浅沟槽隔离结构的制造方法 【技术领域】
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种浅沟槽隔离结构的制造方法。
背景技术
随着半导体制造技术向高技术节点发展，半导体集成电路中器件与器件的隔离技术也由原来的硅局部氧化隔离(Local Oxidation of Silicon，LOCOS)发展为浅沟槽隔离。浅沟槽隔离结构通过在半导体衬底上形成沟槽，并向沟槽中填充介质材料的工艺形成，例如，在公开号为CN1649122A的中国专利申请文件公开了一种浅沟槽隔离的制造方法。图1至图5为所述中国专利申请文件公开的浅沟槽隔离的制造方法各步骤相应的结构剖面示意图。
如图1所示，提供半导体衬底12，在所述半导体衬底12上形成垫氧化硅层12A，接着在所述垫氧化硅层12A上形成氮化硅层作为第一硬掩膜层14，在所述第一硬掩膜层14上形成第二硬掩膜层14B，在所述第二硬掩膜层14B上形成光刻胶层16A，并图案化所述光刻胶层16A形成底部露出所述第二硬掩膜层14B的开口16B。
如图2所示，刻蚀所述开口16B底部的第二硬掩膜层14B、第一硬掩膜层14以及垫氧化硅层12A，形成开口16C，所述开口16C的底部露出所述半导体衬底12的表面。
如图3所示，去除所述光刻胶层16A，刻蚀所述开口16C底部的半导体衬底12，在所述半导体衬底12中形成沟槽18，并在所述沟槽18表面形成衬垫氧化硅层20。
如图4所示，在所述沟槽18中填充氧化层22，然后通过化学机械研磨去除所述第二硬掩膜层14B上多余的氧化层22以及所述第二硬掩膜层14B。
如图5所示，通过湿法刻蚀(如磷酸)去除所述第一硬掩膜层14，并通过氢氟酸溶液去除所述垫氧化硅层12A。
上述的方法中，衬垫氧化硅层20一般通过炉管氧化工艺形成，而且，为改善形成的浅沟槽隔离结构顶部边缘的凹陷的问题，然而，由于炉管氧化工艺形成的衬垫氧化硅层20膜层厚度的均匀性较差，导致对沟槽18的侧壁的覆盖性较差，使得形成的浅沟槽隔离结构的性能下降。
【发明内容】
本发明提供一种浅沟槽隔离结构的形成方法，以解决现有浅沟槽隔离结构的形成方法中形成的衬垫氧化硅层的厚度均匀性较差的问题。
本发明提供的一种浅沟槽隔离结构的制造方法，包括：
提供衬底，在所述衬底上依次具有垫氧化硅层和硬掩膜层；在所述衬底中具有沟槽，在所述垫氧化硅层和硬掩膜层中与沟槽相应的位置具有开口；
执行湿氧氧化工艺，在所述沟槽的底部以及侧壁形成衬垫氧化硅层；
在所述沟槽中的衬垫氧化硅层和所述硬掩膜层上形成介质层；
去除所述硬掩膜层上的介质层及所述的硬掩膜层。
可选的，所述湿氧氧化工艺为原位水蒸气产生氧化。
可选的，在执行氧化工艺之前，还包括硬掩膜层回刻工艺，以使所述硬掩膜层中的开口线宽增大。
可选的，还包括：
在所述硬掩膜层回刻工艺之前，在所述沟槽侧壁和底部形成保护层的步骤；以及
在所述硬掩膜层回刻工艺之后，湿氧氧化工艺之前，去除所述保护层的步骤。
可选的，所述保护层为牺牲氧化硅层。
可选的，形成牺牲氧化硅层的方法为干氧氧化工艺。
可选的，所述干氧氧化工艺包括炉管氧化工艺。
可选的，去除所述牺牲氧化硅层的工艺为湿法刻蚀，刻蚀溶液为氢氟酸溶液。
可选的，所述硬掩膜层为氮化硅，所述回刻工艺为湿法刻蚀。
与现有技术相比，上述技术方案中的一个至少具有以下优点：
湿氧氧化工艺中，与硅反应的氧是由水蒸气分解而成，通过水蒸气分解的氧具有较高的活性，能够快速与硅反应生成氧化硅层，且氧能够穿透表面氧化硅层与内部的硅反应，从而可形成厚度一致性较好的氧化硅，可提高形成的衬垫氧化硅层的厚度一致性，从而可提高后续步骤中填充地介质层与沟槽底部和侧壁的衬底之间的粘附特性；此外，湿氧氧化工艺形成的衬垫氧化硅层可有效保护沟槽的顶部边缘的衬底，避免在后续的填充介质层的工艺中损伤该沟槽的顶部边缘，避免形成弱点缺陷。可提高形成的半导体器件的稳定性。
上述技术方案中的另外一个至少具有以下优点：
在执行该硬掩膜层回刻工艺之前，首先在沟槽侧壁和底部形成保护层，以保护硅衬底在硬掩膜层回刻工艺中不受影响或损伤，完成硬掩膜层回刻工艺之后，再去除所述的保护层，然后再执行所述的湿氧氧化工艺，不仅能够形成厚度一致性较好的衬垫氧化硅层，还可以改善在硬掩膜层回刻工艺中对沟槽侧壁和底部的衬底的损伤问题，有利于形成性能稳定的浅沟槽隔离结构，从而可提高形成的半导体器件的电学稳定性。
【附图说明】
图1至图5为现有的一种浅沟槽隔离的制造方法各步骤相应的结构剖面示意图；
图6为本发明的浅沟槽隔离结构的制造方法的第一实施例的流程图；
图7至图11为本发明的浅沟槽隔离结构的制造方法的第一实施例的各步骤相应结构的剖面示意图；
图12为现有技术与本发明的浅沟槽隔离结构的制造方法形成的衬垫氧化硅层的电子扫描显微镜照片；
图13为本发明的浅沟槽隔离结构的制造方法的第二实施例的流程图；
图14至图17为本发明的浅沟槽隔离结构的制造方法的第二实施例的各步骤相应结构的剖面示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
在浅沟槽隔离结构的制造工艺中，在衬底的沟槽中沉积介质层之前，需要先在沟槽的底部和侧壁形成衬垫氧化硅层。现有的形成的衬垫氧化硅层的工艺一般为干氧氧化工艺，其主要原理是直接向反应腔室中通入反应用氧气，然后在高温下使氧气与沟槽底部和侧壁的硅反应，形成氧化硅。然而，该方法常常会造成形成的氧化硅层的厚度的一致性较差，特别是随着半导体集成电路向更小线宽的方向的发展，浅沟槽隔离结构中的沟槽的深度和密度加大，使得干氧氧化形成的衬垫氧化硅层的厚度一致性较差的问题日益严重。这会导致沉积于沟槽中的介质层与沟槽侧壁或底部的衬底的结合性能下降，影响形成的半导体器件的特性。
基于此，本发明提出一种浅沟槽隔离结构的制造方法，在该方法中，通过湿氧氧化工艺在沟槽的底部和侧壁形成衬垫氧化硅层，以提高形成的衬垫氧化硅层厚度的一致性，接着，在沟槽中填充介质层，形成浅沟槽隔离结构。通过湿氧氧化工艺提高衬垫氧化硅层的厚度一致性，从而提高填充的介质层与沟槽底部和侧壁的衬底之间的粘附特性；此外，湿氧氧化工艺形成的衬垫氧化硅层可有效保护沟槽的顶部边缘的衬底，避免在后续的填充介质层的工艺中损伤该沟槽的顶部边缘，避免形成弱点缺陷(weak point)。可提高形成的半导体器件的稳定性。
图6为本发明的浅沟槽隔离结构的制造方法的第一实施例的流程图。
请参考图6，步骤S100，提供衬底，在所述衬底上依次具有垫氧化硅层和硬掩膜层；在所述衬底中具有沟槽，在所述垫氧化硅层和硬掩膜层中与沟槽相应的位置具有开口。
步骤S110，执行湿氧氧化工艺，在所述沟槽的底部以及侧壁形成衬垫氧化硅层。
步骤S120，在所述沟槽中的衬垫氧化硅层和所述硬掩膜层上形成介质层。
步骤S130，去除所述硬掩膜层上的介质层及所述的硬掩膜层。
下面结合实施例对本发明的浅沟槽隔离结构的制造方法进行详细描述。
图7至图11为本发明的浅沟槽隔离结构的制造方法的第一实施例各步骤相应的结构的剖面示意图。应当说明的是，下面的描述中对一些技术细节的说明仅仅是为了更容易理解本发明的方法而引入的，其不应该不当的限制本发明的权利要求的保护范围。本领域技术人员根据本发明的说明书以及实施例的教导可以做出相应的修改、变更和替换。
请参考图7，提供衬底100，所述衬底100可以是半导体材料，例如是单晶硅、多晶硅、非晶硅中的一种，所述衬底100也可以是硅锗化合物、硅镓化合物中的一种，所述衬底100可以包括外延层或绝缘层上硅(Silicon On Insulator，SOI)结构。
对所述衬底100表面进行清洗，去除所述衬底100表面的杂质颗粒或其它污染物。在所述衬底100上形成垫氧化硅层110。
其中，形成所述垫氧化硅层110的方法可以是高温炉管氧化、快速热氧化、原位水蒸气产生氧化法中的一种，作为实例，所述垫氧化硅层110的厚度可以为5至40nm。
所述垫氧化硅层110可以作为后续工艺中形成的硬掩膜层和衬底100表面之间的粘和层，用于增大所述硬掩膜层和衬底100表面之间的粘附性能；也可以平衡所述硬掩膜层和所述衬底100表面之间的应力。在另外的实施例中，当然，所述垫氧化硅层110也可以通过其它方法形成，例如化学气相沉积。
接着，在所述垫氧化硅层110上形成硬掩膜层120，所述硬掩膜层120可以是氮化硅；其厚度可以为50至300nm；形成所述硬掩膜层120的方法可以是化学气相沉积或原子层沉积，也可以是其它方法或步骤。所述硬掩膜层120可作为在衬底100中刻蚀沟槽的硬掩膜，也可以作为在沟槽中填充的介质层后的化学机械研磨平坦化的停止层。在其它的实施例中，所述硬掩膜层120可以是其它材料，且可以是多层。
请参考图8，在硬掩膜层120上旋涂光刻胶层130，并通过曝光显影工艺形成沟槽图案140，所述沟槽图案140的底部露出硬掩膜层120的表面。
在其它的实施例中，在旋涂所述光刻胶层130之前，可在硬掩膜层120上形成抗反射层(未示出)，所述抗反射层可以是无机材料，例如氮氧化硅，或有机材料；然后再在所述抗反射层上形成光刻胶层130，并曝光显影形成沟槽图案140。
请参考图9，刻蚀所述沟槽图案140底部的硬掩膜层120和垫氧化硅层110，形成开口150，所述开口150的底部要露出衬底100的表面。所述刻蚀为非等向性刻蚀，例如为等离子体干法刻蚀，该等离子体干法刻蚀的刻蚀气体可以是CF4。
接着，刻蚀所述开口150底部的衬底100，在衬底100中形成沟槽160。刻蚀沟槽160的方法为等离子体干法刻蚀，所述等离子体干法刻蚀选用的刻蚀气体要使所述沟槽160的侧壁较为光滑，具有较少的硅晶格缺陷，且使所述沟槽160的底部边角较为平滑，所述刻蚀气体还要使所述沟槽160侧壁具有较为倾斜的轮廓。作为实例，所述等离子体干法刻蚀的刻蚀气体可以是Cl2或HBr或HBr与其它气体的混合气体，例如可以是HBr、O2与Cl2的混合气体，或HBr、NF3和He的混合气体。刻蚀形成的沟槽160的深度通过刻蚀的时间控制。
其中，刻蚀形成所述沟槽160的工艺与刻蚀形成所述开口150的工艺可以在不同的刻蚀设备中分别进行，也可以在同一刻蚀设备中原位进行，若原位进行，两次刻蚀的刻蚀气体及工艺参数不同；原位进行可以提高产率。若刻蚀形成所述沟槽160的工艺与刻蚀形成所述开口150的工艺在不同的刻蚀设备中分别进行，可以在刻蚀形成所述沟槽160之前通过氧气等离子体灰化去除所述光刻胶层130，也可以在完成所述沟槽160的刻蚀之后去除所述光刻胶层130；若是原位进行，在完成所述沟槽160的刻蚀之后去除所述光刻胶层130。
请参考图10，执行氧化工艺，在所述沟槽的底部以及侧壁形成衬垫氧化硅层180。
在执行所述的氧化工艺之前，先用氢氟酸溶液清洗所述沟槽160的表面(底部和侧壁)。通过所述氢氟酸溶液的清洗，可以去除所述沟槽160表面生成的自然氧化层，使得所述衬垫氧化硅层180作为半导体衬底100和在所述沟槽160中填充的介质层之间特性较为稳定的交界层，并增大两者之间的粘附性，减小器件在工作时半导体衬底100中的漏电流。
另外所述氢氟酸溶液清洗也可以去除所述沟槽160顶部边缘的部分垫氧化硅层110，使所述的垫氧化硅层侧壁向所述硬掩膜层120底部有少许收缩，从而使所述沟槽160顶部边缘的边角露出，在进行氧化生成所述衬垫氧化硅层180时，可使所述沟槽160的顶部的边角具有较为平滑的轮廓。所述平滑的轮廓一方面可以减少应力聚集，另一方面可以减少在器件工作时载流子积聚对开启特性的影响。
其中，所述的氧化工艺为湿氧氧化，湿氧氧化工艺中，将水蒸气通入反应腔室中，高温下水蒸气分解为氢和氧，氧与沟槽侧壁和底部的硅反应生成氧化硅，该氧化硅即形成衬垫氧化硅层180。
在现有的干氧氧化工艺中，反应气体为氧气，随着反应的进行，与氧气接触的沟槽侧壁和底部表面的硅首先与氧气反应，生成表面氧化硅层，而由于氧气的活性较低，表面氧化硅层会阻止或减缓氧气进一步与该表面氧化硅层下面的硅反应，不同位置的表面氧化硅层的厚度会有差异，随着反应的进行，所述的差异会越来越大，从而造成形成的衬垫氧化硅层厚度一致性较差。
而在本实施例所采用的湿氧氧化工艺中，与硅反应的氧是由水蒸气分解而成，通过水蒸气分解的氧具有较高的活性，能够快速与硅反应生成氧化硅层，且氧能够穿透表面氧化硅层与内部的硅反应，从而可形成厚度一致性较好的氧化硅，作为衬垫氧化硅层180。
在其中的一个具体的实施例中，所述湿氧氧化工艺为原位水蒸气产生氧化。
图12为现有的炉管氧化工艺与采用上述实施例的原位水蒸气产生氧化工艺形成的衬垫氧化硅层的电子扫描显微镜照片。由图12可以看出，采用炉管氧化工艺会使得沟槽顶部边缘的衬垫氧化硅层较其它区域的要薄一些(请参考图12中的左侧的照片虚线圆环标出的部分)，而采用原位水蒸气产生氧化工艺形成的衬垫氧化硅层具有较好的厚度一致性(请参考图12中的右侧的照片虚线圆环标出的部分)。
形成所述的衬垫氧化硅层180之后，在所述沟槽160中再填充介质层190，如图11所示，填充的方法可以是本领域技术人员所习知的高密度等离子体化学气相沉积，并可以结合化学机械研磨工艺平坦化，即形成浅沟槽隔离结构。
通过上述的湿氧氧化工艺，可提高形成的衬垫氧化硅层180的厚度一致性，从而可提高后续步骤中填充的介质层与沟槽底部和侧壁的衬底之间的粘附特性；此外，湿氧氧化工艺形成的衬垫氧化硅层180可有效保护沟槽160的顶部边缘的衬底，避免在后续的填充介质层的工艺中损伤该沟槽160的顶部边缘，避免形成弱点缺陷。可提高形成的半导体器件的稳定性。
此外，在形成所述沟槽160后，还可以包括硬掩膜层回刻工艺，以改善形成的浅沟槽隔离结构顶部边缘的凹陷缺陷(divot defect)，例如，当硬掩膜层为氮化硅时，回刻工艺采用磷酸的湿法刻蚀工艺。
然而，由于湿氧氧化具有较强的氧化性，在氧化沟槽侧壁和底部的硅的同时，也会氧化所述的硬掩膜层表面，例如硬掩膜层为氮化硅时，会在氮化硅表面形成氮氧化硅层。在采用湿氧氧化工艺形成衬垫氧化硅层时，同时在氮化硅材质的硬掩膜层表面会形成氮氧化硅层，这会影响氮化硅回刻工艺。因而，氮化硅回刻工艺需要在湿氧氧化工艺之前执行。但是，回刻工艺在湿氧氧化工艺之前执行又会对暴露的沟槽侧壁和底部的硅衬底造成损伤。基于此，在本发明的第二实施例中，提出一种浅沟槽隔离结构的制造方法，可应用于包含硬掩膜层回刻工艺的浅沟槽隔离工艺中，不但可以提高形成的衬垫氧化硅层的厚度一致性，还可以避免在硬掩膜层回刻工艺中损伤硅衬底。
在本发明的浅沟槽隔离结构的制造方法的第二实施例中，形成衬垫氧化硅层的方法还是采用湿氧氧化工艺，硬掩膜层回刻工艺在所述的湿氧氧化工艺之前执行。所不同的是，在执行该硬掩膜层回刻工艺之前，首先在沟槽侧壁和底部形成保护层，以保护硅衬底在硬掩膜层回刻工艺中不受影响或损伤，完成硬掩膜层回刻工艺之后，再去除所述的保护层，然后再执行所述的湿氧氧化工艺。
图13为本发明的浅沟槽隔离结构的第二实施例的流程图。
请参考图13，步骤S200为提供衬底，在所述衬底上依次具有垫氧化硅层和硬掩膜层；在所述衬底中具有沟槽，在所述垫氧化硅层和硬掩膜层中与沟槽相应的位置具有开口。
步骤S210，在所述沟槽侧壁和底部形成保护层。
步骤S220，执行硬掩膜层回刻工艺，使得硬掩膜层中的开口的线宽增大。
步骤S230，去除所述保护层。
步骤S240，执行氧化工艺，在所述沟槽的底部以及侧壁形成衬垫氧化硅层，其中，所述的氧化工艺为湿氧氧化。
步骤S250，在所述沟槽中的衬垫氧化硅层和所述硬掩膜层上形成介质层。
步骤S260，去除所述硬掩膜层上的介质层及所述硬掩膜层。
下面结合剖面示意图对本发明的浅沟槽隔离结构的第二实施例进行详细描述。应当说明的是，下面的描述中对一些技术细节的说明仅仅是为了更容易理解本发明的方法而引入的，其不应该不当的限制本发明的权利要求的保护范围。本领域技术人员根据本发明的说明书以及实施例的教导可以做出相应的修改、变更和替换。
请参考图14，提供衬底500，在所述衬底500上依次形成有垫氧化硅层510和硬掩膜层520。在所述衬底500中具有沟槽560，在所述垫氧化硅层510和硬掩膜520中与所述沟槽560相应位置具有开口(未标识)。
其中，所述硬掩膜层520可以是氮化硅。
形成图14所示的结构的方法可以是上述的第一实施例中描述的工艺步骤，图14所示的结构的材质可以与上述的第一实施例图9所描述的结构相同，当然，也可以采用其它的工艺或材质形成图14所示的结构，这里不再赘述。
请参考图15，在所述沟槽560底部和侧壁形成保护层565。其中，形成所述保护层565的工艺要求在形成所述保护层565时，不会影响后续的硬掩膜层回刻工艺，且在完成所述回刻工艺之后，能够被去除而不影响图14所示的结构，或者对图14所示的结构影响较小。
作为实例，所述保护层565可以是牺牲氧化硅层。其可以通过干氧氧化工艺形成，具体的，所述的干氧氧化工艺可以是炉管氧化工艺。所述的保护层565也可以是其它材质。
接着，请参考图16，执行硬掩膜层回刻工艺，使所述硬掩膜层520中的开口的线宽增大。该硬掩膜层520回刻工艺主要是用于改善形成的浅沟槽隔离结构的顶部边缘凹陷的问题，当然，也可以用于其它目的。
作为实例，所述硬掩膜层520为氮化硅，回刻工艺为磷酸溶液的湿法刻蚀工艺，在该回刻工艺中，由于有保护层565保护所述沟槽560，因而磷酸溶液不会损伤硅衬底，特别是不会在沟槽560顶部边缘形成弱点(weak point)缺陷。
如图17所示，完成所述硬掩膜层520回刻工艺之后，去除所述保护层565。例如在所述保护层565为牺牲氧化硅层时，可以采用氢氟酸溶液去除所述保护层565，这里不再赘述。
然后，执行氧化工艺，在所述沟槽560侧壁和底部形成衬垫氧化硅层580，并在所述沟槽560中填充介质层，然后通过化学机械研磨去除所述硬掩膜层520上的介质层，保留所述沟槽560中的介质层590。其中，所述的衬垫氧化硅层580的工艺为湿氧氧化，其具体的工艺以及原理可以与所述的第一实施例相同，这里不再赘述。其中所述填充介质层以及化学机械研磨的工艺也可以与所述的第一实施例相同。这里不再详细描述。
通过所述的第二实施例，不仅能够形成厚度一致性较好的衬垫氧化硅层，还可以改善在硬掩膜层回刻工艺中对沟槽侧壁和底部的衬底的损伤问题，有利于形成性能稳定的浅沟槽隔离结构，从而可提高形成的半导体器件的电学稳定性。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。