专利名称：多晶硅栅极的刻蚀方法以及半导体器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种多晶硅栅极的刻蚀方法以及半导 体器件的制作方法。
背景技术：
随着半导体制造技术的飞速发展，半导体器件为了达到更快的运算速度、更大的 数据存储量以及更多的功能，晶片朝向更高的元件密度、高集成度方向发展，半导体器件例 如CMOS的栅极变得越来越细且长度变得较以往更短。多晶硅是制造栅极的优选材料，其具有特殊的耐热性以及较高的刻蚀成图精确 性。在形成多晶硅栅极的过程中，通常需要在多晶硅栅极表面覆盖硬掩膜层(hard mask) 和光刻胶层，随后将所述光刻胶层图案化，先将光刻胶的图案转移至硬掩膜层上，然后再以 此图案化硬掩膜为掩膜进行多晶硅栅极的刻蚀，最后去除所述的光刻胶层和硬掩膜层。图1至图3为说明现有多晶硅栅极以及部分半导体器件形成过程的截面结构示 意图。如图1所示，在半导体衬底100上形成一层栅极氧化硅110，在栅极氧化层110上沉 积多晶硅层120，然后利用化学气相淀积(CVD)等工艺多晶硅层120上沉积硬掩膜层130， 用于刻蚀过程中保护多晶硅层，并作为光刻胶层图案化过程中的抗反射层，该硬掩膜层130 的材料为氮化硅(SIN)或氮氧化硅(SION)，随后在所述硬掩膜层130上涂布光刻胶并对光 刻胶进行图案化，形成图案化的光刻胶层140。如图2所示，以图案化后的光刻胶图形140为掩膜，刻蚀所述硬掩膜层130，形成图 案化的硬掩膜130a，随后，刻蚀所述的多晶硅层120形成栅极120a。最后，参考附图3所示，去除所述图案化的光刻胶层140以及图案化的硬掩膜层 130a。现有技术中，刻蚀所述的多晶硅层120形成栅极120a的工艺通常包括如下步骤 1)对所述的多晶硅层120进行主刻蚀，所述的刻蚀气体通常包括氯气(Cl2)或者溴(Br2)、 HBr以及He气和O2的混合物，所述的主刻蚀过程用于去除大部分未被图案化的光刻胶层覆 盖的多晶硅层，并暴露出部分栅氧化层，然而，所述主刻蚀过程完成之后栅氧化层表面还会 残留有少部分的多晶硅层；2)进行过刻蚀，用于去除栅氧化层表面残留的其它应该被去除 的多晶硅层，所述的过刻蚀过程的刻蚀气体通常包括HBr以及He气和O2的混合物。然而， 采用上述工艺刻蚀所述的多晶硅层，会导致刻蚀后的多晶硅层底面(多晶硅层与栅氧化层 接触的那一面)会产生底切(undercut)的现象，如附图4所示，图中用圆圈标出的部分即 为刻蚀后形成的多晶硅栅极的底切现象。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种半导体器件多晶硅栅极的刻蚀方法，以消除 刻蚀多晶硅层形成的栅极的工艺中多晶硅层底面存在底切现象。本发明还提供了一种半导体器件的制作方法，避免多晶硅栅极的底面发生底切。
为解决上述的技术问题，本发明提供一种多晶硅栅极的刻蚀方法，包括对用于形 成多晶硅栅极的多晶硅层进行主刻蚀，去除大部分的多晶硅层，所用的刻蚀气体包括氯气 或者溴、HBr以及He气和O2的混合物；对所述的多晶硅层进行过刻蚀，去除其余的多晶硅 层，所用的刻蚀气体包括HBr、N2以及He气和O2的混合物。可选的，所述的主刻蚀过程中，刻蚀气体中氯气或者溴的流量为40 50SCCm，HBr 的流量为121 148SCCm，He气和O2的混合物的流量为4 8sCCm，其中，He气和O2的混 合物中He和O2的体积比为7 3。可选的，所述的过刻蚀过程中，刻蚀气体中HBr的流量为95 115sCCm，氮气的流 量为6 10sccm，He气和O2的混合物的流量为3 5sccm，其中，He气和O2的混合物中He 和O2的体积比为7 3。本发明还提供一种半导体器件的制作方法，包括在半导体衬底上形成栅氧化层；在所述栅氧化层上形成多晶硅层；在所述多晶硅层上形成硬掩膜层并图案化所述硬掩膜层；刻蚀所述多晶硅层至所述栅氧化层表面形成栅极，其中，所述刻蚀所述多晶硅层 的步骤包括对所述多晶硅层进行主刻蚀，去除大部分的多晶硅层，所用的刻蚀气体包括氯 气或者溴、HBr以及He气和O2的混合物；对所述的多晶硅层进行过刻蚀，去除其余的多晶 硅层，所用的刻蚀气体包括HBr、N2以及He气和O2的混合物；去除所述硬掩膜层。所述栅氧化层为氧化硅或氮氧化硅或氧化硅和氮氧化硅的混合物。所述硬掩膜层 为氮化硅或氮氧化硅或氮化硅和氮氧化硅的混合物。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明所述的多晶硅栅极的刻蚀方法调整所述的刻蚀气体的组分以及含量，避免 对多晶硅栅极的底面部分的过度刻蚀，避免了底切现象的发生。
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目 的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按 比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。在附图中，为清楚明了，放大了层和区域的厚度。图1至图3为现有技术中多晶硅栅极以及部分半导体器件形成过程的截面结构示 意图；图4为现有技术刻蚀栅极后发生底切缺陷的结构示意图；图5至图7为本发明半导体器件制作方法各步骤的截面结构示意图；图8为采用本发明所述的方法刻蚀栅极结构后底部的微观结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明 的具体实施方式
做详细的说明。
4
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以 很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况 下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。实施例1本实施例提供的半导体器件多晶硅栅极的刻蚀方法适用于半导体制作工艺中含 有多晶硅栅极的所有半导体器件。本实施例所述的多晶硅栅极的刻蚀方法，包括对用于形成多晶硅栅极的多晶硅 层进行主刻蚀，去除大部分的多晶硅层，所用的刻蚀气体包括氯气或者溴、HBr以及He气 和O2的混合物；对所述的多晶硅层进行过刻蚀，去除其余的多晶硅层，所用的刻蚀气体包括 HBr、N2以及He气和O2的混合物。对于所述的主刻蚀过程，刻蚀气体中氯气或者溴的流量为40 50sCCm，HBr的流 量为121 148sccm，He气和O2的混合物的流量为4 8sccm，其中，He气和O2的混合物 中He和O2的体积比为7 3。在一个优选的具体实施例中，氯气流量为45SCCm，HBr的流量为135sCCm，He气和 O2的混合物的流量为6SCCm，其中，He气和O2的混合物中He和O2的体积比为7 3。在另一个优选的具体实施例中，氯气流量为48SCCm，HBr的流量为142sCCm，He气 和O2的混合物的流量为6. 5SCCm，其中，He气和O2的混合物中He和O2的体积比为7 3。对于所述的过刻蚀过程，刻蚀气体中HBr的流量为95 115sCCm，氮气的流量为 6 10sccm，He气和O2的混合物的流量为3 5sccm，其中，He气和O2的混合物中He和O2 的体积比为7 3。在一个优选的具体实施例中，HBr的流量为105sCCm，氮气的流量为8sCCm，He气和 O2的混合物的流量为4sCCm，其中，He气和O2的混合物中He和O2的体积比为7 3。在另一个优选的具体实施例中，HBr的流量为lOOsccm，氮气的流量为7sCCm，He气 和O2的混合物的流量为5SCCm，其中，He气和O2的混合物中He和O2的体积比为7 3。采用本实施例所述的工艺方法刻蚀多晶硅层，可以完全避免现有技术中的刻蚀气 体对多晶硅栅极造成的底切缺陷。实施例2本实施例提供一种半导体器件的制作方法，可以避免多晶硅栅极的底面发生底切 的现象。由于本发明半导体器件制作方法与现有技术的区别在于多晶硅层刻蚀过程中刻蚀 气体的选择，以及优选的刻蚀气体的流量比。首先如图5所示，首先在半导体衬底100上形成栅氧化层110。栅氧化层110可以 是氧化硅(SiO2)或氮氧化硅(SiNO)。衬底100可以包括半导体元素，例如单晶、多晶或非 晶结构的硅或硅锗(SiGe)，也可以是绝缘体上硅(S0I)。或者还可以包括其它的材料，例如 锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓或锑化镓。虽然在此描述了可以形成衬底100的材 料的几个示例，但是可以作为半导体衬底的任何材料均落入本发明的精神和范围。所述的栅氧化层的材料例如氧化硅，对于特征尺寸在65nm以下的半导体器件，栅 氧化层110的材料优选为高介电常数(高K)材料，能够减小栅极的漏电流。可以作为形成 高K栅极栅氧化层的材料包括氧化铪、氧化铪硅、氮氧化铪硅、氧化镧、氧化锆、氧化锆硅、 氧化钛、氧化钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛、氧化铝等。特别优选的是氧化铪、氧化锆
5和氧化铝。虽然在此描述了可以用来形成栅氧化层110的材料的少数示例，但是该层可以 由减小栅极漏电流的其它材料形成。栅氧化层110的生长方法可以是任何常规真空镀膜技 术，比如原子层沉积(ALD)、物理气相淀积(PVD)、化学气相淀积(CVD)、等离子体增强型化 学气相淀积(PECVD)工艺，优选为原子层沉积工艺。在这样的工艺中，衬底100和栅氧化层 110之间会形成光滑的原子界面，可以形成理想厚度的栅极介质层。然后，在栅氧化层110上形成多晶硅层120。多晶硅层120的材料为多晶硅或搀杂 金属杂质的多晶硅，金属杂质至少包括一种金属(例如钛、钽、钨等)以及金属硅化物。形 成多晶硅层120的方法包括原子层沉积(ALD)、化学气相淀积(CVD)、物理气相淀积(PVD)、 等离子体增强型化学气相淀积(PECVD)工艺。为了获得较好的电学性能(例如阈值电压和 驱动电流)的一致性，通常在多晶硅材料中搀杂杂质粒子，例如η型杂质磷或者P型杂质B。随后利用化学气相淀积(CVD)等工艺多晶硅层120上沉积硬掩膜层130，该硬掩膜 层130的材料为氮化硅(SIN)或氮氧化硅(SION)，或氮化硅和氮氧化硅的混合物，用于刻蚀 过程中保护多晶硅层，并作为光刻胶层图案化过程中的抗反射层。随后在硬掩膜层130上 涂布光刻胶层，并通过曝光、显影等工艺对光刻胶进行图案化，形成光刻胶图形140，其定义 了多晶硅栅极的位置和宽度。参考附图6所示，利用等离子刻蚀或反应离子刻蚀(RIE)工艺将图案化后的光刻 胶图形140转移至硬掩膜层130上，形成图案化的硬掩膜130a，随后，采用干法刻蚀工艺刻 蚀所述的多晶硅层120直至栅氧化层110，形成多晶硅栅极。所述的刻蚀多晶硅层形成栅 极的方法，包括对所述的多晶硅层进行主刻蚀，去除大部分的多晶硅层，所述的去除大部 分的多晶硅层的工艺，应该是在暴露出部分的栅氧化层之后即停止，所用的刻蚀气体包括 氯气或者溴、HBr以及He气和O2的混合物，其中，所述的主刻蚀过程，刻蚀气体中氯气或者 溴的流量为40 50sCCm，HBr的流量为121 148sCCm，He气和O2的混合物的流量为4 8sccm，其中，He气和O2的混合物中He和O2的体积比为7 3。进行主刻蚀过程之后，对所述的多晶硅层进行过刻蚀，去除其余的多晶硅层，其目 的在于完全去除栅氧化层上残留的多晶硅，为了完全去除残留的多晶硅层，可能会对栅氧 化层造成部分过刻蚀，所用的刻蚀气体包括HBr、N2以及He气和O2的混合物。对于所述的 过刻蚀过程，刻蚀气体中HBr的流量为95 115sccm，氮气的流量为6 lOsccm，He气和 O2的混合物的流量为3 5SCCm，其中，He气和O2的混合物中He和O2的体积比为7 3。之后，参考附图7所示，去除所述图案化光刻胶图形140，去除工艺可以采用湿法 清洗或等离子灰化(ashing)的方法，然后，去除所述图案化的硬掩膜130a，硬掩膜130a的 去除工艺例如湿法清洗，所述的清洗试剂为现有技术，例如磷酸。本实施例由于调整了多晶硅层过刻蚀过程的刻蚀气体种类及其流量，因此，在刻 蚀所述的多晶硅层形成栅极的工艺中，避免了现有技术对栅极底面造成的底切现象。参考 附图8所示，为采用本实施例所述的方法形成的栅极结构，从图中可以看出，栅极底部的形 状完好，完全没有现有技术中所述的底切缺陷出现。本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技 术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保 护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
权利要求
一种多晶硅栅极的刻蚀方法，包括对用于形成多晶硅栅极的多晶硅层进行主刻蚀，去除大部分的多晶硅层，所用的刻蚀气体包括氯气或者溴、HBr以及He气和O2的混合物；对所述的多晶硅层进行过刻蚀，去除其余的多晶硅层，所用的刻蚀气体包括HBr、N2以及He气和O2的混合物。
2.根据权利要求1所述的多晶硅栅极的刻蚀方法，其特征在于，所述的主刻蚀过程中， 刻蚀气体中氯气或者溴的流量为40 50sccm，HBr的流量为121 148sccm，He气和O2的 混合物的流量为4 Ssccm，其中，He气和O2的混合物中He和O2的体积比为7 3。
3.根据权利要求1所述的多晶硅栅极的刻蚀方法，其特征在于，所述的过刻蚀过程中， 刻蚀气体中HBr的流量为95 115sccm，氮气的流量为6 10sccm，He气和O2的混合物的 流量为3 5SCCm，其中，He气和O2的混合物中He和O2的体积比为7 3。
4.一种半导体器件的制作方法，包括在半导体衬底上形成栅氧化层；在所述栅氧化层上形成多晶硅层；在所述多晶硅层上形成硬掩膜层并图案化所述硬掩膜层；刻蚀所述多晶硅层至所述栅氧化层表面形成栅极，其中，所述刻蚀所述多晶硅层的步 骤包括对所述多晶硅层进行主刻蚀，去除大部分的多晶硅层，所用的刻蚀气体包括氯气或 者溴、HBr以及He气和02的混合物；对所述的多晶硅层进行过刻蚀，去除其余的多晶硅层， 所用的刻蚀气体包括HBr、N2以及He气和02的混合物；去除所述硬掩膜层。
5.根据权利要求4所述的半导体器件的制作方法，其特征在于，所述的主刻蚀过程中， 刻蚀气体中氯气或者溴的流量为40 50sccm，HBr的流量为121 148sccm，He气和O2的 混合物的流量为4 Ssccm，其中，He气和O2的混合物中He和O2的体积比为7 3。
6.根据权利要求4所述的半导体器件的制作方法，其特征在于，所述的过刻蚀过程中， 刻蚀气体中HBr的流量为95 115sccm，氮气的流量为6 10sccm，He气和O2的混合物的 流量为3 5SCCm，其中，He气和O2的混合物中He和O2的体积比为7 3。
7.根据权利要求4所述的半导体器件的制作方法，其特征在于，所述栅氧化层为氧化 硅或氮氧化硅或氧化硅和氮氧化硅的混合物。
8.根据权利要求4所述的半导体器件的制作方法，其特征在于，所述硬掩膜层为氮化 硅或氮氧化硅或氮化硅和氮氧化硅的混合物。
全文摘要
本发明提供一种多晶硅栅极的刻蚀方法，包括对用于形成多晶硅栅极的多晶硅层进行主刻蚀，去除大部分的多晶硅层，所用的刻蚀气体包括氯气或者溴、HBr以及He气和O2的混合物；对所述的多晶硅层进行过刻蚀，去除其余的多晶硅层，所用的刻蚀气体包括HBr、N2以及He气和O2的混合物。所述的多晶硅栅极的刻蚀方法调整所述的刻蚀气体的组分以及含量，避免对多晶硅栅极的底面部分的过度刻蚀，避免了底切现象的发生。本发明还提供一种半导体器件的制作方法。
文档编号H01L21/28GK101924024SQ20091005301
公开日2010年12月22日 申请日期2009年6月12日 优先权日2009年6月12日
发明者黄晶 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司