專利名稱：形成無孔隙溝槽隔離的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在半導體基片上形成隔離溝槽的方法，以在基片中形成無孔隙隔離圖形，并且防止在后續(xù)的蝕刻步驟中在溝槽的邊界生成凹陷。
在制作溝槽隔離時，公知的問題是，由于在硅基片上的溝槽中裝填絕緣材料所導致的孔隙。H.B.Pogge在U.S.Pat.No.4,256,514中公開了一種溝槽隔離的形成。Pogge描述了隔離的形成，其中使用化學汽相淀積或者類似方法將絕緣材料，如二氧化硅或者多晶硅等，淀積在溝槽圖形內(nèi)。此種系統(tǒng)使用均質(zhì)汽相反應，其中，二氧化硅，多晶硅或者類似物由提供的反應物形成汽態(tài)，再淀積到表面上和溝槽的圖形內(nèi)。此種淀積方法的問題在于，在溝槽圖形中，特別是在溝槽交叉的位置內(nèi)，容易形成孔隙。而且，重填淀積會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)不足或松弛的封裝材料，這在集成電路中不是最好的隔離結(jié)構(gòu)。在隨后將作為有源或無源器件區(qū)的硅區(qū)域中，孔隙的存在和這種松弛的結(jié)構(gòu)。具有放大缺陷的形成的趨勢。


圖1A至圖1D示出了一種現(xiàn)有的形成溝槽隔離的方法的工藝步驟。參照圖1A，氧化層12，氮化硅層14，和氧化層16依次形成在硅基片10上。使用光刻法在氧化層16上形成光刻膠圖形，接著，利用已構(gòu)成圖形的光刻膠層作掩模進行蝕刻步驟。結(jié)果，形成了溝槽形成掩模18。利用溝槽形成掩模18進行本技術(shù)領(lǐng)域公知的RIE(反應離子刻蝕)處理，去掉氧化層12的一部分，因而露出了基片10的一部分。繼續(xù)進行RIE處理，形成溝槽20。在溝槽20形成以后，進行熱氧化處理，在溝槽20的內(nèi)部形成熱氧化層22。
隨后，如圖1B所示，通過如上提到的U.S.Pat.No.4,256,514所公開的CVD(化學汽相淀積)工藝將絕緣材料淀積下來。在淀積絕緣材料時，在溝槽形成掩模18的兩個側(cè)壁部分(圖1B中的虛圓A)的淀積速度，快于在溝槽20的內(nèi)部(圖1B中的虛圓B)的淀積速度。由此形成的絕緣材料24，在溝槽形成掩模18的側(cè)壁的厚度厚于在溝槽20的內(nèi)部的厚度。結(jié)果是，由于絕緣材料24的淀積速度的差異就生成了孔隙26，如圖1C所示。
最后，如果例如CMP(化學機械磨光)(chemical mechanical polishing)的平面化處理進行至基片表面暴露出來，由此形成溝槽填充絕緣層24。在圖1D中可以看出，孔隙26通常形成在溝槽填充隔離24的中心部位。這是由于在溝槽的內(nèi)部被絕緣材料24完全填滿之前，溝槽20的進入口就已經(jīng)被絕緣材料封住。如果在以后的步驟中孔隙26被導電材料填充，就有可能導致電路器件之間產(chǎn)生短路的嚴重后果。而且，在其后的蝕刻(或者清洗)步驟中，在有源區(qū)和場區(qū)的界面處形成凹陷或者凹槽(圖1D中的虛圓C)，導致了溝槽隔離的松弛結(jié)構(gòu)。這稱為“下沉現(xiàn)象(Dippingphenomenon)”。此種下沉經(jīng)常發(fā)生，特別是在溝槽的邊緣。如以上所描述，在隨后將作為有源區(qū)或者場區(qū)的硅區(qū)域中，孔隙的存在和這種松弛結(jié)構(gòu)，具有放大缺陷形成的作用。
本發(fā)明的目的之一是提供一種形成隔離溝槽的方法，其中在溝槽中不會形成孔隙。
本發(fā)明的進一步的目的是提供一種形成隔離溝槽的方法，其中在其后的蝕刻步驟中，不會在溝槽的上邊緣形成凹陷(或凹槽)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種形成隔離溝槽的方法，其中在其后的清洗步驟中，不會在溝槽的上表面形成凹陷。
依照本發(fā)明的一種考慮，提供了一種在半導體基片中形成溝槽隔離的方法。使用這種方法，在基片上形成溝槽形成掩模，其中該溝槽形成掩模由具有不同的蝕刻速率的第一和第二材料層組成。使用溝槽隔離掩模對基片進行蝕刻以形成溝槽，接著將第一材料層使用濕法腐蝕以去掉第一材料層的兩個側(cè)壁，因而形成了溝槽隔離掩模的鉆蝕截面。最后，在基片上淀積溝槽填充絕緣層，填滿溝槽形成掩模，其中溝槽填充絕緣層在第一材料層的側(cè)壁部位的淀積速度慢于在溝槽的內(nèi)部的淀積速度。
依照本發(fā)明進一步的考慮，提供了一種在半導體基片中形成溝槽隔離的方法，其包含在基片上順序形成的氮化硅層和第一氧化層。氮化硅層和第一氧化層被有選擇地腐蝕，以暴露出部分基片。使用構(gòu)成圖形的氮化硅層作為溝槽形成掩模，腐蝕基片以形成溝槽。第一氧化層經(jīng)濕法腐蝕去掉第一氧化層的側(cè)壁，將在溝槽邊緣附近的基片的一部分暴露出來。在基片的暴露部分和溝槽的內(nèi)部形成第二氧化層。在基片上形成絕緣層，填滿溝槽。最后，基片被平面化，直到露出基片的上表面。
依照本發(fā)明的另一考慮，提供了一種在半導體基片上形成溝槽隔離的方法，其包含，在基片上形成光刻膠圖形以確定基片的有源區(qū)和場區(qū)。基片的場區(qū)經(jīng)氧化形成氧化層。在光刻膠層的兩個側(cè)壁上，形成相對于基片具有腐蝕選擇性的襯套層。使用光刻膠圖形和襯套層作為溝槽形成掩模，選擇腐蝕氧化層和基片，氧化層的一部分仍殘留在溝槽的邊緣附近。在基片上形成絕緣層，填滿溝槽，然后絕緣層經(jīng)平面化，直至露出基片的上表面。
參照附圖，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會更清楚的理解本發(fā)明及其目的。
圖1A至圖1D是示出了依照現(xiàn)有技術(shù)形成隔離溝槽的方法的工藝步驟的流程圖；圖2A至圖2D是示出了依照本發(fā)明的第一實施例形成隔離溝槽的方法的工藝步驟的流程圖；圖3A至圖3F是示出了依照本發(fā)明的第二實施例形成隔離溝槽的方法的工藝步驟的流程圖；以及圖4A至圖4D是示出了依照本發(fā)明的第三實施例形成隔離溝槽的方法的工藝步驟的流程圖。
實施例1圖2A至圖2D示出了依照本發(fā)明的第一實施例形成隔離溝槽的新方法的工藝步驟；參照圖2A，硅基片(或外延層)30的一部分具有厚度大約為100-300埃的基底氧化層32和有源掩模38作為溝槽形成掩模。基片30的有源區(qū)和場區(qū)由有源掩模38決定。通過溫度在900-1300HC的熱氧化形成基底氧化層32。掩模38由具有不同的蝕刻速率的兩層組成，其中的第一材料層34厚度為500-2000埃，例如氮化硅，其中的第二材料層36例如是CVD(化學汽相淀積)層。可通過CVD或者PVD(物理汽相淀積)形成氮化硅層34，用來在以后的對溝槽填充絕緣體的平面化的過程中作為蝕刻停止層(etch stopper)，CVD氧化層36可以是通過CVD工藝形成的HTO(高溫氧化)層，用來作為圖形層，以借助于溝槽蝕刻步驟得到預定的溝槽形狀?；籽趸瘜?2用來調(diào)節(jié)硅基片30和氮化硅層34之間的膨脹系數(shù)(coefficient of expansion)。使用本技術(shù)領(lǐng)域公知的光刻法形成的光刻膠掩模(未示出)，通過RIE(反應離子刻蝕)工藝可得到有源掩模38的圖形。
在形成有源掩模38之后，通過使用圖形掩模38，進行例如使用等離子的RIE工藝等溝槽蝕刻步驟，因此相應于場區(qū)形成了溝槽40。接著是熱氧化步驟，在溝槽40的內(nèi)部形成一個熱氧化層42。設置熱氧化層42以使基片表面穩(wěn)定。
參照圖2B，進行了濕法腐蝕處理，選擇腐蝕氮化硅層34的兩個側(cè)壁，因而有源掩模38如圖所示呈現(xiàn)鉆蝕的截面。進行濕法腐蝕是基于這樣的前提，即，當使用磷酸溶液作為腐蝕劑時，氮化硅層34對CVD氧化層36的腐蝕速率比在40∶1至45∶1之間，且將氮化硅層34的腐蝕速度控制在每分鐘四十埃的厚度。而且，也可以使用HF溶液作為腐蝕劑。
隨后，淀積絕緣材料44，如圖2B所示，通過在基片上進行CVD處理，填充溝槽40的內(nèi)部。當絕緣材料44填充溝槽40時，位于有源掩模38的兩側(cè)壁位置的絕緣材料的淀積速度慢于在溝槽40內(nèi)部的淀積速度。這是因為，在淀積過程中，絕緣材料44被轉(zhuǎn)移到了有源掩模38的鉆蝕部位(即氮化硅層34的內(nèi)陷部位)。
如上段所描述的，本發(fā)明的關(guān)鍵特性在于，由于有源掩模38的鉆蝕截面，絕緣材料在溝槽入口的淀積速度慢于在溝槽內(nèi)部的淀積速度。因此在溝槽的入口被絕緣材料封閉之前，絕緣材料可以完全的填滿溝槽40的內(nèi)部。
如圖2C和2D所示，在有源掩模38的鉆蝕截面結(jié)構(gòu)的條件下繼續(xù)進行絕緣材料的淀積，因此絕緣材料44a完全填滿溝槽40。并且我們應注意的是，絕緣材料44a甚至覆蓋了基片的有源區(qū)的一部分。因此，即使以后執(zhí)行清洗(或蝕刻)步驟，在溝槽40的上表面也不會形成凹陷。
最后，使用CMP(化學機械磨光)進行平面化，直到露出作為蝕刻停止層的氮化硅層34的表通，然后去掉氮化硅層34和CVD氧化層36，因此形成無孔隙溝槽隔離。本實施例的另一個關(guān)鍵特性是，在溝槽隔離和基片之間產(chǎn)生一個不同的步驟，即，所形成的無孔隙溝槽隔離高于基片。因此，即使在例如字線(word line)的導電線形成之前，進行隨后的蝕刻步驟，在無孔隙溝槽隔離上不會生成凹陷。
依照以上描述的本發(fā)明的實施例，當使用溝槽形成掩模淀積溝槽隔離時，絕緣材料在溝槽形成掩模的兩側(cè)壁的淀積速度慢于在溝槽內(nèi)部的淀積速度。因此可以形成無孔隙溝槽。
而且，由于形成的無孔隙溝槽隔離高于基片，因此即使在導電層形成之前，執(zhí)行隨后的清洗(或蝕刻)步驟，在無孔隙溝槽隔離上不會形成凹陷。實施例2圖3A至圖3F示出了依照本發(fā)明的第二實施例形成隔離溝槽的新方法的工藝步驟。
參照圖3A，硅基片(外延層)的一部分具有與圖2A中的硅基片30相同的結(jié)構(gòu)，只是CVD氧化層如HTO沒有形成在氮化硅層上，因此相同的部分用相同的標號表示，并省略重復的描述。具體來講，在基底氧化層32的上設置氮化硅的單層34，構(gòu)成作為有源掩模的溝槽形成掩模。該溝槽形成掩模是通過將氮化硅層34形成用以決定有源區(qū)和場區(qū)的圖形而形成的。設置基底氧化層32，用來調(diào)節(jié)硅基片30和氮化硅層34之間的膨脹系數(shù)。溝槽形成掩模34的圖形可以通過如第一實施例中的RIE處理來形成。
在形成溝槽形成掩模34之后，使用掩模34進行例如使用等離子的RIE處理等溝槽刻蝕步驟，因而相應于場區(qū)形成溝槽40。
圖3B和圖3C示出了第二實施例中最重要的步驟。參照圖3B，使用HF溶液作為腐蝕劑進行各向異性蝕刻處理(或濕法腐蝕處理)，選擇去掉基底氧化層32位于溝槽40的邊緣附近的一部分。通過濕法腐蝕處理，部分地露出基片30的上表面。與基底氧化層32相連的溝槽形成掩模34就具有如圖3B所示的鉆蝕截面。
隨后，如圖3C所示，進行一個熱氧化步驟，以在溝槽40的內(nèi)部和基片30的上表面的暴露部分形成一熱氧化層42a。如圖3C中擴展出的虛圓所示，熱氧化層42a在溝槽40的邊緣的頂部形成了圓角。設置熱氧化層42a用來穩(wěn)定基片表面和防止在溝槽的邊緣產(chǎn)生凹陷。此處我們應注意到這樣一個事實，即，由于熱氧化層42a的覆蓋，位于溝槽40的邊緣附近的硅基片30的邊表面不再露出。如果在基片的邊表面暴露的情況下進行絕緣材料的淀積，在隨后的蝕刻步驟中，溝槽的邊緣就會產(chǎn)生下沉現(xiàn)象。
參照圖3D，通過CVD工藝，將絕緣材料44淀積在基片上，填充溝槽40的內(nèi)部。
如圖3E和3F所示，使用CMP(化學機械磨光)處理對絕緣材料進行平面化，直到露出作為蝕刻停止層的氮化硅層34的表面，然后通過濕法或干法腐蝕處理去掉氮化硅層34，形成溝槽填充絕緣層。通過濕法或干法腐蝕處理，去掉溝槽填充絕緣層44的一部分和氮化硅層34，如圖3E所示。
隨后，仍進行濕法或干法腐蝕處理，直到露出基片表面，因此去掉基底氧化層32，熱氧化層42a的一部分，和絕緣層44的一部分。結(jié)果是，如圖3F所示完全形成溝槽填充絕緣層44a。由于熱氧化層42a由與絕緣材料32相同的成分構(gòu)成，在圖3F中未示出熱氧化層42a。
依照以上描述的第二實施例，由于基片位于溝槽邊緣附近的側(cè)表面被熱氧化層覆蓋住，而不再暴露出來，在以后的蝕刻步驟中，在溝槽的邊緣就不會產(chǎn)生下沉現(xiàn)象。因此可以始終維持將在基片的有源區(qū)域上形成的柵氧化層的厚度，因此有效的減少了柵氧化層的耐壓。實施例3圖4A至圖4D示出了依照本發(fā)明的第三實施例形成隔離溝槽的新方法的工藝步驟。
參照圖4A，硅基片(外延層)50的一部分具有已形成圖形的光刻膠層52和在其上的氧化層54。氧化層54通過熱氧化形成，厚度為100-500埃。在熱氧化過程中，氧化透入基片和光刻膠層之間的界面，因此形成了如圖4A所示的鳥喙的形狀。
參照圖4B，絕緣層，例如相對于基片50具有蝕刻選擇性的HTO或者氮化物，被淀積并經(jīng)深腐蝕而在光刻膠層52的兩側(cè)壁形成襯套56。該襯套56相對于基片50具有蝕刻選擇性。
如圖4C所示，使用光刻膠層和襯套層的圖形作為溝槽形成掩模，進行例如RIE的各向異性蝕刻處理，去掉氧化層54的一部分，從而露出基片。通過溝槽形成掩模，決定了基片的有源區(qū)和場區(qū)。繼續(xù)進行使用溝槽形成掩模的RIE處理，以形成溝槽58，接著淀積例如USG(無摻雜硅酸鹽玻璃)氧化物或TEOS(四乙氧硅烷)氧化物等絕緣材料60，填充溝槽58。
最后，如圖4D所示，使用CMP工藝進行平面化，直到露出基片50的上表面。此處我們應注意的事實是，熱氧化層54仍殘留在有源區(qū)和場區(qū)的交界處。因此由于殘留的氧化物54的存在，由以后的清洗步驟所導致的下沉問題得到了解決。
依照以上所述的第三實施例，由于在溝槽的邊緣附近仍保留著氧化層，因此即使進行隨后的清洗(或蝕刻)步驟，也不會出現(xiàn)下沉現(xiàn)象。
并且，由于溝槽形成掩模包含位于其兩側(cè)壁的襯套，溝槽的截面底部窄上部寬。因此，可以形成無孔隙的溝槽隔離。
權(quán)利要求
1．一種在半導體基片中形成溝槽隔離的方法，包含以下各步驟在半導體基片上形成溝槽隔離掩模，所述的溝槽隔離掩模由具有不同的蝕刻速率的第一和第二材料層組成；使用溝槽形成掩模蝕刻基片，形成溝槽；濕法腐蝕第一材料層以去掉第一材料層的兩側(cè)壁，從而形成溝槽形成掩模的鉆蝕截面；和在基片上淀積溝槽填充絕緣層，填滿溝槽形成掩模，其中，溝槽填充絕緣層在第一材料層的側(cè)壁處的淀積速度慢于在溝槽內(nèi)部的淀積速度。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的第一材料層是由氮化硅構(gòu)成的，所述的第二材料層由CVD(化學汽相淀積)氧化層構(gòu)成。
3．如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的第一材料層對第二材料層的腐蝕速率比大約在40∶1至45∶1之間。
4．一種在半導體基片中形成溝槽隔離的方法，包含以下各步驟在基片上依次形成一氮化硅層和一第一氧化層；使氮化硅層和第一氧化層構(gòu)成圖形，以露出基片的一部分；將已構(gòu)成圖形的氮化硅層作為溝槽形成掩模，蝕刻基片，以形成溝槽；濕法腐蝕第一氧化層，以去掉第一氧化層的側(cè)壁，露出基片位于溝槽邊緣附近的一部分；在基片被露出的部分和溝槽的內(nèi)部形成一第二氧化層；在基片上形成一絕緣層，填滿溝槽；以及將基片平面化，直到露出基片的上表面。
5．如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述的第二氧化層在溝槽的邊緣形成一個圓角。
6．如權(quán)利要求4所述的方法，還包含以下步驟，即在氮化硅層上形成一HTO(高溫氧化物)層。
7．一種在半導體基片中形成溝槽隔離的方法，包含以下各步驟在基片上形成光刻膠圖形，以決定基片的有源區(qū)和場區(qū)；氧化基片的場區(qū)，以形成一氧化層；形成相對于基片具有腐蝕選擇性的襯套層，所述的襯套層形成在光刻膠層的兩側(cè)壁上；使用光刻膠和襯套層的圖形作為溝槽形成掩模，選擇腐蝕氧化層和基片，在溝槽邊緣的附近保留一部分氧化層；在基片上形成絕緣層，填滿溝槽；以及平面化絕緣層，直到露出基片的上表面。
8．如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述的襯套層由HTO或者氮化物構(gòu)成。
9．如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述的溝槽，具有底部窄、頂部寬的截面。
全文摘要
公開了一種在半導體基片上形成隔離溝槽的方法,形成無孔隙隔離,防止在以后的蝕刻步驟中在溝槽的邊緣產(chǎn)生凹陷。依此方法,在基片上形成溝槽形成掩模,該溝槽形成掩模由具有不同的蝕刻速率的第一和第二材料層組成。使用溝槽形成掩模蝕刻基片,形成溝槽,接著經(jīng)濕法腐蝕去掉第一材料層的兩側(cè)壁,以形成溝槽形成掩模的鉆蝕截面。最后,在基片上淀積溝槽填充絕緣層,填滿溝槽形成掩模,其中溝槽填充絕緣層在第一材料層的側(cè)壁處的淀積速度慢于在溝槽的內(nèi)部的淀積速度。
文檔編號H01L21/70GK1224927SQ9910033
公開日1999年8月4日 申請日期1999年1月26日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月26日
發(fā)明者洪昌基 申請人:三星電子株式會社