專利名稱：淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)，特別是涉及利用化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)技術(shù)的淺凹槽隔離(STI)結(jié)構(gòu)的制造方法，適用于0.25μm以下特大規(guī)模集成電路(ULSI)制造工藝。
公知的集成電路是采局部硅氧化法(LOCOS/Local Oxidation ofSilicon)技術(shù)形成絕緣結(jié)構(gòu)。然而，在深亞微米制造工藝中，局部氧化法會導(dǎo)致絕緣結(jié)構(gòu)侵入(encroachment)主動區(qū)內(nèi)，即一般所謂”鳥嘴”現(xiàn)象。另外，當(dāng)氧化硅層被生長在硅表面時，局部氧化法也會產(chǎn)生不平坦的表面。
淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)(STI)技術(shù)是針對局部氧化法所做的一種改進(jìn)，已廣泛應(yīng)用在高密度互補(bǔ)式金屬氧化層半導(dǎo)體(CMOS/complementarymetal oxide semiconductor)電路的制造工藝中。通常，淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)工藝需先蝕刻一淺凹槽(0.5μm或更小)后，立即生長一薄氧化層。然后，藉由沉積氧化物的絕緣層填滿凹槽，同時也在基板上形成一表面氧化層。絕緣層可以經(jīng)過氧化處理、或于鈍氣環(huán)境下施行高溫退火處理后，予以“致密化”。最后，通常利用化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)工藝，以表面氧化層當(dāng)作為一犧牲層，對表面氧化層進(jìn)行平坦化處理。在蝕刻工藝施行前，通常會形成氮化硅層(SiNx)，由于氮化硅層與氧化層間的蝕刻選擇性，可作為化學(xué)機(jī)械研磨終止點；再者，在蝕刻硅基板成凹槽時，氮化硅層可作為一硬掩膜。為了保護(hù)主動區(qū)免于氮化，以獲得較好的控制，在氮化硅的沉積之前，通常會在基板表面以加熱成長或沉積方式形成墊氧化層，同時也可以在凹槽表面沉積具有良好的薄膜品質(zhì)的一氧化襯墊層(oxide liner)。
隨著凹槽的尺寸變小與半導(dǎo)體裝置密度更高，傳統(tǒng)的淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)工藝亦有其缺點。尤其是在化學(xué)機(jī)械研磨工藝期間，在氧化層填滿的凹槽處，經(jīng)常會有所謂的碟陷效應(yīng)(dishing effects)，而導(dǎo)致氮化硅留存在凹槽碟陷表面與基板主動區(qū)的表面、或是有氧化層殘留在氮化硅終止層上。
美國專利第5,741,740號揭示填滿硅基板內(nèi)凹槽的方法。它是先在硅基板中形成一凹槽后，加熱氧化硅基板形成一襯墊層。利用硅甲烷作為反應(yīng)材料，以等離子體輔助化學(xué)氣相沉積法(PECVD/plasmaenhanced chemical vapor deposition)于凹槽襯墊層上形成氧化硅中間層。最后，使用一臭氧氧化劑和一正硅酸乙酯(TEOS/tertra-ethyl-ortho-silicate)，透過臭氧輔助的次常壓熱化學(xué)氣相沉積法(SACVD/sub-atomospheric pressure thermal vapor deposition)，將填充層形成在氧化硅中間層上。
美國專利第5,643,822號揭示改善具凹槽絕緣結(jié)構(gòu)的場效晶體管裝置亞臨界漏電(sub-threshold leakage)的方法。它是在由氧化層所覆蓋的硅基板上，在所設(shè)置疊堆結(jié)構(gòu)內(nèi)形成一垂直槽溝(slot)后，將間隔物形成在槽溝的側(cè)壁上。然后在基板中蝕刻出一凹槽。在間隔物的去除之后，使得鄰近于凹槽的水平壁架(ledge)暴露出來，再垂直地對壁架進(jìn)行摻雜植入，去抑制裝置的邊緣導(dǎo)通。
美國專利第5,332,467號揭示利用化學(xué)/機(jī)械研磨使晶片表面平坦化的方法。它是在具有寬凹處的半導(dǎo)體晶片凹凸不平的表面上形成一第一層。再將一硬薄膜層形成于第一層上后，對第一層和硬薄膜層定義圖樣，形成研磨終止島狀物在寬凹處內(nèi)。然后，將第二層形成在凹凸不平的表面與研磨終止島狀物之上，產(chǎn)生供研磨的上表面，硬薄膜層較上表面和凹凸不平的表面兩者硬。上表面經(jīng)垂直方向研磨移除部份，直到上表面與研磨終止島狀物共面(co-planar)，最后，移除剩余的硬薄膜層，完成平坦的表面。
美國專利第5,643,823號揭示在淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)中使用氮化硅(SiNx)的薄結(jié)晶層作為O2障礙層者。由于結(jié)晶Si3N4較之非晶形Si3N4，可降低電子陷阱密度。形成Si3N4結(jié)晶薄膜于淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)(STI)結(jié)構(gòu)中包含下列步驟(1)藉由低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)在溫度720～780℃間，沉積厚度5～10nm的Si3N4薄膜于淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)(STI)結(jié)構(gòu)中；(2)立即施行1050～1150℃間的快速熱退火處理達(dá)60秒，將Si3N4薄膜從非晶體狀態(tài)轉(zhuǎn)換到結(jié)晶狀態(tài)。
上述公知技術(shù)是對淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)形成提供改進(jìn)之道。然而，對于化學(xué)機(jī)械研磨步驟中碟陷問題卻仍未有解決方案。就淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)及其平坦化的重要性而言，致力于淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)工藝的改進(jìn)，是個相當(dāng)重要的課題。
因此，為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明的目的，在于提供一種淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，適于施行化學(xué)機(jī)械研磨時利于平坦化，在毋需增加工藝復(fù)雜性與制造成本的前提下，消弭或減少碟陷效應(yīng)。另外，本發(fā)明方法也可以有效解決氮化硅和氧化層殘留的問題。
為獲致上述目的，本發(fā)明可藉由提供一種淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，適用于具有兩個相隔的主動區(qū)一硅基板上。首先，將一組合氮化硅層設(shè)置在主動區(qū)上，組合氮化硅層由至少二氮化硅層所組成，氮化硅層的化學(xué)機(jī)械研磨去除速率系隨著與硅基板的距離而增加。接著，于主動區(qū)間定義硅基板成淺凹槽后，將一犧牲填充氧化層設(shè)置于淺凹槽內(nèi)與組合氮化硅層上。然后，以化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)工藝對的犧牲填充氧化層施行平坦化處理。
組合氮化硅層是由硅/氮比例遞減的若干氮化硅層所組成，近于表面的層級具有較高的化學(xué)機(jī)械研磨去除速率，而越接近硅基板者，化學(xué)機(jī)械研磨去除速率越低。據(jù)此，可大幅改善淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)的平坦度。
為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征、和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下附圖簡單說明
圖1為顯示化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)施行前根據(jù)本發(fā)明的淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖2為顯示氮化硅的化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)去除速率和濕式蝕刻速率對于等離子體輔助化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室內(nèi)硅/氮比例的關(guān)系圖；以及圖3為顯示氮化硅的化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)去除速率和濕式蝕刻速率對于等離子體輔助化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室內(nèi)硅/氧比例的關(guān)系圖。
圖中符號說明1～主動區(qū)；2～淺凹槽；3～犧牲填充氧化層；以及，4～墊氧化層。
實施例本發(fā)明揭示淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)(STI)的CMP平坦化處理方法，即所謂淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)工藝的一部份。根據(jù)本發(fā)明的淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，可消除或減少以CMP處理淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的碟陷效應(yīng)，以消弭公知方法所導(dǎo)致的氮化硅與氧化層殘留問題。本發(fā)明的淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)制造方法，毋需增加方法復(fù)雜性，也不會增加的制造成本。
本發(fā)明方法有別于公知方法，它不采用具有均勻特性的研磨終止層，而改采組合氮化硅(composite SiNx)，其化學(xué)機(jī)械研磨去除速率是隨著與硅基板的距離而增加。本發(fā)明的方法大幅簡化藉由調(diào)整在等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)反應(yīng)室中在SiH4(或TEOS)與NH3(或N2)氣體的間的比例。當(dāng)欲在硅表面時沉積組合氮化硅層，將反應(yīng)室中NH3(或N2)氣體的比例增加，使得化學(xué)機(jī)械研磨去除速率隨著與硅基板的距離而增加。
組合氮化硅層由硅/氮比例遞減的若干氮化硅層所組成，近于表面的層級具有較高的化學(xué)機(jī)械研磨去除速率，而越接近硅基板者，化學(xué)機(jī)械研磨去除速率越低。據(jù)此，可大幅改善淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)的平坦度。
另外，本發(fā)明尚提出使用等離子體輔助化學(xué)氣相于填充氧化層表面上沉積組合TEOS氧化層的方法。組合氧化硅層由硅/氧比例遞減的若干氧化硅層所組成，近于表面的層級具有較高的化學(xué)機(jī)械研磨去除速率，而越接近硅基板者，化學(xué)機(jī)械研磨去除速率越低。通常，在等離子體輔助化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室中，是藉由調(diào)整SiH4(或TEOS)與N2O(或O2)氣體間的比例調(diào)整組合氧化層的硅/氧比例。
圖1是是顯示根據(jù)本發(fā)明在化學(xué)機(jī)械研磨施行前淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)的剖面圖示。圖標(biāo)中，淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)具有一組合氮化硅層與一組合TEOS氧化層，組合氮化硅層包括兩個氮化硅層SiN-1和SiN-2，組合TEOS氧化層包括兩個TEOS氧化層TEOS-1和TEOS-2。SiN-1化學(xué)機(jī)械研磨去除速率低于SiN-2者，TEOS-1化學(xué)機(jī)械研磨去除速率低于TEOS-2者。圖1亦顯示硅基板1內(nèi)兩個主動區(qū)2之間設(shè)置有一淺凹槽2。標(biāo)號3代表一填充氧化層3，主要是填充于淺凹槽2內(nèi)。在圖1中，亦顯示有一墊氧化層4在氮化硅層SiN-1和主動區(qū)2之間。
圖2顯示氮化硅的化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)去除速率和濕式蝕刻速率對于等離子體輔助化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室內(nèi)硅/氮比例的關(guān)系圖。圖3為顯示氮化硅的化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)去除速率和濕式蝕刻速率對于等離子體輔助化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室內(nèi)硅/氧比例的關(guān)系圖。根據(jù)圖2和圖3，便可以形成所需的組合氮化硅層或組合TEOS層。本發(fā)明的方法可獲致許多優(yōu)點，包括(1)藉由調(diào)整等離子體輔助化學(xué)氣相沉積條件，多層級的化學(xué)機(jī)械研磨終止層可包含一超低化學(xué)機(jī)械研磨去除速率的氮化硅終止層，避免化學(xué)機(jī)械研磨工藝期間對主動區(qū)的傷害。
(2)相較于犧牲TEOS層，多層級化學(xué)機(jī)械研磨終止層包含一相對高化學(xué)機(jī)械研磨去除速率的氮化硅終止層，可將在寬凹處的碟陷效應(yīng)減至最小。
(3)在過研磨階段，相對地高化學(xué)機(jī)械研磨氮化硅層去除速率的設(shè)置，可減少氮化硅終止層上氧化層的殘留問題。
(4)多層級犧牲氧化層可獲致超高化學(xué)機(jī)械研磨去除速率，增加化學(xué)機(jī)械研磨和化學(xué)氣相沉積(CVD)的生產(chǎn)效率(throughput)。
(5)多層級犧牲氧化層包含低化學(xué)機(jī)械研磨去除速率者，可將寬凹處碟陷效應(yīng)減至最小。
(6)組合氮化硅和組合氧化層兩者的特性，毋需增加工藝復(fù)雜性，而藉由調(diào)整反應(yīng)氣體的比例，即可獲致極佳的操作條件和結(jié)果。
下文將列舉若干實施例，做進(jìn)一步解釋與描述，卻非用以限制本發(fā)明。
實施例一本例中，在等離子體輔助化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室內(nèi)，調(diào)整含硅氣體SiH4和含氮氣體N2間的氣體流量比例，使組合氮化硅層包含五種硅/氮比例的氮化硅層。下表一所列，即五種硅/氮比例的氮化硅層的張拉應(yīng)力(tensile stress)、密度、蝕刻速率(在NH4F緩沖的HF濕式蝕刻液內(nèi))、化學(xué)機(jī)械研磨去除速率等的測試結(jié)果。
表一如顯示在表一中，當(dāng)硅/氮比例在等離子體輔助化學(xué)氣相沈積工藝增加時，氮化硅層的蝕刻速率和化學(xué)機(jī)械研磨去除速率便降低。
實施例二本例中，在等離子體輔助化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室內(nèi)，調(diào)整含硅氣體SiH4和含氧氣體O2間的氣體流量比例，使組合氧化硅層包含五種硅/氧比例的氧化硅層。下表一所列，即五種硅/氧比例的氧化硅層的張拉應(yīng)力(tensile stress)、密度、蝕刻速率(在NH4F緩沖的HF濕式蝕刻液內(nèi))、化學(xué)機(jī)械研磨去除速率等的測試結(jié)果。
表二如顯示在表二中，當(dāng)硅/氧比例在等離子體輔助化學(xué)氣相沈積工藝增加時，TEOS氧化層的蝕刻速率和化學(xué)機(jī)械研磨去除速率便會降低。
實施例三若將淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)的組合氮化硅和組合TEOS氧化層以上述方式形成。則經(jīng)過化學(xué)機(jī)械研磨處理后，以掃描式電子顯微鏡(SEM)檢視，呈現(xiàn)絕佳的蝕刻終止效果，亦無氧化層殘留問題。
雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟知本領(lǐng)域技術(shù)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求并結(jié)合說明書與附圖所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，適用于具有兩個相隔的主動區(qū)一硅基板；該制造方法包括下列步驟(a)一組合氮化硅層設(shè)置在該主動區(qū)上，該組合氮化硅層由至少二氮化硅層所組成，該氮化硅層的化學(xué)機(jī)械研磨去除速率是隨著與該硅基板的距離而增加；(b)一淺凹槽設(shè)置于該主動區(qū)間；(c)一犧牲填充氧化層設(shè)置于該淺凹槽內(nèi)與該組合氮化硅層上；以及(d)以化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)制程對的犧牲填充氧化層施行平坦化處理。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(a)包括于一等離子體輔助化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室內(nèi)，沉積一氮化硅層于該硅基板上，該離子體輔助化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室具有含硅成分與含氮成分，成一硅/氮比例；以及減少該硅/氮比例沉積另一氮化硅層。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于該硅成分是SiH4或TEOS，該含氮成分是NH3或N2。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該組合氮化硅層是利用一光阻所形成。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該淺凹槽的是利用該組合氮化硅層作為一蝕刻掩膜經(jīng)蝕刻定義而得。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在步驟(a)與(b)之間，尚包括以熱氧化法將一墊氧化層設(shè)置于該硅基板表面。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在步驟(b)與(c)之間，尚包括將一薄氧化襯墊層設(shè)置于該淺凹槽表面。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在步驟(b)與(c)之間，尚包括將一組合氧化層設(shè)置在該犧牲填充氧化層表面。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于該組合氧化硅層由至少兩層氧化硅層所組成，該氧化硅層的化學(xué)機(jī)械研磨去除速率是隨著與該硅基板的距離而增加。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于形成該組合氧化硅層的步驟包括于一等離子體輔助化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室內(nèi)，沉積一氧化硅層于該犧牲填充氧化層上，該等離子體輔助化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室具有含硅成分與含氧成分，成一硅/氧比例；以及減少該硅/氧比例沉積另一氮化硅層。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于該含硅成分是SiH4或TEOS，該含氧成分是N2O或O2。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于該組合氮化硅層中該氮化硅層一者的化學(xué)機(jī)械研磨去除速率，不低于超過該組合氧化層中該氧化層一者的化學(xué)機(jī)械研磨去除速率20％。
13.一種半導(dǎo)體裝置的淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)制造方法，適用于具有兩個相隔的主動區(qū)一硅基板；該制造方法包括下列步驟(a)一組合氮化硅層設(shè)置在該等主動區(qū)上，該組合氮化硅層由至少二氮化硅層所組成，該氮化硅層的化學(xué)機(jī)械研磨去除速率是隨著與該硅基板的距離而增加；(b)一淺凹槽設(shè)置于該主動區(qū)間；(c)一犧牲填充氧化層設(shè)置于該淺凹槽內(nèi)與該組合氮化硅層上；以及(d)以化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)制程對的犧牲填充氧化層施行平坦化處理。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于步驟(a)包括于一等離子體輔助化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室內(nèi)，沉積一氮化硅層于該硅基板上，該等離子體輔助化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室具有含硅成分與含氮成分，成一硅/氮比例；以及減少該硅/氮比例沉積另一氮化硅層。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于該硅成分是SiH4或EOS，該含氮成分是NH3或N2。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于在步驟(b)與(c)之間，尚包括將一組合氧化層設(shè)置在該犧牲填充氧化層表面。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于該組合氧化硅層由至少兩層氧化硅層所組成，該氧化硅層的化學(xué)機(jī)械研磨去除速率是隨著與該硅基板的距離而增加。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于形成該組合氧化硅層的步驟包括于一等離子體輔助化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室內(nèi)，沉積一氧化硅層于該犧牲填充氧化層上，該等離子體輔助化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室具有含硅成分與含氧成分，成一硅/氧比例；以及減少該硅/氧比例沉積另一氮化硅層。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于該含硅成分是SiH4或TEOS，該含氧成分是N2O或O2。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于該組合氮化硅層中氮化硅層的化學(xué)機(jī)械研磨去除速率，不低于超過該組合氧化層中氧化層的化學(xué)機(jī)械研磨去除速率20％。
全文摘要
一種淺凹槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法。首先,將組合氮化硅沉積到硅基板上,再以組合氮化硅作為硬掩膜,對硅基板施以蝕刻形成一淺凹槽。然后,用CVD法,在淺凹槽與組合氮化硅表面上沉積填充氧化層。再使用化學(xué)機(jī)械研磨工藝,以組合氮化硅作為化學(xué)機(jī)械研磨終止點,對填充氧化層施行平坦化處理。
文檔編號H01L21/70GK1383201SQ01109789
公開日2002年12月4日 申請日期2001年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月24日
發(fā)明者林啟發(fā), 曾偉志, 馮明憲 申請人:華邦電子股份有限公司