专利名称：形成浅沟槽隔离结构的方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种形成浅沟槽隔离结构的方法。
背景技术：
随着半导体制造技术的飞速发展，集成电路制造工艺已经进入深亚微米时代。半 导体器件的尺寸和隔离半导体器件的隔离结构亦随之缩小。在0. 13 μ m以下工艺节点， 半导体器件的有源区(active area)之间的隔离均采用浅沟槽隔离工艺(STI，Shallow Trench Insulate)形成。现有技术中，在半导体衬底中形成浅沟槽隔离结构的方法，首先在衬底表面形成 垫氧化层(pad oxide)和氮化硅层，然后对氮化硅层、垫氧化层和半导体衬底进行图案化， 从而在半导体衬底中形成沟槽，元件之间用刻蚀的浅沟槽进行隔离；然后在沟槽侧壁和底 部形成衬层氧化层(liner oxide)，再利用化学气相淀积(CVD)方法在浅沟槽中填入绝缘 介质，例如二氧化硅。在填入绝缘介质之后，用化学机械抛光(CMP)方法使沟槽表面平坦 化。以下结合图1和图2A-2H详细描述现有技术中形成浅沟槽隔离结构的方法。图1为现有技术中形成浅沟槽隔离结构的方法流程图，图2A-2H为说明图1所示 流程图的器件剖面图。在附图中，1指代半导体衬底，2指代垫氧化层，3指代氮化硅层，4指 代衬层氧化层，5指代沟槽氧化物。如图1及图2A-2H所示，首先提供一半导体衬底1，在 半导体衬底1的表面生长垫氧化层2 (步骤100)。接着在垫氧化层2的表面形成氮化硅层 3 (步骤110)，如图2A所示。氮化硅层作为后续化学机械抛光处理的停止层。如果本步骤 中使用立式炉管来沉积氮化硅层，则在半导体衬底的背面也会沉积与正面一样厚度的氮化 硅层。随后，利用光刻技术在氮化硅层3表面形成具有开口的光刻胶图形，并通过上述 开口图案化氮化硅层3、垫氧化层2以及半导体衬底1，从而形成浅沟槽(步骤120)，如图 2B所示。接下来采用炉管氧化工艺在沟槽的底部和侧壁热生长衬层氧化层4(步骤130)， 如图2C所示。然后利用高密度等离子体(HDP，High Density Plasma)沉积技术沉积绝缘 介质，例如二氧化硅，以形成沟槽氧化物5 (步骤140)，如图2D所示。利用化学机械抛光技 术对沉积在晶圆整个表面上的绝缘介质进行平坦化处理直到氮化硅层3 (步骤150)，如图 2E所示。虽然氮化硅层3是平坦化处理的停止层，但是由于化学机械抛光是利用机械与化 学相结合的方法，因此化学机械抛光时各个参数的微小偏移难免会影响到平坦化之后氮化 硅层的剩余厚度，使得各批次所处理的晶圆上平坦化之后氮化硅层3的剩余厚度不一致， 从而不可避免地使沟槽氧化物5的厚度也各批次之间有所不均勻，结果影响了工艺的再现 性。然后使用氢氟酸溶液对沟槽氧化物5进行湿法腐蚀(步骤160)，如图2F所示。本 步骤的目的在于适当地减小沟槽氧化物5的厚度，以便调整最终形成的浅沟槽隔离结构的 阶高。
接着使用磷酸(H3PO4)去除氮化硅层3 (步骤170)，如图2G所示。如果在步骤110 中利用立式炉管沉积氮化硅层，则衬底背面所沉积的氮化硅层的厚度与正面沉积的厚度相 等，例如沉积厚度为1150人,由于步骤150的平坦化处理会去除掉一部分氮化硅层，例如平 坦化后氮化硅层的剩余厚度为750人,使得在步骤170中需要去除的正面的氮化硅层厚度 小于背面的氮化硅层厚度。因此为了去除背面较厚的氮化硅层，就必须对正面的氮化硅进 行过腐蚀，在以上的例子中，过腐蚀达到了 100%，从而造成对半导体正面的垫氧化层2与 沟槽氧化物5的腐蚀，使得去除氮化硅层之后垫氧化层2的剩余厚度和沟槽氧化物5的厚 度都减小。另外，磷酸对氮化硅层的腐蚀速率依赖于其化学寿命，通常在处理三批晶圆之 后，其腐蚀速率会下降为零。因此，腐蚀氮化硅层时使用的溶剂的浓度、温度、化学寿命等参 数都会造成去除氮化硅层之后垫氧化层2的剩余厚度与沟槽氧化物5的厚度在各批次之间 不一致。图3为垫氧化层的剩余厚度与磷酸的化学寿命之间的关系图。从图3可以看出， 磷酸处理过的晶圆批次越多，垫氧化层2的剩余厚度就越大。最后，在生长栅氧化层之前的预清洗中，腐蚀垫氧化层2，使得沟槽氧化物5的厚 度进一步减小(步骤180)，如图2E所示。本步骤中，如果垫氧化层2的厚度较大，则需要较 长的腐蚀时间，使得去除垫氧化层2之后沟槽氧化物5的厚度较小；反之，如果垫氧化层2 的厚度较小，则需要较短的腐蚀时间，使得去除垫氧化层2之后沟槽氧化物5的厚度较大。由以上所述可知，平坦化后氮化硅层3的剩余厚度、去除氮化硅层之后沟槽氧化 物5的厚度和垫氧化层2的厚度都会对去除垫氧化层之后沟槽氧化物5的厚度产生影响， 使得去除垫氧化层2之后沟槽氧化物5的厚度在各批次晶圆之间产生偏移。在下文中，将 去除垫氧化层之后沟槽氧化物5的厚度称为STI阶高。STI阶高过大，会给后续工艺过程 (例如生长栅氧化层之后的刻蚀)产生影响，从而影响半导体器件的电学特性。如果STI阶 高过小，则会在去除垫氧化层之后在沟槽的侧壁形成凹陷，如下文所述，凹陷的形成也会影 响到半导体器件的电学特性。现有技术中，为了克服上述问题，在生长栅氧化层之前的预清洗之前，即在步骤 180之前，首先测量去除氮化硅层之后沟槽氧化物5的厚度；并在生长栅氧化层之前的预清 洗即步骤180中，根据所测量的厚度引入多个工艺条件。具体来说，当所测量的厚度较大 时，腐蚀时间加长，从而增大去除的沟槽氧化物厚度；而当所测量的厚度较小时，腐蚀时间 相应地缩短，相对来说减小去除的沟槽氧化物厚度。以此方式来使各批次之间的STI阶高 趋向于一致。但是，在所测量的去除氮化硅层之后沟槽氧化物5的厚度较大，腐蚀的时间加长 时，会在沟槽侧壁形成凹陷，如图4所示。例如，当去除氮化硅层之后垫氧化层的厚度为 80A时，如果利用较长的腐蚀时间去除170A沟槽氧化物，则沟槽侧壁凹陷的深度在晶圆中 央为9. Onm，在晶圆边缘为9. 3nm ；如果利用较短的腐蚀时间去除145A沟槽氧化物，则凹陷 的深度在晶圆中央为4. 3nm，在晶圆边缘为5. 9nm。此凹陷会累积电荷，继之在集成电路中 造成元件的亚阈值漏电流(sub-threshold leakage current)，即所谓的颈结效应(kink effect)，进而使得元件的可靠度与良率降低。而且，此凹陷在进行字线腐蚀时使残留物 残留在该部分，妨害元件稳定地执行动作，同时由于在该区域发生的边缘电场(Fringing Electric Field)，引起晶体管曲线顶点(Hump)出现，使亚阈值电流(sub-threshold current)变大，并发生反向窄宽度效应(Inverse Narrow width Effect)，使元件特性恶
为了减小沟槽侧壁的凹陷，可以减小垫氧化层2的腐蚀时间。这种情况下，会出现 垫氧化层腐蚀不完全的情况，使得半导体器件不能正常工作。
发明内容
本发明提供一种形成浅沟槽隔离的方法，减小STI阶高在各批次之间的偏移，增 强浅沟槽隔离工艺的再现性。为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的一种形成浅沟槽隔离结构的方法，该方法包括在半导体衬底上形成垫氧化层和 氮化硅层；对所述垫氧化层、氮化硅层和半导体衬底进行图案化，以形成沟槽；在所述沟槽 内表面形成衬层氧化物；沉积绝缘介质以形成沟槽氧化物；对所述绝缘介质进行平坦化处 理；测量平坦化处理之后所述氮化硅层的剩余厚度，根据所测量的剩余厚度腐蚀所述沟槽 氧化物；去除所述氮化硅和垫氧化层，形成浅沟槽隔离结构。优选地，所述根据所测量的剩余厚度腐蚀沟槽氧化物包括当所测量的剩余厚度 大于一预定厚度时，增加去除的沟槽氧化物的厚度；当所测量的剩余厚度小于或等于所述 预定厚度时，减小去除的沟槽氧化物的厚度。优选地，所述去除氮化硅层包括首先去除所述半导体衬底背面的氮化硅层 ’然 后去除所述半导体衬底正面的氮化硅层。其中，使用磷酸或氢氟酸溶液去除所述半导体衬 底背面的氮化硅。所述氢氟酸溶液的温度可以为20°C至30°C，优选为室温。所述氢氟酸溶 液的浓度为20%至49%。所述磷酸溶液的浓度为80%至90%，温度为155°C至165°C。优选地，使用磷酸溶液去除所述半导体衬底正面的氮化硅层。与现有技术相比，本发明所提供的技术方案，首先在半导体衬底上形成垫氧化层 和氮化硅层；并对垫氧化层、氮化硅层和半导体衬底进行图案化，以形成沟槽；接着在沟槽 内表面形成衬层氧化物；沉积绝缘介质以形成沟槽氧化物；然后对绝缘介质进行平坦化处 理；测量平坦化之后所述氮化硅层的剩余厚度，根据所测量的剩余厚度腐蚀沟槽氧化物； 最后去除氮化硅层和垫氧化层，形成浅沟槽隔离结构。该方法在平坦化处理之后测量氮化 硅层的剩余厚度，并根据所测量的剩余厚度选择腐蚀沟槽氧化物的工艺参数，即选择需去 除的沟槽氧化物的厚度，从而避免了平坦化处理之后氮化硅层剩余厚度对STI阶高的影 响，从而稳定了各批晶圆之间的STI阶高，增强了浅沟槽隔离工艺的再现性。去除氮化硅层的步骤中分开去除半导体衬底背面沉积的氮化硅层和半导体衬底正 面的氮化硅层，减小了去除氮化硅层时需要过腐蚀而对垫氧化层和沟槽氧化物的厚度造成的 影响，从而避免了去除氮化硅层之后垫氧化层的厚度和沟槽氧化物的厚度对STI阶高造成的 影响，进一步减小了 STI阶高在各批次之间的偏移，增强了浅沟槽隔离工艺的再现性。以上述方式稳定STI阶高，不需要改变去除垫氧化层时的工艺时间，因而不会出 现加长工艺时间时沟槽侧壁出现凹槽的现象，也不会出现缩短工艺时间时垫氧化层去除不 完全的情况，从而尽量避免了浅沟槽隔离工艺中对器件电学特性的影响。
图1为现有技术中形成浅沟槽隔离结构的方法流程图2A-2H为说明图1所示流程图的器件剖面图；图3为垫氧化层的剩余厚度与磷酸的化学寿命之间的关系图；图4为现有技术中在沟槽侧壁形成凹陷的器件剖面图；图5为本发明优选实施例中形成浅沟槽隔离结构的方法流程图。
具体实施例方式下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。本发明提供的形成浅沟槽隔离结构的方法，首先在半导体衬底上形成垫氧化层 和氮化硅层；并对垫氧化层、氮化硅层和半导体衬底进行图案化，以形成沟槽；接着在沟槽 内表面形成衬层氧化物；沉积绝缘介质以形成沟槽氧化物；然后对绝缘介质进行平坦化处 理；测量平坦化之后所述氮化硅层的剩余厚度，根据所测量的剩余厚度腐蚀沟槽氧化物； 最后去除氮化硅层和垫氧化层，形成浅沟槽隔离结构。该方法在平坦化处理之后测量氮化 硅层的剩余厚度，并根据所测量的剩余厚度选择腐蚀沟槽氧化物的工艺参数，即选择需去 除的沟槽氧化物的厚度，从而避免了平坦化处理之后氮化硅层剩余厚度对STI阶高的影 响，从而稳定了各批晶圆之间的STI阶高，增强了浅沟槽隔离工艺的再现性。具体来说，根据所测量的剩余厚度腐蚀沟槽氧化物包括当所测量的剩余厚度大 于一预定厚度时，增加需去除的沟槽氧化物的厚度；当所测量的剩余厚度小于或等于所述 预定厚度时，减小需去除的沟槽氧化物的厚度。其中，去除氮化硅层的步骤是分两步进行的首先去除半导体衬底背面沉积的氮 化硅层；然后再去除半导体衬底正面的氮化硅层。具体来说，可以首先使用磷酸或氢氟酸溶 液去除半导体衬底背面的氮化硅层，然后使用磷酸去除半导体衬底正面的氮化硅层。以上 方式可以减小去除氮化硅层时需要过腐蚀而对垫氧化层和沟槽氧化物的厚度造成的影响， 从而减小了磷酸的化学寿命对去除氮化硅层之后垫氧化层的剩余厚度的影响，避免了去除 氮化硅层之后垫氧化层的厚度和沟槽氧化物的厚度对STI阶高造成的影响，进一步减小了 STI阶高在各批次晶圆之间的偏移，增强了浅沟槽隔离工艺的再现性。本发明的优选实施例使用两个方案来减小STI阶高在批与批之间的波动，第一个 方案是在平坦化处理之后，测量平坦化处理后氮化硅的剩余厚度，并根据该厚度选择腐蚀 沟槽氧化物的工艺条件；另一个方案就是在去除氮化硅层时，分为两个步骤，首先去除半导 体衬底背面的氮化硅层，然后再去除半导体衬底正面的氮化硅层。第一个方案的目的是减 小平坦化后氮化硅层剩余厚度，即平坦化后沟槽氧化物的厚度，对STI阶高的影响。第二个 方案的目的是减小去除氮化硅层之后沟槽氧化物的厚度与垫氧化层的厚度以及磷酸的化 学寿命对STI阶高的影响。将两个方案结合在一起，尽可能地减小了 STI阶高在各批次晶 圆之间的波动，增强浅沟槽隔离工艺的再现性。以下结合图5及图2A-2H对本发明优选实施例中形成浅沟槽隔离结构的方法进行 更详细的描述。图5为本发明优选实施例中形成浅沟槽隔离结构的方法流程图。参见图5 和图2A-2H，首先提供一半导体衬底1，在半导体衬底1的表面生长垫氧化层2 (步骤500)。 接着在垫氧化层2表面形成氮化硅层3 (步骤510)，如图2A所示。氮化硅层作为后续化学 机械抛光处理的停止层。如果利用立式炉管来沉积氮化硅层，则在半导体衬底的背面也会 沉积与正面一样厚度的氮化硅层。
随后，利用光刻技术在氮化硅层3表面形成具有开口的光刻胶图形，并通过上述 开口对氮化硅层3、垫氧化层2以及半导体衬底1进行图案化，从而形成浅沟槽(步骤520)， 如图2B所示。接下来采用炉管氧化工艺在沟槽的底部和侧壁热生长衬层氧化层4(步骤 530)，如图2C所示。然后利用HDP沉积技术沉积绝缘介质，例如二氧化硅，以形成沟槽氧化物5 (步骤 540)，如图2D所示。接下来利用化学机械抛光技术对沉积在晶圆整个表面上的绝缘介质进行平坦化 处理，直到氮化硅层3(步骤550)，如图2E所示。虽然氮化硅层3是平坦化处理的停止层， 但是由于化学机械抛光是利用机械与化学相结合的方法，因此化学机械抛光时各个参数的 微小偏移难免会影响到平坦化之后氮化硅层的剩余厚度，使得平坦化之后氮化硅层3的剩 余厚度在各批次之间不一致，从而使沟槽氧化物5的厚度也在各批次之间产生偏移。为了避免平坦化处理之后氮化硅层3对最终形成的STI阶高产生影响，根据本发 明的形成浅沟槽隔离结构的方法中，测量平坦化处理之后氮化硅层的剩余厚度，并根据所 测量的剩余厚度腐蚀沟槽氧化物5 (步骤560)，如图2F所示。当所测量的剩余厚度大于一 预定厚度时，增加去除的沟槽氧化物的厚度；当所测量的剩余厚度小于或等于所述预定厚 度时，减小去除的沟槽氧化物的厚度。实际应用中，可以设置一个预定厚度，也可以设置多 个预定厚度。所设置的预定厚度的个数越多，工艺精确度也就越高。以下以步骤510中沉积的氮化硅层厚度为1150人、平坦化后氮化硅层的剩 余厚度在690A~590人范围内为例，详细说明本步骤。表1是平坦化后氮化硅层的 剩余厚度范围与去除的沟槽氧化物的对应关系。如表1所示，预定厚度可以设置为 695A、680A、665A、635A、620A和605A,平坦化后氮化硅层的剩余厚度每超过 一个阈值，去除的沟槽氧化物的厚度就增加10A。其中标准工艺条件下平坦化后氮化硅的 剩余厚度在650A左右，上下波动15A,如果所测量的剩余厚度在该范围内，则去除的沟槽 氧化物的厚度为130A。对于超过该范围的剩余厚度，每增加或减小15入，去除的沟槽氧化 物的厚度就增加或减小10人。在实际应用中，可以通过增加腐蚀的时间，来增加去除的沟槽 氧化物的厚度。表 权利要求
1.一种形成浅沟槽隔离结构的方法，该方法包括在半导体衬底上形成垫氧化层和氮化硅层；对所述垫氧化层、氮化硅层和半导体衬底进行图案化，以形成沟槽；在所述沟槽内表面形成衬层氧化物；沉积绝缘介质以形成沟槽氧化物；对所述绝缘介质进行平坦化处理；测量平坦化处理之后所述氮化硅层的剩余厚度，根据所测量的剩余厚度腐蚀所述沟槽 氧化物；去除所述氮化硅和垫氧化层，形成浅沟槽隔离结构。
2.如权利要求1所述的形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，所述根据所测量的 剩余厚度腐蚀沟槽氧化物包括当所测量的剩余厚度大于一预定厚度时，增加去除的沟槽氧化物的厚度；当所测量的剩余厚度小于或等于所述预定厚度时，减小去除的沟槽氧化物的厚度。
3.如权利要求1或2所述的形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，所述去除氮化硅 层包括首先去除所述半导体衬底背面的氮化硅层；然后去除所述半导体衬底正面的氮化 硅层。
4.如权利要求3所述的形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，使用磷酸或氢氟酸 溶液去除所述半导体衬底背面的氮化硅。
5.如权利要求4所述的形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，所述氢氟酸溶液的 温度为20°C至30°C。
6.如权利要求5所述的形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，所述氢氟酸溶液的 温度为室温。
7.如权利要求4所述的形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，所述氢氟酸溶液的 浓度为20%至49%。
8.如权利要求4所述的形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，所述磷酸溶液的浓 度为80%至90%。
9.如权利要求4所述的形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，所述磷酸溶液的温 度为 155°C 至 165°C。
10.如权利要求3所述的形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，使用磷酸溶液去除 所述半导体衬底正面的氮化硅层。
全文摘要
本发明公开了一种形成浅沟槽隔离结构的方法，首先在半导体衬底上形成垫氧化层和氮化硅层；并对垫氧化层、氮化硅层和半导体衬底进行图案化，以形成沟槽；接着在沟槽内表面形成衬层氧化物；沉积绝缘介质以形成沟槽氧化物；然后对绝缘介质进行平坦化处理；测量平坦化之后所述氮化硅层的剩余厚度，根据所测量的剩余厚度腐蚀沟槽氧化物；最后去除氮化硅层和垫氧化层，形成浅沟槽隔离结构。该方法在平坦化处理之后测量氮化硅层的剩余厚度，并根据所测量的剩余厚度选择去除的沟槽氧化物的厚度，从而避免了平坦化处理之后氮化硅层剩余厚度对浅沟槽隔离(STI)阶高的影响，稳定了各批晶圆之间的STI阶高，增强了浅沟槽隔离工艺的再现性。
文档编号H01L21/762GK102054733SQ200910198470
公开日2011年5月11日 申请日期2009年11月5日 优先权日2009年11月5日
发明者元琳, 尹晶磊 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司