专利名称：用电介质材料形成隔离沟槽的方法
技术领域：
本发明涉及一种用电介质材料形成半导体器件的隔离沟槽的方法，并且涉及一种形成存储器件中的隔离沟槽的方法。
背景技术：
由于集成电路中的基本原理尺寸收缩，增加了填充高纵横比沟槽的问题，特别是对于浅沟槽隔离(STI)工艺中使用的隔离沟槽，其通常使用于现代工艺中。
此外，随着更高的纵横比，增加了用电介质材料无空隙和缝隙地填充沟槽的难度。一种克服该问题的可能性是为了填充沟槽使用旋涂电介质材料。但是，旋涂电介质材料或旋涂玻璃必须承受高密度化和/或固化工艺。为了得到例如用于进一步湿法蚀刻工艺的低湿法蚀刻速率，高密度工艺是必须的。不幸的是，高密度化工艺伴随着材料的收缩，其在高纵横比沟槽的深度上是不均匀的。这是由于材料粘合到沟槽的侧壁并极大地依赖于所填充的结构的形状。具体的，对于三维器件的集成方案，化学制品进入隔离沟槽的电介质填充物材料，由此不充分的固化和/或高密度化导致不利的高蚀刻速率。
所提出的发明描述了一种方法，其使用牺牲材料，以便提供将通过随后的高密度化工艺来消耗的填充物材料的储存空间。另外，在高密度化之前去除牺牲材料也确保了该密度化工艺具有增加的均匀性。
美国专利No.6,869,860描述了一种具有聚硅氮烷材料的高纵横比隔离结构的填充物。在该文献中，描述了用于填充半导体器件的沟槽(例如浅沟槽隔离(STI))的旋涂玻璃或旋涂电介质材料。
通过下列步骤来处理包含一系列具有与此相关的热平衡的热敏电路元件和包括一系列隔离沟槽的集成电路提供硅衬底；在形成隔离沟槽之前形成具有热平衡的至少一个电路元件；在所述硅衬底中蚀刻所述系列沟槽；以包含硅氮烷的旋涂沟槽电介质材料来填充所述一系列沟槽；在小于约450℃的温度处加热所述衬底，通过在大约450℃到大约900℃之间的温度的包含H2O的气氛中加热将所述沟槽电介质材料中的张应力转变为压缩应力；通过在800℃以上的温度的包含氧气的气氛中加热来退火所述衬底；和完成所述集成电路。另外，当在氧气气氛中退火的步骤之后通过CMP平坦化沟槽电介质材料；且在平坦化步骤之后，在包含水蒸气的气氛中进行充分时间的退火以转换沟槽底部的沟槽电介质材料中的硅氮键为硅氧键。
此外，美国专利No.6,699,799 B2公开了一种用于形成半导体器件的方法。形成半导体器件的方法包括在其上沉积旋涂玻璃层之前共形地堆叠在半导体衬底上的衬垫。此后，优选在当使用氧气或氢气时在1000℃或更高的温度形成的氧基氛围中固化旋涂玻璃层。优选由对臭氧进行UV射线照射或形成氧等离子体而形成的氧基。旋涂玻璃层优选由可促进旋涂玻璃层到氧化硅层的转化的聚硅氮烷基材料制成。在高温退火工艺期间，布置在旋涂玻璃层下的硅层通过扩散的氧转化为氧化硅层。
发明内容
本发明提供一种具有改进的技术特征(例如更低湿法蚀刻速率和更高密度)的绝缘填充材料。
本发明还提供一种用于制造具有改进的化学和机械性能的绝缘旋涂电介质材料或绝缘旋涂玻璃材料的方法。
本发明的另一实施例中还提供一种使用旋涂电介质材料以改进的均匀性在半导体器件上形成绝缘沟槽的方法。此外，本发明提供一种用液体电介质材料以更低的湿法蚀刻速率和更高的密度来形成隔离材料的方法。本发明提出用于以液体电介质材料填充沟槽的方法，其中，该液体电介质材料包括粒子，其中在退火工艺期间，这些粒子被化学转化(例如，被氧化)，以便形成比该粒子的体积更大的氧化粒子。
在本发明的一个实施例中，提供一种在半导体器件上用液体电介质材料形成隔离沟槽的方法，包括提供衬底；在衬底中形成布置在侧壁之间的沟槽；在该侧壁上形成一空间，该空间直接相邻于沟槽并通过一开口面与沟槽连接；用液体电介质材料填充该沟槽中的空间；固化该液体电介质材料；去除侧壁并固化该沟槽中的电介质填充物。
在本发明的另一个实施例中，提供一种用液体电介质材料在半导体器件上形成隔离沟槽的方法，包括提供衬底；在衬底中形成沟槽；在衬底中形成孔，该孔直接相邻于该沟槽并通过一开口面与沟槽连接；用牺牲材料填充该孔，并且该孔中提供一空间，该空间具有通向该沟槽的开口面；用液体电介质材料填充该沟槽和该空间；固化该液体电介质材料；去除该孔的牺牲材料并固化填充在沟槽中的电介质。
在本发明的一个方面中，提供一种用改进的电介质材料形成隔离沟槽的方法。该改进的电介质材料这样来实现，即用牺牲材料的受控侧面凹槽来提供对在随后的固化工艺将被消耗的沟槽填充材料的存储空间。本发明的优点在于，提出了一种用液体电介质材料形成隔离沟槽的方法，其在固化之后展示出了关于湿法蚀刻和更高密度的改进的机械和化学性能。
本发明可使用于CMOS制造工艺(例如用于形成高纵横比的隔离沟槽)，并且可用于制造三维器件，例如FIN-FET。
本发明的另一个方面提供一种改进的液体电介质材料，导致隔离沟槽填充有在固化工艺期间更小收缩的材料。这在一个实施例中是通过包含粒子的液体电介质材料来完成的，这些粒子在随后的固化过程中被化学转化(例如被氧化)，以形成比该粒子体积大的氧化粒子。
本发明的另一个实施例提出用液体电介质材料填充沟槽的方法，其中，该液体电介质材料包含粒子，这些粒子被化学处理形成为比未处理粒子的体积大的粒子。
本发明的又一个实施例提出一种用于填充沟槽的填充材料，其包含液体电介质材料；该液体电介质材料包含粒子，其中，这些粒子被化学处理形成为比未处理粒子的体积大的粒子。
另一个实施例提出一种沉积具有粒子的电介质材料的方法，这些粒子被化学处理形成为比未处理粒子的体积大的粒子。
下面将参考示例性实施例和附图更加详细地说明本发明，其中图1示出具有沟槽和已填充的孔的衬底。
图2示出具有沟槽和孔的衬底，其中，该孔的牺牲材料从沟槽的侧部凹进。
图3示出已填充的衬底沟槽。
图4示出去除牺牲材料之后的结构。
图5示出在该最终固化工艺之后的结构。
图6示出具有沟槽和孔的衬底的横截面图。
图7-12示出使用液体电介质材料形成隔离沟槽的工艺。
具体实施例方式
本发明可使用于使用电介质材料的任何技术领域。本发明用于制造具有高纵横比的隔离沟槽，例如用于制造半导体器件的隔离沟槽。本发明的方法可用于制造三维电子器件的隔离沟槽，例如FIN-FET。此外，发明的方法可用于CMOS工艺和制造存储器，例如DRAM存储器或逻辑器件。
考虑到DRAM存储器以及用于制造DRAM存储器的方法为例描述了本发明。但是，本发明的方法的使用不限于本示例。DRAM存储器包含具有晶体管和数据存储元件(例如沟槽电容器)的存储器单元。该存储元件形成在半导体衬底1中。该半导体衬底1通常由硅晶片形成。在衬底1的上表面上，形成沟槽2。这些沟槽可用于不同的元件、电路或器件，并用以形成隔离电介质沟槽。邻近于沟槽2，孔3被引入到衬底1的表面。可以通过任何常规工艺来将沟槽2和孔3蚀刻至衬底1中，例如反应离子刻蚀或湿法刻蚀工艺。孔3直接相邻于沟槽2，且孔3包含将沟槽2直接连接到孔3的开口面4。在所描述的实施例中，孔3布置在两个沟槽2之间并以开口面连接到这两个相邻的沟槽2。该图示出了彼此平行排列的三个沟槽2。衬底1包含多个沟槽3，其中图1仅描述了衬底1的一部分。
在沟槽2和孔3之间，布置有衬底材料5。孔3的底部可以是沟槽电容器的内部电极的部分，或者是晶体管(即存储单元的晶体管)的源或漏区的部分。该晶体管和电容器布置在衬底1的下部区域中。孔3中填充有牺牲材料7，例如多晶硅。该牺牲材料7包含开口面4作为接壤该沟槽2的平面表面。
在随后的工艺步骤中，将空间6引入到牺牲材料7的开口面4中。该工艺步骤在图2中描述。在该开口面4处，孔3的牺牲材料7包含空间6。空间6构成了牺牲材料7中的凹槽，其在沟槽2的方向上敞开。
该空间6被引入到牺牲材料7，这例如是通过各向同性的选择性湿法蚀刻工艺来完成的。蚀刻液体被引入到沟槽2中，且从开口面4一侧蚀刻牺牲材料7。牺牲材料7的上表面优选不凹进。在另一实施例中，牺牲材料7沉积在具有邻接开口面4的空间6的孔3中。在该实施例中，牺牲材料7的沉积与空间6的形成是在一个工艺步骤中完成的。
在随后的工艺步骤中，沟槽2和空间6填充电介质材料。例如氧化硅、SiO2以高密度等离子体HDP技术沉积。尽管也可以以化学气相沉积工艺(CVD)来沉积其它电介质材料。在另一个实施例中，在沟槽2和空间6中填充液体电介质材料，例如聚硅氮烷基旋涂电介质材料8。基于该实施例，也可以使用旋涂玻璃来填充沟槽2和牺牲材料的空间6，如图3所示。在空间6中，以该旋涂电介质材料8形成延伸部分9。
称为旋涂电介质(SOD)或旋涂玻璃(SOG)的沟槽电介质材料填充物质被施加到衬底1，其被旋转以便将该材料十分均匀地涂敷在该表面上。具有适当低粘度的该材料渗入到各个孔隙并溢出孔3和沟槽2。基于该实施例的工艺，通过化学机械抛光工艺或通过回蚀刻步骤来平坦化该溢出的衬底1，以去除多余的填充物材料。
在又一个工艺步骤中，固化电介质材料，特别是液体电介质材料，这例如是通过退火或预固化工艺来进行的。接着从孔3中去除该牺牲材料7，且电介质材料8保留在沟槽2中和空间6的区域中，如图4所示。在最终固化工艺期间固化电介质材料8，其中电介质材料8收缩。基于所使用的电介质材料，收缩体积或小或大。尤其是，液体电介质材料显示出了大的收缩。依照电介质材料8的收缩，该延伸部分9从孔3缩回，导致沟槽2中的电介质材料8在邻近于孔3处形成大约为平面的侧壁10，如图5所示。为了得到平面侧壁10，根据用于填充沟槽2的电介质材料来计算空间6的形状和体积。
该最终固化工艺可包括在氧化气氛中对旋涂电介质材料进行的退火工艺。在包含水蒸气的气氛中进行的常规退火步骤将氮、氢和硅氮烷转化为氨和从材料中溢出的氢分子，由此，残留剩余物为大量的氧化硅。因此，沟槽2就被由氧化硅制成的电介质填充材料所填充，从而形成隔离沟槽2。该气氛中氧的存在帮助Si-N键转化为Si-O键。沟槽2中的最终电介质材料8的性能取决于该转化完成的程度。基于所使用的工艺，可以在从孔3去除该牺牲材料7之前使用预烘培步骤。另外，可以在去除牺牲材料7之前对该结构在表面上进行化举-机械抛光，以从衬底1的表面去除多余的旋涂电介质材料。
在最终固化工艺期间，衬底1可以在处于450到800℃温度范围内的水蒸气中退火。该工艺的优点是，在最终固化工艺期间，布置在沟槽2中的电介质材料8的延伸部分9能够自由收缩，且沟槽2中的电介质材料获得更高的密度。该优点在于电介质材料8具有更低的湿法蚀刻速率和更小的应力。电介质材料可以在开口面4的区域内容易地收缩，并且，在没有夹紧侧壁的情况下在这些区域中变得更加密集。延伸部分9的材料可以补偿在固化工艺期间由于该收缩过程而引起的体积损失。优选地，空间6的体积与该收缩体积相当，使得在延伸部分的区域处几乎为平面，如图5所示。
图6描述了在该最终固化工艺之后，具有填充了电介质材料8的沟槽2的衬底1的横截面图，沟槽3和孔2具有相同的深度，但这并不是必须的。
在另一个工艺步骤中，用导电材料来填充该孔3，用于形成例如一种用于将位线电连接到存储单元的位触点，或者用于为DRAM的深沟槽电容器的内部电极形成电触点。
在两个孔3和填充有电介质隔离材料8的两个相邻沟槽2之间的衬底材料5可以处理为晶体管的有源区。
在另一个实施例中，使用液体电介质材料作为包含粒子的填充材料，例如在固化工艺期间氧化并增大了其体积的硅粒子。该方法能够补偿固化工艺期间由于收缩引起的至少部分体积损失。对于该氧化工艺，在处于450到800℃温度范围内的水蒸气中进行退火20到120分钟的时间。这确保粒子例如氧化为粒子和氧形成的键。作为粒子，例如可以使用硅粉末，其氧化为硅氧键。硅粉末与液体电介质材料(即旋涂电介质或旋涂玻璃)混合。
这些粒子的尺寸可小于沟槽2宽度的十分之一(该沟槽2中填充有包含该粒子的液体电介质材料)，以确保均匀地填充液体电介质材料与硅粒子的混合物。
图7-12描述了用于在衬底上沉积隔离材料的方法的另一个实施例的工艺步骤。
图7描述了包含电气或电子部件(例如晶体管和/或电气线路和/或电容器)的第二衬底12的截面示意图。第二衬底12可包括具有晶体管和电容器的存储元件。在第二衬底12的表面上布置栅极叠层14，其由氧化物衬垫13覆盖。该氧化物衬垫13覆盖第二衬底12的表面和栅极叠层14的表面。栅极叠层14是晶体管的一部分。晶体管的源区和漏区布置在第二衬底12中且在图中未示出。氧化物衬垫13由硅层15覆盖，该硅层15例如由非晶硅形成。在硅层15的表面上，光刻胶层16布置在两个栅极叠层14之间。
在随后的工艺中，在蚀刻工艺中以由光刻胶层16构成的蚀刻掩模的形状去除硅层15，如图8所示。图8描述了现有技术中所使用的常规工艺步骤。
但是，依照新的观点，光刻胶层16包含更小的宽度W。在示出的示例中，该宽度W等于两个最接近的栅极叠层14之间的距离。在随后的蚀刻工艺中，如图9所示从衬底去除非晶硅层15。与如图8所示的现有技术相反，保留的硅部分18更小，从而为沉积在该结构上的电介质材料8提供了附加的第二空间17。图10描述了覆盖在硅部分18之间的空间上的电介质材料8的实施例。
当用电介质材料填充该结构之后，优选进行预固化步骤来提升电介质材料8的密度。之后，为了去除电介质材料8使其降低到硅部件18的表面，进行化学-机械抛光工艺。
在随后的工艺步骤中，通过蚀刻工艺去除该硅部分18。这就向下打开了栅极叠层14之间的结构，直至该氧化物衬垫13。如此，如图11所示在栅极叠层14之间形成了触点孔19。
在形成触点孔19的蚀刻工艺之后，实施最终固化工艺。在该最终固化工艺期间，电介质材料8的横向尺寸和竖向尺寸收缩，如图12所示。横向尺寸的收缩尺寸优选与第二空间17的横向尺寸相同。这意味着在该最终固化工艺之后，电介质材料8具有与现有技术相同的横向尺寸，但是具有更高的密度，并由此对于湿法蚀刻工艺来说具有更低的速率。
在图中未示出的进一步步骤中，去除位于栅极叠层14之间的触点孔19中的氧化物衬垫13，并且在栅极叠层14之间形成位触点，从而在位于第二衬底12中的电器件与布置在旋涂电介质材料8上的位线之间设置了一种电连接元件。
在该实施例中，电介质材料8构成隔离沟槽或位触点之间的区域。
可以使用不同材料作为电介质材料。例如，可以使用通过高密度等离子体或化学气相沉积工艺沉积的氧化硅。此外，可以使用液体电介质材料(即旋涂电介质材料或旋涂玻璃)作为电介质材料。在另一个实施例中，使用包含粒子的液体电介质材料，该粒子能够被化学转换，例如如上述那样氧化成具有更大体积的化合物。
本实施例的基本理念也是在该最终固化工艺之前为该电介质材料8提供横向和/或竖向的的额外的自由第二空间17。在该最终固化工艺期间，电介质材料8横向和/或竖向收缩到所需的尺寸。该工艺具有如此优点电介质材料8的所需尺寸可以以更高精度形成，且在该最终固化工艺之后，电介质材料8的密度增加。旋涂电介质材料的更高密度具有如此优点降低了湿法蚀刻工艺的蚀刻速率且改进了电介质材料8的均匀性。
基本地，本发明涉及一种填充半导体衬底的沟槽的方法，包含步骤提供衬底，在衬底中形成沟槽，用液体电介质材料填充沟槽并固化液体电介质材料，其中，液体电介质材料包含粒子，这些粒子在填充沟槽之后(例如在固化步骤中)增大了它们的体积，。在另一个实施例中，与液体电介质材料相比，该电介质材料包含具有更高硅浓度的硅团簇。这些硅团簇可包含纯硅或SiO组合物。可将硅或一氧化硅氧化为具有增大体积的氧化硅(SiO2)。可在包含氧、臭氧、水蒸气、氧化氮(N2O)中的一种或多种气体的气氛中进行该固化步骤。所使用的粒子在进行该氧化过程(例如该固化步骤)之前可具有比20nm小的尺寸。
权利要求
1.一种用电介质材料形成半导体器件的隔离沟槽的方法，包括提供衬底；在衬底中形成沟槽；在衬底中形成孔，该孔直接相邻于该沟槽并通过一开口面与沟槽连接；用牺牲材料填充该孔，并且该孔中提供一空间，该空间具有通向该沟槽的开口面；在沟槽中和该孔的该空间中沉积电介质材料；去除该孔中的牺牲材料；和固化该电介质材料。
2.依照权利要求1所述的方法，其中，用导电材料填充该孔，从而形成电触点。
3.依照权利要求1所述的方法，其中，在去除该牺牲材料之前固化该电介质材料。
4.依照权利要求1所述的方法，其中，在固化该电介质材料之前对该电介质材料进行化学-机械抛光。
5.依照权利要求1所述的方法，其中，用构成电触点的金属填充该凹槽。
6.依照权利要求1所述的方法，其中，制成存储器。
7.依照权利要求1所述的方法，其中，制成DRAM。
8.依照权利要求1所述的方法，其中，在沟槽中填充液体电介质材料，且在该孔的牺牲材料被去除之前固化该液体电介质材料。
9.依照权利要求8所述的方法，其中，该液体材料包含粒子，且该液体电介质材料在具有氧的气氛中退火，使得该粒子被氧化形成绝缘体。
10.依照权利要求8所述的方法，其中，使用硅粒子并将其氧化为氧化硅。
11.依照权利要求2所述的方法，其中，使用该孔来形成布置在衬底中的电容器的电触点。
12.依照权利要求11所述的方法，其中，该电容器是存储单元的一部分。
13.依照权利要求2所述的方法，其中，该触点形成为位线和布置在衬底中的存储单元的晶体管之间的位触点。
14.依照权利要求10所述的方法，其中，用填充有该电介质材料的沟槽形成一种浅沟槽隔离。
15.依照权利要求1所述的方法，其中，使用该方法来形成存储器件。
16.依照权利要求1所述的方法，其中，使用该方法来形成逻辑器件。
17.依照权利要求1所述的方法，其中，该液体电介质材料包含粒子，该粒子被化学处理，以形成与未处理粒子相比具有增大体积的粒子。
18.依照权利要求17所述的方法，其中，使用聚硅氮烷基液体电介质材料。
19.依照权利要求17所述的方法，其中，使用硅粒子，并用氧气氧化该硅粒子以形成氧化硅。
20.依照权利要求17所述的方法，其中，该粒子的尺寸小于该沟槽的宽度的十分之一，该沟槽填充有包含该粒子的该液体电介质材料。
21.一种用液体电介质材料在半导体器件上形成隔离沟槽的方法，包括提供衬底；在衬底中形成布置在侧壁之间的沟槽；在该侧壁中形成一空间，该空间直接相邻于沟槽并通过一开口面与沟槽连接；在该空间和沟槽中沉积电介质材料；固化该液体电介质材料；去除该测壁；和固化该沟槽的电介质填充物。
22.一种填充半导体衬底的沟槽的方法，包括步骤提供衬底，在衬底中形成沟槽，用液体电介质材料填充该沟槽；和固化该液体电介质材料，其中，该液体电介质材料包含粒子，这些粒子在填充该沟槽之后，例如在固化步骤期间，增大了它们的体积。
23.依照权利要求22所述的方法，其中，该液体电介质材料是旋涂玻璃。
24.依照权利要求22所述的方法，其中，该液体电介质材料包含聚硅氮烷。
25.依照权利要求22所述的方法，其中，在该液体电介质材料中布置有硅团簇，该硅团簇具有比该液体电介质材料更高的硅浓度。
26.依照权利要求25所述的方法，其中，该粒子是硅粒子。
27.依照权利要求22～26之一所述的方法，其中，该粒子在固化步骤中被氧化。
28.依照权利要求27所述的方法，其中，在包含氧气、臭氧、水蒸气、N2O中的一种或多种气体的气氛中进行该固化步骤。
29.依照权利要求28所述的方法，其中，以450到800℃之间的温度执行该固化工艺。
30.依照权利要求22所述的方法，其中，这些粒子包括在该固化步骤之前尺寸小于该沟槽宽度十分之一的粒子。
31.依照权利要求22所述的方法，其中，这些粒子包括在该固化步骤之前尺寸小于20nm的粒子。
32.一种液体电介质材料，包含旋涂玻璃，并且进一步包含可氧化的粒子。
33.依照权利要求32所述的材料，其中，该可氧化的粒子包含硅粒子。
34.依照权利要求33所述的材料，其中，该硅粒子包含尺寸小于20nm的粒子。
全文摘要
本发明涉及一种用电介质材料形成半导体器件的隔离沟槽的方法，并且涉及形成存储器件中的隔离沟槽的方法。
文档编号H01L21/762GK1979799SQ20061016274
公开日2007年6月13日 申请日期2006年10月19日 优先权日2005年10月19日
发明者U·维尔豪森, H·海德梅耶, J·里古尔 申请人:奇梦达股份公司