專利名稱：用于溝槽隔離的本征吸雜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體集成電路的制作工藝方法，特別是涉及一種在 半導(dǎo)體集成電路制作工藝過程中，用于溝槽隔離的本征吸雜的方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體集成電路特征尺寸的進一步縮小，溝槽隔離(Trench Isolation, TI)工藝被普遍采用。常規(guī)的STI (淺溝槽隔離)集成工藝 包括，首先在硅片上刻蝕定義出一個溝槽；然后用化學(xué)藥液清洗去除刻蝕 副產(chǎn)物、顆粒和溝槽表面的不希望存在的微量元素，進入高溫爐管生長一 層氧化層以消除刻蝕帶來的硅襯底的損傷;接著用高密度等離子化學(xué)氣相 沉積(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition, HDPCVD)的 方法在溝槽內(nèi)部填充氧化物(同時硅片表面也覆蓋了氧化物，如圖4c); 然后在高溫下對填充氧化層進行致密化；最后用化學(xué)機械拋光(Chemical Mechanical Polish, CMP)去除高出氮化硅表面的氧化物(CMP磨到氮化 硅，參見圖4d)以平坦化。隨后再進入后續(xù)的集成電路加工工藝。圖1 表示出了這種常規(guī)的溝槽隔離工藝控制流程。
但是現(xiàn)在這種常規(guī)的溝槽隔離工藝遇到了瓶頸一漏電，漏電來源于原 始硅片制作和集成電路加工過程中引入的缺陷，主要有兩個方面
第一，原始硅片的制作過程中產(chǎn)生的原生缺陷。原始硅片制作一般采 用直拉法(以下簡稱CZ法)在石英坩鍋中完成，過程中不斷有氧氣氛滲入硅內(nèi)，同時硅單晶的冷卻一般都大于熱平衡速度，導(dǎo)致最終的硅片中存 在超過合理濃度的氧雜質(zhì)和體缺陷。氧與空位作用產(chǎn)生氧沉淀(0
precipitates,參見圖3a中B所指示的位置)；由于氧化層體積膨脹會引 入間隙，所以導(dǎo)致產(chǎn)生位錯(dislocation)和層錯(Stack Fault, SF， 參見圖3a中A所指示的位置)，但同時氧沉淀又可以吸附金屬雜質(zhì)；其他 空位達到一定濃度會聚集形成硅片體內(nèi)和表面空洞(如原生缺陷 —Crystal-Originated-Particle, C0P，參見圖3a中C禾口 D所指示的位 置；塊狀缺陷一Micro-Bulk-Defect, BMD)等等。這些氧沉淀、位錯、層 錯以及空洞缺陷在隨后的集成電路加工工藝中繼續(xù)發(fā)展，如果擴散到電路 工作區(qū)域，就是一個重要的漏電來源。另一方面由于一些加工工藝(如溝 槽隔離工藝)導(dǎo)致表面形貌變化， 一些原來位于體內(nèi)的缺陷逐漸顯露到硅 片表面(參見圖3a至圖3b)，這又是一個漏電的來源。
第二，在后續(xù)集成電路加工過程中，由不恰當(dāng)?shù)闹圃旃に囈氲奈挥?硅片(即硅襯底)和硅片與氧化層界面的缺陷，主要的缺陷有氧化誘生堆 垛層錯(Oxide Induced Stack Fault,以下簡稱層錯)和位錯。如圖2 所示的位于F、 G和H的位置的位錯和層錯會造成很大的漏電。其中位置 F為N型摻雜區(qū)與P型硅襯底的PN結(jié)界面，G和H均為溝槽的下部轉(zhuǎn)角氧 化硅與硅片的界面，H貫穿了整個下角。
產(chǎn)生這些缺陷的主要原因之一是STI工藝。參見圖4所示，其中，圖 4a為原始硅片經(jīng)過反應(yīng)離子刻蝕形成溝槽，圖中M和N位置為內(nèi)外轉(zhuǎn)角， 此處是應(yīng)力集中的部位，也是將來產(chǎn)生大量位錯和層錯的主要部位。同時， 由于溝槽表面長時間暴露在等離子體下，表面有很淺的一個等離子體損傷層，等離子體產(chǎn)生的遠紫外光輻照穿透硅片表面，在硅片內(nèi)部產(chǎn)生一些輻 照缺陷--空位和間隙對。為了消除表面的等離子體損傷和內(nèi)部的空位缺 陷，如圖4b所示引入了高溫爐管氧化，通過這個過程，損傷轉(zhuǎn)變成一層
非晶的氧化層，同時氧化過程中氧化層體積大約膨脹2.25倍，向硅襯底 注入大量間隙；接著用HDPCVD的方法填充氧化物，并且高溫下致密化。 由于硅的熱膨脹系數(shù)大約比二氧化硅大十倍，所以當(dāng)高溫冷卻下來時，硅 襯底收縮量遠遠大于氧化物，導(dǎo)致圖4c中位置P為張應(yīng)力，Q為壓應(yīng)力。 張應(yīng)力會聚集大量空位，也就是說，在圖4c中位置Q處的空位濃度高于 其他地方。在某些嚴重的情況下，應(yīng)力最為集中的地方，如轉(zhuǎn)角處(參見 圖4a中位置P處)位錯和層錯就產(chǎn)生了 。圖5為實際中觀察到的缺陷(位 錯)。
但是，大量研究已經(jīng)證明，如果僅僅是這些缺陷還不容易產(chǎn)生大的漏 電，只有當(dāng)這些缺陷處聚集了大量的金屬雜質(zhì)分布之后才會產(chǎn)生顯著的漏 電。所以，為了降低漏電，除了降低缺陷密度，還要減少金屬雜質(zhì)在這些 地方的聚集，這就要用到本征內(nèi)吸雜工藝。
原始硅片廠商常用高_低-高的方法對硅片進行吸雜處理，常用的是 120CTC/2小時+80(TC/4小時+100(TC/16小時，第一步使氧充分溶解， 當(dāng)冷卻下求時，后兩步將使過飽和的間隙氧緩慢析出，最后形成氧沉淀， 氧沉淀可以吸附金屬雜質(zhì)，發(fā)揮本征吸雜作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種用于溝槽隔離的本征吸雜的方 法，降低經(jīng)歷溝槽隔離工藝后的硅片的缺陷密度，同時兼容現(xiàn)有的半導(dǎo)體集成電路工藝方法，操作簡便。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的用于溝槽隔離的本征吸雜的方法包括 如下步驟首先在硅片上用化學(xué)反應(yīng)離子刻蝕方法定義出溝槽；然后用 化學(xué)藥液進行清洗，在所述溝槽內(nèi)生長襯墊氧化層；在氮氣、氬氣或者氨 氣或者是它們的混合氣體下快速熱退火，并快速冷卻，接著在所述氧化層 上再緩慢生長一層第二氧化層;采用高密度等離子化學(xué)氣相沉積的方法在 所述溝槽內(nèi)填充氧化物；對所填充的氧化物在高溫下致密化；最后采用化 學(xué)機械拋光去除高出硅片表面的氧化物實現(xiàn)平坦化。
采用本發(fā)明的方法之后，可以繼續(xù)實施后續(xù)的集成電路加工工藝， 直至完成半導(dǎo)體集成電路的加工。這樣，最終沿著垂直硅片的方向，形 成從溝槽內(nèi)表面到體內(nèi)逐漸上升的空位濃度分布，在溝槽下面的區(qū)域形成 氧沉淀區(qū)，氧沉淀可以吸附金屬雜質(zhì)，發(fā)揮本征吸雜作用；同時溝槽內(nèi)表 面形成一層潔凈區(qū)，氧含量降低一個數(shù)量級，使表面無法形成氧沉淀，降 低了表面的金屬雜質(zhì)的濃度。
采用本發(fā)明的方法會使由于原生缺陷和氧化誘生產(chǎn)生的缺陷密度大 大降低，從而最終減少電路漏電，提高了氧化物的質(zhì)量，改善了可靠性。 與現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明簡單易行，缺陷密度低，氧化物質(zhì)量高，而 且兼容現(xiàn)有工藝和設(shè)備，有很高的實用價值。


下面結(jié)合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明 圖1是現(xiàn)有的溝槽隔離工藝方法流程圖(一)；
圖2是采用圖1所示的溝槽隔離工藝方法后產(chǎn)生的缺陷位置示意圖;圖3是原生缺陷以及在后續(xù)工藝中的變化示意圖； 圖4是現(xiàn)有的溝槽隔離工藝流程截面示意圖5是采用圖4所示的工藝流程后實際觀察到的缺陷(位錯)示意圖； 圖6是溝槽內(nèi)空位濃度的理想分布及最終硅片缺陷分布示意圖； 圖7是本發(fā)明的用于溝槽隔離的本征吸雜的方法工藝流程示意圖。
具體實施例方式
由于漏電限制了電路密度的提高，而且現(xiàn)有的溝槽隔離工藝方法所產(chǎn) 生的缺陷越來越變得不可接受，所以必須有新的工藝方法迸一步降低漏 電。漏電主要來源于半導(dǎo)體集成電路制造工藝中產(chǎn)生的硅襯底的缺陷，降 低硅襯底的缺陷是降低漏電主要應(yīng)解決的問題。
氧沉淀是一種有效的本征吸雜工藝，由于氧具有高的電負性使它在與 硅爭奪金屬雜質(zhì)的過程中占了上風(fēng)，如果氧沉淀位于有源區(qū)之外，金屬雜 質(zhì)就也被氧固定以沉淀的方式固定下來，不會對電路的漏電產(chǎn)生災(zāi)難性的 影響，同時提高了氧化層的質(zhì)量，提高了可靠性。
所以如果能夠在遠離有源區(qū)的地方形成氧沉淀而在表面電路工作區(qū) 域降低氧濃度將可以大大降低漏電，提高氧化物質(zhì)量，改善可靠性。大量 的研究表明，氧沉淀與空位濃度成正比，空位濃度越高，氧沉淀越容易發(fā) 生。因此，如果可以形成一個如圖6a所示的從溝槽內(nèi)表面到硅片體內(nèi)一 樣的空位濃度分布，那么得到的最終缺陷在硅片內(nèi)的分布將如圖6b所示， 氧沉淀和COP都集中在遠離有源區(qū)的某個區(qū)域，固定金屬雜質(zhì)，發(fā)揮了本 征吸雜的作用。
快速熱處理是現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于集成電路的加工方法，與傳統(tǒng)的高溫爐管相比，它可以快速地升降溫，可以總體降低熱預(yù)算。對于缺陷而言，快 速熱處理的一個最大特點就是突破熱力學(xué)地限制，使空位與間隙的擴散速 度不同，從而可以根據(jù)要達到的目的來調(diào)整應(yīng)用。具體而言，在快速熱退 火中，間隙速度大于空位，所以經(jīng)過熱退火之后的硅片空位濃度從硅片表
面到體內(nèi)的分布正好是接近于圖6a的曲線，這正是所需要的。
此外，在退火之前，如果在溝槽內(nèi)表面有一層薄的氧化層，應(yīng)該有更
好的效果，因為氧化層體積膨脹，會向硅襯底注入大量間隙，換而言之，
氧化層將是空位的匯，通過高溫退火，如圖4c中位置D處溝槽內(nèi)表面的
空位濃度將大大降低。
參見圖7所示，本發(fā)明的的用于溝槽隔離的本征吸雜的方法包括如
下步驟
在硅片上通過光刻確定圖形(該圖形可以為任何符合需要的圖形)。
在硅片上用化學(xué)反應(yīng)離子刻蝕方法定義出溝槽。
然后用化學(xué)藥液進行清洗，進入爐管在所述溝槽內(nèi)(溝槽內(nèi)部表面， 包括底部和側(cè)壁)生長襯墊氧化層；所述襯墊氧化層為熱氧化層，生長 溫度大于70(TC，厚度大于2納米，小于10納米。
在氮氣、氬氣或者氨氣或者是它們的混合氣體下對硅片快速熱退火， 并快速冷卻，接著在所述襯墊氧化層上再緩慢生長一層第二氧化層；所 述快速熱退火的退火溫度大于105CTC;所述快速冷卻的降溫速度大于50 。C/每秒。所述的第二氧化層采用爐管生長，溫度小于90(TC。
釆用高密度等離子化學(xué)氣相沉積的方法在所述溝槽內(nèi)填充氧化物。
對所填充的氧化物進行高溫致密化；所述的高溫致密化采用爐管退火，溫度大于90(TC。
最后采用化學(xué)機械拋光去除高出硅片表面的氧化物實現(xiàn)平坦化。隨后 再進入后續(xù)的集成電路加工工藝。
本發(fā)明將經(jīng)過溝槽刻蝕的硅片，先生長氧化層，然后用快速熱退火， 利用了快速熱處理工藝的特點，即間隙的擴散速度大于空位，使硅片體內(nèi) 的間隙快速外擴散到溝槽內(nèi)表面，從而使熱退火之后的硅片空位濃度從硅 片表面到體內(nèi)呈現(xiàn)逐漸增加的分布。同時襯墊氧化層，在后續(xù)的熱過程中， 作為空位的匯，湮滅了如圖4c中位置D處溝槽內(nèi)由于張應(yīng)力產(chǎn)生的大量 空位，從而使表面空位濃度大大降低。之后再以低于90(TC的溫度，采用 爐管生長第二氧化層，可以向襯底注入更多的間隙，進一步降低表面的空 位濃度。
經(jīng)過這三步處理的硅片，沿著垂直硅片的方向，形成從溝槽內(nèi)表面到 硅片體內(nèi)逐漸Jl升的空位濃度分布(如圖6a)，表面形成一個潔凈區(qū)，氧 含量降低一個數(shù)量級，使原生缺陷和氧化誘生的缺陷密度大大降低。
此外在生長第二氧化層時，間隙氧在高濃度的地方，即距離溝槽內(nèi)表 面下面的體內(nèi)某處開始形核；在接著的高溫致密化時，高溫使氧沉淀的核 可以析出，最終使氧沉淀在遠離溝槽內(nèi)表面和有源區(qū)的體內(nèi)大量形成，降 低了表面的金屬雜質(zhì)的濃度，本征吸雜發(fā)揮作用(如圖6b示意)。
同時，溝槽內(nèi)表面由于氧濃度和空位低，無法形成氧沉淀，使原生 缺陷和氧化誘生的缺陷密度大大降低。
最終形成的集成電路因溝槽工藝弓1入的漏電將大大減少，而且由于表 面空位濃度降低，氧化物中的陷阱減少，氧化物的質(zhì)量得到提高，改善了器件的可靠性(
權(quán)利要求
1、一種用于溝槽隔離的本征吸雜的方法，包括如下步驟首先在硅片上用化學(xué)反應(yīng)離子刻蝕方法定義出溝槽；然后用化學(xué)藥液進行清洗，其特征在于，在所述溝槽內(nèi)生長襯墊氧化層；在氮氣、氬氣或者氨氣或者是它們的混合氣體下快速熱退火，并快速冷卻，接著在所述氧化層上再緩慢生長一層第二氧化層；采用高密度等離子化學(xué)氣相沉積的方法在所述溝槽內(nèi)填充氧化物；對所填充的氧化物在高溫下致密化；最后采用化學(xué)機械拋光去除高出硅片表面的氧化物實現(xiàn)平坦化。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于溝槽隔離的本征吸雜的方法，其特征 在于，所示襯墊氧化層為熱氧化層，生長溫度大于70(TC，厚度大于2納 米，小于10納米。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于溝槽隔離的本征吸雜的方法，其特征 在于，所述快速熱退火的退火溫度大于1050°C，所述快速冷卻的降溫溫 度速度大于5(TC/每秒。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于溝槽隔離的本征吸雜的方法，其特征 在于，所述第二氧化層采用爐管生長，溫度小于90(TC。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于溝槽隔離的本征吸雜的方法，其特征 在于，所述高溫致密化采用爐管退火，溫度大于90(TC。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于溝槽隔離的本征吸雜的方法，在硅片上定義出溝槽；然后用化學(xué)藥液進行清洗，在所述溝槽內(nèi)生長襯墊氧化層；在氮氣、氬氣或者氨氣或者是它們的混合氣體下快速熱退火，并快速冷卻，接著在所述氧化層上再緩慢生長一層第二氧化層；采用高密度等離子化學(xué)氣相沉積的方法在所述溝槽內(nèi)填充氧化物；對所填充的氧化物在高溫下致密化；最后去除高出硅片表面的氧化物實現(xiàn)平坦化。本發(fā)明能夠降低經(jīng)歷溝槽隔離工藝后的硅片的缺陷密度，同時兼容現(xiàn)有的半導(dǎo)體集成電路工藝方法，操作簡便。
文檔編號H01L21/762GK101447447SQ20071009428
公開日2009年6月3日 申請日期2007年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月27日
發(fā)明者儉 陳 申請人:上海華虹Nec電子有限公司