沟槽隔离结构的形成方法
【专利摘要】一种沟槽隔离结构的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底内具有开口；在所述开口的侧壁和底部表面形成第一绝缘衬垫层；采用离子注入工艺对所述第一绝缘衬垫层靠近开口顶部的部分注入改性离子；在所述离子注入工艺之后，进行热退火工艺，使注入改性离子的第一绝缘衬垫层形成第二绝缘衬垫层；在热退火工艺之后，进行表面处理工艺，使所述开口内的第一绝缘衬垫层和第二绝缘衬垫层表面具有氢氧键，且所述第二绝缘衬垫层表面的氢氧键密度小于第一绝缘衬垫层表面的氢氧键密度；在表面处理工艺之后，在所述开口内的第一绝缘衬垫层表面和第二绝缘衬垫层表面形成填充满开口绝缘层。所形成的浅沟槽隔离结构内无空隙、质量好。
【专利说明】沟槽隔离结构的形成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体制造【技术领域】，尤其涉及一种沟槽隔离结构的形成方法。
【背景技术】
[0002] 浅沟槽隔离结构（Shallow Trench Isolation, STI)在目前的半导体器件制造中 用于器件隔离。所述浅沟槽隔离结构的工艺包括：采用刻蚀工艺在衬底内形成开口（即浅沟 槽)，所述浅沟槽常用于隔离衬底内的有源区；在所述衬底表面和开口内形成填充满开口的 绝缘层，所述绝缘层的材料包括氧化硅；采用化学机械抛工艺去除高于开口顶部的绝缘层。
[0003] 随着半导体技术的发展，器件尺寸持续缩小，集成电路的集成化不断提高，导致 浅沟槽隔离结构的宽度尺寸也相应减小，则用于形成浅沟槽隔离结构的开口的深宽比 (aspect ratio)不断增大，会导致所形成的浅沟槽隔离结构内产生空隙（void)。图1至图 3是现有技术高深宽比的沟槽隔离结构的形成过程的剖面结构示意图。
[0004] 请参考图1，提供具有开口 101的衬底100,所述开口 101的深宽比大于3:1，所述 开口 101的侧壁和底部表面形成有氧化衬垫层102。
[0005] 请参考图2,采用化学气相沉积工艺在衬底100表面、以及开口 101内形成绝缘薄 膜103。在形成所述绝缘薄膜103的过程中，绝缘材料容易堆积在靠近开口 101顶部的侧壁 表面，导致形成于开口 101顶部侧壁的绝缘薄膜103厚度较厚，而开口 101底部的绝缘薄膜 103厚度较薄。
[0006] 请参考图3,继续采用化学气相沉积工艺增厚绝缘薄膜103,位于开口 101顶部的 绝缘薄膜103首先闭合，而此时的开口 101内任未被填充满，从而形成空隙104。
[0007] 现有技术为了克服在高深宽比的开口内的填充问题，采用高深宽比填孔工艺 (HARP,High Aspect Ratio Process),以满足更高深宽比开口的填充需求，以实现高深宽比 沟槽隔离结构的无空隙。具体的，以正硅酸乙酯（TE0S)与臭氧（0 3)为反应气体，能够填充 深宽比大于6:1的开口。
[0008] 然而，当用于形成沟槽隔离结构的开口深宽比继续增加，所述高深宽比填孔工艺 还是会产生空隙问题。
【发明内容】
[0009] 本发明解决的问题是提供一种沟槽隔离结构的形成方法，使所形成的浅沟槽隔离 结构内无空隙、质量好。
[0010] 为解决上述问题，本发明提供一种沟槽隔离结构的形成方法，包括：提供半导体衬 底，所述半导体衬底内具有开口；在所述开口的侧壁和底部表面形成第一绝缘衬垫层；采 用离子注入工艺对所述第一绝缘衬垫层靠近开口顶部的部分注入改性离子；在所述离子注 入工艺之后，进行热退火工艺，使注入改性离子的第一绝缘衬垫层形成第二绝缘衬垫层；在 热退火工艺之后，进行表面处理工艺，使所述开口内的第一绝缘衬垫层和第二绝缘衬垫层 表面具有氢氧键，且所述第二绝缘衬垫层表面的氢氧键密度小于第一绝缘衬垫层表面的氢 氧键密度；在表面处理工艺之后，在所述开口内的第一绝缘衬垫层表面和第二绝缘衬垫层 表面形成填充满开口绝缘层。
[0011] 可选的，所述离子注入工艺为：注入角度为15°?30°，注入剂量为1*105? 1*107原子/平方厘米，注入能量为lOKeV?50KeV。
[0012] 可选的，在所述离子注入工艺过程中，水平旋转所述半导体衬底，所述水平旋转的 角度包括 0°、90°、180° 和 270°。
[0013] 可选的，所述表面处理工艺为：温度为400°C?550°C，水汽H20的流量为3000标 准晕升/分钟?6000标准晕升/分钟，载气氦气的流量为5000标准晕升/分钟?15000 标准晕升/分钟，气压为2托?8托，射频功率为500瓦?1000瓦。
[0014] 可选的，所述第一绝缘衬垫层的材料为氧化硅，所述改性离子为氮离子，所述第二 绝缘衬垫层的材料为氮氧化硅或氮化硅。
[0015] 可选的，所述第一绝缘衬垫层的形成工艺为热氧化工艺，所述第一绝缘衬垫层的 厚度为20埃?200埃。
[0016] 可选的，所述绝缘层的形成工艺为：在所述半导体衬底、第一绝缘衬垫层和第二绝 缘衬垫层表面形成填充满开口绝缘薄膜；化学机械抛光半导体衬底表面的绝缘薄膜，直至 暴露出半导体衬底为止。
[0017] 可选的，所述绝缘薄膜的材料为氧化硅，形成工艺为化学气相沉积工艺。
[0018] 可选的，所述化学气相沉积工艺的沉积气体包括正硅酸乙酯和臭氧，所述正硅酸 乙酯的流量为500晕克/分钟?8000晕克/分钟，臭氧的流量为5000标准晕升/分钟? 3000标准毫升/分钟，气压为300托?600托，温度为400摄氏度?600摄氏度。
[0019] 可选的，所述沉积气体还包括：氮气、氧气和氦气，氮气的流量为1000标准毫升/ 分钟?10000标准晕升/分钟，氧气的流量为0标准晕升/分钟?5000标准晕升/分钟， 氦气的流量为5000标准晕升/分钟?20000标准晕升/分钟。
[0020] 可选的，所述开口的深宽比大于8:1。
[0021] 可选的，所述开口的形成工艺为：在半导体衬底表面形成掩膜层，所述掩膜层暴露 出部分半导体衬底表面，所述掩膜层的材料为氮化硅；以所述掩膜层为掩膜刻蚀半导体衬 底，以形成开口，所述掩膜层在形成绝缘层之后去除。
[0022] 可选的，所述热退火工艺为：温度为500摄氏度?800摄氏度，时间为30分钟?90 分钟。
[0023] 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
[0024] 在用于形成隔离结构的开口侧壁和底部表面形成第一绝缘衬垫层作为衬垫之后， 采用离子注入工艺对所述第一绝缘衬垫层靠近开口顶部的部分注入改性离子，而位于开口 底部的第一绝缘衬垫层、以及开进开口底部的侧壁表面的第一绝缘衬垫层内不具有改性离 子；在进行热退火工艺之后，靠近开口顶部侧壁的具有改性离子的第一绝缘衬垫层形成第 二绝缘衬垫层；在后续进行表面处理之后，由于材料本身特性所致，第二绝缘衬垫层表面的 氢氧键密度小于第一绝缘衬垫层的氢氧键密度，使后续形成绝缘层时，开口顶部表面形成 绝缘层的速率小于开口底部形成绝缘层的速率，抑制了开口顶部绝缘层形成速率过快的问 题，克服了由于开口顶部先闭合而导致的沟槽隔离结构内具有空隙的问题。所形成的沟槽 隔离结构致密、质量好、性能稳定。
[0025] 进一步的，所述第一绝缘衬垫层的材料为氧化硅，形成工艺为热氧化工艺，用于作 为绝缘层和半导体衬底之间的过渡，减少绝缘层和半导体衬底之间的缺陷；所述改性离子 为氮离子，则所形成的第二绝缘衬底层的材料为氮氧化硅；由于所述第一绝缘衬垫层和第 二绝缘衬垫层的材料特性决定，所述第一绝缘衬垫层表面的氢氧键多于第二绝缘衬垫层表 面的氢氧键，因此在第二绝缘衬垫层表面形成绝缘层的速率小于第一绝缘衬垫层表面形成 绝缘层的速率，能够避免在开口为填充满时开口顶部已闭合的问题，有利于形成无空隙的 沟槽隔离结构。
[0026] 进一步，在第一绝缘衬垫层内注入改性离子的离子注入工艺具有倾斜的注入角 度，所述注入角度相对于半导体衬底表面呈15°?30°角，使改性离子仅注入第一绝缘衬 垫层靠近开口顶部的部分，而开口底部以及靠近底部的侧壁表面的第一绝缘衬垫层内不具 有改性离子，从而实现在热退火工艺之后，开口靠近顶部的侧壁表面的材料与底部表面不 同，以满足开口顶部侧壁和底部氢氧键密度不同的需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1至图3是现有技术高深宽比的沟槽隔离结构的形成过程的剖面结构示意图；
[0028] 图4至图9是本发明的实施例所述沟槽隔离结构的形成过程的剖面结构示意图；
[0029] 图10是采用正硅酸乙酯和臭氧、以高深宽比沉积工艺形成绝缘薄膜的机理示意 图。
【具体实施方式】
[0030] 如【背景技术】所述，现有技术所形成的高深宽比的沟槽隔离结构内容易形成空隙。
[0031] 经过本发明的发明人研究发现，采用高深宽比工艺以硅酸乙酯和臭氧为反应气体 形成氧化硅薄膜时，沉积速率与所沉积表面的氢氧键密度有关，当所沉积表面的氢氧键密 度越高时，沉积速率越快。现有技术中，用于形成绝缘层的开口侧壁和底部表面的材料相 同，则氢氧键密度相近，在所述开口侧壁和底部表面沉积氧化硅薄膜的速率相近。然而，反 应气体首先容易接触开口顶部的侧壁，即所述开口顶部的侧壁表面会先抓取反应气体并形 成氧化硅，导致在所述开口顶部形成氧化硅薄膜的速率较开口底部更快；当所述开口的深 宽比继续增大，例如大于10:1时，反应气体到达开口底部的难度增大，导致开口底部形成 氧化硅薄膜的速率降低，同时开口顶部形成氧化硅薄膜的速率较快，因此依旧会导致开口 顶部的氧化硅绝缘层先闭合，而在开口内形成空隙，导致所形成的沟槽隔离结构内产生空 隙，所述空隙会降低隔离效果，或捕获电荷，容易造成所形成的器件性能不稳定。
[0032] 经过本发明的发明人进一步研究，在用于形成隔离结构的开口侧壁和底部表面形 成第一绝缘衬垫层作为衬垫之后，采用离子注入工艺对所述第一绝缘衬垫层靠近开口顶部 的部分注入改性离子，而位于开口底部的第一绝缘衬垫层、以及靠进开口底部的侧壁表面 的第一绝缘衬垫层内不具有改性离子；在进行热退火工艺之后，靠近开口顶部侧壁的具有 改性离子的第一绝缘衬垫层形成第二绝缘衬垫层；在后续进行表面处理之后，由于材料本 身特性所致，第二绝缘衬垫层表面的氢氧键密度小于第一绝缘衬垫层的氢氧键密度，使后 续形成绝缘层时，开口顶部表面形成绝缘层的速率小于开口底部形成绝缘层的速率，抑制 了开口顶部绝缘层形成速率过快的问题，克服了由于开口顶部先闭合而导致的沟槽隔离结 构内具有空隙的问题。所形成的沟槽隔离结构致密、质量好、性能稳定。
[0033] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明 的具体实施例做详细的说明。
[0034] 图4至图9是本发明的实施例所述沟槽隔离结构的形成过程的剖面结构示意图。
[0035] 请参考图4,提供半导体衬底200,所述半导体衬底200内具有开口 201。
[0036] 所述半导体衬底200用于为后续工艺提供工作平台，所述半导体衬底200的材料 为硅、硅锗、碳化硅、绝缘体上硅或III-V族化合物(例如氮化镓或砷化镓等)。
[0037] 所述开口 201内后续用于形成浅沟槽隔离结构（STI, Shallow Trench Isolation);所述开口 201的形成工艺包括：在半导体衬底200表面形成掩膜层202,所述 掩膜层202定义了半导体器件有源区的位置，并暴露出需要形成开口 201的半导体衬底 200表面，所述掩膜层202的材料为氧化娃、氮化娃或氧化娃和氮化娃的组合；以所述掩膜 层202为掩膜，采用各向异性干法刻蚀工艺刻蚀半导体衬底，在半导体衬底200内形成开口 201。
[0038] 随着半导体器件的特征尺寸持续缩小、集成电路的集成度不断提高，导致缩小形 成的沟槽隔离结构顶部的宽度尺寸不断缩小，而所述沟槽隔离结构的深度不应相应减小， 从而导致用于形成隔离结构的开口 201的深宽比不断增大，所述开口 201顶部宽度尺寸为 30nm?50nm，所述开口 201的深宽比大于6:1。在本实施例中，所述开口 201的深宽比大于 8:1。
[0039] 当所述开口 201的深宽比较大，例如大于6:1时，后续在所述开口 201内填充绝缘 材料的难度提高，用于填充开口 201的绝缘材料难以充分进入开口 201的底部，容易在所述 开口 201顶部已被绝缘材料闭合的情况下，所述开口内仍具有未被填充满的空隙。
[0040] 因此，本实施例通过降低靠近开口 201顶部的侧壁表面绝缘薄膜的形成速率，并 提高开口 201底部绝缘薄膜的形成速率，以避免开口 201顶部过早闭合，从而在后续形成无 空隙的隔离结构。
[0041] 请参考图5,在所述开口 201的侧壁和底部表面形成第一绝缘衬垫层203。
[0042] 所述第一绝缘衬垫层203用于作为半导体衬底200和后续形成的绝缘层之间的过 渡，使后续形成的绝缘层与半导体衬底200之间的结合质量更好，减小绝缘层与半导体衬 底200接触界面之间的缺陷，提高所形成的半导体器件的稳定性。
[0043] 在本实施例中，所述第一绝缘衬垫层203的材料为氧化硅，所述第一绝缘衬垫层 203的形成工艺为热氧化工艺，所述第一绝缘衬垫层的厚度为20埃?200埃；在后续采用 水蒸气进行表面处理之后，所述第一绝缘衬垫层203表面能够具有特定密度的氢氧键，所 述氢氧键决定了后续沉积绝缘薄膜的速率，即所述氢氧键的密度越高，形成绝缘薄膜的速 率越高；而且，所述氢氧键的密度由材料的特性决定，即第一绝缘衬垫层203表面获取的氢 氧键的密度相同。
[0044] 为了提高后续在开口 201底部、以及靠近开口 201底部的侧壁表面形成绝缘薄膜 的速率，并降低靠近开口 201顶部的侧壁表面形成绝缘薄膜的速率，后续需要使所述第一 绝缘衬垫层203靠近开口顶部的侧壁表面形成第二绝缘衬垫层，并使所述第二绝缘衬垫层 表面能够形成的氢氧键的密度低于第一绝缘衬垫层表面的氢氧键密度，则后续形成绝缘薄 膜时，开口 201靠近顶部的侧壁表面形成绝缘薄膜的速率降低，有利于形成无空隙的绝缘 层。
[0045] 请参考图6,采用离子注入工艺对所述第一绝缘衬垫层203靠近开口 201顶部的部 分注入改性尚子。
[0046] 所述离子注入工艺所注入的改性离子用于使开口 201靠近顶部的侧壁表面改性， 在后续热退火工艺之后，使注入过改性离子的部分第一绝缘衬垫层203的材料表面的氢氧 键密度降低，从而降低注入过改性离子的部分第一绝缘衬垫层203表面绝缘薄膜的形成速 率，以避免开口 201过早闭合；而且，所述氢氧键密度取决于其所依附的材料特性，因此仅 需控制所注入的改性离子种类，使注入后的形成的材料能够降低氢氧键的依附能力即可。
[0047] 本实施例中，所述第一绝缘衬垫层203的材料为氧化硅，则所注入的改性离子为 氮离子，能够使注入改性离子的部分后续形成以氮氧化硅为材料的第二绝缘衬垫层，而所 述氮氧化硅表面的氢氧键密度低于氧化硅薄膜的氢氧键密度，从而使绝缘薄膜的沉积速率 降低；而且，使所述改性离子注入第一绝缘衬垫层203靠近开口 201顶部的侧壁表面，即降 低了后续绝缘薄膜在开口顶部侧壁表面的形成速率，以避免开口 201过早闭合。
[0048] 所述离子注入工艺为：注入角度为15°?30°，注入剂量为1*105?1*10 7原子/ 平方厘米，注入能量为lOKeV?50KeV ;在所述离子注入工艺过程中，水平旋转所述半导体 衬底200,所述水平旋转的角度包括0°、90°、180°和270°，水平旋转半导体衬底200能 够使所注入的改性离子进入所述开口 201任一靠近开口 201顶部的侧壁表面，以使后续开 口 201任一靠近顶部的侧壁表面形成绝缘薄膜的速率均降低。
[0049] 需要说明的是，通过离子注入工艺的参数调整，例如增强注入能量，能够使氮离子 打断氧化硅之间的分子键，并与硅离子形成氮化硅，能够进一步降低注入过改性离子的部 分的氢氧键密度。
[0050] 在其他实施例中，所述第一绝缘衬垫层203的材料能够根据具体的工艺需求进行 调整，而所注入的改性离子的种类根据具体的第一绝缘衬垫层203的材料进行调整，而仅 需满足注入改性离子后所形成的材料表面氢氧键的密度低于所述第一绝缘衬垫层203即 可。
[0051] 请参考图7,在所述离子注入工艺之后，进行热退火工艺，使注入改性离子的第一 绝缘衬垫层203形成第二绝缘衬垫层204。
[0052] 所述热退火工艺为：温度为500摄氏度?800摄氏度，时间为30分钟?90分钟； 所述热退火工艺使注入改性离子与第一绝缘衬垫层203内的离子形成第二绝缘衬垫层204 的材料；在本实施例中，所述第一绝缘衬垫层203的材料为氧化硅，所述改性离子为氮离 子，则所形成的第二绝缘衬垫层204的材料为氮氧化硅或氮化硅。
[0053] 在后续进行表面处理工艺之后，所述氮氧化硅或氮化硅表面的氢氧键的密度低于 氧化硅表面的氢氧键的密度，则后续在第二绝缘衬垫层204表面形成绝缘薄膜的速率低于 第一绝缘衬垫层203 ;而且，所述第二绝缘衬垫层204位于靠近开口 201顶部侧壁的表面， 从而避免了形成于开口 201顶部的绝缘薄膜过早闭合而在开口 201内部产生空隙的问题。 能够使所形成的沟槽隔离结构的质量好，提高所形成的半导体器件的性能。
[0054] 请参考图8,在热退火工艺之后，进行表面处理工艺，使所述开口 201内的第一绝 缘衬垫层203和第二绝缘衬垫层204表面具有氢氧键，且所述第二绝缘衬垫层204表面的 氢氧键密度小于第一绝缘衬垫层203表面的氢氧键密度。
[0055] 所述表面处理工艺为：温度为400°C?550°C，处理气体为水汽（H20)，水汽的流量 为3000标准晕升/分钟?6000标准晕升/分钟，载气氦气的流量为5000标准晕升/分 钟?15000标准毫升/分钟，气压为2托?8托，射频功率为500瓦?1000瓦。
[0056] 所述表面处理工艺用于使所述第一绝缘衬垫层203和第二绝缘衬垫层204表面带 有氢氧键；而且，所述第一绝缘衬垫层203或第二绝缘衬垫层204所带有的氢氧键密度由所 述第一绝缘衬垫层203和第二绝缘衬垫层204的材料特性决定。在本实施例中，所述第一 绝缘衬垫层203的材料为氧化硅，所述第二绝缘衬垫层204的材料为氮氧化硅或氮化硅，在 表面处理工艺之后，所述第二绝缘衬垫层204表面的氢氧键密度小于第一绝缘衬垫层203 表面的氢氧键密度，使所述第二绝缘衬垫层204表面形成绝缘薄膜的速率低于第一绝缘衬 垫层203表面形成绝缘薄膜的速率。
[0057] 请参考图9,在表面处理工艺之后，在所述掩膜层203表面、以及开口 201 (如图8 所示）内的第一绝缘衬垫层203表面和第二绝缘衬垫层204表面形成填充满开口 201的绝 缘薄膜205。
[0058] 需要说明的是，在形成所述绝缘薄膜205之后，采用化学机械抛光工艺平坦化所 述绝缘薄膜205直至暴露出半导体衬底200表面为止，形成绝缘层(未示出），所述绝缘层即 所形成的沟槽隔离结构。
[0059] 所述绝缘薄膜205的材料为氧化硅，所述绝缘薄膜205的形成工艺为化学气相沉 积工艺，本实施例中采用高深宽比沉积工艺（HARP);所述高纵宽比的化学气相沉积工艺中， 沉积气体包括正硅酸乙酯Si (0C2H5) 4和臭氧03，所述正硅酸乙酯的流量为500毫克/分 钟?8000晕克/分钟，臭氧的流量为5000标准晕升/分钟?3000标准晕升/分钟，气压 为300托?600托，温度为400摄氏度?600摄氏度；此外，沉积气体还包括：氮气、氧气和 氦气，氮气的流量为1〇〇〇标准晕升/分钟?10000标准晕升/分钟，氧气的流量为〇标准 晕升/分钟?5000标准晕升/分钟，氦气的流量为5000标准晕升/分钟?20000标准晕 升/分钟。在所述化学气相沉积过程中，位于开口侧壁和底部表面的氢氧键密度越高，形成 绝缘薄膜205的速率越快，以下将结合附图具体说明。
[0060] 请参考10,图10是采用正硅酸乙酯和臭氧、以高深宽比沉积工艺形成绝缘薄膜的 机理示意图。其中，如图10 (a)所示，正硅酸乙酯Si (0C2H5)4分子中的一个-(0C2H 5)键 与臭氧反应形成氢氧键-0H;如图10 (b)所示，Si (0C2H5)3 (0H)分子所带的氢氧键与材 料表面的氢氧键相结合，在所述材料表面形成带有三个-(〇C2H5)键的氧化硅；如图10 (C) 所示，氧化硅所带的-(〇c2H5)键继续与臭氧反应形成氢氧键，即形成带有氢氧键的氧化硅， 所述氧化硅的氢氧键能够继续与沉积气体分子形成氧化硅；因此，材料表面的氢氧键密度 越高，能够与越多沉积气体分子反应，形成氧化娃的速率越快。
[0061] 本实施例的第一绝缘衬垫层203的材料为氧化硅、第二绝缘衬垫层204的材料为 氮氧化硅或氮化硅，所述氮氧化硅或氮化硅表面的氢氧键密度小于氧化硅，从而在第二绝 缘衬垫层204表面形成绝缘薄膜的速率小于在第一绝缘衬垫层203表面形成绝缘薄膜的速 率；而所述第二绝缘衬垫层204位于靠近开口 201顶部侧壁的表面，使靠近开口 201顶部侧 壁的表面形成绝缘薄膜的速率较低，从而能够保证在开口 201顶部闭合之前填充满所述开 口 201，从而能够使所形成的沟槽隔离结构质量好。
[0062] 本实施例中，在开口侧壁和底部表面形成以氧化硅为材料的第一绝缘衬垫层，在 所述第一绝缘衬垫层靠近开口顶部侧壁的部分注入氮离子，使热退火之后再靠近开口顶部 的侧壁表面形成以氮氧化硅或氮化硅为材料的第二绝缘衬垫层；以水汽进行表面处理工艺 之后，由于材料本身特性关系，所述氧化硅薄膜的氢氧键比氮氧化硅或氮化硅表面的氢氧 键多，而所述位于表面的氢氧键越多，形成氧化硅为材料的绝缘薄膜的速率越高。因此，在 第二绝缘衬垫层表面形成绝缘薄膜速率较慢，在第一绝缘衬垫层表面形成绝缘薄膜的速率 较快。能够保证在开口 201填充满之前，所述开口 201的顶部不会闭合，使所形成的沟槽隔 离结构内无空隙、质量好。
[0063] 综上所述，在用于形成隔离结构的开口侧壁和底部表面形成第一绝缘衬垫层作为 衬垫之后，采用离子注入工艺对所述第一绝缘衬垫层靠近开口顶部的部分注入改性离子， 而位于开口底部的第一绝缘衬垫层、以及开进开口底部的侧壁表面的第一绝缘衬垫层内不 具有改性离子；在进行热退火工艺之后，靠近开口顶部侧壁的具有改性离子的第一绝缘衬 垫层形成第二绝缘衬垫层；在后续进行表面处理之后，由于材料本身特性所致，第二绝缘衬 垫层表面的氢氧键密度小于第一绝缘衬垫层的氢氧键密度，使后续形成绝缘层时，开口顶 部表面形成绝缘层的速率小于开口底部形成绝缘层的速率，抑制了开口顶部绝缘层形成速 率过快的问题，克服了由于开口顶部先闭合而导致的沟槽隔离结构内具有空隙的问题。所 形成的沟槽隔离结构致密、质量好、性能稳定。
[0064] 进一步的，所述第一绝缘衬垫层的材料为氧化硅，形成工艺为热氧化工艺，用于作 为绝缘层和半导体衬底之间的过渡，减少绝缘层和半导体衬底之间的缺陷；所述改性离子 为氮离子，则所形成的第二绝缘衬底层的材料为氮氧化硅；由于所述第一绝缘衬垫层和第 二绝缘衬垫层的材料特性决定，所述第一绝缘衬垫层表面的氢氧键多于第二绝缘衬垫层表 面的氢氧键，因此在第二绝缘衬垫层表面形成绝缘层的速率小于第一绝缘衬垫层表面形成 绝缘层的速率，能够避免在开口为填充满时开口顶部已闭合的问题，有利于形成无空隙的 沟槽隔离结构。
[0065] 进一步，在第一绝缘衬垫层内注入改性离子的离子注入工艺具有倾斜的注入角 度，所述注入角度相对于半导体衬底表面呈15°?30°角，使改性离子仅注入第一绝缘衬 垫层靠近开口顶部的部分，而开口底部以及靠近底部的侧壁表面的第一绝缘衬垫层内不具 有改性离子，从而实现在热退火工艺之后，开口靠近顶部的侧壁表面的材料与底部表面不 同，以满足开口顶部侧壁和底部氢氧键密度不同的需求。
[0066] 虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本 发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所 限定的范围为准。
【权利要求】
1. 一种沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，包括： 提供半导体衬底，所述半导体衬底内具有开口； 在所述开口的侧壁和底部表面形成第一绝缘衬垫层； 采用离子注入工艺对所述第一绝缘衬垫层靠近开口顶部的部分注入改性离子； 在所述离子注入工艺之后，进行热退火工艺，使注入改性离子的部分第一绝缘衬垫层 形成第二绝缘衬垫层； 在热退火工艺之后，进行表面处理工艺，使所述开口内的第一绝缘衬垫层和第二绝缘 衬垫层表面具有氢氧键，且所述第二绝缘衬垫层表面的氢氧键密度小于第一绝缘衬垫层表 面的氢氧键密度； 在表面处理工艺之后，在所述开口内的第一绝缘衬垫层表面和第二绝缘衬垫层表面形 成填充满开口绝缘层。
2. 如权利要求1所述沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，所述离子注入工艺为：注 入角度为15°?30°，注入剂量为1*10 5?1*107原子/平方厘米，注入能量为lOKeV? 50KeV〇
3. 如权利要求2所述沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，在所述离子注入工艺过 程中，水平旋转所述半导体衬底，所述水平旋转的角度包括0°、90°、180°和270°。
4. 如权利要求1所述沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，所述表面处理工艺为：温 度为400°C?550°C，水汽H20的流量为3000标准毫升/分钟?6000标准毫升/分钟，载 气氦气的流量为5000标准晕升/分钟?15000标准晕升/分钟，气压为2托?8托，射频 功率为500瓦?1000瓦。
5. 如权利要求1所述沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，所述第一绝缘衬垫层的 材料为氧化硅，所述改性离子为氮离子，所述第二绝缘衬垫层的材料为氮氧化硅或氮化硅。
6. 如权利要求5所述沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，所述第一绝缘衬垫层的 形成工艺为热氧化工艺，所述第一绝缘衬垫层的厚度为20埃?200埃。
7. 如权利要求1所述沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，所述绝缘层的形成工艺 为：在所述半导体衬底、第一绝缘衬垫层和第二绝缘衬垫层表面形成填充满开口的绝缘薄 膜；化学机械抛光半导体衬底表面的绝缘薄膜，直至暴露出半导体衬底为止。
8. 如权利要求7所述沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，所述绝缘薄膜的材料为 氧化硅，形成工艺为化学气相沉积工艺。
9. 如权利要求8所述沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，所述化学气相沉积工艺 的沉积气体包括正硅酸乙酯和臭氧，所述正硅酸乙酯的流量为500毫克/分钟?8000毫克 /分钟，臭氧的流量为5000标准晕升/分钟?3000标准晕升/分钟，气压为300托?600 托，温度为400摄氏度?600摄氏度。
10. 如权利要求9所述沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，所述沉积气体还包括： 氮气、氧气和氦气，氮气的流量为1000标准毫升/分钟?10000标准毫升/分钟，氧气的 流量为0标准晕升/分钟?5000标准晕升/分钟，氦气的流量为5000标准晕升/分钟? 20000标准晕升/分钟。
11. 如权利要求1所述沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，所述开口的深宽比大于 8:1。
12. 如权利要求1所述沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，所述开口的形成工艺 为：在半导体衬底表面形成掩膜层，所述掩膜层暴露出部分半导体衬底表面，所述掩膜层的 材料为氮化硅；以所述掩膜层为掩膜刻蚀半导体衬底，以形成开口，所述掩膜层在形成绝缘 层之后去除。
13. 如权利要求1所述沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，所述热退火工艺为：温 度为500摄氏度?800摄氏度，时间为30分钟?90分钟。
【文档编号】H01L21/762GK104124193SQ201310156923
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2013年4月28日 优先权日:2013年4月28日
【发明者】邓浩 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司