一種提高淺溝槽隔離介電質(zhì)薄膜填充能力的方法
【專利摘要】一種提高淺溝槽隔離介電質(zhì)薄膜填充能力的方法，包括：接收預(yù)沉積薄膜硅片；在硅片中刻蝕出淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)并進(jìn)行預(yù)處理；預(yù)填充襯底以形成預(yù)填充層；在預(yù)填充襯底后利用流動式化學(xué)氣相沉積法部分填充淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)以形成淺溝槽隔離氧化物薄膜；沉積覆蓋經(jīng)過流動式化學(xué)氣相沉積法部分填充之后淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的上層薄膜；執(zhí)行高溫退火處理以提高淺溝槽隔離氧化物薄膜和上層薄膜的抗?jié)穹涛g性能和致密性。本發(fā)明成功的解決了流動式化學(xué)氣相沉積法在淺溝槽隔離中應(yīng)用遇到的主要的技術(shù)問題，將流動式化學(xué)氣相沉積法和高密度等離子化學(xué)氣相沉積法或高深寬比工藝整合在一起，增加了淺溝槽隔離薄膜無空洞和無縫隙填充的工藝窗口。
【專利說明】一種提高淺溝槽隔離介電質(zhì)薄膜填充能力的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，具體涉及半導(dǎo)體制造中淺溝槽隔離介電質(zhì)薄膜填充能力提高的整合流程，更具體地說，本發(fā)明涉及一種提高淺溝槽隔離介電質(zhì)薄膜填充能力的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]淺溝槽隔離(ShallowTrench Isolation, STI)技術(shù)是集成電路制造中普遍采用一種隔離方法，用于氧化硅填充淺溝槽來隔離不同的半導(dǎo)體器件，避免產(chǎn)生漏電流及短路現(xiàn)象。隨著芯片制造技術(shù)向尺寸更小的新工藝技術(shù)節(jié)點邁進(jìn)，淺溝槽的寬度不斷減小，但淺溝槽的高度不能成比例的降低，導(dǎo)致淺溝槽的深寬比隨著新工藝技術(shù)節(jié)點增加。淺溝槽深寬比的增加使得淺溝槽介電質(zhì)薄膜填充(gap fill)容易產(chǎn)生空洞(void)或縫隙(seam)。淺溝槽介電質(zhì)薄膜中的空洞或縫隙會直接導(dǎo)致器件性能下降甚至失效。
[0003]目前主要有兩種化學(xué)沉積法用于半導(dǎo)體制造中淺溝槽隔離介電質(zhì)薄膜制備:一種是用高密度等離子(High Density Plasma, HDP)化學(xué)氣相沉積，但此方法只能對深寬比小于6:1的淺溝槽填充做到不造成空洞或縫隙；另一種方法是高深寬比工藝(High AspectRatio Process,HARP)可以做到最高10:1的深寬比填充，但淺溝槽需要做成V型結(jié)構(gòu)，而且溝槽側(cè)墻角度最好小過87°，這種V型結(jié)構(gòu)要求在20納米及以下技術(shù)節(jié)點鰭式場效應(yīng)晶體管(FinField-Effect Transistor，F(xiàn)inFET)中將難以實現(xiàn)，高深寬比工藝的另一個缺陷是會在填充后的現(xiàn)場水汽生成退火(In-Situ Steam Generation, ISSG)過程中氧化有源區(qū)娃元素造成有源區(qū)尺寸的縮小。
[0004]為了避免介電質(zhì)薄膜中空洞或縫隙的形成，一種新的制備方法是流動式化學(xué)氣相沉積(Flowable CVD, FCVD)，介電質(zhì)材料可以在液體形態(tài)下自由流動到需要填充的各種形狀的結(jié)構(gòu)中，填充形式為自底向上，而且填充結(jié)構(gòu)中不會產(chǎn)生空洞或縫隙，填充的深寬比甚至可以做到30:1。盡管流動式化學(xué)氣相沉積法具有優(yōu)越的填充能力，利用流動式化學(xué)氣相法在沉積淺溝槽隔離氧化物薄膜(Flowable Oxide,F0X)時遇到兩個主要的技術(shù)問題:一是相比高密度等離子工藝和高深寬比工藝，利用流動式化學(xué)氣相沉積法制備的薄膜濕法刻蝕速度太快，不利于在填充后的濕法刻蝕處理中控制薄膜厚度，雖然現(xiàn)場水汽生成退火工藝可以提高薄膜的抗刻蝕性能，退火工藝同樣也會產(chǎn)生有源區(qū)硅氧化造成有源區(qū)尺寸縮小的問題；第二個問題是流動式化學(xué)氣相沉積制備的薄膜在后續(xù)的退火工藝中會有薄膜收縮現(xiàn)象，大塊的寬溝槽收縮量多過小塊的窄溝槽，這就造成了寬溝槽和窄溝槽間的細(xì)長有源區(qū)結(jié)構(gòu)向大塊溝槽方向彎曲變形(如圖1所示)，彎曲程度隨著退火工藝的溫度增加而變得越嚴(yán)重。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在上述缺陷，提供一種全新的工藝流程將流動式化學(xué)氣相沉積，現(xiàn)場水汽生成退火和高密度等離子化學(xué)氣相沉積，高深寬比工藝整合在一起，為20納米及以下技術(shù)節(jié)點淺溝槽隔離提供無空洞(void-free)和無縫隙(seam-free)的解決方案。
[0006]為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，根據(jù)本發(fā)明，提供了 一種提高淺溝槽隔離介電質(zhì)薄膜填充能力的方法，其包括:
[0007]第一步驟:接收預(yù)沉積薄膜硅片；
[0008]第二步驟:在硅片中刻蝕出淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)并進(jìn)行預(yù)處理；
[0009]第三步驟:預(yù)填充襯底以形成預(yù)填充層；
[0010]第四步驟:在預(yù)填充襯底后利用流動式化學(xué)氣相沉積法部分填充淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)以形成淺溝槽隔離氧化物薄膜；
[0011]第五步驟:沉積覆蓋經(jīng)過流動式化學(xué)氣相沉積法部分填充之后淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的上層薄膜；
[0012]第六步驟:執(zhí)行高溫退火處理以提高淺溝槽隔離氧化物薄膜和上層薄膜的抗?jié)穹涛g性能和致密性。
[0013]優(yōu)選地，所述提高淺溝槽隔離介電質(zhì)薄膜填充能力的方法還包括:
[0014]第七步驟:對化學(xué)機(jī)械研磨法對薄膜進(jìn)行平坦化處理；
[0015]第八步驟:執(zhí)行濕法化學(xué)處理。
[0016]優(yōu)選地，所述第四步驟、所述第五步驟和所述第六步驟被多次依次循環(huán)執(zhí)行。
[0017]優(yōu)選地，預(yù)填充層的厚度在2nm以上。
[0018]優(yōu)選地，高溫退火處理為現(xiàn)場水汽生成退火處理或干法快速熱退火處理。
[0019]優(yōu)選地，在第三步驟中利用化學(xué)氣相沉積法或高深寬比工藝預(yù)填充襯底以形成預(yù)填充層。
[0020]優(yōu)選地，在第五步驟中利用化學(xué)氣相沉積法或高深寬比工藝沉積覆蓋經(jīng)過流動式化學(xué)氣相沉積法部分填充之后淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的上層薄膜。
[0021]本發(fā)明成功的解決了流動式化學(xué)氣相沉積法在淺溝槽隔離中應(yīng)用遇到的主要的技術(shù)問題，將流動式化學(xué)氣相沉積法和高密度等離子化學(xué)氣相沉積法或高深寬比工藝整合在一起，增加了淺溝槽隔離薄膜無空洞和無縫隙填充的工藝窗口。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]結(jié)合附圖，并通過參考下面的詳細(xì)描述，將會更容易地對本發(fā)明有更完整的理解并且更容易地理解其伴隨的優(yōu)點和特征，其中:
[0023]圖1示意性地示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的流動式化學(xué)氣相法的細(xì)長有源區(qū)結(jié)構(gòu)向大塊溝槽方向彎曲變形。
[0024]圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的提高淺溝槽隔離介電質(zhì)薄膜填充能力的方法的流程圖。
[0025]圖3至圖6示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的提高淺溝槽隔離介電質(zhì)薄膜填充能力的方法的各個步驟的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]需要說明的是，附圖用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。注意，表示結(jié)構(gòu)的附圖可能并非按比例繪制。并且，附圖中，相同或者類似的元件標(biāo)有相同或者類似的標(biāo)號。【具體實施方式】
[0027]為了使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚和易懂，下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明的內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0028]圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的提高淺溝槽隔離介電質(zhì)薄膜填充能力的方法的流程圖。所示流程利用流動式化學(xué)氣相沉積法優(yōu)越性和現(xiàn)有的化學(xué)氣相沉積法相結(jié)合實現(xiàn)淺溝槽隔離薄膜的無空洞和無縫隙填充。
[0029]具體地，如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的提高淺溝槽隔離介電質(zhì)薄膜填充能力的方法包括:
[0030]第一步驟S1:接收預(yù)沉積薄膜硅片；
[0031]第二步驟S2:在硅片中刻蝕出淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)并進(jìn)行預(yù)處理；該步驟可采用現(xiàn)有技術(shù)的任意方法執(zhí)行；
[0032]第三步驟S3:利用化學(xué)氣相沉積法或高深寬比工藝預(yù)填充襯底，形成如圖3中的參考標(biāo)號10所示的預(yù)填充層；例如，可用高密度等離子化學(xué)氣相沉積法或高深寬比工藝預(yù)填充襯底(如圖3所示)，并不限于這兩種方法，沉積厚度優(yōu)選在2nm以上。例如，可采用淀積-刻蝕-淀積工藝來填充襯底，提高薄膜臺階覆蓋率。
[0033]第四步驟S4:在預(yù)填充襯底后利用流動式化學(xué)氣相沉積法部分填充淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)以形成淺溝槽隔離氧化物薄膜20 (如圖4所示中的參考標(biāo)號所示)，流動式化學(xué)氣相沉積法在窄溝槽的沉積速度會快過在寬溝槽的沉積速度，當(dāng)窄溝槽完全填充滿時，寬溝槽只有部分被填充。最窄溝槽內(nèi)的沉積高度應(yīng)小于后續(xù)化學(xué)機(jī)械研磨法處理后的膜厚，保證一定容量的開口。
[0034]第五步驟S5:沉積覆蓋經(jīng)過流動式化學(xué)氣相沉積法部分填充之后淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的上層薄膜30 ;可采用高密度等離子化學(xué)氣相沉積法或高深寬比工藝沉積上層薄膜30 (如圖5所示)，并不限于這兩種方法。由于高深寬比的窄溝槽已經(jīng)被流動式化學(xué)氣相沉積法填充了大部分容積，高密度等離子化學(xué)氣相沉積法或高深寬比工藝已經(jīng)足夠填充剩下的容積。
[0035]第六步驟S6:執(zhí)行高溫退火處理以提高淺溝槽隔離氧化物薄膜20和上層薄膜30的抗?jié)穹涛g性能和致密性；完全填充后的需經(jīng)過一步或多步高溫退火工藝來增強(qiáng)薄膜的抗?jié)穹涛g的性能和薄膜的致密性。高溫退火工藝包括現(xiàn)場水汽生成退火，干法快速熱退火(Rapid Thermal Anneal, RTA),并不限于這兩種方法。由于在大塊寬溝槽的薄膜主要是高密度等離子化學(xué)氣相沉積法或高深寬比工藝預(yù)填充的，它的薄膜收縮性比較小，能支撐住細(xì)長有源區(qū)結(jié)構(gòu)，防止彎曲變形。
[0036]上述第四步驟S4、第五步驟S5和第六步驟S6可以多次依次循環(huán)達(dá)到制程所要求的膜厚或進(jìn)一步提高沉積薄膜的性能。
[0037]隨后可執(zhí)行后續(xù)步驟，例如下述第七步驟S7和第八步驟S8。
[0038]第七步驟S7:對化學(xué)機(jī)械研磨法對薄膜30進(jìn)行平坦化處理，以去除多余薄膜厚度，如圖6所示；
[0039]第八步驟S8:執(zhí)行濕法化學(xué)處理。
[0040]本發(fā)明成功的解決了流動式化學(xué)氣相沉積法在淺溝槽隔離中應(yīng)用遇到的主要的技術(shù)問題，將流動式化學(xué)氣相沉積法和高密度等離子化學(xué)氣相沉積法或高深寬比工藝整合在一起，增加了淺溝槽隔離薄膜無空洞和無縫隙填充的工藝窗口。
[0041]此外，需要說明的是，除非特別說明或者指出，否則說明書中的術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”等描述僅僅用于區(qū)分說明書中的各個組件、元素、步驟等，而不是用于表示各個組件、元素、步驟之間的邏輯關(guān)系或者順序關(guān)系等。
[0042]可以理解的是，雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，然而上述實施例并非用以限定本發(fā)明。對于任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種提高淺溝槽隔離介電質(zhì)薄膜填充能力的方法，其特征在于包括: 第一步驟:接收預(yù)沉積薄膜硅片； 第二步驟:在硅片中刻蝕出淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)并進(jìn)行預(yù)處理； 第三步驟:預(yù)填充襯底以形成預(yù)填充層； 第四步驟:在預(yù)填充襯底后利用流動式化學(xué)氣相沉積法部分填充淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)以形成淺溝槽隔離氧化物薄膜； 第五步驟:沉積覆蓋經(jīng)過流動式化學(xué)氣相沉積法部分填充之后淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的上層薄膜； 第六步驟:執(zhí)行高溫退火處理以提高淺溝槽隔離氧化物薄膜和上層薄膜的抗?jié)穹涛g性能和致密性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高淺溝槽隔離介電質(zhì)薄膜填充能力的方法，其特征在于還包括: 第七步驟:對化學(xué)機(jī)械研磨法對薄膜進(jìn)行平坦化處理； 第八步驟:執(zhí)行濕法化學(xué)處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的提高淺溝槽隔離介電質(zhì)薄膜填充能力的方法，其特征在于，所述第四步驟、所述第五步驟和所述第六步驟被多次依次循環(huán)執(zhí)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的提高淺溝槽隔離介電質(zhì)薄膜填充能力的方法，其特征在于，預(yù)填充層的厚度在2nm以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的提高淺溝槽隔離介電質(zhì)薄膜填充能力的方法，其特征在于，高溫退火處理為現(xiàn)場水汽生成退火處理或干法快速熱退火處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的提高淺溝槽隔離介電質(zhì)薄膜填充能力的方法，其特征在于，在第三步驟中利用化學(xué)氣相沉積法或高深寬比工藝預(yù)填充襯底以形成預(yù)填充層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的提高淺溝槽隔離介電質(zhì)薄膜填充能力的方法，其特征在于，在第五步驟中利用化學(xué)氣相沉積法或高深寬比工藝沉積覆蓋經(jīng)過流動式化學(xué)氣相沉積法部分填充之后淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的上層薄膜。
【文檔編號】H01L21/762GK103996649SQ201410254087
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月9日
【發(fā)明者】鐘斌 申請人:上海華力微電子有限公司