CN101752285A

CN101752285A - 沟槽的形成方法

Info

Publication number: CN101752285A
Application number: CN200810204152A
Authority: CN
Inventors: 张海洋; 沈满华; 陈海华; 韩宝东
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2008-12-03
Filing date: 2008-12-03
Publication date: 2010-06-23

Abstract

本发明公开了一种沟槽的形成方法，包括步骤：提供衬底；在所述衬底上形成沟槽图形；以所述沟槽图形为掩膜进行刻蚀，形成沟槽；利用含溴化氢和氦气的过刻蚀气体对所述沟槽进行过刻蚀处理。采用本发明方法形成的沟槽底部较为平整，不会再出现两侧凹陷的问题，提高了沟槽的填充质量。

Description

沟槽的形成方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种沟槽的形成方法。

背景技术

集成电路制造工艺是一种平面制作工艺，其结合光刻、刻蚀、沉积、离子注入等多种工艺，在同一衬底上形成大量各种类型的复杂器件，并将其互相连接以具有完整的电子功能。其中，任何一步工艺出现偏差，都可能会导致电路的性能参数偏离设计值。目前，随着超大规模集成电路的器件特征尺寸不断地等比例缩小，集成度不断地提高，对各步工艺的控制及其工艺结果的精确度提出了更高的要求。

以在衬底内形成的沟槽隔离结构为例。早期在衬底内进行器件间的隔离是采用局部场氧化隔离技术(LOCOS，Local Oxidation of Silicon)，但因该技术存在会在有源区边界形成“鸟嘴”(BIRD’S BEAK)区，使得分离区扩大等问题，已逐渐被浅沟槽隔离技术(STI，Shallow TrenchIsolation)所取代。随着半导体器件特征尺寸不断缩小，器件之间的隔离区域也随之相应缩小，对器件隔离的要求也越来越高，不仅要形成高深宽比的浅沟槽隔离结构，而且还对该浅沟槽隔离结构的形状提出了更具体的要求，以达到更好的填充效果。

图1为说明现有的一种沟槽形成方法的器件剖面示意图，如图1所示，先在硅衬底101上沉积生长一薄层的缓冲氧化层102，然后沉积停止层103，其通常为氮化硅材料。再在该停止层103上利用光刻定义出沟槽隔离图案。接着，对停止层103、氧化层102和硅衬底101进行刻蚀，形成沟槽104。如图1所示，利用现有的沟槽形成方法对硅衬底进行刻蚀后，形成的沟槽104底部具有凸起110，该凸起110形状较尖，且两侧下陷，这对于沟槽后续的填充非常不利。

为改善刻蚀沟槽的形成质量，现有技术做了进一步的改进，在刻蚀形成沟槽后加入一步利用氯气及氧气进行处理，以使沟槽底部圆弧化的步骤。图2为现有的加入氯气及氧气处理步骤后形成的沟槽图，如图2中圆圈201所示，加入这一步骤后，沟槽底部不再出现尖状，而成为圆弧状，后续对其进行填充的质量可以有所提高。但是，该方法形成的沟槽底部仍不平整，为凸起的圆弧状，这一底部两侧凹陷的沟槽形状对于进一步提高沟槽的填充质量不利。

于2008年4月16日公开的公开号为CN101162692A的中国专利申请详细介绍了一种硅片的刻蚀方法，对沟槽的刻蚀工艺进行了具体的调整，形成了顶部和底部均具有圆角的沟槽结构，但由其效果图来看，其形成的沟槽形状较差，对于对形状、尺寸要求较高的小尺寸器件并不适用。

发明内容

本发明提供一种沟槽的形成方法，以改善利用现有的沟槽形成方法形成的沟槽底部不平整的现象。

为达到上述目的，本发明提供的一种沟槽的形成方法，包括步骤：

提供衬底；

在所述衬底上形成沟槽图形；

以所述沟槽图形为掩膜进行刻蚀，形成沟槽；

利用含溴化氢和氦气的过刻蚀气体对所述沟槽进行过刻蚀处理。

其中，所述过刻蚀气体还包括含氧气体。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的沟槽形成方法，在形成沟槽后，加入一步利用含溴化氢和氦气的过刻蚀气体对所述沟槽进行过刻蚀的处理。该种过刻蚀气体可以令在沟槽底部形成的聚合物分布较为均匀，确保处理后的沟槽底部较为平整，不会再出现两侧凹陷的问题，提高了沟槽的填充质量。

附图说明

图1为说明现有的一种沟槽形成方法的器件剖面示意图；

图2为现有的加入氯气及氧气处理步骤后形成的沟槽图；

图3为本发明具体实施例中沟槽形成方法的流程图；

图4至图8为说明本发明具体实施例中沟槽形成方法的器件剖面示意图；

图9至图11分别为采用本发明具体实施例中的方法在不同过刻蚀工艺条件下形成的沟槽图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明的处理方法可以被广泛地应用于各个领域中，并且可利用许多适当的材料制作，下面是通过具体的实施例来加以说明，当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的普通技术人员所熟知的一般的替换无疑地涵盖在本发明的保护范围内。

其次，本发明利用示意图进行了详细描述，在详述本发明实施例时，为了便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，不应以此作为对本发明的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

现有技术中，在刻蚀形成沟槽时，为去除沟槽底部的尖角部分，令沟槽底部圆弧化，在进行主刻蚀形成沟槽后，加入了一步利用氯气和氧气对沟槽底部进行处理的过刻蚀步骤。

然而，由于氯气和氧气在进行过刻蚀处理时产生的聚合物在沟槽底部分布不均匀，沟槽底部会形成如图2所示的圆弧状凸起，即沟槽底部两侧为凹陷状的，这对后续进行的沟槽填充不利，无法形成高质量的填充质量。对于小尺寸器件，尤其是65nm以下工艺结点的小尺寸器件，其对各步工艺的要求很严格，这一较差的沟槽填充质量已无法满足其的制作要求。

为此，本发明提出了一种新的沟槽形成方法，包括步骤：

提供衬底；

在所述衬底上形成沟槽图形；

以所述沟槽图形为掩膜进行刻蚀，形成沟槽；

其中，所述过刻蚀气体还包括含氧气体。

优选地，所述溴化氢的流量在200至500sccm之间，所述氦气和氧气的流量和在20至40sccm之间。

优选地，所述过刻蚀处理时的腔室压力在5至10mTorr之间，所述过刻蚀处理时的腔室温度在50至100℃之间，所述过刻蚀处理所用的功率在500至1500W之间。

优选地，所述过刻蚀处理所用的时间在10至60秒之间。

可选地，所述过刻蚀气体还包括氩气。

可选地，所述衬底包括硅衬底，位于所述硅衬底上的氧化硅层，以及位于所述氧化层上的氮化硅层。此时，所述形成沟槽，包括步骤：

对所述氮化硅层及所述氧化硅层进行预刻蚀处理；

对所述硅衬底进行主刻蚀处理。

其中，所述主刻蚀处理所用的刻蚀气体包括含碳氟气体。

其中，所述预刻蚀处理之后，所述主刻蚀处理之前，还包括步骤：

进行沟槽顶角圆弧化处理。

本发明提出的上述沟槽形成方法，对过刻蚀处理过程进行了优化，将过刻蚀气体变更为含溴化氢和氦气的气体，因该种刻蚀气体可以在沟槽底部形成均匀分布的聚合物，最终达到了形成较为平整的沟槽底部形状的目的。

图3为本发明具体实施例中沟槽形成方法的流程图，图4至图8为说明本发明具体实施例中沟槽形成方法的器件剖面示意图，下面结合图3至图8对本发明的具体实施例进行详细介绍。

步骤301：提供衬底。

该衬底可以是单纯的硅衬底，也可以是表面覆盖了材料层的硅衬底上。本实施例中的衬底为表面覆盖了氧化硅层和氮化硅层的硅衬底。

图4为本发明具体实施例中的衬底剖面示意图，如图4所示，在硅衬底401上具有一层氧化硅层402，在氧化硅层402上还具有一层氮化硅层403。

本实施例中是利用沟槽形成方法在硅衬底内形成浅沟槽隔离结构中的沟槽，相应地，所形成的氧化硅层402可以作为垫氧化层，其可以利用氧化硅衬底的方法氧化形成，也可以利用化学气相沉积(ChemicalVapor Deposition)的方法沉积形成。

在氧化硅层402上形成的氮化硅层403可以作为研磨停止层使用。形成浅沟槽隔离结构的沟槽后，会利用化学气相沉积方法沉积介质材料(通常为氧化硅材料)以填充沟槽，该步沉积工艺后需要再利用化学机械研磨方法对该介质材料进行平坦化处理，去除硅衬底以上的介质材料，仅保留沟槽内的介质材料。在进行化学机械研磨时，为确保硅衬底表面的介质材料去除得较干净，且沟槽内的介质材料保持得较完整，可以利用氮化硅层403与介质材料间的研磨速率差来判断研磨终点：一旦检测到研磨速率发生较大变化，就表明研磨已至氮化硅层403时，可以停止研磨。

步骤302：在所述衬底上形成沟槽图形。

图5为本发明具体实施例中形成沟槽图形后的器件剖面示意图，如图5所示，利用光刻胶404对衬底上不需要形成沟槽的区域进行保护，在衬底上形成了沟槽图形。

在本发明的其它实施例中，为了防止因需刻蚀的沟槽较深，仅依靠光刻胶作掩膜已无法很好地保护沟槽以外结构，还可以将氮化硅层403的厚度沉积得较厚，或在氮化硅层403上再形成一层硬掩膜层(图中未示出)。刻蚀沟槽前，先将光刻形成的沟槽图形转移至该氮化硅层403内或硬掩膜内，再利用光刻胶、氮化硅层403或硬掩膜层共同作为掩膜，进行沟槽的刻蚀。这样，即使光刻胶在刻蚀过程中被刻蚀得较薄，无法很好地保护沟槽外的结构了，还有氮化硅层403或硬掩膜层可以对其进行保护，确保了刻蚀形成的沟槽图形的完整性。

步骤303：以所述沟槽图形为掩膜进行刻蚀，形成沟槽。

该步刻蚀可分为多步进行，具体在本实施例中可分为两步进行：

A、对所述氮化硅层及所述氧化硅层进行预刻蚀处理。

对氮化硅层403和氧化硅层402进行预刻蚀处理，形成沟槽开口。图6为本发明具体实施例中形成沟槽开口后的器件剖面示意图，如图6所示，以前一步利用光刻胶404形成的沟槽图形为掩膜进行预刻蚀处理，形成了沟槽开口405。

B、对硅衬底进行主刻蚀处理。

形成沟槽开口405后，继续以光刻胶图形为掩膜对下面的硅衬底进行主刻蚀处理，形成沟槽。图7为本发明具体实施例中形成沟槽后的器件剖面示意图，如图7所示，在硅衬底401内形成了沟槽406。但是，由于本步主刻蚀时间较长，产生的聚合物较多，其在沟槽内的分布极不均匀，在沟槽底部会形成如图中410所示较为尖锐的凸起形状，这将使后续进行的沟槽填充质量较差，易存在空隙。

为形成侧壁形状较为理想的沟槽，本实施例对本步主刻蚀对所用的工艺条件进行了优化：本实施例中的刻蚀是利用等离子体刻蚀设备进行的。刻蚀过程中，将腔室压力设置在5至10mTorr之间，如为5mTorr、8mTorr或10mTorr等；将腔室温度设置在50至100℃之间，如为50℃、60℃、75℃、90℃或100℃等；将主刻蚀处理所用的功率设置在500至1500W之间，如为500W、800W、1000W、1200W或1500W等。

本实施例中，本步主刻蚀所用的刻蚀气体包括含碳氟气体和含氧气体。其中含碳氟气体可以为CH₂F₂、CHF₃、CF₄等中的任一种或任意组合，含氧气体可以为O₂、O₃、NO、CO等中的任一种或任意组合。此外，还可以加入一些惰性气体，如氮气、氩气或氦气等中的任一种或任意组合，以调节刻蚀速率(或说刻蚀气体浓度)及腔室压力。

具体选用的气体与要求的沟槽侧壁形状有关，如，要求侧壁形状较为倾斜，则可以选用产生聚合物较多的碳氟比较高的刻蚀气体；要求侧壁形状较为垂直时，可以选用产生聚合物较少的碳氟比较低的刻蚀气体。另外，还可以将主刻蚀过程再分为多个阶段，在不同阶段选用不同的刻蚀气体(通常是分别选用产生聚合物量不同的刻蚀气体)，以得到需要的侧壁形状。

在本发明的其它实施例中，在上述步骤A及B之间还可以加入对沟槽顶部进行圆弧化的处理步骤，所用气体可以为氯气加含氧气体或溴化氢气体加含氧气体等。其作用是令沟槽顶部圆弧化，以释放应力，改善沟槽的形成质量。

步骤304：利用含溴化氢和氦气的过刻蚀气体对所述沟槽进行过刻蚀处理。

图8为本发明具体实施例中进行过刻蚀处理后的器件剖面示意图，如图8所示，经过本步的过刻蚀处理后，沟槽底部的尖锐的凸起形状已消失，变得较为平整，且在底部边角处411形状也较为圆滑，对后续填充质量的提高很有利。

为了避免出现沟槽底部有凸起的状况，本实施例中，选用了产生的聚合物分布可以较为均匀的含溴化氢(HBr)气体和氦气(He)的过刻蚀气体，得到了较为理想的沟槽底部形状。

另外，本实施例中还对本步过刻蚀处理的工艺条件做了进一步的优化，以得到更为合适的沟槽底部形状。具体工艺条件为：将腔室压力设置在5至10mTorr之间，如为5mTorr、8mTorr或10mTorr等；将腔室温度设置在50至100℃之间，如为50℃、60℃、75℃、90℃或100℃等；将主刻蚀处理所用的功率设置在500至1500W之间，如为500W、800W、1000W、1200W或1500W等。

本实施例中所用的刻蚀气体除包括溴化氢和氦气外，还可以包括含氧气体，如O₂、O₃、NO、CO等中的任一种或任意组合。当采用HBr、He和O₂的组合时，可将溴化氢的流量设置在200至500sccm之间，如为200sccm、300sccm、400sccm或500sccm等；将氦气和氧气的流量和设置在20至40sccm之间，如为20sccm、30sccm或40sccm等。其中，氦气与氧气的比例可以在5∶1至1∶1之间，如为5∶1、4∶1、3∶1、2∶1或1∶1等。

经过大量实验优化，发现本步过刻蚀处理所用的时间在10至60秒之间时，即可得到较为理想的沟槽底部形状，如为10秒、15秒、20秒、25秒、30秒、40秒或60秒等。

在本发明的其它实施例中，本步过刻蚀处理过程中还可以加入其它惰性气体，如氩气、氮气等。

图9至图11分别为采用本发明具体实施例中的方法在不同过刻蚀工艺条件下形成的沟槽图，其中，图9为腔室压力在10mTorr，HBr流量为350sccm，He和O₂的流量总和为27sccm的过刻蚀工艺条件下得到的沟槽；图10为腔室压力在10mTorr，HBr流量为350sccm，He和O₂的流量总和为30sccm的过刻蚀工艺条件下得到的沟槽；图11为腔室压力在7mTorr，HBr流量为350sccm，He和O₂的流量总和为27sccm的过刻蚀工艺条件下得到的沟槽。图中圆圈901、1001、1101所示的分别为不同过刻蚀工艺条件下形成的沟槽底部的形状，如图9、10及11所示，在上述工艺条件下，均可以得到较为平整的沟槽底部，其中，以图11中所示的沟槽底部形状更优。

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

1.一种沟槽的形成方法，其特征在于，包括步骤：

提供衬底；

在所述衬底上形成沟槽图形；

以所述沟槽图形为掩膜进行刻蚀，形成沟槽；

2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于：所述过刻蚀气体还包括含氧气体。

3.如权利要求2所述的形成方法，其特征在于：所述溴化氢的流量在200至500sccm之间。

4.如权利要求3所述的形成方法，其特征在于：所述氦气和氧气的流量和在20至40sccm之间。

5.如权利要求4所述的形成方法，其特征在于：所述过刻蚀处理时的腔室压力在5至10mTorr之间。

6.如权利要求5所述的形成方法，其特征在于：所述过刻蚀处理时的腔室温度在50至100℃之间。

7.如权利要求6所述的形成方法，其特征在于：所述过刻蚀处理所用的功率在500至1500W之间。

8.如权利要求7所述的形成方法，其特征在于：所述过刻蚀处理所用的时间在10至60秒之间。

9.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于：所述过刻蚀气体还包括氩气。

10.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于：所述衬底包括硅衬底，位于所述硅衬底上的氧化硅层，以及位于所述氧化层上的氮化硅层。

11.如权利要求10所述的形成方法，其特征在于，所述形成沟槽，包括步骤：

对所述氮化硅层及所述氧化硅层进行预刻蚀处理；

对所述硅衬底进行主刻蚀处理。

12.如权利要求11所述的形成方法，其特征在于：所述主刻蚀处理所用的刻蚀气体包括含碳氟气体。

13.如权利要求11所述的形成方法，其特征在于：所述预刻蚀处理之后，所述主刻蚀处理之前，还包括步骤：

进行沟槽顶角圆弧化处理。