自对准sti的形成方法
【专利摘要】本发明公开了一种自对准STI的形成方法，在传统工艺生长浅沟槽侧壁氧化层之后，再生长一层浅沟槽侧壁氮化硅层，随后对浅沟槽填充，并退火。本发明通过在浅沟槽侧壁增加生成一层结构更加致密、稳定的氮化硅层，可以有效阻止水汽或氧气分子的扩散，使得后续工艺退火时，水汽被致密的氮化硅层所阻止，避免水汽与硅衬底以及多晶硅浮栅反应生成二氧化硅，从而确保隧穿氧化硅层边缘厚度不再变厚，保证了产品的质量和可靠性。
【专利说明】自对准ST I的形成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体制造【技术领域】，尤其涉及一种新的自对准STI的形成方法。
【背景技术】
[0002] 随着半导体工艺进入深亚微米时代，0. 13 μ m以下的元件例如CMOS器件中，NM0S 晶体管和PM0S晶体管之间的隔离均采用STI (Shallow Trench Isolation，浅沟槽隔离）工 艺形成。
[0003] 传统的STI的形成方法通常包括下列步骤：首先，提供半导体基底，在半导体基底 上形成刻蚀阻挡层；接着，在所述刻蚀阻挡层上形成光掩膜图形，使得所述刻蚀阻挡层的部 分区域被暴露；对刻蚀阻挡层及刻蚀阻挡层下层的半导体基底进行刻蚀，在所述刻蚀阻挡 层和所述半导体基底中形成V型沟槽；接着，向所述沟槽内填充绝缘介质，形成STI。
[0004] 在Flash产品工艺制造中，STI corner (角部）对器件性能有很大影响。如果 corner太尖或者oxide recess(氧化槽）过大会导致电场聚集，器件失效。为了减小STI corner对器件的影响，常用的解决方案是用自对准浅沟槽隔离（Self-aligned STI)技术。
[0005] 自对准STI技术在Flash产品中越来越广泛，此技术具有工艺步骤简单、高栅氧 可靠性（high reliability of the gate oxide)、栅电极不重叠沟槽、沟槽宽度（channel width)的均匀性好等特点。自对准STI技术为闪存制造提供了低成本、高可靠性、高存储密 度和电压耦合程度好的集成工艺。
[0006] -般而言，Flash闪存单元（Cell)的结构包括隧穿氧化硅（Tunnel Oxide)、多晶 娃浮栅（Poly-Si Floating Gate,图1中FG)、0N0层（氧化娃/氮化娃/氧化娃）和控制 栅极层（Control Gate，图1中CG)，如图1所示。其中，隧穿氧化层的厚度对数据保存（Date Retention)和数据的擦除/写入（erase/Program)速度有重要的影响。而自对准STI技术 中，隧穿氧化层是最先生长的，如何降低后继工艺对隧穿氧化层厚度和质量的影响，具有重 要的意义。
[0007] 现有自对准STI的形成方法包括以下步骤：
[0008] 步骤a，在掺杂有磷的N阱（N-well)衬底51上依次生长隧穿氧化硅52、多晶硅浮 栅53、氮化硅54,如图2a所示。其中，隧穿氧化硅层采用高温热氧化工艺或者ISSG(In-Situ Steam Generation)工艺制备，再用N20退火；多晶娃浮栅层采用炉管低压化学气相沉积工 艺；氮化硅采用炉管低压化学气相沉积工艺。
[0009] 步骤b，通过光亥_刻蚀（依次刻蚀氮化硅层、多晶硅层、隧穿氧化硅层和硅衬底） 形成如图2b所示的浅沟槽6。
[0010] 步骤c，通过RTP (Rapid Thermal Process)工艺或者ISSG生长浅沟槽侧壁氧化层 7,如图2c所示。
[0011] 步骤d，通过HARP (High Aspect Ratio Deposition)工艺对浅沟槽填充8,填充后 再进行退火，如图2d所示。
[0012] 然而，上述现有方法中，在步骤d的HARP工艺退火中存在水汽退火（steam anneal)步骤，该步骤的目的是用来提高去除HARP工艺中空隙（void)的能力，通常采用提 高退火温度方法来实现（温度越高，空隙改善效果越好），一般水汽退火的温度大于600°C， 水汽退火的时间一般大于30分钟。但是，水汽在HARP工艺中会扩散，使其穿透浅沟槽侧壁 氧化层，在高温下与硅反应。也就是说，水汽会消耗硅衬底和多晶硅浮栅生成二氧化硅，从 而导致隧穿氧化硅边缘部分变厚，如图2d中虚线圆圈A内所示，隧穿氧化硅质量变差，严重 影响产品的可靠性。
【发明内容】
[0013] 为了实现本发明的发明目的，本发明提供一种自对准STI的形成方法，用来解决 现有技术会使隧穿氧化硅边缘变厚、影响产品质量的技术问题。
[0014] 本发明提供的自对准STI的形成方法包括以下步骤：
[0015] 步骤S01，提供一半导体衬底，并在衬底上依次生长隧穿氧化硅层、多晶硅浮栅层 和氮化娃层；
[0016] 步骤S02,利用光刻工艺形成掩模图形，并依次刻蚀氮化硅层、多晶硅浮栅层、隧穿 氧化硅层以及衬底，形成浅沟槽；
[0017] 步骤S03,生长浅沟槽侧壁氧化层；
[0018] 步骤S04,在该氧化层之上生长浅沟槽侧壁氮化硅层；
[0019] 步骤S05,对浅沟槽填充，并退火，自对准STI形成。
[0020] 进一步地，步骤S04采用炉管的原子层气相沉积法（Atom layer Deposition)。
[0021] 进一步地，步骤S04中工艺温度为450-550°C，反应特气为前驱体DCS (二氯二氢 娃）和NH3。
[0022] 进一步地，步骤S04由包含四步的多次反应周期组成，该四步依次包括通入册13特 气、N 2净化吹洗、通入DCS特气、N2净化吹洗。
[0023] 进一步地，该反应周期为40-60次，生长厚度为40-60A。
[0024] 进一步地，该反应特气通过多孔石英管通入到炉管内，以提高反应特气的均匀性。
[0025] 进一步地，步骤S01中隧穿氧化娃层采用ISSG(In_Situ Steam Generation,原位 蒸汽生成）工艺或者LPR0(低压自由基氧化）工艺制备，再用N20退火；多晶硅浮栅层采用 炉管低压化学气相沉积工艺制备；氮化硅层采用炉管低压化学气相沉积工艺制备。
[0026] 进一步地，步骤S03采用RTP (Rapid Thermal Process,快速热氧化）或ISSG工 艺，生长厚度为30-50,4。
[0027] 进一步地，步骤 S〇5 米用 HARP (High Aspect Ratio Deposition，高深宽比工艺） 工艺对浅沟槽填充。
[0028] 本发明的自对准STI的形成方法，通过在浅沟槽侧壁增加生成一层氮化硅层，由 于氮化硅结构是一个氮原子周围三个硅原子，比一个氧原子周围两个硅原子的二氧化硅结 构更加致密、稳定，可以有效阻止水汽或氧气分子的扩散，使得后续工艺退火时，水汽被致 密的氮化硅层所阻止，避免水汽与硅衬底以及多晶硅浮栅反应生成二氧化硅，从而确保隧 穿氧化硅层边缘厚度不再变厚，保证了产品的质量和可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0029] 为能更清楚理解本发明的目的、特点和优点，以下将结合附图对本发明的较佳实 施例进行详细描述，其中：
[0030] 图1是现有Flash闪存单元的结构示意图；
[0031] 图2a至2d是现有自对准STI形成方法的各步骤结构示意图；
[0032] 图3是本发明自对准STI形成方法的流程示意图；
[0033] 图4a至4d是本发明自对准STI形成方法的各步骤结构示意图；
[0034] 图5是本发明方法中生长氮化硅层的工艺周期示意图；
[0035] 图6是本发明方法制得的STI结构示意图。
【具体实施方式】
[0036] 请同时参阅图3、图4a至4d，本实施例的自对准STI的形成方法包括以下步骤：
[0037] 步骤S01，提供一掺杂有磷的N阱衬底11，并在衬底11上依次生长隧穿氧化硅层 12、 多晶硅浮栅层13和氮化硅层14,如图4a所示。
[0038] 步骤S02,利用光刻工艺形成掩模图形，并依次刻蚀氮化硅层14、多晶硅浮栅层 13、 隧穿氧化硅层12以及衬底11，形成浅沟槽2,如图4b所示。
[0039] 步骤S03,生长浅沟槽侧壁氧化层31。
[0040] 步骤S04,在该侧壁氧化层31之上生长浅沟槽侧壁氮化硅层32,如图4c所示。
[0041] 步骤S05,对浅沟槽2进行填充，并退火，自对准STI结构形成。
[0042] 本发明通过在浅沟槽侧壁增加生成一层氮化硅层，由于氮化硅结构是一个氮原子 周围三个硅原子，比一个氧原子周围两个硅原子的二氧化硅结构更加致密、稳定，可以有效 阻止水汽或氧气分子的扩散，使得后续工艺退火时，水汽被致密的氮化硅层所阻止，避免水 汽与硅衬底以及多晶硅浮栅反应生成二氧化硅，从而确保隧穿氧化硅层边缘厚度不再变 厚，保证了产品的质量和可靠性。
[0043] 具体地，步骤S04优选采用炉管的原子层气相沉积法（Atom layer Deposition), 通过该工艺生长的侧壁氮化硅层能够有效保证氮化硅层的厚度均匀度，即浅沟槽各个位置 的侧壁氮化硅层厚度一致，提高阻隔水汽的效果，在其他实施例中，也可以通过其他现有工 艺生成侧壁氮化硅层。较佳地，本步骤的原子层气相沉积法具体参数如下：
[0044] 工艺温度：450-550 Γ ;
[0045] 反应特气：前驱体DCS (二氯二氢硅）和NH3 ;
[0046] 反应方程式：DCS+NH3 - Si3N4+副产物；
[0047] 反应周期：通入NH3特气一N2净化吹洗一通入DCS特气一N 2净化吹洗。
[0048] 其中，如图5所示，每个周期由上述四步组成，生成的侧壁氮化硅层厚度可以通过 反应周期数来调节。在实际应用中，浅沟槽侧壁氮化硅层的厚度不能太薄，太薄则不能有 效阻隔水汽；氮化硅层厚度亦不能太厚，太厚则会增加 HARP填充的难度，易产生沟槽的空 隙，影响器件质量。因此，侧壁氮化硅层的优选厚度范围是40-60A，对应的反应周期可以是 40-60次。其中，每个反应周期的总时间约为40秒，四步中每一步的时间约为10秒。
[0049] 其中，为了提高反应特气的均匀性，改善沉积的氮化硅层厚度均匀性，反应特气可 以通过多孔石英管通入到炉管内，效果即优于传统炉管的低压化学气相沉积的单孔石英 管。
[0050] 在本实施例中，采用掺杂有磷的N阱衬底，在实际应用中，本发明可应用于其他常 规衬底，在此不再赘述。在本实施例中，步骤S01中，隧穿氧化娃层可采用ISSG(In-Situ Steam Generation，原位蒸汽生成）工艺或者LPR0 (低压自由基氧化）工艺制备，再用N20 退火；多晶硅浮栅层采用炉管低压化学气相沉积工艺制备；氮化硅层采用炉管低压化学气 相沉积工艺制备；步骤S03采用RTP (Rapid Thermal Process，快速热氧化）或ISSG工艺， 生长厚度较佳地为30-50A;步骤S05采用HARP(High Aspect Ratio Deposition,高深宽比 工艺）工艺对浅沟槽填充。其中，上述步骤的具体工艺参数可参考本领域常规手段。
[0051] 通过本实施例方法制得的自对准STI结构如图6所示，通过炉管原子层气相沉积 法生长的侧壁氮化硅层厚度均一，浅沟槽填充后，未造成隧穿氧化硅层边缘厚度的增加，保 证了器件的质量和可靠性。
【权利要求】
1. 一种自对准STI的形成方法，其特征在于，其包括以下步骤： 步骤S01，提供一半导体衬底，并在衬底上依次生长隧穿氧化硅层、多晶硅浮栅层和氮 化娃层； 步骤S02,利用光刻工艺形成掩模图形，并依次刻蚀氮化硅层、多晶硅浮栅层、隧穿氧化 硅层以及衬底，形成浅沟槽； 步骤S03,生长浅沟槽侧壁氧化层； 步骤S04,在该氧化层之上生长浅沟槽侧壁氮化硅层； 步骤S05,对浅沟槽填充，并退火，自对准STI形成。
2. 根据权利要求1所述的自对准STI的形成方法，其特征在于：步骤S04采用炉管的 原子层气相沉积法。
3. 根据权利要求2所述的自对准STI的形成方法，其特征在于：步骤S04中工艺温度 为450-550°C，反应特气为前驱体DCS和NH 3。
4. 根据权利要求3所述的自对准STI的形成方法，其特征在于：步骤S04由包含四步 的多次反应周期组成，该四步依次包括通入NH 3特气、N2净化吹洗、通入DCS特气、N2净化吹 洗。
5. 根据权利要求4所述的自对准STI的形成方法，其特征在于：该反应周期为40-60 次，生长厚度为40-60A。
6. 根据权利要求1至5任一项所述的自对准STI的形成方法，其特征在于：该反应特 气通过多孔石英管通入到炉管内，以提高反应特气的均匀性。
7. 根据权利要求6所述的自对准STI的形成方法，其特征在于：步骤S01中隧穿氧化 硅层采用ISSG工艺或者LPR0工艺制备，再用N 20退火；多晶硅浮栅层采用炉管低压化学气 相沉积工艺制备；氮化硅层采用炉管低压化学气相沉积工艺制备。
8. 根据权利要求6所述的自对准STI的形成方法，其特征在于：步骤S03采用RTP或 ISSG工艺，生长厚度为30-50A,,
9. 根据权利要求6所述的自对准STI的形成方法，其特征在于：步骤S05采用HARP工 艺对浅沟槽填充。
【文档编号】H01L21/762GK104091780SQ201410357232
【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】江润峰, 戴树刚 申请人:上海华力微电子有限公司