CN102054738B

CN102054738B - 浅沟槽隔离台阶高度的控制方法

Info

Publication number: CN102054738B
Application number: CN200910207784A
Authority: CN
Inventors: 李健; 平延磊; 卜维亮
Original assignee: CSMC Technologies Corp; Wuxi CSMC Semiconductor Co Ltd
Current assignee: CSMC Technologies Corp
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2029-10-30
Also published as: CN102054738A

Abstract

一种浅沟槽隔离台阶高度的控制方法，包括：提供同批次的半导体晶圆，所述半导体晶圆上包括待化学机械研磨的浅沟槽隔离区域以及有源区，确定目标台阶高度的值；对上述半导体晶圆进行化学机械研磨；至少选取一片半导体晶圆，测量其实际台阶高度值；获取台阶高度修正值；建立台阶高度修正值与酸洗时间的对应关系；根据上述对应关系，调整该批次半导体晶圆的酸洗时间，并对剩余半导体晶圆进行酸洗，使得浅沟槽隔离区域中，实际台阶高度与目标台阶高度相符。本发明利用酸洗过程中，酸剂的选择性刻蚀作用，调整酸洗的时间修正台阶高度，无需变更化学机械研磨的参数以及增加额外的工序，满足台阶高度的一致性要求。

Description

浅沟槽隔离台阶高度的控制方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及浅沟槽隔离台阶高度的控制方法。

背景技术

在浅沟槽隔离的制作工艺中，浅沟槽隔离区域中绝缘介质(一般为氧化硅)的化学机械研磨(STI-CMP)是一道至关重要的工序。如图1至图2所示，为浅沟槽隔离绝缘层的化学机械研磨的示意图。

如图1所示，浅沟槽隔离区域200形成于半导体衬底100上，浅沟槽隔离区域200周围的半导体衬底部分为有源区201。所述半导体衬底100的表面依次形成有垫氧层101，以及垫氧层101表面的氮化硅层102。所述浅沟槽隔离区域200的沟槽内填充有绝缘介质103。其中绝缘介质103为氧化硅，在填充时溢出沟槽而覆盖于氮化硅层102的表面，因此需要经过化学机械研磨去除沟槽以外的部分。

如图2所示，在进行化学机械研磨时，为了保证沟槽以外的绝缘介质103被彻底去除，因此都需要采用过研磨。由于氧化硅与氮化硅材质的研磨速度差异，将使得化学机械研磨后，沟槽内绝缘介质103的顶部高度低于氮化硅层102的表面，也即使得浅沟槽隔离区域200的表面低于周围有源区201的表面，这个表面高度差称之为台阶高度(Step-height，简称SH)。

台阶高度的大小对半导体器件的性能有重要的影响，因此在同一产品的晶圆中，浅沟槽隔离都希望具有一致的台阶高度。现有的控制台阶高度的方法主要是在晶圆进行化学机械研磨时，根据浅沟槽隔离区域的绝缘介质103的厚度以及有源区201中氮化硅层102的厚度决定化学机械研磨的研磨时间。一般而言，研磨时间越长，台阶高度也越大。

现有技术存在如下问题：由于研磨时间仅仅决定化学机械研磨中晶圆的整体研磨的厚度，而不同批次晶圆化学机械研磨前，绝缘介质与氮化硅层的实际厚度是不稳定的两个参数。因此需要不断调整化学机械研磨的研磨时间，较为麻烦，且化学机械研磨在变更参数后，对台阶高度的控制极不稳定。难以满足日益精确的质量控制需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有效的浅沟槽隔离台阶高度的控制方法，使得不同批次晶圆经过化学机械研磨后，浅沟槽隔离区域具有精确一致的台阶高度。

为解决上述问题，本发明所述的浅沟槽隔离台阶高度的控制方法，包括：

提供同一批次的半导体晶圆，所述半导体晶圆上包括待化学机械研磨的浅沟槽隔离区域以及有源区，并确定目标台阶高度的值；

对上述半导体晶圆进行化学机械研磨；

至少选取一片半导体晶圆，测量其实际台阶高度值；

根据实际台阶高度以及目标台阶高度的值获取台阶高度修正值；

建立台阶高度修正值与酸洗时间的对应关系；

根据目标台阶高度以及上述对应关系，确定该批次半导体晶圆的酸洗时间；对剩余半导体晶圆进行酸洗。

其中，对于该批次每一片晶圆采用相同的化学机械研磨参数，所述化学机械研磨后，实际台阶高度值不大于目标台阶高度值。

作为可选方案，所述酸洗为化学机械研磨后去除残留物的酸洗步骤。

所述酸洗时间与台阶高度修正值成正比。

所述酸洗所用的酸剂对半导体晶圆浅沟槽隔离区域中绝缘介质的刻蚀速率大于有源区。

所述绝缘物质为氧化硅，有源区的表面为氮化硅。

所述酸剂包括草酸、柠檬酸、醋酸、氢氟酸中的一种或其组合

与现有技术相比，本发明台阶高度控制方法具有以下优点：利用化学机械研磨后的去除研磨残留物的酸洗步骤中，酸剂对浅沟槽隔离的选择性刻蚀作用，调整酸洗的时间，达到修正台阶高度的目的，无需变更化学机械研磨的参数，以及增加额外的工序，且具有较高的修正精度，满足日益精确的一致性要求。

附图说明

图1至图2是现有的浅沟槽隔离绝缘层的化学机械研磨的示意图

图3是本发明所述浅沟槽隔离台阶高度控制方法示意图；

图4至图8是本发明所述控制方法的一个具体实施例示意图；

具体实施方式

半导体晶圆在化学机械研磨后，总会在晶圆的表面留下残留物，这些残留物来自于辅助液以及研磨剂等，具体包括各种盐类、氧化物以及研磨颗粒。为防止上述残留物对后续工艺的干扰，需要采用酸剂进行清洗，而所采用的酸剂一般会对浅沟槽隔离中的绝缘物质(主要是氧化硅)产生刻蚀作用，但不会侵蚀半导体衬底表面的氮化硅层。本发明利用上述酸剂的选择性刻蚀作用，对晶圆化学机械研磨后浅沟槽隔离的台阶高度进行修正，达到控制台阶高度保持一致性的目的。

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。

参照图3所示，本发明所述的浅沟槽隔离台阶高度控制方法的一个实施方案，基本步骤包括：

S1、提供同一批次的半导体晶圆，所述半导体晶圆上包括待化学机械研磨的浅沟槽隔离区域以及有源区，并确定目标台阶高度的值；

其中，同一批次的半导体晶圆，在研磨前浅沟槽内填充的绝缘介质厚度以及有源区表面的高度是一致的。选取一个合理的台阶高度的值，以利于提高器件性能。

S2、对上述半导体晶圆进行化学机械研磨；

其中，对于该批次所有的半导体晶圆应当采用相同的化学机械研磨参数，使得各晶圆的实际台阶高度基本一致。

S3、至少选取一片半导体晶圆，测量其实际台阶高度值；

选取的半导体晶圆作为测试晶圆，通过测量其浅沟槽隔离的各项尺寸，包括沟槽深度，以及半导体衬底表面各层例如垫氧层、氮化硅层、浅沟槽氧化层的厚度等，获得实际的台阶高度。

S4、根据实际台阶高度以及目标台阶高度的值获取台阶高度修正值；

所述台阶高度修正值即实际台阶高度与目标台阶高度的差值。

S5、建立台阶高度修正值与酸洗时间的对应关系；

由于酸洗可以调整台阶高度的值，所以台阶高度的修正量与酸洗时间直接相关，因此可以根据台阶高度修正值，计算所需的酸洗时间。

S6、根据上述对应关系，调整该批次半导体晶圆的酸洗时间；然后根据已调整的酸洗时间对剩余半导体晶圆进行酸洗，使得浅沟槽隔离区域中，实际台阶高度与目标台阶高度相符。

由于选取的测试晶圆与该批次其余晶圆在本质上基本没有区别，因此从测试晶圆上所获取的台阶高度修正值以及相应的酸洗时间，应用于其余晶圆，同样可以达到成批修正台阶高度的目的，使得该批次的晶圆中，浅沟槽隔离的台阶高度具有精确的一致性。

下面结合具体实施例，对本发明所述的浅沟槽隔离台阶高度控制方法作进一步介绍。

如图4所示，首先提供一批半导体晶圆，预先定义目标台阶高度。所述半导体晶圆上包括待化学机械研磨的浅沟槽隔离区域以及有源区，图示为晶圆的剖视结构图。

其中，浅沟槽隔离区域200形成于半导体衬底100上，浅沟槽隔离区域200周围的半导体衬底部分为有源区201。

本实施例中，所述半导体衬底100的表面依次形成有垫氧层101，以及垫氧层101表面的氮化硅层102。所述浅沟槽隔离区域200的沟槽内填充有绝缘介质103。绝缘介质103为氧化硅，在填充时溢出沟槽而覆盖于氮化硅层102的表面，需要经过化学机械研磨去除沟槽以外的部分。且同一批次的晶圆应当具有相同的结构、尺寸。

所述目标台阶高度影响到器件的性能，因此可根据器件的性能需要以及实际工艺成本等进行选择。

需要指出的是，由于本发明利用的是酸剂对浅沟槽隔离中绝缘介质的选择性刻蚀作用，因此所述绝缘物质并非局限于氧化硅，在酸剂刻蚀时，仅需与有源区201表面例如氮化硅层102具有较大差异的选择刻蚀比即可。

如图5以及图6所示，其中图6为图5所示浅沟槽隔离中台阶部分放大示意图，将上述半导体晶圆放入CMP机台中进行化学机械研磨。去除沟槽以外的绝缘介质103。为保证实际的台阶高度一致，各晶圆应当采用相同的化学机械研磨参数，并且过研磨使得沟槽内绝缘介质103顶部高度低于有源区表面即氮化硅层102的高度。

从上述经过化学机械研磨后的半导体晶圆中，随机选取至少一片晶圆做为测试晶圆，测量其浅沟槽隔离的沟槽深度D、绝缘介质103的深度h、垫氧层101的厚度L1以及氮化硅层102的厚度L2。则根据台阶高度的定义，本实施例存在如下关系式：

实际台阶高度＝D+L1+L2-h；

为了使得上述实际台阶高度的值更加准确，还可以选取多片晶圆进行测量，并取平均值以减小误差，即可认为是该批半导体晶圆化学机械研磨后，浅沟槽隔离区域的实际台阶高度。

将上述实际台阶高度与目标台阶高度相比较，便可以得到台阶高度修正值ΔSH，即实际台阶高度与目标台阶高度的差值。

根据前述原理，本发明是利用在对化学机械研磨后的晶圆进行酸洗时，酸剂对绝缘介质103所具有的选择刻蚀作用调节台阶高度。因此上述调节过程是对绝缘介质103进行单向不可逆的减薄过程，即随着酸洗时间的增长，产生的刻蚀效果越来越明显，台阶高度将越来越大。因此所述化学机械研磨后，实际台阶高度应当不大于目标台阶高度，以此依据选择化学机械研磨的具体参数。

所述酸剂对绝缘物质103以及氮化硅层102具有较大的选择刻蚀比，因此在调整台阶高度的过程中，可以忽略对氮化硅层102的侵蚀。本实施例中，酸剂的成分可以包括草酸、柠檬酸、醋酸、氢氟酸中的一种或其组合，且不局限于上述选择。

选定的酸剂对绝缘物质103即氧化硅的刻蚀速率在浅沟槽隔离的尺寸范围内，可以视为已知速度的匀速刻蚀。因此酸洗的时间T与绝缘物质103的减薄厚度呈线性正比关系。而台阶高度修正值ΔSH即所需减薄的绝缘物质103的厚度，因此台阶高度修正值ΔSH与酸洗时间T也呈线性正比关系，具有如下关系：

台阶高度修正值ΔSH＝氧化硅的刻蚀速率V_etch×酸洗时间T；

ΔSH与T的值一一对应，正比系数即氧化硅的刻蚀速率V_etch，台阶高度需要修正多少，酸洗时间就改变多少。反过来也可以根据已知的台阶高度修正值计算获得所需的酸洗时间。

如图7以及图8所示，其中图8为图7所示浅沟槽隔离中台阶部分放大示意图，由于同一批次内，各晶圆的实际台阶高度相同，也即台阶高度的修正值相同，因此对剩余的半导体晶圆均采用上述酸洗时间进行酸洗，应当能够使得酸洗后，浅沟槽隔离区域中实际台阶高度与目标台阶高度相符。

相比于现有技术通过调整化学机械研磨的参数调整台阶高度的做法相比，本发明中酸剂对绝缘介质103的刻蚀速率远小于化学机械研磨时的研磨速度，因此更易于精确调整台阶高度，使得同批半导体晶圆中，浅沟槽隔离的台阶高度与目标台阶高度相一致。

此外在另一个实施例中，还可以先从提供的同批半导体晶圆选取至少一片晶圆作为测试晶圆，进行化学机械研磨然后测量实际台阶高度，并计算所需酸洗时间。然后再采用相同的参数对剩余半导体晶圆进行化学机械研磨以及酸洗。上述实施例可以避免，因化学机械研磨参数选择不当，使得实际台阶高度大于目标台阶高度，而无法调整，导致整批半导体晶圆作废的情况。虽然耗时更长，但更安全，即使测试晶圆出现问题，也可以重新进一步调整化学机械研磨参数以满足要求。

上述实施例仅仅对测试晶圆以及剩余晶圆分批进行化学机械研磨，其台阶高度控制原理以及方法，与前述实施例并无本质区别。此处不再赘述具体方法。本领域技术人员，应当容易推得并且实施。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种浅沟槽隔离台阶高度的控制方法，其特征在于，包括：

提供同一批次的半导体晶圆，所述半导体晶圆上包括待化学机械研磨的浅沟槽隔离区域以及有源区，并确定目标台阶高度的值；所述同一批次的半导体晶圆指的是做同一台阶高度工序的半导体晶圆；

对上述半导体晶圆进行化学机械研磨；

至少选取一片半导体晶圆，测量其实际台阶高度值；

建立台阶高度修正值与酸洗时间的对应关系；

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述酸洗为化学机械研磨后去除研磨残留物的酸洗步骤。

3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述酸洗时间与台阶高度修正值成正比。

4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述酸洗所用的酸剂对半导体晶圆浅沟槽隔离区域中绝缘介质的刻蚀速率大于有源区。

5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述绝缘介质为氧化硅，有源区的表面为氮化硅。

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述酸剂包括草酸、柠檬酸、醋酸、氢氟酸中的一种或其组合。

7.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，对于同批次每一片晶圆采用相同的化学机械研磨参数。

8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述化学机械研磨后，实际台阶高度值不大于目标台阶高度值。