CN102456606A

CN102456606A - 浅沟槽隔离结构形成方法

Info

Publication number: CN102456606A
Application number: CN2010105186278A
Authority: CN
Inventors: 雷强; 沈亮; 高喜峰
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2010-10-19
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2030-10-19
Also published as: CN102456606B

Abstract

本发明提供一种浅沟槽隔离结构形成方法，包括：提供依次形成有衬垫氧化层和刻蚀停止层的衬底；依次刻蚀所述刻蚀停止层、衬垫氧化层，直至暴露衬底，形成开口；在位于开口两侧的衬底内形成扩散氧化层，所述扩散氧化层与所述衬垫氧化层相邻，且所述开口的侧边的延长线经过所述扩散氧化层刻蚀所述开口对应区域，形成浅沟槽；在所述浅沟槽表面形成介质保护层；形成覆盖所述刻蚀停止层表面且填充满所述浅沟槽的隔离介质层；对所述隔离介质层进行平坦化处理直至暴露所述刻蚀停止层；去除所述刻蚀停止层和所述衬垫氧化层。利用本发明所提供的浅沟槽隔离结构形成方法可以有效避免晶体管的双峰效应和反窄沟道效应，改善半导体器件的性能。

Description

浅沟槽隔离结构形成方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及浅沟槽隔离结构形成方法。

背景技术

浅沟槽隔离技术(Shallow Trench Isolation，STI)是一种器件隔离技术。浅沟槽隔离结构形成的原理是将与浅沟槽对应的硅衬底表面刻蚀出沟槽，将二氧化硅(SiO₂)填入所述沟槽中。

随着半导体工艺进入深亚微米时代，0.18微米以下的元件例如MOS电路的有源区隔离层大多采用浅沟槽隔离技术来制作，在专利号为US7112513的美国专利中还能发现更多关于浅沟槽隔离技术的相关信息。

浅沟槽隔离技术的具体工艺包括：在衬底上形成浅沟槽，所述浅沟槽用于隔离衬底上的有源区，所述浅沟槽的形成方法可以为刻蚀工艺；在浅沟槽内填入介质，并在衬底表面形成介质层，所述介质材料可以为氧化硅；对所述介质进行退火；用化学机械抛光法(Chemical Mechanical Polishing，CMP)处理所述介质层。

但是，采用现有的浅沟槽隔离结构形成方法的晶体管容易产生双峰效应和反窄沟道效应。如图1所示，图1是采用现有的浅沟槽隔离结构形成方法的晶体管的Vg-log(Id)曲线，横坐标对应于栅极电压，纵坐标对应于器件宽度归一化后漏极电流的对数，其中，栅极电压在0～5V的范围内，漏极电压为0.1V，源极电压为0V，线A、线B、线C、线D所对应的衬底电压分别为0V、-1V、-2V、-3V，沟道长度为0.5um，沟道宽度为20um，图1中以虚线标记双峰效应出现的区域。此外，在浅沟槽拐角处形成边沟之后，氧化层变薄，导致栅压对有源区控制加强，使得阈值电压下降，引起反窄沟道效应。双峰效应和反窄沟道效应会导致半导体器件性能低下。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种可以避免双峰效应和反窄沟道效应，从而改进半导体器件性能的浅沟槽隔离结构形成方法。

为解决上述问题，本发明提供一种浅沟槽隔离方法，包括：提供依次形成有衬垫氧化层和刻蚀停止层的衬底；依次刻蚀所述衬垫氧化层、刻蚀停止层直至暴露衬底，形成开口；对所述开口暴露出来的衬底进行氧化，形成扩散氧化层，所述扩散氧化层沿暴露出来的衬底向四周扩散；刻蚀所暴露的衬底，形成浅沟槽；在所述浅沟槽表面形成介质保护层；形成覆盖所述刻蚀停止层表面且填充满所述浅沟槽的隔离介质层；对所述隔离介质层进行平坦化处理直至暴露所述刻蚀停止层；去除所述刻蚀停止层和所述衬垫氧化层。

优选地，采用热氧化的方法形成所述扩散氧化层。

优选地，所述的扩散氧化层的材料为氧化硅。

优选地，所述扩散氧化层从开口暴露出来的衬底的位置开始沿衬垫氧化层逐渐变薄。

优选地，所述介质保护层的材料是氧化硅。

优选地，采用热氧化的方法形成所述介质保护层。

优选地，所述隔离介质层的材料是氧化硅。

优选地，采用高密度等离子体辅助化学气相沉积法形成所述隔离介质层。

优选地，去除部分隔离介质层所用的方法是化学机械研磨法。

优选地，去除所述衬垫氧化层和所述刻蚀停止层的方法是湿法刻蚀工艺。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过对所述开口暴露出来的衬底进行氧化，形成扩散氧化层，由于在衬底和所述衬垫氧化层之间会发生鸟嘴效应，所以所述扩散氧化层沿暴露出来的衬底向四周扩散，从而在开口四周的衬底与衬垫氧化层之间形成结构致密、抗腐蚀性强的氧化区域，避免了去除刻蚀停止层和衬垫氧化层的工艺以及后续的半导体工艺中化学试剂侵蚀隔离介质层形成边沟，从而避免了双峰效应和反窄沟道效应；通过形成覆盖浅沟槽的介质保护层，修复刻蚀过程中在浅沟槽表面形成的缺陷，减小浅沟槽与后续形成的隔离介质层之间的应力，防止漏电，并对隔离介质层形成进一步的保护。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1是采用现有浅沟槽隔离结构形成方法的晶体管的Vg-log(Id)曲线示意图；

图2是现有技术在衬底内形成浅沟槽产生边沟的示意图；

图3是本发明所提供的浅沟槽隔离结构形成方法的示意性流程图；

图4至图1 1是本发明所提供的浅沟槽隔离结构形成方法的实施例的示意图；

图12是采用本发明提供的浅沟槽隔离结构形成方法的晶体管的Vg-log(Id)曲线示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，采用现有浅沟槽隔离结构的形成方法的晶体管容易产生双峰效应或者反窄沟道效应。本发明的发明人经过研究发现，产生双峰效应或者反窄沟道效应的原因是，现有浅沟槽隔离结构有缺陷。具体地讲，现有浅沟槽隔离结构内，与有源区相邻的区域会形成向下凹陷的形状，称为边沟(Divot)。请参考图2，图2为采用现有技术在衬底内形成的浅沟槽110的示意图，采用现有技术形成的沟槽110两侧分别形成边沟102，因此在STI顶部拐角处的绝缘氧化层厚度会变薄，进而导致STI拐角区域电场增强，从而引起双峰效应或者反窄沟道效应。

本发明的发明人经过进一步的研究发现，现有浅沟槽隔离结构内，与有源区相邻的区域会形成边沟的原因是，在现有浅沟槽隔离结构中，隔离介质层与有源区相邻的区域较疏松，在采用湿法刻蚀工艺去除衬垫氧化层时，所采用的化学试剂会刻蚀部分隔离介质层，从而导致浅沟槽内与有源区相邻的区域会形成向下凹陷的边沟。

本发明的发明人针对上述问题进行研究，在本发明中提供一种可以避免产生边沟的浅沟槽隔离结构形成方法。

图3为本发明所提供的浅沟槽隔离结构形成方法的流程示意图，本发明提供的浅沟槽隔离结构形成方法包括：

步骤S101，提供依次形成有衬垫氧化层和刻蚀停止层的衬底。

步骤S102，依次刻蚀所述衬垫氧化层、刻蚀停止层直至暴露衬底，形成开口。

步骤S103，对所述开口暴露出来的衬底进行氧化，形成扩散氧化层，所述扩散氧化层沿暴露出来的衬底向四周扩散。

步骤S104，刻蚀所述开口对应区域，形成浅沟槽。

步骤S105，在所述浅沟槽表面形成介质保护层。

步骤S106，形成覆盖所述刻蚀停止层表面且填充满所述浅沟槽的隔离介质层。

步骤S107，对所述隔离介质层进行平坦化处理直至暴露所述刻蚀停止层。

步骤S108，去除所述刻蚀停止层和所述衬垫氧化层。

本发明通过对所述开口暴露出来的衬底进行氧化，形成扩散氧化层，由于在衬底和所述衬垫氧化层之间会发生鸟嘴效应，所以所述扩散氧化层沿暴露出来的衬底向四周扩散，从而在开口四周的衬底与衬垫氧化层之间形成结构致密、抗腐蚀性强的氧化区域，避免了去除刻蚀停止层和衬垫氧化层的工艺以及后续的半导体工艺中化学试剂侵蚀隔离介质层形成边沟，从而避免了双峰效应和反窄沟道效应；此外，通过形成覆盖浅沟槽的介质保护层，修复刻蚀过程中在浅沟槽表面形成的缺陷，减小浅沟槽与后续形成的隔离介质层之间的应力，防止漏电。下面结合实施例和附图对本发明做进一步的描述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

参考图4，提供依次形成有衬垫氧化层210和刻蚀停止层220的衬底200。

提供衬底200，所述衬底200可以选自N型硅衬底、P型硅衬底、绝缘层上的硅(SOI)等衬底。

所述衬底200上依次形成有衬垫氧化层210，刻蚀停止层220。

所述衬垫氧化层210材料为氧化硅，所述衬垫氧化层210用于后续形成的刻蚀停止层220提供缓冲层，具体地说，刻蚀停止层220直接形成到衬底200上由于应力较大会在衬底表面造成位错，而衬垫氧化层210形成在衬底200和刻蚀停止层220之间，避免了直接在衬底上形成刻蚀停止层220会产生位错的缺点，并且衬垫氧化层210还可以作为后续刻蚀刻蚀停止层220步骤中的刻蚀停止层。

所述衬垫氧化层210可以为选用热氧化工艺形成。所述热氧化工艺可以选用氧化炉执行。

所述刻蚀停止层220材料是氮化硅，所述刻蚀停止层220用于作为后续化学机械抛光工艺的停止层，所述刻蚀停止层220形成工艺可以为现有的化学气相沉积工艺。

参考图5，依次刻蚀所述衬垫氧化层210、刻蚀停止层220直至暴露衬底200，形成开口203。

开口203的作用是在后续工艺中在开口所暴露的衬垫氧化层210与衬底200之间形成扩散氧化层208，此外可以减小在后续形成浅沟槽工艺中需要刻蚀的深度，从而减小工艺的难度。

刻蚀衬垫氧化层210、刻蚀停止层220可以采用现有的刻蚀技术，比如化学刻蚀或等离子体刻蚀，在本发明的实施例中采用的是等离子体刻蚀法。

参考图6，对所述开口203暴露出来的衬底200进行氧化，形成扩散氧化层208，所述扩散氧化层208沿暴露出来的衬底200向四周扩散。

形成所述扩散氧化层208的材料选择氧化硅，所述扩散氧化层208可以选用热氧化工艺形成。

在用热氧化工艺对开口203所暴露的衬底进行氧化时，由于鸟嘴效应，氧化剂会扩散进入衬垫氧化层210与衬底200之间，使得与衬垫氧化层210重叠的部分衬底200表面发生氧化反应，即形成从开口203所暴露的衬底200的位置开始，沿衬垫氧化层210逐渐变薄的扩散氧化层208。在后续刻蚀开口203所对应的区域，形成浅沟槽205的步骤中，扩散氧化层208位于衬垫氧化层210与衬底200之间的部分204被保留下来，由于被保留下来的部分204是采用热氧化工艺形成的，所以被保留下来的部分结构致密，抗腐蚀性强，可以在后续湿法刻蚀衬垫氧化层的步骤中，保护隔离介质层不被腐蚀。在本发明的其他实施例中，还可以采用其他方法形成所述扩散氧化层208，所形成的扩散氧化层也可以与本实施例中扩散氧化层208形状不同。

扩散氧化层208的厚度与后续形成的晶体管(图中为示出)的特征长度相关，扩散氧化层208的厚度可以通过控制氧化时间进行控制。

在后续采用湿法刻蚀工艺去除衬垫氧化层时，由于采用热氧化工艺形成的扩散氧化层208结构致密，抗腐蚀性好，所以可以有效防止浅沟槽内的隔离介质层被刻蚀，从而有效避免边沟的产生，进一步避免双峰效应和反窄沟道效应的产生。

参考图7，刻蚀所述开口203对应区域，形成浅沟槽205。

以刻蚀停止层220为掩膜刻蚀扩散氧化层208和衬底200形成浅沟槽205，刻蚀停止层220可以采用现有的刻蚀技术，比如化学刻蚀或等离子体刻蚀，在本发明的实施例中采用的是等离子体刻蚀法。

在采用等离子体刻蚀法刻蚀所述扩散氧化层207的步骤中，位于衬底200和衬垫氧化层208之间的部分204无法被刻蚀掉，从而被保留下来，在后续工艺中对隔离介质层形成保护。

在所述浅沟槽205表面形成介质保护层206。

参考图8，所述介质保护层206所选用的材料可以是二氧化硅，形成所述介质保护层的工艺可以是热氧化，也可以是高温化学气相沉积法，或者其他方法。在本发明的一个实施例中采用干氧氧化的方法形成所述介质保护层206，所述介质保护层206的厚度是150埃至300埃。

覆盖浅沟槽205的介质保护层206致密，抗腐蚀性强，用于修复刻蚀过程中在浅沟槽表面形成的缺陷，减小浅沟槽与后续形成的隔离介质层之间的应力，防止漏电，并且用于进一步保护后续形成的填充满所述浅沟槽205的隔离介质层207。

参考图9，形成覆盖所述刻蚀停止层表面且填充满所述浅沟槽的隔离介质层207。

隔离介质层207用于填充所述浅沟槽形成浅沟槽隔离结构，所述隔离介质层207所选用的材料可以为氧化硅，所述隔离介质层207的形成工艺可以是化学气相沉积工艺或者其他工艺，在本发明的一个实施例中，采用的是高密度等离子体辅助化学气相沉积法，通过上述方法形成的隔离介质层207致密，抗腐蚀性好。

需要说明的是，采用介质填充所述浅沟槽202后得到的所述隔离介质层207表面平整性比较差，所述的隔离介质层207表面形成有凹坑，需要在后续工艺中进行平坦化处理。

参考图10，对所述隔离介质层207进行平坦化处理直至暴露所述刻蚀停止层220。

本发明的一个实施例中平坦化处理用的是化学机械研磨法。

由于刻蚀停止层220的硬度大于隔离介质层207，所以经过化学机械研磨得到的表面不是平整的，与隔离介质层207位置对应的区域会形成一个凹口。

参考图11，去除所述刻蚀停止层220和所述衬垫氧化层210。

去除刻蚀停止层220的工艺和去除衬垫氧化层210的工艺可以为湿法去除工艺，对应的选取选择性去除刻蚀停止层220和选择性去除衬垫氧化层210的化学试剂，首先去除刻蚀停止层220，然后去除衬垫氧化层210。

所述刻蚀停止层220的材料选自氮化硅，所以在选择性去除刻蚀停止层220的工艺中不会去除隔离介质层207，从而隔离介质层207处形成比较高的台阶。

需要说明的是，在现有技术中，选择性去除衬垫氧化层210的工艺中，由于衬垫氧化层210的材料与隔离介质层207的材料都选自氧化硅，所以在去除衬垫氧化层210的过程中可能去除部分厚度的隔离介质层207，但是，在本发明中，在衬垫氧化层210和衬底200之间形成致密，抗腐蚀性强的扩散氧化层208，并且在浅沟槽205表面形成了致密，抗腐蚀性强的介质保护层206，所以本发明所提供的浅沟槽隔离结构形成方法在选择性去除衬垫氧化层210的工艺中，隔离介质层207得到很好的保护，不易被侵蚀，不容易形成边沟，从而避免了双峰效应和反窄沟道效应的产生。

图12是采用本发明所提供的浅沟槽隔离结构形成方法得到的晶体管的Vg-log(Id)曲线，横坐标对应于栅极电压，纵坐标对应于器件宽度归一化后漏极电流的对数，其中，栅极电压在0～5V的范为内，漏极电压为0.1V，源极电压为0V，线A2、线B2、线C2、线D2所对应的衬底电压分别为0V、-1V、-2V、-3V，沟道长度为0.5um，沟道宽度为20um。从图12可以明显看到，采用本发明所提供的浅沟槽隔离结构形成方法得到的晶体管没有双峰效应。

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

1.一种浅沟槽隔离结构形成方法，其特征在于，包括：

提供依次形成有衬垫氧化层和刻蚀停止层的衬底；

依次刻蚀所述刻蚀停止层、衬垫氧化层，直至暴露衬底，形成开口；

对所述开口暴露出来的衬底进行氧化，形成扩散氧化层，所述扩散氧化层沿暴露出来的衬底向四周扩散；

刻蚀所述开口对应区域，形成浅沟槽；

在所述浅沟槽表面形成介质保护层；

形成覆盖所述刻蚀停止层表面且填充满所述浅沟槽的隔离介质层；

对所述隔离介质层进行平坦化处理直至暴露所述刻蚀停止层；

去除所述刻蚀停止层和所述衬垫氧化层。

2.依据权利要求1所述的浅沟槽隔离结构形成方法，其特征在于，采用热氧化的方法形成所述扩散氧化层。

3.依据权利要求1或2所述的浅沟槽隔离结构形成方法，其特征在于，所述的扩散氧化层的材料为氧化硅。

4.依据权利要求1所述的浅沟槽隔离结构形成方法，其特征在于：所述所述扩散氧化层从开口暴露出来的衬底的位置开始沿衬垫氧化层厚度逐渐变薄。

5.依据权利要求1所述的浅沟槽隔离结构形成方法，其特征在于，所述介质保护层的材料是氧化硅。

6.依据权利要求1或5所述的浅沟槽隔离结构形成方法，其特征在于，采用热氧化的方法形成所述介质保护层。

7.依据权利要求1所述的浅沟槽隔离结构形成方法，其特征在于，所述隔离介质层的材料是氧化硅。

8.依据权利要求1或7所述的浅沟槽隔离结构形成方法，其特征在于，采用高密度等离子体辅助化学气相沉积法形成所述隔离介质层。

9.依据权利要求1所述的浅沟槽隔离结构形成方法，其特征在于，去除部分隔离介质层所用的方法是化学机械研磨法。

10.依据权利要求1所述的浅沟槽隔离结构形成方法，其特征在于，去除所述衬垫氧化层和所述刻蚀停止层的方法是湿法蚀法。