CN116053195A - 浅沟槽隔离结构的形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种浅沟槽隔离结构的形成方法。所述形成方法包括：提供基底，基底上形成有具有开口的硬掩模层；形成侧墙材料层，侧墙材料层覆盖硬掩模层的上表面和侧表面，以及覆盖基底露出的上表面；执行第一刻蚀步骤，向下刻蚀侧墙材料层，露出硬掩模层的上表面和基底的部分上表面，硬掩模层侧表面上的侧墙材料层被保留并作为侧墙；以硬掩模层和侧墙为掩模，执行第二刻蚀步骤，刻蚀基底形成浅沟槽；以及执行第三刻蚀步骤，刻蚀去除侧墙，露出的基底作为浅沟槽的肩部；其中，第一刻蚀步骤、第二刻蚀步骤和第三刻蚀步骤在同一干法刻蚀设备中完成，如此中途不需要将基底从干制程转出至湿制程，有助于缩短浅沟槽隔离结构的生产周期。

Description

浅沟槽隔离结构的形成方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种浅沟槽隔离结构的形成方法。
背景技术
浅沟槽隔离结构（Shallow Trench Isolation，STI）是目前被广泛使用的隔离元件。图1至图4为一种浅沟槽隔离结构的形成方法的分步骤结构示意图。该浅沟槽隔离结构的形成方法包括：如图1所示，在基底100上形成硬掩模层101，该硬掩模层101包括自下而上层叠的氧化硅层101a和氮化硅层101b，且该硬掩模层101中具有多个开口102，基底100的部分上表面从多个开口102中露出；如图2所示，以该硬掩模层101为掩模，采用干法刻蚀工艺刻蚀基底100，以在基底100中形成多个浅沟槽103；如图3所示，执行后拉工艺（Pull back），使得氮化硅层101b沿扩大开口102的方向后退；如图4所示，采用湿法刻蚀工艺去除从氮化硅层101b下露出的氧化硅层101a，形成浅沟槽的肩部104。
上述方法利用干法刻蚀工艺刻蚀基底100形成浅沟槽103后，再利用后拉工艺和湿法刻蚀工艺形成浅沟槽的肩部104，制作流程较为复杂，使得浅沟槽隔离结构的生产周期较长。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种浅沟槽隔离结构的形成方法，可以缩短浅沟槽隔离结构的生产周期，提高生产效率。
为了实现上述目的，本发明提供的浅沟槽隔离结构的形成方法包括：
提供基底，所述基底上形成有硬掩模层，所述硬掩模层中具有开口，所述基底的部分上表面从所述开口中露出；
形成侧墙材料层，所述侧墙材料层覆盖所述硬掩模层的上表面和侧表面，以及覆盖所述基底露出的上表面；
执行第一刻蚀步骤，向下刻蚀所述侧墙材料层，露出所述硬掩模层的上表面和所述基底的部分上表面，所述硬掩模层侧表面上的侧墙材料层被保留并作为侧墙；
以所述硬掩模层和所述侧墙为掩模，执行第二刻蚀步骤，刻蚀所述基底以在所述基底中形成浅沟槽；以及
执行第三刻蚀步骤，刻蚀去除所述侧墙，所述侧墙被去除而露出的所述基底作为所述浅沟槽的肩部；
其中，所述第一刻蚀步骤、所述第二刻蚀步骤和所述第三刻蚀步骤在同一干法刻蚀设备中完成。
可选的，所述侧墙材料层为无定形碳层；所述无定形碳层采用物理气相沉积工艺或化学气相沉积工艺形成。
可选的，所述侧墙材料层为聚合物层；所述聚合物层在所述干法刻蚀设备中形成。
可选的，在所述干法刻蚀设备中形成所述聚合物层的工艺条件为：反应气体包括CH3F、CH2F2和He，反应腔体内的气压为3mtorr~8mtorr，反应腔体内的温度为80℃~120℃。
可选的，所述第一刻蚀步骤中，采用的刻蚀气体包括HBr、Cl2和O2，反应腔体内的气压为5mtorr~10mtorr，反应腔体内的温度为80℃~120℃。
可选的，所述第二刻蚀步骤中，首先采用Cl2、N2和O2作为刻蚀气体，然后采用HBr、O2和He作为刻蚀气体，反应腔体内的气压维持在10mtorr~15mtorr的范围内，反应腔体内的温度维持在80℃~120℃的范围内。
可选的，所述第三刻蚀步骤中，采用的刻蚀气体包括O2，反应腔体内的温度为100℃~120℃。
可选的，所述侧墙材料层的厚度为10nm~50nm。
可选的，所述第一刻蚀步骤、所述第二刻蚀步骤和所述第三刻蚀步骤由所述干法刻蚀设备的同一程式控制执行。
可选的，在执行所述第三刻蚀步骤之后，所述形成方法包括：形成填充材料层，所述填充材料层填满所述浅沟槽且覆盖所述浅沟槽的肩部。
本发明的浅沟槽隔离结构的形成方法中，首先提供基底，基底上形成有具有开口的硬掩模层，基底的部分上表面从开口中露出；然后形成侧墙材料层，侧墙材料层覆盖硬掩模层的上表面和侧表面，以及覆盖基底露出的上表面；接着执行第一刻蚀步骤，向下刻蚀所述侧墙材料层，露出所述硬掩模层的上表面和所述基底的部分上表面，所述硬掩模层侧表面上的侧墙材料层被保留并作为侧墙；之后以硬掩模层和侧墙为掩模，执行第二刻蚀步骤，刻蚀所述基底形成浅沟槽；以及执行第三刻蚀步骤，刻蚀去除侧墙，侧墙被去除而露出的基底作为浅沟槽的肩部；其中，第一刻蚀步骤、第二刻蚀步骤和第三刻蚀步骤在同一干法刻蚀设备中完成，中途不需要将基底从刻蚀设备转出至其它制程，有助于缩短浅沟槽隔离结构的生产周期，提高生产效率以及降低生产成本。
可选择的，侧墙材料层为聚合物层，所述聚合物层在干法刻蚀设备中形成，如此形成侧墙材料层、第一刻蚀步骤、第二刻蚀步骤和第三刻蚀步骤均可以在同一干法刻蚀设备中完成，有助于进一步缩短浅沟槽隔离结构的生产周期，提高生产效率以及降低生产成本。
附图说明
图1为一种浅沟槽隔离结构的形成方法中基底上形成硬掩模层后的剖面示意图。
图2为一种浅沟槽隔离结构的形成方法中基底中形成浅沟槽后的剖面示意图。
图3为一种浅沟槽隔离结构的形成方法中氮化硅层的开口扩大后的剖面示意图。
图4为一种浅沟槽隔离结构的形成方法中基底中的浅沟槽形成肩部之后的剖面示意图。
图5为本发明一实施例的浅沟槽隔离结构的形成方法的流程图。
图6为本发明一实施例提供的浅沟槽隔离结构的形成方法中基底上形成硬掩模层后的剖面示意图。
图7为本发明一实施例提供的浅沟槽隔离结构的形成方法中基底上形成侧墙材料层后的剖面示意图。
图8为本发明一实施例提供的浅沟槽隔离结构的形成方法中硬掩模层的开口侧表面上形成侧墙后的剖面示意图。
图9为本发明一实施例提供的浅沟槽隔离结构的形成方法中基底中形成浅沟槽后的剖面示意图。
图10为本发明一实施例提供的浅沟槽隔离结构的形成方法中基底上的侧墙被去除后的剖面示意图。
图11为本发明一实施例提供的浅沟槽隔离结构的形成方法中浅沟槽内填满填充材料层后的剖面示意图。
附图标记说明：100-基底；101-硬掩模层；101a-氧化硅层；101b-氮化硅层；102-开口；103-浅沟槽；104-肩部；105-侧墙材料层；105a-侧墙；106-填充材料层。
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浅沟槽隔离结构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。
在本申请中所使用的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征，除非内容另外明确指出外。
为了缩短浅沟槽隔离结构的生产周期，提高生产效率，本实施例提供一种浅沟槽隔离结构的形成方法。图5为本发明一实施例的浅沟槽隔离结构的形成方法的流程图。如图5所示，所述浅沟槽隔离结构的形成方法包括：
S1，提供基底，所述基底上形成有硬掩模层，所述硬掩模层中具有开口，所述基底的部分上表面从所述开口中露出；
S2，形成侧墙材料层，所述侧墙材料层覆盖所述硬掩模层的上表面和侧表面，以及覆盖所述基底露出的上表面；
S3，执行第一刻蚀步骤，向下刻蚀所述侧墙材料层，露出所述硬掩模层的上表面和所述基底的部分上表面，所述硬掩模层侧表面上的侧墙材料层被保留并作为侧墙；
S4，以所述硬掩模层和所述侧墙为掩模，执行第二刻蚀步骤，刻蚀所述基底以在所述基底中形成浅沟槽；
S5，执行第三刻蚀步骤，刻蚀去除所述侧墙，所述侧墙被去除而露出的所述基底作为所述浅沟槽的肩部；其中，所述第一刻蚀步骤、所述第二刻蚀步骤和所述第三刻蚀步骤在同一干法刻蚀设备中完成。
图6至图11为本发明一实施例的浅沟槽隔离结构的形成方法的分步骤结构示意图。以下结合图5至图11对本实施例的浅沟槽隔离结构的形成方法进行说明。
如图6所示，提供的基底100上形成有硬掩模层101，所述硬掩模层101中具有开口102，基底100的部分上表面从所述开口102中露出。
具体的，本实施例中，基底100可以为硅基底。在其它实施例中，所述基底100还可以是锗基底、锗硅基底、碳化硅基底、绝缘体上硅基底或绝缘体上锗基底等半导体基底。
所述硬掩模层101可以包括自下而上依次堆叠的氧化硅层101a和氮化硅层101b。氧化硅层101a和氮化硅层101b可以分别通过化学气相沉积（CVD）工艺形成。但不限于此，氧化硅层101a和氮化硅层101b可以通过本领域公知的其它方法形成。氧化硅层101a和氮化硅层101b的厚度可以根据需要设定，在此不做限定。
在硬掩模层101中形成开口102的方法可以包括：在氮化硅层101b上涂敷光刻胶形成光刻胶层（图中未示出）；对光刻胶层进行曝光和显影，形成图形化的光刻胶层；以图形化的光刻胶层为掩模，刻蚀氮化硅层101b和氧化硅层101a，形成开口102，开口102露出基底100的部分上表面；再去除图形化的光刻胶层。本实施例中，开口102的数量可以为多个。
如图7所示，形成侧墙材料层105，所述侧墙材料层105覆盖所述硬掩模层101的上表面和侧表面，以及覆盖所述基底100露出的上表面。也就是说，侧墙材料层105全面性的形成在基底100上。
一实施例中，所述侧墙材料层105为无定形碳层。所述无定形碳层可以采用物理气相沉积（PVD）工艺或化学气相沉积（CVD）工艺形成。以采用CVD工艺形成无定形碳层为例，将包括一种或者多种气体的反应气体引入CVD反应腔室，在基底100上形成无定形碳层，其中，该反应气体包括一种或者多种碳氢化合物气体，例如乙炔（C2H2）、丙烯（C3H6）或者其组合等。
另一实施例中，所述侧墙材料层105为聚合物层，所述聚合物层可以在干法刻蚀设备中形成，如此形成侧墙材料层105与后续执行的第一刻蚀步骤、第二刻蚀步骤和第三刻蚀步骤可以在同一干法刻蚀设备中完成，有助于进一步缩短浅沟槽隔离结构的生产周期，提高生产效率以及降低生产成本。具体的，所述聚合物层的材质为碳聚合物。在干法刻蚀设备中形成聚合物层时，采用的反应气体包括氟甲烷（CH3F）、二氟甲烷（CH2F2）和氦气（He），反应腔体内的气压为3mtorr~8mtorr，反应腔体内的温度为80℃~120℃。但不限于此，在形成聚合物层时，反应气体、反应腔体内的气压和反应腔体内的温度可以在此基础上进行调整。
接着，执行第一刻蚀步骤，如图8所示，向下刻蚀所述侧墙材料层105，露出所述硬掩模层101的上表面和所述基底100的部分上表面，所述硬掩模层101侧表面上的侧墙材料层105被保留并作为侧墙105a。
需要说明的是，侧墙材料层105的厚度决定侧墙105a的宽度（即图8中侧墙105a在水平方向上的尺寸），侧墙105a的宽度又决定后续形成的浅沟槽的肩部的宽度。本实施例中，所述侧墙材料层105的厚度可以为10nm~50nm。但不限于此，侧墙材料层105的厚度可以根据后续需要形成的浅沟槽的肩部的宽度设定。
本实施例中，所述第一刻蚀步骤中，采用的刻蚀气体包括溴化氢（HBr）、氯气（Cl2）和氧气（O2），反应腔体内的气压为5mtorr~10mtorr，反应腔体内的温度为80℃~120℃。但不限于此，第一刻蚀步骤中刻蚀气体、反应腔体内的气压和温度可以根据需要在此基础上进行调整。
如图9所示，以所述硬掩模层101和所述侧墙105a为掩模，执行第二刻蚀步骤，刻蚀所述基底100以在所述基底100中形成浅沟槽103。
本实施例中，所述浅沟槽103的数量可以为多个。浅沟槽的截面形状可以为矩形或上宽下窄的梯形。所述第二刻蚀步骤中，可以首先采用氯气（Cl2）、氮气（N2）和氧气（O2）作为刻蚀气体，然后采用溴化氢（HBr）、氧气（O2）和氦气（He）作为刻蚀气体，反应腔体内的气压可以维持在10mtorr~15mtorr的范围内，反应腔体内的温度可以维持在80℃~120℃的范围内，如此可以刻蚀基底100形成浅沟槽103，而且在此刻蚀过程中，侧墙105a可以充当掩模，即侧墙105a不会被刻蚀去除，有助于后续形成浅沟槽的肩部。但不限于此，第二刻蚀步骤的工艺条件可以在此基础上进行调整，只要在刻蚀形成浅沟槽103的同时保留住侧墙105a及侧墙正下方的基底即可。
如图10所示，执行第三刻蚀步骤，刻蚀去除所述侧墙105a，所述侧墙105a被去除而露出的所述基底作为所述浅沟槽的肩部104。
需要说明的是，侧墙105a的材质为无定形碳时（即侧墙材料层105为无定形碳层时），所述第三刻蚀步骤中，采用的刻蚀气体包括氧气（O2），反应腔体内的气压为15mtorr~22mtorr，反应腔体内的温度为100℃~120℃。侧墙105a的材质为聚合物时（即侧墙材料层105为聚合物层时），所述第三刻蚀步骤中，采用的刻蚀气体包括四氟化碳（CF4）和氧气（O2），反应腔体内的气压为25mtorr~45mtorr，反应腔体内的温度为100℃~120℃。但不限于此，第三刻蚀步骤的工艺条件可以在上述公开的基础上进行调整。
本实施例中，第一刻蚀步骤、第二刻蚀步骤和第三刻蚀步骤均为干法刻蚀，且第一刻蚀步骤、第二刻蚀步骤和第三刻蚀步骤在同一干法刻蚀设备中完成。与采用干法刻蚀工艺刻蚀基底形成浅沟槽后，通过湿法刻蚀工艺形成浅沟槽的肩部的现有技术相比，本实施例的浅沟槽隔离结构的形成方法从第一刻蚀步骤至第三刻蚀步骤，即在刻蚀形成侧墙105a、浅沟槽103和浅沟槽的肩部104的过程中，不需要将基底从刻蚀设备转出至其它制程，有助于缩短浅沟槽隔离结构的生产周期，提高生产效率以及降低生产成本。
本实施例中，所述第一刻蚀步骤、所述第二刻蚀步骤和所述第三刻蚀步骤可以由所述干法刻蚀设备的同一程式控制执行，如此调用一次程序即可连续的执行第一刻蚀步骤至第三刻蚀步骤，有助于简化生产操过步骤。需要说明的是，当侧墙材料层105在干法刻蚀设备内形成时，形成侧墙材料层105的步骤、第一刻蚀步骤、第二刻蚀步骤和第三刻蚀步骤可以由干法刻蚀设备的同一程式控制执行。
如图11所示，在执行第三刻蚀步骤之后，所述浅沟槽隔离结构的形成方法还可以包括：形成填充材料层106，所述填充材料层106填满所述浅沟槽103且覆盖所述浅沟槽的肩部104。
具体的，形成填充材料层106的方法可以包括：在基底上形成覆盖硬掩模层101的填充材料层106，且填充材料层106填满浅沟槽103和硬掩模层101中的开口，从而填充材料层106覆盖浅沟槽的肩部104；以硬掩模层101为研磨阻挡层，对填充材料层106进行化学机械研磨（CMP），去除高于硬掩模层101的填充材料层106，形成浅沟槽隔离结构。所述填充材料层106的材料可以包括氧化硅，所述填充材料层106可以采用高密度等离子体化学气相淀积（HDP）工艺形成。
本实施例中，在执行第三刻蚀工艺之后，形成填充材料层106之前，所述浅沟槽隔离结构的形成方法还可以包括：对肩部104与浅沟槽103侧壁的连接处尖角进行圆化处理；在浅沟槽103的内壁和肩部104的表面形成线形氧化层（图中未示出），如此可以提高浅沟槽隔离结构的隔离性能。
本实施例的浅沟槽隔离结构的形成方法中，首先提供基底100，基底100上形成有具有开口102的硬掩模层101；然后形成侧墙材料层105，侧墙材料层105覆盖硬掩模层101的上表面和侧表面，以及基底100露出的上表面；接着执行第一刻蚀步骤，向下刻蚀所述侧墙材料层105，露出所述硬掩模层101的上表面和所述基底100的部分上表面，所述硬掩模层101侧表面上的侧墙材料层105被保留并作为侧墙105a；之后以硬掩模层101和侧墙105a为掩模，执行第二刻蚀步骤，刻蚀所述基底100形成浅沟槽103；以及执行第三刻蚀步骤，刻蚀去除侧墙105a，侧墙105a被去除而露出的基底作为浅沟槽的肩部104；其中，第一刻蚀步骤、第二刻蚀步骤和第三刻蚀步骤在同一干法刻蚀设备中完成，中途不需要将基底从刻蚀设备转出至其它制程，有助于缩短浅沟槽隔离结构的生产周期，提高生产效率以及降低生产成本。
需要说明的是，整个说明书中提及的“一实施例”、“另一实施例”或“本实施例”表示与实施例一起描述的特定部件、结构或特征包括在至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一实施例”、“另一实施例”或“本实施例”不是必须表示同样的实施例。而且，在一个或多个实施例中，特定部件、结构或特征可以以任意合适的方式组合。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，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作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种浅沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，包括：
提供基底，所述基底上形成有硬掩模层，所述硬掩模层中具有开口，所述基底的部分上表面从所述开口中露出；
形成侧墙材料层，所述侧墙材料层覆盖所述硬掩模层的上表面和侧表面，以及覆盖所述基底露出的上表面；
执行第一刻蚀步骤，向下刻蚀所述侧墙材料层，露出所述硬掩模层的上表面和所述基底的部分上表面，所述硬掩模层侧表面上的侧墙材料层被保留并作为侧墙；
以所述硬掩模层和所述侧墙为掩模，执行第二刻蚀步骤，刻蚀所述基底以在所述基底中形成浅沟槽；以及
执行第三刻蚀步骤，刻蚀去除所述侧墙，所述侧墙被去除而露出的所述基底作为所述浅沟槽的肩部；
其中，所述第一刻蚀步骤、所述第二刻蚀步骤和所述第三刻蚀步骤在同一干法刻蚀设备中完成。
2.如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，所述侧墙材料层为无定形碳层；所述无定形碳层采用物理气相沉积工艺或化学气相沉积工艺形成。
3.如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，所述侧墙材料层为聚合物层；所述聚合物层在所述干法刻蚀设备中形成。
4.如权利要求3所述的浅沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，在所述干法刻蚀设备中形成所述聚合物层的工艺条件为：反应气体包括CH3F、CH2F2和He，反应腔体内的气压为3mtorr~8mtorr，反应腔体内的温度为80℃~120℃。
5.如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，所述第一刻蚀步骤中，采用的刻蚀气体包括HBr、Cl2和O2，反应腔体内的气压为5mtorr~10mtorr，反应腔体内的温度为80℃~120℃。
6.如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，所述第二刻蚀步骤中，首先采用Cl2、N2和O2作为刻蚀气体，然后采用HBr、O2和He作为刻蚀气体，反应腔体内的气压维持在10mtorr~15mtorr的范围内，反应腔体内的温度维持在80℃~120℃的范围内。
7.如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，所述第三刻蚀步骤中，采用的刻蚀气体包括O2，反应腔体内的温度为100℃~120℃。
8.如权利要求1至7任意一项所述的浅沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，所述侧墙材料层的厚度为10nm~50nm。
9.如权利要求1至7任意一项所述的浅沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，所述第一刻蚀步骤、所述第二刻蚀步骤和所述第三刻蚀步骤由所述干法刻蚀设备的同一程式控制执行。
10.如权利要求1至7任意一项所述的浅沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，在执行所述第三刻蚀步骤之后，所述形成方法包括：
形成填充材料层，所述填充材料层填满所述浅沟槽且覆盖所述浅沟槽的肩部。
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