专利名称：通过湿法刻蚀来制造具有浅沟槽隔离结构的硅片的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于浅沟槽隔离工艺的湿法去除氮化物的方法，具体地说，本发 明涉及通过改进工艺步骤来降低湿法去除氮化硅的成本和提高其效率的方法。
背景技术：
随着半导体技术的飞速发展，半导体器件的特征尺寸日益减小。为了在半导体表 面形成多个器件，需要在各个器件的有源区之间进行隔离。浅沟槽隔离(STI)是在衬底上 制作的晶体管有源区之间形成隔离区的一种已知工艺。由于该技术具有隔离区域小和完成 后仍保持基底平整等优点，因此已成为常用的半导体制造技术之一。该工艺主要包括STI槽刻蚀、氧化物填充和氧化物平坦化等步骤，其中，氧化物平 坦化主要包括沟槽氧化物研磨和氮化物去除这两个基本步骤。当完成沟槽氧化物研磨(一 般采用化学机械研磨方式)之后，还需要去除硅衬底表面上的氮化硅(Si3N4),以露出隔离 氧化硅层。图1显示了完成沟槽氧化物研磨之后的硅片整体结构，其中，100表示硅衬底；101 表示在硅衬底上形成的前侧衬垫(pad)氧化硅(主要成分为SiO2)层，该前侧衬垫氧化硅 层101可通过热氧化法形成，一般厚度为100-160埃，其主要作为隔离层以保护有源区在去 除氮化硅时不受化学沾污(即作为隔离氧化硅层)；102表示淀积(例如以低压化学气相淀 积法)在该前侧衬垫氧化硅层101上的前侧氮化硅(Si3N4)层，其厚度一般为600-1200埃， 该前侧氮化硅层102主要用于在STI氧化物淀积过程中保护有源区，而且在化学机械研磨 所填充的氧化硅时可用作研磨的阻挡材料；105是由填充在沟槽内的氧化硅所形成的隔离 区；106为形成在所填充的氧化硅105与硅衬底100之间的衬里(liner)氧化硅层，其用途 与前侧衬垫氧化硅层101相似；103为背侧衬垫氧化硅层，该层是与前侧衬垫氧化硅层101 一起在高温氧化设备中形成的，其厚度小于前侧衬垫氧化硅层101 ；104为背侧氮化硅层， 该层是与前侧氮化硅层102 —起在化学气相淀积设备中形成的，其厚度一般为1000-1800 埃。在浅沟槽隔离工艺的最后阶段，需要去除前侧氮化硅层102、背侧衬垫氧化硅层103和 背侧氮化硅层104，然后可选地实施清洗、漂洗、烘干等步骤，从而获得如图2所示的浅沟槽 隔离结构，其中，107为前侧衬垫氧化硅层101被可选地刻蚀后形成的隔离氧化硅层，如果 没有被刻蚀，则仍然保留原前侧衬垫氧化硅层101，无论如何，其厚度约为80-120埃；其余 的附图标记所指示的各单元与图1相同。一般的氮化物去除工艺是在热磷酸槽内通过湿法刻蚀方式实施的。这是因为热磷 酸对氮化物(Si3N4和SiON)有很好的选择比，可以避免像氢氟酸那样过分侵蚀隔离氧化硅 层107 (前侧衬垫氧化硅层101)，同时其刻蚀进度也相对容易控制。具体地说，该方法中所 用的热磷酸刻蚀液是浓磷酸与去离子水的混合物，其中，磷酸的浓度一般为80-92重量％， 工艺温度在150-180°C范围内。在进行湿法刻蚀时，通常将一批硅片(例如25-50片)放置 在热磷酸槽内，采用浸泡的方式来去除上述待刻蚀层。由于热磷酸不仅能够刻蚀氮化硅，对 氧化硅也有一定的刻蚀能力，所以采用热磷酸浸泡法来同时去除上述三层待刻蚀层可节省刻蚀步骤，因而具有一定的优势，且已在实际操作中取得较好的效果。然而，上述的湿法刻蚀也存在一些问题。湿法刻蚀与干法刻蚀相比，尽管具有高选 择比、无等离子损伤等优势，但存在溶液浓度难以控制和反应产物难以及时去除等问题。这 些问题往往需要通过更换新鲜溶液来克服，由此提高了湿法刻蚀的成本，且降低了处理效 率。目前已发现，在以上的湿法刻蚀中，热磷酸的刻蚀速度(无论是对氮化硅还是对氧化 硅)会随着已处理硅片数目的增多而快速下降，所以，为了维持合适的刻蚀速度，频繁更换 溶液就变得不可避免。这样，一方面导致该步骤需要消耗大量的昂贵的热磷酸溶液，使生产 成本居高不下，另一方面，频繁更换溶液也需要耗费额外的时间，严重影响生产效率和成品 率。因此，迫切需要发明一种新的方法以节省上述工艺的化学试剂成本和提高现有刻 蚀工艺的效率。
发明内容
为了解决上述问题，发明人作了深入的研究，最终获得了一种节省化学试剂成本 并提高生产效率的方法。该方法可以显著延长热磷酸溶液的使用寿命，缩短大批量刻蚀的 时间，且可明显降低成本。造成刻蚀速度显著下降的原因尚不清楚，但发明人推测可能是热磷酸与待刻蚀层 反应的产物在溶液中累积而阻止了反应平衡向右侧移动，由此导致反应速率降低。为此，发 明人提出了以下技术方案。本发明的第一方案提供了一种通过湿法刻蚀来制造具有浅沟槽隔离结构的硅片 的方法，该方法包括提供前侧具有沟槽的硅衬底100，所述硅衬底100的前侧还具有前侧衬垫氧化硅 层101、覆盖在前侧衬垫氧化硅层101上的前侧氮化硅层102、形成在所述沟槽内的衬里氧 化硅层106和覆盖在衬里氧化硅层106上的填充有氧化硅的隔离区105，所述硅衬底100的 背侧具有背侧衬垫氧化硅层103和覆盖在背侧衬垫氧化硅层103上的背侧氮化硅层104 ；使用浓度为40重量％以上的氢氟酸来去除背侧氮化硅层104 ；然后使用浓度为80重量％以上且温度为150-180°C的热磷酸水溶液来去除前侧氮化 硅层102，从而形成具有浅沟槽隔离结构的硅片。本发明的第二方案是如第一方案所述的方法，其中，所述氢氟酸的浓度为47-49
重量％。本发明的第三方案是如第一或第二方案所述的方法，其中，所述热磷酸水溶液在 去除前侧氮化硅层102之后，继续使用该热磷酸水溶液对前侧衬垫氧化硅层101进行部分 刻蚀，以使其形成隔离氧化硅层107。本发明的第四方案是如第三方案所述的方法，其中，所述隔离氧化硅层107的厚 度为80-120埃。本发明的第五方案是如第一至第四方案中任一方案所述的方法，其中，所述前侧 衬垫氧化硅层101的厚度为100-160埃。本发明的第六方案是如第一至第五方案中任一方案所述的方法，其中，所述前侧 氮化硅层102的厚度为600-1200埃。
本发明的第七方案是如第一至第六方案中任一方案所述的方法，其中，所述背侧 氮化硅层104的厚度为1000-1800埃。本发明的第八方案是如第一方案所述的方法，其中，该方法还包括在使用浓度为 40重量％以上的氢氟酸来去除背侧氮化硅层104的同时，使用该氢氟酸来去除部分或全部 背侧衬垫氧化硅层103。本发明的第九方案提供了一种具有浅沟槽隔离结构的硅片，该硅片由以上方案中 的任一方案所述的方法制得。
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发 明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，图1显示了本发明的方法的一个实施方案所使用的一种硅衬底；图2显示了由本发明的方法的一个实施方案所获得的具有浅沟槽隔离结构的硅 片；图3显示了现有技术中仅使用热磷酸时的氮化硅刻蚀速度与已处理硅片数目的 关系；图4显示了现有技术中仅使用热磷酸时的氧化硅刻蚀速度与已处理硅片数目的 关系；图5显示了本发明的一个实施方式中的氮化硅刻蚀速度与已处理硅片数目的关 系；和图6显示了本发明的一个实施方式中的氧化硅刻蚀速度与已处理硅片数目的关系。
具体实施例方式在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然 而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以 实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进 行描述。为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便说明本发明是如 何解决上述问题的。显然，本发明的施行并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊 细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其 他实施方式。本发明提供了一种利用湿法刻蚀来制造具有浅沟槽隔离结构的硅片的方法，该方 法所使用的原料硅衬底是具有沟槽的硅衬底，其沟槽可利用例如干法刻蚀等公知的STI槽 刻蚀方法在硅衬底上制得。而且，该硅衬底上所具有的各相关层和已填充隔离区的制造方 法也已为本领域人员所公知，在此不再赘述。所谓硅衬底的“前侧”(front side)意为硅衬底上具有沟槽的那一面，因此，位于 前侧的各层均位于硅衬底上具有沟槽的表面上。同理，硅衬底的“背侧”(back side)是指与 硅衬底上具有沟槽的那一面相反的一面，该面不具有沟槽，也不用于形成氧化硅隔离区，但因为与前侧一起参与热氧化和氮化物淀积，所以也形成有衬垫氧化硅层和氮化硅层。在对 前侧具有浅沟槽隔离结构的硅片实施下一步工艺之前，需要去除背侧多余的这两层物质， 以露出硅衬底的背面。如上所述，在现有技术中，当在热磷酸槽中对本发明所要刻蚀的硅衬底进行湿法 刻蚀时，热磷酸可以与图1中所示的前侧氮化硅层102、前侧衬垫氧化硅层101和背侧氮化 硅层104反应，而且需要一次性除掉两侧的氮化硅层，并腐蚀部分厚度的前侧衬垫氧化硅 层101 (至于背侧衬垫氧化硅103，由于厚度较小，其所消耗的刻蚀液较少，无论是全部去除 或部分去除，均不影响后续程序)。然而，实践中却发现该方法看似简单，但却需要消耗大量 的热磷酸，且需要不时停机以更换溶液才能维持合适的刻蚀速度。图3显示了仅使用热磷 酸(82重量％，170°C)时的刻蚀速度(对于氮化硅)与已处理硅片数目的关系。由该图可 知，当处理了 400片硅片时，氮化硅的刻蚀速度降低了约3. 3埃/分钟。图4显示了仅使用 热磷酸(82重量％，170°C)时的刻蚀速度(对于氧化硅)与已处理硅片数目的关系。由该 图可知，当处理了 400片硅片时，氧化硅的刻蚀速度降低了约27埃/20分钟。图3和图4 均使用如图1所示的硅衬底，即，该硅衬底100具有沟槽，且前侧还具有前侧衬垫氧化硅层 101 (厚度约为120埃)、覆盖在前侧衬垫氧化硅层101上的前侧氮化硅层102 (1000埃)、形 成在所述沟槽内的衬里氧化硅层106 (60埃)和覆盖在衬里氧化硅层106上的填充有氧化 硅的隔离区105，硅衬底100的背侧具有背侧衬垫氧化硅层103 (140埃)和覆盖在背侧衬垫 氧化硅层103上的背侧氮化硅层104(1700埃)。相比之下，原本刻蚀速度较慢的氧化硅的刻蚀速度下降得更快。因此，随着时间的 推移，如欲达到基本相同的刻蚀效果，每批硅片所需的刻蚀时间将显著延长，生产效率也会 越来越低，由此导致需要频繁更换热磷酸溶液以维持初始生产效率。与现有技术相比，本发明的方法利用了氢氟酸对背侧这两层覆盖层的快速刻蚀能 力，在使用热磷酸之前，先以氢氟酸除去背侧的氮化硅层甚至所有覆盖层，再以热磷酸来去 除前侧的氮化硅层。这样，一方面可以有效延缓热磷酸刻蚀速度的快速下降，另一方面也有 助于缩短整个工艺的刻蚀时间。具体地说，市售的氢氟酸水溶液无论浓度如何，均可用于去除硅衬底背侧的所有 覆盖层。然而，从提高整体效率和本发明的目的考虑，优选使用浓度为40重量％以上的氢 氟酸来实施该步骤；从可得性的角度考虑，优选使用浓度为45重量％以上的氢氟酸来实施 该步骤，特别优选使用浓度为49重量％的市售氢氟酸。除了 49重量％的市售氢氟酸以外， 其余氢氟酸均可通过使用去离子水和该市售氢氟酸自行配制而获得。综合考虑各方面因 素，最优选使用47重量％ -49重量％的氢氟酸。发明人还意外地发现，本发明所用的氢氟酸在对背侧的覆盖层进行刻蚀时其刻蚀 能力并不随已处理硅片的数量而发生显著变化。即，上述的氢氟酸溶液可在本发明的方法 中长期使用而不需要频繁更换。本发明的方法中，对于前侧的覆盖层，仍然采用浓磷酸来进行刻蚀。如上文 所述，所用的浓磷酸为本领域常用的湿法刻蚀溶液，其浓度为80-92重量％，且温度为 150-180°C。在该热磷酸完全去除前侧氮化硅层102之后，可视情况需要继续对前侧衬垫氧 化硅层101进行部分刻蚀(削除一部分厚度)，以使其形成厚度合适的隔离氧化硅层107， 该隔离氧化硅层107的厚度可以为80-110埃。在此步骤中，不需要将硅片从热磷酸中取出，只需例如根据检测控片的刻蚀结果计算好刻蚀至目标厚度所需的刻蚀时间即可。然而，如图4所示，在仅用热磷酸的情况下，热磷酸对氧化硅层的刻蚀速度会随着 已处理硅片的数量而显著下降。这样，如果没有预先使用氢氟酸去除背侧的覆盖层，则在仅 用热磷酸正常处理了少量硅片以后，该热磷酸无法以较快的速度对前侧衬垫氧化硅层101 进行部分刻蚀，对前侧衬垫氧化硅层101的去除将成为该工艺的速率决定步骤，从而严重 影响整个工艺的处理效率。相反，在本发明的上述实施方式中，发明人发现，热磷酸的使用寿命得到了显著的 延长，由此可以在提高生产效率的前提下将化学试剂成本削减80%。在本发明的一个实施方式中，使用DNS SU3000和DNS FC3000 (或SESBWI 3000 (批 量))依次单独和批量刻蚀硅衬底，该硅衬底具有如图1所示的结构，并与图3和图4中所用 的硅衬底相同。其中，先采用DNS SU3000以49重量％氢氟酸来去除背侧氮化硅层104 (以 及可选的背侧衬垫氧化硅层103)，然后以浓度为82重量％且温度约为168°C的热磷酸水溶 液来去除前侧氮化硅层102，从而形成具有浅沟槽隔离结构的硅片。结果，此实施方式中的 氮化硅刻蚀速度与已处理硅片数目的关系如图5所示，氧化硅刻蚀速度与已处理硅片数目 的关系如图6所示。由这些关系图可知，当处理了近2500片硅片时，氮化硅的刻蚀速度才 下降约3. 0埃/分钟，氧化硅的刻蚀速度才下降约11埃/20分钟。与图3和图4相比，延 长热磷酸使用寿命的效果非常显著。此外，氮化硅层在49重量％氢氟酸中的刻蚀速度约为 1400埃/分钟，背侧氮化硅层104的处理时间不到2分钟，且刻蚀速度长期保持稳定。但在 图3所示的现有技术中，去除该层至少需费时30分钟，且会随着已处理硅片的数目的增多 而延长。显然，缩短刻蚀时间的效果也非常明显。由于湿法刻蚀的工艺参数较干法刻蚀更 难以控制，刻蚀时间的缩短意味着硅片在溶液中的浸渍时间(或在喷射式侵蚀中的刻蚀液 喷射时间)的缩短，由此工艺参数和化学物质污染可得到更好的控制。对于以上两种溶液的转换，可通过以下方式实现采用可以清洗单片晶背的机台 (如SEZ DV38或者DNS SU3000等)，使用氢氟酸来喷射该硅衬底的背侧，部分(全部背侧 氮化硅层104和可能的一部分背侧衬垫氧化硅层103)或全部去除背侧的覆盖层；然后，用 DNS FC3000(或SES BWI3000 (批量))，以浓磷酸来批量浸泡这些硅衬底。此外，在上述过 程中，也可以视情况增加清洗、漂洗、烘干等后处理步骤，以去除所用的刻蚀液及在刻蚀过 程中附着在硅衬底上的沾污。这些后处理步骤都是本领域技术人员公知的，在此不再赘述。此外，对于该硅衬底上的各层物质，其各层的厚度均不受特别限制，但优选前侧衬 垫氧化硅层101的厚度为100-160埃，这样可以在使用热磷酸浸渍上述硅衬底时有效保护 有源区免受化学沾污，并且可以确保在去除前侧氮化硅层后即使受到刻蚀也仍保留有足够 的厚度(80-120埃)作为隔离氧化层；优选前侧氮化硅层102的厚度为600-1200埃，以确 保该氮化硅层作为研磨的阻挡材料的功能，并提供对有源区的充分保护。除了上述的通过湿法刻蚀来制造具有浅沟槽隔离结构的硅片的方法以外，本发明 还提供了通过该方法而获得的具有浅沟槽隔离结构的硅片。本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于 举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人 员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的 变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
权利要求
1.一种通过湿法刻蚀来制造具有浅沟槽隔离结构的硅片的方法，该方法包括 提供前侧具有沟槽的硅衬底(100)，所述硅衬底(100)的前侧还具有前侧衬垫氧化硅层(101)、覆盖在前侧衬垫氧化硅层101上的前侧氮化硅层(102)、形成在所述沟槽内的衬 里氧化硅层(106)和覆盖在衬里氧化硅层(106)上的填充有氧化硅的隔离区(105)，所述硅 衬底(100)的背侧具有背侧衬垫氧化硅层(10 和覆盖在背侧衬垫氧化硅层(10 上的背 侧氮化硅层(104)；使用浓度为40重量％以上的氢氟酸来去除背侧氮化硅层(104)；然后 使用浓度为80重量％以上且温度为150-180°C的热磷酸水溶液来去除前侧氮化硅层 (102)，从而形成具有浅沟槽隔离结构的硅片。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述氢氟酸的浓度为47-49重量％。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，在所述热磷酸水溶液去除前侧氮化硅层(102) 之后，继续使用该热磷酸水溶液对前侧衬垫氧化硅层(101)进行部分刻蚀，以使其形成隔 离氧化硅层(107)。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述隔离氧化硅层(107)的厚度为80-120埃。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述前侧衬垫氧化硅层(101)的厚度为100-160埃。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述前侧氮化硅层(10 的厚度为600-1200埃。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述背侧氮化硅层(104)的厚度为1000-1800埃。
8.如权利要求1所述的方法，其中，该方法还包括清洗、漂洗和/或烘干步骤。
9.一种具有浅沟槽隔离结构的硅片，该硅片由以上权利要求中的任一项权利要求所述 的方法制得。
全文摘要
本发明提供了一种通过湿法刻蚀来制造具有浅沟槽隔离结构的硅片的方法，该方法包括提供硅衬底(100)，硅衬底(100)的前侧具有沟槽、前侧衬垫氧化硅层(101)、前侧氮化硅层(102)、形成在沟槽内的衬里氧化硅层(106)和填充有氧化硅的隔离区(105)；硅衬底(100)的背侧具有背侧衬垫氧化硅层(103)和背侧氮化硅层(104)；使用浓度为40重量％以上的氢氟酸来去除背侧氮化硅层(104)；然后使用浓度为80重量％以上且温度为150-180℃的热磷酸水溶液来去除前侧氮化硅层(102)，从而形成具有浅沟槽隔离结构的硅片。
文档编号H01L21/762GK102136446SQ20101010240
公开日2011年7月27日 申请日期2010年1月27日 优先权日2010年1月27日
发明者刘轩, 李娜, 杨永刚, 谢志勇 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司