减小硅局部氧化层的鸟嘴宽度的方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，特别是涉及一种减小硅局部氧化层的鸟嘴宽度的方法。

背景技术

在0.18um及以上技术节点的工艺中，常采用LOCOS(Local Oxidation of Silicon硅局部氧化)作为器件隔离。LOCOS的具体制备流程包括在硅晶圆表面沉积一定厚度的刻蚀阻挡层，再利用光刻及刻蚀工艺去除需要形成LOCOS区域的刻蚀阻挡层，然后通过热氧化的方式在没有被刻蚀阻挡层覆盖的区域生长氧化层形成所需厚度的LOCOS。热氧化的过程中氧化层会沿着刻蚀阻挡层边缘往里延伸形成鸟嘴(称为“鸟喙效应”，bird beak)，鸟嘴的横向延伸将消耗一定的有源区，导致器件尺寸增大和性能下降。随着器件特征尺寸的日益缩小和器件集成度的日益增加，LOCOS的使用越来越多，但鸟嘴效应严重限制了器件尺寸的进一步缩小。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种减小硅局部氧化层的鸟嘴宽度的方法，用于解决现有技术中利用硅局部氧化(LOCOS)作为器件隔离时，在制备LOCOS的热氧化过程中，氧化层会沿着氮化硅边缘往里延伸形成鸟嘴，将消耗一定的有源区，导致器件尺寸增大和性能下降等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种减小硅局部氧化层的鸟嘴宽度的方法，包括步骤：

提供衬底，于所述衬底上形成刻蚀阻挡层；

于所述刻蚀阻挡层中形成开口以得到一预处理结构，所述开口显露出所述衬底；

对所述预处理结构进行热氧化处理以于所述开口显露出的所述衬底表面形成具有初始厚度的硅局部氧化层，所述硅局部氧化层向所述刻蚀阻挡层的底部延伸形成鸟嘴，所述初始厚度大于所述硅局部氧化层的目标厚度；

去除所述刻蚀阻挡层；

对所述硅局部氧化层进行湿法刻蚀，以将所述硅局部氧化层的厚度调整到所述目标厚度，在此过程中，鸟嘴宽度缩小。

可选地，所述热氧化处理在炉管设备中进行，热氧化过程中的温度为800℃～1000℃。

更可选地，所述热氧化为干氧氧化。

可选地，所述刻蚀阻挡层的厚度为400埃～600埃。

可选地，所述初始厚度与目标厚度的差值为10％～50％。

更可选地，所述初始厚度为1500埃～3000埃。

可选地，所述初始厚度为2000埃，所述目标厚度为1600埃。

可选地，所述减小硅局部氧化层的鸟嘴宽度的方法还包括在形成所述刻蚀阻挡层前，于所述衬底表面形成衬垫氧化层的步骤，所述刻蚀阻挡层形成于所述衬垫氧化层的表面。

更可选地，形成所述刻蚀阻挡层之后，先采用干法刻蚀工艺刻蚀所述刻蚀阻挡层，以在刻蚀阻挡层中形成上部开口，然后采用湿法刻蚀工艺去除位于所述上部开口内的衬垫氧化层以显露出所述衬底。

可选地，所述衬垫氧化层的厚度为100埃～200埃，形成所述衬垫氧化层的方法包括湿氧氧化。

可选地，采用热磷酸溶液去除所述刻蚀阻挡层，其中，所述热磷酸溶液的体积百分比浓度为85％～88％，温度为155℃～165℃；

采用氢氟酸溶液对所述硅局部氧化层进行湿法刻蚀，以将所述硅局部氧化层调整至所述目标厚度，在此过程中调整鸟嘴宽度，其中，氢氟酸溶液中的氢氟酸与水的体积比为150:1～100:1。

如上所述，本发明的减小硅局部氧化层的鸟嘴宽度的方法，具有以下有益效果：本发明通过改善的工艺设计，可以有效减少鸟嘴宽度，有助于提高器件性能且有助于器件尺寸的进一步缩小。

附图说明

图1至4显示为现有技术中制备硅局部氧化层的过程示意图。

图5显示为本发明提供的减小硅局部氧化层的鸟嘴宽度的方法的流程图。

图6至图10显示为本发明实施例一提供的减小硅局部氧化层的鸟嘴宽度的方法在各步骤所中呈现的结构示意图。

图11显示为采用本发明提供的减小硅局部氧化层的鸟嘴宽度的方法与现有方法制备同样厚度的硅局部氧化层时鸟嘴宽度的比较图。

图12至图16显示为本发明实施例二提供的减小硅局部氧化层的鸟嘴宽度的方法在各步骤中所呈现的结构示意图。

元件标号说明

11 衬底

12 刻蚀阻挡层

13 硅局部氧化层

14 光刻胶层

21 衬底

22 刻蚀阻挡层

23 硅局部氧化层

24 衬垫氧化层

25 光刻胶层

26 开口

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图16。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

硅局部氧化工艺(Local Oxidation of Silicon，简称LOCOS)是一种常用的器件隔离工艺。其制备流程通常如图1至图4所示，包括在衬底11(通常为硅晶圆)表面沉积一定厚度的刻蚀阻挡层12，然后于刻蚀阻挡层12表面涂布光刻胶层14，经光刻刻蚀定义出预进行热氧化的区域A(参考图1及图2)，然后通过热氧化的方式在没有被刻蚀阻挡层12覆盖的区域生长所需厚度的氧化层形成硅局部氧化层13(参考图3)，之后采用干法刻蚀工艺去除残余的刻蚀阻挡层12(参考图4)。热氧化的过程中氧化层会沿着刻蚀阻挡层边缘往里延伸形成鸟嘴，鸟嘴的横向延伸将消耗一定的有源区，导致器件尺寸增大和性能下降。尤其是硅局部氧化层的厚度h1越大，鸟嘴的宽度d1会越长，这严重限制了器件尺寸的进一步缩小。为此，本发明提出了改善方案。

实施例一

如图5至图10所示，本发明提供一种减小硅局部氧化层的鸟嘴宽度的方法，包括步骤：

S1：提供衬底21，于所述衬底21上形成刻蚀阻挡层22；

S2：于所述刻蚀阻挡层22中形成开口26以得到一预处理结构，所述开口26显露出所述衬底21，而开口26对应的位置为后续要形成硅局部氧化层23的位置，具体参考图6及图7所示；

S3：对所述预处理结构(即步骤S2所得到的结构)进行热氧化处理以于所述开口26显露出的所述衬底21表面形成具有初始厚度h2的硅局部氧化层23，所述硅局部氧化层23向所述刻蚀阻挡层22的底部延伸形成鸟嘴，鸟嘴具有初始宽度d2，所述初始厚度大于所述硅局部氧化层23的目标厚度，具体参考图8所示；

S4：去除所述刻蚀阻挡层22(参考图9所示)；

S5：对所述硅局部氧化层23进行湿法刻蚀，以将所述硅局部氧化层23的厚度调整到所述目标厚度h3，在此过程中，鸟嘴宽度将自初始的宽度d2缩小至d3，具体可以参考图10所示。这是因为湿法刻蚀是一种各向同性刻蚀，即对器件表面各个方向的刻蚀速率是相同的，因而在湿法刻蚀硅局部氧化层23的过程中，鸟嘴部分也会被刻蚀，且由于鸟嘴的厚度相对更小而可以先被刻蚀掉，使得鸟嘴宽度缩小。

本发明通过改善的工艺设计，可以有效减少鸟嘴宽度，有助于提高器件性能且有助于器件尺寸的进一步缩小。

作为示例，所述衬底21可以为硅晶圆、绝缘体上硅(SOI)、锗或锗硅材料层；所述刻蚀阻挡层22包括但不限于氮化硅层和氮化钛层中的一种或两种的结合，形成所述刻蚀阻挡层22的方法包括但不限于气相沉积方法。

作为示例，在所述刻蚀阻挡层22中形成显露出所述衬底21的方法优选光刻刻蚀方法，比如先于刻蚀阻挡层22表面涂布光刻胶层25，经曝光显影定义出开口位置和形貌，然后经干法(比如采用CF4/CHF3气体)或湿法(比如采用热磷酸)刻蚀出显露出衬底21表面的开口。

作为示例，步骤S3的所述热氧化处理在炉管设备中进行，热氧化过程中的温度为800℃～1000℃。在一较佳示例中，所述热氧化为干氧氧化，即向炉管内通过氧气等气体对衬底21表面进行氧化。干氧氧化的速率虽然相对较慢，但生长出的氧化层质量比较好，有助于提高器件性能。

在一示例中，所述刻蚀阻挡层22的厚度为400埃～600埃(如无特殊说明，本说明书中在涉及数值区间的描述时，均包括端点值)，比如为400埃、500埃、600埃或这区间的任意值，但较优的为500埃，既可以起到较好的刻蚀阻挡作用，同时形成时间以及后续刻蚀去除时间都不会太长。

理论上如果硅局部氧化层23的厚度比目标厚度大很多，则在后续调整至目标厚度的过程中，鸟嘴宽度可以调整至接近于零。但实际工艺中，考虑到多种工艺时间等多种因素，对初始厚度需精心设计。如果初始厚度与目标厚度差异不大，那在后续湿法刻蚀调整厚度的过程中容易损伤衬底21，但是如果差异太大，那刻蚀速率难以精确控制(随着刻蚀的持续进行，刻蚀液溶度会产生变化，刻蚀液中的杂质增加，这些因素都会影响刻蚀速率)，而且会导致刻蚀时间变长。发明人经大量实验发现，所述初始厚度与目标厚度的差值优选为10％～50％(初始厚度比目标厚度大10％～50％)，更优选地为20％～30％。在一优选示例中，所述初始厚度为1500埃～3000埃。更优选地，所述初始厚度为2000埃，所述目标厚度为1600埃。

在一较佳示例中，所述刻蚀阻挡层22为氮化硅层，因而步骤S4中，优选采用湿法刻蚀工艺去除所述刻蚀阻挡层，更优地为采用热磷酸溶液去除所述刻蚀阻挡层22，其中，所述热磷酸溶液的体积百分比浓度为85％～88％，温度为155℃～165℃。

作为示例，采用氢氟酸溶液对所述硅局部氧化层23进行湿法刻蚀，以将所述硅局部氧化层23调整至所述目标厚度，在此过程中调整鸟嘴宽度，其中，氢氟酸溶液中的氢氟酸与水的体积比为150:1～100:1。

发明人对本发明的方法进行了实验验证，其验证结果如图11所示。在一对比实验中，采用现有技术中的方法制备1600埃的硅局部氧化层时，鸟嘴宽度在285nm左右，而采用本发明提供的方法先制备2000埃的硅局部氧化层，之后经湿法刻蚀调整至1600埃之后，鸟嘴宽度缩小为245nm左右。在另一对比实验中，采用现有技术中的方法制备1600埃的硅局部氧化层时，鸟嘴宽度在265nm左右，而采用本发明提供的方法先制备2000埃的硅局部氧化层，之后经湿法刻蚀调整至1600埃之后，鸟嘴宽度缩小为225nm左右(同一对比实验中的硅局部氧化层的生长条件相同)。表明采用本发明的方法可以有效缩小鸟嘴宽度，有利于提高器件性能，有助于器件尺寸的进一步缩小。

实施例二

如图12至图16所示，本发明还提供另一种减小硅局部氧化层的鸟嘴宽度的方法。本实施例与实施例一的主要区别在于，实施例一中直接在衬底21表面形成刻蚀阻挡层22，而后在刻蚀阻挡层22中形成显露衬底21表面的开口，这种方法的优点是工艺步骤简单，制备成本低。而本实施例的所述减小硅局部氧化层的鸟嘴宽度的方法还包括在形成所述刻蚀阻挡层22前，于所述衬底21表面形成衬垫氧化层24的步骤，所述刻蚀阻挡层22形成于所述衬垫氧化层24的表面；之后先采用干法刻蚀工艺刻蚀所述刻蚀阻挡层22以在刻蚀阻挡层22中形成上部开口，然后以残余的刻蚀阻挡层22为掩膜，采用湿法刻蚀工艺(比如采用体积百分比浓度为小于5％，优选为1％以内的氢氟酸进行湿法刻蚀)去除位于所述上部开口内的衬垫氧化层24以显露出所述衬底21(参考图12及图13)，之后进行热氧化处理以形成所述硅局部氧化层23(参考图14)，之后去除残余的刻蚀阻挡层22，并在将所述硅局部氧化层23的厚度调整到所述目标厚度的过程中去除残余的所述衬垫氧化层24(参考图15)，同样可以有效缩小鸟嘴宽度(将鸟嘴宽度自最初的d2缩小至d3)。除该区别外，本实施例中在对相应膜层进行处理时的工艺与实施例一基本相同，具体可以参考实施例一中的描述，出于简洁的目的不赘述。本实施例中在形成刻蚀阻挡层22前先于衬底21表面形成衬垫氧化层24，衬垫氧化层24可以起到较好的粘附和缓冲作用，可以减小刻蚀阻挡层22和衬底21之间的应力，同时可以保护衬底21。

作为示例，所述衬垫氧化层24的厚度为100埃～200埃，形成所述衬垫氧化层24的方法包括湿氧氧化。湿氧氧化过程同样可以在炉管设备中进行，比如往炉管设备中通入水蒸气。采用湿氧氧化快速形成所需的衬垫氧化层，而且形成的氧化层容易去除(比如采用浓度较低的氢氟酸即可去除，避免对衬底的损伤)，这有助于缩短工艺时间，提高设备产出效率。除上述区别外，本实施例的其他部分，包括同一功能层的材质、工艺处理都相同，比如所述刻蚀阻挡层22同样优选氮化硅层，刻蚀阻挡层同样优选热磷酸刻蚀等，对此不再一一赘述。

综上所述，本发明提供一种减小硅局部氧化层的鸟嘴宽度的方法，包括步骤：提供衬底，于所述衬底上形成刻蚀阻挡层；于所述刻蚀阻挡层中形成开口以得到一预处理结构，所述开口显露出所述衬底；对所述预处理结构进行热氧化处理以于所述开口显露出的所述衬底表面形成具有初始厚度的硅局部氧化层，所述硅局部氧化层向所述刻蚀阻挡层的底部延伸形成鸟嘴，所述初始厚度大于所述硅局部氧化层的目标厚度；去除所述刻蚀阻挡层；对所述硅局部氧化层进行湿法刻蚀，以将所述硅局部氧化层的厚度调整到所述目标厚度，在此过程中，鸟嘴宽度缩小。本发明通过改善的工艺设计，可以有效减少鸟嘴宽度，有助于提高器件性能且有助于器件尺寸的进一步缩小。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。