一种改善超级结深沟槽外延层平坦化的方法
【专利摘要】本发明公开了一种改善超级结深沟槽外延层平坦化的方法，包括如下步骤：1）在硅片表面淀积氧化膜和/或氮化膜作为阻挡层；2）在硅片上刻蚀深沟槽；3）用单晶硅或多晶硅填充所述深沟槽；4）采用化学机械研磨工艺对硅片表面进行平坦化处理，分为以下三步骤：步骤A，通过化学机械研磨的方式将位于阻挡层上方的外延层研磨去除一半，化学机械研磨的残留物覆盖在凹槽中；步骤B，在研磨至一半的研磨量之后，将研磨头升起，并使用大量的处于常温的去离子水冲洗硅片以及研磨垫，将位于凹槽中的化学机械研磨的残留物去除；步骤C，将位于阻挡层上方的外延层全部研磨去除。本发明能有效去除位于阻挡层上方的外延层，以有效改善超级结外延层平坦化效果。
【专利说明】一种改善超级结深沟槽外延层平坦化的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体集成电路中半导体工艺方法，具体涉及一种改善超级结深沟槽外延层平坦化的方法。
【背景技术】
[0002]在现今的半导体技术中，深沟槽结构应用较为广泛。如作为隔绝结构以隔绝不同操作电压的电子器件，及应用于超级结结构半导体器件中作为P-N结通过耗尽态的电荷平衡达到高击穿电压性能等。对于后者超级结金属氧化物半导体场效应晶体管(超级结MOS晶体管)的制造过程中刻蚀和填充深沟槽的方法，是在n+型硅衬底上生长一层n-型外延层(单晶硅)，然后在该外延层上刻蚀深沟槽，然后再用p型单晶硅选择性填充该深沟槽，最后用化学机械研磨(CMP)工艺进行表面平坦化。此时该深沟槽结构作为p型半导体柱，该深沟槽结构的两侧作为n型半导体柱，即得到了纵向交替排列的p型和n型半导体柱。该方法中将n型硅与p型硅交换，效果不变。如图10所示，传统方法的流程主要包括如下步骤:
1.在硅衬底上沉积一层氧化膜和/或氮化膜；2.干法刻蚀深沟槽；3.硅选择性外延沉积深沟槽；4.化学机械研磨去除位于氧化膜和/或氮化膜上方的硅外延。
[0003]上述方法中，选择性填充深沟槽完成后会导致较高的表面断差(st印height)，大约为3微米左右，相应的研磨时间会较长，研磨垫的温度会异常升高，位于研磨垫上的残留物会急剧增多，如果在后续的化学机械研磨的制程中无法有效去除处于凹槽中的研磨液残留物，就会导致该残留物作为一个阻挡层(hard-mask)，无法有效完成硅外延化学机械平坦化，如图12(A)所示(由于深宽比较大，研磨液会残留在选择性外延填充完后形成的凹槽中，并作为阻挡层阻止外延层被有效去除)。
【发明内容】
[0004]本发明解决的技术问题是提供一种改善超级结深沟槽外延层平坦化的方法，以达到能够有效去除位于阻挡层上方的外延层的目的，以有效改善超级结外延层平坦化效果。
[0005]为解决上述技术问题，本发明提供一种改善超级结深沟槽外延层平坦化的方法，包括如下步骤:
[0006]I)在硅片表面淀积氧化膜和/或氮化膜作为阻挡层；
[0007]2)在硅片上刻蚀深沟槽；
[0008]3)用单晶硅或多晶硅填充所述深沟槽；
[0009]4)采用化学机械研磨工艺对硅片表面进行平坦化处理，该步化学机械研磨分为三步骤:步骤A，通过化学机械研磨的方式将位于阻挡层上方的外延层研磨去除一半，化学机械研磨的残留物覆盖在凹槽中；步骤B，在研磨至一半的研磨量之后，将研磨头升起，并使用大量的处于常温的去离子水冲洗硅片以及研磨垫，将位于凹槽中的化学机械研磨的残留物去除；步骤C，将位于阻挡层上方的外延层全部研磨去除。
[0010]进一步地，步骤I)中，所述的阻挡层的厚度为100(T5000埃，其所用淀积工艺为LPCVD (低压化学气相沉积)工艺、或PECVD (等离子增强化学气相沉积)工艺。
[0011]进一步地，步骤2)具体为:淀积光刻胶，通过曝光和显影后，将阻挡层刻蚀；然后去除光刻胶，采用阻挡层干法刻蚀深沟槽。
[0012]进一步地，步骤2)中，所述将阻挡层刻蚀的刻蚀宽度为I~IOOii m，刻蚀深度为硅损失小于100埃；所述深沟槽的深度为10~100 u m,宽度为I~100 i! m。
[0013]进一步地，步骤3)中，所述深沟槽的填充采用单晶硅外延生长工艺；或者所述深沟槽的填充采用LPCVD工艺淀积多晶硅；或者所述深沟槽的填充是先在硅片表面外延生长一层单晶硅，再以LPCVD工艺填充多晶硅。
[0014]进一步地，步骤3)中，采用单晶硅或多晶硅选择性外延填充深沟槽，填充的外延层的高度高于阻挡层的高度有2~5 ii m。
[0015]进一步地，步骤4)的步骤B中，所述使用大量的处于常温的去离子水冲洗硅片以及研磨垫的冲洗时间为10~100秒，去尚子水的流量为500~2000毫升/分钟。
[0016]进一步地，步骤4)的步骤C中，至少将所述填充深沟槽的硅外延层研磨至与所述阻挡层的上表面齐平，所述填充深沟槽的硅外延层的上表面等于或低于所述阻挡层的上表面。
[0017]和现有技术相比，本发明具有以下有益效果:本发明使用了一种新型的化学研磨方法，即在研磨至一半的研磨量之后(half polish amount),将研磨头升起(polishhead),并使用大量的处于常温的去离子水冲洗硅片以及研磨淀，这样可以有效降低研磨垫的温度，同时改善硅片和研磨垫表面的颗粒情况，以达到能够有效去除位于阻挡层上方的外延层的目的，以有效改善超级结外延层平坦化效果。该方法工艺简单，便于实现，效果明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明方法中硅衬底的示意图；
[0019]图2是本发明方法中在硅衬底上生长阻挡层的示意图；
[0020]图3是本发明方法中曝光、显影后的示意图；
[0021]图4是本发明方法中刻蚀阻挡层后的示意图；
[0022]图5是本发明方法中刻蚀深沟槽后的示意图；
[0023]图6是本发明方法中选择性外延填充深沟槽后的示意图；
[0024]图7是本发明方法中化学机械研磨过程中研磨液覆盖凹槽中的示意图；
[0025]图8是本发明方法中化学机械研磨过程中去除凹槽中残留物的示意图；
[0026]图9是本发明方法化学机械研磨完成后的示意图；
[0027]图10是传统方法的流程图；
[0028]图11是本发明方法的流程图；
[0029]图12为采用传统方法及采用本发明方法的光学图像对比图；其中，图12 (A)为采用传统方法的光学图像示意图；图12 (B)为采用本发明方法的光学图像示意图。
[0030]图中附图标记说明如下:
[0031]I为硅衬底，2为阻挡层，3为光刻胶(PR)，4为外延层，5为化学机械研磨的残留物。【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
[0033]如图1-图9和图11所示，本发明的一种改善超级结深沟槽外延层平坦化的方法，主要包括如下步骤:
[0034]1.如图1和图2所示，在硅衬底I上淀积一层氧化膜和/或氮化膜作为阻挡层2，阻挡层2的厚度为1000~5000埃，其采用LPCVD工艺、或PECVD工艺淀积。
[0035]2.如图3至图4所示，淀积光刻胶3，通过曝光和显影后，将阻挡层2刻蚀，刻蚀宽度为I~100 ii m ;刻蚀深度以娃损失小于100埃为优选。
[0036]3.如图5所示，去除光刻胶3，采用阻挡层2干法刻蚀深沟槽，所述深沟槽的深度为10~100 Ii m,宽度为I~100 u m。
[0037]4.如图6所示，采用单晶硅或多晶硅选择性外延填充深沟槽，外延层4的高度高于阻挡层2的高度有2~5i!m。该步骤中，深沟槽的填充采用单晶硅外延生长工艺；或者深沟槽的填充采用LPCVD工艺淀积多晶硅；或者深沟槽的填充是先在硅片表面外延生长一层单晶硅，再以LPCVD工艺填充多晶硅。
[0038]5.如图7所示，通过化学机械研磨的方式将位于阻挡层2上方的外延层4研磨去除一半，化学机械研磨的残留物5 (即化学机械研磨过程中的研磨液)覆盖在凹槽中(该凹槽是阻挡层2上方的外延层4之间形成的凹槽，见图7)。
[0039]6.如图8 所示，将研磨头升起(polish head)，并使用大量的处于常温的去离子水冲洗硅片以及研磨垫，这样可以有效降低研磨垫的温度，同时改善硅片和研磨垫表面的颗粒情况，将位于凹槽中的化学机械研磨的残留物5去除。该步骤使用大量的处于常温的去离子水冲洗硅片以及研磨垫的冲洗时间为10~100秒，去离子水的流量为500~2000毫
升/分钟。
[0040]7.如图9所示，将位于阻挡层2上方的外延层4全部去除，研磨至目标值。至少将所述填充深沟槽的外延层4研磨至与阻挡层2的上表面齐平，填充深沟槽的外延层4的上表面等于或低于阻挡层2的上表面。
[0041]如图12所示，与采用传统方法的光学图像示意图图12 (A)相比，采用本发明方法的光学图像示意图(见图12 (B))显示采用本发明方法能有效去除凹槽内残留的研磨液，以达到有效去除位于阻挡层上方的外延层的目的，从而有效改善超级结外延层平坦化效果。
【权利要求】
1.一种改善超级结深沟槽外延层平坦化的方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)在硅片表面淀积氧化膜和/或氮化膜作为阻挡层； 2)在硅片上刻蚀深沟槽； 3)用单晶硅或多晶硅填充所述深沟槽； 4)采用化学机械研磨工艺对硅片表面进行平坦化处理，该步化学机械研磨分为三步骤:步骤A，通过化学机械研磨的方式将位于阻挡层上方的外延层研磨去除一半，化学机械研磨的残留物覆盖在凹槽中；步骤B，在研磨至一半的研磨量之后，将研磨头升起，并使用大量的处于常温的去离子水冲洗硅片以及研磨垫，将位于凹槽中的化学机械研磨的残留物去除；步骤C，将位于阻挡层上方的外延层全部研磨去除。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤I)中，所述的阻挡层的厚度为1000^5000埃，其所用淀积工艺为LPCVD工艺、或PECVD工艺。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤2)具体为:淀积光刻胶，通过曝光和显影后，将阻挡层刻蚀；然后去除光刻胶，采用阻挡层干法刻蚀深沟槽。
4.根据权利要求1或3所述方法，其特征在于，步骤2)中，所述将阻挡层刻蚀的刻蚀宽度为1~100 ii m，刻蚀深度为硅损失小于100埃；所述深沟槽的深度为10~100 u m,宽度为 1~100 Ii m。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中，所述深沟槽的填充采用单晶硅外延生长工艺；或者所述深沟槽的填充采用LPCVD工艺淀积多晶硅；或者所述深沟槽的填充是先在硅片表面外延生长一层单晶硅，再以LPCVD工艺填充多晶硅。
6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，步骤3)中，采用单晶硅或多晶硅选择性外延填充深沟槽，填充的外延层的高度高于阻挡层的高度有2~5 μ m。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)的步骤B中，所述使用大量的处于常温的去离子水冲洗硅片以及研磨垫的冲洗时间为10~100秒，去离子水的流量为500~2000毫升/分钟。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)的步骤C中，至少将所述填充深沟槽的硅外延层研磨至与所述阻挡层的上表面齐平，所述填充深沟槽的硅外延层的上表面等于或低于所述阻挡层的上表面。
【文档编号】H01L21/336GK103779228SQ201210409066
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年10月24日 优先权日:2012年10月24日
【发明者】刘继全, 钱志刚, 唐锦来 申请人:上海华虹宏力半导体制造有限公司