CN103227107B - 一种制备栅极氧化层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一般涉及CMOS半导体器件制造工艺，具体涉及一种提高栅极氧化层的稳定性的方法，包括以下步骤：填充氧化物充满浅沟槽隔离区并覆盖剩余硅化物层的上表面，形成氧化物层；采用平坦化工艺去除部分氧化物层，暴露出剩余硅化物层的上表面，并在浅沟槽隔离区形成氧化隔离层；移除剩余硅化物层及剩余衬垫氧化层暴露出剩余衬底的上表面；于剩余衬底暴露部分的表面生长一层牺牲氧化层，以该牺牲氧化层为阻挡层进行离子注入工艺后，去除该牺牲氧化层，并继续进行清洗工艺；于剩余衬底的暴露部分的上表面生长一层厚栅极氧化层至氧化隔离层的上表面。本发明可保证生长栅氧化层的厚度的均匀度，提高了栅氧化层的稳定性。

Description

一种制备栅极氧化层的方法

技术领域

本发明一般涉及CMOS半导体器件制造工艺，更确切的说，本发明涉及一种制备栅极氧化层的方法。

背景技术

栅极氧化层是调节器件特性的媒介，更是影响可靠性测试的一个重要因素，是整个半导体工艺流程中极其关键的一道工序。

理想金属氧化物半导体结构的栅极氧化层类似于平板电容器，就氧化层本身而言，它的寿命会远远好于我们所要求的，但氧化层中的缺陷是影响栅极氧化层寿命的主要因素。对于某一固定的栅极工作电压，当栅极氧化层变薄的时候，其电场强度就增加；同时，栅极氧化层中如果存在杂质从而导致缺陷，也会导致局部电场聚集，影响栅极氧化层的完整性。如此一来，载流子就更容易发生隧穿而导致栅极氧化层被击穿，同时由于击穿时的高温影响，顶部的硅化物就会钻入到多晶硅中，对产品造成一些不利影响。

当今较为普遍的工艺是用剩余的衬垫氧化层作为后续离子注入的阻挡层，直至所有阱注入工序完成后，去除该衬垫氧化层并做清洗后再在表面生长厚栅极氧化层。该方法在有源区边角生成的台阶深度较浅且台阶图案的角度比较尖锐，暴露出的硅面积较小，造成有源区边角生长的栅氧化层厚度较浅与其他部位生长的栅氧化层厚度差异较大，同时边角区也容易存在杂质进而影响器件的稳定性。

中国专利（公开号：CN101145543）公开了一种提高高压栅极氧化层均匀性的工艺方法，其中，包括如下步骤：步骤1，高压阱注入；步骤2，生长栅极氧化层；步骤3，刻蚀浅沟槽隔离；步骤4，淀积多晶硅及制造栅极的氧化硅侧墙。

该发明通过调换常规高压器件浅沟槽隔离与栅极氧化层生长的前后顺序,避开了浅沟槽边缘与硅衬底表面氧化层生长速率不同的问题,从而可以得到均匀的氧化层厚度,优化了晶体管特性。但是该发明同样是采用剩余氧化层作为阻挡层，直至所有阱注入工序完成后，去除该衬垫氧化层并做清洗后再在表面生长厚栅极氧化层并进行后续步骤，在有源区边角的生长的栅极氧化层厚度均匀性较大，影响了栅极氧化层的稳定性。

中国专利（公开号：CN101620996）公开了一种栅氧化层的制造方法,包括以下步骤:在基底表面的垫层氧化层上沉积第一氮化物层;以该第一氮化物层作为硬罩幕层蚀刻该氮化物层和基底形成具有预定厚度的深沟槽;再沉积第二氮化物层;蚀刻去除深沟槽底部的第二氮化物层,而后在深沟槽底部形成底部氧化物层;蚀刻去除垫层氧化层上的氮化物层和沟槽内的氮化物层;在以上形成的结构上表面形成栅极氧化物层。

该发明的方法制造栅氧化层可以使晶体管的沟槽底部的氧化层厚度增加,减少栅极充放电容,而不影响晶体管的其他电性参数，但是该发明只是单纯增加了栅氧化层的厚度，同时也只是简单的沉积氮化物层后进行刻蚀，在沟槽内生成栅氧化物层容易有杂质的存在，从而可能导致顶部的硅化物就会钻入到多晶硅中，对产品造成一些不利影响。

发明内容

本发明根据现有技术中的不足提供了一种提高栅极氧化层稳定性的方法，在使用湿法刻蚀工艺去除衬垫氧化层后，利用原位蒸汽合成法在衬底上表面重新生长一层与衬垫氧化层同等厚度的牺牲氧化层，在厚栅极氧化层生长之前再次湿法去除该氧化层。经过两次湿法工艺，更有效地去除硅衬底与栅极氧化层交界面的杂质颗粒；同时加深衬底与氧化隔离层交接处形成沟槽的深度，使厚栅极氧化层生长更均匀，避免了有源区边角处栅极氧化层过薄或硅-栅氧层界面杂质存在而对器件造成一些不利影响，提高了栅极氧化层的完整性。

本发明采用的技术方案为：

一种制备栅极氧化层的方法，其中，包括以下步骤：

步骤S1、于硅衬底的上表面自下至上顺序依次沉积衬垫氧化层和硅化物层；

步骤S2、回蚀所述硅化物层和所述衬垫氧化层至所述硅衬底中，形成浅沟槽隔离区，并形成剩余衬垫氧化层、剩余硅化物层和剩余衬底；

步骤S3、填充氧化物充满所述浅沟槽隔离区并覆盖所述剩余硅化物层的上表面，形成氧化物层；

步骤S4、采用平坦化工艺去除部分所述氧化物层，暴露出所述剩余硅化物层的上表面，并在所述浅沟槽隔离区形成氧化隔离层；

步骤S5、移除所述剩余硅化物层及所述剩余衬垫氧化层暴露出剩余所述剩余衬底的上表面；

步骤S6、于所述剩余衬底暴露部分的表面生长一层牺牲氧化层，以该牺牲氧化层为阻挡层进行离子注入工艺后，去除该牺牲氧化层，并继续进行清洗工艺；

步骤S7、于剩余衬底的暴露部分的上表面生长一层厚栅极氧化层至所述氧化隔离层的上表面。

上述的一种提高栅极氧化层完整性的方法，其中，所述硅化物层为氮化硅层。

上述的一种提高栅极氧化层完整性的方法，其中，步骤S5中采用湿法刻蚀去除剩余所述剩余衬垫氧化层。

上述的一种提高厚栅极氧化层完整性的方法，其中，采用氢氟酸进行湿法刻蚀工艺去除所述衬垫氧化层。

上述的一种提高厚栅极氧化层完整性的方法，其中，所述氢氟酸的溶液比例为80：1～120：1。

上述的一种提高厚栅极氧化层完整性的方法，其中，步骤S6中采用原位蒸汽合成法于所述衬底的上表面生长一层所述牺牲氧化层。

上述的一种提高厚栅极氧化层完整性的方法，其中，所述原位蒸汽合成法采用氢气和氧气于所述剩余衬底的上表面反应生长一层所述牺牲氧化层。

上述的一种提高厚栅极氧化层完整性的方法，其中，所述原位蒸汽合成法的反应温度为900～1200℃。

上述的一种提高厚栅极氧化层完整性的方法，其中，步骤S6中所述牺牲氧化层为二氧化硅层。

上述的一种提高厚栅极氧化层完整性的方法，其中，所述牺牲氧化层与所述衬垫氧化层的厚度相等。

由于本发明采用了以上技术方案，在去除衬垫氧化层后，再使用原位蒸汽合成法生成一层牺牲氧化层后去除，增大了有源区边角暴露出硅的面积，同时制造的沟槽图案也更加平整，有效地去除硅衬底与栅极氧化层交界面生长的栅极氧化层的杂质颗粒，防止了有源区边角厚栅极氧化层过薄或形成沟槽有杂质的存在从而造成电场的聚集而导致对栅极氧化层造成一些不利的影响，保证了厚栅极氧化层生长的稳定性，提高了生产工艺。

附图说明

图1-9为本发明实施例的一种提高栅极氧化层制造方法的流程图；

图10为本发明实施例中去除衬垫氧化层后有源区边角放大的示意图；

图11为本发明实施例中去除牺牲氧化层后有源区边角放大的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

图1-9为本发明一种提高栅极氧化层制造方法的流程图，包括以下步骤：

步骤S1、于硅衬底101的上表面自下至上顺序依次沉积衬垫氧化层102和氮化硅层103，该步骤完成后形成图1所示结构。

步骤S2、回蚀氮化硅层103和衬垫氧化层102至硅衬底101中，形成浅沟槽隔离区104，并形成剩余衬垫氧化层103′、剩余硅化物层103′和剩余衬底101′，该步骤完成后形成图2所示结构。

步骤S3、填充氧化物充满浅沟槽隔离104区并覆盖剩余的氮化硅层103′的上表面，形成氧化物层105，该步骤完成后形成图3所示结构。

步骤S4、采用平坦化工艺去除部分氧化物层105，在本发明的实施例中，采用化学机械研磨抛光工艺移除氧化物层105以暴露出剩余氮化硅层103′的上表面，同时于浅沟槽隔离区104内形成氧化隔离层105′，该步骤完成后形成图4所示结构。

步骤S5、去除剩余氮化硅层103′，暴露出剩余衬垫氧化层102′的上表面，该步骤完成后形成图5中所示结构。

步骤S6、刻蚀去除剩余衬垫氧化层102′，暴露出剩余衬底101′的上表面，在本发明的一个实施例中采用浓度为80：1～120：1的氢氟酸进行湿法刻蚀，优选的，采用浓度为100：1的氢氟酸进行湿法刻蚀以去除剩余衬垫氧化层102′，该步骤完成后形成图6中所示结构。

步骤S7、采用原位蒸汽合成法于剩余衬底101′的上表面生长形成一层牺牲氧化层106，在本发明的实施例中，将反应温度控制在900～1200℃之间，如900℃，1000℃，1100℃，1200℃等，在此条件下通入氢气与氧气，氢气和氧气形成的氧离子在催化作用下在与剩余衬底101′上表面暴露在外的硅反应生成一层二氧化硅层，并以该二氧化硅层作为牺牲氧化层106，同时保证该牺牲氧化层106的生长厚度与衬垫氧化层102的厚度相等，由于原位蒸汽合成法工艺具有可控制补偿氧化生长机制，且以单片硅片为单位进行工艺制程，在残余衬底101′′暴露的上表面可以形成厚度均匀较稳定的牺牲氧化层106，该步骤完成后形成图7所示结构。

步骤S8、进行离子的注入工艺及阱区的注入工艺，阱区注入完成后采用湿法刻蚀工艺去除牺牲氧化层106并进行清洗，暴露出残余衬底101′′的上表面，该步骤完成后形成图8所示结构。

步骤S9、于残余衬底101′′的暴露的上表面生长一层厚栅极氧化层107至氧化隔离层105′的上表面，该步骤完成后形成图9所示结构。

图10为本发明去除衬垫氧化层后有源区边角放大的示意图，如图所示，在湿法刻蚀去除剩余衬垫氧化层102′后，于衬底101′和氧化隔离层105′的有源区边角形成了一沟槽，该沟槽的深度较浅，且沟槽图案比较尖锐，故在沟槽处生长的厚栅氧化层较薄，同时剩余衬底101′与氧化隔离层105′交界处也容易有杂质的存在；图11为本发明去除牺牲氧化层后有源区边角放大的示意图，如图所示，由于使用两次湿法刻蚀工艺后，在有源区边角形成了较图10深度更深的沟槽，可在沟槽处生长更厚的栅极氧化层，保证了生长的厚栅极氧化层的厚度的均匀性；同时有源区边角生长的厚栅极氧化层底面图案也比较平整，有效地去除了残余衬底101′′与氧化隔离层105′交界处可能存在的杂质，避免厚栅极氧化层被载流子击穿从而造成一些不利的影响，提高了生长的厚栅极氧化层的稳定性。

综上所述，本发明通过在N型深阱工序前氮化物去除后，首先湿法去除衬垫氧化层，然后用原位蒸汽合成工艺重新生长与衬垫氧化层同等厚度的牺牲氧化层，在湿法去除该牺牲氧化层后再进行厚栅极氧化层生长工艺。经过两次湿法工艺，更有效地去除硅衬底与栅极氧化层交界面的杂质颗粒；同时加深浅沟道隔离区台阶，使厚栅氧生长更均匀，防止有源区边角处生长的栅极氧化层过薄或衬底与栅极氧化层界面存在杂质从而对器件造成一些不利的影响，在不影响器件特性的基础上提高了厚栅极氧化层的完整性，提高了生产工艺。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种制备栅极氧化层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、于硅衬底的上表面自下至上顺序依次沉积衬垫氧化层和硅化物层；

步骤S2、回蚀所述硅化物层和所述衬垫氧化层至所述硅衬底中，形成浅沟槽隔离区，并形成剩余衬垫氧化层、剩余硅化物层和剩余衬底；

步骤S3、填充氧化物充满所述浅沟槽隔离区并覆盖所述剩余硅化物层的上表面，形成氧化物层；

步骤S4、采用平坦化工艺去除部分所述氧化物层，暴露出所述剩余硅化物层的上表面，并在所述浅沟槽隔离区形成氧化隔离层；

步骤S5、移除所述剩余硅化物层及所述剩余衬垫氧化层暴露出剩余所述剩余衬底的上表面；

步骤S6、于所述剩余衬底暴露部分的表面生长一层牺牲氧化层，以该牺牲氧化层为阻挡层进行离子注入工艺后，去除该牺牲氧化层，并继续进行清洗工艺；

步骤S7、于剩余衬底的暴露部分的上表面生长一层厚栅极氧化层至所述氧化隔离层的上表面；

其中，所述牺牲氧化层与所述衬垫氧化层的厚度相等。

2.根据权利要求1所述的一种制备栅极氧化层的方法，其特征在于，所述硅化物层为氮化硅层。

3.根据权利要求1所述的一种制备栅极氧化层的方法，其特征在于，步骤S5中采用湿法刻蚀去除剩余所述剩余衬垫氧化层。

4.根据权利要求3所述的一种制备栅极氧化层的方法，其特征在于，采用氢氟酸进行湿法刻蚀工艺去除所述剩余衬垫氧化层。

5.根据权利要求4所述的一种制备栅极氧化层的方法，其特征在于，所述氢氟酸的溶液比例为80：1～120：1。

6.根据权利要求1所述的一种制备栅极氧化层的方法，其特征在于，步骤S6中采用原位蒸汽合成法于所述衬底的上表面生长一层所述牺牲氧化层。

7.根据权利要求6所述的一种制备栅极氧化层的方法，其特征在于，所述原位蒸汽合成法采用氢气和氧气于所述剩余衬底的上表面反应生长一层所述牺牲氧化层。

8.根据权利要求7所述的一种制备栅极氧化层的方法，其特征在于，所述原位蒸汽合成法的反应温度为900～1200℃。

9.根据权利要求1所述的一种制备栅极氧化层的方法，其特征在于，步骤S6中所述牺牲氧化层为二氧化硅层。