CN101728308A

CN101728308A - 浅沟槽隔离结构的制作方法

Info

Publication number: CN101728308A
Application number: CN200810201777A
Authority: CN
Inventors: 王津洲; 高大为
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2008-10-24
Filing date: 2008-10-24
Publication date: 2010-06-09

Abstract

一种浅沟槽隔离结构的制作方法，包括：在半导体衬底上依次形成垫氧化层和腐蚀阻挡层；刻蚀腐蚀阻挡层、垫氧化层和半导体衬底，形成浅沟槽；对浅沟槽内半导体衬底进行激光热处理并通入氧气，形成衬氧化层；在浅沟槽内填充满绝缘氧化层；去除腐蚀阻挡层和垫氧化层至露出半导体衬底，形成浅沟槽隔离结构。本发明提高了后续衬氧化层的质量，减少了漏电流，提高了半导体器件的质量。

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的制作领域，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。现有技术中形成隔离区域的方法主要有局部氧化隔离(LOCOS)工艺或浅沟槽隔离(STI)工艺。LOCOS工艺是在晶片表面淀积一层氮化硅，然后再进行刻蚀，对部分凹进区域进行氧化生长氧化硅，有源器件在氮化硅所确定的区域生成。对于隔离技术来说，LOCOS工艺在电路中的有效局部氧化隔离仍然存在问题，其中一个问题就是在氮化硅边缘生长的“鸟嘴”现象，这是由于在氧化的过程中氮化硅和硅之间的热膨胀性能不同造成的。这个“鸟嘴”占用了实际的空间，增大了电路的体积，并在氧化过程中，对晶片产生应力破坏。因此LOCOS工艺只适用于大尺寸器件的设计和制造。

浅沟槽隔离(STI)技术拥有多项的制程及电性隔离优点，包括可减少占用硅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电路的有源区隔离区已大多采用浅沟槽隔离工艺来制作。

图1至图3为现有制造浅沟槽隔离结构的过程。参考图1，在半导体衬底100上形成垫氧化层102，形成垫氧化层102的方法为热氧化法，垫氧化层102的材料具体为二氧化硅；用低压化学气相沉积法在垫氧化层102上形成腐蚀阻挡层104，用于在后续刻蚀过程中保护下面的垫氧化层102免受腐蚀，其中腐蚀阻挡层104的材料为氮化硅等；然后，用旋涂法在腐蚀阻挡层104上形成光刻胶层(未图示)，经过曝光、显影工艺，在光刻胶层上形成与后续浅沟槽对应的开口；以光刻胶层为掩模，经由开口，以干法刻蚀法刻蚀腐蚀阻挡层104和垫氧化层102至露出半导体衬底100；在用灰化法去除光刻胶层后，以腐蚀阻挡层104和垫氧化层102为掩模，用干法刻蚀法刻蚀半导体衬底100，形成浅沟槽106。

参考图2，采用热氧化法氧化浅沟槽106内的半导体衬底硅，形成衬氧化层108，所述衬氧化层108的材料为二氧化硅；接着，通过用高密度等离子体化学气相沉积法(HDP-CVD)在腐蚀阻挡层104上形成绝缘氧化层110，并将绝缘氧化层110填充满浅沟槽106，所述绝缘氧化层材料优选氧化硅。

如图3所示，在沉积完绝缘氧化层110后，绝缘氧化层110不是平坦的，对绝缘氧化层110进行平坦化处理至露出腐蚀阻挡层104，如采用化学机械抛光工艺清除腐蚀阻挡层104上的绝缘氧化层110；用湿法刻蚀方法去除腐蚀阻挡层104和垫氧化层102，形成浅沟槽隔离结构120。

现有浅沟槽隔离的制作方法具体请参考申请号为200410057166的中国专利申请所公开的技术方案中所描述的。

现有形成浅沟槽隔离结构过程中，由于在刻蚀形成浅沟槽时，刻蚀气体或液体会在浅沟槽内壁产生缺陷，影响后续形成的衬氧化层的质量，尤其在浅沟槽内的各拐角处应力会增大，产生漏电流现象。

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，防止衬氧化层质量降低。

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：在半导体衬底上依次形成垫氧化层和腐蚀阻挡层；刻蚀腐蚀阻挡层、垫氧化层和半导体衬底，形成浅沟槽；对浅沟槽内半导体衬底进行激光热处理并通入氧气，形成衬氧化层；在浅沟槽内填充满绝缘氧化层；去除腐蚀阻挡层和垫氧化层至露出半导体衬底，形成浅沟槽隔离结构。

可选的，所述激光为脉冲激光。所述脉冲激光的脉冲周期为1微秒～1毫秒。单次脉冲激光处理半导体衬底所用时间为1纳秒～1微秒。激光射至半导体衬底上使半导体衬底的温度达到1000℃～1400℃。所述激光功率为1×10⁴W/cm²～1×10⁷W/cm²。

可选的，所述形成衬氧化层的厚度为20埃～100埃。所述衬氧化层的材料为二氧化硅。

可选的，填充绝缘氧化层的方法为高密度等离子体化学气相沉积法。所述绝缘氧化层的材料为二氧化硅。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：用激光对浅沟槽内的半导体衬底进行热处理，由于激光照射时间短及强度高的特性，能将由于刻蚀过程中产生的缺陷进行修复，进而提高了后续衬氧化层的质量，有利于释放各拐角处的应力，减少了漏电流，提高了半导体器件的质量。

另外，由于半导体衬底暴露于空气中容易被自然氧化形成原生氧化层，由于激光照射强度高，能使原生氧化层的晶格结构调整，致密性及均匀性提高，使后续形成的衬氧化层的致密性及均匀性相应得到提高，进而使后续填充浅沟槽的绝缘氧化层对半导体衬底的损伤减少。

附图说明

图1至图3是现有形成浅沟槽隔离结构的示意图。

图4是本发明形成浅沟槽隔离结构的具体实施方式流程图；

图5至图8是本发明形成浅沟槽隔离结构的实施例示意图；

图9是本发明所使用的脉冲激光示意图。

具体实施方式

现有工艺在形成浅沟槽隔离结构过程中，由于在刻蚀形成浅沟槽时，刻蚀气体或液体会与浅沟槽内的半导体衬底产生反应形成缺陷，或在半导体衬底表面产生残留，如不修复会影响后续形成的衬氧化层的质量，并在浅沟槽的拐角处产生漏电流现象。另外，形成浅沟槽后，其中的半导体衬底暴露于空气中很容易被氧气或水蒸汽氧化，形成原生氧化层，其致密性及均匀性差。为解决上述问题，本发明在形成衬氧化层前先用激光对浅沟槽内壁进行热处理，由于激光的高强度及时间短的特性，能及时修复半导体衬底上的缺陷以及使原生氧化层的致密性和均匀性提高，并使填充的绝缘氧化层对半导体衬底的损伤减小。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图4是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，在半导体衬底上依次形成垫氧化层和腐蚀阻挡层；执行步骤S102，刻蚀腐蚀阻挡层、垫氧化层和半导体衬底，形成浅沟槽；执行步骤S103，对浅沟槽内半导体衬底进行激光热处理并通入氧气，形成衬氧化层；执行步骤S104，在浅沟槽内填充满绝缘氧化层；执行步骤S105，去除腐蚀阻挡层和垫氧化层至露出半导体衬底，形成浅沟槽隔离结构。

图5至图8是本发明形成浅沟槽隔离结构的实施例示意图。如图5所示，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200可以是硅、锗或绝缘体上硅等半导体材料；在半导体衬底200上形成垫氧化层202，形成垫氧化层202的方法为热氧化法，垫氧化层202的材料具体为二氧化硅；用低压化学气相沉积法或等离子体辅助化学气相沉积法在垫氧化层202上形成腐蚀阻挡层204，用于在后续蚀刻过程中保护下面的垫氧化层202免受腐蚀，其中腐蚀阻挡层220的材料为氮化硅，一般采用化学气相沉积法形成。

然后，用旋涂法在腐蚀阻挡层204上形成光刻胶层(未图示)，经过曝光、显影等工艺，在光刻胶层上形成开口，开口位置对应的区域为隔离区，其余为有源区；以光刻胶层为掩模，经由开口，以干法刻蚀法刻蚀腐蚀阻挡层204和垫氧化层202至露出半导体衬底200，预形成浅沟槽的区域；以腐蚀阻挡层204为掩膜，刻蚀半导体衬底200至一设定深度，形成浅沟槽206。

除本实施例外，还可以在腐蚀阻挡层204上先用等离子体增强化学气相沉积法形成抗反射层，用以防止后续曝光过程中，防止光线反射造成曝光不均且保护其下面的膜层免受光线影响；然后再在抗反射层上旋涂光刻胶层。

如图6所示，先用灰化法去除光刻胶层，然后再用湿法刻蚀法去除残留的光刻胶层；将半导体衬底200放入真空反应室中，用激光207照射浅沟槽206内壁，以修复半导体衬底200表面的缺陷以及使原生氧化层致密均匀，在激光照射的过程中，向反应室中通入氧气，在浅沟槽206内壁形成衬氧化层208，所述衬氧化层208的材料为二氧化硅。

本实施例中，如图9所示，所述激光207是脉冲激光，所述脉冲激光的脉冲周期T2为1微秒～1毫秒。所述激光207功率为1×10⁴W/cm²～1×10⁷W/cm²。单次脉冲激光207处理半导体衬底200所用时间T1为1纳秒～1微秒。激光207射至半导体衬底200上使半导体衬底200的温度达到1000℃～1400℃。激光207处理半导体衬底200的总时间T3为1毫秒～400毫秒。

由于激光照射的强度高，能使刻蚀形成浅沟槽206时，刻蚀气体或液体会与浅沟槽206内的半导体衬底200产生反应形成的缺陷，或在半导体衬底200表面产生的残留进行修复。同时，由于激光照射时间短及强度高，能使半导体衬底200上自然氧化的原生氧化层晶格结构调整，致密性及均匀性提高，进而提高了后续衬氧化层208的质量，提高了半导体器件的质量。

本实施例中，通入氧气时反应室的压力为1托～10托(1托＝133.32帕斯卡)，除实施例外，还可同时通入氮气和氧气，形成衬氧化层208。

本实施例中，衬氧化层208的厚度为20埃～100埃。其厚度具体由于通入氧气的流量及激光照射的时间，强度等因素决定。

一种具体的实施工艺：当激光207的脉冲周期T2为100微秒～400微秒，采用激光强度为1×10⁵W/cm²～1×10⁶W/cm²、单次脉冲激光照射半导体衬底200的时间为10纳秒～100纳秒时，脉冲激光207处理半导体衬底200的总时间T3为4毫秒～60毫秒，此时半导体衬底200的温度可达到1200℃～1300℃；这时将反应室压力设定为2托～6托时，形成的衬氧化层208的厚度为20埃～60埃。

而另一具体的实施工艺：当激光207的脉冲周期T2为200微秒～500微秒，采用激光强度为1×10⁵W/cm²～1×10⁶W/cm²、照射半导体衬底200的时间为6纳秒～50纳秒时，脉冲激光207处理半导体衬底200的总时间T3为50毫秒～400毫秒，此时半导体衬底200的温度可达到1100℃～1200℃；这时将反应室压力设定为2托～8托时，形成的衬氧化层208的厚度为30埃～80埃。

如图7所示，以高密度等离子体化学气相沉积法(HDPCVD，high-densityplasma chemical vapor deposition)在浅沟槽206内以及腐蚀阻挡层204上形成绝缘氧化层210，所述绝缘氧化层210的材料为二氧化硅。

由于用激光对浅沟槽206内壁的缺陷进行了修复，以及对原生氧化层的晶格结构进行了调整，使衬氧化层208的致密性及均匀性得到了提高，因此在高密度等离子体化学气相沉积工艺填充绝缘氧化层210时，离子通过衬氧化层208进入半导体衬底200的可能性减小，进而减小了绝缘氧化层210对半导体衬底200的损伤，防止了漏电流的产生。

接着如图8所示，在沉积完绝缘氧化层210后，绝缘氧化层210不是平坦的，对绝缘氧化层210进行平坦化处理直至暴露出腐蚀阻挡层204，所述的平坦化工艺例如化学机械抛光法，所述的平坦化工艺还可以采用化学机械抛光法抛光至绝缘氧化层210表面为一平坦结构，然后采用刻蚀工艺刻蚀至曝露腐蚀阻挡层204。

依次去除腐蚀阻挡层204和垫氧化层202，形成浅沟槽隔离结构220。去除腐蚀阻挡层204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202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。

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

1.一种浅沟槽隔离结构的制作方法，其特征在于，包括：

在半导体衬底上依次形成垫氧化层和腐蚀阻挡层；

刻蚀腐蚀阻挡层、垫氧化层和半导体衬底，形成浅沟槽；

对浅沟槽内半导体衬底进行激光热处理并通入氧气，形成衬氧化层；

在浅沟槽内填充满绝缘氧化层；

去除腐蚀阻挡层和垫氧化层至露出半导体衬底，形成浅沟槽隔离结构。

2.根据权利要求1所述浅沟槽隔离结构的制作方法，其特征在于，所述激光为脉冲激光。

3.根据权利要求2所述浅沟槽隔离结构的制作方法，其特征在于，所述脉冲激光的脉冲周期为1微秒～1毫秒。

4.根据权利要求3所述浅沟槽隔离结构的制作方法，其特征在于，单次脉冲激光处理半导体衬底所用时间为1纳秒～1微秒。

5.根据权利要求4所述浅沟槽隔离结构的制作方法，其特征在于，激光射至半导体衬底上使半导体衬底的温度达到1000℃～1400℃。

6.根据权利要求1至5任一项所述浅沟槽隔离结构的制作方法，其特征在于，所述激光功率为1×10⁴W/cm²～1×10⁷W/cm²。

7.根据权利要求1所述浅沟槽隔离结构的制作方法，其特征在于，所述形成衬氧化层的厚度为20埃～100埃。

8.根据权利要求7所述浅沟槽隔离结构的制作方法，其特征在于，所述衬氧化层的材料为二氧化硅。

9.根据权利要求1所述浅沟槽隔离结构的制作方法，其特征在于，填充绝缘氧化层的方法为高密度等离子体化学气相沉积法。

10.根据权利要求9所述浅沟槽隔离结构的制作方法，其特征在于，所述绝缘氧化层的材料为二氧化硅。