形成溝槽結構的方法
2023-10-09 09:14:24 2
形成溝槽結構的方法
【專利摘要】本發明為形成溝槽結構的方法，包括形成一種填充有可流動介電層的淺溝槽隔離（STI）結構，包括實施注入，以在可流動介電層的上部生成通道。該通道使熱退火中的氧源能夠在將可流動介電層的SiONH網狀物轉變為SiOH和SiO的網狀物的熱退火期間到達STI結構的底部附近的可流動介電層。該通道還有助於在用於將SiOH和SiO的網狀物轉變為SiO2的另一熱退火期間，提供用於生成的副產物離開的路徑。
【專利說明】形成溝槽結構的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種形成半導體結構的方法，具體而言，涉及一種形成溝槽結構的方 法。
【背景技術】
[0002] 諸如淺溝槽隔離件（STI)的溝槽結構用於將半導體晶圓上的有源區域相互分開和 隔離。通過在襯底中蝕刻溝槽，利用諸如氧化物的電介質過填充該溝槽，然後去除任何多餘 的電介質來形成STI。STI幫助將有源區域相互電隔離。
[0003] 然而，隨著電路密度持續增大，STI的溝槽的寬度減小，從而增大了 STI溝槽的高 寬比。溝槽(或者間隙）的高寬比定義為溝槽高度(或者間隙高度）除以溝槽寬度(或者間隙 寬度)。對於先進的技術來說，使用間隙填充介電材料完全填充又窄又深的溝槽變得非常困 難。未完全的間隙填充導致不期望的空隙，並且當去除多餘電介質期間暴露出該不期望的 空隙時，增加了包含不期望缺陷的風險。該空隙還可能導致有源區域之間的隔離不充分。 STI中空隙的出現將會影響產量。
【發明內容】
[0004] 為了解決現有技術中存在的問題，根據本發明的一個方面，提供了一種形成半導 體結構的方法，包括：在襯底的溝槽中沉積可流動介電層；對所述可流動介電層實施注入 工藝；實施具有氧源的第一熱退火；實施第二熱退火；以及實施平坦化工藝，以去除所述溝 槽外側的多餘的可流動介電層。
[0005] 在上述方法中，還包括：在沉積所述可流動介電層之後以及實施所述注入工藝之 前實施〇3固化。
[0006] 在上述方法中，其中，所述注入工藝注入H原子或者He原子。
[0007] 在上述方法中，其中，所述注入工藝的注入深度在大約〗〇0 A至大約2500 A的 範圍內。
[0008] 在上述方法中，其中，注入能量在大約6keV至大約25keV的範圍內。
[0009] 在上述方法中，其中，注入深度與所述溝槽的深度的比率在大約1/3至大約1/2的 範圍內。
[0010] 在上述方法中，其中，所述注入工藝為所述第一熱退火的氧源創建到達所述溝槽 的底部附近的所述可流動介電層的通道。
[0011] 在上述方法中，其中，所述第一熱退火的峰值退火溫度在大約500°c至大約800°C 的範圍內，並且所述氧源是蒸汽。
[0012] 在上述方法中，其中，所述第二熱退火的峰值退火溫度在大約1000°C至大約 1200°C的範圍內。
[0013] 在上述方法中，其中，所述第一熱退火和所述第二熱退火的總退火時間在大約6 小時至大約15小時的範圍內。
[0014] 在上述方法中，其中，用於沉積所述可流動介電層的源氣是三矽烷基胺（TSA )。
[0015] 在上述方法中，其中，通過自由基組分化學汽相沉積（CVD)工藝沉積所述可流動介 電層。
[0016] 在上述方法中，其中，沉積而成的所述可流動介電層包括SiONH網狀物。
[0017] 在上述方法中，其中，所述第一熱退火和所述第二熱退火將沉積而成的所述可流 動介電層轉變為二氧化矽（Si02)。
[0018] 在上述方法中，其中，所述第一熱退火和所述第二熱退火將沉積而成的所述可流 動介電層轉變為氧化矽（SiO)。
[0019] 根據本發明的另一方面，還提供了一種在襯底中形成淺溝槽隔離（STI)結構的方 法，包括：通過化學汽相沉積（CVD)工藝在所述襯底的溝槽中沉積可流動介電層，其中，所 述可流動介電層填充所述溝槽且不形成空隙；使用〇3固化沉積而成的所述可流動介電層； 對所述可流動介電層實施注入工藝，其中，所述注入工藝在所述可流動介電層的頂部生成 通道；實施具有氧源的蒸汽熱退火；實施乾式熱退火；以及實施平坦化工藝，以去除所述溝 槽外側的多餘的可流動介電層。
[0020] 在上述方法中，其中，用於沉積所述可流動介電層的源氣是三矽烷基胺（TSA)，並 且通過自由基組分化學汽相沉積（CVD)工藝沉積所述可流動介電層。
[0021] 在上述方法中，其中，所述蒸汽熱退火和所述乾式熱退火將沉積而成的所述可流 動介電層中的SiONH網狀物轉變為二氧化矽（Si02)。
[0022] 在上述方法中，其中，所述注入工藝注入H原子或者He原子。
[0023] 根據本發明的又一方面，還提供了一種在襯底中形成淺溝槽隔離（STI)結構的方 法，包括：在所述襯底的溝槽中沉積可流動介電層，其中，所述溝槽的高寬比大於大約8,其 中，所述可流動介電層填充所述溝槽且不形成空隙；對所述可流動介電層實施注入工藝； 實施具有氧源的第一熱退火；實施第二熱退火；以及實施平坦化工藝，以去除所述溝槽外 側的多餘的可流動介電層。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024] 將如附圖所示參考本發明的實施例來描述本發明。應該理解，這些附圖用於示出 的目的，因此並非按比例繪製。
[0025] 圖1至圖8是根據一些實施例的在各個製造階段的用於形成淺溝槽隔離（STI)結 構的連續工藝的橫截面圖。
【具體實施方式】
[0026] 應該理解，以下公開的內容提供了多個不同實施例或者實例以實現不同特徵。以 下描述了部件和布置的特定實例來簡化本發明。當然，這些僅僅是實例而並不旨在進行限 定。另外，本發明可以在各個實例中重複參考標號和/或文字。這種重複用於簡化和清楚 的目的，其本身並不表示所描述的各個實施例和/或結構之間的關係。
[0027] 隨著電晶體尺寸的減小，與形成電晶體相關的各個部件的尺寸也隨之減小。這種 部件之一是形成在有源區域之間的用於提供隔離的淺溝槽隔離件（STI)。如所述，因為STI 的開口變小而深度未變小，所以部件尺寸的減小導致了高寬比的增大。用於填充具有較小 高寬比的STI的技術無法用於充分填充先進技術中的具有較大高寬比的STI。在多個化學 汽相沉積（CVD)工藝中，將含矽前體和含氧氣體與等離子體共同使用以在襯底表面上直接 形成氧化矽。這些等離子基CVD工藝以沉積的方式形成氧化矽，然而，它們對具有較大高寬 比的結構會填充不良。
[0028] -種改進填充的可選方式涉及使用可流動介電材料替代傳統的沉積的氧化矽。顧 名思義，可流動介電材料可以在沉積以填充間隙中的空隙的過程中"流動"。通常，可以在含 矽前體中加入各種化學物質以實現沉積膜的流動。在一些實施例中，可以加入氮氫鍵。可 流動電介質前體的實例（特別是可流動的氧化矽前體）包括矽酸鹽、矽氧烷、甲基倍半矽氧 烷（MSQ)、氫矽倍半氧烷（HSQ)、MSQ/HSQ、全氫矽氮烷（TCPS)、全氫聚矽氮烷（PSZ)、正矽酸 乙酯（TE0S)或者矽烷胺，諸如三矽烷基胺（TSA)。這些可流動的氧化矽材料在多步操作工 藝中形成。在沉積可流動膜之後，固化該可流動膜，然後進行退火以去除不期望的元件以形 成氧化矽。當去除不期望元件之後，可流動膜緻密化並發生收縮。在一些實施例中，實施多 個退火工藝。固化和退火可以導致溝槽側壁氧化並且將隔離區域變寬。另外，在延長的時間 (諸如總共30小時或者更長的時間）內將可流動膜在高溫(諸如大約1000°C至大約1200°C) 下多次固化和退火。固化和退火有效地降低了用於剩餘半導體製造工藝的熱預算。另外， 對於先進技術的器件而言，可能無法接受在高退火溫度下的長期退火循環。因此，亟需改進 出用於形成STI結構的不同方法。
[0029] 圖1至圖8是根據一些實施例的在襯底50中形成STI結構200的各個階段的截面 圖。圖1示出了形成在襯底50中的溝槽100。溝槽的形成包括圖案化襯底及蝕刻襯底的多 個操作。襯底50可以是體矽(摻雜或者未摻雜）或者絕緣體上矽（SOI)襯底的有源層。通 常，SOI襯底包括半導體材料的有源層，半導體材料諸如矽、鍺、矽鍺、絕緣體上矽鍺（SG0I) 或者它們的組合。可以使用的其他襯底包括多層襯底、梯度襯底或者混合取向襯底。
[0030] 圖1還示出了在一些實施例中的形成在襯底50的頂面110上方的圖案化硬掩模 層102和該圖案化硬掩模層102下面的保護層101。保護層101保護頂面110免於與硬掩 模層102直接接觸。例如，如果襯底50緊挨著溝槽100的部分由矽製成，則保護層101保 護有源區域120。有源區域120用於在STI結構（200)形成之後形成器件(諸如電晶體、電 阻器等)。根據將要形成的器件，有源區域120可以包含根據設計需要決定的n阱或者p阱。
[0031] 在一些實施例中，保護層101由熱氧化物製成。保護層101的厚度在大約20nm至 大約100nm的範圍內。硬掩模層102有助於在蝕刻溝槽100期間保持圖案的完整性。在一 些實施例中，硬掩模層102在去除填充溝槽100的多餘可流動電介質膜期間用作平坦化停 止層。在一些實施例中，硬掩模層102由SiN製成。然而，還可以使用其他材料，諸如SiON、 碳化矽或者它們的組合。硬掩模層102的厚度在大約200nm至大約1200nm的範圍內。硬 掩模層102可以由諸如化學汽相沉積（CVD)、等離子體增強化學汽相沉積（PECVD)或者低壓 化學汽相沉積（LPCVD)的工藝形成。可選地，硬掩模層102通過首先製成為氧化矽，然後再 通過氮化轉化為SiN的方式製成。一旦形成，通過合適的光刻和蝕刻工藝將硬掩模102和 保護層101圖案化，以在表面110的上方形成用於溝槽100的開口。
[0032] 為了在襯底50中形成溝槽100,通過諸如反應離子刻蝕（RIE)的蝕刻工藝去除襯 底50通過開口暴露的部分。溝槽100將襯底50的頂面110附近的有源區域120分隔開。 溝槽100具有側壁112和底面114。在一些實施例中，溝槽100的寬度W1在大約20nm至大 約lOOnm的範圍內。在一些實施例中，溝槽100的深度D1在大約50nm至大約350nm的範 圍內。
[0033] 在一些實施例中，溝槽100的高寬比(溝槽深度D1 (在本文有時稱為溝槽高度）除 以溝槽寬度W1)大於大約8或者大於10。
[0034] 參照圖2,根據一些實施例，依次沉積氧化矽襯墊121和矽襯墊122來作為溝槽 100的內襯。氧化矽襯墊121和矽襯墊122沉積在側壁112和底面114上。在一些實施例 中，在溝槽100的矽壁上熱生長氧化矽襯墊121。襯底在高溫下暴露於含氧環境並且暴露於 氧的表面轉化為氧化矽。在一些實施例中，含氧環境包括蒸氣。氧化矽襯墊121可以包括 位於熱生長氧化矽層上方的額外的一層或者多層。在一些實施例中，可以使用等離子體增 強原子層沉積（PEALD)沉積額外的氧化矽層。根據各個實施例，形成氧化矽襯墊121以保 護氧化矽襯墊121下方的矽襯底50免受隨後的氧化的影響。諸如熱氧化物膜的緻密氧化 矽膜用於在隨後工藝中保護下方的矽襯底50免受化學氧化的影響。為了最小化將填充的 已經具有較高高寬比的溝槽的高寬比的增量，氧化矽襯墊121相對較薄，大約是數十至上 百埃（A )。在一些實施例中，氧化矽襯墊121的厚度在大約2nm至大約50nm的範圍內。
[0035] 參照圖2,矽襯墊層122沉積在氧化矽襯墊121上方。矽襯墊層122在可流動電 介質膜的熱退火(將在以下描述）期間提供應力釋放。在一些實施例中，矽襯墊層122是非 晶矽或者多晶矽。矽襯墊層122的厚度在大約1〇 A至大約40 A的範圍內。矽襯墊層122 可以在包含Si2H6、SiH4、Si3H 8、SiCl2H2、SiCl3H或者它們的組合的氣體環境中通過使用熔爐 系統來形成。在一些實施例中，Si2H6的流量在大約10標準立方釐米每分鐘（seem)至大約 lOOOseem的範圍內。在一些實施例中，形成矽襯墊層122的溫度在大約200°C至大約600°C 的範圍內。在一些實施例中，形成矽襯墊層122的壓力範圍在大約lOmTorr至大約lOTorr 的範圍內。可選地，矽襯墊層122可以通過使用能夠形成共型矽層的沉積技術來形成，這些 技術諸如在包含Si3H8、SiH4、SiCl2H 2、SiCl3H或者它們的組合的氣體環境中的低溫化學汽相 沉積工藝（CVD)。
[0036] 在一些實施例中，氣體環境還包含諸如4的載氣。載氣有助於更好地控制處理均 勻性。在一些實施例中，Si3H8的流量在大約10標準立方釐米每分鐘（seem)至大約lOOOseem 的範圍內，H2的流量在大約5標準升每分鐘（slm)至大約50slm。在一些實施例中，在化學 沉積工藝中形成矽襯墊層122的溫度在大約250°C至550°C的範圍內。
[0037] 參照圖3,在沉積矽襯墊層122之後，將可流動介電材料過填充溝槽100和硬掩模 層102以形成可流動介電層115。通過使用旋塗電介質（S0D)形成工藝，或者通過利用諸如 自由基組分CVD (radical-component CVD)的化學汽相沉積（CVD)工藝沉積可流動電介質 來形成可流動介電層115。可流動氧化矽前體的實例包括矽酸鹽、矽氧烷、甲基倍半矽氧烷 (MSQ)、氫娃倍半氧燒（HSQ)、MSQ/HSQ、全氫娃氮燒（TCPS) (perhydrosilazane)、全氫聚娃 氮燒（PSZ) (perhydro-polysilazane)、正娃酸乙酯（TE0S)或者娃燒胺（SA)。
[0038] 在一些實施例中，通過使用含矽前體與另一前體(諸如通過等離子體生成的"氮自 由基"前體）的反應來沉積可流動介電層115。在一些實施例中，含矽前體不含碳並且包括 矽烷胺，諸如H2N(SiH3)、HN(SiH3)2、N(SiH 3)3或者它們的組合。矽烷胺可以與可用作載氣和 /或反應氣體的其他氣體相混合。其他氣體的實例可以包括H2、N2、NH3、He和Ar等等。矽 烷胺還可以與其他不含碳的含矽氣體混合，諸如矽烷（SiH4)和乙矽烷（Si2H6)、氫(例如，H 2) 和/或氮(例如，n2、nh3)。
[0039] 氮可以包含在自由基前體和/或含矽前體中。當自由基前體中存在氮時，該自由 基前體可以稱為氮自由基前體。氮自由基前體包括通過激發等離子體中的更穩定的含氮前 體而形成的等離子體流出物（plasma effluents)。例如，可以在室內等離子體區域或加工 室外部的遠程等離子體系統（RPS)中激活含有NH3和/或肼（N2H4)的相對穩定的含氮前體， 以形成氮自由基前體，然後將該氮自由基前體傳送到不含等離子體的襯底處理區域中。穩 定的氮前體還可以是包含NH3、N2和H2的組合的混合物。
[0040] 氮自由基前體還可以伴有諸如氬、氦等的載氣。可以同時將氧（以〇2和/或〇 3的 形式)傳送至遠程等離子體區域內，以調節用於形成以本技術沉積的可流動介電層115的氮 自由基前體中的含氧量。
[0041] 可以在襯底溫度保持在相對較低溫度時進行可流動介電層115的沉積。在一些 實施例中，在由沉積期間冷卻襯底保持的較低的溫度下，在襯底表面上沉積可流動介電層 115。在一些實施例中，在大約-40°C至大約200°C的溫度範圍內實施沉積。在一些實施例 中，在低於大約l〇〇°C的溫度下實施沉積。
[0042] 在一些實施例中，沉積壓力在從大約lOOmTorr至大約lOTorr的範圍內。在一些 實施例中，反應源使用包含三矽烷基胺（Si3H9N或者TSA)和NH3的氣體環境。在一個實施 例中，Si3H9N的流量在大約lOOsccm至大約lOOOsccm的範圍內，NH3的流量在大約lOOsccm 至大約2〇〇〇sccm的範圍內。這個特定介電膜可以由Alectrona?系統(加利福尼亞的聖克 拉拉的應用材料公司提供）形成。在美國專利第8, 318, 584號中描述了通過上述自由基組 分CVD工藝沉積可流動介電層115的示例性細節。
[0043] 沉積而成的可流動介電層115能夠填充又窄又深的間隙，並且防止在STI結構100 中產生空隙和中斷。沉積而成的可流動介電層115包含Si0ANBHc (或者SiONH)的可流動網 狀物。在一些實施例中，A是在大約0.8至大約2的範圍內的數字，B是在大約0.01至大 約1的範圍內的數字，而C是在大約0.01至大約1的範圍內的數字。在一些實施例中，硬 掩模層102上方的可流動介電層115的厚度在大約1〇〇〇 A至大約3000 A的範圍內。
[0044] 根據一些實施例，如圖4所示，在沉積可流動介電層115之後，對沉積而成的可流 動介電層115實施原位固化工藝130。原位意味著在用於沉積可流動介電層115的加工室 中實施固化工藝130。在一些實施例中，在不同室中（或者非原位）實施固化工藝130。
[0045] 在一些實施例中，使用流量在大約lOOsccm至大約5000sccm的範圍內的03 (臭 氧)或者使用流量在大約lOOsccm至大約5000SCCm的範圍內的蒸汽實施固化工藝130。在 一些實施例中，固化工藝130的溫度在大約10°C至大約500°C的範圍內。可選地，在固化 工藝期間使用蒸汽代替〇3。在一些實施例中，固化工藝130的壓力範圍在大約ITorr至大 約760T〇rr。根據一些實施例，固化工藝130的持續時間在大約10秒至大約2小時的範圍 內。固化工藝130增加了由Si0ANBHc (或者SiONH)的網狀物製成的沉積而成的可流動介電 層115的含氧量，特別是沉積而成的可流動介電層115的靠近表面的部分。
[0046] 如上所述，固化工藝130增加了沉積而成的可流動介電層115的含氧量。靠近表 面的可流動介電層115相比於靠近溝槽100底部的可流動介電層115更加暴露於03。圖4 示出了靠近表面的示例性SiONH網狀物（I)和靠近溝槽（100)底部的另一示例性SiONH網 狀物（II)。靠近表面的SiONH網狀物比靠近底部的SiONH網狀物含有更多氧(或者0)。固 化的可流動介電層115包括氮氫鍵，且固化的可流動介電層115比氧化矽膜的緻密性低。
[0047] 為了將SiONH網狀物轉變為SiO (或者Si02)網狀物，需要額外的熱退火。可以在 從大約200°C至大約1KKTC的範圍內的溫度下實施熱退火。可以提供氧源(諸如蒸氣）來 幫助將SiONH網狀物轉變為SiO網狀物。然而，如果在03固化之後立即應用利用蒸汽的熱 退火，則由於表面非常接近於氧源而將在表面上形成一層包含大部分SiO網狀物的緻密介 電層。在一些實施例中，這種緻密表面層的厚度在從大約500 A至大約1200 A的範圍內。 可流動介電層115的表面上的這種緻密介電層將會阻擋氧源(諸如蒸汽)滲透或者擴散穿過 緻密的頂層到達下面的未轉變的SiONH網狀物。因此，對於製造目的來說，SiONH網狀物至 SiO網狀物的轉變可能不發生或者發生得非常慢。
[0048] 為了解決這個問題，根據一些實施例，如圖5所示，實施注入工藝140建立通道以 使氧源到達表面下的SiONH網狀物。注入元素可以包括H、He、Si、0或者N。部分襯底50 未被硬掩模層102覆蓋並且不是STI結構。在注入工藝140期間，襯底50的這些部分暴露 於注入源。H和He原子較小，並且不會對未覆蓋矽襯底50的這些部分造成損壞。相反，Si、 〇和N原子較重並且可能對暴露的矽襯底50造成損壞。如果選擇這些之一用作注入源，則 可能需要諸如光刻膠層的保護掩模。
[0049] 表I根據一些實施例比較了用於固化的可流動介電層(類似於上述層115)的注 入物種類、注入能量和所達到的注入深度。表I中的數據示出，在到達相同深度的條件下， 更重的元素需要更高的注入能量。例如，為了到達2500 A的注入深度，H原子將需要大約 20keV的注入能量，He原子將需要大約25keV的注入能量，並且N原子將需要大約lOOkeV 的注入能量。在一些實施例中，H或者He用作注入元素，並且注入能量在大約6keV至大約 25keV的範圍內。在一些實施例中，注入深度D2在大約1 A至大約2500 A的範圍內。 在一些實施例中，注入濃度在從大約1E13原子/立方釐米至大約5E15原子/立方釐米的 範圍內。在一些實施例中，溝槽的注入深度D2與注入深度Di的比率R至少為1/3。在一些 實施例中，比率R在大約1/3至大約2/3的範圍內。在一些實施例中，比率R在大約1/3至 大約1/2的範圍內。
[0050]
【權利要求】
1. 一種形成半導體結構的方法，包括： 在襯底的溝槽中沉積可流動介電層； 對所述可流動介電層實施注入工藝； 實施具有氧源的第一熱退火； 實施第二熱退火；以及 實施平坦化工藝，以去除所述溝槽外側的多餘的可流動介電層。
2. 根據權利要求1所述的方法，還包括： 在沉積所述可流動介電層之後以及實施所述注入工藝之前實施O3固化。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述注入工藝注入H原子或者He原子。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述注入工藝的注入深度在大約1000 A至大約 2500 A的範圍內。
5. 根據權利要求1所述的方法，其中，注入能量在大約6keV至大約25keV的範圍內。
6. -種在襯底中形成淺溝槽隔離（STI)結構的方法，包括： 通過化學汽相沉積（CVD)工藝在所述襯底的溝槽中沉積可流動介電層，其中，所述可流 動介電層填充所述溝槽且不形成空隙； 使用O3固化沉積而成的所述可流動介電層； 對所述可流動介電層實施注入工藝，其中，所述注入工藝在所述可流動介電層的頂部 生成通道； 實施具有氧源的蒸汽熱退火； 實施乾式熱退火；以及 實施平坦化工藝，以去除所述溝槽外側的多餘的可流動介電層。
7. 根據權利要求6所述的方法，其中，用於沉積所述可流動介電層的源氣是三矽烷基 胺（TSA)，並且通過自由基組分化學汽相沉積（CVD)工藝沉積所述可流動介電層。
8. 根據權利要求6所述的方法，其中，所述蒸汽熱退火和所述乾式熱退火將沉積而成 的所述可流動介電層中的SiONH網狀物轉變為二氧化矽（Si0 2)。
9. 根據權利要求6所述的方法，其中，所述注入工藝注入H原子或者He原子。
10. -種在襯底中形成淺溝槽隔離（STI)結構的方法，包括： 在所述襯底的溝槽中沉積可流動介電層，其中，所述溝槽的高寬比大於大約8，其中，所 述可流動介電層填充所述溝槽且不形成空隙； 對所述可流動介電層實施注入工藝； 實施具有氧源的第一熱退火； 實施第二熱退火；以及 實施平坦化工藝，以去除所述溝槽外側的多餘的可流動介電層。
【文檔編號】H01L21/762GK104517891SQ201410065638
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年2月25日 優先權日:2013年10月4日
【發明者】蔡俊雄, 薛森鴻, 方子韋 申請人:臺灣積體電路製造股份有限公司