專利名稱：淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的方法；具體而言，本發(fā)明是一種 用于半導(dǎo)體元件工藝中的形成內(nèi)含空孔可釋放結(jié)構(gòu)應(yīng)力的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu) 的方法。
背景技術(shù)：
于高晶體管積集程度(transistor integrity)的半導(dǎo)體元件工藝中，目前 常使用淺溝槽隔離(shallow trench isolation)技術(shù)以隔離晶體管。有關(guān)于此 一習(xí)知的淺溝槽隔離技術(shù)，首先參考圖1A,于一基底11上依序形成一墊氧 化層13 (pad oxide layer)及一墊氮化層15 (pad nitride layer )，其中可以通 過熱氧化(thermal oxidation)工藝形成塾氧化層13,以低壓化學(xué)氣相沉積 (Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD )工藝形成墊氮化層15。 之后，形成一具有有源區(qū)域(active area)圖案的圖案化光阻層17 ( patterned photoresist layer)于墊氧化層15上。其后，參考圖1B，以干法蝕刻工藝從基底11上移除未被圖案化光阻層 17保護(hù)的墊氧化層13及墊氮化層15以暴露部分基底11。之后，參閱圖1C, 移除圖案化光阻層17。然后，于經(jīng)暴露的部分基底11處，以干法蝕刻工藝 移除部分基底ll，形成一具適當(dāng)深度的溝槽(trench) 19。繼續(xù)參考圖1D，進(jìn)行填溝(trench filling)工藝。于此，通常先進(jìn)行一 熱氧化工藝以于溝槽19內(nèi)壁形成一薄氧化層，稱為襯底氧化層(liner oxide) 21。再利用適宜的沉積法，例如低壓化學(xué)氣相沉積法，沉積一層氧化硅(Si02) 23并填入溝槽19中。最后，參考圖1E，進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)以移除 多余的氧化硅23，再進(jìn)行濕式蝕刻移除墊氧化層13及墊氮化層15,完成淺 溝槽隔離工藝。上述填溝工藝所產(chǎn)生的填溝品質(zhì)將影響淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的隔離效果。如 圖1F所示，若因填溝工藝使用具較差階梯覆蓋(stepcoverage)效能的方式，或因溝槽的溝槽深寬比(aspect ratio)過高，于填溝工藝中產(chǎn)生非共形沉積 (non-conformal deposition ), 4吏才尋沉積層產(chǎn)生突懸(overhang),此將于溝沖曹 中產(chǎn)生空孔(void) 25。若空孔25位于基底11表面附近，則于完成圖IE 的工藝后，在淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的表面上將出現(xiàn)一凹洞27。于后續(xù)制造半導(dǎo)體 元件的工藝中，此一 凹洞27可能被填入導(dǎo)電材料，而導(dǎo)致字線(word line ) 間的短3各。為避免上述因填溝過程所產(chǎn)生表面凹洞所致的短路問題，業(yè)界已發(fā)展出 幾種解決方案例如(1 )利用SOG涂布(spin on glass coating)方式，將 高流動性的二氧化硅流入溝槽中，以填滿溝槽；(2)于填溝工藝中，先沉積 氧化硅至一適當(dāng)深度后，對填溝的氧化硅進(jìn)行部分蝕刻以減少非共形沉積的 影響，之后再進(jìn)行剩余的氧化硅沉積工藝；或(3)如美國專利第6861333 號所揭示，先于溝槽底部形成一氧化層以減少溝槽的深寬比，之后再進(jìn)行填 溝工藝。然而，前述的幾種解決方案雖可避免于溝槽中形成空孔，但均使得工藝 復(fù)雜化，不符成本效益。于此，近年來于高集成度半導(dǎo)體元件的工藝中，在 溝槽內(nèi)適當(dāng)位置處形成一孔洞以降低基底內(nèi)應(yīng)力已成為一趨勢。有鑒于此， 提供一形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的方法， 一方面避免形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)后于其 表面形成凹洞，引起導(dǎo)致字線間短路的問題，另一方面亦可于溝槽中產(chǎn)生一 合宜的孔洞以降低基底內(nèi)應(yīng)力，乃為此一業(yè)界所殷切期盼者。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一目的在于提供一種形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的方法，包含提供 一基板并于該基板上形成一上寬下窄的溝槽；形成一第一介電層以覆蓋該溝 槽內(nèi)壁之上部；執(zhí)行一第一蝕刻工藝，以使未被該第一介電層覆蓋的溝槽內(nèi) 壁后退；移除該第一介電層；以及，形成一第二介電層以覆蓋該溝槽并于該 溝槽內(nèi)形成一空孔。本發(fā)明的另一目的在于提供一種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，其包含 一基板；一 溝槽設(shè)于該基板中，其中，該溝槽具有一較其開口處的寬度狹窄的腰部；一 第二介電材料覆于該溝槽開口 ；以及一空孔存于該溝槽內(nèi)。依據(jù)本發(fā)明所揭露的技術(shù)，將使得淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)中的適當(dāng)位置存在一 空孔，既無字線間短路的問題，且可提供應(yīng)力釋放的效益。為讓本發(fā)明之上述目的、技術(shù)特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文系以優(yōu) 選實(shí)施例配合所附圖式進(jìn)行詳細(xì)說明。


圖1A至1E是習(xí)知形成淺溝槽隔離的步驟示意圖；圖1F是習(xí)知形成淺溝槽隔離的步驟中形成一有害的孔洞示意圖；圖1G是習(xí)知淺溝槽隔離的表面形成一有害的凹洞示意圖；以及圖2至6D是本發(fā)明形成具有合宜孔洞的淺溝槽隔離的步驟示意圖。主要元件符號說明11、 201基底 13、 203 墊氧化層15、 205墊氮化層17、 209 圖案化光阻層19、 211溝槽 21、 215 襯底氧化層23氧化硅25、 219 空孔27凹洞 207基板213第一介電層217第二介電層具體實(shí)施方式
首先利用習(xí)知工藝于基板中形成一實(shí)質(zhì)上具有一上寬下窄的溝槽。詳細(xì) 言的，參考圖2A,于一基底201上依序形成一墊氧化層203及一墊氮化層 205,以獲得具有基底201、墊氧化層203及墊氮化層205的一基板207。其 中，形成墊氧化層203的方式可例如(但不以此為限)于不含水氣的含氧 環(huán)境中，在于一適當(dāng)溫度下對基底201進(jìn)行熱氧化處理工藝；另外，墊氮化 層205則可采用例如(但不以此為限)低壓化學(xué)氣相沉積工藝以提供。墊氧 化層203及墊氮化層205的總厚度通常為80至200納米(nm)，較佳為90 至120納米(nm ),例如約100納米(nm )。之后，于基板207上形成一具有有源區(qū)域圖案的圖案化光阻層209,此 可利用光刻(photolithography )工藝的方式進(jìn)行。例如(但不以此為限)可 采用以下步驟首先于基板207的表面覆上一層感光(photosensitive )材料， 此即所謂的光阻層。透過一光掩模(mask),使一光線照射于光阻層上以進(jìn) 行曝光。于此，由于光掩模上具有源區(qū)域的圖案，將使光阻層的曝光具有選 擇性(selective),同時(shí)藉此將有源區(qū)域的圖案完整地傳遞至光阻層上。最后，利用合宜的顯影劑(developer)以移除部分感光材料，使光阻層顯現(xiàn)有源區(qū) 域的圖案。如此，可于基板207上形成具有有源區(qū)域圖案的圖案化光阻層 209。其后，參考圖2B,利用一合宜的蝕刻工藝(例如，使用氟化物等離子 體(plasma)以進(jìn)行一具非等向性的干法蝕刻)，從基底201上移除未被圖 案化光阻層209保護(hù)的墊氧化層203及墊氮化層205 ，以便暴露部分基底201 。 接著將基板207上的圖案化光阻層209全部移除。通常使用氧氣等離子體搭 配一合宜蝕刻液以進(jìn)行一灰化(ashing)步驟，移除圖案化光阻層209。惟 前述并非唯一方式，亦可使用如臭氧等離子體搭配含氟氣體，或以其他合宜 方式來進(jìn)行該灰化步驟。然后參閱圖2C，于經(jīng)暴露的部分基底201處，利用例如干法蝕刻的合 宜蝕刻工藝，以移除部分基底201，并且形成一具有適當(dāng)深度的溝槽211， 其具上寬下窄的形態(tài)。 一般而言，自基底201的表面至溝槽底部計(jì)，溝槽211 的深度通常為200至300納米(nm ),較佳為200至250納米(nm )，例如 約220納米(nm)。參考圖3，采用例如等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)的合宜工藝(但不以此為限)，配合使 用如四乙氧基硅烷(TEOS， tetraethoxysilane)的合宜材料，并控制沉積條 件，以具有較差階梯覆蓋(step coverage)效能的方式非共形沉積 (non-conformal deposition) —第一介電層213于基板207上以及覆蓋溝槽 211內(nèi)壁的上部。第一介電層213通常為一氧化層，但不以此為限，亦可為 高分子材料或其他介電材料。第一介電層213于基板207上的厚度通常為10 至30納米(nm),較佳為15至25納米(nm )，例如約20納米(nm )。繼續(xù)參考圖4，執(zhí)行一第一蝕刻工藝，以使未被第一介電層213覆蓋的 溝槽211內(nèi)壁后退(pull back)。特定言之，可藉由于未被第一介電層213覆 蓋的溝槽211內(nèi)壁的下部執(zhí)行一第一蝕刻工藝，以移除溝槽211下部未被該 第一介電層213覆蓋的部分基底201，從而使未被該第一介電層覆蓋的溝槽 內(nèi)壁后退(pull back )。此第一蝕刻工藝可為一濕式蝕刻，但不以此為限。以 濕式蝕刻為例，可使用例如含氨水(NH4OH)的第一蝕刻液，于一適宜溫度 下(例如攝氏55至75度(°C )間的溫度)進(jìn)行蝕刻。于此，于圖3的步驟 中，可能會有少部分第一介電層213沉積于例如溝槽211內(nèi)壁下部的非所欲區(qū)域。為避免此一現(xiàn)象影響第一蝕刻工藝的蝕刻結(jié)果，可于進(jìn)行第一蝕刻工藝之前，先進(jìn)行一第二蝕刻工藝，以移除沉積于溝槽211內(nèi)、但不在溝槽211 內(nèi)壁上部的非所欲第一介電層213。第二蝕刻工藝可為一濕式蝕刻，但不以 此為限。以濕式蝕刻為例，當(dāng)基底201的材料為硅且第一介電層213的材料 為氧化硅，可使用一含氬氟酸(HF)(但不以此為限)的第二蝕刻液，以移 除沉積于溝槽211下部的內(nèi)壁上的第一介電層213,其后再進(jìn)行前述第一蝕 刻工藝。參考圖5,進(jìn)行一第三蝕刻工藝以全面移除第一介電層213，于溝槽211 之上部及下部的交界處呈現(xiàn)一實(shí)質(zhì)上寬度較溝槽211的開口處狹窄的一腰部 (如圖中虛線圈起處所示)。為達(dá)此目的，第三蝕刻工藝可為一干法蝕刻工 藝，或使用如含氫氟酸的合宜蝕刻液為一第三蝕刻液所進(jìn)行的濕式蝕刻工藝最后，進(jìn)行填溝工藝。于此，可視需要先選擇性包含于溝槽內(nèi)壁形成一 薄氧化層，亦即襯底氧化層(liner oxide )。以下將以形成此一薄氧化層為例 進(jìn)行說明。具體而言，參考圖6A，先進(jìn)行一如熱氧化處理的合宜工藝(但 不以此為限)于溝槽內(nèi)壁形成一襯底氧化層215。繼續(xù)參考圖6B，利用適宜 沉積法將介電材料(例如氧化硅，但不以此為限)沉積于基板207上并覆蓋 溝槽211的開口，以形成一第二介電層217。其中，于沉積介電材料的過程 中，由于溝槽211腰部處的寬度較小，沉積于溝槽211內(nèi)壁上的介電材料將 逐漸于腰部處相接觸，并封閉溝槽211下部。如此，將于溝槽211下部形成 一包覆于內(nèi)的空孔219。以第二介電層217為氧化硅層為例，可使用高密度 等離子體化學(xué)氣相沉積(High density plasma CVD )工藝以形成第二介電層 217,但亦可藉由例如使用TEOS的低壓化學(xué)氣相沉積法、使用臭氧/TEOS 的半大氣壓化學(xué)氣相沉積(Semi-Atmospheric Pressure CVD )、或其他適宜的 化學(xué)氣相沉積法以提供第二介電層217。參考圖6C，當(dāng)封閉溝槽211下部之后，溝槽211上部將可視為一具有 較小深寬比的一小溝槽。填溝工藝持續(xù)進(jìn)行，由于溝槽211上部具有較小深 寬比，因此溝槽211上部將具有較佳的填溝品質(zhì)，其內(nèi)將不會產(chǎn)生不必要的 孔洞。如此，于填溝工藝完成后，第二介電層217將覆蓋溝槽211的開口且 于溝槽211內(nèi)部形成一可供釋放應(yīng)力的空孔219。最后參考圖6D,對填溝完 成的基板207進(jìn)行如化學(xué)機(jī)械研磨工藝以移除多余的第二介電層217,再進(jìn)行如濕式蝕刻的合宜蝕刻工藝，移除墊氧化層203及墊氮化層205，完成淺 溝槽隔離工藝。依據(jù)上述步驟，可于基底201中所形成一淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)。亦即于基底 201中存在一溝槽211,其具有一較其開口處的寬度狹窄的腰部。 一介電材 料(亦即上述的第二介電層217)覆于溝槽211的開口。而一空孔219則存 于溝槽211,其位置低于該腰部。綜上所述，本發(fā)明藉由使溝槽具有一較溝槽開口狹窄的腰部的手段，可 有效于溝槽下部形成一空孔，以供釋放應(yīng)力，并使溝槽之上部具有較佳的填 溝品質(zhì)，不致于淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的表面形成凹洞，避免字線間的短路的問題。上述實(shí)施例僅為例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，以及闡釋本發(fā)明的 技術(shù)特征，而非用于限制本發(fā)明的保護(hù)范疇。任何熟悉本技術(shù)者的人士均可 在不違背本發(fā)明的技術(shù)原理及精神的情況下，可輕易完成的改變或均等性的安排均屬于本發(fā)明所主張的范圍。因此，本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍應(yīng)如所述的 權(quán)利要求所列。
權(quán)利要求
1、一種形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的方法，包含提供一基板；于該基板上形成一上寬下窄的溝槽；形成一第一介電層，以覆蓋該溝槽內(nèi)壁的上部；執(zhí)行一第一蝕刻工藝，以使未被該第一介電層覆蓋的溝槽內(nèi)壁后退；移除該第一介電層；以及形成一第二介電層以覆蓋該溝槽并于該溝槽內(nèi)形成一空孔。
2、 如權(quán)利要求1的方法，其中該基板由下而上依序包含基底、墊氧化 層及墊氮化層。
3、 如權(quán)利要求1的方法，其中該形成該第一介電層的步驟包含執(zhí)行一 非共形沉積。
4、 如權(quán)利要求3的方法，其中該執(zhí)行該非共形沉積包含執(zhí)行一等離子 體輔助化學(xué)氣相沉積。
5、 如權(quán)利要求3的方法，其中該非共形沉積是一使用四乙氧基硅烷所 進(jìn)行的化學(xué)氣相沉積。
6、 如權(quán)利要求l的方法，其中該第一蝕刻工藝采用一含氨水(NH4OH) 的第一蝕刻液。
7、 如權(quán)利要求6的方法，其中該第一蝕刻工藝于55至75攝氏度間執(zhí)行。
8、 如權(quán)利要求1的方法，還包含于該第一蝕刻工藝之前進(jìn)行一第二蝕 刻工藝，以移除位于溝槽內(nèi)、但不在該溝槽內(nèi)壁上部的該第一介電層。
9、 如權(quán)利要求8的方法，其中該第二蝕刻工藝采用一包含氫氟酸的一 第二蝕刻液。
10、 如權(quán)利要求l的方法，其中該移除該第一介電層步驟包含一干法蝕 刻操作。
11、 如權(quán)利要求l的方法，其中該移除該第一介電層步驟包含使用一含 氫氟酸的第三蝕刻液所進(jìn)行的蝕刻操作。
12、 如權(quán)利要求l的方法，其中該形成該第二介電層的步驟包含進(jìn)行一 高密度等離子體化學(xué)氣相沉積。
13、 如權(quán)利要求l的方法，其中該形成該第二介電層的步驟前還包含于該溝槽的內(nèi)壁上形成一氧化層。
14、 如權(quán)利要求l的方法，其中該第一介電層為一氧化層。
15、 如權(quán)利要求1的方法，其中該第一介電層于該基板上的厚度為10 至30納米。
16、 如權(quán)利要求1的方法，其中該第一介電層于該基板上的厚度為15 至25納米。
17、 如權(quán)利要求l的方法，其中該第二介電層為一氧化層。
18、 一種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，包含 一基板；一溝槽設(shè)于該基板中，其中，該溝槽具有一較其開口處的寬度狹窄的腰部； 一第二介電材料覆于該溝槽開口；以及一空孔存于該溝槽內(nèi)。
19、 如權(quán)利要求18的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，其中該基板由下而上依序包含 基底、墊氧化層及墊氮化層。
20、 如權(quán)利要求19的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，其中該墊氧化層及該塾氮化層 的總厚度為80至200納米。
21、 如權(quán)利要求19的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，其中該墊氧化層及該墊氮化層 的總厚度為90至120納米。
22、 如權(quán)利要求19的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，其中該溝槽的深度自該基底表 面至該溝槽的底部為200至300納米。
23、 如權(quán)利要求19的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，其中該溝槽的深度自該基底表 面至該溝槽的底部為200至250納米。
24、 如權(quán)利要求18的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，其中該第二介電材料為一氧化 材料。
25、 如權(quán)利要求18的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，其中該空孔的位置低于該腰部。
26、 如權(quán)利要求18的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，其中該溝槽的內(nèi)壁上還包含一氧化層。
全文摘要
一種形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)及其形成方法，該方法包含提供一基板；于該基板上形成一上寬下窄的溝槽；形成一第一介電層以覆蓋該溝槽內(nèi)壁的上部；執(zhí)行一第一蝕刻工藝，以使未被該第一介電層覆蓋的溝槽內(nèi)壁后退；移除該第一介電層；以及形成一第二介電層以覆蓋該溝槽并于該溝槽內(nèi)形成一空孔。
文檔編號H01L21/762GK101335229SQ200710126340
公開日2008年12月31日 申請日期2007年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月29日
發(fā)明者洪國翔, 陳全基 申請人:茂德科技股份有限公司