應(yīng)用于溝槽型mos器件的溝槽柵及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于溝槽型MOS器件的溝槽柵及其制備方法，包括以下步驟：1)在硅基片上依次生長第一柵氧化層和氮化硅層；2)依次刻蝕氮化硅層和第一柵氧化層以形成溝槽開口；3)在溝槽開口處生長一二氧化硅層；4)刻蝕去除溝槽開口處的二氧化硅層；5)刻蝕硅基片，形成溝槽；6)在溝槽側(cè)壁和圓滑后的溝槽頂角處生長第二柵氧化層；7)去除溝槽表面剩余的氮化硅層；8)在溝槽內(nèi)填充多晶硅；9)刻蝕后形成最終所需的由多晶硅、第一柵氧化層和第二柵氧化層組成的具有圓滑頂角的溝槽柵結(jié)構(gòu)。本發(fā)明方法形成的具有圓滑頂角的溝槽柵結(jié)構(gòu)，可以解決傳統(tǒng)溝槽柵結(jié)構(gòu)中因尖銳溝槽頂角而導(dǎo)致的擊穿電壓降低問題，提高整個器件最終的擊穿電壓。
【專利說明】應(yīng)用于溝槽型MOS器件的溝槽柵及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路制造工藝，尤其涉及一種應(yīng)用于溝槽型MOS器件的溝槽柵及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的平面型MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)器件中，其MOS晶體管的源極、柵極和漏極都位于硅片的水平面上，不僅占用的面積大，而且導(dǎo)通電阻和功耗也較大，無法滿足功率器件小型化和低功耗化的要求。而溝槽型MOS器件巧妙地將晶體管的柵極形成于垂直于硅片表面的溝槽內(nèi)，從而使導(dǎo)通通道轉(zhuǎn)移到硅片的縱向方向，這樣做有三個優(yōu)點:(1)縮小器件面積，進一步提高器件集成密度，(2)有效降低了導(dǎo)通電阻和功耗，(3)基本消除了空穴在P講的橫向流動，有效地抑制了 pnpn閂鎖效應(yīng)(pnpn閂鎖效應(yīng)是指當器件的工作電流比閂鎖臨界電流大時，器件的寄生pnpn管會導(dǎo)通，而此時實際控制器件的MOS管可能還沒導(dǎo)通，因此就無法由外電路通過MOS管來控制器件的關(guān)斷)。因此溝槽型MOS器件被普遍應(yīng)用于功率器件。
[0003]在溝槽型MOS器件制造工藝中，晶體管的柵極在溝槽內(nèi)部形成，用來控制MOS器件的開與關(guān)，因此溝槽柵的制作是非常關(guān)鍵和重要的工藝，圖1是傳統(tǒng)溝槽柵的結(jié)構(gòu)，其制備工藝主要包括以下步驟:(I)在需要制作溝槽柵的硅基片100上經(jīng)由光刻和刻蝕的方法形成溝槽400 ; (2)使用濕法清洗或犧牲氧化的方法去除溝槽表面的缺陷和雜質(zhì)；(3)柵氧化層201的生長；(4)多晶硅700的填充；(5)經(jīng)由光刻和刻蝕的方法形成最終所需的由多晶硅700和柵氧化層201組成的溝槽柵結(jié)構(gòu)。在上述方法中，因為步驟(I)所形成的溝槽頂角404很尖銳(90°直角)，電荷容易在此累積并形成較密集的電場(尖端放電)，在施加同樣的外部電壓的情況下，容易在溝槽頂角404處發(fā)生電擊穿(Break down)而形成漏電，而在溝槽的側(cè)壁和底部因為沒有電場的累積而不容易發(fā)生擊穿，因此溝槽頂角404處的擊穿電壓(BV:Breakdown Voltage)通常都會小于溝槽的側(cè)壁和底部的擊穿電壓,這個較小的擊穿電壓也決定了整個器件的擊穿電壓。因此在傳統(tǒng)工藝中，往往因為在尖銳的溝槽頂角404處容易發(fā)生電擊穿而降低了整個器件的擊穿電壓。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種應(yīng)用于溝槽型MOS器件的溝槽柵及其制備方法，通過兩次熱氧化法來圓滑溝槽的頂角，以解決傳統(tǒng)溝槽柵結(jié)構(gòu)中因尖銳溝槽頂角而導(dǎo)致的擊穿電壓降低的問題，提高整個器件最終的擊穿電壓。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種應(yīng)用于溝槽型MOS器件的溝槽柵的制備方法，包括以下步驟:
[0006](I)在需要制作溝槽柵的硅基片上依次生長第一柵氧化層和氮化硅層；
[0007](2)依次刻蝕氮化硅層和第一柵氧化層以形成溝槽開口 ；
[0008](3)使用熱氧化法在溝槽開口處生長一二氧化硅層，形成圓滑后的溝槽頂角；
[0009](4)以溝槽表面剩余的氮化硅層為刻蝕掩模，刻蝕去除溝槽開口處的二氧化硅層；
[0010](5)以溝槽表面剩余的氮化硅層為刻蝕掩模，刻蝕硅基片，形成溝槽；
[0011](6)使用熱氧化法在溝槽側(cè)壁和圓滑后的溝槽頂角處生長第二柵氧化層，獲得再次圓滑后的溝槽頂角；
[0012](7)使用濕法刻蝕法去除溝槽表面剩余的氮化硅層；
[0013](8)使用化學氣相淀積方法在溝槽內(nèi)填充多晶硅；
[0014](9)經(jīng)由光刻和刻蝕的方法形成最終所需的由多晶硅、第一柵氧化層和第二柵氧化層組成的具有圓滑頂角的溝槽柵結(jié)構(gòu)。
[0015]在步驟(I)中，在所述第一柵氧化層生長之前，使用濕法清洗和/或犧牲氧化的方法去除硅基片表面的缺陷和雜質(zhì)。所述第一柵氧化層使用熱氧化法生長，其生長溫度為750-1100°C，其厚度為50-5000埃。所述氮化硅層采用低壓化學氣相淀積方法生長，其厚度為 1000-5000 埃。
[0016]在步驟(3)中，所述的熱氧化法包括干法氧化和濕法氧化，其生長溫度為750-1100°C，在熱氧化生長所述二氧化硅層的過程中需要消耗一部分硅基片里的硅，硅基片上位于溝槽頂角處的硅也會被消耗掉一小部分，形成圓滑后的溝槽頂角。所述二氧化硅層的厚度為100?10000埃。
[0017]在步驟(4)中，所述的刻蝕是指各項同性的濕法刻蝕。優(yōu)選地，所述的刻蝕是指以氫氟酸或被氟化銨緩沖的稀氫氟酸為主要刻蝕溶劑的各向同性的濕法刻蝕。
[0018]在步驟￠)中，在所述第二柵氧化層生長之前，使用濕法清洗的方法去除所述溝槽側(cè)壁和圓滑后的溝槽頂角處的缺陷和雜質(zhì)。所述第二柵氧化層使用熱氧化法生長，其生長溫度為750-1100°C，厚度為50-5000埃。所述第二柵氧化層的厚度和第一柵氧化層的厚度相問。
[0019]在步驟(9)中，在所述光刻之前，可采用干法回刻或化學機械研磨的方法對步驟
(8)所形成的多晶硅進行平坦化處理。
[0020]此外，本發(fā)明還提供采用上述方法制得的應(yīng)用于溝槽型MOS器件的具有圓滑頂角的溝槽柵結(jié)構(gòu)。
[0021]和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:本發(fā)明通過在傳統(tǒng)工藝中溝槽刻蝕前分別增加一步熱氧化生長和濕法刻蝕步驟，利用熱氧化法橫向擴散和需消耗部分硅的特點，將氮化硅層下面溝槽頂角熱氧化成二氧化硅，由于該熱氧化過程會消耗部分溝槽頂角處的硅，因此會使溝槽的尖銳頂角變得更圓滑，進一步，當采用各項同性的濕法刻蝕去除溝槽開口處的二氧化硅時，由于濕法的橫向刻蝕特性，氮化硅下面溝槽頂角處的二氧化硅也會被去除，從而露出圓滑的頂角，使得該圓滑頂角在后續(xù)的第二柵氧化層生長過程中能進一步被圓滑。因此采用本發(fā)明方法可以形成具有圓滑溝槽頂角的溝槽柵結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)溝槽柵結(jié)構(gòu)中因尖銳溝槽頂角而導(dǎo)致的擊穿電壓降低的問題，提高了整個器件最終的擊穿電壓。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是用傳統(tǒng)工藝獲得的具有尖銳溝槽頂角的溝槽柵結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是本發(fā)明的具有圓滑溝槽頂角的溝槽柵結(jié)構(gòu)的制造方法流程圖；
[0024]圖3是本發(fā)明的具有圓滑溝槽頂角的溝槽柵結(jié)構(gòu)的制造方法示意圖；其中，圖3(A)是本發(fā)明方法的步驟(I)完成后的示意圖；圖3(B)是本發(fā)明方法的步驟(2)完成后的示意圖；圖3(C)是本發(fā)明方法的步驟(3)完成后的示意圖；圖3(D)是本發(fā)明方法的步驟(4)完成后的示意圖；圖3(E)是本發(fā)明方法的步驟(5)完成后的示意圖；圖3(F)是本發(fā)明方法的步驟(6)完成后的示意圖；圖3(G)是本發(fā)明方法的步驟(7)完成后的示意圖；圖3(H)是本發(fā)明方法的步驟(8)完成后的示意圖；圖3(1)是本發(fā)明方法的步驟(9)完成后的不意圖；
[0025]圖4是圖3(1)的局部放大示意圖。
[0026]圖中附圖標記說明如下:
[0027]100-硅基片，200-第一柵氧化層，201-傳統(tǒng)溝槽柵結(jié)構(gòu)中的柵氧化層，300-氮化硅層，400-溝槽，401-溝槽開口，402-圓滑后的溝槽頂角，403-再次圓滑后的溝槽頂角，404-尖銳的溝槽頂角(傳統(tǒng)溝槽柵結(jié)構(gòu))，500- 二氧化硅層，501-圓滑后的溝槽頂角處的二氧化硅層，600-第二柵氧化層，700-多晶硅。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0029]本發(fā)明公開了一種溝槽柵結(jié)構(gòu)，其具有圓滑的頂角，同時本發(fā)明公開了該溝槽柵結(jié)構(gòu)的制造方法，如圖2所示，包括以下步驟:
[0030](I)如圖3(A)所示，在需要制作溝槽柵的硅基片100上依次生長第一柵氧化層200和氮化硅層300 ;在所述第一柵氧化層200生長之前，使用濕法清洗和/或犧牲氧化的方法去除硅基片100表面的缺陷和雜質(zhì)，所述的濕法清洗包括用氫氟酸去除硅基片100表面的自然氧化層、用SCl溶液(氫氧化銨/過氧化氫去離子水的混合液)去除硅基片100表面的顆粒和有機物雜質(zhì)以及用SC2溶液(鹽酸/過氧化氫去離子水的混合液)去除硅基片100表面的金屬雜質(zhì)，所述的犧牲氧化是指先通過熱氧化的方法使硅基片100表面的硅和氧氣或水蒸汽反應(yīng)生成二氧化硅，然后再通過濕法刻蝕的方法去除所述的二氧化硅，以達到去除硅基片100表面的缺陷和雜質(zhì)的目的，所述第一柵氧化層200使用熱氧化法生長，其生長溫度為750-1100°C，厚度為50-5000埃。所述的氮化硅層300主要有以下兩個方面的作用:一是在后續(xù)步驟(3)中作為二氧化硅層500和步驟￠)中第二柵氧化層600生長時的阻擋層，防止在溝槽表面再次生長出二氧化硅層；二是在后續(xù)步驟(4)中作為刻蝕形成溝槽400時的硬掩模(Hard mask)。所述氮化硅層300可以采用業(yè)界通用的低壓化學氣相淀積(LPCVD)的方法制得，其厚度為1000-5000埃。
[0031](2)如圖3(B)所示，依次刻蝕氮化硅層300和第一柵氧化層200以形成溝槽開口401 ;首先通過光刻的方法形成光刻膠圖形(圖中為示出)，然后再以光刻膠圖形為刻蝕掩模，使用干法刻蝕的方法從上至下依次刻蝕氮化硅層300和第一柵氧化層200，去除光刻膠后獲得溝槽開口 401。
[0032](3)如圖3(C)所示，使用熱氧化法在溝槽開口 401處生長一二氧化硅層500 ;所述的熱氧化法包括干法氧化和濕法氧化，其生長溫度為750-1100°C，所述二氧化硅層500的厚度一般為100?10000埃。熱氧化法的特征之一就是要消耗一部分硅，以此來獲得二氧化硅，因此在氧化生長二氧化硅層500的過程中，硅基片100上位于溝槽開口 401處的硅會被消耗掉一部分；同時由于熱氧化法的另一特征就是橫向擴散特性，因此在氧化生長二氧化硅層500的過程中，硅基片100上位于溝槽頂角處的硅也會被消耗掉一小部分，形成圓滑后的溝槽頂角處的二氧化硅層501，因此就可以獲得圓滑后的溝槽頂角402。在熱氧化生長二氧化硅層500過程中，由于氮化硅層300對熱氧化的阻擋作用，除溝槽開口 401處以外的地方，不會生成二氧化娃層500。
[0033](4)如圖3(D)所示，以溝槽表面剩余的氮化硅層300為刻蝕掩模，刻蝕去除溝槽開口 401處的二氧化硅層500 ;所述的刻蝕是指各項同性的濕法刻蝕，優(yōu)選地，所述的刻蝕是指以氫氟酸(HF)或被氟化銨緩沖的稀氫氟酸(BOE)為主要刻蝕溶劑的各向同性的濕法刻蝕，由于濕法刻蝕的各向同性特性(即橫向和縱向具有相同的刻蝕速率)，因此在刻蝕二氧化硅層500過程中，圓滑后的溝槽頂角402處的二氧化硅層501也會被刻蝕掉，從而暴露出圓滑后的溝槽頂角402。
[0034](5)如圖3(E)所示，以溝槽表面剩余的氮化硅層300為刻蝕掩模，刻蝕硅基片100，形成溝槽400 ;為了獲得較陡直的或可控的溝槽400的側(cè)壁，所述刻蝕一般采用以氟基或氯基氣體為主要刻蝕氣體的等離子干法刻蝕。
[0035](6)如圖3 (F)所示，使用熱氧化法在溝槽400側(cè)壁和圓滑后的溝槽頂角402處生長第二柵氧化層600 ;在所述第二柵氧化層600生長之前，使用濕法清洗的方法去除所述溝槽400側(cè)壁和圓滑后的溝槽頂角402處的缺陷和雜質(zhì)，所述第二柵氧化層600使用熱氧化法生長，其生長溫度為750-1100°C，厚度為50-5000埃，所述第二柵氧化層600的厚度和第一柵氧化層200的厚度相同。由于生長第二柵氧化層600時使用的也是熱氧化法，因此在該熱氧化過程中，本發(fā)明方法步驟(4)完成之后所暴露出的圓滑后的溝槽頂角402處的硅會被進一步消耗掉，因此圓滑后的溝槽頂角402會被進一步被圓滑而獲得再次圓滑后的溝槽頂角403，如圖4所示。在熱氧化生長第二柵氧化層600過程中，由于氮化硅層300對熱氧化的阻擋作用，除溝槽400側(cè)壁和圓滑后的溝槽頂角402以外的地方，不會生成第二柵氧化層600。
[0036](7)如圖3(G)所示，使用濕法刻蝕法去除溝槽400表面剩余的氮化硅層300 ;所述的濕法刻蝕可采用業(yè)界常用的以磷酸為主要刻蝕劑的濕法刻蝕方法。磷酸對氮化硅層和二氧化硅具有較高的刻蝕選擇比，因此在濕法刻蝕氮化硅層300過程中，位于氮化硅層300下面的第一柵氧化層200不會被刻蝕掉。
[0037](8)如圖3 (H)所示，使用化學氣相淀積方法在溝槽400內(nèi)填充多晶硅700 ;所述的多晶硅700被用作為溝槽柵的導(dǎo)電電極，可以使用業(yè)界常用的CVD (化學氣相淀積)方法淀積。
[0038](9)如圖3(1)所示，經(jīng)由光刻和刻蝕的方法形成最終所需的由多晶硅700、第一柵氧化層200和第二柵氧化層600組成的溝槽柵結(jié)構(gòu)；在所述光刻之前，可選地，采用干法回刻或化學機械研磨的方法對步驟(8)所形成的多晶硅700進行平坦化處理，以提高光刻工藝的D0F(D印th of Focus:聚焦深度)。再以光刻膠圖形(圖中為示出)為刻蝕掩模，依次刻蝕多晶硅700、第一柵氧化層200，最終形成具有圓滑頂角的溝槽柵結(jié)構(gòu)(圓滑后的溝槽頂角403，詳見圖4)。
[0039]由此可見，通過使用本發(fā)明的方法，如圖1所示的傳統(tǒng)工藝中尖銳的溝槽頂角404經(jīng)過兩次熱氧化(步驟(3)和步驟￠))后，由于硅的消耗而經(jīng)歷兩次圓滑的過程，因此可以獲得具有圓滑頂角的溝槽柵結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)溝槽柵結(jié)構(gòu)中因尖銳溝槽頂角而導(dǎo)致的擊穿電壓降低的問題，提高整個器件最終的擊穿電壓。
【權(quán)利要求】
1.一種應(yīng)用于溝槽型MOS器件的溝槽柵的制備方法，其特征在于，，包括以下步驟: (1)在需要制作溝槽柵的硅基片上依次生長第一柵氧化層和氮化硅層； (2)依次刻蝕氮化硅層和第一柵氧化層以形成溝槽開口； (3)使用熱氧化法在溝槽開口處生長一二氧化硅層，形成圓滑后的溝槽頂角； (4)以溝槽表面剩余的氮化硅層為刻蝕掩模，刻蝕去除溝槽開口處的二氧化硅層； (5)以溝槽表面剩余的氮化硅層為刻蝕掩模，刻蝕硅基片，形成溝槽； (6)使用熱氧化法在溝槽側(cè)壁和圓滑后的溝槽頂角處生長第二柵氧化層，獲得再次圓滑后的溝槽頂角； (7)使用濕法刻蝕法去除溝槽表面剩余的氮化硅層； (8)使用化學氣相淀積方法在溝槽內(nèi)填充多晶硅； (9)經(jīng)由光刻和刻蝕的方法形成最終所需的由多晶硅、第一柵氧化層和第二柵氧化層組成的具有圓滑頂角的溝槽柵結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(I)中，在所述第一柵氧化層生長之前，使用濕法清洗和/或犧牲氧化的方法去除硅基片表面的缺陷和雜質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(I)中，所述第一柵氧化層使用熱氧化法生長，其生長溫度為750-1100°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于，在步驟(I)中，所述第一柵氧化層的厚度為50-5000埃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(I)中，所述氮化硅層采用低壓化學氣相淀積方法生長，其厚度為1000-5000埃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(3)中，所述的熱氧化法包括干法氧化和濕法氧化，其生長溫度為750-1100°C，在熱氧化生長所述二氧化硅層的過程中需要消耗一部分娃基片里的娃，娃基片上位于溝槽頂角處的娃也會被消耗掉一小部分，形成圓滑后的溝槽頂角。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的方法，其特征在于，在步驟(3)中，所述二氧化硅層的厚度為100?10000埃。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(4)中，所述的刻蝕是指各項同性的濕法刻蝕。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在步驟(4)中，所述的刻蝕是指以氫氟酸或被氟化銨緩沖的稀氫氟酸為主要刻蝕溶劑的各向同性的濕法刻蝕。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(6)中，在所述第二柵氧化層生長之前，使用濕法清洗的方法去除所述溝槽側(cè)壁和圓滑后的溝槽頂角處的缺陷和雜質(zhì)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟￠)中，所述第二柵氧化層使用熱氧化法生長，其生長溫度為750-1100°C，厚度為50-5000埃。
12.根據(jù)權(quán)利要求1或11所述的方法，其特征在于，在步驟(6)中，所述第二柵氧化層的厚度和第一柵氧化層的厚度相同。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(9)中，在所述光刻之前，采用干法回刻或化學機械研磨的方法對步驟(8)所形成的多晶硅進行平坦化處理。
14.采用權(quán)利要求1-13任一項所述的方法制得的應(yīng)用于溝槽型MOS器件的具有圓滑頂角的溝槽柵結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】H01L21/28GK104282543SQ201310291537
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月11日
【發(fā)明者】郭曉波, 胡榮星 申請人:上海華虹宏力半導(dǎo)體制造有限公司