浅沟槽隔离结构的形成方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种浅沟槽隔离结构的形成方法。

背景技术：

浅沟槽隔离结构(STI)是一种重要的隔离结构，在目前的半导体器件制造中用于器件隔离。所述浅沟槽隔离结构的形成步骤为：提供半导体衬底；在半导体衬底中形成浅沟槽；在所述半导体衬底表面和浅沟槽内形成填充满浅沟槽的绝缘层；采用化学机械研磨工艺去除半导体衬底表面的绝缘层，在浅沟槽中形成浅沟槽隔离结构。

随着半导体技术的发展，器件尺寸持续缩小，导致浅沟槽隔离结构的宽度尺寸也相应的减小，则用于形成浅沟槽隔离结构的浅沟槽的深宽比(aspect ratio)不断增大，在形成所述绝缘层的过程中，绝缘材料容易堆积在靠近浅沟槽顶部的侧壁表面，导致形成于浅沟槽顶部侧壁的绝缘层厚度较厚，浅沟槽底部的绝缘膜厚度较薄，继续沉积绝缘层，位于浅沟槽顶部的绝缘膜首先闭合，从而导致所形成的浅沟槽隔离结构内产生空隙。

为了避免在具有高深宽比的浅沟槽内填充绝缘层时产生空隙的现象，现有技术中采用高深宽比沉积工艺(HARP，High Ratio Process)形成绝缘层，以满足高深宽比浅沟槽的填充需求。具体的，以正硅酸乙酯(TEOS)与臭氧(O₃)为反应气体，对高深宽比的浅沟槽进行填充。

然而，随着所述浅沟槽的深宽比继续增加时，现有技术中形成的浅沟槽隔离结构的性能较差。

技术实现要素：

本发明解决的问题是提供一种浅沟槽隔离结构的形成方法，以提高浅沟槽隔离结构的性能。

为解决上述问题，本发明提供一种浅沟槽隔离结构的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底内形成有浅沟槽；在半导体衬底表面及所 述浅沟槽内形成第一绝缘层，位于浅沟槽内的第一绝缘层中具有开口；刻蚀第一绝缘层以增大开口的宽度；对刻蚀后的第一绝缘层的表面进行等离子体处理；清洗等离子体处理后的所述第一绝缘层的表面；清洗所述第一绝缘层的表面后，向浅沟槽内填充满第二绝缘层。

可选的，所述等离子体处理采用的气体为Ar、He或He和Ar的混合气体。

可选的，所述等离子体处理的工艺参数为：所述气体的总流量为1000sccm～3000sccm，高频射频功率为100瓦～500瓦，低频射频功率为50瓦～150瓦，腔室压强为5torr～15torr，温度为350摄氏度～450摄氏度，处理时间为30秒～90秒。

可选的，清洗所述第一绝缘层表面采用的溶液为去离子水。

可选的，所述第一绝缘层的材料为氧化硅。

可选的，形成第一绝缘层的工艺为高深宽比沉积工艺，具体参数为：采用的前驱体为正硅酸乙酯与臭氧，正硅酸乙酯的流量为500毫克每分钟～2500毫克每分钟，臭氧的流量为15000sccm～25000sccm，腔室压强为550torr～650torr，温度为450摄氏度～600摄氏度。

可选的，刻蚀第一绝缘层的工艺为干刻工艺，具体的参数为：采用的气体为NH₃、NF₃、He和Ar，NH₃的流量为50sccm～200sccm，NF₃的流量为50sccm～200sccm，He的流量为500sccm～2000sccm，Ar的流量为300sccm～600sccm，射频功率为50瓦～150瓦，刻蚀腔室压强为3torr～8torr。

可选的，所述第二绝缘层的材料为氧化硅。

可选的，形成第二绝缘层的工艺为高深宽比沉积工艺，具体的参数为：采用的前驱体为正硅酸乙酯与臭氧，正硅酸乙酯的流量为500毫克每分钟～2500毫克每分钟，臭氧的流量为15000sccm～25000sccm，腔室压强为550torr～650torr，温度为450摄氏度～600摄氏度。

可选的，还包括，在形成第一绝缘层之前，在浅沟槽侧壁和底部形成绝缘衬垫层。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明提供的浅沟槽隔离结构的形成方法中，由于对刻蚀后的第一绝缘层的表面进行了等离子体处理，将在刻蚀第一绝缘过程中刻蚀气体与第一绝缘层反应后形成的化学键打断，在第一绝缘层表面形成游离的残余物；然后清洗第一绝缘层的表面，将所述残余物去除，同时去除刻蚀气体与第一绝缘层反应后形成的副产物；清洗第一绝缘层的表面后，向浅沟槽内填充满第二绝缘层。使得第二绝缘层的均一性提高，从而提高了浅沟槽隔离结构的性能。

附图说明

图1至图4是本发明一实施例中浅沟槽隔离结构形成过程的示意图；

图5至图12本发明另一实施例中浅沟槽隔离结构形成过程的示意图。

具体实施方式

正如背景技术所述，现有技术中形成的浅沟槽隔离结构的性能较差。

图1至图4是本发明一实施例中浅沟槽隔离结构形成过程的示意图。

参考图1，提供半导体衬底100，所述半导体衬底100内形成有浅沟槽110。

所述半导体衬底100顶部表面具有掩膜层101。

参考图2，在半导体衬底100表面和浅沟槽110(参考图1)内形成第一绝缘层120，位于浅沟槽110内的第一绝缘层120中具有开口111。

所述第一绝缘层120的材料为氧化硅。

参考图3，刻蚀第一绝缘层120以增大开口111的宽度。

刻蚀第一绝缘层120采用的气体为NF₃、NH₃、He和Ar。

参考图4，刻蚀第一绝缘层120后，向浅沟槽110填充满第二绝缘层121。

研究发现，上述方法形成的浅沟槽隔离结构依然存在性能较差的原因在于：

在刻蚀第一绝缘层以增大开口宽度的过程中，刻蚀气体采用含氟的气体，一方面，刻蚀气体与第一绝缘层反应在部分第一绝缘层表面形成Si-F键，Si-F键在第一绝缘层表面分布不均匀，导致在第一绝缘层表面形成的第二绝缘层 均一性变差；另一方面，刻蚀气体与第一绝缘层反应在部分第一绝缘层表面形成含氟的副产物，所述含氟的副产物聚集在开口中，会阻挡第二绝缘层的填充而形成孔隙，导致第二绝缘层的均一性较差。从而降低了浅沟槽隔离结构的性能。

在此基础上，本发明另一实施例提供一种浅沟槽隔离结构的形成方法，包括：提供具有浅沟槽的半导体衬底；在半导体衬底表面及所述浅沟槽内形成第一绝缘层，位于浅沟槽内的第一绝缘层中具有开口；然后刻蚀第一绝缘层以增大开口的宽度；通过对刻蚀后的第一绝缘层的表面进行等离子体处理，将在刻蚀第一绝缘层过程中刻蚀气体与第一绝缘层反应后形成的化学键打断，在第一绝缘层表面形成残余物；之后，清洗等离子体处理后的所述第一绝缘层的表面，将所述残余物去除，同时去除刻蚀气体与第一绝缘层反应后形成的副产物；清洗所述第一绝缘层的表面后，向浅沟槽内填充满第二绝缘层。使得第二绝缘层的均一性提高，从而提高了浅沟槽隔离结构的性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参考图5，提供半导体衬底200。

所述半导体衬底200为后续形成浅沟槽隔离结构提供工艺平台。

所述半导体衬底200可以是单晶硅，多晶硅或非晶硅；所述半导体衬底200也可以是硅、锗、锗化硅、砷化镓等半导体材料。本实施例中，所述半导体衬底200的材料为硅。

本实施例中，所述半导体衬底200表面还具有掩膜层201，所述掩膜层201包括位于半导体衬底200表面的氧化层202和位于所述氧化层202表面的刻蚀阻挡层203。

所述氧化层202的材料为氧化硅；所述氧化层202的厚度为20埃～100埃；所述氧化层202采用湿法氧化或干法氧化工艺形成；所述氧化层202作为后续形成的刻蚀阻挡层203的缓冲层，具体的说，氧化层202形成在半导体衬底200和所述刻蚀阻挡层203之间，避免了直接在半导体衬底200上形成所述刻蚀阻挡层203对半导体衬底200产生较大的应力，并且在后续去掉 所述刻蚀阻挡层203的过程中所述氧化层202还可以作为隔离层保护有源区免受化学污沾。

所述刻蚀阻挡层203的材料为氮化硅；所述刻蚀阻挡层203的厚度为500埃～700埃；所述刻蚀阻挡层203的形成工艺为沉积工艺；所述刻蚀阻挡层203作为后续化学机械研磨工艺的停止层，保护有源区。

参考图6，在所述半导体衬底200内形成浅沟槽210。

所述浅沟槽210为后续填充第一绝缘层和第二绝缘层提供空间。

所述浅沟槽210的形成步骤为：形成覆盖半导体衬底200表面的掩膜层201(参考图5)；在所述掩膜层201表面形成图形化的光刻胶，所述图形化的光刻胶定义浅沟槽210的位置；以所述图形化的光刻胶为掩膜，采用各向异性干刻工艺刻蚀掩膜层201和半导体衬底200，在半导体衬底200中形成浅沟槽210。

随着半导体器件的特征尺寸的持续缩小，导致用于形成浅沟槽隔离结构的浅沟槽210的深宽比不断增大，本实施例中，所述浅沟槽210的深宽比为5:1～10:1。

所述浅沟槽210的剖面形状为V型或U型。为了利于后续在浅沟槽210中填充第一绝缘层，优选的，所述浅沟槽210的剖面形状为V型。

本实施例中，还包括：在浅沟槽210侧壁和底部形成绝缘衬垫层(未图示)。本实施例中，所述绝缘衬垫层的材料为氧化硅，所述绝缘衬垫层的厚度为30埃～200埃。所述绝缘衬垫层的形成工艺为沉积工艺，如原子层沉积工艺、等离子体化学气相沉积工艺或热氧化工艺。

所述绝缘衬垫层作为半导体衬底200和后续形成的第一绝缘层之间的过渡层，使得后续形成的第一绝缘层与半导体衬底200之间的结合质量更好，减小第一绝缘层与半导体衬底200接触面之间的缺陷。

由于所述浅沟槽210的深宽比较大，后续在浅沟槽210中填充绝缘层的难度高，用于填充浅沟槽210的绝缘层难以充分进入浅沟槽210的底部，容易在浅沟槽210的顶部被绝缘层闭合的情况下，所述浅沟槽210内仍具有未 被填充的孔隙。因此，本实施例中，后续在浅沟槽210中先填充第一绝缘层，位于浅沟槽210内的第一绝缘层中具有开口，使得浅沟槽210顶部未闭合。

参考图7，在半导体衬底200表面及浅沟槽210(参考图6)内形成第一绝缘层220，位于浅沟槽210内的第一绝缘层220中具有开口211。

第一绝缘层220的作用为：在浅沟槽210侧壁和底部填充第一绝缘层220，使得浅沟槽210顶部未闭合。

本实施例中，第一绝缘层220的材料为氧化硅。

形成第一绝缘层220的方法为沉积工艺，如等离子体化学气相沉积工艺、高浓度等离子体化学气相沉积工艺、次常压化学气相沉积工艺或高深宽比沉积工艺。本实施例中，形成第一绝缘层220的工艺为高深宽比沉积工艺(HARP，High Ratio Process)。

在一个具体的实施例中，形成第一绝缘层220采用的所述高深宽比沉积工艺是在次常压化学气相沉积(SACVD)机台中进行的，具体的工艺参数为：采用的前驱体为正硅酸乙酯(TEOS)与臭氧(O₃)，正硅酸乙酯(TEOS)的流量为500毫克每分钟～2500毫克每分钟，臭氧(O₃)的流量为15000sccm～25000sccm，腔室压强为550torr～650torr，温度为450摄氏度～600摄氏度。

在浅沟槽210中填充第一绝缘层220，位于浅沟槽210内的第一绝缘层220中具有开口211，使得浅沟槽210的顶部未闭合。所述开口211的深宽比大于浅沟槽210的深宽比，具体的，开口211的深宽比为15:1～25:1。若继续填充第一绝缘层220，会使得浅沟槽210的顶部闭合而在第一绝缘层220中形成孔隙。因此，后续刻蚀第一绝缘层220，以增加开口211的宽度，利于后续在浅沟槽210中填充第二绝缘层。

参考图8，刻蚀第一绝缘层220以增大开口211的宽度。

刻蚀所述第一绝缘层220的工艺为干刻工艺或湿刻工艺。本实施例中，刻蚀第一绝缘层220的工艺为干刻工艺。

在一个具体的实施例中，所述干刻工艺的参数为：采用的气体为NH₃、 NF₃、He和Ar，NH₃的流量为50sccm～200sccm，NF₃的流量为50sccm～200sccm，He的流量为500sccm～2000sccm，Ar的流量为300sccm～600sccm，射频功率为50瓦～150瓦，刻蚀腔室压强为3torr～8torr。

由于将开口211的宽度增大，使得开口211的深宽比减小，利于后续在浅沟槽210中填充第二绝缘层。本实施例中，刻蚀第一绝缘层220后，开口211的深宽比为10:1～15:1。

需要说明的是，在刻蚀第一绝缘层220以增大开口211的宽度的过程中，刻蚀气体采用含氟的气体，一方面，刻蚀气体与第一绝缘层220反应在部分第一绝缘层220表面形成Si-F键，所述Si-F键影响后续第二绝缘层在第一绝缘层220表面沉积的选择比；另一方面，刻蚀气体与第一绝缘层220反应在部分第一绝缘层220表面形成含氟的副产物，所述含氟的副产物聚集在开口211中，阻挡后续第二绝缘层的填充，故后续对刻蚀后的第一绝缘层220的表面进行等离子体处理，然后清洗所述第一绝缘层220的表面，以提高后续形成的第二绝缘层的均一性。

参考图9，对刻蚀后的第一绝缘层220的表面进行等离子体处理；清洗等离子体处理后的第一绝缘层220的表面。

对刻蚀后的第一绝缘层220的表面进行等离子体处理，打断刻蚀气体与第一绝缘层220反应在部分第一绝缘层220表面形成Si-F键，在第一绝缘层220表面形成游离的残余物，然后清洗第一绝缘层220表面，将所述残余物去除；另外，清洗所述第一绝缘层220的表面的过程中，将刻蚀气体与第一绝缘层220反应后形成于第一绝缘层220表面的副产物去除。利于后续在浅沟槽210中填充第二绝缘层，使得形成于第一绝缘层220表面的第二绝缘层具有良好的均一性。

所述等离子体处理采用的气体为He、Ar或者He和Ar的混合气体。

若等离子体处理采用的气体的总流量较小，会降低形成的等离子体的密度，从而降低对第一绝缘层220表面等离子体处理的效率；若等离子体处理采用的气体的总流量较大，会增加工艺成本。故本实施例中，等离子体处理采用的气体的总流量为1000sccm～3000sccm。

等离子体处理的高频射频功率使得所述气体等离子体化，若高频射频功率过低，所述气体不能被等离子体化，若高频射频功率过高，会增加制作成本且受到工艺条件的限制。故本实施例中，等离子体处理采用的高频射频功率为100瓦～500瓦。

低频射频功率产生偏置电压，使得所述等离子体具有一定速率且向第一绝缘层表面运动，若低频射频功率过低，所述等离子体具有的运动能量过低，不能打断第一绝缘层220表面的Si-F键，若低频射频功率过高，所述等离子体具有的运动能量过高，使得第一绝缘层220表面受到损伤。故本实施例中，低频射频功率为50瓦～150瓦。

若等离子体处理的时间过短，没有足够的时间完全打断第一绝缘层220表面的Si-F键，若等离子体处理的时间过长，会造成对第一绝缘层220表面严重的损伤。故本实施例中，等离子体处理的时间为30秒～90秒。

所述等离子体处理的腔室压强为5torr～15torr，温度为350摄氏度～450摄氏度。

本实施例中，采用去离子水清洗所述第一绝缘层220的表面。

参考图10，清洗所述第一绝缘层220的表面后，向浅沟槽210内填充满第二绝缘层221。

本实施例中，第二绝缘层221的材料为氧化硅。

形成第二绝缘层221的方法为沉积工艺，如等离子体化学气相沉积工艺、高浓度等离子体化学气相沉积工艺、次常压化学气相沉积工艺或高深宽比沉积工艺。本实施例中，形成第二绝缘层221的工艺为高深宽比沉积工艺。

在一个具体的实施例中，形成第二绝缘层221采用的高深宽比沉积工艺是在次常压化学气相沉积(SACVD)机台中进行的，具体的工艺参数为：采用的前驱体为正硅酸乙酯(TEOS)与臭氧(O₃)，正硅酸乙酯(TEOS)的流量为500毫克每分钟～2500毫克每分钟，臭氧(O₃)的流量为15000sccm～25000sccm，腔室压强为550torr～650torr，温度为450摄氏度～600摄氏度。

由于刻蚀第一绝缘层220后的开口211的深宽比减小，避免在填充第二绝缘层221的过程中形成空隙。另外，由于去除了等离子体刻蚀后在第一绝缘层220表面的残余物，及去除了刻蚀气体与第一绝缘层220反应后形成于第一绝缘层220表面的副产物，向浅沟槽210填充第二绝缘层221的过程中，使得第二绝缘层221的均一性提高。

参考图11，平坦化第一绝缘层220和第二绝缘层221，直至暴露出所述掩膜层201的表面。

平坦化第一绝缘层220和第二绝缘层221的方法为化学机械研磨工艺(CMP)。

所述刻蚀阻挡层203作为平坦化第一绝缘层220和第二绝缘层221过程中的停止层，避免化学机械研磨工艺对所述氧化层202和半导体衬底200造成损伤。

参考图12，采用湿刻工艺去除掩膜层201(参考图11)，形成浅沟槽隔离结构。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。