TW439179B - Shallow trench isolation method - Google Patents

Description

4 3 917 9 經濟部中央榡隼局員工消費合作衽印製 A7 B7 五、發明説明（） 本發明之背暑 本發明之镅域 本發明係有關於半導體裝置的淺溝隔離法，並且更特 別地是有關於具有高長寬比的淺溝，在無需複雜製程的情 況下塡充以絕緣膜，而將一元件與一相鄰元件隔離的淺溝 隔離法。 相關技術之說明 如眾所皆知的，絕緣體區的尺寸對於決定高度整合記 憶體裝置中的記憶體單元尺寸，係相當重要的因素。因此 ’有關絕緣體區之尺寸縮減的技術已被大幅地開發。 該技術目前使用矽的局部氧化法（LOCOS)、選擇性 多晶矽氧化法（SEPOX)、凹陷多晶矽間隔物（RPSL) LOCOS法以及相似之方法。LOCOS法係最爲廣泛地使用， 因爲其具有某些優點，例如在超大型積體（VLSI)電路之 絕緣主動元件中的簡易結構與製程，以及提高的整合程度 〇 · 然而，LOCOS隔離具有某些問題。亦即場氧化膜成長 時’「鳥喙」（bird‘s beak)發生於一襯墊氧化膜與一氮化膜 間的界面，或一矽基板與一襯墊氧化膜間的界面；並穿入 主動區。因此，主動區的電路可靠度與整合程度會降低。 因此，用以替代LOCOS隔離的新方法已被提出，因爲 LOCOS隔離無法進一步應用於VLSI動態隨機存取記憶體 (DRAM)的開發。在新提出的方法中，有一個稱爲淺溝 隔離的技術。 3 本紙張尺度適用中國國家橾皁（CNS ) Λ4規格（2I0XW7公釐) {請先閱讀背面之注意事項再 ？本頁) --- 4 43 9179 Α7 Β7 五、發明説明（>) (請先間讀背面之注意事磧再_r本頁) 在淺溝隔離法中，溝寬度根據設計尺度的縮減而變得 較窄。然而’溝的長寬比卻變得較高，因爲溝的深度至少 必須維持於2500A ’以確保元件間隔離的可靠度。因此’ 該溝將無法爲絕緣物質所完全塡充’因而產生縫隙。 爲克服該問題，一種形成更淺溝的方法已被提出。然 而，該方法卻無法充分地將元件絕緣。此外’關於塡充淺 溝的物質，高密度低壓電漿化學氣相沈積（CVD)氧化膜 、或次大氣壓CVD氧化膜已被開發，但其仍不足以克服該 問題3 近來，一種以絕緣物質塡充淺溝的技術已被開發。此 將參考圖1A至1F而說明。 如圖1A所示，一具有100A厚度的襯墊氧化膜13，以 及一具有2000A厚度之例如化學機械拋光法阻絕膜的氮化 膜15，係沈積於諸如單晶矽基板11之半導體基板11上。 其次，一高溫氧化膜17係沈積於該氮化膜15上。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 其次，藉由使用光蝕刻法而形成一高溫氧化膜17的佈 局圖案，以在半導體基板U的場區域中形成一淺溝19。 亦即，對應於半導體基板11之主動區的光阻膜（未表示於 圖中）佈局圖案，係形成於高溫氧化膜Π上。然後，該高 溫氧化膜17係使用光阻膜佈局圖案作爲蝕刻遮罩，而被蝕 刻至氮化膜15的表面暴露出來爲止。因此，該高溫氧化膜 17的佈局圖案被形成，且該光阻膜佈局圖案將被移除。 其次’使用高溫氧化膜17的佈局圖案做爲溝蝕刻遮罩 ，該氮化膜15與該襯墊氧化膜13係依序被蝕刻》然後， 本紙张尺度通用中國國家標準（CNS ) Λ4规格（2 m X297公慶） 4 3 '9· 4 3 '9· 經濟部十央標準局員工消贤合作社印装 Α7 Β7 五、發明説明（)） 半導體基板11被蝕刻至2500A的深度，因而形成淺溝19

Q 其次，如圖1B所示，一諸如氧化膜21之避免蝕刻損 傷膜（etching damage preventive film)係熱成長至 1〇〇 至 500A 厚度於淺溝19的底部及內壁表面上。其係用以在淺溝19 形成時，減少產生於淺溝19的底部及內壁表面上的蝕刻損 傷。 其次，如圖1C所示，該氧化膜21係被電漿處理，且 藉由四乙基正矽酸鹽（TEOS) CVD法，而沈積1500A厚度 的第一未摻雜的矽酸鹽玻璃（USG)膜23於半導體基板11 上。 在此，該氧化膜21係被電漿處理，以避免該第一 USG膜23在淺溝19入口處較其他部份沈積得更厚，因爲 此USG膜23係取決於氧化膜21的表面狀態。 如圖1D所示，該第一USG膜23係以氬氣濺鍍法回蝕 ，而留下該第一 USG膜23於氧化膜21上。此外，在淺溝 19入口周圍的第一 USG膜23，係被提供以一具有預定角 度的斜率。 在此，該第一 USG膜23係被回蝕，因爲若淺溝19具 有一高長寬比或一大的深度，則其係難以在將氧化膜21僅 以電漿處理後，而用絕緣體膜將淺溝19完全塡充。 其次，如圖1E所示，一第二USG膜25係沈積5000A 至7000A厚度於半導體基板11上，而以該第二USG膜25 完全塡充淺溝19。 5 I t [ i I I I 裝 II I 訂-! 1 I 备 (請先M讀背而之注意事項再_''}Γ本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨〇χ*297公楚)' ^ 4 3 91 7 9 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（f ) 其次，氧化膜27，亦即一經過平坦化的膜，其係藉由 電漿強化四乙基正矽酸鹽（PETEOS) CVD法而沈積於該第 二USG膜25上。然後，第一及第二USG膜23及25係藉 由在大約l〇〇〇°C的溫度於氮氣氣氛中做一小時的熱處理而 緻密。 如圖IF所示，該半導體基板Π係藉由化學機械拋光 法而平坦化，以暴露出襯墊氧化膜13的表面。 其次，襯墊氧化膜13係被濕式蝕刻，以使得半導體基 板11的主動區表面可暴露出。淺溝隔離法將結束於此。在 襯墊氧化膜13蝕刻時，會部份地移除第一 USG膜23的上 面部份。 然而，在傳統淺溝隔離法中，該淺溝係於最終淺溝形 成於半導體基板後才塡充以絕緣體膜。因此，當淺溝的長 寬比變得更高，隔離的可靠度將降低。再者，以絕緣體膜 塡充淺溝的方法會變得更複雜。 換句話說，當具有高長寬比的淺溝形成後而沈積一薄 的第一 USG膜於氧化膜上，且氧化膜係熱成長於淺溝底部 及內壁表面時，該第一USG膜係明顯地與氧化膜的表面狀 態有關。因此，該方法因氧化膜以電漿處理而變得複雜， 電漿處理係移除與氧化膜的依附。 因此，當製程邊際不足時，元件間隔離的可靠度將下 降。 本發明之槪^ 因此，本發明之一目的係提供：即使在具有高長寬比 _ 6 ^ ^ I I 裝 ^—訂 · β (請先閱讀背面之注意寧項長}>本頁) 、丨 本紙張尺度適用中國國( CNS ) Λ4规格（210X 297公筮) 43 9179 Α7. Β7 五、發明説明（ς ) 的淺溝中，元件間隔離的可靠度可被確保的一淺溝隔離法 〇 本發明之另一個目的係提供：在具有高長寬比之淺溝 中，無需以複雜的方法而塡充以絕緣膜的一淺溝隔離法。 爲達成上述之目的與其他優點，係提供以一種淺溝隔 離法，所包含的步驟爲：形成一絕緣膜佈局圖案，其用於 將一起始淺溝形成於半導體基板之主動區中爲目的之遮罩 :將該起始淺溝形成於半導體基板的場區域中；形成一具 有預定高度的絕緣膜，其僅使用在起始淺溝中的淺溝隔離 ，並暴露出半導體基板主動區；以及成長一外延磊晶 (epitaxial)層於暴露出的主動區中，而形成一最終淺溝。 主動區之暴露係進行如下。爲了以淺溝隔離所使用的 絕緣膜塡充起始淺溝，此一絕緣膜係沈積於半導體基板上 。其次，使用於淺溝隔離之絕緣膜佈局圖案以及使用於遮 罩之絕緣膜佈局圖案係被平坦化並移除，以僅於起始淺溝 中留下使用於淺溝隔離的絕緣膜。亦即，具有對應於最終 淺溝深度的高度之使用於淺溝中的絕緣膜，係僅留置於起 始淺溝。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項本頁) 該外延磊晶層係雜質摻雜的單晶矽層。 因此，本發明係藉由以絕緣膜完全塡充具有高長寬比 的淺溝，而確保元件間隔離的可靠度。 圖式之簡略說明 本發明上述目的與優點，將藉由詳細地說明有關的較 佳實施例並參考附圖而變得更淸楚’其中： 7 本紙張尺度適用中國國家榇準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 4 3 91： 7 9 A7 B7 五、發明説明（ \σ 經濟部中夬標準局員工消費合作社印製 圖1Α至IF係表示一傳統淺溝隔離法的剖面圖；以及 圖2A至2F係表示一本發明之淺溝隔離法的剖面圖。 較佯眚施例之細節說明 本發明現將參考附圖而更完整地說明如下，本發明的 較佳實施例係表示於附圖中。然而，本發明可以不同的形 式實施，而不應該僅限於所列出的實施例；此外，這些實 施例係被提供而使本揭示變得透徹與完整，並將完全傳遞 本發明之範疇予熟習本技藝之人士。 參考圖2Α，一多層絕緣膜係沈積於諸如單晶矽基板等 半導體基板31上。更詳細地，一具有100Α厚度的襯墊氧 化膜33，以及一具有2000Α厚度之例如化學機械拋光法阻 絕膜的氮化膜35，係依序沈積於半導體基板31上。其次 ，具有預定厚度且要使用爲溝蝕刻遮罩之高溫氧化膜37， 係沈積於該氮化膜35上。 然後，使用光蝕刻法，使具有用以形成起始淺溝39之 孔洞的高溫氧化膜37佈局圖案，形成於半導體基板31的 場區域。亦即，對應於半導體基板31之主動區的光阻膜佈 局圖案（未表示於圖中），係形成於高溫氧化膜37上。其 次，使用光阻膜佈局圖案作爲蝕刻遮罩，而蝕刻該高溫氧 化膜37至氮化膜35的表面暴露出來爲止，因而形成該高 溫氧化膜37的佈局圖案，並移除該光阻膜佈局圖案。 使用高溫氧化膜37的佈局圖案做爲溝蝕刻遮罩，該氮 化膜35與該襯墊氧化膜33係依序被蝕刻。其次，半導體 基板31係蝕刻至小於最終淺溝39a深度D之深度D1，此 先 閱 讀 背 意 f 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4规格U丨0X297公旋） 4 3 91 7 9 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（q) 將說明於後，以形成起始淺溝39。因此，起始淺溝39的 長寬比係低於最終淺溝39a。 例如，若起始淺溝39的深度D1爲1500A，則最終淺 溝39a的深度D最好爲2500Ά。 現在參考圖2B，一諸如氧化膜41之避免蝕刻損傷膜 ，係熱成長至例如240A的預定厚度於淺溝39的底部及內 壁表面上。其係用以在淺溝39形成時，減少產生於淺溝 39的底部及內壁表面上的蝕刻損傷。 如圖2C所示，用以塡充淺溝之一諸如USG膜43之絕 緣膜，係藉由臭氧TEOS CVD法而沈積諸如5000A的預定 厚度於半導體基板31上，以完全塡充淺溝39。在此，該 絕緣膜對於氮化膜35具有高選擇性蝕刻速率，此氮化膜係 化學機械拋光法阻絕膜。 其次，一氧化膜45，係藉由PECVD法而沈積諸如 500A的預定厚度於USG膜43上，並藉由在1000°C溫度的 氮氣氣氛中做一小時的熱處理而緻密化。 如圖2D所示，氧化膜45、USG膜43以及高溫氧化膜 37，係藉由化學機械拋光法而被拋光至氮化膜35的表面暴 露出來爲止，而將USG膜43以及氮化膜35的表面平坦化 。此時，USG膜43僅存在於場區域中。 其次，執行化學機械拋光法，而留下3000A厚度的 USG膜43。此時，氮化膜35亦一道被蝕刻。 如圖2E所示，移除氮化膜35，且襯墊氧化膜33係以 濕式蝕刻法而完全移除，以暴露出半導體基板31之主動區 9 本紙張尺度適用中國國家標準（CMS > Λ4規格（21(>X2tJ7公釐） H-ΪΜ n II 壯衣 1 „ —訂， II 線 f請先閱讀背面之注意事項再本頁) 五'發明説明（γ ) 的表面。此外，蝕刻USG膜43，而使得場區域的絕緣膜留 下2500A之厚度，對應於後序將說明之最終淺溝39a的深 度D。結果，場區域的絕緣膜在半導體基板31的表面具有 1000A的高度。 如圖2F所示，一外延磊晶層47係於半導體基板31主 動區表面上成長至1000A的厚度，對應於場區域之絕緣膜 高度，而完成具有2500A深度的最終淺溝39a。在此，外 延磊晶層47最好爲雜質摻雜的單晶矽層。 在本發明中，最終淺溝可以絕緣膜完全塡充。此外， 淺溝隔離及主動區所使用之絕緣膜可被平坦化。 如上所述，本發明之淺溝隔離法，可形成較半導體基 板場區域中之最終淺溝爲淺的起始淺溝。一絕緣膜係沈積 於半導體基板上，而使得起始淺溝可被完全地塡充。其次 ，半導體基板的主動區被暴露出，且起始淺溝中的絕緣膜 係留下對應於最終淺溝深度的厚度。然後，一外延磊晶層 係成長於暴露的主動區中。 經濟部t央標準局員工消費合作社印裝 在本發明中，具有高長寬比的淺溝可爲絕緣膜所完全 塡充，以確保淺溝隔離法的可靠度。 本發明係參考上述的實施例而說明如上。然而，鑒於 '所描述的，對於熟習此技術的人士係易於瞭解有許多不同 的改良及變換。因此，本發明將包含所有落於所附申請專 利範圍之精神與範疇中之不同的改良及變換。 本紙張尺度適用中國國家樣準（CNS ) A4规格（210X297公慶）

Claims (1)

1. Ο ϋ 1 79^ 43 91 79 六、申請專利範圍 i〜種淺溝隔離法，所包括的步驟爲： 形成一絕緣膜佈局圖案，其用於將一起始淺溝形成於 半導體基板之主動區中爲目的之遮罩； 形成該起始淺溝於半導體基板的場區域中； 形成一具有預定高度的絕緣膜，其僅使用在起始淺溝 中的淺溝隔離，並暴露出該半導體基板的主動區；以及 成長一外延磊晶層於暴露出的主動區中，而形成一最 終淺溝。 . 2. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中暴露出該主 動區之步驟，包括的步驟爲： 將使用於淺溝隔離之絕緣膜沈積於該半導體基板上， 如此以淺溝隔離所使用的絕緣膜塡充該起始淺溝； 平坦化使用於淺溝隔離之絕緣膜以及使用於遮罩之絕 緣膜；以及 移除使用於遮罩之平坦化的絕緣膜佈局圖案，如此以 僅於該起始淺溝中留下使用於淺溝隔離的該絕緣膜，並暴 露出該主動區。 經濟部中央橾準局肩工消费合作社印装 (請先閲讀背面之注意事項本頁) 3. 根據申請專利範圍第1或2項之方法，其中具有對 應於該最終淺溝深度之高度而使用於淺溝隔離的該絕緣膜 ，係僅留置於該起始淺溝中。 4. 根據申請專利範圍第2項之方法，其中沈積使用於 淺溝隔離之絕緣膜的步驟^包括的步驟爲： 沈積使用於淺溝隔離之絕緣膜於使用於遮罩的絕緣膜 佈局圖案上； 各紙張尺度適用中國國家搮準（CNS)Α4规格（2〖0 χ 297公釐） 43 91 79 A8 BS C8 D8 六、申請專利範圍 沈積一保護膜於使用於淺溝隔離之絕緣膜上，如此以 保護該絕緣膜；以及 (請先閲讀背面之注意事項再『本頁) 將被保護的絕緣膜緻密化。 5. 根據申請專利範圍第4項之方法，其中保護膜係氧 化膜。 6. 根據申請專利範圍第4項之方法，其中在沈積使用 於淺溝隔離之絕緣膜的步驟之前，藉由將蝕刻損傷保護膜 形成於該起始淺溝的底部與內壁表面上，而移除當該起始 淺溝形成時所產生之蝕刻損傷。 7. 根據申請專利範圍第5項之方法，其中該蝕刻損傷 保護膜係熱成長的氧化膜》 8. 根據申請專利範圍第2項之方法，其中使用於淺溝 隔離之絕緣膜以及使用於遮罩之絕緣膜，係藉由化學機械 拋光法而平坦化。 9. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中使用於淺溝 隔離之絕緣膜，係未摻雜的矽酸鹽玻璃（USG)膜。 經濟部中央標準局男工消费合作社印製 10. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中該半導體基 板係單晶矽基板，而該外延磊晶層係雜質摻雜的單晶矽層 本紙張尺度適用令國國家榡芈（CNS ) A4規格（210X297公釐）