形成沟槽结构的方法
【专利摘要】本发明为形成沟槽结构的方法，包括形成一种填充有可流动介电层的浅沟槽隔离（STI）结构，包括实施注入，以在可流动介电层的上部生成通道。该通道使热退火中的氧源能够在将可流动介电层的SiONH网状物转变为SiOH和SiO的网状物的热退火期间到达STI结构的底部附近的可流动介电层。该通道还有助于在用于将SiOH和SiO的网状物转变为SiO2的另一热退火期间，提供用于生成的副产物离开的路径。
【专利说明】形成沟槽结构的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种形成半导体结构的方法，具体而言，涉及一种形成沟槽结构的方 法。
【背景技术】
[0002] 诸如浅沟槽隔离件（STI)的沟槽结构用于将半导体晶圆上的有源区域相互分开和 隔离。通过在衬底中蚀刻沟槽，利用诸如氧化物的电介质过填充该沟槽，然后去除任何多余 的电介质来形成STI。STI帮助将有源区域相互电隔离。
[0003] 然而，随着电路密度持续增大，STI的沟槽的宽度减小，从而增大了 STI沟槽的高 宽比。沟槽(或者间隙）的高宽比定义为沟槽高度(或者间隙高度）除以沟槽宽度(或者间隙 宽度)。对于先进的技术来说，使用间隙填充介电材料完全填充又窄又深的沟槽变得非常困 难。未完全的间隙填充导致不期望的空隙，并且当去除多余电介质期间暴露出该不期望的 空隙时，增加了包含不期望缺陷的风险。该空隙还可能导致有源区域之间的隔离不充分。 STI中空隙的出现将会影响产量。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有技术中存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种形成半导 体结构的方法，包括：在衬底的沟槽中沉积可流动介电层；对所述可流动介电层实施注入 工艺；实施具有氧源的第一热退火；实施第二热退火；以及实施平坦化工艺，以去除所述沟 槽外侧的多余的可流动介电层。
[0005] 在上述方法中，还包括：在沉积所述可流动介电层之后以及实施所述注入工艺之 前实施〇3固化。
[0006] 在上述方法中，其中，所述注入工艺注入H原子或者He原子。
[0007] 在上述方法中，其中，所述注入工艺的注入深度在大约〗〇()0 A至大约2500 A的 范围内。
[0008] 在上述方法中，其中，注入能量在大约6keV至大约25keV的范围内。
[0009] 在上述方法中，其中，注入深度与所述沟槽的深度的比率在大约1/3至大约1/2的 范围内。
[0010] 在上述方法中，其中，所述注入工艺为所述第一热退火的氧源创建到达所述沟槽 的底部附近的所述可流动介电层的通道。
[0011] 在上述方法中，其中，所述第一热退火的峰值退火温度在大约500°c至大约800°C 的范围内，并且所述氧源是蒸汽。
[0012] 在上述方法中，其中，所述第二热退火的峰值退火温度在大约1000°C至大约 1200°C的范围内。
[0013] 在上述方法中，其中，所述第一热退火和所述第二热退火的总退火时间在大约6 小时至大约15小时的范围内。
[0014] 在上述方法中，其中，用于沉积所述可流动介电层的源气是三硅烷基胺（TSA )。
[0015] 在上述方法中，其中，通过自由基组分化学汽相沉积（CVD)工艺沉积所述可流动介 电层。
[0016] 在上述方法中，其中，沉积而成的所述可流动介电层包括SiONH网状物。
[0017] 在上述方法中，其中，所述第一热退火和所述第二热退火将沉积而成的所述可流 动介电层转变为二氧化硅（Si02)。
[0018] 在上述方法中，其中，所述第一热退火和所述第二热退火将沉积而成的所述可流 动介电层转变为氧化硅（SiO)。
[0019] 根据本发明的另一方面，还提供了一种在衬底中形成浅沟槽隔离（STI)结构的方 法，包括：通过化学汽相沉积（CVD)工艺在所述衬底的沟槽中沉积可流动介电层，其中，所 述可流动介电层填充所述沟槽且不形成空隙；使用〇3固化沉积而成的所述可流动介电层； 对所述可流动介电层实施注入工艺，其中，所述注入工艺在所述可流动介电层的顶部生成 通道；实施具有氧源的蒸汽热退火；实施干式热退火；以及实施平坦化工艺，以去除所述沟 槽外侧的多余的可流动介电层。
[0020] 在上述方法中，其中，用于沉积所述可流动介电层的源气是三硅烷基胺（TSA)，并 且通过自由基组分化学汽相沉积（CVD)工艺沉积所述可流动介电层。
[0021] 在上述方法中，其中，所述蒸汽热退火和所述干式热退火将沉积而成的所述可流 动介电层中的SiONH网状物转变为二氧化硅（Si02)。
[0022] 在上述方法中，其中，所述注入工艺注入H原子或者He原子。
[0023] 根据本发明的又一方面，还提供了一种在衬底中形成浅沟槽隔离（STI)结构的方 法，包括：在所述衬底的沟槽中沉积可流动介电层，其中，所述沟槽的高宽比大于大约8,其 中，所述可流动介电层填充所述沟槽且不形成空隙；对所述可流动介电层实施注入工艺； 实施具有氧源的第一热退火；实施第二热退火；以及实施平坦化工艺，以去除所述沟槽外 侧的多余的可流动介电层。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 将如附图所示参考本发明的实施例来描述本发明。应该理解，这些附图用于示出 的目的，因此并非按比例绘制。
[0025] 图1至图8是根据一些实施例的在各个制造阶段的用于形成浅沟槽隔离（STI)结 构的连续工艺的横截面图。
【具体实施方式】
[0026] 应该理解，以下公开的内容提供了多个不同实施例或者实例以实现不同特征。以 下描述了部件和布置的特定实例来简化本发明。当然，这些仅仅是实例而并不旨在进行限 定。另外，本发明可以在各个实例中重复参考标号和/或文字。这种重复用于简化和清楚 的目的，其本身并不表示所描述的各个实施例和/或结构之间的关系。
[0027] 随着晶体管尺寸的减小，与形成晶体管相关的各个部件的尺寸也随之减小。这种 部件之一是形成在有源区域之间的用于提供隔离的浅沟槽隔离件（STI)。如所述，因为STI 的开口变小而深度未变小，所以部件尺寸的减小导致了高宽比的增大。用于填充具有较小 高宽比的STI的技术无法用于充分填充先进技术中的具有较大高宽比的STI。在多个化学 汽相沉积（CVD)工艺中，将含硅前体和含氧气体与等离子体共同使用以在衬底表面上直接 形成氧化硅。这些等离子基CVD工艺以沉积的方式形成氧化硅，然而，它们对具有较大高宽 比的结构会填充不良。
[0028] -种改进填充的可选方式涉及使用可流动介电材料替代传统的沉积的氧化硅。顾 名思义，可流动介电材料可以在沉积以填充间隙中的空隙的过程中"流动"。通常，可以在含 硅前体中加入各种化学物质以实现沉积膜的流动。在一些实施例中，可以加入氮氢键。可 流动电介质前体的实例（特别是可流动的氧化硅前体）包括硅酸盐、硅氧烷、甲基倍半硅氧 烷（MSQ)、氢硅倍半氧烷（HSQ)、MSQ/HSQ、全氢硅氮烷（TCPS)、全氢聚硅氮烷（PSZ)、正硅酸 乙酯（TE0S)或者硅烷胺，诸如三硅烷基胺（TSA)。这些可流动的氧化硅材料在多步操作工 艺中形成。在沉积可流动膜之后，固化该可流动膜，然后进行退火以去除不期望的元件以形 成氧化硅。当去除不期望元件之后，可流动膜致密化并发生收缩。在一些实施例中，实施多 个退火工艺。固化和退火可以导致沟槽侧壁氧化并且将隔离区域变宽。另外，在延长的时间 (诸如总共30小时或者更长的时间）内将可流动膜在高温(诸如大约1000°C至大约1200°C) 下多次固化和退火。固化和退火有效地降低了用于剩余半导体制造工艺的热预算。另外， 对于先进技术的器件而言，可能无法接受在高退火温度下的长期退火循环。因此，亟需改进 出用于形成STI结构的不同方法。
[0029] 图1至图8是根据一些实施例的在衬底50中形成STI结构200的各个阶段的截面 图。图1示出了形成在衬底50中的沟槽100。沟槽的形成包括图案化衬底及蚀刻衬底的多 个操作。衬底50可以是体硅(掺杂或者未掺杂）或者绝缘体上硅（SOI)衬底的有源层。通 常，SOI衬底包括半导体材料的有源层，半导体材料诸如硅、锗、硅锗、绝缘体上硅锗（SG0I) 或者它们的组合。可以使用的其他衬底包括多层衬底、梯度衬底或者混合取向衬底。
[0030] 图1还示出了在一些实施例中的形成在衬底50的顶面110上方的图案化硬掩模 层102和该图案化硬掩模层102下面的保护层101。保护层101保护顶面110免于与硬掩 模层102直接接触。例如，如果衬底50紧挨着沟槽100的部分由硅制成，则保护层101保 护有源区域120。有源区域120用于在STI结构（200)形成之后形成器件(诸如晶体管、电 阻器等)。根据将要形成的器件，有源区域120可以包含根据设计需要决定的n阱或者p阱。
[0031] 在一些实施例中，保护层101由热氧化物制成。保护层101的厚度在大约20nm至 大约100nm的范围内。硬掩模层102有助于在蚀刻沟槽100期间保持图案的完整性。在一 些实施例中，硬掩模层102在去除填充沟槽100的多余可流动电介质膜期间用作平坦化停 止层。在一些实施例中，硬掩模层102由SiN制成。然而，还可以使用其他材料，诸如SiON、 碳化硅或者它们的组合。硬掩模层102的厚度在大约200nm至大约1200nm的范围内。硬 掩模层102可以由诸如化学汽相沉积（CVD)、等离子体增强化学汽相沉积（PECVD)或者低压 化学汽相沉积（LPCVD)的工艺形成。可选地，硬掩模层102通过首先制成为氧化硅，然后再 通过氮化转化为SiN的方式制成。一旦形成，通过合适的光刻和蚀刻工艺将硬掩模102和 保护层101图案化，以在表面110的上方形成用于沟槽100的开口。
[0032] 为了在衬底50中形成沟槽100,通过诸如反应离子刻蚀（RIE)的蚀刻工艺去除衬 底50通过开口暴露的部分。沟槽100将衬底50的顶面110附近的有源区域120分隔开。 沟槽100具有侧壁112和底面114。在一些实施例中，沟槽100的宽度W1在大约20nm至大 约lOOnm的范围内。在一些实施例中，沟槽100的深度D1在大约50nm至大约350nm的范 围内。
[0033] 在一些实施例中，沟槽100的高宽比(沟槽深度D1 (在本文有时称为沟槽高度）除 以沟槽宽度W1)大于大约8或者大于10。
[0034] 参照图2,根据一些实施例，依次沉积氧化硅衬垫121和硅衬垫122来作为沟槽 100的内衬。氧化硅衬垫121和硅衬垫122沉积在侧壁112和底面114上。在一些实施例 中，在沟槽100的硅壁上热生长氧化硅衬垫121。衬底在高温下暴露于含氧环境并且暴露于 氧的表面转化为氧化硅。在一些实施例中，含氧环境包括蒸气。氧化硅衬垫121可以包括 位于热生长氧化硅层上方的额外的一层或者多层。在一些实施例中，可以使用等离子体增 强原子层沉积（PEALD)沉积额外的氧化硅层。根据各个实施例，形成氧化硅衬垫121以保 护氧化硅衬垫121下方的硅衬底50免受随后的氧化的影响。诸如热氧化物膜的致密氧化 硅膜用于在随后工艺中保护下方的硅衬底50免受化学氧化的影响。为了最小化将填充的 已经具有较高高宽比的沟槽的高宽比的增量，氧化硅衬垫121相对较薄，大约是数十至上 百埃（A )。在一些实施例中，氧化硅衬垫121的厚度在大约2nm至大约50nm的范围内。
[0035] 参照图2,硅衬垫层122沉积在氧化硅衬垫121上方。硅衬垫层122在可流动电 介质膜的热退火(将在以下描述）期间提供应力释放。在一些实施例中，硅衬垫层122是非 晶硅或者多晶硅。硅衬垫层122的厚度在大约1〇 A至大约40 A的范围内。硅衬垫层122 可以在包含Si2H6、SiH4、Si3H 8、SiCl2H2、SiCl3H或者它们的组合的气体环境中通过使用熔炉 系统来形成。在一些实施例中，Si2H6的流量在大约10标准立方厘米每分钟（seem)至大约 lOOOseem的范围内。在一些实施例中，形成硅衬垫层122的温度在大约200°C至大约600°C 的范围内。在一些实施例中，形成硅衬垫层122的压力范围在大约lOmTorr至大约lOTorr 的范围内。可选地，硅衬垫层122可以通过使用能够形成共型硅层的沉积技术来形成，这些 技术诸如在包含Si3H8、SiH4、SiCl2H 2、SiCl3H或者它们的组合的气体环境中的低温化学汽相 沉积工艺（CVD)。
[0036] 在一些实施例中，气体环境还包含诸如4的载气。载气有助于更好地控制处理均 勻性。在一些实施例中，Si3H8的流量在大约10标准立方厘米每分钟（seem)至大约lOOOseem 的范围内，H2的流量在大约5标准升每分钟（slm)至大约50slm。在一些实施例中，在化学 沉积工艺中形成硅衬垫层122的温度在大约250°C至550°C的范围内。
[0037] 参照图3,在沉积硅衬垫层122之后，将可流动介电材料过填充沟槽100和硬掩模 层102以形成可流动介电层115。通过使用旋涂电介质（S0D)形成工艺，或者通过利用诸如 自由基组分CVD (radical-component CVD)的化学汽相沉积（CVD)工艺沉积可流动电介质 来形成可流动介电层115。可流动氧化硅前体的实例包括硅酸盐、硅氧烷、甲基倍半硅氧烷 (MSQ)、氢娃倍半氧烧（HSQ)、MSQ/HSQ、全氢娃氮烧（TCPS) (perhydrosilazane)、全氢聚娃 氮烧（PSZ) (perhydro-polysilazane)、正娃酸乙酯（TE0S)或者娃烧胺（SA)。
[0038] 在一些实施例中，通过使用含硅前体与另一前体(诸如通过等离子体生成的"氮自 由基"前体）的反应来沉积可流动介电层115。在一些实施例中，含硅前体不含碳并且包括 硅烷胺，诸如H2N(SiH3)、HN(SiH3)2、N(SiH 3)3或者它们的组合。硅烷胺可以与可用作载气和 /或反应气体的其他气体相混合。其他气体的实例可以包括H2、N2、NH3、He和Ar等等。硅 烷胺还可以与其他不含碳的含硅气体混合，诸如硅烷（SiH4)和乙硅烷（Si2H6)、氢(例如，H 2) 和/或氮(例如，n2、nh3)。
[0039] 氮可以包含在自由基前体和/或含硅前体中。当自由基前体中存在氮时，该自由 基前体可以称为氮自由基前体。氮自由基前体包括通过激发等离子体中的更稳定的含氮前 体而形成的等离子体流出物（plasma effluents)。例如，可以在室内等离子体区域或加工 室外部的远程等离子体系统（RPS)中激活含有NH3和/或肼（N2H4)的相对稳定的含氮前体， 以形成氮自由基前体，然后将该氮自由基前体传送到不含等离子体的衬底处理区域中。稳 定的氮前体还可以是包含NH3、N2和H2的组合的混合物。
[0040] 氮自由基前体还可以伴有诸如氩、氦等的载气。可以同时将氧（以〇2和/或〇 3的 形式)传送至远程等离子体区域内，以调节用于形成以本技术沉积的可流动介电层115的氮 自由基前体中的含氧量。
[0041] 可以在衬底温度保持在相对较低温度时进行可流动介电层115的沉积。在一些 实施例中，在由沉积期间冷却衬底保持的较低的温度下，在衬底表面上沉积可流动介电层 115。在一些实施例中，在大约-40°C至大约200°C的温度范围内实施沉积。在一些实施例 中，在低于大约l〇〇°C的温度下实施沉积。
[0042] 在一些实施例中，沉积压力在从大约lOOmTorr至大约lOTorr的范围内。在一些 实施例中，反应源使用包含三硅烷基胺（Si3H9N或者TSA)和NH3的气体环境。在一个实施 例中，Si3H9N的流量在大约lOOsccm至大约lOOOsccm的范围内，NH3的流量在大约lOOsccm 至大约2〇〇〇sccm的范围内。这个特定介电膜可以由Alectrona?系统(加利福尼亚的圣克 拉拉的应用材料公司提供）形成。在美国专利第8, 318, 584号中描述了通过上述自由基组 分CVD工艺沉积可流动介电层115的示例性细节。
[0043] 沉积而成的可流动介电层115能够填充又窄又深的间隙，并且防止在STI结构100 中产生空隙和中断。沉积而成的可流动介电层115包含Si0ANBHc (或者SiONH)的可流动网 状物。在一些实施例中，A是在大约0.8至大约2的范围内的数字，B是在大约0.01至大 约1的范围内的数字，而C是在大约0.01至大约1的范围内的数字。在一些实施例中，硬 掩模层102上方的可流动介电层115的厚度在大约1〇〇〇 A至大约3000 A的范围内。
[0044] 根据一些实施例，如图4所示，在沉积可流动介电层115之后，对沉积而成的可流 动介电层115实施原位固化工艺130。原位意味着在用于沉积可流动介电层115的加工室 中实施固化工艺130。在一些实施例中，在不同室中（或者非原位）实施固化工艺130。
[0045] 在一些实施例中，使用流量在大约lOOsccm至大约5000sccm的范围内的03 (臭 氧)或者使用流量在大约lOOsccm至大约5000SCCm的范围内的蒸汽实施固化工艺130。在 一些实施例中，固化工艺130的温度在大约10°C至大约500°C的范围内。可选地，在固化 工艺期间使用蒸汽代替〇3。在一些实施例中，固化工艺130的压力范围在大约ITorr至大 约760T〇rr。根据一些实施例，固化工艺130的持续时间在大约10秒至大约2小时的范围 内。固化工艺130增加了由Si0ANBHc (或者SiONH)的网状物制成的沉积而成的可流动介电 层115的含氧量，特别是沉积而成的可流动介电层115的靠近表面的部分。
[0046] 如上所述，固化工艺130增加了沉积而成的可流动介电层115的含氧量。靠近表 面的可流动介电层115相比于靠近沟槽100底部的可流动介电层115更加暴露于03。图4 示出了靠近表面的示例性SiONH网状物（I)和靠近沟槽（100)底部的另一示例性SiONH网 状物（II)。靠近表面的SiONH网状物比靠近底部的SiONH网状物含有更多氧(或者0)。固 化的可流动介电层115包括氮氢键，且固化的可流动介电层115比氧化硅膜的致密性低。
[0047] 为了将SiONH网状物转变为SiO (或者Si02)网状物，需要额外的热退火。可以在 从大约200°C至大约1KKTC的范围内的温度下实施热退火。可以提供氧源(诸如蒸气）来 帮助将SiONH网状物转变为SiO网状物。然而，如果在03固化之后立即应用利用蒸汽的热 退火，则由于表面非常接近于氧源而将在表面上形成一层包含大部分SiO网状物的致密介 电层。在一些实施例中，这种致密表面层的厚度在从大约500 A至大约1200 A的范围内。 可流动介电层115的表面上的这种致密介电层将会阻挡氧源(诸如蒸汽)渗透或者扩散穿过 致密的顶层到达下面的未转变的SiONH网状物。因此，对于制造目的来说，SiONH网状物至 SiO网状物的转变可能不发生或者发生得非常慢。
[0048] 为了解决这个问题，根据一些实施例，如图5所示，实施注入工艺140建立通道以 使氧源到达表面下的SiONH网状物。注入元素可以包括H、He、Si、0或者N。部分衬底50 未被硬掩模层102覆盖并且不是STI结构。在注入工艺140期间，衬底50的这些部分暴露 于注入源。H和He原子较小，并且不会对未覆盖硅衬底50的这些部分造成损坏。相反，Si、 〇和N原子较重并且可能对暴露的硅衬底50造成损坏。如果选择这些之一用作注入源，则 可能需要诸如光刻胶层的保护掩模。
[0049] 表I根据一些实施例比较了用于固化的可流动介电层(类似于上述层115)的注 入物种类、注入能量和所达到的注入深度。表I中的数据示出，在到达相同深度的条件下， 更重的元素需要更高的注入能量。例如，为了到达2500 A的注入深度，H原子将需要大约 20keV的注入能量，He原子将需要大约25keV的注入能量，并且N原子将需要大约lOOkeV 的注入能量。在一些实施例中，H或者He用作注入元素，并且注入能量在大约6keV至大约 25keV的范围内。在一些实施例中，注入深度D2在大约1 ()()() A至大约2500 A的范围内。 在一些实施例中，注入浓度在从大约1E13原子/立方厘米至大约5E15原子/立方厘米的 范围内。在一些实施例中，沟槽的注入深度D2与注入深度Di的比率R至少为1/3。在一些 实施例中，比率R在大约1/3至大约2/3的范围内。在一些实施例中，比率R在大约1/3至 大约1/2的范围内。
[0050]
【权利要求】
1. 一种形成半导体结构的方法，包括： 在衬底的沟槽中沉积可流动介电层； 对所述可流动介电层实施注入工艺； 实施具有氧源的第一热退火； 实施第二热退火；以及 实施平坦化工艺，以去除所述沟槽外侧的多余的可流动介电层。
2. 根据权利要求1所述的方法，还包括： 在沉积所述可流动介电层之后以及实施所述注入工艺之前实施O3固化。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述注入工艺注入H原子或者He原子。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述注入工艺的注入深度在大约1000 A至大约 2500 A的范围内。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中，注入能量在大约6keV至大约25keV的范围内。
6. -种在衬底中形成浅沟槽隔离（STI)结构的方法，包括： 通过化学汽相沉积（CVD)工艺在所述衬底的沟槽中沉积可流动介电层，其中，所述可流 动介电层填充所述沟槽且不形成空隙； 使用O3固化沉积而成的所述可流动介电层； 对所述可流动介电层实施注入工艺，其中，所述注入工艺在所述可流动介电层的顶部 生成通道； 实施具有氧源的蒸汽热退火； 实施干式热退火；以及 实施平坦化工艺，以去除所述沟槽外侧的多余的可流动介电层。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中，用于沉积所述可流动介电层的源气是三硅烷基 胺（TSA)，并且通过自由基组分化学汽相沉积（CVD)工艺沉积所述可流动介电层。
8. 根据权利要求6所述的方法，其中，所述蒸汽热退火和所述干式热退火将沉积而成 的所述可流动介电层中的SiONH网状物转变为二氧化硅（Si0 2)。
9. 根据权利要求6所述的方法，其中，所述注入工艺注入H原子或者He原子。
10. -种在衬底中形成浅沟槽隔离（STI)结构的方法，包括： 在所述衬底的沟槽中沉积可流动介电层，其中，所述沟槽的高宽比大于大约8，其中，所 述可流动介电层填充所述沟槽且不形成空隙； 对所述可流动介电层实施注入工艺； 实施具有氧源的第一热退火； 实施第二热退火；以及 实施平坦化工艺，以去除所述沟槽外侧的多余的可流动介电层。
【文档编号】H01L21/762GK104517891SQ201410065638
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年2月25日 优先权日:2013年10月4日
【发明者】蔡俊雄, 薛森鸿, 方子韦 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司