提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)的方法，包括：提供包含有第一材料層與第二材料層的半導(dǎo)體襯底；依次形成氧化層與氮化層；進(jìn)行第一次刻蝕，以在所述氮化層、氧化層、第一材料層和第二材料層上形成第一淺溝道隔離凹槽；在所述第一淺溝道隔離凹槽中，對所述第二材料層進(jìn)行第二次刻蝕，形成第二淺溝道隔離凹槽；填充隔離材料；去除所述氮化層，形成淺溝道隔離結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過對第二材料層進(jìn)行第二次刻蝕，在保證源/漏區(qū)域有效面積不變的情況下，擴(kuò)大淺溝道隔離結(jié)構(gòu)底部的寬度，增加了淺溝道隔離結(jié)構(gòu)的隔離效果，在一定程度上提高了半導(dǎo)體器件的閾值電壓，從而提高半導(dǎo)體器件的性能。
【專利說明】提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及集成電路制造領(lǐng)域，特別涉及一種提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)的 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 半導(dǎo)體器件各元件之間的隔離通常是通過局部硅氧化（LOCOS)和淺溝道隔離 (Shallow Trench Isolation，STI)來實(shí)現(xiàn)的。
[0003] 在這兩者中，LOCOS方法的操作簡單，并能同時(shí)形成寬隔離薄膜和窄隔離薄膜。但 是，在L0C0S方法中，邊氧化會(huì)形成鳥啄型蝕像（bird break)，因而使得隔離區(qū)域變寬，導(dǎo) 致源/漏區(qū)域的有效面積減少。而且，在L0C0S方法中，取決于熱膨脹系數(shù)之間差的應(yīng)力在 域氧化物薄膜的形成過程中集中到氧化物薄膜的邊緣，導(dǎo)致在硅襯底上形成晶體缺陷而引 起大量的電流泄露。
[0004] 因此，淺溝道隔離技術(shù)是必不可少的。淺溝道隔離具有優(yōu)異的隔離性能、平坦的表 面形狀、良好的抗鎖定性能、幾乎為零的場侵蝕、較小的漏電流和結(jié)電容等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為 半導(dǎo)體器件制造工藝的主流隔離技術(shù)。
[0005] 傳統(tǒng)的形成淺溝道隔離結(jié)構(gòu)的主要工藝步驟包括：
[0006] 步驟01 :提供半導(dǎo)體襯底100,在所述半導(dǎo)體襯底100上依次形成氧化層101和氮 化層102,如圖Ia所示。
[0007] 步驟02:依次刻蝕所述氮化層102、氧化層101和部分半導(dǎo)體襯底100形成淺溝道 隔離凹槽103,如圖Ib所示。
[0008] 采用干法刻蝕和高深寬比工藝（HARP)形成的淺溝道隔離凹槽103,形貌可以為上 寬下窄的V形或倒梯形。
[0009] 步驟03:采用化學(xué)氣相沉積或熱氧化的方法，在所述淺溝道隔離凹槽103內(nèi)壁形 成襯氧化層104,形成淺溝道隔離凹槽105,如圖Ic所示。
[0010] 步驟04 :采用高深寬比工藝或高密度等離子體化學(xué)氣相沉積（HDPCVD)工藝，在所 述淺溝道隔離凹槽105中填充絕緣氧化層106,平坦化所述絕緣氧化層106,并去除氮化層 102,形成淺溝道隔離結(jié)構(gòu)，如圖Id所示。
[0011] 通常，在CMOS器件工藝中，器件的閾值電壓隨著溝道寬度的變窄而增大，即窄寬 度效應(yīng)（narrow width effect);但是在淺溝道隔離工藝中，器件的閾值電壓隨著溝道寬度 的變窄而降低，稱為反窄寬度效應(yīng)（reverse narrow width effect)。隨著CMOS器件尺寸 不斷縮小，特別是進(jìn)入到65nm及以下節(jié)點(diǎn)，反窄寬度效應(yīng)已經(jīng)成為制約小尺寸器件性能的 重要因素。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明提供了一種提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)的方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中隨 著半導(dǎo)體器件尺寸的縮小，半導(dǎo)體器件的閾值電壓隨著溝道寬度的變窄而降低，從而影響 半導(dǎo)體器件性能的問題。
[0013] 本發(fā)明提供的提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)的方法，包括：
[0014] 提供一半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底包含有第一材料層與第二材料層；
[0015] 在所述半導(dǎo)體襯底上依次形成氧化層與氮化層；
[0016] 進(jìn)行第一次刻蝕，在所述氮化層、氧化層、半導(dǎo)體襯底第一材料層和第二材料層上 形成第一淺溝道隔離凹槽；
[0017] 在所述第一淺溝道隔離凹槽中，對所述半導(dǎo)體襯底第二材料層進(jìn)行第二次刻蝕， 形成第二淺溝道隔離凹槽；
[0018] 在所述第二淺溝道隔離凹槽中填充隔離材料，并進(jìn)行平坦化處理；
[0019] 去除所述氮化層，形成淺溝道隔離結(jié)構(gòu)。
[0020] 進(jìn)一步的，所述半導(dǎo)體襯底第一材料層與第二材料層的材質(zhì)不同。
[0021] 進(jìn)一步的，所述半導(dǎo)體襯底第一材料層的材質(zhì)為硅、鍺化硅或碳化硅。
[0022] 進(jìn)一步的，所述半導(dǎo)體襯底第二材料層的材質(zhì)為硅、鍺化硅或碳化硅。
[0023] 進(jìn)一步的，所述鍺化硅中鍺的摩爾比為0. 2?0. 45。
[0024] 進(jìn)一步的，所述碳化硅中碳的摩爾比為0. 05?0. 2。
[0025] 進(jìn)一步的，所述半導(dǎo)體襯底第一材料層的厚度為20nm?100nm。
[0026] 進(jìn)一步的，所述氧化層的厚度為100A?400A。
[0027] 進(jìn)一步的，第一次刻蝕為濕法刻蝕。
[0028] 進(jìn)一步的，所述硅或鍺化硅的第二次刻蝕為濕法刻蝕。
[0029] 進(jìn)一步的，采用氫氟酸對硅進(jìn)行濕法刻蝕。
[0030] 進(jìn)一步的，采用醋酸對鍺化硅進(jìn)行濕法刻蝕。
[0031] 進(jìn)一步的，所述碳化硅的第二次刻蝕為干法刻蝕。
[0032] 進(jìn)一步的，采用等離子體對碳化硅進(jìn)行干法刻蝕
[0033] 進(jìn)一步的，所述氧化層的材質(zhì)為氧化硅，所述氮化層的材質(zhì)為氮化硅，所述隔離材 料的材質(zhì)為氧化硅。
[0034] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0035] 1、本發(fā)明的半導(dǎo)體襯底中包含有第一材料層和第二材料層，通過對第二材料層進(jìn) 行第二次刻蝕，在保證源/漏區(qū)域有效面積不變的情況下，擴(kuò)大淺溝道隔離結(jié)構(gòu)底部的寬 度，增加了淺溝道隔離結(jié)構(gòu)的隔離效果，在一定程度上提高了半導(dǎo)體器件的閾值電壓，從而 提高半導(dǎo)體器件的性能；
[0036] 同時(shí)，在淺溝道隔離結(jié)構(gòu)總體尺寸一致的情況下，可以提高源/漏區(qū)域的有效面 積，從而在一定范圍內(nèi)提高了半導(dǎo)體器件的性能；
[0037] 2、本發(fā)明所述工藝過程方法簡單，可以與傳統(tǒng)的淺溝道隔離相關(guān)工藝相融，只需 增加一次刻蝕，就能實(shí)現(xiàn)較好的淺溝道隔離，并且相同的設(shè)備可以應(yīng)用于更低節(jié)點(diǎn)的技術(shù) 生產(chǎn)，減小設(shè)備的更新頻率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0038] 圖Ia?Id是現(xiàn)有技術(shù)中形成淺溝道隔離結(jié)構(gòu)主要工藝步驟的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039] 圖2為本發(fā)明一實(shí)施例所提供的提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)方法的流程圖。
[0040] 圖3a?3f為本發(fā)明一實(shí)施例所提供的提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)方法的各 步驟結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0041] 以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明提出的提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)的 方法做進(jìn)一步詳細(xì)說明。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚，需說 明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比率，僅用于方便、明晰地輔助說明 本發(fā)明實(shí)施例的目的。
[0042] 本發(fā)明的核心思想是：半導(dǎo)體襯底中包含有第一材料層和第二材料層，通過對底 部的第二材料層進(jìn)行第二次刻蝕，在保證源/漏區(qū)域有效面積不變的情況下，擴(kuò)大淺溝道 隔離結(jié)構(gòu)底部的寬度，增加了淺溝道隔離結(jié)構(gòu)的隔離效果，在一定程度上提高了半導(dǎo)體器 件的閾值電壓，從而提高半導(dǎo)體器件的性能。
[0043] 圖2為本發(fā)明一實(shí)施例所提供的提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)的方法流程圖， 如圖2所示，本發(fā)明提出的一種提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)的方法，包括以下步驟：
[0044] 步驟SOl :提供一半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底包含有第一材料層與第二材料層；
[0045] 步驟S02:在所述半導(dǎo)體襯底上依次形成氧化層與氮化層；
[0046] 步驟S03:進(jìn)行第一次刻蝕，在所述氮化層、氧化層、半導(dǎo)體襯底第一材料層和第 二材料層上形成第一淺溝道隔離凹槽；
[0047] 步驟S04:在所述第一淺溝道隔離凹槽中，對所述半導(dǎo)體襯底第二材料層進(jìn)行第 二次刻蝕，形成第二淺溝道隔離凹槽；
[0048] 步驟S05:在所述第二淺溝道隔離凹槽中填充隔離材料，并進(jìn)行平坦化處理；
[0049] 步驟S06 :去除所述氮化層，形成淺溝道隔離結(jié)構(gòu)。
[0050] 圖3a?3f為本發(fā)明一實(shí)施例提供的提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)方法的各步 驟結(jié)構(gòu)示意圖，請參考圖2所示，并結(jié)合圖3a?圖3f，詳細(xì)說明本發(fā)明提出的提高淺溝道隔 離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)的方法：
[0051] 步驟SOl:提供一半導(dǎo)體襯底200,所述半導(dǎo)體襯底包含有第一材料層202與第二 材料層201，如圖3a所示。
[0052] 本實(shí)施例中，所述第一材料202的材質(zhì)為硅（Si)、鍺化硅（SiGe)或碳化硅（SiC)， 所述第二材料層201的材質(zhì)為硅、鍺化硅或碳化硅，所選擇的第一材料層202與第二材料層 201的材質(zhì)不同。所述鍺化硅中鍺的摩爾比為0. 2?0. 45,例如0. 2、0. 25、0. 3、0. 35、0. 4、 〇. 45,其中，較佳的摩爾比為0. 3;所述碳化硅中碳的摩爾比為0. 05?0. 2,例如0. 05、0. 1、 0. 15、0. 2,其中較佳的摩爾比為0. 1。
[0053] 所述半導(dǎo)體襯底200中的第一材料202的厚度為20nm?IOOnm,例如20nm、40nm、 60nm、80nm、100nm，較佳的厚度為60nm;后續(xù)工藝中制造的淺溝道隔離結(jié)構(gòu)的底部位于所 述第二材料層201中；所述半導(dǎo)體襯底200可以只包括第一材料層201和第二材料層202， 也可以包括第三材料層，位于所述第二材料層的底部，可以是硅襯底、鍺硅襯底或絕緣體上 硅（SOI)，或本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其他半導(dǎo)體襯底。
[0054]步驟S02:在所述半導(dǎo)體襯底200上依次形成氧化層203與氮化層204,如圖3b所 /Jn〇
[0055] 在半導(dǎo)體襯底200上可以通過熱氧化法形成氧化層203,也可以采用其它的方法 形成，所述氧化層203可以為氧化硅。所述氧化層203的厚度為100A?400A，例如100A 、200A、3〇〇A、400A，較佳的厚度為 300A。
[0056] 之后，可以采用低壓化學(xué)氣相沉積或等離子體輔助沉積法在氧化層203上形成氮 化層204,用于后續(xù)刻蝕過程中保護(hù)氧化層203,所述氮化層204可以為氮化硅。
[0057] 步驟S03:進(jìn)行第一次刻蝕，以在所述氮化層204、氧化層203、半導(dǎo)體襯底第一材 料層202和第二材料層201上形成第一淺溝道隔離凹槽205,如圖3c所示。
[0058] 本步驟中，首先旋涂光刻膠層（未圖示)，再對所述光刻膠層進(jìn)行曝光顯影后，定義 出第一淺溝道隔離凹槽。然后以圖形化的光刻膠層為掩膜，采用濕法刻蝕依次刻蝕所述氮 化層204、氧化層203、半導(dǎo)體襯底第一材料層202和第二材料層201，以形成第一淺溝道隔 離凹槽205。
[0059] 步驟S04:在所述第一淺溝道隔離凹槽205中，對所述半導(dǎo)體襯底第二材料層201 進(jìn)行第二次刻蝕，形成第二淺溝道隔離凹槽206,如圖3d所示。
[0060] 本實(shí)施例中，第二次刻蝕根據(jù)所述第二層材料201材質(zhì)的不同，采取不同的刻蝕 方法。所述第二層材料201的材質(zhì)為硅或鍺化硅時(shí)，采用濕法刻蝕，例如采用氫氟酸對硅進(jìn) 行濕法刻蝕，采用醋酸對鍺化硅進(jìn)行濕法刻蝕，也可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其它刻 蝕方法。所述第二層材料201的材質(zhì)為碳化硅時(shí)，采用干法刻蝕，例如采用等離子體對碳化 硅進(jìn)行干法刻蝕，當(dāng)然也可以采用其它已知的刻蝕方法。
[0061] 第二次刻蝕擴(kuò)大了第一淺溝道隔離凹槽的底部寬度，最終擴(kuò)大了淺溝道隔離結(jié)構(gòu) 的底部寬度，但是沒有改變第一材料層的刻蝕尺寸，即在不改變淺溝道隔離結(jié)構(gòu)頂層的尺 寸，保證源/漏區(qū)域有效面積不變的情況下，增加了淺溝道隔離結(jié)構(gòu)的隔離效果，在一定程 度上提高了半導(dǎo)體器件的閾值電壓，從而提高半導(dǎo)體器件的性能。同時(shí)，在淺溝道隔離結(jié)構(gòu) 總體尺寸一致的情況下，可以提高源/漏區(qū)域的有效面積，從而在一定范圍內(nèi)提高了半導(dǎo) 體器件的性能。
[0062] 步驟S05:在所述第二淺溝道隔離凹槽206中填充隔離材料207,并進(jìn)行平坦化處 理，如圖3e所示。
[0063] 向第二淺溝道隔離凹槽206中沉積常規(guī)的用在淺溝道隔離中的隔離材料，以獲得 填滿第二淺溝道隔離凹槽206的隔離材料層207,例如，隔離材料可以選擇氧化硅，或者本 領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其它隔離材料。然后，采用化學(xué)機(jī)械研磨的方法對所述隔離材料層進(jìn) 行平坦化，至所述氮化層204頂部。在其他實(shí)施例中，也可以采用其它的方法進(jìn)行平坦化。
[0064] 步驟S06:去除所述氮化層204,形成淺溝道隔離結(jié)構(gòu)，如圖3f所示。
[0065] 采用濕法刻蝕去除所述氮化層204,本實(shí)施例中，采用磷酸溶液去除所述氮化層 204,所述磷酸溶液中磷酸的質(zhì)量百分比為80%?90%，所述磷酸的蝕刻率為45?55A/min，在上述范圍內(nèi)，所述磷酸溶液的濃度不會(huì)因?yàn)闈舛冗^大而使蝕刻率過快而不易控制， 同時(shí)避免濃度過小則會(huì)使蝕刻率較慢而降低制作效率。在其他實(shí)施例中，可以采用不同的 刻蝕液或不同的刻蝕方法刻蝕氮化層204。
[0066] 綜上所述，本發(fā)明的半導(dǎo)體襯底中包含有第一材料層和第二材料層，通過對第二 材料層進(jìn)行第二次刻蝕，在保證源/漏區(qū)域有效面積不變的情況下，擴(kuò)大淺溝道隔離結(jié)構(gòu) 底部的寬度，增加了淺溝道隔離結(jié)構(gòu)的隔離效果，在一定程度上提高了半導(dǎo)體器件的閾值 電壓，從而提高半導(dǎo)體器件的性能；同時(shí)，在淺溝道隔離結(jié)構(gòu)總體尺寸一致的情況下，可以 提高源/漏區(qū)域的有效面積，從而在一定范圍內(nèi)提高了半導(dǎo)體器件的性能；本發(fā)明所述工 藝過程方法簡單，可以與傳統(tǒng)的淺溝道隔離相關(guān)工藝相融，只需增加一次刻蝕，就能實(shí)現(xiàn)較 好的淺溝道隔離，并且相同的設(shè)備可以應(yīng)用于更低節(jié)點(diǎn)的技術(shù)生產(chǎn)，減小設(shè)備的更新頻率。
[0067] 上述描述僅是對本發(fā)明較佳實(shí)施例的描述，并非對本發(fā)明范圍的任何限定，本發(fā) 明領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)上述揭示內(nèi)容做的任何變更、修飾，均屬于權(quán)利要求書的保護(hù) 范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)的方法，其特征在于，包括： 提供一半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底包含有第一材料層與第二材料層； 在所述半導(dǎo)體襯底上依次形成氧化層與氮化層； 進(jìn)行第一次刻蝕，在所述氮化層、氧化層、半導(dǎo)體襯底第一材料層和第二材料層上形成 第一淺溝道隔離凹槽； 在所述第一淺溝道隔離凹槽中，對所述半導(dǎo)體襯底第二材料層進(jìn)行第二次刻蝕，形成 第二淺溝道隔離凹槽； 在所述第二淺溝道隔離凹槽中填充隔離材料，并進(jìn)行平坦化處理； 去除所述氮化層，形成淺溝道隔離結(jié)構(gòu)。
2. 如權(quán)利要求1所述的提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)的方法，其特征在于，所述半 導(dǎo)體襯底第一材料層與第二材料層的材質(zhì)不同。
3. 如權(quán)利要求2所述的提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)的方法，其特征在于，所述半 導(dǎo)體襯底第一材料層的材質(zhì)為娃、錯(cuò)化娃或碳化娃。
4. 如權(quán)利要求3所述的提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)的方法，其特征在于，所述半 導(dǎo)體襯底第二材料層的材質(zhì)為娃、錯(cuò)化娃或碳化娃。
5. 如權(quán)利要求4所述的提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)的方法，其特征在于，所述錯(cuò) 化娃中錯(cuò)的摩爾比為0. 2?0. 45。
6. 如權(quán)利要求4所述的提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)的方法，其特征在于，所述碳 化娃中碳的摩爾比為0. 05?0. 2。
7. 如權(quán)利要求1所述的提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)的方法，其特征在于，所述半 導(dǎo)體襯底第一材料層的厚度為20nm?lOOnm。
8. 如權(quán)利要求1所述的提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)的方法，其特征在于，所述氧 化層的厚度為100 A?400 A。
9. 如權(quán)利要求1所述的提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)的方法，其特征在于，所述第 一次刻蝕為濕法刻蝕。
10. 如權(quán)利要求4所述的提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)的方法，其特征在于，所述娃 或錯(cuò)化娃的第二次刻蝕為濕法刻蝕。
11. 如權(quán)利要求10所述的提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)的方法，其特征在于，采用 氨氣酸對娃進(jìn)行濕法刻蝕。
12. 如權(quán)利要求10所述的提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)的方法，其特征在于，采用 醋酸對錯(cuò)化娃進(jìn)行濕法刻蝕。
13. 如權(quán)利要求4所述的提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)的方法，其特征在于，所述碳 化娃的第二次刻蝕為干法刻蝕。
14. 如權(quán)利要求13所述的提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)的方法，其特征在于，采用 等離子體對碳化娃進(jìn)行干法刻蝕。
15. 如權(quán)利要求1至14中任意一項(xiàng)所述的提高淺溝道隔離結(jié)構(gòu)窄寬度效應(yīng)的方法，其 特征在于，所述氧化層的材質(zhì)為氧化娃，所述氮化層的材質(zhì)為氮化娃，所述隔離材料的材質(zhì) 為氧化娃。
【文檔編號(hào)】H01L21/311GK104425338SQ201310365515
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月20日
【發(fā)明者】趙猛, 洪中山 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司