CN113838797A - 局部氧化物层的制备方法、半导体器件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种局部氧化物层的制备方法、半导体器件的制备方法。在局部氧化物层的制备方法中，通过在开口的侧壁上形成含氮材料层以阻挡氧的横向扩散，大大降低了横向扩散至鸟嘴区域的氧含量，使得所形成的局部氧化物层其鸟嘴的尺寸得以缩减。

Description

局部氧化物层的制备方法、半导体器件的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种局部氧化物层的制备方法及半导体器件的制备方法。
背景技术
在现代半导体器件的制造工艺中，硅局部氧化（Local Oxidation of Silicon，LOCOS）因其具有厚度较大的局部氧化物层，而能够很好的降低结电容、隔离器件、改善闩锁效应和寄生晶体管等问题，从而被广泛应用于集成电路的生产当中。
目前，针对LOCOS结构中的局部氧化物层的制备方法例如可参考图1-图2所示，包括：首先参考图1所示，在衬底10依次形成前置氧化物层20和氮化物层30，并依次刻蚀氮化物层30和前置氧化物层20以形成开口40a，所述开口40a用于界定出后续需形成的局部氧化物层的区域；接着参考图2所示，执行氧化工艺，以在所述开口40a中形成局部氧化物层40。
其中，在执行氧化工艺而生成所述局部氧化物层40的过程中，氧化工艺中所提供的氧原子，其一部分沿着纵向扩散进入衬底10，另一部分则会横向扩散，进而造成氮化物层30的下方存在氧化生长而使得氮化物层30的边缘抬高形成鸟嘴41（如图2所示），这种现象被称为“鸟嘴效应”，鸟嘴41的存在会增加所述局部氧化物层40所占用的面积。尤其是，随着集成电路集成度的不断提高，器件尺寸和沟道长度将进一步缩减，此时局部氧化物层40中鸟嘴41的存在将严重影响器件小型化。
现有技术中，针对鸟嘴效应的改善方法通常包括：减小前置氧化物层20的厚度；或者，降低局部氧化物层40其自身的厚度。然而，减小前置氧化物层20的厚度将会导致氮化物层30对衬底10的应力难以得到有效的缓解，以及降低局部氧化物层40其自身的厚度则会影响对器件的隔离效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种局部氧化物层的制备方法，以解决现有的制备方法所形成的局部氧化物层的鸟嘴尺寸难以进一步缩减的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种局部氧化物层的制备方法，包括：提供一衬底，并在所述衬底上依次形成前置氧化物层和氮化物层；刻蚀所述氮化物层和所述前置氧化物层以形成开口，所述开口暴露出衬底；在所述开口的侧壁上形成含氮材料层，所述含氮材料层至少覆盖所述前置氧化物层对应在所述开口内的侧壁；以及，执行氧化工艺，以在所述开口中形成局部氧化物层。
可选的，所述开口的底部还延伸至所述衬底内，所述含氮材料层还覆盖所述衬底对应于所述开口侧壁的部分。
可选的，所述含氮材料层的形成方法包括：形成初始材料层，并注入氮离子至所述初始材料层中以形成所述含氮材料层。
可选的，形成所述初始材料层时，所述初始材料层覆盖所述开口的底部和侧壁；以及，采用倾斜离子注入工艺，对所述初始材料层中覆盖开口侧壁的部分注入氮离子。
可选的，注入氮离子至所述初始材料层中之后，还包括：去除所述初始材料层中覆盖开口底部的部分，以暴露出对应在所述开口中的衬底。
可选的，注入氮离子至所述初始材料层中之后，还包括：执行退火工艺，以使注入有氮离子的初始材料层转变为氮化物层。其中，可以在氮气的氛围内执行所述退火工艺。
可选的，所述含氮材料层的厚度大于80 Å。
可选的，所述前置氧化物层和所述氮化物层之间还形成有多晶硅层，所述开口依次贯穿所述氮化物层、所述多晶硅层和所述氮化物层以暴露出所述衬底。
基于如上所述的局部氧化物层的制备方法，本发明还提供了一种半导体器件的制备方法，其利用如上所述的制备方法形成局部氧化物层，不仅可以确保所形成的局部氧化物层具备足够厚度，并有利于实现器件尺寸的进一步缩减。
本发明提供的局部氧化物层的制备方法中，通过在开口的侧壁上形成含氮材料层，以利用该含氮材料层阻挡氧的横向扩散，大大降低了横向扩散至鸟嘴区域的氧含量，从而使得所形成的局部氧化物层其鸟嘴的尺寸得以进一步缩减。因此，本发明提供的制备方法，其可以在不降低局部氧化物层其自身厚度的情况下，实现所形成的局部氧化物层其鸟嘴尺寸的有效缩减。
附图说明
图1-图2是现有的一种局部氧化物层的制备方法在其制备过程中的结构示意图。
图3为本发明一实施例中的局部氧化物层的制备方法的流程示意图。
图4-图11为本发明一实施例中的局部氧化物层的制备方法在其制备过程中的结构示意图。
其中，附图标记如下：
10-衬底；
20-前置氧化物层；
30-氮化物层；
40a-开口；
40-局部氧化物层；
41-鸟嘴；
100-衬底；
200-前置氧化物层；
300-多晶硅层；
400-氮化物层；
500a-开口；
500-局部氧化物层
610-初始材料层；
620-掺杂氮离子的材料层；
630-含氮材料层。
具体实施方式
承如背景技术所述，现有技术中在面对局部氧化层中的鸟嘴效应时，为了缩减鸟嘴尺寸而采取的改进方式还会同时引起其他问题（例如，影响局部氧化物层其自身的隔离性能），使得目前的优化方式仍存在局限性。
为此，本发明提供了一种局部氧化物层的制备方法，其可以在不缩减局部氧化物层其自身厚度的情况下，缩减鸟嘴的尺寸。例如可参考图3所示，所述制备方法包括如下步骤。
步骤S100，提供一衬底，并在所述衬底上依次形成前置氧化物层和氮化物层。
步骤S200，刻蚀所述氮化物层和所述前置氧化物层以形成开口，所述开口暴露出衬底。
步骤S300，在所述开口的侧壁上形成含氮材料层，所述含氮材料层至少覆盖所述前置氧化物层对应在所述开口内的侧壁。
步骤S400，执行氧化工艺，以在所述开口中形成局部氧化物层。
本发明提供的局部氧化物层的制备方法中，通过在开口的侧壁上形成含氮材料层，以利用所述含氮材料层阻挡氧的横向扩散，大大降低了横向扩散至鸟嘴区域的氧含量，从而达到减小所形成的鸟嘴的尺寸的目的。
以下结合附图3、图4-图11和具体实施例对本发明提出的局部氧化层及其制备方法作进一步详细说明，其中图4-图11为本发明一实施例中的的局部氧化物层在其制备过程中的结构示意图。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，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。以及附图中所示的诸如“上方”，“下方”，“顶部”，“底部”，“上方”和“下方”之类的相对术语可用于描述彼此之间的各种元件的关系。这些相对术语旨在涵盖除附图中描绘的取向之外的元件的不同取向。例如，如果装置相对于附图中的视图是倒置的，则例如描述为在另一元件“上方”的元件现在将在该元件下方。
在步骤S100中，具体参考图4所示，提供一衬底100，并在所述衬底100上依次形成前置氧化物层200和氮化物层400。
其中，所述衬底100例如为硅衬底。所述前置氧化物层200具体可以为氧化硅层，其可用于缓解所述氮化物层400和所述衬底100之间的应力。以及，所述氮化物层400可具体为氮化硅层，其可用于在后续的氧化工艺中阻挡氧原子。
进一步的方案中，在所述前置氧化物层200和所述氮化物层400之间还设置有多晶硅层300，从而可利用所述多晶硅层300和所述前置氧化物层200缓解所述氮化物层400和所述衬底100之间的应力。而基于所述多晶硅层300的存在，将允许对所述前置氧化物层200的厚度进行缩减，进而有利于减小后续形成的局部氧化物层其鸟嘴的尺寸。
在步骤S200中，具体参考图5所示，刻蚀所述氮化物层400和所述前置氧化物层200以形成开口500a，所述开口500a暴露出衬底100。
本实施例中，在所述前置氧化物层200和氮化物层400之间还形成有多晶硅层300，因此所述开口500a即依次贯穿所述氮化物层400、所述多晶硅层300和所述前置氧化物层200而暴露出所述衬底100，在后续的氧化工艺中所提供氧即可通过所述开口500a而直接氧化暴露出的衬底100。
继续参考图5所示，在依次刻蚀所述氮化物层400、所述多晶硅层300和所述前置氧化物层200而暴露出所述衬底100之后，还可进一步刻蚀所述衬底100，以使所形成的开口500a的底部延伸至所述衬底100中。此时，所述开口500a的侧壁即依次对应有氮化物层400、多晶硅层300、前置氧化物层200和衬底。
在步骤S300中，具体参考图6-图9所示，在所述开口500a的侧壁上形成含氮材料层630，所述含氮材料层630至少覆盖所述前置氧化物层200对应在所述开口500a内的侧壁。
需要说明的是，所述含氮材料层630对氧具有一定的阻挡作用，从而在后续的氧化工艺中，即有利于阻挡氧经由前置氧化物层200横向扩散，进而减小最终所形成的鸟嘴的尺寸。其中，所述含氮材料层630的厚度可大于80 Å ，例如，所述含氮材料层630的厚度可设置为100 Å -200 Å，以保证其对氧的阻挡效果。
一种可选的方案中，所述含氮材料层630可以为掺杂氮离子的材料层（例如，掺杂氮离子的硅材料层）。而针对所述含氮材料层630为掺杂氮离子的材料层时，其形成方法例如包括：形成初始材料层，并注入氮离子至所述初始材料层中以形成所述含氮材料层。所述初始材料层例如为硅材料层，此时即可对应形成掺杂氮离子的硅材料层。
另一种可选的方案中，所述含氮材料层630还可以是氮化物层（例如，氮化硅层）。而针对所述含氮材料层630为氮化物层时，其形成方法例如包括：形成初始材料层，并注入氮离子至所述初始材料层中，之后，执行退火工艺，以使注入有氮离子的初始材料层转变为氮化物层。所述初始材料层例如为硅材料层，此时所形成的氮化物层即为氮化硅层。
本实施例中，以所述含氮材料层630为氮化物层为例，进一步解释说明在所述开口500a的侧壁上形成含氮材料层630的方法，其具体可包括如下步骤。
第一步骤，具体参考图6所示，在所述开口500a的底部和侧壁上形成初始材料层610。本实施例中，所述初始材料层610具体为硅材料层，所述硅材料层可进一步为多晶硅层。由于所述初始材料层610中覆盖在开口底部的部分即覆盖衬底100的表面，因此采用硅材料层构成所述初始材料层610，即有利于避免和衬底100之间产生较大的应力而损伤衬底100。
第二步骤，具体参考图7所示，注入氮离子至所述初始材料层610中以形成掺杂氮离子的材料层620。本实施例中，可采用倾斜离子注入工艺，将氮离子注入至所述初始材料层610覆盖在开口侧壁的部分中。相比于垂直离子注入，本实施例中采用朝向开口侧壁的倾斜离子注入工艺，将有利于减少甚至避免氮离子被注入至开口底部的衬底100中。可以认为，通过倾斜离子注入，可以使得覆盖在开口底部的初始材料层仍为未掺杂材料层，而覆盖在开口侧壁的初始材料层中则掺杂有氮离子。当然在实际应用中，位于开口底部且靠近开口侧壁的初始材料层中可能仍然会被注入有少量氮离子，然而该部分将会在后续步骤中被去除，因此并不会对局部氧化物层制备造成影响。
具体的，针对所述开口500a其相互面对的两个侧壁，可执行两次倾斜离子注入工艺，以对相对的两个侧壁上的初始材料层分别进行氮离子注入。其中，倾斜离子注入工艺的倾斜角度可根据实际的状况调整，例如可使离子注入的倾斜角度设置为20°-70°之间，只要可以使开口侧壁上的初始材料层能够被注入氮离子，而开口底部的初始材料层尽量不被注入氮离子即可。以及，离子注入工艺中的注入剂量例如为1014-1015／cm2。
第三步骤，具体参考图8所示，执行退火工艺，以使掺杂氮离子的材料层620进一步转变为氮化物层（即，含氮材料层630）。其中，所述退火工艺具体可以在氮气的氛围内执行快速退火，以使氮离子向材料层内部扩散并形成氮化物层。
本实施例中，初始材料层为硅材料层，则所形成的氮化物层（含氮材料层630）即为氮化硅层。需要说明的是，掺杂氮离子的材料层620其对氧已经具备一定程度的阻挡作用，然而所述氮化物层对氧具有更好的阻挡效果，因此本实施例中将掺杂氮离子的材料层620进一步转变为氮化物层，以提高后续对氧的阻挡效果，进一步减小后续所形成的鸟嘴的尺寸。
第四步骤，具体参考图9所示，去除所述初始材料层中覆盖在开口底部的部分，以暴露出所述衬底100，并保留所述开口500a的侧壁上的含氮材料层630。具体的方案中，可采用干法刻蚀工艺，去除所述初始材料层中覆盖在开口底部的部分。
如上实施例中，是在执行退火工艺以使掺杂氮离子的材料层620转变为氮化物层之后，再去除开口底部的初始材料层。然而其他实施例中，也可以优先去除开口底部的初始材料层，之后再执行退火工艺以使掺杂氮离子的材料层620转变为氮化物层。
还需要说明的是，本实施例中，优先形成初始材料层，之后再对初始材料层进行氮化而形成含氮材料层630。这与直接沉积含氮材料层，再去除开口底部的含氮材料层相比，本实施例提供的形成方法，可以有效避免在开口的底部上形成含氮材料层而对衬底100造成较大的应力。
此外，本实施例中，所述开口500a的底部进一步延伸至衬底100中，此时，开口侧壁上的含氮材料层630即可由所述前置氧化物层200的侧壁进一步延伸至开口的底部，而覆盖所述衬底对应于所述开口侧壁的部分，使得所述含氮材料层630可以更好的覆盖所述前置氧化物层200的侧壁，在后续的氧化工艺中，将可以更好的阻挡氧的横向扩散。
在步骤S400中，具体参考图10所示，执行氧化工艺，以形成局部氧化物层500。其中，所述氧化工艺具体可以为热氧化工艺，例如可在炉管设备中进行。以及，所述氧化工艺还可进一步为湿氧氧化。
需要说明的是，在执行氧化工艺的过程中，一部分氧经由所述开口500a扩散进入衬底100而氧化形成氧化物层，一部分氧可经由所述开口500a的底部而横向扩散至被所述氮化物层400所覆盖的衬底内，从而将该部分的衬底氧化而形成鸟嘴。然而，由于开口500a的侧壁上形成有含氮材料层630，所述含氮材料层630覆盖所述前置氧化物层200的侧壁，从而可以有效阻挡氧经由所述前置氧化物层200横向扩散，大大减小了所形成的鸟嘴的尺寸。
进一步的方案中，可参考图11所示，所述制备方法还包括：去除所述氮化物层、所述氮氧化物层和所述前置氧化物层。
需要说明的是，如上实施例中是以含氮材料层630为氮化物层为例对其制备方法进行说明。然而其他实施例中，所述含氮材料层为掺杂氮离子的材料层时，则其制备方法可参考图6和图7所示，即：在对初始材料层610进行氮离子注入后，不进行退火工艺，而直接去除初始材料层中覆盖在开口底部的部分。
此外，基于如上所述的局部氧化物层的制备方法，本实施例还提供了一种半导体器件的制备方法，包括了利用如上所述的制备方法形成局部氧化物层，所述局部氧化物层例如可构成场氧化层等。
具体的实施例中，所述局部氧化物层可环绕在器件区的外围。基于此，则在制备所述局部氧化物层时，可使所述开口500a为环状开口，以将器件区环绕在内。
综上所述，如上实施例提供的局部氧化物层的制备方法，其可以在不降低局部氧化物层其自身厚度的情况下，通过在开口的侧壁上形成含氮材料层，以阻挡氧的横向扩散，有效降低了横向扩散至鸟嘴区域的氧含量，从而使得所形成的局部氧化物层其鸟嘴的尺寸得以缩减。在一个具体示例中，相比于利用传统方法形成局部氧化物层，利用本实施例中的制备方法所形成的局部氧化物层的鸟嘴尺寸可缩减大约16%。在将其应用于半导体器件中时，即能够保证其对器件的隔离效果，并有利于实现器件尺寸的进一步缩减。
需要说明的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。
此外还应该认识到，此处描述的术语仅仅用来描述特定实施例，而不是用来限制本发明的范围。必须注意的是，此处的以及所附权利要求中使用的单数形式“一个”和“一种”包括复数基准，除非上下文明确表示相反意思。例如，对“一个步骤”或“一个装置”的引述意味着对一个或 多个步骤或装置的引述，并且可能包括次级步骤以及次级装置。应该以最广义的含义来理解使用的所有连词。以及，词语“或”应该被理解为具有逻辑“或”的定义，而不是逻辑“异或”的定义，除非上下文明确表示相反意思。此外，本发明实施例中的方法和/或设备的实现可包括手动、自动或组合地执行所选任务。

Claims (10)

1.一种局部氧化物层的制备方法，其特征在于，包括：
提供一衬底，并在所述衬底上依次形成前置氧化物层和氮化物层；
刻蚀所述氮化物层和所述前置氧化物层以形成开口，所述开口暴露出衬底；
在所述开口的侧壁上形成含氮材料层，所述含氮材料层至少覆盖所述前置氧化物层对应在所述开口内的侧壁；以及，
执行氧化工艺，以在所述开口中形成局部氧化物层。
2.如权利要求1所述局部氧化物层的制备方法，其特征在于，所述开口的底部还延伸至所述衬底内，所述含氮材料层还覆盖所述衬底对应于所述开口侧壁的部分。
3.如权利要求1所述局部氧化物层的制备方法，其特征在于，所述含氮材料层的形成方法包括：形成初始材料层，并注入氮离子至所述初始材料层中以形成所述含氮材料层。
4.如权利要求3所述局部氧化物层的制备方法，其特征在于，形成所述初始材料层时，所述初始材料层覆盖所述开口的底部和侧壁；以及，采用倾斜离子注入工艺，对所述初始材料层中覆盖开口侧壁的部分注入氮离子。
5.如权利要求4所述局部氧化物层的制备方法，其特征在于，注入氮离子至所述初始材料层中之后，还包括：去除所述初始材料层中覆盖开口底部的部分，以暴露出对应在所述开口中的衬底。
6.如权利要求3所述局部氧化物层的制备方法，其特征在于，注入氮离子至所述初始材料层中之后，还包括：执行退火工艺，以使注入有氮离子的初始材料层转变为氮化物层。
7.如权利要求6所述局部氧化物层的制备方法，其特征在于，在氮气的氛围内执行所述退火工艺。
8.如权利要求1所述局部氧化物层的制备方法，其特征在于，所述含氮材料层的厚度大于80 Å。
9.如权利要求1所述局部氧化物层的制备方法，其特征在于，所述前置氧化物层和所述氮化物层之间还形成有多晶硅层，所述开口依次贯穿所述氮化物层、所述多晶硅层和所述氮化物层以暴露出所述衬底。
10.一种半导体器件的制备方法，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的局部氧化物层的制备方法。
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