淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充方法、半導(dǎo)體器件的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充方法，以及具有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的制備方法，該填充方法包括：提供一個具有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件襯底；在淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)內(nèi)沉積氧化層；采用柔和化學腐蝕法去除氧化層帶有空洞的中上部；繼續(xù)在淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)內(nèi)填充氧化層，直至填滿淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的方法提高了淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充效果，能夠制備出具有優(yōu)良電性能的具有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件；同時，采用本發(fā)明的方法還能夠降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)能。
【專利說明】淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充方法、半導(dǎo)體器件的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充方法，以及具有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著超大型集成電路尺寸的持續(xù)微縮化發(fā)展，電路元件的尺寸越來越小且操作的速度越來越快，如何改善電路元件的驅(qū)動電流成為重要的研究方向。隨著集成電路制造工藝逐步進入40nm、32nm甚至是28nm時代,工藝容差范圍越來越小，對絕緣介質(zhì)的填充，特別是對淺溝槽隔離(Shallow trench isolation, STI)的填充的要求越來越高。
[0003]由于深亞微米元件的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的深寬比(AR)比較大，所以一般采用高密度等離子體化學氣相沉積法(High Density Plasma CVD, HDP)來填充氧化層,氧化層的成分通常為二氧化硅。在這種STI氧化層的填充工藝中使用硅烷(SiH4)，氧氣(O2)和氫氣(H2)作為反應(yīng)氣體，利用高密度等離子沉積(HDP)和濺射(Sputter)工藝形成氧化硅薄膜。為了得到良好的溝槽填充效果，需要調(diào)整HDP的沉積和濺射比，使得溝槽內(nèi)的氧化層的填充量達到最大。如果濺射率小于沉積率，也就是濺射量不夠，容易導(dǎo)致在填入溝槽的氧化層中形成空洞(Void)，空洞的位置通常在溝槽的中間偏上的區(qū)域，也即是在氧化層的中上部；如果濺射率大于沉積率，也就是濺射過量，在STI的頂部的拐角會被削去，致使有源區(qū)遭到破壞，引起漏電現(xiàn)象。
[0004]因此，如何有效地控制HDP沉積和濺射的比例，成為一個巨大的挑戰(zhàn)，特別在進入到40nm以下技術(shù)代時，由于CD變的越來越小，采用常規(guī)HDP填充，不僅給器件襯底造成嚴重的損傷(damage)，而且造成填充后的氧化層中具有大量的空洞；為了減小空洞，現(xiàn)有的解決方法為:首先，將空洞部分去除，然后再填充。
[0005]現(xiàn)有的去除工藝包括氬電漿轟擊工藝和氫氟酸浸泡工藝，然而，由于氬電漿轟擊工藝是在電漿和粒子轟擊的環(huán)境中去除氧化層，高強度的轟擊會對器件襯底材料造成嚴重的破壞；氫氟酸浸泡工藝，由于很強的腐蝕性，相對于器件襯底，對氧化層的腐蝕選擇比較低，會在短時間內(nèi)將氧化層幾乎全部去除，造成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的輪廓發(fā)生變化，同時也會腐蝕掉器件襯底材料。并且，由于上述方法將氧化層去除的程度很大，在淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)中填充氧化層后，也不可避免會再出現(xiàn)空洞，不得不多次重復(fù)此‘去除一填充’的過程，通常要6次以上，然而，填充次數(shù)的增多，會大大增加工藝成本，嚴重影響產(chǎn)能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服以上問題，本發(fā)明的目的是:在降低工藝成本、提高產(chǎn)能的同時，探索一種柔和化學腐蝕法，其剛好能夠腐蝕掉氧化層的中上部，而不至于將氧化層下部也腐蝕掉，確保再次填充的氧化層沒有空洞，且不會對器件襯底材料造成較大甚至嚴重的損傷，從而提高淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充效果，制備出具有良好電性能的半導(dǎo)體器件。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:[0008]本發(fā)明提供了一種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充方法，其包括以下步驟:
[0009]提供一個具有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件襯底；
[0010]在所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)內(nèi)沉積氧化層，所述氧化層的上部具有空洞；
[0011]采用柔和化學腐蝕法去除所述氧化層帶有空洞的上部；
[0012]繼續(xù)在所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)內(nèi)填充氧化層，直至填滿所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)。
[0013]優(yōu)選地，所述柔和化學腐蝕法為硅鈷鎳預(yù)清洗法。
[0014]進一步地,所述娃鈷鎳預(yù)清洗法中,采用的反應(yīng)氣體為NF3和NH3。
[0015]再進一步地，所述NF3的氣體流量為5?15sccm, NH3的氣體流量為5?20sccm。
[0016]進一步地，所述硅鈷鎳預(yù)清洗法在一反應(yīng)腔室中進行，所述反應(yīng)腔室中的加熱部件的加熱溫度為70-150°C。
[0017]優(yōu)選地，采用高密度等離子體化學氣相沉積法來沉積所述氧化層。
[0018]優(yōu)選地，沉積所述氧化層的工藝參數(shù)為:沉積溫度為250-550 °C，射頻功率為4500-6000W,射頻偏置功率為 1500-2500W。
[0019]優(yōu)選地，沉積所述氧化層所采用的氣體為SiH4和02。
[0020]進一步地，所述SiH4的氣體流量為5?30sccm，所述O2的氣體流量為15?50sccmo
[0021]優(yōu)選地，所述氧化層的成分為Si02。
[0022]為了提高具有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的電性能，本發(fā)明還提供了一種具有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的制備方法，其采用上述任意一項所述的填充方法來進行淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充。
[0023]本發(fā)明的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充方法，首先在淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)內(nèi)填充氧化層，由于氧化層的中上部帶有空洞，所以在后續(xù)的工藝中，增加一道去除氧化層帶有空洞的中上部的工藝，特別地，采用柔和化學腐蝕法去除該帶有空洞的中上部，例如采用硅鈷鎳預(yù)清洗法，硅鈷鎳預(yù)清洗法大概包括以下兩個過程:利用反應(yīng)氣體與氧化層反應(yīng)生成硅酸鹽；然后，在一定的加熱溫度下，該硅酸鹽分解形生成氣體即升華掉。
[0024]由此可見，與現(xiàn)有的氬電漿轟擊工藝不同，硅鈷鎳預(yù)清洗法是在沒有電漿和粒子轟擊的環(huán)境中去除氧化層，是一種低強度的化學腐蝕方法，降低了對器件襯底材料的破壞；與現(xiàn)有的氫氟酸浸泡工藝相比，盡管硅鈷鎳預(yù)清洗法也是一種化學腐蝕方法，但是，相對于襯底來說，硅鈷鎳預(yù)清洗法對氧化層具有較高的腐蝕選擇比，可以降低器件襯底的損失，以及避免造成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的輪廓變化。
[0025]并且，與上述現(xiàn)有的兩個方法相比，正是由于硅鈷鎳預(yù)清洗法具有低強度腐蝕特點，其對氧化層的腐蝕深度具有良好的可控性，比如可以通過控制腐蝕時間來控制，而不用擔心其會對氧化層造成過腐蝕，從而有效地去除帶有空洞的氧化層中上部。這樣，在去除帶有空洞的氧化層上部之后，淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的中下部已經(jīng)有氧化層，降低了再次向其中填充氧化層的深寬比，從而使得后續(xù)填充的氧化層不會出現(xiàn)空洞，由此，只需進行一次再填充即可實現(xiàn)無空洞的填充氧化層，或者即使有空洞也是極少量的，最多再填充一次即可；由此可見，通過本發(fā)明的填充方法，不僅提高了對淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充效果，能夠有效提高具有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的電性能，而且減小了填充次數(shù)，降低了工藝成本，增加了產(chǎn)能?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明的一個較佳實施例的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充方法的流程示意圖
[0027]圖2-5為本發(fā)明的上述較佳實施例的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充方法的各個步驟所形成的結(jié)構(gòu)示意圖
【具體實施方式】
[0028]為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明的內(nèi)容作進一步說明。當然本發(fā)明并不局限于該具體實施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
[0029]以下將結(jié)合具體實施例和附圖1-5對本發(fā)明的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充方法作進一步詳細說明。其中，圖1為本發(fā)明的一個較佳實施例的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充方法的流程示意圖，圖2-5為本發(fā)明的上述較佳實施例的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充方法的各個步驟所形成的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]如前所述，在關(guān)鍵尺寸減小的情況下，在淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)中填充氧化層易造成氧化層中出現(xiàn)空洞，通常在氧化層的中上部?，F(xiàn)有的提高氧化層填充效果的方法，會造成對器件襯底的損傷，或改變淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的輪廓，不得不多次再填充再刻蝕，從而大大增加工藝成本，降低產(chǎn)能。針對這些問題，本發(fā)明對淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充方法作了改進，在提高淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)填充效果的同時，避免上述問題的發(fā)生，有效地提高了工藝質(zhì)量和具有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的電性能。
[0031]請參閱圖1，本實施例的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充方法，包括以下步驟:
[0032]步驟SOl:請參閱圖2，提供一個具有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)I的半導(dǎo)體器件襯底O ;
[0033]具體的，本實施例中，半導(dǎo)體器件襯底O可以為單晶硅襯底、多晶硅襯底、無定形硅襯底，還可以為SOI硅襯底；半導(dǎo)體器件襯底O中具有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)1，還可以具有其它結(jié)構(gòu)。此外，在淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)I的頂部端口可以具有墊氧化層2和氮化硅層3 ;墊氧化層2的成分可以為二氧化硅，墊氧化層2的作用為:為后續(xù)氮化硅層3的沉積提供緩沖層，其可以避免氮化硅層3直接生長在器件襯底上產(chǎn)生大量位錯缺陷，還可以作為刻蝕氮化硅層3過程中的刻蝕停止層；氮化硅層3的生長工藝可以采用現(xiàn)有的化學氣相沉積工藝，這里不再贅述。
[0034]步驟S02:請參閱圖3，在淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)I內(nèi)沉積氧化層4，氧化層4的中上部具有空洞；
[0035]具體的，本實施例中，采用高密度等離子體化學氣相沉積法來沉積氧化層4。氧化層4的成分可以為二氧化硅，具體的工藝參數(shù)可以根據(jù)實際工藝要求來設(shè)定，本發(fā)明對此不作限制。本實施例中的工藝參數(shù)為:沉積溫度為250-550°C，較佳地為400°C，射頻功率為4500-6000W，射頻偏置功率為1500-2500W。沉積氧化層所采用的氣體為SiH4和O2，較佳地，SiH4的氣體流量為5?30sccm，O2的氣體流量為15?50sccm。
[0036]采用現(xiàn)有工藝比如高密度等離子體化學氣相沉積法來沉積氧化層，由于溝槽結(jié)構(gòu)的高深寬比，不可避免地會在氧化層中形成空洞缺陷，空洞的位置通常在氧化層的中上部，比如，在淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的溝槽的端口位置，因此，需要將帶有空洞的氧化層去除，以便進行后續(xù)的沉積，形成無空洞的氧化層。
[0037]步驟S03:請參閱圖4，去除氧化層4帶有空洞的中上部；
[0038]具體的，本實施例中，采用硅鈷鎳預(yù)清洗法去除氧化層4帶有空洞的中上部。
[0039]去除過程的具體工藝參數(shù)可以根據(jù)實際工藝要求來設(shè)定。本實施例中，采用的反應(yīng)氣體為NF3和NH3，較佳的，NF3的氣體流量為5~15sccm，NH3的氣體流量為5~20sccm。
[0040]本實施例中，采用硅鈷鎳預(yù)清洗法去除氧化層的主要反應(yīng)式如下:
[0041]刻蝕劑的生成:NF3+NH3—NH4F+NH4F.HF (I)
[0042]刻蝕過程:NH4For NH4F.HF+Si02 — (NH4)2SiF6 (s)+H2O (2)
[0043]升華過程=(NH4)2SiF6(S) — SiF4 (g) i +NH3 (g) i +HF(g) ? (3)
[0044]具體的，請參考上述反應(yīng)式(I)至(3)，硅鈷鎳預(yù)清洗過程為:
[0045]首先，將半導(dǎo)體器件襯底置于反應(yīng)腔的底座上，NF3與NH3在反應(yīng)腔中反應(yīng)生成氟化氨(NH4F)和二氟化氨(NH4F.HF)；
[0046]這里，由于在常溫下即可反應(yīng)生成氟化氨和二氟化氨，所以，可以對底座加熱，使其保持一定的溫度，也可以不對底座加熱，研究發(fā)現(xiàn)，如果底座保持在一定的溫度，會有利于反應(yīng)的進行，例如，本實施例中，底座的加熱溫度為20-40°C ；
[0047]然后，NH4F或NH4F.HF在半導(dǎo)體器件襯底的表面冷凝，并優(yōu)先與氧化物反應(yīng)，生成六氟硅氨((NH4)2SiF6)；
[0048]接著，半導(dǎo)體襯底被移動到靠近反應(yīng)腔室內(nèi)的加熱部件的位置，熱量載體將熱量帶到半導(dǎo)體器件襯底上，比如流動的氫氣，半導(dǎo)體器件襯底在很短的時間內(nèi)就被加熱到升華溫度以上，比如100°c以上，使六氟硅氨分解為氣態(tài)的SiF4、NH3和HF，這些生成的氣體隨即就被抽出反應(yīng)腔室。
[0049]在上述硅鈷鎳預(yù)清洗過程中，所生成的六氟硅氨在較低的溫度下就會產(chǎn)生升華現(xiàn)象，研究表明，對襯底的加熱溫度在70°C以上就可以使六氟硅氨升華，本實施例中，較佳的，加熱部件的加熱溫度設(shè)定為70-150°C。
[0050]隨著上述硅酸鹽的升華，淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)中且位于中上部的氧化層被逐漸腐蝕掉，例如，在淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的端口位置；需要說明的是，采用硅鈷鎳預(yù)清洗法去除氧化層4帶有空洞的上部，由于采用的是柔和化學腐蝕方法，可以通過控制對氧化層的腐蝕量來去除空洞部分，而對淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)I內(nèi)的側(cè)壁表面的氧化層4并不能完全去除，請參見圖4。
[0051]步驟S04:請參閱圖5，繼續(xù)在淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)I內(nèi)填充氧化層5，直至填滿淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)I。
[0052]具體的，可以采用高密度等離子體化學氣相沉積法來繼續(xù)填充氧化層5，這里所填充的氧化層5的厚度可根據(jù)實際的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)I的深度來確定。填充的具體工藝參數(shù)可以根據(jù)實際工藝要求來設(shè)定，本發(fā)明對此不作限制。
[0053]本實施例中，在填充氧化層5之后，還可以但不限于采用化學機械拋光法對氧化層5的頂部進行平坦化處理。
[0054]本發(fā)明為了提高具有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的電性能，采用上述填充方法對淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)進行填充，其可以但不限于包括: [0055]首先，在半導(dǎo)體器件襯底中形成淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)；淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的形成可以但不限于包括:在半導(dǎo)體器件襯底上采用化學氣相沉積法依次沉積墊氧化層和氮化硅層；采用等離子體刻蝕工藝，刻蝕所述氮化硅層和墊氧化層，在其中形成暴露出器件襯底的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)。根據(jù)實際工藝要求，淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的側(cè)壁可以為傾斜側(cè)壁、梯形側(cè)壁等，淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)也可以為上下分層的結(jié)構(gòu)等。
[0056]然后，采用本發(fā)明的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充方法來填充氧化層。這里可以參見上述實施例中的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充方法，本發(fā)明在此不再贅述。
[0057]最后，制備其它結(jié)構(gòu)，從而形成完整的半導(dǎo)體器件。制備其它結(jié)構(gòu)可以但不限于包括制備柵極、源極和漏極、形成金屬硅化物、形成層間介質(zhì)層、刻蝕接觸孔以及執(zhí)行金屬互連后道工藝等來形成半導(dǎo)體器件；半導(dǎo)體器件可以但不限于是CMOS器件，如場效應(yīng)晶體管、存儲器等，凡是具有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件均在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0058]綜上所述，本發(fā)明提供了一種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充方法，以及具有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的制備方法，采用柔和化學腐蝕法去除帶有空洞的氧化層，而不至于將氧化層過腐蝕掉，特別采用硅鈷鎳預(yù)清洗法去除帶有空洞的氧化層，然后再填充滿淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，由于淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)中已有一部分氧化層，降低了再填充淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的深寬比，從而提高了再填充氧化層的填充能力，提高了淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充效果，制備出具有優(yōu)良電性能的具有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件；同時，采用本發(fā)明的方法，避免了現(xiàn)有方法的多次再填充和再腐蝕,降低了生產(chǎn)成本,提高了產(chǎn)能。
[0059]雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭示如上，然所述實施例僅為了便于說明而舉例而已，并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下可作若干的更動與潤飾，本發(fā)明所主張的保護范圍應(yīng)以權(quán)利要求書所述為準。
【權(quán)利要求】
1.一種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充方法，其特征在于，包括: 提供一個具有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件襯底； 在所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)內(nèi)沉積氧化層，所述氧化層的中上部具有空洞； 采用柔和化學腐蝕法去除所述氧化層帶有空洞的中上部； 繼續(xù)在所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)內(nèi)填充氧化層，直至填滿所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充方法，其特征在于，所述柔和化學腐蝕法為娃鈷鎮(zhèn)預(yù)清洗法。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充方法，其特征在于，所述硅鈷鎳預(yù)清洗法中，采用的反應(yīng)氣體為NF3和NH3。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充方法，其特征在于，所述NF3的氣體流量為5?15sccm, NH3的氣體流量為5?20sccm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充方法，其特征在于，所述硅鈷鎳預(yù)清洗法在一反應(yīng)腔室中進行，所述反應(yīng)腔室中的加熱部件的加熱溫度為70-150°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充方法，其特征在于，采用高密度等離子體化學氣相沉積法來沉積所述氧化層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充方法，其特征在于，繼續(xù)沉積所述氧化層所采用的沉積溫度為250-550 V，射頻功率為4500-6000W，射頻偏置功率為1500-2500W。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充方法，其特征在于，沉積所述氧化層所采用的氣體為SiH4和O2。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充方法，其特征在于，所述SiH4的氣體流量為5?30sccm,所述O2的氣體流量為15?50sccm。
10.一種具有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的制備方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1-9任意一項所述的填充方法來進行所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的填充。
【文檔編號】H01L21/3105GK103928387SQ201410174457
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】曾紹海 申請人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司