CN111933574B - 一种沟槽的形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种沟槽的形成方法，提供一衬底，所述衬底包括像素区和逻辑区；在所述衬底上依次形成第一氧化层和第一硬掩膜层；进行第一干法刻蚀工艺，在所述像素区的所述衬底上形成第一沟槽，所述第一沟槽包括第一开口和第二开口，所述第一开口贯穿所述第一氧化层和所述第一硬掩膜层，所述第二开口为所述第一开口在所述衬底中的延伸；在所述第一沟槽内形成第一沟槽阻挡结构；进行第二干法刻蚀工艺，刻蚀所述第一沟槽阻挡结构和所述逻辑区上的第一硬掩膜层，形成第三开口和第四开口；进行第三干法刻蚀工艺，所述第三开口向下延伸形成第五开口，所述第四开口向下延伸至所述衬底中，以形成第二沟槽。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种沟槽的形成方法。
背景技术
图像传感器通常包括逻辑区域以及像素区域，在现有的STI（shallow trenchisolation，浅沟槽隔离）工艺中，在逻辑区域以及像素区域采用不同的STI形成方法，其中，像素区的STI(浅沟槽隔离)深度通常较浅，以避免干法刻蚀（dry etch）残留的等离子体对像素区域的光电转换性能产生影响，而逻辑区的STI需要经过二次刻蚀以达到较深的深度。具体而言，首先，逻辑区域和像素区域通过第一干法刻蚀工艺，刻蚀得到第一深度的两个STI沟槽；进而，在逻辑区域继续通过第二干法刻蚀工艺，在逻辑区第一深度的所述STI沟槽内刻蚀得到第二深度的STI沟槽（又称为STI延伸沟槽或者深槽隔离）；接着，在像素区域，通过离子注入工艺形成PN结隔离。其中，第二深度大于第一深度。
然而，由于逻辑区域采用两次干法刻蚀工艺，以形成更深的STI沟槽，在形成STI沟槽之后，逻辑区域与像素区域的STI沟槽的顶部表面存在高度差，容易导致在后续采用刻蚀工艺形成栅极结构时逻辑区域与像素区域发生多晶硅残留的问题，多晶硅残留会导致STI隔离失效；还会在逻辑区域发生多晶硅过刻蚀的问题，导致衬底过刻，破坏衬底表面，会影响产品电学性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种沟槽的形成方法，以解决逻辑区域与像素区域发生多晶硅残留的问题，或者在逻辑区域发生多晶硅过刻蚀的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种沟槽的形成方法，包括：
提供一衬底，所述衬底包括像素区和逻辑区；
在所述衬底上依次形成第一氧化层和第一硬掩膜层；
进行第一干法刻蚀工艺，在所述像素区的所述衬底上形成第一沟槽，所述第一沟槽包括第一开口和第二开口，所述第一开口贯穿所述第一氧化层和所述第一硬掩膜层，所述第二开口为所述第一开口在所述衬底中的延伸；
在所述第一沟槽内沉积第二氧化层形成第一沟槽阻挡结构；
进行第二干法刻蚀工艺，刻蚀所述第一沟槽阻挡结构和所述逻辑区上的第一硬掩膜层和第一氧化层，在所述像素区上形成第三开口，同时在所述逻辑区上形成第四开口；以及，
进行第三干法刻蚀工艺，刻蚀所述第三开口下方的第一沟槽阻挡结构和所述逻辑区的衬底，所述第三开口向下延伸形成第五开口，所述第四开口向下延伸至所述衬底中以在所述逻辑区上形成第二沟槽。
可选的，所述第一开口的底部的宽度大于或等于所述第二开口的顶部的宽度。
可选的，所述第二干法刻蚀工艺中，所述第一沟槽阻挡结构的刻蚀速率大于所述第一硬掩模层的刻蚀速率。
可选的，所述第一沟槽阻挡结构采用高深宽比工艺生长工艺形成。
可选的，形成第一氧化层和第一硬掩膜层之后，进行第一干法刻蚀工艺之前，还包括：
在所述第一硬掩膜层上形成具有第一光刻胶开口的第一光刻胶层，所述第一光刻胶开口位于所述像素区上。
可选的，进行第一干法刻蚀工艺之后，形成第一沟槽阻挡结构之前，还包括：
对所述第一开口进行回刻蚀，以增大所述第一开口的宽度。
可选的，形成第一沟槽阻挡结构之后，形成所述第二沟槽之前，还包括：
在所述第一沟槽阻挡结构和所述第一硬掩膜层上形成具有第二光刻胶开口和第三光刻胶开口的第二光刻胶层，所述第二光刻胶开口位于第一沟槽阻挡结构上，所述第三光刻胶开口位于所述逻辑区的所述第一硬掩膜层上。
可选的，所述第二光刻胶开口的宽度小于所述第一沟槽的底部宽度。
可选的，形成所述第一沟槽和所述第二沟槽之后，还包括：
在所述第一沟槽和所述第二沟槽内沉积第三氧化层，在所述第一沟槽中形成第一沟槽隔离结构，同时在所述第二沟槽中形成第二沟槽隔离结构。
可选的，所述第三氧化层采用高深宽比工艺生长形成。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提供一种沟槽的形成方法，通过第一次干法刻蚀工艺，先在像素区形成第一沟槽，并在所述第一沟槽中填充第二氧化层形成第一沟槽阻挡结构，然后，通过第二次干法刻蚀工艺，刻蚀所述像素区的所述第一沟槽阻挡结构和所述逻辑区的第一硬掩膜层、第一氧化层和衬底，以形成深度不同的像素区第一沟槽和逻辑区第二沟槽。如此，可以通过第二干法刻蚀工艺对第一氧化层、第二氧化层、第一硬掩膜层和衬底的刻蚀速率不同，形成不同深度的像素区第一沟槽和逻辑区第二沟槽，还可以通过调整第一硬掩膜层的厚度，形成不同深度的像素区第一沟槽和逻辑区第二沟槽。本发明中的像素区第一沟槽和逻辑区第二沟槽的形成顺序不可以调换。采用本发明提供的沟槽的形成方法，能够解决逻辑区与像素区发生多晶硅残留的问题，以及在逻辑区域发生多晶硅过刻蚀的问题，提高了图像传感器的性能。
附图说明
图1是本发明实施例的沟槽的形成方法流程图；
图2至图9是本发明实施例的沟槽的形成方法对应的结构示意图；
附图标记，
100-衬底；101-第一氧化层；102-第一硬掩膜层；103-第一光刻胶层；104-第一光刻胶开口；105-第一沟槽；105a-第一开口；105b-第二开口；106-第一沟槽阻挡结构；107-第二光刻胶层；108-第二光刻胶开口；109-第三光刻胶开口；110-第三开口；111-第四开口；112-第五开口；113-第二沟槽；114-第一沟槽隔离结构；115-第二沟槽隔离结构。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种沟槽的形成方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
图1是本发明实施例的沟槽的形成方法流程图。如图1所示，本发明提供一种沟槽的形成方法，包括：
步骤S10，提供一衬底，所述衬底包括像素区和逻辑区；
步骤S20，在所述衬底上依次形成第一氧化层和第一硬掩膜层；
步骤S30，进行第一干法刻蚀工艺，在所述像素区的所述衬底上形成第一沟槽，所述第一沟槽包括第一开口和第二开口，所述第一开口贯穿所述第一氧化层和所述第一硬掩膜层，所述第二开口为所述第一开口在所述衬底中的延伸；
步骤S40，在所述第一沟槽内沉积第二氧化层形成第一沟槽阻挡结构；
步骤S50，进行第二干法刻蚀工艺，刻蚀所述第一沟槽阻挡结构和所述逻辑区上的第一硬掩膜层和第一氧化层，在所述像素区上形成第三开口，同时在所述逻辑区上形成第四开口；
步骤S60，进行第三干法刻蚀工艺，刻蚀所述第三开口下方的第一沟槽阻挡结构和所述逻辑区的衬底，所述第三开口向下延伸形成第五开口，所述第四开口向下延伸至所述衬底中以在所述逻辑区上形成第二沟槽。
本发明所提供的一种沟槽的形成方法，所述像素区第一沟槽和所述逻辑区第二沟槽的形成顺序不可调换，是因为逻辑区内第二沟槽的数量较多，每个第二沟槽的开口较小，假设第二沟槽内形成第二沟槽阻挡结构，需要更小的开口以防止第二沟槽被破坏，而更小的开口在生产中不容易控制。
图2至图9是本发明实施例的沟槽的形成方法对应的结构示意图。下面结合附图2~图9对本实施例提供的沟槽的形成方法其各个步骤进行详细说明。
在步骤S10中，提供一衬底100。其中，所述衬底100可以包括半导体材料、绝缘材料、导体材料或者它们的任意组合，其可以为单层结构，也可以包括多层结构。因此，衬底100可以是诸如Si、SiGe、SiGeC、SiC、GaAs、InAs、InP和其它的III/V或II/VI化合物半导体的半导体材料，也可以包括诸如Si/SiGe、Si/SiC、绝缘体上硅(SOI)或绝缘体上硅锗的层状衬底。
本实施例中，所述衬底100用于形成CMOS图像传感器(CIS)，所述衬底100包括像素区A1和逻辑区B1，其中，像素区A1后续用以形成用来检测光的光电二极管，而逻辑区B1后续用来将检测的光处理为电信号以获取光学数据。
在步骤S20中，在所述衬底100上依次形成第一氧化层101和第一硬掩膜层102。由于所述第一硬掩膜层102与所述衬底100的晶格常数和热膨胀系数差异较大，需要沉积所述第一氧化层101在所述第一硬掩膜层102与所述衬底100中间，以作为缓冲层，消除所述第一硬掩膜层102与所述衬底100之间的应力。所述第一硬掩膜层102用于作为后续机械研磨的停止层，还用于控制所述第一硬掩膜层102的开口的宽度。
具体的，所述第一氧化层101的材质例如是二氧化硅，可通过热氧化或化学气相沉积（CVD）工艺形成。所述工艺气体为H2和O2，所述工艺气体H2的气体流量和O2的气体流量比为10:4-6:1；所述第一氧化层101的厚度为100 Å-300 Å。
具体的，所述第一硬掩膜层102的材质例如是氮化硅，可通化学气相沉积（CVD）工艺形成。在沉积第一硬掩膜层102的工艺中，在沉积所述第一硬掩膜层102的工艺中，所述工艺气体为NH3和DCS(SiH2Cl2，二氯二氢硅)，所述工艺气体NH3的气体流量为0.3slm-0.5slm，所述工艺气体DCS的气体流量是50sccm-100sccm；所述工艺温度为500℃-1000℃；所述第一硬掩膜层102的厚度为1000 Å-2000 Å
本实施例中，如图2所示，在执行步骤S20之后，执行步骤S30之前，在所述第一硬掩膜层102上形成图形化的第一光刻胶层103，所述第一光刻胶层103具有第一光刻胶开口104，所述第一光刻胶开口104位于所述像素区A1上。图形化的第一光刻胶层103可通过旋涂、曝光、显影等常规工艺形成。
在步骤S30中，参考图3-图5，进行第一干法刻蚀工艺，在所述像素区A1的衬底100上形成第一沟槽105，所述第一沟槽105包括第一开口105a和第二开口105b，所述第一开口105a贯穿所述第一氧化层101和所述第一硬掩膜层102，所述第二开口105b为所述第一开口105a在所述衬底100中的延伸。
具体的，形成所述第一沟槽105的过程包括以下步骤：
请参考图3，以所述图形化的光刻胶层103为掩模，刻蚀所述第一硬掩膜层102、第一氧化层101和部分厚度的衬底100，形成第一开口105a和第二开口105b，第一开口105a贯穿所述第一硬掩膜层102和所述第一氧化层101，第二开口105b贯穿部分厚度的衬底100，第二开口105b位于第一开口105a的下方并与第一开口105a连通。优选的，所述第二开口105b的侧壁与底壁的夹角是钝角，有利于后续第二氧化层的填充。
其中，刻蚀所述第一硬掩膜层102和所述第一氧化层101时，所述刻蚀为第一干法刻蚀工艺，刻蚀气体为CF4，所述CF4的气体流量例如为50sccm-150sccm。
进一步的，形成第一开口105a和第二开口105b后，所述第一光刻胶层103可能被消耗殆尽，也可能还有残留；如果图形化的第一光刻胶层103还未消耗殆尽，还需要进行去除光刻胶工艺，通常采用灰化工艺或者剥离的方式去除残留的图形化的光刻胶。
接着，请参考图4，采用湿法刻蚀的方式对所述第一开口105a进行回刻，进行回刻蚀之后，所述第一开口105a的底部宽度大于所述第二开口105b的顶部宽度。所述第一开口105a和所述第二开口105b组成所述第一沟槽105。在具体实施时，也可以不对所述第一开口105a回刻，即所述第一开口105a的宽度等于第二开口105b的顶部宽度，在此不予限制。回刻工艺形成的所述第一开口105a的宽度大于所述第二开口105b的顶部宽度作用是，避免所述第一沟槽隔离结构在后续的刻蚀工艺中被侧向钻蚀的问题，进而影响电信号的传输，造成图像传感器电性能变差。
在步骤S40中，在所述第一沟槽105内沉积第二氧化层形成第一沟槽阻挡结构106；
请参考图5，在所述第一沟槽105内沉积第二氧化层，所述第二氧化层还覆盖所述第一硬掩膜层102的表面，所述第二氧化层例如是采用高深宽比工艺(HARP，High AspectRatio Process)形成。在所述高深宽比沉积工艺中，所述工艺气体例如是包括TEOS(正硅酸乙酯)和O3，优选地，TEOS流量例如为500sccm-3000sccm，O3流量例如为10000sccm-30000sccm。
在所述第一沟槽105内沉积第二氧化层之后，对所述第二氧化层进行平坦化处理，例如，通过化学机械研磨工艺（CMP）进行平坦化，从而去除第一硬掩膜层102表面的第二氧化层，形成所述第一沟槽阻挡结构106。
所述第一沟槽阻挡结构106是刻蚀选择比大于所述第一硬掩模层102刻蚀选择比的材料，所述第一沟槽阻挡结构106可以是上述介绍的采用高深宽比工艺形成，也可以采用HDP-CVD(高密度等离子体化学气相淀积)的工艺形成，还可以采用SOD（spin ondielectric，旋转涂覆法）的工艺形成，在此不予限制。
请参考图6，在步骤S50之前还包括以下步骤：在所述第一硬掩膜层102上形成图形化的第二光刻胶层107，所述第二光刻胶层107上具有第二光刻胶开口108和第三光刻胶开口109，所述第二光刻胶开口108位于所述像素区A1上，所述第三光刻胶开口109位于逻辑区B1上。所述第二光刻胶开口108的宽度小于所述第一沟槽105的底部宽度。
在步骤S50中，进行第二干法刻蚀工艺，刻蚀所述第一沟槽阻挡结构106和所述逻辑区B1上的第一硬掩膜层102，在所述像素区上形成第三开口110，同时在所述逻辑区上形成第四开口111，所述第三开口110的宽度小于所述第一沟槽105的宽度；
如图7所示，所述第二干法刻蚀工艺，刻蚀到所述衬底100停止，所述第三光刻胶开口109向下延伸，贯穿所述第一氧化层101和第一硬掩膜层102，形成暴露所述衬底100的第四开口111；所述第二光刻胶开口108向下延伸形成第三开口110。所述第一步干法刻蚀工艺的刻蚀气体为CH2F2和CHF3，所述气体CH2F2和CHF3的气体流量均为50sccm-150sccm，上述气体流量对高深宽比工艺形成的第一沟槽阻挡结构106和对第一硬掩膜层102的刻蚀选择比为2:1-5:1；刻蚀选择比指的是在同一刻蚀条件下一种材料与另一种材料相对刻蚀速率快慢。它定义为被刻蚀材料的刻蚀速率与另一种材料的刻蚀速率的比；本实施例中，第二干法刻蚀工艺中，所述第一沟槽阻挡结构106的刻蚀速率大于所述第一硬掩模层102的刻蚀速率；因此，第三开口110的深度大于第四开口111的深度。
在步骤S60中，进行第三干法刻蚀工艺，刻蚀所述第三开口110下方的第一沟槽阻挡结构106和所述逻辑区B1的衬底100，所述第三开口110向下延伸形成第五开口112，所述第四开口111向下延伸至所述衬底100中，以在所述逻辑区上形成第二沟槽113。
如图8所示，所述第三干法刻蚀工艺，所述第三开口110向下延伸形成第五开口112；所述第四开口111向下延伸至所述衬底100中以形成第二沟槽113。所述第五开口112的深度小于所述第一沟槽105的深度。所述第三干法刻蚀工艺的刻蚀气体例如是HBr和O2，所述气体HBr的气体流量例如是100sccm-500sccm，所述气体O2的气体流量例如是小于50sccm。上述气体流量对高深宽比工艺形成的第一沟槽阻挡结构106和对所述衬底100的刻蚀选择比为1:5-1:20；因此，第二沟槽113的深度大于第五开口112的深度。也就是说所述第二沟槽113的深度大于所述第一沟槽105的深度。
发明人研究发现，所述第一沟槽105的深度和所述第二沟槽113的深度差可以通过调整第一硬掩膜层102的厚度调整，还可以通过调整干法刻蚀工艺的刻蚀选择比来调整，如此可以达到期望的深度差。
本实施例中，所述第一沟槽105的截面宽度大于所述第二沟槽113的截面宽度。但应理解，具体实施时，所述第一沟槽105的截面宽度也可以等于或小于所述第二沟槽113的截面宽度。
本实施例中，形成所述第一沟槽105和所第二沟槽113后，还包括以下步骤：在所述第一沟槽105和所第二沟槽113内沉积第三氧化层，并对所述第三氧化层进行平坦化，以形成第一沟槽隔离结构114和第二沟槽隔离结构115。其中，所述第三氧化层采用高深宽比工艺形成。在所述高深宽比沉积工艺中，所述工艺气体包括TEOS(正硅酸乙酯)和O3，优选地，TEOS流量为500sccm-3000sccm，O3流量为10000sccm-30000sccm。
其中，对所述第三氧化层进行平坦化，例如通过化学机械研磨工艺（CMP）进行平坦化，从而使其具有平坦的表面。
综上可见，在本发明实施例提供的沟槽的形成方法中，通过先在像素区形成第一沟槽，并在所述第一沟槽中填充第二氧化层作为第一沟槽阻挡结构，对所述像素区的所述第一沟槽阻挡结构和所述逻辑区的第一硬掩膜层、第一氧化层和所述衬底进行干法刻蚀工艺，以形成深度不同的像素区第一沟槽和逻辑区第二沟槽，采用本发明提供的沟槽的形成方法，能够解决逻辑区与像素区发生多晶硅残留的问题，以及在逻辑区域发生多晶硅过刻蚀的问题，提高了图像传感器的性能；此外，回刻工艺形成的所述第一开口的宽度大于所述第二开口的顶部宽度的结构，避免所述第一沟槽隔离结构在后续的刻蚀工艺中被侧向钻蚀的问题，进而影响电信号的传输，造成图像传感器电性能变差。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (10)
1.一种沟槽的形成方法，其特征在于，包括：
提供一衬底，所述衬底包括像素区和逻辑区；
在所述衬底上依次形成第一氧化层和第一硬掩膜层；
进行第一干法刻蚀工艺，在所述像素区的所述衬底上形成第一沟槽，所述第一沟槽包括第一开口和第二开口，所述第一开口贯穿所述第一氧化层和所述第一硬掩膜层，所述第二开口为所述第一开口在所述衬底中的延伸；
在所述第一沟槽内沉积第二氧化层形成第一沟槽阻挡结构；
进行第二干法刻蚀工艺，刻蚀所述第一沟槽阻挡结构和所述逻辑区上的第一硬掩膜层和第一氧化层，在所述像素区上形成第三开口，同时在所述逻辑区上形成第四开口；以及，
进行第三干法刻蚀工艺，刻蚀所述第三开口下方的第一沟槽阻挡结构和所述逻辑区的衬底，所述第三开口向下延伸形成第五开口，所述第四开口向下延伸至所述衬底中以在所述逻辑区上形成第二沟槽；
其中，所述第五开口的深度小于所述第一沟槽的深度，且所述第一沟槽的深度小于所述第二沟槽的深度。
2.如权利要求1所述的沟槽的形成方法，其特征在于，所述第一开口的底部的宽度大于或等于所述第二开口的顶部的宽度。
3.如权利要求1所述的沟槽的形成方法，其特征在于，所述第二干法刻蚀工艺中，所述第一沟槽阻挡结构的刻蚀速率大于所述第一硬掩膜层的刻蚀速率。
4.如权利要求1所述的沟槽的形成方法，其特征在于，所述第一沟槽阻挡结构采用高深宽比工艺生长工艺形成。
5.如权利要求1所述的沟槽的形成方法，其特征在于，形成第一氧化层和第一硬掩膜层之后，进行第一干法刻蚀工艺之前，还包括：
在所述第一硬掩膜层上形成具有第一光刻胶开口的第一光刻胶层，所述第一光刻胶开口位于所述像素区上。
6.如权利要求5所述的沟槽的形成方法，其特征在于，进行第一干法刻蚀工艺之后，形成第一沟槽阻挡结构之前，还包括：
对所述第一开口进行回刻蚀，以增大所述第一开口的宽度。
7.如权利要求1所述的沟槽的形成方法，其特征在于，形成第一沟槽阻挡结构之后，形成所述第二沟槽之前，还包括：
在所述第一沟槽阻挡结构和所述第一硬掩膜层上形成具有第二光刻胶开口和第三光刻胶开口的第二光刻胶层，所述第二光刻胶开口位于第一沟槽阻挡结构上，所述第三光刻胶开口位于所述逻辑区的所述第一硬掩膜层上。
8.如权利要求7所述的沟槽的形成方法，其特征在于，所述第二光刻胶开口的宽度小于所述第一沟槽的底部宽度。
9.如权利要求1所述的沟槽的形成方法，其特征在于，形成所述第一沟槽和所述第二沟槽之后，还包括：
在所述第一沟槽和所述第二沟槽内沉积第三氧化层，在所述第一沟槽中形成第一沟槽隔离结构，同时在所述第二沟槽中形成第二沟槽隔离结构。
10.如权利要求9所述的沟槽的形成方法，其特征在于，所述第三氧化层采用高深宽比工艺生长形成。
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