CN105428299B - 一种深槽隔离结构的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种深槽隔离结构的制作方法，至少包括以下步骤：S1：提供一衬底，在所述衬底中形成至少一个深槽，并在所述深槽中填满多晶硅；S2：进行退火以使所述多晶硅的晶粒结构重组；S3：采用Cl2与HBr的混合气体作为刻蚀气体对所述多晶硅进行回刻，去除所述深槽外多余的多晶硅；S4：采用SF6作为刻蚀气体对所述多晶硅进行过刻蚀，在所述深槽顶部获得平坦的多晶硅表面。本发明不仅可以改善深槽内部及表面的多晶硅接缝现象，提高多晶硅熔合程度，同时可以在所述深槽顶部获得平坦光滑的多晶硅表面的同时减少多晶硅的过刻蚀量，减少深槽顶部的下沉程度。

Description

一种深槽隔离结构的制作方法
技术领域
本发明属于半导体制造领域，涉及一种深槽隔离结构的制作方法。
背景技术
深槽隔离技术是指在器件之间刻出深度大于3微米的沟槽，采用二氧化硅或多晶硅回填，用化学机械研磨(CMP)使之平坦化。深槽隔离的优点有：1)减少了器件面积；2)减小了发射极-衬底间的寄生电容；3)增大双极晶体管收集极之间的击穿电压。缺点是工艺复杂，成本较高。
随着科技的发展，深槽隔离技术越来越多应用到许多特殊器件中，如CMOS图像传感器、双极结式晶体管(BJT)及功率器件中，其作为器件中相邻单元之间的隔离结构，通常采用多晶硅填充在深槽中。
目前，通常采用回刻工艺去除晶圆表面多余的多晶硅，但是其很难在不损耗过多多晶硅的情况下在深槽顶部获得平坦的表面。图1a至图1e显示了现有的深槽隔离结构的形成过程，其中，图1a显示为通过刻蚀在晶圆中形成深槽的扫描电子显微镜(SEM)图；图1b显示为在深槽中填充多晶硅之后的SEM图，深槽外具有多余的多晶硅；图1c显示为图1b中虚线框所示部分的放大图，可见深槽上方的多晶硅表面出现了接缝(Seam)现象；图1d显示为通过回刻去除深槽外多余的多晶硅之后，深槽顶部出现接缝及下沉(sink)现象；图1e显示为图1d中虚线框所示部分的放大图，可见深槽顶部非常不平坦，其将对后续工艺流程产生不良影响，降低器件性能。
因此，提供一种新的深槽隔离结构的制作方法以解决上述问题实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种深槽隔离结构的制作方法，用于解决现有技术中制作的深槽隔离结构顶部多晶硅表面出现严重的接缝及下沉现象，表面不平坦，容易对后续工艺流程造成不良影响、劣化器件性能的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种深槽隔离结构的制作方法，至少包括以下步骤：
S1：提供一衬底，在所述衬底中形成至少一个深槽，并在所述深槽中填满多晶硅；
S2：进行退火以使所述多晶硅的晶粒结构重组；
S3：采用Cl2与HBr的混合气体作为刻蚀气体对所述多晶硅进行回刻，去除所述深槽外多余的多晶硅；
S4：采用SF6作为刻蚀气体对所述多晶硅进行过刻蚀，在所述深槽顶部获得平坦的多晶硅表面。
可选地，于所述步骤S2中，退火温度范围是700～900℃，退火时间为10～60分钟。
可选地，于所述步骤S2中，通过管式炉进行退火或采用快速热退火方法进行退火。
可选地，于所述步骤S3及步骤S4中，对所述多晶硅的回刻及过刻蚀在同一刻蚀机台的同一反应腔体内分步进行。
可选地，于所述步骤S3及步骤S4中，对所述多晶硅的回刻及过刻蚀在不同的刻蚀机台上依次进行。
可选地，所述深槽的深度大于或等于3微米。
可选地，于所述步骤S4中，过刻蚀的时间范围是5～20秒。
如上所述，本发明的深槽隔离结构的制作方法，具有以下有益效果：1)本发明在深槽中填充多晶硅之后进行了一个高温退火步骤，使得多晶硅晶粒重组，有利于深槽中的多晶硅进一步熔合，改善深槽内部及表面的多晶硅接缝现象，提高多晶硅熔合程度；2)本发明将多晶硅填充之后的多晶硅回刻过程分为主刻蚀部分及过刻蚀部分，其中主刻蚀部分采用Cl2与HBr的混合气体作为刻蚀气体，其作用是去除所述深槽外多余的多晶硅；过刻蚀部分采用SF6作为刻蚀气体，其作用一方面是避免多晶硅刻蚀不足，另一方面是在所述深槽顶部获得平坦光滑的多晶硅表面；3)相比于现有技术，本发明在所述深槽顶部获得平坦光滑的多晶硅表面的同时可以减少多晶硅的过刻蚀量，减少深槽顶部的下沉程度；4)采用本发明的方法制作的深槽隔离结构可以广泛应用于图像传感器、双极结式晶体管、功率器件等，提高器件性能。
附图说明
图1a～图1e显示为现有技术中深槽隔离结构的形成过程。
图2显示为本发明的深槽隔离结构的制作方法的工艺流程图。
图3显示为本发明的深槽隔离结构的制作方法中在衬底中形成至少一个深槽的示意图。
图4显示为本发明的深槽隔离结构的制作方法中在深槽中填满多晶硅的示意图。
图5显示为本发明的深槽隔离结构的制作方法中对多晶硅进行回刻去除深槽外多余的多晶硅的示意图。
图6显示为本发明的深槽隔离结构的制作方法中对多晶硅进行过刻蚀在深槽顶部获得平坦的多晶硅表面的示意图。
图7a～图7c显示为在未经退火的情况下将Cl2与HBr作为刻蚀气体并对多晶硅分别过刻蚀20秒、10秒、0秒时的深槽顶部的SEM图。
图8a～图8c显示为在800℃退火后将Cl2与HBr作为刻蚀气体并对多晶硅分别过刻蚀20秒、10秒、5秒时的深槽顶部的SEM图。
图9a～图9c显示为800℃退火后将Cl2与HBr作为主刻蚀气体、将SF6作为过刻蚀气体，并分别对多晶硅过刻蚀20秒、10秒、5秒时的深槽顶部的SEM图。
元件标号说明
S1～S4 步骤
1 衬底
2 深槽
3 多晶硅
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2至图9c。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明提供一种深槽隔离结构的制作方法，请参阅图2，显示为该方法的工艺流程图，至少包括以下步骤：
步骤S1：提供一衬底，在所述衬底中形成至少一个深槽，并在所述深槽中填满多晶硅；
步骤S2：进行退火以使所述多晶硅的晶粒结构重组；
步骤S3：采用Cl2与HBr的混合气体作为刻蚀气体对所述多晶硅进行回刻，去除所述深槽外多余的多晶硅；
步骤S4：采用SF6作为刻蚀气体对所述多晶硅进行过刻蚀，在所述深槽顶部获得平坦的多晶硅表面。
首先请参阅图3及图4，执行步骤S1：提供一衬底1，在所述衬底1中形成至少一个深槽2，并在所述深槽2中填满多晶硅3。
具体的，所述衬底1包括但不限于Si、Ge、SiGe、SOI、蓝宝石等常规半导体衬底，本实施例中，所述衬底1以Si为例。
所述深槽的深度大于或等于3微米，本实施例中，优选为3～5微米。在所述衬底1中形成深槽2的方法为：首先在所述衬底1表面沉积钝化层作为掩膜层，然后涂覆光刻胶并进行曝光显影，定义出深槽图形，再刻蚀掩膜层形成刻蚀窗口并利用深槽刻蚀工艺去除部分衬底，形成所述深槽2。所述深槽刻蚀工艺可采用具有各向异性腐蚀特点的反应离子刻蚀技术(RIE)或Bosch工艺交替刻蚀。也可以采用低温刻蚀，以Si衬底为例，在100℃左右，通过反应气体SF6和O2在等离子体作用下对Si进行刻蚀，在离子的轰击下，侧壁的刻蚀速率较慢，而垂直方向的刻蚀速率保持不变，从而满足了较好的各向异性。
在所述深槽2中填充多晶硅3的方法为：在所述衬底表面沉积多晶硅3，并在高温条件下进行回流，使得所述多晶硅3能够完全填充满所述深槽2。由于所述深槽2的深宽比较大，其中填充的多晶硅3具有接缝(seam)效应(可参见图1c)，即深槽顶部的多晶硅形成倒三角形的缺口，其是由于多晶硅从深槽两侧流入的结果。实际上，不仅仅是深槽顶部，深槽中的多晶硅也可能因为接缝效应而存在连接不紧密现象。
因此接着执行步骤S2：进行退火以使所述多晶硅3的晶粒结构重组。
具体的，可通过管式炉进行退火或采用快速热退火等方法进行退火。其中，管式炉退火的特点是升温速率和降温速率均比较慢，升温时间及降温时间均为1～2个小时左右，但管式炉退火的优点是可大批量处理晶圆，如一次可同时对150片晶圆进行退火；快速热退火的方法一次只对一片晶圆退火，优点是升温速率和降温速率很快。
具体的，退火温度范围是700～900℃，退火时间为10～60分钟。本实施例中，退火温度优选采用800℃，退火时间为20～30分钟。
本步骤在深槽中填充多晶硅之后进行了一个高温退火步骤，使得多晶硅晶粒重组，有利于深槽中的多晶硅进一步熔合，改善深槽内部及表面的多晶硅接缝现象，提高多晶硅熔合程度。
再请参阅图5，执行步骤S3：采用Cl2与HBr的混合气体作为刻蚀气体对所述多晶硅3进行回刻，去除所述深槽外多余的多晶硅。
在沉积多晶硅之后进行回刻的目的是为了去除深槽外多余的多晶硅并平坦化。本步骤作为整个回刻过程中的主刻蚀步骤，主要是去除所述深槽外多余的多晶硅。本步骤中采用干法刻蚀，并利用Cl2与HBr的混合气体作为刻蚀气体，适合大面积的多晶硅选择性刻蚀。
最后请参阅图6，执行步骤S4：采用SF6作为刻蚀气体对所述多晶硅进行过刻蚀，在所述深槽顶部获得平坦的多晶硅表面。
相比于Cl2+HBr，SF6这种氟化物气体能够产生更多的聚合物从而对刻蚀面形成更好的保护作用。由于SF6在刻蚀过程中容易产生聚合物，这些聚合物在长时间的刻蚀过程中会大量聚集在多晶硅表面连接成小的片状抗蚀层，从而形成了对多晶硅的非选择性刻蚀。因此，在步骤S3中的大面积多晶硅选择性刻蚀过程中，不适宜选择SF6作为主刻蚀气体。相反，本步骤对多晶硅的过刻蚀过程中采用SF6作为过刻蚀气体，不仅可以防止刻蚀不足(under etch)的问题，还可以修复多晶硅表面，在所述深槽顶部获得平坦光滑的多晶硅表面，同时由于聚合物聚集作用，还可以减轻深槽顶部多晶硅下沉(sink)程度，防止深槽顶部的多晶硅消耗过多。
具体的，本步骤中采用SF6作为刻蚀气体对所述多晶硅进行过刻蚀的时间范围是5～20秒，优选为10秒。同时，所述步骤S3的回刻与本步骤的过刻蚀可以与在同一刻蚀机台的同一反应腔体内分步进行，作为同一工艺程式中的两个步骤，利用同一设备的不同气路分别供应Cl2+HBr气体及Cl2+HBr气体。当然，所述步骤S3的回刻与本步骤的过刻蚀也可以在不同的刻蚀机台上依次进行，分别采用不同的工艺程式。
需要指出的是，在所述步骤S3采用Cl2+HBr作为主刻蚀气体、步骤S4采用SF6作为过刻蚀气体的同时，可以通入其它惰性气体如氮气、氩气等，作用是调节反应腔体内的气压，此处不应过分限制本发明的保护范围。
为了验证本发明的深槽隔离结构的制作方法的效果，做了如下三组对比测试：
(1)请参阅图7a～图7c，分别显示为在深槽中填充多晶硅后未经退火的情况下，将Cl2与HBr作为主刻蚀气体及过刻蚀气体进行回刻，过刻蚀时间分别为20秒、10秒、0秒时的深槽顶部的SEM切片图。可见，主刻蚀过程完毕时，深槽顶部就存在接缝现象(图7c)，随着过刻蚀时间的延长，深槽顶部多晶硅下沉程度增加，接缝现象也更为明显(图7a及图7b)。
(2)请参阅图8a～图8c，分别显示为在深槽中填充多晶硅后并经800℃退火的情况下，将Cl2与HBr作为主刻蚀气体及过刻蚀气体进行回刻，过刻蚀时间分别为20秒、10秒、5秒时的深槽顶部的SEM切片图。可见，加入了退火步骤可以明显改善深槽顶部的多晶硅接缝现象，但是将Cl2与HBr作为过刻蚀气体，使得深槽顶部的多晶硅表面显得粗糙，效果仍不够理想。
(3)请参阅图9a～图9c，分别显示为在深槽中填充多晶硅后并经800℃退火的情况下，将Cl2与HBr作为主刻蚀气体、将SF6作为过刻蚀气体，过刻蚀时间分别为20秒、10秒、5秒时的深槽顶部的SEM切片图。可见，加入了退火步骤并将过刻蚀气体由Cl2+HBr替换为SF6，不仅可以显著改善深槽顶部的多晶硅接缝现象，还可以获得平坦光滑的深槽顶部多晶硅表面，同时，在相同的过刻蚀时间下，消耗的多晶硅量相对较少，过刻蚀10秒即可达到理想的多晶硅表面(图9b)。
以上结果说明本发明的深槽隔离结构的制作方法可以达到改善深槽顶部的多晶硅接缝现象的目的，并减少多晶硅下沉程度，获得平坦光滑的多晶硅表面，为后续工艺奠定良好的基础，提高器件性能。
综上所述，本发明的深槽隔离结构的制作方法，具有以下有益效果：1)本发明在深槽中填充多晶硅之后进行了一个高温退火步骤，使得多晶硅晶粒重组，有利于深槽中的多晶硅进一步熔合，改善深槽内部及表面的多晶硅接缝现象，提高多晶硅熔合程度；2)本发明将多晶硅填充之后的多晶硅回刻过程分为主刻蚀部分及过刻蚀部分，其中主刻蚀部分采用Cl2与HBr的混合气体作为刻蚀气体，其作用是去除所述深槽外多余的多晶硅；过刻蚀部分采用SF6作为刻蚀气体，其作用一方面是避免多晶硅刻蚀不足，另一方面是在所述深槽顶部获得平坦光滑的多晶硅表面；3)相比于现有技术，本发明在所述深槽顶部获得平坦光滑的多晶硅表面的同时可以减少多晶硅的过刻蚀量，减少深槽顶部的下沉程度；4)采用本发明的方法制作的深槽隔离结构可以广泛应用于图像传感器、双极结式晶体管、功率器件等，提高器件性能。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种深槽隔离结构的制作方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
S1：提供一衬底，在所述衬底中形成至少一个深槽，并在所述深槽中填满多晶硅；
S2：进行退火以使所述多晶硅的晶粒结构重组；
S3：采用Cl2与HBr的混合气体作为刻蚀气体对所述多晶硅进行回刻，去除所述深槽外多余的多晶硅；
S4：采用SF6作为刻蚀气体对所述多晶硅进行过刻蚀，在所述深槽顶部获得平坦的多晶硅表面，同时由于SF6在刻蚀过程中产生的聚合物的聚集作用，减少多晶硅的过刻蚀量，减少深槽顶部的多晶硅下沉程度。
2.根据权利要求1所述的深槽隔离结构的制作方法，其特征在于：于所述步骤S2中，退火温度范围是700～900℃，退火时间为10～60分钟。
3.根据权利要求1所述的深槽隔离结构的制作方法，其特征在于：于所述步骤S2中，通过管式炉进行退火或采用快速热退火方法进行退火。
4.根据权利要求1所述的深槽隔离结构的制作方法，其特征在于：于所述步骤S3及步骤S4中，对所述多晶硅的回刻及过刻蚀在同一刻蚀机台的同一反应腔体内分步进行。
5.根据权利要求1所述的深槽隔离结构的制作方法，其特征在于：于所述步骤S3及步骤S4中，对所述多晶硅的回刻及过刻蚀在不同的刻蚀机台上依次进行。
6.根据权利要求1所述的深槽隔离结构的制作方法，其特征在于：所述深槽的深度大于或等于3微米。
7.根据权利要求1所述的深槽隔离结构的制作方法，其特征在于：于所述步骤S4中，过刻蚀的时间范围是5～20秒。
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