专利名称：浅沟槽隔离结构的制造方法
技术领域：
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制造方法。
背景技术：
半导体集成电路的发展方向为增加密度与縮小元件。在集成电路制作中，隔离结 构是一种重要技术，形成在硅基底上的元件必须与其他元件隔离。随着半导体制作技术的 进步，浅沟槽隔离(Shallow Trench Isolation,STI)技术已经逐渐取代了传统半导体器件 制作所采用的如局部硅氧化法(LOCOS)等其他隔离方法。 现有浅沟槽隔离结构的制作方法一般包括在高温氧化炉管内氧化硅晶圆，在硅 衬底上形成衬垫氧化层(Pad Oxide)和氮化硅层(Nitride)，再进行浅沟槽蚀刻，之后在 浅沟槽的底部及侧壁以热氧化工艺形成内衬氧化层(Liner)，并以例如低压化学气相淀积 (LPCVD)工艺或高浓度等离子_化学气相沉积(HDP-CVD)工艺在所述衬底氧化层上形成用 于填充浅沟槽的填充氧化层，接着以化学机械研磨(CMP)技术去除表面多出的材料，并以 氮化硅层作为研磨终止层，留下一平坦的表面，最后再将氮化硅层和衬垫氧化层去除，以供 后续工艺的制作。关于浅沟槽隔离结构的制造，还可以在中国发明专利第98115052. 7号内 找到更多。 如图1所示，为了将浅沟槽中填充的氧化层102高于半导体衬底101表面的部分 做成向侧面突出的耳状结构，用以提高所制成的器件的电学性能，需要使用磷酸等酸性溶 剂对氮化硅层进行回蚀处理。回蚀处理需要在浅沟槽的底面和壁面以热氧化工艺形成内衬 氧化层之前进行，因为在形成内衬氧化物的过程中，氮化硅层的侧壁上也会被转化为氧化 硅，这就对磷酸回蚀氮化硅层造成了障碍。而在形成内衬氧化物层之前用磷酸回蚀氮化硅 层，磷酸会与浅沟槽内暴露的硅衬底产生损伤，使得浅沟槽内壁201表面毛糙，如图2所示。 这会降低浅沟槽的隔离特性，从而导致最终形成的半导体器件的质量下降。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是在制造浅沟槽隔离结构时，如何既能实现掩膜层 的回蚀，又能防止浅沟槽的内壁受到损伤。 为解决上述问题，本发明提供一种浅沟槽隔离结构的制造方法，包括步骤提供具 有掩膜层和浅沟槽的半导体衬底；用含氧等离子体处理所述浅沟槽，在浅沟槽的底面和壁 面形成保护层；对掩膜层的侧壁进行回蚀；在浅沟槽内填充隔离层。
可选地，在回蚀之后填充隔离层之前还包括步骤去除保护层。 可选地，在去除保护层之后填充隔离层之前还包括步骤在浅沟槽的底面和壁面 形成内衬氧化物层。 可选地，所述去除保护层具体为使用含氢氟酸的溶剂溶解保护层。可选地，回蚀量为3nm至6nm。 可选地，形成所述掩膜层的材料为氮化硅。
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可选地，进行回蚀的溶剂为包含磷酸的溶液。 可选地，形成所述含氧等离子体的方法为电离含氧气的气体。 可选地，电离的源功率为800W至1200W。 可选地，对含氧等离子体施加的偏移功率为80W至120W。 与现有技术相比，本发明在对掩膜层进行回蚀之前，用含氧等离子体处理浅沟槽， 在浅沟槽的底面和壁面形成保护层，可以防止回蚀所使用的溶剂损伤浅沟槽底面和壁面。
图1为浅沟槽隔离结构示意图； 图2为使用现有技术形成的浅沟槽的扫描电镜图；
图3为本发明一个实施例制造浅沟槽隔离结构的流程图；
图4至图10为根据图3所示流程制造浅沟槽隔离结构的示意图；
图11为根据本发明一个实施例所制造的浅沟槽的扫描电镜图。
具体实施例方式
本发明的发明人发现，在制造浅沟槽时，使用磷酸等酸性溶剂对掩膜层进行回蚀 处理的步骤需要在形成浅沟槽内壁的内衬氧化层的步骤之前进行。因为在形成内衬氧化物 的过程中，由于现有技术采用约IOO(TC的高温热氧化法，使得掩膜层的侧壁上也会被氧化 为抗酸的致密氧化物，这就对磷酸回蚀掩膜层的侧壁造成了障碍。然而，如果在形成内衬 氧化物层之前就用酸性溶剂回蚀掩膜层，酸性溶剂会与浅沟槽内暴露的半导体衬底产生损 伤，使得浅沟槽内壁表面毛糙。这会降低浅沟槽的隔离特性，从而导致最终形成的半导体器 件的质量下降。 为避免上述问题，本发明提供一种浅沟槽隔离结构的制造方法，如图3所示，包括 步骤 S301，在半导体衬底上形成衬垫氧化物层、掩膜层和浅沟槽； S302，用含氧等离子体处理所述浅沟槽，在浅沟槽的底面和壁面形成保护层； S303，对掩膜层的侧壁进行回蚀； S304，去除保护层； S305，在浅沟槽的底面和壁面形成内衬氧化物层；
S306，在浅沟槽内填充隔离层；
S307，去除掩膜层。 下面结合附图对本发明的内容进行详细说明。 执行步骤S301，提供半导体衬底，在半导体衬底400上依序形成衬垫氧化层401、 掩膜层402和浅沟槽403，形成如图4所示的结构。 其中，所述半导体衬底400为用于形成半导体器件的硅、用于形成有半导体器件
的绝缘体上硅(soi)、或者为用于形成半导体器件的n -vi或者ni-v族化合物半导体。 衬垫氧化层401的材质一般为氧化硅。在现有技术中，形成衬垫氧化层401的工 艺是热氧化法，即在高温环境下，将半导体衬底200暴露在含氧环境中。该工艺通常在炉管 中实现。通常形成的衬垫氧化层401的厚度都在几十埃左右，例如约5nm至25nm厚。形成衬垫氧化层401的具体工艺已为本领域技术人员所熟知，故在此不再赘述。
在衬垫氧化层401上形成有掩膜层402。所述掩膜层402的材质可以为氮化硅。 在现有技术中，形成掩膜层402的具体方法可以例如是化学气相淀积(CVD)的方法。在本 实施例中，形成的掩膜层402的厚度大约为100nm至200nm。而形成掩膜层402的工艺已为 本领域技术人员所熟知，故在此不再赘述。 然后再图形化掩膜层402，定义出将要形成的浅沟槽403的位置。图形化掩膜 层402的方法具体可以是，先在掩膜层402上通过旋涂和干燥的方法形成光刻胶层(图未 示)，然后用干式光刻机或浸没式光刻机对光刻胶层进行曝光和显影处理，在预定形成浅沟 槽403的位置处镂空光刻胶，形成图形化的光刻胶层。再以图形化的光刻胶层为掩膜，利用 等离子体刻蚀的方法刻蚀掩膜层402，从而将光刻胶层上的图形转移至掩膜层402上，也即 在掩膜层402上定义出浅沟槽403的位置。图形化掩膜层402的具体工艺参数已为本领域 技术人员所熟知，在此不再赘述。 通过灰化等方法去掉光刻胶层之后，再以图形化后的掩膜层402为掩膜刻蚀其下 的衬垫氧化物层401和半导体衬底400，在半导体衬底上形成浅沟槽403。浅沟槽403是用 于对半导体衬底400上所形成的栅极结构(图未示)进行电隔离。在现有技术中，形成浅 沟槽403的方法是等离子体干法刻蚀的工艺。具体来讲，是通过电离含有溴化氢、氯气和四 氟化碳的混合气体形成等离子体，再对等离子体施加偏压，使得等离子体在高速撞击半导 体衬底400的同时也与其反应，并减压带走反应产物，从而形成对半导体衬底400的刻蚀。 在半导体衬底400上刻蚀形成的浅沟槽403的深度一般为400nm至500nm深。当然，上述 混合气体的成分仅仅是一个示例，本领域技术人员知道，电离其他成分的气体也能实现相 同的目的，因此，上述气体成分在此不应用于限制权利要求的范围。 然后执行步骤S302，用含氧等离子体处理浅沟槽403，在浅沟槽403的底面和壁面 形成保护层404。保护层404是一种氧化物，以半导体衬底400为硅衬底为例，保护层404 就是氧化硅。处理浅沟槽403的具体方法是以电离包含氧气和氦气的混合气体的等离子体 处理，其中氧气的流量是150sccm/min至250sccm/min， 具体例如200sccm/min，氦气的流量 是400sccm/min至600sccm/min，具体例如500sccm/min ;形成等离子体的环境压力是5mT 至15mT，具体例如10mT ;使气体等离子化的源功率(Source Power)为800W至1200W，具体 例如1000W ;对等离子体施加的偏移功率(Bias Power)为50W至150W，具体例如100W ;用 含氧等离子体处理的时间是30秒至90秒，具体例如60秒。 经过上述等离子体处理之后，浅沟槽403的内壁被氧化而形成了一层薄层保护层 404，形成如图5所示的结构。保护层404可以保护浅沟槽的内壁在后续回蚀掩膜层402的 过程中不会受到损伤。并且，用含氧等离子体形成保护层404的过程不会在掩膜层402的 侧壁上形成阻碍回蚀的氧化层，因而避免了现有技术的缺陷。 在使用含氧等离子体处理时，对等离子体施加了偏移功率，可以增强等离子体的 动能，进而增加等离子体的反应活性，其目的是为了提高对浅沟槽内壁的氧化质量。
根据本发明的另一个实施例，处理浅沟槽403的具体方法是以电离氧气的等离子 体处理，氧气的流量是150sccm/min至300sccm/min，具体例如250sccm/min ;形成等离子体 的环境压力是5mT至15mT，具体例如10mT ;使气体等离子化的源功率(Source Power)为 800W至1200W，具体例如900W ;对等离子体施加的偏移功率(Bias Power)为80W至120W，具体例如110W ;用含氧等离子体处理的时间是30秒至90秒，具体例如60秒。 在上述实施例中，用于形成刻蚀用的等离子体的气体为氧气或氧气与氦气的混合
气体。但是，本发明并不限于此，如前所述，在上述等离子体处理过程中，其主要作用的是氧
等离子体，因此，只要能够电离出氧等离子体的气体，都可以用于步骤S302的等离子体处
理之中。 然后执行步骤S303，对掩膜层402的侧壁进行回蚀，形成如图6所示的结构。回蚀 的具体方法是用弱酸性溶剂浸泡或冲洗掩膜层402，使得掩膜层402的侧壁被酸性溶剂侵 蚀掉大约3nm至6nm，这样的回蚀量可以在后续工艺中形成电学性能良好的具有耳状结构 的隔离层406。 发明人发现，当掩膜层402的材料为氮化硅时，用于回蚀的弱酸性溶剂优选用包 含磷酸的溶液，这样既可以获得较好的回蚀速度，又不会将保护层404侵蚀掉，进而不会对 浅沟槽403的侧壁造成伤害。如图11所示，用这种方法形成浅沟槽403的侧壁光滑。
然后执行步骤S304，去除保护层404，形成如图7所示的结构。去除保护层404的 方法具体可以是利用强酸性溶液浸泡或冲洗保护层404，例如，可以采用稀释水溶性氢氟酸 (DHF)溶液清洗保护层404，即用DHF溶液与保护层404反应而去除保护层404。所述DHF 溶液的选择应参考湿度、干燥条件及保护层404的厚度等因素。用DHF溶液去除保护层404 的另 一个好处是不会带入额外的杂质。 然后执行步骤S305，在浅沟槽403的底面和壁面形成内衬氧化物层405，形成如 图8所示的结构。内衬氧化物层405可以例如是热氧化法来形成，即在高温环境下，将半导 体衬底400暴露在含氧环境中。优选地，可以是原位蒸汽生成工艺(ISSG)，具体来讲，是在 通常的氧气气氛里掺入了恒量的氢气(具有氧和氢氧根的氛围)，在高温下，例如80(TC至 1200°C ，产生类似于爆燃的化学反应，这种反应会产生大量的气相活性自由基，其中主要是 易于与硅原子反应的原子氧，由于原子氧的强氧化作用，在未有保护的、暴露的硅表面都会 被氧化进而形成ISSG氧化物层(即内衬氧化物层405)，形成的内衬氧化物层405的厚度大 致为3nm至20nm。这样的内衬氧化物层405能够修复浅沟槽403内的衬底晶格缺陷以及改 善浅沟槽403内表面的表面应力。 然后执行步骤S306，在浅沟槽403内填充隔离层406。形成隔离层406的材质可 以为氧化硅。形成隔离层406的方法可以是低压化学气相淀积(LPCVD)工艺或高浓度等离 子-化学气相沉积(HDP-CVD)工艺。优选地，可以是例如以硅烷、氧气和氩气的混合气体作 为等离子体化气体源的HDP-CVD工艺对浅沟槽403进行填充。HDP-CVD工艺的具体实施方 法已为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。然后再对隔离层406进行化学机械研磨，使 得隔离层406的表面平坦，形成如图9所示的结构。 最后执行步骤S307，去除掩膜层402，如图10所示，形成具有耳状结构的隔离层 406，完成了浅沟槽隔离结构的制造。 本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，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，包括步骤提供具有掩膜层和浅沟槽的半导体衬底；用含氧等离子体处理所述浅沟槽，在浅沟槽的底面和壁面形成保护层；对掩膜层的侧壁进行回蚀；在浅沟槽内填充隔离层。
2. 如权利要求1所述的浅沟槽结构的制造方法，其特征在于，在回蚀之后填充隔离层 之前还包括步骤去除保护层。
3. 如权利要求2所述的浅沟槽结构的制造方法，其特征在于，在去除保护层之后填充 隔离层之前还包括步骤在浅沟槽的底面和壁面形成内衬氧化物层。
4. 如权利要求2所述的浅沟槽结构的制造方法，其特征在于所述去除保护层具体为 使用含氢氟酸的溶剂溶解保护层。
5. 如权利要求1所述的浅沟槽结构的制造方法，其特征在于回蚀量为3nm至6nm。
6. 如权利要求1所述的浅沟槽结构的制造方法，其特征在于形成所述掩膜层的材料 为氮化硅。
7. 如权利要求6所述的浅沟槽结构的制造方法，其特征在于进行回蚀的溶剂为包含 磷酸的溶液。
8. 如权利要求1所述的浅沟槽结构的制造方法，其特征在于形成所述含氧等离子体 的方法为电离含氧气的气体。
9. 如权利要求8所述的浅沟槽结构的制造方法，其特征在于电离的源功率为800W至 1200W。
10. 如权利要求8所述的浅沟槽结构的制造方法，其特征在于对含氧等离子体施加的偏移功率为80W至120W。
全文摘要
本发明提供一种浅沟槽隔离结构的制造方法，包括步骤提供具有掩膜层和浅沟槽的半导体衬底；用含氧等离子体处理所述浅沟槽，在浅沟槽的底面和壁面形成保护层；对掩膜层的侧壁进行回蚀；在浅沟槽内填充隔离层。与现有技术相比，本发明在对掩膜层进行回蚀之前，用含氧等离子体处理浅沟槽，在浅沟槽的底面和壁面形成保护层，可以防止回蚀所使用的溶剂损伤浅沟槽底面和壁面。
文档编号H01L21/31GK101783312SQ20091004597
公开日2010年7月21日 申请日期2009年1月19日 优先权日2009年1月19日
发明者王新鹏, 胡华勇, 韩秋华 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司