專利名稱：溝槽隔離的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體的制造，特別涉及在半導(dǎo)體襯底上形成隔離有源區(qū)的溝槽。
隨著器件尺寸變小，器件的密度增加，要建立有效和可靠的隔離工藝來(lái)隔離有源器件變得越來(lái)越困難。標(biāo)準(zhǔn)的LOCOS的局限促進(jìn)了尋找和開(kāi)發(fā)新的隔離方案，由于溝槽隔離使用了全凹槽氧化物，沒(méi)有鳥(niǎo)嘴，完全平面，并且不受場(chǎng)氧化物減薄效應(yīng)的影響，因此溝槽隔離是很有前途的選擇。
形成溝槽隔離的已知方法通常包括以下步驟。首先腐蝕硅襯底需要的區(qū)域形成預(yù)定深度和寬度的溝槽。在溝槽內(nèi)形成熱氧化層，除去由腐蝕硅襯底的步驟產(chǎn)生的硅襯底損傷。將溝槽填充絕緣物淀積在溝槽的其余部分內(nèi)。
用溝槽填充絕緣層填充溝槽之后，進(jìn)行各種熱氧化步驟。例如，形成晶體管的柵氧化層，形成用于離子注入的屏蔽氧化層和形成用于柵多晶硅的氧化層。然而，在這種熱氧化工藝期間，O2滲透溝槽填充絕緣物并與溝槽的內(nèi)壁反應(yīng)，由此導(dǎo)致溝槽填充絕緣層體積膨脹。這種體積膨脹向面向溝槽填充層的硅襯底，特別是溝槽的底邊施加了應(yīng)力。施加到硅襯底的應(yīng)力產(chǎn)生如位錯(cuò)等的晶體缺陷，當(dāng)溝槽的底邊很陡地腐蝕時(shí)，缺陷變得很嚴(yán)重。
鑒于以上問(wèn)題形成本發(fā)明，因此本發(fā)明的目的是提供一種形成溝槽隔離的方法，減小施加到溝槽內(nèi)壁的應(yīng)力。
本發(fā)明的一個(gè)關(guān)鍵特征是形成具有圓形底邊的溝槽。這些圓形底邊可以減輕施加到其上的應(yīng)力。在1,000℃以上的高溫下在溝槽內(nèi)形成熱氧化層。在這種高溫下，熱氧化層進(jìn)行粘彈性流動(dòng)，所述流動(dòng)起減輕應(yīng)力引起的體積膨脹的作用。此外，利用氮化工藝在熱氧化層上形成氧化阻擋層。
通過(guò)在半導(dǎo)體襯底上依次形成約160厚的襯墊氧化層和約1.550厚的氮化硅層可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的以上和其它目的。光刻膠層旋涂在氮化硅層上并構(gòu)圖限定溝槽形成區(qū)。使用構(gòu)圖的光刻膠，腐蝕氮化硅層和襯墊氧化層形成溝槽掩模。腐蝕由溝槽掩模露出的硅襯底形成溝槽。溝槽的優(yōu)選深度是約2,500，優(yōu)選寬度是約2,100。硅襯底的腐蝕包括兩步腐蝕，以便形成具有圓形底邊的溝槽。順序地進(jìn)行垂直腐蝕的第一步和圓形腐蝕的第二步。使用第一氣體在約100mT和約400W的功率下進(jìn)行垂直腐蝕。第一氣體包括在約35sccm的流量下的CF4。在約30G的磁場(chǎng)中使用第二氣體在約100mT和約250W的功率下進(jìn)行圓形腐蝕。優(yōu)選的第二氣體包括Cl2、HBr、He和O2，其組成比例為30∶90∶10∶1。
形成溝槽之后，在溝槽內(nèi)形成厚度約240以下的熱氧化層。所述熱氧化層易于在1,000℃以上的高溫下形成，以提供熱氧化層的粘彈性流動(dòng)。將溝槽填充材料淀積在溝槽的其余部分內(nèi)。優(yōu)選淀積USG層。隨后將PE-TEOS層淀積在USG層上，以減輕USG層的應(yīng)力。此后，進(jìn)行退火在約1,150℃的高溫下致密USG層。這同樣為熱氧化層和USG層提供粘彈性流動(dòng)。最后進(jìn)行平面化工藝形成需要的溝槽隔離。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，為了防止溝槽內(nèi)壁的氧化，在熱氧化層上形成氧化阻擋層。所述氧化阻擋層由氮化硅層(Si3N4)或氮氧化硅層SiOxNy(其中x和y為自然數(shù))形成，其厚度約10。通過(guò)LPCVD(化學(xué)汽相淀積)形成氮化硅層。通過(guò)氮化工藝形成氮氧化硅層。通過(guò)等離子體處理或熱處理進(jìn)行氮化。等離子體處理使用NH3或N2。使用快速熱退火工藝裝置或爐管在NH3的的氣氛中約700℃到1,200℃的溫度下進(jìn)行熱處理。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，形成圓形底邊的溝槽，由此緩和由于氧化熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力。本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是在很高的溫度下在溝槽的內(nèi)壁上形成熱氧化層，由此提供熱氧化層的粘彈性流動(dòng)，緩和應(yīng)力。本發(fā)明的再一優(yōu)點(diǎn)是在熱氧化層上形成氧化阻擋層，以確保防止氧化。
通過(guò)參考附圖可以理解本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的目的將變得很顯然。


圖1A到1E是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例形成溝槽隔離的新穎方法的工藝步驟的流程圖；圖2為具有由圖1A到1E示出的工藝步驟形成的溝槽的半導(dǎo)體襯底的剖面圖；以及圖3為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例溝槽隔離的剖面圖。
下面配合本發(fā)明之目的，參考附圖詳細(xì)地介紹在半導(dǎo)體器件中形成溝槽隔離的方法。
下面參考圖1A到1E介紹本發(fā)明的第一實(shí)施例。參考圖1A，在半導(dǎo)體襯底10上形成厚度約160的第一熱氧化層12，以保護(hù)半導(dǎo)體襯底10。在第一熱氧化層上形成優(yōu)選由氮化硅層14組成的氮化層，其厚度約1,550。將光刻膠旋涂在氮化硅層14上，并構(gòu)圖成預(yù)定的構(gòu)形。使用構(gòu)圖的光刻膠層作為腐蝕掩模，常規(guī)地干腐蝕氮化硅層14和第一熱氧化層12，形成溝槽掩模。去除構(gòu)圖的光刻膠層之后，干腐蝕由溝槽掩模露出的硅襯底10，形成圖1B示出的溝槽16。溝槽的優(yōu)選深度約2,500，優(yōu)選寬度約2,100。硅襯底10的腐蝕步驟包括兩個(gè)步驟，即垂直腐蝕的第一步和圓形腐蝕的第二步。
使用第一氣體在約100mT壓力和約400W的功率下進(jìn)行約5秒的垂直腐蝕。第一氣體包括在約35sccm的流量下的CF4。在約30G的磁場(chǎng)中使用第二氣體在約100mT壓力和約250W的功率下進(jìn)行約60秒的圓形腐蝕。優(yōu)選的第二氣體包括Cl2、HBr、He和O2，其組成比例為30∶90∶10∶1。
參考圖1C，通過(guò)熱氧化工藝，在溝槽內(nèi)形成第二熱氧化層18?，F(xiàn)已公知，在所述熱氧化步驟期間，氧化溝槽的側(cè)壁和底部，產(chǎn)生體積膨脹。所述體膨脹使熱氧化層厚度不均勻。即，與側(cè)壁和底部相比，溝槽的底邊變得很薄。因此，施加到溝槽的應(yīng)力聚集在所述底邊，由此產(chǎn)生如位錯(cuò)等的襯底缺陷。
由于這個(gè)原因，很薄地形成厚度約240以下的第二熱氧化層18。此外，在約1,000℃以上的很高溫度下生長(zhǎng)熱氧化層18，以提供粘彈性流動(dòng)特性。熱氧化層的所述粘彈性流動(dòng)特性起由體積膨脹所產(chǎn)生的施加到溝槽內(nèi)壁的應(yīng)力的緩沖層的作用。
參考圖1D，將如USG層20等的溝槽填充材料淀積在溝槽16的其余部分內(nèi)和氮化硅層12上，其約5,000厚。在USG層20上可以形成PE-TEOS層(未示出)，緩和USG層20的應(yīng)力。PE-TEOS層的形成是可選的。為了致密USG層20，在約1,150℃的高溫下進(jìn)行退火。這同樣為第二熱氧化層16和USG層20提供粘彈性流動(dòng)。
在USG層20上進(jìn)行如CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)等的平面化工藝，直到氮化硅層14，留下約1,100厚的氮化硅層14。進(jìn)行使用磷酸的常規(guī)濕腐蝕，除去氮化硅層14，同時(shí)除去約500厚的USG層20。隨后進(jìn)行腐蝕工藝，除去第一熱氧化層12和不需要的USG層，由此形成圖1E所示的溝槽隔離20a。
隨后在半導(dǎo)體襯底上形成晶體管。圖2示出了形成在半導(dǎo)體襯底10上的晶體管的剖面圖，半導(dǎo)體襯底具有其形成工藝顯示在圖1A到1E中的溝槽隔離結(jié)構(gòu)。參考圖2，形成溝槽隔離20a之后，盡管未顯示在圖2中，通過(guò)CVD法常規(guī)地形成第一絕緣層(Gox-1)(第一CVD氧化層)，形成阱區(qū)(未示出)并調(diào)節(jié)閾值電壓。所述第一CVD氧化層(Gox-1)防止在隨后的離子注入工藝期間襯底被損傷。在第一CVD(Gox-1)上形成光刻膠層，并構(gòu)圖成預(yù)定的構(gòu)形，限定出雜質(zhì)要注入的區(qū)域。雜質(zhì)離子注入到由構(gòu)圖的光刻膠層限定的區(qū)域內(nèi)。除去構(gòu)圖的光刻膠層和第一CVD氧化層之后，通過(guò)熱氧化在半導(dǎo)體襯底10上形成第二絕緣層(Gox-2)22。所述熱氧化層作為晶體管的柵氧化層。在柵氧化層22上形成多晶硅層24a。為減少接觸電阻，在多晶硅層上常規(guī)地形成如硅化鎢等的硅化物層24b。在硅化鎢24b上形成如氮化硅層24c等的第三絕緣層。使用常規(guī)的光刻膠工藝，腐蝕氮化硅層24c、硅化鎢24b和多晶硅層24a，形成柵電極結(jié)構(gòu)24。
為了除去柵電極結(jié)構(gòu)24和半導(dǎo)體襯底10的腐蝕損傷，形成第四絕緣層26(Gpox-1)。與常規(guī)的熱氧化層不同，通過(guò)CVD技術(shù)(第二CVD氧化層)形成所述第四絕緣層26(Gpox-1)。所述第二CVD氧化層可以由LTO(低溫氧化物)、HTO(高溫氧化物)、或USG層制成。使用柵電極結(jié)構(gòu)24作為注入掩模，將雜質(zhì)離子注入到半導(dǎo)體襯底10內(nèi)，形成源/漏(未顯示)。
在第四絕緣層26上形成第五絕緣層28，并各向異性地腐蝕，形成柵極間隔層28。為了除去腐蝕損傷，在所得結(jié)構(gòu)上淀積第六絕緣層30(Gpox-2)。與常規(guī)的熱氧化層不同，通過(guò)CVD技術(shù)形成所述第六絕緣層(第三CVD氧化層)。所述第三CVD氧化層可以由LTO(低溫氧化物)、HTO(高溫氧化物)、或USG層制成。形成以上提到的第一、第二和第三CVD氧化層可以有利地防止O2擴(kuò)散到溝槽內(nèi)壁內(nèi)。
現(xiàn)在參考圖3介紹本發(fā)明的第二實(shí)施例。與第一實(shí)施例的重要差別之處在于氧化阻擋層附加地形成在第一實(shí)施例的第二熱氧化層18上。為了更好地理解本發(fā)明，與圖1A到1E所示相同功能的部件用相同的參考標(biāo)號(hào)表示，并省略了其解釋。參考圖3，形成第二熱氧化層16之后，在其上形成氧化阻擋層19，以便防止由氧化引起的溝槽16內(nèi)的體積膨脹。所述氧化阻擋層19由氮化硅層(Si3N4)或氮氧化硅層SiOxNy(其中x和y為自然數(shù))制成，其厚度約10。通過(guò)LPCVD(化學(xué)機(jī)械汽相淀積)形成氮化硅層。通過(guò)氮化工藝形成氮氧化硅層。通過(guò)等離子體處理或熱處理進(jìn)行所述氮化工藝。等離子體處理使用NH3或N2。使用快速熱退火工藝裝置或爐管在NH3的氣氛中約700℃到1,200℃的溫度下進(jìn)行熱處理。形成氧化阻擋層之后，在溝槽的其余部分內(nèi)淀積如USG層等的溝槽填充材料。在USG層上可以形成PE-TEOS層(未示出)，以緩和USG層的應(yīng)力。接下來(lái)的工藝與第一實(shí)施例完全相同。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，形成圓形底邊的溝槽，由此緩和由于氧化體膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力。本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是在很高的溫度下在溝槽的內(nèi)壁上形成熱氧化層，由此提供熱氧化層的粘彈性流動(dòng)，緩和應(yīng)力。本發(fā)明的再一優(yōu)點(diǎn)是借助于氮化工藝在熱氧化層上形成氧化阻擋層，以確保防止氧化。
雖然參考優(yōu)選實(shí)施例具體地顯示和介紹了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解在不脫離本發(fā)明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍內(nèi)可以進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)的不同變化。
權(quán)利要求
1．一種在半導(dǎo)體器件內(nèi)形成溝槽隔離的方法，包括以下各步驟在半導(dǎo)體襯底內(nèi)形成溝槽，所述溝槽具有圓形底邊；在所述溝槽內(nèi)形成熱氧化層；用絕緣材料內(nèi)填充所述溝槽；以及使所述絕緣材料退火。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述溝槽的深度約2,500，最大寬度約2,100，所述熱氧化層的厚度約240以下。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述熱氧化層是在1,000℃以上的溫度形成的。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述形成溝槽的步驟包括垂直腐蝕所述半導(dǎo)體襯底形成具有垂直的側(cè)壁的開(kāi)口的第一步驟，和圓形腐蝕所述溝槽的所述底邊的第二步驟。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述垂直腐蝕的步驟是使用第一氣體在約100mT和約400W的功率下進(jìn)行的。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述第一氣體包括在約35sccm的流量下的CF4。
7．根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述圓形腐蝕步驟是在約30G的磁場(chǎng)中使用第二氣體在約100mT和約250W的功率下進(jìn)行的。
8．根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述第二氣體包括含Cl2、HBr、He和O2的混合氣體，其組成比例為30∶90∶10∶1。
9．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括在所述熱氧化層上形成氧化阻擋絕緣層的步驟。
10．根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述氧化阻擋層包括SiOxNy(其中x和y為自然數(shù))和Si3N4。
11．根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述SiOxNy是通過(guò)進(jìn)行氮化工藝形成的。
12．根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所述氮化是通過(guò)使用NH3或N2的等離子體處理進(jìn)行的，其厚度約10。
13．根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所述氮化是在NH3的氣氛中約700℃到1,200℃的溫度下通過(guò)熱處理。
14．根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所述熱處理是在爐內(nèi)或通過(guò)快速熱退火進(jìn)行的。
15．根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述Si3N4通過(guò)LPCVD形成，其厚度約50。
16．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述退火是在N2的氣氛中約1,150℃的溫度下進(jìn)行。
17．一種半導(dǎo)體器件的制造方法，包括以下各步驟在半導(dǎo)體襯底內(nèi)形成溝槽，所述溝槽具有圓形底邊；在所述溝槽內(nèi)形成熱氧化層；在所述熱氧化層上形成氧化阻擋氮化層；形成溝槽填充絕緣層，完全地填充所述溝槽；平面化所述溝槽填充絕緣層形成溝槽隔離；在所述半導(dǎo)體襯底上形成晶體管，所述晶體管包括柵氧化層、柵電極、第一氮化硅硬掩模、由第一CVD氧化層和第二氮化硅層組成的側(cè)壁間隔層、和源/漏區(qū)；以及在所述半導(dǎo)體襯底上形成第二CVD氧化層。
18．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所述形成溝槽的步驟包括垂直腐蝕所述半導(dǎo)體襯底形成具有垂直的側(cè)壁的開(kāi)口的第一步驟，和圓形腐蝕所述溝槽的所述底邊的第二步驟。
19．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中每個(gè)所述第一和第二CVD氧化層是由HTO、LTO或USG層單獨(dú)制成的。
全文摘要
提供一種在半導(dǎo)體器件內(nèi)形成用于隔離有源器件的溝槽方法,其中有利地形成圓形底邊的溝槽,以便使溝槽填充材料由體積膨脹所產(chǎn)生的施加到半導(dǎo)體襯底的應(yīng)力最小化。在高溫下進(jìn)行熱氧化形成熱氧化層。為了形成氧化阻擋層,進(jìn)行了氮化工藝。
文檔編號(hào)H01L21/70GK1233851SQ99106000
公開(kāi)日1999年11月3日 申請(qǐng)日期1999年4月27日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月27日
發(fā)明者具本榮, 洪景熏, 裴大勛, 南碩祐 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社