专利名称：形成半导体器件的隔离膜的方法
技术领域：
本发明涉及一种制造半导体器件的方法，更加特别地涉及在半导体器件中形成隔离膜的方法，用其在要绝缘的部分使用电化学蚀刻形成多孔硅，然后使用热氧化工艺氧化多孔硅，从而形成隔离膜。
背景技术：
半导体存储器件通常使用浅沟槽隔离(以下称作“STI”)工艺作为隔离工艺。由于半导体存储器件的更高集成度，单元的尺寸减小，有源区和隔离区域使用浅沟槽隔离膜界定。
现在将说明形成浅沟槽隔离膜的工艺。在半导体衬底上形成衬垫氧化膜和衬垫氮化膜。然后形成界定隔离区域的光致抗蚀剂图案。接着，使用光致抗蚀剂图案作为蚀刻掩模蚀刻衬垫氮化膜、衬垫氧化膜和半导体衬底，由此在半导体衬底内形成沟槽。
沉积高密度等离子体(HDP)氧化膜以掩埋沟槽。此时，HDP氧化膜的沉积厚度足以在掩埋沟槽的同时沉积衬垫氮化膜的顶部表面。此后，通过化学机械抛光(CMP)工艺抛光HDP氧化膜。实施CMP工艺直到暴露衬垫氮化膜。然后移除衬垫氮化膜。接着，实施离子注入工艺以形成良好结并控制阈值电压。然后移除衬垫氧化膜。
但是，上述方法的缺点在于，由于沟槽距离的收缩，使得使用等离子体形成该沟槽的蚀刻工艺较难，当HDP氧化膜填满间隙时，沟槽的入口部分会产生悬垂，因此，沟槽内会产生缝隙或空洞，并且在HDP氧化膜填满间隙的沟槽中产生空洞可能会降低半导体器件的可靠性。
发明内容
因此，本发明意图主要在于排除因现有技术的限制与缺点所导致的一个或多个问题，本发明的目标为，提供一种在半导体器件中形成隔离膜的方法，通过该方法在要绝缘的部分使用电化学蚀刻形成多孔硅，然后使用热氧化工艺氧化多孔硅以形成隔离膜。
本发明的其它好处、目的及特征将部分在以下的说明中提出，而部分地可由本领域技术人员在检验以下内容后更加了解，或可由实施本发明来学习到。本发明的目的及其它好处可由下文中的说明及权利要求，以及附图所特别指出的结构来实现及获得。
为实现根据本发明的意图的目标及其它优点(如本文所体现及广泛说明地)，根据本发明的一种在半导体器件中形成隔离膜的方法的特征为，其包括如下步骤在硅衬底上顺序形成衬垫氧化膜和衬垫氮化膜；在衬垫氮化膜上形成透过其开放隔离区域的光致抗蚀剂图案；使用光致抗蚀剂图案作为蚀刻掩模蚀刻衬垫氮化膜和衬垫氧化膜，由此暴露隔离区域的硅衬底；实施电化学蚀刻工艺以在暴露的隔离区域的硅衬底中形成多孔硅；移除光致抗蚀剂图案；以及，实施热氧化工艺以氧化多孔硅，藉此在隔离区域形成氧化膜。
电化学蚀刻工艺在工作单元中利用硅解离反应实施，其设计为向作为工作电极的硅衬底的背面施加电压，其中设计配对电极和参考电极，使其浸入电解液并保持既定距离并在顶部安装用于向工作电极照射紫外线的紫外线源。铂电极可用作配对电极。氢标准电极可用作参考电极。电解液可使用按既定比率混合的HF和乙醇的溶液。本发明还包括向电解液加入惰性气体的步骤，以便防止在硅解离反应过程中产生的氢气妨碍硅解离反应。电压为1.5V至8V。
热氧化工艺在O2与H2环境下在700至900℃的温度范围内使用湿氧化模式实施。
在本发明的另一方面中，应当明白，上述对本发明的一般性说明及以下的详细说明为范例性及说明性，其要提供如权利要求的本发明的进一步解释。
参考以下结合附图对本发明的优选实施例的详细说明，更能明了本发明的上述及其它目的、特征及优点，其中图1说明根据本发明优选实施例实施电化学蚀刻工艺的工作单元；图2至图5说明半导体器件，用于说明根据本发明优选实施例通过电化学蚀刻形成多孔硅然后热氧化该多孔硅以形成隔离膜的方法；以及图6为SEM(扫描电子显微镜)照片，显示通过电化学蚀刻在硅衬底中形成的孔隙。
其中，附图标记说明如下100硅衬底 102衬垫氧化膜104衬垫氮化膜 106光致抗蚀剂图案110多孔硅 112隔离膜120工作单元 130配对电极140参考电极 150紫外线源160电解液具体实施方式
现在，将详细介绍本发明的优选实施例，其中的示例在附图中示出，附图中的相同附图标记代表相同或类似的部分。
本发明涉及一种通过电化学蚀刻工艺形成孔隙以形成隔离膜的方法。隔离膜可通过在要绝缘的部分使用电化学蚀刻工艺形成多孔硅，然后使用热氧化工艺氧化多孔硅而形成。
图1说明根据本发明优选实施例用于实施电化学蚀刻工艺的工作单元。图2至图5说明半导体器件，其用于解释根据本发明的优选实施例，通过电化学蚀刻形成多孔硅，然后热氧化该多孔硅形成隔离膜的方法。图6为扫描电子显微镜(SEM)照片，显示通过电化学蚀刻在硅衬底中形成的孔隙，其示出图4中的“A”部分。
参考图1，用于实施电化学蚀刻工艺以形成孔隙的工作单元120设计为向将被用作工作电极的晶片(W)的背面施加电压(V)。设计配对电极130和参考电极140，使其浸入电解液160中并保持既定距离。此外，紫外线源150位于工作单元120上，使等紫外线152可照射在工作电极上。施加于工作电极(即晶片(W))的电压(V)约为1.5V至8V。
参考图2，在硅衬底100上顺序形成衬垫氧化膜102和衬垫氮化膜104。衬垫氧化膜102形成厚度约为50至1000，而衬垫氮化膜104形成厚度约为500至1500。界定隔离区域的光致抗蚀剂图案106形成于衬垫氮化膜104上。
参考图3，使用光致抗蚀剂图案106作为蚀刻掩模蚀刻衬垫氮化膜104和衬垫氧化膜102，藉此暴露将形成隔离区域的部分处的硅衬底100。如上制备的晶片(W)安装于工作单元120上，然后使之经历电化学蚀刻工艺。
转到图1和图4，根据本发明优选实施例的形成隔离膜的方法采用通过电化学蚀刻工艺的孔隙形成。形成孔隙的工艺使用混合49％HF和乙醇的溶液成的电解液160实施，同时利用紫外线源150照射既定波长的紫外线152。电化学蚀刻工艺中使用的工作电极为硅晶片(W)，氢标准电极(hydrogenstandard electrode)用作参考电极140，而铂电极用作配对电极130。硅解离反应所需的反应活化能通过施加电压(V)提供，藉此硅可解离至工作电极。为防止在硅解离反应过程中产生的氢气妨碍硅解离反应，向电解液16加入惰性气体如氩(Ar)，并轻轻摇动，以从反应表面移除氢气。
硅的电化学蚀刻的解离机制如下。
与HF和乙醇混合的电解液160起反应的硅表面因浸满H原子而不具有空穴(h+)。硅表面对F-离子的轰击呈惰性。这是由于没有制备F-离子可以起反应的气氛，因为H的负电性2.2与Si的负电性1.9之间没有重大区别。若空穴(h+)由照射于硅表面上的紫外线产生，因Si的负电性较H原子的相对低，因而可以实现F-离子的亲核轰击。
若为n型硅，在硅表面上产生空穴为引起硅解离工艺的重要步骤。若以F代替H，则Si的负电性更低，F-离子的轰击持续地发生。
氢由一系列反应产生，F-离子的连续轰击使硅表面上发生部分解离，从而产生新表面。该变化促使硅表面上的电场分布改变。当从硅的体材料区域向因电场变化而发生解离的硅部分供给空穴时，沿与提供空穴的方向平行的垂直方向形成沟槽。孔隙形成于硅衬底100上，多孔区域将通过电化学蚀刻形成隔离区域。
当稀释HF溶液中硅存在于正偏压(V)下时，可形成孔隙的电流与电压特征区域为低电压。电抛光在高电压时发生。因为硅与HF发生反应，形成孔隙的反应和电抛光反应均发生在中间区域(转换区域)。因此，当可形成孔隙的电压施加于硅时，硅解离工艺中最重要的事是空穴(h+)为载流子。此空穴决定了硅的解离速度。在电化学蚀刻硅晶片时，照射紫外线从而足以向硅表面的空间电荷层供给空穴，使解离反应能够在硅开始解离的步骤开始。
孔隙可通过以下反应方程式1形成。
反应方程式1
电抛光反应通过以下反应方程式2与3产生。
反应方程式2
反应方程式3
若孔隙通过本发明的电化学蚀刻方法形成，控制孔隙大小的参数包括电解液的浓度(HF与乙醇的体积比)、施加至工作电极的电压强度、反应时间、紫外线源的强度等等。另外控制孔隙深度的参数包括所施加的电压强度及反应时间。使用这些参数可以控制孔隙的大小与深度以及既定区域的孔隙数目(孔隙度)。
参考图5，光致抗蚀剂图案已经移除。此时，光致抗蚀剂图案可在O2环境下通过灰化工艺移除。在通过电化学蚀刻形成多孔硅后，实施热氧化工艺以形成氧化膜。此时，热氧化工艺可使用湿氧化模式。热氧化工艺在O2与H2环境下在约700至900℃的温度下实施。如此，若多孔硅在通过电化学蚀刻形成后由热氧化工艺氧化，作为氧化剂的O2或H2O扩散至Si/SiO2的界面，使Si与H2O或O2发生反应形成SiO2。因此，因在形成氧化膜时已消耗硅，通过控制孔隙的大小及孔隙度即可使孔隙及硅形成氧化膜。若通过此方法将多孔硅形成为氧化膜，膜即可用作该半导体器件的隔离膜。
如上所述，形成隔离膜的传统方法有这样的问题，因沟槽距离的收缩，使得采用等离子体的沟槽蚀刻工艺难以实施，当HDP氧化膜填满间隙时，沟槽的入口部分会发生垂悬，因此，沟槽内会产生缝或空洞，而填满沟槽间隙的HDP氧化膜中的空洞可降低半导体器件的可靠性。
但是，如上所述，因为可通过光刻工艺、衬垫氮化膜和衬垫氧化膜蚀刻工艺、电化学蚀刻工艺(孔隙形成工艺)及热氧化工艺形成半导体器件的隔离膜，故与传统的隔离膜形成工艺相比，本发明具有可大幅简化工艺的新颖效果。而且，本发明也具有可解决依赖于半导体器件的集成的等离子体蚀刻方面的困难及HDP氧化膜内形成空洞的问题的优势效果。
而且，根据本发明，隔离膜形成于硅晶片的表面。因此，本发明具有可防止由于传统隔离膜工艺中产生的沟(moat)而使栅极氧化膜薄化的现象的新颖效果。
上述实施例仅为示范，不应解释为对本发明的限制。本发明可方便应用于其它类型的装置。本发明的说明意在解说，无意限制权利要求范围。本领域技术人员应明了本发明的各种替换、修改及变化。
权利要求
1.一种形成半导体器件的隔离膜的方法，包括步骤在硅衬底上顺序形成衬垫氧化膜和衬垫氮化膜；在衬垫氮化膜上形成透过其开放隔离区域的光致抗蚀剂图案；使用光致抗蚀剂图案作为蚀刻掩模蚀刻衬垫氮化膜和衬垫氧化膜，由此暴露隔离区域的硅衬底；实施电化学蚀刻工艺以在暴露的隔离区域的硅衬底中形成多孔硅；移除光致抗蚀剂图案；以及实施热氧化工艺以氧化多孔硅，藉此在隔离区域形成氧化膜。
2.如权利要求1所述的方法，其中电化学蚀刻工艺在工作单元中利用硅解离反应实施，其设计为向作为工作电极的硅衬底的背面施加电压，其中设计配对电极和参考电极，使其浸入电解液并保持既定距离并在顶部安装用于向工作电极照射紫外线的紫外线源。
3.如权利要求2所述的方法，其中铂电极用作配对电极。
4.如权利要求2所述的方法，其中氢标准电极用作参考电极。
5.如权利要求2所述的方法，其中电解液使用按既定比率混合的HF和乙醇的溶液。
6.如权利要求2所述的方法，还包括向电解液加入惰性气体的步骤，以便防止在硅解离反应过程中产生的氢气妨碍硅解离反应。
7.如权利要求2所述的方法，其中电压为1.5V至8V。
8.如权利要求1所述的方法，其中热氧化工艺在O2与H2气氛下在700至900℃的温度范围内使用湿氧化模式实施。
全文摘要
本发明公开了一种形成半导体器件的隔离膜的方法。该方法包括步骤在硅衬底上顺序形成衬垫氧化膜和衬垫氮化膜；在衬垫氮化膜上形成透过其开放隔离区域的光致抗蚀剂图案；使用光致抗蚀剂图案作为蚀刻掩模蚀刻衬垫氮化膜和衬垫氧化膜，由此暴露隔离区域的硅衬底；实施电化学蚀刻工艺以在暴露的隔离区域的硅衬底中形成多孔硅；移除光致抗蚀剂图案；以及，实施热氧化工艺以氧化多孔硅，藉此在隔离区域形成氧化膜。
文档编号H01L21/3063GK1512558SQ200310120669
公开日2004年7月14日 申请日期2003年12月18日 优先权日2002年12月27日
发明者李圣勋 申请人:海力士半导体有限公司