专利名称：聚硅氮烷层的退火工艺及其形成半导体器件隔离层的方法
技术领域：
本发明涉及形成半导体器件隔离层的方法，更具体地涉及其中可除 去聚硅氮烷(PSZ)层的杂质的形成半导体器件隔离层的方法。
背景技术：
在需要70 nm或更小的设计规则的半导体器件中，通常使用能够显 著降低施加于晶片衬底的应力的浅沟槽隔离(STI)工艺。该STI工艺 为如下所示的技术在半导体衬底中形成具有特定深度的沟槽，用化学 气相沉积(此后，称为"CVD")在该沟槽上沉积氧化物层，并用化学 机械抛光(此后，称为"CMP")蚀刻氧化物层，由此形成隔离层。图l为说明形成半导体器件隔离层的常规方法的截面图。在半导体衬底100上依次形成屏蔽氧化物层101和氮化物层102。 依次蚀刻氮化物层102、屏蔽氧化物层101和半导体衬底100，由此形 成沟槽104。用03-TEOS层103间隙填充(gap fill)沟槽104，并且然 后进行水蒸汽退火过程。虽然在图1中未显示，用CMP工艺抛光 03-TEOS层103、氮化物层102和屏蔽氧化物层101从而使得03-TEOS 层103保留在沟槽104内，由此形成STI型隔离层。然而，上述工艺可在隔离层内产生空隙105和缝隙106。空隙105 和缝隙106导致半导体器件的电性能和可靠性变差。发明内容本发明涉及形成没有空隙或缝隙的隔离层同时易于除去在PSZ材 料中大量引入的杂质的方法，该方法通过使用PSZ材料作为形成隔离层的材料，并在蒸气和氧气混合的状态下进行退火工艺。根据本发明的一个方面， 一种PSZ层的退火方法包括把在其上形成 有PSZ层的晶片装载到室中，在所述室中保持装载温度并且向所述室供应 氧气，和将所述室内的温度从装载温度升高至处理温度。该退火方法还 包括在保持处理温度的状态下固化PSZ层，将蒸气供应到所述室中，并将 氧气和蒸气的比设定为1:1至50:1，通过停止供应给室的氧气和蒸气二 者并将惰性气体供应给所述室来吹扫室的内部。将室内温度从处理温度 降低至卸载温度。在保持卸载温度的同时将晶片卸载到室外。根据本发明的另一个方面， 一种形成半导体器件隔离层的方法包括 在其中形成有沟槽的衬底上形成PSZ层，把在其上形成有PSZ层的晶片 装载到室中，在所述室中保持装载温度并向所述室中供应氧气，和将所述 室内的温度从装载温度升高至处理温度。该方法还包括在保持处理温度的 状态下固化PSZ层，将蒸气供应给所述室，并将氧气和蒸气的比设定为 1:1至50:1，通过将惰性气体供应给所述室来吹扫所述室的内部，其中将 氧气和蒸气供应到所述室。将室内温度从处理温度降低至卸载温度。该方 法还进一步包括在保持卸载温度的状态下将所述晶片卸载到室外，和通 过用化学机械抛光(CMP)工艺抛光PSZ层，在沟槽内形成隔离层。
图1为举例说明形成半导体器件隔离层的常规方法的截面图；图2A至2D为举例说明根据本发明一个实施方案形成半导体器件隔 离层的方法的截面图；图3显示了用于举例说明根据本发明一个实施方案的PSZ层的退火 工艺的室结构和气体管线的结构；图4显示了用于举例说明根据本发明一个实施方案的PSZ层的退火 工艺的工艺流程图；和图5举例说明根据本发明一个实施方案通过釆用傅立叶变换红外 (FUR)光镨仪获得的结合能量分析结果。
具体实施方式
现在，将参照附图描述根据本发明的具体实施方案。然而，本发明不限于所^>开的实施方案，而是可以各种方式实施。所 述实施方案用以充分公开本发明并使得本领域技术人员理解本发明的范 围。由权利要求的范畴限定本发明。图2A至2D为举例说明根据本发明的一个实施方案形成半导体器件 隔离层的方法的截面图。参照图2A，在半导体衬底200上依次形成屏蔽氧化物层201、垫氮化 物层202和硬^^模层203 。屏蔽氧化物层201可形成为50至80埃的厚度。可以使用湿氧化方法 和干氧化方法在750t:至800"C的温度范围内形成屏蔽氧化物层201。可用 低压气相沉积(LPCVD )将垫氮化物层202形成到50 ~ 200埃的厚度。参照图2B，通过依次蚀刻硬掩模层203、垫氮化物层202、屏蔽氧化 物层201和半导体衬底200，来形成沟槽204。形成衬里氧化物层205以降 低由沟槽蚀刻工艺引起的蚀刻损伤并且减小由于间隙填充材料的收缩引 起的半导体村底200的应力，所述间隙填充材料在随后的工艺中间隙填充 沟槽204的内部。可进行沟槽蚀刻工艺使得沟槽304的侧壁以75至87度的倾斜角倾斜。 这使得在间隙填充工艺时，间隙填充材料易于流入沟槽204中。使用CVD 工艺、PECVD (等离子体增强CVD)工艺、热氧化工艺和自由基氧化工 艺中的任意一种，可将衬里氧化物层205形成到50~250埃的厚度。参照图2C，形成足以间隙填充沟槽204的PSZ层206。在一个实施方 案中，在具有隔离层宽度为70 nm或更小的器件中，形成PSZ层206至 3000 ~卯OO埃的厚度。退火该PSZ层206。在完成PSZ层206的退火工艺后，用抛光工艺例如CMP工艺除去PSZ 层206、硬掩模层203、垫氮化物层202和屏蔽氧化物层201。保留在沟槽 204内的PSZ层206形成隔离层206a,如图2D所示。如上所述,在本发明的某些实施方案中，由PSZ材料形成隔离层206a。 通常，PSZ材料含有大量杂质。因此，如果在沟槽204内形成隔离层206a后没有适当地除去杂质，那么不仅在隔离层206a 内产生空隙，而且在隔离层206a中残留的杂质对后续工艺具有影响，引起 器件失效。已经进行很多次尝试以在形成PSZ层206后除去杂质。常规地， 使用采用氧气的退火工艺除去杂质。然而，这样的退火工艺不能将杂质除 去到满意的水平并且不进行充分的Si02的化合。参照图3和4,下面详细描述才艮据本发明一个实施方案的PSZ层206 的退火工艺。在图3的退火系统中进行退火工艺。退火系统包括其中装载 了形成有PSZ层206的晶片并^f吏其退火的炉或室300，用于供应氧气到炉 或室300的氧气供应装置310，用于供应蒸气到炉或室300的蒸气供应装 置320，和用于供应惰性气体例如N2气、He气或Ar气到炉或室300的惰 性气体供应装置330。蒸气供应装置320 g&备有氧W口 322和氢气入口 324。蒸气供应装置320包括各种合适的系统，例如吹管型、水蒸汽产生型 和水汽化型，其可应用于半导体制造工艺的湿氧化工艺。此后，逐步地详 述退火工艺。第 一步是将具有在其上形成的PSZ层206的晶片装载到室300中的步 骤。在室300内的温度保持在150至250C (即，装载温度)。以1 ~ 100 slm 的流量将氧气从氧气供应装置310供应到室300，和以1~20 slm的流 量将氧气从连接到蒸气供应装置320的氧气入口 322供应到室300。在 室300内的压力保持在大气压。同时，在第一步中，氧气可从氧气供应装置310供应到室300，但 是可以不从氧气入口 322供应。由于当设备异常时退火步骤结果可以改变，所以第二步是检测室 300的气体泄漏的可能性。在气体泄漏检测步骤中，室300的内部逐渐 变为真空状态。可在大气压状态下进行气体泄漏检测步骤，不用使得室 300的内部为真空状态。此时，以类似于在装载步骤中描述的方式保持 温度和氧气的供应。第三步是将室300内温度从300X:升高到450*C (即处理温度)的 升温步骤。可通过保持室300内的压力在真空压力下来进行升温步骤。 此处使用的真空压力指的是小于大气压但是高于150托的压力。或可通 过保持室300内的压力在大气压下来进行升温步骤。此时，如在气体泄 漏检测步骤中一样，保持氧气的供应。第四步是固化PSZ层206以除去包含在PSZ层206内的杂质的步 骤。可以通过在混合氧气和蒸气的状态下保持室300内的温度为300至 450匸(即处理温度)来进行该固化步骤。以类似于如在升温步骤中所 述的方式保持此时的压力。如果在氧气从氧气入口 322连续供应至蒸气供应装置320的状态下， 通过氢气入口 324将氢气注入蒸气供应装置320，那么通过在蒸气供应装 置320内的氧气和氢气的>^应产生蒸汽。以1至30 slm的流量将产生的蒸 汽供应到室300。因此，在室300内混合以1 ~ 100 slm的流量从氧气供应 装置310供应的氧气和以1 ~ 30 slm的流量从蒸气供应装置320供应的 蒸汽。在此状态下，固化PSZ层206。在一个实施方案中，在不从氧气入口 322供应氧气的情况下进行第 一步的处理。在该实施方案中，氧气和氢气在蒸气供应装置320中彼此 反应以产生蒸汽。当固化步骤开始时，产生的蒸汽供应到室300。即， 在各种实施方案中，供应蒸汽的方法可能不相同，这通常取决于第一步 的处理。在固化步骤中，根据PSZ层206的厚度决定固化时间。在隔离层宽 度为70 nm或更小的器件中，当PSZ层206形成到3000至卯OO埃的厚度 时，固化时间可设定为10分钟至600分钟。优选在氧气和蒸气的比设定为约1:1至约50:1的状态下进行固化步 骤。注意到当以小于1:1例如1:1.3的比例混合氧气和蒸气时，由于过 量的蒸气可在沟槽侧壁上产生槽。当以大于50:1例如66:1的比例混合 氧气和蒸气时，不仅由于过量的氧气使得包含于PSZ层206内的杂质 不能除去至满意的水平，而且在图案之间的距离宽的部分中形成的PSZ 层206可能会塌陷。换言之，如果在氧气的量相对于蒸气是小的例如50 %或更小的状态下进行固化步骤，或者如果在氧气的量相对于蒸气是大 的例如98 %或更大的状态下进行固化步骤，那么是不希望的。第五步是后处理步骤并且未在图4中示出。可选择性进行后处理步 骤以进一步致密化已经进行了固化步骤的PSZ层206的膜品质。在停 止从氧气供应装置310供应氧气的状态下，仅用蒸气进行后处理工艺。 此时，以类似于固化步骤中描述的方式保持温度和压力。第六步是吹扫步骤，在全部停止供应到室300的氧气和蒸气的状态下，通过从惰性气体供应装置330供应惰性气体例如N2气、He气或Ar 气到室300中来进行该步骤。在该步骤中，以类似于固化步骤中描述的方 式保持温度并将压力保持为大气压。在一个实施方案中，吹扫步骤可分为后吹扫步骤和循环吹扫步骤，如 图4所示。在停止供应氧气和蒸气到室300的状态下，可以通过从惰性 气体供应装置330供应惰性气体到室300来进行后吹扫步骤。此时，以约 22 slm的流量将惰性气体供应到室300。可在后吹扫步骤后改变惰性气体 的流量时进行循环吹扫步骤。例如，可通过首先供应5 slm的惰性气体， 然后供应1 slm的惰性气体来改变流量。在后吹扫步骤和循环吹扫步骤中， 以类似于固化步骤中描述的方式保持温度。注意在循环吹扫步骤期间压力 保持在大气压。第七步是在室300内的压力保持在大气压的状态下，在以5~100 slm 的流量从惰性气体供应装置330供应惰性气体到室300时，降低室300内 的温度到150 ~ 250 *€的步骤。第八步是将具有在其上形成的PSZ层206的晶片卸载到室300外的步 骤。由此完成PSZ层206的退火步骤。上述退火步骤可分为两个实施方案并适用于本发明。根据一个实施方 案的退火步骤包括进行全部的第 一步骤到第八步骤，梠4t第二实施方案的 退火步骤进行除了第五步骤之外的第一步骤到第八步骤。即，第五步骤的 后处理步骤的有利之处在于其可进一步致密化PSZ层206的膜品质，但是 不利之处在于增加了退火步骤的时间。如果即使不进行后处理步骤，残留 在PSZ隔离层206a中的杂质也不引起器件失效，那么应用根据第二实施 方案的退火步骤是有利的，但是否则的话应用根据这种实施方案的退火步 骤是有利的。如上所述，用氧气和蒸气进行一些实施方案的退火步骤。氧气用于使 得在整个PSZ层206上均匀固化而不是固化PSZ层206的一部分。蒸气 用于除去包含于PSZ层206中的杂质和增加膜的致密度。由于蒸气的扩散 和渗透在覆盖有PSZ层206的图案之间的距离较宽的区域(例如，周边区 域)中是自由的，所以在这些区域中在深度方向上固化程度没有显著的差 异。然而，在覆盖有PSZ层206的图案之间的距离较窄的区域(例如，单 元区域)中，在深度方向上存在固化程度的差异。这是因为在这些区域中的蒸气的扩散不是自由的并且蒸气也难以渗透。在一些实施方案中，在进行固化步骤之前的步骤中将氧气供应到室300，使得大量的氧气可渗透到PSZ层206中。由于这样的步骤，可以 更容易地避免在固化步骤中供应的蒸气的扩散和渗透，因此可以最大化 固化效果。注意如上所述在固化步骤中控制氧气和蒸气的供应比是重要 的。图5举例说明根据本发明的一个实施方案通过采用傅立叶变换红外 (FTIR)光if^C获得的结合能量分冲斤结果。注意到已经进行了本发明一些实施方案的退火步骤的PSZ层206可 确保膜品质水平类似于Si02层的膜品质水平，并且反射指数(RI)在 应用一定波长的光学分析中与Si02层的反射指数基本类似。然而，可 根据如上所述的退火步骤期间应用的氧气和蒸气的比，来决定由N、 H 等导致的首先包含于PSZ层206中的杂质水平。因此，可根据PSZ层 206的杂质的量、涂敷的厚度、沟槽的深度、在涂敷前形成的下伏层的 类型和/或类似的因素，来确保足够水平的比。通过应用这些工艺步骤 可确保工艺裕度使得更易于控制有效场氧化物高度(EFH)，并可以在 后续工艺中减少杂质，从而可改善器件的成品率。本发明不限于所公开的实施方案，而是可以以各种形式实施。提供 实施方案以完成本发明的公开并使得本领域技术人员理解本发明的范围。 通过权利要求的范畴来限定本发明。如上所述，根据本发明的一些实施方案，具有优良间隙填充特性的PSZ 材料用作用于形成隔离层的材料。因此，可实现具有优良可靠性和电性能 的70 nm或更小的高度集成器件。
权利要求
1.一种聚硅氮烷(PSZ)层的退火方法，其包括把在其上形成有聚硅氮烷(PSZ)层的晶片装载到保持装载温度的室中，其中将氧气供应到所述室；在所述室内保持处理温度的状态下，固化所述PSZ层，其中将蒸气供应给所述室，并将氧气和蒸气的比设定为约1∶1～约50∶1；通过停止供应到所述室的氧气和蒸气二者来吹扫所述室的内部；将惰性气体供应到所述室；和在所述室内保持卸载温度的状态下，将所述晶片卸载到所述室外。
2. 根据权利要求i所迷的方法，还包括，在装载所述晶片之后，将所 述室内的温度从所述装载温度升高至所述处理温度，其中所述装载温度为150~250X:。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中通过与蒸气供应装置连接的氧气 入口和通过氧气供应装置，将氧气供应到所述室。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中以1 ~ 100 slm的流量将氧气从 所述氧气供应装置供应到所述室，和以1 ~ 20 slm的流量将氧气从所述 氧气入口供应到所述室。
5. 根据权利要求1所述的方法 述室。
6. 根据权利要求1所述的方法
7. 根据权利要求1所述的方法 所述室。
8. 根据权利要求1所述的方法 体供应到所述室。
9. 根据权利要求1所述的方法 进行所述吹扫步骤。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中在所述装载步骤和所述卸载步骤 中的压力保持在大气压，在除了装载步骤和卸载步骤以外的所有步骤中 的压力保持在低于大气压但是高于150托的压力。其中将氧气从氧气供应装置供应到所其中所述处理温度为300 C ~450X:。 其中通过蒸气供应装置将蒸气供应到其中通过惰性气体供应装置将惰性气其中使用后吹扫步骤和循环吹扫步骤
11. 根据权利要求1所述的方法，还包括在所述装载步骤之后检测所述 室的气体泄漏可能性。
12. 根据权利要求l所述的方法，还包括仅用蒸气的后处理，其中在所 述固化步骤之后停止氧气的供应。
13. 根据权利要求l所述的方法，还包括在卸载所述晶片之前，将所述 室内的温度从处理温度降低至卸载温度，其中所述卸载温度为150匸~250 x:。
14. 一种形成半导体器件隔离层的方法，其包括 在其中形成有沟槽的衬底上形成PSZ层；把在其上形成有PSZ层的晶片装载到保持装载温度的室中，其中 将氧气供应到所述室；在装载所述晶片之后，将所述室内的温度从所述装栽温度升高到处 理温度；在保持所述处理温度的状态下，固化所述PSZ层，其中将蒸气供 应到所述室，并将所述室内的氧气和蒸气的比设定为约1:1 ~约50:1;通过供应惰性气体到所述室来吹扫所述室的内部，其中停止供应到 所述室的氧气和蒸气二者；将所述室内的温度从所述处理温度降低到卸载温度；在保持所述卸载温度的状态下，将所述晶片卸载到所述室外；和通过用化学机械抛光(CMP)工艺抛光所述PSZ层，在所述沟槽 内形成隔离层。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中所述装载温度和所述卸载温度 为150~250"C。
16. 根据权利要求14所述的方法，其中通过与蒸气供应装置连接的氧 气入口和通过氧气供应装置，将氧气供应到所述室。
17. 才艮据权利要求16所述的方法，其中以1 ~ 100 slm的流量将氧气从 所述氧气供应装置供应到所述室，以1 ~ 20 slm的流量将氧气从与所述 蒸气供应装置连接的所述氧气入口供应到所述室。
18. 根据权利要求14所述的方法，其中将氧气从氧气供应装置供应到 所述室。
19. 根据权利要求14所述的方法，其中所述处理温度为300C ~450X:。
20. 根据权利要求14所述的方法，其中通过蒸气供应装置将蒸气供应 到所述室。
21. 根据权利要求14所述的方法，其中通过惰性气体供应装置将惰性 气体供应到所述室。
22. 根据权利要求14所述的方法，其中使用后吹扫步骤和循环吹扫步 骤进行所述吹扫步骤。
23. 根据权利要求14所述的方法，其中在所述装载步骤和所述卸栽步 骤中的压力保持在大气压，并且在除了所述装栽步骤和所述卸载步骤以 外的各步骤中的压力保持在低于大气压但是高于150托的压力。
24. 根据权利要求14所述的方法，还包括在所述装载步骤后检测所述 室的气体泄漏的可能性。
25. 根据权利要求14所述的方法，还包括在所述固化步骤之后在停止 氧气供应的状态下仅用蒸气的后处理。
全文摘要
本发明涉及聚硅氮烷层的退火工艺及用其形成半导体器件隔离层的方法。将具有形成的聚硅氮烷(PSZ)层的晶片装载到室中，同时在所述室内保持装载温度。将氧气供应给所述室。装载后，所述室内温度升高至处理温度。随后，在保持处理温度的室内固化所述PSZ层。在该固化步骤期间，给室提供蒸气从而使得氧气和蒸气的比例设定为1∶1～50∶1。在停止氧气和蒸气供应的情况下，通过提供惰性气体到所述室来吹扫所述室的内部。
文档编号H01L21/762GK101241858SQ20081000627
公开日2008年8月13日 申请日期2008年2月4日 优先权日2007年2月9日
发明者全光锡, 尹光铉, 朱光哲, 申完燮 申请人:海力士半导体有限公司