提高浅沟道隔离结构窄宽度效应的方法
【专利摘要】本发明提供了一种提高浅沟道隔离结构窄宽度效应的方法，包括：提供包含有第一材料层与第二材料层的半导体衬底；依次形成氧化层与氮化层；进行第一次刻蚀，以在所述氮化层、氧化层、第一材料层和第二材料层上形成第一浅沟道隔离凹槽；在所述第一浅沟道隔离凹槽中，对所述第二材料层进行第二次刻蚀，形成第二浅沟道隔离凹槽；填充隔离材料；去除所述氮化层，形成浅沟道隔离结构。本发明通过对第二材料层进行第二次刻蚀，在保证源/漏区域有效面积不变的情况下，扩大浅沟道隔离结构底部的宽度，增加了浅沟道隔离结构的隔离效果，在一定程度上提高了半导体器件的阈值电压，从而提高半导体器件的性能。
【专利说明】提高浅沟道隔离结构窄宽度效应的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种提高浅沟道隔离结构窄宽度效应的 方法。
【背景技术】
[0002] 半导体器件各元件之间的隔离通常是通过局部硅氧化（LOCOS)和浅沟道隔离 (Shallow Trench Isolation，STI)来实现的。
[0003] 在这两者中，LOCOS方法的操作简单，并能同时形成宽隔离薄膜和窄隔离薄膜。但 是，在L0C0S方法中，边氧化会形成鸟啄型蚀像（bird break)，因而使得隔离区域变宽，导 致源/漏区域的有效面积减少。而且，在L0C0S方法中，取决于热膨胀系数之间差的应力在 域氧化物薄膜的形成过程中集中到氧化物薄膜的边缘，导致在硅衬底上形成晶体缺陷而引 起大量的电流泄露。
[0004] 因此，浅沟道隔离技术是必不可少的。浅沟道隔离具有优异的隔离性能、平坦的表 面形状、良好的抗锁定性能、几乎为零的场侵蚀、较小的漏电流和结电容等特点，现已成为 半导体器件制造工艺的主流隔离技术。
[0005] 传统的形成浅沟道隔离结构的主要工艺步骤包括：
[0006] 步骤01 :提供半导体衬底100,在所述半导体衬底100上依次形成氧化层101和氮 化层102,如图Ia所示。
[0007] 步骤02:依次刻蚀所述氮化层102、氧化层101和部分半导体衬底100形成浅沟道 隔离凹槽103,如图Ib所示。
[0008] 采用干法刻蚀和高深宽比工艺（HARP)形成的浅沟道隔离凹槽103,形貌可以为上 宽下窄的V形或倒梯形。
[0009] 步骤03:采用化学气相沉积或热氧化的方法，在所述浅沟道隔离凹槽103内壁形 成衬氧化层104,形成浅沟道隔离凹槽105,如图Ic所示。
[0010] 步骤04 :采用高深宽比工艺或高密度等离子体化学气相沉积（HDPCVD)工艺，在所 述浅沟道隔离凹槽105中填充绝缘氧化层106,平坦化所述绝缘氧化层106,并去除氮化层 102,形成浅沟道隔离结构，如图Id所示。
[0011] 通常，在CMOS器件工艺中，器件的阈值电压随着沟道宽度的变窄而增大，即窄宽 度效应（narrow width effect);但是在浅沟道隔离工艺中，器件的阈值电压随着沟道宽度 的变窄而降低，称为反窄宽度效应（reverse narrow width effect)。随着CMOS器件尺寸 不断缩小，特别是进入到65nm及以下节点，反窄宽度效应已经成为制约小尺寸器件性能的 重要因素。
【发明内容】
[0012] 本发明提供了一种提高浅沟道隔离结构窄宽度效应的方法，以解决现有技术中随 着半导体器件尺寸的缩小，半导体器件的阈值电压随着沟道宽度的变窄而降低，从而影响 半导体器件性能的问题。
[0013] 本发明提供的提高浅沟道隔离结构窄宽度效应的方法，包括：
[0014] 提供一半导体衬底，所述半导体衬底包含有第一材料层与第二材料层；
[0015] 在所述半导体衬底上依次形成氧化层与氮化层；
[0016] 进行第一次刻蚀，在所述氮化层、氧化层、半导体衬底第一材料层和第二材料层上 形成第一浅沟道隔离凹槽；
[0017] 在所述第一浅沟道隔离凹槽中，对所述半导体衬底第二材料层进行第二次刻蚀， 形成第二浅沟道隔离凹槽；
[0018] 在所述第二浅沟道隔离凹槽中填充隔离材料，并进行平坦化处理；
[0019] 去除所述氮化层，形成浅沟道隔离结构。
[0020] 进一步的，所述半导体衬底第一材料层与第二材料层的材质不同。
[0021] 进一步的，所述半导体衬底第一材料层的材质为硅、锗化硅或碳化硅。
[0022] 进一步的，所述半导体衬底第二材料层的材质为硅、锗化硅或碳化硅。
[0023] 进一步的，所述锗化硅中锗的摩尔比为0. 2?0. 45。
[0024] 进一步的，所述碳化硅中碳的摩尔比为0. 05?0. 2。
[0025] 进一步的，所述半导体衬底第一材料层的厚度为20nm?100nm。
[0026] 进一步的，所述氧化层的厚度为100A?400A。
[0027] 进一步的，第一次刻蚀为湿法刻蚀。
[0028] 进一步的，所述硅或锗化硅的第二次刻蚀为湿法刻蚀。
[0029] 进一步的，采用氢氟酸对硅进行湿法刻蚀。
[0030] 进一步的，采用醋酸对锗化硅进行湿法刻蚀。
[0031] 进一步的，所述碳化硅的第二次刻蚀为干法刻蚀。
[0032] 进一步的，采用等离子体对碳化硅进行干法刻蚀
[0033] 进一步的，所述氧化层的材质为氧化硅，所述氮化层的材质为氮化硅，所述隔离材 料的材质为氧化硅。
[0034] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0035] 1、本发明的半导体衬底中包含有第一材料层和第二材料层，通过对第二材料层进 行第二次刻蚀，在保证源/漏区域有效面积不变的情况下，扩大浅沟道隔离结构底部的宽 度，增加了浅沟道隔离结构的隔离效果，在一定程度上提高了半导体器件的阈值电压，从而 提高半导体器件的性能；
[0036] 同时，在浅沟道隔离结构总体尺寸一致的情况下，可以提高源/漏区域的有效面 积，从而在一定范围内提高了半导体器件的性能；
[0037] 2、本发明所述工艺过程方法简单，可以与传统的浅沟道隔离相关工艺相融，只需 增加一次刻蚀，就能实现较好的浅沟道隔离，并且相同的设备可以应用于更低节点的技术 生产，减小设备的更新频率。
【专利附图】
【附图说明】
[0038] 图Ia?Id是现有技术中形成浅沟道隔离结构主要工艺步骤的结构示意图。
[0039] 图2为本发明一实施例所提供的提高浅沟道隔离结构窄宽度效应方法的流程图。
[0040] 图3a?3f为本发明一实施例所提供的提高浅沟道隔离结构窄宽度效应方法的各 步骤结构示意图。
【具体实施方式】
[0041] 以下结合附图和具体实施例对本发明提出的提高浅沟道隔离结构窄宽度效应的 方法做进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚，需说 明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明 本发明实施例的目的。
[0042] 本发明的核心思想是：半导体衬底中包含有第一材料层和第二材料层，通过对底 部的第二材料层进行第二次刻蚀，在保证源/漏区域有效面积不变的情况下，扩大浅沟道 隔离结构底部的宽度，增加了浅沟道隔离结构的隔离效果，在一定程度上提高了半导体器 件的阈值电压，从而提高半导体器件的性能。
[0043] 图2为本发明一实施例所提供的提高浅沟道隔离结构窄宽度效应的方法流程图， 如图2所示，本发明提出的一种提高浅沟道隔离结构窄宽度效应的方法，包括以下步骤：
[0044] 步骤SOl :提供一半导体衬底，所述半导体衬底包含有第一材料层与第二材料层；
[0045] 步骤S02:在所述半导体衬底上依次形成氧化层与氮化层；
[0046] 步骤S03:进行第一次刻蚀，在所述氮化层、氧化层、半导体衬底第一材料层和第 二材料层上形成第一浅沟道隔离凹槽；
[0047] 步骤S04:在所述第一浅沟道隔离凹槽中，对所述半导体衬底第二材料层进行第 二次刻蚀，形成第二浅沟道隔离凹槽；
[0048] 步骤S05:在所述第二浅沟道隔离凹槽中填充隔离材料，并进行平坦化处理；
[0049] 步骤S06 :去除所述氮化层，形成浅沟道隔离结构。
[0050] 图3a?3f为本发明一实施例提供的提高浅沟道隔离结构窄宽度效应方法的各步 骤结构示意图，请参考图2所示，并结合图3a?图3f，详细说明本发明提出的提高浅沟道隔 离结构窄宽度效应的方法：
[0051] 步骤SOl:提供一半导体衬底200,所述半导体衬底包含有第一材料层202与第二 材料层201，如图3a所示。
[0052] 本实施例中，所述第一材料202的材质为硅（Si)、锗化硅（SiGe)或碳化硅（SiC)， 所述第二材料层201的材质为硅、锗化硅或碳化硅，所选择的第一材料层202与第二材料层 201的材质不同。所述锗化硅中锗的摩尔比为0. 2?0. 45,例如0. 2、0. 25、0. 3、0. 35、0. 4、 〇. 45,其中，较佳的摩尔比为0. 3;所述碳化硅中碳的摩尔比为0. 05?0. 2,例如0. 05、0. 1、 0. 15、0. 2,其中较佳的摩尔比为0. 1。
[0053] 所述半导体衬底200中的第一材料202的厚度为20nm?IOOnm,例如20nm、40nm、 60nm、80nm、100nm，较佳的厚度为60nm;后续工艺中制造的浅沟道隔离结构的底部位于所 述第二材料层201中；所述半导体衬底200可以只包括第一材料层201和第二材料层202， 也可以包括第三材料层，位于所述第二材料层的底部，可以是硅衬底、锗硅衬底或绝缘体上 硅（SOI)，或本领域技术人员公知的其他半导体衬底。
[0054]步骤S02:在所述半导体衬底200上依次形成氧化层203与氮化层204,如图3b所 /Jn〇
[0055] 在半导体衬底200上可以通过热氧化法形成氧化层203,也可以采用其它的方法 形成，所述氧化层203可以为氧化硅。所述氧化层203的厚度为100A?400A，例如100A 、200A、3〇〇A、400A，较佳的厚度为 300A。
[0056] 之后，可以采用低压化学气相沉积或等离子体辅助沉积法在氧化层203上形成氮 化层204,用于后续刻蚀过程中保护氧化层203,所述氮化层204可以为氮化硅。
[0057] 步骤S03:进行第一次刻蚀，以在所述氮化层204、氧化层203、半导体衬底第一材 料层202和第二材料层201上形成第一浅沟道隔离凹槽205,如图3c所示。
[0058] 本步骤中，首先旋涂光刻胶层（未图示)，再对所述光刻胶层进行曝光显影后，定义 出第一浅沟道隔离凹槽。然后以图形化的光刻胶层为掩膜，采用湿法刻蚀依次刻蚀所述氮 化层204、氧化层203、半导体衬底第一材料层202和第二材料层201，以形成第一浅沟道隔 离凹槽205。
[0059] 步骤S04:在所述第一浅沟道隔离凹槽205中，对所述半导体衬底第二材料层201 进行第二次刻蚀，形成第二浅沟道隔离凹槽206,如图3d所示。
[0060] 本实施例中，第二次刻蚀根据所述第二层材料201材质的不同，采取不同的刻蚀 方法。所述第二层材料201的材质为硅或锗化硅时，采用湿法刻蚀，例如采用氢氟酸对硅进 行湿法刻蚀，采用醋酸对锗化硅进行湿法刻蚀，也可以采用本领域技术人员公知的其它刻 蚀方法。所述第二层材料201的材质为碳化硅时，采用干法刻蚀，例如采用等离子体对碳化 硅进行干法刻蚀，当然也可以采用其它已知的刻蚀方法。
[0061] 第二次刻蚀扩大了第一浅沟道隔离凹槽的底部宽度，最终扩大了浅沟道隔离结构 的底部宽度，但是没有改变第一材料层的刻蚀尺寸，即在不改变浅沟道隔离结构顶层的尺 寸，保证源/漏区域有效面积不变的情况下，增加了浅沟道隔离结构的隔离效果，在一定程 度上提高了半导体器件的阈值电压，从而提高半导体器件的性能。同时，在浅沟道隔离结构 总体尺寸一致的情况下，可以提高源/漏区域的有效面积，从而在一定范围内提高了半导 体器件的性能。
[0062] 步骤S05:在所述第二浅沟道隔离凹槽206中填充隔离材料207,并进行平坦化处 理，如图3e所示。
[0063] 向第二浅沟道隔离凹槽206中沉积常规的用在浅沟道隔离中的隔离材料，以获得 填满第二浅沟道隔离凹槽206的隔离材料层207,例如，隔离材料可以选择氧化硅，或者本 领域技术人员公知的其它隔离材料。然后，采用化学机械研磨的方法对所述隔离材料层进 行平坦化，至所述氮化层204顶部。在其他实施例中，也可以采用其它的方法进行平坦化。
[0064] 步骤S06:去除所述氮化层204,形成浅沟道隔离结构，如图3f所示。
[0065] 采用湿法刻蚀去除所述氮化层204,本实施例中，采用磷酸溶液去除所述氮化层 204,所述磷酸溶液中磷酸的质量百分比为80%?90%，所述磷酸的蚀刻率为45?55A/min，在上述范围内，所述磷酸溶液的浓度不会因为浓度过大而使蚀刻率过快而不易控制， 同时避免浓度过小则会使蚀刻率较慢而降低制作效率。在其他实施例中，可以采用不同的 刻蚀液或不同的刻蚀方法刻蚀氮化层204。
[0066] 综上所述，本发明的半导体衬底中包含有第一材料层和第二材料层，通过对第二 材料层进行第二次刻蚀，在保证源/漏区域有效面积不变的情况下，扩大浅沟道隔离结构 底部的宽度，增加了浅沟道隔离结构的隔离效果，在一定程度上提高了半导体器件的阈值 电压，从而提高半导体器件的性能；同时，在浅沟道隔离结构总体尺寸一致的情况下，可以 提高源/漏区域的有效面积，从而在一定范围内提高了半导体器件的性能；本发明所述工 艺过程方法简单，可以与传统的浅沟道隔离相关工艺相融，只需增加一次刻蚀，就能实现较 好的浅沟道隔离，并且相同的设备可以应用于更低节点的技术生产，减小设备的更新频率。
[0067] 上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发 明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护 范围。
【权利要求】
1. 一种提高浅沟道隔离结构窄宽度效应的方法，其特征在于，包括： 提供一半导体衬底，所述半导体衬底包含有第一材料层与第二材料层； 在所述半导体衬底上依次形成氧化层与氮化层； 进行第一次刻蚀，在所述氮化层、氧化层、半导体衬底第一材料层和第二材料层上形成 第一浅沟道隔离凹槽； 在所述第一浅沟道隔离凹槽中，对所述半导体衬底第二材料层进行第二次刻蚀，形成 第二浅沟道隔离凹槽； 在所述第二浅沟道隔离凹槽中填充隔离材料，并进行平坦化处理； 去除所述氮化层，形成浅沟道隔离结构。
2. 如权利要求1所述的提高浅沟道隔离结构窄宽度效应的方法，其特征在于，所述半 导体衬底第一材料层与第二材料层的材质不同。
3. 如权利要求2所述的提高浅沟道隔离结构窄宽度效应的方法，其特征在于，所述半 导体衬底第一材料层的材质为娃、错化娃或碳化娃。
4. 如权利要求3所述的提高浅沟道隔离结构窄宽度效应的方法，其特征在于，所述半 导体衬底第二材料层的材质为娃、错化娃或碳化娃。
5. 如权利要求4所述的提高浅沟道隔离结构窄宽度效应的方法，其特征在于，所述错 化娃中错的摩尔比为0. 2?0. 45。
6. 如权利要求4所述的提高浅沟道隔离结构窄宽度效应的方法，其特征在于，所述碳 化娃中碳的摩尔比为0. 05?0. 2。
7. 如权利要求1所述的提高浅沟道隔离结构窄宽度效应的方法，其特征在于，所述半 导体衬底第一材料层的厚度为20nm?lOOnm。
8. 如权利要求1所述的提高浅沟道隔离结构窄宽度效应的方法，其特征在于，所述氧 化层的厚度为100 A?400 A。
9. 如权利要求1所述的提高浅沟道隔离结构窄宽度效应的方法，其特征在于，所述第 一次刻蚀为湿法刻蚀。
10. 如权利要求4所述的提高浅沟道隔离结构窄宽度效应的方法，其特征在于，所述娃 或错化娃的第二次刻蚀为湿法刻蚀。
11. 如权利要求10所述的提高浅沟道隔离结构窄宽度效应的方法，其特征在于，采用 氨氣酸对娃进行湿法刻蚀。
12. 如权利要求10所述的提高浅沟道隔离结构窄宽度效应的方法，其特征在于，采用 醋酸对错化娃进行湿法刻蚀。
13. 如权利要求4所述的提高浅沟道隔离结构窄宽度效应的方法，其特征在于，所述碳 化娃的第二次刻蚀为干法刻蚀。
14. 如权利要求13所述的提高浅沟道隔离结构窄宽度效应的方法，其特征在于，采用 等离子体对碳化娃进行干法刻蚀。
15. 如权利要求1至14中任意一项所述的提高浅沟道隔离结构窄宽度效应的方法，其 特征在于，所述氧化层的材质为氧化娃，所述氮化层的材质为氮化娃，所述隔离材料的材质 为氧化娃。
【文档编号】H01L21/311GK104425338SQ201310365515
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年8月20日 优先权日:2013年8月20日
【发明者】赵猛, 洪中山 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司