CN104916532B - 栅极氧化层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种栅极氧化层的制备方法，该方法通过去除部分STI表面的部分材料使得AA区的侧面露出于STI的表面，进而在AA区和STI交界处形成由AA区侧面和STI表面构成的夹角，随后在AA区生长的栅极氧化层的过程中，栅极氧化层在AA区与STI的交界处同时沿AA区的侧面和STI的表面向外生长，进而填充STI的表面和AA区的侧面之间的空间，从而提高了AA区和STI交界处所生长的栅极氧化层的厚度，减小了AA区和STI交界处所生长的栅极氧化层与AA区表面生长的栅极氧化层的厚度差异，消除了现有技术中所存在的凹陷结构，提高了AA区和STI交界处所生长的栅极氧化层的击穿电压，避免HV GOI Vramp的失败。

Description

栅极氧化层的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术，特别涉及一种栅极氧化层的制备方法。
背景技术
MOSFET（Metallic Oxide Semiconductor Field EffectTransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管）半导体器件的制造过程是在半导体衬底（例如硅衬底）中植入STI（Shallow Trench Isolation，浅沟道隔离）在STI之间的衬底区域制造NMOS（N-Metal-Oxide-Semiconductor，N型金属氧化物半导体）、PMOS（P-Metal-Oxide-Semiconductor，P型金属氧化物半导体）等多种半导体器件。
STI的作用是对各个半导体器件进行隔离，防止器件之间漏电流的产生等。当STI形成以后，制造例如NMOS、PMOS等器件时，需要在衬底表面生长栅极氧化层（Gate Oxide）。
如图1所示，现有技术中，在制备栅极氧化层之前，经过前序制造工艺所生产的产品具有衬底1，在衬底1中形成有STI2，在STI2之间的衬底区域为AA（Active Area，有源区）区，在包括STI2和AA区的整个衬底1的表面覆盖一层牺牲氧化层（SAC Oxide，SacrificialOxide）3，在所述牺牲氧化层3上，位于STI2的远离AA区表面的外侧覆盖有掩膜层4。
在图1所示结构的基础上制备栅极氧化层需要经过如下过程。
如图2所示，去除AA区表面所覆盖的牺牲氧化层3。在去除AA区表面所覆盖的牺牲氧化层3时，位于STI2表面并且未被掩膜层4覆盖的部分牺牲氧化层3也会被去除。去除牺牲氧化层3之后，便暴露出AA区表面以及部分STI2的表面。
随后，如图3所示，在AA区表面和靠近AA区的STI2表面生长栅极氧化层5。
现有的上述栅极氧化层的制备过程中，如图4所示，当去除牺牲氧化层3之后，生长栅极氧化层5时，由于STI2和衬底1之间交界处衬底材料和STI材料不同导致的衬底晶格结构的不连续，使得在AA区和STI2交界处所生长的栅极氧化层5（如图4中虚线区域）与AA区表面生长的栅极氧化层5存在差异——在AA区和STI2交界处所生长的栅极氧化层5的生长速率比AA区表面生长的栅极氧化层5的生长速率慢，进而导致了在AA区和STI2交界处所生长的栅极氧化层5的厚度小于AA区表面生长的栅极氧化层5的厚度，出现图4虚线框中的凹陷结构。这种差异会随着栅极氧化层5的厚度的增加而增加，对于在1000埃左右厚度的厚栅极氧化层（Thick Gate Oxide）来说，在AA区和STI2交界处所生长的栅极氧化层5与AA区表面生长的栅极氧化层5的厚度差异可达到430埃，差异率达到了约为43%。图4所示的虚线框中栅极氧化层5的凹陷结构，将导致在AA区和STI2交界处所生长的栅极氧化层5的击穿电压（Vbd）低于AA区表面生长的栅极氧化层5，进而导致HV GOI Vramp（High Voltage GateOxide Integrity Voltage Ramp，高压栅氧化层完整性斜坡电压测试）测试的失败。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种栅极氧化层的制备方法，以消除AA区和STI交界处生长栅极氧化层时所产生的凹陷结构，进而提高AA区和STI交界处所生长的栅极氧化层的击穿电压，避免HV GOI Vramp的失败。
本申请的技术方案是这样实现的：
一种栅极氧化层的制备方法，包括：
提供形成栅极氧化层之前的衬底，所述衬底中形成有STI，在STI之间的衬底区域为AA区，在所述AA区的表面和STI的表面覆盖一牺牲氧化层；
去除所述牺牲氧化层，并去除所述STI表面的部分材料，以使得所述STI的上表面低于所述AA区的上表面；
在去除所述STI表面部分材料后所露出的AA区的侧面以及所述AA区的上表面，生长第一氧化层；
去除所述第一氧化层，并进一步去除所述STI表面的部分材料；
在所述AA区的上表面和侧面以及靠近所述AA区的STI表面生长栅极氧化层。
进一步，位于STI远离AA区表面的外侧覆盖有掩膜层。
进一步，采用湿法刻蚀方法，以去除所述牺牲氧化层，并去除所述STI表面的部分材料。
进一步，在去除所述牺牲氧化层，并去除所述STI表面的部分材料之后，所述AA区的上表面和STI的上表面高度差为100～200埃。
进一步，采用炉管工艺方法生长所述第一氧化层。
进一步，所述第一氧化层的厚度为380～420埃。
进一步，采用湿法刻蚀方法，去除所述第一氧化层，并进一步去除所述STI表面部分材料。
进一步，去除所述第一氧化层，并进一步去除所述STI表面的部分材料之后，所述AA区的上表面与STI的表面高度差为480～620埃。
进一步，采用炉管工艺方法，在所述AA区的上表面和侧面进行栅极氧化层的生长。
进一步，所述栅极氧化层的厚度为900～1100埃。
从上述方案可以看出，本发明的栅极氧化层的制备方法，由于在去除牺牲氧化层时，对STI进行了过刻蚀，使得STI的上表面低于AA区的上表面，进而AA区的侧面露出于STI的表面，加之随后进行的第一氧化层的沉积和去除，使得STI表面部分材料被进一步去除，进而在AA区和STI的交界处形成了由AA区的侧面和STI的表面所构成的明显的夹角，随后在AA区生长的栅极氧化层的过程中，栅极氧化层会在AA区与STI的交界处，同时沿AA区的侧面和STI的表面向外生长，进而填充STI的表面和AA区的侧面之间的空间，从而提高了AA区和STI交界处所生长的栅极氧化层的厚度，减小了AA区和STI交界处所生长的栅极氧化层与AA区表面生长的栅极氧化层的厚度差异，消除了现有技术中所存在的凹陷结构，提高了AA区和STI交界处所生长的栅极氧化层的击穿电压，避免HV GOI Vramp的失败。
附图说明
图1为进行栅极氧化层制备之前的衬底结构示意图；
图2为现有技术中去除牺牲氧化层之后的结构示意图；
图3为现有技术中制备栅极氧化层之后的结构示意图；
图4为现有技术所制备的栅极氧化层中存在的凹陷结构示意图；
图5为本发明所提供的栅极氧化层的制备方法的实施例流程图；
图6为本发明中去除牺牲氧化层和部分STI之后的实施例结构示意图；
图7为本发明中生长第一氧化层后的实施例结构示意图；
图8为本发明中去除第一氧化层后的实施例结构示意图；
图9为本发明中生长栅极氧化层后的实施例结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。
如图5所示，本发明的栅极氧化层的制备方法实施例包括：
提供形成栅极氧化层之前的衬底，所述衬底中形成有STI，在STI之间的衬底区域为AA区，在所述AA区的表面和STI的表面覆盖一牺牲氧化层；
去除所述牺牲氧化层，并去除所述STI表面的部分材料，以使得所述STI的上表面低于所述AA区的上表面；
在去除所述STI表面部分材料后所露出的AA区的侧面以及所述AA区的上表面，生长第一氧化层；
去除所述第一氧化层，并进一步去除所述STI表面部分材料；
在所述AA区的上表面和侧面以及靠近所述AA区的STI表面生长栅极氧化层。
以下结合图6至图9对本发明的栅极氧化层的制备方法进行详细说明。
步骤1：提供形成栅极氧化层之前的衬底，所述衬底中形成有STI，在STI之间的衬底区域为AA区，在所述AA区的表面和STI的表面覆盖一牺牲氧化层。
本步骤1所提供的形成栅极氧化层之前的衬底，其实施例结构可参照图1所示，所提供的衬底1中形成有STI2，在STI2之间的衬底区域为AA区，在包括STI2和AA区的整个衬底1的表面覆盖着牺牲氧化层3，在所述牺牲氧化层3上，另外，位于STI2的远离AA区表面的外侧覆盖有掩膜层4。作为一个具体实施例，所述衬底1可以包含任何能够作为在其上构建半导体器件的基础材料，比如硅衬底，或者已制成了场隔离区的硅衬底或者绝缘材料上的硅衬底；所述STI2的材料为氧化硅；所述牺牲氧化层3的材料为氧化硅；掩膜层4的材料为氮化硅，其厚度为400～600埃，优选为500埃。关于STI2、牺牲氧化层3、以及掩膜层4，均可采用本领域已知的方法进行制备，此处不再赘述。
步骤2、去除所述牺牲氧化层，并去除所述STI表面的部分材料，以使得所述STI的上表面低于所述AA区的上表面。
参见图6所示，经过本步骤2之后，所述STI2的上表面低于所述AA区的上表面，作为一个具体实施方式，所述AA区的上表面和STI2的上表面高度差为100～200埃。本步骤2中，可采用湿法刻蚀方法去除牺牲氧化层3和部分STI2，其中需要选择针对STI2和牺牲氧化层3的氧化硅材料的刻蚀选择比高，同时对衬底1的硅材料和掩膜层4的氮化硅材料刻蚀选择比低的刻蚀溶液进行刻蚀，例如氢氟酸，进而在经过本步骤2之后可以不破坏衬底1中AA区以及掩膜层4的形貌，本步骤2中，在去除牺牲氧化层3之后，稍加延长刻蚀时间，便可以去除STI2表面的部分材料，而位于掩膜层4以下的STI2由于受到掩膜层4的保护而不会被去除。
步骤3、在去除所述STI2表面部分材料后所露出的AA区的侧面以及所述AA区的上表面，生长第一氧化层6。
如图7所示，所生长的第一氧化层6将整个AA区覆盖，包括AA区的上表面和侧面。作为一个具体实施例，所述第一氧化层6材料为氧化硅，采用炉管工艺方法生长，所生长的第一氧化层6的厚度为380～420埃，优选为400埃。
步骤4、去除所述第一氧化层6，并进一步去除所述STI2表面的部分材料。
本步骤4中，采用湿法刻蚀方法去除所述第一氧化层6，采用的刻蚀液例如氢氟酸。如图8所示，在去除第一氧化层6时，由于第一氧化层6和STI2的材料均为氧化硅，这样在进行刻蚀时，露于表面的氧化硅材料都会受到刻蚀，当覆盖于AA区的第一氧化层6被去除时，STI2表面的部分材料也会同时去除，所以，当去除第一氧化层6后AA区露出时，STI2表面的高度会进一步下降，进而AA区的侧面将露出更多，参见图8中虚线框区域。经过本步骤4后，AA区的上表面与STI2的表面高度差可达到480～620埃。
步骤5、在所述AA区的上表面和侧面以及靠近所述AA区的STI表面生长栅极氧化层5。
本步骤5中，采用炉管工艺方法进行栅极氧化层5的生长，所述栅极氧化层5的厚度为900～1100埃，优选为1000埃。
如图9所示，由于经过前序各步骤后，AA区的上表面高度明显高于STI2的表面高度，AA区与STI2的交界处与现有技术（如图4所示）相比形貌发生了巨大的变化：现有技术中在AA区与STI2的交界处，AA区的上表面与STI2的上表面高度相等，而本发明中由于对STI2的刻蚀，使得AA区STI2的表面低于所述AA区的上表面，进而在AA区与STI2的交界处，STI2的表面和AA区的侧面形成了夹角，如图8、图9虚线框中所示，所以当进行栅极氧化层5的生长时，栅极氧化层5会在AA区与STI2的交界处沿AA区的侧面向外生长，同时栅极氧化层5还会在AA区与STI2的交界处沿STI2的表面向外生长，因为在所述交界处STI2的表面和AA区的侧面形成了夹角，所以沿AA区的侧面向外生长的栅极氧化层5和沿STI2的表面向外生长的栅极氧化层5会同时向STI2的表面和AA区的侧面之间的空间填充，进而提高了AA区和STI2交界处所生长的栅极氧化层5的厚度，减小了AA区和STI2交界处所生长的栅极氧化层5与AA区表面生长的栅极氧化层5的厚度差异，进而消除了现有技术中所存在的凹陷结构，如图9的虚线区域所示。
采用本发明的制备方法所生长的栅极氧化层5，在AA区与STI2的交界处所生长的氧化层材料的厚度与现有方法相比，在沉积厚度为1000埃左右的栅极氧化层5时，在AA区和STI2交界处的栅极氧化层5的厚度可增加约150埃，差异率由原来的大约43%下降到约为28%。通过实验发现，采用本发明的栅极氧化层的制备方法可以有效的将HV GOI Vramp从现有技术的约47V（伏特）提升至约65V，提升率达到了38%左右。
本发明的栅极氧化层的制备方法，由于在去除牺牲氧化层3时，对STI2进行了过刻蚀，使得STI2的上表面低于AA区的上表面，进而露出AA区的侧面，加之随后进行的第一氧化层6的沉积和去除，使得STI2表面部分材料被进一步去除，进而在AA区和STI2的交界处形成了由AA区的侧面和STI2的表面构成的明显的夹角，随后在AA区生长的栅极氧化层5的过程中，栅极氧化层5会在AA区与STI2的交界处，同时沿AA区的侧面和STI2的表面向外生长，进而填充STI2的表面和AA区的侧面之间的空间，从而提高了AA区和STI2交界处所生长的栅极氧化层5的厚度，减小了AA区和STI2交界处所生长的栅极氧化层5与AA区表面生长的栅极氧化层5的厚度差异，消除了现有技术中所存在的凹陷结构，提高了AA区和STI2交界处所生长的栅极氧化层5的击穿电压，避免HV GOI Vramp的失败。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种栅极氧化层的制备方法，包括：
提供形成栅极氧化层之前的衬底，所述衬底中形成有STI，在STI之间的衬底区域为AA区，在所述AA区的表面和STI的表面覆盖一牺牲氧化层；
去除所述牺牲氧化层，并去除所述STI表面的部分材料，以使得所述STI的上表面低于所述AA区的上表面；
在去除所述STI表面部分材料后所露出的AA区的侧面以及所述AA区的上表面，生长第一氧化层；
去除所述第一氧化层，并进一步去除所述STI表面的部分材料，使得STI表面的高度进一步下降；
在所述AA区的上表面和侧面以及靠近所述AA区的STI表面生长栅极氧化层。
2.根据权利要求1所述的栅极氧化层的制备方法，其特征在于：位于STI远离AA区表面的外侧覆盖有掩膜层。
3.根据权利要求1所述的栅极氧化层的制备方法，其特征在于：采用湿法刻蚀方法，以去除所述牺牲氧化层，并去除所述STI表面的部分材料。
4.根据权利要求1所述的栅极氧化层的制备方法，其特征在于：在去除所述牺牲氧化层，并去除所述STI表面的部分材料之后，所述AA区的上表面和STI的上表面高度差为100～200埃。
5.根据权利要求1所述的栅极氧化层的制备方法，其特征在于：采用炉管工艺方法生长所述第一氧化层。
6.根据权利要求1所述的栅极氧化层的制备方法，其特征在于：所述第一氧化层的厚度为380～420埃。
7.根据权利要求1所述的栅极氧化层的制备方法，其特征在于：采用湿法刻蚀方法，去除所述第一氧化层，并进一步去除所述STI表面部分材料。
8.根据权利要求1所述的栅极氧化层的制备方法，其特征在于：去除所述第一氧化层，并进一步去除所述STI表面的部分材料之后，所述AA区的上表面与STI的表面高度差为480～620埃。
9.根据权利要求1所述的栅极氧化层的制备方法，其特征在于：采用炉管工艺方法生长所述栅极氧化层。
10.根据权利要求1所述的栅极氧化层的制备方法，其特征在于：所述栅极氧化层的厚度为900～1100埃。
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