CN102468214A - 浅沟槽隔离结构及其形成方法 - Google Patents

Abstract

一种浅沟槽隔离结构形成方法包括：提供衬底；在所述衬底表面形成浅沟槽；在所述浅沟槽表面形成第一衬垫介质层；在所述第一衬垫介质层表面形成第二衬垫介质层；部分氧化所述第二衬垫介质层，形成第三衬垫介质层；形成填充满所述浅沟槽的隔离介质层。本发明中在浅沟槽表面所形成的第一衬垫介质层可以修复刻蚀衬底形成浅沟槽的过程中对浅沟槽表面造成的破坏，并且减小后续形成的第二衬垫介质层与浅沟槽表面的应力；本发明中所形成的第二衬垫介质层可以防止蒸汽退火过程中，水分子和氧原子扩散到有源区，并与硅发生氧化反应；本发明中所形成的形成第三衬垫介质层可以降低后续隔离介质层的沉积速率，提高浅沟槽隔离结构的性能。

Description

浅沟槽隔离结构及其形成方法

技术领域

本发明涉及半导体技术，特别涉及浅沟槽隔离结构及其形成方法。

背景技术

浅沟槽隔离技术(Shallow Trench Isolation，STI)是一种器件隔离技术。浅沟槽隔离结构制备的原理是将与浅沟槽对应的硅衬底表面刻蚀出沟槽，用化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)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，随着半导体工艺进入65纳米及其以下工艺节点时，浅沟槽的纵横比(Aspect Ratio，AR)会越来越大(通常会大于5)，采用传统的高密度等离子体技术进行隔离介质填充时极易在上述沟槽内形成空洞，而且离子轰击对器件有源区会造成较强的破坏。采用亚常压化学气相沉积(SACVD)技术可以实现填充介质的共形生长并且没有等离子体的轰击。例如，以四乙基硅氧烷和臭氧作为反应原料生长氧化硅，就可以实现沟槽的无空洞填充。但是在沟槽闭合的过程中，沟槽中央区域不可避免出现隙缝并且隙缝区域的氧化硅质量较其它区域差，在后续的清洗工艺中更容易被侵蚀，这对于器件的有效隔离是个不利的因素。一种解决上述问题的办法是，在沟槽闭合后，采用蒸汽退火的方法修复沟槽中央区域的隙缝，但是由于硅的氧化作用，蒸汽退火会导致硅的损耗，从而影响半导体器件的性能。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种可以避免硅的损耗的浅沟槽隔离结构形成方法。

为解决上述问题，本发明提供的浅沟槽隔离结构形成方法包括：提供衬底，所述衬底表面依次形成有衬垫氧化层和刻蚀停止层；依次刻蚀所述衬垫氧化层、刻蚀停止层和衬底，形成浅沟槽；在所述浅沟槽表面形成第一衬垫介质层；在所述第一衬垫介质层表面形成第二衬垫介质层；部分氧化所述第二衬垫介质层，形成第三衬垫介质层；形成填充满所述浅沟槽的隔离介质层。

优选地，所述第一衬垫介质层的材料是二氧化硅。

优选地，所述第一衬垫介质层的形成工艺是热氧化。

优选地，所述第一衬垫介质层的厚度是1-30nm。

优选地，所述第二衬垫介质层的材料选择的是氮化硅。

优选地，所述第二衬垫介质层的形成工艺是低压化学气相沉积法或者原子层沉积法。

优选地，所述第二衬垫介质层的厚度是1-30nm。

优选地，所述第三衬垫介质层的材料是氮氧化硅。

优选地，所述第三衬垫介质层的厚度是1-5nm。

优选地，所述隔离介质层的材料是二氧化硅。

优选地，所述隔离介质层的形成工艺是高密度等离子体辅助化学气相沉积技术或者亚常压化学气相沉积技术。

优选地，形成覆盖所述第三衬垫介质层，且填充满所述浅沟槽的隔离介质层的步骤包括：形成覆盖所述第三衬垫介质层，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，直至暴露刻蚀停止层的表面；去除所述刻蚀停止层。

相应地，本发明还提供一种浅沟槽隔离结构，包含形成于衬底内的浅沟槽，还包括：位于所述浅沟槽表面的第一衬垫介质层；位于第一衬垫介质层表面的第二衬垫介质层；位于第二衬垫介质层表面的第三衬垫介质层；填充满所述浅沟槽的隔离介质层。

优选地，所述第一衬垫介质层的材料是二氧化硅。

优选地，所述第一衬垫介质层的厚度是1-30nm。

优选地，所述第二衬垫介质层的材料是氮化硅。

优选地，所述第二衬垫介质层的厚度是1-30nm。

优选地，所述第三衬垫介质层的材料是氮氧化硅。

优选地，所述第三衬垫介质层的厚度是1-5nm。

优选地，所述隔离介质层的材料是二氧化硅。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

第一，本发明在浅沟槽表面形成第一衬垫介质层，所述第一衬垫介质层可以修复刻蚀衬底形成浅沟槽的过程中对浅沟槽表面造成的破坏，并且减小后续形成的第二衬垫介质层与浅沟槽表面的应力；

第二，本发明在所述第一衬垫介质层表面形成第二衬垫介质层，所述第二衬垫介质层结构致密，可以防止蒸汽退火过程中，水分子和氧原子扩散到有源区，并与硅发生氧化反应；

第三，本发明氧化所述第二衬垫介质层，形成第三衬垫介质层，所述第三衬垫介质层可以降低后续隔离介质层的沉积速率，提高浅沟槽隔离结构的性能。

附图说明

图1是本发明本发明所提供的浅沟槽隔离结构形成方法的流程示意图；

图2至图9是本发明所提供的浅沟槽隔离结构形成方法的一个实施例的剖面示意图。

具体实施方式

由背景技术得知，利用现有的浅沟槽隔离技术形成浅沟槽隔离结构容易造成硅的损耗，随着半导体器件节点的降低，硅的损耗所引起的半导体器件性能下降越来越明显。本发明的发明人经过研究发现，现有技术形成的浅沟槽隔离结构中所填充的隔离介质结构相对疏松，在后续蒸汽退火过程中，水分子和氧原子可以在隔离介质中扩散，并与有源区中的硅发生氧化反应，造成硅的损失，为此，本发明的发明人经过进一步研究，在本发明中提供一种可以有效避免硅的损耗的浅沟槽隔离结构形成方法。

图1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：

S101，提供衬底，所述衬底表面依次形成有衬垫氧化层和刻蚀停止层；

S102，依次刻蚀所述衬垫氧化层、刻蚀停止层和衬底，形成浅沟槽；

S103，在所述浅沟槽表面形成第一衬垫介质层；

S104，在所述第一衬垫介质层表面形成第二衬垫介质层；

S105，部分氧化所述第二衬垫介质层，形成第三衬垫介质层；

S106，形成填充满所述浅沟槽的隔离介质层。

本发明在浅沟槽表面形成第一衬垫介质层，所述第一衬垫介质层可以修复刻蚀衬底形成浅沟槽的过程中对浅沟槽表面造成的破坏，并且减小后续形成的第二衬垫介质层与浅沟槽表面的应力，并且所述第一衬垫介质层采用热氧化的方法形成，结构致密，耐腐蚀性强，可以对有源区的硅进行保护；此外，本发明在所述第一衬垫介质层表面形成第二衬垫介质层，所述第二衬垫介质层结构致密，可以防止蒸汽退火过程中，水分子和氧原子扩散到有源区，并与硅发生氧化反应，从而对浅沟槽表面的硅进行进一步的保护；同时，本发明氧化所述第二衬垫介质层，形成第三衬垫介质层，所述第三衬垫介质层可以降低后续隔离介质层的沉积速率，提高浅沟槽隔离结构的性能。

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2，提供衬底200，所述衬底表面依次形成有衬垫氧化层210和刻蚀停止层220。

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所述刻蚀停止层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3，依次刻蚀所述衬垫氧化层210、刻蚀停止层220和衬底200，形成浅沟槽201。

在所述衬底200表面形成浅沟槽201的步骤包括：

用旋涂法在刻蚀停止层220表面形成光刻胶层(未图示)，经过曝光、显影等工艺，在光刻胶层上形成开口，所述开口定义了浅沟槽的位置和宽度；

以光刻胶层为掩模，经由开口，依次刻蚀所述刻蚀停止层220和衬垫氧化层210，露出半导体衬底200，预形成浅沟槽的区域；

以刻蚀停止层220为掩膜，刻蚀半导体衬底200至预定深度，形成浅沟槽201。

所述刻蚀工艺可以采用现有的刻蚀工艺，比如，等离子体刻蚀法，刻蚀得到的浅沟槽的形状可以是U形，凹形或者V形，优选地，所形成的浅沟槽的形状是V形，可以通过控制刻蚀工艺的参数控制得到的浅沟槽的形状。

参考图4，在所述浅沟槽201表面形成第一衬垫介质层202。

所述第一衬垫介质层202采用热氧化的工艺氧化所述浅沟槽表面的硅形成，比如干氧氧化或者湿氧氧化工艺，所述第一衬垫介质层202的材料是二氧化硅。在刻蚀衬底形成浅沟槽201的过程中，浅沟槽201表面的受到破坏，采用热氧化的工艺氧化所述浅沟槽表面的硅的过程中，可以对被破坏的浅沟槽表面有所修复，所形成的二氧化硅结构致密，抗腐蚀性好，并且可以减小后续形成的第二衬垫介质层与浅沟槽表面的应力。所述第一衬垫介质层202的厚度范围是1-30nm，优选地，所述第一衬垫介质层202的厚度是5nm，可以通过控制热氧化的工艺参数，控制所述第一衬垫介质层的厚度。

参考图5，在所述第一衬垫介质层202表面以及刻蚀停止层220表面形成第二衬垫介质层203。

所述第二衬垫介质层203的材料选择的是氮化硅，第二衬垫介质层203的形成工艺是低压化学气相沉积法或者原子层沉积法。所述第二衬垫介质层203结构致密、防水性好。可以有效防止后续蒸汽退火中，水分子或者氧原子穿过第二衬垫介质层203与有源区的硅发生化学反应，从而避免了硅的损耗。此外，因为所述第二衬垫介质层203的硬度比较大，所以如果后续步骤中采用高密度等离子辅助化学气相沉积法沉积介质材料填充所述浅沟槽201，第二衬垫介质层203也可以保护浅沟槽201的表面不被等离子体损伤。

所述第二衬垫介质层203的厚度的范围是1-30nm，优选地，所述第二衬垫介质层203的厚度是5nm。可以通过沉积工艺的参数控制所述所述第二衬垫介质层203的厚度。

参考图6，部分氧化所述第二衬垫介质层203，形成第三衬垫介质层204。

所述氧化工艺可以选择氧化炉进行，所生长的第三衬垫介质层204的材料是氮氧化硅，可以通过控制氧化工艺的参数控制所述第二衬垫介质层203的厚度，所述第三衬垫介质层204的厚度的范围是1-5nm，优选地，所述第三衬垫介质层204的厚度是3nm。

所述第三衬垫介质层204的材料是氮氧化硅，因为氮氧化硅表面的悬挂键比较少，所以可以使后续采用亚常压化学气相沉积技术沉积隔离介质层的沉积速率降低，沉积速率降低可以减小后续沉积隔离介质层填充浅沟槽的步骤中浅沟槽内不同高度处的沉积速率差，从而减少填充介质内的缝隙和空隙，以提高浅沟槽隔离结构的性能。此外，所形成的第三衬垫介质层204与后续形成的隔离介质层之间界面光滑，可以进一步提高浅沟槽隔离结构的性能。

参考图7至图9为形成填充满所述浅沟槽201的隔离介质层205的步骤的过程示意图。

具体地，形成所述隔离介质层205的工艺可以选择现有的沉积技术。

具体地，若选择高密度等离子体辅助化学气相沉积技术形成所述隔离介质层205，因为已经在所述浅沟槽201表面形成第一衬垫介质层202和第二衬垫介质层203，所以在高密度等离子体辅助气相沉积技术的过程中，所形成的第一衬垫介质层202和第二衬垫介质层203可以保护有源区表面不被高密度等离子体损伤。

若选择亚常压化学气相沉积技术形成所述隔离介质层205，所形成的第一衬垫介质层202和第二衬垫介质层203可以防止水分子进入有源区，从而保护有源区的硅原子不在后续蒸汽退火过程中被氧化。

所述的隔离介质层205的材料可以选择电绝缘性好，可以与氮氧化硅形成良好界面的介质材料，比如二氧化硅。

形成所述隔离介质层205的步骤，具体包括：

如图7所示，形成覆盖所述第三衬垫介质层204，且填充满所述浅沟槽201的隔离介质层205。

因为浅沟槽201处有高度差，所以在沉积所述隔离介质层205的步骤中，浅沟槽201对应的区域会形成一个凹口，所形成的隔离介质层205表面不平坦。

如图8所示，对所述隔离介质层205进行平坦化处理，比如采用化学机械研磨法对所述隔离介质层205进行平坦化处理，直至暴露刻蚀停止层220的表面。

随后，如图9所示，去除所述刻蚀停止层220，去除刻蚀停止层220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化学试剂，因为刻蚀停止层220的材料选择的是氮化硅，所以可以选择含磷酸的试剂去除所述刻蚀停止层220。在去除刻蚀停止层220的过程中，第二衬垫介质层203被去除，第三衬垫介质层204被部分去除，隔离介质层205不被破坏。

相应地，本发明还提供通过本发明所提供的浅沟槽隔离结构形成方法所形成的浅沟槽隔离结构。

请参考图9，本发明所提供的浅沟槽隔离结构包含形成于衬底200内的浅沟槽201，还包括：位于所述浅沟槽201表面的第一衬垫介质层202；位于第一衬垫介质层202表面的第二衬垫介质层203；位于第二衬垫介质层203表面的第三衬垫介质层204；填充满所述浅沟槽201的隔离介质层205。

其中，所述第一衬垫介质层202的材料是二氧化硅，所述第一衬垫介质层202的厚度是1-30nm。

所述第二衬垫介质层203的材料是氮化硅，所述第二衬垫介质层203的厚度是1-30nm。

所述第三衬垫介质层204的材料是氮氧化硅，所述第三衬垫介质层204的厚度是1-5nm。

所述隔离介质层205的材料是二氧化硅。

综上，本发明和现有技术相比，有下述优点：

第一，本发明在浅沟槽表面形成第一衬垫介质层，所述第一衬垫介质层可以修复刻蚀衬底形成浅沟槽的过程中对浅沟槽表面造成的破坏，并且减小后续形成的第二衬垫介质层与浅沟槽表面的应力；

第二，本发明在所述第一衬垫介质层表面形成第二衬垫介质层，所述第二衬垫介质层结构致密，可以防止蒸汽退火过程中，水分子和氧原子扩散到有源区，并与硅发生氧化反应；

第三，本发明氧化所述第二衬垫介质层，形成第三衬垫介质层，所述第三衬垫介质层可以降低后续隔离介质层的沉积速率，提高浅沟槽隔离结构的性能。

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 (20)

1.一种浅沟槽隔离结构形成方法，其特征在于，包括：

提供衬底，所述衬底表面依次形成有衬垫氧化层和刻蚀停止层；

依次刻蚀所述衬垫氧化层、刻蚀停止层和衬底，形成浅沟槽；

在所述浅沟槽表面形成第一衬垫介质层；

在所述第一衬垫介质层表面形成第二衬垫介质层；

部分氧化所述第二衬垫介质层，形成第三衬垫介质层；

形成填充满所述浅沟槽的隔离介质层。

2.依据权利要求1的浅沟槽隔离结构形成方法，其特征在于，所述第一衬垫介质层的材料是二氧化硅。

3.依据权利要求2的浅沟槽隔离结构形成方法，其特征在于，所述第一衬垫介质层的形成工艺是热氧化。

4.依据权利要求3的浅沟槽隔离结构形成方法，其特征在于，所述第一衬垫介质层的厚度是1-30nm。

5.依据权利要求1至4的任意一项的浅沟槽隔离结构形成方法，其特征在于，所述第二衬垫介质层的材料选择的是氮化硅。

6.依据权利要求5的浅沟槽隔离结构形成方法，其特征在于，所述第二衬垫介质层的形成工艺是低压化学气相沉积法或者原子层沉积法。

7.依据权利要求5的浅沟槽隔离结构形成方法，其特征在于，所述第二衬垫介质层的厚度是1-30nm。

8.依据权利要求7的浅沟槽隔离结构形成方法，其特征在于，所述第三衬垫介质层的材料是氮氧化硅。

9.依据权利要求8的浅沟槽隔离结构形成方法，其特征在于，所述第三衬垫介质层的厚度是1-5nm。

10.依据权利要求8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二氧化硅。

11.依据权利要求10的浅沟槽隔离结构形成方法，其特征在于，形成覆盖所述第三衬垫介质层，且填充满所述浅沟槽的隔离介质层的步骤包括：

形成覆盖所述第三衬垫介质层，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，直至暴露刻蚀停止层的表面；

去除所述刻蚀停止层。

12.依据权利要求10的浅沟槽隔离结构形成方法，其特征在于，所述隔离介质层的形成工艺是高密度等离子体辅助化学气相沉积技术或者亚常压化学气相沉积技术。

13.一种浅沟槽隔离结构，包含形成于衬底内的浅沟槽，其特征在于，还包括：

位于所述浅沟槽表面的第一衬垫介质层；

位于第一衬垫介质层表面的第二衬垫介质层；

位于第二衬垫介质层表面的第三衬垫介质层；

填充满所述浅沟槽的隔离介质层。

14.依据权利要求13的浅沟槽隔离结构，其特征在于，所述第一衬垫介质层的材料是二氧化硅。

15.依据权利要求14的浅沟槽隔离结构，其特征在于，所述第一衬垫介质层的厚度是1-30nm。

16.依据权利要求14的浅沟槽隔离结构，其特征在于，所述第二衬垫介质层的材料是氮化硅。

17.依据权利要求16的浅沟槽隔离结构，其特征在于，所述第二衬垫介质层的厚度是1-30nm。

18.依据权利要求16的浅沟槽隔离结构，其特征在于，所述第三衬垫介质层的材料是氮氧化硅。

19.依据权利要求18的浅沟槽隔离结构，其特征在于，所述第三衬垫介质层的厚度是1-5nm。

20.依据权利要求18的浅沟槽隔离结构，其特征在于，所述隔离介质层的材料是二氧化硅。

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