CN101290880B

CN101290880B - 修复多晶硅栅极侧壁刻蚀损伤的方法及栅极的制造方法

Info

Publication number: CN101290880B
Application number: CN2007100398061A
Authority: CN
Inventors: 虞肖鹏; 张复雄
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2007-04-20
Filing date: 2007-04-20
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2027-04-20
Also published as: CN101290880A

Abstract

一种修复多晶硅栅极侧壁刻蚀损伤的方法，包括：提供具有多晶硅栅极的半导体衬底；对所述栅极执行原位生成水蒸气氧化工艺，在所述栅极侧壁形成氧化层。本发明还提供栅极的制造方法。本发明方法工艺简单，并能够避免在修复栅极侧壁刻蚀损伤时对栅氧化层的影响。

Description

修复多晶硅栅极侧壁刻蚀损伤的方法及栅极的制造方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种修复多晶硅栅极侧壁刻蚀损伤的方法及栅极的制造方法。

背景技术

半导体器件一般采用多晶硅作为栅极的材料。形成栅极的方法通常如下：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或多晶硅层与其它介质层堆栈结构；光刻并刻蚀所述多晶硅层或多晶硅层与其它介质层的堆栈结构，形成栅极。由于刻蚀过程中采用干法刻蚀，所述干法刻蚀中的等离子体会造成多晶硅栅极侧壁的晶格结构被破坏，从而影响形成的半导体器件的性能。现有修复多晶硅栅极侧壁刻蚀损伤的方法为高温退火氧化或快速热氧化。所述氧化的方法通过将栅极表面暴露于高温的氧气气氛中，在所述多晶硅栅极侧壁表面形成薄氧化层，达到修复被破坏的晶格结构的目的。然而，所述的高温退火氧化或快速热氧化在修复栅极侧壁损伤的同时，也对所述栅极下面的栅氧化层造成影响，引起栅氧化层变厚。如图1所示的剖面示意图，栅极14两侧的栅氧化层12下方的半导体衬底10被氧化，生成氧化层13，所述氧化层13延伸至栅极14的下方，呈“鸟嘴“形状，使得栅极14和半导体衬底10之间的氧化层变厚，影响形成的半导体器件的开启特性和灵敏度。

专利号为US 6794313 B1的美国专利公开了一种对多晶硅栅极侧壁的氧气等离子体处理方法。图2至图5为所述美国专利公开的方法的各步骤相应结构的剖面示意图。如图2所示，在半导体衬底10上依次形成栅氧化层12、多晶硅层14和硬掩膜层16；接着，通过光刻刻蚀在所述硬掩膜层16上形成栅极图案，如图3所示，以所述硬掩膜层16作为刻蚀阻挡层，刻蚀掉部分所述多晶硅层14；如图4所示，用氧气等离子体20对刻蚀后剩余的多晶硅层14表面进行氧化处理，形成氧化层22；如图5所示，以所述硬掩膜层16为刻蚀阻挡层，继续刻蚀所述多晶硅层14，并执行所述氧气等离子体处理工艺。随着所述刻蚀和氧气等离子体处理工艺的进行，所述氧化层22沿着所述暴露出的多晶硅层14的侧壁向下生长，直至与所述栅氧化层12接触。该方法通过在刻蚀所述多晶硅层14形成栅极的过程中引入氧气等离子体处理工艺，对多晶硅栅极的侧壁进行氧化处理，然而该方法需要多步刻蚀和等离子体氧化处理工艺，使得刻蚀工艺减缓，工艺复杂化。

发明内容

本发明提供一种修复多晶硅栅极侧壁刻蚀损伤的方法及栅极的制造方法，该方法工艺简单，并能够避免在修复栅极侧壁刻蚀损伤时对栅氧化层的影响。

本发明提供的一种修复多晶硅栅极侧壁刻蚀损伤的方法，包括：

提供具有多晶硅栅极的半导体衬底；对所述栅极执行原位生成水蒸气氧化工艺，在所述栅极侧壁形成氧化层；在所述栅极侧壁形成侧壁层。

可选的，所述原位生成水蒸气氧化工艺中氧气流量为1至15slm，氢气的流量为0.1至10slm。

可选的，所述原位生成水蒸汽氧化工艺中用氮气或惰性气体作为稀释气体。

可选的，所述原位生成水蒸气氧化工艺的温度为800至1200度。

可选的，所述原位生成水蒸气氧化工艺中环境的压力为5至20Torr。

可选的，所述形成的氧化层厚度小于10nm。

本发明还提供一种栅极的制造方法，包括：提供半导体衬底；在所述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和金属硅化物层；在所述金属硅化物层上形成硬掩膜层；图形化并刻蚀所述多晶硅层和金属硅化物层，形成栅极；对所述栅极执行原位生成水蒸气氧化工艺，在所述栅极侧壁形成氧化层；在所述栅极侧壁形成侧壁层。

可选的，所述原位生成水蒸气氧化工艺的温度为800至1200度。

本发明还提供一种栅极的制造方法，包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底上形成栅氧化层；在所述栅氧化层上依次形成第一多晶硅层、介质层和第二多晶硅层；图形化并刻蚀所述第一多晶硅层、介质层和第二多晶硅层，形成栅极；对所述栅极执行原位生成水蒸气氧化工艺，在所述栅极侧壁形成氧化层；在所述栅极侧壁形成侧壁层。

可选的，所述介质层为氧化硅、氮化硅中的一种或组合。

可选的，所述原位生成水蒸气氧化工艺的温度为800至1200度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过ISSG氧化工艺修复多晶硅栅极侧壁的刻蚀损伤，所述ISSG氧化工艺在栅极的多晶硅侧壁表面直接产生水蒸气，并将该水蒸气分解为OH以及氧原子，所述氧原子与所述多晶硅侧壁表面的硅键合生成氧化硅；结合所述ISSG的高温处理，修复被等离子体刻蚀破坏的晶格结构，达到修复栅极侧壁表面损伤的作用。本发明修复栅极侧壁表面损伤的方法速度较快，能够在较短的时间内在栅极侧壁生成所述氧化层，因而不会对所述半导体衬底上的其它膜层或结构产生影响，特别的，不会引起栅极侧壁下面的栅氧化层变厚的“鸟嘴”现象。因而有效保证了形成的半导体器件的开启、响应等特性。

在本发明提供的应用于闪存的栅极的制造方法中，通过ISSG修复在刻蚀过程中造成的多晶硅栅极侧壁的损伤，不但能够在较短的时间内修复该栅极中多晶硅侧壁的损伤，而且不会引起栅极侧壁下面的栅氧化层变厚的“鸟嘴”现象，也不会对的栅极的ONO结构中氧化层造成影响，不会引起ONO中氧化层变厚，该氧化层侧壁仍然具有较好的轮廓；进一步的，通过本发明方法可提高闪存器件的存取速度，增强器件的电学性能和稳定性能。

另外本发明方法能够节省工艺时间，提高产量，间接节省了成本。

附图说明

图1为应用现有的高温氧化或快速热氧化方法修复多晶硅栅极侧壁损伤后相应的结构的剖面示意图；

图2至图5为现有一种对栅极侧壁氧气等离子体处理方法的各步骤相应结构的剖面示意图；

图6为本发明的修复多晶硅栅极侧壁刻蚀损伤的方法实施例的流程图；

图7至图8为图6所示的实施例各步骤相应结构的剖面示意图；

图9为本发明栅极制造方法的第一实施例的流程图；

图10至图12为图9所示的栅极制造方法的第一实施例的各步骤相应的结构的剖面示意图；

图13为本发明栅极制造方法的第二实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在通过干法刻蚀多晶硅层形成栅极时，所述干法刻蚀的等离子体会破坏多晶硅层侧壁表面，使得所述多晶硅层侧壁的晶格结构被破坏，并形成硅的悬挂键，这会对形成的半导体器件的性能造成影响。本发明提供一种修复多晶硅栅极侧壁刻蚀损伤的方法，该方法通过对所述多晶硅栅极执行原位生成水蒸气氧化(In-Situ Stream Generation，ISSG)工艺，在较短的时间内在所述多晶硅栅极侧壁形成氧化层。该氧化工艺可修复多晶硅栅极侧壁的等离子体损伤；另外由于该氧化工艺氧化时间较短，不会对所述栅极底部的栅氧化层造成影响。

下面结合实施例对本发明的修复多晶硅栅极侧壁刻蚀损伤的方法进行描述。图6为本发明修复多晶硅栅极侧壁刻蚀损伤的方法实施例的流程图。

如图6所示，首先，提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有多晶硅栅极(S100)。所述多晶硅栅极和所述半导体衬底之间具有栅氧化层作为绝缘层。接着，对所述栅极执行ISSG氧化工艺，在所述栅极侧壁形成氧化层(S110)。

如图7所示的剖面示意图，提供一半导体衬底30，所述半导体衬底30可以是单晶硅、多晶硅、非晶硅中的一种，也可以是绝缘层上硅(Silicon On Insulator，SOI)结构。在所述半导体衬底30中可以掺入N型杂质或P型杂质。在所述半导体衬底30上形成有栅氧化层32。所述栅氧化层32为氧化硅、氮氧化硅中的一种或组合，其厚度为5至50nm。在所述栅氧化层32上形成有栅极34，所述栅极34为多晶硅或多晶硅与金属硅化物的组合结构，或者多晶硅与介质层例如氮化硅、氧化硅的组合结构。在所述栅极34的多晶硅中也可以掺入杂质离子，以减小该栅极的电阻率，例如，在用作N型金属氧化物半导体晶体管栅极的多晶硅中可掺入磷或砷，在用作P型金属氧化物半导体晶体管栅极的多晶硅中可掺入硼或硼的化合物。

接着，对所述栅极34执行ISSG氧化工艺，在所述栅极34侧壁形成如图8所示的氧化层36。生成所述氧化层36的工艺过程如下：将所述具有栅极34的半导体衬底30传送入工艺腔，并对所述半导体衬底30加热升温；将氢气和氧气按一定的比例通入反应腔室中，并在所述半导体衬底30的高温表面发生反应生成H₂O、OH基以及具有很强活性的氧原子，所述氧原子快速与所述栅极34侧壁的多晶硅表面发生反应，与所述多晶硅表面的硅的悬挂键以及硅原子结合生成氧化硅；另外，通过高温将被刻蚀破坏的晶格结构恢复。所述的ISSG氧化工艺通过在所述栅极34的多晶硅层表面直接产生水蒸气，并将该水蒸气分解为OH基以及氧原子，并利用所述氧原子的活性氧化所述栅极34侧壁的多晶硅表面，结合所述ISSG氧化工艺的高温处理，修复被破坏的晶格结构，从而达到修复所述栅极侧壁损伤的目的。在所述的ISSG氧化工艺中可以引入氮气或其它惰性气体作为稀释气体。也可以引入含Cl的气体作为辅助气体，增大反应速率。本实施例中所述ISSG氧化工艺中氧气流量为1至15slm，氢气的流量为0.1至10slm。所述ISSG氧化工艺的温度为800至1200度，环境的压力为5至20Torr，该ISSG工艺时间为1至60秒。形成的所述氧化层36的厚度小于10nm。

本发明修复栅极34侧壁表面损伤的方法速度快，能够在较短的时间内生成所述氧化层36，因而不会对半导体衬底30上的其它膜层或结构产生影响，特别的，不会引起栅极34侧壁下面的栅氧化层32变厚的“鸟嘴”现象。因而有效保证了形成的半导体器件的开启、响应等特性。对于含有氧化硅和多晶硅的栅极，例如用于闪存的栅极，本发明修复栅极侧壁刻蚀损伤的方法不但能够在较短的时间内修复该栅极侧壁的刻蚀损伤，也不会对该用于闪存栅极中的氧化层造成影响，而传统的高温炉管氧化往往造成该栅极中的氧化层变厚；通过本发明方法还可提高闪存器件的存取速度。另外，本发明的方法缩短了工艺的时间，提高了产量，间接的节省了成本。

进一步的，在完成所述ISSG氧化工艺后，在所述栅极侧壁形成侧壁层，例如氮化硅层，该侧壁层用于保护所述栅极侧壁在后续的工艺中不受损伤，并可抑制形成的半导体器件导电沟道中的漏电流。

本发明还提供一种栅极的制造方法。图9为本发明的栅极的制造方法的第一实施例的流程图。如图9所示，提供半导体衬底(S300)；接着，通过氧化在所述半导体衬底上形成栅氧化层(S310)；然后在所述栅氧化层上形成多晶硅层和金属硅化物层(S320)；并在所述金属硅化物层上形成硬掩膜层(S330)；通过图形化和刻蚀所述多晶硅层和金属硅化物层，形成栅极(S340)；接着对所述栅极执行原位生成水蒸气氧化工艺，在所述栅极侧壁形成氧化层(S350)。

如图10所示的剖面图，半导体衬底30为单晶硅，在所述半导体衬底30上形成栅氧化层32，所述栅氧化层32的形成方法可以是高温热氧化、快速热氧化、ISSG氧化中的一种。

在所述栅氧化层32上形成多晶硅层25，形成所述多晶硅层25的方法可以是物理气相沉积或化学气相沉积，所述多晶硅层25的厚度为50至450nm，在所述多晶硅层25中掺入硼。在其它的实施例中，在所述多晶硅中还可以掺入磷，这里不再赘述。

在所述多晶硅层25上形成金属硅化物层26，所述金属硅化物26为钨的硅化物，该金属硅化物层26用于降低形成的栅极的电阻率。在所述金属硅化物层26上形成硬掩膜层27，本实施例中所述硬掩膜层27为氮化硅，其形成的方法为化学气相沉积。

在所述硬掩膜层27上旋涂光刻胶层(这里指正胶)，通过曝光显影形成栅极图案，以该栅极图案为刻蚀阻挡层，用等离子体刻蚀未被所述栅极图案覆盖的硬掩膜层27、金属硅化物层26、多晶硅层25，直至所述栅氧化层32表面被露出，并继续刻蚀使所述半导体衬底30的表面被露出。通过氧气等离子体灰化(Ashing)和浓硫酸、双氧水的湿法清洗，去除所述光刻胶层形成的栅极图案，形成包含氮化硅27a、金属硅化物26a、多晶硅25a和栅氧化层32a堆叠结构的栅极，如图11所示。

对所述栅极执行ISSG氧化工艺，在所述栅极的多晶硅25a和金属硅化物26a侧壁形成如图12所示的氧化层36。ISSG通过在所述栅极的多晶硅25a侧壁表面直接产生水蒸气，并将该水蒸气分解为OH以及氧原子，所述氧原子与所述多晶硅25a侧壁表面的硅键合生成氧化硅；结合所述ISSG的高温处理，修复被所述等离子体刻蚀破坏的晶格结构，达到修复所述栅极侧壁表面损伤的作用。本发明修复所述栅极侧壁表面损伤的方法速度较快，能够在较短的时间内生成所述氧化层36，因而不会对所述半导体衬底30上的其它膜层或结构产生影响，特别的，不会引起栅极侧壁下面的栅氧化层32变厚的“鸟嘴”现象，因而有效保证了形成的半导体器件的开启、响应等特性。

图13为本发明的栅极的制造方法的第二实施例的流程图。该实施例中的栅极用于制造闪存器件。如图13所示，首先，提供半导体衬底(S400)；接着，在所述半导体衬底上形成栅氧化层(S410)；然后，在所述栅氧化层上依次形成第一多晶硅层、介质层和第二多晶硅层(S420)，本实施例中所述介质层为氮化硅-氧化硅-氮化硅(Oxide-Nitride-Oxide，ONO)的堆栈结构；图形化并刻蚀所述第一多晶硅层、介质层和第二多晶层，形成栅极(S430)；接着，对所述栅极执行原位生成水蒸气氧化工艺，在所述栅极侧壁形成氧化层(S440)；所述原位生成水蒸气氧化工艺中氧气流量为1至15slm，氢气的流量为0.1至10slm，所述原位生成水蒸气氧化工艺的温度为800至1200度。本实施例中栅极的制造方法中，通过ISSG修复在刻蚀过程中造成的多晶硅栅极侧壁的损伤，不但能够在较短的时间内修复该栅极中多晶硅侧壁的损伤，而且不会对所述ONO中氧化层造成影响，不会引起该ONO氧化层变厚，该ONO中氧化层侧壁仍然具有较好的轮廓，而传统的高温炉管氧化往往造成该ONO的氧化层变厚；所述的栅氧化层的厚度也未受该ISSG的影响；进一步的，通过本发明方法也可提高闪存器件的存取速度，增强器件的电学性能和稳定性能。

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。

Claims

1.一种修复多晶硅栅极侧壁刻蚀损伤的方法，其特征在于，包括：

提供具有多晶硅栅极的半导体衬底；

对所述栅极执行原位生成水蒸气氧化工艺，在所述栅极侧壁形成氧化层；

在所述栅极侧壁形成侧壁层。

2.如权利要求1所述的修复多晶硅栅极侧壁刻蚀损伤的方法，其特征在于：所述原位生成水蒸气氧化工艺中氧气流量为1至15slm，氢气的流量为0.1至10slm。

3.如权利要求2所述的修复多晶硅栅极侧壁刻蚀损伤的方法，其特征在于：所述原位生成水蒸汽氧化工艺中用氮气或惰性气体作为稀释气体。

4.如权利要求2或3所述的修复多晶硅栅极侧壁刻蚀损伤的方法，其特征在于：所述原位生成水蒸气氧化工艺的温度为800至1200度。

5.如权利要求2或3所述的修复多晶硅栅极侧壁刻蚀损伤的方法，其特征在于：所述原位生成水蒸气氧化工艺中环境的压力为5至20Torr。

6.如权利要求1所述的修复多晶硅栅极侧壁刻蚀损伤的方法，其特征在于：所述形成的氧化层厚度小于10nm。

7.一种栅极的制造方法，其特征在于，包括：

提供半导体衬底；

在所述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和金属硅化物层；

在所述金属硅化物层上形成硬掩膜层；

图形化并刻蚀所述多晶硅层和金属硅化物层，形成栅极；

在所述栅极侧壁形成侧壁层。

8.如权利要求7所述的栅极的制造方法，其特征在于：所述原位生成水蒸气氧化工艺中氧气流量为1至15slm，氢气的流量为0.1至10slm。

9.如权利要求7所述的栅极的制造方法，其特征在于：所述原位生成水蒸气氧化工艺的温度为800至1200度。

10.一种栅极的制造方法，其特征在于，包括：

提供半导体衬底；

在所述半导体衬底上形成栅氧化层；

在所述栅氧化层上依次形成第一多晶硅层、介质层和第二多晶硅层；

图形化并刻蚀所述第一多晶硅层、介质层和第二多晶硅层，形成栅极；

在所述栅极侧壁形成侧壁层。

11.如权利要求10所述的栅极的制造方法，其特征在于：所述介质层为氧化硅、氮化硅中的一种或组合。

12.如权利要求10所述的栅极的制造方法，其特征在于：所述原位生成水蒸气氧化工艺的温度为800至1200度。