部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程的製作方法
2023-05-16 03:19:56 1
專利名稱：部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程的製作方法
技術領域：
本發明是有關於一種半導體組件的製造方法，且特別是有關於一種包含溝槽式電容器(deep trench capacitor)和部分垂直電晶體的動態隨機存取存儲器(dynamic random access memory；DRAM)的製造方法。
背景技術：
在集成電路(integrated circuit，IC)晶片上製作高積集度的半導體組件時，必須考慮如何縮小每一個存儲單元(memory cell)的大小與電力消耗，以使其操作速度加快。在傳統的平面電晶體設計中，為了獲得一個最小尺寸的存儲單元，必須儘量將電晶體的閘極長度縮短，以減少存儲單元的橫向面積。但是，這會使閘極無法忍受過大的漏電流而必須相對應地降低位元線的電壓，進而使得電容所儲存的電荷減少。所以，在縮短閘極的橫向長度同時，還要考量如何製作一個具有較大電容量的電容，例如增加電容的面積、減少電容板之間的有效介質厚度等等。為了解決上述問題，目前高密度存儲器(例如動態隨機存取存儲器，DRAM)是發展出兩種不同的電容器形成技術，一種為堆棧式電容，另一種為深溝槽電容(deep trench capacitor)，其中深溝槽電容的製作是於基底內形成一個深溝槽，並於深溝槽內製作電容儲存區，故不會佔用存儲單元的額外面積。此外，為了使閘極長度維持在一個可得到低漏電流的適當值，還發展出一種垂直電晶體(vertical transistor)結構，是製作於深溝槽電容的上方，不但不會減小位元線電壓，也不會增加存儲單元的橫向面積。
以下配合圖1說明傳統的深溝槽電容和垂直電晶體的結構。此半導體裝置包含一基底10，例如一矽基底，深溝槽18形成於其中，溝槽電容器14設置於深溝槽18的下半部。頸圈氧化層是設置於溝槽電容器14的上半部的側壁。電容器14的復晶矽上電極板是設置於深溝槽18內。
埋入帶(buried strap)12是指位於溝槽式電容器14和垂直電晶體16之間的擴散區，且與上電極板電性接觸，用以作為垂直電晶體16的汲極。埋入帶12是經由熱製程將摻雜介電層(未繪示)中的摻雜離子驅入基底10而形成。
頂端氧化矽層(TTO)24是由為四乙基矽酸鹽(TEOS)所形成的氧化物，設置於上電極板上，用以作為溝槽式電容器14和垂直電晶體16之間的電性絕緣。
垂直電晶體16的結構包括源極26、汲極12、閘極氧化層28和包含閘極電極22的閘極20。閘極電極22是位於深溝槽18的上半部，且會部分延伸至矽基底10表面。然而，位於邊角30的閘極氧化層28的厚度會因氧化速率的差異，而較深溝槽18垂直側壁和矽基底10水平表面的厚度薄，使邊角30處的閘極氧化層28的絕緣性質變差，如此會影響電晶體16的品質。
發明內容
本發明的目的在於提供一種可以避免邊角處的閘極氧化層過薄的方法。
本發明提出一種部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程。首先，提供包括存儲單元數組區和支持區的半導體基底，此半導體基底上具有第一罩幕層，第一罩幕層和半導體基底中具有第一溝槽和第二溝槽，第一溝槽為深溝槽，且位於存儲單元數組區中，其下半部具有電容器，電容器頂部具有第一絕緣層，第一絕緣層的表面和半導體基底的表面相隔一距離，第二溝槽為淺溝槽，用以定義出存儲單元數組區和支持區的主動區。之後，使第一罩幕層的邊緣退縮至暴露出半導體基底的邊角，並對半導體基底的邊角進行第一圓化製程。接著，於第一罩幕層、第一絕緣層和半導體基底表面形成襯絕緣層，並於襯絕緣層上形成絕緣插塞，絕緣插塞與主動區的半導體基底上的襯絕緣層的表面大致共平面。接著，移除存儲單元數組區的部分絕緣插塞、部分襯絕緣層和部分第一罩幕層，至暴露出存儲單元數組區的半導體基底的邊角，再對存儲單元數組區的半導體基底的邊角進行第二圓化製程。
存儲單元數組區的主動區的邊角經過兩次的圓化製程，因此，邊角處的曲率半徑較大，利用氧化製程所生成的閘極絕緣層在邊角處的厚度，與其它區域大致相同，藉此可以提高電晶體的品質。
圖1是繪示傳統的深溝槽電容和垂直電晶體的結構剖面圖；圖2A至圖2I是為剖面圖，其表示本發明一實施例的一種部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程。
符號說明基底10埋入帶(汲極)12溝槽電容器14垂直電晶體16深溝槽18閘極20閘極電極22
頂端氧化矽層24源極26閘極氧化層28邊角30存儲單元數組區I支援區II半導體基底100罩幕層102溝槽型電容器104深溝槽112頸圈絕緣層114上電極116頂端絕緣層122罩幕層124光阻圖案層126溝槽130犧牲氧化層132襯絕緣層134絕緣插塞136光阻圖案層142邊角150閘極絕緣層152閘極154間隙壁156源極/汲極158源極S
汲極D具體實施方式
首先請參照圖2A，提供一半導體基底100，其材質例如是矽或鍺。此半導體基底100可大致分為存儲單元數組區I和支持區II。接著在半導體基底100表面形成一罩幕層102，例如是由墊氧化層和墊氮化層的迭層結構所構成，其中墊氧化層例如藉由熱氧化法成長於半導體基底100表面，之後於墊氧化層上藉由化學氣相沉積法沉積一層墊氮化矽層。
接著，藉由微影蝕刻製程，並配合使用罩幕層102做保護，以於半導體基底100中形成深溝槽112。之後，於深溝槽12中的下半部形成溝槽型電容器104，其包括埋入式下電極(buried plate；BP)、電容介電層和上電極116。其中，埋入式下電極是指位於溝槽112下半部周圍的半導體基底100中的摻雜區。電容介電層位於下電極和上電極極116之間，材質例如是氧化矽、或氧化矽-氮化矽-氧化矽(ONO)的迭層結構。上電極116例如由摻雜的多晶矽所構成。
之後，在溝槽112中的電容器104的上半部的側壁形成頸圈絕緣層114，例如是頸圈氧化層。繼續在電容器104的頂部形成頂端絕緣層122，例如是頂端氧化矽層(TTO；trench top oxide)，用以做為電容器的上電極116和其上方將形成的垂直電晶體結構的電性隔離。頂端氧化矽層的形成方法例如是由四乙基矽酸鹽(TEOS)所形成的氧化物。
接著請參照圖2B，於溝槽112中頂端絕緣層122的上方形成一罩幕層124，用以在後續的蝕刻過程中保護其下方的頂端絕緣層122和電容器104，其材質例如是有機抗反射層，例如氮氧化矽(SiON)。罩幕層124的表面會凹陷於溝槽112中，其形成方法例如是沉積一層填滿整個溝槽112的抗反射層，且覆蓋整個罩幕層102的表面，接著進行回蝕刻製程，直至暴露出罩幕層102的表面，且使罩幕層124的表面略低於罩幕層102的表面。之後，於罩幕層102和124上形成一光阻圖案層126，此光阻圖案層126覆蓋存儲單元數組區I和支持區II的組件主動區。
接著請參照圖2C，以此光阻圖案層126和罩幕層124為罩幕，進行蝕刻製程，以於半導體基底100中形成做為組件隔離用的溝槽130，藉以定義出主動區(AA)。其中溝槽130的底部至少低於頂端絕緣層122的表面。之後，移除光阻圖案層126和罩幕層124。
接著進行第一次的圓角化製程，以下將配合圖2D做說明。
請參照圖2D，將主動區AA的半導體基底100表面的罩幕層102的邊緣內縮，以暴露出主動區AA的半導體基底100的邊角150。使罩幕層102的邊緣內縮的方法可為等向性蝕刻法，例如使用氫氟酸/乙二醇(hydrogen fluoride/ethylene glycol；HF/EG)。
之後，進行同步蒸汽(in-situ steam generation；ISSG)氧化製程，以於暴露出的半導體基底100表面，包括邊角150處，形成一層犧牲氧化層132，之後將犧牲氧化層132移除，藉以達到將主動區AA的半導體基底100的邊角150圓角化的目的。
接著進行支持區II的組件隔離結構的製程，以下將配合圖2E做說明。
接著請參照圖2E，於整個半導體基底100上形成一層順應性的襯絕緣層134，其材質例如是氮化矽。之後，於溝槽130中形成絕緣插塞136，其形成方法例如是利用高密度電漿化學氣相沉積法(HDP-CVD)沉積一層氧化矽，並利用化學機械研磨法(CMP)磨除多餘的氧化矽，至暴露出主動區AA的襯絕緣層134為止。
接著進行存儲單元數組區I的第二次圓角化製程，以下將配合圖2F至圖2H做說明。
接著請參照圖2F，於襯絕緣層134和絕緣插塞136表面形成一層光阻圖案層142，其暴露出存儲單元數組區I。
接著請參照圖2G，移除存儲單元數組區I的部分襯絕緣層134、罩幕層102和絕緣插塞136，至暴露出主動區AA的半導體基底100的邊角150。其方法例如是等向性蝕刻法，例如使用氫氟酸/乙二醇(HF/EG)的溼蝕刻製程。
之後，將暴露出的邊角150進行圓化，其圓化方法例如是使用氧化劑，例如過氧化氫溶液(H2O2(aq))或硝酸溶液(HNOx)，以於暴露出的邊角150處生成氧化物，再利用氫氟酸溶液(HF(aq))移除生成的氧化物，以達到將邊角150圓化的目的。
接著進行後續的電晶體製程。
首先，在光阻圖案層142的保護下，移除存儲單元數組區I的絕緣插塞136，再將光阻圖案層142移除，如圖2H所示。之後，移除暴露出的襯絕緣層134和罩幕層102，以暴露出主動區AA的半導體基底100表面。接著，於半導體基底100表面形成閘極絕緣層152，其材質例如是利用氧化製程於矽基底所形成的氧化矽，並於閘極絕緣層152上形成閘極154，並於閘極154兩側形成間隙壁156，以利於支持區II形成具有淺摻雜汲極結構的源極/汲極158，或者，可利於存儲單元數組區I形成後續可自動對準源極S的接觸窗插塞。圖式中存儲單元數組區I的汲極D是於先前的製程中即形成，但僅於圖2I中標示出，然此非關本發明，在此不多做說明。
綜上所述，本發明至少具有下列優點1.本發明於完成溝槽式電容器，且於半導體基底中形成隔離區的溝槽後，對主動區的邊角進行第一次圓化製程。且於支持區形成淺溝槽隔離結構後，再次對存儲單元數組區的主動區的邊角進行第二次圓化製程。
2.本發明的存儲單元數組區的主動區的邊角是歷經兩次的圓化製程，因此可以得到曲率半徑較大的邊角，以得到氧化速率與表面處大致相同的閘極絕緣層。
權利要求
1.一種部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程，包括提供一半導體基底，包括一存儲單元數組區和一支持區，該半導體基底上具有一第一罩幕層，該存儲單元數組區的該第一罩幕層和該半導體基底中具有一深溝槽，該深溝槽中的下半部具有一電容器，該電容器頂部具有一第一絕緣層，該第一絕緣層的表面和該半導體基底的表面相隔一距離；於該深溝槽中填入另一罩幕材質，形成一第二罩幕層，該第二罩幕層的表面低於該第一罩幕層的表面；覆蓋一光阻層於主動區的區域，該光阻層對應於一第一部分的該半導體基底，未為該光阻層覆蓋之處為一第二部分的該半導體基底；移除未被該光阻層覆蓋的該第一罩幕層、該第二部分的部分該半導體基底，至該第二部分的該半導體基底的表面低於該第一絕緣層的表面；移除該光阻層和該第二罩幕層；使該第一罩幕層的邊緣退縮至暴露出該第一部分的該半導體基底的邊角；對該第一部分的該半導體基底的邊角進行第一圓化製程；於該第一罩幕層、該第一絕緣層和該半導體基底表面形成一襯絕緣層；於該襯絕緣層上形成一絕緣插塞，該絕緣插塞與該第一部分的該半導體基底上的該襯絕緣層的表面共平面；移除該存儲單元數組區的部分該絕緣插塞、部分該襯絕緣層和部分該第一罩幕層，至暴露出該第一部分的該半導體基底的邊角；以及對該存儲單元數組區的該半導體基底的邊角進行第二圓化製程。
2.根據權利要求1所述的部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程，其中該第一罩幕層為墊氧化矽層和墊氮化矽層的迭層結構。
3.根據權利要求1所述的部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程，其中該第二罩幕層的材質為有機抗反射材質。
4.根據權利要求1所述的部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程，其中使該第一罩幕層的邊緣退縮至暴露出該第一部分的該半導體基底的邊角的方法包括進行等向性蝕刻法。
5.根據權利要求4所述的部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程，其中等向性蝕刻法所使用的蝕刻液為氫氟酸/乙二醇(HF/EG)。
6.根據權利要求1所述的部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程，其中該第一圓化製程包括氧化該第一部分的該半導體基底的邊角和側邊，並移除氧化生成的氧化物。
7.根據權利要求6所述的部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程，其中氧化該第一部分的該半導體基底的邊角和側邊的方法包括進行同步蒸汽(ISSG)氧化製程。
8.根據權利要求1所述的部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程，其中該襯絕緣層的材質為氮化矽。
9.根據權利要求1所述的部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程，其中該絕緣插塞的材質為利用高密度電漿化學氣相沉積法形成的氧化矽。
10.根據權利要求1所述的部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程，其中該第二圓化製程包括依序輪流使用氧化劑和氫氟酸溶液。
11.根據權利要求10所述的部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程，其中該氧化劑包括過氧化氫溶液(H2O2(aq))或硝酸溶液(HNO3(aq))。
12.根據權利要求1所述的部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程，更包括於該存儲單元數組區和該支持區的主動區形成電晶體。
13.一種部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程，包括提供一半導體基底，包括一存儲單元數組區和一支持區，該半導體基底上具有一第一罩幕層，該第一罩幕層和該半導體基底中具有一第一溝槽和一第二溝槽，該第一溝槽為深溝槽，且位於該存儲單元數組區中，其下半部具有一電容器，該電容器頂部具有一第一絕緣層，該第一絕緣層的表面和該半導體基底的表面相隔一距離，該第二溝槽為淺溝槽，用以定義出該存儲單元數組區和該支持區的主動區；使該第一罩幕層的邊緣退縮至暴露出該半導體基底的邊角；對該半導體基底的邊角進行第一圓化製程；於該第一罩幕層、該第一絕緣層和該半導體基底表面形成一襯絕緣層；於該襯絕緣層上形成一絕緣插塞，該絕緣插塞與主動區的該半導體基底上的襯絕緣層的表面共平面；移除該存儲單元數組區的部分該絕緣插塞、部分該襯絕緣層和部分該第一罩幕層，至暴露出該存儲單元數組區的該半導體基底的邊角；以及對該存儲單元數組區的該半導體基底的邊角進行第二圓化製程。
14.根據權利要求13所述的部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程，其中該第一罩幕層為墊氧化矽層和墊氮化矽層的迭層結構。
15.根據權利要求13所述的部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程，其中使該第一罩幕層的邊緣退縮至暴露出該半導體基底的邊角的方法包括進行等向性蝕刻法。
16.根據權利要求15所述的部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程，其中等向性蝕刻法所使用的蝕刻液為氫氟酸/乙二醇(HF/EG)。
17.根據權利要求13所述的部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程，其中該第一圓化製程包括氧化該半導體基底的邊角和側邊，以形成一犧牲氧化層，並移除該犧牲氧化層。
18.根據權利要求17所述的部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程，其中氧化該第一部分的該半導體基底的邊角和側邊的方法包括進行同步蒸汽(ISSG)氧化製程。
19.根據權利要求13所述的部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程，其中該襯絕緣層的材質為氮化矽。
20.根據權利要求13所述的部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程，其中該絕緣插塞的材質為利用高密度電漿化學氣相沉積法形成的氧化矽。
21.根據權利要求13所述的部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程，其中該第二圓化製程包括依序輪流使用氧化劑和氫氟酸溶液。
22.根據權利要求21所述的部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程，其中該氧化劑包括過氧化氫溶液(H2O2(aq))或硝酸溶液(HNO3(aq))。
23.根據權利要求13所述的部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程，更包括於該存儲單元數組區和該支持區的主動區形成電晶體。
全文摘要
本發明提出一種部分垂直存儲單元的雙邊角圓化製程，第一次圓化製程是於半導體基底中蝕刻形成隔離區的溝槽後進行，第二次圓化製程是於支持區形成淺溝槽隔離結構後，再次暴露出存儲單元數組區的主動區的邊角，以對存儲單元數組區的主動區的邊角進行第二次圓化製程。
文檔編號H01L21/8242GK1591834SQ0315653
公開日2005年3月9日 申請日期2003年9月3日 優先權日2003年9月3日
發明者郝中蓬, 陳逸男, 張明成 申請人:南亞科技股份有限公司