CN109767981B - 台阶状ono薄膜的刻蚀方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种台阶状ONO薄膜的刻蚀方法，是在SONOS存储器制造工艺中，针对阶梯状的ONO膜的刻蚀残留问题，针对台阶状ONO薄膜，对其刻蚀采用局部刻蚀和整体刻蚀的两段式刻蚀：第一段刻蚀分为两步，先进行局部的BARC刻蚀，以及再进行局部的氮化硅刻蚀；第二段刻蚀也分为两步：先进行整体的BARC刻蚀，然后进行整体的氮化硅刻蚀。本发明利用BARC/氮化膜/氧化膜相互之间的选择比，使用分段刻蚀，在选择比无法持续提升的情形下，将侧墙的需要刻蚀的薄膜进行分段处理，在每个刻蚀步骤中，充分利用不同膜之间的刻蚀速率的不同，利用下一层膜作为刻蚀终止层，提高过刻蚀量以确保侧墙薄膜被完全刻蚀干净；同时分段处理使刻蚀负荷得到降低，获得更大的工艺窗口。

Description

台阶状ONO薄膜的刻蚀方法

技术领域

本发明涉及半导体器件制造领域，特别是指一种台阶状ONO薄膜的刻蚀方法。

背景技术

非挥发性存储器(NVM)技术，主要有浮栅(floating gate)技术、分压栅(splitgate)技术以及SONOS(Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon)技术。SONOS技术应 用广泛，具有操作电压低，速度快，容量大等优点。SONOS嵌入式存储器在金融卡、智 能可穿戴装备、FPGA以及物联网中有着广阔的应用前景，SONOS Flash存储器是由多个 存储单元形成的矩阵结构，每个存储单元包含一选择管及一SONOS管。而在其制造工艺 中，ONO成膜及其刻蚀工艺是关键技术之一。

ONO膜在存储器的某些结构位置具有很高的台阶状的形貌，这是由于前层工艺所带 来的阶梯高度：前层台阶高度(incoming step height)。比如一般在形成STI浅槽隔 离时，在完成浅槽内介质填充之后，沟槽位置处的上方形成台阶。该处阶梯状高度差 (stepheight)变大引起的STI侧墙刻蚀后存在氮化硅残留的问题。如现有工艺是使 用BARC(底部抗反射涂层，是光刻工艺中使用的一种材料，用来减小来自光刻胶下面反 射层的光反射，为有机或者无机的绝缘材料，在涂光刻胶之前被加到硅片上，然后再涂 上光刻胶)刻蚀+氮化硅刻蚀的两步刻蚀工艺来完成，同时要保护氮化硅下面的有源区 不被损坏掉，因为氮化硅台阶中氮化硅/氧化硅选择比一定的情况下，当过刻蚀量持续 提升的过程中，因氮化硅和有源区之间的pad氧化层较薄，而过刻蚀量不够会出现侧墙 氮化硅残留,就会导致有源区损坏而使得工艺窗口不足。针对台阶高度差大于

的超 高阶梯状高度差(stepheight)的干法刻蚀，为了保证侧墙的薄膜没有残留,利用膜之 间的干法刻蚀的高选择比，需要工艺中的过刻蚀台阶来提供足够多的刻蚀量以消除侧墙 的薄膜残留，但在实际工作中，前层台阶高度有持续增加的需求，而膜间刻蚀选择比却 是一个相对固定的工艺参数，无法持续提高，也就无法提供足够的过刻蚀量,导致侧墙 的氮化硅薄膜无法刻蚀干净，形成残留。如图1所示是传统工艺下的高台阶高度的侧墙 的显微图片，图中虚线圆圈处台阶侧壁的边缘比较模糊，边缘轮廓不够清晰，这是台阶 侧壁有氮化硅残留所造成的，图2是高台阶刻蚀条件下的有源区损伤的示意图，图中虚 线框内的有源区顶端已经向下凹陷(已用虚线勾勒出表面凹陷形貌)，出现了损伤。这 是目前对于高台阶下的ONO膜刻蚀容易出现的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种台阶状ONO薄膜的刻蚀方法，针对阶梯状 高度差变大引起的STI侧墙ONO膜残留问题，提出了新的工艺方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种台阶状ONO薄膜的刻蚀方法，是在SONOS存储器制造工艺中，针对阶梯状的ONO膜的刻蚀残留问题。针对台阶状ONO薄膜，对其刻蚀 采用局部刻蚀和整体刻蚀的两段式刻蚀：第一段刻蚀分为两步，先进行局部的BARC刻 蚀，以及再进行局部的ONO膜刻蚀；第二段刻蚀也分为两步：先进行整体的BARC刻蚀， 然后进行整体的ONO膜刻蚀。

进一步的改进是，所述第一段的局部的BARC刻蚀和局部的ONO膜刻蚀，是循环步骤，能在前层台阶高度持续提升的情况下，使用多个循环刻蚀，即反复实施局部的BARC 刻蚀和局部的ONO膜刻蚀步骤。

进一步的改进是，所述前层台阶高度是在ONO膜形成之前，由于前序工艺所带来的在将要形成ONO膜的位置表面处出现台阶形貌，该台阶的高度即为前层台阶高度。

进一步的改进是，所述的循环进行局部的BARC刻蚀以及局部的氮化硅刻蚀，是要在前层台阶高度过大的情况下提供足够的刻蚀量，保证侧墙位置的ONO膜刻蚀干净无残留。

进一步的改进是，所述的两段式刻蚀，在每段所述刻蚀的每步刻蚀步骤中，充分利用不同膜间的刻蚀速率的不同，利用下一层薄膜作为刻蚀终止层。

进一步的改进是，所述的第一段刻蚀，局部的BARC刻蚀是向下刻蚀到ONO膜的台阶上，以台阶上的ONO膜为刻蚀终止层，使台阶上的ONO膜露出。

进一步的改进是，所述的第一段刻蚀，局部的ONO膜刻蚀，是继续向下刻蚀台阶上的ONO膜，直到台阶上的ONO膜刻蚀完全去除，同时台阶下的BARC也被刻蚀掉一部分， 以及台阶侧壁的ONO膜也被部分去除，仅靠近台阶拐角残留少量ONO膜。

进一步的改进是，所述的第二段刻蚀，进行整体的BARC刻蚀，是将台阶下的BARC整体去除，直至露出台阶下的ONO膜，此时台阶下的ONO膜作为刻蚀终止层。

进一步的改进是，所述的第二段刻蚀，进行整体的ONO膜刻蚀，将台阶下的ONO膜，包括台阶下拐角处的ONO膜完全去除。

进一步的改进是，所述的ONO膜，或者是氮化膜和氧化膜的复合膜，或者仅是氮化膜、氧化膜中的一种，均适用本刻蚀方法。

本发明所述的台阶状ONO薄膜的刻蚀方法，充分利用BARC/氮化硅/氧化硅相互之间的选择比，使用分段刻蚀，循环刻蚀工艺设计方案有效解决了侧墙残留问题，在选择 比无法持续提升的情形下，将侧墙的将要完全刻蚀掉的薄膜进行分段处理，在单个刻蚀 工艺步骤中，充分利用不同膜之间的刻蚀速率的不同，利用下一层薄膜作为刻蚀的终止 层，进而可以提高过刻蚀的刻蚀量，确保侧墙能被完全刻蚀干净，无残留，又因为针对 将要刻蚀去除的侧墙薄膜做了分段处理，刻蚀的负担得到极大的降低，可以获得较大的 工艺窗口。

附图说明

图1是现有工艺刻蚀完成之后的STI侧墙有氮化硅残留的示意图。

图2是现有工艺刻蚀完成之后,氮化硅残留导致有源区损伤的示意图。

图3～6是本发明两段式刻蚀工艺的刻蚀步骤示意图。

图7 是采用本发明两段式刻蚀工艺后的效果图，显示侧墙无残留，有源区无损伤。

图8 是本发明工艺方法流程图。

具体实施方式

本发明所述的一种台阶状ONO薄膜的刻蚀方法，是在SONOS存储器制造工艺中，针对阶梯状的ONO膜的刻蚀残留问题，此台阶形成于STI沟槽上方，台阶下、STI沟槽的 一侧为有源区AA。台阶状的ONO膜上还具有BARC膜，依附于台阶状的ONO膜上的BARC 膜同样其表面也呈现台阶状的形貌。传统的台阶状ONO膜的刻蚀工艺是使用BARC刻蚀+ 氮化硅刻蚀单纯的两步刻蚀来完成。因为同时要保护氮化硅下面的有源区不被损伤，在 氮化硅/氧化硅刻蚀选择比一定的情况下，当过刻蚀量持续提升的过程中，就会导致氮 化硅刻蚀残留、有源区损伤的问题，使得工艺窗口不足。

根据上述存在的问题，本发明提出一种关于分段刻蚀、循环刻蚀的新制造工艺：

针对台阶状ONO薄膜，对其刻蚀采用局部刻蚀和整体刻蚀的两段式刻蚀：第一段局部刻蚀分为两步，先进行局部的BARC刻蚀，以及再进行局部的ONO膜刻蚀；第二段整 体刻蚀也分为两步：先进行整体的BARC刻蚀，然后进行整体的ONO膜刻蚀。所述的两 段式刻蚀，在每段所述刻蚀的每步刻蚀步骤中，充分利用不同膜间的刻蚀速率的不同， 利用下一层薄膜作为刻蚀终止层。

更具体是，所述的第一段局部刻蚀，局部的BARC刻蚀是向下刻蚀到ONO膜的台阶上，以台阶上的ONO膜为刻蚀终止层，使台阶上的ONO膜露出，如图3所示，台阶下方 为有源区，此时台阶下方的BARC膜被去除一部分，但仍保留有一定厚度的BARC膜，BARC 膜下方是ONO膜。此时ONO膜仍完整地覆盖整个台阶，即从台阶上一直沿台阶侧壁延伸 覆盖至台阶下。

所述的第一段的局部刻蚀中的局部的ONO膜刻蚀，是继续向下刻蚀台阶上的ONO膜层，直到台阶上的ONO膜刻蚀完全去除，如图4所示，同时台阶下的BARC也被刻蚀掉 一部分，以及台阶侧壁的ONO膜也被部分去除，仅靠近台阶拐角残留少量ONO膜。

所述的第二段刻蚀，是进行整体的刻蚀。如图5所示，首先进行整体的BARC刻蚀，是将台阶下的BARC整体去除，直至露出台阶下方的ONO膜，此时台阶下的ONO膜作为 刻蚀终止层，整体的BARC刻蚀完成，表面上所有的BARC被刻蚀干净。

所述的第二段整体刻蚀中的整体的ONO膜刻蚀，将台阶下的ONO膜，包括台阶下拐角处的ONO膜完全去除，ONO膜不再有残留。如图6所示。

所述第一段刻蚀工艺中的局部的BARC刻蚀和局部的ONO膜刻蚀，是可循环步骤，能在前层台阶高度持续提升的情况下，使用多个循环刻蚀，即反复实施局部的BARC刻 蚀和局部的ONO膜刻蚀步骤，在一次的局部BARC刻蚀加一次的局部ONO膜刻蚀之后， 再次进行局部的BARC刻蚀加局部的ONO膜刻蚀，依次类推…，循环的次数不限。这是 因为前层台阶高度在不同的工艺条件下会有很大的变化，依据不同的工艺环境或者技术 指标，前层台阶高度在某些工艺中会很大，形成比较高的台阶。单次的局部BARC刻蚀+ 单次的局部ONO膜刻蚀，不能保证将所需要的刻蚀的BARC层及ONO膜刻蚀到所希望达 到的效果，那么就需要反复进行这两个步骤以保证足够的刻蚀量，直到实现预定的刻蚀 目标。所述的循环进行局部的BARC刻蚀以及局部的ONO膜刻蚀，能保证侧墙的ONO膜 刻蚀干净无残留。

本发明的刻蚀方法，在整个刻蚀工艺前后，台阶的高度不会降低，以某一实施例中的台阶为例，其台阶高度在进行局部BARC刻蚀之前为

(台阶高度以上下ONO膜落 差计算)，在整个刻蚀完成之后，即整体的ONO膜刻蚀完成之后，其台阶高度仍为

本发明所述的台阶状ONO薄膜的刻蚀方法，充分利用BARC/氮化硅/氧化硅相互之间的选择比，使用分段刻蚀，循环刻蚀工艺设计方案有效解决了侧墙残留问题，在选择 比无法持续提升的情形下，将侧墙的将要完全刻蚀掉的薄膜进行分段处理，在所述的每 单个刻蚀工艺步骤中，充分利用不同膜之间的刻蚀速率的不同，利用下一层薄膜作为刻 蚀的终止层，进而可以提高过刻蚀的刻蚀量，确保侧墙能被完全刻蚀干净，无残留，又 因为针对将要刻蚀去除的侧墙薄膜做了分段处理，刻蚀的负担得到极大的降低，可以获 得较大的工艺窗口。

需要特别说明的是，本发明工艺不仅限于刻蚀ONO膜，还适用于氮化硅+氧化硅膜，或者仅氮化硅膜，或者仅氧化硅膜等各种情况。也就是说，将前述实施例中的ONO膜替 换为上述任一种情况下的薄膜，本工艺方法均适用。

本工艺方法的实验结果如图7证明，该解决方案较好的解决了前层台阶高度过高条 件下侧墙残留的问题，并实现了薄膜下方的有源区不受损伤。图中圈注处所示的氮化硅膜被完全去除干净，台阶侧壁边缘清晰，表明ONO膜层被完全去除干净，而台阶下方的 有源区表面也保持平整，没有受到损伤。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说， 本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种台阶状ONO薄膜的刻蚀方法，是在SONOS存储器制造工艺中，针对阶梯状的ONO膜的刻蚀残留问题，其特征在于：针对台阶状ONO薄膜以及覆盖于ONO薄膜上方的BARC，对其刻蚀采用局部刻蚀和整体刻蚀的两段式刻蚀：第一段刻蚀分为两步，先进行局部的BARC刻蚀，局部的BARC刻蚀是向下刻蚀到ONO膜的台阶上，以台阶上的ONO膜为刻蚀终止层，使台阶上的ONO膜露出；以及再进行局部的ONO膜刻蚀；局部的ONO膜刻蚀，是继续向下刻蚀台阶上的ONO膜，直到台阶上的ONO膜刻蚀完全去除，同时台阶下的BARC层也被刻蚀掉一部分，以及台阶侧壁的ONO膜也被部分去除，仅靠近台阶拐角残留少量ONO膜；

第二段刻蚀也分为两步：先进行整体的BARC刻蚀，然后进行整体的ONO膜刻蚀；整体的BARC刻蚀是将台阶下的BARC整体去除，直至露出台阶下的ONO膜，此时台阶下的ONO膜作为刻蚀终止层；整体的ONO膜刻蚀，将台阶下的ONO膜，包括台阶下拐角处的ONO膜完全去除。

2.如权利要求1所述的台阶状ONO薄膜的刻蚀方法，其特征在于：所述第一段的局部的BARC刻蚀和局部的ONO膜刻蚀，是可循环步骤，依据不同的情况选择实施一次或者循环多次；当在前层台阶高度持续提升的情况下，使用多个循环刻蚀，即反复实施局部的BARC刻蚀和局部的ONO膜刻蚀步骤。

3.如权利要求2所述的台阶状ONO薄膜的刻蚀方法，其特征在于：所述前层台阶高度是在ONO膜形成之前，由于前序工艺所带来的在将要形成ONO膜的位置表面处出现台阶形貌，该台阶的高度即为前层台阶高度。

4.如权利要求2所述的台阶状ONO薄膜的刻蚀方法，其特征在于：所述的循环进行局部的BARC刻蚀以及局部的氮化硅刻蚀，是要在前层台阶高度超过400Å的情况下提供足够的刻蚀量，保证侧墙位置的ONO膜刻蚀干净无残留。

5.如权利要求1所述的台阶状ONO薄膜的刻蚀方法，其特征在于：所述的两段式刻蚀，在每段所述刻蚀的每步刻蚀步骤中，充分利用不同膜间的刻蚀速率的不同，利用下一层薄膜作为刻蚀终止层。

6. 如权利要求1所述的台阶状ONO薄膜的刻蚀方法，其特征在于：利用BARC /氮化层/氧化层相互之间的选择比，使用分段刻蚀，在选择比无法持续提升的情形下，将侧墙的需要刻蚀的薄膜进行分段处理，在每个刻蚀步骤中，充分利用不同膜之间的刻蚀速率的不同，利用下一层膜作为刻蚀终止层，提高过刻蚀量以确保侧墙薄膜被完全刻蚀干净；同时分段处理使刻蚀负荷得到降低，获得更大的工艺窗口。

7.如权利要求1～6任意一项所述的台阶状ONO薄膜的刻蚀方法，其特征在于：所述的ONO膜，或者替换为氮化膜和氧化膜的复合膜，或者仅是氮化膜、氧化膜中的任意一种，均仍适用本刻蚀方法。

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