專(zhuān)利名稱(chēng)：溝道隔離結(jié)構(gòu)、具有該結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件以及溝道隔離方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及溝道(trench)隔離結(jié)構(gòu)、具有該結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件以及溝道隔離方法，尤其是涉及一種通過(guò)圓形化(rounding)溝道上部角并增加這些區(qū)域的氧化物量來(lái)防止駝峰(hump)現(xiàn)象和晶體管的反相窄寬度效應(yīng)(inversenarrow width effect)的溝道隔離結(jié)構(gòu)。
一個(gè)半導(dǎo)體器件各元件之間的隔離通常是通過(guò)局部硅氧化(LOCOS)和溝道隔離來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
在這兩者中，LOCOS方法的操作簡(jiǎn)單，并能同時(shí)形成寬隔離薄膜和窄隔離薄膜。但是，在LOCOS方法中，邊氧化會(huì)形成鳥(niǎo)啄形蝕象(bird break)，因而使得隔離區(qū)域變寬，導(dǎo)致源／漏區(qū)域的有效面積的減少。而且，在LOCOS方法中，取決于熱膨脹系數(shù)之間的差的應(yīng)力在域氧化物簿膜的形成過(guò)程中集中到氧化物簿膜的邊緣，導(dǎo)致在硅襯底上形成晶體缺陷而引起大量的電流泄漏。
因此，溝道隔離技術(shù)是必不可少的。使用溝道隔離技術(shù)，與以上所述的LOCOS技術(shù)相比較，可以將隔離區(qū)域控制得更小，而且在相同的隔離寬度下，通過(guò)在硅襯底上形成一個(gè)溝道并用電介質(zhì)物質(zhì)(比如氧)來(lái)填充這個(gè)溝道來(lái)使其有效的隔離長(zhǎng)度變得更長(zhǎng)。
在使用溝道來(lái)形成隔離的幾個(gè)操作步驟中，如何形成溝道的輪廓對(duì)于制造一個(gè)穩(wěn)定的器件來(lái)說(shuō)非常重要。也就是說(shuō)，溝道深度、溝道角以及溝道邊緣的形狀需要適當(dāng)控制。特別是，當(dāng)淺溝道隔離(STI)被用于高集成度的半導(dǎo)體器件時(shí)，值得提醒的是器件的電特性由溝道的邊緣部分的輪廓來(lái)確定。


圖1是一個(gè)用來(lái)解釋在傳統(tǒng)的STI方法中遇到的問(wèn)題的剖視圖。在這里，參考數(shù)字1是一個(gè)半導(dǎo)體襯底，參考數(shù)字3是嵌入STI區(qū)域的隔離膜，參考數(shù)字5是柵極氧化物簿膜，而參考數(shù)字7是柵極電極。
如圖1所示，以下問(wèn)題發(fā)生在當(dāng)溝道的邊緣部分形成一個(gè)幾乎為90度的銳角時(shí)。首先，一個(gè)柵極導(dǎo)電層在形成柵極的過(guò)程中覆蓋了溝道的上部各角部分，因此，電場(chǎng)集中在溝道的各角處。如圖2所示，這會(huì)導(dǎo)致使晶體管被兩次接通的駝峰現(xiàn)象，和反相窄寬度效應(yīng)的出現(xiàn)，并引起晶體管性能的降低。
圖3是表示在STI結(jié)構(gòu)中發(fā)生的反相窄寬度效應(yīng)的曲線圖。如曲線圖所示，隨著晶體管的通道(channel)寬度的減小反相窄寬度效應(yīng)呈現(xiàn)閾值電壓下降。這里，參考字符X代表駝峰現(xiàn)象出現(xiàn)前所獲得的數(shù)據(jù)，而參考字符Y為駝峰現(xiàn)象出現(xiàn)后所獲得的數(shù)據(jù)。
在當(dāng)溝道的邊緣部分形成一個(gè)幾乎為90度的銳角時(shí)發(fā)生的第二個(gè)問(wèn)題是器件可靠性的降低，比如說(shuō)，由在溝道邊緣部分形成薄柵極氧化物簿膜或者在溝道邊緣周?chē)臇艠O氧化物簿膜上的電場(chǎng)集中引起的電介質(zhì)擊穿。
幾種方法被提出來(lái)解決上面這些問(wèn)題。其中一個(gè)就是公開(kāi)于美國(guó)專(zhuān)利第5，861，104號(hào)和第5，763，315號(hào)中。
美國(guó)專(zhuān)利第5，861，104號(hào)所公開(kāi)的方法是通過(guò)改進(jìn)一個(gè)蝕刻溝道的方法來(lái)圓形化溝道上部角。美國(guó)專(zhuān)利第5，763，315號(hào)所公開(kāi)一種圓形化溝道上部邊緣的方法，其中通過(guò)使用濕式蝕刻技術(shù)或其它該類(lèi)技術(shù)，在半導(dǎo)體襯底上利用晶體平面(100)形成一個(gè)高氧化率的平面(111)，以及公開(kāi)通過(guò)增加在溝道上部邊緣形成的柵極氧化物簿膜的厚度防止晶體管和柵極氧化物簿膜的可靠性降低的方法。
本發(fā)明意在提供一個(gè)結(jié)構(gòu)以在溝道的上部邊緣形成一個(gè)晶體平面(111)來(lái)增加?xùn)艠O氧化物簿膜的厚度，該柵極氧化物簿膜是在圓形化溝道上部邊緣時(shí)形成在這些區(qū)域上的，因而使得晶體管的特性得到顯著改進(jìn)，以及相應(yīng)的構(gòu)成方法。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一個(gè)溝道隔離結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過(guò)增加溝道上部邊緣的柵極氧化物簿膜的厚度并同時(shí)圓形化溝道的上部邊緣來(lái)改進(jìn)晶體管和柵極介質(zhì)薄膜的可靠性。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種具有改進(jìn)隔離結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體器件來(lái)防止駝峰現(xiàn)象和反相窄寬度效應(yīng)。
本發(fā)明再一個(gè)目的是提供一種圓形化溝道上部邊緣，并因此增加溝道上部邊緣的柵極氧化物簿膜的厚度的溝道隔離方法。
第一個(gè)目的通過(guò)一個(gè)這樣的溝道隔離結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其包括一個(gè)在半導(dǎo)體襯底的非作用區(qū)域內(nèi)形成的溝道，被圓形化的溝道的上部邊緣；在溝道內(nèi)壁上形成的內(nèi)壁氧化物簿膜；在內(nèi)壁氧化物簿膜的表面形成的襯層(liner)，該襯層的頂部部從半導(dǎo)體襯底的表面凹進(jìn)；以及用來(lái)填充溝道的介質(zhì)薄膜，內(nèi)壁氧化物簿膜和襯層都形成于該溝道中。
內(nèi)壁氧化物簿膜的厚度最好在10-150埃之間，而襯層的頂端最好從半導(dǎo)體襯底的表面凹進(jìn)0-500埃之間，使得溝道的上部邊緣能滿意地圓形化。
第二個(gè)目的通過(guò)一種這樣的具有溝道隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，其包括一個(gè)在半導(dǎo)體襯底的非作用區(qū)域內(nèi)形成的溝道，被圓形化的溝道頂部邊緣；在溝道內(nèi)壁上形成的內(nèi)壁氧化物簿膜；在內(nèi)壁氧化物簿膜的表面形成的襯層，襯層的頂部從半導(dǎo)體襯底的表面凹進(jìn)；用來(lái)填充溝道的介質(zhì)薄膜，內(nèi)壁氧化物簿膜和襯層都形成于該溝道中；形成于半導(dǎo)體襯底中除了溝道之外的作用區(qū)域內(nèi)的柵極介質(zhì)薄膜，該柵極介質(zhì)薄膜的邊緣部分比中間部分要厚；以及在柵極介質(zhì)薄膜上形成的柵極電極。
最好半導(dǎo)體襯底中除了溝道之外的表面有一個(gè)平面(100)，而溝道的頂部邊緣被圓形化的半導(dǎo)體襯底的表面則最好有一個(gè)平面(111)。
第三個(gè)目的通過(guò)一種這樣的溝道隔離方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其包括在半導(dǎo)體襯底的非作用區(qū)域內(nèi)形成一個(gè)溝道；溝道內(nèi)壁上形成一個(gè)內(nèi)壁氧化物簿膜；在內(nèi)壁氧化物簿膜的表面形成一個(gè)氮化硅襯層；用介質(zhì)薄膜填充溝道，蝕刻部分氮化硅襯層，使得該氮化硅襯層的頂部可以從半導(dǎo)體襯底的表面凹進(jìn)。
形成溝道的步驟包括在半導(dǎo)體襯底上形成一個(gè)墊層(pad)氧化物簿膜；在墊層氧化物簿膜上形成一個(gè)墊層氮化物膜；形成一個(gè)蝕刻掩模圖形以限定需形成溝道的區(qū)域；使用光刻法；利用蝕刻掩模圖形通過(guò)蝕刻部分半導(dǎo)體襯底形成溝道。用介質(zhì)薄膜填充溝道的步驟包括將介質(zhì)薄膜沉積在已形成內(nèi)壁氧化物簿膜和氮化硅襯層的襯底上；并將介質(zhì)薄膜的表面平整。
介質(zhì)薄膜的表面的平整是通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)或者以使用墊層氮化物薄膜作為蝕刻終止層的深腐蝕技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在介質(zhì)薄膜的表面平整的步驟之后還包括去除殘留在半導(dǎo)體襯底的作用區(qū)域內(nèi)的墊層氮化物薄膜的步驟。
去除墊層氮化物薄膜步驟之后的步驟是蝕刻氮化硅襯層的某些部分，使得氮化硅襯層的頂端能夠從半導(dǎo)體襯底的表面凹進(jìn)。去除襯層氮化物簿膜的步驟是通過(guò)濕式蝕刻來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在蝕刻墊層氮化物薄膜以及部分襯層的步驟之后還要包括一個(gè)去除墊層氧化物薄膜的步驟。去除墊層氧化物薄膜之后的步驟是氧化半導(dǎo)體襯底的表面。
根據(jù)本發(fā)明，溝道上部邊緣的氧化物量可以在形成柵極氧化物簿膜的氧化過(guò)程中大大增加。這是通過(guò)將在溝道內(nèi)壁形成的內(nèi)壁氧化物簿膜的厚度限制在一定的程度內(nèi)以及在襯層的頂部從半導(dǎo)體襯底的表面凹進(jìn)形成一個(gè)凹部來(lái)實(shí)現(xiàn)。也就是說(shuō)，半導(dǎo)體襯底上的溝道上部邊緣的氧化物量的增加是發(fā)生在后來(lái)用來(lái)形成柵極氧化物簿膜的氧化過(guò)程中，雖然并沒(méi)有打算對(duì)溝道的上部邊緣進(jìn)行圓形化，但導(dǎo)致圓形化了溝道的上部邊緣。溝道上部邊緣的柵極氧化物簿膜的厚度比溝道之外的半導(dǎo)體襯底的作用(active)中心區(qū)域要厚。因此，由于溝道上部邊緣的電場(chǎng)集中而產(chǎn)生的駝峰現(xiàn)象和反相窄寬度效應(yīng)可以被抑制，柵極介質(zhì)薄膜的可靠性能夠得到改進(jìn)。
通過(guò)參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的最佳實(shí)施例，以上所述本發(fā)明的目的及優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更加清晰；圖1是一個(gè)用來(lái)解釋在傳統(tǒng)的淺溝道隔離(STI)方法中遇到的問(wèn)題的剖視圖；圖2是一個(gè)表示用傳統(tǒng)的STI方法構(gòu)成的半導(dǎo)體器件中所發(fā)生的駝峰現(xiàn)象的曲線圖；圖3是一個(gè)表示在傳統(tǒng)的STI結(jié)構(gòu)中的反相窄寬度效應(yīng)的曲線圖；圖4是一個(gè)按照本發(fā)明的實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的剖視圖；圖5A到5F是表示根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例來(lái)構(gòu)成一個(gè)有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的方法的剖視圖，在該隔離結(jié)構(gòu)中使溝道的上部邊緣圓形化；圖6是表示在溝道頂部的氮化物襯層上形成的凹部的放大剖視圖；圖7是用溝道內(nèi)壁上的氮化物襯層的張應(yīng)力來(lái)解釋溝道頂部氧化物量的增加的部分放大視圖；圖8至圖10是用來(lái)確定溝道上部邊緣上的柵極氧化物簿膜的厚度和邊緣圓形化程度的電子掃描顯微鏡(SEM)圖像，其根據(jù)是溝道內(nèi)壁上形成的氧化層的厚度。
在下文中，本發(fā)明的實(shí)施例將會(huì)參照附圖做出詳細(xì)描述。但是本發(fā)明的實(shí)施例可被修改為其它各種形式，因此本發(fā)明的范圍不應(yīng)理解為僅僅局限于該實(shí)施例。本實(shí)施例是用來(lái)向本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員更全面地解釋本發(fā)明。在附圖中，層或區(qū)域的厚度被夸大以使其看起來(lái)更清楚。附圖中的參考數(shù)字表示相同的部分。同時(shí)，當(dāng)說(shuō)到一個(gè)層形成于另一個(gè)層或一個(gè)襯底上時(shí)，是指那個(gè)層可以直接形成于該層或襯底的上面，或者也可以有其它層介入在其間。
圖4表示了一個(gè)有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，其中在該隔離結(jié)構(gòu)中溝道的上部邊緣被圓形化。參照?qǐng)D4，形成一些溝道，溝道中的朝向一其上要形成半導(dǎo)體器件的作用區(qū)域(active region)的上部邊緣被圓形化，這些溝道形成在非作用區(qū)域，即半導(dǎo)體襯底40的隔離區(qū)域中。內(nèi)壁氧化物簿膜48和襯層50相繼沿每個(gè)溝道的內(nèi)壁形成。內(nèi)壁氧化物簿膜48通過(guò)濕式／干式熱氧化形成10-150埃的厚度。襯層50(由氮化物簿膜構(gòu)成，特別是氮化硅薄膜)通過(guò)低壓化學(xué)蒸汽沉積(LPCVD)，形成20-200埃的厚度。特別是，襯層50從溝道之外的半導(dǎo)體襯底40的表面凹進(jìn)，并且最好的凹入深度為0-500埃。
其上形成有內(nèi)壁氧化物簿膜和襯層(liner)的溝道被介質(zhì)薄膜52(比如說(shuō)CVD氧化物簿膜)完全填充，同時(shí)介質(zhì)薄膜52其上有平整的表面。
屬于柵極介質(zhì)薄膜的柵極氧化物簿膜54，以及柵極電極56在半導(dǎo)體襯底40的作用區(qū)域上形成。特別是，柵極氧化物簿膜54在溝道的上部邊緣處明顯要比在半導(dǎo)體襯底40的表面上厚。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件具有這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)，即溝道的上部邊緣被圓形化，柵極氧化物簿膜在溝道的上部邊緣處要比在半導(dǎo)體襯底4的作用區(qū)域上厚。這就使得由于在柵極氧化物簿膜的邊緣上的電場(chǎng)集中而引起的駝峰現(xiàn)象和反相窄寬度效應(yīng)得到抑制，因而使得柵極介質(zhì)薄膜的可靠性得到提高。
圖5A到5F是描述根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例來(lái)構(gòu)成一個(gè)有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件(在該隔離結(jié)構(gòu)中溝道的上部邊緣被圓形化)的方法的剖視圖。參照?qǐng)D5A，用來(lái)緩解襯底上的應(yīng)力和保護(hù)襯底的墊層(pad)氧化物簿膜42是通過(guò)在半導(dǎo)體襯底40上生成一個(gè)厚度約為100埃的熱氧化物簿膜來(lái)形成。一種對(duì)半導(dǎo)體襯底40有良好的蝕刻選擇性的物質(zhì)，比如說(shuō)氮化硅薄膜，通過(guò)低壓化學(xué)沉積(LPCVD)在墊層氧化物簿膜42上沉積的厚度達(dá)到約為1500埃，來(lái)形成墊層氮化物簿膜44。在襯底蝕刻過(guò)程中襯層氮化物簿膜44用作蝕刻掩模以形成后來(lái)的溝道，或在平整溝道過(guò)程中用作填充物。
接著，在墊層氮化物簿膜44上通過(guò)光刻術(shù)形成光敏抗蝕劑圖形(pattem)46，形成圖形以使得用來(lái)生成溝道的非作用區(qū)能夠暴露出來(lái)。利用將光敏抗蝕劑圖形46作為蝕刻掩模，將墊層氮化物簿膜44和墊層氧化物簿膜42非均勻地蝕刻，使得半導(dǎo)體襯底40的非作用區(qū)域暴露出來(lái)。另外，在利用光敏抗蝕劑圖形46作為蝕刻掩模只有墊層氮化物簿膜44能被非均勻地蝕刻以形成一個(gè)蝕刻掩模圖形。
參照?qǐng)D5B，在光敏抗蝕劑圖形46去除后，在將襯層氮化物簿膜44和墊層氧化物簿膜42作為蝕刻掩模圖形的情況下，通過(guò)把半導(dǎo)體襯底40的暴露部分非均勻地蝕刻約2000-10000埃以形成溝道47。另外，可在將光敏抗蝕劑圖形46作為蝕刻掩模圖形的情況下，可以不將光敏抗蝕劑圖形46去除而形成溝道47。同時(shí)，由于在本發(fā)明中溝道的上部邊緣在接下來(lái)的步驟中會(huì)被圓形化，可以在不需要對(duì)上部邊緣進(jìn)行圓形化的特別處理的情況下，能基本垂直于半導(dǎo)體襯底的溝道47。
參照?qǐng)D5C，通過(guò)在有溝道47的半導(dǎo)體襯底40上的預(yù)定熱氧化來(lái)沿著溝道47的內(nèi)壁形成內(nèi)壁氧化物簿膜48。內(nèi)壁氧化物簿膜48所形成的厚度在10-150埃之間，而且最好是在10-50埃之間。為什么形成較薄的內(nèi)壁氧化物簿膜的原因?qū)⒃诤竺孀龀鼋忉?。同樣地，?nèi)壁氧化物簿膜48也可以通過(guò)濕式氧化或干式氧化來(lái)形成，而且最好是通過(guò)干式氧化，使得能夠更容易控制氧化物簿膜的厚度，并且其均勻性會(huì)高。
其后，通過(guò)LPCVD，將氮化物簿膜(比如說(shuō)，氮化硅薄膜)沉積在形成了內(nèi)壁氧化物簿膜48的襯底整個(gè)表面上來(lái)形成襯層50。形成的襯層50的厚度約在20-200埃之間。太薄的襯層會(huì)由于其后的氧化過(guò)程容易斷裂。太厚的襯層會(huì)增加溝道的縱橫比，而導(dǎo)致難于實(shí)現(xiàn)良好地填充溝道，比如說(shuō)，當(dāng)溝道被填充入介質(zhì)薄膜時(shí)形成空隙。
參照?qǐng)D5D，利用CVD或其他技術(shù)，將介質(zhì)物質(zhì)沉積到形成有氮化物簿膜襯層50的結(jié)構(gòu)上，其厚度足夠填充溝道，比如說(shuō)，小于等于10000埃，以形成氧化物簿膜52。在溝道被CVD氧化物簿膜52填充之后，最好在高溫下退火來(lái)致密CVD氧化物簿膜。
對(duì)填充溝道的CVD氧化物簿膜52進(jìn)行致密化，能減慢在接下來(lái)的CVD氧化物簿膜52的平整過(guò)程中由于CVD氧化物簿膜52的高蝕刻率引起的很高的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)的速度，同時(shí)在墊層氧化物簿膜42的濕式蝕刻或在使用蝕刻劑的清潔過(guò)程中防止CVD氧化物簿膜52被輕易消耗。CVD氧化物簿膜52的致密化是在1000攝氏度下的氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行，或者通過(guò)濕式氧化來(lái)實(shí)現(xiàn)。在該步驟中，半導(dǎo)體襯底40由于氮化物襯層50的保護(hù)而沒(méi)有被氧化。
接下來(lái)，通過(guò)比如說(shuō)深腐蝕、CMP或者深腐蝕與CMP兩者結(jié)合將CVD氧化物簿膜52平整。如果是通過(guò)CMP，那么當(dāng)作為蝕刻終止層的墊層氮化物簿膜44的一半厚度被蝕刻時(shí)，CMP最好停止。
參照?qǐng)D5E，殘留在作用區(qū)域上的墊層氮化物簿膜用磷酸溶液去除。這時(shí)，還進(jìn)行過(guò)腐蝕以蝕刻部分氮化物簿膜襯層50，因而形成一個(gè)使得氮化物襯層50的頂部比半導(dǎo)體襯底40表面凹下0-500埃的“凹部”。圖6所示的是有凹部的半導(dǎo)體襯底的放大圖。當(dāng)一個(gè)凹部在氮化物襯層50的頂部形成時(shí)，半導(dǎo)體襯底中的溝道的上部邊緣的氧化便大大增加。這種氧化的增加將在后面做出描述。
如果形成的凹部很深，溝道的頂部便被敞開(kāi)，使得溝道的上部邊緣在氧化過(guò)程中是尖銳的。當(dāng)在接下來(lái)的步驟中形成MOS晶體管時(shí)，其甚至溝道的上部邊緣在用于柵極的導(dǎo)電物質(zhì)形成圖形后能保持，可能導(dǎo)致形成橋路。這樣在通用柵極氧化物簿膜的厚度小于或等于100埃的器件中，最好凹部從半導(dǎo)體襯底40的表面凹入深度小于等于500埃。
其后，殘留在作用區(qū)域上的墊層氧化物簿膜42用稀釋的氫氟酸(HF)溶液去除。
參照?qǐng)D5F，當(dāng)柵極氧化物簿膜54通過(guò)熱氧化在圖5E中所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)上形成時(shí)，由于如圖所示在溝道的上部邊緣的氧化增加，其在溝道的上部邊緣形成的厚度要比其它部分高。因此，溝道的上部邊緣被圓形化。接著，將導(dǎo)電物質(zhì)，比如說(shuō)，摻有雜質(zhì)的多晶硅薄膜或摻有雜質(zhì)的多晶硅和硅化物的層疊薄膜，形成在柵極氧化物簿膜54上，接著通過(guò)光蝕刻法使其形成圖形，以此形成柵極電極56。
在上面所述的本發(fā)明的實(shí)施例中，由于溝道的上部邊緣的氧化的增加，柵極氧化物簿膜54在溝道的上部邊緣的厚度變得比在半導(dǎo)體襯底40的作用區(qū)域中間部分的柵極氧化物簿膜54厚度要大。這種情況的發(fā)生很大程度上可能是由于以下三個(gè)原因。
第一個(gè)原因可以是在溝道內(nèi)壁形成的氮化物襯層50的張應(yīng)力。這將參照?qǐng)D7做出描述，圖7是溝道的側(cè)壁的部分放大的視圖。在圖7中，參考數(shù)字40表示的是半導(dǎo)體襯底，而參考數(shù)字50表示的是氮化物襯層。這里在溝道的內(nèi)壁上形成的內(nèi)壁氧化物簿膜被忽略以簡(jiǎn)化說(shuō)明。
通過(guò)LPCVD沉積的氮化硅襯層50在半導(dǎo)體襯底40的B部分(與作用區(qū)域的表面接近)上造成張應(yīng)力。也就是說(shuō)，由于通過(guò)LPCVD形成的氮化硅薄膜于硅襯底相比，其熱膨脹系數(shù)高，因此在高溫操作過(guò)程中(比如氧化)其膨脹也就比由單晶硅構(gòu)成的半導(dǎo)體襯底40大。相應(yīng)地，當(dāng)與氮化硅襯層50相接觸的溝道側(cè)壁的半導(dǎo)體襯底40的A部分承受壓應(yīng)力時(shí)，氮化硅襯層50要承受張應(yīng)力。因此，與作用區(qū)域的表面接近的半導(dǎo)體襯底40的B部分要承受張應(yīng)力。在施加張應(yīng)力的狀態(tài)下，半導(dǎo)體襯底中晶格之間的距離長(zhǎng)，因此氧化可以快速發(fā)生。
這樣，為了能在通過(guò)形成氮化硅襯層50來(lái)最大化溝道的上部邊緣的氧化物量的同時(shí)圓形化溝道的上部邊緣，氮化硅襯層50和溝道側(cè)壁之間的內(nèi)壁氧化物簿膜越薄越好。但是，最好將內(nèi)壁氧化物簿膜的厚度控制在約10-150埃之間。
第二個(gè)原因是氮化硅襯層50上的凹部的形成。如圖6所示，在通過(guò)凹部暴露出來(lái)的在溝道的上部邊緣的半導(dǎo)體襯底40的氧化過(guò)程中逐漸形成一個(gè)傾斜表面。這個(gè)傾斜的表面有一個(gè)平面(111)，而半導(dǎo)體襯底40的作用區(qū)域有一個(gè)平面(100)。由于硅晶格之間的間隔在平面(111)的方向上最大，因此晶格之間的結(jié)合力很弱。相應(yīng)地，置于每個(gè)晶格點(diǎn)上的硅原子之間的結(jié)合在氧化時(shí)很容易被切斷，使得氧化可以快速發(fā)生。
第三個(gè)原因是氮化硅襯層50被作為氧化阻擋層(barrier)。在襯層50沒(méi)有形成，而圖5F中的柵極氧化物簿膜54形成的情況下，氧原子穿透填充在溝道中的CVD氧化物簿膜48并擴(kuò)散入溝道的側(cè)壁之下的半導(dǎo)體襯底40中。相應(yīng)地，氧化也發(fā)生在溝道的側(cè)壁上。這造成體積擴(kuò)張，因此壓應(yīng)力施加到半導(dǎo)體襯底40的上部邊緣上，使得氧化得到抑制。然而，在本發(fā)明中，襯層50的存在防止了對(duì)其上形成襯層50的溝道側(cè)面的氧化，而由于防止氧化的因素即襯層50被去除，在襯層50凹進(jìn)處的溝道的上部邊緣上可以易于發(fā)生氧化。
圖8到圖10是用來(lái)確定溝道上部邊緣上的柵極氧化物簿膜的厚度和邊緣圓形化程度的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，其根據(jù)是溝道內(nèi)壁上形成的內(nèi)壁氧化層的厚度。在圖8至圖10中，內(nèi)壁氧化物簿膜形成的厚度分別為240埃，110埃和20埃，襯層形成的厚度一樣，而柵極氧化物簿膜的生長(zhǎng)厚度達(dá)75埃。
參照?qǐng)D8，可以看到溝道的各角沒(méi)有圓形化而且柵極氧化物簿膜的厚度沒(méi)有增加。以下解釋這些現(xiàn)象的原因。首先，由于其間隔了一個(gè)厚的內(nèi)壁氧化物簿膜，承受張應(yīng)力的襯層與承受壓應(yīng)力的溝道的側(cè)壁相距遠(yuǎn)，因此張應(yīng)力沒(méi)有作用到半導(dǎo)體襯底的頂部。這就是為什么溝道的各角沒(méi)有圓形化而且柵極氧化物簿膜的厚度沒(méi)有增加的一個(gè)原因。第二，由于襯層形成于生長(zhǎng)的厚內(nèi)壁氧化物簿膜上，即使在墊層氮化物簿膜被磷酸液蝕刻時(shí)在溝道的頂部也沒(méi)有形成向下凹進(jìn)的凹部。這樣，即使在進(jìn)行用來(lái)形成柵極氧化物簿膜的氧化時(shí)，也沒(méi)有在半導(dǎo)體襯底的上部邊緣形成具有平面(111)的傾斜表面。這是為什么溝道的各角沒(méi)有圓形化而且柵極氧化物簿膜的厚度沒(méi)有增加的另一個(gè)原因。第三，由于溝道的側(cè)壁被通過(guò)內(nèi)壁氧化物簿膜擴(kuò)散的很多的氧原子氧化，壓應(yīng)力由于溝道的側(cè)壁的氧化作用到半導(dǎo)體襯底的上部邊緣上，使得氧化物量便沒(méi)有增加。這是為什么溝道的各角沒(méi)有圓形化而且柵極氧化物簿膜的厚度沒(méi)有增加的另一個(gè)原因。
圖9是在內(nèi)壁氧化物簿膜形成的厚度為110埃以及在形成襯層之后形成一個(gè)具有所需的深度的凹部的情況下的SEM圖像。從圖9可以看出溝道的上部各角沒(méi)有圓形化。
圖10是在朝向溝道的側(cè)表面的氧化由于在溝道內(nèi)形成厚度為20埃的內(nèi)壁氧化物簿膜而極大地受到限制，以及張應(yīng)力對(duì)襯層的作用最大化的情況下的SEM圖像。從圖10中可以看出溝道的上部邊緣被圓形化而且溝道的上部邊緣的柵極氧化物簿膜的厚度約為170埃，該厚度明顯高于在作用區(qū)域表面的厚度。
通過(guò)以一個(gè)特定的實(shí)施例為例子來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明，但在本發(fā)明的范圍內(nèi)還可以對(duì)實(shí)施例進(jìn)行多種修改。
根據(jù)以上所述的本發(fā)明，當(dāng)在溝道的內(nèi)壁上形成的內(nèi)壁氧化物簿膜的厚度被限制在一定值，而且形成了襯層，在接下來(lái)的步驟中用來(lái)形成柵極氧化物簿膜的溝道的上部邊緣的氧化物量會(huì)大量增加。因此，由于溝道的上部邊緣的電場(chǎng)集中而引起的駝峰現(xiàn)象和反相窄寬度效應(yīng)被抑制，柵極介質(zhì)薄膜的可靠性得到提高。而且，從導(dǎo)體襯底表面凹進(jìn)的凹部形成于該在內(nèi)壁氧化物簿膜上形成的襯層上，使得溝道的上部邊緣的半導(dǎo)體襯底的晶體狀態(tài)在柵極氧化物簿膜的形成過(guò)程中成為平面(111)。因此，氧化物量將進(jìn)一步增加。
權(quán)利要求
1．一個(gè)溝道隔離結(jié)構(gòu)包括在半導(dǎo)體襯底的非作用區(qū)域內(nèi)形成的溝道，使該溝道的頂部邊緣圓形化；在溝道內(nèi)壁上形成的內(nèi)壁氧化物簿膜；在內(nèi)壁氧化物簿膜的表面形成的襯層，該襯層的頂部從半導(dǎo)體襯底的表面凹進(jìn)；用來(lái)填充溝道的介質(zhì)薄膜，內(nèi)壁氧化物簿膜和襯層都形成于該溝道中。
2．按照權(quán)利要求1的溝道隔離結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)壁氧化物簿膜的厚度在10-150埃之間。
3．按照權(quán)利要求1的溝道隔離結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)壁氧化物簿膜是通過(guò)濕式氧化或干式氧化形成的熱氧化物簿膜。
4．按照權(quán)利要求1的溝道隔離結(jié)構(gòu)，其中襯層的頂端從半導(dǎo)體襯底的表面凹進(jìn)0-500埃。
5．按照權(quán)利要求1的溝道隔離結(jié)構(gòu)，其中由氮化硅構(gòu)成的襯層是通過(guò)低壓化學(xué)蒸汽沉積(LPCVD)形成的。
6．按照權(quán)利要求1的溝道隔離結(jié)構(gòu)，其中，除了溝道之外，半導(dǎo)體襯底的表面有一個(gè)平面(100)，而被圓形化的溝道頂部邊緣的半導(dǎo)體襯底的表面則有一個(gè)平面(111)。
7．一個(gè)具有溝道隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件包括在半導(dǎo)體襯底的非作用區(qū)域內(nèi)形成的溝道，該溝道的頂部邊緣被圓形化；在溝道內(nèi)壁上形成的內(nèi)壁氧化物簿膜；在內(nèi)壁氧化物簿膜的表面形成的襯層，該襯層的頂部從半導(dǎo)體襯底的表面凹進(jìn)；用來(lái)填充溝道的介質(zhì)薄膜，內(nèi)壁氧化物簿膜和襯層都形成于該溝道中；形成于除了溝道之外的半導(dǎo)體襯底的作用區(qū)域內(nèi)的柵極介質(zhì)薄膜，該柵極介質(zhì)薄膜的邊緣部分比中間部分要厚；以及一個(gè)在柵極介質(zhì)薄膜上形成的柵極電極。
8．按照權(quán)利要求7中的具有溝道隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，其中內(nèi)壁氧化物簿膜的厚度在10-150埃之間。
9．按照權(quán)利要求7中的具有溝道隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，其中襯層的頂端從半導(dǎo)體襯底的表面凹進(jìn)0-500埃。
10．按照權(quán)利要求7中的具有溝道隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，其中，除了溝道之外的半導(dǎo)體襯底的表面有一個(gè)平面(100)，而溝道的頂部邊緣被圓形化的半導(dǎo)體襯底的表面則有一個(gè)平面(111)。
11．一個(gè)溝道隔離方法，包括在半導(dǎo)體襯底的非作用區(qū)域內(nèi)形成溝道；溝道內(nèi)壁上形成內(nèi)壁氧化物簿膜；在內(nèi)壁氧化物簿膜的表面形成氮化硅襯層；用介質(zhì)薄膜填充溝道；蝕刻部分氮化硅襯層，使得該氮化硅襯層的頂部從半導(dǎo)體襯底的表面凹進(jìn)。
12．按照權(quán)利要求11的溝道隔離方法，其中形成溝道的步驟包括在半導(dǎo)體襯底上形成墊層氧化物簿膜；在墊層氧化物簿膜上形成墊層氮化物膜；使用光刻法形成蝕刻掩模圖形用于限定其上需形成溝道的區(qū)域；根據(jù)蝕刻掩模圖形通過(guò)蝕刻部分半導(dǎo)體襯底來(lái)形成溝道。
13．按照權(quán)利要求11的溝道隔離方法，其中通過(guò)濕式熱氧化或干式熱氧化形成的內(nèi)壁氧化物簿膜的厚度在10-150埃之間。
14．按照權(quán)利要求12的溝道隔離方法，其中通過(guò)LPCVD形成的氮化硅襯層的厚度為20-200埃。
15．按照權(quán)利要求12的溝道隔離方法，其中用介質(zhì)薄膜填充溝道的步驟包括將介質(zhì)薄膜沉積在已形成內(nèi)壁氧化物簿膜和氮化硅襯層的襯底上；將介質(zhì)薄膜的表面平整。
16．按照權(quán)利要求15的溝道隔離方法，其中介質(zhì)薄膜的平整是利用襯層氮化物簿膜作為蝕刻終止層通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
17．按照權(quán)利要求16的溝道隔離方法，其中介質(zhì)薄膜的平整是通過(guò)CMP蝕刻到保留襯層氮化物簿膜44的一半厚度為止來(lái)實(shí)現(xiàn)。
18．按照權(quán)利要求15的溝道隔離方法，其中，在介質(zhì)薄膜的表面平整的步驟之后，還包括去除殘留在半導(dǎo)體襯底的作用區(qū)域內(nèi)的墊層氮化物簿膜的步驟。
19．按照權(quán)利要求18的溝道隔離方法，其中，在去除襯層氮化物簿膜的步驟之后是蝕刻部分氮化硅襯層的步驟，使得氮化硅襯層的頂端能夠從半導(dǎo)體襯底的表面凹進(jìn)。
20．按照權(quán)利要求19的溝道隔離方法，其中，去除襯層氮化物簿膜的步驟和去除部分氮化硅襯層的步驟通過(guò)濕式蝕刻來(lái)實(shí)現(xiàn)。
21．按照權(quán)利要求11的溝道隔離方法，其中襯層的頂端從半導(dǎo)體襯底的表面凹進(jìn)0-500埃。
22．按照權(quán)利要求19的溝道隔離方法，其中，在蝕刻襯層氮化物簿膜以及部分襯層的步驟之后還包括一個(gè)去除墊層氧化物簿膜的步驟。
23．按照權(quán)利要求22的溝道隔離方法，其中，在去除墊層氮化物簿膜的步驟之后是氧化半導(dǎo)體襯底的表面的步驟。
24．按照權(quán)利要求15的溝道隔離方法，其中介質(zhì)薄膜是通過(guò)化學(xué)蒸汽沉積(CVD)形成的氧化物簿膜，而在介質(zhì)薄膜的平整步驟之后還要進(jìn)行熱處理。
全文摘要
提供了一種通過(guò)使溝道頂部邊緣圓形化并增加溝道頂部邊緣的氧化物量來(lái)防止駝峰現(xiàn)象和晶體管的反相窄寬度效應(yīng)的溝道隔離結(jié)構(gòu),具有該結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件以及溝道隔離方法。在該溝道隔離方法中,在半導(dǎo)體襯底的非作用區(qū)域內(nèi)形成一個(gè)溝道。溝道內(nèi)壁上形成厚度在10—150埃之間的內(nèi)壁氧化物薄膜。在內(nèi)壁氧化物薄膜的表面形成一個(gè)襯層。用介質(zhì)薄膜填充溝道。蝕刻部分襯層,使得該氮化硅襯層的頂端可以從半導(dǎo)體襯底的表面凹進(jìn)。
文檔編號(hào)H01L21/76GK1293452SQ0013471
公開(kāi)日2001年5月2日 申請(qǐng)日期2000年10月12日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月12日
發(fā)明者樸泰緒, 樸文漢, 樸暻媛, 李漢信 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社