自对准叠加双层多晶硅栅结构的制备方法

摘要

本发明公开了一种自对准叠加双层多晶硅栅结构的制备方法，在传统SASG制备工艺的基础上，增加了淀积ONO薄膜(7)之前先淀积一层氧化硅(11)、再反刻该层氧化硅(11)的步骤。从而在写入栅极隔离区(911)的一周边缘形成一周具有倾斜侧壁的氧化硅侧墙残留(111)。该氧化硅侧墙残留(111)可以帮助ONO薄膜(7)在此处形成一周也具有倾斜侧壁的侧墙(73)，从而有利于SASG结构制备过程中尽可能完全地去除ONO薄膜(7)的残留。最终即使有部分氧化硅残留(112)和/或ONO薄膜残留(74)，由于是落在同是氧化硅的STI结构(2)上，也不会构成缺陷。

权利要求

1.一种自对准叠加双层多晶硅栅结构的制备方法，硅片的有源区(1)之间具有浅槽隔离结构(2)，硅片上生长有栅氧化层(3)，栅氧化层(3)上淀积有多晶硅(4)，其特征是：所述方法包括如下步骤：第1步，在多晶硅(4)上涂光刻胶(6)，曝光显影后露出刻蚀窗口(100)，保留其余区域的光刻胶(6)；

第2步，在刻蚀窗口(100)刻蚀多晶硅(4)直至露出浅槽隔离结构(2)，形成写入栅极隔离区(911)，去除光刻胶(6)；

第3步，在硅片表面淀积氧化硅(11)；

第4步，反刻该层氧化硅(11)直至该层氧化硅(11)的底部被完全刻蚀掉；

第5步，在硅片表面淀积ONO薄膜(7)；

第6步，在硅片表面淀积多晶硅(8)；

第7步，在多晶硅(8)上涂光刻胶(10)，曝光显影后露出刻蚀窗口(200)，保留其余区域的光刻胶(10)；

第8步，在刻蚀窗口(200)刻蚀多晶硅(8)、ONO薄膜(7)和残留的氧化硅(111)直至ONO薄膜(7)的底部被完全刻蚀掉，去除光刻胶(10)。

2.根据权利要求1所述的自对准叠加双层多晶硅栅结构的制备方法，其特征是：所述方法的第2步中，刻蚀多晶硅(4)直至浅槽隔离结构(2)的刻蚀深度等于栅氧化层(3)的厚度时，刻蚀停止。

3.根据权利要求1所述的自对准叠加双层多晶硅栅结构的制备方法，其特征是：所述方法的第4步中，反刻氧化硅(11)采用对氧化硅和多晶 硅的选择比大于1的干法等离子体刻蚀工艺。

4.根据权利要求3所述的自对准叠加双层多晶硅栅结构的制备方法，其特征是：所述方法的第4步中，反应腔的压力为30～100mT，上部电源功率设为800～1500w，偏转功率设为800～1500w，通入氟碳化合物气体流量为50～250sccm，通入氩气为50～150sccm，通入氧气为4～10sccm。

5.根据权利要求1所述的自对准叠加双层多晶硅栅结构的制备方法，其特征是：所述方法的第4步中，氧化硅(11)的底部被完全刻蚀掉时，在写入栅极隔离区(911)的一周边缘仍有残留的氧化硅侧墙(111)，所述氧化硅侧墙(111)具有倾斜侧壁。

6.根据权利要求1所述的自对准叠加双层多晶硅栅结构的制备方法，其特征是：所述方法的第5步中，ONO薄膜(7)在写入栅极隔离区(911)的一周边缘都有侧墙(73)，所述ONO薄膜侧墙(73)具有倾斜侧壁。

7.根据权利要求1所述的自对准叠加双层多晶硅栅结构的制备方法，其特征是：所述方法的第8步中，ONO薄膜(7)的底部被完全刻蚀掉时，在写入栅极隔离区(911)的一周边缘与刻蚀窗口(200)相重合的部分仍有残留的氧化硅侧墙(112)和/或残留的ONO薄膜侧墙(74)。

8.根据权利要求1所述的自对准叠加双层多晶硅栅结构的制备方法，其特征是：所述方法的第1步中，在多晶硅(4)和光刻胶(6)之间还有一层抗反射涂层(5)；所述方法的第

2步中，在刻蚀窗口(100)刻蚀抗反射涂层(5)和多晶硅(4)直至露出浅槽隔离结构(2)，去除光刻胶(6)和抗反射涂层(5)；所述方法的第7步中，在多晶硅(8)和光刻胶(10)之间还有一层抗反射涂层(9)；所述方法的第8步中，在刻蚀窗口(200) 刻蚀抗反射涂层(9)、多晶硅(8)、ONO薄膜(7)和残留的氧化硅(111)直至ONO薄膜(7)的底部被完全刻蚀掉，去除光刻胶(10)和抗反射涂层(9)。

9.根据权利要求1所述的自对准叠加双层多晶硅栅结构的制备方法，其特征是：所述刻蚀窗口(100)与写入栅极隔离区(911)的位置重合，刻蚀窗口(100)的一周均在浅槽隔离结构(2)的范围之内。

10.根据权利要求1所述的自对准叠加双层多晶硅栅结构的制备方法，其特征是：所述刻蚀窗口(200)横向贯穿硅片的有源区(1)和浅槽隔离结构(2)的上方。

说明书

自对准叠加双层多晶硅栅结构的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体集成电路制造领域，特别是涉及一种栅结构的制备工艺。

背景技术

[0002] 自对准叠加双层多晶硅栅结构(Self-alignment Stack Gate，简称SASG结构)用途较为广泛，例如EEPROM的特定区域就需要制备SASG结构。请参阅图1，SASG结构900包括上层的控制栅极930、中间的隔离薄膜920和下层的写入栅极910。其中双层栅极930、910均为多晶硅，隔离薄膜920为ONO(Oxide-Nitride-Oxide，氧化物-氮化物-氧化物)薄膜。SASG结构900的下方是栅氧化层(gate oxide)3和有源区(active area)1。

[0003] 在SASG结构制备之前，硅片形态如图2a所示。有源区1包括硅衬底、外延层和其上的双阱等，有源区1上已经制备有STI(浅槽隔离)结构2。硅片上已经生长了栅氧化层3，并在栅氧化层上淀积了多晶硅4。多晶硅4将用于制备SASG结构的写入栅极。

[0004] 请参阅图2b～图2g，传统的SASG结构的制备工艺包括如下步骤：

[0005] 第1步，请参阅图2b，在多晶硅4上涂光刻胶6。通常在多晶硅4和光刻胶6之间还涂有一层抗反射涂层(ARC)5以减少不希望的反射。曝光显影后去除STI结构2上方的光刻胶以露出刻蚀窗口100，保留其余区域的光刻胶6。刻蚀窗口100用于制备SASG结构的写入栅极隔离区。

[0006] 第2步，请参阅图2c，采用干法等离子体刻蚀工艺，在刻蚀窗口100刻蚀掉抗反射涂层5和多晶硅4，在刻蚀掉薄薄的一层STI结构2后刻蚀停止，然后去除光刻胶6和抗反射涂层5。这一步定义出SASG结构的写入栅极隔离区911。刻蚀掉的STI结构2的深度可以等同于栅氧化层3的厚度。

[0007] 第3步，请参阅图2d，采用化学气相淀积工艺，在硅片表面淀积ONO薄膜7，这一层薄膜7将用来为SASG结构的双层栅极作隔离。值得注意的是，在刻蚀窗口100的侧壁(也是写入栅极隔离区911的边缘)上，ONO薄膜7形成侧墙71，侧墙71具有垂直(或近似于垂直)侧壁。

[0008] 第4步，请参阅图2e，在硅片表面淀积多晶硅8，这一层多晶硅8将用于制备SASG结构的控制栅极。

[0009] 第5步，请参阅图2f和图2g，在多晶硅8上涂光刻胶10，多晶硅8和光刻胶10之间还可有抗反射涂层9。曝光显影后去除STI结构2上方的光刻胶以露出刻蚀窗口200，保留其余区域的光刻胶10。

[0010] 第6步，请参阅图2h，用干法等离子体刻蚀工艺，在刻蚀窗口200刻蚀掉抗反射涂层9、多晶硅8和ONO薄膜7，直至ONO薄膜的水平底部被刻蚀掉露出STI结构2时刻蚀停止，然后去除光刻胶10和抗反射涂层9。

[0011] 请参阅图2i，这是上述第1步至第4步过程中硅片的俯视图，图2b～图2e均是图2i的A-A位置的剖视图。为清楚起见，图2i上仅表示了有源区1、STI结构2和刻蚀窗口100，而省略了其他结构。刻蚀窗口100以椭圆形示意，其完全落在STI结构2的范围内。写入栅极隔离区911就是刻蚀窗口100的位置。值得注意的是，ONO薄膜7在刻蚀窗口100的一周侧壁上都形成侧墙71，而不仅仅局限于图2i中A-A剖切线的位置。

[0012] 请参阅图2j，这是上述第5步至第6步过程中硅片的俯视图，图2f是图2j的A-A位置的剖视图，图2g和图2h是图2j的B-B位置的剖视图。为清楚起见，图2j上仅表示了有源区1、STI结构2、写入栅极隔离区911、光刻胶10和刻蚀窗口200，而省略了其他结构。光刻胶10贯穿硅片左右，覆盖着写入栅极隔离区911的中间部分，露出写入栅极隔离区911的两端。刻蚀窗口200贯穿硅片左右。

[0013] 经过上述6步之后，SASG结构已制备完成，多晶硅4、8经刻蚀后分别是SASG结构900的写入栅极910和930，ONO薄膜7经刻蚀后是双层栅极930、910的隔离薄膜920。

[0014] 上述SASG结构的制备过程中，由于第3步所淀积的ONO薄膜7在写入栅极隔离区911的一周边缘都形成了较高的垂直侧墙71，导致在第6步刻蚀时在写入栅极隔离区911的两端会有残留的ONO薄膜侧墙72。ONO薄膜的残留侧墙72不止出现在图2j的B-B剖切线位置，而是出现在所有写入栅极隔离区911的一周侧壁与刻蚀窗口200相重合的部分。侧墙72较高，其中的氮化硅会在其后各种工艺中成为缺陷(defect)，影响了SASG结构的器件稳定性和相关工艺的工作窗口。

[0015] ONO薄膜的残留侧墙72很难清除，若试图以过刻蚀(over etch)来去除此处的残留侧墙72，则会刻穿有源区1上方的栅氧化层3，从而对有源区1产生等离子损伤。

发明内容

[0016] 本发明所要解决的技术问题是提供一种SASG结构的制备方法，该方法可以显著改善SASG制备过程中的ONO薄膜残留的情况。

[0017] 为解决上述技术问题，本发明自对准叠加双层多晶硅栅结构的制备方法是硅片的有源区1之间具有浅槽隔离结构2，硅片上生长有栅氧化层3，栅氧化层3上淀积有多晶硅4，所述方法包括如下步骤：

[0018] 第1步，在多晶硅4上涂光刻胶6，曝光显影后去除STI结构2上方的光刻胶6露出刻蚀窗口100，保留其余区域的光刻胶6；

[0019] 第2步，在刻蚀窗口100刻蚀多晶硅4直至露出STI结构2，形成写入栅极隔离区911，去除光刻胶6；

[0020] 第3步，在硅片表面淀积氧化硅11；

[0021] 第4步，反刻该层氧化硅11直至该层氧化硅11的底部被完全刻蚀掉；

[0022] 第5步，在硅片表面淀积ONO薄膜7；

[0023] 第6步，在硅片表面淀积多晶硅8；

[0024] 第7步，在多晶硅8上涂光刻胶10，曝光显影后去除浅槽隔离结构2上方的光刻胶10露出刻蚀窗口200，保留其余区域的光刻胶10；

[0025] 第8步，在刻蚀窗口200刻蚀多晶硅8、ONO薄膜7和残留的氧化硅111直至ONO薄膜7的底部被完全刻蚀掉，去除光刻胶10。

[0026] 本发明在传统SASG制备工艺的基础上，在淀积ONO薄膜7之前增加了先淀积一层氧化硅11、再反刻该层氧化硅11的步骤。从而在写入栅极隔离区911的一周边缘都形成具有倾斜侧壁的残留的氧化硅侧墙111。残留的氧化硅侧墙111可以帮助ONO薄膜7在此处也形成具有倾斜侧壁的一周侧墙73，从而有利于SASG结构制备完成后尽可能完全地去除ONO薄膜7的残留。最终即使有部分氧化硅残留112和/或ONO薄膜残留74，由于是落在同是氧化硅的STI结构2上，也不会构成缺陷。

附图说明

[0027] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明：

[0028] 图1是SASG结构的简单示意图；

[0029] 图2a～图2j是传统的SASG结构制备工艺各步骤的硅片示意图；

[0030] 图3a～图3g是本发明SASG结构制备工艺各步骤的硅片示意图。

[0031] 图中附图标记为：1-有源区；2-STI结构；3-栅氧化层；4、8-多晶硅；5、9-抗反射涂层；6、10-光刻胶；7-ONO薄膜；71、73-ONO薄膜的侧墙；72、74-ONO薄膜的残留侧墙；11-氧化硅；111-氧化硅的首次残留侧墙；112-氧化硅的再次残留侧墙；100、200-刻蚀窗口；900-SASG结构；910-写入栅极；911-写入栅极隔离区；920-隔离薄膜；930-控制栅极。

具体实施方式

[0032] 在进行在SASG结构制备之前，硅片形态如图2a所示。有源区1包括硅衬底、外延层和其上的双阱等，有源区1上已经制备有STI(浅槽隔离)结构2。硅片上已经生长了栅氧化层3，并在栅氧化层上淀积了多晶硅4。多晶硅4将用于制备SASG结构的写入栅极。

[0033] 本发明SASG结构的制备工艺包括如下步骤：

[0034] 第1步，请参阅图2b，在多晶硅4上涂光刻胶6。曝光显影后去除STI结构2上方的光刻胶以露出刻蚀窗口100，保留其余区域的光刻胶6。刻蚀窗口100用于制备SASG结构的写入栅极隔离区。

[0035] 第2步，请参阅图2c，采用干法等离子体刻蚀工艺，在刻蚀窗口100刻蚀掉多晶硅4，直至露出STI结构2时刻蚀停止。实际上，通常是在刻蚀掉一层薄薄的STI结构2之后刻蚀才停止。例如可在刻蚀STI结构2的刻蚀深度等于栅氧化层3的厚度时，刻蚀停止。这一步定义出SASG结构的写入栅极隔离区911。

[0036] 第3步，请参阅图3a，在硅片表面淀积一层氧化硅11。

[0037] 第4步，请参阅图3b，反刻该层氧化硅11直至该层氧化硅11的底部被完全刻蚀掉。反刻可以采用对氧化硅和多晶硅的选择比大于1的干法等离子体刻蚀工艺，即选择的刻蚀工艺对氧化硅的刻蚀速率大于对多晶硅的刻蚀速率。

[0038] 反应条件可设为：反应腔的压力为30～100mT(毫托)，上部电源功率设为800～1500w，偏转功率设为800～1500w，通入氟碳化合物气体(如CHF3，CF4等)流量为50～
250sccm，通入氩气(Ar)为50～150sccm，通入氧气为4～10sccm。

[0039] 氧化硅11的底部被完全刻蚀掉时，在写入栅极隔离区911的一周边缘仍有残留的氧化硅侧墙111，氧化硅侧墙残留111具有倾斜侧壁。更具体地说，在写入栅极隔离区911的一周边缘的任意位置，残留的氧化硅侧墙111的侧壁与刻蚀窗口100底部的夹角β大于刻蚀窗口100的侧壁与底部的夹角α。夹角α通常是90度或近似90度。夹角β则明显大于90度。

[0040] 第5步，请参阅图3c，在硅片表面淀积ONO薄膜7。

[0041] ONO薄膜7在写入栅极隔离区911的一周边缘有侧墙73，ONO薄膜侧墙73具有倾斜侧壁。正是由于本发明所增加的第3步、第4步，改善了ONO薄膜侧墙73的形貌，使得ONO薄膜侧墙73开始具有倾斜侧壁(传统SASG制备工艺中，ONO薄膜侧墙71具有垂直侧壁)，便于后续工艺的去除。

[0042] 更具体地说，在写入栅极隔离区911的一周边缘的任意位置，ONO薄膜的侧墙73的侧壁与刻蚀窗口100的底部的夹角γ2明显大于90度，夹角γ2等于或近似于夹角β。而在传统SASG制备工艺的第3步中，ONO薄膜的侧墙71的侧壁与刻蚀窗口100的底部的夹角γ1为90度或近似于90度，夹角γ1等于或近似于夹角α。夹角γ2大于夹角γ1。

[0043] 第6步，请参阅图3d，在硅片表面淀积多晶硅8，这一层多晶硅8将用于制备SASG结构的控制栅极。

[0044] 第7步，请参阅图3e，在多晶硅8上涂光刻胶10。曝光显影后去除STI结构2上方的光刻胶以露出刻蚀窗口200，保留其余区域的光刻胶10。

[0045] 第8步，请参阅图3f，用干法等离子体刻蚀工艺，在刻蚀窗口200刻蚀掉多晶硅8、ONO薄膜7和第4步残留的氧化硅侧墙111，直至ONO薄膜的水平底部被刻蚀掉露出STI结构2时刻蚀停止。然后去除光刻胶。

[0046] 上述第1步至第6步过程中硅片的俯视图请参阅图2i，图3a～图3d均是图2i的A-A位置的剖视图。为清楚起见，图2i上仅表示了有源区1、STI结构2和刻蚀窗口100，而省略了其他结构。刻蚀窗口100以椭圆形示意，其完全落在STI结构2的范围内。写入栅极隔离区911就是刻蚀窗口100的位置。值得注意的是，氧化硅11在写入栅极隔离区911的一周侧壁上都有残留的侧墙111，ONO薄膜7也在写入栅极隔离区911的一周侧壁上都形成侧墙73，而不仅仅局限于图2i中A-A剖切线的位置。

[0047] 上述第7步至第8步过程中硅片的俯视图请参阅图2j，图3e是图2j的A-A位置的剖视图，图3f和图3g是图2j的B-B位置的剖视图。为清楚起见，图2j上仅表示了有源区1、STI结构2、写入栅极隔离区911、光刻胶10和刻蚀窗口200，而省略了其他结构。光刻胶10贯穿硅片左右，覆盖着写入栅极隔离区911的中间部分，露出写入栅极隔离区911的两端。刻蚀窗口200贯穿硅片左右。

[0048] 经过上述8步之后，SASG结构已制备完成，多晶硅4、8经刻蚀后分别是SASG结构900的写入栅极910和930，ONO薄膜7经刻蚀后是双层栅极930、910的隔离薄膜920。

[0049] 本发明中，第4步首次残留的氧化硅侧墙111经第8步刻蚀后可能会留下再次残留的氧化硅侧墙112，也可能被完全刻蚀掉。第5步淀积的ONO薄膜的侧墙73经第8步刻蚀后可能会留下残留的ONO薄膜侧墙74，也可能被完全刻蚀掉。即使在有残留的情况下，由于ONO薄膜侧墙残留74较低，其中的氮化硅已被完全刻蚀掉，仅留下部分氧化硅。仅留下氧化硅的ONO薄膜侧墙残留74与氧化硅侧墙的再次残留112均落在了STI结构2的上方，STI结构2也是氧化硅，因此这些残留在其后各种工艺中均不会成为缺陷。

[0050] 通常在所述方法的第1步中，多晶硅4和光刻胶6之间还有一层抗反射涂层5。所述方法的第2步中，在刻蚀窗口100刻蚀抗反射涂层5和多晶硅4直至露出浅槽隔离结构2，去除光刻胶6和抗反射涂层5。所述方法的第7步中，在多晶硅8和光刻胶10之间还有一层抗反射涂层9。所述方法的第8步中，在刻蚀窗口200刻蚀抗反射涂层9、多晶硅8、ONO薄膜7和残留的氧化硅11直至ONO薄膜7的底部被完全刻蚀掉，去除光刻胶10和抗反射涂层9。

[0051] 综上所述，本发明SASG结构的制备方法在传统工艺的基础上，在淀积ONO薄膜7之前增加了淀积氧化硅11、反刻氧化硅11的步骤，在写入栅极隔离区911的一周边缘留下了一周具有倾斜侧壁的残留111。这使其后的淀积ONO薄膜7在写入栅极隔离区911的一周边缘也形成一周具有倾斜侧壁的侧墙73，为尽可能彻底去除ONO薄膜7的侧墙带来了极大的便利。采用本发明所述方法制备的SASG结构，即便有部分氧化硅残留112和/或ONO薄膜残留74，由于同落在氧化硅的STI结构2上，在后续工艺中也不会成为缺陷。本发明所述SASG结构的制备方法实乃对现有工艺的一大改进。