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等离子表面处理机多晶硅栅极的双图形蚀刻

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发布时间：

2020-11-03

等离子表面处理机多晶硅栅极的双图形蚀刻：

在多晶硅图形定义中，除了线条本身的特征尺寸外，线条末端（Line End）的图形也需要严格控制。与线条中央不同，由于黄光工艺的限制，线条末端的光阻侧壁倾斜突出，而且在等离子表面处理机蚀刻时受到来自3个方向的蚀刻，光阻后退很快。业界以线条末端蚀刻前后特征尺寸差异与线条中央的等离子表面处理机蚀刻前后特征尺寸差异的比值来评估蚀刻工艺对线条末端图形的控制精度，称之为线条末端回缩(Line End Shortness，LES)。

一般情况下，线条末端的回缩越小越好，说明线条末端的图形失真控制在小的范围内。众所周知，多晶硅栅线条跨过有源区，形成器件。多晶硅栅线条末端如果在等离子表面处理机蚀刻过程中回退过多，将导致栅极长度不足以跨过有源区，浅沟槽隔离区中的氧化硅在后续的工艺中受到损伤，引起作为沟道的有源区暴露形成损伤，造成器件失效。

研究发现，线条末端的回缩与图形蚀刻定义的初始蚀刻步骤工艺紧密相关，使用不同底部抗反射层蚀刻气体，线条末端的回缩性能差异很大。目前的等离子表面处理机蚀刻气体主要有HBr/Cl2和氟基(Fluorine Based)气体。采用氟基气体的底部抗反射层蚀刻工艺，线条末端的回退程度远远小于HBr/Cl2类蚀刻工艺。这是因为在HBr/Cl2蚀刻工艺中，VUV会使光阻表面性质发生改变，光阻聚合物分子的断裂使光阻发生重融收缩，使线条末端的回退更加剧烈，因此在图形定义的初始蚀刻步骤，采用氟基气体可以准确控制图形的传递。但是随着器件的缩微，要求多晶硅栅头对头的距离越来越小，这时仅仅靠控制LES已经无法满足工艺的要求，引入双图形(Double Patterning)切断工艺可以很好地解决这一问题，双图形工艺早在2010年前已经被提出，三星公司的技术遭到新墨西哥大学诉讼，此后，双图形技术发明得到了飞速发展，国内也在此领域的知识产权上做了很多布局。

业界在28nm工艺中已经引入双图形工艺来避免多晶硅线条末端的过分收缩。首先通过首一次曝光及蚀刻，形成长线条图形，通常被称为P1。然后做第二次曝光工艺，一般采用含硅底部抗反射层的三明治结构工艺，即先用旋涂工艺沉积下层，达到平坦化的目的；然后旋涂中间层含硅底部抗反射层；旋涂光阻并作切割孔的曝光工艺。通过蚀刻工艺切割多晶硅栅，通常被称为P2。这种双图形工艺有效地规避了一次图形工艺中，黄光工艺曝光在栅极长度和宽度两个方向上的缩微限制。同时通过蚀刻切割工艺的优化，即在等离子表面处理机蚀刻气体中加入能产生厚重聚合物的气体，可以将多晶硅栅头对头的距离缩小到20nm以下，满足了有源区持续缩微的需要。

采用双图形蚀刻的工艺中，切割工艺的工艺窗口是必须要考虑的，通常会将切制工艺的图形全部利用设计规则(Design Rule)使得全部落在氧化硅上，从而在硬掩膜切割的步骤中施加足够的过蚀刻量，以达到完全切割的目的，增大工艺的工作窗口。但是如果没有通过设计规则来规避它，即如果存在双图形均曝开的区域，且多晶硅下是有源区的衬底的设计，那么在切断工艺中就需要控制过蚀刻量以避免下层的硅衬底受损伤。当尺寸进一步微缩，切断工艺的深宽比进一步增大，对于等离子表面处理机干法蚀刻后的清洗工艺增加了不少挑战，在更先进工艺中的双图形，双图形步骤的安放，填充材料都将会有所变化。

等离子表面处理机多晶硅栅极的双图形蚀刻