本发明涉及半导体器件的制造领域，尤其涉及浅沟槽隔离结构及其形成方法，图像传感器。
背景技术：
随着集成电路高密度的发展趋势，构成电路的器件更紧密地放置在芯片中以适应芯片的可用空间。相应地，半导体衬底单位面积上有源器件的密度不断增加，因此器件之间的有效绝缘隔离变得更加重要。
浅沟槽隔离(Shallow Trench Isolation，STI)技术具有良好的隔离效果(例如工艺隔离效果和电性隔离效果)，浅沟槽隔离技术还具有减少占用晶圆表面的面积、增加器件的集成度等优点。因此，随着集成电路尺寸的减小，器件有源区之间的隔离现主要采用浅沟槽隔离结构。
然而，当浅沟槽隔离结构用于隔离光敏二极管、光导电元件、光电管等受光元件时，现有技术形成的浅沟槽隔离结构会在受光元件中产生暗电流，影响半导体器件的性能。
技术实现要素：
本发明技术方案要解决的技术问题是现有的浅沟槽隔离结构用于隔离受光元件时会产生暗电流。
为解决上述技术问题，本发明技术方案提供一种浅沟槽隔离结构的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有研磨停止层；依次刻蚀所述研磨停止层和半导体衬底，在所述研磨停止层和半导体衬底内形成浅沟槽；在所述研磨停止层表面、浅沟槽侧壁及底部形成氧化层；在所述氧化层表面形成氟掺杂介质层；向所述浅沟槽内填充绝缘介质，所述绝缘介质填满所述浅沟槽且覆盖所述氟掺杂介质层；进行退火工艺；通过平坦化工艺去除所述研磨停止层上的绝缘介质、氟掺杂介质层和氧化层，形成浅沟槽隔离结构。
可选的，所述氧化层的材料为氧化硅。
可选的，形成所述氧化层包括：采用原位蒸汽氧化反应工艺在所述半导体衬底内的浅沟槽侧壁和底部形成第一氧化层；采用原子层沉积工艺在所述研磨停止层表面、浅沟槽侧壁及底部形成第二氧化层。
可选的，所述原位蒸汽氧化反应工艺的温度为950℃～1150℃。
可选的，所述第二氧化层的厚度为
可选的，所述氟掺杂介质层的材料为氟掺杂的氧化硅玻璃，采用化学气相沉积工艺形成。
可选的，形成所述氟掺杂介质层包括：通过化学气相沉积工艺在所述氧化层表面形成介质层；通过离子掺杂工艺在所述介质层中掺杂氟离子。
可选的，所述氟掺杂介质层的氟掺杂浓度为1％～10％。
可选的，所述退火处理的温度为950℃～1150℃，退火时间为20min～60min。
可选的，所述半导体衬底内形成有多个光电器件，所述浅沟槽隔离结构形成在所述光电器件之间。
可选的，在形成所述研磨停止层之前，还包括：在所述半导体衬底表面形成衬垫氧化层。
为解决上述技术问题，本发明技术方案还提供一种浅沟槽隔离结构，包括：浅沟槽，形成在半导体衬底内；氧化层，形成在所述浅沟槽侧壁及底部；氟掺杂介质层，形成在所述氧化层表面；绝缘介质，填满所述浅沟槽。
为解决上述技术问题，本发明技术方案还提供一种图像传感器，包括：半导体衬底，所述半导体衬底内形成有多个光电器件；浅沟槽，形成在所述半导体衬底内、且位于所述光电器件之间；氧化层，形成在所述浅沟槽侧壁及底部；氟掺杂介质层，形成在所述氧化层表面；绝缘介质，填满所述浅沟槽。
与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益效果：由于浅沟槽的侧壁及底部覆盖有氟掺杂介质层，氟离子在界面处主要以填隙式杂质存在，且具有较高的扩散性，经过后续的高温退火处理，氟离子与浅沟槽隔离结构界面的悬挂键结合，抑制表面悬挂键的表面态，减少表面态密度，从而降低了受光元件的暗电流，提高了半导体器件的性能。
附图说明
图1为一种CMOS图像传感器的结构示意图；
图2至图8为本发明实施例中浅沟槽隔离结构的形成方法各步骤对应的结构示意图。
具体实施方式
现有技术形成的浅沟槽隔离结构容易产生暗电流，结合一种CMOS图像传感器分析其原因，如图1所示，CMOS图像传感器包括：半导体衬底100，形成在半导体衬底100上的层间介质层(ILD)101和传输晶体管栅极(TX)102，在半导体衬底100内形成有光电二极管(PD)103、浅沟槽隔离结构(STI)300、绝缘区(ISO)104和浮动扩散区(FD)105。
半导体衬底100的材料可以例如为硅(Si)，浅沟槽隔离结构300的填充材料可以例如为氧化硅(SiO2)，浅沟槽隔离结构300用于隔离相邻像素区(Pixel)，但此结构的界面(如Si-SiO2界面)存在悬挂键，这种悬挂键会导致在没有光照射的状态下，在光电二极管中形成流动的电流，即暗电流，由此影响图像传感器的性能。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种浅沟槽隔离结构的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有研磨停止层；依次刻蚀所述研磨停止层和半导体衬底，在所述研磨停止层和半导体衬底内形成浅沟槽；在所述研磨停止层表面、浅沟槽侧壁及底部形成氧化层；在所述氧化层表面形成氟掺杂介质层；向所述浅沟槽内填充绝缘介质，所述绝缘介质填满所述浅沟槽且覆盖所述氟掺杂介质层；进行退火工艺；通过平坦化工艺去除所述研磨停止层上的绝缘介质、氟掺杂介质层和氧化层，形成浅沟槽隔离结构。
本发明实施例通过形成氟掺杂介质薄膜改善浅沟槽隔离结构的界面态以达到减小暗电流的目的。下面结合附图对各步骤进行详细说明。
参考图2，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200上形成有研磨停止层202。
所述半导体衬底200的材料为硅、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟，所述半导体衬底200还可以为绝缘体上的硅衬底或者绝缘体上的锗衬底。本实施例中，所述衬底200为硅衬底。
所述研磨停止层202作为后续研磨绝缘材料的研磨停止位置。本实施例中，所述研磨停止层202的材料为氮化硅(SiN)，形成所述研磨停止层202的工艺为化学气相沉积(CVD)工艺。
需要说明的是，在所述半导体衬底200上形成研磨停止层202之前，提供所述半导体衬底200的步骤还包括：在所述半导体衬底200表面形成衬垫氧化层201。
由于所述研磨停止层202的应力较大，在所述半导体衬底200上形成所述研磨停止层202时，容易在所述半导体衬底200表面造成位错，所述衬垫氧化层201用于为形成所述研磨停止层202时提供缓冲，避免直接在所述半导体衬底200上形成所述研磨停止层202时产生位错的问题；此外，所述衬垫氧化层201还可以作为后续去除所述研磨停止层202步骤中的停止层。
本实施例中，所述衬垫氧化层201的材料为氧化硅，形成所述衬垫氧化层201的工艺可以为热氧化工艺。
参考图3，依次刻蚀所述研磨停止层202和半导体衬底200，在所述研磨停止层202和半导体衬底200内形成浅沟槽500。
具体地，在所述半导体衬底200上形成研磨停止层202之前，还包括：在所述半导体衬底200表面形成衬垫氧化层201，形成所述浅沟槽500的步骤包括：在所述研磨停止层202表面形成图形层，所述图形层内定义有浅沟槽图形；以所述图形层为掩膜，沿所述浅沟槽图形依次刻蚀所述研磨停止层202、衬垫氧化层201和半导体衬底200，在所述研磨停止层202、衬垫氧化层201和半导体衬底200内形成浅沟槽500；去除所述图形层。
本实施例中，刻蚀所述研磨停止层202、衬垫氧化层201和半导体衬底200的工艺为等离子体干法刻蚀工艺；所述浅沟槽500在所述半导体衬底200内的深度H(即所述浅沟槽500的底部至所述半导体衬底200顶面的距离)可以为
本实施例中，所述图形层的材料为光刻胶，形成所述浅沟槽500后，采用湿法去胶或灰化工艺去除所述第一图形层。
参考图4和图5，在所述研磨停止层202表面、浅沟槽500侧壁及底部形成氧化层203。
所述氧化层203为线性氧化层(liner oxide)，其作用是优化浅沟槽隔离结构形貌(STI profile)，且氧化层203膜质致密，由此起到隔离和保护作用。本实施例中，所述氧化层203的材料为氧化硅，可以采用原位蒸汽氧化反应(In-situ steam generation，ISSG)工艺和原子层沉积工艺(Atomic LayerDeposition，ALD)形成所述氧化层203，具体可以包括：采用ISSG工艺在所述半导体衬底200内的浅沟槽500侧壁和底部形成第一氧化层203a，如图4所示；采用ALD工艺在所述研磨停止层表面202、浅沟槽500侧壁及底部形成第二氧化层203b，如图5所示。需要说明的是，在半导体衬底200内的浅沟槽500侧壁及底部的氧化层203的厚度相当于第一氧化层203a和第二氧化层203b的厚度之和。所述原位蒸汽氧化反应工艺的温度可以为950℃～1150℃。所述第二氧化层203b的厚度可以为
参考图6，在所述氧化层203表面形成氟掺杂介质层204。
由于氟(F)离子较小，在界面处主要以填隙式杂质存在，且具有较高扩散系数的特点，经过后续的高温退火处理，使F离子进入Si和SiO2的表面，与界面的悬挂键结合，抑制表面悬挂键的表面态，减少表面态密度，从而降低半导体器件如CMOS图像传感器的暗电流。
所述氟掺杂介质层204的氟掺杂浓度为1％～10％，所述氟掺杂介质层204的厚度可以比氧化层203厚一点，也可以比氧化层203薄一点，一般可以为本实施例中，所述氟掺杂介质层204的材料为氟掺杂氧化硅玻璃(FSG)，形成FSG层的工艺可以为常规的CVD工艺，例如，常压化学气相沉积(APCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、超高真空化学气相沉积(UHVCVD)等。
在其他实施例中，在所述氧化层203表面形成氟掺杂介质层204也可以通过下述步骤实现：通过化学气相沉积工艺在所述氧化层203表面形成介质层；通过离子掺杂工艺在所述介质层中掺杂氟离子。所述介质层的材料可以是氧化硅等。
参考图7，向所述浅沟槽500内填充绝缘介质600，所述绝缘介质600填满所述浅沟槽500且覆盖所述氟掺杂介质层204。
所述绝缘介质600的材料可以为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等。本实施例中，所述绝缘介质600的材料为氧化硅。
填充所述绝缘介质600的工艺可以为高纵宽比(HARP)沉积工艺、亚常压化学气相沉积(SACVD)工艺等。
在向所述浅沟槽500内填充绝缘介质600后，进行退火工艺。所述退火工艺的温度可以为950℃～1150℃，退火时间可以为20分钟(min)～60min。通过高温退火，F离子进入Si和SiO2的表面，与界面的悬挂键结合，抑制表面悬挂键的表面态，减少表面态密度，从而降低半导体器件的暗电流。
参考图8，退火工艺后，通过平坦化工艺去除研磨停止层202上的绝缘介质、氟掺杂介质层和氧化层，形成浅沟槽隔离结构。本实施例中，所述平坦化工艺为化学机械研磨(CMP)工艺。
浅沟槽隔离结构在相邻器件之间起到隔离作用，以CMOS图像传感器为例，浅沟槽隔离结构用于隔离相邻的像素区域，所述半导体衬底200内还形成有多个光电器件，例如光电二极管(未图示)，所述浅沟槽隔离结构形成在所述光电器件之间，用于隔离相邻的光电器件。
本实施例的浅沟槽隔离结构的形成方法还包括：去除所述研磨停止层202。可以采用湿法刻蚀工艺去除所述研磨停止层202。所述湿法刻蚀工艺所采用的溶液可以为磷酸溶液。
基于上述的浅沟槽隔离结构的形成方法，本发明实施例的浅沟槽隔离结构如图8所示，包括：浅沟槽500，形成在半导体衬底200内；氧化层203，形成在所述浅沟槽500侧壁及底部；氟掺杂介质层204，形成在所述氧化层203表面；绝缘介质600，填满所述浅沟槽500。
上述浅沟槽隔离结构应用于图像传感器中，可以降低图像传感器的暗电流，本发明实施例的图像传感器包括：半导体衬底，所述半导体衬底内形成有多个光电器件；浅沟槽，形成在所述半导体衬底内、且位于所述光电器件之间；氧化层，形成在所述浅沟槽侧壁及底部；氟掺杂介质层，形成在所述氧化层表面；绝缘介质，填满所述浅沟槽。
由于浅沟槽的侧壁及底部覆盖有氟掺杂介质层，氟离子在界面处主要以填隙式杂质存在，且具有较高的扩散性，经过后续的高温退火处理，氟离子与浅沟槽隔离结构界面的悬挂键结合，抑制表面悬挂键的表面态，减少表面态密度，从而降低了图像传感器的暗电流。
本发明虽然已以较佳实施方式公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。