專利名稱：降低溝槽隔離漏電的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，特別涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域中降低溝槽隔離漏電的方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體特征尺寸的進(jìn)一步縮小，溝槽隔離(Trenchlsolation，以下簡稱TI) 工藝被普遍采用。如圖1所示，常規(guī)的淺溝槽隔離(ShallowTrenchlsolation，以下簡稱 STI)集成工藝包括以下幾個步驟首先，在原始硅片上通過光刻確定圖形；其次，利用反 應(yīng)離子刻蝕，在硅襯底上刻蝕定義出一個溝槽；再次，采用化學(xué)藥液清洗去除刻蝕副產(chǎn)物、 顆粒和表面的不希望存在的微量元素，之后進(jìn)入高溫爐管生長一層氧化層以消除刻蝕帶 來的硅襯底的損傷；第四步，接著用高密度等離子化學(xué)氣相沉積(High Density Plasma Chemical V即or D印osition，下簡稱HDPCVD)的方法填充氧化物；第五步，在高溫下致密 化；第六步，用化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polish,下簡稱CMP)去除不需要的氧 化物以平坦化，在這之后再進(jìn)行后續(xù)集成電路的加工工藝。 但是現(xiàn)在這個常規(guī)的隔離工藝遇到了瓶頸——漏電，漏電主要來源于制造工藝中 產(chǎn)生的硅襯底缺陷，所以降低硅襯底的缺陷是降低漏電的主要方法。而硅襯底的缺陷來源 主要有兩個 第一種缺陷來源是原始硅片的制作過程中產(chǎn)生的原生缺陷。原始硅片制作一般采 用直拉法在石英坩鍋中完成，過程中不斷有氧氣氛滲入硅內(nèi)，同時硅單晶的冷卻一般都大 于熱平衡速度，所以導(dǎo)致最終的硅片中存在超過合理濃度的氧雜質(zhì)和體缺陷。所形成的體 缺陷如圖3a所示。圖3a的B處為氧與空位作用產(chǎn)生氧沉淀(0 precipitates)，由于體積膨 脹引入間隙，導(dǎo)致產(chǎn)生位錯(dislocation)和圖3a的A處所示的層錯(Stack Fault，簡稱 SF)，但同時氧沉淀也可以吸附金屬雜質(zhì)；其他空位達(dá)到一定濃度會聚集形成體內(nèi)和表面空 洞，如原生缺陷(Crystal-Originated-Particle，下簡稱COP)，附圖3a的C處為近表面的 C0P，D處為體內(nèi)的C0P。還會產(chǎn)生塊狀缺陷(Micro-Bulk-Defect，下簡稱BMD)等等。這些 氧沉淀和位錯層錯以及空洞缺陷在隨后的集成電路加工工藝中繼續(xù)發(fā)展，如果擴(kuò)散到電路 工作區(qū)域，就是成為重要的漏電來源。如圖3b所示，另一方面由于一些加工工藝，如溝槽隔 離工藝導(dǎo)致表面形貌變化，一些原來位于體內(nèi)的缺陷逐漸顯露到硅片表面，原來在圖3a中 位于體內(nèi)的缺陷，層錯、氧沉淀、原近表面COP都成為硅片表面的缺陷，這又形成一個漏電 的來源。 第二個重要的缺陷來源在于后續(xù)集成電路加工中不恰當(dāng)?shù)闹圃旃に囈氲奈挥?硅襯底和硅與氧化層界面的缺陷，主要的缺陷有氧化誘生堆垛層錯(Oxide Induced Stack Fault，簡稱0SF)和位錯。如圖2所示，在其中的F、G和H的位置的位錯和層錯會造成很大 的漏電。其中位置F為N型摻雜區(qū)與P型硅襯底的PN結(jié)界面，G和H均為溝槽的下部轉(zhuǎn)角 氧化硅與硅的界面，其中C貫穿了整個下角。 產(chǎn)生這些缺陷的主要原因是STI工藝的引入。如附圖4a-4d是STI傳統(tǒng)工藝流程
3截面示意圖。如圖4a所示，原始硅片經(jīng)過反應(yīng)離子刻蝕形成溝槽，圖中M和N位置為內(nèi)外 轉(zhuǎn)角，此處是應(yīng)力集中的部位，也是將來產(chǎn)生大量位錯和層錯的主要部位，同時，由于溝槽 內(nèi)表面長時間暴露在等離子體下，等離子體產(chǎn)生的遠(yuǎn)紫外光輻照穿透表面在硅片內(nèi)部產(chǎn)生 一些輻照缺陷，如空位和間隙對，使表面產(chǎn)生很淺的一個等離子體損傷層。
為了消除表面的等離子體損傷和內(nèi)部的空位缺陷，各種方法被引入。如圖4b，在溝 槽刻蝕后高溫爐管氧化，將表面損傷轉(zhuǎn)變成一層非晶的氧化層，在這個過程中由于硅材料 氧化，變成氧化硅，材料的變化使體積膨脹大約2. 25倍，同時向襯底注入大量間隙。于是接 下來用HDPCVD的方法填充氧化物和高溫下致密化，由于硅的熱膨脹系數(shù)大約比二氧化硅 大十倍，所以當(dāng)高溫冷卻下來時，硅襯底收縮量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氧化物，導(dǎo)致圖4c中位置P為張應(yīng) 力，Q為壓應(yīng)力。由于張應(yīng)力會聚集大量空位，因此在圖4c中位置Q處的空位濃度高于其 他地方。在某些嚴(yán)重的情況下，應(yīng)力最為集中的地方_轉(zhuǎn)角處，如圖4a中位置M處位錯和 層錯就產(chǎn)生了。 這兩方面的缺陷不利于避免產(chǎn)生漏電。但是，大量研究已經(jīng)證明，如果僅僅是這些 缺陷還不容易產(chǎn)生大的漏電，只有當(dāng)這些缺陷處聚集了大量的金屬雜質(zhì)分布之后才會產(chǎn)生 顯著的漏電。 原始硅片廠商常常對原始硅片進(jìn)行固溶吸雜處理，常用的方法是1200攝氏度2小 時，加800攝氏度4小時以及1000攝氏度16小時的熱處理。第一步使氧充分溶解，當(dāng)冷卻 下來時，第二步將使由過飽和的間隙氧導(dǎo)致的氧沉淀孕育形核，第三步在高溫下使氧沉淀 緩慢析出，氧沉淀可以吸附金屬雜質(zhì)，發(fā)揮本征吸雜作用。經(jīng)過處理的硅片，氧沉淀位于工 作區(qū)域下方，從硅片表面到內(nèi)部形成一層潔凈區(qū)。但是這種應(yīng)用于沒有圖形的原始硅片的 處理方法不能夠應(yīng)用在有圖形的硅片上，而且現(xiàn)有方法耗時長，成本高，并且其得到的潔凈 區(qū)寬度很厚，而且厚度可控性很差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種降低溝槽隔離漏電的方法，能夠降低缺陷
密度，提高氧化物質(zhì)量，并且兼容現(xiàn)有工藝和設(shè)備。 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明降低溝槽隔離漏電的方法的技術(shù)方案是，第一步，通 過光刻的方法在硅片上定義溝槽的位置；第二步，在硅襯底上刻蝕出溝槽；第三步，對刻蝕 的區(qū)域用化學(xué)藥液進(jìn)行清洗；第四步，在高溫爐管生長襯墊氧化層；第五步，在惰性氣體中 進(jìn)行高溫快速熱退火，并快速冷卻；第六步，在惰性氣體中進(jìn)行低溫退火；第七步，采用高 密度等離子化學(xué)氣相淀積的方法填充氧化物；第八步，退火致密化；第九步，進(jìn)行化學(xué)機(jī)械 拋光去除不需要的氧化物。 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)是，第五步中高溫快速熱退火并快速冷卻的工藝為一次 或一次以上。 作為本發(fā)明另一種進(jìn)一步改進(jìn)是，第五步中退火溫度大于1050攝氏度，冷卻時降 溫速度大于50攝氏度每秒。 本發(fā)明降低溝槽隔離漏電的方法，使硅片空位濃度從表面到體內(nèi)呈現(xiàn)逐漸增加的 分布，體內(nèi)形成氧沉淀，而表面形成一個潔凈區(qū)，大大降低了表面硅原生和刻蝕誘生的缺陷 密度，改善了最終電路的可靠性。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明 圖1為傳統(tǒng)溝槽隔離工藝流程圖； 圖2為傳統(tǒng)溝槽隔離工藝后缺陷位置示意圖； 圖3為原始硅片中的缺陷以及在后續(xù)處理中的變化示意圖； 圖4為傳統(tǒng)溝槽隔離工藝流程結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為溝槽內(nèi)空位濃度的理想分布和最終硅片缺陷分布關(guān)系示意圖； 圖6為本發(fā)明工藝流程示意圖； 圖7為發(fā)明工藝流程中快速退火氣氛對于電路靜態(tài)漏電的影響； 圖8為采用本發(fā)明與原傳統(tǒng)工藝流程的電路靜態(tài)漏電比較。
具體實施例方式
為了降低漏電，除了降低缺陷密度，還要減少金屬雜質(zhì)在這些地方的聚集，這就要 用到本征內(nèi)吸雜工藝。氧沉淀是一種有效的本征吸雜工藝，由于氧高的電負(fù)性使它在與硅 爭奪金屬雜質(zhì)的過程中占了上風(fēng)，如果氧沉淀位于有源區(qū)或者電流實際工作回路之外，金 屬雜質(zhì)就也被氧以沉淀的方式固定下來，不會對電路的漏電產(chǎn)生災(zāi)難性的影響，同時提高 了氧化層的質(zhì)量，提高了可靠性。 因此如何使氧沉淀位于有源區(qū)或者電流實際工作回路之外是降低漏電的重要方 法。大量的研究表明，氧沉淀與空位濃度成正比，空位濃度越高，氧沉淀越容易發(fā)生。如果 能形成一個如圖5a的在溝槽內(nèi)表面到硅片體內(nèi)一樣的空位濃度分布，則能夠得到的最終 缺陷在硅片內(nèi)的分布將如圖5b所示，氧沉淀和COP都集中在遠(yuǎn)離有源區(qū)的某個區(qū)域，固定 金屬雜質(zhì)，發(fā)揮了本征吸雜的作用。 快速熱處理是現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于集成電路加工的方法，與傳統(tǒng)的高溫爐管相比，它 可以快速地升降溫，可以總體降低熱預(yù)算。對于缺陷而言，快速熱處理地一個最大特點就是 突破熱動力學(xué)的限制，使空位與間隙地擴(kuò)散速度不同，從而可以根據(jù)我們的目的來調(diào)整應(yīng) 用。具體而言，在快速熱退火中，間隙速度大于空位，所以經(jīng)過快速熱退火之后硅片空位濃 度從表面到體內(nèi)的分布正好是接近于圖5a的曲線。 在形成如圖5a所示的空位分布之后，需要形成氧沉淀。氧沉淀形核的臨界核尺寸 與空位濃度成反比，空位濃度越高，臨界核尺寸越小，大于臨界尺寸的核在將來的過程中可 以析出氧沉淀，而小于這個尺寸的則在高溫時又重新溶解，繼續(xù)擴(kuò)散；其次，臨界核的大小 與氧在硅中的過飽和度成反比，過飽和度越大，臨界核的尺寸越??；有關(guān)。第三，從動力學(xué)的 角度，氧沉淀形核需要孕育期，當(dāng)形成的核大于臨界核尺寸，孕育期結(jié)束，氧沉淀開始析出 并且生長，并固定下來。臨界核尺寸越大，孕育期越長，甚至沒有辦法超過臨界核，使氧沉淀 無法形成。 如圖6所示，本發(fā)明降低溝槽隔離漏電的方法，包括以下步驟
第一步，通過光刻的方法在硅片上刻蝕定義溝槽的位置。
第二步，采用反應(yīng)離子刻蝕在硅襯底上刻蝕出溝槽。 第三步，對刻蝕的區(qū)域用化學(xué)藥液進(jìn)行清洗，去除刻蝕副產(chǎn)物、顆粒和表面的不希望存在的微量元素。 第四步，在高溫爐管生長襯墊氧化層，所生長的襯墊氧化層為熱氧化層，其生長溫 度大于700攝氏度小于1100攝氏度，所生長的襯墊氧化層的厚度在5納米和40納米之間。
第五步，在惰性氣體中進(jìn)行高溫快速熱退火，并快速冷卻。此處的高溫快速熱退火 并快速冷卻的工藝可以為一次或者一次以上。退火溫度大于1050攝氏度小于1250攝氏度， 升溫速度大于10攝氏度每秒，小于100攝氏度每秒；冷卻時降溫速度大于50攝氏度每秒。 惰性氣體為氮氣、氬氣、氨氣或者它們的混合氣體。特別需要注意的是其中一定不能含有氧 氣。在進(jìn)行了快速熱處理工藝后，間隙的擴(kuò)散速度大于空位，硅片體內(nèi)的間隙快速外擴(kuò)散到 溝槽內(nèi)表面，從而使熱退火之后地硅片空位濃度從表面到體內(nèi)呈現(xiàn)逐漸增加的的分布。大 于1050度的高溫使硅片表面的氧沉淀逐漸溶解，釋放出氧間隙，在空位梯度的作用下，氧 向表面擴(kuò)散的同時氧在內(nèi)部沉淀，由于氧沉淀使表面空位濃度高從而在體內(nèi)比表面易于形 核，因此產(chǎn)生表面一層潔凈區(qū)。在此高溫退火過程中特別要注意其中不含氧氣氛，如果氧氣 氛存在，會使退火過程從向表面注入大量間隙原子，同時由于硅片體內(nèi)已經(jīng)存在高濃度的 空位集合，比如BMD， OSF等，這些字間隙原子優(yōu)先在此處析出，會加劇了缺陷尺寸和密度。 如圖7所示，在退火氣氛中氧氣的加入會導(dǎo)致高的電路靜態(tài)漏電。 第六步，在惰性氣體中進(jìn)行低溫退火，所述的惰性氣體可以為氮氣，氬氣、氨氣或 者它們的混合氣體并且退火的溫度小于800攝氏度大于500攝氏度。經(jīng)過第一次快速熱處 理的硅片形成的空位從表面到體內(nèi)呈現(xiàn)逐漸增加的濃度分布，使核在內(nèi)部的臨界尺寸小于 表面，表面的空位濃度低使核的尺寸小于臨界值，而表面內(nèi)部的高濃度空位大于臨界值，容 易形核。在本步驟的低溫下，氧的過飽和度大于高溫時的過飽和度，使臨界核的尺寸減小， 易于形核，減少了孕育期。 第七步，采用高密度等離子化學(xué)氣相淀積的方法填充氧化物。 第八步，退火致密化。此處可以采用爐管退火，退火溫度大于900攝氏度小于1100
攝氏度。本步驟中的退火溫度大于第六步中的退火，臨界核尺寸進(jìn)一步減小，孕育期減少，
先前在第六步中退火形成的核在此時形成氧沉淀析出，同時由于從表面到內(nèi)部的空位濃度
分布，使氧沉淀僅僅在內(nèi)部析出，由于表面無法形成氧沉淀，氧含量降低一個數(shù)量級，最終
在表面形成一個潔凈區(qū)，硅原生和刻蝕誘生的缺陷密度大大減小。并且由于本征吸雜作用，
降低了表面的金屬雜質(zhì)的濃度，如圖5b所示。 第九步，進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光去除不需要的氧化物。 在完成上述工藝之后再進(jìn)行后續(xù)的集成電路加工工藝，以最終完成集成電路加工。 在上述工藝過程中所提及的三次退火，第五步的高溫快速熱退火、第六步的低溫 退火，以及第八步的退火致密化，其中第五步中退火溫度高于第八步中退火溫度，第八步中 的退火溫度高于第六步中退火溫度。 如圖8所示，最終電路由于溝槽工藝引入的漏電將大大減少，而且由于表面空位 濃度降低，氧化物中的陷阱減少，氧化物的質(zhì)量提高了，最終改善了電路的可靠性。
權(quán)利要求
一種降低溝槽隔離漏電的方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，通過光刻的方法在硅片上定義溝槽的位置；第二步，在硅襯底上刻蝕出溝槽；第三步，對刻蝕的區(qū)域用化學(xué)藥液進(jìn)行清洗；第四步，在高溫爐管生長襯墊氧化層；第五步，在惰性氣體中進(jìn)行高溫快速熱退火，并快速冷卻；第六步，在惰性氣體中進(jìn)行低溫退火；第七步，采用高密度等離子化學(xué)氣相淀積的方法填充氧化物；第八步，退火致密化；第九步，進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光去除不需要的氧化物。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低溝槽隔離漏電的方法，其特征在于，第四步中生長的襯 墊氧化層為熱氧化層，其生長溫度大于700攝氏度小于1100攝氏度，所生長的襯墊氧化層 的厚度在5納米和40納米之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低溝槽隔離漏電的方法，其特征在于，第五步中高溫快速 熱退火并快速冷卻的工藝為一次或一次以上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低溝槽隔離漏電的方法，其特征在于，第五步中退火溫度 大于1050攝氏度小于1250攝氏度，升溫速度大于10攝氏度每秒，小于100攝氏度每秒；冷 卻時降溫速度大于50攝氏度每秒，小于200攝氏度每秒。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低溝槽隔離漏電的方法，其特征在于，第五步中的氣體為 氮氣、氬氣、氨氣或者它們的混合氣體。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低溝槽隔離漏電的方法，其特征在于，第六步中采用爐管 進(jìn)行低溫退火，退火的溫度小于800攝氏度大于500攝氏度，氣體為氮氣。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低溝槽隔離漏電的方法，其特征在于，第八步中采用爐管 退火，退火溫度大于900攝氏度，小于1100攝氏度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低溝槽隔離漏電的方法，其特征在于，第五步中退火溫度 高于第八步中退火溫度，第八步中的退火溫度高于第六步中退火溫度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種降低溝槽隔離漏電的方法，1.通過光刻的方法在硅片上定義溝槽的位置；2.在硅襯底上刻蝕出溝槽；3.對刻蝕的區(qū)域用化學(xué)藥液進(jìn)行清洗；4.在高溫爐管生長襯墊氧化層；5.在惰性氣體中進(jìn)行高溫快速熱退火，并快速冷卻；6.在惰性氣體中進(jìn)行低溫退火；7.采用高密度等離子化學(xué)氣相淀積的方法填充氧化物；8.退火致密化；9.進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光去除不需要的氧化物。本發(fā)明的降低溝槽隔離漏電的方法能夠降低缺陷密度，提高氧化物質(zhì)量，并且兼容現(xiàn)有工藝和設(shè)備。
文檔編號H01L21/762GK101728304SQ20081004384
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月16日
發(fā)明者陳儉 申請人:上海華虹Nec電子有限公司