化矽層。
6.如權利要求5所述的去除柵極結構中硬膜層的方法，其特徵在於，所述的去除氧化矽層的過程採用幹法蝕刻。
7.如權利要求5所述的去除柵極結構中硬膜層的方法，其特徵在於，所述的去除氮氧化矽層的過程採用溼法蝕刻。
8.一種去除柵極結構中硬膜層的方法，所述柵極結構已經過柵極蝕刻處理，包括半導體基體、柵極氧化物層、柵極材料層以及硬膜層，所述的柵極氧化物層含有氧化矽，所述硬膜層含有氧化矽層和位於氧化矽層之下的氮氧化矽層，其特徵在於，包括塗覆保護層；蝕刻所述保護層，露出所述硬膜層的氧化矽層以及氮氧化矽層，而仍覆蓋所述柵極氧化物層時停止蝕刻；去除所述硬膜層的氧化矽層；去除所述硬膜層的氮氧化矽層；去除剩餘的保護層。
9.一種去除柵極結構中硬膜層的方法，所述柵極結構已經過柵極蝕刻處理，包括半導體基體、柵極氧化物層、柵極材料層以及硬膜層，所述的柵極氧化物層含有氧化矽和氮氧化矽，所述硬膜層含有氮氧化矽層，其特徵在於，包括塗覆保護層；蝕刻所述保護層，露出所述硬膜層的氮氧化矽層，而仍覆蓋所述柵極氧化物層時停止蝕刻；蝕刻去除所述硬膜層的氮氧化矽層；去除剩餘的保護層。
10.一種去除柵極結構中硬膜層的方法，所述柵極結構已經過柵極蝕刻處理，包括半導體基體、柵極氧化物層、柵極材料層以及硬膜層，所述的柵極氧化物層含有氧化矽和氮氧化矽，所述硬膜層含有氧化矽層和位於氧化矽層之下氮氧化矽層，其特徵在於，包括塗覆保護層；蝕刻所述保護層，露出所述硬膜層的氧化矽層以及氮氧化矽層，而仍覆蓋所述柵極氧化物層時停止蝕刻；去除所述硬膜層的氧化矽層；去除所述硬膜層的氮氧化矽層；去除剩餘的保護層。
全文摘要
本發明提供了一種去除柵極結構中硬膜層的方法，所述柵極結構已經過柵極蝕刻處理，包括半導體基體、柵極氧化物層、柵極材料層以及硬膜層，所述的柵極氧化物層和硬膜層含有相同成分物質，包括塗覆保護層；蝕刻所述保護層，露出所述硬膜層而仍覆蓋所述柵極氧化物層時停止蝕刻；去除所述硬膜層；去除剩餘的保護層。當硬膜層含有和所述柵極氧化物層相同成分的物質，由於本發明所提供的方法在去除硬膜層時或者去除與所述柵極氧化物層相同成分的物質層時，僅僅露出所述柵極結構的硬膜層，柵極氧化層周圍仍然塗覆有保護層，保護柵極氧化層不會受到蝕刻，從而保證半導體器件的性能和質量。
文檔編號H01L21/336GK1992172SQ200510112389
公開日2007年7月4日 申請日期2005年12月30日 優先權日2005年12月30日
發明者遲玉山, 馬擎天, 張世謀, 杜珊珊 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司