专利名称：浅沟槽隔离结构及于其内形成底部孔洞的方法
技术领域：
本发明是关于一种半导体装置的制造方法，且特别是关于一种于浅沟槽隔离结构 中形成底部孔洞的方法。
背景技术：
间隙与沟槽(例如在浅沟槽隔离结构中出现的间隙与沟槽)通常用于半导体装置 上的电性隔离组件。浅沟槽隔离结构可包含形成于半导体基板的隔离区内的沟槽或间隙， 半导体基板的隔离区是由介电材料填满以防止附近组件结构(例如晶体管、二极管…等) 的电性耦合。随着集成电路上组件密度的持续提升，组件结构间的距离与大小逐渐缩减。然 而，浅沟槽隔离结构的垂直高度的缩减速度通常较其水平宽度为慢，导致间隙与沟槽具有 较大的高度与宽度比(例如较高的高宽比)。虽然具有制造更高的高宽比组件结构的能力，而能于半导体芯片基板的同一表面 上容纳更多用以封装的结构(晶体管、电容、二极管…等)，但亦会产生若干制造上的问题。 举例而言，难以在不产生随机空洞或缝隙的状况下，完成充填间隙与沟槽结构的充填制程。 为了尽量减低电噪声与漏电流，有必要使用介电材料(例如氧化硅)来充填间隙与沟槽， 以使邻近的组件结构间得以彼此电性隔离。随着高宽比的提升，越加难以在充填深而窄的 沟槽时，不在用以充填沟槽的介电材料内产生空洞或缝隙。然而，由浅沟槽隔离沉积制程与绝缘效果的观点来看，形成在邻近沟槽底部的多 个孔洞是可被接受且具有良好绝缘效果，因为孔洞所包含的空气的介电常数仅为1。然而， 最近用以形成邻近沟槽底部的孔洞的制程可能具有问题。举例而言，前述这些孔洞的大小、 形状、位置以及密度并非完全一致，这会导致无法预测且不一致的介电层后沉积制程，例如 非均勻蚀刻、研磨、退火…等。形成于成品组件内的孔洞，亦会造成组件结构中间隙与沟槽 的介电质量的差异。由于电串扰、电荷泄漏，甚至是装置中的短路，会导致不稳定且劣质的 组件效能。基于前述与后续实施方式中所显现的原因，亟待业界改进于沟槽和间隙中形成底 部孔洞的制程，以避免已知技术中所出现的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用以形成浅沟槽隔离结构的方法及浅沟槽隔离结构， 可以避免已知技术中所出现的问题。根据本发明的一实施方式，本发明关于一种用以形成浅沟槽隔离结构的方法。前 述方法包含以下步骤(a)提供基板；(b)形成沟槽于基板内，沟槽具有第一侧壁以及相对 于第一侧壁的第二侧壁，第一侧壁与第二侧壁向下延伸至沟槽的底部；(C)沉积绝缘材料 以共同形成第一侧壁、第二侧壁以及沟槽的底部的衬垫层；(d)回蚀刻绝缘材料中邻近沟 槽的顶部以及沟槽的底部的部分；(e)继续沉积绝缘材料以形成第一侧壁、第二侧壁以及 沟槽的底部的衬垫层，且利用足以使第一突出绝缘材料与第二突出绝缘材料逐渐接近的速度来沉积，其中第一突出绝缘材料沉积于第一侧壁上，而第二突出绝缘材料沉积于第二侧 壁上；(f)重复步骤(d)与(e)以使第一突出绝缘材料与第二突出绝缘材料邻接，从而形成 邻近沟槽底部的孔洞。根据本发明的另一实施方式，本发明关于一种浅沟槽隔离结构，其包含半导体基 板、沟槽、第一突出绝缘材料以及第二突出绝缘材料。沟槽具有第一侧壁以及相对于第一侧 壁的第二侧壁，第一侧壁与第二侧壁向下延伸至沟槽的底部。第一突出绝缘材料沉积于第 一侧壁上。第二突出绝缘材料沉积于第二侧壁上。其中第一突出绝缘材料与第二突出绝缘 材料邻接，并形成邻近沟槽底部的孔洞。根据本发明一实施例，在浅沟槽隔离结构中形成底部孔洞的方法可被广泛地应 用，诸如应用于需要隔离区来使某一组件区以及与其相邻的组件区彼此隔离的状况。本发 明实施例的方法特别益于形成具有大高宽比的沟槽、间隙等的基板。形成在邻近沟槽底部 的多个孔洞具有良好绝缘效果，这是基于孔洞所包含的空气的介电常数仅为1。为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例， 并配合所附附图，作详细说明如下。
为让本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说 明如下图1至图6是绘示依照本发明一实施方式的一种用以形成浅沟槽隔离结构的不同 制程步骤中的结构剖面图。主要组件符号说明2 半导体基板4:垫氧化层6:氮化硅层8:第二硬罩幕层10:光阻层12:开口14:硬罩幕开口16 沟槽
18A 第一倾斜侧壁 18B 第二倾斜侧壁 20 沟槽顶端角 22 沟槽底端角 24 氧化层 24A 第一突出部分 24B 第二突出部分 26 孔洞
具体实施例方式虽然本发明实施例特别针对浅沟槽隔离(shallow trench isolation，STI)结构， 但是本发明实施例所使用的技术可应用于其它集成电路制程中的其它形式的间隙或孔洞 的充填制程。此外，本发明实施例是针对具有大高宽比的沟槽、间隙…等(例如高宽比为 5比1、6比1、7比1、8比1、9比1、10比1、11比1、12比1或更大的高宽比)。图1至图6是绘示依照本发明一实施方式的一种用以形成浅沟槽隔离结构的不同 制程步骤中的结构剖面图。然本发明的附图仅用于例示性地绘示本发明实施例，而非用以 限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润 饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。
图1是依照本发明一实施方式绘示一种半导体基板2的示意图。基板2可为半导 体制程晶圆(例如具有直径为200厘米、300厘米、400厘米…等的硅晶圆)且可包含于先 前制程中所形成的结构、装置组件…等。基板2可为单晶或多晶硅基板。基板2可包含磊 晶硅层(印i silicon layer)、埋藏层、绝缘层上覆硅(silicon on insulator, SOI)、硅化 锗或砷化镓。由二氧化硅组成的垫氧化层4具有介于约50埃和约150埃之间的厚度，举例 而言可由已知的热生长制程来形成或由四乙氧基硅烷低压化学气相沉积法(low pressure chemical vapor deposition,LPCVD)形成于基板2之上，以助于减少由随后的制程步骤所 致的表面应力。氮化硅(例如Si3N4)层6接着由已知的化学气相沉积法来沉积(例如 低压化学气相沉积法)，其厚度介于约500埃和约2000埃之间。氮化硅层6作为硬罩幕，以 于随后的浅沟槽隔离氧化沉积制程中保护主动区，并于随后的化学机械平坦化(chemical mechanical planarization, CMP)中作为研磨终止材料。第二硬罩幕层8可选择性地加入作为硬罩幕以抵抗随后的干式蚀刻，干式蚀 刻例如氮氧化硅等离子增强型化学气相沉积法(plasma enhanced chemical vapor d印osition)、二氧化硅等离子增强型化学气相沉积法或四乙氧基硅烷低压化学气相沉积 法。第二硬罩幕层8可形成于氮化硅层6之上，其厚度介于约150埃和约500埃之间。此 外，有机或无机抗反射涂布(anti-reflective coating, ARC)层可形成于氮化硅层6或第 二硬罩幕层8之上，若形成有机或无机抗反射涂布层，其厚度将变为介于约200埃和约1000 埃之间，此厚度将视微影制程中所应用的光波长而定。如图1所示，光阻层10具有约1000埃和6000埃之间的厚度。举例而言，光阻层 10随后沉积于第二硬罩幕层8之上，并微影图案化以形成开口 12，暴露出部分第二硬罩幕 层8的开口 12透过分别对第二与氮化硅硬罩幕层(例如硬罩幕层8与氮化硅层6)的厚 度部分进行干式蚀刻，以形成干式蚀刻硬罩幕层。如图2所示，第二硬罩幕层8与氮化硅层6接着通过已知的制程根据图案化光阻 层开口 12来蚀刻，以暴露出部分基板2并根据已知的反应离子蚀刻(reactive ion etch, RIE)制程(例如氟碳化合物化学蚀刻，氟碳化合物可为例如四氟化碳)或感应耦合等离 子(inductively coupled plasma, I CP)蚀刻制程来形成硬罩幕开口 14。举例而言，氮化 硅层6可根据终点侦测采用非等向性干式蚀刻，穿透其厚度与垫氧化层4以暴露出部分基 板2的表面。如图3所示，接着通过例如湿式剥除法或干式灰化制程来移除光阻层10，然后采 用干式蚀刻法在硅基板形成深度介于约100埃和约5000埃之间的STI沟槽16，并形成第一 倾斜侧壁18A与第二倾斜侧壁18B，第一倾斜侧壁18A与第二倾斜侧壁18B向下延伸至沟槽 16的底部。第一倾斜侧壁18A例示性地具有角度α，此角度α是由基板的主要表面(制 程表面)所在的平面算起，在一实施中此角度介于约80度和约89度之间，而使沟槽16的 顶部较其底部为宽。已知的化学蚀刻例示性地包含氯气、溴化氢以及氧气用以干式蚀刻出沟槽16直 到基板2，以形成STI开口(沟槽开口)16。在本发明一实施例中，在沟槽蚀刻制程中所形 成的沟槽顶端角(例如标号20的部分)与沟槽底端角(例如标号22的部分)，使得沟槽 开口角在沟槽的顶端角及/或底端角部分为圆弧形，换言之，沟槽开口角具有曲率半径。前 述STI圆角有益于避免非必要的电性行为，例如互补式金属氧化物半导体组件中的高电场致电压阀值(VT)。接着，蚀刻基板2以形成沟槽16，采用SC-I与SC-2清洗溶液的清洗制程例示性地 执行以清洗包含STI沟槽所暴露的部分在内的基板表面。在本发明另一实施例中，一个或 多个沟槽衬垫层(图中未示)由沉积制程于沟槽开口形成。举例而言，在一实施例中，一个 或多个衬垫层包含热氧化层(二氧化硅)、氮化硅(例如SiN、Si3N4)以及氮氧化硅(例 如SiON)之中的至少一者，且包含二氧化硅/氮化硅、二氧化硅/氮氧化硅、二氧化硅/氮 化硅/氮氧化硅以及二氧化硅/氮氧化硅/氮化硅堆叠之中的一者，此堆叠的总厚度是介 于约30埃和约200埃之间。举例而言，在本实施例中的硅基板，热氧化层的单层可通过已 知的热制程以形成于沟槽暴露部分的硅之上，以形成具有介于约30埃和约200埃厚度的共 形层。在本发明另一实施例中，采用低压化学气相沉积、等离子增强型化学气相沉积或 原子层化学气相沉禾只(atomic layer deposition chemical vapor deposition, ALDCVD) 于热氧化层之上毯覆式沉积氮化硅或氮氧化硅层，以形成沟槽衬垫层。在本发明再一实施 例中，沟槽衬垫层可由单层或多层氮化硅与氮氧化硅来形成，且在未形成热氧化层的状况 下进行沉积制程。然而，在采用硅基板的实施例中，形成前述热氧化物层更佳，这是基于其 有更佳的修复能力来修复任何由蚀刻所产生的损坏，且其易于缓和在沟槽表面的热应力。 在一实施例中，基板非由硅来形成，举例而言，砷化镓、氧化层可由低压化学气相沉积法或 原子层化学气相沉积法来形成于STI沟槽中基板暴露的部分之上，并形成于形成氮化硅及 /或氮氧化硅披覆之前。如图4所示，绝缘或氧化层24以毯覆式沉积的方式充填沟槽16，氧化层24各自于 第一侧壁18A与第二侧壁18B上以及沟槽16底部形成衬垫层。氧化层24可由一种材料来形 成，此材料包含氧化硅、二氧化硅、碳掺杂二氧化硅、氮掺杂二氧化硅、锗掺杂二氧化硅或磷 掺杂二氧化硅，且氧化层24可通过常压化学气相沉积法(atmospheric pressure chemical vapor d印osition)、低压化学气相沉积法、等离子增强型化学气相沉积法、原子层沉积法、 次常压化学气相沉积法(sub-atmospheric chemical vapor deposition, SACVD)、高密度 等离子化学气相沉积法(high density plasma chemical vapor exposition，HDPCVD)以 及光激化学气相沉积法(photo-induced chemical vapor deposition)以共形沉积于沟槽 16。熟知此技艺者能理解只要达到将组件区各自电性隔离的目的，亦可使用其它绝缘材料 来沉积于沟槽16。此外，在熟知此技艺者能理解的领域中，亦可使用其它已知的方法来沉积 氧化硅层。在本发明一实施例中，氧化层24通过次常压化学气相沉积法并在一环境下沉积， 此环境包含介于约100托尔(torr)和约700托尔之间的压力、介于约摄氏400度和约摄氏 600之间的温度、具有介于约200MGM(每分钟毫克)和约5000MGM之间流速的四乙氧基硅烷 (tetraethyl orthosilicate, TE0S)反应气体、介于约10000SCCM(标准立方公分每分钟) 和约50000SCCM之间的供氧流速以及介于约10000SCCM和约50000SCCM之间的臭氧供应 率。在本发明另一实施例中，氧化层24在包含氦气与氮气的气体中沉积。在本发明再一实 施例中，氧化层通过高密度等离子化学气相沉积法并在一环境下沉积，此环境包含惰性气 体、介于约摄氏350度和约摄氏950度之间的温度范围、提供介于约500瓦特和约10000瓦 特之间的电源射频功率以及提供介于约500瓦特和约10000瓦特之间的偏压功率，其中惰性气体包含氩气、氖气或氦气。上述条件可根据不同的制程因素(例如STI沟槽的高宽比、 具有所需薄膜厚度与其它物理性质的特定装置应用…等)而有所不同，但以不过度限制本 发明专利范围为限。如图5所示，沉积于邻近沟槽16的顶部与底部的氧化层24经过蚀刻制程，经由对 沟槽16的顶部与底部的绝缘材料进行回蚀刻，且随后在沟槽16中沉积绝缘材料，并持续重 复前述回蚀刻与沉积步骤，将于沟槽侧壁的两侧形成突出绝缘材料，然后前述突出绝缘材 料会持续成长至碰触到彼此。形成邻近沟槽的顶部以及沟槽的底部的氧化层24是由众所 周知的制程来进行回蚀刻。在本发明又一实施例中，回蚀刻步骤是在使用蚀刻剂的热制程 中进行，此热制程采用介于约摄氏零度和约摄氏950度之间的温度，此外，前述蚀刻剂包含 三氟化氮、氟化氢或氨。在本发明再一实施例中，回蚀刻步骤是在使用蚀刻剂的等离子增强 型制程中进行，此等离子增强型制程采用介于约摄氏零度和约摄氏950度之间的温度，且 所采用的电源射频功率是介于约500瓦特和约10000瓦特之间，此外，前述蚀刻剂包含三氟 化氮、氟化氢或氨。继续沉积氧化层24以各自形成第一侧壁18A与第二侧壁18B，以及沟槽16的底部 的衬垫层，且利用足以使第一突出部分24A与第二突出部分24B逐渐接近的速度来沉积，其 中第一突出部分24A沉积于第一侧壁18A上，而第二突出部分24B沉积于第二侧壁上18B 上。根据本发明一实施例，重复前述回蚀刻与沉积步骤，使第一突出部分24A与第二突出部 分24B彼此邻接，从而形成如图6所示的邻近沟槽底部的孔洞26。第一突出部分与第二突 出部分可通过提升多个惰性气体的密度及/或通过提高偏压功率，使其二者适当地生长并 逐渐彼此靠近。已知技艺者了解其余参数(例如温度、压力、电力、反应气体的种类…等) 皆可调整，以使在沟槽底部的前述些突出部分生长，并让前述这些突出部分逐渐靠近且彼 此邻接。当前述这些突出部分于沟槽底部形成时，孔洞26于焉形成。在本发明一实施例中，孔洞26形成于低于沟槽16深度的三分之一的位置。在本 发明另一实施例中，孔洞26形成于低于沟槽16深度的四分之一的位置。在本发明实施例 中亦可考虑采用其它沉积与回蚀刻条件，只要前述沉积与回蚀刻条件得以让第一突出部分 24A与第二突出部分24B逐渐接近且彼此邻接，致使孔洞于沟槽底部形成。在形成孔洞26的步骤之后，依据干式蚀刻与化学机械研磨其中一者的平坦化制 程可执行于超过沟槽高度的氧化物，包含任何位于氮化硅层6之上的硬罩幕层皆会被移 除。接着，氮化硅层6可通过已知的湿式(磷酸)蚀刻制程或干式氮化硅回蚀刻制程来移 除，随后进行垫氧化层4的移除。根据本发明一实施例，在STI结构中形成底部孔洞的方法可被广泛地应用，诸如 应用于需要隔离区来使某一组件区以及与其相邻之组件区彼此隔离的状况。本发明实施例 的方法特别益于形成具有大高宽比的沟槽、间隙等的基板。形成在邻近沟槽底部的多个孔 洞具有良好绝缘效果，这是基于孔洞所包含的空气的介电常数仅为1。虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者， 在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视 所附的权利要求书所界定的范围为准。
权利要求
一种用以形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，包含(a)提供一半导体基板；(b)形成一沟槽于该基板内，该沟槽具有一第一侧壁以及一相对于该第一侧壁的第二侧壁，该第一侧壁与该第二侧壁向下延伸至该沟槽的底部；(c)沉积一绝缘材料以共同形成该第一侧壁、该第二侧壁以及该沟槽的底部的衬垫层；(d)回蚀刻该绝缘材料中邻近该沟槽的顶部以及该沟槽的底部的部分；(e)继续沉积该绝缘材料以形成该第一侧壁、该第二侧壁以及该沟槽的底部的衬垫层，且利用足以使一第一突出绝缘材料与一第二突出绝缘材料逐渐接近的速度来沉积，其中该第一突出绝缘材料沉积于该第一侧壁上，而该第二突出绝缘材料沉积于该第二侧壁上；以及(f)重复步骤(d)与(e)以使该第一突出绝缘材料与该第二突出绝缘材料邻接，从而形成一邻近该沟槽底部的孔洞。
2.根据权利要求1所述的用以形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，该绝缘材料 包含氧化硅、二氧化硅、碳掺杂二氧化硅、氮掺杂二氧化硅、锗掺杂二氧化硅以及磷掺杂二 氧化硅之中的至少一者。
3.根据权利要求1所述的用以形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，该绝缘材料 是由常压化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、等离子增强型化学气相沉积法、原子层沉 积法、次常压化学气相沉积法、高密度等离子化学气相沉积法以及光激化学气相沉积法之 中的至少一者以沉积。
4.根据权利要求1所述的用以形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，该回蚀刻步 骤是在一使用一蚀刻剂的热制程与一介于摄氏零度和摄氏950度之间的温度中执行，或者 该回蚀刻步骤是在一使用该蚀刻剂的等离子增强型制程、一介于摄氏零度和摄氏950度之 间的温度以及一介于500瓦特和10000瓦特之间的电源射频功率中执行，其中该蚀刻剂包 含三氟化氮、氟化氢以及氨之中的至少一者。
5.根据权利要求1所述的用以形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，该形成该沟 槽的步骤包含形成一具有多个圆弧形顶端角与多个圆弧形底端角之中的至少一者的沟槽。
6.根据权利要求1所述的用以形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，还包含； 形成一图案化垫氧化层于该基板上；形成一图案化硬罩幕层于该氧化层上； 移除位于该图案化硬罩幕层以上的该绝缘材料； 移除该图案化硬罩幕层；以及 移除该图案化垫氧化层；其中该图案化硬罩幕层包含一材料，该材料是选自于由氮化硅、碳氢化合物以及氮氧 化硅所组成的群组。
7.根据权利要求1所述的用以形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，该孔洞形成 于一低于该沟槽深度的三分之一的位置，或该孔洞形成于一低于该沟槽深度的四分之一的位置。
8.—种浅沟槽隔离结构，其特征在于，包含一半导体基板；一沟槽，该沟槽具有一第一侧壁以及一相对于该第一侧壁的第二侧壁，该第一侧壁与 该第二侧壁向下延伸至该沟槽的底部；一第一突出绝缘材料，该第一突出绝缘材料沉积于该第一侧壁上；以及一第二突出绝缘材料，该第二突出绝缘材料沉积于该第二侧壁上；其中该第一突出绝缘材料与该第二突出绝缘材料邻接，并形成一邻近该沟槽底部的孔洞。
9.根据权利要求8所述的浅沟槽隔离结构，其特征在于，该沟槽具有多个圆弧形顶端 角与多个圆弧形底端角之中的至少一者。
10.根据权利要求8所述的浅沟槽隔离结构，其特征在于，该第一绝缘材料与该第二绝 缘材料包含氧化硅、二氧化硅、碳掺杂二氧化硅、氮掺杂二氧化硅、锗掺杂二氧化硅以及磷 掺杂二氧化硅之中的至少一者。
全文摘要
本发明提供一种用以形成浅沟槽隔离结构的方法及浅沟槽隔离结构。在本发明实施例中，沟槽形成于基板内，沟槽具有第一侧壁以及相对第一侧壁的第二侧壁，前述这些侧壁向下延伸至沟槽的底部。沉积绝缘材料以共同形成前述这些侧壁与沟槽的底部的衬垫层。回蚀刻绝缘材料中邻近沟槽的顶部与底部的部分。继续沉积绝缘材料以形成沟槽的内面的衬垫层，且利用足以使第一与第二突出绝缘材料逐渐接近的速度来沉积，其中第一突出绝缘材料配置于第一侧壁上，而第二突出绝缘材料配置于第二侧壁上。重复回蚀刻与沉积的步骤以使第一与第二突出绝缘材料邻接，从而形成邻近沟槽底部的孔洞。
文档编号H01L21/762GK101950730SQ20101022833
公开日2011年1月19日 申请日期2010年7月8日 优先权日2009年7月8日
发明者王祥保, 钟汉邠, 黄玉莲 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司