专利名称：氧化物薄膜填充结构、氧化物薄膜填充方法及半导体装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及氧化物薄膜填充结构、氧化物薄膜填充方法、半导体装置及半导体装置的制造方法，这些适用于具有高纵横比沟槽的半导体装置。
背景技术：
随着半导体装置的集成密度的增加(即，STI纵横比变高)，用于元件隔离的浅沟槽隔离(STI)的宽度正在变窄。因此，已经需要用于所讨论的高纵横比沟槽的无空隙缝隙填充过程。作为用于所讨论的高纵横比STI的缝隙填充过程，使用同时执行薄膜形成和溅射刻蚀的高密度等离子体CVD(HDP-CVD)。
关于HDP-CVD以及结合了沉积和刻蚀的缝隙填充过程，请参考专利参考文献1至6以及非专利文献1等。
在HDP-CVD中，在沉积期间应用了源RF和RF偏置。因此，可以在所讨论的用于形成薄膜的物体上形成绝缘薄膜，并将离子引入用于形成薄膜的物体。源RF是用于通过在反应室中分解气体产生等离子体的高频功率。RF偏置是用于将离子引入用于形成薄膜的物体的高频功率。
绝缘薄膜沉积的同时，在所讨论的HDP-CVD中，如上所述通过RF偏置由离子轰击执行溅射刻蚀。
在所讨论的HDP-CVD中，可以在所讨论的沟槽底部执行薄膜形成，溅射在沟槽开口中产生的悬垂(overhang)部分。因此，在沟槽的开口封闭之前，可以在沟槽内部填充绝缘薄膜。即，可以使用绝缘薄膜在没有空隙的情况下填充所讨论的沟槽。
关于本发明，同样存在在沟槽中形成折射率为1.5至1.95的氧氮化硅薄膜的技术(专利参考文献7)。
日本未经审查专利申请公开号2000-306992 日本未经审查专利申请公开号2003-31649[专利参考文献3]日本授权专利号2995776[专利参考文献4]日本未经审查专利申请公开号Hei 10-308394[专利参考文献5]日本未经审查专利申请公开号2003-37103[专利参考文献6]日本未经审查专利申请公开号2003-203970[专利参考文献7]日本未经审查专利申请公开号2001-35914[非专利文献1]NANOCHIP TECHNOLOGY JOURNAL)，Vol2，2004年出版，p41-44。
发明内容
然而，随着半导体装置的设计规则进一步收缩(例如，当制作65nm以后的装置时)，STI的纵横比正变得更高。因此，当纵横比变得更高时，沟槽开口附近的悬垂的沉积速率将比沟槽底部的沉积速率更快。因此，无法实现在沟槽内部的无空隙的缝隙填充。
为了降低沟槽开口附近的悬垂的沉积速率，可能需要使得RF偏置更高。然而，当使得RF偏置变高时，将会出现下面所示的问题。
第一个问题是由于薄膜形成材料的再沉积产生的空隙。
通过在沟槽的开口附近对所述悬垂进行溅射刻蚀，来溅射形成所讨论悬垂的薄膜形成材料。并对于沟槽内部对所讨论的被溅射的薄膜形成材料执行再沉积。此处，当RF偏置不是那么强时，所讨论的薄膜形成材料的再沉积的量降低，并粘附在沟槽的较上侧的部分。
然而，在高纵横比STI的情况下，当使得RF偏置如上所述那么高时，薄膜形成材料的再沉积形成在沟槽内部开口处(几乎直接位于当前形成的悬垂的下面(图8的附图标记10))，并且还增加了再沉积的量。因此，当使RF偏置变高时，沟槽上部的沉积速率变高，而不是沟槽底部的沉积速率变高。因此，无法实现无空隙的缝隙填充(第一问题)。
第二问题是元件形成部分的肩部切割(shoulder cutting)。
通过RF偏置的溅射刻蚀的量随着图案密度的不同(图案的光洁度和精细度之间的不同)而改变。因此，在其中通过HDP-CVD将沟槽密集形成部分和沟槽稀少形成部分混合的区域上沉积薄膜时，所讨论的沟槽稀少形成部分的沟槽顶端被溅射地非常多，例如(肩部切割的产生，第二问题是指图8中的附图标记11)。
因此，纵横比高的沟槽的无空隙缝隙填充和沟槽顶端的肩部切割之间需要折衷。因此，从所讨论的沟槽顶部的肩部切割的角度来看，使得RF偏置变高是不适当的。
根据上述每个问题，使得RF偏置变高都不是最好的方法。
另外，在专利参考文献1所讨论的方法中，对包含空隙的沟槽执行了热处理。藉此，所讨论的发明目标是消散空隙。然而，即使执行了热处理，但一旦形成空隙，要完全消灭将是非常困难的。由于需要延长的热处理，因此这与制造过程的成本节省是背道而驰的。
根据专利参考文献7中所讨论的方法，在没有空隙产生的情况下，在纵横比高的沟槽内部形成氧氮化硅薄膜是不可能的。
根据上面所述，期望的是，在不产生另外问题(即不增加RF偏置)的情况下，在没有空隙的沟槽内部能够形成没有空隙的绝缘薄膜，并且所讨论的绝缘薄膜的形成方法是经济和切实可行的。
那么，本发明的目的在于一种填充氧化物薄膜的方法、一种能够在没有增加RF偏置的情况下在预定凹陷部分中使用经济和切实可行的方法形成没有空隙的绝缘薄膜(氧化物薄膜)的半导体装置的制造方法，此外还在于通过所讨论的方法形成氧化物薄膜的填充结构以及具有该氧化物薄膜填充结构的半导体装置。
为了实现上述目的，根据本发明的权利要求1的氧化物薄膜填充结构包括具有凹陷部分的基底，形成在凹陷部分并包括硅和氧的氧化物薄膜，其中氧化物薄膜至少部分包括富硅的氧化硅薄膜区域。
根据权利要求2所述的氧化物薄膜填充结构包括具有凹陷部分的基底，和形成在凹陷部分中且包含硅和氧的氧化物薄膜，其中氧化物薄膜至少部分包括折射率大于1.465的氧化硅薄膜区域。
根据权利要求3所述的氧化物薄膜填充结构包括具有凹陷部分的基底，和形成在凹陷部分中且包含硅和氧的氧化物薄膜，其中氧化物薄膜至少部分包括同化学计量成分相比氧缺少的氧化硅薄膜区域。
根据权利要求4所述的氧化物薄膜填充结构包括具有凹陷部分的基底，和形成在凹陷部分中且包含硅和氧的氧化物薄膜，其中氧化物薄膜至少部分包括同化学计量成分相比硅过剩的氧化硅薄膜区域。
根据权利要求5所述的半导体装置具有根据权利要求1-4任一项所述的氧化物薄膜填充结构。
根据权利要求13所述的氧化物薄膜填充方法包括步骤(X)在基底中形成凹陷部分，和(Y)在凹陷部分中形成包括硅和氧的氧化物薄膜，其中步骤(Y)是形成至少部分包括富硅的氧化硅薄膜区域的氧化物薄膜的步骤。
根据权利要求14所述的氧化物薄膜填充方法包括步骤(A)在基底中形成凹陷部分，和(B)在凹陷部分中形成氧化物薄膜，其中步骤(B)包括步骤(B-1)根据O2/SiH4的流率比小于1.5的条件，使用等离子体CVD方法形成氧化物薄膜。
根据权利要求15所述的氧化物薄膜填充方法包括步骤(a)在基底中形成凹陷部分，和(b)在凹陷部分中形成氧化物薄膜，其中步骤(b)包括步骤(b-1)根据O2/SiH4的流率比小于2的条件，使用利用氢气的等离子体CVD方法形成氧化物薄膜。
根据权利要求16所述的半导体装置的制造方法包括通过根据权利要求13至15任一项所述的氧化物薄膜填充方法在基底层具有的凹陷部分中形成氧化物薄膜的步骤。
由于具有至少包括富硅的氧化硅薄膜区域的氧化物薄膜，至少部分包括折射率大于1.465的氧化硅薄膜区域的氧化物薄膜，至少部分包括同化学计量成分相比氧缺少的氧化硅薄膜区域的氧化物薄膜，或者至少部分包括同化学计量成分相比在凹陷部分中硅过剩的氧化硅薄膜区域的氧化物薄膜，因此本发明的权利要求1至4中描述的氧化物薄膜填充结构可以提供在具有高纵横比的凹陷部分中形成没有空隙的氧化物薄膜的氧化物薄膜填充结构。
由于具有根据权利要求1至4的氧化物薄膜填充结构，因此根据权利要求5所述的半导体装置可以提供具有有效填充特性的上述氧化物薄膜填充结构的半导体装置。
由于具有在凹陷部分形成至少部分包括富硅的氧化硅薄膜区域的氧化物薄膜的步骤；根据O2/SiH4的流率比小于1.5的条件利用等离子体CVD方法形成氧化物薄膜的步骤；或者根据O2/SiH4的流率比小于2的条件，利用使用氢气的等离子体CVD方法在凹陷部分中形成氧化物薄膜的步骤，因此权利要求13至15中所描述的氧化物薄膜填充方法可以在没有空隙产生的情况下，在具有高纵横比的凹陷部分中填充氧化物薄膜。
由于根据权利要求16的半导体装置的制造方法具有通过根据权利要求13至15的氧化物薄膜填充方法在基底层具有的凹陷部分中形成氧化物薄膜的步骤，例如即使在具有高纵横比的凹陷部分中形成氧化物薄膜，仍然可以形成确实没有空隙的STI。
图1至3是用于说明实施例1所涉及的半导体装置制造方法的步骤截面图；图4是其中示出了氧化硅薄膜折射率的改变状态与O2/SiH4流率比改变状态的实验数据图；图5至6是用于说明实施例1所涉及的半导体装置制造方法的步骤截面图；图7是其中示出了O2/SiH4流率比与其中可能填充氧化物薄膜的纵横比关系的实验数据图；图8是示出了再沉积状态和肩部切割的截面图；图9是示出了实施例2所涉及的每个步骤模式的流程图；图10至12是用于说明实施例2所涉及的半导体装置制造方法的步骤截面图；图13是示出了其中通过执行氧等离子体处理改变氧相对于硅的成分比状态的实验数据图；图14是用于说明执行氧等离子体处理时的效果的实验数据图。
图15是示出了实施例4所涉及的每个步骤模式的流程图；图16至19是用于说明实施例4所涉及的半导体装置制造方法的步骤截面图。
具体实施例方式
发明人发现，当在存在于基底前表面的凹陷部分(例如，沟槽等)形成氧化硅薄膜时，通过降低氧(O2)和硅烷(SiH4)的流率比(＝O2/SiH4)，形成台阶(step)覆盖优越的薄膜。发明人认为这是由于用于薄膜形成的前驱物的粘附概率降低了。
此处，通过降低流率比形成的氧化硅薄膜富硅。换句话讲，所讨论的氧化硅薄膜的折射率将超过1.465。在所讨论的氧化硅薄膜中，同化学计量成分相比氧缺少。换句话讲，在所讨论的氧化硅薄膜中，同化学计量成分相比硅过剩。
化学计量的氧化硅薄膜(具有化学计量成分)的折射率大约为1.465。折射率的测量波长为633nm。
下文中，将根据实施例中示出的实验数据以及附图具体描述本发明。
(实施例1)涉及该实施例的半导体装置的制造方式使用步骤截面图来进行说明。
首先，以所讨论的顺序在硅衬底1(硅衬底可以理解为基底)上形成氧化物薄膜2和氮化硅薄膜3。
然后，对所讨论的氧化物薄膜2、氮化硅薄膜3和硅衬底1执行干法刻蚀过程，并将其构图成预定结构。然后，使用所讨论的氧化物薄膜2和氮化硅薄膜3作为掩膜，对硅衬底1执行干法刻蚀。
通过上述步骤，如图1所示，可以在硅衬底1的前表面中形成预定图案的多个沟槽(该沟槽可以理解为凹陷部分)4。此处，所讨论的沟槽4为用于元件隔离的沟槽。所讨论的沟槽4的深度大约300nm至500nm，其宽度大约为100nm或者更小。
接着，如图1所示，在形成沟槽4的内壁和底面中形成氧化物薄膜5。此处，为了消除干法刻蚀情况下的损坏，形成所讨论的氧化物薄膜5。
接着，将其中形成了所讨论的沟槽4的硅衬底1安装在高密度等离子体CVD(HDP-CVD)装置中。并使用等离子体现象将所讨论的硅衬底1加热至大于等于400℃。
根据下列条件，在下面所讨论的热处理之后，接着在沟槽4中形成氧化硅薄膜6。图2和图3示出了所讨论的氧化硅薄膜6的形成状态。
此处，图2是氧化硅薄膜6形成的中间状态图。图3示出了氧化硅薄膜6形成完成的状态图。如图3所示，氧化硅薄膜6填充在沟槽4中，并进一步形成在硅衬底1上。
在执行所讨论的氧化硅薄膜6形成的同时执行沉积过程和溅射过程。
在源RF功率为4000-5000W、偏置RF功率为2000-4000W、流率比(＝O2/SiH4)小于1.5、使用O2/SiH4混合气体的条件下，执行氧化硅薄膜6的形成。即，在富硅的状态中，在沟槽的内部形成氧化硅薄膜6。
还在源RF功率为大约4000-5000W、偏置RF功率为大约2000-4000W、引入了氢气且流率比(＝O2/SiH4)小于2.0(使用O2/SiH4/H2混合气体)的条件下，执行氧化硅薄膜6的形成。
即在两种条件下，在富硅的状态中，均在沟槽的内部形成氧化硅薄膜6。
通过所讨论的步骤形成氧化硅薄膜6是上述富硅的氧化硅薄膜。所讨论的氧化硅薄膜6的折射率超过1.465。此处，折射率的测量波长大约为633nm。在所讨论的氧化硅薄膜6的化学计量成分中，同稳定状态相比氧缺少。换句话讲，在所讨论的氧化硅薄膜6的化学计量成分中，同稳定状态相比硅过剩。
在图4中示出了实验结果，该实验结果示出了流率比(＝O2/SiH4)与所形成的氧化硅薄膜6的折射率之间的关系。
如图4所示，当未引入氢气且流率比(＝O2/SiH4)变得小于1.5时，氧化硅薄膜6的折射率将超过1.465(即，氧化硅薄膜6处于富硅的状态)。当引入氢气，流率比(＝O2/SiH4)变得小于2.0时，氧化硅薄膜6的折射率肯定将超过1.465(即，氧化硅薄膜6处于富硅的状态)。
接着，为了使硅衬底1的上表面平坦，对所讨论的硅衬底1的上表面进行CMP(化学机械抛光)。所讨论的CMP处理去除了硅衬底1上的氧化硅薄膜6。然后，通过湿法刻蚀去除氧化物薄膜2和氮化硅薄膜3。
因此，如图5所示，在硅衬底1中存在沟槽4和目前仅在所讨论的沟槽4中形成的氧化物薄膜5以及氧化硅薄膜6。即，在硅衬底1的前表面中形成了预定图案的多个STI。
然后，如图6所示，在硅衬底1上形成栅绝缘薄膜7和栅电极8。
如上所述，在该实施例所涉及的半导体装置的制造方法中，根据小于预定流率比(O2/SiH4＝1.5或者2)的条件在沟槽(凹陷部分)4中形成氧化硅薄膜6。
发明人发现，当没有引入氢气时，如上所述，通过使得流率比(＝O2/SiH4)小于1.5，氧化硅薄膜6的填充特性得到改善。当引入氢气时，发现的是，通过使得流率比(＝O2/SiH4)小于2.0，氧化硅薄膜6的填充特性得到改善。
图7为示出所讨论事实的实验结果图。在图7中，垂直轴为沟槽4的纵横比(任意单位)，水平轴为流率比(＝O2/SiH4)。图7是在引入氢气时的实验数据。
如图7所示，当流率比(＝O2/SiH4)从预定值降低(即小于2)时，可以无空隙填充氧化硅薄膜6的沟槽4的纵横比得到突飞猛进的改善。
因此，通过采用本实施例中所讨论的方法，在没有增加等离子体CVD装置的RF偏置的情况下，可以在沟槽4(凹陷部分)中形成没有空隙的氧化硅薄膜6。
因而，由于不存在增加RF偏置的需求，因此可以阻止沟槽4开口附近的再沉积(图8的附图标记10)。还可以阻止沟槽4的上部中的肩部切割(图8的附图标记11)。
在该实施例所涉及的半导体装置的制造方法中形成氧化硅薄膜6，抑制了空隙的产生。即，不需要像产生空隙的专利参考文献1所涉及的制造方法那样在沟槽内部形成绝缘薄膜之后进行长时间处理以消除所讨论的空隙。
因此，该实施例所涉及的技术比专利参考文献1的发明更加实用并且也更加经济。
如上所述，一旦产生空隙，通过后面的过程很难消除。然而，在该实施例中形成了氧化硅薄膜6，阻止了如上所述的空隙的产生。即，当完成将氧化硅薄膜6形成至沟槽4时，在所讨论的氧化硅薄膜6中没有产生空隙。
根据上面所述，通过采用该实施例涉及的制造方法，可以更加确定地形成其中不存在空隙的STI(例如，这与专利参考文献1不同)。
当采用了该实施例所涉及的半导体装置制造方法时，所形成的氧化硅薄膜6将会处于上述的富硅状态(换句话讲，流率比(＝O2/SiH4)降低地越多，氧化硅薄膜6的折射率从1.465增加地越多，参考图4)。当从所讨论的富硅状态的另一观点考虑时，可以说同化学计量成分相比氧缺少，或者同化学计量成分相比硅过剩。
在上述氧化硅薄膜6形成的过程中，可以使氟包含在原料气体中(即，在沟槽4中形成氧化硅薄膜的形成中间，同时执行沉积过程和溅射过程)。例如，可将SiF4和NF3加入至原料气体中。
因此，在氧化硅薄膜6的薄膜形成的同时，通过包含氟还执行了通过氟基的刻蚀过程。因此，通过将上述流率比(＝O2/SiH4)降低的条件以及将氟包含在原料气体内部的条件结合起来，可以进一步改进氧化硅薄膜6向沟槽4的填充。
当将氟包含在原料气体中时，在所形成的氧化硅薄膜6中也包含了一点氟。
如上所述，当将NF3加入至原料气体中时，在所形成的氧化硅薄膜6中除氟以外还包含了一点氮。
在氧化硅薄膜6形成中，可以使得氢和氦包含在原料气体中(即，在沟槽4中形成氧化硅薄膜6的形成中间，同时执行沉积过程和溅射过程)。
因此，通过包含氢或者氦，通过使用所讨论的质量小的氢或者氦执行沟槽4开口附近形成的悬垂的溅射过程。因此，对沟槽中的上部进行薄膜(对该薄膜已经进行了溅射)再沉积。即，可以更加抑制沟槽4的开口附近(具体的，直接在该悬垂下部)的薄膜(对该薄膜已经进行了溅射)再沉积。
此处，当使用氢时，流率比(＝O2/SiH4)小于2.0。
在氧化硅薄膜6形成中，可以使得氩包含在原料气体中(即，在沟槽4中形成氧化硅薄膜6的形成中间，同时执行沉积过程和溅射过程)。
因此，通过包含氩，可以形成氧化硅薄膜6(考虑到溅射过程更加重要)。
通过采用O2/SiH4/He混合气体、O2/SiH4/He/H2混合气体、O2/SiH4/Ar混合气体、O2/SiH4/He/Ar混合气体、O2/SiH4/Ar/H2混合气体或者O2/SiH4/He/Ar/H2混合气体作为原料气体，可以使得氩、氢或者氦包含在原料气体中。
通过将氟(例如SiF4、NF3等)包括在上述实例清单给出的混合气体中，还可以具有上述刻蚀作用。
(实施例2)在实施例1中，参考了通过一个步骤形成氧化硅薄膜6的步骤。然而，可以根据不同条件，通过多个薄膜形成步骤在沟槽4中形成氧化物薄膜(该氧化物薄膜至少部分包含实施例1所说明的结构的氧化硅薄膜区域)。
该实施例说明了根据不同条件，通过多个薄膜形成步骤在沟槽4中形成氧化物薄膜的情况。
图9为示出了该实施例涉及的半导体制造装置(具体地，氧化物薄膜的形成方法)的变型的流程图。
图9的步骤模式(a)是通过一个步骤在沟槽4中形成氧化物薄膜(氧化硅薄膜6)的情况(在一个薄膜形成的条件下)。此处，如实施例1所说明的，将薄膜形成步骤时的流率比(＝O2/SiH4)设置为小于预定值(1.5或者2)。实施所讨论的氧化物薄膜的形成，同时执行沉积过程和溅射过程。
图9的步骤模式(b)是同时执行沉积过程和溅射过程形成氧化物薄膜(至少部分包含实施例1所说明结构的氧化硅薄膜区域的氧化物薄膜)的步骤。步骤模式(b)是改变所讨论薄膜形成时的流率比(＝O2/SiH4)的值，氧化物薄膜形成在沟槽4中的情况。
在步骤模式(b)中，至少在第一步骤时，流率比(＝O2/SiH4)需要小于1.5(当使用O2/SiH4/H2混合气体时，流率比小于2.0)。这是因为，在填充的初始阶段，最需要填充特性的改善。
因此，在步骤模式(b)，可以在流率比(＝O2/SiH4)小于1.5(当使用O2/SiH4/H2混合气体时，流率比小于2.0)的条件下，仅执行第一填充(从沟槽4底部至预定深度的填充)步骤，而在流率比(＝O2/SiH4)大于等于1.5情况下(当使用O2/SiH4/H2混合气体时，流率比大于等于2.0)，执行随后的填充步骤。
在步骤模式(b)中，可以在流率比(＝O2/SiH4)小于1.5(当使用O2/SiH4/H2混合气体时，流率比小于2.0)的条件下，实施从第一填充至中间多次填充的步骤(从沟槽4底部至预定深度的填充)，而在流率比(＝O2/SiH4)大于等于1.5情况下(当使用O2/SiH4/H2混合气体时，流率比大于等于2.0)，执行所讨论的中间多次填充步骤之后的填充步骤。
在上述任何情况下，因此希望的是，随着填充步骤的次数增加使得流率比(＝O2/SiH4)增加(即，随着填充从沟槽(凹陷部分)4底部接近开口)。
这是由于，通过这样随着填充步骤从氧化物薄膜(至少部分包含实施例1所说明结构的氧化硅薄膜区域的氧化物薄膜)的底部朝着上层执行填充，可以使得所讨论的氧化物薄膜接近化学计量(其中化学计量成分稳定的成分)(换句话讲，可以使得氧化物薄膜的折射率接近1.465(或者等于1.465))。
如上所述，作为所讨论的步骤模式(b)的结果所形成的氧化物薄膜至少部分包括富硅的氧化物薄膜区域(或者折射率超过1.465，或者同化学计量成分相比氧缺少，或者同化学计量成分相比硅过剩)。尤其是，在沟槽(凹陷部分)4的底部中形成了所讨论的实施例1所说明结构的氧化硅薄膜区域。
在图9中，仅示出了步骤模式(b)的两个薄膜形成步骤。然而，本质上，步骤的数目超过两个。
图9的步骤模式(C)是同时执行沉积过程和溅射过程形成氧化物薄膜(至少部分包含实施例1所说明结构的氧化硅薄膜区域的氧化物薄膜)的步骤，并且是改变溅射速率和沉积速率的比率，氧化物薄膜形成在沟槽4中的情况。
此处，流率比(＝O2/SiH4)可以在讨论的步骤模式(c)中改变(换句话讲，可以固定该流率比使其小于预定流率比(2或者1.5))。然而，为改变流率比(＝O2/SiH4)，在薄膜形成的其中一个步骤中，在多次的薄膜形成步骤之间需要包括其流率比(＝O2/SiH4)小于1.5(当使用O2/SiH4/H2混合气体时，流率比小于2.0)的步骤。
特别地，为改变流率比(＝O2/SiH4)，至少需要第一步骤的流率比(＝O2/SiH4)小于1.5(当使用O2/SiH4/H2混合气体时，流率比小于2.0)。这是由于在填充的初始阶段最需要填充性能的改善。
如上面提到的(特别是在沟槽底部(凹陷部分)4形成所讨论实施例1结构的氧化硅薄膜区域)，通过所讨论条件的流率比(＝O2/SiH4)形成的氧化物薄膜的区域是富硅的氧化硅薄膜区域(或者是折射率超过1.465，或者是相对于化学计量成分来讲氧缺少，或者相对于化学计量成分来讲硅过剩)。
通过步骤模式(c)，当具体地从沟槽的底部(凹陷部分)4接近开口时，溅射速率与沉积速率的比值降低。
这是因为在上述氧化物薄膜的薄膜形成中，当上述氧化物薄膜在沟槽4中形成一定数量的深度时，从薄膜形成初始阶段中开口封闭的角度来看，在靠近沟槽4的开口附近进行溅射被认为是重要的，另一方面，从沉积速率提高的角度来看，沉积过程是重要的。
在图9中仅仅示出了步骤模式(c)的两个薄膜形成步骤。然而，很自然的是步骤数量超过这里给出的步骤数量。
图9的步骤模式(d)是这样的步骤，其中形成氧化物薄膜(所述氧化物是至少部分包括实施例1所说明结构的氧化硅薄膜区域)，同时执行沉积过程和溅射过程，并且是在沟槽4中形成所讨论氧化物薄膜的中间单独执行刻蚀过程步骤。
这里，在所讨论的步骤模式(d)中可以改变流率比(＝O2/SiH4)(换句话说，所述流率比可以固定在小于预定流率比(1.5或者2))。然而为改变流率比(＝O2/SiH4)，在薄膜形成步骤的其中一个步骤中，在多次薄膜形成步骤之间需要包括其流率比(＝O2/SiH4)小于1.5(当使用O2/SiH4/H2混合气体时，其流率比小于2.0)的步骤。
特别地，为改变流率比(＝O2/SiH4)，至少需要第一步骤的流率比(＝O2/SiH4)小于1.5(当使用O2/SiH4/H2混合气体时，流率比小于2.0)。这是由于在填充的初始阶段最需要填充性能的改善。
如上面提到的(特别是在沟槽底部(凹陷部分)4形成所讨论实施例1结构的氧化硅薄膜区域)，通过所讨论条件的流率比(＝O2/SiH4)形成的氧化物薄膜的区域是富硅的氧化硅薄膜区域(或者是折射率超过1.465，或者是相对于化学计量成分来讲氧缺少，或者相对于化学计量成分来讲硅过剩)。
如图9所示，在将上述氧化物薄膜形成至沟槽(凹陷部分)4一半的深度后，对于步骤模式(d)，中断所讨论的薄膜形成过程，并独立地执行刻蚀过程。
在靠近沟槽4的开口处，具体执行所讨论的刻蚀过程。并且，在执行了所讨论的刻蚀过程预定时间之后，重新开始对沟槽4的上述氧化物薄膜的薄膜形成过程。这样，通过步骤模式(d)，通过重复和执行薄膜形成以及氧化物薄膜的刻蚀，在沟槽4中形成上述氧化物薄膜。
如上所述，在氧化物薄膜的形成中间，通过在靠近沟槽4的开口处单独执行刻蚀过程，可以在氧化物薄膜完全形成在沟槽4之前进一步抑止开口附近的封闭。
在上述描述中，参考了在按照依次顺序执行薄膜形成和氧化物薄膜刻蚀情况的步骤模式(d)。
然而，例如，在执行改变流率比(＝O2/SiH4)的多次薄膜形成过程之后，可以单独执行上述刻蚀过程，在诸如步骤模式(b)所讨论的刻蚀过程之后，还可再重新开始薄膜形成过程。
此外，例如，在执行改变溅射过程和沉积过程的比率的多次薄膜形成过程之后，可以单独执行上述刻蚀过程，并且在诸如步骤模式(c)所讨论的刻蚀过程之后，还可再重新开始薄膜形成过程。
在图9中，通过步骤模式(d)示出了在它们之间执行的仅仅两次薄膜形成步骤和一次刻蚀步骤。然而，很自然的是，薄膜形成步骤的次数和刻蚀步骤的次数可以超出此处给出的次数。
如上所述，通过采用步骤模式(b)，可以将沟槽4上部附近的氧化物薄膜制成化学计量(所述化学计量是其中化学计量成分稳定的成分)(或者是更接近化学计量的成分)。
因此，即使栅电极形成在STI上(所述STI包括如实施例3可能说明的上述结构的氧化物薄膜)，仍然可以抑止栅电流泄漏至氧化物薄膜中。同样，当移除硅衬底1等上的氧化物薄膜并执行用于平坦化所谈论的硅衬底1上表面的CMP处理时，可以根据现有的CMP条件(化学计量的氧化硅薄膜)执行所讨论的CMP处理。即，可以防止CMP条件的改变。
通过采用步骤模式(c)，例如，当从沟槽4的底部接近开口时，可以从严重关注的溅射工艺条件转移至严重关注的沉积工艺条件。因此，可以更加有效地填充上述结构的氧化物薄膜，上述结构的氧化物薄膜在沟槽4中并没有包括空隙。
通过采用步骤模式(d)，在上述结构的氧化物薄膜完全形成在沟槽4中之前，可以更加抑止所讨论开口附近的封闭。
当从沟槽4底部执行分为多次的薄膜形成过程至少至预定深度时，在流率比(＝O2/SiH4)小于1.5(当使用O2/SiH4/H2混合气体时，其流率比小于2.0)的条件下，上述结构的氧化物薄膜形成至到达沟槽4中部。
即，在沟槽4的纵横比最高的状态下，采用上述条件的流率比。因此，如实施例1所解释的，在所讨论的纵横比最高的情况下，在填充性能最好的条件下，在沟槽4中形成了所讨论的氧化物薄膜。
(实施例3)如每个上述实施例所解释的，假设仅在流率比(＝O2/SiH4)小于1.5(当使用O2/SiH4/H2混合气体时，其流率比小于2.0)的条件下，在沟槽4中形成氧化物薄膜。那么，在沟槽4中的氧化物薄膜和硅衬底1上的氧化物薄膜转化为上述实施例1所讨论结构的氧化硅薄膜6。
假设栅电极8形成在具有图6所示的所讨论结构的氧化硅薄膜6上。那么，在半导体装置的操作时，存在漏电流从所讨论的栅电极8泄漏到STI中的可能性。
为对具有上述实施例1所解释结构的氧化硅薄膜6执行CMP处理，需要根据氧化硅薄膜6的结构(成分)改变CMP条件。这是由于，当实施例1所解释结构的氧化物薄膜6在CMP条件下被抛光成具有化学计量(化学计量的成分是稳定的)的氧化硅薄膜时，由于抛光速率的不同导致在氮化硅薄膜3上出现未抛光部分。
当改变CMP条件时，除了所讨论的CMP条件已经正确建立的情况之外，否则CMP处理无法正常执行。即，所讨论的CMP条件改变是非常困难的。
本实施例是根据上述情况所产生的实施例。下文中将说明涉及该实施例的半导体装置的制造方法。
通过给出实施例1所说明的氧化硅薄膜6的形成步骤，如图3所示，在硅衬底1上形成氧化硅薄膜6使得氧化硅薄膜6可以填充沟槽4。
此处，如实施例1所说明的，当没有包括氢时，在流率比(＝O2/SiH4)小于1.5的条件下，执行氧化硅薄膜6的形成。当包括氢(当使用O2/SiH4/H2混合气体)时，在流率比(＝O2/SiH4)小于2.0的条件下，形成氧化硅薄膜6。
作为原料气体，如实施例1，可以使用O2/SiH4/He混合气体、O2/SiH4/He/H2混合气体、O2/SiH4/Ar混合气体、O2/SiH4/He/Ar混合气体、O2/SiH4/Ar/H2混合气体、O2/SiH4/He/Ar/H2混合气体、在上述实例中列出的混合气体中包含有氟(例如SiF4、NF3等)的混合气体。
采用每种混合气体时的效果与实施例1中已经说明的效果一样。
接着，在其中形成了上述氧化硅薄膜6(薄膜形成)的等离子体CVD装置中，对其上形成有所讨论的氧化硅薄膜6的硅衬底1执行氧等离子体处理。此处，在源RF功率为2000-4000W、氧(O2)流率为200sccm的条件下执行所讨论的氧等离子体处理。使用氧离子或者氧基执行所述的氧等离子体处理。
通过所讨论的氧等离子体处理，如图10所示，可以在氧化硅薄膜6的前表面形成氧化区域20。形成所讨论的氧化区域直到执行CMP处理的区域，期望的是直到接近STI的上部(接近沟槽4的开口)。
在所讨论的氧等离子体处理之后，对其中形成了氧化区域20的氧化硅薄膜6执行CMP处理。通过CMP处理，如图11所示，执行了硅衬底1的上表面的平坦化，并且在所讨论的硅衬底1的前表面中完成了多个STI。此处，在所讨论的CMP处理之后通过湿法刻蚀过程移除氧化物薄膜2和氮化硅薄膜3。
如图12所示，在对所讨论的氧化物薄膜2和所讨论的氮化硅薄膜3执行上述过程之后，在硅衬底1上形成栅绝缘薄膜7和栅电极8。
如上所述，在该实施例中，已经对硅衬底1执行了氧等离子体处理。因此，至少在接近氧化硅薄膜6的前表面，与执行等离子体氧化过程之前的条件相比，氧和硅的成分比上升。即，在氧化硅薄膜6中形成了氧比率上升的氧化区域20。
此处，图13为示出了通过执行氧等离子体处理，氧化硅薄膜6中的氧和硅的成分比上升情况的实验数据的实例。在图13中，水平轴为深度，垂直轴为O/Si成分比。由于图13使用了定性说明，因此省略了单位。在图13中，水平轴的左端等效于前表面的最大值。
如图13所示，在通过实施例1描述的方法形成氧化硅薄膜6之后，通过执行上述氧等离子体处理，至少在氧化硅薄膜6的前表面附近中氧和硅的成分比升高。点划线为未执行氧等离子体处理情况下的数据。
氧和上述硅的成分比升高示出了在氧化硅薄膜6中形成的氧化区域20接近化学计量(所述化学计量是其中化学计量成分稳定的成分)(或者就是化学计量)。
由于，通过这种方法至少在前表面附近中形成化学计量(具有接近该化学计量的成分)STI(氧化区域20)，因此，即使栅电极8形成在所讨论的STI上，在半导体装置操作时仍可抑止漏电流从所讨论的栅电极8流至STI。根据实验也可确定这一点。
图14为实验数据，其中示出了在低于预定流率比(＝O2/SiH4＝1.5或者2)的条件下形成氧化硅薄膜6之后，执行了该实施例的氧等离子体处理的情况下和未执行氧等离子体处理的情况下的差别。在图14中，垂直轴为漏电流(任意单位)。图14为示出漏电流相对比较关系。
如图14所示，在执行了该实施例中描述的氧等离子体处理的情况下，从后来形成的栅电极8流至STI的漏电流量大幅减少。
如上述描述的，至少STI(具有氧化区域20的氧化硅薄膜6)上部的成分(即，所讨论的氧化区域20的成分)变为化学计量(或者成分接近化学计量)。因此，可以维持从以前至当前实施的化学计量的氧化硅薄膜的CMP条件。即，可以在不改变CMP条件的情况下，执行具有所讨论的氧化区域20的氧化硅薄膜6的CMP。
很自然的是，通过该实施例所涉及的制造方法形成的氧化硅薄膜6具有实施例1所说明的效果。
由于上述每种效果均示出，为得到所讨论的每种效果，需要至少通过该实施例所涉及的氧等离子体处理执行沟槽(凹陷部分)4开口附近的氧化硅薄膜6的等离子体氧化。即，需要至少在沟槽(凹陷部分)4开口附近的氧化硅薄膜6中形成氧化区域20。
该实施例所涉及的氧等离子体处理在与形成氧化硅薄膜6的等离子体装置相同的装置中执行。因此，简化了制造过程。
由于应当使用其中至少包括氧的气体执行氧等离子体处理，因此没有必要仅限制于氧气。
(实施例4)在实施例3中，参考了在使用实施例1的制造方法形成了氧化硅薄膜6之后执行氧等离子体处理的情况。而本实施例说明了在使用实施例2所涉及的每种制造方法形成氧化物薄膜(至少部分包括实施例1所说明结构的氧化硅薄膜区域的氧化物薄膜)之后执行氧等离子体处理(或者还包括在薄膜形成中间)的情况。
图15为示出了该实施例涉及的半导体制造装置(具体地，所讨论的氧化物薄膜的形成方法和所讨论的氧化物薄膜的氧化方法)的各种变型的流程图。
图15的步骤模式(a)为在一个步骤中(在一个薄膜形成条件下)在沟槽4中形成氧化硅薄膜6，实施例3所说明的形成氧化硅薄膜6之后对氧化硅薄膜6执行氧等离子体处理的情况。此处执行了氧化硅薄膜6的形成，同时执行了沉积过程和溅射过程。
图15的步骤模式(b)为在通过实施例1中描述的方法形成氧化物薄膜(氧化硅薄膜6)时，同时执行沉积过程和溅射过程的步骤。
步骤模式(b)为中断氧化物薄膜的薄膜形成，通过实施例3所说明的氧等离子体处理来氧化薄膜形成中的氧化物薄膜(即，形成氧化区域20)的情况，如图16至18所示。在薄膜形成过程中的氧化物薄膜的氧化(即，氧化区域的形成)次数和氧化物薄膜的薄膜形成次数不受到图中步骤模式(b)所描述次数的限制。
顺便说明，在图18示出的结构中，对所讨论的硅衬底1的上表面执行CMP 平坦化硅衬底1的上表面。所讨论的CMP移除了硅衬底1上的氧化区域20。然后通过湿法刻蚀过程，移除氧化物薄膜2和氮化硅薄膜3。然后如图19所示，在硅衬底1上形成栅绝缘薄膜7和栅电极8。
回到我们的描述，图15的步骤模式(c)是在图9的步骤模式(b)中，在所讨论的氧化物薄膜(该氧化物薄膜至少部分包含实施例1所说明的结构的氧化硅薄膜区域)的薄膜形成完成之后，在薄膜形成的中间添加对氧化物薄膜执行实施例3中说明的氧等离子体处理的情况，其中改变了流率比(＝O2/SiH4)的值。
对于图15的步骤模式(c)所讨论的绝缘薄膜的氧化和绝缘薄膜的薄膜形成步骤，没有要限制图19中示出的次数的意思。将氧化步骤引入薄膜形成步骤的时间可以任意选择。
图15的步骤模式(d)是在图9的步骤模式(c)中，在氧化物薄膜的薄膜形成完成之后，在氧化物薄膜的薄膜形成中间添加了实施例3中说明的氧等离子体处理的情况，在所述图9的步骤模式(c)中改变了溅射速率与沉积速率的比率。
对于图15的步骤模式(d)的薄膜形成和氧化步骤，没有要限制当前示出的次数的意思。将氧化步骤引入薄膜形成步骤的时间可以任意选择。
图15的步骤模式(e)或者(f)是在图9的步骤模式(d)中，在氧化物薄膜的薄膜形成完成之后，在氧化物薄膜的薄膜形成中间添加了实施例3中说明的氧等离子体处理的情况，在所述图9的步骤模式(d)分别给出了在氧化物薄膜的薄膜形成中间的刻蚀步骤。如图15所示，步骤模式(e)和步骤模式(f)给出氧化步骤和刻蚀步骤的时刻不同。例如，在图15的步骤模式(f)中，在刻蚀步骤之后给出了氧化步骤。
对于图15的步骤模式(e)和(f)的薄膜形成、氧化和刻蚀步骤，并没有要限制当前所示出的次数的意思。将氧化步骤和刻蚀步骤引入薄膜形成步骤的时间可以任意选择。
在图15中所示出的每个步骤模式中，通过执行氧等离子体处理，在氧化物薄膜的前表面中和氧化物薄膜的内部形成氧化区域。此处，所讨论的氧化区域的成分为化学计量(其化学计量成分是稳定的氧化硅薄膜)，或者接近所讨论的化学计量的成分。实施例1所说明结构的氧化硅薄膜区域至少部分包含在氧化物薄膜中。
如上所述，在本实施例所涉及的制造方法中，不仅在氧化物薄膜的前表面附近，而且在所讨论的氧化物薄膜的内部，均形成化学计量(成分接近化学计量)的氧化硅薄膜。
因此，可以更加抑止实施例3中所说明的漏电流的产生。同所讨论的氧化物薄膜的内部没有氧化的情况相比，改善了所讨论的氧化物薄膜内部(STI)的绝缘。
在该实施例所涉及的制造方法中，很自然可以得到实施例2中说明的效果。
当在沟槽4中完全形成氧化物薄膜之后，如实施例3那样最后执行氧等离子体处理，当然，还可以得到如实施例3所说明的相同的效果。
在每个上述实施例中，参考了在STI形成情况下应用涉及每个实施例的制造方法的情况。然而，当在基底中形成凹陷部分以及在所讨论的凹陷部分中填充氧化物薄膜时，例如晶体管的栅电极之间、上导线等之间的夹层绝缘薄膜，每个实施例所涉及的制造方法都可以应用。特别地，当凹陷部分的纵横比为高时，本发明的应用变得更加有效。
在每个上述实施例中，参考了在形成氧化物薄膜时，使用HDP-CVD装置的情况，所述氧化物薄膜在沟槽(凹陷部分)4中至少部分包括实施例1所说明结构的氧化硅薄膜区域。然而，通常还可以使用等离子CVD装置在沟槽(凹陷部分)4中形成至少部分包括实施例1所说明结构的氧化硅薄膜区域的氧化物薄膜。
上面，使用了包括O2和SiH4的气体系统形成至少部分包括实施例1所说明结构的氧化硅薄膜区域的氧化物薄膜。然而，即使使用了例如包括O2和TEOS的气体系统，仍然可以形成所讨论的氧化物薄膜。
上面，参考了半导体装置具有每个实施例中描述的氧化物薄膜填充结构的情况，以及参考了作为步骤的一部分具有每个实施例中描述的氧化物薄膜填充方法的半导体装置制造方法的情况。
然而，例如，除了半导体装置领域之外，在电子装置中诸如平板显示器或者MEMS(微机电系统)中也可以应用本发明所讨论的氧化物薄膜的填充方法以及氧化物薄膜的填充结构。
即，很自然的是，本发明可以应用于具有填充结构的其它装置，所述填充结构在通常形成在基底的凹陷部分中填充氧化物薄膜，本发明还可作为步骤的一部分应用于具有填充所讨论氧化物薄膜的方法的其它装置的制造方法中。
权利要求
1.一种氧化物薄膜填充结构，包括具有凹陷部分的基底；和形成在凹陷部分中且包含硅和氧的氧化物薄膜；其中氧化物薄膜至少部分包括富硅的氧化硅薄膜区域。
2.一种氧化物薄膜填充结构，包括具有凹陷部分的基底；和形成在凹陷部分中且包含硅和氧的氧化物薄膜；其中氧化物薄膜至少部分包括折射率大于1.465的氧化硅薄膜区域。
3.一种氧化物薄膜填充结构，包括具有凹陷部分的基底；和形成在凹陷部分中且包含硅和氧的氧化物薄膜；其中氧化物薄膜至少部分包括同化学计量成分相比氧缺少的氧化硅薄膜区域。
4.一种氧化物薄膜填充结构，包括具有凹陷部分的基底；和形成在凹陷部分中且包含硅和氧的氧化物薄膜；其中氧化物薄膜至少部分包括同化学计量成分相比硅过剩的氧化硅薄膜区域。
5.一种具有根据权利要求1所述的氧化物薄膜填充结构的半导体装置。
6.根据权利要求5所述的半导体装置，其中所述凹陷部分形成在硅衬底上。
7.根据权利要求5所述的半导体装置，其中至少富硅的氧化硅薄膜区域、折射率大于1.465的氧化硅薄膜区域、氧缺少的氧化硅薄膜区域、硅过剩的氧化硅薄膜区域之一形成在所述凹陷部分的底部。
8.根据权利要求6所述的半导体装置，其中所述氧化物薄膜为元件隔离膜。
9.根据权利要求6所述的半导体装置，其中所述氧化物薄膜为层间绝缘薄膜。
10.根据权利要求5所述的半导体装置，其中在氧化物薄膜中包含有氟。
11.根据权利要求5所述的半导体装置，其中在形成在凹陷部分的氧化物薄膜中包含有具有化学计量成分的氧化硅薄膜。
12.根据权利要求11所述的半导体装置，其中具有化学计量成分的氧化硅薄膜形成在凹陷部分的开口附近。
13.一种氧化物薄膜填充方法，包括步骤(X)在基底中形成凹陷部分；和(Y)在凹陷部分中形成包含硅和氧的氧化物薄膜；其中步骤(Y)是形成至少部分包括富硅的氧化硅薄膜区域的氧化物薄膜的步骤。
14.根据权利要求13所述的半导体装置的制造方法，其中步骤(Y)包括下面步骤(Y-1)根据O2/SiH4的流率比小于1.5的条件，利用等离子体CVD方法形成氧化物薄膜。
15.根据权利要求13所述的半导体装置的制造方法，其中步骤(Y)包括下面步骤(Y-2)根据O2/SiH4的流率比小于2的条件，利用使用氢气的等离子体CVD方法形成氧化物薄膜。
16.一种半导体装置的制造方法，包括步骤通过根据权利要求13所述的氧化物薄膜填充方法在基底层具有的凹陷部分中形成氧化物薄膜，其中步骤(Y)是使用等离子体CVD装置在所述凹陷部分中形成包括富硅的氧化硅薄膜区域的氧化物薄膜的步骤。
17.根据权利要求16所述的半导体装置的制造方法，其中当从凹陷部分的底部形成氧化物薄膜至少至预定深度时，给出步骤(Y)。
18.根据权利要求14所述的制造半导体装置的方法，其中当位置从凹陷部分的底部接近开口时，步骤(Y-1)使得流率增加。
19.根据权利要求15所述的半导体装置的制造方法，其中当位置从凹陷部分的底部接近开口时，步骤(Y-2)使得流率增加。
20.根据权利要求16所述的半导体装置的制造方法，其中步骤(Y)是同时形成氧化物薄膜、执行薄膜形成过程和溅射过程的步骤，并且当位置从凹陷部分的底部接近开口时，使得在薄膜形成上溅射的速率降低。
21.根据权利要求16所述的半导体装置的制造方法，其中步骤(Y)包括步骤在凹陷部分的开口附近执行刻蚀过程。
22.根据权利要求16所述的半导体装置的制造方法，还包括步骤(T)在步骤(Y)后，使用其中至少包括氧的气体通过氧等离子体处理氧化氧化物薄膜。
23.根据权利要求22所述的半导体装置的制造方法，其中步骤(T)包括步骤在凹陷部分的开口附近在氧化物薄膜周围执行等离子体氧化。
24.根据权利要求22所述的半导体装置的制造方法，其中在相同的设备中执行步骤(Y)和步骤(T)。
25.根据权利要求22所述的半导体装置的制造方法，其中步骤(T)是使用氧离子或者氧基的氧等离子体处理。
26.根据权利要求16所述的半导体装置的制造方法，其中步骤(Y)是同时形成氧化物薄膜、执行沉积过程、溅射过程的步骤，并且在原料气体中包含有氟。
27.根据权利要求16所述的半导体装置的制造方法，其中步骤(Y)是同时形成氧化物薄膜、执行沉积过程、溅射过程的步骤，并且在原料气体中包含有氢和氦之一。
28.根据权利要求16所述的半导体装置的制造方法，其中步骤(Y)是同时形成氧化物薄膜、执行薄膜形成过程、溅射过程的步骤，并且在原料气体中包含有氩。
全文摘要
本发明的目的在于提供氧化物薄膜的填充结构等，所述氧化物薄膜的填充结构可以利用经济和切实可行的方法，在无需增加RF偏置的情况下，在预定的凹陷部分中没有空隙的形成绝缘薄膜(氧化物薄膜)。根据第一发明，氧化物薄膜填充结构配置有具有凹陷部分(沟槽)的基底(硅衬底)和形成在所讨论凹陷部分中的氧化物薄膜(氧化硅薄膜)。此处，所讨论的氧化物薄膜至少部分包括富硅的氧化硅薄膜区域。
文档编号H01L21/316GK1921084SQ200610121648
公开日2007年2月28日 申请日期2006年8月25日 优先权日2005年8月25日
发明者泽田直人, 浅井孝祐, 宫河义弘, 村田龙纪 申请人:株式会社瑞萨科技