專利名稱：一種柵氧刻蝕方法和多柵極制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體領域的制程工藝，尤其涉及一種多柵極制作過程中的柵氧化層刻蝕方法。
背景技術：
隨著半導體制造技術的飛速發展，半導體器件為了達到更快的運算速度、更大的數據存儲量以及更多的功能，半導體晶片朝向更高的元件密度、高集成度方向發展。在一些芯片的制作過程中，往往因不同器件的電學性質，對這些器件要求的柵極厚度也不一致，因此業內形成了多柵極的制作工藝。請參見圖1，以雙柵極制作工藝為例:在襯底10上分別定義第一器件11和第二器件12的區域，首先在兩種器件的表面形成一層相同厚度的柵氧化層13，然后采用光刻工藝，將第一器件11區域上的柵氧化層刻蝕掉，留下第二器件12上的柵氧化層，最后在兩器件表面第二次形成一層相同厚度的柵氧換層14。這樣在第一器件11上方的柵氧化層厚度就是柵氧化層14的厚度，而第二器件12上方的柵氧化層厚度就是柵氧化層13加上柵氧化層14的總厚度，從而形成兩種器件的不同厚度的柵氧化層。上述方法中，在對第一層柵氧化層13進行刻蝕時，業內目前普遍采用濕法刻蝕工藝進行。該濕法刻蝕的時間成為能否保證多柵極器件質量的關鍵因素:如果刻蝕時間過短，則第一層柵氧化層未能被刻蝕干凈，遺留的柵氧化層在第二次柵氧化層制作時，會形成疊力口，從而導致第一器件的柵極過高，影響器件的電學性質。如果刻蝕時間過長，則將第一柵氧化層刻蝕完畢后，刻蝕液中的酸性液體會進一步腐蝕硅層表面，雖然通常的刻蝕液不易與硅發生反應，但是硅表面的部分分子鍵會被破壞，從而形成微小顆粒物，這種顆粒物會在后續的清洗過程中進一步成長，并在制作柵極多晶硅(poly)的時候，導致poly層產生滾雪球效應，成為大顆粒物缺陷，如圖2所示。這種大顆粒物會在poly層刻蝕完成后，導致柵極的橋接缺陷，如圖3所示，嚴重影像器件的質量。因此，有必要對現有的柵氧化層刻蝕工藝做改進，以改變刻蝕中可能引起的各種缺陷。
發明內容
有鑒于此，本發明的一個目的在于提出一種柵氧化物的刻蝕方法，該刻蝕方法在刻蝕柵氧化物時，能夠保證柵氧化物在被刻蝕干凈的情況下，將硅層表面的破壞程度降到最小，從而減少后續過程中柵極多晶硅層中大顆粒缺陷的產生，以提高器件的質量。同時本發明還提出一種多柵極的制作方法，該多柵極制作方法利用上述的柵氧化物刻蝕方法對第一層柵氧化物進行刻蝕，從而保證多層柵氧化物的制作質量，進而提高多柵極器件的質量。根據本發明的目的提出的一種柵氧刻蝕方法，該刻蝕方法用以去除光刻工藝中，沒有被光刻膠覆蓋的柵氧化層，所述刻蝕方法為濕法刻蝕，包括步驟:主刻蝕，采用氟化氨和氟化氫的混合液為刻蝕液，對柵氧化層進行刻蝕，主刻蝕時間由柵氧化層的厚度而定；主過刻，采用和上述主刻蝕相同的刻蝕液進行刻蝕，主過刻時間小于主刻蝕時間的 30% ；第一輔刻蝕，采用硫酸和雙氧水的混合液為刻蝕液，對上述主過刻之后的柵氧化層進行清洗，以去除柵氧化層上的光刻膠有機物；第二輔刻蝕,采用氫氧化氨、雙氧水和水的混合液為刻蝕液,對上述第一輔刻蝕之后的柵氧化層進行清洗，以去除殘余光刻膠和無機顆粒物，其中，所述氫氧化氨、雙氧水和水的比例為1: 2: 10。優選的，所述氟化氨和氟化氫的體積比為50: I。優選的，所述硫酸和雙氧水的比例為4: I。根據本發明的另一目的提出的一種多柵極制作方法，用于在芯片上形成至少兩種具有不同柵極厚度的器件，其中第一器件具有第一厚度的第一柵極，第二器件具有第二厚度的第二柵極，該第二柵極厚于該第一柵極，該制作方法包括步驟:在襯底上制作第一柵氧化層，所述第一柵氧化層的厚度等于所述第二柵極的第二厚度減所述第一柵極的第一厚度；在所述第一柵氧化層上涂布光刻膠，以第一器件和第二器件的分布圖形對該光刻膠進行曝光、顯影，去除第一器件所在區域的光刻膠；采用如權利要求1所述的柵氧刻蝕方法對沒有被光刻膠覆蓋的第一柵氧化層進行刻蝕；在襯底上制作第二柵氧化層，所述第二柵氧化層的厚度等于所述第一柵極的第一厚度，該第二柵氧化層覆蓋第一器件區域上的襯底和第二器件上的第一柵氧化層；在襯底上制作柵極層，所述柵極層覆蓋第一器件區域上的第二柵氧化層形成第一柵極，所述柵極層覆蓋第二器件區域上的第二柵氧化層形成第二柵極。優選的，在制作第一柵氧化層之前，還包括對襯底進行第一預清洗的步驟，所述第一預清洗包括步驟:使用氟化氫清除襯底上的自然氧化物；使用硫酸和雙氧水的混合物清除襯底上的有機物；使用氫氧化氨、雙氧水和水的混合物清除襯底上的無機物顆粒；使用鹽酸、雙氧水和水的混合物清除襯底上的金屬離子。優選的，在制作第二柵氧化層之前，還包括對襯底進行第二預清洗的步驟，所述第二預清洗包括步驟:使用氟化氫清除襯底上的自然氧化物；使用硫酸和雙氧水的混合物清除襯底上的有機物；使用氫氧化氨、雙氧水和水的混合物清除襯底上的無機物顆粒；使用鹽酸、雙氧水和水的混合物清除襯底上的金屬離子。優選的，所述使用氟化氫清除襯底上的自然氧化物采用氫氟酸，配置所述氫氟酸時，氟化氫兌水的比例為1: 50。上述的柵氧化物刻蝕方法中，通過對主刻蝕和主過刻過程中刻蝕時間的控制，以及對第二次輔刻蝕過程中，刻蝕液成分的控制，從而在將柵氧化層刻蝕干凈的情況下，減少襯底的損傷，同時本發明的多柵極制作方法在運用該柵氧刻蝕方法之后，能夠降低顆粒物缺陷的產生，從而提高多柵極器件的質量。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1是現有的雙柵極制作工藝的結構變化圖；圖2是一種顆粒物缺陷的電子顯微鏡圖；圖3是一種具有橋接缺陷柵極的電子顯微鏡圖；圖4是本發明的柵氧刻蝕方法所需處理的襯底結構圖；圖5是本發明的柵氧刻蝕方法的流程示意圖；圖6是本發明的柵氧刻蝕方法對應的結構變化圖；圖7是本發明的多柵極制作方法的流程示意圖；圖8是本發明的多柵極制作方法對應的結構變化圖。
具體實施例方式正如背景技術中所述，在制作多柵極工藝中，由于需要對前序的柵氧化層進行刻蝕處理，且現行的刻蝕方法很容易引入殘留物缺陷或大顆粒缺陷，導致多柵極器件的性能受到影響。有鑒于此，本發明提出的一種針對柵氧化物的刻蝕方法，可以在完整的刻蝕柵氧化物的情況下，降低對襯底表面的破壞，從而減少顆粒物缺陷的產生，使多柵極工藝的質量得到提升。下面將對本發明的柵氧刻蝕方法做詳細說明，需要注意的是，本發明的刻蝕方法所刻蝕的柵氧化層，是指運用在多柵極工藝中的前序柵氧化層，即刻蝕的目的在于將柵氧化層做圖形化處理，使該柵氧化層表面形成能夠用于制作后續柵氧化層的圖形。所以刻蝕過程應該涵蓋在對該柵氧化層的光刻工藝中，且在實施該刻蝕工藝之前，柵氧化層已經經歷過光刻膠的涂膠、曝光和顯影等步驟，因此在該柵氧化層表面，已經形成了具有設計圖形的光刻膠層。該刻蝕工藝所針對的對象，應該是沒有被光刻膠覆蓋到的暴露在外的柵氧化層。請參見圖4，基板100上設有柵氧化層110，柵氧化層110上設有已經圖形化過的光刻膠層120。在光刻膠層120覆蓋的區域，光刻膠可以起掩膜的作用，而在光刻膠層120未覆蓋的區域，刻蝕液130開始對柵氧化層110進行腐蝕。請參見圖5，圖5是本發明的柵氧刻蝕方法的流程示意圖。如圖所示，該方法包括步驟:Sll:主刻蝕，采用氟化氨(NH4F)和氟化氫(HF)的混合液為刻蝕液，對柵氧化層進行刻蝕。這里NH4F: HF的混合液是一種具有緩沖作用的氧化物腐蝕液(簡稱Β0Ε)，刻蝕速率主要以NH4F: HF的配比決定，比如在NH4F: HF = 50: I的情況下，BOE對SiO2的刻蝕速率約為17nm/min，而對Si的刻蝕速率約為1.5nm/min。兩者相差較大，因此利用BOE刻蝕是一種比較理想的去處柵氧化層的刻蝕液。刻蝕時，以腐蝕露出襯底硅材表面作為停止依據，因此主刻蝕時間主要由柵氧化層的厚度而定。S12:主過刻，采用和上述主刻蝕相同的刻蝕液進行刻蝕,主過刻時間小于主刻蝕時間的30%。由于濕法刻蝕的深度沒有辦法實現精確控制，因此對于主刻蝕，除了按照刻蝕速率完成對柵氧化層刻蝕所需的時間外，還需要一定時間的過刻蝕(over etching,0E),以確保柵氧化層被完全刻蝕。OE時間的掌控對于刻蝕工藝非常重要，因為如果OE時間太短，很容易形成殘留的柵氧化層，不利于后續的柵氧化層制作。而OE時間太長，則容易引起襯底表面的硅分子鍵被破壞，從而引入顆粒物缺陷，影響整個多柵極期間的質量。在本發明中，將OE時間設定為小于主刻蝕時間的30%。舉例來說，對于NH4: HF=50:1的BOE刻蝕液，其對SiO2的刻蝕速率為17nm/min，如果刻蝕17nm厚度的柵氧化層，則主刻蝕時間為60sec，此時主過刻的時間應該小于60X0.3 = 18秒，即BOE刻蝕總時間應該控制在78秒以內。這樣一來，不僅可以保證BOE能夠將柵氧化層刻蝕干凈，而且對于襯底表面的損傷也控制到最小。S13:第一輔刻蝕，采用硫酸和雙氧水的混合液為刻蝕液，對上述主過刻之后的柵氧化層進行清洗，以去除柵氧化層上的光刻膠有機物。硫酸(H2SO4)和雙氧水(H2O2)的混合液又稱SPM刻蝕液。SPM具有很強的氧化能力，能夠將光刻膠中的有機成分氧化成二氧化碳和水，因此該步驟主要用以去除剩余光刻膠有機物以及部分金屬污染物。具體地，使用H2SO4: H2O2 = 4: I的SPM，在120°C 150°C溫度下對襯底進行清洗。S14:第二輔刻蝕,采用氫氧化氨、雙氧水和水的混合液為刻蝕液,對上述第一輔刻蝕之后的柵氧化層進行清洗，以去除殘余光刻膠和無機顆粒物。氫氧化氨(NH4OH)、雙氧水(H2O2)和水的混合液又成APM刻蝕也液。經過BOE和SPM刻蝕后，部分襯底暴露在空氣中，容易在其表面形成一層氧化層，且BOE之后在襯底表面無法避免的形成了少數硅顆粒，這些硅顆粒和表面的自然氧化層粘結在一起不宜去除。通過APM中H2O2的作用，襯底表面的自然氧化層呈親水性，襯底表面和硅顆粒之間可被清洗液浸透。由于硅片表面的自然氧化層與硅片表面的Si被NH4OH腐蝕，因此附著在硅片表面的顆粒便落入清洗液中，從而達到去除粒子的目的。然而，如果NH4OH的比重過多，則容易對襯底表面形成過腐蝕，從而形成更多的硅顆粒，導致顆粒物缺陷的產生。因此這里APM的成份比重要與之前BOE的過刻蝕時間相配合，才能達到最佳的清洗效果。較優地，在BOE主過刻時間小于主刻蝕時間的30%情況下，氫氧化氨、雙氧水和水的比例為1: 2: 10時，清洗的效果最佳。請參見圖6，圖6是運用本發明的刻蝕方法前后所形成的缺陷數據圖。如圖中所示，橫坐標是表示晶圓處理批次，縱坐標表示缺陷數。其中批次第I至第9是傳統的柵氧化層刻蝕方法進行處理，而批次第10至第14是采用本發明的刻蝕方法進行處理。可以看出，運用本發明的刻蝕方法對柵氧化層進行刻蝕之后，顆粒物缺陷的數量只有原先的10% -25%，大大降低了顆粒物缺陷的產生。通過本發明的刻蝕方法，使得多柵極工藝中，對前序柵氧化層的刻蝕達到一個較高的工藝品質，從而解決了多柵極制作工藝中顆粒物缺陷問題。下面將對本發明的多柵極制作方法做詳細介紹。所述多柵極制作工藝用于在芯片上形成至少兩種具有不同柵極厚度的器件，其中第一器件具有第一厚度的第一柵極，第二器件具有第二厚度的第二柵極，該第二柵極厚于該第一柵極。請參見圖7和圖8,圖7和圖8所不為本發明的多柵極制作方法流程不意圖和個步驟對應的晶圓狀態圖。如圖所示，該制作方法包括步驟:S21:在襯底200上制作第一柵氧化層210，所述第一柵氧化層210的厚度Dl等于
所述第二柵極的第二厚度減所述第一柵極的第一厚度。如圖8所示，所述襯底200可以是單晶硅、多晶硅、非晶硅中的一種，在該襯底200上形成一層二氧化硅作為第一柵氧化層210，形成該二氧化硅層的方法可以為爐管氧化、快速熱退火氧化及原位水蒸汽產生氧化中的一種。需要注意的是，對襯底200實施氧化之前，由于芯片有可能在前序工藝中，已經被實施過鍍膜、摻雜、氧化、光刻等工藝，所以襯底200的表面會存在自然氧化物、有機物、無機物顆粒以及金屬等殘留物。因此該襯底應該是經過預處理之后的硅晶片，所述預處理包括步驟:使用氟化氫(HF)清除襯底上的自然氧化物,可采用HF溶液，其中配置HF溶液時，氟化氫兌水的比例優選為1: 50;使用硫酸和雙氧水的混合物(SPM)清除襯底上的有機物；使用氫氧化氨、雙氧水和水的混合物(APM)清除襯底上的無機物顆粒；使用鹽酸、雙氧水和水的混合物(SC2)清除襯底上的金屬離子。S22:在所述第一柵氧化層210上涂布光刻膠220，以第一器件201和第二器件202的分布圖形對該光刻膠進行曝光、顯影，去除第一器件201所在區域的光刻膠，以露出該區域的第一柵氧化層210。此時殘留在第二器件202區域上的光刻膠成為接下來刻蝕的掩膜，可以使該區域中的第一柵氧化層210免遭腐蝕。S23:采用本發明的柵氧刻蝕方法對沒有被光刻膠覆蓋的第一柵氧化層210進行刻蝕。刻蝕完成后，會在該區域的第一柵氧化層210形成一個刻蝕窗口 211,且窗口 211底部露出襯底200的裸硅。S24:在襯底200上制作第二柵氧化層230，所述第二柵氧化層230的厚度D2等于所述第一柵極的第一厚度，該第二柵氧化層230覆蓋第一器件201區域上的襯底200和第二器件上202的第一柵氧化層210。所述第二柵氧化層230的制作工藝跟所述第一柵氧化層210的制作工藝相同，此處不再贅述。優選的，由于在對第一柵氧化層210做刻蝕步驟時，會形成一些有機物、無機物顆粒和少量的金屬離子，且刻蝕完成后裸硅暴露在外也會形成少量的自然氧化層，因此在制作第二柵氧化層230之前，還需要對該襯底200做一個預處理，所述預處理包括步驟:使用氟化氫清除襯底上的自然氧化物，所述氟化氫兌水的比例優選為1: 50;使用硫酸和雙氧水的混合物清除襯底上的有機物；使用氫氧化氨、雙氧水和水的混合物清除襯底上的無機物顆粒；使用鹽酸、雙氧水和水的混合物清楚襯底上的金屬離子。S25:在襯底200上制作柵極層240，所述柵極層240覆蓋第一器件201區域上的第二柵氧化層230形成第一柵極，所述柵極層240覆蓋第二器件202區域上的第二柵氧化層230形成第二柵極。所述柵極層240可以為多晶硅或金屬層，制作該柵極層240的工藝可以為化學氣相沉積或原子層沉積等。形成的第一柵極最終的柵氧化層厚度就是第二柵氧化層的厚度，而第二柵極最后的柵氧化層厚度就是第一柵氧化層的厚度加上第二柵氧化層的厚度。綜上所述，本發明提出了一種柵氧化物的刻蝕方法以及多柵極的制作方法。該柵氧化物的刻蝕方法通過控制BOE的過刻時間，并配合APM的濃度配比，能夠在刻蝕干凈的情況下，減少對襯底表面的損傷。同時，將本發明的柵氧化物刻蝕方法運用到多柵極制作方法中時，能夠減少顆粒物缺陷的產生，從而大大提高多柵極器件的質量。對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
權利要求
1.一種柵氧刻蝕方法，該刻蝕方法用于去除光刻工藝中沒有被光刻膠覆蓋的柵氧化層，其特征在于:所述刻蝕方法為濕法刻蝕，包括步驟: 主刻蝕，采用氟化氨和氟化氫的混合液為刻蝕液，對柵氧化層進行刻蝕，主刻蝕時間由柵氧化層的厚度而定； 主過刻，采用和上述主刻蝕相同的刻蝕液進行刻蝕，主過刻時間小于主刻蝕時間的30% ； 第一輔刻蝕，采用硫酸和雙氧水的混合液為刻蝕液，對上述主過刻之后的柵氧化層進行清洗，以去除柵氧化層上的光刻膠有機物； 第二輔刻蝕，采用氫氧化氨、雙氧水和水的混合液為刻蝕液，對上述第一輔刻蝕之后的柵氧化層進行清洗，以去除殘余光刻膠和無機顆粒物， 其中，所述氫氧化氨、雙氧水和水的比例為1: 2: 10。
2.如權利要求1所述的柵氧刻蝕方法，其特征在于:所述氟化氨和氟化氫的體積比為50:1。
3.如權利要求1所述的柵氧刻蝕方法，其特征在于:所述硫酸和雙氧水的比例為4: I。
4.一種包含權利要求1所述的柵氧刻蝕方法的多柵極制作方法，用于在芯片上形成至少兩種具有不同柵極厚度的器件，其中第一器件具有第一厚度的第一柵極，第二器件具有第二厚度的第二柵極，該第二柵極厚于該第一柵極，其特征在于包括步驟: 在襯底上制作第一柵氧化層，所述第一柵氧化層的厚度等于所述第二柵極的第二厚度減所述第一柵極的第一厚 度； 在所述第一柵氧化層上涂布光刻膠，以第一器件和第二器件的分布圖形對該光刻膠進行曝光、顯影，去除第一器件所在區域的光刻膠； 采用如權利要求1所述的柵氧刻蝕方法對沒有被光刻膠覆蓋的第一柵氧化層進行刻蝕； 在襯底上制作第二柵氧化層，所述第二柵氧化層的厚度等于所述第一柵極的第一厚度，該第二柵氧化層覆蓋第一器件區域上的襯底和第二器件上的第一柵氧化層； 在襯底上制作柵極層，所述柵極層覆蓋第一器件區域上的第二柵氧化層形成第一柵極，所述柵極層覆蓋第二器件區域上的第二柵氧化層形成第二柵極。
5.如權利要求4所述的多柵極制作方法，其特征在于:在制作第一柵氧化層之前，還包括對襯底進行第一預清洗的步驟，所述第一預清洗包括步驟: 使用氟化氫清除襯底上的自然氧化物； 使用硫酸和雙氧水的混合物清除襯底上的有機物； 使用氫氧化氨、雙氧水和水的混合物清除襯底上的無機物顆粒； 使用鹽酸、雙氧水和水的混合物清楚襯底上的金屬離子。
6.如權利要求4所述的多柵極制作方法，其特征在于:在制作第二柵氧化層之前，還包括對襯底進行第二預清洗的步驟，所述第二預清洗包括步驟: 使用氟化氫清除襯底上的自然氧化物； 使用硫酸和雙氧水的混合物清除襯底上的有機物； 使用氫氧化氨、雙氧水和水的混合物清除襯底上的無機物顆粒；使用鹽酸、雙氧水和水的混合物清楚襯底上的金屬離子。
7.如權利要求5或6所述的多柵極制作方法，其特征在于:所述使用氟化氫清除襯底上的自然氧化物采 用氫氟酸，配置所述氫氟酸時，氟化氫兌水的比例為1: 50。
全文摘要
本發明提出了一種柵氧刻蝕方法以及多柵極制作方法。該柵氧刻蝕方法通過控制BOE的過刻時間，使BOE的過刻時間小于主刻蝕時間的30％，并配合APM的濃度配比，能夠在將柵氧刻蝕干凈的情況下，減少對襯底表面的損傷。同時，將本發明的柵氧化物刻蝕方法運用到多柵極制作方法中時，能夠減少顆粒物缺陷的產生，從而大大提高多柵極器件的質量。
文檔編號H01L21/28GK103165437SQ20111041438
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月12日 優先權日2011年12月12日
發明者陳亞威 申請人:無錫華潤上華科技有限公司