CN100339971C - 浅沟槽隔离结构的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种浅沟槽隔离结构的制造方法，此方法提供一基底，于基底上依序形成一衬垫层、一硅衬垫层、一掩模层。接着，图案化掩模层与硅衬垫层，以形成暴露出衬垫层一开口。之后，于开口的侧壁形成一间隙壁并移除部分的衬垫层以暴露出基底。以具有间隙壁的掩模层为蚀刻掩模，移除部分基底，而于基底中形成一沟槽。接着，移除间隙壁，并进行拉回蚀刻，使衬垫层往内缩。之后，沟槽中填入一绝缘层，并移除图案化掩模层、硅衬垫层与衬垫层以及部分绝缘层而形成浅沟槽隔离结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体元件的制造方法，特别是涉及一种浅沟槽隔离(shallow trench isolation，STI)结构的制造方法。
背景技术
在集成电路蓬勃发展的今日，元件缩小化与集成化是必然的趋势，也是各界积极发展的重要课题。当元件尺寸逐渐缩小，集成度(integration)逐渐提高，元件间的隔离结构也必须缩小，因此元件隔离技术困难度也逐渐增高。元件隔离有利用局部氧化法(local oxidation，LOCOS)来形成的场氧化层(fieldoxide)，由于场氧化层受限于其外型的鸟嘴(bird’s beak)区的形成，而容易造成漏电流(leakage current)，以至于造成影像出现亮点(white spot)的现象，要缩小其尺寸实有困难。
有鉴于此，已有其它元件隔离方法持续被发展出来，其中以浅沟槽隔离(Shallow Trench Isolation，STI)最被广泛应用，尤其应用于次半微米(sub-halfmicron)的集成电路工艺中。
现有的浅沟槽隔离的制造流程先于基底上依序形成垫氧化层和氮化硅掩模层。再利用各向异性干法蚀刻(anisotropic dry etch)于基底中蚀刻出陡峭的沟槽。接着在沟槽的表面以热氧化法形成衬层，并于基底上形成填满沟槽的绝缘层。随后，去除氮化硅掩模层上多余的绝缘层，并去除氮化硅掩模层与垫氧化层。
然而，在上述的浅沟槽隔离结构工艺中，在沟槽顶部周围会形成陡削形(Abruptly-Shaped)边角，因此，在浅沟槽隔离结构顶角周围部分形成的栅氧化层会较薄于有源区所形成的栅氧化层(如图1所示)，进而降低隔离功能，还容易导致元件漏电流。而且，当此栅氧化层应用于作为内存元件的穿隧氧化层时，也会造成内存元件的可靠度降低。
此外，由于衬层通过热氧化沟槽内的硅所形成，亦即是代表必须消耗沟槽内表面的硅以形成衬层，如此将会使得浅沟槽隔离结构的轮廓与尺寸变大，使得实际可利用的有源区域缩小以及增加设计、布局上的变量，因而不利于元件的缩小化。
为了解决上述问题，于是目前业界提出一种浅沟槽隔离结构的制造方法。
图2A至图2C为揭露现有的浅沟槽隔离结构的制造流程剖面图。
请参照图2A，首先提供一基底200，于基底200上依序形成垫氧化层202与氮化硅层204后，图案化氮化硅层204与垫氧化层202以形成开口206。接着，于开口206侧壁形成间隙壁208。
然后，请参照图2B，以图案化的氮化硅层204与间隙壁208作为蚀刻掩模，去除部分基底200，以于基底200中形成沟槽210。接着，移除间隙壁208后，进行拉回蚀刻，使图案化的垫氧化层202的侧壁往内缩。接着，在沟槽210的侧壁形成一衬层212。
然后，请参照图2C，之后，于沟槽210中填入氧化硅后，依序移除氮化硅层204及垫氧化层202，而形成浅沟槽隔离结构216。
在上述工艺中，由于在形成开口206时，为了充分移除垫氧化层202，通常会进行过蚀刻(Over etch)工艺，而于基底200形成凹陷。因此，在进行垫氧化层202的拉回蚀刻后，在沟槽210顶部就会形成两个转角214及214’(如图2D所示)，而使形成于沟槽210侧壁的衬层212并不均匀(如图2E所示)。因此，当后续步骤以高密度等离子体化学气相沉积法形成氧化硅层时，转角214的衬层212太薄而易受离子打穿而产生损害，进而造成浅沟槽隔离结构216的隔离功能不佳，以及容易导致元件漏电流的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种浅沟槽隔离结构的制造方法，此方法以间隙壁与掩模层作为蚀刻掩模，而蚀刻基底形成宽度较小沟槽，因此衬层的形成不会使得浅沟槽隔离结构的轮廓与尺寸变大太多，进而能够得到较现有更大的有源区域。
本发明的另一目的是提供一种浅沟槽隔离结构的制造方法，本发明形成具有顶角圆角化的沟槽，因此后续形成的栅极氧化层的厚度较为均匀，并且也可以避免在隔离沟槽结构顶部及邻接的有源元件间的上面区域产生漏电流。
本发明提出一种浅沟槽隔离结构的制造方法，包括：提供一基底，于基底上依序形成一衬垫层、一硅衬垫层、一掩模层。接着，图案化掩模层与硅衬垫层，以形成暴露出衬垫层一开口。之后，于开口的侧壁形成一间隙壁并移除部分的衬垫层以暴露出基底。以具有间隙壁的掩模层为蚀刻掩模，移除部分基底，而于基底中形成一沟槽。接着，移除间隙壁，并进行拉回蚀刻，使衬垫层往内缩。然后，于沟槽中填入一绝缘层。之后，移除图案化掩模层、硅衬垫层与衬垫层以及移除部分绝缘层以形成浅沟槽隔离结构。
本发明又提出一种浅沟槽隔离结构的制造方法，包括：提供一基底，此基底上已依序形成一衬垫层与一掩模层。之后，图案化掩模层，以形成暴露出衬垫层的一开口。接着，于开口的侧壁形成一间隙壁，以具有间隙壁的掩模层为蚀刻掩模，移除部份衬垫层与基底，而于基底中形成一沟槽。然后，移除间隙壁，并进行拉回蚀刻使衬垫层往内缩。之后，于沟槽中填入一绝缘层，并移除图案化掩模层与衬垫层。然后，移除部分的绝缘层以形成一浅沟槽隔离结构。
由于本发明以间隙壁与掩模层作为蚀刻掩模，而蚀刻基底形成宽度较小沟槽，因此衬层的形成不会使得浅沟槽隔离结构的轮廓与尺寸变大太多，进而能够得到较大的有源区域。而且，本发明形成具有顶角圆角化的沟槽，因此后续形成的栅极氧化层的厚度较为均匀，并且也可以避免在隔离沟槽结构顶部及邻接的有源元件间的上面区域产生漏电流。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，以下配合附图以及优选实施例，以更详细地说明本发明。
附图说明
图1是本发明的方法制作出的浅沟槽隔离顶角周围部分形成的栅氧化层穿透式电子显微镜剖面图。
图2A至图2C为现有的一种浅沟槽隔离结构的制造流程剖面图。
图2D为现有的一种浅沟槽隔离结构，其沟槽顶部形成两个转角的放大图。
图2E为现有的一种浅沟槽隔离结构，其形成于沟槽侧壁的衬层的放大图。
图3A至图3G绘示本发明一优选的浅沟槽隔离结构的制造流程剖面图。
图4即为以本发明的方法制作出的浅沟槽隔离结构的穿透式电子显微镜剖面图。
简单符号说明
200、300：基底
202：垫氧化层
204：氮化硅层
206、308：开口
208、312：间隙壁
210、314：沟槽
212、316：衬层
214、214’：转角
216、320：浅沟槽隔离结构
302：衬垫层
304：硅衬垫层
306：掩模层
310：介电层
318：绝缘材料
具体实施方式
接下来详述本发明的实施例，实施例将以附图解释。其描绘图是简式形式，并非精确的尺寸大小。
图3A至图3G绘示本发明一优选的浅沟槽隔离结构的制造流程剖面图。
请参照图3A，本发明提出一种浅沟槽隔离结构的制造方法。首先，提供一基底300，在此基底300上形成一层衬垫层302，衬垫层302的材料包括二氧化硅，其形成方法例如是热氧化法。当然衬垫层302的材料也可以是其它任何适当材料。然后，于衬垫层302上一层硅衬垫层304。硅衬垫层304的材料包括多晶硅、非晶硅或单晶硅等，其形成方法例如是化学气相沉积法。之后，于硅衬垫层304上形成图案化的一层掩模层306。掩模层306的材料包括氮化硅，其形成方法例如是化学气相沉积法。当然，掩模层306的材料也可以是其它任何适当材料。其中，硅衬垫层304的形成是可选择的，亦即本发明也可以不形成硅衬垫层304。
接着，请参照图3B，以图案化掩模层306作为蚀刻掩模，移除部分硅衬垫层304以形成暴露出衬垫层302的开口308。然后，在此基底300上形成一共形的介电层310。此介电层310的材料例如是二氧化硅，其形成的方法包括化学气相沉积法。
之后，请参照图3C，进行各向异性蚀刻工艺，移除部分介电层310，以于开口308的侧壁形成间隙壁312。之后，移除开口308所暴露的衬垫层302。其中，若衬垫层302与介电层310的材料相同，则在形成间隙壁312的过程中，可以同时移除开口308所暴露的衬垫层302。
接着，请参照图3D，以具有间隙壁312及掩模层306作为蚀刻掩模，移除开口308所暴露部分基底300，而于基底300中形成沟槽314。
之后，请参照图3E，移除间隙壁312。移除间隙壁312的方法包括湿式蚀刻法，例如是以热氢氟酸(如110℃的氢氟酸)作为蚀刻剂。之后，进行拉回蚀刻工艺，使衬垫层302往内缩。拉回蚀刻工艺包括湿式蚀刻法，例如以氢氟酸作为蚀刻剂。衬垫层302往内缩后，即暴露出沟槽314顶部的周围区域。接着，于沟槽314中形成一衬层316(Linear Oxide)。其中衬层316的形成方法例如是热氧化法(Thermal oxidation)。由于，衬层316是利用热氧化法使氧气与沟槽314所暴露的硅产生反应形成氧化硅，在晶格重排后，则可以使沟槽314的顶角变成圆滑状。因此可以改善后续形成栅氧化层时，所造成的局部厚度较薄的问题。
之后，请参照图3F，基底300上形成绝缘材料318，此绝缘材料318并填满沟槽314。绝缘材料318的材料例如为二氧化硅，其形成的方法例如为高密度等离子体化学气相沉积法(high density plasma CVD，HDP-CVD)。接着，进行平坦化步骤，移除绝缘材料318至暴露出掩模层306表面。其中平坦化步骤例如为化学机械抛光法(chemical mechanical polishing，CMP)。
然后，请参照图3G，移除图案化掩模层306、硅垫层304、衬垫层302与部分绝缘材料318以形成一浅沟槽结构320。其中移除图案化掩模层306、硅衬垫层304、衬垫层302与部分绝缘材料318的方法例如是湿式蚀刻法。当掩模层306的材料为氮化硅时，移除掩模层306的方法例如是使用热磷酸作为蚀刻剂。移除硅衬垫层304的方法例如是使用亚硝酸与氢氟酸的混合溶液作为蚀刻剂。而去除衬垫层302与部分绝缘材料318的方法例如使用氢氟酸(HF)作为蚀刻剂。
在上述实施例中，由于以间隙壁312与掩模层306作为蚀刻掩模，而蚀刻基底300形成宽度较小沟槽，因此衬层316的形成不会使得浅沟槽隔离结构320的轮廓与尺寸变大太多，进而能够得到较现有更大的有源区域。而且，本发明在移除间隙壁312并使衬垫层302往内缩后，即暴露出沟槽314顶部的周围区域，并使氧气与沟槽314所暴露的硅产生反应形成氧化硅，在晶格重排后，则可以使沟槽314的顶角变成圆滑状。因此可以改善后续形成栅氧化层时，所造成的局部厚度较薄的问题。图4即为以本发明的方法制作出的浅沟槽隔离结构的照片图。如图4所示，依本发明的方法制作出来的浅沟槽隔离结构320的沟槽314的顶角部分变成圆滑状，且后续形成的栅氧化层具有较均匀的厚度。
综上所述，本发明至少具有下述的优点：
1.本发明以间隙壁与掩模层作为蚀刻掩模，虽然蚀刻基底形成宽度较小沟槽，但是通过衬层的形成，不仅使得沟槽顶角圆角化，并且不会影响浅沟槽隔离结构的轮廓与尺寸，另外有源区域也不会因此缩小。
2.本发明形成具有顶角圆角化的沟槽，因此后续形成的栅极氧化层的厚度较为均匀，并且也可以避免在隔离沟槽结构顶部及邻接的有源元件间的上面区域产生漏电流。
虽然本发明以优选实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可作一些的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以后附的权利要求所界定者为准。
Claims (20)
1、一种浅沟槽隔离结构的制造方法，包括：
提供一基底，该基底上已依序形成一衬垫层、一硅衬垫层与一掩模层；
图案化该掩模层与该硅衬垫层，以形成暴露出该衬垫层的一开口；
于该开口的侧壁形成一间隙壁，并移除部分该衬垫层以暴露出该基底；
以具有该间隙壁的该掩模层为蚀刻掩模，移除部分该基底，而于该基底中形成一沟槽；
移除该间隙壁；
进行拉回蚀刻，使该衬垫层往内缩；
于该沟槽中填入一绝缘材料；
移除该图案化掩模层、该硅衬垫层与该衬垫层；以及
移除部分该绝缘材料以形成一浅沟槽隔离结构。
2、如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其中于该开口的侧壁形成该间隙壁的步骤，包括：
于该基底上形成一氧化硅层；以及
进行一各向异性蚀刻工艺，移除部分该氧化硅层。
3、如权利要求2所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其中该氧化硅层的形成方法包括化学气相沉积法。
4、如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其中该衬垫层的材料包括氧化硅。
5、如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其中该硅衬垫层的材料包括多晶硅。
6、如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其中该掩模层的材料包括氮化硅。
7、如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其中在该沟槽中填入该绝缘材料步骤之前，还包括在该沟槽侧壁与该硅衬垫层上形成一衬层。
8、如权利要求7所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其中形成该衬层包括以热氧化法形成的二氧化硅。
9、如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其中该绝缘材料的材料包括二氧化硅。
10、如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其中填入该绝缘材料的方法包括高密度等离子体化学气相沉积法。
11、如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其中于该沟槽中填入该绝缘材料的步骤，包括：
于该基底上沉积一绝缘层；以及
移除部分该绝缘层直至暴露出该掩模层。
12、如权利要求11所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其中移除部分该绝缘层直至暴露出该掩模层的方法包括化学机械抛光法。
13、一种浅沟槽隔离结构的制造方法，包括：
提供一基底，该基底上已依序形成一衬垫层与一掩模层；
图案化该掩模层，以形成暴露出该衬垫层的一开口；
于该开口的侧壁形成一间隙壁；
以具有该间隙壁的该掩模层为蚀刻掩模，移除部分该衬垫层与该基底，而于该基底中形成一沟槽；
移除该间隙壁；
进行拉回蚀刻，使该衬垫层往内缩；
于该沟槽中填入一绝缘材料；
移除图案化的该掩模层与该衬垫层；以及
移除部分该绝缘材料以形成一浅沟槽隔离结构。
14、如权利要求13所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其中该衬垫层的材料包括氧化硅。
15、如权利要求13所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其中该掩模层的材料包括氮化硅。
16、如权利要求13所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其中在该沟槽中填入该绝缘材料的步骤前，还包括在该沟槽侧壁形成一衬层。
17、如权利要求16所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其中形成该衬层的方法包括热氧化法。
18、如权利要求13所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其中该绝缘材料的材料包括二氧化硅。
19、如权利要求13所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其中于该开口的侧壁形成该间隙壁的步骤，包括：
于该基底上形成一氧化硅层；以及
进行一各向异性蚀刻工艺，移除部分该氧化硅层。
20、如权利要求19所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其中该氧化硅层的形成方法包括化学气相沉积法。
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2004
- 2004-11-03 CN CNB2004100922246A patent/CN100339971C/zh not_active Expired - Fee Related
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