沟槽隔离结构的形成方法与流程

本发明属于半导体制造领域，特别是涉及沟槽隔离结构的形成方法。

背景技术：
随着半导体技术的发展，衬底上电路元件变得越来越密集。为了防止元件间的相互作用，通常在晶体管有源区之间形成沟槽，然后在沟槽中填充介质材料以形成沟槽隔离结构（STI）来达到电学隔离。但是随着集成电路中元件密度的持续增加，这些沟槽的宽度也相应不断减小，因此增加了沟槽的深宽比。深宽比定义为沟槽的深度与宽度的比值。高深宽比的典型值大于3:1，高深宽比的沟槽难以淀积形成厚度均匀的膜，并且会产生夹断和孔洞。现有技术中，高密度等离子体（HDP，highdensityplasma）工艺因其沟槽填充能力强、沉积薄膜质量好以及耗时短而得到了广泛应用。但使用等离子体工艺进行填充，会对沟槽内的衬垫层造成破坏；而且随着深宽比的进一步增大，该方法已经难以满足无间隙填充要求。更多关于HDP工艺的知识，请参考1999年2月16日公开的公开号为US5872058A的美国专利文献。现有技术中，还采用高纵深比填沟工艺（HARP,HighAspectRatioProcess）来实现高深宽比沟槽的无间隙填充。常采用正硅酸乙酯（TEOS）与O3作为反应剂，在680-730℃下淀积，生成的SiO2具有非常好的保形性，可以很好的填充深宽比大于6:1的沟槽。但是该方法生成的SiO2层致密度小，导致吸收水汽，并且张力很大。

技术实现要素：
本发明解决的问题是在填充高深宽比的沟槽时SiO2层容易形成孔洞，而 且形成的SiO2层致密度小、张力大。为解决上述问题，本发明提供一种沟槽隔离结构的形成方法，包括：提供衬底，所述衬底上形成有沟槽，所述衬底位于反应腔内；在所述沟槽的侧壁和底部形成第一氧化硅薄膜层；在反应腔内通入含硅气体，所述第一氧化硅薄膜层表面吸附含硅气体；在所述反应腔内通入含氧气体，所述含氧气体与所述第一氧化硅薄膜层表面吸附的含硅气体反应生成第二氧化硅薄膜层；或者，在反应腔内通入含硅气体，使所述含氧气体激发形成第一含氧等离子体，所述第一含氧等离子体与所述第一氧化硅薄膜层表面吸附的含硅气体反应生成第二氧化硅薄膜层；重复所述通入含硅气体、含氧气体、生成第二氧化硅薄膜层的步骤，直至所述沟槽被完全填充。可选地，使用TEOS与O3或O2反应形成所述第一氧化硅薄膜层。可选地，形成所述第一氧化硅薄膜层后，通入含硅气体之前，在所述反应腔内通入第二含氧等离子体以去除所述第一氧化硅薄膜层表面的杂质。本发明中，除第一氧化硅薄膜层之外的所有氧化硅薄膜层均被称为第二氧化硅薄膜层，即含硅气体与含氧气体或第一含氧等离子体反应生成的氧化硅薄膜层均称为第二氧化硅薄膜层。可选地，在至少一次形成所述第二氧化硅薄膜层后，在所述反应腔内通入第二含氧等离子体以去除所述第二氧化硅薄膜层表面的杂质。即每形成一层所述第二氧化硅薄膜层后，可在所述反应腔内通入第二含氧等离子体以去除该层所述第二氧化硅薄膜层表面的杂质。可选地，形成所述第一氧化硅薄膜层后，通入含硅气体之前，在所述反应腔内通入惰性等离子体轰击所述第一氧化硅薄膜层。可选地，在至少一次形成所述第二氧化硅薄膜层后，在所述反应腔内通入惰性等离子体轰击所述第二氧化硅薄膜层。即每形成一层所述第二氧化硅 薄膜层后，可在所述反应腔内通入惰性等离子体轰击该层所述第二氧化硅薄膜层。可选地，所述含硅气体为SiH4或TEOS。可选地，所述含氧气体为O2或O3。可选地，所述第二含氧等离子体为O2等离子体。可选地，激发所述含氧气体为第一含氧等离子体的功率为100-2000W。可选地，所述含氧气体的流速为100-3000sccm。可选地，所述含氧气体的压强为0.1-100mtorr。可选地，所述第二含氧等离子体中混入稀释气体。可选地，所述稀释气体为He或Ar。可选地，所述惰性等离子体为Ar或He等离子体。可选地，形成所述惰性等离子体的功率为100-2000W。可选地，所述惰性等离子体的流速为100-3000sccm。可选地，所述惰性等离子体的压强为0.1-100mtorr。可选地，在形成所述第一氧化硅薄膜层之前，在所述沟槽内形成氧化层衬垫。与现有技术相比，本发明具有以下优点：在沟槽内形成第一氧化硅薄膜层作为含硅气体的吸附载体。之后，在反应腔内通入含硅气体，所述含硅气体比采用淀积法淀积的SiO2颗粒更容易进入沟槽，而且含硅气体比淀积的SiO2颗粒更容易吸附在第一氧化硅薄膜层表面，并均匀吸附在第一氧化硅薄膜层表面。含硅气体与反应腔内的含氧气体或第一含氧等离子体反应生成致密度高和厚度均匀性好的第二氧化硅薄膜 层，避免了沟槽侧壁上形成凸点，进而避免了由于凸点而造成的孔洞。其次，含硅气体更容易进入第一氧化硅薄膜层中的空隙，形成的第二氧化硅薄膜层填充了第一氧化硅薄膜层中的空隙，提高了第一氧化硅薄膜层的致密度。同理，每形成一层第二氧化硅薄膜层后，通入的含硅气体比采用淀积法淀积的SiO2颗粒更容易进入沟槽，而且含硅气体比淀积的SiO2颗粒更容易吸附在该层第二氧化硅薄膜层表面，并均匀吸附在该层第二氧化硅薄膜层表面，通入的含硅气体还会进入该第二氧化硅薄膜层的空隙中。含硅气体与反应腔内的含氧气体或第一含氧等离子体反应生成致密度高和厚度均匀性好的另一第二氧化硅薄膜层，避免了沟槽侧壁上形成凸点，进而避免了由于凸点而造成的孔洞。形成的另一第二氧化硅薄膜层还能填充上一层第二氧化硅薄膜层的空隙，使沟槽得到致密填充。而且含硅气体与含氧气体或第一含氧等离子体的反应生成的第二氧化硅薄膜层直接依附在第一氧化硅薄膜层表面或上一第二氧化硅薄膜层表面，生成的第二氧化硅薄膜层厚度也较薄，可以避免在反应生成的第二氧化硅薄膜层中产生应力，同时有利于填充。在具体实施例中，使用第二含氧等离子体去除第一、第二氧化硅薄膜层表面的有机物、碳等杂质，提高了第一、第二氧化硅薄膜层表面对含硅气体的物理吸附性能。还可以通入惰性等离子体轰击所述第一、第二氧化硅薄膜层，一方面通过溅射刻蚀所述第一、第二氧化硅薄膜层，增大了沟槽的开口度，有利于含硅气体的进入并吸附在第一、第二氧化硅薄膜层表面；另一方面，惰性气体等离子体与第一、第二氧化硅薄膜层表面碰撞，使第一、第二氧化硅薄膜层致密化，并使第一、第二氧化硅薄膜层中的应力得到释放。使含氧气体激发为第一含氧等离子体时，提高了反应速率，进而提高了沟槽的填充效率。采用TEOS作为含硅气体，和采用O3作为含氧气体可进一步提高反应速率，提高了沟槽的填充效率。附图说明图1是本发明具体实施例的沟槽隔离结构的形成方法流程示意图;图2至图5是本发明具体实施例的制作沟槽隔离结构方法的剖面结构示意图。具体实施方式为使本发明的上述目的、特点和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。其次本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。参照图2，并结合参照图1，执行步骤S1，提供衬底101，所述衬底101上形成有沟槽104，所述衬底101位于反应腔内（未示出）。衬底101可为硅衬底、硅锗衬底、绝缘体上硅（SOI）衬底等常规的半导体衬底。在具体实施例中，衬底101上由下至上还依次形成有隔离氧化层102和氮化物层103。所述隔离氧化层102用于保护有源区在去掉氮化物层103的过程中免受化学沾污，其材料可以为SiO2。所述氮化物层103可以在填充沟槽的过程中保护有源区，还可以在后续平坦化工艺中作为阻挡材料，其材料可以为氮化硅。形成沟槽104的方法可以为干法刻蚀或湿法刻蚀。在具体实施例中，沟槽104形成后，可以在沟槽104的侧壁上生长一层衬垫氧化层（未示出），用于改善衬底101与填充氧化硅之间的界面特性。参照图3，并结合参照图1，执行步骤S2，在所述沟槽104的侧壁和底部形成第一氧化硅薄膜层105。在具体实施例中，采用TEOS与O3作为气源，使用化学气相沉积法形成第一氧化硅薄膜层105，沉积时间为1-50s。由于没有使用等离子体，不会对所述衬垫氧化层衬垫造成损伤。衬底101材料本身吸附含硅气体的能力较弱，所以需要以沉积的方式先在沟槽104内形成第一氧化硅薄膜层105作为吸附后续通入的含硅气体的载体。TEOS具有很高的迁移率，以TEOS作为原料，反应后生成的氧化硅具有非常好的阶梯覆盖能力，形成的氧化硅薄膜层厚度均匀。以TEOS与O3反应为例，反应难免不完全，未参与反应的TEOS会吸附在第一氧化硅薄膜层105表面，或者由于反应不充分，反应后TEOS中的碳未以气体形式溢出而粘附在第一氧化硅薄膜层105表面。这些有机物、碳等杂质粘附在第一氧化硅薄膜层105表面减弱了第一氧化硅薄膜层105表面的活性，降低了第一氧化硅薄膜层105表面对含硅气体的吸附能力。在具体实施例中，形成所述第一氧化硅薄膜层105后，会在所述反应腔内通入第二含氧等离子体以去除所述第一氧化硅薄膜层105表面吸附的有机物、碳等杂质，暴露出所述第一氧化硅薄膜层105表面的断键，以提高所述第一氧化硅薄膜层105表面对含硅气体的吸附性能。所述第二含氧等离子体可以为O2等离子体，所述含氧等离子体的流速为100-3000sccm，压强为0.1-100mtorr，并由O2在100-2000W的射频偏置下激发为O2等离子体。O2等离子体与粘附在第一氧化硅薄膜层105表面的有机物、碳等杂质反应速率很快，产生过高的温度可能会导致这些杂质扩散进入第一氧化硅薄膜层105内部，为了控制反应速率，可以在所述含氧等离子体中混入稀释气体，稀释气体还可以将反应生成的气体带出反应腔。所述稀释气体可以为He或Ar。在具体实施例中，还可以在形成所述第一氧化硅薄膜层105后，通入惰性等离子体1-50s。所述惰性等离子体在反应腔内加速而获得动能，并定向迁移 至第一氧化硅薄膜层105表面，并轰击第一氧化硅薄膜层105，轰击后使得第一氧化硅薄膜层105中的材料被溅射，该过程称为溅射刻蚀。由于被刻蚀的材料表面在45°方向上的刻蚀速率大约为垂直方向上的3-4倍，所以仅在所述沟槽104顶部的第一氧化硅薄膜层105被刻蚀，刻蚀后呈45°倾斜，而其他部位的第一氧化硅薄膜层105未被损伤。所述溅射刻蚀增大了沟槽104的开口度，有利于含硅气体的进入并吸附在所述第一氧化硅薄膜层105表面，而且仅刻蚀所述沟槽104顶部的第一氧化硅薄膜层105，而其他部位的第一氧化硅薄膜层105不会被损伤。所述惰性气体等离子体与所述第一氧化硅薄膜层105表面碰撞时，其效果犹如对金属进行喷砂处理，不仅能使所述第一氧化硅薄膜层105致密化，还能释放所述第一氧化硅薄膜层105中存在的应力，而且由于惰性等离子体性质稳定，不会与第一氧化硅薄膜层105发生反应。所述惰性等离子体可以为Ar或He等离子体，Ar或He等离子体在100-2000W的射频偏置下形成，Ar或He等离子体的流速为100-3000sccm，压强为0.1-100mtorr。上述通入第二含氧等离子体以去除所述第一氧化硅薄膜层105表面吸附的有机物、碳等杂质工艺，与通入惰性等离子体工艺可以单独采用，也可以都采用，并且两工艺无严格先后次序。参照图1，执行步骤S3，在反应腔内通入含硅气体，所述第一氧化硅薄膜层105表面吸附含硅气体.在具体实施例中，含硅气体可以为SiH4或TEOS。参照图4，所述含硅气体比采用淀积法淀积的SiO2颗粒更容易进入沟槽104，而且含硅气体比淀积的SiO2颗粒更容易吸附在第一氧化硅薄膜层105表面，并更容易均匀吸附在第一氧化硅薄膜层105表面。含硅气体与反应腔内的含氧气体或第一含氧等离子体反应生成致密度高和厚度均匀性好的第二氧化硅薄膜层106，避免了沟槽104侧壁上形成凸点，进而避免了由于凸点而造成的孔洞，可以得到无间隙的沟槽填充。其次，含硅气体更容易进入第一氧化硅薄膜层105中的空隙，形成的 第二氧化硅薄膜层填充了第一氧化硅薄膜层中的空隙，提高了第一氧化硅薄膜层105的致密度。而且含硅气体与含氧气体或第一含氧等离子体反应生成的第二氧化硅薄膜层106直接依附在第一氧化硅薄膜层105表面，生成的第二氧化硅薄膜层厚度106也较小，可以避免在反应生成的第二氧化硅薄膜层106中产生应力。第一氧化硅薄膜层105吸附含硅气体具有上限，如果通含硅气体的时间过长，并不能增加第一氧化硅薄膜层105对含硅气的吸附量，导致原料浪费，而且第一氧化硅薄膜层105对含硅气的吸附量并非越大越好，吸附过多的含硅气可能导致含硅气与含氧气体或第一含氧等离子体的反应不完全，生成的第二氧化硅薄膜层106的杂质含量较多，影响后续工艺的进行，形成的第二氧化硅薄膜层106过厚还可能产生较大的应力。通含硅气体的时间过短，则沟槽填充效率不高。通常，通含硅气体的时间为1-50s。参照图4，并结合参照图1，执行步骤S4，在所述反应腔内通入含氧气体，所述含氧气体与所述第一氧化硅薄膜层105表面吸附的含硅气体反应生成第二氧化硅薄膜层106；或者，在所述反应腔内通入含氧气体，使所述含氧气体等激发形成第一含氧等离子体，所述第一含氧等离子体与所述第一氧化硅薄膜层105表面吸附的含硅气体反应生成第二氧化硅薄膜层106。在具体实施例中，所述含氧气体可以为O2或O3，所述含氧气体的流速为100-3000sccm，压强为0.1-100mtorr，还可以在100-2000W的射频偏置下激发为等离子体。含硅气体与含氧气体或第一含氧等离子体的反应生成的第二氧化硅薄膜层106直接依附在第一氧化硅薄膜层105表面，生成的第二氧化硅薄膜层106厚度也较小，可以避免在反应生成的第二氧化硅薄膜层106中产生应力。使用O2或O3等离子体进行反应，可以提高反应速率，进而提高沟槽的填充效率。第一氧化硅薄膜层105与第二氧化硅薄膜层106之间并无明显接线，但为 描述方便，图4中将两者分开，两者之间加入接线以区分。参照图5，并结合参照图1，执行步骤S5，重复所述通入含硅气体、含氧气体、生成第二氧化硅薄膜层106的步骤，直至所述沟槽104被完全填充。每形成一层第二氧化硅薄膜层后，通入的含硅气体会进入该层第二氧化硅薄膜层的空隙中，所述含硅气体与反应腔内的含氧气体或第一含氧等离子体反应形成的另一第二氧化硅薄膜层会将该层第二氧化硅薄膜层的空隙填充，沟槽可以得到致密填充。而且含硅气体与含氧气体或第一含氧等离子体的反应生成的第二氧化硅薄膜层106直接依附在上一第二氧化硅薄膜层表面，生成的第二氧化硅薄膜层厚度也较小，可以避免在反应生成的第二氧化硅薄膜层中产生应力。本发明中，除第一氧化硅薄膜层之外的所有氧化硅薄膜层均被称为第二氧化硅薄膜层，即含硅气体与含氧气体或第一含氧等离子体反应生成的氧化硅薄膜层均称为第二氧化硅薄膜层。每形成一层所述第二氧化硅薄膜层后，可在所述反应腔内通入第二含氧等离子体以去除该层所述第二氧化硅薄膜层表面的杂质。每形成一层所述第二氧化硅薄膜层后，还可在所述反应腔内通入惰性等离子体轰击该层所述第二氧化硅薄膜层。但并非每形成一层所述第二氧化硅薄膜层后都要求在所述反应腔内通入第二含氧等离子体以去除该层所述第二氧化硅薄膜层表面的杂质或可在所述反应腔内通入惰性等离子体轰击该层所述第二氧化硅薄膜层。上述通入第二含氧等离子体以去除所述第二氧化硅薄膜层表面吸附的有机物、碳等杂质工艺，与通入惰性等离子体工艺可以单独采用，也可以都采用，并且两工艺无严格先后次序。本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。