TW559985B - Method for forming isolation layer of semiconductor device - Google Patents

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559985 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（ 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於半導體裝置之製造方法；更詳 細而言，係關於在製造用來將多數元件之間隔離 以避免產生短路所使用的淺渠溝隔離膜（STI : shallow trench)時，所應用的半導體裝置之元件 隔離膜形成方法。 一般而言，在半導體裝置（亦即半導體元件） 中，由電晶體、電容器等的單位元件所組成的電 路胞（c e 11 )，係對應半導體元件的容量，在有限的 面積内，被集積多數個（例如數千〜數十億等）； 這些電路胞，由於要相互獨立地動作，所以需要 作成互相分離（隔離），以避免產生短路。 因此，作為隔離這些電路胞以避免產生短路 的方案，已知有：使石夕基板產生凹槽（recess)， 然後使場氧化層成長之矽部分氧化方法（區域氧 化法，Local Oxidation of Silicon ： LOCOS)；以 及將晶圓往垂直方向蝕刻後，將絕緣物質填入之 渠溝隔離（trench isolation)方法。 這些方法中，LOCOS方法，由於係將氮化膜 作為罩幕，來使矽基板本身熱氧化，所以具有： 製程較簡單且氧化膜的元件應力的問題較少，所 生成的氧化膜品質佳的優點。 但是，前述LOCOS方法，由於元件隔離區域 所佔的面積大，不但使微細化受到限制，也會有 請， 先‘ 閱 讀- 背· 面 之 注 t 事 項

訂 # 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -5- 559985 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ___B7 _五、發明說明（2 ) 發生「鳥嘴」 （bird’s beak)的問題點。 另一方面，渠溝隔離方法，係利用反應性離 子钱刻（reactive ion etching ; RIE)或電漿姓刻之 乾式蝕刻技術，作成狹小且深（高深寬比）的渠 溝，由於利用將絕緣物質膜填入其内部的方法， 在矽基板内作成渠溝後，將絕緣物質填入，所以 不會有與「烏嘴」相關連的問題。 又，已填入絕緣物質膜的渠溝，由於使其表 面平坦，所以元件隔離區域所佔的面積變小，將 有利於微細化。 如此，從元件主動區域的確保方面而言是較 佳的淺渠溝隔離方法，從接合漏電流方面來看， 與L Ο C Ο S方法相比，也具有較佳的特性。 利用此種渠溝隔離方法來形成元件間的隔離 區域之習知技術，簡要地說明如下。 根據習知技術之半導體元件的渠溝隔離方 法，雖然未加以圖示出來，係使矽基板熱氧化， 使墊氧化膜成長，然後藉由化學氣相蒸鍍法，蒸 鍍氮化膜。 接著’在已形成前述塾氧化膜和氮化膜之石夕 基板的整個面上，塗佈感光膜，然後利用已形成 渠溝圖案的光罩，進行曝光顯影，而形成用來形 成渠溝用的感光膜圖案。 接著，將前述感光膜作為罩幕，藉由乾式蝕 (請先閱讀背面之主意事項再填寫本頁) _裝---- · I 1 >一-° 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -6- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 559985 A7 B7 五、發明說明（3 ) 刻，蝕刻除去顯露出來的氮化膜和墊氧化膜之 後，將顯露出來的矽基板，蝕刻一定的深度，在 元件隔離區域形成渠溝。 然後，除去感光膜圖案，洗淨前述矽基板之 後’為了增強渠溝的元件隔離特性，將氮化膜作 為罩幕，使矽基板熱氧化，在渠溝的内壁上，成 長氧化膜。 接著，藉由化學氣相蒸鍍法，在矽基板整個 面上，蒸鍍由渠溝填入物質所組成的絕緣物質 膜’將渠溝完全地填滿，當必要時，進行退火， 使已填入渠溝内的絕緣物質膜高密度化。 然後，藉由化學機械研磨，使絕緣物質膜.的 上部與氮化膜的上部平行地平坦化，然後藉由進 行濕式蝕刻或是乾式蝕刻，除去氮化膜或是墊氧 化膜，完成用來隔離半導體元件之淺渠溝，於是 半導體的電路胞之間被隔離，不會發生短路。 另一方面，如前所述，在淺渠溝形成方法中， CMP製程係隨著半導體集積度的增加，為了確保 光的範圍，使配線長度最小化，而基本地實行之 平坦化製程的一實施形態。 在前述平坦化製程中，有 BPSG平坦化熱處 理（re flow)、鋁平坦化熱處理、SOG或是回蝕、 CMP製程等，特別是利用CMP製程的製程，對 於利用平坦化熱處理製程或是回蝕（etch back)所 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） -7- (請先閱讀背面之江意事項再填寫本頁) 裝--------訂---- 559985 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 _._B7_五、發明說明（4 ) 無法達成之廣區域的整體平坦化以及低溫平坦 化，能夠利用CMP製程加以實現，所以目前被應 用成為裝置之主要的平坦化技術。 此種CMP製程，由於係利用研漿和研磨墊的 摩擦力，以物理化學的方式，加工位於研漿内之 晶圓的表面，所以會由於存在於研漿内的研磨劑 結塊或是較大的粒子，造成在晶圓表面（例如絕 緣物質膜層）上，發生劃痕（s c r a t c h)之問題。 又’由於研磨塾或是襯塾膜（backing film)的 消耗或變形等，造成消耗品的不均勻性，由於製 程調整非常困難，所以也會有再現性差的問題。 而且，就研漿的情況來說，其粒子分布，受 到保管方法或是與超純水之間的混合過程、或是 與其他化學成分混合的過程、甚至是從貯存槽搬 送至研磨裝置為止的配管以及流速等，很大的影 響，所以會有粒子間的分散不安定的問題。 此種問題，將促進研漿粒子的結塊化（例如 結成以上），而在研磨製程中，由於此研磨 劑的結塊，在晶圓的表面上將會發生劃痕。 又，在研磨墊調節器中，係使用鑽石粒子， 當採用此種粒子時，在晶圓表面上，將會發生大 的劃痕。 在前述CMP製程中所產生的劃痕，在接著的 後續製程亦即洗淨製程中，由於會有更加擴大的 (請€閱讀背面之沒意事項再填寫本頁) ---- 訂---- # 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -8 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 559985 A7 B7 五、發明說明（5 ) 傾向，所以此點將造成半導體元件之可靠度以及 良率降低的重要原因。 另一方面，在CMP製程的情況中，由於研磨 速度係對應研磨枚數和時間而相異，製程的容許 範圍（m a r g i η )小，所以需要用來確認製程安定性 之試樣晶圓作業。 當進行此種試樣製程之時，進而需要仿真晶 圓（dummy wafer)製程處理，隨著此製程，必須監 控先行處理結果，而會有設備利用率顯著降低的 問題。 又，當CMP製程中的研除量少，由於在氮化 膜頂面上存在氧化膜，所以無法除去；而當研除 量過多時，會有··元件隔離區域發生損傷、或是 由於凹狀扭曲研磨（dishing)，淺渠溝隔離膜的輪 廓（profile)變差的問題。 【發明所欲解決之課題】 因此，本發明為了解決習知技術的諸問題點 而發明出來，其目的為提供一種半導體裝置之元 件隔離膜形成方法，使CMP製程最短化，進行2 次濕式蝕刻製程，便能夠除去CMP製程的損傷。 【解決課題所用的手段】 為了達成前述目的，本發明的半導體裝置之 元件隔離膜形成方法，其特徵為包含： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNSM4規格（210 X 297公釐） -9- -------------------^--------- • - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 559985 A7 B7 五、發明說明（6 ) 提供矽基板的階段； 在前述矽基板内，形成渠溝區域的階段； 請 先. 閱 讀 背- & 之 注 意 事 項 再 填 寫 本 頁 在包含前述渠溝區域的矽基板上，形成絕緣 物質膜，將絕膜物質填入前述渠溝區域内的階 段； 在包含前述絕緣物質膜之矽基板的頂面上， 形成頂蓋層的階段； 以使前述絕緣物質膜露出的時點為終止點， 選擇地除去前述頂蓋層的一部份，使前述絕緣物 質膜的頂面露出的階段； 進行第1濕式蝕刻製程，除去前述頂面露出 來的絕緣物質膜的階段；以及 進行第2濕式蝕刻製程，除去前述殘留的頂 蓋層的階段。 又，根據本發明的半導體裝置之元件隔離膜 形成方法，其特徵為包含： 提供矽基板的階段； 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在前述矽基板上，形成墊氧化膜和氮化膜的 階段； 選擇地除去前述墊氧化膜和氮化膜以及矽基 板的一部份，形成渠溝區域的階段； 在包含前述渠溝區域的氮化矽膜上，形成絕 緣物質膜，將絕膜物質填入前述渠溝區域内的階 段； -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公坌） 559985 A7 B7 五、發明說明（7 ) 在包含前述絕緣物質膜之全體構造的頂面 上，形成犧牲膜的階段； (請Tt-閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 以使前述絕緣物質膜露出的時點為終止點， 選擇地除去前述犧牲膜的一部份，使前述絕緣物 質膜的頂面露出的階段； 進行第1濕式姓刻製程，除去在前述渠溝區 域以外的區域上露出來的絕緣物質膜的階段； 進行第2濕式蝕刻製程，除去前述犧牲膜全 部和前述氮化膜的階段；以及 除去前述墊氧化膜的階段。 【本發明之實施形態的說明】 以下，參照圖面來詳細地說明本發明之理想 的實施形態。 第1圖〜第7圖係用來說明根據本發明之理 想實施形態的半導體裝置之元件隔離膜形成方 法的製程剖面圖。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 根據本發明之理想實施形態的半導體裝置之 元件隔離膜形成方法，如第1圖所示，在要形成 用來隔離各元件之渠溝的矽基板 11上，依序地 藉由熱氧化製程形成數十至數百 A的墊氧化膜 13、以及藉由CVD方法形成數百A的氮化矽膜 15 〇 接著，經由微影製程，在前述墊氧化膜13和 氮化矽膜1 5上，形成所要的圖案（未圖示），將 -11- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNSM4瑪挣（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 559985 A7 B7 五、發明說明（8) 此圖案作為罩幕》選擇地除去前述前述塾氧化膜 1 3、氮化矽膜1 5以及矽基板1 1的一部份，在前 述矽基板11内，形成渠溝區域17。此時，為了 形成前述渠溝區域17，可以利用光阻罩幕（Photo Resist Mask)、或是在氮化矽膜上形成氧化膜金 屬遮光罩（hard mask)，來形成渠溝。 然後，雖然未加以圖示出來，實行任意圖案 (未圖示）的剝除製程、矽基板的洗淨製程以及 側壁氧化製程。 接著，如第2圖所示，將絕緣物質膜19填入 包含前述渠溝區域17之氮化矽膜15上。此時， 絕緣物質膜能夠使用HDP(High Density Plasma) U S G膜等，充填入渠溝區域1 7内的部分，必須 形成不超過氮化矽膜15的高度。 此時，前述渠溝區域1 7内的絕緣物質膜1 9， 係蒸鍍成比氮化矽膜1 5和墊氧化膜1 3的邊界線 高，而比氣化石夕膜1 5的表面低。 又，主動區域上的絕緣物質膜1 9部分，除了 氮化矽膜1 5的邊緣以外，蒸鍍在矽基板1 1的整 個面上。 另一方面，當藉由HDPCVD來形成絕緣物質 膜 1 9時，由於蒸鍍和蝕刻製程同時地進行，所 以具有··在縱橫尺寸比高的階梯高度差部分，有 效地填溝的特性。亦即，在圖案上段側面，薄膜 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） -12- -----------^--------^--------- (請f閱讀背面之;i意事項再填寫本頁) 559985 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 _B7_五、發明說明（9 ) 蒸鍍速度非常慢。因此，絕緣物質膜在較狹的主 動區域的上部，被緩慢地蒸鍍，而在較寬的主動 區域的上部，快速地蒸鍍。 接著，如第3圖所示，在包含前述絕緣物質 膜 19之全體構造的頂面上，利用電漿增強化學 氣相蒸鍍（Plasma enhanced CVD; PECVD)、或是 低壓化學氣相蒸鍍（Low Pressure CVD; LPCVD) 方法，為了進行選擇地濕式蝕刻，而蒸鍍由氮化 膜所組成的犧牲膜21。 然後，如第4圖所示，將使已形成於前述犧 牲膜2 1下部的絕緣物質膜1 9露出來的時點，作 為終止點，來實行除去一部份犧牲膜21的CMP 製程。 此時，為了進行研除（polishing)而使用軟研 磨墊時，藉由軟研磨墊的變形，不僅研磨較寬且 高的圖案上部的犧牲膜21，也進行研磨較狹的圖 案上部的犧牲膜21。 又，使用硬研磨墊，即使未完全地除去在第 3圖中之較狹且低的圖案上部的犧牲膜21，在以 後的第2濕式蝕刻製程中，也將被除去。而且， 在CMP製程中所產生之絕緣物質膜19或氮化矽 膜1 5上的劃痕，也將在以後的第1或第2濕式 蝕刻製程中被除去。 接著，如第5圖所示，在進行CMP製程之後， (請f閲t*t面之注意事項再填寫本頁) ^--------^---- # 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -13- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 559985 Α7 Β7 五、發明說明（10) 進行第1濕式蝕刻製程，除去主動區域上部的絕 緣物質膜1 9。此時，在第1蝕刻製程中所使用的 蝕刻劑，係使用如 DHF(Diluted HF)般的對氮化 物的選擇比高，而能夠除去氧化物的物質。 又，由於有作為頂蓋層使用的犧牲膜21，即 使濕式蝕刻時間持續很久，也能夠對渠溝區域1 7 内的絕緣物質膜1 9沒有影響。 然後，如第6圖所示，利用對氧化物的選擇 比高，例如例如填酸等的蝕刻劑，進行第2濕式 蝕刻製程，完全地除去前述氮化矽膜15。此時， 在第 3圖中的較狹且低的圖案的上部，在 CMP 製程中，其利用硬研磨墊尚未被除去之犧牲膜 2 1，將完全地被除去，而犧牲膜 2 1下部的絕緣 物質膜19也一起剝落而被除去。 如此，藉由第1濕式蝕刻製程以及第2濕式 蝕刻製程，能夠完全除去在CMP製程中所產生的 損傷例如劃痕、以及不均勻等。 接著，最後，在利用磷酸所進行的第2濕式 蝕刻製程以後，以對氮化膜的選擇比較高的DHF 作為蝕刻劑，調整渠溝區域 1 7内之氧化物的高 度，然後經由反應性離子蝕刻的方法，除去墊氧 化膜β 【發明之效果】 如以上所述，若根據本發明，利用CMP製程 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x 297公坌） -14- (請·先閱讀f-面之;i意事項再填寫本頁) 裝----- tr---------#.

Claims (1)

1. 559985 ABCD 2 第 案 Μϋ 00 修正丨 補充丨 申請專利範圍 ι· 一種形成一半導體裝置之絕緣層的方法，其至少包含·· 提供一已定義一主動區域及一場氧化區之矽基板； 形成一渠溝於該矽基板之該場氧化區内； 形成一絕緣層於包含該渠溝的該矽基板上，藉以將 該絕緣層填入該渠溝中； 形成一頂蓋層於包含該絕緣層之矽基板的頂面； 利用化學機械研磨以選擇性移除該頂蓋層，以使該 主動區域内之該#緣層的上方部分露出，其中該上方部分 暴露出之時點係為該選擇性移除的終止點； 進行一第一濕式蝕刻製程，以除去該主動區域内所 暴露之該絕緣層；以及 進行一第二濕式蚀刻·叙程，以除去該殘留的頂蓋 層’以藉殘留於該溝渠中的該絕緣層而形成該絕緣層。 2·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該絕緣層具有 一填於該場氧化區該溝渠内之第一部份，以及一形成於 該矽基板上該主動區域内的第二部分，且其中該第一部 份與該第二部分係為物理上的分離形態。 3. 如申請專利範圍第i項所述之方法，其中該絕緣層包括 一高密度電漿未摻雜之矽玻璃（HDP-USG)層。 4. 如申請專利範圍第丨項所述之方法，其中該絕緣層係沉 積於該主動區域相當寬的部分至—高度，且同樣沉積於 .......ώΜ: (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製

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   申請專利範圍 該主動區域相當狹小的部分至一較小高度 5·如申請專利範圍第4項所述之方法，其中選擇性移除該 頂蓋層的步驟包括於該絕緣層上移除該頂蓋層至一高 度。 6.如申請專利範圍冑1項所述之方法，其#該頂蓋層係利 用氮化物，藉申電漿增強化學氣相蒸鍍（pECVD)或是低 壓化學氣相蒸鍍（LPCVD)方法沉積而得。 7·—種形成一半導體裝置之絕緣層的方法，其至少包含： 提供一具有一主動區域以及_場氧化區之矽基板； 連續地於該矽基板上形成一墊氧化層及一蝕刻終止 層； 選擇地除去該蝕刻終止層、該墊氧化層以及該矽基 板之上方部分以於該矽基板上形成一溝渠以定義該場氧 化區； 於該蚀刻終止層及該溝渠區上形成一絕緣層，並將 該絕緣層填入該溝渠； 於包含該絕緣層之整體構造上形成一犧牲層； 利用化學機械研磨以選擇性移除該犧牲層，以使該 主動區域内之該絕緣層的上方部分露出，其中該上方部分 暴露出之時點係為該選擇性移除的終止點； 進行一第一濕式钮刻製程，以除去該主動區域中之 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210x297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

   經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 -17- 559985 8888 ABCD

   申請專利範圍 絕緣層； 進行一第二濕式蝕刻製程’以除去所有犧牲層及該 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 钮刻終止層；以及 .除去該墊氧化層，以藉殘留於該溝渠中的該絕緣層 而形成該絕緣層。 8·如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該蝕刻終止層 包含一氮化矽層或一多晶矽層。 9·如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該絕緣層包括 一高密度電漿未摻雜之矽玻璃（HDP-USG)層。 10·如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該絕緣層係 沉積於該主動區域相當寬的部分至一高度，且同樣沉 積於該主動區域相當狹小的部分至一較小高度。 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 11·如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該選擇性移 除該犧牲層的步驟包括於該絕緣層上移除該犧牲層至 一高度。 · 12·如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該選擇性移 除該犧牲層的步驟更包括於該絕緣層上移除該犧牲層 至一較小高度。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐） 559985 _ 補充、申請專利範圍 13·如申請專利範圍第u項所述之方法，其中該犧牲層下 未被該化學機械研磨移除之絕緣層係於該第二濕式蝕 刻中剝除。 14·如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該犧牲層係 .利用氮化物，藉由電漿增強化學氣相蒸鍍（pEC VD)或 是低壓化學氣相蒸鍍（LPCVD)方法沉積而得。 15·如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該第一濕式 蝕刻係利用一包括稀釋氟化氫（DHF)之蝕刻劑進行，其 中該蝕刻劑對氮化物具高度之選擇性。 16.如申請專利範圍第7項所述的方法，其中該第二濕式 蚀刻係利用一對氧化物具高選擇·比之構酸來進行。 17·如申請專利範圍第7項所述的方法，其中於該第二濕 式蝕刻進行後，更進一步執行一第三濕式蝕刻以調整留 在該溝渠之該絕緣層的高度，此步驟係藉由一對氮化物 具高選擇比之蝕刻劑來進行。 · (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· §. 經濟部智慧財產局员工消费合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) -19-