等平面场氧化隔离结构及其形成方法
【专利摘要】一种等平面场氧化隔离结构及其形成方法。所述方法包括：提供衬底；在衬底上形成氧化硅层；在氧化硅层上形成第一氮化硅层；进行图案化，在预定区域形成开口，露出所述衬底；在所述开口中去除所述衬底的部分，以形成凹槽；在所述凹槽的内壁形成氮化硅侧墙；在所述凹槽内生长场氧化层；使所述场氧化层的表面与所述凹槽外所述衬底的表面平齐；以及去除所述凹槽外的所述第一氮化硅层和所述氧化硅层。根据本发明的方法可获得等平面场氧化隔离结构；同时，在凹槽的内壁形成有氮化硅侧壁，可以防止横向的过氧化，保持有源区域面积不变。
【专利说明】等平面场氧化隔离结构及其形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超深亚微米半导体器件【技术领域】，尤其涉及等平面场氧化隔离结构及其形成方法。
【背景技术】
[0002]现今，在一个半导体集成电路中集成有成千上万个半导体器件，为了避免器件之间的相互影响，通常需要在器件之间形成隔离。
[0003]传统的隔离方式是局部场氧化隔离(L0C0S)。在传统的LOCOS形成方法中，首先在娃衬底表面生长一层氮化娃层，通过光刻与腐蚀去除场区的氮化娃层，形成开口，露出娃衬底，然后在裸露的硅衬底上形成场氧化层，再去除硅衬底表面的氮化硅层，从而在硅片表面形成有源区(器件区域)和场区(隔离区域)。然而，采用该方法形成的场氧化层有50%以上的厚度高出硅衬底表面，也即场氧化层和器件区硅衬底表面有巨大落差，这不利于化学机械研磨等先进制程的采用。以高k栅介质-金属栅半导体器件后栅制备工艺为例，为了方便金属栅的填充，一般要求假栅高度不能太高，而场氧化层和器件区硅衬底表面的巨大落差大大减小了平坦化过程中化学机械研磨工艺的工艺窗口 ；同时，由于过刻蚀量的增大，化学机械研磨工艺的波动很容易将假栅结构刻蚀干净，造成器件的损伤。因此，获得等平面的场氧化隔离结构尤为重要。
[0004]为了获得等平面的隔离结构，浅沟槽隔离(STI)工艺开始被采用。但是浅沟槽隔离工艺对设备要求较高，从而增加了工艺成本。因此，开发一种行之有效且成本低廉的等平面隔离结构及其形成方法尤为重要。
【发明内容】
[0005]在下文中给出关于本公开的简要概述，以便提供关于本公开的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本公开的穷举性概述。它并不是意图确定本公开的关键或重要部分，也不是意图限定本公开的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
[0006]根据本发明的一个方面，提供一种形成等平面场氧化隔离的方法，该方法包括:提供衬底；在所述衬底上形成氧化硅层；在所述氧化硅层上形成第一氮化硅层；对所述第一氮化硅层和所述氧化硅层进行图案化，在预定区域形成开口，露出所述衬底；在所述开口中去除所述衬底的部分，以在所述衬底的表面形成凹槽；在所述衬底上形成第二氮化硅层，蚀刻所述第二氮化硅层，以在所述凹槽的内壁形成氮化硅侧墙；在所述凹槽内生长场氧化层；使所述场氧化层的表面与所述凹槽外所述衬底的表面平齐；以及去除所述凹槽外的所述第一氮化娃层和所述氧化娃层。
[0007]优选地，在所述开口中去除所述衬底的部分以在所述衬底的表面形成凹槽的步骤，包括:采用干法刻蚀工艺或湿法腐蚀工艺中的一种或两种的组合，在所述开口去除所述衬底的部分以形成所述凹槽。[0008]优选地，在所述开口去除所述衬底的部分形成凹槽的步骤，包括:采用热氧化工艺在所述开口的衬底上形成热氧化层，所述热氧化层使所述衬底表面的第一部分被氧化；以及蚀刻所述热氧化层以及所述衬底的所述第一部分，以形成所述凹槽。
[0009]优选地，所述湿法腐蚀工艺包括:采用体积百分比含量为1%至15%的四甲基氢氧化铵水溶液在50°C至80°C的工艺温度下腐蚀去除所述衬底的部分，以形成所述凹槽。
[0010]优选地，所述凹槽的深度约是所述场氧化层厚度的二分之一至五分之三。
[0011]优选地，所述第二氮化硅层的厚度为4 O OA至8 O OA1=
[0012]优选地，在所述衬底上形成第二氮化硅层的步骤包括:在所述衬底上形成所述第二氮化硅层之前在所述衬底上生长第二氧化硅层，所述第二氧化硅层用于消除所述第二氮化硅层和所述衬底表面之间的应力。
[0013]优选地，所述氮化硅侧墙形成于所述凹槽内壁的上部。
[0014]优选地，所述凹槽两端的内壁上形成有鸟嘴型侧壁，所述氮化硅侧墙形成于所述鸟嘴型侧壁上。
[0015]优选地，蚀刻所述第二氮化硅层以在所述凹槽的内壁形成氮化硅侧墙的步骤还包括:在蚀刻所述第二氮化硅层后，在磷酸中腐蚀修正所述氮化硅侧墙的厚度，以减小或消除在所述场氧化层形成时出现的鸟嘴与凹坑。
[0016]根据本发明的另一个方面，提供一种通过使用上述方法形成的等平面场氧化隔离结构。
[0017]根据本发明的在一个方面，提供一种等平面场氧化隔离结构，包括衬底和形成于所述衬底中的场氧化隔离，其中所述场氧化隔离的上表面与所述衬底的上表面齐平。
[0018]本发明的场氧化隔离制造方法基于传统的局部场氧化隔离工艺，其不同之处是本发明先在衬底表面形成凹槽，再在凹槽内形成场氧化层，通过优化凹槽深度与场氧化层的厚度可以获得与有源区衬底表面平齐的场氧化层；另外，根据本发明提供的方法，在凹槽的侧壁有氮化硅侧墙的保护，所以可以有效防止场氧化层的横向氧化，保持有源区面积不变。与浅沟槽隔离工艺相比，本发明提供的场氧化隔离结构形成方法简单，成本低廉。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。在各附图中，相同或类似的附图标记表示相同或者类似的结构或步骤。
[0020]图1示出根据本发明一个实施例提供的形成等平面场氧化隔离的方法的流程图；
[0021]图2至9示出根据本发明实施例形成等平面场氧化隔离的流程中各步骤对应的结构截面图；以及
[0022]图10示出了根据本发明一个实施例形成的等平面场氧化隔离结构的截面图。
[0023]附图标记说明:
[0024]1000，硅衬底;1002，氧化层;1004，氮化硅层;1006，场区;1008，有源区;1010，热氧化层;1012，凹槽;1014，氮化硅层;1016，氮化硅侧墙;1018，场氧化层。
【具体实施方式】
[0025]以下，通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0026]在附图中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
[0027]应当注意，在以下描述中，提及第一特征在第二特征之“上”或“上方”既可以包括第一特征和第二特征直接接触的情况，也可以包括有其他特征存在于第一特征与第二特征之间的情况，即第一特征和第二特征可能不是直接接触。
[0028]图1示出根据本发明一个实施例提供的形成等平面场氧化隔离的方法的流程图。该方法包括:
[0029]步骤SOl:提供衬底；
[0030]步骤S02:在所述衬底上形成氧化硅层；
[0031]步骤S03:在所述氧化硅层上形成第一氮化硅层；
[0032]步骤S04:对所述第一氮化硅层和所述氧化硅层进行图案化，在预定区域形成开口，露出所述衬底；
[0033]步骤S05:在所述开口中去除所述衬底的部分，以在所述衬底的表面形成凹槽；
[0034]步骤S06:在所述衬底上形成第二氮化硅层，蚀刻所述第二氮化硅层，以在所述凹槽的内壁形成氮化硅侧墙；
[0035]步骤S07:在所述凹槽内生长场氧化层；
[0036]步骤S08:使所述场氧化层的表面与所述凹槽外所述衬底的表面平齐；以及
[0037]步骤S09:去除所述凹槽外的所述第一氮化硅层和所述氧化硅层。
[0038]基于图1所示的形成等平面场氧化隔离的方法，以下结合具体实施例来详细描述本公开的形成等平面场氧化隔离的方法的具体工艺流程。
[0039]图2?9详细示出了根据本发明实施例形成等平面场氧化隔离流程中各步骤的截面图。在这些附图中，使用的衬底是硅衬底。
[0040]首先，如图2所示，提供硅衬底1000，在硅衬底1000表面形成氧化层1002，在氧化层1002上形成氮化硅层1004，然后图形化该氧化层1002和氮化硅层1004，从而在硅衬底1000上形成场区1006和有源区1008。根据一个示例型实施例，可以通过掩膜光刻所述氧化层1002和氮化硅层1004而在所述硅衬底1000上蚀刻出所述场区1006。当然，本领域技术人员可以使用其他图形化技术，本发明在此方面不受限制。如图2所示，该场区1006可以为一个开口。
[0041]接着，如图3所示，可以在包括场区1006的硅衬底1000上例如利用氧化工艺生长热氧化层1010。所述氧化工艺会对硅衬底1000上表面进行一定深度的氧化。优选地，在该实施例中，采用湿法氧化工艺生长热氧化层1010，所述湿氧氧化工艺是在1000°C温度下氢气与氧气的混合气体中氧化2 2 O OA深度的硅衬底1000，形成4 8 O OA厚度的热氧化层，其中氢气与氧气的体积百分比含量分别是50%。同时，在该湿氧氧化工艺中，在所述热氧化层1010的两端可以形成鸟嘴(bird break)ο[0042]然后，如图4所示，可以将所述热氧化层1010去除，这样在场区1006的硅衬底表面形成具有一定深度的凹槽1012。在一个优选实施例中，所述凹槽1012的深度为2200A。可以利用例如湿法腐蚀的方式去除该热氧化层1010。在一个示例性实施例中，可以采用例如体积百分比含量为10%至15%的氢氟酸(HF)水溶液在室温下腐蚀去除所述热氧化层1010，以形成所述凹槽1012。还可以采取其他方式去除所述热氧化层，本发明在此方面不受限制。
[0043]优选地，在该实施例中，该凹槽1012的深度是预期要形成的场氧化层厚度的二分之一至五分之三。此外，如上面所陈述的，硅衬底1000上表面因为热氧化层1010的生长而有一部分被氧化，该凹槽1012的形状则与所述硅衬底1000表面被氧化的部分形状一致。在一个示例型实例中，所述凹槽1012的两端会留下鸟嘴形状的侧壁，如图3-4所示，但本发明在此方面并不受限。
[0044]可替换地，可以无需形成所述热氧化层1010而是使用其他方式在所述硅衬底1000上形成所述凹槽1012。在一个示例性实施例中，可以采用例如体积百分比含量为1%至15%的四甲基氢氧化铵(TMAH)水溶液在50至60°C工艺温度下腐蚀去除22OOA深度的硅衬底1000，形成具有2200A深度的凹槽1012。此外，还可以采用干法刻蚀工艺如溅射与离子束刻蚀、等离子刻蚀(Plasma Etching)、高压等离子刻蚀、高密度等离子体(HDP)刻蚀和反应离子刻蚀(RIE)等，或者上述工艺的任意组合，在所述场区1006中去除部分硅衬底，从而形成所述凹槽1012。
[0045]接着，如图5所示，在整个硅衬底1000的表面，包括在所述第二氮化硅层表面、所述凹槽1012侧壁及底部，利用例如炉管或其他方式生长氮化硅层1014。优选地，该氮化硅层1014的厚度为400A至800A。在一个实例中，还可以在形成所述氮化硅层1014之前生长一层薄的氧化层(未图示)，优选地，该薄氧化层的厚度为100 A至150A该薄氧化层可以用来消除氮化硅层1014和硅衬底1000表面之间的应力。
[0046]然后，如图6所示，对氮化硅层1014进行刻蚀。如图所示，硅衬底1000表面平坦处的氮化硅层1014被完全刻蚀，而形成于凹槽1012内壁拐角处的氮化硅层1014则由于侧墙原理不能被完全刻除，所以在凹槽1012内壁边缘有一定厚度的氮化硅层1014被保留下来，形成氮化硅侧墙1016。在一个实施例中，所述氮化硅侧墙1016形成于所述鸟嘴型侧壁上。在另一个实施例中，所述氮化硅侧墙1016可以形成于所述凹槽内壁的上部。
[0047]接着，如图7所示，可以使用湿法腐蚀或者其他方式对氮化硅侧墙1016进行处理以减薄氮化硅侧墙1016的厚度。这是因为较厚的氮化硅侧墙1016可能会妨碍后续工艺中氧化层在该凹槽内壁上的形成，从而在形成场氧化层时在场氧化层边沿形成凹坑，其可能导致边沿电场集中，器件电学特性下降。根据本发明的一个实施例，可以采用磷酸作为腐蚀溶液，在约165°C的温度下对侧墙1016进行减薄，腐蚀时间依据去除氮化硅侧墙1016的厚度而定，优选地，氮化硅侧墙1016的剩余厚度为150 A至200A。
[0048]然后，如图8所示，在凹槽1012内形成(例如生长)场氧化层1018，并且使该场氧化层1018的上表面与有源区1008中硅衬底1000的上表面平齐。
[0049]根据本发明的一个实施例，通过采用湿法氧化工艺生长热氧化层1010，所述湿氧氧化工艺是在1000°C温度下氢气与氧气的混合气体中氧化1800A深度的硅衬底1000，形成4000A厚度的热氧化层.来形成与有源区中硅衬底上表面齐平的场氧化层1018，其中氢气与氧气的体积百分比含量分别是50%。[0050]接着，如图9所示，去除所述硅衬底1000表面的氮化硅层1004、氧化层1002以及氮化硅侧墙1016，形成等平面场氧隔离结构。
[0051]图10示出了根据本发明一个实施例形成的等平面场氧化隔离结构的截面图。该等平面场氧化隔离结构包括衬底和形成于所述衬底中的场氧化隔离1018。从附图可见，所述场氧化隔离1018的上表面与所述衬底有源区1008的上表面齐平。
[0052]在本发明提供的这种形成等平面场氧化隔离的方法中，先去除硅衬底上表面的部分形成凹槽，然后采用氮化硅侧墙保护硅衬底凹槽侧壁，最后通过场氧化层形成等平面场氧化隔离。与现有技术相比，本发明的场氧化隔离形成方法通过优化凹槽深度与场氧化层的厚度可以获得与有源区硅衬底表面平齐的场氧化层；此外，由于凹槽侧壁有氮化硅侧墙的保护，可以有效防止场氧化层的横向氧化，保持有源区面积不变。
[0053]在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过现有技术中的各种手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。
[0054]以上参照本发明的实施例对本发明予以了说明。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替换和修改，这些替换和修改都应落在本发明的范围之内。
【权利要求】
1.一种形成等平面场氧化隔离的方法，其特征在于，包括: 提供衬底； 在所述衬底上形成氧化硅层； 在所述氧化娃层上形成第一氮化娃层； 对所述第一氮化硅层和所述氧化硅层进行图案化，在预定区域形成开口，露出所述衬底； 在所述开口中去除所述衬底的部分，以在所述衬底的表面形成凹槽； 在所述衬底上形成第二氮化硅层，蚀刻所述第二氮化硅层，以在所述凹槽的内壁形成氮化硅侧墙； 在所述凹槽内生长场氧化层； 使所述场氧化层的表面与所述凹槽外所述衬底的表面平齐；以及 去除所述凹槽外的所述第一氮化硅层和所述氧化硅层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述开口中去除所述衬底的部分以在所述衬底的表面形成凹槽的步骤，包括: 采用干法刻蚀工艺或湿法腐蚀工艺中的一种或两种的组合，在所述开口去除所述衬底的部分以形成所述凹槽。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述开口去除所述衬底的部分形成凹槽的步骤，包括: 采用热氧化工艺在所述开口的衬底上形成热氧化层，所述热氧化层使所述衬底表面的第一部分被氧化；以及 蚀刻所述热氧化层以及所述衬底的所述第一部分，以形成所述凹槽。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述湿法腐蚀工艺包括: 采用体积百分比含量为1%至15%的四甲基氢氧化铵水溶液在50°C至80°C的工艺温度下腐蚀去除所述衬底的部分，以形成所述凹槽。
5.根据权利要求1至4中任一所述的方法，其中，所述凹槽的深度是所述场氧化层厚度的二分之一至五分之三。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二氮化硅层的厚度为400A至800A，包括端点。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述衬底上形成第二氮化硅层的步骤，包括: 在所述衬底上形成所述第二氮化硅层之前在所述衬底上生长第二氧化硅层，所述第二氧化硅层用于消除所述第二氮化硅层和所述衬底表面之间的应力。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述氮化硅侧墙形成于所述凹槽内壁的上部。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述凹槽两端的内壁上形成有鸟嘴型侧壁，所述氮化硅侧墙形成于所述鸟嘴型侧壁上。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，蚀刻所述第二氮化硅层以在所述凹槽的内壁形成氮化娃侧墙的步骤，还包括: 在蚀刻所述第二氮化硅层后，在磷酸中腐蚀修正所述氮化硅侧墙的厚度，以减小或消除在所述场氧化层形成时出现的鸟嘴与凹坑。
11.一种通过根据权利要求1所述的方法形成的等平面场氧化隔离结构。
12.—种等平面场氧化隔离结构，包括衬底和形成于所述衬底中的场氧化隔离，其特征在于，所述场氧化隔离的上表面与所 述衬底的上表面齐平。
【文档编号】H01L21/762GK103855072SQ201210521736
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年12月6日 优先权日:2012年12月6日
【发明者】许高博, 徐秋霞 申请人:中国科学院微电子研究所