CN101770974A - 浅沟槽隔离结构的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种浅沟槽隔离结构的制造方法，包括：提供半导体衬底，在所述半导体衬底中形成有沟槽；对所述沟槽顶部边缘执行氧气等离子体处理工艺；执行完所述氧气等离子体处理工艺之后，对所述沟槽执行清洗工艺，去除所述沟槽顶部边缘的氧化物层；执行完所述清洗工艺之后在所述沟槽中填充介质材料。本发明的方法可避免或减少浅沟槽隔离结构制造过程中在沟槽顶部边缘形成弱点缺陷。提高形成的浅沟槽隔离结构的性能。
Description
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制造方法。
背景技术
随着半导体集成电路制造技术不断发展，半导体集成电路制造工艺中器件与器件的隔离技术也由原来的硅局部氧化隔离(Local Oxidation ofSilicon，LOCOS)发展为浅沟槽隔离技术。
浅沟槽隔离结构通过在半导体衬底先形成沟槽，然后再在沟槽中填充绝缘介质材料而形成。在公开号为CN 1649122A的中国专利申请文件中，公开了一种浅沟槽隔离的制造方法。图1至图5为所述中国专利申请文件公开的浅沟槽隔离的制造方法各步骤相应结构剖面示意图。
请参考图1，提供半导体衬底12，在所述半导体衬底12上形成垫氧化层12A，接着在所述垫氧化层12A上形成氮化硅层作为第一硬掩膜层14，在所述第一硬掩膜层14上形成第二硬掩膜层14B，在所述第二硬掩膜层14B上形成光刻胶层16A，并图案化所述光刻胶层16A形成底部露出所述第二硬掩膜层14B的开口16B。
如图2所示，刻蚀所述开口16B底部的第二硬掩膜层14B、第一硬掩膜层14以及垫氧化层12A，形成开口16C，所述开口16C的底部露出所述半导体衬底12的表面。
如图3所示，去除所述光刻胶层16A，刻蚀所述开口16C底部的半导体衬底12，在所述半导体衬底12中形成沟槽18。
如图4所示，在所述沟槽18表面形成衬垫氧化层20。在所述沟槽18中填充氧化层22，然后通过化学机械研磨去除所述第二硬掩膜层14B上多余的氧化层22以及所述第二硬掩膜层14B。
如图5所示，通过湿法刻蚀(如磷酸)去除所述第一硬掩膜层14，并通过氢氟酸溶液去除所述垫氧化层12A。
然而，上述浅沟槽隔离的制造方法中，常常会在形成的浅沟槽隔离结构的沟槽的顶部边缘形成弱点(weak point)缺陷，上述的湿法刻蚀工艺使得所述弱点缺陷进一步恶化，形成凹陷缺陷，如图5所示的边缘区域25中所示。该凹陷缺陷会影响隔离效果，并会导致形成的半导体器件性能下降。
发明内容
本发明提供一种浅沟槽隔离结构的制造方法，本发明的方法可避免或减少浅沟槽隔离结构制造过程中在沟槽顶部边缘形成弱点缺陷。
本发明提供的一种浅沟槽隔离结构的制造方法，包括：
提供半导体衬底，在所述半导体衬底中形成有沟槽；
对所述沟槽顶部边缘执行氧气等离子体处理工艺；
在所述氧气等离子体处理工艺之后，对所述沟槽执行清洗工艺，去除所述沟槽顶部边缘的氧化物层；
执行完所述清洗工艺之后在所述沟槽中填充介质材料。
可选的，在所述氧气等离子体处理工艺中的氧气等离子体中还包括有含氟气体的等离子体。
可选的，所述含氟气体包括CF4、C2F6、SF6、NF3中的一种或组合。
可选的，所述氧气等离子体处理工艺为远程等离子体处理工艺。
可选的，还包括在所述湿法清洗工艺之前，对所述沟槽侧壁执行去除刻蚀聚合物的步骤。
可选的，对所述沟槽顶部边缘执行氧气等离子体处理工艺在去除刻蚀聚合物的步骤之后执行。
可选的，对所述沟槽顶部边缘执行氧气等离子体处理工艺在去除刻蚀聚合物的步骤之前执行。
可选的，在所述半导体衬底中形成沟槽的步骤如下：
在所述半导体衬底上依次形成垫氧化硅层和硬掩膜层；
在所述硬掩膜层中形成定义沟槽的图案，所述图案底部露出所述的垫氧化硅层；
刻蚀去除所述沟槽的图案底部的垫氧化硅层，并继续刻蚀所述半导体衬底，在所述半导体衬底中形成沟槽。
可选的，在对所述沟槽顶部边缘执行氧气等离子体处理工艺之前，去除所述沟槽顶部边缘的部分垫氧化硅层，使所述垫氧化硅层朝向所述硬掩膜层底部收缩，以露出所述沟槽顶部边缘的半导体衬底的部分表面。
可选的，去除所述部分垫氧化硅层的方法为氢氟酸溶液刻蚀工艺。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
通过对沟槽顶部边缘执行氧气等离子体处理工艺，用氧气等离子体对所述沟槽顶部边缘执行氧化工艺，形成氧化物；并通过后续的清洗工艺去除所述氧化物，可使得沟槽顶部边缘圆弧化；由于氧气等离子体具有较强的活性，在使用氧气等离子体对所述沟槽边缘处理时，氧气等离子体可以和沟槽顶部边缘的半导体衬底充分反应，生成氧化物，而且，等离子体也具有轰击作用，可削去在沟槽顶部边缘尖角处生成的氧化物，有利于反应继续进行；接着通过后续的清洗工艺去除氧化硅之后，可在沟槽顶部形成的曲率更小、更为圆滑的圆弧化边缘；
该圆弧化边缘可减小或消除应力聚集，一方面可避免后续的向沟槽中填充绝缘介质工艺损伤沟槽的边缘，形成弱点缺陷，进而避免在形成的浅沟槽隔离结构顶部形成凹陷缺陷，有利于保证或者提高形成的半导体器件的性能；另一方面也可以避免形成的半导体器件工作时，电场在顶部边缘聚集而影响电性，有利于半导体器件的稳定性的提高。
附图说明
图1至图5为现有的一种浅沟槽隔离的制造方法各步骤相应的结构剖面示意图；
图6为本发明的浅沟槽隔离结构的制造方法的实施例的流程图；
图7至图14本发明的浅沟槽隔离结构的制造方法的实施例的各步骤相应的结构的剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
浅沟槽隔离结构作为半导体器件与器件之间的隔离结构，广泛应用于半导体集成电路制造工艺中。典型的浅沟槽隔离结构的制造工艺为在半导体衬底上先形成沟槽，接着在所述沟槽中填充绝缘介质，即形成浅沟槽隔离结构。其中，沟槽一般通过刻蚀工艺而形成，其宽度和深度根据半导体器件的特性而确定；填充的绝缘介质一般为氧化硅材质，氧化硅与半导体衬底具有较好的结合特性，且具有较好的绝缘效果。
本发明提供一种浅沟槽隔离结构的制造方法，包括提供半导体衬底，在所述半导体衬底中形成有沟槽；接着，对所述沟槽顶部边缘执行氧气等离子体处理工艺；然后对所述沟槽执行清洗工艺，去除所述沟槽顶部边缘的氧化物层；执行完所述氧气等离子体处理工艺之后，在所述沟槽中填充介质材料。
上述的方法中，通过对沟槽顶部边缘执行氧气等离子体处理工艺，用氧气等离子体对所述沟槽顶部边缘执行氧化工艺，形成氧化物；并通过后续的清洗工艺去除所述氧化物，使得沟槽顶部边缘圆弧化。由于氧气等离子体具有较强的活性，在使用氧气等离子体对所述沟槽边缘处理时，氧气等离子体可以和沟槽顶部边缘的半导体衬底充分反应，生成氧化物；而且，等离子体也具有轰击作用，可削去在沟槽顶部边缘尖角处处生成的氧化物，有利于反应继续进行；接着通过后续的清洗工艺去除氧化硅之后，可在沟槽顶部形成的曲率更小、更为圆滑的圆弧化边缘。
该圆弧化边缘可减小或消除应力聚集，一方面可避免后续的向沟槽中填充绝缘介质的填充工艺损伤沟槽的边缘，形成弱点缺陷，进而避免在形成的浅沟槽隔离结构顶部形成凹陷缺陷，有利于保证或者提高形成的半导体器件的性能。另一方面也可以减少在器件工作时载流子积聚对开启特性的影响。有利于半导体器件的稳定性的提高。
此外，上述的方法中，对所述沟槽执行清洗工艺，去除所述沟槽顶部边缘的氧化物层的同时，也可以一并去除所述沟槽侧壁和底部的自然氧化层，以便在所述沟槽侧壁和底部形成衬垫氧化硅层，并在所述衬垫氧化硅层上的沟槽中填充介质材料。也就是说，上述方法中的清洗工艺与去除所述沟槽侧壁和底部的自然层的清洗工艺可以合并为一步执行，而不必单独执行。
此外，在所述氧气等离子体处理工艺中的氧气等离子体还可以包括有含氟气体的等离子体，其中，所述含氟气体可以包括CF4、C2F6、SF6、NF3中的一种或组合。
通过在氧气等离子体中掺入含氟气体的等离子体，一方面可提高氧气等离子体的活性，另一方面对所述沟槽顶部的边缘也具有刻蚀作用，更有利于形成氧化物层，有助于沟槽顶部边缘的圆弧化。
可以通过调整氧气和含氟气体的流量来调整氧气等离子体与含氟气体等离子体的比例，这里不再详细描述。本领域技术人员可以根据工艺需要进行相应的调整。
此外，上述的方法中，所述氧气等离子体处理工艺为远程等离子体处理工艺。由于远程等离子体中，等离子体中的自由基距等离子体放电区域具有一定的距离，利用该自由基执行等离子体处理时，可在一定程度上抑制或减小位于等离子体放电区的电子、离子的刻蚀作用，并强化自由基的反应。因而，通过氧气和含氟气体的远程等离子体处理工艺，有利于在沟槽顶部边缘获得更好的处理效果，而且在处理过程中，还可以抑制等离子体中的电子以及离子对沟槽侧壁以及底部的刻蚀作用，有利于保护沟槽侧壁和底部。
图6为本发明的浅沟槽隔离结构的制造方法的实施例的流程图。
请参考图6，步骤S100，提供半导体衬底，在所述半导体衬底中形成有沟槽。
步骤S110，对所述沟槽顶部边缘执行氧气等离子体处理工艺。
步骤S120，在所述氧气等离子体处理工艺之后，对所述沟槽执行清洗工艺，去除所述沟槽顶部边缘的氧化物层。
步骤S130，执行完所述清洗工艺之后在所述沟槽中填充介质材料。
下面结合具体的实施例对本发明的浅沟槽隔离结构的制造方法进行详细描述。需要说明的是，下面的实施例中对一些细节的描述仅仅是示意性的，其不应当不当的限制权利要求的保护范围，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和实质的情况下可以做出相应的修改、删除和替换。
请参考图7，提供半导体衬底100，该半导体衬底100可以是单晶硅、多晶硅、非晶硅中的一种，所述半导体衬底100也可以是硅锗化合物、硅镓化合物中的一种，所述半导体衬底100可以包括外延层或绝缘层上硅(Silicon On Insulator，SOI)结构。
在所述半导体衬底100上形成垫氧化层110，形成所述垫氧化层110的方法可以是高温炉管氧化、快速热氧化、原位水蒸气产生氧化法中的一种，所述垫氧化层110作为后续工艺中形成的硬掩膜层和半导体衬底100表面之间的粘和层，用于增大所述硬掩膜层和半导体衬底100表面之间的粘结性，并平衡所述硬掩膜层和所述半导体衬底100表面之间的应力。在另外的实施例中，所述垫氧化层110也可以通过化学气相沉积的方法形成。
接着，在所述垫氧化层110上形成硬掩膜层120，本实施例中所述硬掩膜层120为氮化硅；形成所述硬掩膜层120的方法可以是化学气相沉积。所述硬掩膜层120一方面作为在所述半导体衬底100中刻蚀沟槽的硬掩膜，另一方面作为在沟槽中填充的介质材料的化学机械研磨平坦化的停止层。在其它的实施例中，所述硬掩膜层120可以是多层。
如图8所示，在所述硬掩膜层120上旋涂光刻胶层130，并通过曝光显影工艺形成第一开口140，所述第一开口140的底部露出所述硬掩膜层120的表面。此外，在旋涂所述光刻胶层130之前，可在所述硬掩膜层120上形成抗反射层(未示出)，所述抗反射层可以是无机材料，例如氮氧化硅，或有机材料；然后再在所述抗反射层上形成光刻胶层130，并曝光显影形成第一开口140。
如图9所示，刻蚀所述第一开口140底部的硬掩膜层120和垫氧化层110，形成第二开口150，所述第二开口150的底部露出所述半导体衬底100的表面。所述刻蚀为非等向性刻蚀，例如为等离子体干法刻蚀，该等离子体干法刻蚀的刻蚀气体可以是CF4。
如图10所示，刻蚀所述第二开口150底部的半导体衬底100，在所述半导体衬底100中形成沟槽160。刻蚀所述沟槽160的方法为等离子体干法刻蚀，所述等离子体干法刻蚀选用的刻蚀气体要使所述沟槽160的侧壁较为光滑，具有较少的硅晶格缺陷，且使所述沟槽160的底部边角较为平滑，所述刻蚀气体还要使所述沟槽160侧壁具有较为倾斜的轮廓，例如可以是70至90度。所述刻蚀的刻蚀气体可以是Cl2和HBr的混合气体，或HBr与O2和Cl2的混合气体，或HBr与NF3和He的混合气体等，这里不再一一列举。刻蚀形成的沟槽160的深度通过刻蚀的时间控制。接着，去除所述光刻胶层120。
然后，对所述沟槽160顶部边缘执行氧气等离子处理工艺，在所述沟槽160边缘顶部形成氧化物层，本实施例中，为氧化硅层，然后通过清洗工艺去除所述氧化物层，使所述沟槽160顶部边缘圆弧化。
由于氧气等离子体具有较强的活性，在使用氧气等离子体对所述沟槽边缘处理时，氧气等离子体可以和沟槽160顶部边缘的半导体衬底材料充分反应，生成氧化物；而且，等离子体也具有轰击作用，可削去在沟槽160顶部边缘尖角处处生成的氧化物，有利于反应继续进行；接着通过后续的清洗工艺去除氧化硅之后，可在沟槽160顶部形成的曲率更小、更为圆滑的圆弧化边缘。
该圆弧化边缘可减小或消除应力聚集，一方面可避免后续的向沟槽160中填充绝缘介质工艺损伤沟槽的边缘，形成弱点缺陷，进而避免在形成的浅沟槽隔离结构顶部形成凹陷缺陷，有利于保证或者提高形成的半导体器件的性能。另一方面还可以减少在器件工作时载流子积聚对开启特性的影响。有利于提高半导体器件的稳定性。
此外，在所述氧气等离子体处理工艺中还可以包括有含氟气体的等离子体，其中，所述含氟气体可以包括CF4、C2F6、SF6、NF3中的一种或组合。本实施例中，所述含氟的气体为CF4。等离子体处理时的温度为250℃。
通过在氧气等离子体中掺入含氟气体的等离子体，一方面可提高氧气等离子体的活性，另一方面对所述沟槽160顶部的边缘也具有刻蚀作用，更有利于形成氧化物层，有助于沟槽160顶部边缘的圆弧化。
可以通过调整氧气和含氟气体的流量来调整氧气等离子体与含氟气体等离子体的比例，这里不再详细描述。本领域技术人员可以根据工艺需要进行相应的调整。
本实施例中，所述氧气等离子体处理工艺为远程等离子体处理工艺。由于远程等离子体中，等离子体中的自由基距等离子体放电区域具有一定的距离，利用该自由基执行等离子体处理时，可在一定程度上抑制或减小位于等离子体放电区的电子、离子的刻蚀作用，并强化自由基的反应。因而，通过氧气和含氟气体的远程等离子体处理工艺，有利于在沟槽160顶部边缘获得更好的处理效果，而且在处理过程中，还可以抑制等离子体中的电子、离子对沟槽160侧壁以及底部的刻蚀作用，有利于保护沟槽160侧壁和底部。
此外，上述的方法中，对所述沟槽160执行清洗工艺，去除所述沟槽160顶部边缘的氧化物层的同时，也可以一并去除所述沟槽160侧壁和底部的自然氧化层，以便后续在所述沟槽160侧壁和底部形成衬垫氧化硅层，并在所述衬垫氧化硅层上的沟槽中填充介质材料。也就是说，上述方法中的清洗工艺与去除所述沟槽侧壁和底部的自然层的清洗工艺可以合并为一步执行，而不必单独执行。
此外，在执行所述氧气等离子体处理工艺之前，也可以先去除所述沟槽160顶部边缘的部分垫氧化硅层110，使所述垫氧化硅层110朝向所述硬掩膜层120底部收缩，以露出所述沟槽160顶部边缘的半导体衬底的部分表面，如图11所示。其中所述刻蚀工艺可以是氢氟酸溶液的湿法刻蚀。
通过刻蚀部分垫氧化硅层110，可使所述沟槽160顶部边缘的半导体衬底的部分表面被露出，然后再执行所述的氧气等离子体处理工艺和清洗工艺，有利于所述沟槽160顶部边缘圆弧化的效果更好。
此外，在所述湿法清洗工艺之前，还可以包括去除刻蚀产生的聚合物的步骤，其中，聚合物主要是刻蚀形成所述沟槽160时刻蚀剂与光刻胶产生的聚合物，该聚合物会附着在所述沟槽160的侧壁，影响后续的工艺执行。本实施例中通过硫酸溶液清洗工艺去除所述的聚合物，当然，也可以使用其它工艺去除所述聚合物，这里不在一一列举。
其中，所述的对沟槽160顶部边缘执行氧气等离子体处理工艺可以在去除刻蚀聚合物的步骤之后执行，也可以在之前执行。
然后，请参考图12，用热氧化法在所述沟槽160表面生成衬垫层180。
请参考图13，在所述沟槽160中和所述硬掩膜层120上沉积介质材料，所述介质材料可以是氧化硅或氮氧化硅。本实施例中所述介质为氧化硅材料。沉积所述介质材料的方法可以是高密度等离子体化学气相沉积。也可以是其它沉积工艺。
由于所述沟槽160顶部具有圆弧化的边缘，故在执行沉积介质层的工艺中，高密度等离子体化学气相沉积工艺中的刻蚀工艺不会对所述沟槽顶部边缘造成损伤，可避免弱点缺陷。
接着，通过化学机械研磨工艺去除所述硬掩膜层120表面上多余的介质材料，在所述沟槽160中形成介质层190。
请参考图14，通过湿法刻蚀去除所述硬掩膜层120和垫氧化层110。
去除所述硬掩膜层120的湿法刻蚀溶液可以是磷酸溶液；去除所述垫氧化层110湿法刻蚀溶液可以是氢氟酸溶液。
由于上述的步骤中对所述沟槽160顶部边缘执行氧气等离子体处理，可避免在沟槽160顶部边缘形成弱点缺陷，因而在去除所述硬掩膜层120和垫氧化层110之后，可避免形成在形成的浅沟槽隔离结构顶部边缘形成凹陷缺陷，有利于提高形成的半导体器件的性能。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，在所述半导体衬底中形成有沟槽；
对所述沟槽顶部边缘执行氧气等离子体处理工艺；
在所述氧气等离子体处理工艺之后，对所述沟槽执行清洗工艺，去除所述沟槽顶部边缘的氧化物层；
执行完所述清洗工艺之后在所述沟槽中填充介质材料。
2.如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于：在所述氧气等离子体处理工艺中的氧气等离子体中还包括有含氟气体的等离子体。
3.如权利要求2所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于：所述含氟气体包括CF4、C2F6、SF6、NF3中的一种或组合。
4.如权利要求1或2或3所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于：所述氧气等离子体处理工艺为远程等离子体处理工艺。
5.如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于：还包括在所述湿法清洗工艺之前，对所述沟槽侧壁执行去除刻蚀聚合物的步骤。
6.如权利要求5所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于：对所述沟槽顶部边缘执行氧气等离子体处理工艺在去除刻蚀聚合物的步骤之后执行。
7.如权利要求5所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于：对所述沟槽顶部边缘执行氧气等离子体处理工艺在去除刻蚀聚合物的步骤之前执行。
8.如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于：在所述半导体衬底中形成沟槽的步骤如下：
在所述半导体衬底上依次形成垫氧化硅层和硬掩膜层；
在所述硬掩膜层中形成定义沟槽的图案，所述图案底部露出所述的垫氧化硅层；
刻蚀去除所述沟槽的图案底部的垫氧化硅层，并继续刻蚀所述半导体衬底，在所述半导体衬底中形成沟槽。
9.如权利要求8所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于：在对所述沟槽顶部边缘执行氧气等离子体处理工艺之前，去除所述沟槽顶部边缘的部分垫氧化硅层，使所述垫氧化硅层朝向所述硬掩膜层底部收缩，以露出所述沟槽顶部边缘的半导体衬底的部分表面。
10.如权利要求9所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于：去除所述部分垫氧化硅层的方法为氢氟酸溶液刻蚀工艺。
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