TW200901368A - Shallow trench isolation structure and method for forming thereof - Google Patents

Description

200901368 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種形成淺溝渠隔離結構之方法；特定而言’本 發明是一種用於半導體元件製程中之形成内含空孔可釋放結構應 力之淺溝渠隔離結構之方法。 【先前技術】 Ο 於高電晶體積集程度（transistor integrity)之半導體元件製程 中，目前常使用淺溝渠隔離（shallow trench isolation)技術以隔 離電晶體。有關於此一習知之淺溝渠隔離技術，首先參考第1A 圖，於一基材11上依序形成一塾氧化層13 (pad oxide layer)及 一墊氮化層15 (pad nitride layer)，其中可以熱氧化（thermal oxidation)製程形成墊氧化層13，以低壓化學氣相沈積（Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)製程形成墊氮化層 Ο 15。之後，形成一具有主動區域（active area )圖案之圖案化光阻 層 17 (patterned photoresist layer)於墊氧化層 15 上。 其後，参考第1B圖，以乾式蝕刻製程從基材u上移除未被圖 案化光阻層17保護之墊氧化層13及墊氮化層15以暴露部分基材 11。之後，参閱第1C圖，移除圖案化光阻層17。然後，於經暴 露之部分基材11處’以乾式蝕刻製程移除部分基材u，形成一具 適當深度之溝渠（trench) 19。 續参第1D圖’進行填溝（trench filling)製程。於此，通常先 200901368 進行一熱氧化製㈣於溝渠19内卿成i氧化層，稱為襯底氧 化層（liner oxide) 21。再利用適宜之沈積法，例如低壓化學氣相 沈積法，沉積一層氧化矽（Si〇2) 23並填入溝渠19中。最後，参 考第1E圖，進行化學機械研磨（CMp)以移除多餘之氧化矽B , 再進行濕式㈣移除純化層13及墊氮化層15，完錢溝渠隔離 製程。 上上述填溝製程所產生之填溝品f將灣淺溝渠隔離結構之隔離 D效果。如第1F圖所示，若因填溝製程使用具較差階梯覆蓋（step ^觸狀）效能之方式，或因溝渠之溝渠深寬比（aSpeetratio)過 高’於填溝製㈣產生非共形沈積（nQn_eGnf_aidepGsiti〇n)， 使得沈積層產生突懸（〇verhang)，此將於溝渠中產生空孔（_) 25右工孔25位於基材u表面附近，則於完成第圖之製程後， 在淺溝渠隔離結構之表面上將出現—㈣27 元件之製程中，此一凹洞27可能被填入導電材料，而導致== (word line)間之短路。 〇 為避免上述因填溝過程所產生表面凹洞所致之短路問題，業界 已發展出幾種解決方案：例如⑴则S㈤塗佈（spinGnglass g)方式’將1^動性的二氧切流人溝渠中，以填滿溝渠’· 々佳；真賴&中，先沈積氧切至—適當深度後，對填溝之氧 化矽進行部分蝕刻以減少 /、形此積之影響，之後再進行剩餘之 氧化石夕沈積製程；或如 潘洱产Λ ,、 )如美國專利第6861333號所揭示，先於 溝糸底形成一氧化層以 巨^ 溝木之硪寬比，之後再進行填溝製 200901368 然而’前述之幾種解決方案雖可避免於溝渠中形成空孔，但均 使得製程複雜化’不符成本效益。於此’近年來於高積集度半導 體70件之製程中，在溝渠内適#位置處形成—孔洞以降低基材内 應力已成為-趨勢。有鐘於此，提供—形成淺溝渠隔離結構之方 法，一方面避免形成淺溝渠隔離結構後於其表面形成凹洞，引起 導致字7L線間短路之問題，另—方面亦可於溝渠中產生―合宜之 孔洞以降低基材内應力，乃為此一業界所殷切期盼者。 【發明内容】 本發明之一目的在於提供一種形成淺溝渠隔離結構之方法，包 含：提供一基板並於該基板上形成一上寬下窄之溝渠；形成一第 -介電層以覆蓋該溝渠内壁之上部；施行„_第—_製程，以使 未被該第-介電㈣蓋之溝渠㈣後退；移除該第—介電層；以 及’形成-第二介電層以覆蓋該溝渠並於該溝渠内形成—空孔。 本發明之另一目的在於提供一種淺溝渠隔離結構，其包含：一 基板；-溝渠設於該基板中，其中，該溝渠具有—較其開口處之 寬度狹窄之腰部；-第二介電材料覆於該溝渠開口；以及—空孔 存於該溝渠内。 t 依據本發明所揭露之技術，將使得淺溝渠隔離結構中之適當位 置存在-空孔’既無字元線間短路之問題，且可提供應力釋:之 效益。 為讓本發明之上述目的、技術特徵、和優點能更明顯易懂，下 文係以較佳實施例配合所附圖式進行詳細說明。 7 200901368 【實施方式】 首先利用習知製程於基板中形成一實質上具有一上寬下窄之溝 渠。詳細言之，參考第2A圖，於一基材201上依序形成一墊氧化 層203及一墊氮化層205，以獲得具有基材201、墊氧化層203及 墊氮化層205之一基板207。其中，形成墊氧化層203之方式可例 如（但不以此為限）：於不含水氣之含氧環境中，在於一適當溫 度下對基材201進行熱氧化處理製程；另外，墊氮化層205則可 採用例如（但不以此為限）低壓化學氣相沈積製程以提供。墊氧 化層203及墊氮化層205之總厚度通常為80至200奈米（nm)， 較佳為90至120奈米（nm)，例如約100奈米（nm)。 之後，於基板207上形成一具有主動區域圖案之圖案化光阻層 209，此可利用微影（photolithography)製程之方式進行。例如（但 不以此.為限）可採用以下步驟：首先於基板207之表面覆上一層 感光（photo-sensitive)材料，此即所謂之光阻層。透過一光罩 (mask)，使一光線照射於光阻層上以進行曝光。於此，由於光 罩上具主動區域之圖案，將使光阻層之曝光具有選擇性 (selective )，同時藉此將主動區域之圖案完整地傳遞至光阻層 上。最後，利用合宜之顯影劑（developer )以移除部分感光材料’ 使光阻層顯現主動區域之圖案。如此，可於基板207上形成具有 主動區域圖案之圖案化光阻層209。 其後，参考第2B圖，利用一合宜之蝕刻製程（例如，使用氟化 8 200901368 物電漿（plasma)以進行一具非等向性之乾式蝕刻），從基材201 上移除未被圖案化光阻層209保護之墊氧化層203及墊氮化層 205，以便暴露部分基材201。接著將基板207上之圖案化光阻層 209全部移除。通常係使用氧氣電衆搭配一合宜餘刻液以進行一灰 化（ashing)步驟，移除圖案化光阻層209。惟前述並非唯一方式， 亦可使用如臭氧電漿搭配含氟氣體，或以其他合宜方式來進行該 灰化步驟。 然後参閱第2C圖，於經暴露之部分基材201處，利用例如乾式 蝕刻之合宜蝕刻製程，以移除部分基材201，並且形成一具有適當 深度之溝渠211 ’其具上寬下窄之形態。一般而言，自基材201 之表面至溝渠底部計，溝渠211之深度通常為200至300奈米 (nm )，較佳為200至250奈米（nm)，例如約220奈米（nm )。 参考第3圖，採用例如電漿輔助化學氣相沉積（Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)之合宜製程（但不以此為 限），配合使用如四乙氧基石夕烧（TEOS ’ tetraethoxysilane)之合 宜材料，並控制沈積條件，以具有較差階梯覆蓋（step coverage ) 效能之方式非共形沈積（non-conformal deposition ) —第一介電層 213於基板207上以及覆蓋溝渠211内壁之上部。第一介電層213 通常為一氧化層，但不以此為限，亦可為高分子材料或其他介電 材料。第一介電層213於基板207上之厚度通常為10至30奈米 (nm)，較佳為15至25奈米（nm)，例如約20奈米（nm)。 續参第4圖，施行一第一蝕刻製程，以使未被第一介電層213 覆蓋之溝渠2丨1内壁後退（pull back)。特定言之，可藉由於未被 9 200901368 第）ι電層213 t蓋之溝渠211内壁之下部施行一第一钮刻製 私’以移除溝渠211下部未被該第一介電層213覆蓋之部分基材 從而使未被該第—介電層覆蓋之溝渠内壁後退（_ back卜 此第㈣製&可為—濕式蝴，但不以此為限。以濕式敍刻為 •1可使用例如含氨水（Nh4〇h)之第一钮刻液，於一適宜溫度 >(例如攝氏55至75度（°c )間之溫度）進行姓刻。於此，於 =3圖之步驟中，可能會有少部分第一介電層213沈積於例如溝 卞1内土下口P之非所欲區域。為避免此一現象影響第一钮刻製 程之姓刻'纟。果’可於進行第—㈣製程之前，先進行—第二飯刻 裝f王以移除"L積於溝渠2U 0、但不在溝渠21〗内壁上部之非 所欲第介電層213。第二飯刻製程可為-濕式蝴，但不以此為 Ί絲刻為例’當基材2〇1之材料為石夕且第一介電層213 之材料為乳切，可制__含氫氟酸（hf)(但不以此為限）之 第飯亥m，以移除沈積於溝渠211下部之内壁上的第一介電層 213，其後再進行前述第一蝕刻製程。 、参考第5圖’進行-第三蝕刻製程以全面移除第一介電層’213， 於1渠211之上部及下部之交界處呈現一實質上寬度較溝渠川 =口處狹窄之-腰部（如圖中虛線圈起處所示卜為達此目的， 第=刻製程可為-乾絲刻製程，或使用如含氫氟酸之合錄 為ϋ刻液所進行之濕式_製程。 辟填溝製程。於此’可視需要先選擇性包含於溝渠内 '乳化層，亦即襯底氧化層（Hneroxide)。以下將以形 成此-料化層為例進行說明。㈣而言，参考⑽圖，先進行 10 200901368

如熱氧化處理之合宜製程（但不以此為限）於溝渠内壁形成一 襯錢化層215。續参第6B圖，利„宜沈積法將介電材料（例 如乳化梦’但不以此為限）沈積於基板2()7上並覆蓋溝渠叫之 開口’以形成一第二介電層217。其中，於沈積介電材料之過程中， 由於溝渠211腰部處的寬度較小，沈積於溝渠211内壁上之介電 材料將逐漸於腰部處相接觸，並封閉溝渠2ιι下部。如此，將於 溝渠2U下部形成一包覆於内之空孔219。以第二介電層217為氧 化石夕層為例，可使用高密度電毁化學氣相沈積（High density plasma CVD)製程以形成第二介電層217，但亦可藉由例如使用了咖之 低壓化學氣相沈積法、使用臭氧/TE〇s之半大氣壓化學氣相沈精 、（semi-AtmospheriePre贿eCVD)、或其他適宜之化學氣相沈積 法以提供第二介電層217。 参考第6C圓，當封閉溝渠211下部之後，溝渠2n上部將可視 為-具有較小深寬比之-小絲。填溝製程持續進行，由於溝渠 211上部具有較小深寬比，因此溝^ 2n上部將具有較佳之填溝品 質’其内將不會產生不必要之孔洞。如此，於填溝製程完成後， 第-介電層217將覆蓋溝渠211之開口且於溝渠211内部形成一 可供釋放應力之空孔219。最後参考第613圖，對填溝完成之基板 207進行如化學機械研磨製程以移除多餘之第二介電層217，再進 行如濕式蝕刻之合宜蝕刻製程，移除墊氧化層2〇3及墊氮化層 205，完成淺溝渠隔離製程。 依據上述步驟，可於基材2G1中所形成—淺溝渠隔離結構。亦 即於基材201中存在一 溝渠211，其具有一較其開口處之寬度狹窄 11 200901368 之腰部。一介電材料（亦即 之間口。而-空孔2]9财 介電層2ί7)覆於溝渠叫 工札則存於溝渠2】】，甘〜 綜上所述，本發明藉由使 目、 、置係低於該腰部。 使溝渠具有一較溝；E ^彳+办 手段，可有效於溝渠下部开4 ^木開口狹窄之腰部之 丹木卜4形成一空孔， 之上部具有較佳之填溝1 η /供釋放應力，並使溝渠 具溝。口質，不致於淺溝渠隔 凹洞，避免字元線間的短路之問題。hi構之表面形成 上述實施例僅為例示性說 本發明之技術特η，而t 之原理及其功效’以及闡釋 本技衍者之人1用於限制本發明之保護範嘴。任何熟悉 不違背本發明之技術原理及精神的情況 圍因/二、之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範 圍。因此，本發明之權利保護範圍應如後述之申請專利範圍所列。 【圖式簡單說明】 第1A至1E圖係習知形成淺溝渠隔離之步驟示意圖； G意圖；圖係¥知形成淺溝渠隔離之步驟中形成-有害之孔洞示 圖；以及圖係驾知淺溝渠隔離之表面形成一有害之凹洞示意 渠隔離之步驟 示』ί至6〇圖係本發明形成具有合宜孔洞之淺溝 號說明 【主要元件符 12 200901368 11、201 基材 13 ' 203 15 、 205 墊氮化層 17 、 209 19 、 211 溝渠 21 ' 215 23 氧化矽 25 、 219 27 凹洞 207 213 第一介電層 217 塾氧化層 圖案化光阻層 襯底氧化層 空孔 基板 第二介電層

U 13

Claims (1)

1. 200901368 Ο 、申請專利範圍： -種形成淺溝渠隔離結構之方法，包含： 提供一基板； 於該基板上形成—上寬下窄H 形成一第一介電層，以覆蓋該溝渠内 施行-第-钱刻製程 I 渠内壁後退; 未被該第—介電層覆蓋之溝 移除該第一介電層；以及 形成一第二介電層⑽蓋„渠並於料_形成一空 2. 3. 4. 孔 如凊求項1之方法 氧化層及墊氮化層。 如請求項1之方法 施行一非共形沈積。 如請求項3之方法， Ο 5. ’其令該基板由下而上依序包含基材、墊 其中該形成該第-介電層之步驟係包含 電漿輔助化學氣相沉^中該施行該非共形沈積係包含施行一 燒所進行之化之學Hi積中該非共形沈積係一使用四乙氧基石夕 如請求項j夕士、+ (NH⑽、 中該第—敍刻製程係採用-含气欢 (nh4〇h)之第—μ㈣。 風水 如請求項6 > *·,丄 u 声 、 /，八中該第一蝕刻製程係於攝 度（C)間施行。 辦八55至75 -:=1之方法，更包含於該第-蝕刻製程之前進行楚 —蝕刻製程，以移除位於、，鳌泪Λ y ⑴進仃一第 移除位於溝木内、但不在該溝渠 14 8. 200901368 該第一介電層。 9. 如請求項8之方法，立中$楚_ 酸之-第二银刻液。、"第一钱刻製程係採用—包含氫氣 10. 如請求項i之方法，其中該 乾式姓刻操作。 I亥弟™介電層步驟係包含一 U·如請求項！之方法，其中該 用一含矛、該第一介電層步驟係包含使 12 第三_液所進行之_操作。 12，如钿求項丨之方法，其中該 進订1密度《化學氣相_。 f匕3 13.如請求項丨之方法， 含於該溝渠之内壁上形成：“介電層之墙更包 :::=Γ之方法’其中該第一介電層係為-氧化層。 ^、1之方法，其中該第-介電層於該基板上之厚产為 10至30奈米（nm)。 予度為 …法，其,該第一介電層於該基板上之厚度為 至25奈米（nm )。 月求項1之方法，其中該第二介電層係為—氧化層。 8· 一種淺溝渠隔離結構，包含： ~基板； —溝渠設於該基板中， 其中’該溝渠具有—較其開口處之寬度狹窄之腰部. —第二介電材料覆於該溝渠開口；以及 ~空孔存於該溝渠内。 15 200901368 Ο Ο 19. 如請求項18之淺溝渠隔離結構，其中該基板由下而上依序包 含基材、墊氧化層及墊氮化層。 20. 如請求項19之淺溝渠隔離結構，其中該墊氧化層及該墊氮化 層之總厚度為80至2〇〇奈米（ηπι)。 如明求項19之淺溝渠隔離結構，其中該塾氧化層及該塾氮化 層之總厚度為90至120奈米（nm)。 如請求们9之淺溝渠隔離結構，其中該溝渠之深度自該基材 表面至該溝渠之底部為200至300奈米（_)。 =求項19之淺溝渠隔離結構，其中該溝渠之深度自該基材 表面至該溝渠之底部為酬至㈣奈米Um)。 .如請求項18之淺溝渠隔離結 氧化材料。 構其中该第二介電材料係為一 25.如請求項18之淺溝渠隔離 腰部。 ^中工孔之位置係低於該 26·如請求項18之淺溝渠隔離 一氧化層。 八中该溝渠之内壁上更包含 21 22. 23 24 16