隔离沟槽的填充设备及隔离沟槽的填充结构的制作方法

本实用新型属于半导体制程技术领域，具体的涉及一种隔离沟槽的填充设备，还涉及一种隔离沟槽的填充结构。

背景技术：

随着IC器件的高密度化和微细化，半导体器件有源区之间均采用浅沟槽隔离(shallow trench isolation，STI)结构进行隔离和绝缘。STI隔离结构的形成首先在衬底表面形成衬垫氧化层(pad oxide)和氮化硅层，然后刻蚀氮硅、衬垫氧化层和衬底形成沟槽；接着在沟槽侧壁和底部形成衬垫氧化层，再利用化学气相淀积(CVD)在浅沟槽中填入绝缘介质，例如氧化硅，达到隔离的目的，可以减少电极间的漏电流，承受更大的击穿电压。在填入绝缘介质之后，利用化学机械研磨(CMP)的方法研磨上述填充的绝缘物质使沟槽表面平坦化。

然而，在器件特征尺寸进几十纳米及以下工艺节点后，隔离沟槽的深宽比 (Aspect Rate)通常增加。对于高深宽比的沟槽，在填充绝缘介质的制程中，隔离沟槽中容易形成空洞，导致导线之间的隔离效果较差，导线漏电流增加，击穿电压增加。

为了避免空洞的形成，现有技术中通常是在等离子反应室内交替进行淀积- 刻蚀-再淀积的工艺步骤对沟槽进行填充，然而，这种填充方法工艺步骤繁琐，两次沉积导致成本增加。因此，如果有效的减少隔离沟槽中的空洞，减少填充步骤，降低成本是本领域技术人员急需要解决的技术问题。

在背景技术中公开的上述信息仅用于加强对本实用新型的背景的理解，因此其可能包含没有形成为本领域普通技术人员所知晓的现有技术的信息。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请实施例希望提供一种，以至少解决现有技术中存在的问题。

本申请实施例的技术方案是这样实现的，根据本申请的一个实施例，提供了一种隔离沟槽的填充设备，包括：

旋涂单元，用于旋涂形成绝缘介质前驱物至晶圆表面，以填充所述晶圆的隔离沟槽；

烘烤加热单元，与所述旋涂单元连接，用于对旋涂后的所述晶圆进行烘烤；

退火冷却单元，与所述烘烤加热单元连接，用于对烘烤后的所述晶圆进行退火；

化学过滤器，至少与所述烘烤加热单元连接，用于去除所述烘烤加热单元中的杂质气体；

其中，所述旋涂单元、所述烘烤加热单元和所述退火冷却单元组建成于一介质旋转涂布装置中，所述化学过滤器包括臭氧去除装置，所述介质旋转涂布装置经由所述化学过滤器提供臭氧阻隔(O₃free)环境。

优选的，在上述隔离沟槽的填充设备中，所述介质旋转涂布装置还包括：

一预冷却单元，与所述旋涂单元连接，以对所述晶圆进行旋涂前预冷却。

优选的，在上述隔离沟槽的填充设备中，所述介质旋转涂布装置还包括用于传送所述晶圆的输送单元，位于所述臭氧阻隔环境中。

优选的，在上述隔离沟槽的填充设备中，所述输送单元顺次连接所述预冷却单元、所述旋涂单元、所述烘烤加热单元和所述退火冷却单元。

优选的，在上述隔离沟槽的填充设备中，所述化学过滤器还连接至所述旋涂单元和所述退火冷却单元其中之一。

本实用新型还提供了一种隔离沟槽的填充结构，包括：

表面刻蚀有隔离沟槽的晶圆；以及，

绝缘介质，填充所述隔离沟槽，所述绝缘介质以旋涂方式由形成于所述晶圆表面的绝缘介质前驱物经氧化反应而转变成；

其中，所述绝缘介质填满所述隔离沟槽且其内部无气泡产生，并且所述绝缘介质前驱物在所述隔离沟槽中的转换效率在90％以上。

优选的，在上述隔离沟槽的填充结构中，所述绝缘介质包含二氧化硅，残留在所述隔离沟槽中的所述绝缘介质前驱物包含聚硅氮烷。

优选的，在上述隔离沟槽的填充结构中，所述隔离沟槽的深宽比范围为 5～20，包括端点值。

优选的，在上述隔离沟槽的填充结构中，所述隔离沟槽界定所述晶圆的表面包含多个有源区。

优选的，在上述隔离沟槽的填充结构中，还包括介电内衬，形成于所述隔离沟槽内，用于连接所述绝缘介质。

优选的，在上述隔离沟槽的填充结构中，所述绝缘介质前驱物在所述隔离沟槽中的转换效率介于95％～99.9％之间。

本实用新型由于采用以上技术方案，其具有以下优点：本方案中，为了将绝缘介质前驱物中的溶剂蒸发，对隔离沟槽中填充了绝缘介质的晶圆进行烘烤退火，经过检测发现，在烘烤退火过程中，由于环境中的杂质臭氧主动与绝缘介质前驱物反应，加速了在隔离沟槽顶部形成绝缘介质，反而隔离沟槽底部的绝缘介质前驱物并未与氧气完全反应生成绝缘介质，因此，在隔离沟槽中形成了较多的空洞，因此，本方案通过在介质旋转涂布装置中安装化学过滤器，化学过滤器至少在烘烤退火的过程中将环境中的杂质臭氧过滤，有效减小甚至消除了隔离沟槽中的空洞，同时，相对现有技术，减少了填充次数，减少了工艺步骤，降低了成本。

上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本实用新型进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。

附图说明

在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本实用新型公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本实用新型范围的限制。

图1为本实用新型实施例提供的一种表面刻蚀有隔离沟槽的晶圆的侧视图。

图2为本实用新型实施例提供的一种表面刻蚀有隔离沟槽的晶圆的俯视图。

图3为本实用新型实施例提供的一种经过旋涂绝缘介质前驱物后晶圆的俯视图。

图4为本实用新型实施例提供的一种经过加热烘烤后晶圆的俯视图。

图5为本实用新型实施例提供的一种隔离沟槽的填充设备结构示意图。

图6为本实用新型实施例提供的一种旋涂单元内部结构示意图。

图7为本实用新型实施例提供的一种烘烤加热单元内部结构示意图。

图8为本实用新型实施例提供的一种隔离沟槽的填充结构示意图。

附图标号

01:旋涂单元 02:烘烤加热单元 03:退火冷却单元 04:输送单元

05:化学过滤器 06:预冷却单元 10:介质旋转涂布装置

11:硅衬底 12:隔离沟槽 13:介电内衬

14:绝缘介质前驱物 16:绝缘介质 17:有源区

21:旋涂机 22:旋涂单元进气口 23:旋涂单元出气口 24:滴液器

31:晶圆烘烤台 32:烘烤加热单元进气口 33:烘烤加热单元出气口

51:设备入气口 52:设备出气口

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、" 长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平 "、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之" 上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征" 之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面" 包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

在一种具体实施方式中，提供了一种隔离沟槽的填充设备，包括：

旋涂单元01，用于旋涂形成绝缘介质前驱物14至晶圆表面，以填充晶圆的隔离沟槽12；

烘烤加热单元02，与旋涂单元01连接，用于对旋涂后的晶圆进行烘烤；

退火冷却单元03，与烘烤加热单元02连接，用于对烘烤后的晶圆进行退火；

化学过滤器05，至少与烘烤加热单元02连接，用于去除烘烤加热单元02 中的杂质气体；

其中，旋涂单元01、烘烤加热单元02和退火冷却单元03组建成于一介质旋转涂布装置10中，化学过滤器05包括臭氧去除装置，介质旋转涂布装置10 经由化学过滤器05提供臭氧阻隔(O₃free)环境。

其中，如图6所示，旋涂单元01中设置有旋涂机21，旋涂机21的中央位置用来安装晶圆，在旋涂机21的正上方设置有用于将绝缘介质前驱物14垂直滴落在高速旋转的晶圆表面的滴液器24，直至绝缘介质前驱物14填满隔离沟槽12；

如图7所示，与旋涂单元01连接的烘烤加热单元02中，设置有晶圆烘烤台31，在晶圆烘烤台31中设置烘烤时间和烘烤温度，将晶圆放置于晶圆烘烤台31表面进行烘烤加热。

如图5所示，与烘烤加热单元02连接的退火冷却单元03，将烘烤加热后的晶圆冷却至适宜温度范围内，优选为20℃～25℃，包括端点值。使得绝缘介质前驱物14与氧气发生反应生成的绝缘介质16尽快凝结，使得隔离沟槽12 中的二氧化硅与晶圆更紧密的结合。需要说明的是，晶圆11冷却的温度包括但不限于上述范围，根据介质旋转涂布装置10的具体工作环境进行适应性的调整，均在保护范围内。

经过检测发现，在本实施方式中，氧气环境中主要是臭氧与绝缘介质前驱物14如聚硅氮烷溶液的反应更加积极，导致隔离沟槽12中空洞的产生，因此，化学过滤器05主要去除臭氧。其中，经过不断试验，得到了臭氧浓度范围在 0～10ppb(包括端点值)时，烘烤退火之后得到的晶圆中隔离沟槽12的空洞明显减少，臭氧浓度越小，空洞产生的概率越小。需要说明的是，臭氧浓度范围包括但不限于上述范围，根据设备情况是适应范围内进行调整，均在保护范围内。

除了过滤臭氧之外，还可以设置化学过滤器05过滤其它与绝缘介质前驱物14的积极反应的杂质气体，根据不同的绝缘介质，可能有不同的杂质气体主要对空洞产生影响，因此，化学过滤器05不仅仅用来去除臭氧，还可以去除其它杂质气体，根据实际情况进行调整。

化学过滤器05的设置位置有多种实施方式，列举几种具体的实施方式进行说明。

实施例一：如图5所示，隔离沟槽的填充设备只有一个设备入气口51以及一个设备出气口52，设备入气口51设置于旋涂单元01用来输入晶圆的一侧，用来通入氧气，设备出气口52设置于烘烤加热单元02用来输出晶圆的一侧，用来将反应后的气体排出，那么化学过滤器05可设置于设备入气口51处，用来过滤输送氧气中的臭氧等杂质气体，保证整个制备流程是在纯氧环境下进行，减少隔离沟槽12中空洞的产生。

实施例二：如图7所示，由于旋涂绝缘介质前驱物14之后要在氧气环境下进行烘烤加热，并进行冷却退火之后，绝缘介质前驱物14和氧气反应生成绝缘介质16二氧化硅，因此，可在烘烤加热单元02的用来输入旋涂后的晶圆的一侧开设烘烤加热单元进气口32，在用来输出烘烤加热后的晶圆的一侧开设烘烤加热单元出气口33，那么将化学过滤器05设置于烘烤加热单元进气口32处，用来过滤输送氧气中的臭氧等杂质气体，保证制备流程是在纯氧环境下进行，减少隔离沟槽12中空洞的产生。同时，在上述基础上还可以在冷却退火单元 03的进气口处设置化学过滤器05，进一步去除臭氧等杂质气体，减少隔离沟槽 12中空洞的产生。

实施例三：将化学过滤器05设置于烘烤加热单元02的基础上，在化学过滤器05还与旋涂单元01或者预冷却单元06连接。如图6所示，旋涂单元01 包括旋涂单元进气口22和旋涂单元出气口23，可在旋涂单元进气口21处设置化学过滤器05，保证氧气在输入烘烤加热单元02之前将臭氧等杂质气体去除，保证氧气在输入烘烤加热单元02之前将臭氧等杂质气体去除的同时，避免了后续冷却过程中，未反应完全的绝缘介质与臭氧等杂质气体反应，进而产生空洞。同理，也可在预冷却单元06的进气口处设置化学过滤器05，均在保护范围内。

结合隔离沟槽填充设备，对隔离沟槽填充方法进行说明：根据上述隔离沟槽的填充设备，提供一种隔离沟槽的填充方法：

步骤S1：提供一介质旋转涂布装置10。

步骤S2：装载一表面刻蚀有隔离沟槽12的晶圆于介质旋转涂布装置10中。

其中，如图1和图2所示，刻蚀硅衬底11，形成隔离沟槽12；在具有硅衬底11的晶圆上表面及所述隔离沟槽12内形成介电内衬13，其具体材质可为二氧化硅(SiO₂)、氮氧化硅(SiON)或上述的组合。需要说明的是，在晶圆表面刻蚀形成至少一个隔离沟槽12，隔离沟槽12的数量并不做具体限定，根据需求进行适应性调整。所述隔离沟槽12可用于界定并区隔所述硅衬底11的上表面为多个有源区17。

步骤S3：在介质旋转涂布装置10中，旋涂方式形成绝缘介质前驱物14于晶圆表面，以填充隔离沟槽。

其中，一般情况下，绝缘介质前驱物14包括聚硅氮烷溶液等，在整个填充过程中，均是在氧气环境下进行，如图4所示，在晶圆表面将绝缘介质前驱物 14滴在水平面快速旋转的晶圆表面，使得绝缘介质前驱物14均匀的填充隔离沟槽12，直至隔离沟槽12被绝缘介质前驱物14填满。具体的旋涂工艺请参考现有技术，在此不再赘述。

步骤S3：在介质旋转涂布装置中，对旋涂后的晶圆进行烘烤退火，以将绝缘介质前驱物14经氧化反应而转变成绝缘介质16，其中，在前述旋涂形成过程与前述烘烤退火过程中，介质旋转涂布装置10提供臭氧阻隔(O₃free)环境，使得绝缘介质16填满隔离沟槽12且其内部无气泡产生，并且绝缘介质前驱物 14在隔离沟槽12中的转换效率在90％以上。

其中，如图4所示，旋涂后的晶圆进行烘烤退火之后，绝缘介质前驱物14 被氧化，即隔离沟槽12中的聚硅氮烷与氧气反应生成与晶圆紧密结合的绝缘介质16，绝缘介质16可为二氧化硅，反应式如下：

然而，在氧气环境下，通常掺杂有杂质气体，例如臭氧，对晶圆进行烘烤退火时，杂质臭氧主动与绝缘介质前驱物14反应，加速了在隔离沟槽12顶部形成绝缘介质16如二氧化硅，导致隔离沟槽12底部的绝缘介质前驱物14并未与氧气完全反应生成绝缘介质16，在隔离沟槽12中形成空洞。因此，本实施方式中，介质旋转涂布装置10中将与绝缘介质前驱物14更容易反应的臭氧等杂质气体过滤之后，有效减小甚至消除了隔离沟槽12中的空洞，形成如图4 所示的结构，同时，相对现有技术，并不需要两次填充，减少了填充次数，减少了工艺步骤，降低了成本。

进一步的，在上述隔离沟槽的填充设备中，所述介质旋转涂布装置还包括：

一预冷却单元06，与旋涂单元01连接，以对晶圆进行旋涂前预冷却。

其中，如图5所示，预冷却单元06用来在旋涂绝缘介质前驱物14之前，将晶圆冷却至旋涂的适宜温度范围内，使得绝缘介质前驱物14能够更好的填充隔离沟槽12。

进一步的，在上述隔离沟槽的填充设备中，质旋转涂布装置10还包括用于传送晶圆的输送单元04，位于臭氧阻隔环境中。

其中，如图5所示，输送单元04可将晶圆输送至设备中，在各个设备之前完成输送晶圆，制备完成之后通过输送单元04将晶圆输送至设备之外。

进一步的，在上述隔离沟槽的填充设备中，输送单元04顺次连接预冷却单元03、旋涂单元01、烘烤加热单元02和退火冷却单元03。

其中，输送单元04可以在旋涂单元01与烘烤加热单元02之间，烘烤加热单元02与退火冷却单元03之间，以及预冷却单元06和旋涂单元01之间对晶圆进行输送。

进一步的，在上述隔离沟槽的填充设备中，化学过滤器05还连接至旋涂单元01和退火冷却单元03其中之一。

本发明还公开了一种隔离沟槽的填充结构，如图8所示，包括：

表面刻蚀有隔离沟槽12的晶圆；以及，

绝缘介质16，填充隔离沟槽12，绝缘介质16以旋涂方式由形成于晶圆表面的绝缘介质前驱物14经氧化反应而转变成；

其中，绝缘介质16填满所述隔离沟槽12且其内部无气泡产生，并且绝缘介质前驱物14在隔离沟槽12中的转换效率在90％以上。

进一步的，在上述隔离沟槽的填充结构中，绝缘介质16包含二氧化硅，残留在所述隔离沟槽12中的绝缘介质前驱物14包含聚硅氮烷。

聚硅氮烷是分子主链中以硅氮键为重复单元的无机聚合物，烘烤之后，聚硅氮烷与氧气反应，从Si-N键转换为Si-O键，生成二氧化硅，隔离沟槽12中的聚硅氮烷与氧气反应生成的绝缘介质16二氧化硅与晶圆紧密结合。需要说明的是，绝缘介质前驱物14包括但不限于聚硅氮烷溶液，还可以为其它种类的能够与氧气反应生成二氧化硅的物质，均在保护范围内。

进一步的，在上述隔离沟槽的填充结构中，隔离沟槽12的深宽比范围为 5～20，包括端点值。

其中，由于硅集成电路设计的多样性，对隔离沟槽12隔离的要求也会有诸多变化，主要表现在隔离沟槽12的深度上，隔离沟槽12的深度范围大约为 150nm～500nm，隔离沟槽12的深宽比包括但不限于范围5nm～20nm，侧壁的角度也是考虑之一，通常侧壁的角度范围为80°～90°，侧壁的形状也各不相同，均不做具体限定，根据设计需要，进行适应性调整，均在保护范围内。

进一步的，在上述隔离沟槽的填充结构中，隔离沟槽12界定晶圆的表面包含多个有源区17。

进一步的，在上述隔离沟槽的填充结构中，还包括介电内衬13，形成于隔离沟槽12内，用于连接绝缘介质16。

进一步的，在上述隔离沟槽的填充结构中，绝缘介质前驱物14在隔离沟槽 12中的转换效率介于95％～99.9％之间。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。