CN111834287B - 深沟槽隔离结构的制备方法及半导体结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种深沟槽隔离结构的制备方法及半导体结构，所述制备方法包括：提供一衬底，所述衬底中形成有沟槽。在衬底表面及沟槽表面依次形成高K介电层和第一氧化层。在第一氧化层上依次形成第一氮化层和第二氮化层。其中，第一氮化层中的氢原子含量低于第二氮化层中的氢原子含量，且第一氮化层能够俘获高K介电层和第一氧化层中析出的氢原子。因此，本发明通过设置第一氮化层，并利用第一氮化层中的氢原子含量较低，以使得在高温工艺后，从高K介电层和第一氧化层中析出的氢原子能够与第一氮化层进行化学融合，进而避免析出的各氢原子之间相互作用而形成氢气，造成膜层的鼓包缺陷，以提高器件的性能和产品的良率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种深沟槽隔离结构的制备方法及半导体结构。
背景技术
图像传感器是将光信号转换成电信号的半导体装置。图像传感器包括电荷耦合器件(Charge Coupled Device，简称为CCD)与互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor，简称为CMOS)图像传感器。与传统的CCD传感器相比，CMOS图像传感器具有低功耗、低成本和与CMOS工艺兼容等特点，因此得到广泛应用于微型数码相机、汽车电子、生物技术以及医学等领域。
现有的CMOS图像传感器一般分为前照式(Front-Side Illuminated，简称为FSI)图像传感器和背照式(Back-Side Illuminated，简称为BSI)图像传感器两种。与前照式图像传感器相比，背照式图像传感器可以允许光通过背侧进入并由光敏元件检测，由于光线无需穿过金属互连层，所以背照式图像传感器可以实现比前照式图像传感器更高的量子效率，且能有效防止进光造成的串扰(Crosstalk)，因此，BSI图像传感器目前已广泛应用于中高像素图像传感器领域。在制作BSI图像传感器的过程中于像素区的阵列排布的像素单元需要通过深沟槽进行隔离，但在深沟槽隔离结构的制备过程中，易出现鼓包缺陷(bubbledefect)。所谓的鼓包缺陷是指经高温处理后，沟槽中的高K介电层中会有大量氢原子析出，这些高温断裂后的-H键会结合成氢气，进而从各膜层中透出，造成膜层的开裂，严重影响器件的性能。
因此，需要一种新的深沟槽隔离结构的制备方法及半导体结构，来解决高温工艺后，膜层结构出现的鼓包缺陷，进而提高器件的性能，以及产品的良率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种深沟槽隔离结构的制备方法及半导体结构，以解决经高温工艺后，膜层结构出现的鼓包缺陷。
为解决上述技术问题，本发明提供一种深沟槽隔离结构的制备方法，包括：
提供一衬底，所述衬底中形成有沟槽；
在所述衬底上形成高K介电层，所述高K介电层覆盖所述沟槽的表面并延伸覆盖所述衬底的表面；
在所述高K介电层上形成第一氧化层，所述第一氧化层填充所述沟槽并延伸覆盖所述高K介电层表面；
在所述第一氧化层上形成第一氮化层；
在所述第一氮化层上形成第二氮化层；
其中，所述第一氮化层中的氢原子含量低于所述第二氮化层中的氢原子含量，且所述第一氮化层能够俘获所述高K介电层和所述第一氧化层中析出的氢原子。
可选的，在所述的深沟槽隔离结构的制备方法中，采用等离子体增强化学气相沉积工艺形成所述第一氮化层和所述第二氮化层。
可选的，在所述的深沟槽隔离结构的制备方法中，所述第一氮化层的厚度范围为：
可选的，在所述的深沟槽隔离结构的制备方法中，采用原子层沉积工艺形成所述第一氧化层，且所述第一氧化层的厚度范围为：
可选的，在所述的深沟槽隔离结构的制备方法中，所述高K介电层包括第二氧化层和形成于第二氧化层上的第三氧化层。
可选的，在所述的深沟槽隔离结构的制备方法中，采用原子层沉积工艺形成所述第二氧化层；采用物理气相沉积工艺形成所述第三氧化层。
可选的，在所述的深沟槽隔离结构的制备方法中，所述第二氧化层的材质包括氧化铝；所述第三氧化层的材质包括氧化钽。
可选的，在所述的深沟槽隔离结构的制备方法中，在所述衬底与所述高K介电层之间还形成有第四氧化层，形成所述第四氧化层的工艺为低温等离子体氧化工艺，且所述第四氧化层的厚度范围为:
可选的，在所述的深沟槽隔离结构的制备方法中，所述沟槽的深度范围为：
基于同一发明构思，本发明还提供一种半导体结构，包括：
一衬底，所述衬底中形成有沟槽；
一高K介电层，所述高K介电层覆盖所述沟槽表面以及所述衬底表面；
一第一氧化层，所述第一氧化层填充所述沟槽并延伸覆盖所述高K介电层表面；
一第一氮化层，所述第一氮化层形成在所述第一氧化层上；
一第二氮化层，所述第二氮化层形成在所述第一氮化层上；
其中，所述第一氮化层中的氢原子含量低于所述第二氮化层中的氢原子含量，且所述第一氮化层能够俘获所述高K介电层和所述第一氧化层中析出的氢原子。
可选的，在所述的半导体结构中，所述高K介电层包括第二氧化层和形成于第二氧化层上的第三氧化层。
可选的，在所述的半导体结构中，所述半导体结构还包括第四氧化层，所述第四氧化层形成在所述衬底与所述高K介电层之间。
综上所述，本发明提供一种深沟槽隔离结构的制备方法及半导体结构，所述制备方法包括：提供一衬底，所述衬底中形成有沟槽。在所述衬底上形成高K介电层，所述高K介电层覆盖所述沟槽的表面并延伸覆盖所述衬底的表面在所述高K介电层上形成第一氧化层，所述第一氧化层填充所述沟槽并延伸覆盖所述高K介电层表面。在所述第一氧化层上形成第一氮化层。在所述第一氮化层上形成第二氮化层。其中，所述第一氮化层中的氢原子含量低于所述第二氮化层中的氢原子含量，且所述第一氮化层能够俘获所述高K介电层和所述第一氧化层中析出的氢原子。因此，本发明通过将氮化层分为两步形成，且所述第一氮化层中的氢原子含量低于所述第二氮化层中的氢原子含量，从而使得在高温工艺后，从所述高K介电层和所述第一氧化层中析出的氢原子能够与所述第一氮化层进行化学融合，进而避免析出的各氢原子之间相互作用而形成氢气，造成膜层的鼓包缺陷，以提高器件的性能和产品的良率。
附图说明
图1是本发明实施例的深沟槽隔离结构制备方法流程图；
图2～图6是本发明实施例的深沟槽隔离结构制备方法中各步骤中半导体结构示意图；
其中，附图标记说明：
100-衬底；200-高K介电层；201-第二氧化层；202-第三氧化层；
300-第一氧化层；400-第四氧化层；500-第一氮化层；600-第二氮化层；
P-沟槽。
具体实施方式
由上述可知，在深沟槽隔离结构的制备过程中，易出现鼓包缺陷。所谓的鼓包缺陷是指经高温处理后，沟槽中的高K介电层中会有大量氢原子析出，这些高温断裂后的-H键会结合成氢气，进而从各膜层中透出，造成膜层的开裂，严重影响器件的性能。
因此，本发明提供一种新的深沟槽隔离结构的制备方法及半导体结构，来解决高温工艺后，膜层结构出现的鼓包缺陷，进而提高器件的性能，以及产品的良率。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种深沟槽隔离结构的制备方法及半导体结构作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
为解决上述技术问题，本实施例提供一种深沟槽隔离结构的制备方法，请参阅图1，所述深沟槽隔离结构的制备方法包括：
步骤一S10：请参阅图2，提供一衬底100，所述衬底100中形成有沟槽P。
其中，所述衬底100包括但不限于是单晶、多晶或非晶结构的硅或硅锗。形成所述沟槽P的工艺包括干法刻蚀工艺或者湿法刻蚀工艺。在采用干法刻蚀工艺时，刻蚀气体选用含氟气体，如四氟化碳气体等。在采用湿法刻蚀工艺时，刻蚀药液可选为氢氟酸等。进一步的，所述沟槽的深度范围为：
如
或者
步骤二S20：请参阅图3，在所述衬底100上形成高K介电层200，所述高K介电层200覆盖所述沟槽P的表面并延伸覆盖所述衬底100的表面。
所述高K介电层200包括第二氧化层201和形成于第二氧化层201上的第三氧化层202。其中，形成第二氧化层201的工艺为原子层沉积工艺，形成第三氧化层202的工艺为物理气相沉积工艺。此外，第二氧化层201的材质包括氧化铝，本实施例对所述第二氧化层201的厚度不作限定。因形成第二氧化层201目的在于提高像素性能，可根据器件的需求来确定所述第二氧化层201的厚度。第三氧化层202的材质包括氧化钽，形成所述第三氧化层的目的在于反射入射光照。因此，为达到最优效果，所述第三氧化层202的厚度范围为：
可选为
或
步骤三S30：请参阅图4，在所述高K介电层200上形成第一氧化层300，所述第一氧化层300填充所述沟槽P并延伸覆盖所述高K介电层200表面。
所述第一氧化层300的形成工艺为原子层沉积工艺，且所述第一氧化层300的厚度范围为：
可选为
或
所述第一氧化层300的形成目的不仅能够起到隔离作用，还能够使得背照式图像传感器光线串扰减小。
如图4所示，在所述衬底100与所述高K介电层200之间还形成有第四氧化层400，形成所述第四氧化层400的工艺为低温等离子体氧化工艺，且所述第四氧化层400的厚度范围为:
可选为
或
其中，形成所述第四氧化层400的目的在于不仅能够隔离所述高K介电层200与所述衬底100，还能够有助于沉积形成所述第二氧化层201和所述第三氧化层202。
步骤四S40：请参阅图5，在所述第一氧化层300上形成第一氮化层500。
在深沟槽隔离结构的制备过程中，在所述衬底100以及形成于所述衬底100上的各膜层中会有大量的悬挂键。这些悬挂键会形成高密度的缺陷，所述高密度的缺陷会起到复合中心的作用，即会将俘获的电子和空穴在所述高密度的缺陷上进行复合，从而会产生暗电流，造成白像素。因此，需在所述第一氧化层300上形成氮化层，其目的是修复界面上的所述高密度的缺陷，并提高光电二极管的性能。
而本实施例提供的深沟槽隔离结构的制备方法将氮化层分为两次形成，先形成第一氮化层500，所述第一氮化层500中的氢原子含量低于所述第二氮化层600中的氢原子含量，以使得所述第一氮化层500能够俘获所述高K介电层200和所述第一氧化层300中析出的氢原子，缓解氢原子结合氢气而导致的鼓包缺陷。
其中，形成所述第一氮化层500的工艺为等离子体增强化学气相沉积工艺。进一步的，所述第一氮化层的厚度范围为：
可选为
或
在所述深沟槽隔离结构的制备中不可避免的要使用到高温工艺，但经过高温工艺后的所述深沟槽隔离结构易出现鼓包缺陷，即所述衬底100上的膜层会出现开裂现象，其中开裂的位置通常在所述高K介电层200与所述衬底100的交界处。其中，导致这种鼓包缺陷的原因在于所述衬底100以及形成于所述衬底100上的各膜层结构中含有的大量的Si-H，N-H键等，这些含氢键会受高温影响而断裂，便会导致大量的-H键析出，析出的-H键有很大几率会结合成氢气，氢气穿透膜层则导致各膜层出现裂开的现象。因此，为避免-H键结合成氢气而导致鼓包缺陷，本实施例将设置于所述第一氧化层300上的氮化层分为两步实施，先形成第一氮化层500，所述第一氮化层500中的氢原子含量非常低，能够对析出的-H键进行化学融合。所述第一氮化层500俘获-H键后以形成SiNxHy。可以很好的固定-H键，大大降低了-H键结合成氢气导致的鼓包缺陷，从而提高器件性能。
进一步的，为实现低氢原子含量的所述第一氮化层500，可选的，用N2和SiH4进行反应以获得SiNxHy作为所述第一氮化层500的材料，其化学反应式为：SiH4+N2→SiNxHy+zH2(其中，x、y以及z为常数)。
其中，SiNxHy能够捕捉大量的析出的-H键，y值不断增加，以降低-H键结合成氢气的几率，缓解鼓包缺陷。
步骤五S50：请参阅图6，在所述第一氮化层500上形成第二氮化层600。
形成所述第二氮化层600的工艺也为等离子体增强化学气相沉积工艺。进一步的，所述第二氮化层600包含的氢原子高于所述第一氮化层500，优选为，用NH3与SiH4进行反应，其化学反应式为：SiH4+NH3→SiNaHb+mH2(其中，a、b以及m为常数)。
基于同一发明构思，本实施例还提供一种半导体结构，请参阅图6，包括：
一衬底100，所述衬底100中形成有沟槽P。
一高K介电层200，所述高K介电层200覆盖所述沟槽P表面以及所述衬底100表面。进一步的，所述高K介电层200包括第二氧化层201和形成于第二氧化层201上的第三氧化层202。
一第一氧化层300，所述第一氧化层300填充所述沟槽P并延伸覆盖所述高K介电层200表面。
一第一氮化层500，所述第一氮化层500形成在所述第一氧化层300上。
一第二氮化层600，所述第二氮化层600形成在所述第一氮化层300上。
其中，所述第一氮化层500中的氢原子含量低于所述第二氮化层600中的氢原子含量，且所述第一氮化层500能够俘获所述高K介电层200和所述第一氧化层300中析出的氢原子。
此外，所述半导体结构还包括第四氧化层400，所述第四氧化层400形成在所述衬底100与所述高K介电层200之间。
综上所述，本实施例通过将氮化层分为两步形成，即形成所述第一氮化层500，并在所述第一氮化层500上形成第二氮化层600。其中，所述第一氮化层500中的氢原子含量低于所述第二氮化层600中的氢原子含量，从而使得在高温工艺后，从所述高K介电层200和所述第一氧化层300中析出的氢原子能够与所述第一氮化层500进行化学融合，进而缓解析出的各氢原子之间相互作用而形成氢气，造成膜层的鼓包缺陷，以提高器件的性能和产品的良率。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (12)
1.一种深沟槽隔离结构的制备方法，其特征在于，包括：
提供一衬底，所述衬底中形成有沟槽；
在所述衬底上形成高K介电层，所述高K介电层覆盖所述沟槽的表面并延伸覆盖所述衬底的表面；
在所述高K介电层上形成第一氧化层，所述第一氧化层填充所述沟槽并延伸覆盖所述高K介电层表面；
在所述第一氧化层上形成第一氮化层；
在所述第一氮化层上形成第二氮化层；
其中，所述第一氮化层中的氢原子含量低于所述第二氮化层中的氢原子含量，且所述第一氮化层能够俘获所述高K介电层和所述第一氧化层中析出的氢原子。
2.根据权利要求1所述的深沟槽隔离结构的制备方法，其特征在于，采用等离子体增强化学气相沉积工艺形成所述第一氮化层和所述第二氮化层。
3.根据权利要求1所述的深沟槽隔离结构的制备方法，其特征在于，所述第一氮化层的厚度范围为：
4.根据权利要求1所述的深沟槽隔离结构的制备方法，其特征在于，采用原子层沉积工艺形成所述第一氧化层，且所述第一氧化层的厚度范围为：
5.根据权利要求1所述的深沟槽隔离结构的制备方法，其特征在于，所述高K介电层包括第二氧化层和形成于第二氧化层上的第三氧化层。
6.根据权利要求5所述的深沟槽隔离结构的制备方法，其特征在于，采用原子层沉积工艺形成所述第二氧化层；采用物理气相沉积工艺形成所述第三氧化层。
7.根据权利要求5所述的深沟槽隔离结构的制备方法，其特征在于，所述第二氧化层的材质包括氧化铝；所述第三氧化层的材质包括氧化钽。
8.根据权利要求1所述的深沟槽隔离结构的制备方法，其特征在于，在所述衬底与所述高K介电层之间还形成有第四氧化层，形成所述第四氧化层的工艺为低温等离子体氧化工艺，且所述第四氧化层的厚度范围为:
9.根据权利要求1所述的深沟槽隔离结构的制备方法，其特征在于，所述沟槽的深度范围为：
10.一种半导体结构，其特征在于，所述半导体结构包括：
一衬底，所述衬底中形成有沟槽；
一高K介电层，所述高K介电层覆盖所述沟槽表面以及所述衬底表面；
一第一氧化层，所述第一氧化层填充所述沟槽并延伸覆盖所述高K介电层表面；
一第一氮化层，所述第一氮化层形成在所述第一氧化层上；
一第二氮化层，所述第二氮化层形成在所述第一氮化层上；
其中，所述第一氮化层中的氢原子含量低于所述第二氮化层中的氢原子含量，且所述第一氮化层能够俘获所述高K介电层和所述第一氧化层中析出的氢原子。
11.根据权利要求10所述的半导体结构，其特征在于，所述高K介电层包括第二氧化层和形成于第二氧化层上的第三氧化层。
12.根据权利要求10所述的半导体结构，其特征在于，所述半导体结构还包括第四氧化层，所述第四氧化层形成在所述衬底与所述高K介电层之间。
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