CN107993973B

CN107993973B - 浅沟槽隔离结构的制备方法

Info

Publication number: CN107993973B
Application number: CN201711183482.9A
Authority: CN
Inventors: 杨鹏; 张磊; 周文斌; 杜在凯
Original assignee: Yangtze Memory Technologies Co Ltd
Current assignee: Yangtze Memory Technologies Co Ltd
Priority date: 2017-11-23
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2020-08-25
Anticipated expiration: 2037-11-23
Also published as: CN107993973A

Abstract

本发明涉及浅沟槽隔离结构的制备方法，该制备方法包括在硅衬底晶片表面依次沉积形成氧化硅层和氮化硅层；在表面光刻形成沟槽，沟槽贯穿氧化硅层和氮化硅层并伸入硅衬底中；在沟槽中沉积氧化硅，使氧化硅填满沟槽；使用化学机械研磨除去氮化硅层表面的多余的氧化硅，形成表面平整的沟槽氧化硅填充结构；浓硫酸双氧水混合溶液对沟槽氧化硅填充结构进行预清洗；对沟槽氧化硅填充结构进行正式清洗；除去氮化硅层，形成浅沟槽隔离结构。本发明的浅沟槽隔离结构的制备方法能够降低芯片的缺陷量，提高沟槽氧化硅填充结构产品的良率，具有很好的经济效益。

Description

浅沟槽隔离结构的制备方法

技术领域

本发明涉及半导体的制造工艺领域，特别涉及浅沟槽隔离结构的制备方法。

背景技术

近年来，为了消除半导体元件间的相互影响，半导体制造中引入了元件隔离宽度小的浅沟槽隔离法(STI)。STI法是在硅衬底层刻蚀出沟槽，然后在沟槽中填入氧化硅绝缘层，形成电绝缘的元件区域。STI的方法流程为：首先硅衬底分别形成氧化硅和氮化硅层，然后在晶片表面形成沟槽并填入氧化硅层，最后通过化学机械研磨(CMP)除去氮化硅层上多余氧化硅层，再除去氮化硅层得到浅沟槽隔离结构。其中CMP过后必经过清洗除去颗粒物，以免在除去氮化硅后形成大量缺陷，从而影响产品的良率。

传统沉积氧化硅层的方法为高密度等离子体工艺(HDP)，但随着对超大规模集成电路高集成度和高性能的需求的增加，半导体技术向着65nm甚至更小特征尺寸的技术节点发展，使得间隙宽度也相应地缩小，深度比也随之提高，这就要求薄膜沉积的填隙能力需要进一步提升，高密度等离子体工艺已无法满足以上技术需求，因此其逐渐被具有更强填充能力的高深宽比工艺(HARP)代替。

然而高深宽比工艺虽然具有更好的填缝能力，但其沉积的氧化硅质量却相对较差，导致内部应力大，氧化硅膜层疏松有时甚至存在裂缝，因此化学机械研磨过程中易出现大量氧化硅颗粒，而这些氧化硅颗粒表面被化学机械研磨液中的有机物包覆难除去，这将导致产品的良率降低。

发明内容

本发明的目的是为解决以上问题的至少一个，本发明提供一种浅沟槽隔离结构的制备方法，能够将残留物对后续工艺的不利影响降至新低。

一种浅沟槽隔离结构的制备方法，包括以下步骤：

在硅衬底晶片表面依次沉积氧化硅和氮化硅，形成氧化硅层和氮化硅层。

在表面光刻形成沟槽，沟槽贯穿氧化硅层和氮化硅层并伸入硅衬底中。

在沟槽中填充氧化硅，使氧化硅填满沟槽。

使用化学机械研磨除去氮化硅层表面的多余的氧化硅，形成表面平整的沟槽氧化硅填充结构。

浓硫酸双氧水混合溶液对沟槽氧化硅填充结构进行预清洗。

对沟槽氧化硅填充结构进行正式清洗。

除去氮化硅，形成浅沟槽隔离结构。

其中，预清洗步骤包括：使用浓硫酸双氧水混合溶液进行预清洗，使用去离子水进行清洗。

其中，正式清洗步骤包括：使用盐酸双氧水混合溶液，氢氟酸的水溶液，去离子水，氨水双氧水混合溶液，去离子水依次清洗沟槽氧化硅填充结构的步骤。

其中，预清洗步骤包括：浓硫酸的质量浓度为50～90％，双氧水的质量浓度为10～50％。

其中，预清洗步骤包括：清洗时间为1～60秒，清洗温度为50～200℃。

其中，正式清洗步骤包括：所述盐酸双氧水混合溶液的氯化氢的质量浓度为0.5～5％，双氧水的质量浓度为0.5-5％，其余为去离子水。

其中，正式清洗步骤包括：盐酸双氧水的清洗时间均为1～10分钟，清洗温度均为20～80℃。

其中，正式清洗步骤包括：所述氢氟酸水溶液的氢氟酸的质量浓度为1.0～30％，其余为去离子水。

其中，正式清洗步骤包括：氢氟酸水溶液的清洗时间均为1～30分钟，清洗温度均为20～60℃。

其中，正式清洗步骤包括：氨水双氧水混合溶液的氨水的质量浓度为1～20％，双氧水的质量浓度为1～40％，其余为去离子水。

其中，正式清洗步骤包括：氨水双氧水混合溶液的清洗时间为1～10分钟，清洗温度为20～80℃。

其中，正式清洗步骤包括：去离子水的四次清洗时间均为1～10分钟，清洗温度均为10～100℃。

本发明具有以下有益效果：

本发明的浅沟槽隔离结构的值班方法能够降低缺陷量，提高芯片产品的良率，具有很好的经济效益。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明制备方法的一个具体实施方式的沟槽氧化硅填充结构的示意图；

图2示出了根据本发明的制备方法的一个具体实施方式的浅沟槽隔离结构的示意图；

图3示出了根据本发明的制备方法的实施例的浅沟槽隔离结构A的表面缺陷分布及统计图；

图4示出了根据本发明的制备方法的对比例的浅沟槽隔离结构B的表面缺陷分布及统计图；

其中，1.硅衬底；2.氮化硅层；3.氧化硅层；4.氧化硅填充；100.沟槽氧化硅填充结构；200.浅沟槽隔离结构。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

常规的浅沟槽隔离工艺包括以下步骤：先在硅衬底1的表面依次沉积氧化硅和氮化硅，形成氧化硅层3和氮化硅层2，硅衬底1、氧化硅层3和氮化硅层2形成基板结构，然后对基板结构进行刻蚀，在基板结构的表面形成沟槽，然后向沟槽内沉积氧化硅，使氧化硅填满沟槽，接着对其进行化学机械研磨，除去氮化硅层表面的多余的氧化硅，形成具体如图1所示的包括硅衬底1、氮化硅层2、氧化硅层3和氧化硅填充4的沟槽氧化硅填充结构100，接着对沟槽氧化硅填充结构进行清洗，然后将氮化硅层2除去，形成浅沟槽隔离结构200。

常规的清洗工艺具体包括：利用氯化氢双氧水混合溶液除去沟槽氧化硅填充结构表面的金属离子；利用氨水双氧水混合溶液除去沟槽氧化硅填充结构表面颗粒物；去离子水除去沟槽氧化硅填充结构表面形成的铵盐；利用氯化氢双氧水混合溶液进一步除去沟槽氧化硅填充结构表面金属离子；去离子水清洗沟槽氧化硅填充结构表面的残留物。或者也有部分清洗在氯化氢双氧水混合溶液清洗之后、在氨水双氧水混合溶液清洗之前加入利用氢氟酸除去氮氧化硅表面的残余氧化硅的步骤。

上述清洗工艺中，清洗步骤的设立是因为在化学机械抛光过程中容易产生大颗粒的氧化硅，这类氧化硅的存在影响生产的产品良率，因此需通过清洗除去。发明人在实际生产中发现，此步骤的清洗并不彻底，仍然会有部分大颗粒氧化硅残留。经深入研究发现，这是因为大颗粒氧化硅表面包覆有机物，有机物形成阻挡层阻止氧化硅与氨水双氧水混合溶液或氢氟酸进行反应，进而影响清除效果。

本发明的基本思想是，通过在正式清洗前加入预清洗步骤，除去包裹在氧化硅颗粒表面的阻挡层，并通过进一步优化正式清洗的工艺，达到彻底除氧化硅大颗粒的目的。

预清洗中，使用的清洗液为浓硫酸、双氧水混合溶液，通过有机物+浓硫酸+双氧水→CO₂+H₂O的化学反应，将包裹氧化硅的有机物阻挡层除去。其中浓硫酸的质量浓度为50～90％，双氧水的质量浓度为10～50％时，且清洗时间为1～60秒，清洗温度为50～150℃时，阻挡层和氧化硅颗粒的清洗更为彻底，且不会对氧化硅填充造成大量损伤，不造成表面粗糙的变化。

正式清洗时，使用盐酸双氧水混合溶液对沟槽氧化硅填充结构进行清洗，每次清洗时间为1～10分钟，清洗温度为20～80℃，通过双氧水将沟槽氧化硅填充结构表面的金属氧化成金属氧化物，再通过酸反应去除。在该过程中，盐酸双氧水中氯化氢的质量浓度为0.5～5％，双氧水的质量浓度为0.5-5％，其余为去离子水，生成的金属离子使用后续步骤中的去离子水去除。

正式清洗时，将氢氟酸水溶液的氢氟酸质量浓度为所述氢氟酸水溶液的氢氟酸的质量浓度为1.0～30％，且清洗清洗时间均为1～30分钟，清洗温度均为20～60℃，除去沟槽氧化硅填充结构表面大颗粒氧化硅。

正式清洗时，将氨水双氧水混合溶液的氨水的质量浓度设为1～20％，双氧水的质量浓度设为1～40％，且清洗时间设为1～10分钟，清洗温度设为20～80℃时，能够进一步去除沟槽氧化硅填充结构表面的其余颗粒物。

此外，对沟槽氧化硅填充结构的清洗可以位于除去氮化硅层步骤之前，也可以位于除去氮化硅层形成浅沟槽隔离结构之后，两者均能取得较优结果，因此以上两种操作顺序的安排均在本权利要求的保护范围之内。

为了进一步说明本发明的制备方法的有益效果，下面将通过实施例和对比例的形式对其做进一步描述。

实施例

浅沟槽隔离结构的制备方法X1，其中制备方法X1中的清洗步骤具体包括以下步骤：

提供硅衬底，依次在硅衬底晶片上沉积形成氧化硅层和氮化硅层。

在硅晶片表面形成沟槽，沟槽贯穿氧化硅层和氮化硅层并部分伸入衬底中。

在沟槽中沉积氧化硅，使氧化硅填满沟槽。

使用化学机械研磨除去填充氧化硅步骤中产生在氮化硅层表面的多余的氧化硅，形成表面平整的沟槽氧化硅填充结构。

使用硫酸与双氧水的混合溶液除去残余氧化硅粒子表面的有机物阻挡层，其中溶液中硫酸的质量浓度为80％，125℃清洗240s。

使用去离子水除去沟槽氧化硅填充结构表面形成的氨盐，80℃清洗300s。

使用氯化氢与双氧水的水溶液除去沟槽氧化硅填充结构表面的金属离子，其中氯化氢和双氧水的质量浓度均为1％，60℃清洗240s。

使用氢氟酸除去氮氧化硅表面的氧化硅层，其中氢氟酸质量浓度为2％，23℃清洗300s。

使用氨水与双氧水的除去沟槽氧化硅填充结构表面颗粒物，氨水和双氧水的质量浓度分别为1％和2％，30℃清洗300s。

使用热磷酸除去氮化硅层，其中磷酸体积浓度为86％，160℃清洗40min，最终形成浅沟槽隔离结构。

对晶片表面的缺陷分析，如图3所示。

对比例

浅沟槽隔离结构的制备方法X2，其中制备方法X2中的清洗步骤具体包括以下步骤：

在沟槽中沉积氧化硅，使氧化硅填满沟槽。

对晶片表面的缺陷分析，如图4所示。

对比结论

将实施例制成的浅沟槽隔离结构和对比例制成的浅沟槽隔离结构进行缺陷分布与统计。如图3所示，浅沟槽隔离结构A的表面总缺陷为51个，且缺陷的粒径均集中在0～0.142nm之间，如图4所示，浅沟槽隔离结构B的表面的总缺陷为197个，且主要为大粒径缺陷，多数缺陷的粒径都大于0.0142nm。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.浅沟槽隔离结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在硅衬底晶片表面依次沉积氧化硅和氮化硅，形成氧化硅层和氮化硅层；

在晶片表面光刻形成沟槽，沟槽贯穿氧化硅层和氮化硅层并部分伸入衬底中；

在沟槽中填充氧化硅，使氧化硅填满沟槽；

使用化学机械研磨除去氮化硅层表面的多余的氧化硅，形成表面平整的沟槽氧化硅填充结构；

对沟槽氧化硅填充结构进行正式清洗；

所述正式清洗前，对沟槽氧化硅填充结构进行预清洗，以去除所述化学机械研磨后残留的氧化硅颗粒表面的阻挡层，所述阻挡层阻止所述正式清洗所采用清洗液与氧化硅颗粒进行反应；

除去氮化硅层，形成浅沟槽隔离结构。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预清洗步骤包括：

使用浓硫酸双氧水混合溶液进行清洗，然后用去离子水清洗。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述正式清洗步骤包括：

使用盐酸双氧水混合溶液，去离子水，氢氟酸的水溶液，去离子水，氨水双氧水混合溶液，去离子水依次清洗沟槽氧化硅填充结构的步骤。

4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述预清洗步骤包括：

浓硫酸的质量浓度为50~90%，双氧水的质量浓度为10~50%。

5.如权利要求2或4所述的制备方法，其特征在于，所述预清洗步骤包括：

浓硫酸双氧水清洗时间为1~60秒，清洗温度为50~200℃。

6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述正式清洗步骤包括：

所述盐酸双氧水混合溶液的氯化氢的质量浓度为0.5~5%，双氧水的质量浓度为0.5-5%，其余为去离子水。

7.如权利要求3或6所述的制备方法，其特征在于，所述正式清洗步骤包括：

盐酸双氧水的清洗时间均为1~10分钟，清洗温度均为20~80℃。

8.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述正式清洗步骤包括：

所述氢氟酸的水溶液的氢氟酸的质量浓度为1.0~30%，其余为去离子水。

9.如权利要求3或8所述的制备方法，其特征在于，所述正式清洗步骤包括：

氢氟酸水溶液的清洗时间均为1~30分钟，清洗温度均为20~60℃。

10.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述正式清洗步骤包括：

氨水双氧水混合溶液的氨水的质量浓度为1~20%，双氧水的质量浓度为1~40%，其余为去离子水。

11.如权利要求3或8所述的制备方法，其特征在于，所述正式清洗步骤包括：

氨水双氧水混合溶液的清洗时间为1~10分钟，清洗温度为20~80℃。

12.如权利要求3所述的制备方法，所述正式清洗步骤包括：

去离子水的四次清洗时间均为1~10分钟，清洗温度均为10~100℃。