雙柵介質層的製作方法
2023-04-25 01:43:26
專利名稱：雙柵介質層的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體製造技術領域，更具體地說，涉及一種雙柵介質層的製作方法。
背景技術：
隨著集成電路技術的不斷發展，工藝平臺的集成度越來越高，在低壓工藝平臺上集成高壓工藝變得越來越普遍，但是隨著器件越來越薄，工藝節點越來越低，在高壓工藝集成過程中，也就是在同時集成高壓器件和低壓器件的晶片中，尤其是在O. 18 μ m及以下節點中的雙柵的柵介質層集成工藝中，經常會出現低壓器件的特性發生改變的情況。下面結合附圖I-圖3對現有技術高壓工藝集成過程中的雙柵工藝中的柵介質層(由於通常採用柵氧化層作為柵介質層，以下簡稱雙柵氧工藝)製作過程進行說明。 步驟I :如圖I所不，提供基底，所述基底包括本體層101和位於本體層101表面上的較厚的柵介質層(通常採用柵氧化層，以下簡稱厚柵氧103)，所述本體層101表面內具有隔離溝槽STI102，以將高壓器件區105和低壓器件區104隔離開，厚柵氧103作為高壓器件的柵氧化層；步驟2:參見圖2，採用具有低壓器件區圖形的光刻膠層106為掩膜，採用溼法腐蝕工藝腐蝕掉位於低壓器件區104的本體層表面上的厚柵氧，之後去除掉光刻膠層106 ；步驟3 :參見圖3，採用熱氧化工藝在低壓器件區104的本體層表面上生長薄柵氧107，作為低壓器件的柵氧化層。完成上述雙柵氧的製備過程後，採用常規工藝進行後續器件結構的製作，但在實際生產過程中發現，在O. 18 μ m及以下節點的器件中，採用上述工藝製備的晶片中的低壓器件的特性發生了漂移，如低壓器件的表面漏電流增大、場效應管的開啟電壓變低等問題，這些現象顯示出現有的低壓工藝平臺對高壓工藝的兼容度較差，在工藝集成過程中影響了原有工藝平臺的穩定性。
發明內容
本發明實施例提供了一種雙柵介質層的製作方法，解決了現有技術中的問題，避免了較厚的柵介質層形成過程中對低壓器件區的不良影響，提高了低壓工藝平臺對高壓工藝的兼容度，保證了在工藝集成過程中原有工藝平臺的穩定性。為實現上述目的，本發明實施例提供了如下技術方案一種雙柵介質層的製作方法，包括a)提供基底，所述基底包括本體層和位於所述本體層表面內的隔離溝槽STI，所述隔離溝槽將高壓器件區和低壓器件區隔離開；b)在所述基底表面上形成保護層，直接接觸所述基底表面的保護層材料易於剝離，且剝離過程中對所述基底表面基本沒有損傷；c)去除位於所述高壓器件區的保護層材料，暴露出位於所述高壓器件區的基底材料；
d)在所述高壓器件區的基底表面上形成高壓器件的柵介質層；e)去除位於所述低壓器件區的保護層材料，暴露出位於所述低壓器件區的基底材料；f)在所述低壓器件區的基底表面上形成低壓器件的柵介質層。優選的，步驟b)中，在所述基底表面上形成的保護層包括位於所述基底表面上的隔離層；位於所述隔離層表面上的氮化矽層；位於所述氮化矽層表面上的刻蝕阻擋層。
優選的，步驟c)中，去除位於所述高壓器件區的保護層材料的過程具體為以具有高壓器件區圖形的光刻膠層為掩膜，去除位於高壓器件區的刻蝕阻擋層材料，在所述刻蝕阻擋層上形成高壓器件區圖形；去除所述光刻膠層，以具有高壓器件區圖形的刻蝕阻擋層為掩膜，去除位於高壓器件區的氮化矽層材料，在所述氮化矽層上形成高壓器件區圖形；去除具有低壓器件區的刻蝕阻擋層材料以及位於高壓器件區的隔離層材料，暴露出位於所述高壓器件區的基底材料。優選的，步驟e)中，所述低壓器件區的保護層材料包括位於所述低壓器件區的基底表面上的隔離層；位於所述低壓器件區的隔離層表面上的氮化矽層。優選的，去除所述保護層材料的過程具體為採用溼法腐蝕工藝去除所述保護層材料。優選的，步驟d)中，所述高壓器件的柵介質層的厚度比常規工藝下形成的高壓器件的柵介質層的厚度增加了 30 A-40 A。優選的，所述隔離層材料和/或所述氮化矽刻蝕阻擋層材料為二氧化矽。優選的，作為隔離層的二氧化矽層厚度為10 A-900 A。優選的，作為氮化娃刻蝕阻擋層的二氧化娃層厚度為25nm-35nm。優選的，所述氮化娃層的厚度為25nm_35nm。與現有技術相比，上述技術方案具有以下優點本發明實施例提供的雙柵介質層的製作方法，通過在低壓器件區和高壓器件區的基底表面上先形成保護層，在生長高壓器件的柵介質層時，去除高壓器件區的保護層，保留低壓器件區的保護層，從而在生長高壓器件的柵介質層時，被保護層保護的低壓器件區不會生長柵介質層，也就不需要採用現有技術中的工藝腐蝕低壓器件區的較厚的柵介質層，從而避免了高壓器件柵介質層形成過程中對低壓器件區的襯底表面雜質的濃度分布造成的影響。並且，由於直接接觸所述基底表面的保護層材料易於剝離，且剝離過程中對所述基底表面基本沒有損傷，也就是說，相比於現有技術中去除較厚的柵介質層的過程，本發明在去除低壓器件區的保護層材料時，對低壓器件區的襯底沒有損傷，從而避免了保護層剝離過程中對低壓器件區襯底以及隔離溝槽STI的損傷，避免了較厚的柵介質層形成過程中對低壓器件區的不良影響，提高了低壓工藝平臺對高壓工藝的兼容度，保證了在工藝集成過程中原有工藝平臺的穩定性。
通過附圖所示，本發明的上述及其它目的、特徵和優勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。並未刻意按實際尺寸等比例縮放繪製附圖，重點在於示出本發明的主旨。圖I-圖3為現有技術中的雙柵介質層製作方法的剖面圖；圖4-圖11為本發明實施例公開的雙柵介質層製作方法的剖面圖。
具體實施例方式為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以採用其他不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。其次，本發明結合示意圖進行詳細描述，在詳述本發明實施例時，為便於說明，表示器件結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應限制本發明保護的範圍。此外，在實際製作中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。正如背景技術部分所述，採用現有技術中的雙柵介質層工藝，會導致低壓器件區的特性漂移，即在集成高壓器件時，低壓工藝平臺的工藝兼容度和穩定性較差。發明人研究發現，出現這些問題的原因是，在傳統的工藝中，高壓器件的厚柵氧是同時生長在高壓器件區和低壓器件區的，之後再將低壓器件區的厚柵氧剝離。由於在O. 18μπι及其以下節點工藝中，器件的結深通常較淺，厚柵氧在生長過程中會對低壓器件區襯底表面的雜質的濃度分布造成影響，同時，在後續的低壓器件區厚柵氧的腐蝕過程中，腐蝕液會改變低壓器件區的襯底表面的物理特性和電學特性，並且腐蝕液還會對器件間的隔離溝槽S TI中填充的二氧化矽造成損傷，進而導致低壓器件的電學特性發生漂移。具體的，在厚柵氧的腐蝕過程中，對襯底表面造成的損傷會導致低壓器件的表面漏電流增大；STI中的二氧化矽的損失，一方面會導致場效應管開啟電壓變低，另一方面還會導致STI與襯底間的臺階高度發生變化，從而導致低壓器件的薄柵氧在STI邊緣生長不良，進而導致低壓器件的開啟電壓形成二次開啟。基於上述原因，本發明實施例提供了一種雙柵介質層的製作方法，如圖4-圖11所示，需要說明的是，能夠作為柵介質層的材料可以為SrTi03、Hf02, Zr02、二氧化矽等，本實施例以下描述中，將柵介質層通稱為柵氧化層，高壓器件的柵介質層簡稱為厚柵氧，低壓器件的柵介質層簡稱為薄柵氧。該方法包括以下步驟步驟I :參見圖4，提供基底，所述基底包括本體層201和位於所述本體層表面內的STI隔離溝槽202，所述隔離溝槽202將高壓器件區206和低壓器件區207隔離開；需要說明的是，本實施例中的基底可以包括半導體元素，例如單晶、多晶或非晶結構的矽或矽鍺(SiGe)，也可以包括混合的半導體結構，例如碳化矽、銻化銦、碲化鉛、砷化銦、磷化銦、砷化鎵或銻化鎵、合金半導體或其組合；也可以是絕緣體上矽(SOI)。此外，半導體基底還可以包括其它的材料，例如外延層或掩埋層的多層結構。雖然在此描述了可以形成基底的材料的幾個示例，但是可以作為半導體基底的任何材料均落入本發明的精神和範圍。本實施例中的基底可以為娃襯底。步驟2 :參見圖5，在所述基底表面上形成保護層，直接接觸所述基底表面的保護層材料易於剝離，且剝離過程中對所述基底表面基本沒有損傷；由於在O. 18 μ m及以下工藝平臺中，器件尺寸縮小，柵氧變薄，器件的耐壓能力較低，為了在這樣的工藝平臺中集成高壓器件，就需要在高壓器件區生長厚柵氧，要在厚柵氧的生長過程中，不影響低壓器件區的性能，就要對低壓器件區進行保護。所述保護層一方面就是在高壓器件的厚柵氧生長過程中，避免在低壓器件區的基底表面上生長厚柵氧，以保護低壓器件區的襯底，另一方面所述保護層是直接覆蓋在基底表面上的，而且在後續生長柵氧之前還要去除所述保護層。因此，為了在工藝過程中不影響器件性能，所述保護層應該具有較好的膜厚均勻性，而且為了簡化製作工藝，保護層的製作 工藝要儘量簡單，由於基底上具有STI，STI表面與本體層表面是具有高度差的，即具有臺階，因此，所述保護層還要對保護區域的臺階覆蓋良好，更重要的是，為了不影響器件的電性能等，直接接觸所述基底表面的保護層材料要易於剝離，且剝離過程中要對所述基底表面基本沒有損傷。優選的，本實施例中在所述基底表面上形成的保護層包括位於所述基底表面上的隔離層203 ；位於所述隔離層表面上的氮化矽層204 ；位於所述氮化矽層表面上的刻蝕阻擋層205。為了滿足保護層的要求，同時為了避免後續形成的氮化矽層對基底材料的汙染，所述隔離層203可以為採用熱氧化工藝或CVD工藝(優選為TE0SCVD，正矽酸乙酯化學氣相澱積)形成的一薄層二氧化矽，主要保證隔離層203的二氧化矽的厚度不要過厚，以便於後續去除隔離層203時，不影響基底的表面結構，所述隔離層203 —般在10 A-900 A,優選為幾十埃到幾百埃即可。所述氮化矽層204的主要作用是在後續生長厚柵氧過程中隔離低壓器件區域，對低壓器件區的本體層和隔離溝槽進行保護，以避免在低壓器件區也生長後柵氧，可採用CVD工藝澱積25nm-35nm後的氮化娃層204,氮化娃層204的厚度優選為30nm。所述刻蝕阻擋層205的主要作用是在去除高壓器件區的氮化矽層時作為刻蝕阻擋層，可以作為刻蝕阻擋層的材料有多種，如Si02、SiC或SiON等無機化合物，也可以為SILK和FLARE等有機化合物，相應的，形成刻蝕阻擋層205的方法也有多種，可以採用低壓化學氣相澱積工藝，也可以採用旋塗法實現，即在第二柵層表面旋塗一層溶液，之後烘焙硬化，形成刻蝕阻擋層。其中，形成刻蝕阻擋層的溶液可以為無機溶液也可以為有機溶液，當刻蝕阻擋層為無機介質時，旋塗的溶液中烘焙過程中發生反應，形成Si02、SiC、SiON等無機刻蝕阻擋層；當刻蝕阻擋層為有機介質時，旋塗的溶液為含有聚合物材料的液體，這種液體在一定溫度下進行烘焙固化，通過烘焙過程中發生的交聯反應，令高分子聚合物反應生成有機介質，一般以含有CH基團為主，如SILK和FLARE。當刻蝕阻擋層為有機介質時，在進行刻蝕時，由於有機介質是以CH為基，無機介質是以Si為基，因此有機介質和無機介質間易於實現較高的選擇比，通過選擇適當的氣體即可令刻蝕通過或停止在刻蝕阻擋層上。
具體的，本實施例中所述刻蝕阻擋層205的材料優選為為二氧化矽，可採用化學氣相澱積的方式形成刻蝕阻擋層205，其厚度可以為25nm-35nm，優選為30nm。
本實施例中採用化學氣相澱積工藝形成的氮化矽層204和隔離層203的工藝成本低廉，工藝穩定性好，對器件表面臺階覆蓋良好及腐蝕選擇比高，而且在剝離過程中不會對襯底造成損傷，因此採用本實施例的方法最終生產出的低壓器件的物理性能和電學性能良好。
步驟3 :參見圖6-圖8，去除位於所述高壓器件區的保護層材料，暴露出位於所述高壓器件區的基底材料；
該過程具體為，如圖6所示，先在刻蝕阻擋層205上旋塗光刻膠，為了保證曝光精度，還可在光刻膠層和刻蝕阻擋層205之間形成抗反射層，以減少不必要的反射，之後將具有高壓器件區圖形的掩膜版覆蓋於光刻膠層上進行曝光，在所述光刻膠層208表面上形成高壓器件區圖案(圖中未示出)，去除高壓器件區圖案區域的光刻膠層，在光刻膠層上形成高壓器件區圖形開口，之後以具有高壓器件區圖形開口的光刻膠層為掩膜，採用幹法刻蝕或溼法腐蝕的方式去除位於高壓器件區的刻蝕阻擋層材料，在所述刻蝕阻擋層205上形成高壓器件區圖形；
之後，如圖7所示，去除所述光刻膠層，以具有高壓器件區圖形的刻蝕阻擋層205 為掩膜，採用幹法刻蝕或溼法腐蝕工藝，去除位於高壓器件區的氮化矽層材料，在所述氮化矽層204上形成高壓器件區圖形(圖中未示出)；
需要說明的是，若採用幹法刻蝕工藝去除氮化矽層，本實施例中可以先不去除所述光刻膠層，可以光刻膠層作為刻蝕氮化矽層時的阻擋層，若採用溼法腐蝕工藝去除氮化矽層，就需採用氮化矽層表面上的二氧化矽層作為氮化矽的刻蝕阻擋層，以避免光刻膠做阻擋層時，在溼法腐蝕過程中發生的光刻膠的漂移，從而導致腐蝕過程不準確。
之後，如圖8所示，去除具有低壓器件區的刻蝕阻擋層材料以及位於高壓器件區的隔離層材料，暴露出位於所述高壓器件區的基底材料。
由於本實施例中所述刻蝕阻擋層205和隔離層203的材料可均為二氧化矽，因此可在同一步驟中，採用溼法腐蝕工藝將刻蝕阻擋層205和隔離層203的材料同時剝離，因此，步驟3之後，低壓器件區的保護層材料就僅包括位於所述低壓器件區的基底表面上的隔離層203，以及位於所述低壓器件區的隔離層表面上的氮化矽層204。
需要說明的是，在該步驟中需去除低壓器件區的刻蝕阻擋層材料的原因是，為了避免由於刻蝕阻擋層的存在，後續生長厚柵氧時，在低壓器件區也會生長厚柵氧，雖然有氮化矽層的隔離作用，去除厚柵氧不會對低壓器件區的基底材料造成任何影響，但是為了儘量減少工藝步驟，在此處去除低壓器件區的刻蝕阻擋層材料，可避免在低壓器件區也會生長厚柵氧。
步驟4:參見圖9，在所述高壓器件區206的基底表面上形成高壓器件的柵介質層， 即厚柵氧209;
本實施例中可採用熱氧化工藝在高壓器件區206的基底表面上生長較厚的二氧化矽層作為厚柵氧，由於低壓器件區207有氮化矽層204的覆蓋，因此無法生長厚柵氧。
本實施例中需要考慮到後續低壓器件區的氮化矽層204和隔離層203在剝離過程中對厚柵氧209厚度造成的損失，以及後續薄柵氧生長時對厚柵氧的補償，因此，本實施例中高壓器件的柵介質層(厚柵氧)的厚度比常規工藝下形成的高壓器件的柵介質層的厚度增加了 30 A-40 A,其具體厚度可由具體器件的特性決定，這裡不做過多限定。
步驟5 :如圖10所示，去除位於所述低壓器件區的保護層材料，暴露出位於所述低壓器件區的基底材料；
具體的，本實施例中可直接採用溼法腐蝕工藝先去除氮化矽層204，再去除隔離層 203的二氧化矽材料。需要說明的是，由於本實施例中的隔離層203很薄，因此，採用溼法腐蝕工藝去除隔離層材料時，所需的時間大大小於現有技術中去除厚柵氧的時間，甚至可以採用濃度更低的腐蝕液、更短的腐蝕時間去除隔離層材料，因此在隔離層的剝離過程中，對低壓器件區的襯底影響很小，基本可以忽略不計，從而提高了低壓器件的電學性能，提高了低壓工藝平臺對高壓工藝的兼容度，保證了在工藝集成過程中原有工藝平臺的穩定性。
步驟6 :如圖11所示，在所述低壓器件區207的基底表面上形成低壓器件的柵介質層，即薄柵氧210。
具體可採用熱氧化工藝在低壓器件區表面上的基底材料上，一次性生長較薄的柵介質層材料，優選為二氧化矽，以此作為低壓器件的柵氧，即完成了雙柵氧的生長過程。
本實施例中所述「高壓器件區圖案」為在光刻膠層表面上的二維的高壓器件區圖案，圖案區域只限於光刻膠層表面而不向表面下延伸，不具有立體形狀；所述「高壓器件區圖形」為具有立體形狀的三維圖形，其中，刻蝕阻擋層中的高壓器件區圖形的厚度即為刻蝕阻擋層的厚度。
另外，以上所述的「基底表面內」是指由基底表面向下延伸的一定深度的區域，該區域屬於基底的一部分；所述「基底表面上」是指由基底表面向上的區域，該區域不屬於基底本身。並且以上所述的「襯底」可理解為基底。
本發明實施例提供的雙柵介質層的製作方法，通過在低壓器件區和高壓器件區的基底表面上先形成保護層，在生長高壓器件的柵介質層時，去除高壓器件區的保護層，保留低壓器件區的保護層，從而在生長高壓器件的柵介質層時，被保護層保護的低壓器件區不會生長柵介質層，也就不需要採用現有技術中的工藝腐蝕低壓器件區的較厚的柵介質層， 從而避免了高壓器件柵介質層形成過程中對低壓器件區的襯底表面雜質的濃度分布造成的影響。
並且，由於直接接觸所述基底表面的保護層材料易於剝離，且剝離過程中對所述基底表面基本沒有損傷，也就是說，相比於現有技術中去除較厚的柵介質層的過程，本發明在去除低壓器件區的保護層材料時，對低壓器件區的襯底沒有損傷，從而避免了保護層剝離過程中對低壓器件區襯底以及隔離溝槽S TI的損傷，避免了較厚的柵介質層形成過程中對低壓器件區的不良影響，提高了低壓工藝平臺對高壓工藝的兼容度，保證了在工藝集成過程中原有工藝平臺的穩定性。
以上所述實施例，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制。並且，本發明實施例可以應用於含有矽化物的所有雙柵製作工藝中，還可以擴展至含有矽化物的多柵製作工藝。
雖然本發明已以較佳實施例披露如上，然而並非用以限定本發明。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此， 凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬於本發明技術方案保護的範圍內。
權利要求
1.一種雙柵介質層的製作方法，其特徵在於，包括 a)提供基底，所述基底包括本體層和位於所述本體層表面內的隔離溝槽STI，所述隔離溝槽將高壓器件區和低壓器件區隔離開； b)在所述基底表面上形成保護層，直接接觸所述基底表面的保護層材料易於剝離，且剝離過程中對所述基底表面基本沒有損傷； c)去除位於所述高壓器件區的保護層材料，暴露出位於所述高壓器件區的基底材料； d)在所述高壓器件區的基底表面上形成高壓器件的柵介質層； e)去除位於所述低壓器件區的保護層材料，暴露出位於所述低壓器件區的基底材料； f)在所述低壓器件區的基底表面上形成低壓器件的柵介質層。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，步驟b)中，在所述基底表面上形成的保護層包括 位於所述基底表面上的隔離層； 位於所述隔離層表面上的氮化矽層； 位於所述氮化矽層表面上的刻蝕阻擋層。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，步驟c)中，去除位於所述高壓器件區的保護層材料的過程具體為 以具有高壓器件區圖形的光刻膠層為掩膜，去除位於高壓器件區的刻蝕阻擋層材料，在所述刻蝕阻擋層上形成高壓器件區圖形； 去除所述光刻膠層，以具有高壓器件區圖形的刻蝕阻擋層為掩膜，去除位於高壓器件區的氮化矽層材料，在所述氮化矽層上形成高壓器件區圖形； 去除具有低壓器件區的刻蝕阻擋層材料以及位於高壓器件區的隔離層材料，暴露出位於所述高壓器件區的基底材料。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，步驟e)中，所述低壓器件區的保護層材料包括 位於所述低壓器件區的基底表面上的隔離層； 位於所述低壓器件區的隔離層表面上的氮化矽層。
5.根據權利要求3或4所述的方法，其特徵在於，去除所述保護層材料的過程具體為採用溼法腐蝕工藝去除所述保護層材料。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，步驟d)中，所述高壓器件的柵介質層的厚度比常規工藝下形成的高壓器件的柵介質層的厚度增加了 30 A-40 A。
7.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述隔離層材料和/或所述氮化矽刻蝕阻擋層材料為二氧化矽。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，作為隔離層的二氧化矽層厚度為10 A-900 A。
9.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，作為氮化矽刻蝕阻擋層的二氧化矽層厚度為 25nm_35nm。
10.根據權利要求2或4所述的方法，其特徵在於，所述氮化矽層的厚度為25nm-35nm。
全文摘要
本實施例公開了一種雙柵介質層的製作方法，包括提供基底，所述基底包括本體層和位於所述本體層表面內的隔離溝槽STI，所述隔離溝槽將高壓器件區和低壓器件區隔離開；在所述基底表面上形成保護層；去除位於所述高壓器件區的保護層材料，暴露出位於所述高壓器件區的基底材料；在所述高壓器件區的基底表面上形成高壓器件的柵介質層；去除位於所述低壓器件區的保護層材料，暴露出位於所述低壓器件區的基底材料；在所述低壓器件區的基底表面上形成低壓器件的柵介質層。本發明實施例避免了較厚的柵介質層形成過程中對低壓器件區的不良影響，提高了低壓工藝平臺對高壓工藝的兼容度，保證了在工藝集成過程中原有工藝平臺的穩定性。
文檔編號H01L21/28GK102931063SQ20111022867
公開日2013年2月13日 申請日期2011年8月10日 優先權日2011年8月10日
發明者林峰, 馬春霞, 李春旭 申請人:無錫華潤上華半導體有限公司