专利名称：沟槽填充方法及浅沟槽隔离结构制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件制造领域，特别涉及浅沟槽制造工艺中的沟槽填充方法及
浅沟槽隔离结构制作方法。
背景技术：
如今，在半导体制造工艺中，一般采用浅沟槽隔离工艺形成隔离结构。在这种工艺中，先在衬底上形成浅沟槽，元件之间用刻蚀的浅沟槽隔开，然后在沟槽侧壁和底部形成氧化衬垫，再利用化学气相淀积(CVD)在浅沟槽中填入绝缘介质，例如氧化硅。在填入绝缘介质之后，用化学机械研磨(CMP)的方法使沟槽表面平坦化。 由于高密度等离子体化学气相沉积(HDPCVD， High Density PlasmaChemicalVapor D印osition)法具备有"溅射(Sputtering)"与"沉积"两个功能，因此在进行沉积的同时，也会进行将沉积物剥落的溅射作用。因而所述高密度等离子体化学气相沉积具有良好的填沟(Gap filling)能力，因此应用在形成浅沟槽隔离结构的工艺中，用于将绝缘物质氧化硅填入浅沟槽中。 例如，在申请号为200610071494.8的中国专利申请中就涉及一种使用高密度等离子体化学气相沉积的浅沟槽隔离结构工艺。参照图1A所示，首先，提供半导体基底200。接着，利用化学气相沉积或热氧化法在基底200上形成包括垫氧化层210与覆盖其上的垫氮化层220的垫层205。 之后，参照图IB所示，图案化垫层205，以暴露出后续在半导体基底200中将形成沟槽隔离物的区域。 接着，参照图1C所示，以图案化垫层205为掩模，蚀刻半导体基底200，形成沟槽230。 之后，参照图ID所示，利用热氧化法在沟槽230侧壁及底部生长氧化内衬层240。
接着，参照图1E所示，利用氮、氧及硅烷为反应物的高密度等离子体化学气相沉积法顺应性地在垫层205与氧化内衬层240上沉积氮氧化硅层250。 之后，参照图IF所示，利用氧及硅烷为反应物的高密度化学气相沉积法在氮氧化硅层250上沉积氧化层260，并将氧化层260填入沟槽230。 接着，参照图1G所示，利用化学机械研磨平坦化HDP氧化层260，暴露出垫层205。以及湿法蚀刻移除垫氮化层220及垫氧化层210，获得沟槽隔离物。 然而，在诸如上述的浅沟槽隔离结构工艺中发现，当沟槽填充结束后，如图2所示，填充物中会出现空洞100。而沟槽填充质量的好坏对于最终形成的半导体器件的质量有较大影响。因而，当出现例如空洞等填充缺陷时，最终形成的半导体器件的质量也会受影响而下降。
发明内容
本发明要解决的问题是目前浅沟槽制造工艺沟槽填充出现空洞的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种沟槽填充方法，包括使用高密度等离子体化学气相沉积对沟槽进行填充，控制形成填充物的反应气体的气体流量，使得沟槽底部填充物的沉积量大于沟槽侧壁的填充物的沉积量。 本发明还提供一种浅沟槽隔离结构制作方法，包括形成沟槽，使用高密度等离子体化学气相沉积对沟槽进行填充，以及平坦化所述填充物形成隔离结构，其中，在沟槽填充时，控制形成填充物的反应气体的气体流量，使得沟槽底部填充物的沉积量大于沟槽侧壁的填充物的沉积量。 与现有技术相比，上述所公开的沟槽填充方法及浅沟槽隔离结构制作方法具有以下优点控制形成填充物的反应气体的气体流量，使得进行高密度等离子体化学气相沉积时的压力较低，使得填充时，沟槽底部填充物的沉积量大于沟槽侧壁的沉积量，从而减少了对沟槽填充时空洞出现的概率，改善了沟槽填充的质量。
图1A至图1G是现有技术浅沟槽隔离结构工艺 图2是现有技术填充缺陷电镜 图3a是本发明沟槽填充方法的一种实施例 图3b是本发明沟槽填充方法的另一种实施例 图4是采用图3a或图3b所示方法填充沟槽后电镜图。
具体实施例方式
在对现有沟槽填充工艺的研究中发现，使用高密度等离子体化学气相沉积对沟槽进行填充时，填充物在沟槽底部与沟槽侧壁的沉积速率不同。沟槽侧壁的填充物的沉积速率比沟槽底部的填充物的沉积速率快，因而就有可能出现如图2所示的情况，即当沟槽两侧壁的填充物沉积至互相合拢时，沟槽底部的填充物仍未达到该合拢高度，因而形成了填充物中出现空洞。 上述情况造成的原因是填充物在沟槽底部与沟槽侧壁的沉积速率不同引起的，因而，本发明沟槽填充方法就在于使得高密度等离子体化学气相沉积时，填充物在沟槽底部的沉积量较高，而相应沟槽侧壁的沉积量较少。即通过使得填充物在沟槽底部的沉积量大于在沟槽侧壁的沉积量，来改善沟槽填充的质量。 基于此，本发明沟槽填充方法的一种实施方式包括在对沟槽进行填充时，控制形成填充物的反应气体的气体流量，进行高密度等离子体化学气相沉积。 当进行高密度等离子体化学气相沉积时，通入较小气体流量的反应气体，使得产生填充物的反应压力也较小。而在较小的反应压力下，反应气体中的反应离子将具有较大的平均自由程。反应离子具有较大的平均自由程，意味着在反应中，各反应离子的碰撞几率较小，即能够到达底部的反应离子就较多，而由于碰撞到达侧壁的反应离子就较少。从而，填充物在沟槽底部就沉积得较多，而在沟槽侧壁则沉积得较少。由此可知，沟槽两侧壁的填充物的合拢速度也将降低，而从另一方面来说，在沟槽两侧壁的填充物合拢前，沟槽底部的填充物沉积地越多，填充时出现空洞的几率也越小。 在一个实施例中，还包括在进行高密度等离子体化学气相沉积时，通过对反应晶圆降温，进一步提高沟槽底部填充物的沉积量，从而进一步改善填充质量。 以所述填充物为二氧化硅为例，在一个实施例中，参照图3a所示，沟槽填充的过
程如下 首先，执行步骤sl，通入氦气(Helium)以使得高密度等离子体化学气相沉积的过程稳定，所述氦气的流量根据实际的工艺要求而设定，例如本例中所述氦气的流量为300sccm。 然后，执行步骤s2，通入氢气来缓冲高密度等离子体化学气相沉积过程，缓冲的目的是使高密度等离子体化学气相沉积速度变得更加稳定，易于控制。所述氢气的流量可以为例如130sccm。 接下来执行步骤s3，开启射频功率源，使得射频功率源的功率维持在一定的功率范围内。具体的功率设定根据所需等离子体的密度等实际的工艺要求而设定，例如本例中采用的射频功率源分为顶部(Top)、周边(Side)和偏置(Bias)，其相应的功率可分别采用例如7000w、7000w和3000w。 在开启射频功率源后，接着执行步骤s4，先通入氧气使氧气在射频功率源的作用下变成等离子体，所述氧气的流量可为例如100sccm。在氧气变成等离子体后，再通入硅烷(SiH4)使得硅烷也在射频功率源的作用下变成等离子体。本例中，为了使得反应晶圆各部分的填充反应更充分，在晶圆的顶部和周边各设置了通入硅烷的入口，例如，晶圆顶部硅烷的流量为16sccm，晶圆周边硅烷的流量为51sccm。 最后，执行步骤s5，等离子化后的硅烷和氧气反应在所述沟槽内形成氧化硅作为沟槽填充物。所述反应式为SiH4+02 = SA+2H2个。 根据上述说明，由于在形成氧化硅时通入的氧气和硅烷的气体流量都较小，因此，在形成氧化硅时的反应压力也较低。使得反应时，硅烷的等离子体和氧气的等离子体的平均自由程较大，因而硅烷的等离子体和氧气的等离子体的碰撞几率较小。即硅烷和氧气在沟槽底部形成氧化硅的几率要大于在沟槽侧壁形成氧化硅的几率。因而，氧化硅在沟槽底部沉积得就较多，而在沟槽侧壁则沉积得较少。由此可知，沟槽两侧壁的氧化硅的合拢速度也将较慢。而从另一方面来说，在沟槽两侧壁沉积的氧化硅合拢前，沟槽底部的氧化硅沉积地越多，氧化硅填充出现空洞的几率也越小，从而沟槽填充的质量也将得以改善。
需要说明的是，由于在形成氧化硅时通入的氧气和硅烷的流量都较小，相应地，沟槽底部和侧壁的氧化硅的沉积速度也较低。因而氧气和硅烷的流量的设定首先需要满足例如工艺时间、工艺成本等指标，在满足上述指标前提下，其流量可以设定在较低水平。而所述流量的值可以通过例如下述方法获得
选取与实际反应晶圆具有相同沟槽结构的试片； 将此前采用的氧气和硅烷的气体流量等比例降低，例如将氧气和硅烷的气体流量各降低至原来的一半； 仍然使用高密度等离子体化学气相沉积的方法在沟槽内填充氧化硅，并检测当前气体流量下沟槽填充氧化硅是否出现空洞； 若仍然出现空洞，则继续等比例降低氧气和硅烷的气体流量，并重复上述填充步骤，直到填充氧化硅无空洞或空洞大小符合工艺规格； 若无空洞或空洞大小符合工艺规格，则记录氧气和硅烷的气体流量，继续等比例降低氧气和硅烷的气体流量，获得在满足工艺时间和成本前提下的最小氧气和硅烷的气体流量，从而，最终获得所述填充物无空洞或空洞大小符合工艺规格时对应的最大氧气和硅烷的气体流量和最小氧气和硅烷的气体流量，获得一个合适的氧气和硅烷的气体流量范围。 在另一个实施例中，沟槽填充的过程与上述实施例的过程类似，参照图3b所示，包括 首先，执行步骤slO，通入氦气(Helium)以使得高密度等离子体化学气相沉积的过程稳定，所述氦气的流量根据实际的工艺要求而设定，例如本例中所述氦气的流量为300sccm。 然后，执行步骤s20，通入氢气来缓冲高密度等离子体化学气相沉积过程，缓冲的目的是使高密度等离子体化学气相沉积速度变得更加稳定，易于控制。所述氢气的流量可以为例如130sccm。 接下来执行步骤s30，开启射频功率源，使得射频功率源的功率维持在一定的功率范围内。具体的功率设定根据所需等离子体的密度等实际的工艺要求而设定，例如本例中采用的射频功率源分为顶部(Top)、周边(Side)和偏置(Bias)，其相应的功率可分别采用例如7000w、7000w和3000w。 在开启射频功率源后，接着执行步骤s40，先通入氧气使氧气在射频功率源的作用下变成等离子体，所述氧气的流量可为例如100sccm。在氧气变成等离子体后，再通入硅烷(SiH4)使得硅烷也在射频功率源的作用下变成等离子体。本例中，为了使得反应晶圆各部分的填充反应更充分，在晶圆的顶部和周边各设置了通入硅烷的入口，例如，晶圆顶部硅烷的流量为16sccm，晶圆周边硅烷的流量为51sccm。 最后，执行步骤s50，等离子化后的硅烷和氧气反应在所述沟槽内形成氧化硅作为沟槽填充物。所述反应式为SiH4+02 = Si02+2H2 t 。此处在形成氧化硅时，同时对反应晶圆背面(晶圆上未制作器件的那一面)降温。由于在填充过程中，反应晶圆背面是被吸附在晶圆托盘上以起到固定晶圆的作用，所述对反应晶圆背面降温实则是通过晶圆托盘上的通气孔形成仅覆盖晶圆背面且不断流通的气体氛围，通过气体的流通实现晶圆背面的传导降温。例如，可以通过不断通入氦气，使得晶圆温度维持在380-40(TC。而晶圆背面温度较低。该温度更有利于沟槽底部的氧化硅的沉积，即使得沟槽底部的氧化硅的沉积量进一步提高，从而进一步改善沟槽填充的质量。 根据上述实施例的方法对沟槽填充后，参照图4所示，完成填充的沟槽内未发现有空洞存在。 相应地，应用上述沟槽填充方法的本发明浅沟槽隔离结构制作方法的一种实施方式包括形成沟槽，使用高密度等离子体化学气相沉积对沟槽进行填充，以及平坦化所述填充物形成隔离结构，其中，在沟槽填充时，控制形成填充物的反应气体的气体流量，使得沟槽底部填充物的沉积量大于沟槽侧壁的填充物的沉积量。 在一个实施例中，所述对沟槽填充的过程参照图3a所示的方法实例，具体说明请参照上述基于图3a的举例说明。 在另一个实施例中，所述对沟槽填充的过程参照图3b所示的方法实例，具体说明请参照上述基于图3b的举例说明。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，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。
权利要求
一种沟槽填充方法，包括使用高密度等离子体化学气相沉积对沟槽进行填充，其特征在于，控制形成填充物的反应气体的气体流量，使得沟槽底部填充物的沉积量大于沟槽侧壁的填充物的沉积量。
2. 如权利要求1所述的沟槽填充方法，其特征在于，所述反应气体的流量根据下述方 法获得选取与实际反应晶圆具有相同沟槽结构的试片；使用高密度等离子体化学气相沉积的方法在沟槽内填充所述填充物，并检测当前气体 流量下沟槽填充物是否出现空洞；若出现空洞，则继续等比例降低反应气体流量，并重复上述填充步骤，直到填充物无空 洞或空洞大小符合工艺规格；若无空洞或空洞大小符合工艺规格，则记录该气体流量，继续等比例降低反应气体流 量，获得在满足工艺时间和成本前提下的最小反应气体流量，记录所述填充物无空洞或空 洞大小符合工艺规格时对应的反应气体流量范围。
3. 如权利要求1所述的沟槽填充方法，其特征在于，所述反应气体包括硅烷和氧气。
4. 如权利要求3所述的沟槽填充方法，其特征在于，所述硅烷的流量为51sccm，所述氧 气的流量为100sccm。
5. 如权利要求1所述的沟槽填充方法，其特征在于，还包括在进行高密度等离子体化 学气相沉积时，通入仅覆盖反应晶圆背面的流通气体，对反应晶圆降温。
6. 如权利要求5所述的沟槽填充方法，其特征在于，通入仅覆盖反应晶圆背面的流通 气体，对反应晶圆背面降温包括通入氦气，使得晶圆温度为380-400°C。
7. —种浅沟槽隔离结构制作方法，包括形成沟槽，使用高密度等离子体化学气相沉积 对沟槽进行填充，以及平坦化所述填充物形成隔离结构，其特征在于，控制形成填充物的反 应气体的气体流量，使得沟槽底部填充物的沉积量大于沟槽侧壁的填充物的沉积量。
8. 如权利要求7所述的浅沟槽隔离结构制作方法，其特征在于，所述反应气体包括硅 烷和氧气，所述硅烷的流量为51sccm，所述氧气的流量为100sccm。
9. 如权利要求7所述的浅沟槽隔离结构制作方法，其特征在于，还包括在进行高密度 等离子体化学气相沉积时，通入仅覆盖反应晶圆背面的流通气体，对反应晶圆降温。
10. 如权利要求9所述的浅沟槽隔离结构制作方法，其特征在于，通入仅覆盖反应晶圆 背面的流通气体，对反应晶圆背面降温，包括通入氦气，使得晶圆温度为380-400°C。
全文摘要
一种沟槽填充方法及浅沟槽隔离结构制作方法。所述沟槽填充方法包括使用高密度等离子体化学气相沉积对沟槽进行填充，控制形成填充物的反应气体的气体流量，使得沟槽底部填充物的沉积量大于沟槽侧壁的填充物的沉积量。所述沟槽填充方法及浅沟槽隔离结构制作方法减少了对沟槽填充时空洞出现的概率，改善了沟槽填充的质量。
文档编号H01L21/31GK101740457SQ20081020283
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月17日 优先权日2008年11月17日
发明者刘明源, 胡亚威 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司