形成浅沟槽隔离结构的方法
【专利摘要】本发明提供一种形成浅沟槽隔离结构的方法，包括：提供一半导体衬底，在所述衬底上形成硬质掩膜层，对硬质掩膜层及衬底刻蚀，以形成隔离沟槽；对硬质掩膜层进行回刻，并在隔离沟槽侧壁、底部表面形成内衬层；沉积隔离介质层充满隔离沟槽并对隔离介质层进行平坦化工艺；沿开口对隔离介质层进行回刻；在隔离介质层表面形成无定形碳侧墙；对隔离介质层内注入离子；采用刻蚀工艺去除所述硬质掩膜层及无定形碳侧墙，以形成浅沟槽隔离结构。本发明可避免在浅沟槽隔离结构与半导体衬底接缝处出现凹槽，提高所形成浅沟槽隔离结构的形貌，进而提高包含所形成浅沟槽隔离结构的半导体器件的电学性能。
【专利说明】形成浅沟槽隔离结构的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种集成电路工艺制造技术，尤其涉及一种形成浅沟槽隔离结构的方 法。
【背景技术】
[0002] 随着半导体工艺进入深亚微米时代，0. 18微米以下的元件（例如CMOS集成电路的 有源区之间）大多采用浅沟槽隔离结构（STI)进行横向隔离来制作。集成电路包括许多形 成在半导体衬底上的晶体管，一般来说，晶体管是通过绝缘或隔离结构而彼此间隔开。通常 用来形成隔离结构的工艺是浅沟槽隔离（shallow trench isolation,简称STI)工艺。
[0003] 用STI做隔离的器件，一般对STI的漏电的要求都非常高，而STI顶部边缘凹陷的 形貌是影响STI边缘漏电的一个重要因素。当STI顶部边缘凹陷变深的时候，会对后期的 许多工艺造成影响。例如，在进行多晶硅刻蚀的时候，由于STI顶部边缘凹陷较深，很难将 凹陷内的多晶硅刻蚀干净，从而造成STI边缘漏电；在硅化物生长工艺中，如果STI顶部边 缘凹陷较深，硅化物则会沿着有源区边缘往下生长，产生漏电。
[0004] 浅沟槽隔离结构作为一种器件隔离技术，其具体工艺包括：参考图1，提供衬底 101 ;参考图2,在所述衬底101上形成氮化硅层103 ;参考图3,形成贯穿所述氮化硅层103 的开口 105,所述开口 105具有与界定出有源区的隔离结构对应的形状；参考图4,以包含开 口 105的氮化硅层103为掩模，刻蚀衬底101以形成隔离沟槽107 ;参考图5,在图4中隔离 沟槽107和开口 105内以及开口两侧的氮化娃层103表面沉积无定形碳材料109,所述无定 形碳材料109填充满隔离沟槽107和开口 105并覆盖开口 105两侧的氮化硅层103 ;参考 图6,通过CMP工艺去除图5中氮化硅层103上多余的无定形碳材料109 ;参考图7,通过湿 法刻蚀工艺去除氮化硅层103,形成浅沟槽隔离结构111 ;参考图8,浅沟槽隔离结构111因 图7中湿法刻蚀工艺导致边缘形成凹陷112。
[0005] 然而，通过上述工艺形成的浅沟槽隔离结构111时，尤其是采用湿法刻蚀工艺去 除氮化硅层时，易在所形成的浅沟槽隔离结构111的边缘形成较深的凹陷，导致浅沟槽隔 离结构111的隔离性能不佳，包括浅沟槽隔离结构111的半导体器件易发生漏电，严重影响 了包含浅沟槽隔离结构111的半导体器件的稳定性。
[0006] 因此，如何减少浅沟槽隔离结构111边缘的凹陷，提高所形成浅沟槽隔离结构的 隔离性能，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供了一种形成浅沟槽隔离结构的方法，可以避免所形成的浅沟 槽隔离结构在其边缘处出现凹槽，提高所形成半导体器件的电学性能。
[0008] 为解决上述问题，本发明提供一种形成浅沟槽隔离结构的方法，包括：
[0009] 步骤S01 :提供一半导体衬底，且在所述衬底上形成硬质掩膜层，所述硬质掩膜层 内形成暴露出所述衬底的开口；
[0010] 步骤S02 :采用刻蚀工艺在所述衬底中形成隔离沟槽；其中，所述隔离沟槽的底部 位于所述衬底中；
[0011] 步骤S03 :对所述硬质掩膜层进行回刻，并在所述隔离沟槽侧壁、底部表面形成内 衬层；
[0012] 步骤S04 :沉积隔离介质层充满所述隔离沟槽并覆盖所述硬质掩膜层的表面，并 对所述隔离介质层进行平坦化工艺至剩余的硬质掩膜层的表面；
[0013] 步骤S05 :沿所述开口对所述隔离介质层进行回刻，使所述隔离介质层的上表面 位于所述硬质掩膜层中；
[0014] 步骤S06 :在所述隔离介质层表面形成无定形碳层，并对无定形碳层进行刻蚀以 形成无定形碳侧墙；
[0015] 步骤S07 :以无定形碳侧墙为掩膜对所述隔离介质层进行刻蚀，以形成凹槽结构， 并在所述凹槽结构内注入离子；其中，所述凹槽结构的底面高于所述衬底的上表面；
[0016] 步骤S08 :采用刻蚀工艺去除所述硬质掩膜层及所述无定形碳侧墙，以形成浅沟 槽隔离结构。
[0017] 优选的，所述硬质掩膜层为单层结构且厚度大于200 A，所述硬质掩膜层的材料 为多晶硅、氮化硅或氮化硼其中的一种。
[0018] 优选的，所述无定形碳侧墙的宽度大于20 A。
[0019] 优选的，所述离子注入元素为氩元素、硼元素、磷元素、砷元素或锗元素其中的一 种。
[0020] 优选的，步骤S07中，在所述凹槽结构内注入离子后，进行退火处理。
[0021] 优选的，步骤S06中，所述无定形碳层的上表面与所述硬质掩膜层表面平齐。
[0022] 优选的，所述隔离介质层的材质为氧化硅。
[0023] 优选的，所述步骤S04中，采用化学气相沉积工艺将所述隔离介质层填满所述隔 离沟槽并覆盖所述硬质掩膜层的表面。
[0024] 优选的，所述步骤S04中，通过化学机械研磨工艺去除位于所述隔离沟槽外的隔 尚介质层。
[0025] 优选的，在步骤S02中，所述的刻蚀工艺为等离子刻蚀工艺。
[0026] 从上述技术方案可以看出，本发明提供的形成浅沟槽隔离结构的方法中，首先通 过对硬质掩膜层进行回刻，从而使隔离介质层两端的厚度大大增加，从而能够阻止刻蚀溶 液渗入浅沟槽隔离结构与半导体衬底的接缝处，避免接缝处的浅沟槽隔离结构与刻蚀溶液 发生反应，进而避免在浅沟槽隔离结构与半导体衬底接缝处出现凹槽；此外，在浅沟槽隔 离结构中间区域注入离子，从而控制浅沟槽隔离结构与刻蚀溶液发生反应的速率，注入离 子区域与刻蚀溶液发现反应的速率快，而浅沟槽隔离结构的两端与刻蚀溶液发生反应的速 率较慢，通过控制浅沟槽隔离结构与刻蚀溶液发生反应的速率，使浅沟槽隔离结构的两端 不会在短时间内不会被刻蚀溶液侵蚀，使浅沟槽隔离结构的顶部两端发生凹陷结构导致漏 电。本发明避免在浅沟槽隔离结构与半导体衬底接缝处出现凹槽，提高所形成浅沟槽隔离 结构的形貌，进而提高包含所形成浅沟槽隔离结构的半导体器件的电学性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1至图8为现有技术所形成浅沟槽隔离结构的剖面结构示意图；
[0028] 图9为本发明形成浅沟槽隔离结构的方法一个实施方式的流程示意图；
[0029] 图10至图15为本发明形成浅沟槽隔离结构的方法一个实施例中所形成浅沟槽隔 离结构的剖面结构示意图。
【具体实施方式】
[0030] 为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一 步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也 涵盖在本发明的保护范围内。其次，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实 例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。
[0031] 上述及其它技术特征和有益效果，将结合实施例及附图9至图15对本发明的形成 浅沟槽隔离结构的方法进行详细说明。图9为本发明形成浅沟槽隔离结构的方法的一较佳 具体实施例的流程示意图；图10?15为采用图9所示形成方法所制造出的浅沟槽隔离结 构的示意图。
[0032] 请参阅图9,在本实施例中，本发明提供一种形成浅沟槽隔离结构的方法具体包括 以下步骤：
[0033] 步骤S01 :提供一半导体衬底10,且在所述衬底10上形成硬质掩膜层20,所述硬 质掩膜层20内形成暴露出所述衬底10的开口 21(如图10所示）。其中，半导体衬底10的 材料为单晶娃、多晶娃或非晶娃形成的娃材料，或是绝缘娃材料（Silicon on insulator, 简称SOI)，还可以是其它半导体材料或其它结构，在此不再赘述。
[0034] 具体的，所述硬质掩膜层20为单层结构且厚度大于200 A,所述硬质掩膜层20的 材料为多晶硅、氮化硅或氮化硼其中的一种。
[0035] 此外，硬质掩膜层20优选为氮化硅层，衬底10与硬质掩膜层20之间可设有衬垫 氧化层，衬垫氧化层可以为二无定形碳（Si0 2)，衬垫氧化层为后续氮化硅层提供缓冲层，具 体地说，衬垫氧化层用于避免直接在衬底10上生长氮化硅层会产生位错的缺点，优选地， 氮化硅层形成工艺可以为现有的化学气相沉积工艺。
[0036] 步骤S02 :采用刻蚀工艺在所述衬底10中形成隔离沟槽30 ;其中，所述隔离沟槽 30的底部位于所述衬底10中（如图10所示）。
[0037] 具体的，沿硬质掩膜层20的开口 21刻蚀至衬底10中，形成隔离沟槽30。开口 21 的形成工艺可以为现有的等离子刻蚀工艺。刻蚀半导体衬底10的工艺可以为现有的等离 子刻蚀工艺，也就是说，沿着开口 21用等离子刻蚀工艺刻蚀半导体衬底10形成隔离沟槽 30 〇
[0038] 步骤S03 :对所述硬质掩膜层20进行回刻，并在所述隔离沟槽30侧壁、底部表面 形成内衬层40 (如图11所示）。
[0039] 通过对硬质掩膜层20进行回刻，从而使隔离介质层50两端的厚度大大增加，从而 能够阻止刻蚀溶液渗入浅沟槽隔离结构与半导体衬底10的接缝处，避免接缝处的浅沟槽 隔离结构与刻蚀溶液发生反应，进而避免在浅沟槽隔离结构与半导体衬底10接缝处出现 凹槽；此外，还可以防止沟槽填充物使沟槽过早的封口，从而降低沟槽填充的难度。
[0040] 具体的，内衬层40为无定形碳，内衬层40的形成工艺可以为现有的化学气相沉积 工艺。
[0041] 步骤S04 :沉积隔离介质层50充满所述隔离沟槽30并覆盖所述硬质掩膜层20的 表面，并对所述隔离介质层50进行平坦化工艺至剩余的硬质掩膜层20的表面（如图11所 示）。
[0042] 具体的，所述隔离介质层的材质为氧化硅；采用化学气相沉积工艺将所述隔离介 质层50填满所述隔离沟槽30并覆盖所述硬质掩膜层20的表面；通过化学机械研磨工艺去 除位于所述隔离沟槽30外的隔离介质层50。平坦化工艺后，所述隔离沟槽30中所述隔离 介质层50的上表面与所述硬质掩膜层20表面平齐。
[0043] 步骤S05 :沿所述开口 21对所述隔离介质层50进行回刻，使所述隔离介质层50的 上表面位于所述硬质掩膜层20中（如图12所示）。
[0044] 具体的，对所述隔离介质层50进行回刻，用于后期在其表面形成无定形碳侧墙 60,所述隔离介质层50的表面停留在所述硬质掩膜层20的上表面和下表面之间。
[0045] 步骤S06 :在所述隔离介质层50表面形成无定形碳层，并对无定形碳层进行刻蚀 以形成无定形碳侧墙60 (如图13所示）。
[0046] 具体的，所述无定形碳侧墙60的宽度大于20 A，通过无定形碳侧墙60的宽度设 定控制后期离子注入区域的宽度。较佳的，所述无定形碳层的上表面与所述硬质掩膜层表 面平齐。
[0047] 步骤S07 :以无定形碳侧墙60为掩膜对所述隔离介质层50进行刻蚀，以形成凹槽 结构70,并在所述凹槽结构70内注入离子；其中，所述凹槽结构70的底面高于所述衬底10 的上表面（如图14所示）。
[0048] 具体的，所述离子注入元素为氩元素、硼元素、磷元素、砷元素或锗元素其中的一 种，优选为氩元素。通过在浅沟槽隔离结构中间区域注入离子，从而控制浅沟槽隔离结构与 刻蚀溶液发生反应的速率，注入离子区域与刻蚀溶液发现反应的速率快，而浅沟槽隔离结 构的两端与刻蚀溶液发生反应的速率较慢，通过控制浅沟槽隔离结构与刻蚀溶液发生反应 的速率，使浅沟槽隔离结构的两端不会在短时间内不会被刻蚀溶液侵蚀，使浅沟槽隔离结 构的顶部两端发生凹陷结构导致漏电。
[0049] 较佳的，在所述凹槽结构90内注入离子后，进行退火处理。其中，退火处理工艺中 的退火温度优选为700°C?900°C，退火时间为20秒?35秒。
[0050] 步骤S08 :采用刻蚀工艺去除所述硬质掩膜层20及所述无定形碳侧墙60,以形成 浅沟槽隔离结构（如图15所示）。
[0051] 其中，最终形成的浅沟槽隔离结构呈两端高中间低的台阶结构，由于隔离介质层 两端的厚度大大增加。
[0052] 综上所述，本发明提供的形成浅沟槽隔离结构的方法中，首先通过对硬质掩膜层 进行回刻，从而使隔离介质层两端的厚度大大增加，从而能够阻止刻蚀溶液渗入浅沟槽隔 离结构与半导体衬底的接缝处，避免接缝处的浅沟槽隔离结构与刻蚀溶液发生反应，进而 避免在浅沟槽隔离结构与半导体衬底接缝处出现凹槽；此外，在浅沟槽隔离结构中间区域 注入离子，从而控制浅沟槽隔离结构与刻蚀溶液发生反应的速率，注入离子区域与刻蚀溶 液发现反应的速率快，而浅沟槽隔离结构的两端与刻蚀溶液发生反应的速率较慢，通过控 制浅沟槽隔离结构与刻蚀溶液发生反应的速率，使浅沟槽隔离结构的两端不会在短时间内 不会被刻蚀溶液侵蚀，使浅沟槽隔离结构的顶部两端发生凹陷结构导致漏电。本发明避免 在浅沟槽隔离结构与半导体衬底接缝处出现凹槽，提高所形成浅沟槽隔离结构的形貌，进 而提高包含所形成浅沟槽隔离结构的半导体器件的电学性能。
[0053] 以上的仅为本发明的优选实施例，实施例并非用以限制本发明的专利保护范围， 因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的 保护范围内。
【权利要求】
1. 一种形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，包括： 步骤SOI :提供一半导体衬底，且在所述衬底上形成硬质掩膜层，所述硬质掩膜层内形 成暴露出所述衬底的开口； 步骤S02 :采用刻蚀工艺在所述衬底中形成隔离沟槽；其中，所述隔离沟槽的底部位于 所述衬底中； 步骤S03 :对所述硬质掩膜层进行回刻，并在所述隔离沟槽侧壁、底部表面形成内衬 层； 步骤S04 :沉积隔离介质层充满所述隔离沟槽并覆盖所述硬质掩膜层的表面，并对所 述隔离介质层进行平坦化工艺至剩余的硬质掩膜层的表面； 步骤S05 :沿所述开口对所述隔离介质层进行回刻，使所述隔离介质层的上表面位于 所述硬质掩膜层中； 步骤S06 :在所述隔离介质层表面形成无定形碳层，并对无定形碳层进行刻蚀以形成 无定形碳侧墙； 步骤S07 :以无定形碳侧墙为掩膜对所述隔离介质层进行刻蚀，以形成凹槽结构，并在 所述凹槽结构内注入离子；其中，所述凹槽结构的底面高于所述衬底的上表面； 步骤S08 :采用刻蚀工艺去除所述硬质掩膜层及所述无定形碳侧墙，以形成浅沟槽隔 尚结构。
2. 如权利要求1所述的形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，所述硬质掩膜层为 单层结构且厚度大于200 A，所述硬质掩膜层的材料为多晶硅、氮化硅或氮化硼其中的一 种。
3. 如权利要求1所述的形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，所述无定形碳侧墙 的宽度大于20 A。
4. 如权利要求1所述的形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，所述离子注入元素 为氩元素、硼元素、磷元素、砷元素或锗元素其中的一种。
5. 如权利要求1所述的形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，步骤S07中，在所述 凹槽结构内注入离子后，进行退火处理。
6. 如权利要求1所述的形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，步骤S06中，所述无 定形碳层的上表面与所述硬质掩膜层表面平齐。
7. 如权利要求1所述的形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，所述隔离介质层的 材质为氧化硅。
8. 如权利要求1所述的形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，所述步骤S04中，采 用化学气相沉积工艺将所述隔离介质层填满所述隔离沟槽并覆盖所述硬质掩膜层的表面。
9. 如权利要求1所述的形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，所述步骤S04中，通 过化学机械研磨工艺去除位于所述隔离沟槽外的隔离介质层。
10. 如权利要求1所述的形成浅沟槽隔离结构的方法，其特征在于，在步骤S02中，所述 的刻蚀工艺为等离子刻蚀工艺。
【文档编号】H01L21/762GK104091779SQ201410357127
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】鲍宇 申请人:上海华力微电子有限公司