沟槽填充方法
【专利摘要】本发明在现有的沟槽填充方法的基础上，于沟槽填充完成后对衬底表面进行研磨直至露出孔隙，再对细小的孔隙进行扩大，然后进行第二次填充。并且重复孔隙扩大和第二次填充步骤直至填充层中无缝隙出现。本方法解决了现有技术中无法对细小沟槽进行无缝隙填充的问题。
【专利说明】沟槽填充方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种沟槽填充方法。
【背景技术】
[0002]随着半导体器件集成度的不断提高，工艺特征尺寸的不断的缩小，允许填充材料的间隙或者沟槽的宽度也变得越来越小，从而增大了填充的深宽比。在这种情形下，填充沟槽的难度变得越来越大，因为当需填充的沟槽在进行沉积的时候，容易在沟槽侧壁的肩部产生沉积物堆积，当堆积到一定程度时就会封闭沟槽的开口，使得在沟槽内部形成孔洞，从而造成器件桥接等问题，严重影响器件的性能及可靠性。
[0003]高密度等离子体化学气相淀积(HDP-CVD)工艺的出现在很大程度上解决了上述问题，因为其具有在淀积的同时还能进行刻蚀的特点，利用刻蚀步骤对部分填充的沟槽进行重整，去除掉沟槽侧壁堆积的多余沉积物，即通过沉积/刻蚀/再沉积/再刻蚀这样的循环过程完成沟槽的填充，这对于填充具有高的深宽比的间隙有很大的优势，因此，HDP-CVD工艺被广泛应用于半导体集成电路的制造中，如可以用HDP-CVD工艺形成的二氧化硅层来填充层间介质层和浅沟槽隔离(STI)的间隙，能够实现良好的填充浅沟槽隔离的间隙的能力。
[0004]然而，当沟槽的深宽比小到一定程度时，即便优化了 HDP-CVD的工艺并大幅增加沉积和刻蚀的周期，沟槽中依然会有少量的孔洞。比如在浅沟槽隔离(STI)工艺中，当所需的栅极特征尺寸到了 40nm，浅沟槽的形状和深宽比对填充的影响巨大，即使将HDP-CVD的工艺中的沉积和刻蚀的周期增大到了 7个周期，仍会出现孔洞，造成器件桥接的问题，严重影响器件的性能及可靠性。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中所述的问题，本发明提供一种沟槽填充方法，可解决深宽比很大时沟槽填充易出现孔洞的问题。
[0006]本发明所述沟槽填充方法包括以下步骤:
[0007]提供一具有沟槽的衬底；
[0008]对所述沟槽进行沉积形成填充层，所述填充中具有孔隙；
[0009]进行研磨工艺直至露出所述孔隙；以及
[0010]对所述孔隙进行沉积。
[0011]进一步的，进行研磨工艺之后，对所述孔隙进行沉积工艺之前，进行孔隙刻蚀工艺以扩大所述孔隙的尺寸。
[0012]进一步的，将所述孔隙刻蚀步骤和对所述孔隙进行沉积步骤作为一个周期重复I?2次，直至消除所述孔隙。
[0013]进一步的，所述孔隙刻蚀为等离子体蚀刻，并采用02、He、H2和Ar的混合气体。
[0014]进一步的，所述填充层为绝缘材料。[0015]进一步的，对所述沟槽进行沉积以及对所述孔隙进行沉积步骤中，所述沉积是HDP-CVD。
[0016]进一步的，对所述孔隙进行沉积步骤中采用SiH4、02、He、H2和Ar。
[0017]进一步的，所述研磨工艺是CMP工艺。
[0018]进一步的，所述沟槽为STI沟槽。
[0019]进一步的，所述衬底上还具有衬垫层和位于所述衬垫层上的保护层，所述研磨工艺进行至所述保护层被完全磨掉。
[0020]相比于现有技术，本发明于沟槽填充完成后对衬底表面进行研磨直至露出孔隙，再对细小的孔隙进行扩大，然后进行第二次填充。并且重复孔隙扩大和第二次填充步骤直至填充层中无缝隙出现。本方法解决了现有技术中无法对细小沟槽进行无缝隙填充的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明所述沟槽填充方法的流程图。
[0022]图2-图6为本发明一实施例所述沟槽填充方法各阶段的沟槽截面示意图。【具体实施方式】
[0023]以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0024]本发明提供了一种沟槽填充方法，如图1所示，包含如下步骤:
[0025]提供一具有沟槽的衬底；
[0026]对所述沟槽进行第一次填充，使其容置一定量的填充层；
[0027]对所述衬底的表面进行研磨直至在所述填充层的表面露出孔隙；
[0028]对所述孔隙第二次填充所述填充层。
[0029]在上述步骤中，所述衬底为半导体衬底，可以是单晶硅、多晶硅或非晶硅，也可以是硅、锗、硅锗化合物或砷化镓等，所述半导体衬底还可以具有外延层或绝缘层上硅结构，还可以是其他半导体材料，这里不一一列举。且在衬底上可以具有介质层，沟槽可以是形成于介质层中。
[0030]对所述沟槽的第一次填充采用HDP-CVD的方式，但本发明不以此为限，也可采用其他的填充方式。第一次填充通常会将沟槽填充满。在第一次填充后出现在填充层中出现了孔隙，可对衬底的表面进行研磨直至填充层的空隙暴露于表面。研磨的方式可采用CMP工艺。
[0031]填充层的孔隙暴露于衬底表面之后，对孔隙进行第二次填充。对所述沟槽的第二次填充亦采用HDP-CVD的方式，但本发明不以此为限，也可采用其他的填充方式。但通常情况下，经过一次填充后在填充层中出现的孔隙会更小，因此采用HDP-CVD的方式对孔隙边淀积边蚀刻，可更好地填充孔隙。
[0032]在半导体工艺中，具有多种物质的填充制程，本发明所述填充层亦可以是半导体工艺中的多种填充层，比如各种金属或各种绝缘材料等。[0033]上述步骤中，在第二次填充的步骤之前可进行孔隙的扩大，以减小所述孔隙的深宽比，待孔隙扩大之后，可更好地进行第二次填充。对孔隙的扩大可采用等离子蚀刻的方式。
[0034]孔隙的扩大和第二次填充的步骤可作为一个循环反复进行多次，以达到完全消除孔洞的目的。
[0035]下面结合图2至图6更详细的说明本发明所述沟槽填充方法。
[0036]本发明可用于半导体工艺中各类细小沟槽的填充，本实施例并不限制沟槽的类型和填充层的类型。本实施例中，所述沟槽用于形成浅沟槽隔离结构(STI)。如图2所示，所述衬底100上形成有衬垫层102和位于所述衬垫层102上的保护层103。在进行本实施例所述的沟槽填充方法之前，首先在衬底100上形成衬垫层102并在衬垫层102上形成保护层103，然后蚀刻所述保护层103、衬垫层102以及部分厚度的衬底100形成沟槽10。具体地，衬垫层102为氧化硅层，
[0037]保护层103为氮化硅层。
[0038]然后，对沟槽10进行第一次填充，形成填充层200。由于填充工艺的特性，通常填充完成后，填充层200还覆盖于衬底100的表面。在本实施例中，需在沟槽10中填充电绝缘材料。具体地，在本实施例中填充层200为硅的氧化物，淀积的方式为高密度等离子体化学气相淀积(HDP-CVD)。当特征尺寸达到40nm以下时，沟槽的深宽比都非常大，此时采用的HDP-CVD工艺完成后往往在沟槽10中形成孔隙300，如图3所示。
[0039]然后，对所述衬底100的表面进行研磨直至在所述填充层200的表面露出孔隙300。在本实施例中，对所述衬底100的表面进行研磨的步骤进行至所述保护层103被完全磨掉为止，因为在第一次填充完成后保护层103已无存在的必要，且采用HDP-CVD方式填充STI时孔隙300的上端通常会高于衬垫层102的上表面。所述研磨的具体方式为CMP (化学机械平坦化)。由于保护层103的质地较作为填充层200的硅氧化物更硬，因此在磨掉保护层103后，衬底100上填充层200的上表面略低于衬底100上的衬垫层102的上表面，如图4所示。
[0040]然后，进行对孔隙300进行蚀刻以扩大所述孔隙300的步骤。如图5所示，孔隙300扩大后变为开口 300’。蚀刻扩大的目的在于更利于后续第二次填充的进行。具体蚀刻的方法为等离子体蚀刻，在本实施例中，将衬底100整体放入等离子体机台的腔体中(本实施例继续采用HDP-CVD机台)，并在腔体中充入02、He、H2和Ar气体，气体在机台的低频射频源中离化并在高频射频源的控制下轰击孔隙300的表面，使孔隙300在轰击中不断扩大，孔隙300扩大为开口 300’。
[0041]之后进行第二次填充步骤，具体方式为HDP-CVD，对开口 300边淀积填充层200边刻蚀。在本实施例中，方法为HDP-CVD机台中通入SiH4和02气体及He，H2和Ar气体，其中SiH4和02气体所占比例较高，气体在机台的低频射频源中离化并在高频射频源的控制下到达开口 300’的表面，SiH4离子和氧离子在开口 300’表面上反应并生成填充层200，即硅氧化物。而He，H2和Ar离子会溅射开口 300’，将开口 300’肩部的悬突消掉，扩大开口300，。
[0042]本实施例中，蚀刻和第二次填充的步骤作为一个周期重复I?2次，即可去除孔隙300，形成如图6所示的情况，沟槽10中充满填充层200。[0043]综上所述，本发明在现有的沟槽填充方法的基础上，于沟槽填充完成后对衬底表面进行研磨直至露出孔隙，再对细小的孔隙进行扩大，然后进行第二次填充。并且重复孔隙扩大和第二次填充步骤直至填充层中无缝隙出现。本方法解决了现有技术中无法对细小沟槽进行无缝隙填充的问题。
[0044]显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
【权利要求】
1.一种沟槽填充方法，其特征在于，包括: 提供一具有沟槽的衬底； 对所述沟槽进行沉积形成填充层，所述填充中具有孔隙； 进行研磨工艺直至露出所述孔隙；以及 对所述孔隙进行沉积。
2.如权利要求1所述的沟槽填充方法，其特征在于，进行研磨工艺之后，对所述孔隙进行沉积工艺之前，进行孔隙刻蚀工艺以扩大所述孔隙的尺寸。
3.如权利要求2所述的沟槽填充方法，其特征在于，将所述孔隙刻蚀步骤和对所述孔隙进行沉积步骤作为一个周期重复I?2次，直至消除所述孔隙。
4.如权利要求2所述的沟槽填充方法，其特征在于，所述孔隙刻蚀为等离子体蚀刻，并采用02、He、H2和Ar的混合气体。
5.如权利要求1所述的沟槽填充方法，其特征在于，所述填充层为绝缘材料。
6.如权利要求1所述的沟槽填充方法，其特征在于，对所述沟槽进行沉积以及对所述孔隙进行沉积步骤中，所述沉积是HDP-CVD。
7.如权利要求6所述的沟槽填充方法，其特征在于，对所述孔隙进行沉积步骤中采用SiH4, O2, He, H2 Ar。
8.如权利要求1所述的沟槽填充方法，其特征在于，所述研磨工艺是CMP工艺。
9.如权利要求1-8任意一项所述的沟槽填充方法，其特征在于，所述沟槽为STI沟槽。
10.如权利要求9所述的沟槽填充方法，其特征在于，所述衬底上还具有衬垫层和位于所述衬垫层上的保护层，所述研磨工艺进行至所述保护层被完全磨掉。
【文档编号】H01L21/02GK103915369SQ201410138990
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月8日 优先权日:2014年4月8日
【发明者】朱亚丹, 周军, 曾真 申请人:上海华力微电子有限公司