淺溝槽隔離的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種淺溝槽隔離的制造方法，通過在淺溝槽填充氧化物與熱退火之間，添加硅離子注入的步驟，使填充氧化物，如二氧化硅等，含有甚至充滿硅原子，在熱退火的過程中產(chǎn)生的氧原子可以與之結(jié)合，有效避免氧原子擴(kuò)散氧化淺溝槽側(cè)面的襯底硅，從而避免了由此導(dǎo)致淺溝槽尺寸縮小的問題；更甚者，向淺溝槽側(cè)面的硅襯底同時(shí)注入硅離子，可以在硅襯底形成無定型硅，無定型硅在退火后重結(jié)晶，釋放淺溝槽中的壓力，從而提高器件性能。本發(fā)明可以大大增加有源區(qū)淺溝槽隔離填充工藝段的健壯性和工藝窗口，提升器件性能、可靠性和良率。
【專利說明】淺溝槽隔離的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種淺溝槽隔離的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著超大型集成電路尺寸微縮化的持續(xù)發(fā)展，電路元器件的尺寸越來越小且對 其運(yùn)行速度的要求越來越高，但直到目前為止，提高CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)）器件運(yùn)行速度的方法都集中于減小其溝道長度以 及柵介質(zhì)層的厚度。然而，在小于l〇〇nm的溝道長度情況下，若器件尺寸進(jìn)一步縮小就會受 到物理極限以及設(shè)備成本的限制。隨著集成電路工藝逐步進(jìn)入40nm、32nm甚至是28nm時(shí) 代，柵氧厚度和柵極長度的減小趨勢都已經(jīng)逐步放緩，微電子工業(yè)界開始尋找其它方式以 繼續(xù)提高CMOS器件性能。
[0003] 目前，集成電路包括許多形成在半導(dǎo)體襯底上的晶體管，一般來說，晶體管是通 過絕緣或隔離結(jié)構(gòu)而彼此間隔開?，F(xiàn)有技術(shù)中，用來形成隔離結(jié)構(gòu)的工藝是淺溝槽隔離 (Shallow Trench Isolation，簡稱STI)工藝，傳統(tǒng)的STI工藝通常包括以下簡化步驟：首 先，在硅襯底上熱生長或淀積氮化硅層；接下來，通過光刻和刻蝕選擇性去除該氮化硅層和 硅襯底，在該硅襯底中形成淺溝槽；最后向淺溝槽里填充絕緣層二氧化硅。
[0004] 在45nm/40nm及以下的高階半導(dǎo)體制造工藝中，由于淺溝槽開口尺寸越來越小， 有源區(qū)淺溝槽隔離填充工藝變得越來越難，陸續(xù)用到HARP，eHARP以及FCVD填充工藝，后續(xù) 用熱退火工藝使二氧化硅薄膜致密化，并消除溝槽內(nèi)縫隙缺陷（seam)。
[0005] 然而，由于上述工藝沉積的二氧化硅薄膜富含氧元素，在高溫的熱退火過程中會 擴(kuò)散氧化襯底硅，導(dǎo)致有源區(qū)尺寸縮小，如圖1所示，這對器件性能、可靠性和良率都帶來 影響，而且隨著工藝節(jié)點(diǎn)不斷縮小越來越不可控。此外，即使采用高熱預(yù)算的退火工藝，也 不能完全消除縫隙缺陷。
[0006] 申請?zhí)枮?01310753728. 7的中國專利申請?zhí)峁┝艘环N淺溝槽隔離的制造方法， 包括用多晶硅填充淺溝槽后離子注入鍺，并退火。該申請雖然可以提供溝道的應(yīng)力，提高硅 的載流子遷移率，但并不能解決二氧化硅填充淺溝槽后退火所導(dǎo)致氧原子擴(kuò)散氧化襯底硅 使有源區(qū)尺寸縮小的技術(shù)問題。
[0007] 申請?zhí)枮?01010198373. 6的中國專利申請?zhí)峁┝艘环N淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方 法，通過直接在需要制作淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的位置處，對露出的單晶硅進(jìn)行氧離子注入，并退 火形成二氧化硅隔離區(qū)。該申請雖然流程簡潔，不受淺溝槽寬度尺寸的限制，但對淺溝槽的 尺寸和形貌無法準(zhǔn)確把握，注入的氧離子也會在退火過程中擴(kuò)散氧化襯底硅，從而影響器 件性能、質(zhì)量。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008] 為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種淺溝槽隔離的制造方法，以 解決有源區(qū)淺溝槽隔離填充工藝的縫隙缺陷問題以及后續(xù)的高溫的熱退火過程中擴(kuò)散氧 化襯底硅而導(dǎo)致有源區(qū)尺寸縮小的問題。
[0009] 本發(fā)明提供的淺溝槽隔離的制造方法，其包括以下步驟：
[0010] 步驟S01，在硅片的硅襯底中形成淺溝槽；
[0011] 步驟S02,向該淺溝槽內(nèi)填充氧化物；
[0012] 步驟S03,對該淺溝槽進(jìn)行硅離子注入，以使得該淺溝槽內(nèi)的填充氧化物區(qū)域含有 硅原子；
[0013] 步驟S04,對該硅片進(jìn)行熱退火。
[0014] 進(jìn)一步地，步驟S03還包括對該淺溝槽進(jìn)行硅離子注入，以使得該淺溝槽內(nèi)的填 充氧化物結(jié)構(gòu)被打散。
[0015] 進(jìn)一步地，步驟S03為多次硅離子注入，以使得該淺溝槽內(nèi)的填充氧化物區(qū)域充 滿娃原子。
[0016] 進(jìn)一步地，步驟S03中硅離子注入的注入深度為該淺溝槽深度的5-100%。
[0017] 進(jìn)一步地，步驟S03中娃離子注入的娃濃度為lE1Qcnt/cm2-lE 16cnt/cm2。
[0018] 進(jìn)一步地，步驟S03中硅離子注入為常溫離子注入、低溫離子注入或高溫離子注 入。
[0019] 進(jìn)一步地，步驟S04中熱退火為Spike退火、RTA退火、激光退火或高溫爐管退火， 熱退火溫度為600-1250°C。
[0020] 進(jìn)一步地，步驟S04中熱退火包括第一步快速退火和第二步常規(guī)退火，該第一步 快速退火中填充氧化物內(nèi)的硅原子快速鎖定退火所產(chǎn)生的氧原子并與之結(jié)合，該第二步常 規(guī)退火中致密填充氧化物，以消除淺溝槽中縫隙缺陷。
[0021] 進(jìn)一步地，該第一步快速退火為RTA退火，退火時(shí)間為10-60秒；該第二步常規(guī)退 火為高溫爐管退火，退火時(shí)間為5-30分鐘。
[0022] 進(jìn)一步地，步驟S02中填充氧化物為HARP工藝、eHARP工藝、ALD工藝或FCVD工 藝。
[0023] 本發(fā)明的淺溝槽隔離的制造方法，通過在淺溝槽填充氧化物與熱退火之間，添加 硅離子注入的步驟，使填充氧化物，如二氧化硅等，含有甚至充滿硅原子，在熱退火的過程 中產(chǎn)生的氧原子可以與之結(jié)合，有效避免氧原子擴(kuò)散氧化淺溝槽側(cè)面的襯底硅，從而避免 了由此導(dǎo)致淺溝槽尺寸縮小的問題；另一方面，向淺溝槽內(nèi)填充氧化物注入硅離子，可以使 本身就呈無定型的氧化層被打得更散，被打散后的無定型氧化層在退火后重結(jié)晶，結(jié)構(gòu)變 得更緊密，可以有效消除淺溝槽氧化層內(nèi)的縫隙和空洞缺陷，從而提高器件性能。本發(fā)明可 以大大增加有源區(qū)淺溝槽隔離填充工藝段的健壯性和工藝窗口，提升器件性能、可靠性和 良率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024] 為能更清楚理解本發(fā)明的目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實(shí) 施例進(jìn)行詳細(xì)描述，其中：
[0025] 圖1是現(xiàn)有工藝中淺溝槽填充氧化物后與退火后的對比結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例淺溝槽隔離制造方法的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 第一實(shí)施例
[0028] 請參閱圖2,本實(shí)施例中的淺溝槽隔離的制造方法，包括以下步驟：
[0029] 步驟S01，在硅片的硅襯底中形成淺溝槽；本步驟可通過刻蝕等現(xiàn)有方法，不再贅 述；
[0030] 步驟S02,向該淺溝槽內(nèi)填充氧化物，如二氧化硅等；
[0031] 步驟S03,對該淺溝槽進(jìn)行硅離子注入，以使得該淺溝槽內(nèi)的二氧化硅區(qū)域含有 硅原子，用來與后續(xù)退火過程中產(chǎn)生的氧原子結(jié)合，避免氧原子擴(kuò)散氧化淺溝槽旁的襯底 硅；
[0032] 步驟S04,對該硅片進(jìn)行熱退火，使二氧化硅變得致密，消除縫隙缺陷等。
[0033] 本實(shí)施例通過在淺溝槽填充氧化物與熱退火之間，添加硅離子注入的步驟，使填 充氧化物區(qū)域含有甚至充滿硅原子，在熱退火的過程中產(chǎn)生的氧原子可以與之結(jié)合，有效 避免氧原子擴(kuò)散氧化淺溝槽側(cè)面的襯底硅，從而避免了由此導(dǎo)致淺溝槽尺寸縮小的問題。 本實(shí)施例可以大大增加有源區(qū)淺溝槽隔離填充工藝段的健壯性和工藝窗口，提升器件性 能、可靠性和良率。
[0034] 第二實(shí)施例
[0035] 本實(shí)施例中的淺溝槽隔離的制造方法，包括以下步驟：
[0036] 步驟S01，在硅片的硅襯底中形成淺溝槽，該淺溝槽的深度為3200A，最小尺寸為 630 A;本步驟可通過刻蝕等現(xiàn)有方法，不再贅述。
[0037] 步驟S02,向該淺溝槽內(nèi)填充二氧化硅，二氧化硅的厚度為5000 A;本步驟可以是 HARP工藝、eHARP工藝、ALD工藝或FCVD工藝，可以針對不同尺寸的淺溝槽。
[0038] 步驟S03,對該淺溝槽進(jìn)行硅離子注入，以使得該淺溝槽內(nèi)的二氧化硅區(qū)域含有硅 原子，用來與后續(xù)退火過程中產(chǎn)生的氧原子結(jié)合，避免氧原子擴(kuò)散氧化淺溝槽旁的襯底硅； 并且使得淺溝槽內(nèi)二氧化硅層的結(jié)構(gòu)被打散，打散后的無定型二氧化硅在退火后重結(jié)晶， 結(jié)構(gòu)變得更緊密，從而消除縫隙和空洞缺陷，提高器件性能；
[0039] 其中，本步驟包括兩步常溫硅離子注入：第一步高能量低劑量注入硅離子，注入 深度3000A,劑量5E 12cnt/cm2 ;第二步低能量高劑量注入硅離子，注入深度2500A,劑量 lE14cnt/cm2。本步驟通過兩次硅離子注入，使得淺溝槽內(nèi)的填充氧化物區(qū)域充滿硅原子；離 子注入的注入深度可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整，較佳地為淺溝槽深度的5-100% ;離子注入的 硅濃度較佳地為lE1(lCnt/Cm2-lE 16Cnt/Cm2 ;硅離子注入工藝可以是常溫離子注入、低溫離子 注入或高溫離子注入工藝。
[0040] 步驟S04,對該硅片進(jìn)行熱退火，使二氧化硅變得致密，消除縫隙缺陷等。
[0041] 其中，本步驟包括兩步退火：第一步RTA快速退火和第二步高溫爐管常規(guī)退火， 第一步快速退火的退火溫度為1050°C，退火時(shí)間為30秒，該步使得填充氧化物內(nèi)的硅原 子快速鎖定退火所產(chǎn)生的氧原子并與之結(jié)合；第二步常規(guī)退火的退火溫度為1050°C，退火 時(shí)間為15分鐘，該步使得填充二氧化硅變得更加致密，以消除淺溝槽中縫隙缺陷。實(shí)際 應(yīng)用中，退火工藝還可以Spike退火、RTA退火、激光退火或高溫爐管退火，熱退火溫度為 600-1250°C。第一步快速退火的退火時(shí)間可以為10-60秒；第二步常規(guī)退火的退火時(shí)間可 以為5-30分鐘。
[0042] 本實(shí)施例可以應(yīng)用于32/28納米工藝平臺有源區(qū)淺溝槽隔離填充工藝中，也可以 用于16/14納米FinFET工藝平臺等其他有源區(qū)淺溝槽隔離填充工藝中。
【權(quán)利要求】
1. 一種淺溝槽隔離的制造方法，其特征在于，其包括以下步驟： 步驟SOI，在硅片的硅襯底中形成淺溝槽； 步驟S02,向該淺溝槽內(nèi)填充氧化物； 步驟S03,對該淺溝槽進(jìn)行硅離子注入，以使得該淺溝槽內(nèi)的填充氧化物區(qū)域含有硅原 子； 步驟S04,對該硅片進(jìn)行熱退火。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的淺溝槽隔離的制造方法，其特征在于：步驟S03還包括對該 淺溝槽進(jìn)行硅離子注入，以使得該淺溝槽內(nèi)的填充氧化物結(jié)構(gòu)被打散。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的淺溝槽隔離的制造方法，其特征在于：步驟S03為多次硅離 子注入，以使得該淺溝槽內(nèi)的填充氧化物區(qū)域充滿硅原子。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的淺溝槽隔離的制造方法，其特征在于：步驟S03中硅離子注 入的注入深度為該淺溝槽深度的5-100%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的淺溝槽隔離的制造方法，其特征在于：步驟S03中硅離子注 入的娃濃度為 lElclcnt/cm2-lE16cnt/cm2。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的淺溝槽隔離的制造方法，其特征在于：步驟S03中硅離子注 入為常溫離子注入、低溫離子注入或高溫離子注入。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的淺溝槽隔離的制造方法，其特征在于：步驟S04中熱退火為 Spike退火、RTA退火、激光退火或高溫爐管退火，熱退火溫度為600-1250°C。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的淺溝槽隔離的制造方法，其特征在于：步驟S04中熱退火包 括第一步快速退火和第二步常規(guī)退火，該第一步快速退火中填充氧化物內(nèi)的硅原子快速鎖 定退火所產(chǎn)生的氧原子并與之結(jié)合，該第二步常規(guī)退火中致密填充氧化物，以消除淺溝槽 中縫隙缺陷。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的淺溝槽隔離的制造方法，其特征在于：該第一步快速退火為 RTA退火，退火時(shí)間為10-60秒；該第二步常規(guī)退火為高溫爐管退火，退火時(shí)間為5-30分 鐘。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的淺溝槽隔離的制造方法，其特征在于：步驟S02中填充氧化 物為HARP工藝、eHARP工藝、ALD工藝或FCVD工藝。
【文檔編號】H01L21/762GK104269376SQ201410491604
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月24日
【發(fā)明者】李潤領(lǐng) 申請人:上海華力微電子有限公司