专利名称：浅沟槽隔离结构及其制造方法
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结构及其制造方法。
背景技术：
随着半导体集成电路制造工艺的日益进步，半导体器件的尺寸越来越小，集成度 不断提高，对制造工艺的要求也越来越高。 在半导体器件的制造工艺中，业界普遍使用浅沟槽隔离结构作为器件之间的隔离 结构。典型的浅沟槽隔离结构包括形成于衬底的沟槽以及填充于沟槽中的绝缘介质。其中， 绝缘介质一般为氧化硅。 浅沟槽隔离结构的制造工艺一般如下通过光刻、刻蚀等工艺在衬底上形成宽度 以及深度满足器件隔离需要的沟槽，然后通过填充工艺例如化学气相沉积在所述的沟槽中 填充绝缘介质，形成浅沟槽隔离结构。在公开号为CN179944A
公开日为2006年5月31日、名称为"浅沟槽隔离结构及
形成浅沟槽隔离结构的方法"专利申请文件中，公开了一种浅沟槽隔离结构及其制造方法。
图1至图4为所述中国专利申请文件所公开的方法的各步骤相应的结构的示意图。 请参考图l，提供衬底12，在衬底12上形成垫氧化硅层14，在垫氧化硅层14上形
成硬掩模层16。然后通过光刻以及刻蚀工艺在衬底12中形成如图1所示的沟槽18，其中，
所述沟槽18具有倾斜的侧壁，沟槽开口部分较底部宽，这有利于后续向该沟槽18中填充绝
缘介质工艺的进行。 接着，如图2所示，对所述沟槽18侧壁和底部执行氮化工艺，在所述沟槽18侧壁 和底部形成氮化硅衬垫层22。 然后，如图3所示，在所述沟槽18填充氧化硅层24。再接着，如图4所示，通过刻 蚀工艺去除所述硬掩模层16和垫氧化硅层14。即形成如图4所示的浅沟槽隔离结构。
上述的方法形成的浅沟槽隔离结构，其中的沟槽具有顶部宽底部窄的特点，这主 要是为了利于填充深宽比较大的沟槽，减少或消除填充于沟槽的绝缘介质中形成的空洞 (Viod)。然而，随着器件尺寸的不断减小，上述工艺形成的浅沟槽隔离结构由于制造工艺偏 差易造成隔离效果下降，相邻区域的器件之间漏电流增大。例如由于N阱或P阱光刻工艺 中对准(alingment)工艺偏差，使得N阱或P阱会延伸相邻的有源区，造成相邻有源区中的 源区或漏区与该阱的距离縮短，易造成漏电流增大的缺陷。
发明内容
本发明提供一种浅沟槽隔离结构及其制造方法，本发明能够减小浅沟槽隔离结构
中的沟槽顶部以及底部的宽度的差距，并提供隔离性能更好的浅沟槽隔离结构。
本发明提供的一种浅沟槽隔离结构的制造方法，包括 提供半导体衬底，在所述衬底上形成第一保护层； 在所述半导体衬底中形成贯穿所述第一保护层的第一沟槽；
在所述沟槽侧壁形成第二保护层； 以所述第一保护层和第二保护层为掩模，刻蚀所述第一沟槽的底部，使所述第一 沟槽深度增大，形成第二沟槽； 去除所述第二沟槽未被第二保护层覆盖的侧壁的部分厚度的材料，使所述第二沟 槽的底部的宽度增大； 去除所述第一保护层和第二保护层后，在所述第二沟槽中填充绝缘层。 可选的，去除所述第二沟槽侧壁的部分厚度的材料，使所述第二沟槽的底部的宽
度增大的步骤如下 执行氧化工艺，氧化所述第二沟槽的底部以及未被所述第二保护层覆盖的第二沟 槽的侧壁，形成牺牲氧化层；
去除所述的牺牲氧化层。 可选的，所述氧化工艺为炉管氧化或原位水蒸气产生氧化工艺。 可选的，去除所述第二沟槽侧壁的部分厚度的材料，使所述第二沟槽的底部的宽
度增大的工艺为干法刻蚀或湿法刻蚀。 可选的，在所述第二沟槽中填充绝缘层的步骤如下 在所述第二沟槽侧壁、底部以及半导体衬底表面形成第一介质层； 对所述第一介质层执行无掩模刻蚀工艺，去除所述第二沟槽底部以及半导体衬底
表面的第一介质层，并在所述第二沟槽侧壁保留部分厚度的第一介质层； 在侧壁具有第一介质层的沟槽中填充第二介质层。 可选的，填充第二介质层的工艺为高密度等离子体化学气相沉积。 可选的，所述第一介质层为氧化硅或氮化硅，所述第二介质层为氧化硅。 可选的，所述第一保护层为衬垫氧化硅层或衬垫氧化硅层与氮化硅掩模层的叠层。 可选的，所述第二保护层为氮化硅。 本发明还提供一种浅沟槽隔离结构，包括形成于衬底中的沟槽和填充于所述沟槽 中的绝缘层；其中，所述沟槽的顶部的宽度与底部的宽度相同。 可选的，所述绝缘层包括所述沟槽侧壁的第一介质层以及所述第一介质层外侧的 第二介质层；且由沟槽开口向底部方向，第一介质层的厚度逐渐增大。
可选的，所述第一介质层为氮化硅，第二介质层为氧化硅。
与现有技术相比，本发明具有以下优点 通过在半导体衬底中形成沟槽时，先形成第一沟槽，并在该第一沟槽侧壁形成第 二保护层，接着通过刻蚀使第一沟槽深度加深，形成第二沟槽；并进一步使所述第二沟槽未 被第二保护层覆盖的部分的宽度增大，从而在去除所述第二保护层后，使得第二沟槽的底 部与顶部的宽度之差减小，甚至可以使所述第二沟槽的底部与顶部的宽度之差为零；在所 述的第二沟槽中填充绝缘层后可形成浅沟槽隔离结构，可形成绝缘、隔离性能更好的浅沟 槽隔离结构。
图1至图4为现有的一种浅沟槽隔离结构的制造方法各步骤相应的结构的剖面示意图； 图5为本发明的浅沟槽隔离结构的实施例的流程图；
图6为半导体衬底的剖面示意图； 图7为在半导体衬底上形成衬垫氧化硅层和硬掩模层作为第一保护层后的剖面 示意图； 图8为在图7所示的半导体衬底中形成第一沟槽后的剖面示意图；
图9为在所述第一沟槽侧壁形成第二保护层后的剖面示意图；
图9a为在所述半导体衬底表面形成氮化硅膜层后的剖面示意图；
图10对图9所示的第一沟槽刻蚀后的剖面示意图；
图n为去除第二沟槽侧壁部分厚度材料后的剖面示意图； 图11a为对所述第二沟槽暴露表面执行氧化工艺形成氧化层后的剖面示意图； 图12为去除第一保护层和第二保护层后的剖面示意图； 图13为在第二沟槽中填充绝缘介质形成绝缘层后的剖面示意图； 图14为在第二沟槽侧壁、底部以及半导体衬底表面形成第一介质层后的剖面示
意图； 图15为对图14所示的第一介质层执行刻蚀工艺后的剖面示意图； 图16为在图15所示的第二沟槽中填充绝缘介质作为第二介质层后的剖面示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以 很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况 下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。 其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表 示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应 限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
现有的浅沟槽隔离结构中由于制造工艺的需要，往往使沟槽具有倾斜的侧壁，顶 部的宽度大于沟槽底部的宽度，其截面是倒梯形结构。该结构在制造工艺中虽然可便利向 沟槽中填充绝缘层的工艺的执行，提高填充的绝缘层的膜层质量。但是，却易使形成的浅沟 槽隔离结构的隔离性能下降。基于此，本发明提供一种浅沟槽隔离结构的制造方法以及浅 沟槽隔离结构，本发明的方法能够减小浅沟槽隔离结构中的沟槽顶部以及底部的宽度的差 距，并提供隔离性能更好的浅沟槽隔离结构。 本发明的浅沟槽隔离结构的制造方法，包括，提供半导体衬底，在该半导体衬底上 形成第一保护层；接着，在所述半导体衬底中形成贯穿所述第一保护层的第一沟槽；然后， 在所述第一沟槽侧壁形成第二保护层；以所述第一保护层和第二保护层为掩模，刻蚀所述 第一沟槽的底部，使所述第一沟槽深度增大，形成第二沟槽；再接着，去除所述第二沟槽未 被第二保护层覆盖的侧壁的部分厚度的材料，使所述第二沟槽底部的宽度增大；然后，去除 所述第一保护层和第二保护层，在所述第二沟槽中填充绝缘层。
上述的浅沟槽隔离结构的制造方法中，在半导体衬底中形成沟槽时，先形成一第
一沟槽，并在该第一沟槽侧壁形成第二保护层，接着通过刻蚀使第一沟槽深度加深，形成第
二沟槽；并进一步使所述第二沟槽未被第二保护层覆盖的部分的宽度增大，从而在去除所
述第二保护层后，使得第二沟槽的底部与顶部的宽度之差减小，甚至可以使所述第二沟槽
的底部与顶部的宽度之差为零。例如，可以使所述第二沟槽的侧壁与该半导体衬底表面垂
直。在所述的第二沟槽中填充绝缘层后，可形成绝缘、隔离性能更好的浅沟槽隔离结构。 图5为本发明的浅沟槽隔离结构的制造方法的实施例的流程图。 如图5所述，步骤S100，提供半导体衬底，在所述衬底上形成第一保护层。 步骤S110，在所述半导体衬底中形成贯穿所述第一保护层的第一沟槽。 步骤S120，在所述沟槽侧壁形成第二保护层。 步骤S130，以所述第一保护层和第二保护层为掩模，刻蚀所述沟槽的底部，使所述 沟槽深度增大，形成第二沟槽。 步骤S140，去除所述第二沟槽侧壁的部分厚度的材料，使所述第二沟槽的底部的 宽度增大。 步骤S150，去除所述第一保护层和第二保护层后，在所述第二沟槽中填充绝缘层。
其中，上述的步骤中，步骤S140可以通过多种方法实现。例如，可通过干法刻蚀或 湿法刻蚀工艺，或者通过氧化、氮化等工艺消耗第二沟槽部分材料，形成氧化层或氮化层， 再通过选择性刻蚀去除所述氧化层或氮化层。 下面结合具体的实施例和剖面示意图对本发明的方法进行详细描述。当然，本发 明的方法并不限于下面实施例所描述的具体步骤和细节，其也可以通过其它工艺和步骤执 行本发明的方法，只要不脱离本发明的精神实质的浅沟槽隔离结构的制造方法均应包含在 本发明的保护范围之内。 请参考图6，首先，提供半导体衬底100。所述半导体衬底100可以是任何的半导 体材质。该半导体衬底100用于在其上或其中制造半导体器件。例如，半导体衬底100的 材质可以硅材质，包括单晶硅、多晶硅以及非晶硅，或者上述的结合；该半导体衬底IOO还 可以是砷化镓、硅稼化合物等材质；所述半导体衬底100也可以包括绝缘层上硅结构或硅
上外延层结构。当然，所述半导体衬底ioo还可以是其它材质或具有其它结构。 请参考图7，在所述半导体衬底IOO上依次形成衬垫氧化硅层102和硬掩模层 104。其中，所述硬掩模层104可以是氮化硅。所述衬垫氧化硅层102和硬掩模层104可以 用常规的制造工艺形成，例如，衬垫氧化硅层102通过热氧化工艺形成，硬掩模层104通过 化学气相沉积工艺制造等，这里不再赘述。所述衬垫氧化硅层102和硬掩模层104即为上 述的第一保护层。 当然，也可以用其它材质作为第一保护层，例如，直接在所述半导体衬底100上形 成氮化硅作为第一保护层，这里不再详细描述。 本实施例中，以所述第一保护层为衬垫氧化硅层102和硬掩模层104的叠层结构 为例进行说明，衬垫氧化硅层102和硬掩模层104除具有常规浅沟槽隔离结构制造工艺中 的作用以外，还在后续工艺中具有保护层的作用。 请参考图8，通过光刻和刻蚀工艺在所述半导体衬底100中形成贯穿所述第一保 护层的第一沟槽108。所述第一沟槽108可以通过常规的光刻和刻蚀工艺形成，这里不再详细描述。 其中所述第一沟槽108的深度小于欲形成的浅沟槽隔离结构中的沟槽的目标深度。 请参考图9，在所述第一沟槽108侧壁形成第二保护层110。其中，第二保护层110 用于对该第一沟槽108底部刻蚀时保护该第一沟槽108的侧壁，因而，该第二保护层110也 可称为刻蚀掩模层。 本实施例中，所述第二保护层110为氮化硅、当然其也可以是其它材质，例如碳化
硅、碳氮化硅等，这里不再一一列举。 所述第二保护层110还可以是叠层结构。 以所述第二保护层110是氮化硅为例，形成该第二保护层110的步骤可以如下
首先，形成氮化硅膜层110a于所述第一沟槽108底部、侧壁以及所述硬掩模层104 之上，如图9a所示。其中，形成氮化硅膜层的方法可以是化学气相沉积工艺。
接着，执行无掩模刻蚀工艺，对所述氮化硅膜层110a进行刻蚀，直至去除所述硬 掩模层104之上以及所述第一沟槽108底部的氮化硅膜层，并保留所述第一沟槽108a侧壁 的氮化硅膜层，该氮化硅膜层即为图9所示的第二保护层110。 请参考图10，以所述第一保护层以及第二保护层110作为掩模层，刻蚀所述第一 沟槽108的底部，使所述第一沟槽108的深度增大，形成第二沟槽112。其中，所述的刻蚀工 艺可以是干法刻蚀或湿法刻蚀。以所述半导体衬底100为单晶硅、所述刻蚀工艺为干法刻 蚀为例，刻蚀中选用的刻蚀气体可以是含氟的气体，例如CF4、(^Fe等，这里不再详细描述。
请参考图ll，去除所述第二沟槽112未被所述第二保护层110覆盖的侧壁的部分 厚度的材料，使所述第二沟槽112底部的宽度增大。同时不可避免的也是的第二沟槽112 的深度有所加深。 其中，去除所述第二沟槽112未被所述第二保护层IIO覆盖的侧壁的部分厚度的 材料的方法可以是湿法刻蚀，也可以是干法刻蚀工艺。此外，也可先通过氧化、氮化等工艺 形成氮化层、氧化层，消耗部分材料，并去除该氮化层、氧化层，从而使该第二沟槽112底部 的宽度增大。本实施例中以先氧化再去除工艺为例进行说明。 如图1 la所示，执行氧化工艺，氧化所述第二沟槽112未被所述第二保护层110覆 盖的侧壁和底部，形成氧化层112a。其中，所述的氧化工艺可以是炉管氧化工艺(Furnace Oxidation)，或快速热退火氧化工艺，或者原位水蒸气氧化产生(ISSG)氧化工艺等。通过 该氧化工艺，消耗所述第二沟槽112底部和侧壁部分厚度的材质，形成氧化层112a，例如， 在所述半导体衬底100为单晶硅时，所述氧化层112a为氧化硅。可通过调整氧化工艺来调 整形成的氧化层112a的厚度，这里不再详细描述。 接着，通过刻蚀工艺去除所述氧化层112a，即形成如图11所示的结构。该刻蚀工 艺可以是湿法刻蚀，也可以是干法刻蚀。由于氧化层112a与半导体衬底IIO材质不同，可 以使用对氧化层112a和半导体衬底IIO具有不同刻蚀速率的刻蚀剂或刻蚀气体，本领域技 术人员可以根据材质的不同进行选择，这里不再赘述。此外，无论在形成氧化层112a的氧 化工艺中，还是在去除所述氧化层112a的刻蚀工艺中，所述第一保护层和第二保护层110 保护所述第二沟槽112的其它区域以及所述半导体衬底100的表面不受影响。
请参考图12，去除所述第一保护层和第二保护层110。以所述第一保护层为衬垫氧化硅层102和氮化硅材质的硬掩模层104，第二保护层110为氧化硅为例，可以先用磷酸 溶液去除氮化硅膜层，接着通过氢氟酸溶液去除衬垫氧化硅层102 。 此外，在执行完图11a所述的氧化工艺、形成氧化层112a之后，可以先不执行去除 该氧化层112a的工艺，而是先用磷酸溶液去除氮化硅膜层的工艺，然后在用氢氟酸溶液去 除衬垫氧化硅层102时，一并去除该氧化层112a。 通过对所述第二沟槽112的底部进行加宽，使得形成的第二沟槽112的底部与顶 部的宽度大致一致，该第二沟槽112的侧壁倾斜程度减小，与底部的夹角增大，该夹角接近 于90度或为90度。 请参考图13，在所述第二沟槽112中填充绝缘介质，例如氧化硅，形成绝缘层114。 其中，填充绝缘介质的方法可以是高密度等离子体化学气相沉积。 由于该第二沟槽112侧壁倾斜程度减小，使得在该第二沟槽中填充绝缘介质时难 度增大，基于此，本发明还提供一种填充沟槽的方法，该方法可便利向第二沟槽112中填充 绝缘介质，减少空隙缺陷(Voiddefect)，可提高填充的绝缘层的质量。图14和图15为与该 填充沟槽的方法的实施例相应的剖面结构示意图。 如图14所示，在所述第二沟槽112侧壁、底部以及半导体衬底IOO表面形成介质 层116。本实施例中，所述介质层116为氮化硅。此外，所述介质层116还可以是氧化硅、碳 化硅等其它介质材料。 接着，如图15所示，对所述介质层116执行无掩模干法刻蚀工艺，去除所述第二沟 槽112底部以及半导体衬底100表面的介质层116，并在所述第二沟槽112侧壁保留部分 厚度的第一介质层116a。由于该步骤的刻蚀工艺中，第二沟槽112侧壁顶部的部分介质层 116会被减薄，且随着向第二沟槽112底部方向延伸，被减薄的厚度越来越小。故而，执行 完上述的无掩模干法刻蚀工艺之后，保留于第二沟槽112侧壁的第一介质层116a顶部厚度 小，底部厚度大。使得具有第一介质层116a的第二沟槽112呈顶部开口大、底部宽度小于 顶部开口的形状，这有利于在该第二沟槽112中填充绝缘介质114。其中，该填充工艺可以 是高密度等离子体化学气相沉积工艺。 然后，如图16所示，在所述侧壁具有第一介质层116a的第二沟槽112中填充绝缘 介质，形成第二介质层118。即形成具有第一介质层116a和第二介质层118的浅沟槽隔离 结构。 本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技 术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保 护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
权利要求
一种浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于，包括提供半导体衬底，在所述衬底上形成第一保护层；在所述半导体衬底中形成贯穿所述第一保护层的第一沟槽；在所述沟槽侧壁形成第二保护层；以所述第一保护层和第二保护层为掩模，刻蚀所述第一沟槽的底部，使所述第一沟槽深度增大，形成第二沟槽；去除所述第二沟槽未被第二保护层覆盖的侧壁的部分厚度的材料，使所述第二沟槽的底部的宽度增大；去除所述第一保护层和第二保护层后，在所述第二沟槽中填充绝缘层。
2. 如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于去除所述第二沟槽 侧壁的部分厚度的材料，使所述第二沟槽的底部的宽度增大的步骤如下执行氧化工艺，氧化所述第二沟槽的底部以及未被所述第二保护层覆盖的第二沟槽的 侧壁，形成牺牲氧化层；去除所述的牺牲氧化层。
3. 如权利要求2所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于所述氧化工艺为炉 管氧化或原位水蒸气产生氧化工艺。
4. 如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于去除所述第二沟槽侧壁的部分厚度的材料，使所述第二沟槽的底部的宽度增大的工艺 为干法刻蚀或湿法刻蚀。
5. 如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于在所述第二沟槽中 填充绝缘层的步骤如下在所述第二沟槽侧壁、底部以及半导体衬底表面形成第一介质层；对所述第一介质层执行无掩模刻蚀工艺，去除所述第二沟槽底部以及半导体衬底表面 的第一介质层，并在所述第二沟槽侧壁保留部分厚度的第一介质层； 在侧壁具有第一介质层的沟槽中填充第二介质层。
6. 如权利要求5所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于填充第二介质层的 工艺为高密度等离子体化学气相沉积。
7. 如权利要求5或6所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于所述第一介质 层为氧化硅或氮化硅，所述第二介质层为氧化硅。
8. 如权利要求1至6任一权利要求所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于 所述第一保护层为衬垫氧化硅层或衬垫氧化硅层与氮化硅掩模层的叠层。
9. 如权利要求1至6任一权利要求所述的浅沟槽隔离结构的制造方法，其特征在于 所述第二保护层为氮化硅。
10. —种浅沟槽隔离结构，包括形成于衬底中的沟槽和填充于所述沟槽中的绝缘层； 其特征在于所述沟槽的顶部的宽度与底部的宽度相同。
11. 如权利要求10所述的浅沟槽隔离结构，其特征在于所述绝缘层包括所述沟槽侧 壁的第一介质层以及所述第一介质层外侧的第二介质层；且由沟槽开口向底部方向，第一 介质层的厚度逐渐增大。
12. 如权利要求ll所述的浅沟槽隔离结构，其特征在于所述第一介质层为氮化硅，第二介质层为氧化硅c
全文摘要
一种浅沟槽隔离结构的制造方法，包括提供半导体衬底，在所述衬底上形成第一保护层；在所述半导体衬底中形成贯穿所述第一保护层的第一沟槽；在所述沟槽侧壁形成第二保护层；以所述第一保护层和第二保护层为掩模，刻蚀所述第一沟槽的底部，使所述第一沟槽深度增大，形成第二沟槽；去除所述第二沟槽未被第二保护层覆盖的侧壁的部分厚度的材料，使所述第二沟槽的底部的宽度增大；去除所述第一保护层和第二保护层后，在所述第二沟槽中填充绝缘层。本发明还提供一种浅沟槽隔离结构。本发明能够减小浅沟槽隔离结构中的沟槽顶部以及底部的宽度的差距，并提供隔离性能更好的浅沟槽隔离结构。
文档编号H01L21/762GK101740459SQ20081022638
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月14日 优先权日2008年11月14日
发明者刘金华 申请人:中芯国际集成电路制造(北京)有限公司