CN104319257B - 一种浅沟槽隔离结构的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种浅沟槽隔离结构的制造方法，在浅沟槽中部分填充前一介质层之后，再利用光刻胶自对准保护浅沟槽内形成的前一介质层，刻蚀掉硬掩膜层上的多余前一介质层，减小后一介质层填充时的浅沟槽深宽比(aspect ratio)，极大的减少了填充空洞等缺陷，降低浅沟槽填充的工艺难度。

Description

一种浅沟槽隔离结构的制造方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种浅沟槽隔离结构的制造方法。

背景技术

完整的电路是由分离的器件通过特定的电学通路连接起来的，在集成电路制造工艺中必须把器件隔离开，隔离不好会造成漏电、闩锁效应等。因此，隔离技术是集成电路制造中的一项关键技术。现有的隔离工艺通常包括局部硅氧化工艺(LOCOS)和浅沟槽隔离工艺(Shallow trench isolation，STI)。LOCOS工艺操作简单，其在微米及亚微米工艺中得到了广泛应用，但LOCOS工艺具有一系列缺点，例如，边氧化会形成鸟嘴(bird’s break)，使场二氧化硅侵入有源区，导致有源区有效面积减少；场注入在高温氧化过程中发生再分布，引起有源器件的窄宽度效应(narrow width effect)；线宽越小，场氧越薄；表面形状不平坦。为了减小LOCOS工艺带来的这些负面效果，出现了一些改进的LOCOS工艺。然而，随着器件向深亚微米级发展，改进的LOCOS工艺仍然存在鸟嘴问题以及场氧减薄效应，因此出现了STI工艺。STI工艺克服了LOCOS工艺的局限性，其具有优异的隔离性能、超强的闩锁保护能力、平坦的表面形状、对沟槽没有侵蚀且与化学机械抛光(CMP)技术兼容。因此，在0.25μm及以下的工艺，都使用STI隔离工艺。STI工艺的流程主要包括沟槽的刻蚀、填充和CMP平坦化。使用STI工艺的半导体器件中会遇到反窄宽度效应(inverse narrow width effect，INWE)，主要表现为器件的阈值电压随器件沟道宽度的减小而减小。造成I NWE的原因是尖锐的沟槽顶角使栅电场变得集中，导致沟槽边缘产生了一个跟有源器件平行的低阈值通路。随着器件尺寸的减小，INWE已经成为制约器件性能的重要因素。

现有技术中制作STI结构过程中，通常采用氮化硅作为STI沟槽刻蚀的硬质掩膜层，刻蚀出STI沟槽，然后向沟槽中填充氧化硅，形成浅STI结构(如图1所示)。随着IC关键尺寸的减小，STI填充变得愈加困难，很容易出现填充空洞(void，如图1中10)，降低STI结构的隔离效果，降低器件性能。

因此，需要一种新的浅沟槽隔离结构的制作工艺，以避免上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种浅沟槽隔离结构的制造方法，降低浅沟槽填充工艺难度，避免填充空洞产生，提供器件性能。

为解决上述问题，本发明提供一种浅沟槽隔离结构的制造方法，包括浅沟槽刻蚀步骤以及光阻层和介质层交替填充步骤，所述浅沟槽刻蚀步骤包括：在一半导体衬底上形成具有浅沟槽图案的硬掩膜层，以所述硬掩膜层为掩膜，刻蚀所述半导体衬底形成浅沟槽；所述光阻层和介质层交替填充步骤至少包括一次介质层部分填充、光阻层填充以及介质层再填充组成的过程，其中，

所述介质层部分填充包括:在所述浅沟槽中部分填充前一介质层，所述前一介质层在浅沟槽中的厚度低于所述浅沟槽的深度；

所述光阻层填充包括：在部分填充有所述前一介质层的浅沟槽内填满光阻层，并去除硬掩膜层表面上多余的前一介质层；

所述介质层再填充包括：去除所述光阻层，在所述浅沟槽中部分填充后一介质层，若所述后一介质层填满所述浅沟槽，则进行顶部化学机械平坦化以形成浅沟槽隔离结构；若所述后一介质层未填满所述浅沟槽，则继续光阻层填充和介质层再填充组成的过程，直至介质层再填充过程的介质层填满所述浅沟槽。

进一步的，所述硬掩膜层为氮化硅、氮氧化硅、非晶碳、氮化硼、氮化钛中的至少一种，所述硬掩膜层为单层结构或者由不同材质形成的多层堆叠结构。

进一步的，在所述浅沟槽内填充的光阻层的顶部不低于硬掩膜层表面。

进一步的，第一次在所述浅沟槽中部分填充介质层之前，还在所述浅沟槽中填充内衬层。

进一步的，所述第一次部分填充的介质层在所述浅沟槽底部的厚度大于浅沟槽深度的10％。

进一步的，在所述浅沟槽中部分填充的前一介质层覆盖所述浅沟槽的内侧壁和底部，所述方法还包括：在所述浅沟槽内填充光阻层之前或者去除所述浅沟槽内的光阻层之后，对所述浅沟槽内侧壁的前一介质层进行回拉刻蚀以增大所述浅沟槽的开口。

进一步的，所述前一介质层位于浅沟槽侧壁的宽度大于所述前一介质层的回拉刻蚀的距离大于

进一步的，填充在所述浅沟槽中的各层介质层的材质完全相同、部分相同或者完全不同。

进一步的，所述填充在所述浅沟槽中的介质层分别为氧化硅或者氮氧化硅或者氮化层和氧化硅层堆叠而成的结构。

与现有技术相比，本发明提供的浅沟槽隔离结构的制造方法，在浅沟槽中部分填充前一介质层之后，再利用光刻胶自对准保护浅沟槽内形成的前一介质层，刻蚀掉硬掩膜层上的多余前一介质层，减小后一介质层填充时的浅沟槽深宽比(aspect ratio)，极大的减少了填充空洞等缺陷，降低浅沟槽填充的工艺难度。

附图说明

图1是现有技术中一种浅沟槽隔离结构制造过程中的器件剖面结构示意图；

图2为本发明具体实施例的浅沟槽隔离结构的制造方法流程图；

图3A至3D为本发明具体实施例的浅沟槽隔离结构制造方法中的器件剖面结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，然而，本发明可以用不同的形式实现，不应认为只是局限在所述的实施例。

本发明提供一种浅沟槽隔离结构的制造方法，包括浅沟槽刻蚀步骤以及光阻层和介质层交替填充步骤，所述浅沟槽刻蚀步骤包括：在一半导体衬底上形成具有浅沟槽图案的硬掩膜层，以所述硬掩膜层为掩膜，刻蚀所述半导体衬底形成浅沟槽；所述光阻层和介质层交替填充步骤至少包括一次介质层部分填充、光阻层填充以及介质层再填充组成的过程，其中，

所述介质层部分填充包括:在所述浅沟槽中部分填充前一介质层，所述前一介质层在浅沟槽中的厚度低于所述浅沟槽的深度；

所述光阻层填充包括：在部分填充有所述前一介质层的浅沟槽内填满光阻层，并去除硬掩膜层表面上多余的前一介质层；

所述介质层再填充包括：去除所述光阻层，在所述浅沟槽中部分填充后一介质层，若所述后一介质层填满所述浅沟槽，则进行顶部化学机械平坦化以形成浅沟槽隔离结构；若所述后一介质层未填满所述浅沟槽，则继续光阻层填充和介质层再填充组成的过程，直至介质层再填充过程的介质层填满所述浅沟槽。

下面以所述光阻层和介质层交替填充步骤只包括一次介质层部分填充、光阻层填充以及介质层再填充组成的过程为例，来详细描述本发明的浅沟槽隔离结构的制造方法。

请参考图2，本发明提供一种浅沟槽隔离结构的制造方法，包括以下步骤：

S1，在一半导体衬底上形成具有浅沟槽图案的硬掩膜层，以所述硬掩膜层为掩膜，刻蚀所述半导体衬底形成浅沟槽；

S2，在所述硬掩膜层表面以及浅沟槽表面形成第一介质层，所述第一介质层在浅沟槽底部的厚度低于所述浅沟槽的深度；

S3，在所述浅沟槽内填充光阻层，去除硬掩膜层表面上多余的第一介质层；

S4，采用第二介质层填满所述浅沟槽，以形成浅沟槽隔离结构。

其中，步骤S1为浅沟槽刻蚀步骤，步骤S2至S4为所述光阻层和介质层交替填充步骤，包括一次介质层部分填充、光阻层填充以及介质层再填充组成的过程。

请参考图3A，在步骤S1中，提供一纯硅基底或者一绝缘体上硅基底做半导体衬底200，在所述半导体衬底200采用化学气相沉积工艺沉积形成硬掩膜层201，硬掩膜层201可以是单层结构，也可以是多层堆叠结构，其材质可以是氮化硅、氮氧化硅、非晶碳、氮化硼、氮化钛等中的一种或多种。其厚度大于 以硬掩膜层201为掩膜，刻蚀半导体衬底200形成浅沟槽图案202。

请参考图3B，在步骤S2中，采用高密度氧化硅沉积工艺，在所述硬掩膜层201以及浅沟槽202表面沉积第一介质层203(即前一介质层)，所述第一介质层覆盖所述浅沟槽的内侧壁和底部，且其在所述浅沟槽底部的厚度大于浅沟槽深度的10％，即第一介质层201部分填充浅沟槽202。在本发明其他实施例中，所述第一介质层203还可以为氮化硅和氧化硅堆叠而成的双层结构，或者氧化硅、氮化硅、氧化硅依次堆叠而成的三层结构。较佳地，在步骤S2之前，即在所述浅沟槽202中部分填充第一介质层203之前，还可以通过氮化处理工艺、氧化处理工艺或者化学气相沉积工艺，在浅沟槽202中形成内衬层(未图示)。

请参考图3B和3C，在步骤S3中，首先在第一介质层201表面上形成光阻层204，接着回刻蚀光阻层204至其顶部与硬掩膜层201顶部相持平，以增大浅沟槽202的开口宽度至满足后续的第二介质层填充工艺要求；然后去除硬掩膜201表面上多余的第一介质层201。在本发明的其他实施中，光阻层回拉刻蚀的速率大于第一介质层203的回拉刻蚀速率，当所述光阻层204的回拉距离足够大时(所述光阻层204的回拉距离大于)，第一介质层的顶部和侧壁也被回拉刻蚀掉一部分，形成阶梯状结构(未图示)，在进一步增大后续介质层填充工艺窗口的同时，还为后续提升圆角工艺的效果做下铺垫，同时增加了现有技术中硬掩膜层的回拉距离，保证了所露出的半导体衬底硅的量，由此可以避免经过后续栅极刻蚀工艺后，浅沟槽隔离结构与半导体衬底200表面接触的位置出现凹坑缺陷。

较佳的，在所述浅沟槽内填充光阻层之前或者去除所述浅沟槽内的光阻层之后，对所述浅沟槽内侧壁的前一介质层的侧壁进行回拉刻蚀以增大所述浅沟槽的开口。进一步的，所述前一介质层位于浅沟槽侧壁的宽度大于所述前一介质层的回拉刻蚀的距离大于进一步增大后续介质层的填充工艺窗口，减小后续介质层填充时的浅沟槽深宽比(aspect ratio，避免后续填充工艺中出现的填充空洞等缺陷，降低浅沟槽填充的工艺难度。

请继续参考图3B和3C，进一步的，在回拉刻蚀后，采用氮基等离子体处理工艺处理所述第一介质层203侧壁，在其侧壁表面形成一层氮氧化硅SiON，进一步的增强第一介质层203侧壁的介质密度。

请参考图3D，在步骤S4中，首先，去除浅沟槽内剩余的填充光阻层；然后采用化学沉积工艺向所述浅沟槽中沉积第二介质层205(即后续填充的介质层)至填满浅沟槽，采用第二介质层205继续部分填充所述浅沟槽202之后，所述第二介质层205与所述第一介质层203在浅沟槽位置的填充总厚度不低于所述浅沟槽的深度；接着，进行第二介质层205的顶部化学机械平坦化，去除硬掩膜层201表面多余第二介质层205，形成浅沟槽隔离结构202a。

在本发明的其他实施例中，当采用第二介质层205填充所述浅沟槽202之后，第二介质层205与第一介质层203在浅沟槽位置的填充总厚度低于所述浅沟槽的深度时，在所述浅沟槽内继续重复介质层部分填充——光阻层填充——介质层再填充组成的过程，直至所述第二介质层205与所述第一介质层203在浅沟槽位置的填充总厚度不低于所述浅沟槽的深度为止。

在本发明的实施例中，填充在所述浅沟槽中的各层介质层的材质可以完全相同，也可以部分相同或者完全不同。例如，所述第一介质层和第二介质层均为氧化硅。

综上所述，本发明提供的浅沟槽隔离结构的制造方法，在浅沟槽中部分填充前一介质层之后，再利用光刻胶自对准保护浅沟槽内形成的前一介质层，刻蚀掉硬掩膜层上的多余前一介质层，减小后一介质层填充时的浅沟槽深宽比(aspect ratio)，极大的减少了填充空洞等缺陷，降低浅沟槽填充的工艺难度。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于，包括浅沟槽刻蚀步骤以及光阻层和介质层交替填充步骤，所述浅沟槽刻蚀步骤包括：在一半导体衬底上形成具有浅沟槽图案的硬掩膜层，以所述硬掩膜层为掩膜，刻蚀所述半导体衬底形成浅沟槽；所述光阻层和介质层交替填充步骤至少包括一次介质层部分填充、光阻层填充以及介质层再填充组成的过程，其中，

所述介质层部分填充包括：在所述浅沟槽中部分填充前一介质层，所述前一介质层在浅沟槽中的厚度低于所述浅沟槽的深度；

所述光阻层填充包括：在部分填充有所述前一介质层的浅沟槽内填满光阻层，并去除硬掩膜层表面上的多余前一介质层；

所述介质层再填充包括：去除所述光阻层，在所述浅沟槽中部分填充后一介质层，若所述后一介质层填满所述浅沟槽，则进行顶部化学机械平坦化以形成浅沟槽隔离结构；若所述后一介质层未填满所述浅沟槽，则继续光阻层填充和介质层再填充组成的过程，直至介质层再填充过程的介质层填满所述浅沟槽；

在所述浅沟槽内填充光阻层之前或者去除所述浅沟槽内的光阻层之后，对所述浅沟槽内侧壁的前一介质层进行回拉刻蚀以增大所述浅沟槽的开口。

2.如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于，所述硬掩膜层为氮化硅、氮氧化硅、非晶碳、氮化硼、氮化钛中的至少一种，所述硬掩膜层为单层结构或者由不同材质形成的多层堆叠结构。

3.如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于，在所述浅沟槽内填充的光阻层的顶部不低于硬掩膜层表面。

4.如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于，第一次在所述浅沟槽中部分填充介质层之前，还在所述浅沟槽中填充内衬层。

5.如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于，所述第一次部分填充的介质层在所述浅沟槽底部的厚度大于浅沟槽深度的10％。

6.如权利要求5所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于，在所述浅沟槽中部分填充的前一介质层覆盖所述浅沟槽的内侧壁和底部。

7.如权利要求6所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于，所述前一介质层位于浅沟槽侧壁的宽度大于所述前一介质层的回拉刻蚀的距离大于

8.如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于，填充在所述浅沟槽中的各层介质层的材质完全相同、部分相同或者完全不同。

9.如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于，所述填充在所述浅沟槽中的介质层分别为氧化硅或者氮氧化硅或者氮化层和氧化硅层堆叠而成的结构。