CN106206597B

CN106206597B - 避免多晶硅刻蚀残留的方法及分栅快闪存储器制造方法

Info

Publication number: CN106206597B
Application number: CN201610596360.1A
Authority: CN
Inventors: 徐涛; 曹子贵; 王卉; 陈宏�
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2019-06-28
Anticipated expiration: 2036-07-27
Also published as: CN106206597A

Abstract

本发明提供一种避免多晶硅刻蚀残留的方法以及分栅快闪存储器制造方法，先将晶片置于盛有酸性清洗液的清洗槽进行清洗，然后直接将所述清洗槽中的酸性清洗液替换为常温碱性清洗液，而避免晶片转移清洗槽，同时将暴露的多晶硅表面由疏水性变为亲水性，可以避免多晶硅表面附着难以去除的物质，使得多晶硅表面在高温碱性清洗液中被清洗干净，在后续刻蚀过程中不会由于清洗后残留物质的遮挡而产生多晶硅残留的问题，从而大大提高了器件芯片的成品率。

Description

避免多晶硅刻蚀残留的方法及分栅快闪存储器制造方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种避免多晶硅刻蚀残留的方法及分栅快闪存储器制造方法。

背景技术

半导体芯片制造过程中，多晶硅常用来做器件产品的栅极，现有的一种典型的用于制作存储栅极的多晶硅刻蚀工艺包括以下步骤：首先，在半导体衬底晶圆表面依次形成栅氧化层、多晶硅层以及氮化硅硬掩膜层；然后，对所述氮化硅硬掩膜层进行刻蚀，并进行后清洗(POST CLEAN)；接着，对多晶硅层进行刻蚀，以形成存储栅极。所述后清洗过程具体如下：通常先将晶片放置到稀释的HF(氢氟酸)清洗槽中进行一段时间的清洗，然后在将晶片转移到APM(即氨水与双氧水混合液)清洗槽中进行一段时间的清洗，从而希望彻底去除对氮化硅硬掩膜层刻蚀残留。然而，由于从HF清洗槽转移出来时，晶片表面为疏水性的，暴露的多晶硅层表面容易附着水印物质(water mark defect)，且在晶片被放入到APM清洗槽之前，会不可避免的暴露在空气中一段时间，该水印物质会与空气中的氧等发生反应，转化为难以去除的物质(如图1A所示)，当晶片经过APM清洗槽清洗后，多晶硅层表面仍残留有该物质，在这种物质的遮挡下，对多晶硅刻蚀而形成栅极时，容易造成多晶硅的多晶硅残留(Poly residue)，造成器件单元失效，而且晶片边缘暴露在空气中时间更长地方的多晶硅残留情况尤为严重，如图1B所示。

因此，需要一种避免多晶硅刻蚀工艺中多晶硅残留的方法及分栅快闪存储器制造方法，能够避免湿法清洗步骤中由于转移清洗槽而产生的多晶硅残留问题，以提高器件芯片的成品率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种避免多晶硅刻蚀残留的方法及分栅快闪存储器制造方法，能够避免湿法清洗步骤中由于转移清洗槽而产生的多晶硅残留问题，以提高器件芯片的成品率。

为解决上述问题，本发明提出一种避免多晶硅刻蚀残留的方法，包括：

提供一具有待刻蚀的多晶硅层表面的晶片，所述待刻蚀的多晶层表面通过移除硬掩膜层而暴露出来；

将所述晶片置于盛有酸性清洗液的清洗槽中进行清洗；

将所述清洗槽中的酸性清洗液替换为常温碱性清洗液，对所述晶片继续清洗；

采用温度高于所述常温碱性清洗液的高温碱性清洗液，对所述晶片继续清洗。

进一步的，所述酸性清洗液为氢氟酸溶液。

进一步的，所述碱性清洗液为氨水、双氧水和水混合而成的溶液。

进一步的，所述碱性清洗液中双氧水、氨水和水的体积比为1:2:20～1:2:100。

进一步的，所述高温碱性清洗液与所述常温碱性清洗液不在同一个清洗槽中。

进一步的，所述晶片被所述常温碱性清洗液清洗的时间短于被所述高温碱性清洗液清洗的时间。

进一步的，所述晶片被所述常温碱性清洗液清洗的时间为40s～200s，被所述高温碱性清洗液清洗的时间为400s～1000s。

进一步的，所述常温碱性清洗液的温度为15℃～40℃。

进一步的，所述高温碱性清洗液的温度为50℃～100℃。

本发明还提出一种分栅快闪存储器制造方法，包括：

提供半导体衬底晶圆，所述半导体衬底晶圆上依次形成有浮栅氧化层、浮栅多晶硅层以及浮栅硬掩膜层，且所述半导体衬底晶圆上还设有贯穿浮栅硬掩膜层、浮栅多晶硅层和浮栅氧化层的沟槽，所述沟槽两内侧形成有侧墙，所述侧墙之间形成有与所述半导体衬底晶圆相连的源线多晶硅；

刻蚀去除所述浮栅氮化硅层，暴露出所述浮栅多晶层，以获得一具有待刻蚀的多晶硅层表面的晶片；

采用上述的避免多晶硅刻蚀残留的方法对所述晶片表面进行清洗；

对清洗后的晶片的浮栅多晶硅层进行刻蚀，以形成浮栅。

与现有技术相比，本发明的技术方法具有以下有益效果：

先将晶片置于盛有酸性清洗液的清洗槽进行清洗，然后直接将所述清洗槽中的酸性清洗液替换为常温碱性清洗液，而避免晶片转移清洗槽，同时将暴露的多晶硅表面由疏水性变为亲水性，可以避免多晶硅表面附着难以去除的物质，使得多晶硅表面在高温碱性清洗液中被清洗干净，在后续刻蚀过程中不会由于清洗后残留物质的遮挡而产生多晶硅残留的问题，从而大大提高了器件芯片的成品率。

附图说明

图1A是现有的多晶硅刻蚀工艺中多晶硅残留的SEM图；

图1B是现有的多晶硅刻蚀工艺中多晶硅残留的晶片表面缺陷分布图；

图1C是现有技术中制备分栅快闪存储器的浮栅过程中的器件结构剖面示意图；

图2是本发明具体实施例的分栅快闪存储器制造方法流程图；

图3A至3C是图2所示的分栅快闪存储器制造方法中的器件结构剖面示意图；

图4是本发明具体实施例的分栅快闪存储器晶片表面的缺陷分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，然而，本发明可以用不同的形式实现，不应只是局限在所述的实施例。

下面以分栅快闪存储器的浮栅刻蚀为例，来详细说明本发明提出的分栅快闪存储器制造方法以及避免多晶硅刻蚀的方法。

近年来，在存储器件中，快闪存储器(flash memory，简称闪存)的发展尤为迅速，其主要特点是在不加电的情况下能长期保持存储的信息；且具有集成度高、存取速度快、易于擦除和重写等优点，因而在微机、自动化控制等多项领域得到了广泛的应用。一般而言，快闪存储器包括两种基本结构：栅极叠层(stackgate)和分栅(splitgate)结构。请参考图1C，图1C为制备分栅快闪存储器浮栅时的剖面示意图，包括：半导体衬底晶圆100、形成在半导体衬底晶圆100上的浮栅氧化层101、形成在浮栅氧化层101上的浮栅多晶硅层102，形成在浮栅多晶硅层102上的侧墙104、105以及形成在侧墙104、105之间的源线多晶硅(SourcePoly)106。通常工艺下，浮栅多晶硅层102的表面会形成浮栅氮化硅层103，用于提供形成侧墙104、105以及源线多晶硅106的开口，并作为硬掩膜层保护其下方覆盖的浮栅多晶硅层102，在形成浮栅时，需要先刻蚀去除侧墙104外侧的浮栅氮化硅层103，再进行清洗工艺，然后再对浮栅多晶硅层102进行刻蚀以形成浮栅，然后再沉积形成隧穿氧化层，接着再形成字线(WordLine)。然而，现有技术中，在刻蚀去除侧墙104外侧的浮栅氮化硅层103之后，对暴露出的器件表面进行清洗的工艺一般如下：通常先将晶片放置到HF清洗槽中进行一段时间的清洗，然后再将晶片转移到APM(即氨水与双氧水混合液)清洗槽中进行一段时间的清洗，以期获得洁净的浮栅多晶硅层102刻蚀表面。然而，由于从HF清洗槽转移出来时，晶片表面为疏水性的，暴露的浮栅多晶硅层102表面容易附着水印物质(water markdefect)，且在晶片被放入到APM清洗槽之前，会不可避免的暴露在空气中一段时间，该水印物质会与空气中的氧等发生反应，转化为难以去除的物质(如图1A所示)，当晶片经过APM清洗槽清洗后，多晶硅层表面仍残留有该物质，在这种物质的遮挡下，对浮栅多晶硅层102刻蚀而形成浮栅时，容易造成侧墙104外侧出现不必要的浮栅多晶硅层102残留(FG Polyresidue)，不能形成性能良好的浮栅，这些多晶硅残留会造成分栅快闪存储器的存储单元失效，会对产品的良率造成影响。

请参考图2，本发明提供一种分栅快闪存储器制造方法，包括：

S1，提供半导体衬底晶圆，所述半导体衬底晶圆上依次形成有浮栅氧化层、浮栅多晶硅层以及浮栅硬掩膜层，且所述半导体衬底晶圆上还设有贯穿浮栅硬掩膜层、浮栅多晶硅层和浮栅氧化层的沟槽，所述沟槽两内侧形成有侧墙，所述侧墙之间形成有与所述半导体衬底晶圆相连的源线多晶硅；

S2，刻蚀去除所述浮栅氮化硅层，暴露出所述浮栅多晶层，以获得一具有待刻蚀的多晶硅层表面的晶片；

S3，将所述晶片置于盛有酸性清洗液的清洗槽中进行清洗；

S4，将所述清洗槽中的酸性清洗液替换为常温碱性清洗液，对所述晶片继续清洗；

S5，采用温度高于所述常温碱性清洗液的高温碱性清洗液，对所述晶片继续清洗；

S6，对清洗后的浮栅多晶层进行刻蚀，以形成浮栅。

请参考图3A，在步骤S1中，首先，提供半导体衬底晶圆300，并在所述半导体衬底晶圆上依次形成浮栅氧化层301、浮栅多晶层302、浮栅硬掩膜层303以及具有浮栅图案的图形化光刻胶层(未图示)。其中，所述半导体衬底晶圆300可以是硅衬底、硅锗衬底、碳化硅衬底、绝缘体上硅(SOI)衬底、绝缘体上锗(GOI)衬底、玻璃衬底或III-V族化合物衬底(例如氮化硅衬底或砷化镓衬底)、碳化硅衬底或其叠层结构，或金刚石衬底，或本领域技术人员公知的其他半导体材料衬底等。浮栅氧化层301用于隔离半导体衬底晶圆300与浮栅多晶硅层302，其厚度可以根据具体的工艺需求而定，浮栅氧化层301可以采用沉积工艺形成，例如化学气相沉积工艺(CVD)，当半导体衬底晶圆300的材料为硅时，浮栅氧化层301的形成工艺还可以是热氧化工艺；浮栅多晶层302可以采用沉积工艺形成，例如化学气相沉积工艺，能够俘获或失去电子，从而能够使最终形成的分栅式闪存器件具有存储以及擦除功能；浮栅硬掩膜层303可以氮化硅层或者氮氧化硅层，厚度可以为1500埃～4500埃，可以采用沉积工艺形成，例如化学气相沉积工艺。图形化光刻胶层通过涂覆、曝光、显影等光刻工艺形成，用于定义浮栅形成的位置，可以为单层结构或者多层结构，单层结构时可仅仅包括光刻胶层，多层结构时可以包括覆盖浮栅硬掩膜层303的底部抗反射层、位于底部抗反射层上的光刻胶层以及位于光刻胶层上的顶部抗反射层。然后，以所述图形化光刻胶层为掩膜，干法刻蚀浮栅硬掩膜层303至浮栅多晶硅层302表面，将图形化光刻胶层的图形转移到浮栅硬掩膜层303，即在浮栅多晶硅层302上形成图形分立的浮栅硬掩膜层303，剩余的浮栅硬掩膜层303所覆盖的区域为后续字线多晶硅层形成的区域，本步骤中，优选的，对浮栅硬掩膜层303进行一定的过刻蚀，使刻蚀停止在浮栅多晶硅层302的一定深度，使暴露出的所述浮栅多晶硅层302形成弧形表面，为后面浮栅顶部的浮栅尖端的最终形成做好准备；接着，通过干法去胶工艺或者湿法去胶工艺去除所述图形化光刻胶层；然后，在浮栅硬掩膜层303表面和暴露出的浮栅多晶硅层302表面上沉积侧墙薄膜层，并对侧墙薄膜层进行刻蚀直至暴露出底部的部分浮栅多晶硅层302表面，以在浮栅硬掩膜层303和浮栅多晶硅层302的开口内侧壁上形成侧墙304；然后，以侧墙304为掩膜，采用干法刻蚀工艺刻蚀侧墙304底部暴露的浮栅多晶层302和浮栅氧化层301至半导体衬底晶圆300表面，接着，在侧墙304及其下方的浮栅多晶层302、浮栅氧化层301的侧壁上形成侧墙305，侧墙304和侧墙305构成浮栅侧墙，侧墙305在后续的半导体衬底晶圆300的源区离子注入过程中能够保护浮栅多晶层302及浮栅氧化层301不受损伤。然后，以侧墙304和侧墙305为掩膜，对下方暴露出的半导体衬底晶圆300进行离子注入，形成源区(图未示)，并在形成源区后，在堆叠的浮栅硬掩膜层303、浮栅多晶硅层302以及浮栅氧化层301之间形成源线多晶硅层306，源线多晶硅层306具体地形成工艺可以为：采用化学气相沉积在浮栅硬掩膜层303表面以及源区表面沉积多晶硅薄膜层；采用化学机械抛光工艺或回刻蚀工艺去除高于所述浮栅硬掩膜层303表面的所述多晶硅薄膜层，再对所述多晶硅薄膜层进行掺杂(也可以在多晶硅薄膜层的形成过程中采用原位掺杂)，形成源线多晶硅层306。此外，源线多晶硅层306的形成工艺还可以为：采用选择性外延沉积工艺，以半导体衬底晶圆300的源区表面作为生长单晶硅的种子层，由源区表面逐渐向上方外延生长源线多晶硅层306，直至填满侧墙304和侧墙305连通的开口。精确控制所述源线多晶硅层306的高度能够精准控制后续形成的字线多晶硅层以及字线多晶硅层外侧的字线侧墙的关键尺寸。

请参考图3B，在步骤S2中，可以采用磷酸等湿法刻蚀工艺去除侧墙304外侧的浮栅硬掩膜层，以暴露出下方的浮栅多晶硅层302，以用于后续刻蚀形成浮栅。

由于去除浮栅硬掩膜层后，暴露出的浮栅多晶硅层302表面可能会存在颗粒残留或者颗粒污染，因此需要对其进行清洗，以获得表面洁净的浮栅多晶硅层302。因此，请继续参考图3B，先执行步骤S3：将所述晶片置于盛有酸性清洗液的清洗槽中进行清洗，该步骤中使用的酸性清洗液可以为稀释的氢氟酸溶液(DHF)，所述稀释的氢氟酸为质量百分比为49％的HF溶液与H₂O以1：x的体积比混合而成，其中50≤x≤500。本次清洗的主要目的是去除浮栅多晶层302表面由于暴露在空气中而形成的自然氧化层以及去除浮栅多晶层302表面由于移除浮栅掩膜层而受到的机械损伤，本次清洗的温度为常温，清洗时间控制在70s以内，例如为40-100s。接着，执行步骤S4：将所述清洗槽中的酸性清洗液替换为常温碱性清洗液，对所述晶片继续清洗，本次清洗不需要转移晶片，从而可以较好地将晶片表面的疏水性转化为亲水性，避免出现水印(wafer mark)以及避免转移晶片造成水印变为难以去除的物质，本步骤中的常温碱性清洗液可以为氨水、双氧水和水混合而成的溶液，混合溶液中双氧水、氨水和去离子水的体积比为1:2:20～1:2:100(例如为1:2:50)，温度为15℃～40℃(例如为25℃～30℃)，清洗时间为40s～200s(例如为80s)。最后，再执行步骤S5：采用温度高于所述常温碱性清洗液的高温碱性清洗液，对所述晶片继续清洗，由于经过步骤S4后浮栅多晶层302表面以及晶片其余的暴露表面均为亲水性，其易于与高温碱性清洗溶液接触，进而使残留于介质层浮栅多晶层302表面等处的聚合物和污染物可以很容易的随高温碱性清洗溶液一起去除，从而提高晶圆清洗的效果，晶圆清洗的良率高，本步骤的清洗时间可以比步骤S4的清洗时间长；其中，所述高温碱性清洗液的温度为50℃～100℃(例如为75℃～85℃)，清洗的时间为400s～1000s(例如为750s)，且所述高温碱性清洗液与所述常温碱性清洗液不在同一个清洗槽中，此时高温碱性清洗液的成分可以与所述常温碱性清洗液相同，也可以不同，这种情况下在执行步骤S5时，需要将晶片从常温碱性清洗液所在的清洗槽转移到高温碱性清洗液所在的清洗槽中。

较佳的，在步骤S5结束后，用去离子水冲洗所述晶圆，并通过旋转甩干或氮气吹干等干燥方式对所述晶片进行干燥，干燥的持续时间可以为3分钟～5分钟。较佳的，步骤S3、S4、S5中均伴有超声或者兆声振动，以使晶片表面的污染物等掉落到清洗槽中。

请参考图3C，经过步骤S3、S4、S5的多步清洗后，浮栅多晶硅层302用于形成浮栅的待刻蚀表面非常洁净，基本上没有残留物质遮挡，因此，在步骤S6中，以侧墙304为掩膜，干法刻蚀侧墙304外侧暴露出的浮栅多晶硅层302以及浮栅氧化层301至半导体衬底晶圆300表面时，侧墙304外侧不会出现不必要的浮栅多晶硅层302残留，从而可以形成性能良好的存储浮栅。

在步骤S6之后，可以接着在浮栅多晶层302的外侧以及半导体衬底晶圆300表面形成隧穿氧化层(未图示)，用于电性隔离浮栅多晶硅层302与后续形成的字线多晶硅层以及隔离字线多晶硅层与半导体衬底晶圆300表面；然后，在具有隧穿氧化层的整个器件表面沉积多晶硅层，并刻蚀该多晶硅层，以在隧穿氧化层表面上以及侧墙304侧面上形成字线多晶硅层(未图示)；之后，可以在具有字线多晶硅层的器件表面沉积字线侧墙材料，并刻蚀字线侧墙材料，以在字线多晶硅层和隧穿氧化层的侧面形成字线侧墙。

我们还对应用本发明的分栅快闪存储器制造方法而获得分栅快闪存储器晶片进行了缺陷检测，如图4所示。对比图1B所示的现有技术下的分栅快闪存储器晶片表面缺陷分布图和图4所示的应用本发明的分栅快闪存储器制造方法而获得分栅快闪存储器晶片表面缺陷分布图，显然，应用本发明的分栅快闪存储器制造方法而获得分栅快闪存储器晶片表面的缺陷大大减少，产品良率大大提高。

需要说明的是步骤S3、S4、S5中晶片清洗方法不仅仅可以分栅快闪存储器的制造，还可以用于任何一具有通过移除硬掩膜层而暴露出来的待刻蚀的多晶硅层表面的晶片，以用于提供洁净的多晶层刻蚀表面，避免由于移除硬掩膜层后的清洗工艺产生的水印残留物在多晶硅刻蚀中造成遮挡而产生多晶硅残留。因此，本发明还提供一种避免多晶硅刻蚀残留的方法，包括：

首先，提供一具有待刻蚀的多晶硅层表面的晶片，所述待刻蚀的多晶层表面通过移除硬掩膜层而暴露出来；

接着，将所述晶片置于盛有酸性清洗液的清洗槽中进行清洗；

然后，将所述清洗槽中的酸性清洗液替换为常温碱性清洗液，对所述晶片继续清洗；

之后，采用温度高于所述常温碱性清洗液的高温碱性清洗液，对所述晶片继续清洗。

较佳的，所述酸性清洗液为稀释的氢氟酸溶液。

较佳的，所述常温碱性清洗液或所述高温碱性清洗液为氨水、双氧水和水混合而成的溶液。

较佳的，所述常温碱性清洗液或所述高温碱性清洗液中双氧水、氨水和水的体积比为1:2:20～1:2:100。

较佳的，所述高温碱性清洗液与所述常温碱性清洗液不在同一个清洗槽中。

较佳的，所述晶片被所述常温碱性清洗液清洗的时间短于被所述高温碱性清洗液清洗的时间，例如，所述晶片被所述常温碱性清洗液清洗的时间为40s～200s，被所述碱性清洗液清洗的时间为400s～1000s。

较佳的，所述常温碱性清洗液的温度为15℃～40℃，而所述高温碱性清洗液的温度为50℃～100℃。

综上所述，本发明的避免多晶硅刻蚀残留的方法以及分栅快闪存储器制造方法，先将晶片置于盛有酸性清洗液的清洗槽进行清洗，然后直接将所述清洗槽中的酸性清洗液替换为常温碱性清洗液，而避免晶片转移清洗槽，同时将暴露的多晶硅表面由疏水性变为亲水性，可以避免多晶硅表面附着难以去除的物质，使得多晶硅表面在高温碱性清洗液中被清洗干净，在后续刻蚀过程中不会由于清洗后残留物质的遮挡而产生多晶硅残留的问题，从而大大提高了器件芯片的成品率。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种避免多晶硅刻蚀残留的方法，其特征在于，包括：

提供一具有待刻蚀的多晶硅层表面的晶片，所述待刻蚀的多晶硅层表面通过移除硬掩膜层而暴露出来；

将所述晶片置于盛有酸性清洗液的清洗槽中进行清洗；

2.如权利要求1所述的避免多晶硅刻蚀残留的方法，其特征在于，所述酸性清洗液为氢氟酸溶液。

3.如权利要求1所述的避免多晶硅刻蚀残留的方法，其特征在于，所述常温碱性清洗液或所述高温碱性清洗液为氨水、双氧水和去离子水混合而成的溶液。

4.如权利要求3所述的避免多晶硅刻蚀残留的方法，其特征在于，所述常温碱性清洗液或所述高温碱性清洗液中双氧水、氨水、和去离子水的体积比为1:2:20～1:2:100。

5.如权利要求1所述的避免多晶硅刻蚀残留的方法，其特征在于，所述高温碱性清洗液与所述常温碱性清洗液不在同一个清洗槽中。

6.如权利要求1所述的避免多晶硅刻蚀残留的方法，其特征在于，所述晶片被所述常温碱性清洗液清洗的时间短于被所述高温碱性清洗液清洗的时间。

7.如权利要求6所述的避免多晶硅刻蚀残留的方法，其特征在于，所述晶片被所述常温碱性清洗液清洗的时间为40s～200s，被所述高温碱性清洗液清洗的时间为400s～1000s。

8.如权利要求1所述的避免多晶硅刻蚀残留的方法，其特征在于，所述常温碱性清洗液的温度为15℃～40℃。

9.如权利要求1所述的避免多晶硅刻蚀残留的方法，其特征在于，所述高温碱性清洗液的温度为50℃～100℃。

10.一种分栅快闪存储器制造方法，其特征在于，包括：

刻蚀去除所述浮栅硬掩膜层，暴露出所述浮栅多晶硅层，以获得一具有待刻蚀的多晶硅层表面的晶片；

采用权利要求1至9中任一项所述的避免多晶硅刻蚀残留的方法对所述晶片表面进行清洗；

对清洗后的晶片的浮栅多晶硅层进行刻蚀，以形成浮栅。