CN105448820A - 形成有源区的方法及半导体器件 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种形成有源区的方法及半导体器件。其中，该方法包括以下步骤：形成基体结构，包括形成有浅沟槽的衬底，形成于相邻浅沟槽之间的衬底中的预备有源区，以及形成于衬底表面上的掩膜层，且掩膜层中形成有与浅沟槽的位置对应且宽度大于浅沟槽的宽度的通孔；在浅沟槽中形成上表面低于衬底的上表面的第一隔离介质层；沿通孔刻蚀去除预备有源区的两侧边角；沿通孔对预备有源区进行氧化处理，以形成具有圆角部的有源区；在通孔中形成与第一隔离介质层相连接的第二隔离介质层。该方法能够形成具有圆形边角的有源区，从而增加形成于有源区中有源器件的有效沟道宽度，并提高有源器件的工作电流。

Description

形成有源区的方法及半导体器件

技术领域

本发明涉及半导体集成电路的制作工艺，尤其涉及一种形成有源区的方法及半导体器件。

背景技术

在半导体器件的制作过程中，需要在衬底中定义有源区的位置，然后在有源区中形成晶体管等有源器件。当有源器件处于工作状态时，有源区中会形成导电沟道，且随着导电沟道长度的减小或导电沟道宽度的增加，有源器件的工作电流会随之增加。目前，通常采用浅沟槽隔离技术(ShallowTrenchIsolation，STI)定义有源区的位置，即在衬底中形成沟槽隔离结构，并将相邻沟槽隔离结构之间的衬底作为有源区。

在图1至图4中示出了现有技术中形成有源区的方法。该方法包括以下步骤：首先，在衬底10′的表面上形成包括依次形成的SiO₂层21′和Si₃N₄层23′的掩膜层20′，并依次刻蚀掩膜层20′和衬底10′，以在衬底10′中形成浅沟槽30′，并将相邻浅沟槽30′之间的衬底10′作为有源区40′，进而形成如图1所述的基体结构；然后，回蚀掩膜层20′以在掩膜层20′中形成宽度大于浅沟槽30′的宽度的通孔50′，进而形成如图2所示的基体结构；接下来，在浅沟槽30′的侧壁上形衬垫氧化物层61′，并在浅沟槽30′和通孔50′中形成隔离介质层63′以形成沟槽隔离结构60′，进而形成如图3所示的基体结构；最后，去除掩膜层20′，进而形成如图4所示的基体结构。

由现有技术可知，具有圆形边角的有源区能够增加有源器件的有效沟道宽度。然而，上述方法所形成的有源区具有近乎直角的边角，从而无法增加有源器件的有效沟道宽度，进而无法提高有源器件的工作电流。同时，在上述制作方法中隔离介质层通过一次沉积工艺形成，使得隔离介质层与浅沟槽之间的结合力不高，进而影响沟槽隔离结构的隔离效果。针对上述问题，目前还没有有效的解决方法。

发明内容

本申请旨在提供一种形成有源区的方法及半导体器件，以形成具有圆形边角的有源区，从而增加形成于有源区中有源器件的有效沟道宽度，并提高有源器件的工作电流。

为此，本申请提供了一种形成有源区的方法，该方法包括以下步骤：形成基体结构，包括形成有浅沟槽的衬底，形成于相邻浅沟槽之间的衬底中的预备有源区，以及形成于衬底表面上的掩膜层，且掩膜层中形成有与浅沟槽的位置对应且宽度大于浅沟槽的宽度的通孔；在浅沟槽中形成上表面低于衬底的上表面的第一隔离介质层；沿通孔刻蚀去除预备有源区的两侧边角；沿通孔对预备有源区进行氧化处理，以形成具有圆角部的有源区；在通孔中形成与第一隔离介质层相连接的第二隔离介质层，且第一隔离介质层和第二隔离介质层构成隔离介质层。

进一步地，形成基体结构的步骤包括：在衬底的表面上形成掩膜层；依次刻蚀掩膜层和衬底，以在衬底中形成浅沟槽，并将相邻浅沟槽之间的衬底作为预备有源区；回蚀掩膜层以形成通孔。

进一步地，在形成掩膜层的步骤中，形成包括依次形成的SiO₂层和Si₃N₄层的掩膜层。

进一步地，在回蚀掩膜层的步骤中，形成宽度为浅沟槽宽度的1.2～2倍的通孔。

进一步地，形成第一隔离介质层的步骤包括：形成覆盖浅沟槽、通孔和掩膜层的第一隔离介质预备层；平坦化去除掩膜层上的第一隔离介质预备层；刻蚀第一隔离介质预备层至第一隔离介质预备层的上表面低于衬底的上表面，并将剩余第一隔离介质预备层作为第一隔离介质层。

进一步地，在形成第一隔离介质层的步骤中，形成上表面与衬底的上表面之间的高度差为浅沟槽高度的1/10～1/4的第一隔离介质层。

进一步地，刻蚀预备有源区的工艺为湿法刻蚀工艺。

进一步地，衬底为单晶硅；在刻蚀预备有源区的步骤中，采用氢氧化钾溶液或四甲基氢氧化铵溶液对预备有源区进行刻蚀。

进一步地，对预备有源区进行氧化处理的工艺为热氧化工艺。

进一步地，形成第二隔离介质层的步骤包括：形成覆盖通孔和掩膜层的第二隔离介质预备层；平坦化去除掩膜层上的第二隔离介质预备层，并将剩余第二隔离介质预备层作为第二隔离介质层。

本申请还提供了一种半导体器件，包括有源区和设置于有源区中的晶体管，其特征在于，有源区由本申请上述的方法制成。

应用本申请的技术方案，本申请通过在相邻浅沟槽之间的衬底中形成预备有源区，刻蚀去除预备有源区的两侧边角，以及对预备有源区进行氧化处理，从而形成了具有圆角部的有源区，进而增加了后续形成于有源区中的有源器件的有效沟道宽度，并提高了有源器件的工作电流。同时，本申请通过在浅沟槽中形成上表面低于衬底的上表面的第一隔离介质层，以及形成与第一隔离介质层相连接的第二隔离介质层，从而通过两次沉积工艺形成了由第一隔离介质层和第二隔离介质层构成的沟槽隔离结构，进而提高了隔离介质层与浅沟槽之间的结合力不高，并提高了沟槽隔离结构的隔离效果。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了在现有形成有源区的方法中，在衬底的表面上形成包括依次形成的SiO₂层和Si₃N₄层的掩膜层，并依次刻蚀掩膜层和衬底，以在衬底中形成浅沟槽，并将相邻浅沟槽之间的衬底作为有源区后的基体剖面结构示意图；

图2示出了回蚀图1所示的掩膜层以在掩膜层中形成宽度大于浅沟槽的宽度的通孔后的基体剖面结构示意图；

图3示出了在图2所示的浅沟槽的侧壁上形成衬垫氧化物层，并在浅沟槽和通孔中形成隔离介质层以形成沟槽隔离结构后的基体剖面结构示意图；

图4示出了去除图3所示的掩膜层后的剖面结构示意图；

图5示出了本申请实施方式所提供的形成有源区的方法的流程示意图；

图6示出了在本申请实施方式所提供的形成有源区的方法中，形成基体结构后的基体剖面结构示意图；

图7示出了形成覆盖图6所示的浅沟槽、通孔和掩膜层的第一隔离介质预备层，并平坦化去除掩膜层上的第一隔离介质预备层后的基体剖面结构示意图；

图8示出了刻蚀图7所示的第一隔离介质预备层至第一隔离介质预备层的上表面低于衬底的上表面，并将剩余第一隔离介质预备层作为第一隔离介质层后的基体剖面结构示意图；

图9示出了沿图8所示的通孔刻蚀去除预备有源区的两侧边角后的基体剖面结构示意图；

图10示出了沿图9所示的通孔对预备有源区进行氧化处理，以形成具有圆角部的有源区后的基体剖面结构示意图；

图11示出了在图10所示的通孔中形成与第一隔离介质层相连接的第二隔离介质层，且第一隔离介质层和第二隔离介质层构成隔离介质层；以及

图12示出了去除图11所示的掩膜层后的基体剖面结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请的具体实施方式，对本申请的技术方案进行详细的说明，但如下实施例仅是用以理解本申请，而不能限制本申请，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，本申请可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

由背景技术可知，现有方法所形成有源区具有近乎直角的边角，从而无法增加有源器件的有效沟道宽度，进而无法提高有源器件的工作电流。本申请的发明人人针对上述问题进行研究，提出了一种形成有源区的方法。如图5所示，该方法包括以下步骤：形成基体结构，包括形成有浅沟槽的衬底，形成于相邻浅沟槽之间的衬底中的预备有源区，以及形成于衬底表面上的掩膜层，且掩膜层中形成有与浅沟槽的位置对应且宽度大于浅沟槽的宽度的通孔；在浅沟槽中形成上表面低于衬底的上表面的第一隔离介质层；沿通孔刻蚀去除预备有源区的两侧边角；沿通孔对预备有源区进行氧化处理，以形成具有圆角部的有源区；在通孔中形成与第一隔离介质层相连接的第二隔离介质层，且第一隔离介质层和第二隔离介质层构成隔离介质层。

上述方法通过在相邻浅沟槽之间的衬底中形成预备有源区，刻蚀去除预备有源区的两侧边角，以及对预备有源区进行氧化处理，从而形成了具有圆角部的有源区，进而增加了后续形成于有源区中有源器件的有效沟道宽度，并提高了有源器件的工作电流。同时，本申请通过在浅沟槽中形成上表面低于衬底的上表面的第一隔离介质层，以及形成与第一隔离介质层相连接的第二隔离介质层，从而通过两次沉积工艺形成了由第一隔离介质层和第二隔离介质层构成的沟槽隔离结构，进而提高了隔离介质层与浅沟槽之间的结合力，并提高了沟槽隔离结构的隔离效果。

下面将更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

图6至图12示出了本申请实施方式所提供的形成有源区的方法中，经过每一步骤后形成基体的剖面结构示意图。下面将结合图6至图12进一步解释本申请实施方式所提供的形成有源区的方法。

首先，形成基体结构，包括形成有浅沟槽30的衬底10，形成于相邻浅沟槽30之间的衬底10中的预备有源区40′，以及形成于衬底10表面上的掩膜层20，且掩膜层20中形成有与浅沟槽30的位置对应且宽度大于浅沟槽30的宽度的通孔50，其结构如图6所示。在一种优选实施方式中，形成基体结构的步骤包括：在衬底10的表面上形成掩膜层20；依次刻蚀掩膜层20和衬底10，以在衬底10中形成浅沟槽30，并将相邻浅沟槽30之间的衬底10作为预备有源区40′；回蚀掩膜层20以形成通孔50，进而形成如图6所示的基体结构。

在上述优选实施方式中，掩膜层20可以具有本领域中常见的种类及结构。优选地，在形成掩膜层20的步骤中，形成包括依次形成的SiO₂层21和Si₃N₄层23的掩膜层20。形成掩膜层20的工艺包括但不限制于采用化学气相沉积、溅射、蒸发。上述工艺为现有技术，在此不在赘述。

在回蚀上述掩膜层20的步骤中，优选地，形成宽度为浅沟槽30宽度的1.2～2倍的通孔50。回蚀掩膜层20的工艺可以采用湿法刻蚀，湿法刻蚀的方式可以为浸泡法或旋转喷淋法。湿法刻蚀的刻蚀液与所采用掩膜层20的材料相关，当掩膜层20包括依次形成的SiO₂层和Si₃N₄层时，可以采用HF溶液回蚀掩膜层20。回蚀掩膜层20的工艺参数(时间和温度等)可以参照现有技术进行，在此不再赘述。

完成形成基体结构的步骤之后，在浅沟槽30中形成上表面低于衬底10的上表面的第一隔离介质层61，其结构如图8所示。在该步骤中，优选地，在形成第一隔离介质层61的步骤中，形成上表面与衬底10的上表面之间的高度差为浅沟槽30高度的1/10～1/4的第一隔离介质层61。

在一种优选实施方式中，形成上述第一隔离介质层61的步骤包括：形成覆盖浅沟槽30、通孔50和掩膜层20的第一隔离介质预备层61′，并平坦化去除掩膜层20上的第一隔离介质预备层61′，进而形成如图7所示的基体结构；刻蚀第一隔离介质预备层61′至第一隔离介质预备层61′的上表面低于衬底10的上表面，并将剩余第一隔离介质预备层61′作为第一隔离介质层61，进而形成如图8所示的基体结构。

上述第一隔离介质预备层61′可以是Si₃N₄、SiO₂，沉积第一隔离介质预备层61′的工艺包括但不限于化学气相沉积、蒸发、溅射。刻蚀第一隔离介质预备层61′的工艺可以是干法工艺，更优选为等离子刻蚀。采用等离子工艺刻蚀第一隔离介质预备层61′时，可选地，溅射功率为400～1000瓦，刻蚀温度为30～60℃，刻蚀时间为30～120秒。

完成在浅沟槽30中形成上表面低于衬底10的上表面的第一隔离介质层61的步骤之后，沿通孔50刻蚀去除预备有源区40′的两侧边角，进而形成如图9所示的基体结构。优选地，刻蚀预备有源区40′的工艺为湿法刻蚀工艺。且湿法刻蚀工艺所采用的刻蚀液与衬底10的类型相关。当衬底10为单晶硅时，优选采用氢氧化钾溶液或四甲基氢氧化铵溶液对预备有源区40′进行刻蚀。由于湿法刻蚀具有各向异性，经过湿法刻蚀后，得到的硅衬底10斜面为111晶面，并且111晶面与100晶面之间呈一定角度比如45～55度。

上述湿法刻蚀工艺的方法包括浸泡法和旋转喷淋法。当采用浸泡法刻蚀预备有源区40′时，一种优选的方式包括：将质量分数为20％～40％的NaOH溶液置于刻蚀槽中，控制刻蚀槽中清洗试剂的温度在25～50℃，然后包含预备有源区40′的硅片置于HF溶液中，使得预备有源区40′与NaOH溶液发生反应，反应时间为30～100秒。当采用旋转喷淋刻蚀衬底10时，一种优选的方式包括：将质量分数为15％～30％的四甲基氢氧化铵溶液喷涂到包含预备有源区40′的硅片上，并通过低速旋转<500rpm使四甲基氢氧化铵溶液均匀分布在硅片表面上，在温度为25～50℃条件下，使得预备有源区40′与四甲基氢氧化铵溶液发生反应，反应时间为30～100秒。

完成沿通孔50刻蚀去除预备有源区40′的两侧边角的步骤之后，沿通孔50对预备有源区40′进行氧化处理，以形成具有圆角部的有源区40，其结构如图10所示。在该步骤中，预备有源区40′的两侧边角的四周部分的刻蚀速率比较快，两侧边角中间部分的刻蚀速率比较慢，从而将两侧边角氧化成圆角部，同时在圆角部表面形成衬垫氧化物层。该衬垫氧化物层可以是括SiO₂、SiON，厚度优选为5～20nm。该衬垫氧化物用于修复刻蚀过程中在浅沟槽30表面形成的缺陷，减小浅沟槽30与后续形成的隔离介质层60之间的应力，防止漏电。

优选地，对上述预备有源区40′进行氧化处理的工艺为热氧化工艺。当采用热氧化工艺对浅沟槽30侧壁进行氧化时，可以包括以下步骤：将包含预备有源区40′的硅片置于温度为600～1000℃的炉管中；通入氧气处理，使得氧气与浅沟槽30侧壁上的预备有源区40′反应生成SiO₂，处理时间为60～300秒。当然，对预备有源区40′进行氧化处理的工艺还可以为现场蒸汽生成工艺等，并不限于上述优选工艺。

完成沿通孔50对预备有源区40′进行氧化处理，以形成具有圆角部的有源区40的步骤之后，在通孔50中形成与第一隔离介质层61相连接的第二隔离介质层63，且第一隔离介质层61和第二隔离介质层63构成隔离介质层60，其结构如图11所示。具体地，形成第二隔离介质层63的步骤包括：形成覆盖通孔50和掩膜层20的第二隔离介质预备层；平坦化去除掩膜层20上的第二隔离介质预备层，并将剩余第二隔离介质预备层作为第二隔离介质层63，进而形成如图11所示的基体结构。

上述第二隔离介质预备层可以是Si₃N₄、SiO₂，形成第二隔离介质预备层的工艺包括但不限于采用化学气相沉积、蒸发或溅射等。对二隔离介质预备层进行平坦化的工艺可以是化学机械抛光CMP。上述工艺为本领域现有技术，在此不再赘述。

形成上述第二隔离介质层63之后，可以去除掩膜层20，进而形成如图12所示的基体结构。去除掩膜层20的工艺可以为湿法刻蚀等，其具体工艺参数可以参照现有技术，在此不再赘述。

本申请还提供了一种半导体器件，包括有源区和设置于有源区中的晶体管，其特征在于，有源区由本申请上述的方法制成。该半导体器件中的有源区具有圆角部，从而增加了晶体管的有效沟道宽度，并提高了晶体管的工作电流，进而提高了半导体器件的性能。

从以上实施例可以看出，本申请述的实例实现了如下技术效果：

(1)本申请通过在相邻浅沟槽之间的衬底中形成预备有源区，刻蚀去除预备有源区的两侧边角，以及对预备有源区进行氧化处理，从而形成了具有圆角部的有源区，进而增加了后续形成于有源区中有源器件的有效沟道宽度，并提高了有源器件的工作电流。

(2)同时，本申请通过在浅沟槽中形成上表面低于衬底的上表面的第一隔离介质层，以及形成与第一隔离介质层相连接的第二隔离介质层，从而通过两次沉积工艺形成了由第一隔离介质层和第二隔离介质层构成的沟槽隔离结构，进而提高了隔离介质层与浅沟槽之间的结合力，并提高了沟槽隔离结构的隔离效果。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种形成有源区的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

形成基体结构，包括形成有浅沟槽的衬底，形成于相邻所述浅沟槽之间的所述衬底中的预备有源区，以及形成于所述衬底表面上的掩膜层，且所述掩膜层中形成有与所述浅沟槽的位置对应且宽度大于所述浅沟槽的宽度的通孔；

在所述浅沟槽中形成上表面低于所述衬底的上表面的第一隔离介质层；

沿所述通孔刻蚀去除所述预备有源区的两侧边角；

沿所述通孔对所述预备有源区进行氧化处理，以形成具有圆角部的所述有源区；

在所述通孔中形成与所述第一隔离介质层相连接的第二隔离介质层，且所述第一隔离介质层和所述第二隔离介质层构成隔离介质层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述基体结构的步骤包括：

在所述衬底的表面上形成所述掩膜层；

依次刻蚀所述掩膜层和所述衬底，以在所述衬底中形成所述浅沟槽，并将相邻所述浅沟槽之间的所述衬底作为所述预备有源区；

回蚀所述掩膜层以形成所述通孔。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在形成所述掩膜层的步骤中，形成包括依次形成的SiO₂层和Si₃N₄层的所述掩膜层。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在回蚀所述掩膜层的步骤中，形成宽度为所述浅沟槽宽度的1.2～2倍的所述通孔。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述第一隔离介质层的步骤包括：

形成覆盖所述浅沟槽、所述通孔和所述掩膜层的第一隔离介质预备层；

平坦化去除所述掩膜层上的所述第一隔离介质预备层；

刻蚀所述第一隔离介质预备层至所述第一隔离介质预备层的上表面低于所述衬底的上表面，并将剩余所述第一隔离介质预备层作为所述第一隔离介质层。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在形成所述第一隔离介质层的步骤中，形成上表面与所述衬底的上表面之间的高度差为所述浅沟槽高度的1/10～1/4的所述第一隔离介质层。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，刻蚀所述预备有源区的工艺为湿法刻蚀工艺。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述衬底为单晶硅；在刻蚀所述预备有源区的步骤中，采用氢氧化钾溶液或四甲基氢氧化铵溶液对所述预备有源区进行刻蚀。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述预备有源区进行氧化处理的工艺为热氧化工艺。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，形成所述第二隔离介质层的步骤包括：

形成覆盖所述通孔和所述掩膜层的第二隔离介质预备层；

平坦化去除所述掩膜层上的所述第二隔离介质预备层，并将剩余所述第二隔离介质预备层作为所述第二隔离介质层。

11.一种半导体器件，包括有源区和设置于所述有源区中的晶体管，其特征在于，所述有源区由权利要求1至10中任一项所述的方法制成。