一種納米線寬多晶矽柵刻蝕掩膜圖形的形成方法

2023-05-17 22:25:26 1

專利名稱：一種納米線寬多晶矽柵刻蝕掩膜圖形的形成方法
技術領域：
本發明屬於超深亞微米半導體器件的工藝方法，具體地說涉及一種15-50納米線寬多晶矽柵刻蝕掩膜圖形的形成方法。
背景技術：
電晶體特徵的減小，可以帶來集成電路密度和性能上的提高以及分攤在單元功能上成本的下降。因此自集成電路誕生之日起，半導體產業的競爭就始終聚焦在加工尺寸的微細化上。2010年大生產的特徵尺寸(物理柵長)為18納米。器件尺寸降到亞50納米已接近Scaling down的極限，將面臨嚴峻的技術挑戰，主要表現在器件的某些參量，如閾值電壓和電源電壓的不可等比例縮小造成的困難(如嚴重的短溝道效應，過大的關態漏電流，Ion減少，總功耗過大)和基礎工藝的限制如光刻、超薄柵介質、超淺結、低阻互連等都逼近了工藝技術的極限，面臨著難以逾越的壁壘。特別是光刻工藝。現有先進的光刻工藝技術如248納米波長的深紫外曝光技術，配合移相掩膜和光學臨近效應修正，可加工出180-130納米線寬圖形，利用最高水平的193納米波長的準分子雷射曝光技術，可加工出130-100納米圖形，但設備系統極為複雜，成本昂貴。普遍認為100納米特徵線寬是光學光刻的極限。目前，國際上下一代曝光技術研究主要有極紫外光刻、電子束投影光刻、X射線投影光刻和離子束投影光刻等。這些技術的設備昂貴，離大生產實用化還有相當距離。究竟哪一種技術能取代光學光刻，還無定論。目前即使採用最有希望的電子束曝光也只能達到100納米左右的線寬水平，還達不到亞50納米線寬。

發明內容
本發明的目的在於提供一種納米線寬多晶矽柵刻蝕掩膜圖形的形成方法，該方法可以形成的線寬為15-50納米。
本發明是一種又經濟、又實用能達到亞50納米甚至亞20納米線寬刻蝕掩膜圖形的有效方法。該方法不需要大型的十分昂貴的專用設備，方法可靠、穩定、重複，容易實現，而且能達到目前其它設備和方法還不能達到的20納米級微細加工水平。
本發明是把光學曝光或電子束曝光獲得的90-250納米線寬的膠圖形轉換成15-50納米多晶矽柵刻蝕的掩膜圖形的方法。該方法的具體步驟為步驟1在超薄柵介質上澱積多晶矽膜，然後澱積正矽酸乙酯熱分解SiO2(TEOS SiO2)薄膜；步驟2光刻形成膠柵圖形；步驟3膠的灰化；步驟4氟化和烘烤；步驟5反應離子刻蝕TEOS SiO2；步驟6去膠和清洗；步驟7溼法化學腐蝕，達到要求線寬止。
其中步驟1在完成局部場氧化隔離後，形成柵介質膜厚度為1.2-5納米，其上澱積100-300納米多晶矽膜，爐溫620℃，矽烷(SiH4)，然後採用在720℃下TEOS熱分解，再澱積厚度為50-100納米的TEOS SiO2薄膜。
其中步驟2光刻形成膠圖形，包括光學曝光，如波長為248納米或193納米準分子雷射曝光和電子束曝光等，顯影后，柵膠圖形的線寬範圍90-250納米。
其中步驟3膠的灰化是利用在射頻電場中氧等離子體對膠進行各向同性的刻蝕，達到進一步縮小膠圖形線寬的目的。射頻功率30-100瓦，工作壓力200-800mτ，反應氣體氧氣(O2)，流量20-80sccm，稀釋氣體氦氣(He)，流量30-120sccm，電極間距1-2釐米，電極溫度30-40℃，刻蝕時間根據要去掉的膠厚度確定。
其中步驟4氟化和烘烤是採用反應氣體與膠表面反應形成一層硬殼，提高了膠的軟化溫度，使膠在後烘過程中不變形，是提高圖形保真度的一種方法。射頻功率30-100瓦，工作壓力200-800mτ，反應氣體CF4，流量30-80sccm，稀釋氣體氦氣(He)，流量50-150sccm，電極間距1-2釐米，電極溫度30-40℃。後烘溫度125-135℃，35-45分，從90℃逐步緩慢升溫至125-135℃，恆溫35-45分鐘後，再緩慢降溫止90℃，取出冷卻到室溫，以減少溫差過大造成的應力引起細膠條的扭曲。
其中步驟5反應離子刻蝕TEOS SiO2是利用各向異性刻蝕的反應離子刻蝕方法刻蝕掉不需要的TEOS SiO2，只留下膠掩膜圖形下的TEOSSiO2。射頻功率200-400瓦，反應氣體為四氟化碳氟裡昂-14(CF4)/三氟甲烷(CHF3)/氬氣(Ar)，CF4流量6-30sccm，CHF3流量20-150sccm，Ar流量150-350sccm，工作壓力100-300mτ，電極間距1-2釐米，電極溫度0℃。
其中步驟6去膠和清洗是利用溼法化學去膠，然後清洗，以進行下一步的溼法化學腐蝕。去膠是於120℃，用「去膠3#」液去膠10分鐘後，用同一溶液清洗，然後用1#液於60℃清洗5分鐘，再衝水10遍，熱N2中甩幹即可。
本發明所述的3#液為H2SO4∶H2O2＝4-6∶1。
本發明所述的1#液為NH4OH∶H2O2∶H2O＝0.7-0.9∶1∶4-6。
其中步驟7溼法化學腐蝕TEOS SiO2是利用溼法化學腐蝕的各向同性，均勻地從上面和兩側腐蝕掉TEOS SiO2，縱向的腐蝕減薄了TEOS SiO2膜的厚度，橫向腐蝕減小了線寬。腐蝕時間根據要求去掉的TEOS SiO2的厚度決定。為便於控制，腐蝕速率慢一些為宜。腐蝕液為氫氟酸(HF濃度為40％)/異丙醇(IPA)/H2O＝0.4-0.6％∶0.01-0.04％∶1，腐蝕溫度為室溫。
從以上所述的方法中可以看出，本發明的核心技術是灰化技術和硬掩膜修整技術的結合。
其中灰化技術是通過氧原子與光刻膠在等離子體中發生反應達到各向同性地刻蝕光刻膠的目的，從而進一步縮小膠圖形線寬。氧分子在射頻電場中被分解成原子氧(O)，光刻膠的基本成分是碳氫聚合物，氧原子與光刻膠反應生成揮發性的一氧化碳、二氧化碳、和水等主要生成物。這些生成物被真空系統抽走。
硬掩膜修整技術是利用各向異性刻蝕的反應離子刻蝕方法刻蝕掉不需要的TEOS SiO2，只留下灰化後的膠掩膜圖形下的TEOS SiO2，即膠掩膜圖形被精確地複製成TEOS SiO2硬掩膜圖形。去膠和清洗後，對TEOSSiO2硬掩膜進行各向同性的溼法化學腐蝕，均勻地從上面和兩側腐蝕掉TEOS SiO2，縱向的腐蝕減薄了TEOS SiO2膜的厚度，橫向腐蝕減小了TEOS SiO2硬掩膜圖形的線寬。從而實現了硬掩膜修整。腐蝕時間根據要求的線寬，也就是要去掉的TEOS SiO2的厚度決定。


圖1為本發明曝光後的結構示意圖。
圖2為本發明灰化工藝後膠柵圖形的掃描電子顯微鏡照片。
圖3為本發明掩膜修整工藝後的TEOS SiO2柵掩膜圖形的掃描電子顯微鏡照片。
圖4為應用本發明製備的柵長27納米CMOS器件的高解析度透射電子顯微鏡的剖面照片。
具體實施例方式
實施例1步驟1在等效氧化層厚(EOT)為1.4納米的超薄柵介質膜上生長200納米多晶矽膜，然後在720℃下澱積75納米正矽酸乙酯熱分解SiO2膜。
步驟2用SAL 601負膠，電子束直寫光刻形成100-110納米膠圖形。圖1給出了曝光後的結構示意圖。
步驟3進行膠的灰化，射頻功率60瓦，反應氣體O240sccm，稀釋氣體He 60sccm，工作壓力450mτ，電極距離1.5釐米，電極溫度35℃。刻蝕速率約75-80納米/分，控制膠線寬50-55納米。圖2給出了灰化工藝後膠柵圖形的SEM照片，灰化後的線寬為54.9納米。
步驟4氟化和烘烤，射頻功率40瓦，CF4100sccm，He 60sccm，工作壓力500mτ，氟化時間40秒；氟化後置入90℃的烘箱，用30分鐘升至130℃，恆溫40分鐘後，從130℃降至90℃取出，降溫時間不少於40分鐘。
步驟5反應離子刻蝕TEOS SiO2，射頻功率300瓦，CHF3/CF4/Ar＝50sccm/10sccm/250sccm，工作壓力200mτ，終點觸發止，無過刻。
步驟6溼法化學去膠，120℃，3#液去膠10分鐘，3#液清洗10分鐘，然後於60℃，用1#液清洗5分鐘，去離子水衝洗10遍，熱N2中甩幹即可。3#液為H2SO4∶H2O2＝5∶1；1#液為NH4OH∶H2O2∶H2O＝0.8∶1∶5。
步驟7溼化學腐蝕TEOS SiO2，腐蝕液配比HF(HF濃度為40％)/IPA/H2O＝0.5％/0.02％/1，腐蝕速率約0.3納米/秒，控制TEOS SiO2掩膜圖形線寬20納米級水平。圖3給出了經掩膜修整工藝後的TEOS SiO2掩膜圖形，線寬為21.3納米。
圖4給出了應用本發明研製成功的柵長27納米CMOS器件的高解析度透射電子顯微鏡的剖面照片。器件特性優良。
權利要求
1.一種納米線寬多晶矽柵刻蝕掩膜圖形的形成方法，形成的線寬為15-50納米，其主要步驟為步驟1在超薄柵介質上澱積多晶矽膜，然後澱積正矽酸乙酯熱分解SiO2薄膜；步驟2用準分子雷射或電子束曝光，光刻形成膠柵圖形；步驟3膠的灰化，用氧等離子體對膠進行各向同性的刻蝕，射頻功率30-100瓦，工作壓力200-800mτ，反應氣體氧氣，流量20-80sccm，稀釋氣體氦氣，流量30-120sccm，電極間距1-2釐米，電極溫度30-40℃；步驟4用CF4氣體氟化和烘烤；步驟5各向異性地反應離子刻蝕正矽酸乙酯熱分解SiO2薄膜；步驟6用溼法化學去膠和清洗；於120℃，用體積比為H2SO4∶H2O2＝4-6∶1的溶液去膠，時間10分鐘；同一溶液清洗；於60℃用體積比為NH4OH∶H2O2∶H2O＝0.7-0.9∶1∶4-6的溶液清洗5分鐘；熱N2氣氛中甩幹；步驟7室溫下溼法化學腐蝕，腐蝕液為40％的氫氟酸/異丙醇/H2O＝0.4-0.6％∶0.01-0.04％∶1，達到要求線寬止。
2.根據權利要求1所述的形成方法，其特徵在於，其中步驟1中的柵介質厚度為1.2-5納米，多晶矽膜厚為100-300納米，TEOS SiO2膜厚50-100納米。
3.根據權利要求1所述的形成方法，其特徵在於，其中步驟2中使用的準分子雷射波長為248或193納米，用準分子雷射專用膠；電子束曝光用電子束膠；顯影后，形成膠的柵圖形，線寬範圍90-250納米。
4.根據權利要求1所述的形成方法，其特徵在於，其中步驟3的刻蝕時間根據膠厚度確定。
5.根據權利要求1所述的形成方法，其特徵在於，其中步驟4中的射頻功率30瓦-100瓦，CF4流量30-80sccm，工作壓力200-800mτ，稀釋氣體氦氣，流量50-150sccm，電極間距1-2釐米，電極溫度30-40℃；烘烤溫度125-135℃，烘烤時間35-45分鐘。
6.根據權利要求1所述的形成方法，其特徵在於，其中步驟5中採用的刻蝕氣體為四氟化碳氟裡昂-14/三氟甲烷/氬氣，CF4流量6-30sccm，CHF3流量20-150sccm，Ar流量150-360sccm，工作壓力100-300mτ，射頻功率200-400瓦，電極間距1-2釐米，電極溫度0℃。
7.根據權利要求1所述的形成方法，其特徵在於，其中步驟6中的清洗還包括去離子水衝洗，熱N2氣氛中甩幹。
8.根據權利要求1所述的形成方法，其特徵在於，其中步驟7中的腐蝕時間根據需要去掉的厚度和腐蝕速率決定。
全文摘要
一種納米線寬多晶矽柵刻蝕掩膜圖形的形成方法，其主要步驟如下(1)在超薄柵介質上澱積多晶矽，然後澱積TEOS SiO
文檔編號H01L21/28GK1700421SQ20041004753
公開日2005年11月23日 申請日期2004年5月21日 優先權日2004年5月21日
發明者徐秋霞, 錢鶴, 劉明, 趙玉印 申請人:中國科學院微電子研究所