專利名稱：一種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件制造領(lǐng)域，特別涉及一種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法。
背景技術(shù)：
目前，半導(dǎo)體集成電路的(IC)器件通常包括硅材料的半導(dǎo)體襯底上的各種分立電路元件(discrete circuit elements) 0這些分立電路元件要求彼此相互隔離從而能夠獨(dú)立工作而不受到其他元件狀態(tài)的影響，并且通過布線層(wiring layers)使分立電路元件相互連接實(shí)現(xiàn)通信。一種隔離分立電路元件的隔離技術(shù)是硅的局部氧化(L0C0Q技術(shù)。 隨著半導(dǎo)體集成電路中器件集成度的提高，LOCOS技術(shù)由于鳥嘴效應(yīng)等方面的原因不再適用于分立電路元件的隔離。因此，現(xiàn)在普遍采用淺溝槽隔離(Shallow Trench Insulation, STI)技術(shù)代替LOCOS技術(shù)。淺溝槽隔離技術(shù)的重點(diǎn)是形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，在申請日為 1997年2月25日的專利號為5721173美國專利文件中公開了一種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制作方法，結(jié)合圖加 2g，詳細(xì)說明圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，其步驟如下步驟101、在提供的晶片(wafer) 201器件面上沉積第一掩膜層，并對所述第一掩膜層和晶片光刻后刻蝕，在所述晶片形成溝槽203。本步驟中，晶片是硅材料襯底或硅材料或其他材料襯底上外延生長的外延層。所述第一掩膜層202的材料可以是多晶硅或氮化硅。以第一氮化硅層202為例，采用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)的方法沉積的第一氮化硅層的厚度范圍是1000埃到1500埃。本步驟中，光刻是指先在晶片的器件面涂抹一層光刻膠，然后按照需要的掩模板圖案進(jìn)行曝光和顯影使光刻膠圖案化。本步驟中，刻蝕去除沒有被光刻膠圖案覆蓋的部分第一氮化硅層，并在去除了第一氮化硅層的襯底位置形成溝槽，刻蝕之后去除殘留的光刻膠，如圖加所示。步驟102、在所述溝槽中以及第一氮化硅層202上沉積電介質(zhì)，例如二氧化硅。本步驟中，可以先在所述溝槽的溝槽壁(trench wall)表面熱氧化沉積二氧化硅襯墊(liner)再在二氧化硅襯墊上沉積電介質(zhì)，其中，所述二氧化硅襯墊的厚度為幾十埃。本步驟中，所述沉積二氧化硅的方法是高密度等離子體化學(xué)氣相沉積(HDPCVD)、 電子回旋加速共振(Electron Cyclotron Resonance, ECR)等離子體CVD或普通CVD ；沉積的二氧化硅填充溝槽的同時(shí)也會在第一氮化硅層上沉積，得到圖2b，其中，包括溝槽中的二氧化硅204和第一氮化硅層上的二氧化硅205，二氧化硅襯墊未畫出。本步驟中，沉積二氧化硅之后，采用濕法刻蝕去除部分二氧化硅，露出一定寬度的第一氮化硅層，得到圖2C，其中，標(biāo)示出第一氮化硅層的厚度A，溝槽深度B，溝槽中二氧化硅與二氧化硅襯墊的厚度之和C，和露出的第一氮化硅層寬度x，露出第一氮化硅層的原因是刻蝕后第一氮化硅層上的二氧化硅的側(cè)面(side surface)會向背離其相鄰溝槽的方向縮進(jìn)，從而露出一部分第一氮化硅層。
本步驟中，第一氮化硅層的厚度，溝槽深度，溝槽中二氧化硅與二氧化硅襯墊的厚度之和以及露出的第一氮化硅層寬度滿足關(guān)系x > 0，且A+B > C > B。步驟103、所述二氧化硅表面CVD沉積第二掩膜層。本步驟中，如圖2d所示，所述第二掩膜層可以是多晶硅或氮化硅。以第二氮化硅層206為例，沉積第二氮化硅層的方法是CVD，為了確保第二氮化硅層完全包裹二氧化硅表面，其沉積厚度約為4000埃。步驟104、化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polishing, CMP)去除部分所述
第二氮化硅層206，露出第一氮化硅層上的二氧化硅層205表面。本步驟中，CMP是把晶片表面和拋光墊相接觸，在晶片和拋光墊之間加入磨料，并同時(shí)施加壓力，通過晶片和拋光墊之間的相對運(yùn)動使磨料和片表面的材料產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)。CMP去除部分第二掩膜層是指去除覆蓋在第一氮化硅層上二氧化硅表面的第二氮化硅層。對第二氮化硅層和硅氧化硅的拋光速率選擇比設(shè)定為200 1。其中，控制CMP的拋光墊的壓力是26. 206千帕斯卡(3. 8磅每平方英寸)，拋光時(shí)間范圍是20秒到70秒。如圖 2d所示?？梢?，留在第一氮化硅層上的第二氮化硅層起到使溝槽中的二氧化硅和第一氮化硅層上的二氧化硅彼此隔離的作用。但是，CMP的過程對其研磨對象的平坦度的一致性影響會隨CMP進(jìn)行的時(shí)間的增加而增大，即其對第二氮化硅層的去除過程會使第二氮化硅層下方的二氧化硅表面的平坦度下降，造成缺陷，稱為凹陷(dishing)效應(yīng)。而且，拋光墊的壓力會對如圖加中所示的鄰近溝槽之間的金字塔型二氧化硅205的頂端造成破壞，無法保持完整，其最終結(jié)果是在后續(xù)去除二氧化硅205以及殘留的第一、第二掩膜層時(shí)，這種缺陷會傳遞下去，使溝槽中二氧化硅204的表面出現(xiàn)起伏，嚴(yán)重影響淺溝槽隔離的效果。因此，對第二掩膜層的CMP時(shí)間越長，壓力越大，造成凹陷效應(yīng)越明顯。步驟105、第一濕法刻蝕第一氮化硅層上的二氧化硅。本步驟中，所述第一濕法刻蝕可以用稀釋后的氫氟酸溶液或氫氟酸與氟化銨混合溶液，例如，用氫氟酸與水的比例為1 100的稀釋后的氫氟酸溶液，或混合比為1 6的氫氟酸與氟化銨混合溶液，由于所用溶液對二氧化硅和氮化硅刻蝕速率的高選擇比，如氫氟酸溶液為3 1，氫氟酸與氟化銨混合溶液為20 1，從而達(dá)到完全去除第一氮化硅層上的二氧化硅，但保留第二氮化硅層的目的；其中，第二氮化硅層作為第一濕法刻蝕的掩膜層，保證溝槽中的二氧化硅不被刻蝕，如圖2f所示。步驟106、去除殘留的第一掩膜層和第二掩膜層。本實(shí)施例中，此步驟為第二濕法刻蝕殘留的第二氮化硅層和第一氮化硅層。所述第二濕法刻蝕是用溫度為200攝氏度的熱磷酸溶液，其對二氧化硅和氮化硅刻蝕速率的選擇比為1 34，對刻蝕終點(diǎn)的控制準(zhǔn)確，最終在溝槽中得到淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，如圖2g所示， 至此完成淺溝槽隔離技術(shù)的工藝步驟。但是，由于上述的缺陷傳遞效應(yīng)，對第二掩膜層的CMP時(shí)間過長、壓力過大往往會降低淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)中的二氧化硅表面平坦度，甚至無法滿足對分立電路元件的隔離要求。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明解決的技術(shù)問題是對第二掩膜層的CMP時(shí)間過長、壓力過大往往會降低淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)中的二氧化硅表面平坦度，甚至無法滿足對分立電路元件的隔離要求。為解決上述問題，本發(fā)明的技術(shù)方案具體是這樣實(shí)現(xiàn)的一種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，該方法包括在提供的晶片上沉積第一掩膜層，刻蝕所述第一掩膜層和晶片，在晶片形成溝槽；所述溝槽中以及第一掩膜層上沉積電介質(zhì)，并刻蝕所述電介質(zhì)，露出部分第一掩
膜層；所述電介質(zhì)表面保角沉積第二掩膜層，所述第二掩膜層的厚度范圍是300埃到 600 埃；化學(xué)機(jī)械拋光所述第二掩膜層，露出第一掩膜層上的電介質(zhì)表面；第一濕法刻蝕去除第一掩膜層上的電介質(zhì)；第二濕法刻蝕去除殘留的第一掩膜層和第二掩膜層。
所述第一掩膜層為多晶硅或氮化硅。所述電介質(zhì)為二氧化硅。所述保角沉積第二次掩膜層的方法包括所述晶片置于反應(yīng)腔中，在反應(yīng)腔中通入含硅的第一氣體；抽出反應(yīng)腔多余的第一氣體；在反應(yīng)腔中通入含氮的第二氣體；抽出反應(yīng)腔中的反應(yīng)副產(chǎn)物；以上述步驟為一個(gè)循環(huán)，不斷重復(fù)上述循環(huán)，直到達(dá)到所述第二氮化硅層的厚度范圍為止。所述一個(gè)循環(huán)的時(shí)間范圍是1秒到2秒。所述一個(gè)循環(huán)沉積第二次掩膜層的厚度范圍是1埃到3埃。所述第二掩膜層為多晶硅或氮化硅。所述化學(xué)機(jī)械拋光的時(shí)間范圍是5秒到20秒。所述化學(xué)機(jī)械拋光的壓力范圍是小于6. 896千帕斯卡。由上述的技術(shù)方案可見，本發(fā)明提供了一種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，該方法通過保角沉積得到厚度較小且覆蓋均勻的第二掩膜層，有效減少了化學(xué)機(jī)械拋光所用的壓力和時(shí)間，保證了第二掩膜層包圍的電介質(zhì)的表面平坦和完整，避免凹陷效應(yīng)的產(chǎn)生，最終得到表面完好的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法流程圖；圖加 2g為現(xiàn)有技術(shù)淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造過程中剖面示意圖；圖3為本發(fā)明淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法流程圖；圖如 4g為本發(fā)明淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造過程中剖面示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案、及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉實(shí)施例， 對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。結(jié)合圖如 4g，詳細(xì)說明圖3所示的本發(fā)明淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，其具有如下步驟步驟301、在提供的晶片401 (wafer)器件面上沉積第一掩膜層402，并對所述第一掩膜層和晶片光刻后刻蝕，在所述晶片形成溝槽403。本步驟中，晶片是硅材料襯底或硅材料或其他材料襯底上外延生長的外延層。所述第一掩膜層的材料可以是多晶硅或氮化硅。以第一氮化硅層為例，采用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)的方法沉積的第一氮化硅層的厚度范圍是1000埃到1500埃，例如1000埃，1200 埃，1500埃。本步驟中，光刻是指先在晶片的器件面涂抹一層光刻膠，然后按照需要的掩模板圖案進(jìn)行曝光和顯影使光刻膠圖案化。本步驟中，刻蝕去除沒有被光刻膠圖案覆蓋的部分第一氮化硅層，并在去除了第一氮化硅層的襯底位置形成溝槽，刻蝕之后去除殘留的光刻膠，得到圖如。步驟302、所述溝槽中以及第一氮化硅層上沉積電介質(zhì)。本步驟中，可以先在所述溝槽的溝槽壁(trench wall)表面熱氧化沉積二氧化硅襯墊(liner)再在二氧化硅襯墊上沉積電介質(zhì)，其中，所述二氧化硅襯墊的厚度為幾十埃，本步驟中，所述電介質(zhì)以二氧化硅為例，沉積二氧化硅的方法是高密度等離子體化學(xué)氣相沉積(HDPCVD)、電子回旋加速共振(Electron CyclotronResonance, ECR)等離子體CVD或普通CVD，得到圖4b，包括溝槽403中的二氧化硅404和第一氮化硅層上的二氧化硅 405。本步驟中，沉積二氧化硅之后，采用濕法刻蝕去除部分二氧化硅，露出一定寬度的第一氮化硅層，得到由圖4c所示，經(jīng)過沉積和刻蝕之后形成剖面圖，其中，標(biāo)示出第一氮化硅層的厚度A，溝槽深度B，溝槽中二氧化硅與二氧化硅襯墊的厚度之和C和露出的第一氮化硅層寬度x，露出第一氮化硅層的原因是刻蝕后第一氮化硅層上的二氧化硅的側(cè)面 (sidesurface)會向背離其相鄰溝槽的方向縮進(jìn)，從而露出一部分第一氮化硅層。本步驟中，第一氮化硅層的厚度，溝槽深度，溝槽中二氧化硅與二氧化硅襯墊的厚度之和以及露出的第一氮化硅層寬度滿足關(guān)系x > 0，且A+B > C > B。在本實(shí)施例中，第一氮化硅層的厚度A可以為1200埃，溝槽深度B可以為3000埃， 溝槽中二氧化硅與二氧化硅襯墊的厚度之和C可以為3600埃，露出的第一氮化硅層寬度χ 為100埃，以上給出的A，B，C和χ的取值只是一個(gè)具體實(shí)施例中的取值，并不僅限于此實(shí)施例的取值。步驟303、所述二氧化硅表面保角沉積第二掩膜層，所述第二氮化硅層的厚度范圍是300埃到600埃。本步驟中，所述第二掩膜層可以是多晶硅或氮化硅。以第二氮化硅層為例，保角沉積第二氮化硅層406包含以下四個(gè)步驟步驟一、把晶片置于反應(yīng)腔中，在反應(yīng)腔中通入含硅的第一氣體，例如，硅烷；步驟二、抽出反應(yīng)腔多余的第一氣體；步驟三、在反應(yīng)腔中通入含氮的第二氣體，例如，氨氣；步驟四、抽出反應(yīng)腔中的反應(yīng)副產(chǎn)物，如氫氣。以上述四個(gè)步驟為一個(gè)循環(huán)，通過不斷重復(fù)上述循環(huán)過程直到達(dá)到所述第二氮化硅層的厚度范圍為止， 實(shí)現(xiàn)保角沉積。其中，一個(gè)循環(huán)的時(shí)間范圍是1秒到2秒，例如1秒，1. 5秒和2秒；一個(gè)循環(huán)沉積第二氮化硅層的厚度范圍是1埃到3埃，例如，1埃、2埃和3埃。所述第二氮化硅層 406的厚度范圍是300埃到600埃，例如300埃、500埃和600埃，這種方法能夠保證第二氮化硅層406在二氧化硅上形成厚度均勻的覆蓋層，如圖4d所示，包括第二氮化硅層406和鄰近溝槽之間的金字塔型二氧化硅405。

步驟304、化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)去除部分所述
第二氮化硅層406，露出第一氮化硅層上的二氧化硅層405表面。本步驟中，第二氮化硅層406的厚度僅有幾百埃，所需CMP拋光墊的壓力范圍是小于6. 896千帕斯卡(1. 0磅每平方英寸)，拋光時(shí)間范圍是5秒到20秒，例如5秒，10秒和 20秒。和現(xiàn)有技術(shù)相比，壓力大大減小，有效降低CMP對如圖4d所示的鄰近溝槽之間的金字塔型二氧化硅405的頂端薄弱點(diǎn)完整性的破壞，使拋光后二氧化硅和第二氮化硅層406 保持完整；同時(shí)大大減少拋光時(shí)間，避免凹陷效應(yīng)的產(chǎn)生。由于CMP所用磨料的成分不同， 例如以硅和胺為主要成分，可以調(diào)節(jié)其對氮化硅和氧化硅的拋光速率選擇比。本實(shí)施例中， 拋光速率選擇比設(shè)定為200 1。CMP的結(jié)果是使第一氮化硅層上的第二氮化硅層406的表面平坦度(surface level)與第一氮化硅層上的二氧化硅的表面平坦度(surface level) 相等，兩者表面高度達(dá)到一致，如圖4e所示?？梢姡粼诘谝坏鑼由系诙鑼?06 起到使溝槽中的二氧化硅和第一氮化硅層上的二氧化硅彼此隔離的作用。步驟305、第一濕法刻蝕(HDP)第一氮化硅層上的二氧化硅。本步驟中，所述第一濕法刻蝕可以用稀釋后的氫氟酸溶液或氫氟酸與氟化銨混合溶液，例如，氫氟酸與水的比例為1 100的稀釋后的氫氟酸溶液，或混合比為1 6的氫氟酸與氟化銨混合溶液，由于所用溶液對二氧化硅和氮化硅刻蝕速率的高選擇比，如氫氟酸溶液為3 1，氫氟酸與氟化銨混合溶液為20 1，從而達(dá)到完全去除第一氮化硅層上的二氧化硅，但保留第二氮化硅層406的目的；其中，第二氮化硅層406作為第一濕法刻蝕的掩膜層，保證溝槽中的二氧化硅不被刻蝕，如圖4f所示。步驟306、第二濕法刻蝕殘留的第二氮化硅層406和第一氮化硅層。本步驟中，所述第二濕法刻蝕是用溫度為200攝氏度的熱磷酸溶液，其對二氧化硅和氮化硅刻蝕速率的選擇比為1 34，對刻蝕終點(diǎn)的控制準(zhǔn)確，最終在溝槽中得到表面完好的二氧化硅404，作為淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，如圖4g所示，至此完成淺溝槽隔離技術(shù)的工藝步驟ο本發(fā)明提供了一種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，該方法通過保角沉積得到厚度較小且覆蓋均勻的第二掩膜層，有效減少了化學(xué)機(jī)械拋光所用的壓力和時(shí)間，保證了第二掩膜層包圍的電介質(zhì)的表面平坦和完整，避免凹陷效應(yīng)的產(chǎn)生，最終得到表面完好的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)。以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，該方法包括在提供的晶片上沉積第一掩膜層，刻蝕所述第一掩膜層和晶片，在晶片形成溝槽； 所述溝槽中以及第一掩膜層上沉積電介質(zhì)，并刻蝕所述電介質(zhì)，露出部分第一掩膜層；所述電介質(zhì)表面保角沉積第二掩膜層，所述第二掩膜層的厚度范圍是300埃到600埃；化學(xué)機(jī)械拋光所述第二掩膜層，露出第一掩膜層上的電介質(zhì)表面； 第一濕法刻蝕去除第一掩膜層上的電介質(zhì)； 第二濕法刻蝕去除殘留的第一掩膜層和第二掩膜層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一掩膜層為多晶硅或氮化硅。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電介質(zhì)為二氧化硅。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述保角沉積第二次掩膜層的方法包括 所述晶片置于反應(yīng)腔中，在反應(yīng)腔中通入含硅的第一氣體；抽出反應(yīng)腔多余的第一氣體； 在反應(yīng)腔中通入含氮的第二氣體； 抽出反應(yīng)腔中的反應(yīng)副產(chǎn)物；以上述步驟為一個(gè)循環(huán)，不斷重復(fù)上述循環(huán)，直到達(dá)到所述第二氮化硅層的厚度范圍為止。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述一個(gè)循環(huán)的時(shí)間范圍是1秒到2秒。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述一個(gè)循環(huán)沉積第二次掩膜層的厚度范圍是1埃到3埃。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二掩膜層為多晶硅或氮化硅。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述化學(xué)機(jī)械拋光的時(shí)間范圍是5秒到20秒。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述化學(xué)機(jī)械拋光的壓力范圍是小于6.896 千帕斯卡。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造方法，該方法通過保角沉積得到厚度較小且覆蓋均勻的第二掩膜層，有效減少了化學(xué)機(jī)械拋光所用的壓力和時(shí)間，保證了第二掩膜層包圍的電介質(zhì)的表面平坦和完整，避免凹陷效應(yīng)的產(chǎn)生，最終得到表面完好的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)。
文檔編號H01L21/762GK102157429SQ20101011081
公開日2011年8月17日 申請日期2010年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月12日
發(fā)明者張斐堯, 程繼 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司