專利名稱：一種納米線寬多晶硅柵刻蝕掩膜圖形的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超深亞微米半導(dǎo)體器件的工藝方法，具體地說涉及一種15-50納米線寬多晶硅柵刻蝕掩膜圖形的形成方法。
背景技術(shù)：
晶體管特征的減小，可以帶來集成電路密度和性能上的提高以及分?jǐn)傇趩卧δ苌铣杀镜南陆?。因此自集成電路誕生之日起，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的競爭就始終聚焦在加工尺寸的微細(xì)化上。2010年大生產(chǎn)的特征尺寸(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(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)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(yán)重的短溝道效應(yīng)，過大的關(guān)態(tài)漏電流，Ion減少，總功耗過大)和基礎(chǔ)工藝的限制如光刻、超薄柵介質(zhì)、超淺結(jié)、低阻互連等都逼近了工藝技術(shù)的極限，面臨著難以逾越的壁壘。特別是光刻工藝?，F(xiàn)有先進的光刻工藝技術(shù)如248納米波長的深紫外曝光技術(shù)，配合移相掩膜和光學(xué)臨近效應(yīng)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(zhǔn)分子激光曝光技術(shù)，可加工出130-100納米圖形，但設(shè)備系統(tǒng)極為復(fù)雜，成本昂貴。普遍認(rèn)為100納米特征線寬是光學(xué)光刻的極限。目前，國際上下一代曝光技術(shù)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(shù)的設(shè)備昂貴，離大生產(chǎn)實用化還有相當(dāng)距離。究竟哪一種技術(shù)能取代光學(xué)光刻，還無定論。目前即使采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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種納米線寬多晶硅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(fā)明是一種又經(jīng)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(shè)備，方法可靠、穩(wěn)定、重復(fù)，容易實現(xiàn)，而且能達到目前其它設(shè)備和方法還不能達到的20納米級微細(xì)加工水平。
本發(fā)明是把光學(xué)曝光或電子束曝光獲得的90-250納米線寬的膠圖形轉(zhuǎn)換成15-50納米多晶硅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(zhì)上淀積多晶硅膜，然后淀積正硅酸乙酯熱分解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(yīng)離子刻蝕TEOS SiO2；步驟6去膠和清洗；步驟7濕法化學(xué)腐蝕，達到要求線寬止。
其中步驟1在完成局部場氧化隔離后，形成柵介質(zhì)膜厚度為1.2-5納米，其上淀積100-300納米多晶硅膜，爐溫620℃，硅烷(SiH4)，然后采用在720℃下TEOS熱分解，再淀積厚度為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(xué)曝光，如波長為248納米或193納米準(zhǔn)分子激光曝光和電子束曝光等，顯影后，柵膠圖形的線寬范圍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(yīng)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厘米，電極溫度30-40℃，刻蝕時間根據(jù)要去掉的膠厚度確定。
其中步驟4氟化和烘烤是采用反應(yīng)氣體與膠表面反應(yīng)形成一層硬殼，提高了膠的軟化溫度，使膠在后烘過程中不變形，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(yīng)氣體CF4，流量30-80sccm，稀釋氣體氦氣(He)，流量50-150sccm，電極間距1-2厘米，電極溫度30-40℃。后烘溫度125-135℃，35-45分，從90℃逐步緩慢升溫至125-135℃，恒溫35-45分鐘后，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(yīng)力引起細(xì)膠條的扭曲。
其中步驟5反應(yīng)離子刻蝕TEOS SiO2是利用各向異性刻蝕的反應(yīng)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(yīng)氣體為四氟化碳氟里昂-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厘米，電極溫度0℃。
其中步驟6去膠和清洗是利用濕法化學(xué)去膠，然后清洗，以進行下一步的濕法化學(xué)腐蝕。去膠是于120℃，用“去膠3#”液去膠10分鐘后，用同一溶液清洗，然后用1#液于60℃清洗5分鐘，再沖水10遍，熱N2中甩干即可。
本發(fā)明所述的3#液為H2SO4∶H2O2＝4-6∶1。
本發(fā)明所述的1#液為NH4OH∶H2O2∶H2O＝0.7-0.9∶1∶4-6。
其中步驟7濕法化學(xué)腐蝕TEOS SiO2是利用濕法化學(xué)腐蝕的各向同性，均勻地從上面和兩側(cè)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(jù)要求去掉的TEOS SiO2的厚度決定。為便于控制，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(fā)明的核心技術(shù)是灰化技術(shù)和硬掩膜修整技術(shù)的結(jié)合。
其中灰化技術(shù)是通過氧原子與光刻膠在等離子體中發(fā)生反應(yīng)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?xì)渚酆衔?，氧原子與光刻膠反應(yīng)生成揮發(fā)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(tǒng)抽走。
硬掩膜修整技術(shù)是利用各向異性刻蝕的反應(yīng)離子刻蝕方法刻蝕掉不需要的TEOS SiO2，只留下灰化后的膠掩膜圖形下的TEOS SiO2，即膠掩膜圖形被精確地復(fù)制成TEOS SiO2硬掩膜圖形。去膠和清洗后，對TEOSSiO2硬掩膜進行各向同性的濕法化學(xué)腐蝕，均勻地從上面和兩側(cè)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(xiàn)了硬掩膜修整。腐蝕時間根據(jù)要求的線寬，也就是要去掉的TEOS SiO2的厚度決定。


圖1為本發(fā)明曝光后的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明灰化工藝后膠柵圖形的掃描電子顯微鏡照片。
圖3為本發(fā)明掩膜修整工藝后的TEOS SiO2柵掩膜圖形的掃描電子顯微鏡照片。
圖4為應(yīng)用本發(fā)明制備的柵長27納米CMOS器件的高分辨率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(zhì)膜上生長200納米多晶硅膜，然后在720℃下淀積75納米正硅酸乙酯熱分解SiO2膜。
步驟2用SAL 601負(fù)膠，電子束直寫光刻形成100-110納米膠圖形。圖1給出了曝光后的結(jié)構(gòu)示意圖。
步驟3進行膠的灰化，射頻功率60瓦，反應(yīng)氣體O240sccm，稀釋氣體He 60sccm，工作壓力450mτ，電極距離1.5厘米，電極溫度35℃?？涛g速率約75-80納米/分，控制膠線寬50-55納米。圖2給出了灰化工藝后膠柵圖形的SEM照片，灰化后的線寬為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；氟化后置入90℃的烘箱，用30分鐘升至130℃，恒溫40分鐘后，從130℃降至90℃取出，降溫時間不少于40分鐘。
步驟5反應(yīng)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(fā)止，無過刻。
步驟6濕法化學(xué)去膠，120℃，3#液去膠10分鐘，3#液清洗10分鐘，然后于60℃，用1#液清洗5分鐘，去離子水沖洗10遍，熱N2中甩干即可。3#液為H2SO4∶H2O2＝5∶1；1#液為NH4OH∶H2O2∶H2O＝0.8∶1∶5。
步驟7濕化學(xué)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(jīng)掩膜修整工藝后的TEOS SiO2掩膜圖形，線寬為21.3納米。
圖4給出了應(yīng)用本發(fā)明研制成功的柵長27納米CMOS器件的高分辨率透射電子顯微鏡的剖面照片。器件特性優(yōu)良。
權(quán)利要求
1.一種納米線寬多晶硅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(zhì)上淀積多晶硅膜，然后淀積正硅酸乙酯熱分解SiO2薄膜；步驟2用準(zhǔn)分子激光或電子束曝光，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(yīng)氣體氧氣，流量20-80sccm，稀釋氣體氦氣，流量30-120sccm，電極間距1-2厘米，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(yīng)離子刻蝕正硅酸乙酯熱分解SiO2薄膜；步驟6用濕法化學(xué)去膠和清洗；于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；于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氣氛中甩干；步驟7室溫下濕法化學(xué)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(jù)權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于，其中步驟1中的柵介質(zhì)厚度為1.2-5納米，多晶硅膜厚為100-300納米，TEOS SiO2膜厚50-100納米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于，其中步驟2中使用的準(zhǔn)分子激光波長為248或193納米，用準(zhǔn)分子激光專用膠；電子束曝光用電子束膠；顯影后，形成膠的柵圖形，線寬范圍90-250納米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于，其中步驟3的刻蝕時間根據(jù)膠厚度確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于，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厘米，電極溫度30-40℃；烘烤溫度125-135℃，烘烤時間35-45分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于，其中步驟5中采用的刻蝕氣體為四氟化碳氟里昂-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厘米，電極溫度0℃。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于，其中步驟6中的清洗還包括去離子水沖洗，熱N2氣氛中甩干。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成方法，其特征在于，其中步驟7中的腐蝕時間根據(jù)需要去掉的厚度和腐蝕速率決定。
全文摘要
一種納米線寬多晶硅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(zhì)上淀積多晶硅，然后淀積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(yōu)先權(quán)日2004年5月21日
發(fā)明者徐秋霞, 錢鶴, 劉明, 趙玉印 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所