半导体器件及其形成工艺的制作方法

专利名称：半导体器件及其形成工艺的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及半导体器件和工艺领域。特别地，它涉及包含场绝缘区的半导体器件及其形成工艺。更特别地，它涉及在同一芯片上包含两个或更多个具有不同特性的场绝缘区的半导体器件及其形成工艺。
背景技术：
集成电路制造通常要求各个有源和无源电路元件互相之间电绝缘。绝缘使电路连接可以与已构图表面镀金属一起形成，被绝缘的电路元件与镀金属相接触。已提出了许多不同的技术来获得有效的场绝缘，例如结绝缘、电介质绝缘，以及它们的组合。尽管每种技术都尤其自身的优点，然而缺点也依然存在。
随着在单个芯片上安置更多的功能元件，制作能满足每个功能元件的要求的绝缘区变得困难。在每个功能元件要求绝缘约束时更是这样。特别地，对于片上系统解决方案，在单个芯片上会同时出现逻辑和存储器件。在此情形中，对每个器件类型制作令人满意的绝缘区可能尤其困难。特定地，尽管逻辑和存储器件都要求一个大的器件密度，这两种器件的绝缘要求也可能很不相同。
例如，存储器件经常要求具有圆滑拐角的沟道，而逻辑器件经常要求窄的绝缘，拐角是否圆滑并不重要。存储器件通常要求圆滑的拐角来避免进行写入和删除步骤时沟道拐角处电场的增强。要避免电场增强的原因是，它们可能导致一些问题，包括——但不局限于——存储单元耐久性和可靠性的降低。与存储器件的要求相反，逻辑器件通常不要求沟道拐角圆滑，或者说不像存储器件中要求的那么高。这样，正如在这一实施例中所能看到的，单个芯片上的场绝缘要求可能会有很大差异。反过来，这个差异造成了制造上的困难，尤其是因为传统的绝缘技术对所有不同绝缘区的处理即使不是一致的，也是类似的。这样，使用传统的技术，要在单个芯片上制作不同场绝缘区是很困难的，或者说是不可能的。
一种已有的制作圆滑沟道拐角的技术包含在高温下生长厚沟道衬里氧化物。厚沟道氧化物衬里利用改变弯曲度来制作沟道拐角；然而，更厚的衬里常会长到沟道间距中。沟道中的生长可能会降低沟道墙之间的间隙距离，增加了需要由沟道填充氧化物工艺所填充的沟道的长宽比。由于长宽比的增加，填充沟道变得更困难，沟道不完整的可能性也随之增加。
只要有源区之间的间隔与现今通常所用的存储器件中的间距一样大，那么沟道衬里厚度通常就不会对沟道填充工艺造成影响。然而，在不久的将来的器件中所可能见到的，随着逻辑电路中电路密度的增加，要填充具有厚沟道衬里的窄沟道将变得日益困难。特别地，填充如此窄的沟道的努力可能会导致空白(沟槽中未被绝缘物完全填满的空间)的增多，因多种原因，这很成问题。例如，空白能导致后续工艺步骤中的短路。而且，空白能在抛光步骤中聚集抛光残渣，会导致完全不同的问题。空白还能聚集过量的水汽，会导致其它问题。最后，在后续的工艺步骤中，空白可聚集一种或多种导电材料，这也会引起短路。
尽管通常认为这些问题与沟道填充有关——填充窄沟道的困难和无法在单个芯片上处理不同的绝缘区——现有技术仍然利用单沟道集成方法。单沟道集成方法，尽管这样的方法在解决技术中的这些问题方面显示了一定的效用，上面所提到的特殊问题还普遍存在。因此，在单个芯片上制成具有不同特性(例如深度、拐角圆滑等等)的不同绝缘区沟道的能力将是很有利的。这一能力将提供，例如单个芯片上逻辑和存储器件绝缘区的有效的分离。有了这一能力，将可使用标准氧化物工艺或任何CVD氧化物填充工艺来进行充分填充，而不会形成空白。
上面所列举的问题并不完全，而只是会削弱涉及绝缘区的已知器件和技术的效果之许多问题中的一些。可能还存在其它值得注意的问题；然而，上述那些足以说明现有技术中的方法并不能完全令人满意。特别地，已有技术并没有充分解决不同类型的器件对不同类型的绝缘的要求。因为已有技术同时处理各绝缘区，即使并非不可能，也很难于在单个芯片上形成具有不同特性的绝缘区。这样就出现了这种情况，就是经常会不适当地形成一个或多个绝缘区；例如，要填充一个或多个沟道区而不形成空白，会很困难或者不可能。反过来，空白又会对器件性能产生不利影响。
附图简述下面以附图作为实施例阐明本发明，当然，本发明并不局限于这些附图，在附图中，类似的标记表示类似的元件，在附图中

图1示出一个半导体器件，包括处于半导体器件衬底中的沟道中的第一绝缘区；图2示出图1的半导体器件，还包括沟道中的衬里；图3示出图2的半导体器件，还包括一些沟道中的第二绝缘区，这些沟道具有不同于图1所示第一组绝缘区的沟道的特性。还示出了用于将第一和第二绝缘区互相之间有效地分离的光刻胶层。
图4示出图3的半导体器件，还包括沟道中的衬里；图5示出图4的半导体器件，沟道中已填充了绝缘物；以及图6示出图5的半导体器件，还包括相应于第一和第二绝缘区的第一和第二组件区。
熟练的技术人员能理解图中的元件都是简单清楚地示出的，无需按比例画出。例如，图中一些元件的尺寸相对于其它元件来说被夸大了，这是为了帮助增进对本发明的实施方案的理解。
例证实施方案描述在一个方面，本发明是包括场绝缘区、第一组件区和第二组件区的半导体器件。场绝缘区处在位于半导体器件衬底中的沟道中。第一组件区靠近第一沟道，而第二组件区靠近第二沟道。该半导体器件包括下列特点之一(a)第一沟道中的第一衬里，第二沟道中的第二衬里，其中第一衬里显著厚于第二衬里；以及(b)第一组件区具有靠近第一沟道的第一边沿，该边沿具有第一曲率半径，而第二组件区具有靠近第二沟道的第二边沿，该边沿具有第二曲率半径，其中第一曲率半径显著大于第二曲率半径。
在另一方面，本发明涉及形成半导体器件的工艺。形成沟道以确定第一组件区和第二组件区。沟道包括第一沟道和第二沟道。第一组件区靠近第一沟道，第二组件区靠近第二沟道。在第一沟道中形成第一衬里，在第二沟道中形成第二衬里。该半导体器件包括下列特点之一(a)第一衬里显著厚于第二衬里；以及(b)第一组件区具有靠近第一沟道的第一边沿，该边沿具有第一曲率半径，而第二组件区具有靠近第二沟道的第二边沿，该边沿具有第二曲率半径，其中第一曲率半径显著大于第二曲率半径。
首先来看图1，其中示出了根据本发明某一实施方案的半导体器件10。所示出的有衬底11、第一沟道14、一般地表示为12的第一绝缘区(相应于第一沟道14)、衬垫氧化物16，以及衬垫氮化物17。在某一实施方案中，衬底11可包括单晶半导体晶片、绝缘晶片上的半导体，或任何其它用于形成半导体器件的衬底。在某一实施方案中，衬垫氧化物16可具有大约100-160埃的厚度，但是应当理解，这个厚度可以变化很大。在另一实施方案中，衬垫氧化物16可具有大约145埃的厚度。衬垫氧化物16可以用本技术中已知的方法热生长，也可以用其它任何合适的方式进行生长。在某一实施方案中，衬垫氮化物17可具有大约800-2000埃的厚度，但是应当理解，这一范围也是可以变化很大的。衬垫氮化物17可以是单层或复合层。特别地，衬垫氮化物可包括富硅氮化物、氮化硅、氮氧化硅，或它们的组合。在某一实施方案中，衬垫氮化物17可包括一层大约为200埃的富硅氮化物下层膜，该下层膜被厚度大约为1200埃的Si3N4层覆盖。
第一沟道14可利用本技术中已知的不同方法的变化来形成。例如，沟道14可如下形成使用抗蚀层掩模板，然后通过腐蚀穿衬垫氮化物17、衬垫氧化物16以及部分衬底11来形成沟道。第一沟道14的深度可变化很大，这取决于要制作的器件的类型。然而，在某一实施方案中，沟道14的深度可以在大约2000至大约7000埃之间。与第一沟道14相关的是θ(theta)角。如图所示，θ角定义为沟道14的侧壁和沟道14的底部所形成的角度。尽管θ角的值根据要制作的器件而有很大不同，但在某一实施方案中，θ可等于或大于大约70度。在另一实施方案中，θ可在大约30至大约70度之间。要改变θ角，正如本技术中已知的，可能要改变一个或几个工艺参数。例如，可能要调整反应离子刻蚀的参数来获得所需的θ角或沟道14的形状。
下面看图2，图中示出了还包括第一沟道衬里20的半导体器件10。第一沟道衬里20可通过技术中已知的几种方法中的任意一种来形成。例如，可通过首先“潜挖”或腐蚀衬底氧化物层16的一部分来形成第一沟道衬里20。正如本技术中已知的，这可通过将半导体器件10置于合适的腐蚀液中来完成。在某一实施方案中，这种溶液可包括HF的稀释混合液。特定地，半导体器件10可浸入包括100∶1HF的溶液中。特定地，在这样一个实施方案中，半导体器件10可在HF溶液中处理一段时间，这段时间可将衬垫氧化物16腐蚀到相当于在测试晶片上腐蚀掉200埃氧化物的程度。
第一沟道衬里20的厚度可以有很大改变。然而，在某一实施方案中，第一沟道衬里20可在大约200至大约900埃之间。更特别地，在某一实施方案中，第一沟道衬里20可以是大约400埃。第一沟道衬里20可在上述潜挖腐蚀之后，通过将半导体器件10在大约960-1100摄氏度温度下进行热氧化而形成。在某一实施方案中，温度可以是大约1100摄氏度。正如本技术中已知的，第一沟道衬里20的厚度可通过参照测试晶片来确定。
参看图2，可见半导体器件10的绝缘区包括曲率半径为R的边沿。曲率半径R与第一沟道衬里20的圆滑拐角相关。第一沟道衬里20的拐角可通过本技术中已知的方法来做得圆滑。圆滑的程度可通过各种技术来进行调整。例如，温度的改变、衬垫氧化物16被潜挖程度的改变，以及第一沟道衬里20厚度的改变都可进行调整以修改曲率半径R。
下面看图3，图中示出了还包括抗蚀层31、一般地表示为32的第二绝缘区以及第二沟道32的半导体器件10。抗蚀层31可首先像技术中已知的那样进行构图。特别地，可覆盖并曝光抗蚀层31来形成所需的第二绝缘区图形。在构图之后，可使用反应离子刻蚀或其它任何本技术中已知的刻蚀方法，根据抗蚀层31中曝光的图形来去掉部分衬垫氮化物层17、衬垫氧化物层16以及衬底11，以形成第二沟道34。
第二沟道34的深度可变化很大，这取决于要制作的器件类型。然而，在某一实施方案中，沟道34可具有大约2000至大约7000埃的深度。与第二沟道34相关的是(phi)角。如图所示，角定义为沟道34的侧壁和沟道34的底部所形成的角度。尽管角的值根据要制作的器件而有很大不同，但在某一实施方案中，θ可等于或大于大约70度。在另一实施方案中，可在大约30至大约70度之间。要改变角，正如本技术中已知的，可能要改变一个或几个工艺参数。例如，可能要调整反应离子刻蚀的参数来获得所需的角或沟道34的形状。在第二沟道34形成之后，通过本技术中已知的几种方法任何一种来去掉抗蚀掩模层31。
参看图3，可看出本公开的一些优点。如图所示，半导体器件10包括两种不同的绝缘区，一般地以12和32表示。在每个区域之中是一组沟道，沟道14和34。由于第一绝缘区在第二绝缘区之前形成，并且对于第二绝缘区来说，第一绝缘区的形成是独立的，这两绝缘区可认为是分离的。换句话说，第一绝缘区12和与其相关的沟道14的形成无需影响第二绝缘区和与其相关的沟道34的形成。在所示实施方案中，能够做到分离，部分是因为工艺步骤的顺序和抗蚀掩模层31的使用。特别地，在形成第二区时，抗蚀层31有效地掩罩了第一绝缘区。这样，如果需要，这两区域可设计成具有完全不同的特性。
特别地，由于绝缘区的分离，可形成深度、宽度或形状与第二沟道34不同的第一沟道14。更特别地，沟道34可相应于逻辑器件的绝缘，而沟道14可相应于存储器件的绝缘，后者常常需要更深或更潜的具有圆滑拐角的沟道。由于分离，θ角和角可大不相同。在某一实施方案中，θ可以是大约70度，而角可以是大约30度。
现在来看图4，图中示出了还包括第二沟道衬里36的半导体器件10。第二沟道衬里36可通过本技术中已知的几种方法中的任意一种来形成。例如，可通过首先“潜挖”或腐蚀衬底氧化物层16的一部分来形成第二沟道衬里36。正如本技术中已知的，这可通过将半导体器件10置于合适的腐蚀液中来完成。在某一实施方案中，这种溶液可包括HF的稀释混合液。特定地，半导体器件10可浸入包括100∶1HF的溶液中。特定地，在这样一个实施方案中，半导体器件10可在HF溶液中处理一段时间，这段时间可将衬垫氧化物16腐蚀到相当于在测试晶片上腐蚀掉200埃氧化物的程度。
第二沟道衬里36的厚度可以有很大改变。然而，在某一实施方案中，第二沟道衬里36可在大约200至大约900埃之间。更特别地，在某一实施方案中，第二沟道衬里36可以是大约100埃。在另一实施方案中，第二沟道衬里36可以是大约0至400埃。第二沟道衬里36可在用上述湿法腐蚀潜挖衬垫氧化物之后，通过将半导体器件10在大约960-1100摄氏度温度下进行热氧化而形成。在某一实施方案中，温度可以是大约1000摄氏度。正如本技术中已知的，第二沟道衬里36的厚度可通过参照测试晶片来确定。
熟练的技术人员能够理解，在第二沟道衬底36的形成中，第一沟道衬里20的厚度会受到轻微的影响。特别地，在用于形成沟道衬里36的热氧化步骤过程中，沟道衬里20会被进一步——尽管很轻微——氧化，因而衬里20会加厚。尽管这是第一和第二绝缘区之间轻微关联(衬里20的厚度并不完全独立于衬里36的厚度)的例子，但是熟练的技术人员能够理解，这一关联实际很小，不会影响形成两个或多个具有不同沟道特性的绝缘区的能力所带来的巨大优点。
例如，参看图2和4，可以看出，两绝缘区的独立或者说分离可使它们形成两个不同的曲率半径。特别地，图4中的半径R2可以不同于图2中的曲率半径R1。半径的不同可任意地或大或小，调整决定沟道衬垫拐角圆滑地工艺参数，但是在某一实施方案中这一差异可以是70％。特定地，在某一实施方案中，R1可比R2大大约70％。不但它们相关的角度可以不同，它们的厚度也可以改变。特别地，通过在衬里36形成过程中调整工艺条件，可以使衬里36厚于衬里20。在某一实施方案中，衬里20和36之间的厚度差异可以是大约5％。在其它实施方案中，这一差异可以任意地或小或大。
在同一衬底上形成具有显著不同衬里厚度的不同沟道的能力是非常有利的。正如前面所提到的，面对绝缘场的一个问题就是衬里可以使完全填充沟道变得困难——即使并非不可能。特别地，如果衬里太厚，它会使沟道的宽度减小到填充而不形成空白变得不太可能的程度。然而，在单个衬底上制作不同类型的器件(例如，对于“片上系统”(SOC)应用)时，这一问题就会发生；如果对某类器件需要更厚的沟道衬里，则其它类器件的衬里将必须同样厚，因为绝缘工艺是相关的——对一组绝缘区所进行的也要对另一组绝缘区进行。相反，本公开可使绝缘的形成分离，从而，例如，存储和逻辑器件可并排形成，尽管它们对沟道绝缘有不同的要求。
现在看图5，图中示出具有第一和第二沟道14和34的半导体器件10，第一和第二沟道14和34中填有绝缘材料以形成第一填满沟道44和第二填满沟道46。在某一实施方案中，可使用氧化物材料来填充这些沟道。在另一实施方案中，任何其它类型的绝缘材料都可使用，像本领域中已知的那样。在图5中，可看出已经去掉了衬垫氮化物层17和衬垫氧化物层16。这些去除步骤可由本技术中已知的几种方法中任意一种来进行。在填充第一和第二沟道之后，可进行一个或多个密实步骤，像本领域中已知的那样。
正如本领域中已知的，将图5中示出的半导体器件10进行一个或多个抛光步骤来获得平坦表面。由于不同沟道独立的可控性，此处所示的填充步骤更可能导致没有空白的完全填充的绝缘沟道。特别地，可形成不同绝缘区中的不同沟道，从而可获得完全的、无空白的填充。
下面看图6，图中示出包括一般地示为50的第一组件区和一般地示为52的第二组件区的半导体器件10。这些组件区仅仅指与此处所描述的绝缘区相关的组件。特别地，第一组件区50相应于那些作为绝缘区12的部分且被第一绝缘沟道14(或填满沟道44)绝缘的所有组件。第二组件区52相应于那些作为第二绝缘区32的部分且被第二绝缘沟道34(或填满沟道46)绝缘的所有组件。
在所示实施方案中，第一组件区50相应于集成电路器件的存储列阵部分，而第二组件区52相应于该集成电路器件的CMOS逻辑部分。图6中所示的有电介质层54、钝化层66，以及导电层64，导电层64可以是任何导体，例如金属。如图所示，导电层64可与CMOS逻辑部分的源和/或漏区相连。源和漏区分别示为60和62。还示出了栅58和栅氧化物56。逻辑部分52和存储列阵50可具有不同的具有非零绝对值的供电电位。可利用这些不同的供电电压来提高两种不同电路的工作特性。熟练的技术人员能认识到，图6中所示的元件可通过本技术中熟知的方法来形成，因此，这里将不再重复。
在前述说明中，参照特定实施方案描述了本发明。然而，熟练的技术人员能理解，只要不超出下面权利要求中所提出的本发明的范围，可进行各种调整和改变。因此，说明书和附图只应看作示例而不是限制，所有这样的调整应被包括在本发明的范围中。
上面已对于特定实施方案描述了益处、其它优点以及问题的解决方案。然而，这些益处、优点、问题的解决方案，以及可导致任何益处、优点以及解决方案发生或更明确的要素并不能认作任何或所有权利要求的决定性的、必须的或基本的特点或要素。正如此处所用，术语“包含”、“由…构成”或其任何其它变体是要覆盖非排它包含，这样，包含一列元件的工艺、方法、物品或设备并不仅包括那些元件，而可包括没有明确列出的或这样的工艺、方法、物品或设备所固有的其它元件。
权利要求
1.半导体器件，包含场绝缘区，位于处在半导体器件衬底中的沟道中，其中沟道包括第一沟道和第二沟道；以及第一组件区和第二组件区，其中第一组件区靠近第一沟道，而第二组件区靠近第二沟道；其中半导体器件包括选自下列组中的特征第一沟道中的第一衬里，和第二沟道中的第二衬里，其中第一衬里显著厚于第二衬里；以及第一组件区具有靠近第一沟道、具有第一曲率半径的第一边缘，而第二组件区具有靠近第二沟道、具有第二曲率半径的第二边缘，其中第一曲率半径显著大于第二曲率半径。
2.根据权利要求1的半导体器件，其中第一衬里显著厚于第二衬里；以及第一曲率半径显著大于第二曲率半径。
3.根据权利要求1的半导体器件，其中该半导体器件被设计成在第一供电电位和第二供电电位下工作，其中第一和第二供电电位都具有非零绝对值；以及第一和第二供电电位之间差别很大。
4.根据权利要求1的半导体器件，其中第一沟道具有第一深度；第二沟道具有第二深度；以及第一和第二深度之间差别很大。
5.根据权利要求1的半导体器件，其中第一和第二沟道都具有侧壁和底部；以及第一角度定义为第一沟道中的侧壁和底部所形成的角度；第二角度定义为第二沟道中的侧壁和底部所形成的角度；以及第一角度与第二角度之间差别很大；以及第一角度大于大约70度。
6.根据权利要求1的半导体器件，其中第一衬里至少比第二衬里厚大约5％。
7.根据权利要求1的半导体器件，其中第一曲率半径至少比第二曲率半径大大约70％。
8.根据权利要求1的半导体器件，其中该半导体器件包括存储列阵部分和逻辑部分；存储列阵部分包括第一组件区和第一衬里；逻辑部分包括第二沟道，具有不同于第一沟道的深度；第二组件区，具有显著小于第一曲率半径的第二曲率半径；以及第二衬里，显著薄于第一衬里。
9.根据权利要求8的半导体器件，进一步包含沿第二沟道或第一沟道底部的场沟停止掺杂区(field channel stop doped region)。
10.形成半导体器件的工艺，包含形成沟道，以确定第一组件区和第二组件区，其中沟道包括第一沟道和第二沟道；以及第一组件区靠近第一沟道；以及第二组件区靠近第二沟道；在第一沟道中形成第一衬里；以及在第二沟道中形成第二衬里，其中该半导体器件包括选自下列组中的特征第一衬里显著厚于第二衬里；以及第一组件区具有靠近第一沟道、具有第一曲率半径的第一边缘，而第二组件区具有靠近第二沟道、具有第二曲率半径的第二边缘，其中第一曲率半径显著大于第二曲率半径。
11.根据权利要求10的工艺，其中第一衬里显著厚于第二衬里；以及第一曲率半径显著大于第二曲率半径。
12.根据权利要求10的工艺，其中该半导体器件被设计成在第一供电电位和第二供电电位下工作，其中第一和第二供电电位都具有非零绝对值；以及第一和第二供电电位之间差别很大。
13.根据权利要求10的工艺，其中第一沟道具有第一深度；第二沟道具有第二深度；以及第一和第二深度之间差别很大。
14.根据权利要求10的工艺，其中第一和第二沟道都具有侧壁和底部；以及第一角度定义为第一沟道中的侧壁和底部所形成的角度；第二角度定义为第二沟道中的侧壁和底部所形成的角度；以及第一角度与第二角度之间差别很大；以及第一角度大于大约70度。
15.根据权利要求10的工艺，其中第一衬里至少比第二衬里厚大约5％。
16.根据权利要求10的工艺，其中第一曲率半径至少比第二曲率半径大大约70％。
17.根据权利要求10的工艺，其中该半导体器件包括存储列阵部分和逻辑部分；存储列阵部分包括第一组件区和第一衬里；逻辑列阵部分包括第二沟道，具有不同于第一沟道的深度；第二组件区，具有显著小于第一曲率半径的第二曲率半径；以及第二衬里，显著薄于第一衬里。
18.根据权利要求17的工艺，进一步包含沿第二沟道或第一沟道底部的场沟停止掺杂区(field channel stop doped region)。
19.根据权利要求10的工艺，其中第一衬里的形成在第一温度下进行；以及第二衬里的形成在显著不同于第一温度的第二温度下进行。
20.根据权利要求10的工艺，进一步包括在第一和第二沟道以及第一和第二组件区上形成电介质层；形成互连，它至少部分处于电介质层中；以及在电介质层和互连上形成钝化层。
全文摘要
半导体器件及其形成工艺。半导体器件(10)包括处在位于半导体器件衬底(11)中的沟道(14)内的场绝缘区(12)。该器件包括第一组件区和第二组件区。第一组件区靠近第一沟道，而第二组件区靠近第二沟道。该半导体器件包括下列特点之一(a)第一沟道(14)中的第一衬里(20)，和第二沟道(34)中的第二衬里(36)，其中第一衬里(20)显著厚于第二衬里(36)；以及(b)第一组件区具有靠近第一沟道、具有第一曲率半径的第一边沿，而第二组件区具有靠近第二沟道(34)、具有第二曲率半径(R2)的第二边沿，其中第一曲率半径显著大于第二曲率半径(R2)。
文档编号H01L29/788GK1502127SQ01816323
公开日2004年6月2日 申请日期2001年9月7日 优先权日2000年9月18日
发明者兰纳·P·西英, 李池南, 兰纳 P 西英 申请人:摩托罗拉公司