CN101414574A - 沟槽隔离集成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沟槽隔离集成方法，通过将刻出沟槽后的硅片采用氢气进行高温退火，使硅片表面的氧含量降低一个数量级，并减少了氧沉淀产生的可能性，从而降低了位错密度；同时，由于退火硅衬底表面原生缺陷密度大大降低，沟槽内表面形成了一个洁净区，从而更加有效的降低了缺陷密度。对于之后的高温热过程而言，通过氢气退火间隙原子的外扩散，减少了沟槽转角处位错和层错产生的几率，从而最终减少了缺陷密度。而且，该方法可以兼容现有的沟槽隔离集成工艺和设备，简单易行。

Description

沟槽隔离集成方法

技术领域

本发明涉及半导体的制造技术，尤其涉及一种半导体工艺制作过程中的沟槽隔离集成方法。

背景技术

随着半导体特征尺寸的进一步缩小，沟槽隔离(TI，Trench-Isolation)工艺被普遍采用。常规的TI集成工艺如图1所示，包括以下步骤：首先，TI刻蚀在硅片上定义出一个沟槽(如图3a)，然后用化学药液清洗去除TI刻蚀的副产物、颗粒和表面的不希望存在的微量元素，之后将硅片放入高温炉管，生长一层氧化层，以消除上述刻蚀所带来的硅衬底的损伤(如图3b)，接着用高密度等离子化学气相沉积(HDPCVD，High Density PlasmaChemical Vapor Deposition)的方法填充氧化物(如图3c)，然后在高温下致密化，最后用化学机械抛光(CMP，Chemical Mechanical Polish)去除不需要的氧化物以平坦化(如图3d)。

在当下，电路复杂性进一步的提高，越来越多的器件被同时用于一个电路时，这个常规的TI集成工艺遇到了瓶颈，即漏电，而大的漏电会限制的电路密度的提高，因此需要一种新的方法来进一步降低漏电。

原始硅片的制作过程是产生TI的漏电的主要来源之一。原始硅片制作一般采用直拉法(下简称CZ法)在石英坩锅中完成，过程中不断有氧气氛渗入硅内，同时硅单晶的冷却一般都大于热平衡速度，所以导致最终的硅片中存在超过合理浓度的氧杂质和体缺陷。体内氧杂质超过合理浓度会发生氧沉淀，引入更多的间隙原子(严重时产生位错)，其他体缺陷达到一定浓度会聚集形成位错、层错、空洞等等。一般硅片厂家采用一些热处理方法来降低氧沉淀和体缺陷到可以接受的范围，但是空位、间隙等缺陷在后续集成电路加工工艺中还是扩散开去。

产生漏电最重要的原因还是后续集成电路加工中是不恰当的制造工艺引入的位于硅衬底和硅与氧化层界面的缺陷，主要的缺陷有氧化诱生堆垛层错(Oxide Induced Stack Fault，下简称层错)和位错。如图2所示的A，B和C位置的位错和层错会造成很大的漏电。其中位置A为N型掺杂区与P型硅衬底的PN结界面，B和C均为沟槽的下部转角氧化硅与硅的界面，其中C贯穿了整个下角。

产生这些缺陷的主要来源是在TI工艺中引入的。如图3a-3d是TI传统的沟槽隔离集成工艺流程中的截面示意图。在图3a，原始硅片经过反应离子刻蚀形成沟槽，该图中A和B位置为内外转角，此处是应力集中的部位，也是将来产生大量位错和层错的主要部位，同时，由于沟槽表面长时间暴露在等离子体下，表面有很浅的一个等离子体损伤层，等离子体产生的远紫外光辐照穿透表面在硅片内部产生一些辐照缺陷—空位和间隙对。为了消除表面的等离子体损伤和内部的空位缺陷，如图3b，高温炉管氧化就显得非常重要，通过这个过程，损伤转变成一层非晶的氧化层，同时氧化过程大约膨胀2.25倍，向衬底注入大量间隙；接着用HDPCVD的方法填充氧化物，并且高温下致密化，由于硅的热膨胀系数大约比二氧化硅大十倍，所以当高温冷却下来时，硅衬底收缩量远远大于氧化物，导致图3c中位置C为张应力，D为压应力。为本领域技术人员熟悉的是，张应力导致空位的富集，而压应力导致间隙的积聚。因此，A位置的空位可以与前面的氧化注入间隙中和。而在位置B处间隙原子会大大富集，在某些严重的情况下，应力最为集中的地方—转角处有可能发生聚集的间隙原子超过了临界值的情况，这时就导致产生了位错和层错。

因此针对前面所述的传统TI集成工艺，一般都是通过尽量减少间隙原子的浓度，来减少位错和层错的产生。具体而言，降低原始硅片的氧含量，缺陷密度，减少TI炉管高温前沟槽内裸露硅表面的氧含量的缺陷密度，因为氧化层覆盖之后，空位和间隙只能靠互相复合的方式减少了，然而这种方式效率太低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种沟槽隔离集成方法，可减少位错和层错的产生概率，降低硅片的缺陷密度，并且不会影响沟槽隔离的集成效率。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种沟槽隔离集成方法，包括：在硅衬底上刻蚀出沟槽，并用化学药液对硅片表面进行清洗后，先对硅片进行高温氢气退火，然后进行化学清洗，再使用高温炉管生长衬垫氧化层。

本发明由于采用了上述技术方案，具有这样的有益效果，即通过将刻出沟槽后的硅片采用氢气退火，使硅片表面的氧含量降低一个数量级，并减少了氧沉淀产生的可能性，从而降低了位错密度；同时，由于退火硅衬底表面原生缺陷密度大大降低，沟槽内表面形成了一个洁净区，从而更加有效的降低了缺陷密度。对于之后的高温热过程而言，通过氢气退火间隙原子的外扩散，减少了沟槽转角处位错和层错产生的几率，从而最终减少了缺陷密度。而且，该方法可以兼容现有的沟槽隔离集成工艺和设备，简单易行。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为现有技术中沟槽隔离工艺流程示意图；

图2为通过现有工艺所集成的沟槽隔离的缺陷示意图；

图3a-3d为通过现有工艺流程集成沟槽隔离的截面示意图；

图4为根据本发明所述方法集成沟槽隔离的流程示意图。

具体实施方式

在发明中，为了能够解决现有技术中所存在的问题，在用化学药液清洗去除沟槽刻蚀的副产物、颗粒和表面的不希望存在的微量元素之后，再将硅片进行高温退火，以在沟槽内表面生成一层洁净区，从而使得硅原生和刻蚀诱生的缺陷密度大大降低，氧含量降低一个数量级。

因此，如图4所示，在一个实施例中本发明进行沟槽隔离集成的方法包括以下步骤：

(1)将原始硅片通过光刻确定图形；

(2)通过反应离子刻蚀法在硅衬底上刻蚀出沟槽，刻蚀时所采用的工作气体一般是含氟气体及氧气等的混合气体；

(3)用化学药液(如氨水和双氧水、水的混合药液，加上硫酸和双氧水、水的混合药液)对硅片表面进行清洗，以去除上述沟槽刻蚀所产生的副产物、颗粒和硅片表面不希望存在的微量元素；然后对硅片进行高温退火；在一个优选实施例中，高温退火时的工作气体是氢气，退火温度大于900摄氏度，退火时间大于20分钟。经过长时间氢气高温退火后，通过氢气在高温下对于氧化物的还原作用，硅片表面的氧含量可以降低一个数量级；同时在氢气退火气氛下，硅片表面和体内的间隙原子容易向外扩散，使体内空位和间隙密度容易达到平衡；另外，由于氢气在高温下具有对氧化物的还原作用，因此可将二氧化硅还原为一氧化硅等不完全化合物挥发为气相去除，从而减少了由于硅片表面不均匀的氧化层而导致的后续过程产生的硅坑；而且，由于氢气在高温下对硅具有一定的腐蚀作用，因此通过退火，还可使浅表面的原生缺陷移动到表面，从而大大降低了表面缺陷密度。因此，经过氢气高温退火后，最终可在沟槽的内表面形成一层洁净区，并使得硅原生和刻蚀诱生的缺陷密度大大降低，并且可以保证当硅片在经历随后的集成电路工艺后，最终成品缺陷密度将大大降低。

(4)再用化学药液(如氨水和双氧水、水的混合药液，加上硫酸和双氧水、水的混合药液)对硅片表面进行清洗，然后使用高温炉管生长衬垫氧化层，以消除刻蚀所带来的硅衬底的损伤。

(5)用高密度等离子化学气相沉积(HDP CVD)的方法填充氧化物，为本领域一般技术人员所熟悉的是，所述高密度等离子化学气相沉积的方法一般通过调整气体比率和电源工作功率以满足足够的填充能力，从而保证填充氧化物可以无损伤无空洞地填入沟槽。

(6)在高温下进行填充氧化物的致密化，例如可在温度为约900℃以上，及氮气氛下快速或炉管退火，来实现填充氧化物的致密化。

(7)用化学机械抛光去除不需要的氧化物以平坦化，最后就得到了所需的沟槽隔离。

Claims (2)

1、一种沟槽隔离集成方法，其特征在于，包括：在硅衬底上刻蚀出沟槽，并用化学药液对硅片表面进行清洗后，先对硅片进行高温氢气退火，然后进行化学清洗，再使用高温炉管生长衬垫氧化层。

2、根据权利要求1所述的沟槽隔离集成方法，其特征在于，对硅片进行高温氢气退火的温度大于900℃，且退火时间大于20分钟。

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