CN1169207C

CN1169207C - 浅凹槽隔离结构的制造方法

Info

Publication number: CN1169207C
Application number: CNB011097892A
Authority: CN
Inventors: 林启发; 曾伟志; 冯明宪
Original assignee: Winbond Electronics Corp
Current assignee: Winbond Electronics Corp
Priority date: 2001-04-24
Filing date: 2001-04-24
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2021-04-24
Also published as: CN1383201A

Abstract

一种浅凹槽隔离结构的制造方法。首先，将组合氮化硅沉积到硅基板上，再以组合氮化硅作为硬掩膜，对硅基板施以蚀刻形成一浅凹槽。然后，用CVD法，在浅凹槽与组合氮化硅表面上沉积填充氧化层。再使用化学机械研磨工艺，以组合氮化硅作为化学机械研磨终止点，对填充氧化层施行平坦化处理。

Description

浅凹槽隔离结构的制造方法

本发明涉及半导体集成电路制造技术，特别是涉及利用化学机械研磨(CMP)技术的浅凹槽隔离(STI)结构的制造方法，适用于0.25μm以下特大规模集成电路(ULSI)制造工艺。

公知的集成电路是采局部硅氧化法(LOCOS/Local Oxidation ofSilicon)技术形成绝缘结构。然而，在深亚微米制造工艺中，局部氧化法会导致绝缘结构侵入(encroachment)有源区内，即一般所谓”鸟嘴”现象。另外，当氧化硅层被生长在硅表面时，局部氧化法也会产生不平坦的表面。

浅凹槽隔离结构(STI)技术是针对局部氧化法所做的一种改进，已广泛应用在高密度互补式金属氧化层半导体(CMOS/complementarymetal oxide semiconductor)电路的制造工艺中。通常，浅凹槽隔离结构工艺需先蚀刻一浅凹槽(0.5μm或更小)后，立即生长一薄氧化层。然后，藉由沉积氧化物的绝缘层填满凹槽，同时也在基板上形成一表面氧化层。绝缘层可以经过氧化处理、或于钝气环境下施行高温退火处理后，予以“致密化”。最后，通常利用化学机械研磨(CMP)工艺，以表面氧化层当作为一牺牲层，对表面氧化层进行平坦化处理。在蚀刻工艺施行前，通常会形成氮化硅层(SiN_x)，由于氮化硅层与氧化层间的蚀刻选择性，可作为化学机械研磨终止点；再者，在蚀刻硅基板成凹槽时，氮化硅层可作为一硬掩膜。为了保护有源区免于氮化，以获得较好的控制，在氮化硅的沉积之前，通常会在基板表面以加热成长或沉积方式形成垫氧化层，同时也可以在凹槽表面沉积具有良好的薄膜品质的一氧化衬垫层(oxide liner)。

随着凹槽的尺寸变小与半导体装置密度更高，传统的浅凹槽隔离结构工艺亦有其缺点。尤其是在化学机械研磨工艺期间，在氧化层填满的凹槽处，经常会有所谓的碟陷效应(dishing effects)，而导致氮化硅留存在凹槽碟陷表面与基板有源区的表面、或是有氧化层残留在氮化硅终止层上。

美国专利第5,741,740号揭示填满硅基板内凹槽的方法。它是先在硅基板中形成一凹槽后，加热氧化硅基板形成一衬垫层。利用硅甲烷作为反应材料，以等离子体辅助化学气相沉积法(PECVD/plasmaenhanced chemical vapor deposition)于凹槽衬垫层上形成氧化硅中间层。最后，使用一臭氧氧化剂和一正硅酸乙酯(TEOS/tertra-ethyl-ortho-silicate)，透过臭氧辅助的次常压热化学气相沉积法(SACVD/sub-atomospheric pressure thermal vapor deposition)，将填充层形成在氧化硅中间层上。

美国专利第5,643,822号揭示改善具凹槽绝缘结构的场效晶体管装置亚临界漏电(sub-threshold leakage)的方法。它是在由氧化层所覆盖的硅基板上，在所设置叠堆结构内形成一垂直槽沟(slot)后，将间隔物形成在槽沟的侧壁上。然后在基板中蚀刻出一凹槽。在间隔物的去除之后，使得邻近于凹槽的水平壁架(ledge)暴露出来，再垂直地对壁架进行掺杂植入，去抑制装置的边缘导通。

美国专利第5,332,467号揭示利用化学/机械研磨使晶片表面平坦化的方法。它是在具有宽凹处的半导体晶片凹凸不平的表面上形成一第一层。再将一硬薄膜层形成于第一层上后，对第一层和硬薄膜层定义图样，形成研磨终止岛状物在宽凹处内。然后，将第二层形成在凹凸不平的表面与研磨终止岛状物之上，产生供研磨的上表面，硬薄膜层较上表面和凹凸不平的表面两者硬。上表面经垂直方向研磨移除部份，直到上表面与研磨终止岛状物共面(co-planar)，最后，移除剩余的硬薄膜层，完成平坦的表面。

美国专利第5,643,823号揭示在浅凹槽隔离结构中使用氮化硅(SiN_x)的薄结晶层作为O₂障碍层者。由于结晶Si₃N₄较之非晶形Si₃N₄，可降低电子陷阱密度。形成Si₃N₄结晶薄膜于浅凹槽隔离结构(STI)结构中包含下列步骤：(1)藉由低压化学气相沉积(LPCVD)在温度720～780℃间，沉积厚度5～10nm的Si₃N₄薄膜于浅凹槽隔离结构(STI)结构中；(2)立即施行1050～1150℃间的快速热退火处理达60秒，将Si₃N₄薄膜从非晶体状态转换到结晶状态。

上述公知技术是对浅凹槽隔离结构形成提供改进之道。然而，对于化学机械研磨步骤中碟陷问题却仍未有解决方案。就浅凹槽隔离结构及其平坦化的重要性而言，致力于浅凹槽隔离结构工艺的改进，是个相当重要的课题。

因此，为了克服现有技术的不足之处，本发明的目的，在于提供一种浅凹槽隔离结构的制造方法，适于施行化学机械研磨时利于平坦化，在毋需增加工艺复杂性与制造成本的前提下，消弭或减少碟陷效应。另外，本发明方法也可以有效解决氮化硅和氧化层残留的问题。

为获致上述目的，本发明可藉由提供一种浅凹槽隔离结构的制造方法，适用于具有两个相隔的有源区一硅基板上。首先，将一组合氮化硅层设置在有源区上，组合氮化硅层由至少二氮化硅层所组成，且该组合氮化硅层的硅/氮比由表层往该硅基板方向逐次递减；。接着，于有源区间定义硅基板成浅凹槽后，将一牺牲填充氧化层设置于浅凹槽内与组合氮化硅层上。然后，以化学机械研磨(CMP)工艺对的牺牲填充氧化层施行平坦化处理。

组合氮化硅层是由硅/氮比例递减的若干氮化硅层所组成，近于表面的层级具有较高的化学机械研磨去除速率，而越接近硅基板者，化学机械研磨去除速率越低。据此，可大幅改善浅凹槽隔离结构的平坦度。

为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

附图简单说明：

图1为显示化学机械研磨(CMP)施行前根据本发明的浅凹槽隔离结构的剖面图；

图2为显示氮化硅的化学机械研磨(CMP)去除速率和湿式蚀刻速率对于等离子体辅助化学气相沉积反应室内硅/氮比例的关系图；以及

图3为显示氮化硅的化学机械研磨(CMP)去除速率和湿式蚀刻速率对于等离子体辅助化学气相沉积反应室内硅/氧比例的关系图。

图中符号说明：

1～有源区；2～浅凹槽；3～牺牲填充氧化层；以及，4～垫氧化层。

实施例：

本发明揭示浅凹槽隔离结构(STI)的CMP平坦化处理方法，即所谓浅凹槽隔离结构工艺的一部份。根据本发明的浅凹槽隔离结构的制造方法，可消除或减少以CMP处理浅凹槽隔离结构所产生的碟陷效应，以消弭公知方法所导致的氮化硅与氧化层残留问题。本发明的浅凹槽隔离结构制造方法，毋需增加方法复杂性，也不会增加的制造成本。

本发明方法有别于公知方法，它不采用具有均匀特性的研磨终止层，而改采组合氮化硅(composite SiN_x)，其化学机械研磨去除速率是随着与硅基板的距离而增加。本发明的方法大幅简化藉由调整在等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)反应室中在SiH₄(或TEOS)与NH₃(或N₂)气体的间的比例。当欲在硅表面时沉积组合氮化硅层，将反应室中NH₃(或N₂)气体的比例增加，使得化学机械研磨去除速率随着与硅基板的距离而增加。

组合氮化硅层由硅/氮比例递减的若干氮化硅层所组成，近于表面的层级具有较高的化学机械研磨去除速率，而越接近硅基板者，化学机械研磨去除速率越低。据此，可大幅改善浅凹槽隔离结构的平坦度。

另外，本发明尚提出使用等离子体辅助化学气相于填充氧化层表面上沉积组合TEOS氧化层的方法。组合氧化硅层由硅/氧比例递减的若干氧化硅层所组成，近于表面的层级具有较高的化学机械研磨去除速率，而越接近硅基板者，化学机械研磨去除速率越低。通常，在等离子体辅助化学气相沉积反应室中，是藉由调整SiH₄(或TEOS)与N₂O(或O₂)气体间的比例调整组合氧化层的硅/氧比例。

图1是是显示根据本发明在化学机械研磨施行前浅凹槽隔离结构的剖面图示。图标中，浅凹槽隔离结构具有一组合氮化硅层与一组合TEOS氧化层，组合氮化硅层包括两个氮化硅层SiN-1和SiN-2，组合TEOS氧化层包括两个TEOS氧化层TEOS-1和TEOS-2。SiN-1化学机械研磨去除速率低于SiN-2者，TEOS-1化学机械研磨去除速率低于TEOS-2者。图1亦显示硅基板1内两个有源区2之间设置有一浅凹槽2。标号3代表一填充氧化层3，主要是填充于浅凹槽2内。在图1中，亦显示有一垫氧化层4在氮化硅层SiN-1和有源区2之间。

图2显示氮化硅的化学机械研磨(CMP)去除速率和湿式蚀刻速率对于等离子体辅助化学气相沉积反应室内硅/氮比例的关系图。图3为显示氮化硅的化学机械研磨(CMP)去除速率和湿式蚀刻速率对于等离子体辅助化学气相沉积反应室内硅/氧比例的关系图。根据图2和图3，便可以形成所需的组合氮化硅层或组合TEOS层。本发明的方法可获致许多优点，包括：

(1)藉由调整等离子体辅助化学气相沉积条件，多层级的化学机械研磨终止层可包含一超低化学机械研磨去除速率的氮化硅终止层，避免化学机械研磨工艺期间对有源区的伤害。

(2)相较于牺牲TEOS层，多层级化学机械研磨终止层包含一相对高化学机械研磨去除速率的氮化硅终止层，可将在宽凹处的碟陷效应减至最小。

(3)在过研磨阶段，相对地高化学机械研磨氮化硅层去除速率的设置，可减少氮化硅终止层上氧化层的残留问题。

(4)多层级牺牲氧化层可获致超高化学机械研磨去除速率，增加化学机械研磨和化学气相沉积(CVD)的生产效率(throughput)。

(5)多层级牺牲氧化层包含低化学机械研磨去除速率者，可将宽凹处碟陷效应减至最小。

(6)组合氮化硅和组合氧化层两者的特性，毋需增加工艺复杂性，而藉由调整反应气体的比例，即可获致极佳的操作条件和结果。

下文将列举若干实施例，做进一步解释与描述，却非用以限制本发明。

实施例一

本例中，在等离子体辅助化学气相沉积反应室内，调整含硅气体SiH₄和含氮气体N₂间的气体流量比例，使组合氮化硅层包含五种硅/氮比例的氮化硅层。下表一所列，即五种硅/氮比例的氮化硅层的张拉应力(tensile stress)、密度、蚀刻速率(在NH₄F缓冲的HF湿式蚀刻液内)、化学机械研磨去除速率等的测试结果。

氮化硅样本	SIN-1	SIN-2	SIN-3	SIN-4	SIN-5
氮化硅样本	SIN-1	SIN-2	SIN-3	SIN-4	SIN-5	相关硅/氮比在气体流量中(5是最低，及1是最高)	1	2	3	4	5
张力强度(Gdyne/cm²)	4.90	0.64	-2.90	-9.40	-9.80	相关硅/氮比在气体流量中(5是最低，及1是最高)	1	2	3	4	5
张力强度(Gdyne/cm²)	4.90	0.64	-2.90	-9.40	-9.80	密度(g/cm³)	1.94	2.45	2.52	2.73	3.04
蚀刻速率(nm/min)	400.4	239.4	232.8	230.4	188.4	密度(g/cm³)	1.94	2.45	2.52	2.73	3.04

CMP去除速率(nm/min)

211.9

65.8

119.7

99.7

80.0

表一

如显示在表一中，当硅/氮比例在等离子体辅助化学气相沉积工艺增加时，氮化硅层的蚀刻速率和化学机械研磨去除速率便降低。

实施例二

本例中，在等离子体辅助化学气相沉积反应室内，调整含硅气体SiH₄和含氧气体O₂间的气体流量比例，使组合氧化硅层包含五种硅/氧比例的氧化硅层。下表一所列，即五种硅/氧比例的氧化硅层的张拉应力(tensile stress)、密度、蚀刻速率(在NH₄F缓冲的HF湿式蚀刻液内)、化学机械研磨去除速率等的测试结果。

氧化硅样本	TEOS-1	TEOS-2	TEOS-3	TEOS-4	TEOS-5
氧化硅样本	TEOS-1	TEOS-2	TEOS-3	TEOS-4	TEOS-5	相关硅/氧比在气体流量中(5是最低，及1是最高)	1	2	3	4	5
张力强度(Gdyne/cm²)	-0.44	0.38	2.05	3.30	3.86	相关硅/氧比在气体流量中(5是最低，及1是最高)	1	2	3	4	5
张力强度(Gdyne/cm²)	-0.44	0.38	2.05	3.30	3.86	密度(g/cm³)	2.16	2.23	2.26	2.27	2.27
蚀刻速率(nm/min)	898.9	433.9	332.1	301.1	273.3	密度(g/cm³)	2.16	2.23	2.26	2.27	2.27
蚀刻速率(nm/min)	898.9	433.9	332.1	301.1	273.3	CMP去除速率(nm/min)	333.1	261.7	245.6	218.7	185.6

表二

如显示在表二中，当硅/氧比例在等离子体辅助化学气相沉积工艺增加时，TEOS氧化层的蚀刻速率和化学机械研磨去除速率便会降低。

实施例三

若将浅凹槽隔离结构的组合氮化硅和组合TEOS氧化层以上述方式形成。则经过化学机械研磨处理后，以扫描式电子显微镜(SEM)检视，呈现绝佳的蚀刻终止效果，亦无氧化层残留问题。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟知本领域技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求并结合说明书与附图所界定者为准。

Claims

1.一种浅凹槽隔离结构的制造方法，适用于具有两个相隔的有源区一硅基板；该制造方法包括下列步骤：

(a)一组合氮化硅层设置在该有源区上，该组合氮化硅层由至少二氮化硅层所组成，且该组合氮化硅层的硅/氮比由表层往该硅基板方向逐次递减；

(b)一浅凹槽设置于该有源区间；

(c)一牺牲填充氧化层设置于该浅凹槽内与该组合氮化硅层上；以及

(d)以化学机械研磨(CMP)制程对牺牲填充氧化层施行平坦化处理。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(a)包括：

于一等离子体辅助化学气相沉积反应室内，沉积一氮化硅层于该硅基板上，该离子体辅助化学气相沉积反应室具有含硅成分与含氮成分，成一硅/氮比例；以及

减少该硅/氮比例沉积另一氮化硅层。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：该硅成分是SiH₄或TEOS，该含氮成分是NH₃或N₂。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：该组合氮化硅层是利用一光致抗蚀剂所形成。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：该浅凹槽是利用该组合氮化硅层作为一蚀刻掩膜经蚀刻定义而得。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(a)与(b)之间，尚包括以热氧化法将一垫氧化层设置于该硅基板表面。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(b)与(c)之间，尚包括将一薄氧化衬垫层设置于该浅凹槽表面。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(c)与(d)之间，尚包括将一组合氧化层设置在该牺牲填充氧化层表面。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：该组合氧化硅层由至少两层氧化硅层所组成，该氧化硅层的化学机械研磨去除速率是随着该氧化硅层与该硅基板之间的距离的增加而增加。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于：形成该组合氧化硅层的步骤包括：

于一等离子体辅助化学气相沉积反应室内，沉积一氧化硅层于该牺牲填充氧化层上，该等离子体辅助化学气相沉积反应室具有含硅成分与含氧成分，成一硅/氧比例；以及

减少该硅/氧比例沉积另一氧化硅层。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：该含硅成分是SiH₄或TEOS，该含氧成分是N₂O或O₂。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于：该组合氮化硅层中该氮化硅层一者的化学机械研磨去除速率，不低于超过该组合氧化层中该氧化层一者的化学机械研磨去除速率20％。

13.一种半导体装置的浅凹槽隔离结构制造方法，适用于具有两个相隔的有源区一硅基板；该制造方法包括下列步骤：

(a)一组合氮化硅层设置在该等有源区上，该组合氮化硅层由至少二氮化硅层所组成且该组合氮化硅层的硅/氮比由表层往该硅基板方向逐次递减；

(b)一浅凹槽设置于该有源区间；

(d)以化学机械研磨(CMP)制程对的牺牲填充氧化层施行平坦化处理。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于：步骤(a)包括：

于一等离子体辅助化学气相沉积反应室内，沉积一氮化硅层于该硅基板上，该等离子体辅助化学气相沉积反应室具有含硅成分与含氮成分，成一硅/氮比例；以及

减少该硅/氮比例沉积另一氮化硅层。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于：该硅成分是SiH₄或TEOS，该含氮成分是NH₃或N₂。

16.如权利要求13所述的方法，其特征在于：在步骤(c)与(d)之间，尚包括将一组合氧化层设置在该牺牲填充氧化层表面。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于：该组合氧化硅层由至少两层氧化硅层所组成，该氧化硅层的化学机械研磨去除速率是随着该氧化硅层与该硅基板之间的距离的增加而增加。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于：形成该组合氧化硅层的步骤包括：

减少该硅/氧比例沉积另一氧化硅层。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于：该含硅成分是SiH₄或TEOS，该含氧成分是N₂O或O₂。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于：该组合氮化硅层中氮化硅层的化学机械研磨去除速率，不低于超过该组合氧化层中氧化层的化学机械研磨去除速率20％。