密封的淺溝槽隔離區域及其形成方法
2023-10-09 23:28:29
密封的淺溝槽隔離區域及其形成方法
【專利摘要】一種用於為半導體器件形成密封的淺溝槽隔離(STI)區域的方法包括：在襯底中形成STI區域，STI區域包括STI填充；在STI區域的STI填充中形成密封凹陷；並且在STI填充之上的密封凹陷中形成密封層。
【專利說明】密封的淺溝槽隔離區域及其形成方法
【技術領域】
[0001]本公開內容主要地涉及半導體器件製作領域，並且更具體地涉及一種用於半導體器件的密封的淺溝槽隔離(STI)區域。
【背景技術】
[0002]集成電路(IC)可以包括形成於晶片上的大量器件，諸如互補金屬氧化物半導體(CMOS)場效應晶態管(FET)。產生更小、更高性能的器件對於增強IC的性能和提高IC的可靠性是重要的。隨著按比例縮減器件，為了生產這樣的器件而需要的技術變得更複雜。可以通過外延沉積來形成FET中的各種區域(諸如源極/漏極區域)以提供相對高性能的器件。外延是指在晶態襯底上沉積晶態覆蓋層，其中覆蓋層與襯底配準。覆蓋層稱為外延膜或者外延層。希望沉積的材料形成相對於襯底晶體結構具有一個定義好的定向的晶態覆蓋層。可以從氣態或者液體前體生長外延膜，並且外延膜可以包括材料，諸如嵌入的鍺化矽(eSiGe)。
[0003]外延沉積可能需要在襯底中形成其中隨後沉積材料的凹陷。可以通過電抗離子蝕刻(RIE)形成凹陷。此外，可以存在在沉積之前的預清理步驟。預清理步驟可以包括使用氫氟(HF)酸。凹陷的形成和預清理步驟可能引起所不希望的從器件的材料去除並且可能在後續半導體處理步驟，諸如接觸形成期間引起問題。例如可以在預清理期間在器件的淺溝槽隔離(STI)區域中形成切片(divot)。切片的存在可能引起在隨後外延沉積於STI區域上或者附近的材料中的多面化。多面化可能減少沉積的材料的總體積，這可能例如使外延沉積的源極/漏極區域具有不足以與器件的電接觸產生良好接觸的高度。
【發明內容】
[0004]在一個方面中，一種用於為半導體器件形成密封的淺溝槽隔離(STI)區域的方法包括:在襯底中形成STI區域，STI區域包括STI填充；在STI區域的STI填充中形成密封凹陷；並且在STI填充之上的密封凹陷中形成密封層。
[0005]在另一方面中，一種用於為半導體器件形成密封的淺溝槽隔離(STI)區域的方法包括:在襯底中形成STI區域；並且在STI區域的頂表面之上形成包括高k材料和氮化矽(SiN)之一的密封層。
[0006]在另一方面中，一種半導體器件包括位於襯底中的淺溝槽隔離(STI)區域，STI區域包括位於STI區域的STI填充頂部上的密封凹陷中的密封層。
[0007]通過本示例實施例的技術實現附加特徵。這裡具體描述其它實施例並且視為要求保護的內容的部分。為了更好理解示例實施例的特徵，參照描述和附圖。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]現在參照附圖，其中在若干圖中對相似單元相似地編號:
[0009]圖1圖示形成密封的STI區域的方法的一個實施例的流程圖。[0010]圖2是圖示襯底中的STI區域的一個實施例的截面圖。
[0011]圖3圖示在部分去除STI填充以形成密封凹陷之後的圖2的器件。
[0012]圖4圖示在密封凹陷中形成STI密封層之後的圖3的器件。
[0013]圖5圖示在STI密封層之上沉積氧化物之後的圖4的器件。
[0014]圖6圖示在平坦化氧化物之後的圖5的器件。
[0015]圖7A圖示在去除STI密封層的翼部之後的圖6的器件。
[0016]圖7B圖示在去除焊盤氮化物之後的圖6或者7A的器件。
[0017]圖8圖示具有密封的STI區域的半導體器件的一個實施例。
[0018]圖9圖示形成密封的STI區域的方法的另一實施例的流程圖。
[0019]圖10是圖示襯底中的STI凹陷和襯墊的一個實施例的截面圖。
[0020]圖11圖示在凹陷中形成STI密封襯墊之後的圖10的器件。
[0021]圖12圖示在形成STI填充之後的圖11的器件。
[0022]圖13圖示在部分去除STI填充以形成密封凹陷之後的圖12的器件。
[0023]圖14圖示在密封凹陷中形成STI密封層之後的圖13的器件。
[0024]圖15圖示在STI密封之上沉積氧化物之後的圖14的器件。
[0025]圖16圖示在平坦化氧化物之後的圖15的器件。
[0026]圖17A圖示在去除STI密封層的翼部之後的圖16的器件。
[0027]圖17B圖示在去除焊盤氮化物之後的圖16或者17A的器件。
[0028]圖18圖示具有密封的STI區域的半導體器件的一個實施例。
【具體實施方式】
[0029]用下文具體討論的示例實施例提供密封的STI區域和形成密封的STI區域的方法的實施例。可以用包括抗HF的材料的密封層密封IC中的STI區域，這防止在可以在外延沉積源極/漏極材料之前執行的預清理步驟期間在STI區域中形成切片。在一些實施例中，密封層可以包括高k (HK)材料(諸如氧化鉿(HfO))，或者在其它一些實施例中，密封層可以包括氮化矽(SiN)。密封層可以形成於STI區域的頂部上，從而密封層的頂表面與襯底的頂表面共面，由此減少後續半導體處理步驟中的拓撲布局問題。在更多一些實施例中，密封材料可以附加地用來在位於襯底與STI填充之間的STI區域以內形成密封襯墊。STI密封層也可以在接觸形成期間用作蝕刻停止層，這實現在IC中的STI區域之上的接觸布線。
[0030]圖1圖示形成密封的STI區域的方法100的一個實施例的流程圖。關於圖2-圖8討論圖1。首先，在方法100的塊101中，在襯底中形成STI區域。STI區域位於襯底中的凹陷中，並且可以包括STI襯墊和STI填充。STI襯墊和STI填充可以包括氧化物，並且襯底可以在各種實施例中包括娃。圖2圖不器件200的一個實施例,該器件包括襯底201中的STI區域，該STI區域包括STI襯墊205和STI填充204。器件200附加地包括焊盤氧化物202和焊盤氮化物203，其在包括STI襯墊205和STI填充204的STI區域的任一側上位於襯底201的頂部上。焊盤氧化物202和焊盤氮化物203可以在可以在形成STI區域期間執行的STI區域平坦化期間充當停止層；因此，STI填充204的頂部可以與焊盤氮化物203的頂部齊平。
[0031]方法100的流程然後繼續至塊102，在該塊中，部分去除STI區域的STI填充以形成密封凹陷。在各種實施例中可以使用可以包括HF酸蝕刻的溼法蝕刻或者等離子體RIE來執行STI填充的部分去除。去除氧化物填充至襯底的頂表面以下的水平面。圖3圖示在部分去除STI填充204以形成密封凹陷301之後的圖2的器件200的一個實施例。密封凹陷301延伸至襯底201的頂表面之下。
[0032]接著在圖1的塊103中，在STI區域之上的密封凹陷中形成密封層。密封層可以包括HK材料，該HK材料在各種實施例中包括但不限於HfO或者SiN。可以選擇包括密封層的材料用於抗HF蝕刻，並且可以在各種實施例中通過保形沉積來沉積該材料。可以形成密封層，使得密封層的位於STI填充上面的部分與襯底的頂表面共面。可以執行用來在塊103中形成密封層的沉積工藝使得密封層的厚度與密封凹陷的深度大約相等。圖4圖示在形成密封層401之後的圖3的器件300的一個實施例。在STI填充204、焊盤氧化物202和焊盤氮化物203的暴露的表面之上形成密封層401。
[0033]繼續圖1的塊104，在密封層之上沉積氧化物填充，並且向下平坦化沉積的氧化物填充的頂部至焊盤氮化物的頂部。在各種實施例中平坦化工藝可以是CMP工藝。平坦化也去除密封層的位於焊盤氮化物上面的部分。圖5圖示在密封層401之上沉積氧化物填充501之後的圖4的器件的一個實施例，並且圖6圖示在向下平坦化氧化物填充501至焊盤氮化物203的預部之後的圖5的器件500的一個實施例。通過平坦化去除密封層401的位於焊盤氮化物203上面的部分。
[0034]現在轉向圖1，接著在塊105中，去除焊盤氮化物和密封層的豎直翼部(wingportion)。密封層的翼部位於如下區域中，這些區域位於剩餘氧化物填充以及焊盤氧化物和氮化物的側部之間。在圖1的塊105的流程的第一實施例中，其中密封層包括HK材料，先去除密封層的翼部，並且隨後去除焊盤氮化物。在各種實施例中，去除密封層的翼部可以包括溼法蝕刻或者幹法蝕刻，並且在各種實施例中隨後去除焊盤氮化物可以包括RIE或者溼法磷酸蝕刻。可以控制蝕刻時間，使得在塊105中執行的蝕刻在襯底的頂部的水平面之前停止，從而蝕刻未暴露STI填充。在另一些實施例中，可以在蝕刻之前執行密封層的翼部的非結晶注入。非結晶注入可以具有與襯底的頂部的水平面大約相等的非結晶深度以便增加在密封層的異步與密封層的位於STI填充上面的部分之間的蝕刻選擇性。圖7A圖示在去除密封層401的翼部之後的圖6的器件600的一個實施例。去除密封層401的翼部在焊盤氧化物和氮化物202/203與氧化物填充501之間形成翼凹陷701。圖7B圖示在後續去除焊盤氮化物203之後的圖7A的器件700A的一個實施例。在圖1的塊105的流程的第二實施例中，其中密封層包括SiN，同時去除密封層的翼部和焊盤氮化物。在各種實施例中同時去除密封層的翼部和焊盤氮化物可以包括RIE或者溼法磷酸蝕刻，該蝕刻可以是熱蝕刻。圖7B也圖示在同時去除密封層401的翼部和焊盤氮化物203之後的圖6的器件600的一個實施例。
[0035]最後，圖1的流程繼續塊106，在該塊中，去除氧化物填充和焊盤氧化物，從而產生包括密封的STI區域的器件。在各種實施例中，去除氧化物填充和焊盤氧化物可以包括HF蝕刻、RIE或者CMP。可以選擇在圖1的塊106中使用的氧化物去除工藝，使得在塊106期間未去除密封層。在塊106中使用的特定氧化物去除工藝及其對包括密封層的材料之上的氧化物的選擇性確定在塊106中需要的用於去除氧化物填充和焊盤氧化物而保留密封層的工藝窗。如果這一工藝窗相對小，則器件的退火可以在去除氧化物填充和焊盤氧化物之前是必需的。器件在去除氧化物填充和焊盤氧化物之前的退火可以使密封層變成結晶，從而增加密封層對可以用於塊106的氧化物去除工藝的蝕刻或者CMP的抗性。圖8圖示在去除氧化物填充和焊盤氧化物之後的圖7B的器件700B的一個實施例。器件800包括STI區域，該STI密封區域包括STI填充204和STI襯墊205並且在頂部由密封層401密封。密封層401的頂部與襯底201的頂部共面。
[0036]圖9圖示形成密封的STI區域的方法900的另一實施例的流程圖，該STI區域包括STI區域內的密封襯墊。關於圖10-圖18討論圖9。首先，在方法900的塊901中，在襯底中形成STI凹陷。在一些實施例中，可以在凹陷中形成STI襯墊；在其它一些實施例中，可以省略STI襯墊。在一些實施例中，STI襯墊可以包括氧化物。在一些實施例中，襯底可以包括矽。圖10圖示器件1000的一個實施例，該器件包括襯底1001中的STI凹陷1004。可選STI襯墊1005位於STI凹陷1004以內的暴露的表面之上。器件1000附加地包括在STI凹陷1004的任一側上位於襯底1001上面的焊盤氧化物1002和焊盤氮化物1003。
[0037]接著在圖9的塊902中，在STI凹陷中形成密封襯墊。密封襯墊可以包括HK材料，該HK材料在各種實施例中包括但不限於HfO或者SiN。可以選擇包括密封襯墊的材料用於抗HF蝕刻。圖11圖示在STI凹陷1004中形成密封襯墊1101之後的圖10的器件1000的一個實施例。如圖10中所示，密封襯墊1101覆蓋STI襯墊1005，並且也覆蓋焊盤氧化物1002和焊盤氮化物1003。在一些實施例中，可以省略STI襯墊1005，並且密封襯墊1101可以在STI凹陷1004中直接形成於襯底1001的表面上。
[0038]流程然後繼續圖9的塊903，在該塊中，在STI凹陷中的密封襯墊之上形成STI填充。在各種實施例中，STI填充可以包括氧化物。可以通過在密封襯墊之上沉積氧化物、繼而向下平坦化沉積的氧化物至密封襯墊的位於焊盤氮化物上面的部分的頂表面來形成STI填充。平坦化工藝可以是CMP工藝。圖12圖示在密封襯墊1101之上形成STI填充1201之後的圖11的器件1100的一個實施例。STI填充1201的頂部與密封襯墊1101的位於焊盤氮化物1003上面的部分的頂表面齊平。
[0039]方法900的流程然後繼續塊904，在該塊中，部分去除STI區域的STI填充以形成密封凹陷。可以使用溼法蝕刻來執行部分去除STI填充，在各種實施例中該溼法蝕刻可以是氫氟(HF)酸蝕刻或者等離子體RIE。去除STI填充至襯底的頂表面以下的水平面。圖13是在部分去除STI填充1201以形成密封工藝1301之後的圖12的器件1200的一個實施例。密封凹陷1301延伸至襯底1001的頂表面之下。
[0040]接著，在圖9的塊905中，在STI區域之上的密封凹陷中形成密封層。密封層可以包括與密封襯墊相同的材料，該材料可以是HK材料，該HK材料在各種實施例中包括但不限於HfO或者SiN。可以選擇包括密封層的材料用於抗HF蝕刻並且可以在各種實施例中通過保形沉積來沉積該材料。可以形成密封層，使得密封層的位於STI填充上面的部分與襯底的頂表面共面。可以執行用來在塊905中形成密封層的沉積工藝，使得密封層的厚度與密封凹陷的深度大約相等。圖14圖示在形成密封層1401之後的圖13的器件1300的一個實施例。在STI填充1201的暴露的頂表面和密封襯墊1101的位於焊盤氮化物1003上面的部分的頂表面之上以及密封襯墊1101的在焊盤氧化物1002和焊盤氮化物1003的側部上剩餘的部分之上形成密封層1401。
[0041]繼續圖9的塊906，在密封層之上沉積氧化物填充，並且平坦化沉積的氧化物填充的頂部下至焊盤氮化物的頂部。平坦化工藝可以是CMP工藝。平坦化也去除密封層的位於焊盤氮化物上面的部分。圖15圖示在密封層1401之上沉積氧化物填充1501之後的圖14的器件1400的一個實施例，並且圖16圖示在平坦化氧化物填充1501下至焊盤氮化物1003的頂部之後的圖15的器件1500的一個實施例。通過平坦化來去除密封層1401的位於焊盤氮化物1003上面的部分。
[0042]再次轉向圖9，接著在塊907中，去除焊盤氮化物以及密封襯墊和層材料的豎直翼部。密封襯墊/層材料的翼部位於如下區域中，這些區域位於剩餘氧化物填充以及焊盤氧化物和氮化物的側部之間。在圖9的塊907的其中密封襯墊和層包括HK材料的第一實施例中，先去除密封襯墊/層材料的翼部，然後去除焊盤氮化物。去除密封襯墊/層材料的翼部可以在各種實施例中包括溼法或者幹法蝕刻，並且後續去除焊盤氮化物可以在各種實施例中包括RIE或者溼法臨時蝕刻。可以控制蝕刻時間，使得在塊907中執行的蝕刻在襯底的頂部的水平面之前停止，從而蝕刻未暴露STI填充。在更多實施例中，可以在蝕刻之前執行密封層的翼部的非結晶注入。非結晶注入可以具有與襯底的頂部的水平面大約相等的非結晶深度，以便增加在密封層的異步與密封層的位於STI填充上面的部分之間的蝕刻選擇性。圖17A圖示在去除密封襯墊1101和密封層1401的翼部之後的圖16的器件1600的一個實施例。去除密封襯墊1101和密封層1401的翼部在焊盤氧化物和氮化物1002/1003與氧化物填充1501之間形成翼凹陷1701。圖17B圖示在後續去除焊盤氮化物1003之後的圖17A的器件1700A的一個實施例。在圖9的塊907的流程的第二實施例中，其中密封襯墊和密封層包括SiN，同時去除密封襯墊/層材料的翼部和焊盤氮化物。同時去除密封襯墊/層材料的翼部和焊盤氮化物可以在各種實施例中包括RIE或者溼磷酸蝕刻，該蝕刻可以是熱蝕刻。圖17B圖示在同時去除密封襯墊1101和密封層1401的翼部以及焊盤氮化物1003之後的圖16的器件1600的一個實施例。
[0043]最後，圖9的流程繼續塊908，在該塊中，去除氧化物填充和焊盤氧化物，從而產生包括密封的STI區域的器件。去除氧化物填充和焊盤氧化物可以在各種實施例中包括HF蝕刻、RIE或者CMP。可以選擇在圖9的塊908中使用的氧化物去除工藝，使得在塊908期間未去除密封層。在塊908中使用的特定氧化物去除工藝及其對包括密封層的材料之上的氧化物的選擇性確定在塊908中需要的用於去除氧化物填充和焊盤氧化物而保留密封層的工藝窗。如果這一果這一工藝窗相對小，則器件的退火可以在去除氧化物填充和焊盤氧化物之前是必需的。器件在去除氧化物填充和焊盤氧化物之前的退火可以使密封層變成結晶，從而增加密封層對可以用於塊908的氧化物去除工藝的蝕刻或者CMP的抗性。圖18圖示在去除氧化物填充和焊盤氧化物之後的圖17B的器件1700B的一個實施例。器件1800包括STI區域，該STI區域在頂部由密封層1401密封並且也在襯底1001以內由密封襯墊1101密封，並且該STI區域包括STI填充1201和STI襯墊1005。密封層1401的頂部與襯底1001的頂部共面。
[0044]示例實施例的技術效果和益處包括防止在IC中外延沉積源極/漏極材料期間的
多面化。
[0045]這裡所用術語僅為了描述具體實施例而並非旨在於限制本發明。如這裡所用，單數形式「一個/ 一種」和「該」除非上下文另有明示則旨在於也包括複數形式。還將理解，術語「包括」在使用於本說明書中時指定存在聲明的特徵、整件、步驟、操作、單元和/或部件、但是未排除存在或者添加一個或者多個其它特徵、整件、步驟、操作、單元、部件和/或其組
口 O
[0046]在所附權利要求中的所有裝置或者步驟加上功能單元的對應結構、材料、動作和等效物旨在於包括用於與如具體要求保護的其它要求保護的單元組合執行功能的任何結構、材料或者動作。本發明的描述已經出於示例和描述的目的而加以呈現、但是並非旨在於窮舉本發明或者使本發明限於公開的形式。許多修改和變化將為本領域普通技術人員所清楚而未脫離本發明的範圍和精神實質。選擇和描述實施例以便最好地說明本發明的原理和實際應用並且使本領域其他普通技術人員能夠針對具有如與設想的特定使用相適合的各種修改的各種實施例來理解本發明。
【權利要求】
1.一種用於為半導體器件形成密封的淺溝槽隔離(STI)區域的方法，所述方法包括: 在襯底中形成STI區域，所述STI區域包括STI填充； 在所述STI區域的所述STI填充中形成密封凹陷；並且 在所述STI填充之上的所述密封凹陷中形成密封層。
2.根據權利要求1所述的方法，其中在所述密封凹陷中形成所述密封層包括在所述密封凹陷中沉積所述密封層的材料，使得所述密封層的厚度約等於所述STI填充中的所述密封凹陷相對於所述襯底的頂表面的深度。
3.根據權利要求1所述的方法，其中在所述襯底中形成所述STI區域包括: 在所述襯底中形成STI凹陷； 在所述STI凹陷中形成密封襯墊，所述密封襯墊包括與所述密封層相同的材料；並且 在所述密封襯墊之上形成所述STI填充。
4.根據權利要求1所述的方法，還包括在所述密封層之上形成氧化物填充並且平坦化所述氧化物的頂表面，使得所述氧化物填充的所述頂表面與焊盤氮化物層的頂表面齊平，其中所述焊盤氮化物層位於焊盤氧化物層上面，所述焊盤氧化物層位於所述襯底的頂表面上。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述密封層的一部分形成於所述焊盤氮化物層上面，並且其中平坦化所述氧化物填充的所述頂表面去除所述密封層的位於所述焊盤氮化物層上面的所述部分。
6.根據權利要求4所述的方法，其中所述密封層包括高k(HK)材料，並且還包括: 在平坦化所述氧化物填充的所述頂表面之後，去除所述密封層的翼部，所述密封層的所述翼部位於所述氧化物填充與所述焊盤氮化物層之間； 在去除所述密封層的所述翼部之後去除所述焊盤氮化物層；並且 在去除所述焊盤氮化物層之後去除所述焊盤氧化物層和所述氧化物填充。
7.根據權利要求6所述的方法，還包括在去除所述密封層的所述翼部之前執行對所述密封層的所述翼部的非結晶注入，所述非結晶注入具有與所述襯底的頂表面的水平面大約相等的非結晶深度。
8.根據權利要求7所述的方法，還包括退火所述密封層，使得在去除所述焊盤氧化物層和所述氧化物填充之前由所述退火結晶所述密封層。
9.根據權利要求4所述的方法，其中所述密封層包括氮化矽(SiN)，還包括在平坦化所述氧化物填充的所述頂表面之後與去除所述焊盤氮化物層同時去除所述密封層的翼部，所述密封層的所述翼部位於所述氧化物填充和所述焊盤氮化物層之間。
10.根據權利要求9所述的方法，還包括在去除所述密封層的所述翼部之前執行對所述密封層的所述翼部的非結晶注入，所述非結晶注入具有非結晶深度，所述非結晶深度達到所述襯底的大約頂表面的水平面。
11.根據權利要求10所述的方法，還包括在同時去除所述密封層的所述翼部和所述焊盤氮化物層之後去除所述焊盤氧化物層和所述氧化物填充。
12.根據權利要求11所述的方法，還包括退火所述密封層，使得在去除所述焊盤氧化物層和所述氧化物填充之前由所述退火結晶所述密封層。
13.一種用於為半導體器件形成密封的淺溝槽隔離(STI)區域的方法，所述方法包括:在襯底中形成STI區域；並且 在所述STI區域的頂表面之上形成包括高k材料和氮化矽(SiN)之一的密封層。
14.根據權利要求13所述的方法，其中形成所述STI區域包括: 在所述襯底中形成STI凹陷； 在所述STI凹陷中形成STI填充，其中所述密封層形成於所述STI填充的頂表面之上。
15.根據權利要求14所述的方法，還包括在形成所述STI填充之前在所述STI凹陷中形成密封襯墊，所述密封襯墊包括與所述密封層相同的材料，其中所述STI填充形成於所述密封襯墊之上。
16.根據權利要求14所述的方法，其中在所述STI區域的所述頂表面之上形成所述密封層包括: 在所述STI填充中形成密封凹陷；並且 在所述密封凹陷中沉積所述密封層的材料，使得所述密封層的厚度約等於所述STI填充中的所述密封凹陷相對於所述襯底的頂表面的深度。
17.—種半導體器件,包括: 位於襯底中的淺溝槽隔離(STI)區域，所述STI區域包括位於所述STI區域的STI填充上面的密封凹陷中的密封層。
18.根據 權利要求17所述的半導體器件，其中所述STI區域位於所述襯底中，並且其中所述密封層的頂表面與所述襯底的頂表面共面。
19.根據權利要求17所述的半導體器件，其中所述密封層包括氮化矽(SiN)或者高k(HK)材料。
20.根據權利要求17所述的半導體器件，其中所述STI區域還包括密封襯墊，所述密封襯墊包括與所述密封層相同的材料，所述密封襯墊位於所述襯底與所述STI區域中的所述STI填充之間。
【文檔編號】H01L29/06GK103545242SQ201310302553
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年7月15日 優先權日:2012年7月13日
【發明者】M·V·阿奎利納, 胡項, D·J·耶格, 金烈, Y·M·李, 李瑛 , R·A·維加 申請人:國際商業機器公司, 環球鑄造新加坡私人有限公司