專利名稱：堆棧金屬柵極的刻蝕方法
技術領域：
本發明涉及半導體制造領域，特別涉及一種堆棧金屬柵極的刻蝕方法。
背景技術：
在半導體集成電路制造工藝中，通過一系列的沉積、光刻、刻蝕、平坦化工藝在半導體襯底上形成半導體結構。其中，光刻工藝在于形成掩膜圖案，定義待刻蝕區域；而刻蝕工藝用于將光刻定義的圖案轉移到材料層中。隨著大規模集成電路制造工藝向亞微米及深亞微米的邁進，對刻蝕工藝的精確性和可重復性要求越來越高，研究發現刻蝕腔條件的穩定性對刻蝕工藝的精確性和可重復性影響較大，現有保持刻蝕腔條件的穩定性的方法是在進行產品刻蝕之前，在刻蝕腔進行一次暖機(Season)刻蝕，暖機刻蝕采用與產品刻蝕相同的刻蝕菜單。現有刻蝕技術形成堆棧金屬柵極的步驟包括提供控片，所述控片上形成有多晶硅層；提供產品晶圓，在產品晶圓上依次形成有柵極氧化層、多晶硅層、擴散阻擋層和金屬層；先將控片放至刻蝕機臺內，采用暖機刻蝕工藝刻蝕所述控片上的多晶硅層；然后，將控片從刻蝕機臺內取出，并將產品晶圓放至刻蝕機臺內，對產品晶圓上的柵極氧化層、多晶硅層、擴散阻擋層和金屬層依次進行主刻蝕工藝，形成堆棧金屬柵極。在進行暖機刻蝕步驟時與所述主刻蝕步驟采用相同的刻蝕參數，即刻蝕時暖機刻蝕步驟與所述主刻蝕步驟采用的射頻功率、蝕刻氣體、刻蝕腔壓力和蝕刻氣體流量等工藝參數都相同。所述金屬層材料為鎢，擴散阻擋層材料為氮化鎢。所述主刻蝕步驟和暖機刻蝕步驟采用的氣體為三氟化氮(NF!3)、氯氣(CU)和溴化氫(HBr)。所述三氟化氮、氯氣產生的等離子體(氟離子和氯離子)用于刻蝕氮化鎢擴散阻擋層和金屬鎢層，所述溴化氫產生的等離子體用于刻蝕多晶硅層和柵氧化層。更對關于堆棧金屬柵極的刻蝕方法請參考公開號為US2005(^69672A1的美國專利。采用現有刻蝕技術的形成堆棧金屬柵極的過程中，在對控片進行暖機刻蝕后，對一批產品晶圓中的第1片產品晶圓進行主刻蝕形成堆棧金屬柵極時，所述堆棧金屬柵極的線寬(CD)小于同批次其余產品晶圓上形成的堆棧金屬柵極的線寬6 9納米，這種暖機刻蝕后第1片產品的堆棧金屬柵極的線寬小效應，極大的影響了器件的穩定性。
發明內容
本發明解決的問題是提供一種堆棧金屬柵極的刻蝕方法，消除暖機刻蝕后第1片產品的堆棧金屬柵極的線寬小效應，提高器件的穩定性。為解決上述問題，本發明提供了一種堆棧金屬柵極的刻蝕方法，包括步驟提供控片，所述控片上形成有多晶硅層；
提供產品晶圓，所述產品晶圓上依次形成有柵極氧化層、多晶硅層和金屬層；設置暖機刻蝕步驟刻蝕參數，在此刻蝕參數下對控片上的多晶硅層進行刻蝕；設置主刻蝕步驟刻蝕參數，在此刻蝕參數下依次刻蝕產品晶圓上的柵極氧化層、 多晶硅層和金屬層，形成堆棧金屬柵極；暖機刻蝕步驟刻蝕參數相對于主刻蝕步驟刻蝕參數，暖機刻蝕步驟刻蝕參數不包含能產生氟離子和氯離子的氣體。可選的，所述暖機刻蝕步驟采用的氣體為溴化氫。可選的，所述溴化氫的流量范圍為80 200SCCm。可選的，所述暖機刻蝕步驟刻蝕腔的壓力范圍為8 60mtorr。可選的，進行主刻蝕步驟采用的氣體為三氟化氮、氯氣和溴化氫。可選的，所述三氟化氮的流量范圍為18 60SCCm、氯氣流量范圍為23 43SCCm、 溴化氫流量范圍為80 200sccm。可選的，所述主刻蝕步驟刻蝕腔的壓力范圍為8 60Mtorr。可選的，所述多晶硅層和金屬層之間形成有擴散阻擋層。可選的，所述金屬層上形成有保護層。可選的，所述金屬層材料為鎢或鎢硅化合物。可選的，所述擴散阻擋層的材料為氮化鎢。與現有技術相比，本發明技術方案具有以下優點暖機刻蝕步驟采用與主刻蝕步驟采用不同的刻蝕參數，暖機刻蝕步驟刻蝕控片上的多晶硅層時不采用能產生氟離子和氯離子等離子體的刻蝕氣體，在保證刻蝕腔條件穩定的同時，刻蝕腔內不會留有氟離子和氯離子，因此在暖機刻蝕步驟刻蝕所述控片后，主刻蝕步驟刻蝕第1片產品晶圓時，刻蝕腔內氟離子和氯離子等離子體的濃度小于現有技術中主刻蝕步驟刻蝕第1片產品晶圓時的氟離子和氯離子濃度，從而避免了主刻蝕步驟中對第1 片產品晶圓的堆棧金屬柵極的過刻蝕，使得第1片產品晶圓的堆棧金屬柵極的CD與同批次其他產品晶圓的堆棧金屬柵極的CD保持穩定性，提高了器件的穩定性。
圖1是為本發明堆棧金屬柵極的刻蝕方法的流程示意圖；圖2 圖3、圖6為本發明實施例堆棧金屬柵極的刻蝕方法的剖面結構示意圖；圖4 圖5為暖機刻蝕步驟刻蝕參數和主刻蝕步驟刻蝕參數的表格示意圖。
具體實施例方式發明人在采用現有技術刻蝕堆棧鎢金屬柵極過程中發現，暖機刻蝕步驟時，若采用的控片上形成有與金屬柵極相同的堆疊，暖機刻蝕工藝后，進行主刻蝕工藝，基本能消除第1片產品晶圓上形成的堆棧金屬柵極的線寬小效應，但是采用在控片上形成與鎢金屬柵極相同的堆疊，增加了制造成本。發明人進一步研究發現，暖機刻蝕步驟和主刻蝕步驟采用相同的刻蝕菜單，主刻蝕步驟采用的氣體為三氟化氮(NF3)、氯氣(Cl2)和溴化氫(HBr)，暖機刻蝕步驟也采用氣體三氟化氮(NF3)、氯氣(Cl2)和溴化氫(HBr)，氯氣、三氟化氮產生的等離子體(氟離子和氯離子)用于刻蝕氮化鎢擴散阻擋層和金屬鎢層，所述溴化氫產生的等離子體用于刻蝕多晶硅層，而暖機刻蝕步驟中采用的控片上只形成有多晶硅層，刻蝕時，既有氯氣、三氟化氮氣體產生的等離子體又有溴化氫氣體產生的等離子，多晶硅層消耗溴化氫氣體產生的等離子，而氯氣、三氟化氮氣體產生的氟離子和氯離子基本上未被消耗，使得在主刻蝕第1片產品半導體襯底上形成的堆棧金屬柵極時，刻蝕腔內氯氣、三氟化氮氣體產生的等離子體 (氟離子和氯離子)濃度變大，造成對堆棧金屬柵極的過刻蝕，使得柵極的線寬變小，刻蝕第2片產品晶圓時，第1片產品晶圓的消耗，氯氣、三氟化氮氣體產生的等離子體濃度回到正常水平，直至完成同批其他產品晶圓的堆棧金屬柵極的刻蝕。為解決上述問題，發明人提出一種堆棧金屬柵極的刻蝕方法。參考圖1，為本發明實施例堆棧金屬柵極的刻蝕方法的流程示意圖，包括步驟S201，提供控片，所述控片上形成有多晶硅層；步驟S202，提供產品晶圓，所述產品晶圓上依次形成有柵極氧化層、多晶硅層和金
屬層；步驟S203，設置暖機刻蝕步驟刻蝕參數，在此刻蝕參數下對控片上的多晶硅層進行刻蝕；步驟S204，設置主刻蝕步驟刻蝕參數，在此刻蝕參數下依次刻蝕產品晶圓上的柵極氧化層、多晶硅層和金屬層，形成堆棧金屬柵極。圖2 圖3、圖6為本發明實施例堆棧金屬柵極的刻蝕方法的剖面結構示意圖；圖 4 圖5為暖機刻蝕步驟刻蝕參數和主刻蝕步驟刻蝕參數表格示意圖。 步驟S201，提供控片，所述控片上形成有多晶硅層。參考圖2，提供控片30，所述控片為晶圓裸片。在所述控片30上形成多晶硅層306，采用的方法為低壓化學氣相沉積(LPCVD)、快速熱退火(RTA)或等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)。步驟S202，提供產品晶圓，所述產品晶圓上依次形成有柵極氧化層、多晶硅層和金屬層。參考圖3，提供產品晶圓300，在所述產品晶圓300上依次形成柵極氧化層302、多晶硅層303、擴散阻擋層304、金屬層305和圖形化的硬掩膜層307。所述多晶硅層303和擴散阻擋層304之間還形成有金屬鈦層(圖中未示出)，作為多晶硅層303和金屬層305之間的金屬界面層。所述金屬層305的材料為鎢或鎢硅化合物。所述擴散阻擋層304的材料為氮化鎢，防止金屬鎢離子擴散到多晶硅層中形成硅化鎢，影響器件的穩定性。所述圖形化的硬掩膜層307材料為氮化硅，作為保護層，用于保護金屬層305不被氧化，形成過程為依次形成覆蓋所述金屬層305的硬掩膜層和光刻膠層；進行曝光和顯影工藝，形成圖案化的光刻膠層；以所述圖案化的光刻膠層為掩膜刻蝕所述硬掩模層，形成圖形化的硬掩膜層307。所述柵極氧化層302的形成方法為爐管熱氧化，多晶硅層303的形成方法為低壓化學氣相沉積(LPCVD)、快速熱退火(RTA)或等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)，擴散阻擋層304、金屬層305的形成方法為物理氣相沉積(PVD)。
步驟S203，設置暖機刻蝕步驟刻蝕參數，在此刻蝕參數下對控片上的多晶硅層進行刻蝕，所述暖機刻蝕參數不包含能產生氟離子和氯離子的氣體。參考圖4，為暖機刻蝕步驟刻蝕參數的表格示意圖，包括刻蝕氣體HBr，HBr的流量范圍為80 200sccm，刻蝕腔壓力范圍為8_60mtorr，射頻功率范圍為250 400W。暖機刻蝕步驟刻蝕參數不包含能產生氟離子和氯離子的刻蝕氣體，如NF3、CL2。刻蝕時，將控片放至刻蝕機臺內，進行暖機刻蝕工藝，由于所述控片上形成有多晶硅層，消耗的是HBr產生的等離子體，若暖機刻蝕工藝采用CL2和NF3，則CL2和NF3產生的氟離子和氯離子不會被消耗，而留在刻蝕腔體里，影響后續的第一片產品的主刻蝕工藝。進行暖機刻蝕的目的是在主刻蝕步驟進行之前保持刻蝕腔條件的穩定，提高刻蝕工藝的精確性和可重復性。一般在刻蝕設備閑置很久(沒有刻蝕產品)、工藝轉換或刻蝕腔清洗后都要進行暖機刻蝕步驟。本實施例中暖機刻蝕步驟刻蝕的控片30(圖2所示)的數量為6 10片，控片的刻蝕數量太少，達不到刻蝕腔條件的穩定的效果，控片刻蝕數量太多，影響刻蝕效率，提高了刻蝕成本，實際要使用的控片的數量根據具體的工藝條件確定。步驟S204，設置主刻蝕步驟刻蝕參數，在此刻蝕參數下依次刻蝕產品晶圓上的柵極氧化層、多晶硅層和金屬層，形成堆棧金屬柵極。參考圖5，為主刻蝕步驟刻蝕參數的表格示意圖，包括刻蝕氣體NF3、CL2，NF3的流量范圍為15 2kccm，CL2的流量范圍為25 4kccm，對應的刻蝕腔壓力范圍為8 60mtorr，射頻功率范圍為550 650W ；刻蝕氣體HBr，HBr的流量范圍為80 200sccm，對應的刻蝕腔壓力范圍為8 60mtorr，射頻功率范圍為250 400W。在對控片進行暖機刻蝕工藝后，將一批產品晶圓中的第1片產品晶圓放至刻蝕機臺內，對第1片產品晶圓進行主刻蝕工藝。參考圖6，進行主刻蝕步驟，以所述圖形化硬掩模307為掩膜，依次刻蝕第1片產品晶圓300的金屬層305、擴散阻擋層304、多晶硅層303、柵極氧化層302，形成堆棧金屬柵極。由于暖機刻蝕步驟刻蝕參數相比與主刻蝕步驟刻蝕參數不包含能產生氟離子和氯離子的氣體CL2和NF3，因此暖機刻蝕后，刻蝕設備的刻蝕腔內不會留有氟離子和氯離子，在對第1片產品晶圓的主刻蝕時，刻蝕腔內的氟離子和氯離子濃度不會增加，因此不會造成第1 片產品晶圓上的金屬層305、擴散阻擋層304的過刻蝕，保證第1片產品堆棧金屬柵極⑶與同批次其他產品晶圓堆棧金屬柵極CD的穩定性，消除了第一片產品堆棧金屬柵極CD小效應，提高器件的穩定性。第1片產品晶圓刻蝕完成后，依次刻蝕同批產品晶圓中的其他產品晶圓。刻蝕所述金屬層305、擴散阻擋層304采用的氣體為CL2和NF3，NF3的流量范圍為15 25sccm，CL2的流量范圍為25 妨sccm，對應的刻蝕腔壓力范圍為8 60mtorr， 射頻功率范圍為550 650W。刻蝕所述多晶硅層303、柵極氧化層302采用的氣體為HBr，HBr的流量范圍為 80 200sccm，刻蝕時刻蝕腔壓力范圍為80 200mtorr，射頻功率范圍為250 400W。綜上，本發明實施例提供的堆棧金屬柵極的刻蝕方法，暖機刻蝕步驟采用與主刻蝕步驟不同的刻蝕參數，暖機步驟刻蝕參數不包含能產生氟離子和氯離子的氣體，本發明實施例中暖機刻蝕步驟刻蝕控片上的多晶硅層時采用HBr，沒有采用能產生氟離子和氯離子等離子體的刻蝕氣體，如NF3和CL2，在保證刻蝕腔條件穩定的同時，且刻蝕腔內不會留有氟離子和氯離子，因此在暖機刻蝕步驟刻蝕控片后，主刻蝕步驟刻蝕第1片產品晶圓時， 刻蝕腔內氟離子和氯離子等離子體的濃度小于現有技術中主刻蝕步驟刻蝕第1片產品晶圓時的氟離子和氯離子濃度，從而避免了主刻蝕步驟時對第1片產品晶圓的堆棧金屬柵極的過刻蝕，使得第1片產品晶圓的堆棧金屬柵極的CD與同批次其他產品晶圓的堆棧金屬柵極的CD保持穩定性，提高了器件的穩定性。 本發明雖然已以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和范圍內，都可以利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本發明技術方案的保護范圍。
權利要求
1.一種堆棧金屬柵極的刻蝕方法，其特征在于，包括步驟提供控片，所述控片上形成有多晶硅層；提供產品晶圓，所述產品晶圓上依次形成有柵極氧化層、多晶硅層和金屬層；設置暖機刻蝕步驟刻蝕參數，在此刻蝕參數下對控片上的多晶硅層進行刻蝕；設置主刻蝕步驟刻蝕參數，在此刻蝕參數下依次刻蝕產品晶圓上的柵極氧化層、多晶硅層和金屬層，形成堆棧金屬柵極；其特征在于，暖機刻蝕步驟刻蝕參數相對于主刻蝕步驟刻蝕參數，暖機刻蝕步驟刻蝕參數不包含能產生氟離子和氯離子的氣體。
2.如權利要求1所述堆棧金屬柵極的刻蝕方法，其特征在于，所述暖機刻蝕步驟采用的氣體為溴化氫。
3.如權利要求2所述堆棧金屬柵極的刻蝕方法，其特征在于，所述溴化氫的流量范圍為 80 200sccm。
4.如權利要求1所述堆棧金屬柵極的刻蝕方法，其特征在于，所述暖機刻蝕步驟刻蝕腔的壓力范圍為8 60mtorr。
5.如權利要求1所述堆棧金屬柵極的刻蝕方法，其特征在于，進行主刻蝕步驟采用的氣體為三氟化氮、氯氣和溴化氫。
6.如權利要求5所述堆棧金屬柵極的刻蝕方法，其特征在于，所述三氟化氮的流量范圍為18 60sccm、氯氣流量范圍為23 43sccm、溴化氫流量范圍為80 200sccm。
7.如權利要求1所述堆棧金屬柵極的刻蝕方法，其特征在于，所述主刻蝕步驟刻蝕腔的壓力范圍為8 60Mtorr。
8.如權利要求1所述堆棧金屬柵極的刻蝕方法，其特征在于，所述多晶硅層和金屬層之間形成有擴散阻擋層。
9.如權利要求1所述堆棧金屬柵極的刻蝕方法，其特征在于，所述金屬層上形成有保護層。
10.如權利要求1所述堆棧金屬柵極的刻蝕方法，其特征在于，所述金屬層材料為鎢或鎢硅化合物。
11.如權利要求1所述堆棧金屬柵極的刻蝕方法，其特征在于，所述擴散阻擋層的材料為氮化鎢。
全文摘要
一種堆棧金屬柵極的刻蝕方法，包括步驟提供控片，所述控片上形成有多晶硅層；提供產品晶圓，所述產品晶圓上依次形成有柵極氧化層、多晶硅層和金屬層；設置暖機刻蝕步驟刻蝕參數，在此刻蝕參數下對控片上的多晶硅層進行刻蝕；設置主刻蝕步驟刻蝕參數，在此刻蝕參數下依次刻蝕產品晶圓上的柵極氧化層、多晶硅層和金屬層，形成堆棧金屬柵極。采用本發明提供的方法，消除暖機刻蝕后第1片產品的堆棧金屬柵極的線寬小效應，提高器件的穩定性。
文檔編號H01L21/28GK102315112SQ20111029846
公開日2012年1月11日 申請日期2011年9月28日 優先權日2011年9月28日
發明者奚裴, 熊磊 申請人:上海宏力半導體制造有限公司