CN101728307B - 浅沟槽隔离结构的制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种浅沟槽隔离结构的制作方法，包括：提供依次形成有垫氧化层和腐蚀阻挡层的半导体衬底，其中半导体衬底内形成有浅沟槽；在浅沟槽内壁形成牺牲层；刻蚀腐蚀阻挡层后，刻蚀垫氧化层且去除牺牲层；在浅沟槽内壁形成衬氧化层后，向浅沟槽内填充满绝缘层；去除腐蚀阻挡层和垫氧化层，形成浅沟槽隔离结构。本发明的浅沟槽内壁平整均匀。

Description

浅沟槽隔离结构的制作方法
技术领域
本发明涉及半导体器件制造领域，尤其涉及浅沟槽隔离结构的制作方法。
背景技术
随着集成电路尺寸的减小，构成电路的器件必须更密集地放置，以适应芯片上可用的有限空间。由于目前的研究致力于增大半导体衬底的单位面积上有源器件的密度，所以电路间的有效绝缘隔离变得更加重要。
浅沟槽隔离(STI)技术拥有多项的工艺及电性隔离优点，包括可减少占用晶圆表面的面积同时增加器件的集成度，保持表面平坦度及较少通道宽度侵蚀等。因此，目前0.18μm以下的元件例如MOS电路的有源区隔离层已大多采用浅沟槽隔离工艺来制作。具体工艺步骤如下：
参考图1，提供一半导体衬底100；用热氧化法在半导体衬底100上形成垫氧化层102，所述垫氧化层102的材料为二氧化硅；用化学气相沉积法在垫氧化层102上形成腐蚀阻挡层104，所述腐蚀阻挡层104的材料为氮化硅；用旋涂法在腐蚀阻挡层104上形成光刻胶层106，经过曝光显影工艺，定义浅沟槽图形；以光刻胶层106为掩膜，用干法刻蚀法刻蚀腐蚀阻挡层104、垫氧化层102和半导体衬底100，形成浅沟槽110。
如图2所示，灰化法去除光刻胶层106，然后再用湿法刻蚀法去除残留的光刻胶层106。为了使后续浅沟槽110内的填充物质中不产生缝隙或孔洞等缺陷，且湿法刻蚀法对腐蚀阻挡层104和垫氧化层102进行再刻蚀，以增大浅沟槽110上方的宽度，改进后续填充浅沟槽110的能力，防止浅沟槽边缘凹陷的产生。所述在浅沟槽110上方对腐蚀阻挡层104和垫氧化层102进行刻蚀的宽度h为20埃～110埃。湿法刻蚀采用的溶液为氢氟酸和磷酸，其中先用氢氟酸刻蚀垫氧化层102，再用磷酸刻蚀腐蚀阻挡层104。
如图3所示，用热氧化法在浅沟槽110的底部与侧壁形成衬氧化层108，所述衬氧化层108的材料一般为二氧化硅；通过用高密度等离子体化学气相沉积法(HDPCVD)或高深宽比工艺(HARP，High Aspect Ratio Process)在腐蚀阻挡层104上形成绝缘层112，且绝缘层112填充满浅沟槽110，所述绝缘层112的材料为二氧化硅。
如图4所示，对绝缘层112进行平坦化处理，如采用化学机械抛光工艺清除腐蚀阻挡层104上的绝缘层112。去除腐蚀阻挡层104和垫氧化层102，形成由浅沟槽内的衬氧化层108及绝缘层112构成的浅沟槽隔离结构，去除腐蚀阻挡层104和垫氧化层102的工艺一般采用湿法刻蚀。
在中国专利申请03825402还可以发现更多与上述技术方案相关的信息，形成浅沟槽隔离结构。
现有制作浅沟槽隔离结构过程中，用湿法刻蚀法对腐蚀阻挡层和垫氧化层进行再刻蚀，以增大浅沟槽上方的宽度时，磷酸溶液会对浅沟槽内的半导体衬底硅产生腐蚀，使浅沟槽内壁凹凸不平(如图5所示)，导致半导体器件之间的漏电性能恶化。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种浅沟槽隔离结构的制作方法，防止浅沟槽内壁凹凸不平。
为解决上述问题，本发明提供一种浅沟槽隔离结构的制作方法，包括：提供依次形成有垫氧化层和腐蚀阻挡层的半导体衬底，其中半导体衬底内形成有浅沟槽；在浅沟槽内壁形成牺牲层；刻蚀腐蚀阻挡层后，刻蚀垫氧化层且去除牺牲层；在浅沟槽内壁形成衬氧化层后，向浅沟槽内填充满绝缘层；去除腐蚀阻挡层和垫氧化层，形成浅沟槽隔离结构。
可选的，所述牺牲层与垫氧化层的材料一致。所述牺牲层的材料为二氧化硅。形成牺牲层的方法为湿法原位氧化法。所述形成牺牲层的溶液为硫酸和双氧水，其比例为4:1～6:1。所述牺牲层的厚度为5埃～20埃。
可选的，刻蚀腐蚀阻挡层的溶液为磷酸。所述磷酸的浓度为85％。
可选的，刻蚀垫氧化层且去除牺牲层的溶液为氢氟酸。所述氢氟酸的浓度为0.245％。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：在浅沟槽内壁形成牺牲层，先对腐蚀阻挡层进行刻蚀，再对垫氧化层进行刻蚀，以增大浅沟槽上方的宽度时，保护浅沟槽内的半导体衬底不被腐蚀，使其表面平整，进而降低半导体器件之间的漏电，提高半导体器件的电性能。
附图说明
图1至图4是现有形成浅沟槽隔离结构的示意图；
图5是用现有工艺形成的浅沟槽隔离结构的效果图；
图6本发明形成浅沟槽隔离结构的具体实施方式流程图；
图7至图11是本发明形成浅沟槽隔离结构的实施例示意图；
图12是用本发明的工艺形成的浅沟槽隔离结构的效果图。
具体实施方式
本发明在浅沟槽内壁形成牺牲层，先对腐蚀阻挡层进行刻蚀，再对垫氧化层进行刻蚀，以增大浅沟槽上方的宽度时，保护浅沟槽内的半导体衬底不被腐蚀，使其表面平整，进而降低半导体器件之间的漏电，提高半导体器件的电性能。
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
图6本发明形成浅沟槽隔离结构的具体实施方式流程图。执行步骤S101，提供依次形成有垫氧化层和腐蚀阻挡层的半导体衬底，其中半导体衬底内形成有浅沟槽。
用热氧化法或化学气相沉积法在半导体衬底上先形成垫氧化层；然后再用化学气相沉积法在垫氧化层上形成腐蚀阻挡层，在后续刻蚀工艺中保护其下方的膜层不被刻蚀溶液或气体损伤。
执行步骤S102，在浅沟槽内壁形成牺牲层。
将带有各膜层及浅沟槽的半导体衬底放入反应腔室内，通入硫酸溶液和双氧水，经过反应形成牺牲层，即二氧化硅。
执行步骤S103，刻蚀腐蚀阻挡层后，刻蚀垫氧化层且去除牺牲层。
本实施方式中先用磷酸溶液刻蚀腐蚀阻挡层，而不是如现有工艺先用氢氟酸溶液刻蚀垫氧化层。因为垫氧化层与牺牲层的材料都是二氧化硅，如先用氢氟酸溶液刻蚀垫氧化层的话，那么牺牲层也会被去除，从而起不到保护半导体衬底的作用，半导体衬底同样会被后续的磷酸溶液腐蚀。因此，先用磷酸溶液刻蚀腐蚀阻挡层，再用氢氟酸溶液刻蚀垫氧化层且去除牺牲层。
执行步骤S104，在浅沟槽内壁形成衬氧化层后，向浅沟槽内填充满绝缘层。
将带有各膜层及浅沟槽的半导体衬底放入炉管内，通入氧气，以热氧化法形成衬氧化层；然后，再采用高密度等离子体化学气相沉积工艺在浅沟槽内填充绝缘层，用以器件间的隔离。
执行步骤S105，去除腐蚀阻挡层和垫氧化层，形成浅沟槽隔离结构。
去除腐蚀阻挡层的工艺例如采用含有五价热磷酸溶液的湿蚀刻法。去除垫氧化层的工艺一般也采用湿蚀刻法，例如采用氢氟酸溶液进行刻蚀。
图7至图11是本发明形成浅沟槽隔离结构的实施例示意图。如图7所示，提供一半导体衬底200，所述半导体衬底200可以是硅基底或绝缘体上硅；用热氧化法在半导体衬底200上形成垫氧化层202，所述垫氧化层202的材料为二氧化硅；用化学气相沉积法在垫氧化层202上形成腐蚀阻挡层204，所述腐蚀阻挡层204的材料为氮化硅。
用旋涂法在腐蚀阻挡层204上形成光刻胶层206，经过曝光显影工艺，定义浅沟槽图形；除此之外还可先于腐蚀阻挡层204上形成抗反射层，以防止后续曝光工艺中光反射至光刻胶层中，造成光刻胶层性质改变而在去除过程中产生残留，然后再于抗反射层上形成光刻胶层206。
以光刻胶层206为掩膜，用干法刻蚀法刻蚀腐蚀阻挡层204、垫氧化层202和半导体衬底200，形成浅沟槽210。
如图8所示，灰化法去除光刻胶层206，然后再用湿法刻蚀法去除残留的光刻胶层206；用湿法原位氧化法氧化在浅沟槽210内壁半导体衬底硅，形成厚度为5埃～20埃的牺牲层209，所述牺牲层209的材料为二氧化硅。
本实施例中，所述形成牺牲层的溶液为硫酸和双氧水，其比例为4：1～6：1，具体可以是4：1、5：1或6：1，优选为5：1。
为了使后续浅沟槽210内的填充物质中不产生缝隙或孔洞等缺陷，需要用湿法刻蚀法对腐蚀阻挡层204和垫氧化层202进行再刻蚀，以增大浅沟槽210上方的宽度，改进后续填充浅沟槽210的能力，防止浅沟槽边缘凹陷的产生。先用磷酸溶液刻蚀浅沟槽210上方的腐蚀阻挡层204，使腐蚀阻挡层204每侧宽度都增大L，所述L为20埃～110埃。
本实施例中磷酸溶液的浓度为85％。
如图9所示，然后，用氢氟酸溶液刻蚀垫氧化层202，使垫氧化层202每侧宽度增大L，所述L为20埃～110埃；由于垫氧化层202与牺牲层209的材料都为二氧化硅，因此，在用氢氟酸溶液刻蚀垫氧化层202的同时也去除了牺牲层209。
本实施例中，氢氟酸溶液的浓度为0.245％，即：将49％的工业用氢氟酸用水再进行稀释，其中49％的氢氟酸与水的比例为1：200。
如图10所示，用热氧化法在浅沟槽210的底部与侧壁形成衬氧化层208，所述衬氧化层208的材料一般为二氧化硅；通过用高密度等离子体化学气相沉积法(HDPCVD)或高深宽比工艺(HARP，High Aspect Ratio Process)在腐蚀阻挡层204上形成绝缘层212，且绝缘层212填充满浅沟槽210，所述绝缘层212的材料为二氧化硅。
如图11所示，对绝缘层212进行平坦化处理，如采用化学机械抛光工艺清除腐蚀阻挡层204上的绝缘层212。去除腐蚀阻挡层204和垫氧化层202，形成由浅沟槽内的衬氧化层208及绝缘层212构成的浅沟槽隔离结构，去除腐蚀阻挡层204和垫氧化层202的工艺一般采用湿法刻蚀。
图12是用本发明的工艺形成的浅沟槽隔离结构的效果图。在浅沟槽内壁形成牺牲层。为了增大浅沟槽上方的宽度，先用磷酸溶液刻蚀腐蚀阻挡层，在这一工艺过程中牺牲层保护浅沟槽内的半导体衬底，防止被磷酸溶液腐蚀；然后，用氢氟酸溶液刻蚀垫氧化层，因为垫氧化层与牺牲层的材料都是二氧化硅，那么牺牲层也会被去除。如图12所示，由于浅沟槽内的半导体衬底不会被腐蚀，其表面平整均匀。
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 (9)

1.一种浅沟槽隔离结构的制作方法，其特征在于，包括：
提供依次形成有垫氧化层和腐蚀阻挡层的半导体衬底，其中半导体衬底内形成有浅沟槽；
在浅沟槽内壁形成牺牲层；
刻蚀腐蚀阻挡层后，刻蚀垫氧化层并同时去除牺牲层，垫氧化层和牺牲层的材料一致；
在浅沟槽内壁形成衬氧化层后，向浅沟槽内填充满绝缘层；
去除腐蚀阻挡层和垫氧化层，形成浅沟槽隔离结构。
2.根据权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的制作方法，其特征在于，所述牺牲层的材料为二氧化硅。
3.根据权利要求2所述的浅沟槽隔离结构的制作方法，其特征在于，形成牺牲层的方法为湿法原位氧化法。
4.根据权利要求3所述的浅沟槽隔离结构的制作方法，其特征在于，所述形成牺牲层的溶液为硫酸和双氧水，其比例为4∶1～6∶1。
5.根据权利要求4所述的浅沟槽隔离结构的制作方法，其特征在于，所述牺牲层的厚度为5埃～20埃。
6.根据权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的制作方法，其特征在于，刻蚀腐蚀阻挡层的溶液为磷酸。
7.根据权利要求6所述的浅沟槽隔离结构的制作方法，其特征在于，所述磷酸的浓度为85％。
8.根据权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的制作方法，其特征在于，刻蚀垫氧化层且去除牺牲层的溶液为氢氟酸。
9.根据权利要求8所述的浅沟槽隔离结构的制作方法，其特征在于，所述氢氟酸的浓度为0.245％。
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