淺溝槽隔離結構的製造方法

2023-05-09 17:51:21

專利名稱：淺溝槽隔離結構的製造方法
技術領域：
本發明涉及半導體製造技術領域，特別涉及一種半導體器件中的淺溝槽 隔離結構的製造方法。
技術背景隨著半導體製造技術的飛速發展，集成電路製造工藝已經進入深亞微米時代。半導體器件的尺寸和隔離半導體器件的隔離結構亦隨之縮小。在0.13 pm以下工藝節點，半導體器件的有源區(active area)的元件之間的隔離層 均採用淺溝槽隔離工藝(STI)形成。申請號為02148739.1的中國專利申請公開了 一種在半導體襯底中形成淺 溝槽隔離物的方法。在這種工藝中，首先在襯底表面形成墊氧化層(pad oxide) 和氮化矽層，然後刻蝕氮化矽層、墊氧化層和村底材料以在襯底中形成溝槽， 元件之間用刻蝕的淺溝槽隔離；然後在溝槽側壁和底部形成襯層氧化層，再 利用化學氣相澱積(CVD)在淺溝槽中填入絕緣介質，例如氧化矽。在填入 絕緣介質之後，用化學機械研磨(CMP)的方法使溝槽表面平坦化。圖l為現有一種淺溝槽隔離結構形成方法的流程圖；圖2A至圖2D為說明 圖l所示流程圖的器件剖面圖。如圖l所示，並結合圖2A至圖2D。首先提供一 半導體襯底100 (S101);然後在襯底100表面生長墊氧化層110 (S102);接 著在墊氧化層110表面再形成氮化矽層120 (S103);利用光刻技術在氮化矽 層120表面形成具有開口的光刻膠圖形並通過上述開口刻蝕氮化矽層120、墊 氧化層l 10以及襯底100以形成溝槽130( S104 );接下來釆用爐管氧化(fbmace ) 工藝在溝槽130的表面(包括底部和側壁)熱生長襯層氧化層(liner oxide ) 140， 如圖2B所示，爐管氧化工藝生長的氧化層的覆蓋均勻性不佳，尤其在溝槽頂 部邊緣和底角處會出現缺陷141和142;然後採用熱磷酸溼法腐蝕的方法對溝 槽開口處的氮化矽層120進行回拉(pull back)處理(S106);其目的是為了 避免在後續酸洗工藝中STI邊緣表面出現腐蝕凹陷。但是在利用熱磷酸腐蝕氮 化矽層120的過程中，磷酸在腐蝕氮化矽的同時，會對襯層氧化層140造成一 定程度的腐蝕，加之爐管氧化工藝生長的氧化層存在緻密程度和均勻性的缺 陷141和142，使得襯層氧化層更易被腐蝕而減薄，如圖2C所示，尤其是溝槽 拐角邊緣處的襯層氧化層相對較薄，從而使角部和底部的襯層氧化層出現更加嚴重的腐蝕缺陷。接下來在溝槽中填充絕緣物質150(S107),如圖2D所示； 然後對溝槽進行平坦化處理(S108)。由於爐管氧化工藝生長的襯層氧化層的緻密程度和均勻性存在缺陷，加 之溼法腐蝕氮化矽層120的過程中對村層氧化層140造成一定程度的腐蝕，使 襯層氧化層140的覆蓋率降低，特別是角部村層氧化層出現的腐蝕缺陷141使 溝槽角部的階梯覆蓋能力大大降低，導致後續形成於襯底1 OO的電晶體的源極 和漏極區域產生高漏電流路徑，降低半導體器件的產品良率。 發明內容本發明提供的半導體器件中淺溝槽隔離結構的製造方法，能夠有效地提 高溝槽階梯覆蓋能力，從而提高溝槽的絕緣隔離性能。本發明的一個目的在於提供一種淺溝槽隔離結構的製造方法，包括提供一半導體襯底；在所述襯底表面形成第一介質層；在所述第一介質層表面形成第二介質層；刻蝕所述第二介質層、第 一介質層以及襯底以在襯底中形成溝槽； 回拉所述溝槽兩側的第二介質層；在所述溝槽底部和側壁以及第二介質層表面形成第三介質層；在所述溝槽中沉積絕緣物質；平坦化所述絕緣介質以形成淺溝槽隔離結構。所述第一介質層為墊氧化層。所述第二介質層為氮化矽或氮氧化矽。所 述第三介質層為村層氧化層。所述襯層氧化層利用原位蒸氣產生氧化工藝形 成。所述原位蒸氣產生氧化工藝的溫度為1000 110(TC。所述原位蒸氣產生氧 化工藝的反應氣體包括氧氣和氫氣，其中氧氣的流量為20-40 sccm，氬氣的 流量為10-20 sccm.。所述原位蒸氣產生氧化工藝的反應時間為30~60s。所述方法還包括在所述第二介質層表面形成光致抗蝕劑層，並圖案化所 述光致抗蝕劑層以定義所述溝槽位置的步驟。本發明的另一個目的在於提供一種在半導體器件中淺溝槽隔離結構的制 造方法，包括提供一半導體襯底； 在所述襯底表面形成墊氧化層； 在所述墊氧化層表面形成氮化矽層；刻蝕所述氮化矽層、墊氧化層以及襯底，從而在襯底中形成溝槽； 回拉所述溝槽兩側的氮化矽層；在所述溝槽底部和側壁以及氮化矽層表面形成襯層氧化層；在所述溝槽中沉積絕緣物質；平坦化所述絕緣物質以形成淺溝槽隔離結構。所述襯層氧化層利用原位蒸氣產生氧化工藝形成。所述原位蒸氣產生氧 化工藝的溫度為1000 1100°C。所述原位蒸氣產生氧化工藝的反應氣體包括氧 氣和氫氣，其中氧氣的流量為20~40 sccm,氫氣的流量為10 20 sccm.。所述 原位蒸氣產生氧化工藝的反應時間為30 60s。所述方法還包括在所述氮化矽層表面形成光致抗蝕劑層，並圖案化所述 光致抗蝕劑層以定義所述溝槽位置的步驟。所述絕緣物質為氧化矽。與現有技術相比，本發明具有以下優點本發明的淺溝槽隔離結構的製造方法在刻蝕氮化矽層、墊氧化層以及襯 底形成溝槽之後，先於在溝槽中生長襯層氧化層之前將溝槽開口處的氮化矽 回拉擴開，避免了生長襯層氧化層後再回拉氮化矽層而對襯層氧化層造成的 損傷。此外，在將溝槽開口處的氮化矽回拉擴開之後，本發明的方法採用原 位蒸氣生長工藝(ISSG)技術在溝槽內形成襯層氧化層，原位蒸氣生長工藝 (ISSG)較爐管氧化(fornace)工藝生長的氧化層性能更加優異，能夠形成 緻密均勻絕緣性能良好的氧化層，大大提高了溝槽內襯層氧化層的覆蓋率和 覆蓋均勻程度，尤其是溝槽角部的階梯覆蓋率得到了很大改善。因此採用本 發明的方法形成的淺溝槽隔離結構的絕緣性能更加優良，有利於源極和漏極 區域漏電流的降低和產品良率的提高。


通過附圖中所示的本發明的優選實施例的更具體說明，本發明的上述及 其它目的、特徵和優勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同 的部分。並未刻意按比例繪製附圖，重點在於示出本發明的主旨。在附圖中， 為清楚明了，放大了層和區域的厚度。 圖1為現有淺溝槽隔離結構形成方法的流程圖；圖2A至圖2D為說明圖1所示方法的淺溝槽隔離結構筒化剖面示意圖； 圖3為根據本發明實施例的淺溝槽隔離結構的製造方法流程圖； 圖4A至圖4E為說明圖3所示方法的淺溝槽隔離結構簡化剖面示意圖。
具體實施方式
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖 對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。本發明是關於半導體集成電路製造技術領域，特別是關於在半導體器件 中形成淺溝槽隔離結構的方法和淺溝槽隔離結構。這裡需要說明的是，本說 明書提供的實施例用來說明本發明的各個特徵，僅是利用特別的組成和結構 以方便說明，並非對本發明的限定。圖3為根據本發明實施例的淺溝槽隔離結構製造方法流程圖，所述示意 圖只是實例，其在此不應限制本發明保護的範圍。如圖3所示，本發明的淺 溝槽隔離結構的製造方法首先提供一半導體襯底(S301);在襯底表面形成 墊氧化層(S302);然後在墊氧化層表面形成氮化矽層(S303 )，該氮化矽 層也可以上氮化矽、氮氧化矽或其混合物；利用光刻工藝定義溝槽的位置後， 刻蝕上述氮化矽層和墊氧化層以及襯底形成溝槽(S304);隨後，採用溼法 腐蝕的方法回拉(pull back)溝槽開口處的氮化矽層使開口處的氮化矽層拓寬 (S305 );在接下來的工藝步驟中，利用ISSG原位蒸氣產生氧化技術在溝槽 和氮化矽層表面形成村層氧化層(S306 );然後，在溝槽中填充絕緣物質 (S307 );並利用化學機械研磨工藝(CMP )對溝槽表面進行平坦化(S308 )。下面結合圖4A至圖4E對本發明的方法做進一步詳細的說明。圖4A至 圖4E為i兌明圖3所示方法的淺溝槽隔離結構筒化剖面示意圖，所述示意圖只 是實例，其在此不應限制本發明保護的範圍。圖中為簡化起見僅示出了一個 溝槽結構，實際中襯底中的溝槽數量為多個。首先如圖4A所示，其包括一半導體襯底100，村底100可以是整體半導 體襯底(例如單晶、多晶或非晶結構的矽或矽鍺(SiGe),或混合的半導體 結構(例如碳化矽、砷化鎵、磷化鎵、銻化銦、磷化銦、砷化銦、砷化鎵或 銻化鎵)。也可以是絕緣層上有半導體的襯底，例如絕緣體上矽(SOI)。在襯底100表面採用熱氧化工藝例如爐管氧化(furnace)生長一層氧化
矽(Si02),厚度約為50~200A，作為襯層氧化層110。也可以採用低壓化學 氣相澱積工藝(LPCVD),在反應室內通入矽烷(SiH4)和氧氣(02)或僅 通入02,在襯底100表面澱積形成襯層氧化層110。該襯層氧化層作為後續 形成的氮化矽層與半導體襯底之間的過度和緩衝層。接著，利用LPCVD工藝、 等離子增強化學氣相澱積(PECVD)或原子層化學氣相澱積(ALCVD )工藝， 優選LPCVD工藝，在反應室內通入SiH2Cl2和氨氣(NH3)的混合氣體，在 所述襯層氧化層110表面沉積氮化矽層120，厚度為1000~2000A。隨後在氮 化矽層120表面塗布光刻膠層122，並進行曝光、顯影等光刻工藝以形成定義 溝槽位置的、具有開口的光刻膠圖形。接下來如圖4B所示，利用反應離子刻蝕(RIE)或等離子刻蝕工藝經光 刻膠圖形的開口刻蝕氮化矽層120和襯層氧化層110,以露出襯底100的表面。 接著利用含氟刻蝕氣體，例如含CF4 、 CHF3的刻蝕氣體，以氮化矽層120和 襯層氧化層110為掩膜對半導體襯底100進行刻蝕，從而在半導體襯底100 中形成溝槽130。隨後採用氧氣等離子灰化(02plasma ashing)工藝去除光刻 膠122,並利用標準清洗液(standard clean solutions ),例如稀釋的NH4/H202 溶液(即SCI )或稀釋的NH4OH/HCL溶液(即SC2 )和去離子水，對半導 體襯底100進行清洗。在接下來的工藝步驟中，如圖4C所示，在溝槽130的開口處，對氮化矽 層120進行回拉(pull back)處理，即採用熱磷酸腐蝕的方法腐蝕溝槽130的 開口處兩側的氮化矽120，使開口處的氮化矽拓寬。這樣可以避免在後面的酸 洗過程中腐蝕液對STI表面邊緣的腐蝕而在邊緣出現凹陷。接下來如圖4D所示，在溝槽130的底部和側壁，以及氮化矽層的表面， 利用ISSG氧化4支術形成ISSG氧化層160。 ISSG氧化4支術能夠形成緻密、厚 度均勻的氧化層，而且形成的氧化層160具有良好的階梯覆蓋能力，能夠彌 補磷酸腐蝕氮化矽層時，磷酸對襯底100中溝槽130表面和墊氧化層110表 面的 一定的腐蝕作用造成的凹陷。ISSG氧化工藝形成襯層氧化層160在反應室內進行，氧化反應過程中， 反應室內的溫度為1000 110(TC，壓力為5 10Torr，反應氣體包括氧氣和氫氣， 其中氧氣的流量為20 40 sccm，氫氣的流量為10~20 sccm.，反應時間為 30~60s。
採用ISSG氧化工藝提高了溝槽130內襯層氧化層160的覆蓋率和覆蓋均 勻程度，尤其是溝槽角部的階梯覆蓋率得到了很大改善。對於0.13um以下工藝節點的半導體器件淺溝槽隔離結構而言，溝槽130 的深寬比一般大於3;而對於90nm以下工藝節點的半導體器件淺溝槽隔離結 構而言，溝槽130的深寬比則會達到4或更高。在4矣下來的工藝步驟中，利 用LPCVD工藝、等離子增強化學氣相澱積(PECVD)、原子層化學氣相澱 積(ALCVD)工藝或HDP-CVD工藝，在溝槽130中填充絕緣物質150。本 實施例中絕緣物質為二氧化矽或無摻雜矽酸鹽玻璃(USG)。澱積過程中， 在反應室內通入反應氣體，例如SiH4和02以及氦氣的混合氣體，反應室的壓 力為300-600Torr;氦氣(He)流量為500-2000sccs;氧氣(02)流量為30-50sccs; 矽烷(SiH4)流量10-14.5sccs。也可以是正矽酸乙脂(TEOS )與臭氧的混 合氣體，其中TEOS的流量為1000-3000sccs ，氧氣(03)的流量為 10000-20000sccs。反應室內的射頻功率為600-2000W。以適當的溫度、壓力、 氣體流量和射頻偏置功率獲得氣體等離子體，在溝槽130中澱積由二氧化矽 或USG組成的絕緣物質150，並完全覆蓋ISSG氧化層140的表面。隨後， 利用化學機械研磨工藝對上述絕緣物質150進行平坦化，包括研磨絕緣物質 150和氮化矽層120表面的ISSG氧化層，從而得到如圖4E所示的淺溝槽隔 離結構。本發明的淺溝槽隔離結構的製造方法在刻蝕氮化矽層120、墊氧化層110 以及襯底100形成溝槽130之後，在溝槽130中生長襯層氧化層之前，利用 溼法腐蝕的方式將溝槽130開口處的氮化矽120回拉擴開，避免了生長襯層 氧化層後再回拉氮化矽層而對襯層氧化層造成的損傷。在將溝槽130開口處的氮化矽120被回拉擴開之後，本發明的方法採用 原位蒸氣生長工藝(ISSG)技術在溝槽內形成襯層氧化層160，原位蒸氣生 長工藝(ISSG)比爐管氧化(fiimace)工藝生長的氧化層更加緻密和均勻， 大大提高了溝槽內村層氧化層的覆蓋率和覆蓋均勻程度，尤其是溝槽角部的 階梯覆蓋率得到了很大改善，提高了絕緣性能。因此採用本發明的方法形成 的淺溝槽隔離結構的絕緣性能更加優良，有利於源極和漏極區域漏電流的降 低。以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上
的限制。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明。 任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利 用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案作出許多可能的變動和修 飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的及修飾，均仍屬於本發明技術方案保護的範圍內。
權利要求
1、一種淺溝槽隔離結構的製造方法，包括提供一半導體襯底；在所述襯底表面形成第一介質層；在所述第一介質層表面形成第二介質層；刻蝕所述第二介質層、第一介質層以及襯底以在襯底中形成溝槽；回拉所述溝槽兩側的第二介質層；在所述溝槽底部和側壁以及第二介質層表面形成第三介質層；在所述溝槽中沉積絕緣物質；平坦化所述絕緣介質以形成淺溝槽隔離結構。
2、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述第一介質層為墊氧化層。
3、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述第二介質層為氮化矽 或氮氧化矽。
4、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述第三介質層為襯層氧 化層。
5、 根據權利要求4所述的方法，其特徵在於所述襯層氧化層利用原位 蒸氣產生氧化工藝形成。
6、 根據權利要求5所述的方法，其特徵在於所述原位蒸氣產生氧化工 藝的溫度為1000-1100 °C。
7、 根據權利要求6所述的方法，其特徵在於所述原位蒸氣產生氧化工 藝的反應氣體包括氧氣和氫氣，其中氧氣的流量為20 40 sccm，氫氣的流量 為10~20 sccm.。
8、 根據權利要求6或7所述的方法，其特徵在於所述原位蒸氣產生氧 化工藝的反應時間為3 0 60s 。
9、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述方法還包括在所述第 二介質層表面形成光致抗蝕劑層，並圖案化所述光致抗蝕劑層以定義所述溝 槽位置的步驟。
10、 一種在半導體器件中淺溝槽隔離結構的製造方法，包括 提供一半導體襯底； 在所述襯底表面形成墊氧化層；在所述墊氧化層表面形成氮化矽層；刻蝕所述氮化矽層、墊氧化層以及襯底，從而在襯底中形成溝槽； 回拉所述溝槽兩側的氮化矽層；在所述溝槽底部和側壁以及氮化矽層表面形成襯層氧化層；在所述溝槽中沉積絕緣物質；平坦化所述絕緣物質以形成淺溝槽隔離結構。
11、 根據權利要求IO所述的方法，其特徵在於所述襯層氧化層利用原 位蒸氣產生氧化工藝形成。
12、 根據權利要求11所述的方法，其特徵在於所述原位蒸氣產生氧化 工藝的溫度為1000-1100 。C。
13、 根據權利要求12所述的方法，其特徵在於所述原位蒸氣產生氧化 工藝的反應氣體包括氧氣和氫氣，其中氧氣的流量為20~40 sccm,氫氣的流 量為10~20 sccm.。
14、 根據權利要求12或13所述的方法，其特徵在於所述原位蒸氣產 生氧化工藝的反應時間為30~60s。
15、 根據權利要求IO所述的方法，其特徵在於所述方法還包括在所述 氮化矽層表面形成光致抗蝕劑層，並圖案化所述光致抗蝕劑層以定義所述溝 槽位置的步驟。
16、 根據權利要求IO所述的方法，其特徵在於所述絕緣物質為氧化矽。
全文摘要
本發明公開了一種在半導體器件中淺溝槽隔離結構的製造方法，包括提供一半導體襯底；在所述襯底表面形成墊氧化層；在所述墊氧化層表面形成氮化矽層；刻蝕所述氮化矽層、墊氧化層以及襯底，從而在襯底中形成溝槽；回拉所述溝槽兩側的氮化矽層；在所述溝槽底部和側壁以及氮化矽層表面形成襯層氧化層；在所述溝槽中沉積絕緣物質；平坦化所述絕緣物質以形成淺溝槽隔離結構。本發明的方法能夠有效地提高溝槽側壁襯層氧化層的階梯覆蓋能力，從而提高溝槽的絕緣隔離性能。
文檔編號H01L21/762GK101154617SQ20061011687
公開日2008年4月2日 申請日期2006年9月30日 優先權日2006年9月30日
發明者何永根, 劉煥新, 標 方, 樸松源 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司