淺溝槽隔離的形成方法及淺溝槽隔離結構的製作方法
2023-05-10 01:43:36 2
專利名稱：：淺溝槽隔離的形成方法及淺溝槽隔離結構的製作方法
技術領域：
：本發明涉及半導體製造
技術領域：
，特別涉及一種淺溝槽隔離的形成方法及淺溝槽隔離結構。
背景技術：
：現代集成電路技術中常利用淺溝槽隔離技術(STI，ShallowTrenchIsolation)實現電路元件間的絕緣隔離。所謂淺溝槽隔離技術是通過在半導體襯底上腐蝕形成一開口，再沉積一層絕緣材料填充該開口形成淺溝槽，進而實現器件間隔離的技術。通常填充溝槽的絕緣材料是利用化學氣相沉積(CVD,ChemicalVaporDeposition)方法形成。然而，隨著半導體器件特徵尺寸的不斷縮小，器件之間的隔離區域也隨之相應縮小，在工藝製作中常需要對一個縱寬比較大的溝槽進行填充以實現器件間的隔離，此時，一般的CVD技術在填充過程中會在溝槽內形成空隙，填充的質量較差。申請號為97116168.2的中國專利申請提出可以利用高密度等離子化學氣相沉積(HDP，Highdensityplasma)方法對縱寬比較大的溝槽進行填充，該方法可以有效減少傳統的CVD方法在填充高縱寬比溝槽時易出現的空隙，提高填充的效果。圖1A至1C為說明現有的STI結構形成過程的器件結構剖面圖，圖IA為形成STI溝槽開口後的器件結構剖面圖，如圖1A所示，首先，在襯底101上沉積生長一薄層的緩衝氧化層102，然後，沉積停止層103，其材料通常為SiN。接著，光刻隔離圖案，並對光刻膠為掩膜對SiN層103、SiO2層102和襯底101進行刻蝕，形成STI溝槽開口104。圖1B為填充溝槽開口後的器件結構剖面圖，如圖1B所示，在襯底上依形貌沉積一層厚的絕緣層105,如Si02層，該絕緣層可作為填充物填充入溝槽開口104內。對於縱寬比較大的溝槽，常利用HDP方法實現本步的填充。其中，為提高填充效果，在填充過程中通常會加入H等離子體。圖1C為形成STI結構後的器件結構剖面圖，如圖1C所示，對填充物105進行平坦化處理後，去除襯底101表面的停止層和緩沖氧化層，在襯底內形成了淺溝槽隔離(STI)結構。形成淺溝槽隔離結構後，通常進行的是器件柵極結構的製作，先生長柵氧化層和柵極材料，再光刻、刻蝕以形成柵極。但是，在生產中發現，在利用HDP方法填充STI結構的溝槽時，會令器件的柵氧化層厚度出現波動。圖2為採用現有方法製作STI結構的器件的柵氧化層厚度的測試結果示意圖，如圖2所示，圖中201為測試得到的PMOS器件的柵氧化層厚度變化情況，202為測試得到的NMOS器件的柵氧化層厚度變化情況，可以看到，無論PMOS還是NMOS器件，其柵氧化層的厚度均呈現出一種按一定周期、規律變化的波動情況，其厚度波動的範圍達2A。眾所周知，柵氧化層厚度對器件的性能至關重要，器件的多個重要參數都會受到柵氧化層厚度的影響，如器件閾值電壓、飽和漏電流、柵極電容、器件熱穩定性、可靠性等等。尤其是器件尺寸進一步縮小後，柵氧化層變得更薄，其厚度的變化對器件的影響更大，此時，器件性能隨著柵氧化層厚度變化的情況會更靈敏，因此，必須給予上述因採用HDP方法填充STI溝槽引起的柵氧化層厚度規律性變化的問題足夠的重視，爭取改善器件的柵氧化層厚度的穩定性，進而確保器件性能的一致性。
發明內容本發明提供一種淺溝槽隔離的形成方法，由該方法形成的淺溝槽隔離結構的襯底內的氫含量為固定量，可以改善採用現有的器件柵氧化層厚度在批與批之間發生較大波動的問題。本發明提供的一種淺溝槽隔離的形成方法，包括步驟提供一表面具有溝槽開口的村底；將所述襯底放入高密度等離子化學氣相沉積腔室中；向所述腔室內引入反應氣體和氫氣，同時，對所述腔室進行壓力控制；取出所述襯底。其中，將所述壓力的變化範圍控制在0.15mTorr以內。所述壓力i殳置在10至15mTorr之間。其中，所述反應氣體包括矽烷和氧氣。其中，所述溝槽開口的深度為3000至6000A。其中，所述氫氣的流量在800至1500sccm之間。本發明具有相同或相應技術特徵的一種淺溝槽隔離結構，包括襯底、在所述村底上形成的溝槽開口和所述溝槽開口內的填充物，其中，所述襯底內的氫含量為固定值。其中，所述填充物為氧化矽或氮氧化矽，且該填充物由高密度等離子化學氣相沉積方法形成。與現有技術相比，本發明具有以下優點本發明的淺溝槽形成方法，通過對傳統填充層形成過程中的HDP腔室壓力進行控制，使得在進行溝槽填充時，腔室內的氫(H)等離子體在各批次的晶片內的擴散深度和殘留劑量基本一致，即，由本發明方法形成的淺溝槽隔離結構的襯底內的氫含量為固定量，確保隨後的柵氧化層的生長速率在批與批之間能夠基本保持不變，改善了批與批之間器件的柵氧化層厚度的穩定性，提高了批與批之間器件性能的一致性。圖1A至1C為說明現有的STI結構形成過程的器件結構剖面圖2為採用現有方法製作STI結構的器件的柵氧化層厚度的測試結果示意圖3為現有的HDP填充過程中，腔室壓力的變化情況示意圖4為說明HDP填充過程中氬離子擴散情況的器件剖面示意圖5為本發明的淺溝槽隔離形成方法的具體實施例的流程圖6為本發明的HDP填充過程中，腔室壓力的變化情況示意圖7為採用本發明方法製作STI結構的器件的柵氧化層厚度的測試結果示意圖。具體實施例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。本發明的處理方法可^fe廣泛地應用到許多應用中，並且可利用許多適當的材料製作，下面是通過較佳的實施例來加以說明，當然本發明並不局限於該具體實施例，本領域內的普通技術人員所熟知的一般的替換無疑地涵蓋在本發明的保護範圍內。其次，本發明利用示意圖進行了詳細描述，在詳述本發明實施例時，為了便於說明，表示器件結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，不應以此作為對本發明的限定，此外，在實際的製作中，應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。要解決器件製作中出現的柵氧化層厚度周期性波動的情況，首先要分析該種情況出現的起因。在經過大量實驗驗證後，發現該柵氧化層的厚度波動情況與填充淺溝槽時的HDP腔室的壓力波動情況非常相似。圖3為現有的HDP填充過程中，腔室壓力的變化情況示意圖，圖中301為HDP腔室壓力的變化曲線，比較圖2中的201、202和圖3中的301，可以看出，三者的變化周期、變化規律是完全一致的。溝槽填充過程中HDP腔室的壓力之所以出現圖3中所示的301變化曲線，是因為每一批晶片的薄膜生長都會令HDP腔室內同時形成一層薄膜，為防止顆粒玷汙，保持較好的薄膜生長質量，每經過若干批晶片生長，如4批，就會對HDP腔室進行一次自清潔處理，以去除腔室內粘附的薄膜。因此，HDP腔室內的環境就出現了以自清潔間隔為周期的規律性的變化，而這一環境的變化使得HDP腔室內的壓力對應出現了圖3所示的變化情況。在STI溝槽的填充過程中，通常會加入氫氣，形成H等離子體，以達到更好的填充效果。該H等離子體在填充過程中會擴散至襯底內，圖4為說明HDP填充過程中氫離子擴散情況的器件剖面示意圖，可以看到，因H離子體積小、重量輕，具有較大的平均自由程，其在填充過程中會向襯底內擴散，其可以穿過矽襯底101上所覆蓋的緩沖氧化層102和停止層103，到達矽襯底101內。因此，即使在溝槽填充後去除了停止層103和緩衝氧化層102,仍會有部分H離子410殘留在矽襯底101內，且該殘留量的多少是受H離子在HDP填充過程中擴散的深度(或者說H離子的平均自由程)的影響。另外，因為H離子的擴散深度(或平均自由程)是與腔室內壓力成正比關係(人ai/p)，可以推出，H離子在晶片(矽襯底IOI)內的擴散深度(或劑量)也會出現類似圖3中301所示的波動變化情況。在溝槽填充完成後，去除了停止層和緩衝氧化層，然後進行的是柵氧化層的生長。注意到在柵氧化層的生長中，H離子是可以作為催化劑使用的，因此，前面在HDP填充過程中殘留在矽襯底中的H離子劑量的多少必然會影響到該步柵氧化層的生長速率，當矽襯底內H離子殘留量較多時(即擴散深度較大，或者說HDP腔室內壓力較大時)，柵氧化層的生長速率會較快，導致其生長厚度較大；反之，當矽襯底內H離子殘留量較少時，柵氧化層的生長速率會較慢，其生長厚度也就較薄。因此，最終表現為如圖2和圖3所示的，柵氧化層的實際生長厚度隨著HDP腔室壓力的變化而變化。綜上所述，要提高柵氧化層厚度的穩定性，就必須要提高HDP填充過程中腔室內壓力的穩定性。為此，本發明在對溝槽進行HDP填充時，加入了對腔室的壓力進行控制的步驟。圖5為本發明的淺溝槽隔離形成方法的具體實施例的流程圖，下面結合圖5詳細介紹本發明的淺溝槽隔離形成過程。首先，提供一表面具有溝槽開口的襯底(S501)，該襯底上通常還具有緩衝氧化層和用於提供研磨終點的停止層。然後，將該襯底放入高密度等離子化學氣相沉積腔室中(S502)。接著，向所述腔室內引入反應氣體和氫氣(S503)，該反應氣體和氫氣在腔室內形成等離子體，以在襯底上形成填充層填充溝槽開口，同時，對腔室進行了壓力控制(S504)。本實施例中，該溝槽開口的深度在3000至6000A之間，如為4000A或5000A等。且採用了氧化矽為填充材料對溝槽開口進行填充，此時，引入腔室內的反應氣體可以為矽烷和氧氣等。另外，為了提高填充質量，減少溝槽填充時其內產生的空隙量，在填充過程中還要向腔室內加入氫氣，形成氫等離子體，本實施例中，加入的氫氣量可以在800至1500sccm之間，如為1000sccm、1200sccm等。現有的這一HDP填充過程中，是不進行腔室的壓力控制的，因此，HDP腔室內的壓力的波動範圍較大，如圖3中301曲線所示，其波動範圍達到了0.5mTorr，這一較大的壓力波動會引起後面的柵氧化層厚度的明顯波動變化，進而導致器件性能出現波動。為避免這一情況發生，本實施例中，對該步HDP填充過程進行了腔室壓力的監控，假設將壓力設置值確定在10至15mTorr之間，如為12mTorr。在HDP填充過程中，利用壓力感應器測試得到腔室內的壓力測試值，再比較得到該壓力測試值與壓力設置值之間的差值，並根據這一差值調節自動壓力調節閥的開啟程度，即可實現對腔室內壓力的自動控制。加入壓力控制後，腔室內壓力基本能保持穩定，其波動範圍明顯減小。圖6為本發明的HDP填充過程中，腔室壓力的變化情況示意圖，如圖6所示，圖中601為加入壓力控制後的HDP腔室的壓力變化曲線。可以看到，在加入壓力控制後，原來圖3中表示的未經控制時的腔室壓力會隨HDP腔室的自清潔周期變化的情況已不再存在，並將腔室內壓力的變化範圍由原來的0.5mTorr)鹹小到了0.15mTorr以內。在完成填充層的沉積後，取出襯底(S505),完成淺溝槽填充層的沉積。然後，對填充層進行平坦化處理，去除停止層和緩衝氧化層。接著就可以進行柵氧化層的生長。由於前面已對HDP腔室內的壓力進行了控制，已實現將其壓力的波動範圍限制在0.15mTorr以內，在該步HDP填充過程中，擴散並殘留在襯底內的H含量也就會相對穩定。因此，在後面進行的柵氧化層的生長過程中，這一影響其生長速率的H離子劑量的相對穩定，會使得該柵氧化層的生長厚度的波動變小。即，隨著HDP腔室壓力穩定性的提高，批與批之間的器件的柵氧化層厚度的一致性有所改善。圖7為採用本發明方法製作STI結構的器件的柵氧化層厚度的測試結果示意圖，圖中701為對HDP腔室壓力進行控制後，測試得到的器件的柵氧化層厚度的變化情況，由圖中可以看出，當HDP腔室壓力穩定後，柵氧化層的厚度也變得穩定了，由圖2中的在2A的範圍內波動，變為圖7中的在0.2A的範圍內波動。這一柵氧化層厚度在批與批之間的穩定性的提高，使得製作出的批與批之間的器件的性能更為均勻一致。薄膜進行了測試，表l為採用壓力控制前後對HDP薄膜進行測試的結果，如表1所示，在進行壓力控制前後，腔室內的壓力變化量由0.45減少至0.16mTorr,變化量明顯減少，這對於後面進行柵氧化層生長時，形成厚度均勻一致的柵氧化層有利。此外，可以看到，利用本發明方法形成的填充薄膜，無論在應力、膜厚還是折射率方面都沒有大的變化，可以認為採用本發明方法形成的薄膜在質量上仍能滿足工藝製作的要求。本實施例中，溝槽內填充的材料為氧化矽材料，在本發明的其他實施例中，該填充物還可以為氮氧化矽、氮化矽等其他材料，只要在利用HDP沉積填充物時，向腔室內引入對應的反應氣體即可。本發明的淺溝槽隔離形成方法，通過對HDP腔室的壓力進行控制，穩定了批與批之間擴散入村底內的H含量，進而使批與批之間的器件的柵氧化層厚度更為均勻一致，提高了器件性能的一致性。表1compelxtableseeoriginaldocumentpage9利用本發明的淺溝槽隔離形成方法形成的淺溝槽隔離結構，包括襯底、在襯底上形成的溝槽開口和在溝槽開口內的填充物，其中，村底內的氫含量為固定值，不會隨著生產的批次而發生變化。本發明的淺溝槽隔離結構，所用的填充物為氧化矽或氮氧化矽，其是由高密度等離子化學氣相沉積方法形成。採用本發明的方法對高密度等離子體化學氣相沉積腔室進行了壓力控制，使得在填充物沉積過程中擴散至襯底內的氫含量為固定量，確保隨後的柵氧化層的生長速率能夠基本保持不變，改善了批與批之間器件的柵氧化層厚度的穩定性，提高了批與批之間器件性能的一致性。本發明雖然以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以做出可能的變動和修改，因此本發明的保護範圍應當以本發明權利要求所界定的範圍為準。權利要求1、一種淺溝槽隔離的形成方法，包括步驟提供一表面具有溝槽開口的襯底；將所述襯底放入高密度等離子化學氣相沉積腔室中；向所述腔室內引入反應氣體和氫氣，同時，對所述腔室進行壓力控制；取出所述襯底。2、如權利要求1所述的形成方法，其特徵在於將所述壓力的變化範圍控制在0.15mTorr以內。3、如權利要求1所述的形成方法，其特徵在於所述壓力控制是通過調節自動壓力調節閥的開啟程度實現。4、如權利要求1所述的形成方法，其特徵在於所述壓力設置在10至15mTorr之間。5、如權利要求1所述的形成方法，其特徵在於所述反應氣體包括矽烷和氧氣。6、如權利要求1所述的形成方法，其特徵在於所述溝槽開口的深度為3000至6000A。7、如權利要求1所述的形成方法，其特徵在於所述氫氣的流量在800至1500sccm之間。8、一種淺溝槽隔離結構，包括襯底、在所述襯底上形成的溝槽開口和所述溝槽開口內的填充物，其特徵在於所述村底內的氫含量為固定值。9、如權利要求8所述的淺溝槽隔離結構，其特徵在於所述填充物為氧化矽或氮氧化矽。10、如權利要求8所述的淺溝槽隔離結構，其特徵在於所述填充物由高密度等離子化學氣相沉積方法形成。全文摘要本發明公開了一種淺溝槽隔離的形成方法及淺溝槽隔離結構，該方法包括步驟提供一表面具有溝槽開口的襯底；將所述襯底放入高密度等離子化學氣相沉積腔室中；向所述腔室內引入反應氣體和氫氣，同時，對所述腔室進行壓力控制；取出所述襯底。採用本發明的形成方法形成的淺溝槽隔離結構，襯底內的氫含量為固定值，不會隨著生產的批次而發生變化，提高了批與批之間器件柵氧化層厚度的穩定性，改善了批與批之間器件性能的一致性。文檔編號H01L21/762GK101197306SQ20061011914公開日2008年6月11日申請日期2006年12月5日優先權日2006年12月5日發明者劉明源,張文廣,磊石,鄭春生申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司