CN102082113A - 一种带空气间隙的深隔离槽的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带空气间隙的深隔离槽的制造方法，利用可显影BARC材料具有可溶解于显影液的特性，利用该种材料作为赝层，通过在深隔离槽中填充赝层形成空气间隙占位，接着利用某些材料可以在曝光后激活产生SiO2的性质，用该种材料封口(作为覆盖介质层)，然后通过光刻形成小孔，同时在显影中将赝层材料可显影的BARC去除形成空气间隙，然后紫外光照射激活使之生成SiO2，最后填充介质层再回刻或通过化学机械抛光去除有源区上的介质层，形成具有空气间隙的深隔离槽。该方法可以进一步减小寄生电容以提高深隔离槽的隔离表现，同时工艺控制能力更强，良品率更高。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件隔离的工艺集成方法，尤其涉及一种带空气间隙的深隔离槽的制造方法。
背景技术
半导体器件中，对于不同的器件需要进行隔离，其隔离方法通常采用两种：器件隔离和物理隔离。
器件隔离为NP结反向隔断的特性，这种方法通常隔离能力受器件特性限制。
物理隔离通常采用绝缘介质作为隔离层，其隔离能力强。目前常用的为局部场绝缘隔离(LOCOS)，浅槽隔离(STI)或深槽隔离(DTI)。其中LOCOS和STI绝缘层通常深度为5000埃以下，对于低电压器件结深较浅的器件隔离效果好，工艺成本低。但是对于结深很深的高压，大电流，大功率的BCD或高频高速的通信用RF CMOS(射频互补金属氧化物半导体)或Si/Ge HBT(锗硅异质结双极晶体管)器件，需要使用深度很深的DTI物理隔离工艺。
对于通常的器件，由于速度要求不高，通常采用在深隔离槽中填充多晶硅的工艺，工艺比较简单而且可以满足要求。但是对于高速器件，普通的DTI工艺寄生电容很大，在高频情况下隔离效果会大大降低，为了降低寄生电容，往往将填充材料改为绝缘介质。但是对于Ft＞10GHz的高频器件，介质层的效果也不好，限制了整体频率的提升。
对于目前超高频器件，通常采用Si/Ge HBT工艺，相对的DTI工艺直接采用空气间隙来填充，此时可以大大降低寄生电容，提高高频下的隔离能力。如图1所示，其传统工艺为：
1)光刻刻蚀硅基板1产生深隔离槽2，见图1A；
2)成长侧壁保护层3，见图1B；
3)介质层4填充，见图1C；
4)回刻或通过化学机械抛光(CMP)去除有源区上的介质层4，见图1D。
此方法中利用高宽比过大时，填充能力不足以完全填充，必然产生空洞的原理，在步骤3)中通过调整填充工艺，及深隔离槽的深度和尺寸形成空气间隙。
采用传统方法形成的带有空气间隙的DTI时，其空气间隙的大小，位置基本不受控制，而且很难做的很大，同时对于不同尺寸，不同深度的深隔离槽，其空气间隙的位置不同，在步骤4)的回刻或CMP中很容易发生空气间隙位置过高而接近于有源区高度导致步骤4)完成后直接暴露，因此在实际使用中，此方法受限制很大，工艺控制能力弱，而且因为空气间隙不能很大，寄生电容也不会太小，因此限制了Ft的提升。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种在深隔离槽中产生足够大的可以控制的空气间隙的制造方法。该方法可以进一步减小寄生电容以提高深隔离槽的隔离表现，同时工艺控制能力更强，良品率更高。
为解决上述技术问题，本发明提供一种带空气间隙的深隔离槽的制造方法，包括如下步骤：
(1)光刻刻蚀硅基板形成深隔离槽；
(2)在深隔离槽的侧壁成长侧壁保护层；
(3)可显影BARC材料作为赝层填充部分深隔离槽；
(4)覆盖介质层填充深隔离槽；
(5)光刻在深隔离槽中心产生小孔；
(6)显影去除被曝光的覆盖介质层材料，同时去除赝层材料；
(7)紫外光照射激活覆盖介质层材料形成氧化物；
(8)介质层填充覆盖介质层的小孔，在深隔离槽内形成空气间隙；
(9)回刻或通过化学机械抛光去除有源区上的介质层。
和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：和传统的介质层或多晶填充的深隔离槽相比，本发明形成的带空气间隙的深隔离槽，其寄生电容远远小于传统工艺，对于高速RF器件，Si/Ge器件等有更好的隔离表现。同现有的带有空气间隙的深隔离槽的制造方法相比，通过使用本发明的方法，我们可以得到较大尺寸，具体尺寸可控制，且对不同设计规则的深隔离槽有高度均一性的空气间隙，可以进一步减小寄生电容以提高隔离表现，同时工艺控制能力更强，良品率更高。
附图说明
图1是传统的带空气间隙的深隔离槽的制造方法的流程示意图，其中，1是硅基板，2是深隔离槽，3是侧壁保护层，4是介质层；
图2是本发明带空气间隙的深隔离槽的制造方法的流程示意图，其中，11是硅基板，12是深隔离槽，13是侧壁保护层，14是赝层，15是覆盖介质层，16是小孔，17是空气间隙。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供了一种带空气间隙的深隔离槽的制造方法，利用可显影BARC材料具有可溶解于显影液的特性，利用该种材料作为赝层，通过在深隔离槽中填充赝层形成空气间隙占位，接着利用某些材料可以在曝光后激活产生SiO2的性质，用该种材料封口(作为覆盖介质层)，然后通过光刻形成小孔，同时在显影中将赝层材料可显影的BARC去除形成空气间隙，然后紫外光照射激活使之生成SiO2，最后填充介质层再回刻或通过化学机械抛光去除有源区上的介质层，形成具有空气间隙的深隔离槽。
如图2所示，本发明一种带空气间隙的深隔离槽的制造方法，具体包括如下步骤：
(1)如图2A所示，光刻刻蚀硅基板11产生深隔离槽12；步骤(1)中的刻蚀可以采用光刻胶为掩膜的干法刻蚀，或以氧化物、氮化物或碳化物为第二层硬掩膜(Hard mask)的干法刻蚀。如果采用的是硬掩膜的干法刻蚀工艺，后续应该有去除该硬掩膜的工艺。
(2)如图2B所示，在深隔离槽12的侧壁成长侧壁保护层13；步骤(2)中的侧壁保护层13的材料为氧化物，氮化物或碳化物。
(3)如图2C所示，可显影BARC(Bottom Anti-Reflective Coating，底部抗反射涂层)材料作为赝层填充部分深隔离槽12(赝层材料填充深度要保证形成空隙后后续的CMP工艺不会磨到空隙即可，需要根据CMP的工艺能力来决定)，在深隔离槽12内形成赝层14；步骤(3)中的赝层材料为可溶解于显影液的BARC材料。
(4)如图2D所示，覆盖介质层15填充深隔离槽12；步骤(4)中的覆盖介质层材料常温下为液态不溶解于显影液，紫外光常温曝光分解后可溶解于显影液，在高温下可以被紫外光进一步激活分解形成氧化物。覆盖介质层材料典型的为含硅的有机物掺杂光敏性材料，比如常用的为利用正硅酸乙酯在酸性环境下水解为SiO2的原理，掺入能够产生光致酸的光敏性材料(如常用的光刻胶)，即采用正硅酸乙酯掺杂常用的光刻胶作为覆盖介质层材料。
(5)光刻在深隔离槽12中心产生小孔16。
(6)显影去除被曝光的覆盖介质层15材料，同时去除赝层14材料，如图2E所示。步骤(5)中的光刻区域尺寸大小为0.02um(微米)～1/2的深隔离槽尺寸之间，且步骤(6)显影完成后底部小孔16的尺寸＜0.5um。
(7)如图2F所示，紫外光照射激活覆盖介质层15材料形成氧化物；步骤(7)中的激活温度一般为250℃～400℃。紫外光照射后通过覆盖介质层15的光敏性材料(如常用的光刻胶)产生光致酸，然后在光致酸的催化下产生正硅酸乙酯的水解产生SiO2，同时其他生成物在一定温度环境中被挥发，从而形成SiO2薄膜(氧化物)；
(8)如图2G所示，介质层(介质层材料一般为SiO2，包括各种含其他杂质的SiO2，如B，P，F等)填充覆盖介质层的小孔16，在深隔离槽内形成空气间隙17；步骤(8)中的介质层沉积工艺为普通介质层沉积工艺，如PVD，CVD，HDP等。形成的空气间隙17的横向及底部接触为侧壁保护层材料，上部接触为覆盖介质层和介质层材料。形成的空气间隙17横向尺寸由侧壁保护层决定，深度由赝层材料填充深度决定。
(9)如图2H所示，回刻或通过化学机械抛光(CMP)去除有源区上的介质层，形成具有空气间隙17的深隔离槽；步骤(9)中的回刻或CMP工艺，其目的是去除有源区的介质层，没有介质层残留在有源区。同时在深隔离槽中的凹陷必须保证空气间隙17上方的介质层＞500埃。可以残留20～1000埃的介质层作为后续注入的阻挡层，然后在后续的湿法工艺中去除，但必须同时保证在深隔离槽中空气间隙17上方的介质层＞500埃。
Claims (13)
1.一种带空气间隙的深隔离槽的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)光刻刻蚀硅基板形成深隔离槽；
(2)在深隔离槽的侧壁成长侧壁保护层；
(3)可显影BARC材料作为赝层填充部分深隔离槽；
(4)覆盖介质层填充深隔离槽；
(5)光刻在深隔离槽中心产生小孔；
(6)显影去除被曝光的覆盖介质层材料，同时去除赝层材料；
(7)紫外光照射激活覆盖介质层材料形成氧化物；
(8)介质层填充覆盖介质层的小孔，在深隔离槽内形成空气间隙；
(9)回刻或通过化学机械抛光去除有源区上的介质层。
2.根据权利要求1所述的带空气间隙的深隔离槽的制造方法，其特征是，步骤(1)中的刻蚀采用光刻胶为掩膜的干法刻蚀，或以氧化物、氮化物或碳化物为第二层硬掩膜的干法刻蚀。
3.根据权利要求2所述的带空气间隙的深隔离槽的刻蚀方法，其特征是，如果步骤(1)采用以氧化物、氮化物或碳化物为第二层硬掩膜的干法刻蚀，后续应该有去除该第二层硬掩膜的工艺。
4.根据权利要求1所述的带空气间隙的深隔离槽的制造方法，其特征是，步骤(2)中的侧壁保护层材料为氧化物，氮化物或碳化物。
5.根据权利要求1所述的带空气间隙的深隔离槽的制造方法，其特征是，步骤(3)中的赝层材料为可溶解于显影液的BARC材料。
6.根据权利要求1所述的带空气间隙的深隔离槽的制造方法，其特征是，步骤(4)中的覆盖介质层材料常温下为液态不溶解于显影液，紫外光常温曝光分解后可溶解于显影液，在高温下可以被紫外光进一步激活分解形成氧化物；所述的覆盖介质层材为含硅的有机物掺杂光敏性材料。
7.根据权利要求1所述的带空气间隙的深隔离槽的制造方法，其特征是，步骤(5)中的光刻区域尺寸大小为0.02微米～1/2的深隔离槽尺寸之间，且步骤(6)显影完成后底部小孔尺寸＜0.5微米。
8.根据权利要求1所述的带空气间隙的深隔离槽的制造方法，其特征是，步骤(7)中的激活温度为250℃～400℃。
9.根据权利要求1所述的带空气间隙的深隔离槽的制造方法，其特征是，步骤(8)中的介质层填充采用常规的介质层沉积工艺，可采用PVD，CVD或HDP工艺。
10.根据权利要求1所述的带空气间隙的深隔离槽的制造方法，其特征是，步骤(9)中所述去除有源区上的介质层，同时保证在深隔离槽中空气间隙上方的介质层＞500埃。
11.根据权利要求1所述的带空气间隙的深隔离槽的制造方法，其特征是，步骤(9)中所述去除有源区上的介质层，可以残留20～1000埃的介质层作为后续注入的阻挡层，然后在后续的湿法工艺中去除，同时保证在深隔离槽中空气间隙上方的介质层＞500埃。
12.根据权利要求1所述的带空气间隙的深隔离槽的制造方法，其特征是，步骤(8)中，所述形成的空气间隙的横向及底部接触为侧壁保护层材料，上部接触为覆盖介质层和介质层材料。
13.根据权利要求1或12所述的带空气间隙的深隔离槽的制造方法，其特征是，步骤(8)中，所述形成的空气间隙横向尺寸由侧壁保护层决定，深度由赝层材料填充深度决定。
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