专利名称：浅沟槽隔离区及其形成方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种浅沟槽隔离区及其 形成方法。
背景技术：
随着集成电路集成度的增加，用以隔离半导体器件中有源区的隔离 区的尺寸必须不断地缩小。传统工艺中用于隔离有源区的区域氧化法
(L0C0S)由于在有源区边缘的氧化造成场氧化层边缘具有鸟嘴(Bird， sbeak)的形状，而使得在半导体器件中有源区之间有效的隔离长度受到 限制。由于可避免上述区域氧化法的缺点，浅沟槽隔离(Shallow Trench Isolation, STI)工艺近年来被广泛应用于半导体器件中有源区之间的隔 离。
当前，形成浅沟槽隔离区的步骤包括首先，如图la所示，在半导体 基底10上形成浅沟槽12;随后，如图lb所示，形成覆盖所述浅沟槽12的 侧壁氧化层20;最后，如图lc所示，形成覆盖所述侧壁氧化层20并填充 所述浅沟槽12的隔离层30,以形成浅沟槽隔离区。
然而，随着器件临界尺寸的缩小，为保证STI的填充效果，通常应用 具有同步沉积-刻蚀能力的高密度等离子体化学气相淀积(HDPCVD)工艺 形成所述隔离层。由于形成所述隔离层时应用沉积-刻蚀-沉积工艺，以 及，所述隔离层与所述侧壁氧化层均为氧化物，导致形成所述隔离层时 涉及的刻蚀操作易造成所述浅沟槽侧壁损伤，继而，影响所述浅沟槽隔 离区的隔离效果，进而，影响器件性能。
2003年3月19日/^开的^^告号为CN1242466C的中国专利中提供的一种 降低浅沟槽隔离侧壁氧化层应力与侵蚀的方法，该方法至少包括下列步 骤提供基底，所述基底具有第一介电层及覆盖所述第一介电层的第二 介电层；在所述基底内形成沟槽；形成侧壁氧化层，所述侧壁氧化层覆盖所述沟槽的侧壁与底部；以介电材料填满所述沟槽；及执行现场蒸汽 发生制程以再氧化所述侧壁氧化层，所述现场蒸汽发生制程至少包括引 入氧与氢氧根。
在形成浅沟槽隔离区时，应用上述方法看似可以通过减少所述侧壁氧 化层的损伤而减少所述浅沟槽侧壁损伤，但是，上述方法实际是利用现 场蒸汽发生制程修复已受损伤的所述浅沟槽侧壁，以形成新的侧壁氧化 层；涉及的是损伤之后的修复过程，即，应用上述方法并不能从根本上 减少所述浅沟槽侧壁损伤。
发明内容
本发明提供了一种浅沟槽隔离区形成方法，可在形成所述浅沟槽隔 离区的过程中减少所述浅沟槽侧壁损伤；本发明提供了一种浅沟槽隔离 区，其内的的浅沟槽侧壁在形成所述浅沟槽隔离区的过程中不易受损 伤。
本发明提供的一种浅沟槽隔离区形成方法，包括
在半导体基底上形成浅沟槽；
形成覆盖所述浅沟槽的侧壁氧化层；
对所述侧壁氧化层执行氮化操作；
形成隔离层，所述隔离层覆盖经历所述氮化操:作的侧壁氧化层并填 充所述浅沟槽，以形成浅沟槽隔离区。
可选地，所述侧壁氧化层包含二氧化硅；可选地，应用热氧化工艺 或ISSG工艺形成所述侧壁氧化层；可选地，应用ISSG工艺形成所述侧 壁氧化层时，涉及的反应气体包含H2和02,所述H2和02的流量比为1: 2; 可选地，应用DPN、 NH3RTP或炉式RTN工艺执行所述氮化操作；可选地， 应用DPN工艺执行所述氮化操作时，涉及的反应气体包含N2,所述N2 的流量范围为50 - 500sccm;可选地，应用DPN工艺执行所述氮化操:作 时，还包含緩沖气体，所述緩冲气体包含He ，所述He的流量范围为100 ~500sccm;可选地，应用DPN工艺执行所述氮化才喿作时，反应压力范围 为10~50mT;可选地，应用DPN工艺执行所述氮化操作后，所述侧壁氧 化层内具有梯度氮分布，氮的浓度由所述侧壁氧化层与所述隔离层的交 接面至所述侧壁氧化层与所述浅沟槽的交接面逐渐减小。
本发明提供的 一种浅沟槽隔离区，包含形成于半导体基底内的浅沟 槽、覆盖所述浅沟槽的侧壁氧化层及覆盖所述侧壁氧化层并填充所述浅 沟槽的隔离层；所述侧壁氧化层内具有氮分布。
可选地，所述侧壁氧化层内具有梯度氮分布，氮的浓度由所述侧壁 氧化层与所述隔离层的交接面至所述侧壁氧化层与所述浅沟槽的交接 面逐渐减小。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点
上述^t术方案提供的浅沟槽隔离区形成方法，通过在形成所述侧壁氧 化层后，再对所述侧壁氧化层执行氮化操作，以形成其内具有氮分布的 侧壁氧化层，即，通过氮化所述侧壁氧化层，以增强所述侧壁氧化层的 致密度，可减少所述浅沟槽在形成所述隔离层的过程中受损伤的可能性；
上述技术方案4是供的浅沟槽隔离区形成方法的可选方式，通过采用现 场蒸汽发生制程形成所述侧壁氧化层，可以增强形成的侧壁氧化层的性 能；
上述技术方案提供的浅沟槽隔离区形成方法的可选方式，通过控制现 场蒸汽发生制程中涉及的氢气和氧气的比例为l: 2,可结合湿式氧化工 艺和干式氧化工艺形成所述侧壁氧化层，可以增强形成的侧壁氧化层的 效率，利于在所述浅沟槽表面充分地形成所述侧壁氧化层，减少所述浅 沟槽在形成所述隔离层的过禾呈中受损伤的可能性；
上述技术方案提供的浅沟槽隔离区形成方法的可选方式，应用DPN工 艺执行所述氮化操作，以使所述侧壁氧化层内具有梯度氮分布，且氮的 浓度由所述侧壁氧浅沟槽的交接面逐渐减小，可使应用本方法形成浅沟槽隔离区时，在减
少所述浅沟槽损伤之余，还可减少所述侧壁氧化层的损伤；
上述技术方案提供的浅沟槽隔离区，通过在所述浅沟槽隔离区内形成 具有氮分布的侧壁氧化层，以增强所述侧壁氧化层的致密度，可减少所 述浅沟槽隔离区内包含的浅沟槽受损伤的可能性；
上述技术方案提供的浅沟槽隔离区的可选方式，通过在所述浅沟槽隔 离区内形成具有梯度氮分布的侧壁氧化层，且氮的浓度由所述侧壁氧化 层与所述隔离层的交接面至所述侧壁氧化层与所述浅沟槽的交接面逐渐 减小，可使所述浅沟槽隔离区内包含的所述侧壁氧化层具有较少的损伤。
图la lc为说明现有技术中形成浅沟槽隔离区的各步骤示意图； 图2a-2d为说明本发明实施例的形成浅沟槽隔离区的各步骤示意图。
具体实施例方式
尽管下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发 明的优选实施例，应当理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明 而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列的描述应当被理解为对于本 领域技术人员的广泛教导，而并不作为对本发明的限制。
为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细 描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混 乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须^f故出大量实施细节以实 现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实 施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和 耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下列 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
7采用非常筒化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助 说明本发明.实施例的目的。
应用本发明提供的方法形成浅沟槽隔离区的具体步骤包括 步骤1:如图2a所示，在半导体基底100上形成浅沟槽102。
成的隔离层与钝化层的半导体衬底(substrate)。所述半导体衬底包含 但不限于包括半导体元素的硅材料，例如单晶、多晶或非晶结构的硅或 硅锗(SiGe),也可以是绝缘体上硅(SOI)。
所述半导体基底100可利用传统的双阱工艺获得，即经由氧化生长、 离子注入及退火等工序形成具有对应NM0S和PM0S晶体管有源区的半导 体衬底。所述钝化层可利用低压化学气相淀积(LPCVD)设备，在高温 (约75Q摄氏度)条件下，经由氨气和二氯硅烷反应生成氮化硅(Si3N4) 获得。所述钝化层材料包括但不限于氮化硅、氮氧化硅(SiON)、碳化 硅(SiC)、碳氧化硅(SiC0)或碳氮化硅(SiCN)中的一种或其组合； 所述氧化层可利用热氧化工艺获得，所述热氧化工艺可应用高温氧化设 备或氧化炉进行。形成所述钝化层的过程包含沉积、研磨及检测等步骤； 形成所述氧化层的过程可包含热氧化及^r测步骤，具体可应用任何传统 的工艺，在此不再赘述。
形成所述浅沟槽102的步骤包括在半导体基底100上形成图形化的抗 蚀剂层，所述半导体基底100表面具有钝化层；以所述图形化的抗蚀剂层 为掩模，刻蚀所述钝化层；以刻蚀后的所述钝化层为硬掩模，刻蚀部分 所述半导体基底IOO。
或者，形成所述浅沟槽102的步骤包括在半导体基底100上形成图形 化的抗蚀剂层，所述半导体基底10O表面具有顺次形成的隔离层与钝化 层；以所述图形化的抗蚀剂层为掩模，刻蚀所述钝化层；以刻蚀后的所 述钝化层为硬掩模，顺序刻蚀所述隔离层和部分所述半导体基底IOO。步骤2:如图2b所示，形成覆盖所述浅沟槽102的侧壁氧化层120。
向所述浅沟槽102内沉积隔离层后即形成浅沟槽隔离区；在所述浅 沟槽102内沉积隔离层之前需预先形成覆盖所述浅沟槽的侧壁氧化层 120;形成所述侧壁氧化层120的操作可利用热氧化工艺或现场水汽生 成(in situ steam generation, ISSG)工艺进4亍；形成所述侧壁氧4匕 层120的操作可修复形成所述浅沟槽102时造成的半导体基底100晶格 损伤；还可减少后续沉积隔离层的过程中涉及的等离子体对所述浅沟槽 102造成的损伤。
通常，所述侧壁氧化层120包含二氧化硅；以90nm工艺为例，所述侧 壁氧化层120的厚度通常为10 IOO埃，如30埃、50埃。釆用ISSG工艺形 成所述侧壁氧化层120时，涉及的反应气体包含112和02，所述112和02的流量 比为l: 2;通过采用流量比为l: 2的&和02的ISSG工艺执行形成所述侧 壁氧化层120的操作，可结合湿式氧化工艺和干式氧化工艺形成所述侧壁 氧化层，可以增强形成的侧壁氧化层的效率，利于在所述浅沟槽表面充 分地形成所述侧壁氧化层，减少所述浅沟槽在形成所述隔离层的过程中 受损伤的可能性。
具体地,所述112和02的流量范围为10~ 50sccm，如20sccm、 30sccm; 涉及的反应温度为950 - 1100摄氏度，如1000摄氏度、1050摄氏度；涉及 的反应压力为10-20T,如15T; ISSG反应持续时间为IO ~ 50秒，如20秒、 30秒。通过采用现场蒸汽发生制程形成所述侧壁氧化层，可以增强形成 的侧壁氧化层的性能。
步骤3:如图2c所示，对所述侧壁氧化层执行氮化操作，以形成经 历所述氮化操:作的侧壁氧化层122。
本发明的发明人分析后认为，形成其内具有氮分布的侧壁氧化层，可 增强所述侧壁氧化层的致密度，可进一步减少所述浅沟槽在形成所述隔 离层的过程中受损伤的可能性。
9本发明的发明人经历分析与实践后认为，对所述侧壁氧化层执行氮化 操作，以形成其内具有氮分布的侧壁氧化层，即，通过氮化所述侧壁氧 化层，以增强所述侧壁氧化层的致密度，成为减少所述浅沟槽损伤的指 导方向。
实践中，可采用翻(decoupled plasma nitridation,去耦合等离 子体氮化)、NH3RTP (快速热处理)或炉式RTN (快速热氮化)工艺执行 所述氮化操作。
应用DPN工艺执行所述氮化操作，可使所述侧壁氧化层122内具有梯度 氮分布，且氮的浓度由所述侧壁氧化层122与所述隔离层的交接面至所述 侧壁氧化层122与所述浅沟槽的交接面逐渐减小，可^f吏应用本方法形成浅 沟槽隔离区时，在减少所述浅沟槽损伤之余，还可减少所述侧壁氧化层 122的损伤。
应用DPN工艺执行所述氮化操作时，涉及的反应气体包含N2，所述N2 的流量范围为50 500sccm,如100sccm、 200sccm或300sccm;应用DPN工 艺执行所述氮化操作时，还包含緩冲气体，所述緩沖气体包含He,所述 He的;^量范围为100 500sccm, J^200sccm、 300sccm或400sccm;应用DPN 工艺执行所述氮化操作时，反应压力范围为10-50mT,如20mT、 30mT; 反应压力范围为25 70摄氏度，如50摄氏度、60摄氏度；涉及的反应压 力为10-50mT，如20mT; DPN操作持续时间为15 ~ 60秒，如30秒。
所述DP財喿作中还包含PM ( post nitridation anneal,氮化后退火) 操作；执行PNA操作时，涉及的反应温度为950 1100摄氏度，如1050摄 氏度；涉及的反应压力为O. 5 ~ 50T，如20T; PNA才喿作持续时间为15 ~ 60 秒，如30秒。
步骤4:如图2d所示，形成隔离层140，所述隔离层140覆盖经历 所述氮化搮:作的侧壁氧化层122并填充所述浅沟槽102，以形成浅沟槽 隔离区。
10填充所述浅沟槽102的操作通过在所述浅沟槽102内沉积隔离层140实 现；实际生产中，通常采用沉积-刻蚀-沉积工艺形成所述隔离层，所述 沉积-刻蚀-沉积工艺可利用高密度等离子体化学气相淀积(HDP)工艺进 行。
所述沉积-刻蚀-沉积工艺为首先，沉积部分所述隔离层；继而，刻 蚀部分已形成的隔离层；进而，顺序沉积隔离分层，以形成隔离层。
需说明的是，所述沉积-刻蚀-沉积工艺不限于利用高密度等离子体化 学气相淀积(HDP)工艺进行；所述沉积-刻蚀-沉积工艺中涉及的沉积及 刻蚀操作均可应用现行半导体制程中的任一传统沉积及刻蚀工艺，如化 学气相淀积工艺和等离子体刻蚀工艺。
应用本技术方案提供的浅沟槽隔离区形成方法，通过在形成所述侧壁 氧化层后，再对所述侧壁氧化层执行氮化操作，以形成其内具有氮分布 的侧壁氧化层，即，通过氮化所述侧壁氧化层，以增强所述侧壁氧化层 的致密度，可减少所述浅沟槽在形成所述隔离层的过程中受损伤的可能 性
特别地，通过采用ISSG工艺与DPN工艺相结合的方式形成所述侧壁氧 化层，可在性能优异的所述侧壁氧化层内形成梯度氮分布，且氮的浓度 由所述侧壁氧化层与所述隔离层的交接面至所述侧壁氧化层与所述浅沟 槽的交接面逐渐减小，可4吏应用本方法形成浅沟槽隔离区时，在减少所 述浅沟槽损伤之余，还可减少所述侧壁氧化层的损伤。
基于相同的构思，如图2d所示，本发明还提供了一种浅沟槽隔离 区，包含形成于半导体基底100内的浅沟槽102、覆盖所述浅沟槽102 的侧壁氧化层120及覆盖所述侧壁氧化层120并填充所述浅沟槽102的 隔离层140;所述侧壁氧化层120内具有氮分布。
通过在所述浅沟槽隔离区内形成具有氮分布的侧壁氧化层，以增强 所述侧壁氧化层的致密度，可减少所述浅沟槽隔离区内包含的浅沟槽受损伤的可能性。
所述侧壁氧化层12 Q内具有梯度氮分布，氮的浓度由所述侧壁氧化层
120与所述隔离层140的交接面至所述侧壁氧化层120与所述浅沟槽102的 交接面逐渐减小。
通过在所述浅沟槽隔离区内形成具有梯度氮分布的侧壁氧化层，且氮 的浓度由所述侧壁氧化层与所述隔离层的交接面至所述侧壁氧化层与所 述浅沟槽的交接面逐渐减小，可使所述浅沟槽隔离区内包含的所述侧壁 氧化层具有较少的损伤。
需强调的是，未加说明的步骤均可采用传统的方法获得，且具体的工 艺参数根据产品要求及工艺条件确定。
尽管通过在此的实施例描述说明了本发明，和尽管已经足够详细地描 述了实施例，申请人不希望以任何方式将权利要求书的范围限制在这种 细节上。对于本领域技术人员来说另外的优势和改进是显而易见的。因 此，在较宽范围的本发明不限于表示和描述的特定细节、表达的设备和 方法和说明性例子。因此，可以偏离这些细节而不脱离申请人总的发明 概念的精神和范围。
权利要求
1. 一种浅沟槽隔离区形成方法，其特征在于，包括在半导体基底上形成浅沟槽；形成覆盖所述浅沟槽的侧壁氧化层；对所述侧壁氧化层执行氮化操作；形成隔离层，所述隔离层覆盖经历所述氮化操作的侧壁氧化层并填充所述浅沟槽，以形成浅沟槽隔离区。
2. 根据权利要求1所述的浅沟槽隔离区形成方法，其特征在于 所述侧壁氧化层包含二氧化v5圭。
3. 根据权利要求1或2所述的浅沟槽隔离区形成方法，其特征在 于所述侧壁氧化层形成工艺采用热氧化工艺或现场水汽生成工艺。
4. 根据权利要求3所述的浅沟槽隔离区形成方法，其特征在于 应用现场水汽生成工艺形成所述侧壁氧化层时，涉及的反应气体包含H2 和02,所述112和02的流量比为1: 2。
5. 根据权利要求1所述的浅沟槽隔离区形成方法，其特征在于 应用去耦合等离子体氮化工艺、NH3快速热处理工艺或炉式快速热氮化 工艺执行所述氮化操作。
6. 根据权利要求5所述的浅沟槽隔离区形成方法，其特征在于 应用去耦合等离子体氮化工艺执行所述氮化操作时，涉及的反应气体包 含N"所述N2的流量范围为50~ 500sccm。
7. 根据权利要求6所述的浅沟槽隔离区形成方法，其特征在于 应用去耦合等离子体氮化工艺执行所述氮化操作时，还包含緩冲气体， 所述緩冲气体包含He,所述He的流量范围为100 ~ 500sccm。
8. 根据权利要求5所述的浅沟槽隔离区形成方法，其特征在于 应用去耦合等离子体氮化工艺执行所述氮化操作时，反应压力范围为 10~ 50mT。
9. 根据权利要求5所述的浅沟槽隔离区形成方法，其特征在于执行所述氮化操作后，所述侧壁氧化层内具有梯度氮分布，氮的浓度由 所述侧壁氧化层与所述隔离层的交接面至所述侧壁氧化层与所述浅沟 槽的交接面逐渐减小。
10. —种浅沟槽隔离区，包含形成于半导体基底内的浅沟槽、覆盖 所述浅沟槽的侧壁氧化层及覆盖所述侧壁氧化层并填充所述浅沟槽的隔离层；其特征在于所述侧壁氧化层内具有氮分布。
11. 根据权利要求10所述的浅沟槽隔离区，其特征在于所述侧 壁氧化层内具有梯度氮分布，氮的浓度由所述侧壁氧化层与所述隔离层 的交接面至所述侧壁氧化层与所述浅沟槽的交接面逐渐减小。
全文摘要
一种浅沟槽隔离区形成方法，包括在半导体基底上形成浅沟槽；形成覆盖所述浅沟槽的侧壁氧化层；对所述侧壁氧化层执行氮化操作；形成隔离层，所述隔离层覆盖经历所述氮化操作的侧壁氧化层并填充所述浅沟槽，以形成浅沟槽隔离区。可在形成所述浅沟槽隔离区的过程中减少所述浅沟槽侧壁损伤。一种浅沟槽隔离区，包含形成于半导体基底内的浅沟槽、覆盖所述浅沟槽的侧壁氧化层及覆盖所述侧壁氧化层并填充所述浅沟槽的隔离层；所述侧壁氧化层内具有氮分布。其内的浅沟槽侧壁在形成所述浅沟槽隔离区的过程中不易受损伤。
文档编号H01L21/762GK101459110SQ20071009449
公开日2009年6月17日 申请日期2007年12月13日 优先权日2007年12月13日
发明者何永根, 刘佑铭 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司