CN106684030A - 浅沟槽隔离结构的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种浅沟槽隔离结构的制造方法，包括：提供形成有研磨停止层的半导体衬底；在研磨停止层表面形成研磨缓冲层；通过刻蚀工艺，在半导体衬底内形成浅沟槽；向浅沟槽内填充绝缘材料；通过平坦化工艺使绝缘材料的厚度达到目标厚度值并去除研磨缓冲层；去除研磨停止层，形成浅沟槽隔离结构。由于研磨缓冲层的研磨速率大于绝缘材料的研磨速率，去除研磨缓冲层后，绝缘材料顶部形貌为驼峰形，而绝缘材料的研磨速率大于研磨停止层的研磨速率，继续对绝缘材料进行研磨时，绝缘材料的形貌向凹陷发展，与绝缘材料的驼峰形相互补偿，因此形成浅沟槽隔离结构后，浅沟槽内的绝缘材料形貌凹陷的现象可以得到改善，从而提高了浅沟槽隔离结构的平坦度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种浅沟槽隔离结构的制造方法。
背景技术
随着集成电路高密度的发展趋势，构成电路的器件更紧密地放置在芯片中以适应芯片的可用空间。相应地，半导体衬底单位面积上有源器件的密度不断增加，因此器件之间的有效绝缘隔离变得更加重要。
浅沟槽隔离(Shallow Trench Isolation，STI)技术具有良好的隔离效果(例如：工艺隔离效果和电性隔离效果)，浅沟槽隔离技术还具有减少占用晶圆表面的面积、增加器件的集成度等优点。因此，随着集成电路尺寸的减小，器件有源区之间的隔离现主要采用浅沟槽隔离结构。
但是，现有技术形成的浅沟槽隔离结构的平坦度有待提高。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种浅沟槽隔离结构的制造方法，提高浅沟槽隔离结构的平坦度。
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。包括如下步骤：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有研磨停止层；在所述研磨停止层表面形成研磨缓冲层；依次刻蚀所述研磨缓冲层、研磨停止层和半导体衬底，在所述研磨缓冲层、研磨停止层和半导体衬底内形成浅沟槽；向所述浅沟槽内填充绝缘材料；通过平坦化工艺使所述浅沟槽内的绝缘材料的厚度达到目标厚度值并去除所述研磨缓冲层，所述平坦化工艺中研磨缓冲层的研磨速率大于绝缘材料的研磨速率；去除所述研磨停止层，形成浅沟槽隔离结构。
可选的，所述研磨停止层的材料为氮化硅。
可选的，所述研磨停止层的厚度为至
可选的，所述研磨缓冲层的材料为多晶硅。
可选的，形成所述研磨缓冲层的工艺为化学气相沉积工艺。
可选的，所述化学气相沉积工艺的工艺参数包括：以SiH4作为硅源气体，以Ar或H2作为杂质气体，工艺温度为550℃至770℃，压强为100mtorr至1Torr，硅源气体的流量1sccm至300sccm。
可选的，所述研磨缓冲层的厚度为至
可选的，所述绝缘材料的材料为氧化硅。
可选的，在所述半导体衬底上形成研磨停止层之前，提供所述半导体衬底的步骤还包括：在所述半导体衬底表面形成衬垫氧化层；形成所述浅沟槽的步骤包括：在所述研磨缓冲层表面形成第一图形层，所述第一图形层内定义有浅沟槽图形；以所述第一图形层为掩膜，沿所述浅沟槽图形依次刻蚀所述研磨缓冲层、研磨停止层、衬垫氧化层和半导体衬底，在所述研磨缓冲层、衬垫氧化层、研磨停止层和半导体衬底内形成浅沟槽；去除所述第一图形层。
可选的，所述衬垫氧化层的材料为氧化硅。
可选的，所述衬垫氧化层的厚度为至
可选的，所述浅沟槽的深度为至
可选的，向所述浅沟槽内填充绝缘材料的工艺为高密度等离子体化学气相沉积工艺。
可选的，向所述浅沟槽内填充绝缘材料后，所述浅沟槽内的绝缘材料的厚度为至
可选的，所述平坦化工艺为化学机械研磨工艺。
可选的，所述化学机械研磨工艺的步骤包括：对所述绝缘材料进行第一化学机械研磨工艺，去除部分所述绝缘材料，剩余所述绝缘材料覆盖所述研磨缓冲层；对所述研磨缓冲层和剩余所述绝缘材料进行第二化学机械研磨工艺，直至去除所述研磨缓冲层并露出所述研磨停止层表面；进行第三化学机械研磨工艺，去除部分所述绝缘层材料直至所述浅沟槽内的绝缘材料的厚度达到目标厚度值。
可选的，去除所述研磨停止层的工艺为湿法刻蚀工艺。
可选的，所述湿法刻蚀工艺所采用的溶液为磷酸溶液。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：本发明先在半导体衬底表面形成研磨缓冲层，后续对浅沟槽内填充的绝缘材料进行平坦化工艺时，由于所述研磨缓冲层的研磨速率大于绝缘材料的研磨速率，对所述研磨缓冲层和所述绝缘材料进行平坦化工艺直至露出所述研磨停止层表面后，所述绝缘材料顶部高于所述研磨停止层顶部，且高于所述研磨停止层顶部的绝缘材料的形貌为驼峰形，而所述绝缘材料的研磨速率大于所述研磨停止层的研磨速率，继续对所述绝缘材料进行平坦化工艺时，所述绝缘材料的形貌向凹陷发展，与所述绝缘材料的驼峰形形貌相互补偿，因此通过平坦化工艺使所述绝缘材料的厚度达到目标厚度值后，所述浅沟槽内的绝缘材料形貌凹陷的现象可以得到改善，从而提高了所述浅沟槽隔离结构的平坦度。
进一步，通过改善绝缘材料形貌凹陷的现象，提高所述浅沟槽隔离结构的平坦度，相应增大了所述浅沟槽隔离结构表面至半导体衬底表面的高度差，从而提升了所述浅沟槽隔离结构对器件之间相互隔离的效果，进而使器件漏电的问题得到改善。
附图说明
图1至图3是现有技术浅沟槽隔离结构的制造方法一实施例中各步骤对应结构示意图；
图4至图10是本发明浅沟槽隔离结构的制造方法一实施例中各步骤对应结构示意图。
具体实施方式
现有技术形成的浅沟槽隔离结构的平坦度较低，结合现有技术浅沟槽隔离结构的制造方法分析其原因。参考图1至图3，示出了现有技术浅沟槽隔离结构的制造方法一实施例中各步骤对应结构示意图。所述浅沟槽隔离结构的制造方法包括以下步骤：
如图1所示，提供半导体衬底100，在所述半导体衬底100上依次形成衬垫氧化层101和研磨停止层102。如图2所示，依次刻蚀所述研磨停止层102、衬垫氧化层101和半导体衬底100，在所述研磨停止层102、衬垫氧化层101和半导体衬底100内形成浅沟槽110。结合参考图3，在所述浅沟槽110(如图2所示)内填充满绝缘材料，所述绝缘材料还覆盖所述研磨停止层102(如图2所示)表面，平坦化所述绝缘材料直至所述沟槽110内的绝缘材料的厚度达到目标厚度值之后去除所述研磨停止层102，形成浅沟槽隔离结构111。
但是现有技术形成的沟槽隔离结构111的平坦度较差，所述沟槽隔离结构111的表面容易发生凹陷现象(如图3所示)。原因在于：绝缘材料的研磨速率大于研磨停止层102的研磨速率，相应的，在平坦化过程中，绝缘材料的厚度减少速率比研磨停止层102的厚度减少速率快。因此平坦化工艺结束后，浅沟槽110(如图2所示)内的绝缘材料容易发生凹陷，从而降低了沟槽隔离结构111的平坦度。
此外，由于浅沟槽110(如图2所示)内的绝缘材料的凹陷现象还会降低沟槽隔离结构111表面至半导体衬底100表面的高度差，进而影响所述沟槽隔离结构111对器件之间相互隔离的效果，容易对器件的漏电等电学性能产生不良影响。
为了解决所述技术问题，本发明提供一种浅沟槽隔离结构的制造方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有研磨停止层；在所述研磨停止层表面形成研磨缓冲层；依次刻蚀所述研磨缓冲层、研磨停止层和半导体衬底，在所述研磨缓冲层、研磨停止层和半导体衬底内形成浅沟槽；向所述浅沟槽内填充绝缘材料；通过平坦化工艺使所述浅沟槽内的绝缘材料的厚度达到目标厚度值并去除所述研磨缓冲层，所述平坦化工艺中研磨缓冲层的研磨速率大于绝缘材料的研磨速率；去除所述研磨停止层，形成浅沟槽隔离结构。
本发明在半导体衬底表面形成研磨缓冲层，后续对浅沟槽内填充的绝缘材料进行平坦化工艺时，由于所述研磨缓冲层的研磨速率大于绝缘材料的研磨速率，对所述研磨缓冲层和所述绝缘材料进行平坦化工艺直至露出所述研磨停止层表面后，所述绝缘材料顶部高于所述研磨停止层顶部，且高于所述研磨停止层顶部的绝缘材料的形貌为驼峰形，而所述绝缘材料的研磨速率大于所述研磨停止层的研磨速率，继续对所述绝缘材料进行平坦化工艺时，所述绝缘材料的形貌向凹陷发展，与所述绝缘材料的驼峰形形貌相互补偿，因此通过平坦化工艺使所述绝缘材料的厚度达到目标厚度值后，所述浅沟槽内的绝缘材料形貌凹陷的现象可以得到改善，从而提高了所述浅沟槽隔离结构的平坦度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图4至图10是本发明浅沟槽隔离结构的制造方法一实施例中各步骤对应结构示意图。
参考图4，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200上形成有研磨停止层202。
所述衬底200的材料为硅、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟，所述衬底200还能够为绝缘体上的硅衬底或者绝缘体上的锗衬底。本实施例中，所述衬底200为硅衬底。
所述研磨停止层202作为后续研磨浅沟槽内的绝缘材料的研磨停止位置。
本实施例中，所述研磨停止层202的材料为氮化硅，所述研磨停止层202的厚度为至形成所述研磨停止层202的工艺为化学气相沉积工艺。
需要说明的是，在所述半导体衬底200上形成研磨停止层202之前，提供所述半导体衬底200的步骤还包括：在所述半导体衬底200表面形成衬垫氧化层201。
由于所述研磨停止层202的应力较大，在所述半导体衬底200上形成所述研磨停止层202时，容易在所述半导体衬底200表面造成位错，所述衬垫氧化层201用于为形成所述研磨停止层202时提供缓冲作用，避免直接在所述半导体衬底200上形成所述研磨停止层202时产生位错的问题；此外，所述衬垫氧化层201还可以作为后续去除所述研磨停止层202步骤中的停止层。
本实施例中，所述衬垫氧化层201的材料为氧化硅，所述衬垫氧化层201的厚度为至所述衬垫氧化层201可以为采用热氧化工艺形成，所述热氧化工艺可采用氧化炉执行。
参考图5，在所述研磨停止层202表面形成研磨缓冲层203。
所述研磨缓冲层203在后续对浅沟槽内的绝缘材料进行平坦化工艺时起到缓冲作用，使去除所述研磨缓冲层203后的绝缘材料的形貌呈驼峰形。
本实施例中，所述研磨缓冲层203的材料为多晶硅，形成所述研磨缓冲层203的工艺为化学气相沉积工艺。所述化学气相沉积工艺的工艺参数包括：以SiH4作为硅源气体，以Ar或H2作为杂质气体，工艺温度为550℃至770℃，压强为100mtorr至1Torr，硅源气体的流量1sccm至300sccm。
所述研磨缓冲层203的研磨速率大于后续在浅沟槽内填充的绝缘材料的研磨速率，也就是说，所述研磨缓冲层203的厚度减少速率比所述绝缘材料的厚度减少速率快，因此，对所述研磨缓冲层203和所述绝缘材料进行平坦化工艺直至露出所述研磨停止层202后，浅沟槽内的绝缘材料的顶部表面高于所述研磨停止层202的顶部表面，且所述绝缘材料的形貌呈驼峰形，而继续对绝缘材料进行平坦化工艺时，绝缘材料的形貌向凹陷发展，与驼峰形的形貌相互补偿，从而使平坦化工艺完成后浅沟槽内的绝缘材料的平坦度较好。
需要说明的是，所述研磨缓冲层203的厚度不能过厚，也不能过薄。如果所述研磨缓冲层203的厚度过厚，对所述研磨缓冲层203和所述绝缘材料进行平坦化工艺直至露出所述研磨停止层202后，浅沟槽内的绝缘材料高出所述研磨停止层202的厚度过多且驼峰形形貌过于严重，从而会增加后续对浅沟槽内的绝缘材料进行平坦化工艺直至浅沟槽内的绝缘材料达到目标厚度值的工艺时间，甚至难以形成满足目标厚度值的绝缘材料；如果所述研磨缓冲层203的厚度过薄，所述研磨缓冲层203在后续对浅沟槽内的绝缘材料进行平坦化工艺时起到的缓冲作用不明显，即对所述研磨缓冲层203和所述绝缘材料进行平坦化工艺直至露出所述研磨停止层202后，绝缘材料的驼峰形形貌不明显，从而容易导致平坦化工艺完成后沟槽内的绝缘材料发生凹陷。为此，本实施例中，所述研磨缓冲层203的厚度为至
参考图6，依次刻蚀所述研磨缓冲层203、研磨停止层202和半导体衬底200，在所述研磨缓冲层203、研磨停止层202和半导体衬底200内形成浅沟槽500。
具体地，在所述半导体衬底200上形成研磨停止层202之前，还包括：在所述半导体衬底200表面形成衬垫氧化层201，形成所述浅沟槽500的步骤包括：在所述研磨缓冲层203表面形成第一图形层300，所述第一图形层300内定义有浅沟槽图形；以所述第一图形层300为掩膜，沿所述浅沟槽图形依次刻蚀所述研磨缓冲层203、研磨停止层202、衬垫氧化层201和半导体衬底200，在所述研磨缓冲层203、研磨停止层202、衬垫氧化层201和半导体衬底200内形成浅沟槽500；去除所述第一图形层300。
本实施例中，刻蚀所述研磨缓冲层203、研磨停止层202、衬垫氧化层201和半导体衬底200的工艺为等离子体干法刻蚀工艺；所述浅沟槽500的底部至所述研磨缓冲层203顶面的距离为至即所述浅沟槽500的深度H为至
本实施例中，所述第一图形层300的材料为光刻胶，形成所述浅沟槽500后，采用湿法去胶或灰化工艺去除所述第一图形层300。
参考图7，向所述浅沟槽500(如图6所示)内填充绝缘材料600。
所述绝缘材料600用于对相邻器件之间起到隔离作用，所述绝缘材料600的材料可以为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。本实施例中，所述绝缘材料600的材料为氧化硅。
填充所述绝缘材料600的工艺可以为高密度等离子体化学气相沉积(HDPCVD)工艺、亚常压化学气相沉积(SACVD)工艺、高纵宽比(HARP)沉积工艺。本实施例中，所述绝缘材料600的材料为氧化硅，采用高密度等离子体化学气相沉积工艺向所述浅沟槽500(如图6所示)内填充所述绝缘材料600。向所述浅沟槽500内填充所述绝缘材料600后，所述浅沟槽500内的绝缘材料600的厚度D为至
结合参考图8和图9，通过平坦化工艺使所述浅沟槽500(如图6所示)内的绝缘材料600的厚度达到目标厚度值并去除所述研磨缓冲层203(如图7所示)，所述平坦化工艺中研磨缓冲层203的研磨速率大于绝缘材料600的研磨速率。
本实施例中，所述平坦化工艺为化学机械研磨工艺。
具体地，所述化学机械研磨工艺的步骤包括：对所述绝缘材料600进行第一化学机械研磨工艺(未图示)，去除部分所述绝缘材料600，剩余所述绝缘材料600覆盖所述研磨缓冲层203(如图7所示)；对所述研磨缓冲层203和剩余所述绝缘材料600进行第二化学机械研磨工艺(如图8所示)，直至去除所述研磨缓冲层203并露出所述研磨停止层202表面；进行第三化学机械研磨工艺(如图9所示)，去除部分所述绝缘层材料600直至所述浅沟槽500(如图6所示)内的绝缘材料600的厚度达到目标厚度值。
本实施例中，所述绝缘材料600的目标厚度值为至
需要说明的是，所述第一化学机械研磨工艺、第二化学机械研磨工艺和第三化学机械研磨工艺为连续进行的化学机械研磨工艺；在所述第三化学机械研磨工艺的过程中，部分所述研磨停止层202被研磨去除。
需要说明的是，完成所述第二化学机械研磨工艺后，由于所述研磨缓冲层203的研磨速率大于所述绝缘材料600的研磨速率，所述绝缘材料600顶部表面高于所述研磨停止层202顶部表面，且高于所述研磨停止层202顶部的绝缘材料600的形貌为驼峰形A(如图8所示)，
还需要说明的是，为了缩短整个研磨工艺的工艺时间，所述第一化学机械研磨工艺的研磨速率大于所述第二化学机械研磨工艺和第三化学机械研磨工艺的研磨速率，用于大量去除所述绝缘层材料600；但所述第一化学机械研磨工艺研磨去除所述绝缘层材料600的厚度不能过多，即完成所述第一化学机械研磨工艺后所述绝缘层材料600高于所述研磨缓冲层203的顶面的高度不能过小。由于所述研磨缓冲层203的研磨速率大于所述绝缘材料600的研磨速率，如果所述第一化学机械研磨工艺研磨去除所述绝缘层材料600的厚度过多，容易导致在进行所述第二化学机械研磨工艺时所述研磨缓冲层203的研磨去除速率过快，从而容易使所述绝缘层材料600表面的驼峰形形貌过于明显，反而容易降低后续形成的浅沟槽隔离结构的平坦度。为此，本实施例中，所述第一化学机械研磨工艺研磨去除所述绝缘材料600的厚度为至
参考图10，去除所述研磨停止层202(如图9所示)，形成浅沟槽隔离结构700。
本实施例中，采用湿法刻蚀工艺去除所述研磨停止层202。所述湿法刻蚀工艺所采用的溶液为磷酸溶液。
由于所述研磨缓冲层203(如图8所示)的研磨速率大于所述绝缘材料600(如图9所示)的研磨速率，对所述研磨缓冲层203和所述绝缘材料600进行第二化学机械研磨工艺直至露出所述研磨停止层202表面后，所述绝缘材料600顶部高于所述研磨停止层202顶部，且高于所述研磨停止层202顶部的绝缘材料600的形貌为驼峰形A(如图8所示)，而所述绝缘材料600的研磨速率大于所述研磨停止层202的研磨速率，继续对所述绝缘材料600进行第三化学机械研磨工艺时，所述绝缘材料600的形貌向凹陷发展，与所述绝缘材料600驼峰形A的形貌相互补偿，因此完成所述化学机械研磨工艺后，所述绝缘材料600表面形貌的凹陷现象可以得到改善，从而提高了所述浅沟槽隔离结构700的平坦度。
虽然本发明披露如上，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 (18)
1.一种浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有研磨停止层；
在所述研磨停止层表面形成研磨缓冲层；
依次刻蚀所述研磨缓冲层、研磨停止层和半导体衬底，在所述研磨缓冲层、研磨停止层和半导体衬底内形成浅沟槽；
向所述浅沟槽内填充绝缘材料；
通过平坦化工艺使所述浅沟槽内的绝缘材料的厚度达到目标厚度值并去除所述研磨缓冲层，所述平坦化工艺中研磨缓冲层的研磨速率大于绝缘材料的研磨速率；
去除所述研磨停止层，形成浅沟槽隔离结构。
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，所述研磨停止层的材料为氮化硅。
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，所述研磨停止层的厚度为至
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，所述研磨缓冲层的材料为多晶硅。
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，形成所述研磨缓冲层的工艺为化学气相沉积工艺。
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，所述化学气相沉积工艺的工艺参数包括：以SiH4作为硅源气体，以Ar或H2作为杂质气体，工艺温度为550℃至770℃，压强为100mtorr至1Torr，硅源气体的流量1sccm至300sccm。
7.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，所述研磨缓冲层的厚度为至
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，所述绝缘材料的材料为氧化硅。
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，在所述半导体衬底上形成研磨停止层之前，提供所述半导体衬底的步骤还包括：在所述半导体衬底表面形成衬垫氧化层；
形成所述浅沟槽的步骤包括：在所述研磨缓冲层表面形成第一图形层，所述第一图形层内定义有浅沟槽图形；以所述第一图形层为掩膜，沿所述浅沟槽图形依次刻蚀所述研磨缓冲层、研磨停止层、衬垫氧化层和半导体衬底，在所述研磨缓冲层、衬垫氧化层、研磨停止层和半导体衬底内形成浅沟槽；去除所述第一图形层。
10.如权利要求9所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于，所述衬垫氧化层的材料为氧化硅。
11.如权利要求9所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于，所述衬垫氧化层的厚度为至
12.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，所述浅沟槽的深度为至
13.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，向所述浅沟槽内填充绝缘材料的工艺为高密度等离子体化学气相沉积工艺。
14.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，向所述浅沟槽内填充绝缘材料后，所述浅沟槽内的绝缘材料的厚度为至
15.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，所述平坦化工艺为化学机械研磨工艺。
16.如权利要求15所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于，所述化学机械研磨工艺的步骤包括：对所述绝缘材料进行第一化学机械研磨工艺，去除部分所述绝缘材料，剩余所述绝缘材料覆盖所述研磨缓冲层；
对所述研磨缓冲层和剩余所述绝缘材料进行第二化学机械研磨工艺，直至去除所述研磨缓冲层并露出所述研磨停止层表面；
进行第三化学机械研磨工艺，去除部分所述绝缘层材料直至所述浅沟槽内的绝缘材料的厚度达到目标厚度值。
17.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，去除所述研磨停止层的工艺为湿法刻蚀工艺。
18.如权利要求17所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于，所述湿法刻蚀工艺所采用的溶液为磷酸溶液。
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