專利名稱：一種絕緣結(jié)構(gòu)的形成方法和半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種形成絕緣結(jié)構(gòu)的方法。特定言之，本發(fā)明涉及一種形成
用于過路柵極(passing gate)的自對準(zhǔn)絕緣結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
在動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)工藝的發(fā)展中，為了要增加芯片上的 元件密度，會安排字線(word line)從上方"路過"其他未受此字線控制的 深溝槽電容，以有效提高集成度(integration)。圖1即例示字線從上方路過其 他未受此字線控制的深溝槽電容。如圖1所示，在布局圖案上，各別字線101 從有源區(qū)域102、深溝槽電容103及淺溝槽隔離(STI)上方跨過，其中在尚未 制作深溝槽電容103時，基板中只有淺溝槽隔離(STI)及有源區(qū)域102，因此 非為淺溝槽隔離(STI)的區(qū)域即為有源區(qū)域102。由于字線101與有源區(qū)域102 重疊的部分才會形成柵極元件，因此從上方"路過"非有源區(qū)域、"路過" 深溝槽電容的字線部分即被稱為過路柵極104。
因為過路柵極要從其他的存儲單元(memory cell)的深溝槽電容的上方路 過，同時過路柵極與深溝槽電容都是電性元件，因此要在過路柵極與深溝槽 電容之間建構(gòu)一層絕緣結(jié)構(gòu)，以確保過路柵極與深溝槽電容間的電絕緣。如 圖1所示，絕緣結(jié)構(gòu)105即作為過路柵極104與深溝槽電容103絕緣之用。 應(yīng)注意，在圖1中僅圖示出一絕緣結(jié)構(gòu)105而省略了其他不完整的絕緣結(jié)構(gòu) 105，但此并不表示其他的深溝槽電容上方無絕緣結(jié)構(gòu)。
當(dāng)過路柵極要從淺溝槽隔離與深溝槽電容的上方路過，在順序上，通常 是先制作淺溝槽隔離、然后形成深溝槽電容、再定義過路柵極的絕緣結(jié)構(gòu)。 圖2-8即例示傳統(tǒng)上定義過路柵極的絕緣結(jié)構(gòu)的步驟。首先，如圖2所示， 在基材201中制作完成淺溝槽隔離202后，再形成深溝槽電容203。形成深 溝槽電容203的步驟可以是先蝕刻出電容溝槽的輪廓，然后擴大溝槽電容底 部成為瓶狀以提升內(nèi)表面積，隨后建立其他部分，例如頸部氧化層，再回填 導(dǎo)電材料，例如硅。形成深溝槽電容203后，開始進行各式所需的離子阱注入(圖未示)、清洗、高溫回火等的工藝。其次，如圖3所示，在基材201 上全面地依序形成襯墊氧化層204與氮化硅層205，以便之后使用光阻來定 義絕緣結(jié)構(gòu)的位置。之后，如圖4所示，形成抗反射層(BARC) 206,并使 用一圖案化的光阻207定義出過路柵極的絕緣結(jié)構(gòu)的位置，此時光阻207應(yīng) 該要準(zhǔn)確的覆蓋在淺溝槽隔離202與溝槽電容203上，以確保過路柵極的絕 緣結(jié)構(gòu)具有正確的位置。
跟著，如圖5所示，利用蝕刻法移除部分的抗反射層206與氮化硅層205。 然后，如圖6所示，移除剩余的光阻207與抗反射層206而留下所需的氮化 硅層205與襯墊氧化層204,此時氮化硅層205即作為硬掩模之用。再來， 如圖7所示，利用氮化硅層205作為硬掩模，經(jīng)由蝕刻移除未被氮化硅層205 所覆蓋的墊氧化層204。接著，如圖8所示，形成一柵極氧化層(圖未示)， 并依據(jù)已知的方式在柵極氧化層上建立柵極210與在氮化硅層205上建立過 路柵極220。此時，理論上來說，過路柵極220此時即應(yīng)該位在深溝槽電容 203上。換言之，圖7中未被移除的氮化硅層205與墊氧化層204即作為過 路柵極220的絕緣結(jié)構(gòu)221 。而柵極210則用來控制溝槽電容203并構(gòu)成一 存儲單元(memory cell)。于是絕緣結(jié)構(gòu)221即確保過路柵極220與其下方無 關(guān)的溝槽電容203有良好的絕緣，避免短路，以免影響動態(tài)隨機存取存儲器 的正常操作。
然而，前述的工藝不但需要使用一額外的光掩模來定義絕緣結(jié)構(gòu)221的 位置，而且要將絕緣結(jié)構(gòu)221,亦即氮化硅層205與墊氧化層204，幾無對 準(zhǔn)偏差(misalignment)地定義在深溝槽電容203的上方亦是一件非常困難的 工作。另外，在絕緣結(jié)構(gòu)221完成前并不能產(chǎn)生足夠的保護作用，使得暴露 的淺溝槽隔離202與深溝槽電容203免于離子阱注入、清洗、高溫回火等工 藝可能造成的傷害。
于是急需要一種形成絕緣結(jié)構(gòu)的新穎方法，不但可以免除使用額外的光 掩模來定義絕緣結(jié)構(gòu)位置的步驟、不用解決在建立絕緣結(jié)構(gòu)時必需與已經(jīng)存 在的深溝槽電容間精確對準(zhǔn)的問題，在絕緣結(jié)構(gòu)完成前也能保護基材、淺溝 槽隔離與深溝槽電容使的不會暴露出來，避免當(dāng)其他區(qū)域的建立過程中可能 受到的波及與傷害
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明于是提供一種形成用于過路柵極的絕緣結(jié)構(gòu)的新穎方法，亦即， 在移除定義深溝槽開口的硬掩模前，就直接使用溝槽的開口作為建立第 一氧 化層與第一硅層的依據(jù)，而成為日后的絕緣結(jié)構(gòu)。所以， 一方面省卻了使用 額外的光掩模來定義絕緣結(jié)構(gòu)位置的代價，另一方面，第一氧化層與第一硅
層又能以自對準(zhǔn)(self-alignment)的方式精確地形成在深溝槽之上，自動地 解決了絕緣結(jié)構(gòu)與溝槽電容間對準(zhǔn)的問題，完美地達成了絕緣結(jié)構(gòu)能準(zhǔn)確覆 蓋深溝槽電容的要求。還有，在絕緣結(jié)構(gòu)完成前，襯墊氧化層、第一硅層與 第一氧化層一起使得基材、淺溝槽隔離與深溝槽不會暴露出來。所以還能夠 保護基材、淺溝槽隔離與深溝槽不受到其他區(qū)域的建立過程中可能的傷害， 可以 一次解決前述的三項問題。
本發(fā)明所提供形成自對準(zhǔn)(self-align)絕緣結(jié)構(gòu)的方法，首先，提供一基 材。基材中包含填滿硅的深溝槽以及鄰接深溝槽的淺溝槽隔離?；纳弦佬?包含襯墊氧化層與硬掩模，其中村墊氧化層與硬掩模一起定義了深溝槽的開 口。其次進行一氧化步驟，使得硅的表面形成第一氧化層，其中第一氧化層 即作為所需的絕緣結(jié)構(gòu)。然后，在開口中形成第一硅層以覆蓋第一氧化層。 再來，移除硬掩模。之后，在絕緣結(jié)構(gòu)上建立過路柵極。
本發(fā)明又提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包含位于基材中，填滿硅的深溝槽、 位于硅表面而作為絕緣結(jié)構(gòu)的第 一氧化層、位于第 一氧化層上的第 一硅層、 位于第 一硅層上的柵極、以及與深溝槽鄰接的淺溝槽隔離。


圖1例示字線從淺溝槽隔離的上方路過未被其控制的深溝槽電容。 圖2-8例示傳統(tǒng)上定義過路柵極的絕緣結(jié)構(gòu)的步驟。 圖9-17例示本發(fā)明形成絕緣結(jié)構(gòu)方法的一優(yōu)選實施例。 圖18例示本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一優(yōu)選實施例。
附圖標(biāo)記說明
301基材 310深溝槽
311硅 312復(fù)合材料層
314開口 315第一氧化層
316第二氧化層 317絕緣結(jié)構(gòu)320淺溝槽隔離 332硬掩模 340珪層
331襯墊氧化層 333柵極氧化物 341第一硅層
350A、 350B、 350C、 350D字線
351/354柵極
352、 353過路柵極
400半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)
具體實施例方式
本發(fā)明在于提供一種形成用于過路柵極的自對準(zhǔn)(self-align)絕緣結(jié)構(gòu)的 新穎方法，其中既免除使用額外的光掩模來定義絕緣結(jié)構(gòu)的位置、 一并解決 絕緣結(jié)構(gòu)與深溝槽電容間對準(zhǔn)的問題，同時在絕緣結(jié)構(gòu)完成前淺溝槽隔離與 深溝槽電容亦不會暴露出來，可有效保護暴露的淺溝槽隔離與深溝槽電容免 于離子阱注入、清洗、高溫回火等工藝的傷害，進而能大幅提升動態(tài)隨機存 取存儲器(DRAM)等的工藝的良率。
圖9-17例示本發(fā)明形成絕緣結(jié)構(gòu)方法的一優(yōu)選實施例。首先，如圖9 所示，提供一基材301?；?01中包含填滿硅311的深溝槽310作為電容 之用，以及鄰接深溝槽310的淺溝槽隔離320。基材301上依序包含襯墊氧 化層331與硬掩模332。視情況需要，深溝槽310中的硅311與基材301之 間可以進一步包含一復(fù)合材料層312，例如由氧化物-氮化物-氧化物(ONO) 所組成的復(fù)合材料層，用來當(dāng)作電容介電層。此外，深溝槽310中還可以包 含其他的結(jié)構(gòu)，例如瓶形底部(bottle bottom )或是頸部氧化層。
一般而言，基材301可以為一半導(dǎo)體基材，例如硅。硬掩模332可由氮 化物、氮氧化物、碳化物或其復(fù)合層所組成，例如氮化硅、氮氧化硅、碳化 硅等。襯墊氧化層331則包含硅氧化物。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，淺溝槽 隔離320形成在深溝槽310之前。例如，先在基材301上依據(jù)傳統(tǒng)的溝槽隔 離工藝定義出淺溝槽隔離320。然后，利用光阻與蝕刻步驟定義出圖案化的 硬掩模332，并蝕穿部分的基材301、襯墊氧化層331與淺溝槽隔離320來 形成深溝槽310,使得深溝槽310之間有淺溝槽隔離320位于其中。深溝槽 310形成后、可以進一步擴大深溝槽電容底部成為瓶狀并建立其他部分，例 如頸部氧化層，再回填導(dǎo)電材料，例如硅311,以完成深溝槽310的制作。至此，皆為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知，在此不多加贅述。但值得注意的是，
從蝕刻深溝槽310 —直至完成深溝槽電容的時，都不要移除硬掩模332。
由于位于基材301上的襯墊氧化層331與硬掩模332，共同具有定義深 溝槽310的開口314。因此本發(fā)明保留硬掩模332的用意，在省去另一步光 掩模以達到自對準(zhǔn)的目的，亦即直接使用深溝槽310的開口 314來定義用于 過路柵極的絕緣結(jié)構(gòu)的位置。
其次，如圖10所示，如果深溝槽310中已經(jīng)形成有復(fù)合材料層312時， 要先行移除暴露出的復(fù)合材料層312。例如，若是復(fù)合材料層312由氧化物-氮化物-氧化物所組成， 可以使用熱磷酸的條件來移除復(fù)合材料層。
接下來，請參考圖11，進行一氧化步驟，將深溝槽310中硅311的表面 氧化形成第一氧化層315。此等第一氧化層315即將作為部分絕緣結(jié)構(gòu)之用。 其可以使用熱氧化法來形成第一氧化層315，例如使用干式熱氧化法或濕式 熱氧化法來形成第一氧化層315。優(yōu)選者，第一氧化層315與鄰近的襯墊氧 化層331 —起保護基材301、深溝槽310與淺溝槽隔離320。
然后，在開口 314中形成硅層340以覆蓋第一氧化層315。硅層340可 以是使用化學(xué)氣相沉積法所形成的非晶硅、多晶硅或是其組合。形成硅層340 的方法可以是，如圖12所示，例如使用化學(xué)氣相沉積法使得硅層340全面 性的共形覆蓋在第一氧化層315與硬掩模332上。然后，如圖13所示，再 使用化學(xué)機械拋光等的平坦化工藝移除多余的硅層340，使得第一硅層341 覆蓋第一氧化層315與部分的硬掩棲332。在化學(xué)機械拋光之后，優(yōu)選者， 第一硅層341會在第一氧化層315上，從側(cè)視角度來看，形成不對稱的U形 結(jié)構(gòu)。第 一硅層341的厚度可以介于50埃(angstrom, A)-400A之間。
由于本發(fā)明方法是保留定義溝槽310的硬掩模332，并直接使用溝槽310 的開口 314來建立第一氧化層315與第一硅層341，并作為日后所需用于過 路柵極的絕緣結(jié)構(gòu)，所以 一方面省卻了再使用 一額外光掩模來定義絕緣結(jié)構(gòu) 位置的步驟，另一方面在硅311的誘導(dǎo)下，第一氧化層315又能以自對準(zhǔn)的 方式精確地形成在溝槽310之上，自動的解決了后續(xù)的絕緣結(jié)構(gòu)與先前深溝 槽電容間對準(zhǔn)的問題，完美的達成了絕緣結(jié)構(gòu)需能準(zhǔn)確覆蓋溝槽電容的要 求。
再來，如圖14所示，移除硬掩模332。如果硬掩模332由氮化物所組成， 可以使用熱磷酸來移除硬掩模332。于是留下襯墊氧化層331位在基材301上，第一硅層341與第一氧化層315位在深溝槽310上。
在移除硬掩模332之后，可以視產(chǎn)品工藝的需要，進行基材301上其他 邏輯元件區(qū)域的修飾與程序，例如高溫工藝、清潔、離子阱注入或退火等步 驟。由于墊氧化層331還保留在基材301上，而且第一硅層341與第一氧化 層315已位在深溝槽310上，因此不但可以分別使得基材301、深溝槽310 與淺溝槽隔離320不會暴露出來，還可以有效保護基材301、深溝槽310與 淺溝槽隔離320不會受到其他區(qū)域在修飾過程中可能的波及與傷害。但值得 注意的是，第一硅層341在其他區(qū)域的修飾過程如阱區(qū)退火或清洗工藝后， 可能會因為波及與傷害而有相當(dāng)程度的犧牲而縮小并氧化。
跟著，如圖15所示，移除基材301表面原先的襯墊氧化層331,而暴露 基材301。移除襯墊氧化層331的方法可以使用含氟的蝕刻劑，例如氟化氫 或是氧化物蝕刻緩沖液(BOE， Buffer oxidation etchant)等等，來移除襯墊氧 化層33L在移除襯墊氧化層331同時亦會移除部分的已被氧化的第一硅層 341及第一氧化層315，于是，第一硅層341及第一氧化層315縮小。
繼續(xù)，如圖16所示，進行至少一高溫氧化工藝，在暴露的基材301上 形成另一層品質(zhì)優(yōu)選的氧化物333,用以制備所需的柵極介電層，以及一并 將第一硅層341轉(zhuǎn)化為第二氧化層316，而成為絕緣結(jié)構(gòu)317的一部分。由 于在基材301上的其他邏輯元件區(qū)域(圖未示)或靜電保護元件區(qū)(圖未示) 也需要柵極介電層，例如，使用多次熱氧化步驟與多次局部移除步驟來于不 同的區(qū)域中分別形成厚度不同的氧化物層，于是在基材301上的其他邏輯區(qū) 域或靜電保護元件區(qū)在形成厚度不同的氧化物時，當(dāng)作控制深溝槽電容的柵 極的柵極介電層的氧化物333就伴隨此等熱氧化步驟或最后再形成在基材 301上，而第一硅層341則一并轉(zhuǎn)化為第二氧化層316，并與先前的第一氧 化層315完全合并而成為絕緣結(jié)構(gòu)317的一部分。在考慮了所有會對第一硅 層產(chǎn)生氧化作用、會移除已被氧化的硅層的工藝步驟后，可事先預(yù)估第一硅 層341的厚度，俾使第一硅層341在形成柵極之前可以完全轉(zhuǎn)化為第二氧化 層316，或是僅有部分的第一硅層341轉(zhuǎn)化為第二氧化層316,而留下了部 分的第一硅層341。若第一硅層341太厚，則在形成柵極之前，會有大部分 的第一硅層未被轉(zhuǎn)化成第二氧化層316而造成后續(xù)蝕刻的負(fù)擔(dān)；若第一硅層 341太薄，則第一硅層會太早被完全轉(zhuǎn)化為第二氧化層316而無法保護下方 的第一氧化層315。圖16例示了第一硅層完全轉(zhuǎn)化為第二氧化層的情況。接著，要在基材301上建立柵極/字線，并安排字線從淺溝槽隔離320 的上方路過相鄰的深溝槽310。可以使用已知的方法來建立柵極/字線。如圖 17所示，各別字線350A、 350B、 350C、 350D就從基材301、深溝槽310 上方通過。 一方面，部分的字線350A/350D即成為建立在柵才及氧化物333 上的柵極351/354,并分別控制相對應(yīng)的深溝槽電容310(即過路柵極352、 353下方的深溝槽電容310)。另一方面，從深溝槽310上方路過的字線350B、 350C,即成為建立在絕緣結(jié)構(gòu)317上所謂的過路柵極352、 353。由于絕緣 結(jié)構(gòu)317夾在深溝槽310、過路柵極352、 353之間，加上絕緣結(jié)構(gòu)317至少 由第一氧化層315與第二氧化層316所組成，于是絕緣結(jié)構(gòu)317成為深溝槽 310與過路柵極352、 353之間的優(yōu)良絕緣結(jié)構(gòu)。
于是本發(fā)明又提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)400。如圖18所示，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)400 包含基材401、深溝槽410、第一氧化層420、第一硅層430、柵極440以及 淺溝槽隔離450。深溝槽410位于基材401中，并填滿硅411。位于硅411 表面的第一氧化層420，即作為此絕緣之用。第一硅層430位于第一氧化層 420之上。另外，柵極440位于第 一硅層430之上。淺溝槽隔離450則鄰接 深溝槽410。形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)400的方式可以如前所述，故不再重復(fù)。
由于本發(fā)明方法是故意保留定義深溝槽開口的硬掩模，并在移除定義深 溝槽的硬掩模前，就直接使用深溝槽的開口作為建立第 一氧化層與第 一硅層 的依據(jù)，而成為日后絕緣結(jié)構(gòu)。所以， 一方面省卻了使用額外的光掩模來定 義絕緣結(jié)構(gòu)位置的代價，另一方面，第一氧化層與第一硅層又能以自對準(zhǔn)的 方式精確地形成在深溝槽之上，自動地解決了絕緣結(jié)構(gòu)與深溝槽電容間、絕 緣結(jié)構(gòu)與有源區(qū)域間的對準(zhǔn)問題，完美地達成了絕緣結(jié)構(gòu)能準(zhǔn)確覆蓋深溝槽 電容的要求。還有，在絕緣結(jié)構(gòu)完成前，硬掩模、襯墊氧化層、第一硅層與 第一氧化層共同使得基材、淺溝槽隔離與深溝槽不會暴露出來，所以還能夠 保護基材、淺溝槽隔離與深溝槽不會受到其他區(qū)域的修飾過程中可能的傷 害。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求所做的等同變 化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種絕緣結(jié)構(gòu)的形成方法，包含提供一基材，該基材中包含填滿硅的一深溝槽以及與該深溝槽鄰接的一淺溝槽隔離，該基材上依序包含一圖案化的襯墊氧化層與一圖案化的硬掩模，其中該圖案化的襯墊氧化層與該圖案化的硬掩模共同定義該深溝槽的一開口；進行一氧化步驟，使得填于該深溝槽中的該硅的表面形成一第一氧化層，其中該第一氧化層作為一絕緣結(jié)構(gòu)；在該開口中形成一第一硅層，其覆蓋該第一氧化層；以及移除該硬掩模。
2. 如權(quán)利要求1的方法，其中該硬掩模包含氮化物、氮氧化物、碳化物、 或上述者的任意組合。
3. 如權(quán)利要求l的方法，其中該氧化步驟為熱氧化步驟。
4. 如權(quán)利要求1的方法，其中于該開口中形成該第一硅層并覆蓋該第一 氧化層包含全面性形成該第一硅層；進行化學(xué)機械拋光以去除該硬掩模上的該第 一硅層，使得該第 一硅層覆 蓋該第一氧化層。
5. 如權(quán)利要求l的方法，其中該第一硅層包含非晶硅。
6. 如權(quán)利要求l的方法，其中該第一硅層包含多晶硅。
7. 如權(quán)利要求l的方法，其中該第一硅層的厚度為50A-400A。
8. 如權(quán)利要求l的方法，其中使用熱磷酸來移除該硬掩模。
9. 如權(quán)利要求l的方法，在移除該硬掩模前還包含 對該基材進4亍高溫工藝。
10. 如權(quán)利要求1的方法，還包含移除該襯墊氧化層同時移除部分的該第一硅層，并暴露該基材。
11. 如權(quán)利要求10的方法，其中使用含氟蝕刻劑來移除該襯墊氧化層。
12. 如權(quán)利要求10的方法，在移除該襯墊氧化層后還包含 形成一柵極氧化層，其位于該暴露的基材上。
13. 如權(quán)利要求12的方法，其中使用熱氧化步驟來形成該柵極氧化層。
14. 如權(quán)利要求1的方法，還包含 形成一柵極，其位于該第一氧化層上。
15. 如權(quán)利要求14的方法，其中該第一硅層完全轉(zhuǎn)變成與該第一氧化層 合并的一第二氧化層。
16. 如權(quán)利要求l的方法，其中該淺溝槽隔離形成于該深溝槽之前。
17. 如權(quán)利要求1的方法，其中該基材與該深溝槽內(nèi)的該硅之間還包含 一復(fù)合材料層。
18. 如權(quán)利要求1的方法，其中該絕緣結(jié)構(gòu)作為一過路柵極的絕緣結(jié)構(gòu)。
19. 一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包含 一基材；一填滿硅的深溝槽，位于該基材中；一第一氧化層，位于填滿該深溝槽中的該硅的表面，其中該第一氧化層 作為一絕緣結(jié)構(gòu)；一第一硅層，位于該第一氧化層上； 一柵極，位于該第一硅層上；以及 一淺溝槽隔離，與該深溝槽鄰接。
20. 如權(quán)利要求19的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中該絕緣結(jié)構(gòu)作為過路柵極的絕緣結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種絕緣結(jié)構(gòu)的形成方法和半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，具體而言披露了一種形成過路柵極的自對準(zhǔn)絕緣結(jié)構(gòu)的方法。首先提供基材，基材中包含了填有硅材料的深溝槽以及與深溝槽鄰接的淺溝槽隔離，基材上依序包含圖案化的襯墊氧化層與硬掩模，其中圖案化的襯墊氧化層與硬掩模一起定義了深溝槽的開口。其次，進行氧化步驟，使得深溝槽的硅材表面形成第一氧化層，而作為過路柵極絕緣結(jié)構(gòu)。之后，在開口中形成第一硅層以覆蓋第一氧化層。接著，再移除硬掩模。
文檔編號H01L21/76GK101587862SQ20081010913
公開日2009年11月25日 申請日期2008年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月23日
發(fā)明者王鴻鈞 申請人:聯(lián)華電子股份有限公司