专利名称：制作多晶硅薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及半导体的制造技术，尤其是一种制作多晶硅薄膜的方法。
然而，多晶硅材料的沉积制程对晶片的表面状况十分敏感，尤其是在进行所谓的双栅极(dual gate)制程时。由于双栅极制程必需制作出不同厚度的栅极氧化层(gate oxide layer)，所以相对来说，双栅极制程是一种较容易产生微粒(particle)与残余物(residue)的制程。因为在形成第二次栅极氧化层之前，必需进行一些相对来说较容易产生微粒(particle)与残余物(residue)的制程，例如黄光(photolithography)制程中的光阻覆盖(coating)、显影(develop)与光阻去除(photoresist strip)步骤、栅极氧化硅层的蚀刻制程。
因此在完成光阻去除步骤之后，一般均需要再进行超音波刷洗(megasonic scrubbing)制程以及湿式的RCA清洗制程，才能进行第二次栅极氧化层的沉积。而进行这些制程的目的，除了要达到去除光阻、清洗晶圆以及酸碱中和的目的之外，还必需尽量去除晶圆上所附着的微粒子、有机物、金属粒子以及微粗糙(microroughness)，以免产生栅极氧化层崩溃电压(breakdownvoltage)降低、接面(junction)漏电流(leakage current)增大、氧化速率改变等问题。
请参考
图1至图5，图1至图5为习知于半导体晶片10上制作双栅极的方法示意图。如图1所示，半导体晶片10包含有一基底12，基底12的表面包含一第一栅极氧化区13以及一第二栅极氧化区14。第一栅极氧化区13以及第二栅极氧化区14内，另包含有复数个定义出主动区域15的场氧化层16，形成于基底12表面。习知方法首先利用一干氧化(dry oxidation)制程，于半导体基底12表面形成一厚度约为57的第一栅极氧化层18。接着如图2所示，于基底12的表面形成第一光阻层22，然后进行一黄光制程，利用光阻层22覆盖住第一栅极氧化区13的主动区域15。
如图3所示，随后进行一湿蚀刻制程，利用缓冲氧化物蚀刻溶液(bufferoxide etchant，BOE)作为蚀刻溶液，以去除未被光阻层22所覆盖的第一栅极氧化层(gate oxide layer，GOX Layer)18，然后再去除光阻层22。在去除光阻层22时，通常是使用所谓的SPM(sulfuric acid-hydrogen peroxidemixture)溶液，而在进行去除光阻层22时，通常亦会先进行一SC-1清洗制程，再将半导体晶片10旋干(spin dry)。这样做的目的，是希望半导体晶片10在进入去光阻溶液之前，所有的微粒污染，如破裂的氧化层、残余的蚀刻溶液以及有机物微粒，能够尽量被去除，以免影响到光阻去除制程。
于光阻去除制程之后，接着进行一湿式清洗制程。通常会先进行一超音波刷洗(megasonic scrubbing)制程，利用超音波的震荡，去除晶片上的污染物，然后进行一SC-1清洗制程。SC-1清洗制程利用高PH值的APM(ammoniumhydrogen peroxide mixture)溶液，在80～90℃的温度下，通过氧化以去除有机污染与微粒。随后进行一SC-2清洗制程，利用低PH值的HPM(hydrochloricacid hydrogen peroxide mixture)溶液，在80～90℃的温度下，形成可溶性错离子，而去除金属污染。
如图4所示，接着利用另一干氧化(dry oxidation)制程，于半导体基底12表面形成一厚度约为33的第二栅极氧化层24。在形成第二栅极氧化层24时，会先消耗掉部分厚度的第一栅极氧化层18，因此，最后所形成的第一栅极氧化层18厚度，会大于第二栅极氧化层24的厚度，但会小于两次氧化厚度的总和。
如图5所示，利用一低压化学气相沉积(low pressure chemical vapordeposition，LPCVD)来进行一多晶硅(polysilicon)沉积制程，以于第一栅极氧化区13以及第二栅极氧化区14之上形成一多晶硅层(未显示)。该LPCVD制程可以于批次形式(batch type)的设备中进行，也可以在一次只处理单片晶片(single wafer)的设备中进行。前者的制程条件为以硅甲烷(silane，SiH4)为反应气体，温度设定在摄氏580度至630度之间，压力约为0.2托耳(torr)。而后者的制程条件为以硅甲烷(silane，SiH4)为反应气体，温度设定在摄氏680度至710度之间，压力约为40～80托耳(torr)。后者具有沉积速率快的优点，但一次只可以处理一片晶片。接着进行一黄光制程以及一蚀刻制程，以于半导体晶片10的第一栅极氧化区13与第二栅极氧化区14之上分别上形成形成第一栅极26与第二栅极28。
然而，尽管在进行多晶硅沉积制程之前，已经进行一道又一道的各种清洗制程，以期能达到去除各种微粒污染的目的。但是往往在多晶硅沉积制程之后，又会发现晶片表面发生局部或全面微粒污染的情形，甚至于有些微粒是以针状(needle)的形式存在。这种现象因为现今的刷洗以及清洗制程，有其制程能力上的极限，因此清洗完的晶圆上仍可能残余微量的微粒、金属离子、有机物等，所以在半导体业界大量生产的前提下，亦只能订定洗净标准，用来作为各个生产线的流程控制之用，以使在进行多晶硅沉积制程之前的微粒数量能符合检测标准。此外，在形成多晶硅层时，制程温度愈高，沉积速率则愈快，其结晶性(crystallinity)也将愈明显，甚至于当制程温度过高时，反应会倾向以均匀性成核(homogeneous nucleation)的方式进行，以形成较多的晶粒(grain)。因此在多晶硅的沉积过程中，其结晶方向容易沿着之前已存在的微粒长晶，使沉积后的多晶硅层表面发生局部或全面微粒污染的情形。
如图6所示，图6为习知于半导体晶片10上形成第一栅极与第二栅极后的剖面示意图。图6中的突起物32即为微粒，当多晶硅层26的沉积厚度约为2k时，微粒的高度甚至可以达到5μm。请参考图7，图7为习知于半导体晶片10上形成第一栅极与第二栅极后的微粒分布图。
因此，如何能在不使清洗制程变得更繁琐，并且不增加清洗制程所耗费成本之前提的下，发展出一种新的多晶硅薄膜制程，以避免多晶硅薄膜在沉积时，发生局部或全面的微粒污染，以及针状污染，便成为一个十分重要的课题。
在本发明的最佳实施例中，提供一种于一半导体晶片上制作一多晶硅薄膜(polysilicon film)的方法，该半导体晶片表面包含一第一栅极氧化区以及一第二栅极氧化区，该方法包含有下列步骤于该半导体晶片表面形成一第一栅极氧化层以及一光阻层，再进行一湿蚀刻制程，以去除该半导体晶片表面第一栅极氧化区以外的第一栅极氧化层，然后去除该光阻层，在进行若干湿式清洗制程后，于该半导体晶片表面形成一第二栅极氧化层，最后进行一两阶段式的多晶硅沉积制程，并使该多晶硅层覆盖于第一栅极氧化区以及第二栅极氧化区之上，该两阶段式的多晶硅沉积制程，包含一第一阶段低温式的非晶硅(amorphous silicon，α-Si)沉积制程，以及一第二阶段高温式的多晶硅(polysilicon)沉积制程，用来避免于形成多晶硅层时，同时形成微粒(particle)与缺陷(defect)的情形。
由于本发明利用一两阶段式的多晶硅沉积制程，来形成由非晶硅层以及多晶硅层所复合构成的多晶硅层，因此，可利用形成非晶硅时结晶性(crystallinity)不明显的特性，以有效抑制晶核的生成，进而避免在进行结晶时，晶粒沿着附着于晶片表面大小不一的微粒成长的情形。因此本发明可在不增加前制程中清洗步骤所耗费成本之前提下，明显地改善习知技术中形成各种形状的微粒以及缺陷的情形。
图示的符号说明10半导体晶片 12基底13第一栅极氧化区 14第二栅极氧化区15主动区域16场氧化层18第一栅极氧化层 22光阻层24第二栅极氧化层 26第一栅极28第二栅极32突起物100半导体晶片 102基底103第一栅极氧化区 104第二栅极氧化区105主动区域 106场氧化层108第一栅极氧化层 112光阻层114第二栅极氧化层 116a第一非晶硅层
116b第二多晶硅层 116多晶硅层118第一栅极 122第二栅极如图10所示，随后进行一湿蚀刻制程，利用缓冲氧化物蚀刻溶液(bufferoxide etchant，BOE)作为蚀刻溶液，以去除未被光阻层112所覆盖的第一栅极氧化层108。接着进行一SC-1清洗制程，再将半导体晶片100旋干(spindry)，以去除微粒污染源，如破裂的氧化层、残余的蚀刻溶液以及有机物微粒，然后再使用SPM(sulfuric acid-hydrogen peroxide mixture)溶液来去除光阻层112。
去除光阻层112之后，接着进行一湿式清洗制程。通常先进行一超音波刷洗(megasonic scrubbing)制程，利用超音波的震荡，去除晶片上的污染物，然后利用高PH值的APM(ammonium hydrogen peroxide mixture)溶液，在80～90℃的温度下，通过氧化反应来去除有机污染与微粒。最后再进行一SC-2清洗制程，利用低PH值的HPM(hydrochloric acid hydrogen peroxide mixture)溶液，在80～90℃的温度下，形成可溶性错离子，以去除金属污染。
如图11所示，接着进行另一干氧化(dry oxidation)制程，于半导体基底102表面形成一厚度约为33的第二栅极氧化层114。由于在形成第二栅极氧化层114时，会先消耗掉部分厚度的第一栅极氧化层108，因此，最后所形成的第一栅极氧化层108厚度，会大于第二栅极氧化层114的厚度，但会小于两次沉积厚度的总和。
如图12所示，随后利用一两阶段式(two-step)的低压化学气相沉积(lowpressure chemical vapor deposition，LPCVD)制程，于第一栅极氧化区103以及第二栅极氧化区104之上形成一多晶硅层116。此两阶段式的LPCVD制程，于一次只处理单片晶片(single wafer)的设备中进行。第一阶段的制程条件为以硅甲烷(silane，SiH4)为反应气体，温度设定于摄氏550度至650度之间，压力为40～80托耳(torr)，所沉积的第一非晶硅层116a的厚度约为100埃(angstroms)。接着再进行第二阶段的多晶硅沉积制程，其制程条件为以硅甲烷为反应气体，温度设定于摄氏680度至710度之间，压力为40～80托耳(torr)，所沉积的第二多晶硅层116b的厚度为2000～2500angstroms。第一非晶硅层116a与第二多晶硅层116b复合成为一多晶硅层116。
本发明进行两阶段式的多晶硅沉积制程的优点，在于一开始时先以较低的温度沉积，结晶性(crystallinity)不明显，倾向于形成非晶硅(amorphoussilicon，α-Si)结构，因此能有效抑制晶核的生成，进而避免在进行结晶时，晶粒(grain)将沿着附着于晶片表面大小不一的微粒成长(grow)，而发生如图6中所示的突起物以及缺陷的情形。此外，本发明中的复合式多晶硅层，亦可通过适当的参数调整，以进行于批次式的LPCVD制程设备中。
最后如图13所示，进行一黄光制程以及一蚀刻制程，以于半导体晶片100的第一栅极氧化区103与第二栅极氧化区104之上分别上形成第一栅极118与第二栅极122。请参考图14，图14为本发明中于半导体晶片100上形成第一栅极与第二栅极后的微粒分布图。
由于本发明的多晶硅层的沉积方式，是一两阶段式的多晶硅沉积制程，即先于较低的制程温度下形成一非晶硅层，然后再于较高的制程温度下形成一多晶硅层。由于在形成非晶硅时结晶性(crystallinity)不明显，故可有效抑制晶核的生成，如此一来，即可避免在进行结晶时，晶粒将沿着附着于晶片表面大小不一的微粒成长的情形，而产生各是不预期的针状(needle-like)微粒。即使不改变或增加前制程中的清洗制程，如湿蚀刻、去光阻之后以及第二栅极氧化层沉积之前的清洗步骤，在不增加清洗制程所耗费成本之前提下，亦可明显改善形成各种形状的微粒以及缺陷的情形。
相较于习知制作下储存电极的制作方法，本发明的两阶段式多晶硅沉积制程，先于较低的制程温度下形成一非晶硅层，然后再于较高的制程温度下形成一多晶硅层。由于在形成非晶硅时结晶性(crystallinity)不明显，故可有效抑制晶核的生成，进而避免在进行结晶时，晶粒将沿着附着于晶片表面大小不一的微粒成长的情形。因此本发明的两阶段式多晶硅沉积制程可在不增加前制程中清洗步骤的耗费成本之前提下，明显改善习知技术中形成各种形状的微粒以及缺陷的情形。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
权利要求
1.一种于一半导体晶片上制作一多晶硅薄膜的方法，该半导体晶片表面包含有复数个微粒，其特征是该方法包含有下列步骤进行一两阶段式的多晶硅沉积制程，且该两阶段式的多晶硅沉积制程包含有一第一阶段低温式的非晶硅沉积制程；以及一第二阶段高温式的多晶硅沉积制程；其中该第一阶段低温式的非晶硅沉积制程用来避免该多晶硅薄膜的晶核沿着该半导体晶片表面的复数个微粒长晶，以抑制该多晶硅薄膜表面发生针状微粒与缺陷的情形。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是在进行该两阶段式的多晶硅沉积制程之前，该半导体晶片表面至少进行过一黄光制程、一湿蚀刻制程、一去除光阻、一湿式清洗制程以及一热氧化制程。
3.如权利要求2所述的方法，其特征是该湿蚀刻制程包含有一缓冲氧化物蚀刻溶液蚀刻制程，以及一SC-1清洗制程。
4.如权利要求2所述的方法，其特征是该湿式清洗制程包含有一超音波刷洗制程、一SC-1清洗制程以及一SC-2清洗制程。
5.如权利要求1所述的方法，其特征是该微粒包含有附着于该半导体晶片表面的微粒子、有机物、金属粒子以及微粗糙。
6.如权利要求1所述的方法，其特征是该第一阶段低温式的非晶硅沉积制程的制程温度范围为550～650℃，且该非晶硅沉积制程所生成的非晶硅层厚度约为100。
7.如权利要求1所述的方法，其特征是该第二阶段高温式的多晶硅沉积制程的制程温度范围为680～710℃。
8.如权利要求1所述的方法，其特征是该两阶段式的多晶硅沉积制程，于单片晶片式的低压化学气相沉积设备中进行。
9.一种于一半导体晶片上制作一多晶硅薄膜的方法，该半导体晶片表面包含一第一栅极氧化区以及一第二栅极氧化区，其特征是该方法包含有下列步骤于该半导体晶片表面形成一第一栅极氧化层；进行一黄光制程以及一蚀刻制程，以去除第二栅极氧化区表面上的第一栅极氧化层；进行一清洗制程；以及进行一两阶段式的多晶硅沉积制程，并使该多晶硅层覆盖于第一栅极氧化区以及第二栅极氧化区之上；其中该两阶段式的多晶硅沉积制程，包含一第一阶段低温式的非晶硅沉积制程，用来避免于形成多晶硅层时，同时形成微粒与缺陷的情形，以及一第二阶段高温式的多晶硅沉积制程。
10.如权利要求9所述的方法，其特征是该蚀刻制程为一湿蚀刻制程。
11.如权利要求10所述的方法，其特征是该湿蚀刻制程利用缓冲氧化物蚀刻溶液作为蚀刻溶液。
12.如权利要求9所述的方法，其特征是该清洗制程为一湿式清洗制程。
13.如权利要求12所述的方法，其特征是该湿式清洗制程包含进行一超音波刷洗制程；进行一SC-1清洗制程；以及进行一SC-2清洗制程。
14.如权利要求9所述的方法，其特征是该第一阶段低温式的非晶硅沉积制程的制程温度范围为550～650℃。
15.如权利要求9所述的方法，其特征是该第二阶段高温式的多晶硅沉积制程的制程温度范围为680～710℃。
16.如权利要求9所述的方法，其特征是该两阶段式的多晶硅沉积制程，于单片晶片式的低压化学气相沉积设备中进行。
17.如权利要求9所述的方法，其特征是该缺陷包含针状缺陷。
全文摘要
一种制作多晶硅薄膜的方法，该方法包含有下列步骤于该半导体晶片表面形成一第一栅极氧化层以及一光阻层，进行一湿蚀刻制程以去除该半导体晶片表面的一第一栅极氧化区以外的第一栅极氧化层，然后去除该光阻层并进行若干湿式清洗制程，接着于该半导体晶片表面形成一第二栅极氧化层，最后进行一两阶段式的多晶硅沉积制程，以于第一栅极氧化区以及第二栅极氧化区之上形成一多晶硅层；其中，该两阶段式的多晶硅沉积制程包含一第一阶段低温式的非晶硅沉积制程以及一第二阶段高温式的多晶硅沉积制程，因此本发明可在不增加前制程中清洗步骤的耗费成本之前提下，避免于形成多晶硅层时发生微粒与缺陷的情形。
文档编号H01L21/02GK1447389SQ02155288
公开日2003年10月8日 申请日期2002年12月12日 优先权日2002年3月25日
发明者梁昭湖, 陈志鸿, 戴裕山, 郑博伦 申请人:联华电子股份有限公司