CN102376619B - 以ono作为硬质掩膜层形成浅沟槽结构的方法 - Google Patents
以ono作为硬质掩膜层形成浅沟槽结构的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种以ONO作为硬质掩膜层形成浅沟槽结构的方法，包括如下步骤：(1)在硅基板上依次淀积底部氧化膜、氮化膜和顶部氧化膜，形成ONO结构；(2)刻蚀形成浅沟槽；(3)氮化膜回刻；(4)氧化膜侧向开口形成；(5)清洗及形成衬底氧化膜淀积，获得沟槽顶部的圆滑倒角；(6)氧化膜淀积；(7)氧化膜回刻形成有源区的侧壁保护；(8)根据器件要求进行注入；(9)顶部和侧壁的氧化膜刻蚀，控制有源区氧化膜侧向刻蚀；(10)再次形成衬底氧化膜以及HDP填充。该方法可以获得满足SiGEBICMOS项目器件要求的浅沟槽结构，达到很好的形貌控制和HDP填充效果。
Description
技术领域
本发明属于半导体集成电路制造领域，具体涉及一种形成浅沟槽结构的方法，尤其涉及一种以ONO作为硬质掩膜层形成浅沟槽结构的方法。
背景技术
针对经济型的SiGE BICMOS(锗硅-双极性晶体管-互补型金属氧化场效应管)的结构，浅沟槽的形成过程中，在有源区顶部使用了ONO(氧化膜-氮化膜-氧化膜)结构的硬质掩膜层。三层膜结构不仅用于浅沟槽刻蚀的硬质掩膜层，还可用于浅沟槽底部深埋层注入时充当有源区部分的阻挡层。但是，由于三层膜结构的存在，也给后面的顶部的形貌控制，氮化膜下面的氧化膜的侧向刻蚀控制，以及随后的HDP(高密度等离子氧化膜)的填充带来很多挑战：1.很容易形成倾斜的氮化膜结构，造成后续的氧化膜侧壁保护膜太薄；2.很容易造成顶部氧化膜的过度损失，也会造成后续的氧化膜侧壁保护太薄。侧壁保护太薄的后果主要有：1.在深埋层注入时对有源区不能形成有效保护；2.底部氧化膜侧向开口失控，必然导致后续HDP填充形成空洞。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种以ONO作为硬质掩膜层形成浅沟槽结构的方法，该方法可以获得满足SiGE BICMOS项目器件要求的浅沟槽结构，达到很好的形貌控制和HDP填充效果。
为解决上述技术问题，本发明提供一种以ONO作为硬质掩膜层形成浅沟槽结构的方法，包括如下步骤：
(1)在硅基板上依次淀积底部氧化膜、氮化膜和顶部氧化膜，形成ONO结构；
(2)刻蚀形成浅沟槽；
(3)氮化膜回刻；
(4)氧化膜侧向开口形成；
(5)清洗及形成衬底氧化膜淀积，获得沟槽顶部的圆滑倒角；
(6)氧化膜淀积；
(7)氧化膜回刻形成有源区的侧壁保护；
(8)根据器件要求进行注入；
(9)顶部和侧壁的氧化膜刻蚀，控制有源区氧化膜侧向刻蚀；
(10)再次形成衬底氧化膜以及HDP填充。
在步骤(1)中，所述底部氧化膜的淀积使用热氧化工艺，其厚度为50-200埃；所述氮化膜的淀积使用低压化学气相沉淀工艺或等离子体增强化学气相沉淀工艺，其厚度为100-600埃；所述顶部氧化膜的淀积采用常压化学气相沉淀工艺、低压化学气相沉淀工艺或等离子体增强化学气相沉淀工艺，其厚度为1000-2000埃。
在步骤(2)中，使用普通的干法刻蚀形成浅沟槽，该浅沟槽的深度为3000-5000埃。
在步骤(3)中，所述氮化膜回刻使用热磷酸的湿法刻蚀工艺，回刻深度为100-300埃，所述氮化膜回刻必须在步骤(4)氧化膜侧向开口之前完成，保证氮化膜的垂直形貌。
在步骤(4)中，回刻部分底部氧化膜和顶部氧化膜，形成底部氧化膜侧向开口，开口深度为50-150埃，顶部氧化膜的刻蚀量是底部氧化膜侧向开口的1.2-2倍；该步骤采用湿法刻蚀工艺，湿法药液使用缓冲氧化膜刻蚀剂或稀释氢氟酸。
在步骤(5)中，所述清洗采用硫酸双氧水混合物+稀释氢氟酸+氨水双氧水混合物+盐酸双氧水混合物，该稀释氢氟酸中HF∶去离子水的体积比在1∶50到1∶500的范围内，该氨水双氧水混合物中NH4OH∶H2O2∶H2O的体积比为1∶1∶5到1∶6∶100；该稀释氢氟酸的清洗温度是室温，清洗时间为5-30秒；该氨水双氧水混合物的清洗温度为25-45℃，清洗时间为15秒-2分钟；所述衬底氧化膜采用热氧化工艺形成，其厚度在100-200埃。
在步骤(6)中，使用常压化学气相沉淀工艺、低压化学气相沉淀工艺或等离子体增强化学气相沉淀工艺淀积氧化膜，该氧化膜的厚度为600-1000埃。
在步骤(7)中，采用干法刻蚀回刻氧化膜，去除沟槽底部的衬底氧化膜，并去除部分步骤(6)淀积的氧化膜以形成有源区的侧壁保护。
在步骤(8)中，根据器件要求对沟槽底部进行深埋层注入，侧壁和顶部的氧化膜对有源区提供保护，避免离子注入到有源区。
在步骤(9)中，进行顶部和侧壁的氧化膜的刻蚀，去除已经被步骤(8)掺杂的氧化膜，并刻蚀氮化膜下面的部分衬底氧化膜和底部氧化膜，底部氧化膜在氮化膜和硅基板之间会形成侧向开口，控制该侧向开口的深度小于150埃；该步骤采用湿法刻蚀工艺，湿法药液使用缓冲氧化膜刻蚀剂或稀释氢氟酸。
在步骤(10)中，使用热氧化工艺形成衬底氧化膜，该衬底氧化膜的厚度为100-300埃，它的作用是在HDP填充时避免等离子轰击对有源区和沟槽的损害；最后填充HDP，形成器件的隔离。
和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：传统工艺中是先刻氧化膜再刻氮化膜，会造成氮化膜形貌不佳(见图11)；而本发明通过调整氮化膜回刻和氧化膜侧向开口工艺次序改善氮化膜的形貌，即采用先刻氮化膜后刻氧化膜，以获得垂直的氮化膜形貌(见图12)。传统工艺中DHF和APM处理后造成顶部氧化膜过量损失(见图13)，而本发明通过控制DHF和APM的清洗时间及温度，有效减少顶部氧化膜侧向损失(见图14)。传统工艺中侧壁保护层的形貌不佳(见图15)，而本发明侧壁保护层的形貌佳(见图16)，其垂直的氮化膜和尽量小的顶部氧化膜损失保证了后续氧化膜侧壁保护层刻蚀后的形貌，对有源区提供更好的保护。传统工艺形成的浅沟槽结构，在掺杂氧化膜刻蚀后有源区侧向开口失控(见图17)，而本发明工艺形成的浅沟槽结构，在掺杂氧化膜刻蚀后有源区侧向开口更加可控(见图18)。采用本发明方法在最后HDP填充完成后显示没有空洞形成，顶部倒角也很圆滑(见图19)。可见，用本发明方法可以获得满足SIGEBICMOS顶目器件要求的浅沟槽结构，达到很好的形貌控制和HDP填充效果。
附图说明
图1-图10是本发明方法的流程示意图；其中，
图1是本发明方法步骤(1)完成后的示意图；
图2是本发明方法步骤(2)完成后的示意图；
图3是本发明方法步骤(3)完成后的示意图；
图4是本发明方法步骤(4)完成后的示意图；
图5是本发明方法步骤(5)完成后的示意图；
图6是本发明方法步骤(6)完成后的示意图；
图7是本发明方法步骤(7)完成后的示意图；
图8是本发明方法步骤(8)完成后的示意图；
图9是本发明方法步骤(9)完成后的示意图；
图10是本发明方法步骤(10)完成后的示意图；
图11是传统工艺中先刻氧化膜再刻氮化膜造成氮化膜形貌不佳的示意图；
图12是本发明通过调整氮化膜回刻和氧化膜侧向开口工艺次序改善氮化膜的形貌的示意图；
图13是传统工艺中DHF和APM处理后造成顶部氧化膜过量损失的示意图；
图14是本发明通过控制DHF和APM的清洗时间及温度，有效减少顶部氧化膜侧向损失的示意图；
图15是传统工艺形成的侧壁保护层的形貌示意图；
图16是本发明侧壁保护层的形貌示意图；
图17是传统工艺形成的浅沟槽结构，在掺杂氧化膜刻蚀后有源区侧向开口失控的示意图；
图18是本发明工艺形成的浅沟槽结构，在掺杂氧化膜刻蚀后有源区侧向开口更加可控的示意图；
图19是采用本发明方法在最后HDP填充完成后显示没有空洞形成，顶部倒角也很圆滑的示意图。
其中，1是硅基板，2是顶部氧化膜，3是氮化膜，4是底部氧化膜，5是氧化膜，6是深埋层，7是高密度等离子氧化膜(HDP)，8、9是衬底氧化膜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
本发明通过调整工艺步骤的顺序，优化特定步骤工艺条件的方法，可以获得满足SIGE BICMOS项目器件要求的浅沟槽结构，达到很好的形貌控制和HDP填充效果。
本发明一种以ONO作为硬质掩膜层形成浅沟槽结构的方法的工艺步骤如下：
(1)如图1所示，ONO结构的形成：在硅基板1上依次淀积底部氧化膜4、氮化膜3和顶部氧化膜2，形成ONO结构；淀积底部氧化膜4使用热氧化工艺，底部氧化膜4的厚度从50埃-200埃，氮化膜3的淀积可使用LPCVD(低压化学气相沉淀工艺)或PECVD(等离子体增强化学气相沉淀工艺)，氮化膜3的厚度为100埃到600埃，淀积顶部氧化膜2可采用APCVD(常压化学气相沉淀工艺)，LPCVD或PECVD方法形成，顶部氧化膜2的厚度为1000埃到2000埃；
(2)如图2所示，浅沟槽图形形成和刻蚀，使用普通的干法刻蚀，浅沟槽深度为3000-5000埃；
(3)如图3所示，氮化膜3回刻，氮化膜3回刻使用热磷酸的湿法刻蚀工艺，回刻深度为100-300埃，氮化膜3回刻必须在氧化膜侧向开口之前完成，保证氮化膜3的垂直形貌；
(4)如图4所示，氧化膜侧向开口形成：采用氧化膜回刻(刻蚀部分底部氧化膜4和顶部氧化膜2)，形成底部氧化膜4侧向开口，开口深度为50-150埃，根据顶部氧化膜2的致密程度，顶部氧化膜2的刻蚀量是底部氧化膜4侧向开口的1.2-2倍；该步骤刻蚀采用湿法刻蚀工艺，湿法药液可使用BOE(缓冲氧化膜刻蚀剂)或DHF(稀释氢氟酸)；
(5)如图5所示，清洗及形成衬底氧化膜8淀积，获得沟槽顶部的圆滑倒角；清洗采用SPM(硫酸双氧水混合物)+DHF(稀释氢氟酸)+APM(氨水双氧水混合物)+HPM(盐酸双氧水混合物)；DHF(HF∶去离子水体积比在1∶50到1∶500的范围内)和APM(NH4OH∶H2O2∶H2O体积比为1∶1∶5到1∶6∶100)的清洗时间和温度要严格控制；DHF的清洗温度一般是室温，清洗时间为5-30秒；APM的清洗温度为25-45℃，清洗时间为15秒到2分钟。在充分清洗缺陷的前提下(清洗就是进炉管前的清洗，对微量的有机物、颗粒、金属等杂质进行清洗)，尽量减少顶部氧化膜2的损失，保证后续氧化膜淀积的形貌，及在深埋层注入时对有源区提供更好保护，衬底氧化膜8可采用热氧化工艺形成，厚度在100-200埃；
(6)如图6所示，氧化膜5淀积，可使用APCVD，LPCVD或PECVD方式，氧化膜5的厚度为600-1000埃；
(7)如图7所示，氧化膜回刻形成有源区的侧壁保护；该步骤采用干法刻蚀工艺，沟槽底部刻到底(即完全去除沟槽底部的衬底氧化膜8，以免阻挡后续的离子注入)，并去除部分氧化膜5以形成有源区的侧壁保护；同时顶部的氧化膜(由顶部氧化膜2和氧化膜5叠加而成)也被部分刻蚀去除，顶部的氧化膜的刻蚀量不需要精确控制，因为它本来就由顶部氧化膜2和氧化膜5叠加而成，比沟槽底部厚很多，稍微损失多一点也没关系，但是原则上干法刻蚀的时候，底部的氧化膜刻掉多少，顶部的氧化膜也是相应损失多少；
(8)如图8所示，根据器件要求进行离子注入：根据器件要求对沟槽底部进行深埋层6注入，同时侧壁和顶部的氧化膜(即氧化膜5和顶部氧化膜2)对有源区提供保护，避免离子注入到有源区。
(9)如图9所示，顶部和侧壁的氧化膜刻蚀，去除已经被步骤(8)掺杂的氧化膜(即去除顶部氧化膜2和氧化膜5)，并控制有源区氧化膜侧向刻蚀(即刻蚀氮化膜3下面的部分衬底氧化膜8和底部氧化膜4，底部氧化膜4在氮化膜3和硅基板1之间会形成侧向开口，控制该侧向开口的深度小于150埃)；该步骤采用湿法刻蚀工艺，湿法药液可使用BOE(缓冲氧化膜刻蚀剂)或DHF(稀释氢氟酸)；
(10)如图10所示，再次形成衬底氧化膜以及HDP填充：再次形成衬底氧化膜9可使用热氧化工艺，衬底氧化膜9的厚度为100-300埃，它的作用是在HDP填充时避免等离子轰击对有源区和沟槽的损害；最后填充高密度等离子氧化膜(HDP)7，形成器件的隔离。
按上述方法，得到了有很好形貌的浅沟槽隔离结构，最后的HDP填充也显示没有形成空洞，顶部倒角也很圆滑(见图19)。并且由于有深埋层注入的存在，方便于SiGe BICMOS的器件的双极型晶体管部分的形成。
Claims (10)
1.一种以ONO作为硬质掩膜层形成浅沟槽结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在硅基板上依次淀积底部氧化膜、氮化膜和顶部氧化膜，形成ONO结构；
(2)刻蚀形成浅沟槽；
(3)氮化膜回刻；
(4)氧化膜侧向开口形成；
(5)清洗及形成衬底氧化膜淀积，获得沟槽顶部的圆滑倒角；
(6)氧化膜淀积；
(7)氧化膜回刻形成有源区的侧壁保护；
(8)根据器件要求对沟槽底部进行深埋层注入，侧壁和顶部的氧化膜对有源区提供保护，避免离子注入到有源区；
(9)顶部和侧壁的氧化膜刻蚀，控制有源区氧化膜侧向刻蚀；
(10)再次形成衬底氧化膜以及HDP填充。
2.如权利要求1所述的以ONO作为硬质掩膜层形成浅沟槽结构的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述底部氧化膜的淀积使用热氧化工艺，其厚度为50-200埃；所述氮化膜的淀积使用低压化学气相沉淀工艺或等离子体增强化学气相沉淀工艺，其厚度为100-600埃；所述顶部氧化膜的淀积采用常压化学气相沉淀工艺、低压化学气相沉淀工艺或等离子体增强化学气相沉淀工艺，其厚度为1000-2000埃。
3.如权利要求1所述的以ONO作为硬质掩膜层形成浅沟槽结构的方法，其特征在于，在步骤(2)中，使用普通的干法刻蚀形成浅沟槽，该浅沟槽的深度为3000-5000埃。
4.如权利要求1所述的以ONO作为硬质掩膜层形成浅沟槽结构的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述氮化膜回刻使用热磷酸的湿法刻蚀工艺，回刻深度为100-300埃，所述氮化膜回刻必须在步骤(4)氧化膜侧向开口之前完成，保证氮化膜的垂直形貌。
5.如权利要求1所述的以ONO作为硬质掩膜层形成浅沟槽结构的方法，其特征在于，在步骤(4)中，回刻部分底部氧化膜和顶部氧化膜，形成底部氧化膜侧向开口，开口深度为50-150埃，顶部氧化膜的刻蚀量是底部氧化膜侧向开口的1.2-2倍；该步骤采用湿法刻蚀工艺，湿法药液使用缓冲氧化膜刻蚀剂或稀释氢氟酸。
6.如权利要求1所述的以ONO作为硬质掩膜层形成浅沟槽结构的方法，其特征在于，在步骤(5)中，所述清洗采用硫酸双氧水混合物+稀释氢氟酸+氨水双氧水混合物+盐酸双氧水混合物，该稀释氢氟酸中HF∶去离子水的体积比在1∶50到1∶500的范围内，该氨水双氧水混合物中NH4OH∶H2O2∶H2O的体积比为1∶1∶5到1∶6∶100；该稀释氢氟酸的清洗温度是室温，清洗时间为5-30秒；该氨水双氧水混合物的清洗温度为25-45℃，清洗时间为15秒-2分钟；所述衬底氧化膜采用热氧化工艺形成，其厚度在100-200埃。
7.如权利要求1所述的以ONO作为硬质掩膜层形成浅沟槽结构的方法，其特征在于，在步骤(6)中，使用常压化学气相沉淀工艺、低压化学气相沉淀工艺或等离子体增强化学气相沉淀工艺淀积氧化膜，该氧化膜的厚度为600-1000埃。
8.如权利要求1所述的以ONO作为硬质掩膜层形成浅沟槽结构的方法，其特征在于，在步骤(7)中，采用干法刻蚀回刻氧化膜，去除沟槽底部的衬底氧化膜，并去除部分步骤(6)淀积的氧化膜以形成有源区的侧壁保护。
9.如权利要求1所述的以ONO作为硬质掩膜层形成浅沟槽结构的方法，其特征在于，在步骤(9)中，进行顶部和侧壁的氧化膜的刻蚀，去除已经被步骤(8)掺杂的氧化膜，并刻蚀氮化膜下面的部分衬底氧化膜和底部氧化膜，底部氧化膜在氮化膜和硅基板之间会形成侧向开口，控制该侧向开口的深度小于150埃；该步骤采用湿法刻蚀工艺，湿法药液使用缓冲氧化膜刻蚀剂或稀释氢氟酸。
10.如权利要求1所述的以ONO作为硬质掩膜层形成浅沟槽结构的方法，其特征在于，在步骤(10)中，使用热氧化工艺形成衬底氧化膜，该衬底氧化膜的厚度为100-300埃，它的作用是在HDP填充时避免等离子轰击对有源区和沟槽的损害；最后填充HDP，形成器件的隔离。
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