CN101447447B - 用于沟槽隔离的本征吸杂的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于沟槽隔离的本征吸杂的方法，在硅片上定义出沟槽；然后用化学药液进行清洗，在所述沟槽内生长衬垫氧化层；在氮气、氩气或者氨气或者是它们的混合气体下快速热退火，并快速冷却，接着在所述氧化层上再缓慢生长一层第二氧化层；采用高密度等离子化学气相沉积的方法在所述沟槽内填充氧化物；对所填充的氧化物在高温下致密化；最后去除高出硅片表面的氧化物实现平坦化。本发明能够降低经历沟槽隔离工艺后的硅片的缺陷密度，同时兼容现有的半导体集成电路工艺方法，操作简便。

Description

用于沟槽隔离的本征吸杂的方法

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路的制作工艺方法，特别是涉及一种在半导体集成电路制作工艺过程中，用于沟槽隔离的本征吸杂的方法。

背景技术

随着半导体集成电路特征尺寸的进一步缩小，沟槽隔离(TrenchIsolation，TI)工艺被普遍采用。常规的STI(浅沟槽隔离)集成工艺包括，首先在硅片上刻蚀定义出一个沟槽；然后用化学药液清洗去除刻蚀副产物、颗粒和沟槽表面的不希望存在的微量元素，进入高温炉管生长一层氧化层以消除刻蚀带来的硅衬底的损伤；接着用高密度等离子化学气相沉积(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition，HDPCVD)的方法在沟槽内部填充氧化物(同时硅片表面也覆盖了氧化物，如图4c)；然后在高温下对填充氧化层进行致密化；最后用化学机械抛光(ChemicalMechanical Polish，CMP)去除高出氮化硅表面的氧化物(CMP磨到氮化硅，参见图4d)以平坦化。随后再进入后续的集成电路加工工艺。图1表示出了这种常规的沟槽隔离工艺控制流程。

但是现在这种常规的沟槽隔离工艺遇到了瓶颈--漏电，漏电来源于原始硅片制作和集成电路加工过程中引入的缺陷，主要有两个方面：

第一，原始硅片的制作过程中产生的原生缺陷。原始硅片制作一般采用直拉法(以下简称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，导致最终的硅片中存在超过合理浓度的氧杂质和体缺陷。氧与空位作用产生氧沉淀(Oprecipitates，参见图3a中B所指示的位置)；由于氧化层体积膨胀会引入间隙，所以导致产生位错(dislocation)和层错(Stack Fault，SF，参见图3a中A所指示的位置)，但同时氧沉淀又可以吸附金属杂质；其他空位达到一定浓度会聚集形成硅片体内和表面空洞(如原生缺陷--Crystal-Originated-Particle，COP，参见图3a中C和D所指示的位置；块状缺陷--Micro-Bulk-Defect，BMD)等等。这些氧沉淀、位错、层错以及空洞缺陷在随后的集成电路加工工艺中继续发展，如果扩散到电路工作区域，就是一个重要的漏电来源。另一方面由于一些加工工艺(如沟槽隔离工艺)导致表面形貌变化，一些原来位于体内的缺陷逐渐显露到硅片表面(参见图3a至图3b)，这又是一个漏电的来源。

第二，在后续集成电路加工过程中，由不恰当的制造工艺引入的位于硅片(即硅衬底)和硅片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，以下简称层错)和位错。如图2所示的位于F、G和H的位置的位错和层错会造成很大的漏电。其中位置F为N型掺杂区与P型硅衬底的PN结界面，G和H均为沟槽的下部转角氧化硅与硅片的界面，H贯穿了整个下角。

产生这些缺陷的主要原因之一是STI工艺。参见图4所示，其中，图4a为原始硅片经过反应离子刻蚀形成沟槽，图中M和N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硅片表面，在硅片内部产生一些辐照缺陷一空位和间隙对。为了消除表面的等离子体损伤和内部的空位缺陷，如图4b所示引入了高温炉管氧化，通过这个过程，损伤转变成一层非晶的氧化层，同时氧化过程中氧化层体积大约膨胀2.25倍，向硅衬底注入大量间隙；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4c中位置P为张应力，Q为压应力。张应力会聚集大量空位，也就是说，在图4c中位置Q处的空位浓度高于其他地方。在某些严重的情况下，应力最为集中的地方，如转角处(参见图4a中位置P处)位错和层错就产生了。图5为实际中观察到的缺陷(位错)。

但是，大量研究已经证明，如果仅仅是这些缺陷还不容易产生大的漏电，只有当这些缺陷处聚集了大量的金属杂质分布之后才会产生显著的漏电。所以，为了降低漏电，除了降低缺陷密度，还要减少金属杂质在这些地方的聚集，这就要用到本征内吸杂工艺。

原始硅片厂商常用高-低-高的方法对硅片进行吸杂处理，常用的是1200℃/2小时+800℃/4小时+1000℃/16小时，第一步使氧充分溶解，当冷却下来时，后两步将使过饱和的间隙氧缓慢析出，最后形成氧沉淀，氧沉淀可以吸附金属杂质，发挥本征吸杂作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于沟槽隔离的本征吸杂的方法，降低经历沟槽隔离工艺后的硅片的缺陷密度，同时兼容现有的半导体集成电路工艺方法，操作简便。

为解决上述技术问题，本发明的用于沟槽隔离的本征吸杂的方法包括如下步骤：首先在硅片上用化学反应离子刻蚀方法定义出沟槽；然后用化学药液进行清洗，在所述沟槽内生长衬垫氧化层；在氮气、氩气或者氨气或者是它们的混合气体下快速热退火，并快速冷却，接着在所述氧化层上再缓慢生长一层第二氧化层；采用高密度等离子化学气相沉积的方法在所述沟槽内填充氧化物；对所填充的氧化物在高温下致密化；最后采用化学机械抛光去除高出硅片表面的氧化物实现平坦化。

采用本发明的方法之后，可以继续实施后续的集成电路加工工艺，直至完成半导体集成电路的加工。这样，最终沿着垂直硅片的方向，形成从沟槽内表面到体内逐渐上升的空位浓度分布，在沟槽下面的区域形成氧沉淀区，氧沉淀可以吸附金属杂质，发挥本征吸杂作用；同时沟槽内表面形成一层洁净区，氧含量降低一个数量级，使表面无法形成氧沉淀，降低了表面的金属杂质的浓度。

采用本发明的方法会使由于原生缺陷和氧化诱生产生的缺陷密度大大降低，从而最终减少电路漏电，提高了氧化物的质量，改善了可靠性。

与现有方法相比，本发明简单易行，缺陷密度低，氧化物质量高，而且兼容现有工艺和设备，有很高的实用价值。

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是现有的沟槽隔离工艺方法流程图(一)；

图2是采用图1所示的沟槽隔离工艺方法后产生的缺陷位置示意图；

图3是原生缺陷以及在后续工艺中的变化示意图；

图4是现有的沟槽隔离工艺流程截面示意图；

图5是采用图4所示的工艺流程后实际观察到的缺陷(位错)示意图；

图6是沟槽内空位浓度的理想分布及最终硅片缺陷分布示意图；

图7是本发明的用于沟槽隔离的本征吸杂的方法工艺流程示意图。

具体实施方式

由于漏电限制了电路密度的提高，而且现有的沟槽隔离工艺方法所产生的缺陷越来越变得不可接受，所以必须有新的工艺方法进一步降低漏电。漏电主要来源于半导体集成电路制造工艺中产生的硅衬底的缺陷，降低硅衬底的缺陷是降低漏电主要应解决的问题。

氧沉淀是一种有效的本征吸杂工艺，由于氧具有高的电负性使它在与硅争夺金属杂质的过程中占了上风，如果氧沉淀位于有源区之外，金属杂质就也被氧固定以沉淀的方式固定下来，不会对电路的漏电产生灾难性的影响，同时提高了氧化层的质量，提高了可靠性。

所以如果能够在远离有源区的地方形成氧沉淀而在表面电路工作区域降低氧浓度将可以大大降低漏电，提高氧化物质量，改善可靠性。大量的研究表明，氧沉淀与空位浓度成正比，空位浓度越高，氧沉淀越容易发生。因此，如果可以形成一个如图6a所示的从沟槽内表面到硅片体内一样的空位浓度分布，那么得到的最终缺陷在硅片内的分布将如图6b所示，氧沉淀和COP都集中在远离有源区的某个区域，固定金属杂质，发挥了本征吸杂的作用。

快速热处理是现在广泛应用于集成电路的加工方法，与传统的高温炉管相比，它可以快速地升降温，可以总体降低热预算。对于缺陷而言，快速热处理的一个最大特点就是突破热力学地限制，使空位与间隙的扩散速度不同，从而可以根据要达到的目的来调整应用。具体而言，在快速热退火中，间隙速度大于空位，所以经过热退火之后的硅片空位浓度从硅片表面到体内的分布正好是接近于图6a的曲线，这正是所需要的。

此外，在退火之前，如果在沟槽内表面有一层薄的氧化层，应该有更好的效果，因为氧化层体积膨胀，会向硅衬底注入大量间隙，换而言之，氧化层将是空位的汇，通过高温退火，如图4c中位置D处沟槽内表面的空位浓度将大大降低。

参见图7所示，本发明的的用于沟槽隔离的本征吸杂的方法包括如下步骤：

在硅片上通过光刻确定图形(该图形可以为任何符合需要的图形)。

在硅片上用化学反应离子刻蚀方法定义出沟槽。

然后用化学药液进行清洗，进入炉管在所述沟槽内(沟槽内部表面，包括底部和侧壁)生长衬垫氧化层；所述衬垫氧化层为热氧化层，生长温度大于700℃，厚度大于2纳米，小于10纳米。

在氮气、氩气或者氨气或者是它们的混合气体下对硅片快速热退火，并快速冷却，接着在所述衬垫氧化层上再缓慢生长一层第二氧化层；所述快速热退火的退火温度大于1050℃；所述快速冷却的降温速度大于50℃/每秒。所述的第二氧化层采用炉管生长，温度小于900℃。

采用高密度等离子化学气相沉积的方法在所述沟槽内填充氧化物。

对所填充的氧化物进行高温致密化；所述的高温致密化采用炉管退火，温度大于900℃。

最后采用化学机械抛光去除高出硅片表面的氧化物实现平坦化。随后再进入后续的集成电路加工工艺。

本发明将经过沟槽刻蚀的硅片，先生长氧化层，然后用快速热退火，利用了快速热处理工艺的特点，即间隙的扩散速度大于空位，使硅片体内的间隙快速外扩散到沟槽内表面，从而使热退火之后的硅片空位浓度从硅片表面到体内呈现逐渐增加的分布。同时衬垫氧化层，在后续的热过程中，作为空位的汇，湮灭了如图4c中位置D处沟槽内由于张应力产生的大量空位，从而使表面空位浓度大大降低。之后再以低于900℃的温度，采用炉管生长第二氧化层，可以向衬底注入更多的间隙，进一步降低表面的空位浓度。

经过这三步处理的硅片，沿着垂直硅片的方向，形成从沟槽内表面到硅片体内逐渐上升的空位浓度分布(如图6a)，表面形成一个洁净区，氧含量降低一个数量级，使原生缺陷和氧化诱生的缺陷密度大大降低。

此外在生长第二氧化层时，间隙氧在高浓度的地方，即距离沟槽内表面下面的体内某处开始形核；在接着的高温致密化时，高温使氧沉淀的核可以析出，最终使氧沉淀在远离沟槽内表面和有源区的体内大量形成，降低了表面的金属杂质的浓度，本征吸杂发挥作用(如图6b示意)。

同时，沟槽内表面由于氧浓度和空位低，无法形成氧沉淀，使原生缺陷和氧化诱生的缺陷密度大大降低。

最终形成的集成电路因沟槽工艺引入的漏电将大大减少，而且由于表面空位浓度降低，氧化物中的陷阱减少，氧化物的质量得到提高，改善了器件的可靠性。

Claims (3)

1.一种用于沟槽隔离的本征吸杂的方法，包括如下步骤：首先在硅片上用化学反应离子刻蚀方法定义出沟槽；然后用化学药液进行清洗，其特征在于，在所述沟槽内生长衬垫氧化层；在氮气、氩气或者氨气或者是它们的混合气体下快速热退火，并快速冷却，接着在所述氧化层上采用炉管生长，在小于900℃的温度下再缓慢生长一层第二氧化层；采用高密度等离子化学气相沉积的方法在所述沟槽内填充氧化物；对所填充的氧化物采用炉管退火，在大于900℃温度下致密化；最后采用化学机械抛光去除高出硅片表面的氧化物实现平坦化。

2.根据权利要求1所述的用于沟槽隔离的本征吸杂的方法，其特征在于，所示衬垫氧化层为热氧化层，生长温度大于700℃，厚度大于2纳米，小于10纳米。

3.根据权利要求1所述的用于沟槽隔离的本征吸杂的方法，其特征在于，所述快速热退火的退火温度大于1050℃，所述快速冷却的降温温度速度大于50℃/每秒。

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