[发明专利]双重图形化鳍式晶体管的鳍结构制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造工艺技术领域，尤其涉及一种利用侧墙自对准双重图形化鳍式晶体管的鳍结构的制造方法。

背景技术

根据国际半导体技术路线发展蓝图所预测，为了遵循摩尔定律并获得所需的短沟道效应，改善栅极的对沟道的控制，提出了新的晶体管结构，即鳍式场效应晶体管FinFET(Fin Field Effect Transistor，简称鳍式晶体管)。其有源区鱼鳍的形成是一个极具挑战性的工艺，因为在22nm及以下的鳍式场效应晶体管，鳍的宽度约在10～15nm左右，这么小的图形尺寸已经超出目前浸没式光刻机的分辨率极限，为此，需要采用侧墙自对准式双重图形化技术来实现。即首先在已经沉积了各种掩模材料的硅片上，利用浸没式光刻及刻蚀技术产生一个牺牲的核心图形(sacrificial core pattern)，然后在此核心图形上利用原子层沉积技术，沉积一层侧墙材料，然后利用各向异性干法刻蚀形成侧墙，之后将牺牲的核心图形去除，这样就形成了所需要的节距(pitch)减半的鱼鳍(FIN)掩模图形，这里FIN硬掩模的宽度是由原子沉积层的厚度决定的，之后利用此硬掩模图形为保护层继续刻蚀形成鳍式场效应晶体管的鳍(FIN)。

图1A至图1H是现有的采用侧墙自对准双重图形鱼鳍的形成方法。具体地：

首先，如图1A所示，在一个半导体有源器件的硅衬底101上，自下而上依次淀积二氧化硅绝缘层102、氮化硅层103、第一层非晶碳层104、氮化硅刻蚀停止层105、第二层非晶碳层106以及无氮抗反射层107。其中，氮化硅层103是最终鱼鳍结构形成的刻蚀硬掩模。

然后，如图1B所示，在107层顶部旋涂有机抗反射层108以及光刻胶109，然后进行核心层(core layer)光刻。

接着，如图1C所示，利用光刻胶109作为掩模干法刻蚀形成第二非晶碳层106的牺牲核心层线条图形，至此形成了非晶碳牺牲核心图形及其顶部的无氮抗反射层107。

经过相应的清洗工艺后，如图1D所示，在非晶碳牺牲核心图形及无氮抗反射层107上方淀积一层氧化硅薄膜硬掩模层110。

如图1E所示，利用各向异性干法刻蚀该氧化硅薄膜硬掩模层，并停止于氮化硅刻蚀停止层105上方以形成氧化硅侧墙110。

之后，如图1F所示，利用等离子体干法刻蚀工艺去除牺牲核心层线条图形顶部的无氮抗反射层107，使得无氮抗反射层107下方的牺牲核心层非晶碳暴露出来。本步骤中，在去除无氮抗反射层107过程中由于刻蚀停止层105a也暴露于等离子体中，并且刻蚀去除无氮抗反射层107所使用的刻蚀工艺对下方刻蚀停止层105a基本无选择比，使得刻蚀停止层105a在本步骤会有损失。

如图1G所示，用干法去胶工艺去除牺牲核心层，使得其下方的刻蚀停止层105b暴露出来。此时，刻蚀停止层105a和105b由于暴露于等离子中的时间和刻蚀工艺不同导致两者的厚度损失亦不相同，刻蚀停止层105a处的薄膜厚度继续减薄，而刻蚀停止层105b处的薄膜厚度仍保持不变，两者厚度差异进一步放大，会导致利用氧化硅侧墙110硬掩膜线条进行图形传递后，最终侧墙内外形貌差异的进一步放大。

如图1H所示，继续利用干法刻蚀以二氧化硅侧墙110硬掩模为保护，去除其下方的氮化硅刻蚀停止层105、第一非晶碳层104以及最底部的氮化硅层103，形成节距减半的氮化硅硬掩模113线条图形，并刻蚀停止于二氧化硅绝缘层102上方。由于上述原因，这样形成的氮化硅硬掩模线条图形113线条的两个侧壁的倾斜度并不一致。

完成必要的湿法清洗工艺之后，如图1I所示，进行鱼鳍线顶端切断光刻工艺，即在氮化硅硬掩模113上方旋涂光刻平坦层114、光刻抗反射层115以及光刻胶层116，并显影形成需要切断的图形。

如图1J所示，利用干法刻蚀工艺以光刻胶116、光刻抗反射层115以及平坦层114为掩模去除需要切断的氮化硅线条，并刻蚀停止于二氧化硅绝缘层102上。之后利用干法去胶工艺去除氮化硅硬掩模113上方的非晶碳硬掩模，使氮化硅硬掩模113层完全暴露出来。

之后，如图1K和图1L所示，利用两个侧壁形貌不对称的氮化硅硬掩模113作为硬掩模，刻蚀二氧化硅绝缘层102和硅衬底101以形成鱼鳍结构117。

然而，由于氮化硅硬掩模113两个侧壁倾斜角度的不对称，影响了后续图形的形貌和关键尺寸的控制，产生了两个侧壁118和119不对称的鱼鳍，这种不对称鱼鳍形貌和关键尺寸最终可能影响到器件的电学性能指标。

发明内容