CN103700585A - 一种浅沟槽隔离氧化层的制备方法及其装置 - Google Patents

一种浅沟槽隔离氧化层的制备方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种浅沟槽隔离氧化层的制备方法，其中制备方法为在反应腔内提供一具有基体硅的半导体衬底，将一定比例的氢气和氧气通入腔内，产生自由基，自由基与基体硅反应生成二氧化硅；通入炉管的氢气分成多股，分别通入气管供气口通入炉管的顶部、中部、底部，通入炉管内氢气的流量大小比较为底部﹥中部﹥顶部。本发明还公开了一种采用上述方法制备浅沟槽隔离氧化层的低压炉管装置。本发明所述的方法和装置具有工艺时间短、工艺费用低、工艺环境友好等特点，即可以克服不同晶向的氧化速率差异的问题，又能有效改善刻蚀浅沟槽隔离氧化层中的硅损伤，不需进行后继的热处理工艺即可得到高品质的浅沟槽隔离氧化层。

Description

一种浅沟槽隔离氧化层的制备方法及其装置
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及一种制备浅沟槽隔离氧化层的方法及其装置。
背景技术
集成电路（IC）是现代信息产业的基础，集成电路所用的材料主要是硅、锗、砷化镓等，全球90%以上的IC都采用硅片。随着科技的不断进步，市场和消费者对半导体器件制造要求也越来越高，为了满足现代微处理器和其他逻辑芯片的工艺需求，集成电路的制造工艺难度也越来越高。因此，制造集成电路的硅片，不仅要求具有极高的平面度和极小的表面粗糙度，而且要求表面无变质层、无划伤。
目前通常采用热氧化生长的方式生成氧化膜，以使集成电路的表面得到较低的界面缺陷密度氧化膜，从而使集成电路达到平面度和粗糙度的要求。其中，热氧化生长可分为干氧氧化以及湿氧氧化两种。在传统的热氧化反应中，氧化速率与晶体方向有关，不同硅片晶面上，氧化速率也不相同，其中，硅片（111）或（110）晶面上的氧化速率大于（100）晶面的氧化速率，尤其在热氧化初期的线性阶段，速率的差别最大。如图1所示，硅片的（110）晶面上生成的二氧化硅的厚度大于（100）晶面的二氧化硅厚度。
在集成电路中，绝大多数是采用（100）晶面的硅片作为后续反应的基体，如果其他晶面上生成的二氧化硅过厚，会对（100）晶面上的二氧化硅的性能造成极大的影响，从而影响集成电路的性能。
另外，在实际应用中，通常使用的浅沟槽隔离氧化层制备方法为硅基体分别在氧气和水气的环境下，进行的热氧化反应，热氧化过程中硅与二氧化硅的界面会向硅片的内部迁移。由于生成的浅沟槽隔离氧化层通常具有凹槽结构，采用传统的氧化反应生长浅沟槽隔离氧化层时，在凹槽结构的拐角处就产生应力作用，使在拐角处生成的二氧化硅的厚度变薄，从而使生成的二氧化硅层厚度不均匀。
现有技术中，还可使用现场水汽生成(ISSG，in-situ steam generation)工艺制备浅沟槽隔离氧化层，该工艺具采用高氧化活性的自由基与衬底接触，氧化生成浅沟槽隔离氧化层，但是该工艺不能有效改善刻蚀浅沟槽隔离氧化层中的硅损伤，有较差的硅氧界面态。需要后继使用热处理技术对氧化层进行修复，增加了工艺的复杂性。
为了使浅沟槽具有更好的台阶均匀性，还可以在原有的技术基础上，通过化学机械的方法来实现。专利CN103377912A公开了一种浅沟槽隔离化学机械平坦化方法，包括：在衬底上形成硬掩膜层；光刻/刻蚀硬掩膜层形成硬掩膜图形；以硬掩膜图形为掩膜刻蚀衬底形成浅沟槽；在硬掩膜层上以及浅沟槽内沉积绝缘层，其中不同区域内的绝缘层顶部存在高度差；在绝缘层上形成共形的保护层；化学机械平坦化绝缘层以及保护层，直至露出硬掩膜层该防止了浅沟槽区域内处于谷部的氧化物被过度移除，从而有效地提高了台阶高度的均匀性，但是上述步骤繁琐，且化学机械平坦化绝缘层及保护层无法满足集成电路中精度的要求。
因此，需要对能提高浅沟槽隔离氧化层的均匀度且无需修复硅氧界面态步骤的制备方法进行进一步的研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种能有效提高浅沟槽隔离氧化层的厚度均匀性的浅沟槽隔离氧化层制备方法，可以有效解决不同晶面的氧化速率差异的问题，以克服现有技术中厚度均匀性不佳的缺陷。
本发明的第一方面提供了一种浅沟槽隔离氧化层的制备方法，其步骤包括：
提供一具有浅沟槽隔离凹槽的半导体衬底；
将所述半导体衬底放置于一反应腔室中；
于该反应腔室中通入氧化气体和催化气体，生成自由基，该自由基与所述半导体衬底的表面反应，以于所述浅沟槽隔离凹槽的底部及其侧壁生成隔离氧化层。
所述的催化气体为分成至少三股入口高度各不相同的气体通入反应腔中。
上述的制备方法中，所述的自由基包括：O*，H*或OH*中的一种或多种的混合物。
上述的制备方法中，所述的催化气体优选为氢气，所述的氧化气体优选为氧气。
上述的制备方法中，氢气和氧气混合体积比优选为1：99-30：70，更优选为5：95-10：90。
上述的制备方法中，氧气的流量范围优选为5-30slm，更优选为10-20slm。
上述的制备方法中，通过控制氢气的流量控制氢气的流量及其浓度，氢气的流量范围优选为1-4slm。
上述的制备方法中所述的氢气和氧气温度优选为800-1000℃，更优选为900-1000℃，压力优选为0.1-0.6Torr，更优选为0.2-0.5Torr。
本发明的第二方面提供了一种采用上述方法制备浅沟槽隔离氧化层的低压炉管装置，该装置包括低温炉管，该低温炉管上设置有氧化气体进气口和多个催化气体进气口；其中，该多个催化气体进气口分别设置于所述低温炉管的顶部、中部和底部且高度不相同，以使得通过该多个催化气体进气口进入所述低温炉管的催化气体均匀的分布于该低温炉管中；
所述的装置还包括：加热装置，用于给低压炉管主体进行分区加热。
上述的低压炉管装置还包括：与低压炉管气体出口端连接的第一阀门，用于控制低压炉管气体出口端的开关；与低压炉管装置连接的压力计，用于观测低压炉管内的压力状况；与第一阀门连接的泵，用于抽出炉管内的气体；与泵连接的除害桶，用于去除抽出气体中的有害成分。
上述的催化气体优选为氢气，通入的气体股数优选为三股。分别为第一股氢气进气口位于炉管内腔的顶部，第二股氢气进气口位于炉管内腔的中部，第三股氢气进气口位于炉管内腔的底部。
上述的氧化气体氧气进气口位于炉管内腔的高度与第三股氢气进气口位于炉管内腔的高度一致。
上述的低压炉管装置中所述的催化气体进气管，用于减少催化气体在炉管内腔的顶部、中部、底部不同位置的气体浓度差异，其中，气体流量和浓度大小关系为底部>中部>顶部。
上述的装置中所述的氢气进气管和氧气进气管，均由MFC控制器控制流入炉管内的反应气体的流量。
上述的装置中所述的加热装置将炉管分为上、中上、中、中下、下五个区域对低压炉管进行加热。
上述的装置中所述的压力计还有利于维持炉管出口端压力恒定。
上述的装置中所述的除害桶还有利于减少有害气体的排放。
上述的制备方法中所述的自由基通过在高温低压条件下，氧气和氢气经过初期反应，产生了高氧化性活性的自由基，其中，初期反应的反应式如下：
H2+O2→2·OH；
H2+·OH→H2O+H·；
O2+H·→OH+O·；
H2+O·→OH+H·。
上述的制备方法中所述的自由基与基体硅反应具体为具有氧化活性的自由基通过吸附、扩散、与基体硅反应生成二氧化硅，其主反应的反应式为：
Si+O·，H·，·OH→SiO2+H2。
采用本发明所述的低压自由基氧化法（Low Pressure Radical Oxidation，LPRO）制备浅沟槽隔离氧化层的方法中氢气起到催化剂的作用，增加氢气流量，从而增加氢气的流量，从而增加氢气的含量，可以提高氧化速率，因此，需要严格控制氢气的总流量。
本发明所述的制备方法及其装置的有益效果：
1）可以通过调剂通入低压炉管内的上部、中部、下部氢气的流量来调节上、中、下反应生成的氧化层的厚度差。
2）具有工艺时间短、工艺费用低、工艺环境友好等特点，即可以克服不同晶向的氧化速率差异的问题，又能有效改善刻蚀浅沟槽隔离氧化层中的硅损伤，不需进行后继的热处理工艺即可得到高品质的浅沟槽隔离氧化层。
附图说明
图1为传统工艺技术制备不同晶面的硅片氧化图；
图2为传统工艺技术制备不同硅晶面热生长的二氧化硅示意图；
图3为本发明所述的低压炉管装置内部结构示意图；
图4A为传统工艺技术与装置制得的浅沟槽隔离氧化层二氧化硅的示意图；
图4B为本发明所述的制备方法与装置制得的浅沟槽隔离氧化层二氧化硅的示意图；
附图标识含义：A-指代圆圈范围内的区域，B-指代圆圈范围内的区域，1-低压炉管主体，2-进气装置，21-第一股氢气进气管，22-第二股氢气进气管。23-第三股氢气进气管，24-氧气进气管，3-MFC控制器，4-加热装置，5-气体出口，6-第一阀门，7-压力机，8-泵，9-除害桶，10-厂务排气口，11-低压炉管主体进气端，12-低压炉管主体出气端，211-第一股氢气进气口，221-第二股氢气进气口，231-第二股氢气进气口，241-氧气进气口。
具体实施例
传统的热氧化工艺的氧化反应分为三个步骤：吸附、扩散、反应。在氧化初期，表面反应是限制生长速率的主要因素；当氧化膜变厚，氧化剂必须扩散到硅以及二氧化硅的界面才可以反应，故厚度受限于反应气体扩散的速度。
热氧化工艺可分成两大类干氧氧化和湿氧氧化，其氧化机理与特点如表1：
表1，干氧氧化和湿氧氧化特点对照表
本发明所述的方法以自由基氧化生成浅沟槽隔离氧化层，与传统的ISSG工艺相比，可以有效改善刻蚀衬底中的硅损伤，形成良好的硅氧界面态，无需后续的热处理即可达到高品质的表面层结构。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明所述的方法具体为：在反应腔室内提供一具有浅沟槽隔离凹槽的半导体衬底；
将所述半导体衬底放置于一反应腔室中；
于该反应腔室中通入催化气体和氧化气体，生成自由基，该自由基与所述半导体衬底的表面反应，以于所述浅沟槽隔离凹槽的底部及其侧壁生成隔离氧化层。
所述的催化气体分成至少三股且入口高度各不相同的气体通入反应腔中。
其中，催化气体优选为氢气，还可以是一氧化碳；氧化气体优选为氧气，还可以是O3。
进一步的，氢气的股数优选为三股，也可以是四股、五股、六股等。
多股氢气从半导体衬底上方所述送入反应腔室，其中，多股氢气入口高度各不相同。
以催化气体为氢气，氧化气体为氧气；氢气分成三股通入炉管中,其具体内容如下：
第一股氢气通入反应腔室的顶部，第二股氢气通入反应腔室的中部，第三股氢气通入反应腔室的底部。
进一步的，通入反应腔室内的氢气的流量大小为：第三股氢气流量﹥第二股氢气流量﹥第三股氢气流量。
送入氧气与氢气混合，使氢气和氧气反应产生自由基；其中，氧气和氢气混合氢气和氧气的混合体积比优选为（1-30）：（70-99），更优选为（5-10）：（90-95），例如可以是（5：95），（7：93），（9：91），（10：90）等；
进一步的，上述的氧气的流量范围优选为5-30slm，更优选为10-20slm，例如可以是10slm，12slm，15slm，17slm，20slm。
进一步的，上述的氢气的总流量范围优选为1-4slm，所述的流量范围为通入炉管顶、中、底部的氢气的流量的总和。
将产生的自由基O·，H·或·OH中的一种或多种的混合物与衬底表面基体硅接触，反应生成二氧化硅；其中，产生的自由基可以是O·，H·的混合物、·OH、O·，H·及·OH的混合物等。
上述的氢气和氧气生成自由基的温度优选为800-1000℃，更优选为900-1000℃，例如可以是900℃，950℃，970℃，1000℃等。
上述的氢气和氧气生成自由基的压力优选为0.1-0.6Torr，更优选为0.2-0.5Torr，例如可以是0.2Torr，0.3Torr，0.4Torr，0.5Torr等。
上述的产生自由基是高温低压的条件下进行的，通过氢气和氧气的初期反应，得到O·，H·，·OH自由基，具有氧化活性的自由基可以吸附在基体硅表面，并扩散在基体硅内，与硅反应生成二氧化硅。
上述的制备方法中，氢气是催化气体，可以通过增加氢气的总流量提高氧化层的生成的速率，增大氢气在炉管中的流量与浓度，因此，需要对氢气的通入进行严格的控制。
进一步的，在实际操作中，可以通过调节三股氢气的通入流量，调节炉管内顶、中、底部的浓度差，调节生成的氧化层的厚度差，例如，如果炉管上部硅片表面氧化层的厚度大于中部和底部时，可以减少顶部氢气的流量，使上部的生成速率减缓。
进一步的，当氢气含量占氢气和氧气体积比的30%以上时，自由基氧化工艺变为湿氧氧化工艺。因此，氢气的总含量5%-10%为最佳的氢气含量范围。图3为本发明所述的低压炉管装置内部结构示意图，如图3所示，一种采用本发明所述的方法制备浅沟槽隔离氧化层的低压炉管装置，该装置包括低温炉管主体1，进气装置2，其中，进气装置2氢气进气管和氧气进气管，所述的氢气进气管有三个，分别为第一股氢气进气管21，第二股氢气进气管22，第三股氢气进气管23，三个氢气进气管的供气口高度不相同，分别位于低压炉管内腔的顶部、中部、底部；
所述的第一股氢气进气管21、第二股氢气进气管22、第三股氢气进气管23和一个氧气进气管24。进气管21、22、23、24设于低压炉管1气体的入口端11。
进一步的，所述的第一股氢气进气口211位于炉管内腔的顶部，第二股氢气进气口221位于炉管内腔的中部，第三股氢气进气口231位于炉管内腔的底部。
进一步的，氧气进气口241位于炉管内腔的高度与第三股氢气进气口231位于炉管内腔的高度一致。
进一步的，所述的装置还包括：
加热装置4，用于给低压炉管主体进行分区加热；
与低压炉管气体出口端连接的第一阀门6；
与第一阀门6连接的压力计7；
与压力计7连接的泵8；
与泵8连接的除害桶9。
进一步的，低压炉管装置中所述的三股氢气进气管21、22、23及伸入低压炉管主体1内腔的顶部、中部、底部，用于使氢气在炉管内腔的顶、中、底不同位置的气体浓度差异达到最小。其中，气体流量和浓度大小关系为底部>中部>顶部。
进一步的，装置中所述的三股氢气进气管21、22、23和氧气进气管24，均由MFC控制器3控制流入炉管主体1内的反应气体的流量。
进一步的，装置中所述的第一阀门6用于控制低压炉管主体1气体出口端12的开关。
进一步的，装置中所述的压力计7用于随时观测低压炉管内的压力状况，有利于维持炉管出口端12压力恒定。
进一步的，装置中所述的泵8用于将炉管主体1内反应后的气体带出炉管。
进一步的，装置中所述的除害桶9用于将低压炉管主体1内反应后排出的气体中有害的部分去除，减少有害气体的排放。
进一步的，所述的装置有一厂务排气口10，对反应排出的气体做进一步的处理。
进一步的，本发明所述的装置通过泵、第一阀门、压力机的共同作用来实现低压反应，为反应提供稳定的压力环境。
本发明所述的氢气进气管还可以直接从炉管外接入炉管内腔，与氧气进气管于不同的位置通入炉管内腔中。
图4A为传统工艺技术与装置制得的浅沟槽隔离氧化层二氧化硅的示意图，图4B为本发明所述的制备方法与装置制得的浅沟槽隔离氧化层二氧化硅的示意图，对比图4A与图4B，从图4A中A指向的区域与图4B中B指向的区域，可知使用本发明所述方法和装置制备的浅沟槽隔离氧化层的厚度均匀度与传统炉管常压氧化相比，本发明所述的低压自由基氧化具有较好的保形性，生成的氧化层二氧化硅的厚度在各个方向上厚度一致，在拐角处也是一致的。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对该实用进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种浅沟槽隔离氧化层的制备方法，其特征在于，步骤包括：
提供一具有浅沟槽隔离凹槽的半导体衬底；
将所述半导体衬底放置于一反应腔室中；
于该反应腔室中通入催化气体和氧化气体，生成自由基，该自由基与所述半导体衬底的表面反应，以于所述浅沟槽隔离凹槽的底部及其侧壁生成隔离氧化层。
所述的催化气体为分成至少三股且入口高度各不相同的气体通入反应腔中。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的产生的自由基包括：O·，H·或·OH中的一种或多种的混合物。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的催化气体为氢气，氧化气体为氧气。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的氢气和氧气混合体积比为1：99-30：70。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的氧气的流量范围为5-30slm，氢气的流量范围为1-4slm。
6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的氢气和氧气反应温度为800-1000℃，压力为0.1-0.6Torr。
7.一种用于权利要求1-6中任意一项所述的方法制备浅沟槽隔离氧化层的低压炉管装置，其特征在于，所述的装置包括低温炉管，该低温炉管上设置有氧化气体进气口和至少三个催化气体进气口；其中，该多个催化气体进气口分别设置于所述低温炉管的顶部、中部和底部且高度不相同，以使得通过该多个催化气体进气口进入所述低温炉管的催化气体均匀的分布于该低温炉管中；
所述的装置还包括：加热装置，用于给低压炉管主体进行分区加热。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的低压炉管内腔催化气体进气口的气体流量大小关系为底部>中部>顶部。
9.如权利要求6所述的低压炉管装置，其特征在于，所述的催化气体进气管和氧化气体进气管，由MFC控制器控制流入炉管内的反应气体的流量。
10.如权利要求6所述的低压炉管装置，其特征在于，所述的低压炉管装置还包括：与低压炉管气体出口端连接的第一阀门，用于控制低压炉管气体出口端的开关；与低压炉管装置连接的压力计，用于观测低压炉管内的压力状况；与第一阀门连接的泵，用于抽出炉管内的气体；与泵连接的除害桶，用于去除气体中的有害成分。
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