CN101577250A

CN101577250A - 在sonos产品中制备ono结构的方法

Info

Publication number: CN101577250A
Application number: CNA2008100433271A
Authority: CN
Inventors: 吕煜坤; 杨华; 孙娟
Original assignee: Shanghai Hua Hong NEC Electronics Co Ltd
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2008-05-06
Filing date: 2008-05-06
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2028-05-06
Also published as: CN101577250B

Abstract

本发明公开了一种在SONOS产品中制备ONO结构的方法，该方法在硅衬底上形成有源区和浅沟槽隔离结构之后，包括如下步骤：1)依次淀积下层氧化膜、中间氮化膜层和上层氧化膜，光刻形成光刻胶图案；2)采用湿法刻蚀刻蚀上层氧化膜；3)光刻胶的侧向裁减；4)等离子刻蚀工艺刻蚀中间氮化膜层；5)湿法刻蚀去除下层氧化膜，最后去除光刻胶。本发明的方法消除原有工艺中氮化膜残留的问题，有利于提高ONO工艺制程的窗口。

Description

在SONOS产品中制备ONO结构的方法

技术领域

本发明涉及一种在SONOS产品中制造ONO结构的方法，属于集成电路制造领域。

背景技术

在SONOS(硅-氧化硅-氮化硅-氧化硅-硅)产品中需要在特定的区域制备ONO(氧化硅-氮化硅-氧化硅)结构。图1所示是一种ONO结构在栅极形成后的平面结构示意图，其中最下层为有源区1和浅沟槽隔离结构2，其上层为ONO层3，栅极4坐落在ONO线条3上面。在此结构中，尺寸5的大小非常重要，决定了栅极坐落于ONO线条上的窗口大小，在栅极尺寸(gate CD)和栅极光刻对准(Overlay)确定的情况下，ONO线条间尺寸6和ONO层光刻的对准(overlay)决定了尺寸5的表现。因此，ONO结构制备工艺中需要比较精确地控制尺寸5和6。

由图1可见，在ONO层存在两种区域，A区域是ONO线条区，B区域是无ONO结构区域。在ONO结构制备工艺过程中，需要利用光刻和刻蚀的方法将A区域的ONO线条定义出来，也就是将B区域中的ONO薄膜去除。经过ONO层光刻后，ONO层上方的光阻线条尺寸和对准即被确定了，在随后ONO层刻蚀过程中，ONO线条尺寸的刻蚀损失即决定了尺寸5和6的大小。

图2A和图2B分别为A区域和B区域在不同方向的截面结构示意图。图2A为A区域垂直于ONO线条方向的有源区上方截面结构，而图2B为B区域沿平行于ONO线条方向的截面结构示意。从图2A中可以看到，尺寸6还受到ONO线条的三明治结构中每层薄膜形貌影响，包括下层氧化膜7、中间层氮化膜8和上层氧化膜9。理想情况下，下层氧化膜7、中间层氮化膜8和上层氧化膜9三层的断口呈现为垂直状态，因此三层薄膜的线条尺寸是相同的，但在实际制备中，不同的工艺方法会造成三层薄膜尺寸和断口形貌并不相同。此时下层氧化膜7、中间层氮化膜8和上层氧化膜9三者中对应的最小线条尺寸决定了尺寸5的大小。

ONO结构制备一般是采用光刻、等离子刻蚀与化学湿法相结合的方法，将光刻版上的图形转移到ONO三明治结构中，形成ONO结构。在此过程中，需要控制三层薄膜的断口形貌，同时需要保证在B区域内没有ONO薄膜的残留。

现有常用的ONO结构制备方法如下：

第一步，利用光刻将光刻板上的图形转移到光刻胶11中，在某些情况下，会采用抗反射涂层10增加光刻工艺窗口(见图3A)，相应的B区域被抗反射涂层所覆盖(见图3B)。为了弥补其后刻蚀工艺和化学湿法工艺造成的尺寸5的损失，光刻时会对线条间尺寸12进行补偿。抗反射涂层10BARC材料，

第二步，采用等离子刻蚀工艺依次将光刻胶图形转移到抗反射涂层10中(见图4A和图4B)、上层氧化膜9(见图5A)、中间层氮化膜8中，并停留在下层氧化膜7内，避免碰到底部的有源区1(见图6A)。利用等离子刻蚀工艺可以在上层氧化膜9和中间层氮化膜8的断口处获得相对垂直的截面。

第三步，利用化学湿法工艺将B区域中残余的下层氧化膜9去除，借助于化学湿法对氧化膜和硅基板的良好选择性(selectivity)，能够很好的停止在有源区1的硅界面上。此时化学湿法将对上层氧化膜9和下层氧化膜7断面造成侧向侵蚀，也会造成浅沟槽隔离结构2的填充氧化膜损失，影响尺寸5的大小(图7A)。最后，去除残余的光刻胶，即获得ONO结构(见图8A)。

当浅沟槽隔离结构2和有源区1的高度差较大时，ONO薄膜生长后，在浅沟槽2的上方顶角边缘处的中间氮化膜8和上层氧化膜9的薄膜高度会可能大于其淀积厚度，在第二步的等离子刻蚀工艺过程中，在打开上层氧化膜9时，浅沟槽突出边缘13处可能会留下氧化膜残留(见图5B)。在其后将中间氮化膜8刻蚀打开的过程中，等离子刻蚀需要具备氮化膜对下层氧化膜的选择比，以避免可能损伤到底层有源区硅界面。等离子刻蚀的这种选择性将使氧化膜残留覆盖下的氮化膜难以除去，造成14处氮化膜残留(见图6B)。该处氮化膜残留不会被其后的化学湿法工艺去除(见图7B和图8B)，故在经过其后各种工艺后，残留的氮化膜线条会成为缺陷(defect)，影响工艺窗口和电学性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在SONOS产品中制造ONO结构的方法，其能消除制备过程中的氮化膜残留。

为解决上述技术问题，本发明的在SONOS产品中制造ONO结构的方法，在硅衬底上形成有源区和浅沟槽隔离结构之后，包括如下步骤：

1)在硅衬底上依次淀积下层氧化膜、中间氮化膜层和上层氧化膜，涂覆光刻胶并光刻形成光刻胶图案；

2)采用湿法刻蚀刻蚀所述上层氧化膜；

3)光刻胶的侧向裁减，使光刻胶的侧向尺寸与上层氧化膜的侧向尺寸一致；

4)等离子刻蚀工艺刻蚀中间氮化膜层，刻蚀停止在下层氧化膜内；

5)湿法刻蚀去除下层氧化膜，最后去除光刻胶。

本发明利用化学湿法取代等离子刻蚀工艺打开上层氧化膜9，因化学湿法可以获得氧化膜对氮化膜的高选择比，同时化学湿法的各向同性刻蚀特性可以保证完全清除在浅沟槽突出边缘处的氧化膜，不会产生氧化膜残留。这样，在其后利用等离子刻蚀工艺去除中间氮化膜层时，就可以避免氮化膜残留。故采用本发明的工艺方法，获得的ONO结构可以消除氮化膜残留等缺陷，提高了ONO工艺制程的窗口，提高了结构的电学和可靠性等性能。同时，本发明获得ONO结构的尺寸控制与传统方法接近，不会因二次化学湿法而增加最终的ONO有效尺寸损失。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为SONOS产品中ONO结构在栅极形成后的平面布置图；

图2A为沿图1中A区域的垂直方向截面示意图，图2B为沿图1中B区域的水平方向截面示意图；

图3A为现有工艺中ONO光刻后沿图16中A区域的垂直方向截面示意图，图3B为现有工艺中ONO光刻后沿图16中B区域的水平方向截面示意图；

图4A为现有工艺中抗反射涂层刻蚀后沿图16中A区域的垂直方向截面示意图，图4B为现有工艺中抗反射涂层刻蚀后后沿图16中B区域的水平方向截面示意图；

图5A为现有工艺中上层氧化膜刻蚀后沿图16中A区域的垂直方向截面示意图，图5B为现有工艺中上层氧化膜刻蚀后沿图16中B区域的水平方向截面示意图；

图6A为现有工艺中中间氮化膜层刻蚀后沿图16中A区域的垂直方向截面示意图，图6B为现有工艺中中间氮化膜层刻蚀后沿图16中B区域的水平方向截面示意图；

图7A为现有工艺中下层氧化膜刻蚀后沿图16中A区域的垂直方向截面示意图，图7B为现有工艺中下层氧化膜刻蚀后沿图16中B区域的水平方向截面示意图；

图8A为现有工艺中ONO制备完成后沿图16中A区域的垂直方向截面示意图，图8B为现有工艺中ONO制备完成后沿图16中B区域的水平方向截面示意图；

图9A为本发明的工艺ONO光刻后沿图16中A区域的垂直方向截面示意图，图9B为本发明的工艺ONO光刻后沿图16中B区域的水平方向截面示意图；

图10A为本发明的工艺上层氧化膜刻蚀后沿图16中A区域的垂直方向截面示意图，图10B为本发明的工艺上层氧化膜刻蚀后沿图16中B区域的水平方向截面示意图；

图11A为本发明的工艺光刻胶侧向裁减后沿图16中A区域的垂直方向截面示意图，图11B为本发明的工艺光刻胶侧向裁减后沿图16中B区域的水平方向截面示意图；

图12A为本发明的工艺中间氮化膜层刻蚀后沿图16中A区域的垂直方向截面示意图，图12B为本发明的工艺中间氮化膜层刻蚀后沿图16中B区域的水平方向截面示意图；

图13A为本发明的工艺下层氧化膜刻蚀后沿图16中A区域的垂直方向截面示意图，图13B为本发明的工艺下层氧化膜刻蚀后沿图16中B区域的水平方向截面示意图；

图14A为本发明的工艺制备完ONO结构后沿图16中A区域的垂直方向截面示意图，图14B为本发明的工艺制备完ONO结构后沿图16中B区域的水平方向截面示意图；

图15A为本发明中淀积栅极后沿图16中A区域的垂直方向截面示意图，图15B为本发明中淀积栅极后沿图16中B区域的水平方向截面示意图；

图16为SONOS产品制备中完成有源区和浅沟槽隔离结构的平面示意图；

图17为本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

本发明的制备方法中，为了避免氮化膜残留，本发明将利用化学湿法取代等离子刻蚀工艺打开上层氧化膜9。化学湿法可以获得氧化膜对氮化膜的高选择比，同时化学湿法的各向同性刻蚀特性可以保证完全清除在浅沟槽突出边缘处的氧化膜，不会产生氧化膜残留。这样，在其后利用等离子刻蚀工艺去除中间氮化膜层时，就可以避免氮化膜残留。

本发明的工艺流程如下(请结合图17)：

第一步，有源区1和浅沟槽隔离结构2形成(见图16)，依次淀积下层氧化膜7、中间氮化膜层8和上层氧化膜9。利用光刻将光刻版上的图形转移到光刻胶11中，在某些情况下，会采用抗反射涂层10增加光刻工艺窗口(见图9A)；相应的B区域被抗反射涂层所覆盖(见图9B)。为了弥补其后刻蚀工艺和化学湿法工艺造成对尺寸5的损失，光刻时会对线条间尺寸17进行补偿(见图9A)，即本发明的对应的尺寸17小于原有工艺中的尺寸12。

第二步，采用等离子刻蚀工艺依次将光刻胶图形转移到抗反射涂层10中。此步刻蚀希望能够有较好的方向性。此步刻蚀可利用双射频电源刻蚀机，其中刻蚀工艺参数可设置如下：源功率为200～600W，偏转功率为30W～300W，气体压力为2～20mT，Cl₂流量为0～100SCCM，CF₄流量为0～150SCCM，O₂流量为0～50SCCM，Ar流量为0～180SCCM，碳氟系气体(CHF₃等其它含C和F的气体)流量为0～100SCCM，总气体流量50～250SCCM。当ONO结构在总面积中所占比例小于97％时，此步可以采用等离子刻蚀终点探测的方法控制。

第三步，采用化学湿法刻蚀工艺将图形转移到上层氧化膜9中(见图10A)，B区域内的上层氧化膜9被完全去除(见图10B)，不会产生氧化膜残留。湿法刻蚀将上层氧化膜刻蚀完全，避免在浅沟槽隔离结构的突出边缘处留下氧化膜残留，尽量减少侧向刻蚀，刻蚀均匀性良好，同时需要保证刻蚀过程中不会发生光刻胶剥离问题，因此在具体操作中，需要选用刻蚀速率适当的BOE(氧化膜刻蚀缓冲液)，可通过有限次试验得到较佳值。选择氧化膜刻蚀速率适当的BOE，选择可根据上层氧化膜9的厚度加上适当的过刻蚀量(约为15％～25％)，以保证完全去除氧化膜的同时不造成过多的侧向刻蚀。控制氧化膜去除的时间可在30秒到2分钟之间，去除时间太短容易影响刻蚀的均匀性，而刻蚀时间太长则容易造成光刻胶剥离。

第四步，采用光刻胶侧向裁减的方法处理光刻胶11和抗反射涂层10，使光刻胶的侧向尺寸与上层氧化膜9的侧向尺寸一致(见图11A和图11B)。此发明中采用了两步化学湿法分别去除上层的氧化膜和下层的氧化膜。这两步都会对上层氧化膜造成侧向侵蚀，使上层氧化膜线条尺寸相对传统方法中线条尺寸缩小很多。通过第四步的光刻胶裁减，使其在第二次化学湿法前，中间氮化膜层的断口尺寸与受过第一次湿法侧向侵蚀的上层氧化膜断口尺寸一致。这样，经过第二次化学湿法后，上层氧化层的断口尺寸相对中间氮化膜层的断口尺寸的缩小仅来源于第二次化学湿法的化学侵蚀，此表现与传统方法相近。

光刻胶横向裁减过程多采用Cl₂，O₂，HBr等气体，并增强源功率，降低偏转功率，使等离子的横向刻蚀性增强；同时可能增加一些含C等气体增加一些淀积物，保护光刻胶的形貌。在具体实施中，可采用双射频电源刻蚀机，工艺参数：源功率为200～1200W，偏转功率为0～200W，气体压力为10～150mT，Cl₂气体流量为0～200SCCM，HBr气体流量为0～300SCCM，O₂流量为0～200SCCM，碳氟系气体(CHF₃/CH₂F₂/CH₃F/C₄F₆)等气体流量为0～100SCCM。优化的条件为：源功率为300～1000W，偏转功率为0～100W，气体压力为30～100mT，Cl₂气体流量为10～150SCCM，HBr气体流量为20～200SCCM，O₂流量为30～150SCCM，碳氟系气体(CHF₃/CH₂F₂/CH₃F/C₄F₆)等气体流量为10～50SCCM。

第五步，采用等离子刻蚀方法刻蚀中间氮化膜层8，并停留在下层氧化膜7内，避免碰到底部的有源区1(见图12A和图12B)。在B区域内的氮化膜8将被全部去除，故不会留下氮化膜残留。等离子刻蚀工艺可以在中间氮化膜8的断口处获得相对垂直的截面。具体实施中可利用双射频电源刻蚀机，工艺参数设置：源功率为200～600W，偏转功率为20W～150W，气体压力为5～30mT，CF₄流量为10～80SCCM，CHF₃流量为10～150SCCM，Ar流量0～80SCCM，He流量为0～300SCCM，总气体流量80～300SCCM。

第六步，利用化学湿法工艺将下层氧化膜9去除。借助于化学湿法对氧化膜和硅基板的良好刻蚀选择性(selectivity)，此步骤能够很好的停止于有源区1的硅界面上，但会对上层氧化膜9的断面15处和下层氧化膜7断面16处造成侧向侵蚀，也会造成浅沟槽隔离结构2的填充氧化膜损失，影响尺寸5的大小(见图13A和图13B)。此步骤也需要选用刻蚀速率适当的BOE(缓冲氧化膜刻蚀剂，可通过试验取得)，过刻蚀比例可以适当增加(25-35％)，但是需保证上层氧化膜侧向刻蚀不超过整个ONO结构线宽尺寸的10％(可由具体工艺参数设定来控制)，在氧化膜刻蚀缓冲液BOE和刻蚀时间上的选择上仍然需要保证在30秒到2分钟之间。

最后，去除残余的光刻胶，即获得ONO结构(见图14A和图14B)。此步骤可以利用等离子灰化或者化学湿法去除残余光刻胶，并控制对有源区和浅沟槽区的损失。

此发明中，最终的上层氧化膜线条尺寸可能会小于传统制备工艺的结果，通过在光刻时增加光刻胶线条尺寸，可以补偿此变化。本发明中第四步是非常重要的一步，控制尺寸5的最终大小。如果在第三步后直接进行第五步的氮化膜刻蚀，第三步和第六步两步湿法刻蚀造成的侧向侵蚀效应迭加起来会严重缩小尺寸5的最终大小。

Claims

1、一种在SONOS产品中制备ONO结构的方法，其特征在于，在硅衬底上形成有源区和浅沟槽隔离结构之后，包括如下步骤：

2)采用湿法刻蚀刻蚀所述上层氧化膜；

5)湿法刻蚀去除下层氧化膜，最后去除光刻胶。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤一在淀积上层氧化膜之后还淀积抗反射涂层，所述步骤二前还包括用等离子刻蚀法刻蚀所述抗反射涂层至上层氧化膜，所述步骤三中侧向裁减同时将抗反射涂层进行侧向裁减。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述等离子刻蚀抗反射涂层采用双射频电源刻蚀机，刻蚀工艺参数：源功率为200～600W，偏转功率为30W～300W，气体压力为2～20mT，Cl₂流量为0～100SCCM，CF₄流量为0～150SCCM，O₂流量为0～50SCCM，Ar流量为0～180SCCM，碳氟系气体流量为0～100SCCM，总气体流量50～250SCCM。

4、如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：所述步骤三中光刻胶的侧向裁减利用等离子刻蚀工艺，采用双射频电源刻蚀机，工艺参数：源功率为200～1200W，偏转功率为0～200W，气体压力为10～150mT，Cl₂气体流量为0～200SCCM，HBr气体流量为0～300SCCM，O₂流量为0～200SCCM，碳氟系气体流量为0～100SCCM。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤三中光刻胶的侧向裁减采用双射频电源刻蚀机，工艺参数：源功率为300～1000W，偏转功率为0～100W，气体压力为30～100mT，Cl₂气体流量为10～150SCCM，HBr气体流量为20～200SCCM，O₂流量为30～150SCCM，碳氟系气体流量为10～50SCCM。

6、如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：所述步骤四中中间氮化膜的等离子刻蚀采用双射频电源刻蚀机，工艺参数：源功率为200～600W，偏转功率为20W～150W，气体压力为5～30mT，CF₄流量为10～80SCCM，CHF₃流量为10～150SCCM，Ar流量0～80SCCM，He流量为0～300SCCM，总气体流量80～300SCCM。