一種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，在淺溝槽中部分填充前一介質(zhì)層之后，再利用光刻膠自對準(zhǔn)保護(hù)淺溝槽內(nèi)形成的前一介質(zhì)層，刻蝕掉硬掩膜層上的多余前一介質(zhì)層，減小后一介質(zhì)層填充時的淺溝槽深寬比(aspect ratio)，極大的減少了填充空洞等缺陷，降低淺溝槽填充的工藝難度。
【專利說明】一種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)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結(jié)構(gòu)的制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 完整的電路是由分離的器件通過特定的電學(xué)通路連接起來的，在集成電路制造工 藝中必須把器件隔離開，隔離不好會造成漏電、閂鎖效應(yīng)等。因此，隔離技術(shù)是集成電路制 造中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。現(xiàn)有的隔離工藝通常包括局部硅氧化工藝（LOCOS)和淺溝槽隔離工 藝（Shallow trench isolation, STDt5LOCOS工藝操作簡單，其在微米及亞微米工藝中得到 了廣泛應(yīng)用，但LOCOS工藝具有一系列缺點(diǎn)，例如，邊氧化會形成鳥嘴（bird' s break),使 場二氧化硅侵入有源區(qū)，導(dǎo)致有源區(qū)有效面積減少；場注入在高溫氧化過程中發(fā)生再分布， 引起有源器件的窄寬度效應(yīng)（narrow width effect);線寬越小，場氧越??；表面形狀不平 坦。為了減小LOCOS工藝帶來的這些負(fù)面效果，出現(xiàn)了一些改進(jìn)的LOCOS工藝。然而，隨著 器件向深亞微米級發(fā)展，改進(jìn)的LOCOS工藝仍然存在鳥嘴問題以及場氧減薄效應(yīng)，因此出 現(xiàn)了 STI工藝。STI工藝克服了 LOCOS工藝的局限性，其具有優(yōu)異的隔離性能、超強(qiáng)的閂鎖 保護(hù)能力、平坦的表面形狀、對溝槽沒有侵蝕且與化學(xué)機(jī)械拋光（CMP)技術(shù)兼容。因此，在 0. 25 μ m及以下的工藝，都使用STI隔離工藝。STI工藝的流程主要包括溝槽的刻蝕、填充和 CMP平坦化。使用STI工藝的半導(dǎo)體器件中會遇到反窄寬度效應(yīng)（inverse narrow width effect，INWE)，主要表現(xiàn)為器件的閾值電壓隨器件溝道寬度的減小而減小。造成I NWE的 原因是尖銳的溝槽頂角使柵電場變得集中，導(dǎo)致溝槽邊緣產(chǎn)生了一個跟有源器件平行的低 閾值通路。隨著器件尺寸的減小，INWE已經(jīng)成為制約器件性能的重要因素。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中制作STI結(jié)構(gòu)過程中，通常采用氮化硅作為STI溝槽刻蝕的硬質(zhì)掩膜 層，刻蝕出STI溝槽，然后向溝槽中填充氧化硅，形成淺STI結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。隨著IC 關(guān)鍵尺寸的減小，STI填充變得愈加困難，很容易出現(xiàn)填充空洞（void，如圖1中10)，降低 STI結(jié)構(gòu)的隔離效果，降低器件性能。
[0004] 因此，需要一種新的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制作工藝，以避免上述缺陷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，降低淺溝槽填充工藝難 度，避免填充空洞產(chǎn)生，提供器件性能。
[0006] 為解決上述問題，本發(fā)明提供一種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，包括淺溝槽刻蝕 步驟以及光阻層和介質(zhì)層交替填充步驟，所述淺溝槽刻蝕步驟包括：在一半導(dǎo)體襯底上形 成具有淺溝槽圖案的硬掩膜層，以所述硬掩膜層為掩膜，刻蝕所述半導(dǎo)體襯底形成淺溝槽； 所述光阻層和介質(zhì)層交替填充步驟至少包括一次介質(zhì)層部分填充、光阻層填充以及介質(zhì)層 再填充組成的過程，其中，
[0007] 所述介質(zhì)層部分填充包括：在所述淺溝槽中部分填充前一介質(zhì)層，所述前一介質(zhì) 層在淺溝槽中的厚度低于所述淺溝槽的深度；
[0008] 所述光阻層填充包括：在部分填充有所述前一介質(zhì)層的淺溝槽內(nèi)填滿光阻層，并 去除硬掩膜層表面上多余的前一介質(zhì)層；
[0009] 所述介質(zhì)層再填充包括：去除所述光阻層，在所述淺溝槽中部分填充后一介質(zhì)層， 若所述后一介質(zhì)層填滿所述淺溝槽，則進(jìn)行頂部化學(xué)機(jī)械平坦化以形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)； 若所述后一介質(zhì)層未填滿所述淺溝槽，則繼續(xù)光阻層填充和介質(zhì)層再填充組成的過程，直 至介質(zhì)層再填充過程的介質(zhì)層填滿所述淺溝槽。
[0010] 進(jìn)一步的，所述硬掩膜層為氮化硅、氮氧化硅、非晶碳、氮化硼、氮化鈦中的至少一 種，所述硬掩膜層為單層結(jié)構(gòu)或者由不同材質(zhì)形成的多層堆疊結(jié)構(gòu)。
[0011] 進(jìn)一步的，在所述淺溝槽內(nèi)填充的光阻層的頂部不低于硬掩膜層表面。
[0012] 進(jìn)一步的，第一次在所述淺溝槽中部分填充介質(zhì)層之前，還在所述淺溝槽中填充 內(nèi)襯層。
[0013] 進(jìn)一步的，所述第一次部分填充的介質(zhì)層在所述淺溝槽底部的厚度大于淺溝槽深 度的10%。
[0014] 進(jìn)一步的，在所述淺溝槽中部分填充的前一介質(zhì)層覆蓋所述淺溝槽的內(nèi)側(cè)壁和底 部，所述方法還包括：在所述淺溝槽內(nèi)填充光阻層之前或者去除所述淺溝槽內(nèi)的光阻層之 后，對所述淺溝槽內(nèi)側(cè)壁的前一介質(zhì)層進(jìn)行回拉刻蝕以增大所述淺溝槽的開口。
[0015] 進(jìn)一步的，所述前一介質(zhì)層位于淺溝槽側(cè)壁的寬度大于20 A，所述前一介質(zhì)層 的回拉刻蝕的距離大吁IoA3
[0016] 進(jìn)一步的，填充在所述淺溝槽中的各層介質(zhì)層的材質(zhì)完全相同、部分相同或者完 全不同。
[0017] 進(jìn)一步的，所述填充在所述淺溝槽中的介質(zhì)層分別為氧化硅或者氮氧化硅或者氮 化層和氧化硅層堆疊而成的結(jié)構(gòu)。
[0018] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，在淺溝槽中部分填 充前一介質(zhì)層之后，再利用光刻膠自對準(zhǔn)保護(hù)淺溝槽內(nèi)形成的前一介質(zhì)層，刻蝕掉硬掩膜 層上的多余前一介質(zhì)層，減小后一介質(zhì)層填充時的淺溝槽深寬比（aspect ratio)，極大的 減少了填充空洞等缺陷，降低淺溝槽填充的工藝難度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)中一種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)制造過程中的器件剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明具體實(shí)施例的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法流程圖；
[0021] 圖3A至3D為本發(fā)明具體實(shí)施例的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)制造方法中的器件剖面結(jié)構(gòu)示 意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 為使本發(fā)明的目的、特征更明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作 進(jìn)一步的說明，然而，本發(fā)明可以用不同的形式實(shí)現(xiàn)，不應(yīng)認(rèn)為只是局限在所述的實(shí)施例。
[0023] 本發(fā)明提供一種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，包括淺溝槽刻蝕步驟以及光阻層和 介質(zhì)層交替填充步驟，所述淺溝槽刻蝕步驟包括：在一半導(dǎo)體襯底上形成具有淺溝槽圖案 的硬掩膜層，以所述硬掩膜層為掩膜，刻蝕所述半導(dǎo)體襯底形成淺溝槽；所述光阻層和介 質(zhì)層交替填充步驟至少包括一次介質(zhì)層部分填充、光阻層填充以及介質(zhì)層再填充組成的過 程，其中，
[0024] 所述介質(zhì)層部分填充包括：在所述淺溝槽中部分填充前一介質(zhì)層，所述前一介質(zhì) 層在淺溝槽中的厚度低于所述淺溝槽的深度；
[0025] 所述光阻層填充包括：在部分填充有所述前一介質(zhì)層的淺溝槽內(nèi)填滿光阻層，并 去除硬掩膜層表面上多余的前一介質(zhì)層；
[0026] 所述介質(zhì)層再填充包括：去除所述光阻層，在所述淺溝槽中部分填充后一介質(zhì)層， 若所述后一介質(zhì)層填滿所述淺溝槽，則進(jìn)行頂部化學(xué)機(jī)械平坦化以形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)； 若所述后一介質(zhì)層未填滿所述淺溝槽，則繼續(xù)光阻層填充和介質(zhì)層再填充組成的過程，直 至介質(zhì)層再填充過程的介質(zhì)層填滿所述淺溝槽。
[0027] 下面以所述光阻層和介質(zhì)層交替填充步驟只包括一次介質(zhì)層部分填充、光阻層填 充以及介質(zhì)層再填充組成的過程為例，來詳細(xì)描述本發(fā)明的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法。
[0028] 請參考圖2,本發(fā)明提供一種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，包括以下步驟：
[0029] S1，在一半導(dǎo)體襯底上形成具有淺溝槽圖案的硬掩膜層，以所述硬掩膜層為掩膜， 刻蝕所述半導(dǎo)體襯底形成淺溝槽；
[0030] S2,在所述硬掩膜層表面以及淺溝槽表面形成第一介質(zhì)層，所述第一介質(zhì)層在淺 溝槽底部的厚度低于所述淺溝槽的深度；
[0031] S3,在所述淺溝槽內(nèi)填充光阻層，去除硬掩膜層表面上多余的第一介質(zhì)層；
[0032] S4,采用第二介質(zhì)層填滿所述淺溝槽，以形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)。
[0033] 其中，步驟Sl為淺溝槽刻蝕步驟，步驟S2至S4為所述光阻層和介質(zhì)層交替填充 步驟，包括一次介質(zhì)層部分填充、光阻層填充以及介質(zhì)層再填充組成的過程。
[0034] 請參考圖3A，在步驟Sl中，提供一純硅基底或者一絕緣體上硅基底做半導(dǎo)體襯底 200, 在所述半導(dǎo)體襯底200采用化學(xué)氣相沉積工藝沉積形成硬掩膜層201，硬掩膜層201可 以是單層結(jié)構(gòu)，也可以是多層堆疊結(jié)構(gòu)，其材質(zhì)可以是氮化硅、氮氧化硅、非晶碳、氮化硼、 氮化鈦等中的一種或多種。其厚度大3 15〇Λ。以硬掩膜層201為掩膜，刻蝕半導(dǎo)體襯底 200形成淺溝槽圖案202。
[0035] 請參考圖3Β，在步驟S2中，采用高密度氧化硅沉積工藝，在所述硬掩膜層201以及 淺溝槽202表面沉積第一介質(zhì)層203 (即前一介質(zhì)層），所述第一介質(zhì)層覆蓋所述淺溝槽的 內(nèi)側(cè)壁和底部，且其在所述淺溝槽底部的厚度大于淺溝槽深度的10%，即第一介質(zhì)層201 部分填充淺溝槽202。在本發(fā)明其他實(shí)施例中，所述第一介質(zhì)層203還可以為氮化硅和氧化 硅堆疊而成的雙層結(jié)構(gòu)，或者氧化硅、氮化硅、氧化硅依次堆疊而成的三層結(jié)構(gòu)。較佳地，在 步驟S2之前，即在所述淺溝槽202中部分填充第一介質(zhì)層203之前，還可以通過氮化處理 工藝、氧化處理工藝或者化學(xué)氣相沉積工藝，在淺溝槽202中形成內(nèi)襯層（未圖示）。
[0036] 請參考圖3Β和3C，在步驟S3中，首先在第一介質(zhì)層201表面上形成光阻層204， 接著回刻蝕光阻層204至其頂部與硬掩膜層201頂部相持平，以增大淺溝槽202的開口寬 度至滿足后續(xù)的第二介質(zhì)層填充工藝要求；然后去除硬掩膜201表面上多余的第一介質(zhì)層 201。 在本發(fā)明的其他實(shí)施中，光阻層回拉刻蝕的速率大于第一介質(zhì)層203的回拉刻蝕速 率，當(dāng)所述光阻層204的回拉距離足夠大時（所述光阻層204的回拉距離大于1() A )，第 一介質(zhì)層的頂部和側(cè)壁也被回拉刻蝕掉一部分，形成階梯狀結(jié)構(gòu)（未圖示），在進(jìn)一步增大 后續(xù)介質(zhì)層填充工藝窗口的同時，還為后續(xù)提升圓角工藝的效果做下鋪墊，同時增加了現(xiàn) 有技術(shù)中硬掩膜層的回拉距離，保證了所露出的半導(dǎo)體襯底硅的量，由此可以避免經(jīng)過后 續(xù)柵極刻蝕工藝后，淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體襯底200表面接觸的位置出現(xiàn)凹坑缺陷。 [0037] 較佳的，在所述淺溝槽內(nèi)填充光阻層之前或者去除所述淺溝槽內(nèi)的光阻層之后， 對所述淺溝槽內(nèi)側(cè)壁的前一介質(zhì)層的側(cè)壁進(jìn)行回拉刻蝕以增大所述淺溝槽的開口。進(jìn)一步 的，所述前一介質(zhì)層位于淺溝槽側(cè)壁的寬度大于20 A,所述前一介質(zhì)層的回拉刻蝕的距 離大于10 A。進(jìn)一步增大后續(xù)介質(zhì)層的填充工藝窗口，減小后續(xù)介質(zhì)層填充時的淺溝槽深 寬比（aspect ratio,避免后續(xù)填充工藝中出現(xiàn)的填充空洞等缺陷，降低淺溝槽填充的工藝 難度。
[0038] 請繼續(xù)參考圖3B和3C，進(jìn)一步的，在回拉刻蝕后，采用氮基等離子體處理工藝處 理所述第一介質(zhì)層203側(cè)壁，在其側(cè)壁表面形成一層氮氧化硅SiON，進(jìn)一步的增強(qiáng)第一介 質(zhì)層203側(cè)壁的介質(zhì)密度。
[0039] 請參考圖3D，在步驟S4中，首先，去除淺溝槽內(nèi)剩余的填充光阻層；然后采用化學(xué) 沉積工藝向所述淺溝槽中沉積第二介質(zhì)層205(即后續(xù)填充的介質(zhì)層）至填滿淺溝槽，采 用第二介質(zhì)層205繼續(xù)部分填充所述淺溝槽202之后，所述第二介質(zhì)層205與所述第一介 質(zhì)層203在淺溝槽位置的填充總厚度不低于所述淺溝槽的深度；接著，進(jìn)行第二介質(zhì)層205 的頂部化學(xué)機(jī)械平坦化，去除硬掩膜層201表面多余第二介質(zhì)層205,形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu) 202a。
[0040] 在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，當(dāng)采用第二介質(zhì)層205填充所述淺溝槽202之后，第二 介質(zhì)層205與第一介質(zhì)層203在淺溝槽位置的填充總厚度低于所述淺溝槽的深度時，在所 述淺溝槽內(nèi)繼續(xù)重復(fù)介質(zhì)層部分填充--光阻層填充--介質(zhì)層再填充組成的過程，直至 所述第二介質(zhì)層205與所述第一介質(zhì)層203在淺溝槽位置的填充總厚度不低于所述淺溝槽 的深度為止。
[0041] 在本發(fā)明的實(shí)施例中，填充在所述淺溝槽中的各層介質(zhì)層的材質(zhì)可以完全相同， 也可以部分相同或者完全不同。例如，所述第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層均為氧化硅。
[0042] 綜上所述，本發(fā)明提供的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，在淺溝槽中部分填充前一 介質(zhì)層之后，再利用光刻膠自對準(zhǔn)保護(hù)淺溝槽內(nèi)形成的前一介質(zhì)層，刻蝕掉硬掩膜層上的 多余前一介質(zhì)層，減小后一介質(zhì)層填充時的淺溝槽深寬比（aspect ratio),極大的減少了 填充空洞等缺陷，降低淺溝槽填充的工藝難度。
[0043] 顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神 和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之 內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，包括淺溝槽刻蝕步驟以及光阻層和 介質(zhì)層交替填充步驟，所述淺溝槽刻蝕步驟包括：在一半導(dǎo)體襯底上形成具有淺溝槽圖案 的硬掩膜層，以所述硬掩膜層為掩膜，刻蝕所述半導(dǎo)體襯底形成淺溝槽；所述光阻層和介 質(zhì)層交替填充步驟至少包括一次介質(zhì)層部分填充、光阻層填充以及介質(zhì)層再填充組成的過 程，其中， 所述介質(zhì)層部分填充包括：在所述淺溝槽中部分填充前一介質(zhì)層，所述前一介質(zhì)層在 淺溝槽中的厚度低于所述淺溝槽的深度； 所述光阻層填充包括：在部分填充有所述前一介質(zhì)層的淺溝槽內(nèi)填滿光阻層，并去除 硬掩膜層表面上的多余前一介質(zhì)層； 所述介質(zhì)層再填充包括：去除所述光阻層，在所述淺溝槽中部分填充后一介質(zhì)層，若所 述后一介質(zhì)層填滿所述淺溝槽，則進(jìn)行頂部化學(xué)機(jī)械平坦化以形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)；若所 述后一介質(zhì)層未填滿所述淺溝槽，則繼續(xù)光阻層填充和介質(zhì)層再填充組成的過程，直至介 質(zhì)層再填充過程的介質(zhì)層填滿所述淺溝槽。
2. 如權(quán)利要求1所述的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述硬掩膜層為氮 化硅、氮氧化硅、非晶碳、氮化硼、氮化鈦中的至少一種，所述硬掩膜層為單層結(jié)構(gòu)或者由不 同材質(zhì)形成的多層堆疊結(jié)構(gòu)。
3. 如權(quán)利要求1所述的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，在所述淺溝槽內(nèi)填 充的光阻層的頂部不低于硬掩膜層表面。
4. 如權(quán)利要求1所述的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，第一次在所述淺溝 槽中部分填充介質(zhì)層之前，還在所述淺溝槽中填充內(nèi)襯層。
5. 如權(quán)利要求1所述的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述第一次部分填 充的介質(zhì)層在所述淺溝槽底部的厚度大于淺溝槽深度的10%。
6. 如權(quán)利要求5所述的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，在所述淺溝槽中部 分填充的前一介質(zhì)層覆蓋所述淺溝槽的內(nèi)側(cè)壁和底部，所述方法還包括：在所述淺溝槽內(nèi) 填充光阻層之前或者去除所述淺溝槽內(nèi)的光阻層之后，對所述淺溝槽內(nèi)側(cè)壁的前一介質(zhì)層 進(jìn)行回拉刻蝕以增大所述淺溝槽的開口。
7. 如權(quán)利要求6所述的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述前一介質(zhì)層位 于淺溝槽側(cè)壁的寬度大于20A，所述前一介質(zhì)層的回拉刻蝕的距離大于10A。
8. 如權(quán)利要求1所述的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，填充在所述淺溝槽 中的各層介質(zhì)層的材質(zhì)完全相同、部分相同或者完全不同。
9. 如權(quán)利要求1所述的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述填充在所述淺 溝槽中的介質(zhì)層分別為氧化硅或者氮氧化硅或者氮化層和氧化硅層堆疊而成的結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】H01L21/762GK104319257SQ201410597402
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月29日
【發(fā)明者】鮑宇 申請人:上海華力微電子有限公司