用于限制临界尺寸增大的硬掩模的方法

摘要

一种限制设于半导体基片(56)上的结构的临界尺寸增大的方法,包括设置带有由活性金属或氧化的活性金属构成的硬掩模(52)的基片。该方法还包括使用相对于工艺的腐蚀化学剂具有低溅射率和低反应率的硬掩模。

说明书

发明的领域

本发明涉及一种最小化和限制半导体晶片上及例如磁盘驱动用的磁头和平板显示器等可利用半导体加工技术构成的任何其它产品上结构的临界尺寸增大的方法。

背景技术

半导体晶片上或利用半导体加工技术的任何产品上结构的临界尺寸(CD)是指所说结构的宽度。该间距一般限定为临界尺寸加上到下一结构的距离。

就利用腐蚀技术的半导体工艺方法而言，可以在要腐蚀材料的上部形成例如光刻胶层等石版印刷掩蔽层。光刻胶层限定希望的结构，掩蔽不腐蚀的底层部分，暴露要腐蚀部分。腐蚀工艺期间，来自被腐蚀层部分的材料及腐蚀气体、石版掩模和要腐蚀层材料的各种组合形成的化合物会敷在希望的结构和石版掩模侧上，因而使结构的临界尺寸增大到超过石版印刷掩模下限定的临界尺寸。这种临界尺寸的增大会不利地减小结构间的空间，并因而会负面影响各结构的功能。

正如所属领域已知的，石版印刷掩模例如可以包括(ⅰ)例如光刻胶掩模、e束抗蚀掩模、x射线抗蚀掩模和回旋粒子加速抗蚀掩模等软掩模，和(ⅱ)例如金属和如二氧化硅(SiO₂)等金属氧化物等硬掩模。然而，已发现这些软和硬掩模对控制临界尺寸的增大不是特别有利。

因此，需要提供一种半导体加工技术，能够使希望的结构被适当地腐蚀，同时腐蚀期间不会引起结构临界尺寸增大。

发明概述

本发明提供一种技术，能够在腐蚀工艺期间控制或使结构临界尺寸的增大最小化的同时腐蚀结构。该方法可用于制造半导体晶片，从而制造例如芯片产品、磁盘驱动用的磁头和平板显示器。

限制临界尺寸增大的方法包括：将带有由淀积于要腐蚀层上的活性金属构成的硬掩模的晶片设置于反应器中，并在反应器中腐蚀晶片。设置步骤还包括设置由活性金属或活性金属的氧化物、氮化物、氟化物、碳化物、硼化物或活性金属的氧化物、氮化物、氟化物、碳化物和／或硼化物的某种组合构成的硬掩模。这些组合例如可以包括活性金属的氮氧化物、硼氧化物、氟氧化物或碳氧化物，或任何其它组合或将活性金属暴露于氧、氮、氟、硼和／或碳的任何组合的离子或基团中形成的化合物。

设置步骤还包括设置具有由钛、铝、钽、钨、钴或钼或所说活性金属的氧化物、氮化物、氟化物、碳化物或硼化物中的一种构成的硬掩模的晶片。

硬掩模可以包括例如铜、铁和镍等其它活性金属和它们的化合物。

该方法还包括在腐蚀步骤之前或期间，将硬掩模暴露于反应器中的例如氧、氮、氟、硼、或碳等氧化气体流，以便用活性金属形成化合物。

该方法还包括在腐蚀步骤之前或期间，将硬掩模暴露于反应器中的例如氧、氮、氟、硼、或碳等的离子或基团，以便在活性金属上形成氧化物、氮化物、氟化物、硼化物或碳化物或先前所述的组合。

所说硬掩模还可以包括适应半导体制造工艺及半导体制造仪器和设备、并具有这里所述特性的任何材料。

本发明还包括选择具有或可以生长活性金属的氧化物、氮化物、氟化物、碳化物或硼化物或它们的组合的硬掩模。

根据本发明的另一方面，所述方法包括提高氧化物、氮化物、氟化物、硼化物或碳化物在硬掩模上形成的速率，以使硬掩模的侵蚀速率降低。

本发明还包括选择由具有低溅射率的金属构成的硬掩模。

本发明的再一方面是提供一种限制腐蚀工艺期间临界尺寸增大的方法，包括以下步骤；将带有形成于要腐蚀层上的硬掩模的晶片或例如半导体产品、磁头或平板显示器等其它基片设置于反应器中，其中所说硬掩模相对于腐蚀工艺的腐蚀化学试剂具有至少低溅射率和低反应率之一。

因此，本发明的一个目的是限制、控制和使被腐蚀结构的临界尺寸的增大最小化。

本发明再一目的是无论是在低(低于大气压)压、大气压、还是在高(高于大气压)压下进行工艺，都可以执行控制和使腐蚀工艺期间结构临界尺寸的增大最小化的技术。

下面将介绍本发明的其它目的、优点和特点，它们体现在权利要求书和附图中。

附图简介

图1是具有设置于硬掩模上的起始光刻胶图形的晶片的侧剖图，硬掩模设置在要腐蚀的材料上。

图2是与图1类似的示意图，为限定硬掩模层已进行了腐蚀。

图3是与图2类似的结构图，为限定硬掩模下的材料图形已进行了腐蚀。

图4是可以进行本发明方法的腐蚀反应器的示意图。

优选实施例的详细介绍

本发明的方法可以在例如图4所示的腐蚀反应器的腐蚀反应器中进行。应理解，也可以采用包括腐蚀反应器的其它反应器，但不限这些腐蚀反应器，所说其它反应器都包括在本发明的精神和范围内。

图4的腐蚀反应器由数字20表示，它构成为多频率、三电极反应器。腐蚀设备20包括外壳22和腐蚀室24。晶片26定位于装在下电极28上的吸盘上。室24还包括侧缘电极30和上电极32。在优选实施例中，侧缘电极30可以接地，或能够建立浮置电位，结果在室24中产生了等离子体。上电极32一般接地，但也可以设计成具有浮置电位。在典型的操作中，如图4所示，侧缘电极30和上电极32接地。

两个AC电源、第一电源34和第二电源36较好是通过合适的电路38连接到下电极28上，所说电路38例如可以包括匹配网络和组合器。另外，控制器40控制第一和第二AC电源34、36的顺序。就这种特殊例子而言，一般说，第一电源34在千赫兹范围工作，最好提供约450KHz的电源，一般在低于500KHz的范围内。第二电源36在兆赫兹范围内工作，尽管本发明也可以采用约1MHz以上的其它频率和13．56MHz数倍的其它频率，但一般在约13．56MHz下工作。对于该实例来说，电源34以200W供电，第二电源36以500W供电。离子能量向着千赫兹范围增大，而离子密度向着兆赫兹范围增大。

此外，反应器20包括气体输入头42和气体出口44。另外，该工艺期间，较好是加热吸盘28，以便定位于其上的晶片自身在约80℃-约300℃的范围被加热。

临界尺寸的增大归因于被腐蚀的结构的侧壁上和软和／或硬掩模上的腐蚀材料沉积物、掩模材料和／或腐蚀材料、掩模材料和／或工艺气体的化合物。例如，在用氯气体腐蚀铂的反应器中，会粘附着于侧壁上的材料一般包括二氯化铂(PtCl₂)、三氯化铂(PtCl₃)和／或其它化合物。应理解，更有益的是本工艺可用于腐蚀由铂(Pt)、铜(Cu)、铱(Ir)、二氧化铱(IrO₂)、钛酸锆铅(PZT)、钌(Ru)、二氧化钌(RuO₂)、钛酸锶钡(BST)和钽酸锶铋(Y-1或SBT)构成的膜。被腐蚀的这些材料是低挥发性的金属或化合物。还有其它膜和其它半导体和非半导体工艺可以从该方法中得益。

图1-3示出了利用图4的反应器的本发明腐蚀方法的各阶段。图1示出了扫描电子显微照片(SEM)的示意图。图1中，分立的直立结构表示石版掩模(本实例中软掩模，特别是光刻胶掩模)50，所说掩模在还没有腐蚀的硬掩模52上构图。硬掩模52已淀积于为最终要被腐蚀的层54上。层或膜54淀积于基片56上。

图1的实施例中，石版印刷掩模(软掩模)50位于硬掩模52上，所说硬掩模由氮化钛(TiN)构成。硬掩模52淀积于要被腐蚀的层54上，本实施例中为铂(Pt)。层54淀积于基片56上，基片56例如可以包括硅。该工艺的第一步是将硬掩模52腐蚀成由光刻胶掩模50表示的希望的图形。从图2可以看到该工艺的结果。图3示出了被过腐蚀的铂层。以下表1记录了上述四图的外形、间距、结构、空间尺寸的改变，其中间距等于结构尺寸加上空间尺寸。所说改变的值是相对于图1的结构尺寸测量的。

表1具有过腐蚀的Pt腐蚀工艺，具有79度外形(CD)的0．025μCD增益

外形间距结构空间变化起始抗蚀掩模层CD(图1)79．2度0．564μ0．307μ0．257μ--起始TiN掩模层CD(图2)66．7度0．557μ0．317μ0．240μ+0．010μPt层CD(图3)78．9度0．555μ0．332μ0．227μ+0．025μ

利用图4反应器的情况下，表1的操作参数如下：

压力：       1-50毫乇

MHz功率：    110-1500瓦

KHz功率：    0-500瓦

总流量：     10-500SCCM

HBR流量：    0-200SCCM

CL₂流量：    0-200SCCM

O₂流量：     0-200SCCM

类似的铂工艺没有CD增益，和得到了84度外形。硬掩模的起始材料是钛。该腐蚀工艺的尺寸特征如以下表2所示。允许腐蚀进行到过腐蚀。该特殊工艺的操作参数与表1的相应。表2表明本发明可以使腐蚀期间临界尺寸保持稳定，没有任何明显地增大。

表2

具有过腐蚀的Pt腐蚀工艺，84度外形0．00μCD增益

外形间距结构空间变化起始抗蚀掩模层CD79．2度0．564μ0．307μ0．257μ--起始Ti掩模层CD66．7度0．557μ0．317μ0．240μ+0．010μPt层CD84度0．555μ0．310μ0．254μ+0．003μ

由此可知，本发明包括限制腐蚀工艺期间设于晶片上的结构的临界尺寸增大的方法，其中晶片包括由淀积于要腐蚀层上的活性金属或活性金属的氧化物、氮化物、氟化物、硼化物或碳化物和／或它们的组合构成的硬掩模。所说氧化物、氮化物、氟化物、硼化物或碳化物和／或它们的组合或者(i)可以淀积为一层，或者(ii)可以在腐蚀工艺之前或期间，通过暴露于氧、氮、氟、硼或碳和／或这些物质的离子或基团现场形成。于是硬掩模层充当自钝化层的角色。一般说，本发明最适合的活性金属包括钛(Ti)、铝(Al)、和钽(Ta)。其它活性金属包括铜(Cu)、钨(W)、铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)和钼(Mo)。最合适的氧化物和氮化物是氧化钛(TiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、氮化钛(TiN)、五氧化二钽(Ta₂O₅)、氮化钽(TaN)。也可以用类金属的氮化物、硼化物和碳化物。

活泼容易形成氧化物、氮化物、氟化物硼化物或碳化物的其它金属也在本发明的精神和范围内。另外，这些金属较好是相对于腐蚀剂具有低溅射率，可以进一步骤增强对临界尺寸增大的限制作用。以下的表3比较了这些材料对铂和二氧化硅在600电子伏特(eV)的氩离子轰击时的溅射率。

表3

600eV下轰击氢离子能量Pt1.56SiO₂1.34Ti0.58TiO₂0.96Al1.24Al₂O₃0.18Ta0.62Ta₂O₅0.15TiN1.60W0.62

在工艺气体中加入例如氧等氧化剂，特别是相对于由钛或铝构成的硬掩模，以便在硬掩模上形成氧化物，从而使硬掩模基本上不被侵蚀，使临界尺寸的增大最小化。这种金属的氧化使得基本上不发生溅射，意味着硬掩模自身可以较薄。形成活性金属的氮化物、碳化物和／或硼化物、和／或它们的组合具有类似的优点。

因此，可以看出，形成氧化物、氮化物、氟化物、硼化物和／或碳化物表层的活性金属有利于本发明的方法。另外，较好在80℃-300℃内提高晶片表面的温度，可以提高氧化的速率，这样可以降低硬掩模的侵蚀率。另外，活性金属的氧化物、氮化物、氟化物、碳化物和／或硼化物、和／或它们的组合具有类似的优点。

所以，从以上介绍可知，选自活性金属或活性金属的氧化物、氮化物、氟化物、碳化物和／或硼化物、和／或它们的组合、且其材料具有有益的低溅射率的硬掩模，是本发明硬掩模的合适材料。这种方法对于控制亚微米结构特别是间距小于0．5微米的结构的临界尺寸的增大极为重要。

另外，应理解，对于上述优选硬掩模来说，掩模相对于工艺气体的低溅射率和低化学反应率相当重要。例如，从表3方便地得知，溅射率为0．58的钛是比溅射率为0．96的氧化钛更合适的硬掩模材料。然而，对于氯腐蚀气来说，钛比氧化钛更容易反应，所以即使氧化钛具有较高的溅射率，但它也可以提供较好的临界尺寸增大限制。

工业实用性

从以上介绍可知，本发明的方法可应用于进行腐蚀或其它半导体工艺步骤，同时可以限制临界尺寸的增大，从而发展了亚微米尺寸产品结构。

参考附图和权利要求书可以得到本发明的其它特征、方案和目的。

应理解，可延伸出本发明其它实施例，这些实施例都落在所要求保护的本发明精神和范围内。