專利名稱：用臭氧沉積后處理除去可流動的氧化物薄膜中的碳的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造半導(dǎo)體設(shè)備的方法，更具體地，涉及從半成品的半導(dǎo)體設(shè) 備結(jié)構(gòu)中除去殘留的碳沉積物的方法。
背景技術(shù)：
在過去的幾年中，由于半導(dǎo)體基材上電路密度的增加，半導(dǎo)體設(shè)備的性能 顯著提高。隨著半導(dǎo)體設(shè)備密度的增加，已經(jīng)有必要減小形成半導(dǎo)體設(shè)備的電 路元件的尺寸，從而使得電路元件的必需數(shù)目能夠適合半導(dǎo)體基材。
半導(dǎo)體設(shè)備通常包括半導(dǎo)體基材和許多相鄰的有源設(shè)備，這些有源設(shè)備是 相互電絕緣的。隨著電路密度的增加，在有源設(shè)備之間有效的絕緣變得更為重
要。 一 種絕緣技術(shù)是硅局部氧化絕緣(local oxidation of silicon isolation) ("LOCOS"),該技術(shù)在半導(dǎo)體基材的非有源區(qū)域形成凹陷的氧化物層來使有源 元件絕緣。氧化物層是是通過濺射技術(shù)或熱技術(shù)來形成的。
一種可替代的技術(shù)是溝槽絕緣(trench isolation), 它包括在半導(dǎo)體基材的 非有源區(qū)域蝕刻溝槽。溝槽絕緣被稱為淺溝槽絕緣(shallow trench isolation) ("STI")或深溝槽絕緣(deep trench isolation)( "DTI")，這取決于在半導(dǎo)體基 材上蝕刻的溝槽深度。DTI結(jié)構(gòu)(深度通常大于3微米)用于使N—井和P —井等有 源設(shè)備絕緣。淺溝槽結(jié)構(gòu)用來絕緣相鄰的電子設(shè)備，例如晶體管，其深度小于 l微米。溝槽用絕緣的介電材料，例如二氧化硅材料來填充。填充好的溝槽在 本領(lǐng)域被稱作溝槽絕緣或溝槽絕緣區(qū)域。溝槽通常用二氧化硅材料通過化學(xué)氣 相沉積("CVD")技術(shù)，例如高密度等離子體("HDP" )CVD來填充。在CVD 中，將二氧化硅的氣態(tài)前體施用于半導(dǎo)體基材的表面。氣態(tài)前體和表面反應(yīng)形 成二氧化硅材料薄膜或?qū)印?br> 溝槽絕緣比LOCOS提供更小的絕緣面積和更好的表面平面化。盡管溝槽絕 緣具有這些優(yōu)點，但是由于二氧化硅材料粘到溝槽的側(cè)面和側(cè)壁，而不是均勻 地從底到頂填滿溝槽，所以當(dāng)填充溝槽時，會在二氧化硅材料里形成不良的空
隙。在深的溝槽中，例如大展弦比(high aspect ratio)大于約3: l的溝槽中，空隙 尤為常見。由于淺的和深的溝槽在填充時，都會變得越來越窄，所以在填充過 程的后期階段，通常也形成空隙。
如在Chung等人的"Novel shallow trench isolation process using flowable oxide CVD for sub-100 nm DRAM" IEEE(2002)中所揭示的，可流動的氧化物 材料CVD已和HDP CVD聯(lián)合使用來減少空隙的形成。通過向基材的表面提供硅 垸和過氧化氫("H202")在溝槽里形成液體Si(OH)4薄膜。Si(OH)4薄膜用HDP 氧化物覆蓋以保護(hù)Si(OH)4薄膜不受到劇烈的清洗。
除了用于淺溝槽外，可流動的氧化物材料CVD對于填充具有展弦比較高的 溝槽結(jié)構(gòu)。盡管通過CVD來沉積可流動的氧化物材料可減少空隙的形成，但如 果氣態(tài)前體中含有碳，殘留的碳沉積物就會存在于沉積膜中。沉積薄膜中的碳 會導(dǎo)致薄膜柔軟而多孔，這使得沉積膜在后續(xù)的工序(如蝕刻工序)中不穩(wěn)定。 因為沉積薄膜是多孔的，且由于碳的存在，薄膜容易坍塌。另外，如果可流動 的氧化物材料用于填充絕緣溝槽，碳會導(dǎo)致設(shè)備老化(degradation)。
需要減少或消除存在于可流動的氧化物材料沉積層中的殘留碳沉積物。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括除去殘留碳沉積物的方法。該方法包括提供沉積后可流動的絕 緣材料。可流動的絕緣材料可包括硅、碳和氫。殘留的碳沉積物可以通過將材 料暴露在臭氧("03")中而從可流動的絕緣材料中除去?？闪鲃拥慕^緣材料可 在10(TC到100(TC之間的溫度下暴露于O3中?？墒褂么笥诩s1%的03濃度?？闪?動的絕緣材料用于形成位于半導(dǎo)體基材的溝槽中的絕緣層。
本發(fā)明還包括半成品的半導(dǎo)體設(shè)備結(jié)構(gòu)。半成品的半導(dǎo)體設(shè)備結(jié)構(gòu)包括其 上具有至少一個孔穴或凹槽(例如溝槽)的半導(dǎo)體基材，所述孔穴或凹槽用可流 動的無殘留碳沉積物的絕緣材料填充。


盡管本說明書開頭的權(quán)利要求書特別指出并清楚地要求保護(hù)本發(fā)明，但從
結(jié)合附圖和下面的發(fā)明描述，可更容易確定本發(fā)明的優(yōu)點，附圖中 圖1A— 1C是本發(fā)明的半成品的半導(dǎo)體設(shè)備結(jié)構(gòu)的橫截面圖；和
圖2， 3， 4和5顯示了未處理過的絕緣層和用03處理過的絕緣層的碳水平。
具體實施例方式
公開了一種從絕緣材料中除去殘留碳沉積物的方法。所述絕緣材料用作空 隙填充材料，例如填充半導(dǎo)體基材上的溝槽。將絕緣材料沉積到溝槽上形成絕 緣層，所述絕緣層含有殘留的碳沉積物。這些殘留的碳沉積物通過將絕緣層暴
露在03中而除去。
半導(dǎo)體基材可以是半導(dǎo)體薄片或其它的含有半導(dǎo)體材料層的基材。本文所
用的術(shù)語"半導(dǎo)體基材"包括硅薄片、絕緣體上的硅("SOI")基材、，藍(lán)寶石 上的硅(sos)基材、半導(dǎo)體基底上的外延硅層和其它的半導(dǎo)體材料，例如硅_ 鍺、鍺、砷化鎵、磷化銦。如圖1A所示，半導(dǎo)體基材2可包括許多有源區(qū)域4和 許多非有源區(qū)域6。有源設(shè)備，例如晶體管，可在有源區(qū)域4上形成，而至少有 一個溝槽8可以在非有源區(qū)域6形成，以隔離有源設(shè)備。本文所用的術(shù)語"溝槽" 是廣義上的凹槽或孔穴，并不被任何具體的構(gòu)形或尺寸所限定。這樣，溝槽既 可以是淺的溝槽，又可以是深的溝槽。
如圖1B所示，可以通過常規(guī)技術(shù)在半導(dǎo)體基材2的非有源區(qū)域6形成溝槽8， 例如通過蝕刻半導(dǎo)體基材2和任何覆蓋于半導(dǎo)體基材2的其它層。如本領(lǐng)域所公 知的，取決于要形成的最終半導(dǎo)體設(shè)備結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，其它的層可以存在于半導(dǎo) 體基材2上。僅僅為了舉例，光致抗蝕層、墊式氧化物層和/或氮化物層可以存 在于半導(dǎo)體基材2上。如圖1C所示，絕緣層10可完全或部分填充溝槽8?？梢猿?積約50 A—8000 A厚度，例如約300A—約3000A厚度的絕緣層10。
可以從可流動的氧化物材料形成絕緣層IO，該氧化物材料是通過CVD沉積 的?；蛘?，可以從旋壓的可流動的氧化物材料形成絕緣層IO，所述氧化物材料 沉積在溝槽8中。在沉積時，絕緣層10可具有類似于旋壓氣體薄膜的液體性質(zhì)。 例如，絕緣層10可具有類似于溶膠或旋壓材料的性質(zhì)。這樣，絕緣層10是柔軟 而多孔的。因為沉積的絕緣層10是液體狀的，材料可以不粘到溝槽8的側(cè)壁或 頂部，而是從溝槽8的底部到頂部地填充溝槽8。如果溝槽8用可流動的氧化物 材料填充，可以理解溝槽8的殘余部分可用HPD氧化物通過HDP CVD沉積來填 充。
如果要通過CVD形成絕緣層IO，則可將半導(dǎo)體基材2置于反應(yīng)室中，使氣 態(tài)前體在半導(dǎo)體基材2上流動，流到溝槽8中。氣態(tài)前體可包括有機(jī)硅前體和氧 化劑，兩者在絕緣層10沉積的溫度下或附近是氣態(tài)。有機(jī)硅前體可包括硅、碳、
氫和任選的氧或氮。例如，有機(jī)硅前體可以是有機(jī)硅烷，例如垸基硅垸或鏈烯 基硅垸，或有機(jī)硅氧烷化合物。垸基硅烷可包括但不限于甲基硅垸、二甲基硅 烷、三甲基硅烷("TMS")或四甲基硅烷?？深A(yù)期的是也可以使用兩種或多種
有機(jī)硅前體的混合物。03、 H202、氧氣("02")或其它能夠氧化有機(jī)硅前體和/
或除去其上電子的化合物可用作氧化劑。
僅僅為了舉例，絕緣層10可以通過將TMS和O3流到反應(yīng)室中，流到溝槽8 上而形成。TMS和03與半導(dǎo)體基材2的表面反應(yīng)，墊起溝槽8形成絕緣層10。半 導(dǎo)體基材2可通過將半導(dǎo)體基材2放置在維持在所述溫度的卡盤上而保存在約 25。C一50(TC的溫度范圍內(nèi)。例如，半導(dǎo)體基材2可維持在約125X:的溫度下。 反應(yīng)室可以維持在約10Torr—約600Torr的壓力范圍，例如，約300Torr。
如果在CVD處理中，有機(jī)硅前體中的碳沒有完全被氧化，則通過CVD沉積 的絕緣層10會含有殘留的碳沉積物。絕緣層10會含有高達(dá)約30%的碳。碳的存 在導(dǎo)致絕緣層10柔軟而多孔，這可導(dǎo)致絕緣層10在某些條件下坍塌。另外，當(dāng) 絕緣層10用于填充溝槽時，碳可導(dǎo)致包括絕緣材料的任何半導(dǎo)體設(shè)備結(jié)構(gòu)老 化。
可以通過將絕緣層10暴露于03中而從絕緣層10中除去殘留的碳沉積物。03 可引入或流入到反應(yīng)室中，這樣03在溝槽8中和絕緣層10接觸足夠的時間以除 去殘留的碳。因為絕緣層10是多孔的，03可滲透到層中，并和殘留的碳沉積物 接觸。不受一些理論的限制，認(rèn)為03氧化殘留的碳沉積物，產(chǎn)生可揮發(fā)的碳物 質(zhì)，例如一氧化碳("CO")或二氧化碳("CCV')。接著這些可揮發(fā)的碳物質(zhì)從 絕緣層10擴(kuò)散出去。暴露于03可以將絕緣層10中存在的殘留碳的量減少到小于 約5%(原子的)。例如，殘留碳的量可減少到小于約2%(原子的)。還可預(yù)期絕緣 層10中可基本上不含有殘留碳，例如含有小于約1%(原子的)殘留碳。當(dāng)絕緣層 10的殘留碳含量小于約5%時，應(yīng)理解由于03處理后，從大氣中吸收碳，絕緣 層10的表面可能含有更高量的殘留碳，如下面所解釋。
在暴露于03的過程中，半導(dǎo)體基材2可以保持在約crc—約ioo(rc的溫度范
圍。僅僅為了舉例，半導(dǎo)體基材2可以保持在約40(rC—約70(TC的溫度范圍。 03可以和惰性載體氣體，例如氦氣、氖氣或氬氣一起流入到反應(yīng)室中。03可以 以至少10標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘("sccm")，可以高達(dá)約20000sccm的速率流入到 反應(yīng)室中。03可以以大于1%的濃度，例如以約12%或大于約17%的濃度存在 于反應(yīng)室中。絕緣層10可暴露于03中約20秒到300秒之間。為了提高從絕緣層
上除去的碳的量，可增加03的濃度和/或03的流速。另外，也可以增加暴露于 03中的時間長度。
在一個實施方案中，03以約2000sccm—約5000sccm的速率流入到反應(yīng)室 中，保持在53CTC。 03以約12%的濃度供給反應(yīng)室。為了除去殘留的碳，絕緣 層10至少暴露于03中約20秒。
從絕緣層10中除去殘留的碳沉積物也可以以連續(xù)方式進(jìn)行。例如，如下所 述，在溝槽8中沉積絕緣層10的第一部分，03可以流到絕緣層10的第一部分的 上面，除去殘留的碳沉積物。接著絕緣層10的第二部分進(jìn)行沉積，暴露于03中 以除去第二部分中的殘留碳沉積物。該連續(xù)過程可以重復(fù)，直到溝槽8通過絕 緣層10填充到所需水平。
為了測定暴露于03中的絕緣層10中存在的碳量，在53(TC的溫度下通過 TMS和O3的CVD將絕緣層10沉積在涂層晶片(blanket wafer)上。絕緣層10的沉 積厚度約為600A。暴露于03中的絕緣層10與沒有暴露于03中的絕緣層10相比， 碳量顯著減少。圖2和3是如上所述的沉積的絕緣層10的二次離子質(zhì)譜("SIMS") 分析，如圖中所示，與暴露于03中100秒的絕緣層10(示于圖3)相比未暴露于03 的絕緣層10具有顯著較高的碳水平(示于圖2)。前者示出了碳的背景水平。
絕緣層10還在53(TC下暴露于O3中不同的時間。圖4示出了暴露于03中100 秒、200秒和300秒的碳深度分布比較。如圖4所示，暴露于03中100秒、200秒 和300秒顯著減少了絕緣層10中存在的碳的量。如圖4中噪音或碳的背景量所 示，這些絕緣層10具有無法檢測的碳量。如SIMS分析所檢測到的，沒有暴露于 03中的對比絕緣層，與用03處理過的絕緣層10相比，具有顯著高的碳量。
對如上所述沉積的絕緣層10進(jìn)行X光光電子譜("XPS")分析，如圖5中圖 C弁l所示沒有暴露于03中的，具有約37%的碳。圖5示出了用03處理過的絕緣層 10和未暴露于03中的絕緣層的碳分布比較。在03中暴露20、 50和100秒的絕緣 層10(分別為圖C^2、 C存3和C弁4)顯示出背景碳量。如圖4和圖5所示，碳除去到 約320納米的深度。圖5還示出了絕緣層10的表面具有較高的碳量，而絕緣層IO
的表面以下部分具有顯著減少的碳量。這一現(xiàn)象既存在于未處理過的絕緣層(圖 C弁l)，又存在于處理過的絕緣層10(圖C弁2、 C弁3和C弁4)中。表面上的碳是例如 在存放過程中，從大氣中吸收的，表面上存在碳的量高達(dá)約10%(原子的)。
如果在旋壓、可流動的氧化物材料沉積之后存在碳沉積物，則從旋壓、可 流動的氧化物材料得到的絕緣層10還可暴露于03中以除去殘留的碳沉積物。旋
壓、可流動的氧化物材料在本領(lǐng)域中是已知的。這些材料的例子包括但不限于，
來自于Dow Corning Corp. (Midland, MI)的Fox⑧l(xiāng)ine產(chǎn)品、來自于Honeywell Electronic Materials(Sunnyvale ， CA)的FLARE 和HOSPTM ，或來自于Dow Chemical Company(Midland， MI^々SILK line的產(chǎn)品。這些旋壓、可流動的氧 化物材料以液體形式供給，可沉積在半導(dǎo)體基材2的溝槽8中形成絕緣層10。如 前所述，將絕緣層10暴露于03中除去殘留的碳沉積物。
暴露于03中除去殘留的碳沉積物之后，具有基本上不含碳沉積物的絕緣層 10的半導(dǎo)體基材2，如本領(lǐng)域己知，可進(jìn)一步加工制成所需的半導(dǎo)體設(shè)備結(jié)構(gòu)。 例如，可使用平面化處理(planarization process)以產(chǎn)生半導(dǎo)體設(shè)備結(jié)構(gòu)。
雖然已描述使用03除去殘留的碳沉積物可用于溝槽絕緣應(yīng)用，03還可用于 其它情況，例如需要從可流動的氧化物材料或旋壓、可流動的氧化物材料中除 去殘留碳沉積物的情況。例如，當(dāng)這些材料用于填充金屬導(dǎo)線之間的間隙或當(dāng) 可流動的氧化物材料用于低介電參數(shù)("低的K")應(yīng)用時，03可用來除去存在的殘 留的碳沉積物。
盡管本發(fā)明可進(jìn)行各種改變和替換，具體實施方式
也在附圖中以實施例的 方式示出并在本文中詳細(xì)描述，然而，應(yīng)該理解的是，本發(fā)明并不被所揭示的 某種形式所限制。相反，本發(fā)明包括落在所附的權(quán)利要求書所限定的本質(zhì)和范 圍內(nèi)的所有改變、等價形式和替換形式。
權(quán)利要求
1.一種除去殘留碳沉積物的方法，包括提供含有硅、碳和氫的可流動的絕緣層；和從可流動的絕緣層除去殘留的碳沉積物。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，提供可流動的絕緣層包括提供包含至少一個溝槽的半導(dǎo)體基材，和在至少一個溝槽中沉積可流動的絕緣層。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在至少一個溝槽中沉積可流動的絕緣層包括用可流動的絕緣層完全填充至少一個溝槽。
4. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在至少一個溝槽中沉積可流動的絕緣層包括用可流動的絕緣層部分填充至少一個溝槽。
5. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，提供可流動的絕緣層包括通過化學(xué)氣相沉積沉積可流動的絕緣層。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，通過化學(xué)氣相沉積沉積可流動的絕緣層包括使有機(jī)硅前體和氧化劑流到半導(dǎo)體基材上。
7. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，通過化學(xué)氣相沉積沉積可流動的絕緣層包括使三甲基硅垸和臭氧流到半導(dǎo)體基材上。
8. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，提供可流動的絕緣層包括提供旋壓的可流動的氧化物材料。
9. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，從可流動的絕緣層除去殘留的碳沉積物包括將可流動的絕緣層暴露于臭氧中。
10. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，從可流動的絕緣層除去殘留的碳沉積物包括將可流動的絕緣層在約0℃-約1000℃之間的溫度下暴露于臭氧中。
11. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，從可流動的絕緣層除去殘留的碳沉積物包括使臭氧在約400℃-約700℃的溫度下流到可流動的絕緣層上。
12. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，從可流動的絕緣層除去殘留的碳沉積物包括以約10標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘-約20000標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘的速率將可流動的絕緣層暴露于臭氧中。
13. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，從可流動的絕緣層除去殘留的碳沉積物包括以約2000標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘-約5000標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘的速率使臭氧流到可流動的絕緣層上。
14. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，從可流動的絕緣層除去殘留的碳沉積物包括以大于約1%的臭氧濃度使臭氧流到可流動的絕緣層上。
15. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，從可流動的絕緣層除去殘留的碳沉積物包括以大于約12 %的臭氧濃度使臭氧流到可流動的絕緣層上。
16. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，從可流動的絕緣層除去殘留的碳沉積物包括以大于約17%的臭氧濃度使臭氧流到可流動的絕緣層上。
17. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，從可流動的絕緣層除去殘留的碳沉積物包括將可流動的絕緣層暴露于臭氧中一段時間，所述時間足夠氧化殘留的碳沉積物。
18. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，從可流動的絕緣層除去殘留的碳沉積物包括將可流動的絕緣層暴露于臭氧中約20秒一約300秒之間。
19. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，從可流動的絕緣層除去殘留的碳沉積物包括將可流動的絕緣層暴露于臭氧中約20秒。
20. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，從可流動的絕緣層除去殘留的碳沉積物包括將殘留的碳沉積物氧化為可揮發(fā)的碳物質(zhì)。
21. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，從可流動的絕緣層除去殘留的碳沉積物包括將存在于絕緣層中的碳量減小到小于約5%原子含量。
22. —種半導(dǎo)體設(shè)備結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體基材，它包括至少部分被以流動態(tài)使用的絕緣材料填充的至少一個溝槽，其特征在于，所述絕緣材料具有小于約30%的殘留碳。
23. 如權(quán)利要求22所述的半導(dǎo)體設(shè)備結(jié)構(gòu)，其特征在于，絕緣材料基本上不含殘留碳。
24. 如權(quán)利要求22所述的半導(dǎo)體設(shè)備結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述半導(dǎo)體設(shè)備結(jié)構(gòu)是半成品的半導(dǎo)體設(shè)備結(jié)構(gòu)，并且絕緣材料是流動態(tài)的。
25. 如權(quán)利要求22所述的半導(dǎo)體設(shè)備結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述半導(dǎo)體設(shè)備結(jié)構(gòu)是終產(chǎn)品的半導(dǎo)體設(shè)備結(jié)構(gòu)，并且絕緣材料是固化的。
全文摘要
從可流動的絕緣材料中除去殘留碳沉積物的一種方法。可流動的絕緣材料包括硅、碳和氫，且是可流動的氧化物材料或旋壓的可流動的氧化物材料。通過將材料暴露于臭氧中而從可流動的絕緣材料中除去殘留碳沉積物?？闪鲃拥慕^緣材料用于形成位于半導(dǎo)體基材上的溝槽中的絕緣層。
文檔編號H01L21/3105GK101176190SQ200480012417
公開日2008年5月7日 申請日期2004年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月8日
發(fā)明者G·S·桑德胡, L·李 申請人:微米技術(shù)股份有限公司