CN105762059A - 浅沟槽结构的清洗方法、隔离结构的制作方法及半导体器件 - Google Patents

浅沟槽结构的清洗方法、隔离结构的制作方法及半导体器件 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种浅沟槽结构的清洗方法、隔离结构的制作方法及半导体器件。该浅沟槽结构包括衬底，位于衬底中的浅沟槽，以及位于衬底上的介质掩膜层，该清洗方法包括以下步骤：对浅沟槽结构进行第一次清洗，以去除浅沟槽中的残留物；采用磷酸溶液对第一次清洗后的浅沟槽结构进行第二次清洗。该清洗方法中，磷酸溶液能够腐蚀上述反应产物并将反应产物剥离出去，从而减少清洗浅沟槽结构过程中产生的反应产物。同时，磷酸溶液还能回蚀介质掩膜层，从而增大了浅沟槽的顶端露出的面积，使得在浅沟槽的内壁上形成线性氧化物层的步骤中浅沟槽的顶端更容易被圆滑。

Description

浅沟槽结构的清洗方法、隔离结构的制作方法及半导体器件
技术领域
本申请涉及半导体集成电路的技术领域，具体而言，涉及一种浅沟槽结构的清洗方法、隔离结构的制作方法及半导体器件。
背景技术
在半导体器件的制作过程中，需要在衬底中形成隔离结构以将相邻器件隔离开。其中，沟槽隔离结构具有隔离效果好、制作工艺简单等优点，成为半导体器件中最常用的隔离结构之一。现有沟槽隔离结构由形成于衬底中的浅沟槽(STI)以及形成于浅沟槽中的隔离层组成，其具有占用晶圆的面积小的优点，使其能够用于高密度器件的隔离，例如适用于深亚微米器件和DRAM等高密度器件的隔离。
现有沟槽隔离结构的制作过程通常包括以下步骤：首先，在衬底的表面上形成介质掩膜层；然后，依次刻蚀介质掩膜层和衬底，以在衬底中形成浅沟槽；对浅沟槽进行清洗，以去除浅沟槽中的残留物(包括刻蚀残留物等)；在清洗后的浅沟槽的内壁上形成线性氧化物层，然后在浅沟槽中形成隔离材料层，该线性氧化物层和隔离材料层构成隔离层。
然而，上述方法所形成的沟槽隔离结构中容易产生空洞等缺陷，从而降低了沟槽隔离结构的隔离效果，进而提高了所形成产品的失效率(例如在CMOS图像传感器中由该缺陷导致的失效率高达0.4～0.7％)。本申请的发明人对上述缺陷产生的原因进行了大量理论和实验研究后，得出了上述缺陷产生的原因：在对浅沟槽结构进行清洗的步骤中，清洗液(一般为HF溶液)中的水会与介质掩膜层(一般为Si3N4)反应形成反应产物(例如残留SiO2)，这些反应产物会粘附在介质掩膜层上或浅沟槽的内壁上，从而导致隔离材料难以填充到浅沟槽中，并使得浅沟槽中所形成的隔离层较稀疏(即密度较小)，进而在隔离层中产生空洞等缺陷。目前，发明人尝试通过调整形成隔离层的工艺参数以解决上述问题，然而效果十分有限。
发明内容
本申请旨在提供一种浅沟槽结构的清洗方法、隔离结构的制作方法及半导体器件，以减少清洗浅沟槽结构过程中产生的反应产物。
为了实现上述目的，本申请提供了一种浅沟槽结构的清洗方法，该浅沟槽结构包括衬底，位于衬底中的浅沟槽，以及位于衬底上的介质掩膜层，该清洗方法包括以下步骤：对浅沟槽结构进行第一次清洗，以去除浅沟槽中的残留物；采用磷酸溶液对第一次清洗后的浅沟槽结构进行第二次清洗。
进一步地，磷酸溶液中H3PO4的体积分数为40％～70％。
进一步地，第二次清洗的步骤中，磷酸溶液的温度为20～80℃，清洗时间为1～5min。
进一步地，采用氢氟酸溶液进行第一次清洗。
进一步地，氢氟酸溶液中HF的体积分数为10％～30％。
进一步地，第一次清洗的步骤中，氢氟酸溶液的温度为20～50℃，清洗时间为1～3min。
进一步地，介质掩膜层包括依次形成于衬底上的SiO2层和Si3N4层。
同时，本申请还提供了一种隔离结构的制作方法，该制作方法包括以下步骤：形成浅沟槽结构，浅沟槽结构包括衬底，位于衬底中的浅沟槽，以及位于衬底上的介质掩膜层；采用本申请提供的清洗方法对浅沟槽结构进行清洗；在清洗后的浅沟槽中形成隔离层。
进一步地，形成浅沟槽结构的步骤包括：在衬底上形成介质掩膜预备层；依次刻蚀介质掩膜预备层和衬底以形成浅沟槽，并将剩余的介质掩膜预备层作为介质掩膜层；
进一步地，形成隔离层的步骤包括：在浅沟槽的内壁上形成线性氧化物层；在浅沟槽中形成隔离材料层，线性氧化物层和隔离材料层构成隔离层。
本申请还提供了一种半导体器件，包括隔离结构，该隔离结构由本申请上述的隔离结构的制作方法制作而成。
本申请在对浅沟槽结构进行第一次清洗，且该步骤中清洗液与介质掩膜层会反应形成反应产物，然后采用磷酸溶液对第一次清洗后的浅沟槽结构进行第二次清洗。磷酸溶液能够腐蚀上述反应产物并将反应产物剥离出去，从而减少清洗浅沟槽结构过程中产生的反应产物，进而减少了由反应产物导致产生的隔离层中的空洞等缺陷，并进一步提高了沟槽隔离结构的隔离效果，以及提高了所形成产品的良率。同时，磷酸溶液还能回蚀介质掩膜层，从而增大了浅沟槽的顶端露出的面积，使得在浅沟槽的内壁上形成线性氧化物层步骤中浅沟槽的顶端更容易被圆滑。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出了本申请实施方式所提供的浅沟槽结构的清洗方法的流程示意图；以及
图2示出了本申请实施方式所提供的隔离结构的制作方法的流程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
正如背景技术中所介绍的，现有清洗浅沟槽结构的步骤中，清洗液中的水会与介质掩膜层反应形成反应产物，这些反应产物会粘附在介质掩膜层上或浅沟槽的内壁上，从而导致隔离材料难以填充到浅沟槽中，并使得浅沟槽中所形成隔离层较稀疏(即密度较小)，进而在隔离层中产生空洞等缺陷。
本申请的发明人针对上述问题进行研究，提出了一种浅沟槽结构的清洗方法，该浅沟槽结构包括衬底，位于衬底中的浅沟槽，以及位于衬底上的介质掩膜层。如图1所示，该清洗方法包括以下步骤：对浅沟槽结构进行第一次清洗，以去除浅沟槽中的残留物；采用磷酸溶液对第一次清洗后的浅沟槽结构进行第二次清洗。
上述清洗方法在对浅沟槽结构进行第一次清洗，且该步骤中清洗液与介质掩膜层会反应形成反应产物，然后采用磷酸溶液对第一次清洗后的浅沟槽结构进行第二次清洗。磷酸溶液能够腐蚀上述反应产物并将反应产物剥离出去，从而减少清洗浅沟槽结构过程中产生的反应产物，进而减少了由反应产物导致产生的隔离层中的空洞等缺陷，并进一步提高了沟槽隔离结构的隔离效果，以及提高了所形成产品的良率。同时，磷酸溶液还能回蚀介质掩膜层，从而增大了浅沟槽的顶端露出的面积，使得在浅沟槽的内壁上形成线性氧化物层步骤中浅沟槽的顶端更容易被圆滑。
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。
首先，对浅沟槽结构进行第一次清洗，以去除浅沟槽中的残留物。该步骤中的清洗液与介质掩膜层会反应形成反应产物，且这些反应产物会粘附在介质掩膜层上或浅沟槽的内壁上。例如，浅沟槽结构中的介质掩膜层为依次形成于衬底上的SiO2层和Si3N4层时，清洗液中的水与Si3N4层反应形成SiO2。
上述第一次清洗的清洗剂可以为任何能够浅沟槽中的残留物的清洗剂。优选地，采用氢氟酸溶液进行第一次清洗。本领域的技术人员可以根据实际工艺需求设定第一次清洗的工艺参数，优选地，氢氟酸溶液中HF的体积分数为10％～30％，氢氟酸溶液的温度为20～50℃，清洗时间为1～3min。
然后，采用磷酸溶液对第一次清洗后的浅沟槽结构进行第二次清洗。该步骤中，磷酸溶液能够腐蚀上述反应产物并将反应产物剥离出去，从而减少清洗浅沟槽结构过程中产生的反应产物，进而减少了由反应产物导致产生的隔离层中的空洞等缺陷，并进一步提高了沟槽隔离结构的隔离效果，以及提高了所形成产品的良率。同时，磷酸溶液还能回蚀介质掩膜层，从而增大了浅沟槽的顶端露出的面积，使得在浅沟槽的内壁上形成线性氧化物层步骤中浅沟槽的顶端更容易被圆滑。
本领域的技术人员可以根据本申请的教导设定清洗的工艺参数。优选地，磷酸溶液中H3PO4的体积分数为40％～70％，磷酸溶液的温度为20～80℃，清洗时间为1～5min。此时，采用上述优选工艺参数能够更彻底去除清洗浅沟槽结构过程中产生的反应产物。
同时，本申请还提供了一种隔离结构的制作方法。如图2所示，该制作方法包括以下步骤：形成浅沟槽结构，浅沟槽结构包括衬底，位于衬底中的浅沟槽，以及位于衬底上的介质掩膜层；采用本申请上述的清洗方法对浅沟槽结构进行清洗；在清洗后的浅沟槽中形成隔离层。
上述制作方法采用本申请提供的清洗方法对浅沟槽结构进行清洗，从而减少了清洗浅沟槽结构过程中产生的反应产物，进而减少了由反应产物导致产生的隔离层中的空洞等缺陷，并进一步提高了沟槽隔离结构的隔离效果，以及提高了所形成产品的良率。同时，对浅沟槽结构进行清洗的步骤中，磷酸溶液还能回蚀介质掩膜层，从而增大了浅沟槽的顶端露出的面积，使得在浅沟槽的内壁上形成线性氧化物层步骤中浅沟槽的顶端更容易被圆滑。
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。
首先，形成浅沟槽结构，浅沟槽结构包括衬底，位于衬底中的浅沟槽，以及位于衬底上的介质掩膜层。具体地，形成浅沟槽结构的步骤包括：在衬底上形成介质掩膜预备层；依次刻蚀介质掩膜预备层和衬底以形成浅沟槽，并将剩余的介质掩膜预备层作为介质掩膜层。
上述介质掩膜预备层优选为依次形成于衬底上的SiO2层和Si3N4层，形成介质掩膜预备层的工艺可以为化学气相沉积或溅射等。上述刻蚀可以为干法刻蚀，优选为等离子体刻蚀。刻蚀的工艺参数可以参照现有技术，可选地，等离子法刻蚀的工艺条件为：刻蚀气体为CF4和CHF3，溅射功率为400～1000瓦，刻蚀温度为25～60℃，刻蚀时间为30～360秒。
然后，采用本申请上述的清洗方法对浅沟槽结构进行清洗。该步骤能够减少清洗浅沟槽结构过程中产生的反应产物，进而减少由反应产物导致产生的隔离层中的空洞等缺陷，并进一步提高沟槽隔离结构的隔离效果，以及提高所形成产品的良率。同时，该步骤还能回蚀介质掩膜层，从而增大了浅沟槽的顶端露出的面积，使得在浅沟槽的内壁上形成线性氧化物层步骤中浅沟槽的顶端更容易被圆滑。
具体地，该步骤包括：对浅沟槽结构进行第一次清洗，以去除浅沟槽中的残留物；采用磷酸溶液对第一次清洗后的浅沟槽结构进行第二次清洗。其具体的工艺参数可以参照前文，在此不再赘述。
最后，在清洗后的浅沟槽中形成隔离层。在一种优选的实施方式中，形成隔离层的步骤包括：在浅沟槽的内壁上形成线性氧化物层；在浅沟槽中形成隔离材料层，线性氧化物层和隔离材料层构成隔离层。
上述线性氧化物层可以为SiO2等，形成线性氧化物层的工艺可以为热氧化或化学气相沉积等。上述隔离材料层可以为SiO2或SiN等，形成隔离材料层的工艺可以为化学气相沉积等。上述工艺为本领域现有技术，在此不再赘述。需要注意的是，在形成隔离层，还可以去除部分介质掩膜层，例如去除Si3N4层。
本申请还提供了一种半导体器件，包括隔离结构，该隔离结构由本申请上述的隔离结构的制作方法制作而成。该半导体器件中隔离层中的空洞等缺陷得以减少，从而提高了半导体器件中沟槽隔离结构的隔离效果，进而提高了半导体器件的良率。
下面将结合实施例进一步说明本申请提供的浅沟槽结构的清洗方法、隔离结构的制作方法。
实施例1
本实施例提供了一种隔离结构的制作方法，包括以下步骤：
形成浅沟槽结构，浅沟槽结构包括衬底(由单晶硅组成)，位于衬底中的浅沟槽，以及位于衬底上的介质掩膜层(由依次形成于衬底上的SiO2层和Si3N4层组成)；
采用本申请上述的清洗方法对浅沟槽结构进行清洗；
采用氢氟酸溶液对浅沟槽结构进行第一次清洗，其中氢氟酸溶液中HF的体积分数为30％，氢氟酸溶液的温度为20℃，清洗时间为3min；然后采用磷酸溶液对第一次清洗后的浅沟槽结构进行第二次清洗，其中磷酸溶液中H3PO4的体积分数为40％％，磷酸溶液的温度为80℃，清洗时间为1min；
在清洗后的浅沟槽的内壁上形成线性氧化物层(由SiO2组成)，然后在浅沟槽中形成隔离材料层(由Si3N4组成)，且线性氧化物层和隔离材料层构成隔离层。
实施例2
本实施例提供了一种隔离结构的制作方法，包括以下步骤：
形成浅沟槽结构，浅沟槽结构包括衬底(由单晶硅组成)，位于衬底中的浅沟槽，以及位于衬底上的介质掩膜层(由依次形成于衬底上的SiO2层和Si3N4层组成)；
采用本申请上述的清洗方法对浅沟槽结构进行清洗；
采用氢氟酸溶液对浅沟槽结构进行第一次清洗，其中氢氟酸溶液中HF的体积分数为10％，氢氟酸溶液的温度为50℃，清洗时间为1min；然后采用磷酸溶液对第一次清洗后的浅沟槽结构进行第二次清洗，其中磷酸溶液中H3PO4的体积分数为70％，磷酸溶液的温度为20℃，清洗时间为5min；
在清洗后的浅沟槽的内壁上形成线性氧化物层(由SiO2组成)，然后在浅沟槽中形成隔离材料层(由Si3N4组成)，且线性氧化物层和隔离材料层构成隔离层。
对比例1
本对比例提供了一种隔离结构的制作方法，包括以下步骤：
形成浅沟槽结构，浅沟槽结构包括衬底(由单晶硅组成)，位于衬底中的浅沟槽，以及位于衬底上的介质掩膜层(由依次形成于衬底上的SiO2层和Si3N4层组成)；
采用本申请上述的清洗方法对浅沟槽结构进行清洗；
采用氢氟酸溶液对浅沟槽结构进行清洗，其中氢氟酸溶液中HF的体积分数为10％，氢氟酸溶液的温度为20℃，清洗时间为1min；
在清洗后的浅沟槽的内壁上形成线性氧化物层(由SiO2组成)，然后在浅沟槽中形成隔离材料层(由Si3N4组成)，且线性氧化物层和隔离材料层构成隔离层。
测试：采用扫描电子显微镜观察实施例1和2以及对比例1观察所形成隔离层，并统计出所形成隔离层中的空洞缺陷的个数，其结果请见表1。
表1
缺陷个数
实施例1 25
实施例2 21
对比例1 168
从表1可以看出，实施例1和2所形成隔离层中的空洞缺陷的个数为21～25；而对比例1所形成隔离层中的空洞缺陷的个数为168，远远大于实施例1和2所形成隔离层中的空洞缺陷的个数。
从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：
(1)本申请在对浅沟槽结构进行第一次清洗，且该步骤中清洗液与介质掩膜层会反应形成反应产物，然后采用磷酸溶液对第一次清洗后的浅沟槽结构进行第二次清洗。磷酸溶液能够腐蚀上述反应产物并将反应产物剥离出去，从而减少清洗浅沟槽结构过程中产生的反应产物，进而减少了由反应产物导致产生的隔离层中的空洞等缺陷，并进一步提高了沟槽隔离结构的隔离效果，以及提高了所形成产品的良率。
(2)磷酸溶液还能回蚀介质掩膜层，从而增大了浅沟槽的顶端露出的面积，使得在浅沟槽的内壁上形成线性氧化物层步骤中浅沟槽的顶端更容易被圆滑。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种浅沟槽结构的清洗方法，所述浅沟槽结构包括衬底，位于所述衬底中的浅沟槽，以及位于所述衬底上的介质掩膜层，其特征在于，所述清洗方法包括以下步骤：
对所述浅沟槽结构进行第一次清洗，以去除所述浅沟槽中的残留物；
采用磷酸溶液对所述第一次清洗后的所述浅沟槽结构进行第二次清洗。
2.根据权利要求1所述的清洗方法，其特征在于，所述磷酸溶液中H3PO4的体积分数为40％～70％。
3.根据权利要求2所述的清洗方法，其特征在于，所述第二次清洗的步骤中，所述磷酸溶液的温度为20～80℃，清洗时间为1～5min。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的清洗方法，其特征在于，采用氢氟酸溶液进行所述第一次清洗。
5.根据权利要求4所述的清洗方法，其特征在于，所述氢氟酸溶液中HF的体积分数为10％～30％。
6.根据权利要求5所述的清洗方法，其特征在于，所述第一次清洗的步骤中，所述氢氟酸溶液的温度为20～50℃，清洗时间为1～3min。
7.根据权利要求1所述的清洗方法，其特征在于，所述介质掩膜层包括依次形成于所述衬底上的SiO2层和Si3N4层。
8.一种隔离结构的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括以下步骤：
形成浅沟槽结构，所述浅沟槽结构包括衬底，位于所述衬底中的浅沟槽，以及位于所述衬底上的介质掩膜层；
采用权利要求1至7中任一项所述的清洗方法对所述浅沟槽结构进行清洗；
在清洗后的所述浅沟槽中形成隔离层。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，形成所述浅沟槽结构的步骤包括：
在所述衬底上形成介质掩膜预备层；
依次刻蚀所述介质掩膜预备层和所述衬底以形成所述浅沟槽，并将剩余的所述介质掩膜预备层作为所述介质掩膜层。
10.根据权利要求8或9所述的制作方法，其特征在于，形成所述隔离层的步骤包括：
在所述浅沟槽的内壁上形成线性氧化物层；
在所述浅沟槽中形成隔离材料层，所述线性氧化物层和隔离材料层构成所述隔离层。
11.一种半导体器件，包括隔离结构，其特征在于，所述隔离结构由权利要求8至10中任一项所述的制作方法制作而成。
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