CN101740373A

CN101740373A - 浅沟槽形成方法

Info

Publication number: CN101740373A
Application number: CN200810226381A
Authority: CN
Inventors: 赵林林
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2028-11-14
Also published as: CN101740373B

Abstract

一种浅沟槽形成方法，包括，在半导体基底上形成钝化层及图形化的抗蚀剂层；以所述图形化的抗蚀剂层为掩膜，刻蚀所述钝化层；以刻蚀后的所述钝化层为硬掩膜，采用包含氟基硫化气体的刻蚀气体刻蚀部分深度的所述半导体基底，形成所述浅沟槽；至少在所述刻蚀过程的后段，所述氟基硫化气体的流量是逐渐减小的。本发明还提供了一种在刻蚀过程的中间阶段采用流量逐渐减小的所述氟基硫化气体的浅沟槽形成方法，均可弱化甚至消除折点，减小倾斜角度差值。

Description

浅沟槽形成方法

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形成方法。

背景技术

传统工艺中，形成浅沟槽的步骤包括：如图1所示，在半导体基底10上形成钝化层20及图形化的抗蚀剂层30；如图2所示，以所述图形化的抗蚀剂层30为掩膜，刻蚀所述钝化层20(形成刻蚀后的所述钝化层22)；如图3所示，以刻蚀后的所述钝化层22为硬掩膜，刻蚀部分所述半导体基底10，形成所述浅沟槽40。继而，以所述钝化层为停止层，填充并平整化所述浅沟槽；去除所述钝化层，形成浅沟槽隔离区。所述半导体基底为已定义器件有源区并需完成浅沟槽隔离的半导体衬底。

所述浅沟槽的形成工艺已成为一项较为成熟的技术，业内对此已进行了相当广泛的研究，如包含公开号为“CN1531056A”的中国专利申请、公告号为“CN1242466C”的中国专利、公开号为“US5914280”的美国专利以及申请号为“US 20070080136”的现有技术中公开的浅沟槽隔离技术。

随着器件的临界尺寸降至65纳米，通常，执行所述刻蚀操作的刻蚀气体中包含溴基气体(如HBr)和氟基硫化气体(如SF₆)，其中，引入所述氟基硫化气体，利于减少经历所述刻蚀操作后形成的所述浅沟槽的侧壁损伤。

但是，在引入所述氟基硫化气体时，如图4所示，业内通常采用的方式为：以远小于溴基气体流量的固定流量引入，如所述溴基气体流量为350sccm时，所述氟基硫化气体的流量可为6sccm。

然而，实际生产发现，如图5所示，形成所述浅沟槽40后，在其侧壁上存在折点42，即，所述浅沟槽40的侧壁上部和侧壁下部具有不同的倾斜角度，实践中，制得的所述浅沟槽侧壁上部的倾斜角度为88.3度(对另一组数据甚至为89.9度)时，所述浅沟槽侧壁下部的倾斜角度仅为79.8度(对另一组数据甚至为79.1度)，所述浅沟槽侧壁上部和侧壁下部之间过大的倾斜角度差值，易对包含所述浅沟槽的器件的电学性能及可靠性产生潜在的影响。因此，如何弱化甚至消除上述折点，减小所述倾斜角度差值成为本领域技术人员着手解决的主要问题。

发明内容

本发明提供了一种浅沟槽形成方法，可弱化甚至消除上述折点，减小所述倾斜角度差值。

本发明提供的一种浅沟槽形成方法，包括，

在半导体基底上形成钝化层及图形化的抗蚀剂层；

以所述图形化的抗蚀剂层为掩膜，刻蚀所述钝化层；

以刻蚀后的所述钝化层为硬掩膜，采用包含氟基硫化气体的刻蚀气体刻蚀部分深度的所述半导体基底，形成所述浅沟槽；至少在所述刻蚀过程的后段，所述氟基硫化气体的流量是逐渐减小的。

可选地，所述氟基硫化气体为SF₆；可选地，执行所述刻蚀操作时，所述半导体基底为(100)晶面；可选地，在所述刻蚀过程的后段刻蚀的所述半导体基底的深度至少为所述浅沟槽深度的1/2。

本发明提供的一种浅沟槽形成方法，包括，

在半导体基底上形成钝化层及图形化的抗蚀剂层；

以所述图形化的抗蚀剂层为掩膜，刻蚀所述钝化层；

以刻蚀后的所述钝化层为硬掩膜，采用包含氟基硫化气体的刻蚀气体刻蚀部分深度的所述半导体基底；

执行所述刻蚀操作的步骤包括：

以第一流量的所述氟基硫化气体刻蚀第一深度；

在所述第一流量逐渐减至第二流量的过程中，刻蚀第二深度；

以第二流量的所述氟基硫化气体刻蚀第三深度，形成所述浅沟槽。

可选地，所述氟基硫化气体为SF₆；可选地，执行所述刻蚀操作时，所述半导体基底为(100)晶面；可选地，所述第二流量小于所述第一流量的1/2；可选地，所述第二流量为所述第一流量的1/3-1/2。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

上述技术方案提供的浅沟槽形成方法，通过至少在所述刻蚀过程的后段，逐渐减小所述氟基硫化气体的流量，利于防止在经历所述刻蚀过程的初始阶段后，随着刻蚀作用的减弱，氟基硫化气体对刻蚀后获得的侧壁的保护作用逐渐增强；由于所述氟基硫化气体是通过其离子化后获得的粒子与刻蚀反应物形成聚合物的方式保护侧壁的，上述保护作用的增强表现为聚合物的逐渐增加，增加的聚合物将作为后续刻蚀过程的辅助掩膜，即，将导致经历刻蚀操作后侧壁形貌的改变，侧壁形貌的改变即为上述折点及倾斜角度差值产生的原因；换言之，采用上述技术方案提供的浅沟槽形成方法，可有效防止侧壁形貌的改变，利于弱化甚至消除上述折点，减小所述倾斜角度差值；

上述技术方案提供的浅沟槽形成方法，通过预先确定完成所述刻蚀操作时所需的所述氟基硫化气体的第二流量，在所述刻蚀过程的中间阶段，采用流量逐渐由第一流量减小至第二流量的所述氟基硫化气体执行所述刻蚀操作，而在所述刻蚀过程的末段，采用第二流量的所述氟基硫化气体执行所述刻蚀操作，既利于防止在所述中间阶段，随着刻蚀过程的深入，刻蚀作用逐渐减弱，所述氟基硫化气体对刻蚀后获得的侧壁的保护作用逐渐增强；又利于在增强刻蚀效果和改进折点缺陷间取得平衡，避免单纯地为改进折点缺陷而导致经历刻蚀过程后获得的侧壁损伤过重。

附图说明

图1-图3为说明现有技术中形成浅沟槽流程的结构示意图；

图4为说明现有技术中通入氟基硫化气体时其流量变化示意图；

图5为说明现有技术中侧壁具有折点的浅沟槽的结构示意图；

图6为说明本发明第一实施例的通入氟基硫化气体时其流量变化示意图；

图7为说明本发明第二实施例的通入氟基硫化气体时其流量变化示意图；

图8为说明本发明第三实施例的通入氟基硫化气体时其流量变化示意图；

图9为应用本发明优选实施例形成的浅沟槽的结构示意图。

具体实施方式

尽管下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应当理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列的描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛教导，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下列说明和权利要求书本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

当前，实际生产中发现的浅沟槽侧壁折点缺陷和倾斜角度差值缺陷，由于其可能对包含所述浅沟槽的器件的电学性能及可靠性产生潜在的影响，已引起本领域技术人员的足够重视。

本发明的发明人分析后认为，刻蚀气体中的氟基硫化气体在刻蚀过程中的作用变化是导致上述折点缺陷产生的直接原因。即，通常，在等离子体刻蚀工艺中，所述氟基硫化气体用以保护经历所述刻蚀操作后形成的浅沟槽的侧壁少受损伤，具体地，所述氟基硫化气体是通过其离子化后获得的粒子与刻蚀反应物形成聚合物的方式保护侧壁的。

而实践中，在经历所述刻蚀过程的初始阶段后，刻蚀作用逐渐减弱，随着刻蚀作用的减弱，所述氟基硫化气体对刻蚀后获得的侧壁的保护作用逐渐增强；上述保护作用的增强表现为聚合物的逐渐增加，增加的聚合物将作为后续刻蚀过程的辅助掩膜，即，将导致经历刻蚀操作后侧壁形貌的改变，侧壁形貌的改变即为上述折点及倾斜角度差值产生的原因。

本发明的发明人分析后认为，减少初始阶段后附着于浅沟槽侧壁的聚合物的增加成为恢复侧壁形貌(即减少上述折点及倾斜角度差值缺陷)的指导方向。

由此，本发明的发明人提出，可采用逐渐减小所述氟基硫化气体的流量的方式，减少附着于浅沟槽侧壁的聚合物的增加；即，由于所述聚合物的增加是由所述氟基硫化气体对侧壁的保护作用的增强导致的，而所述氟基硫化气体对侧壁的保护作用的增强，是由于随着刻蚀作用减弱导致所需的所述氟基硫化气体的流量减少，而实践中，所述氟基硫化气体的流量是恒定的，这就使得所述氟基硫化气体过剩(实质为由其离化而成的粒子过剩)，过剩的离化粒子仍将与浅沟槽侧壁发生反应，导致聚合物增强；

换言之，本发明提供的各技术方案的核心构思即为：通过减小所述氟基硫化气体的流量，减少由于刻蚀作用逐渐减弱而导致的所述氟基硫化气体的过剩，以减少过剩的所述氟基硫化气体与浅沟槽侧壁发生反应导致的附着于浅沟槽侧壁的聚合物的增加，继而，减少上述折点及倾斜角度差值缺陷。

本发明的发明人提供的浅沟槽形成方法，包括，

步骤61：在半导体基底上形成钝化层及图形化的抗蚀剂层；

所述半导体基底为已定义器件有源区并需完成浅沟槽隔离的半导体衬底。所述半导体基底可利用传统的双阱工艺获得，即经由氧化生长、离子注入及退火等工序形成具有对应nmos和pmos晶体管有源区的半导体基底。显然，所述半导体基底表面形成有氧化层(图未示)。

所述钝化层可包含顺序形成于所述半导体基底上的氧化层和氮化层；所述氮化层可利用低压化学气相淀积(LPCVD)设备，在高温(约750摄氏度)条件下，经由氨气和二氯硅烷反应生成氮化硅(Si₃N₄)获得。所述氮化层材料包括但不限于氮化硅、氮氧化硅(SiON)或碳氮化硅(SiCN)中的一种或其组合。所述氧化层可包含二氧化硅(SiO₂、USG)、氟硅玻璃(FSG)、磷硅玻璃(PSG)、硼硅玻璃(BSG)或硼磷硅玻璃(BPSG)中的一种或其组合。所述氧化层可利用低压化学气相淀积(LPCVD)、高密度等离子体化学气相淀积(HDPCVD)或等离子体增强化学气相淀积(PECVD)等设备获得。形成所述钝化层的过程所包含的沉积、研磨及检测等步骤，具体可应用任何传统的工艺，在此不再赘述。

对所述抗蚀剂层执行涂覆、烘干、光刻、曝光及检测等操作后，形成所述图形化的抗蚀剂层，相关工艺可应用各种传统的方法，应用的所述抗蚀剂层可选用任何可应用于半导体制程中的抗蚀剂材料，在此均不再赘述。

步骤62：以所述图形化的抗蚀剂层为掩膜，刻蚀所述钝化层；

可采用干法(如等离子体刻蚀工艺)或湿法工艺刻蚀所述钝化层；通常，以刻蚀后的所述钝化层作为后续执行半导体基底刻蚀操作时的硬掩膜，可减少以所述图形化的抗蚀剂层为掩膜刻蚀所述半导体基底是产生的光学效应，优化刻蚀效果。

步骤63：以刻蚀后的所述钝化层为硬掩膜，采用包含氟基硫化气体的刻蚀气体刻蚀部分深度的所述半导体基底，形成所述浅沟槽；至少在所述刻蚀过程的后段，所述氟基硫化气体的流量是逐渐减小的。

作为本发明的第一实施例，如图6所示，所述氟基硫化气体的流量可以是连续地减小的。具体地，作为示例，若传统的刻蚀工艺条件(供应商LAM KIYO提供的刻蚀机台)为：反应腔室压力为18mT、解离功率为1200W、偏压为150V，刻蚀气体中包含流量为350sccm的HBr、流量为37sccm的He和O₂的辅助气体，以及流量为6sccm的SF₆，反应时间为58秒时，所述氟基硫化气体的流量可为由6sccm连续减小的系列值。各所述系列值在图6所示的流量图上构成具有一定斜率的曲线。

作为本发明的第二实施例，如图7所示，所述氟基硫化气体的流量也可以是逐级地减小的，即，所述氟基硫化气体的流量可为逐渐减小的离散数值。具体地，作为示例，在上述传统的刻蚀工艺条件下，所述氟基硫化气体的流量可为由6sccm逐级地减小的离散数值，如6sccm→4sccm→2sccm。各所述离散数值在图7所示的流量图上构成断续的横线。

所述氟基硫化气体的流量逐渐减小的过程适用于所述半导体基底的刻蚀过程的任意阶段，如，可以在所述浅沟槽的完整的刻蚀过程中采用流量逐渐减小的所述氟基硫化气体，也可以在所述刻蚀过程中的某一阶段采用流量逐渐减小的所述氟基硫化气体。

但是，优选地，至少在所述刻蚀过程的后段，所述氟基硫化气体的流量是逐渐减小(包括上述连续减小和逐级减小)的。这是因为，如前所述，所述氟基硫化气体的流量逐渐减小是根据刻蚀需求调节的，即，通过减少不必要的所述氟基硫化气体的通入，减少过剩的所述氟基硫化气体与浅沟槽侧壁反应生成聚合物而导致的所述聚合物的增加，换言之，随着刻蚀反应的进行刻蚀作用逐渐减弱这一客观存在的自然规律是导致所述氟基硫化气体流量逐渐减小的根本原因，而刻蚀作用逐渐减弱的实际影响通常体现在所述刻蚀过程的后段，因此，所述氟基硫化气体流量逐渐减小这一技术手段的执行时段至少应涵盖刻蚀作用逐渐减弱产生实际影响的时间区间。具体地，在所述刻蚀过程的后段刻蚀的所述半导体基底的深度至少为所述浅沟槽深度的1/2。

需说明的是，在所述刻蚀过程的末段，所述氟基硫化气体的流量可以为0或小于其初始流量的任意值。所述氟基硫化气体的流量为其初始流量的1/3-1/2时，利于在增强刻蚀效果和改进折点缺陷间取得平衡，避免单纯地为改进折点缺陷而导致经历刻蚀过程后获得的侧壁损伤过重。

而采用在所述刻蚀过程中的某一阶段逐渐减小所述氟基硫化气体流量的方式减少所述聚合物的增加，可对现行工艺进行尽量少的改动，换言之，可对未发现折点缺陷的工艺区间不进行改动。

作为示例，所述氟基硫化气体可为SF₆；执行上述刻蚀操作时，所述半导体基底通常为(100)晶面。

作为本发明的第三实施例，如图8所示，本发明的发明人还提出一种浅沟槽形成方法，包括，

步骤81：在半导体基底上形成钝化层及图形化的抗蚀剂层；

步骤82：以所述图形化的抗蚀剂层为掩膜，刻蚀所述钝化层；

步骤83：以刻蚀后的所述钝化层为硬掩膜，采用包含氟基硫化气体的刻蚀气体刻蚀部分深度的所述半导体基底；

执行所述刻蚀操作的步骤包括：

以第一流量的所述氟基硫化气体刻蚀第一深度；

所述第三实施例与第一、第二实施例的区别在于：在第三实施例中强调在所述刻蚀过程中的中段采用流量逐渐减小的所述氟基硫化气体；此举的好处在于：利于在增强刻蚀效果和改进折点缺陷间取得平衡，避免单纯地为改进折点缺陷而导致经历刻蚀过程后获得的侧壁损伤过重。由此可知，所述第一深度及第三深度可远小于第二深度，或与所述第二深度相当，即，所述第二深度至少为所述浅沟槽深度的1/3；由于所述折点缺陷发生于所述刻蚀过程中的中段及末段，所述氟基硫化气体流量逐渐减小这一技术手段的执行时段至少应涵盖刻蚀作用逐渐减弱产生实际影响的时间区间。所述第一深度与第三深度可相等或不相等；不相等时，优选地，所述第一深度高于第三深度，可使所述第二深度尽量多地发生于所述刻蚀过程中的末段，增强改进效果。

需说明的是，在第三实施例中，所述氟基硫化气体的流量逐渐减小的方式仍可包括上述连续减小和逐级减小，在此不再赘述。

具体地，所述氟基硫化气体为SF₆；执行所述刻蚀操作时，所述半导体基底为(100)晶面。

通常，所述第二流量小于所述第一流量的1/2；优选地，所述第二流量为所述第一流量的1/3-1/2。

作为示例，若传统的刻蚀工艺条件(供应商LAM KIYO提供的刻蚀机台)为：反应腔室压力为18mT、解离功率为1200W、偏压为150V，刻蚀气体中包含流量为350sccm的HBr、流量为37sccm的He和O₂的辅助气体，以及流量为6sccm的SF₆，反应时间为58秒时，所述第一流量可为6sccm，所述第二流量可为2sccm或3sccm，刻蚀第二深度时，所述氟基硫化气体的流量可为连续减小的系列值。

为验证上述技术方案对折点缺陷的改进效果，本发明的发明人对应用上述优选方案获得的浅沟槽进行了测试(利用光学显像设备)，如图9所示，制得的所述浅沟槽侧壁上部的倾斜角度为85.9度时，所述浅沟槽侧壁下部的倾斜角度仅为82度，所述浅沟槽侧壁上部和侧壁下部之间的倾斜角度差值可由传统工艺中的88.3-79.8＝8.5度，将为85.9-82＝3.9度，效果明显。

需强调的是，未加说明的步骤均可采用传统的方法获得，且具体的工艺参数根据产品要求及工艺条件确定。

尽管通过在此的实施例描述说明了本发明，和尽管已经足够详细地描述了实施例，申请人不希望以任何方式将权利要求书的范围限制在这种细节上。对于本领域技术人员来说另外的优势和改进是显而易见的。因此，在较宽范围的本发明不限于表示和描述的特定细节、表达的设备和方法和说明性例子。因此，可以偏离这些细节而不脱离申请人总的发明概念的精神和范围。

Claims

1.一种浅沟槽形成方法，包括，

在半导体基底上形成钝化层及图形化的抗蚀剂层；

以所述图形化的抗蚀剂层为掩膜，刻蚀所述钝化层；

以刻蚀后的所述钝化层为硬掩膜，采用包含氟基硫化气体的刻蚀气体刻蚀部分深度的所述半导体基底，形成所述浅沟槽；

其特征在于：至少在所述刻蚀过程的后段，所述氟基硫化气体的流量是逐渐减小的。

2.根据权利要求1所述的浅沟槽形成方法，其特征在于：所述氟基硫化气体为SF₆。

3.根据权利要求1所述的浅沟槽形成方法，其特征在于：执行所述刻蚀操作时，所述半导体基底为(100)晶面。

4.根据权利要求1所述的浅沟槽形成方法，其特征在于：在所述刻蚀过程的后段刻蚀的所述半导体基底的深度至少为所述浅沟槽深度的1/2。

5.一种浅沟槽形成方法，包括，

在半导体基底上形成钝化层及图形化的抗蚀剂层；

以所述图形化的抗蚀剂层为掩膜，刻蚀所述钝化层；

其特征在于，执行所述刻蚀操作的步骤包括：

以第一流量的所述氟基硫化气体刻蚀第一深度；

6.根据权利要求5所述的浅沟槽形成方法，其特征在于：所述氟基硫化气体为SF₆。

7.根据权利要求5所述的浅沟槽形成方法，其特征在于：执行所述刻蚀操作时，所述半导体基底为(100)晶面。

8.根据权利要求5所述的浅沟槽形成方法，其特征在于：所述第二流量小于所述第一流量的1/2。

9.根据权利要求5所述的浅沟槽形成方法，其特征在于：所述第二流量为所述第一流量的1/3-1/2。