CN100449728C

CN100449728C - 隔离沟槽的填充方法

Info

Publication number: CN100449728C
Application number: CNB2006100275832A
Authority: CN
Inventors: 游宽结; 杨海涛; 平延磊
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2006-06-12
Filing date: 2006-06-12
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2026-06-12
Also published as: CN101090088A

Abstract

本发明公开了一种隔离沟槽填充方法，包括：a.在半导体基底上形成沟槽；b.沉积氧化物层至沟槽高度一半的位置；c.晶片旋转一特定角度；d.沉积氧化物层至沟槽顶部。本发明能够有效地解决STI HDP工艺制程后，STI结构表面粗糙度较大的问题，为下一步的CMP做好准备。

Description

隔离沟槽的填充方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种浅沟槽(shallowtrench isolation STI)隔离沟槽的填充(Gap-filling)方法。

背景技术

随着半导体技术的飞速发展，半导体器件特征尺寸的显著减小，相应地也对芯片制造工艺提出了更高的要求，伴随着IC器件的进一步高密度化、微细化和高速化，特别是随着半导体特征尺寸向65纳米乃至更精细的结构发展，工艺容差范围相应缩小，对绝缘介质的填充，特别是对浅槽隔离(shallow trench isolation，STI)提出了更高的要求。

公开号为CN 1531057A的专利公开了一种STI沟槽填充方法，其利用HDP(High-density Plasma)工艺在沟槽中填充绝缘物质。图1为STI隔离结构示意图。如图1所示，在半导体基底上100上生长一薄层氧化物层(SiO2)101，然后在氧化物层101上沉积一层氮化硅层102。接着，利用选择性蚀刻在半导体基底上100上形成浅沟槽104。再利用高密度等离子体(high density plasma，HDP)工艺在沟槽104中沉积氧化物层110。沉积高度应尽量填平沟槽104的顶部。最后，利用化学机械抛光处理(CMP，chemical mechanical planarization)进行抛光制程，形成一个浅沟槽隔离结构(STI)。但是，经过该技术进行沟槽填充时仅仅进行一步沉积，即一次将绝缘物质填满沟槽。这样，会造成该现有技术形成的STI沟槽表面粗糙度较大。如图2所示，图2为一步沉积后的STI沟槽表面的粗糙度效果图。沟槽表面的粗糙度可以用凸出的波峰201与凹进的波谷202的差值表示，较大的粗糙度将影响化学机械抛光处理(chemical mechanical planarization，CMP)的效果，导致在氮化硅清除后，STI的结构表面粗糙度较大，进而会导致漏电流的产生，影响电学参数。因此，我们需要采用有效的办法来减小STI HDP工艺后粗糙度较大的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种隔离沟槽的填充方法，以解决STI隔离结构沟槽填充后表面粗糙度较大的问题。

为达到上述目的，本发明提供的一种隔离沟槽的填充方法，包括：

a在半导体基底上形成沟槽；

b沉积绝缘物质氧化物层至沟槽高度一半的位置；

c晶片旋转一特定角度；

d沉积绝缘物质氧化物层至沟槽顶部。

所述步骤b中沉积绝缘物质所用的设备包括复数根长管和复数根短管。所述长管沿圆周均匀分布，所述短管在每两根长管间沿圆周均匀分布。所述沉积绝缘物质所用的气体分别从长管和短管中流出，所述短管中流出的气体中包括氧气O₂和SiH4，所述长管中流出的气体中包括SiH4。在步骤b中，所述长管的气体流量与所述长管加短管的气体流量的流量比为0-100％。所述步骤b中沉积沟槽一半高度所需的沉积时间是标准沉积时间的一半。所述特定角度为两个长管之间夹角的一半。在所述步骤d中，根据沟槽填充物的表面形态调整流量比，所述流量比为0-100％。所述步骤d中沉积至沟槽顶部所用的沉积时间是标准沉积时间的另一半。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的隔离沟槽填充方法根据现有工艺的缺点进行了改进，提高了用于STI隔离沟槽的氧化物表面平坦程度。

在进行HDP的设备的反应室中包括长管和短管。长管沿圆周均匀分布，短管在每两根长管间均匀分布，并且短管数量大于长管数量。反应气体从长管和短管中流出，经等离子化后在晶片表面反应沉积。长管管口对应晶片的中心位置，短管管口对应晶片的边缘位置。长管流出的反应气体主要影响沉积在晶片的中心位置氧化物的厚度，短管流出的沉积物质气体主要影响沉积在晶片的边缘位置氧化物的厚度。由于长管的SiH4流量与长管加短管的SiH4总流量的流量比设置的不恰当，如果仅进行一步沉积，沉积后往往造成晶片的表面中间和边缘部分氧化物不均匀的问题，导致晶片表面凸凹不平，表面粗糙度较大。

本发明将STI HDP工艺划分为两个步骤来解决上述问题。即在第一步沉积后，根据晶片表面粗糙度的情况调整反应气体流量比，同时将晶片旋转两个长管夹角的一半的角度，进行第二步沉积。这是因为，通过旋转，将晶片在第一步淀积时对应长管的位置旋转至对应短管的位置，再调整流量比。改变在第一步沉积后，长管下方对应的氧化物和短管下方对应的氧化物在晶片表面分布不均匀的问题，第二步沉积后晶片表面相比一步沉积要平整很多。

通过本发明的方法，将STI HDP工艺后晶片表面粗糙度大大降低，有利于后续工艺的顺利进行。

附图说明

图1为STI隔离结构示意图；

图2为采用现有的STI HDP工艺进行一步沉积后的效果图；

图3为本发明隔离沟槽填充方法的流程图；

图4为本发明具体实施例所使用的HDP反应室(chamber)的结构图；

图5长管短管在HDP反应室(chamber)的相对位置的示意图；

图6为本发明方法经过第一步沉积后的沟槽结构示意图；

图7为采用本发明方法进行第一步沉积后的晶片表面氧化物的三维效果图；

图8为采用本发明方法进行第一步沉积后的晶片表面氧化物的二维效果图；

图9为采用本发明方法进行第二步沉积后的晶片表面氧化物的三维效果图。

图号说明

100：半导体基底 101：氧化物层 102：氮化物层

104：沟槽 106：内衬氧化物层 110：HDP氧化物

201：波峰 202：波谷 401：晶片承载台

402：长管 403：短管 501：晶片

502：短管 503：长管

601：凹槽填充氧化物形状线

701：短管下方对应主要沉积位置

702：长管下方对应主要沉积位置

801：晶片表面氧化物等高线

901：短管下方对应主要沉积位置

902：长管下方对应主要沉积位置

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图3为本发明半导体器件制造方法的流程图。首先，在半导体基底上形成沟槽(S301)；然后，沉积氧化物层至沟槽高度一半的位置(S302)；接着，将晶片旋转某一特定角度(S303)；最后，沉积氧化物层至沟槽顶部(S304)。上述方法只是对本发明技术方案的简要说明，在说明书的下文中将对本发明的方法做详细说明。

图4为HDP反应室(chamber)的结构图。如图4所示，此图为晶片在沉积室(chamber)进行沉积时的位置结构图。在本发明的实施例中，六根长管402均匀地分布于一个圆周上，即每两根长管间相隔60度，每两根长管间等分地插入5根短管403，即每两根短管间相隔10度，而晶片承载台401位于圆周的中心位置。

图5为长管和短管的相对位置的示意图。如图5所示，短管502中流出的气体中包括氧气O₂和硅烷SiH₄，长管503中流出的气体中包括硅烷SiH₄。流量比采用37.5％，流量比是指长管的SiH₄流量与长管加短管的SiH₄总流量的比值。由于长管与短管在HDP反应室(chamber)的特殊排列设置，所以造成晶片501表面中间所沉积的氧化物较薄，沟槽边缘所沉积氧化物较厚。第二步沉积时，流量比的调整原则是：参考第一次沉积后的晶片表面氧化物厚度的分布情况，如果中间部分较薄，就加大流量比；如果中间部分较厚，就减小流量比。

如图6所示，图6为本发明方法经过第一步沉积后的沟槽结构示意图。601表示第一步沉积结束后，沟槽被绝缘物质沉积的表面形态。此过程结束后，只沉积到沟槽深度的一半。如图7所示，图7为采用本发明方法进行第一步沉积后晶片表面厚度分布的三维效果图。这说明第一步沉积后，晶片表面中间部分，即长管下方对应主要沉积位置702，沉积的氧化物厚度较小；晶片表面边缘的部分，即短管下方对应主要沉积位置701，沉积的氧化物厚度较大。

图8为采用本发明方法进行第一步沉积后的晶片表面氧化物的厚度二维效果图。如图8所示，等高线801中间部分都是“-”号，四周部分都是“+”号。“-”号表示，该部分在等高线以下，为凹进去的部分；“+”号表示，该部分在等高线以上，为凸出来的部分。这表明：晶片表面中间部分氧化物的厚度较薄，晶片表面边缘部分氧化物的厚度较厚。结合图7与图8两幅图，得知：为了改善晶片表面氧化物的厚度均匀分布状况，要采用凹凸互补的原则，即加大长管的流量，以将第一步沉积后，中间分较薄部分增厚，这样短管的流量也就相对的减小，从而减薄边缘的厚度。

因此，增大第二步沉积的流量比，即增加长管反应气体的流量，将流量比调整为39％，同时，将晶片旋转30度进行沉积。由于晶片中间部分氧化物的厚度分布主要是受到长管503的影响，晶片边缘部分氧化物的厚度分布主要是受到短管502的影响。如图4所示，六根长管均匀地分布在360度的圆周上，两根长管的间隔是60度，中间均匀地插入5根短管，因此旋转30度后，原来第一步沉积中由长管下方对应的晶片的位置在进行第二步沉积时正好处于短管的下方。这样，就在第二步沉积中与第一步沉积形成互补。增大流量比，相当于加大长管的流量，减小短管的流量。这样，就将中间较薄的部分增厚，减小边缘的厚度减薄，从而达到减小粗糙度的目的。

图9为采用本发明方法进行第二步沉积后的三维效果图。由图9可见，此过程结束后，在晶片边缘部分，即短管下方对应的主要沉积位置901，与晶片中心部分，即长管下方对应主要沉积位置902，所沉积的氧化物厚度差变小。此时的STI隔离沟槽表面粗糙度相比较现有的STIHDP结构表面粗糙度已经大大减小。

由此可见，经过采用以上两步分步沉积来使STI HDP的结构表面粗糙度优化的方法，工艺过程全部结束后，浅槽隔离STI的结构表面粗糙度相比较现有的STI HDP的结构表面粗糙度已经大大减小。因此，本发明在没有提高成本的情况下，优化了STI HDP工艺，避免了后续的化学机械平整处理工艺，无用的磨损，从而最终节约了成本。

以上介绍的是本发明基于某一设备进行的浅槽隔离STI(shallowtrench isolation)结构的沟槽填充后，表面粗糙度的改善。根据这一原理，进一步广而推之，对于第二步沉积，只要将长管均等地分布于圆周上，短管也均等地分布于两个长管之间，只需将沟槽旋转到两长管间角度的等分线上。同时根据第一步沉积后，中间部分及边缘部分的效果，按照中间部分相比较边缘部分薄，就增大流量比；中间部分相比较边缘部分厚，就减小流量比的原则，也可以实现减小STI隔离沟槽填充后的表面粗糙度的目的。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims

1、一种隔离沟槽的填充方法，包括：

a在半导体基底上形成沟槽；

b沉积绝缘物质氧化物层至沟槽高度一半的位置，沉积绝缘物质所用的设备包括复数根长管和复数根短管；

c晶片旋转一特定角度；

d根据晶片表面粗糙度的情况调整反应气体流量比；

e根据调整后的反应气体流量比，沉积绝缘物质氧化物层至沟槽顶部。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述长管沿圆周均匀分布。

3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述短管在每两根长管间沿圆周均匀分布。

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述沉积绝缘物质所用的气体分别从长管和短管中流出。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述短管中流出的气体中包括氧气O₂和SiH₄，所述长管中流出的气体中包括SiH₄。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于：在步骤b中，所述长管的气体流量与所述长管加短管的气体流量的流量比为0-100％。

7、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤b中沉积沟槽一半高度所需的沉积时间是标准沉积时间的一半。

8、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述特定角度为两个长管之间夹角的一半。

9、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述流量比为0-100％。

10、如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述步骤e中沉积至沟槽顶部所用的沉积时间是标准沉积时间的另一半。