專利名稱：深亞微米集成電路制造工藝中集成不同厚度柵氧的方法
技術領域：
本發明屬于集成電路制造工藝技術領域，具體涉及在深亞微米集成電路制造工藝中，集成低壓和高壓晶體管所需不同厚度柵氧的方法。
背景技術：
按照等比例縮小法則，MOS(金屬-氧化層-半導體)晶體管的工作電壓隨多晶柵線寬的縮小而相應減小，柵氧厚度也不斷減薄。目前，國際上最先進的集成電路制造工藝線寬已達到90nm，而在國內，制造工藝則主要處于0.18μm至0.35μm水平。在這一深亞微米階段，晶體管的工作電壓一般為1.8V至3.3V，柵氧厚度則在25A至80A間。在0.25μm至0.35μm階段，一般采用場氧化的隔離方法；0.25μm以下，普遍采用淺槽隔離(Shallow Trench Isolation，簡稱STI)技術。
在集成電路應用中，仍有很多領域需要用到10V以上的較高電壓，如液晶顯示器驅動芯片，電源控制芯片，汽車電子芯片，工控芯片等。在這些芯片中，MOS晶體管的工作電壓也相應提高；為保證不被擊穿，其柵氧厚度須相應增加。對于工作電壓在18～40V范圍的高壓MOS晶體管，其柵氧厚度一般在400～1000A。
單芯片系統集成(System on Chip，簡稱SOC)是目前集成電路發展的一個重點。通過將低壓電路，高壓電路，靜態隨機存儲器(SRAM)，非揮發性存儲器(Non-volatileMemory)等集成于一片芯片上，可以使其實現更強大的功能，產生許多新的用途。
在一個芯片上集成不同類型的器件，其制造工藝的復雜性將明顯增加，對于工藝集成的要求也更高。以本發明涉及的低壓、高壓MOS晶體管工藝集成來講，一個主要的難點在于形成不同厚度柵氧的同時，如何將隔離區氧化層的厚度保持與正常工藝一致。普通做法是，先用熱氧化的方法在硅片生長高壓柵氧的第一部分(350A～950A)，然后用光刻膠掩蔽高壓部分，用腐蝕液將低壓部分的氧化層腐蝕干凈，然后去除光刻膠，經過清洗后，用熱氧化的方法生長低壓柵氧(25A～80A)，此時高壓部分也會繼續氧化，達到最終厚度(400～1000A)。這種做法的缺點是，腐蝕低壓有源區氧化層的時候，低壓隔離區上氧化層也會被腐蝕。以30％的過腐蝕量計算，氧化層的腐蝕量為520A至1300A。對于3000A至4000A厚的隔離區氧化層而言，減少這么多會降低隔離效果，造成漏電大甚至電路無法工作。故該方法無法在實際生產中使用。
保持低壓隔離區氧化層厚度的另一種辦法是，將隔離區氧化層加厚，增加量等于被腐蝕量(520A至1300A)，以保持最終的厚度不變。對于采用場氧化方法隔離的0.25μm至0.35μm技術，增加場氧化厚度將增大“鳥嘴”效應，減少有源區面積，從而偏離原來的版圖設計規則。對于采用淺槽隔離的0.25μm至0.18μm技術，正常情況下隔離氧化層比硅表面約高出100A～300A，如果再增加500A乃至1000A以上，其將對溝道注入產生“陰影效應”。由于最小有源區的寬度已非常小(0.30μm～0.22μm)，陰影效應對器件的影響會很大。故增厚隔離氧化層的做法也無法被采用。
目前在實際生產中使用較多的方法是，先在全片上生長一層較薄(100A～200A)的犧牲氧化層和一層氮化硅。然后用光刻、刻蝕的方法將高壓區的氮化硅和氧化層腐蝕干凈。去膠、清洗后生長高壓柵氧。由于低壓區氮化硅層的存在，低壓區將不會被氧化。然后將氮化硅層和犧牲氧化層腐蝕掉，清洗后生長低壓柵氧。由于犧牲氧化層在普通深亞微米(不含高壓器件)工藝中也往往被采用，如做注入氧化層以減少注入損傷，故對于低壓隔離區，其氧化層腐蝕量不受高壓工藝影響，與普通工藝一致。這種做法的缺點是，對于高壓柵氧，其在氮化硅腐蝕和犧牲氧化層腐蝕時，都會同時被腐蝕，故其厚度及質量較難控制好。同時，與普通工藝相比，除了必須的光刻和氧化層腐蝕外，該方法多了一步氮化硅淀積和兩步氮化硅腐蝕。
發明內容
本發明的目的在于提出一種工藝簡單、控制方便的在深亞微米集成電路制造工藝中形成不同厚度的低壓、高壓晶體管柵氧的方法。
本發明提出的形成不同厚度柵氧的方法，是分別形成低壓(1.8V～3.5V)和高壓(18V～40V)晶體管所需的不同厚度柵氧，其中，高壓晶體管的厚柵氧通過熱氧化，氧化層淀積，熱氧化及退火三步完成，其中第三步熱氧化及退火與低壓晶體管柵氧化同時完成；而低壓晶體管則在高壓晶體管柵氧前兩步完成后，經光刻、腐蝕，先將低壓晶體管區的氧化層腐蝕干凈，然后通過熱氧化及退火形成薄柵氧。
上述工藝集成方法的主要流程為A、在硅單晶襯底上形成有源區和隔離區；B、清洗硅片表面后，用熱氧化工藝生長氧化層；C、用減壓化學氣相淀積工藝淀積氧化層；D、用光刻工藝，將高壓部分用光刻膠擋住，用氧化層腐蝕液將低壓部分的氧化層腐蝕干凈；E、用光刻膠腐蝕液將光刻膠腐蝕干凈；
F、清洗硅片表面后，用熱氧化工藝生長氧化層，氧化結束后，氧化爐升溫在氮氣氛圍內進行退火；最終形成高低壓不同厚度柵氧。
本發明中，高壓晶體管柵氧的最終厚度可為400A～1000A，低壓晶體管柵氧的最終厚度可為25A～80A上述高壓晶體管柵氧第一步采用熱氧化工藝，氧化溫度為750℃～850℃，氧化層厚度為40A～60A；第二步采用減壓化學氣相淀積工藝，淀積溫度為750℃～800℃，淀積厚度為300A～950A；第三步采用熱氧化及退火工藝，在氧化爐內先氧化，溫度為750℃～850℃，氧化厚度為25A～80A，然后在氮氣氛圍中退火，退火溫度為900℃～1000℃，退火時間為5分鐘～30分鐘。
上述低壓晶體管柵氧采用熱氧化及退火工藝，在爐內先氧化，溫度為750℃～850℃，氧化厚度為25A～80A，然后在氮氣氛圍中退火，退火溫度為900℃～1000℃，退火時間為5分鐘～30分鐘。
本發明提出的柵氧形成方法，第一步是在清洗干凈的硅片表面生長一層熱氧化。這層熱氧化層是高壓柵氧的一部分，采用它的原因是熱氧化層缺陷少，與硅的界面好，從而能使高壓晶體管保持良好的特性。
第二步則采用減壓化學氣相淀積法，在全片淀積一層厚的氧化膜；高壓柵氧的主要部分由該步完成。采用淀積法，使得硅片表面無論有源區還是隔離區的氧化層厚度都得到增加。為保證淀積氧化層的質量，淀積時的溫度須較高，淀積的厚度則根據高壓柵氧的最終厚度而定，以40V高壓MOS晶體管工藝為例，其高壓柵氧厚度為1000A，采用本方法可淀積950A。
然后通過光刻將高壓部分用光刻膠擋住，再用腐蝕液將低壓區的氧化層腐蝕干凈。由于前一步氧化采用了淀積法，低壓部分的有源區和隔離區上的氧化層厚度都相應增加，故腐蝕時，當低壓有源區上的氧化層被腐蝕干凈時，低壓隔離區上的氧化層厚度，與普通工藝相比，只減少了氧化層的過腐蝕量。以30％的過腐蝕量，1000A高壓柵氧也只會使低壓區隔離氧化層減少300A。對于3000A至4000A厚的隔離氧化層來說，這點減少量的影響很小。同時，也可先將隔離氧化層增厚300A以抵消腐蝕的影響，這樣做的影響同樣很小。
將低壓部分的氧化層腐蝕干凈后，將光刻膠去除，清洗硅片后，即可生長低壓柵氧化。以0.18μm技術為例，低壓柵氧的厚度為30A，氧化溫度為800C。氧化結束后，氧化爐升溫至900C，在氮氣氛圍內退火20分鐘，以提高氧化層質量。氧化時，高壓柵氧的厚度也會增加，達到最終所要求的厚度。同時，退火過程也使高壓氧化層的質量得到提高。
圖1為在硅單晶襯底上形成有源區和隔離區圖2為經過熱氧化和氧化層淀積后，硅片表面氧化層狀況圖3為低壓部分氧化層腐蝕后的硅表面狀況圖4為不同厚度柵氧化層最終形成后的硅表面狀況圖中標號1表示第一步熱氧化層、2表示第二步減壓化學氣相法淀積的氧化層、3表示光刻膠、4表示最終形成的高壓晶體管柵氧、5表示低壓晶體管柵氧、6表示襯底、7表示隔離氧化、8表示高壓有源區、9表示低壓有源區。
具體實施例方式
本發明的實施過程如下1、在硅單晶襯底上形成有源區和隔離區(參見附圖1)2、清洗硅片表面后，用熱氧化工藝生長氧化層，氧化溫度分別為750℃、850℃、800℃，氧化層厚度為40A、50A、60A。
3、用減壓化學氣相淀積工藝淀積氧化層，淀積溫度分別是800℃、750℃、780℃，淀積厚度是950A、300A、600A(參見附圖2)。
4、用光刻工藝，將高壓部分用光刻膠擋住，用氧化層腐蝕液將低壓部分的氧化層腐蝕干凈，腐蝕量為1300A(參見附圖3)。
5、用光刻膠腐蝕液將光刻膠腐蝕干凈6、清洗硅片表面后，用熱氧化工藝生長氧化層，氧化溫度為800℃、750℃、850℃、，氧化厚度分別為30A、60A、80A。氧化結束后，氧化爐升溫至900℃或1000℃，在氮氣氛圍內退火5-20分鐘。
該步完成后，高低壓不同厚度柵氧即最終形成(參見附圖4)，接下去即可淀積多晶硅作為晶體管的柵極。
以上工藝中，在不同參數條件下均可獲得良好結果。
權利要求
1.一種在深亞微米集成電路制造工藝中形成不同厚度柵氧的方法，其特征在于分別形成1.8V～3.5V低壓和18V～40V高壓晶體管所需的不同厚度柵氧，其中，高壓晶體管的厚柵氧通過熱氧化、氧化層淀積、熱氧化及退火三步完成，其中第三步熱氧化及退火與低壓晶體管柵氧化同時完成；低壓晶體管則在高壓晶體管柵氧前兩步完成后，經光刻、腐蝕，先將低壓晶體管區的氧化層腐蝕干凈，然后通過熱氧化及退火形成薄柵氧。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于主要工藝流程為A、在硅單晶襯底上形成有源區和隔離區；B、清洗硅片表面后，用熱氧化工藝生長氧化層；C、用減壓化學氣相淀積工藝淀積氧化層；D、用光刻工藝，將高壓部分用光刻膠擋住，用氧化層腐蝕液將低壓部分的氧化層腐蝕干凈；E、用光刻膠腐蝕液將光刻膠腐蝕干凈；F、清洗硅片表面后，用熱氧化工藝生長氧化層，氧化結束后，氧化爐升溫在氮氣氛圍內進行退火；最終形成高低壓不同厚度柵氧。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征是高壓晶體管柵氧的最終厚度為400A～1000A，低壓晶體管柵氧的最終厚度為25A～80A。
4.根據權利要求1或2所述的方法，其特征是高壓晶體管柵氧第一步采用熱氧化工藝，氧化溫度為750C～850C，氧化層厚度為40A～60A；第二步采用減壓化學氣相淀積工藝，淀積溫度為750C～800C，淀積厚度為300A～950A；第三步采用熱氧化及退火工藝，在氧化爐內先氧化，溫度為750C～850C，氧化厚度為25A～80A，然后在氮氣氛圍中退火，退火溫度為900C～1000C，退火時間為5分鐘～30分鐘。
5.根據權利要求1或2所述的方法，其特征是低壓晶體管柵氧采用熱氧化及退火工藝，在爐內先氧化，溫度為750C～850C，氧化厚度為25A～80A，然后在氮氣氛圍中退火，退火溫度為900C～1000C，退火時間為5分鐘～30分鐘。
全文摘要
本發明屬集成電路制造工藝技術領域，具體為一種深亞微米集成電路技術中形成不同厚度柵氧的方法。將高低壓不同厚度柵氧集成起來的一個難點是如何將低壓隔離區氧化層厚度與普通工藝保持一致。目前做法是將低壓部分用氮化硅層保護，單獨長高壓區的柵氧。這不僅多了氮化硅淀積和腐蝕步驟，同時高壓柵氧會受氮化硅及氧化層腐蝕步驟的影響，其厚度和質量較難控制。本發明是分別形成低壓和高壓晶體管所需不同厚度的柵氧，其中，高壓柵氧通過熱氧化、氧化層淀積、熱氧化及退火三步完成，其第三步熱氧化及退火與低壓柵氧的氧化同時完成。不僅減少了工藝步驟，而且可以更好控制高壓柵氧的厚度和質量。
文檔編號H01L21/336GK1649132SQ200410093450
公開日2005年8月3日 申請日期2004年12月23日 優先權日2004年12月23日
發明者李銘 申請人:上海華虹(集團)有限公司, 上海集成電路研發中心有限公司