專(zhuān)利名稱(chēng)：淺溝槽及其制造方法和淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，尤其涉及淺溝槽及其制造方法和淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體集成電路的發(fā)展方向?yàn)樵黾用芏扰c縮小元件。在集成電路制作中，隔離結(jié) 構(gòu)是一種重要技術(shù)，形成在硅基底上的元件必須與其他元件隔離。隨著半導(dǎo)體制作技術(shù)的 進(jìn)步，淺溝槽隔離(Shallow Trench Isolation,STI)技術(shù)已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件 制作所采用的如局部硅氧化法(LOCOS)等其他隔離方法。 現(xiàn)有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制作方法一般包括在高溫氧化爐管內(nèi)氧化硅晶圓，在硅 襯底上形成襯墊氧化層(Pad Oxide)和氮化硅層(Nitride)，再進(jìn)行淺溝槽蝕刻，之后在 淺溝槽的底部及側(cè)壁以熱氧化工藝形成內(nèi)襯氧化層(Liner)，并以例如低壓化學(xué)氣相淀積 (LPCVD)工藝或高濃度等離子_化學(xué)氣相沉積(HDP-CVD)工藝在所述襯底氧化層上形成用 于填充淺溝槽的填充氧化層，接著以化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)技術(shù)去除表面多出的材料，并以 氮化硅層作為研磨終止層，留下一平坦的表面，最后再將氮化硅層和襯墊氧化層去除，以供 后續(xù)工藝的制作。關(guān)于淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的制造，還可以在中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利第98115052. 7號(hào)內(nèi) 找到更多。 為了防止在填充淺溝槽時(shí)出現(xiàn)空洞，通常需要在進(jìn)行HDP-CVD填充時(shí)，一邊向淺 溝槽內(nèi)填充氧化物，又要同時(shí)刻蝕淺溝槽開(kāi)口處所堆積的氧化物，防止氧化物在淺溝槽開(kāi) 口處堆積而封閉淺溝槽的開(kāi)口，從而避免空洞的出現(xiàn)。從上述描述可知，為了能夠較好地在 淺溝槽內(nèi)填充氧化物層，需要使用較為復(fù)雜的工藝。 并且，利用現(xiàn)有技術(shù)所制造的淺溝槽，其尺寸與原始設(shè)計(jì)尺寸之間的偏差不均勻， 例如，在設(shè)計(jì)尺寸為70nm時(shí)，所制造的淺溝槽尺寸為56nm，其尺寸偏差為14nm，而在設(shè)計(jì)尺 寸為60nm時(shí)，所制造的淺溝槽尺寸仍然為56nm，其尺寸偏差為4nm，這導(dǎo)致所制造的半導(dǎo)體 器件的尺寸偏離預(yù)期，進(jìn)一步會(huì)影響半導(dǎo)體器件的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何形成尺寸偏差均勻且容易填充的淺溝槽。
為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種淺溝槽的制造方法，包括步驟提供具有掩膜層 的半導(dǎo)體襯底；刻蝕所述掩膜層，使得所述掩膜層在平行于淺溝槽寬度方向上的截面為長(zhǎng)
方形或正方形；以所述掩膜層為掩膜，利用含鹵素的等離子體在半導(dǎo)體襯底上形成淺溝槽，
所述淺溝槽的側(cè)壁在其寬度方向的截面上內(nèi)凹。 可選地，所述鹵素為氟或氯或溴。 可選地，所述鹵素包含且僅包含氟、氯和溴。 可選地，所述含鹵素的等離子體是通過(guò)電離溴化氫、氯氣和二氟甲烷的混合氣體 所形成的。 可選地，電離的源功率為800W至1200W。
可選地，對(duì)含氧等離子體施加的偏移功率為150W至200W。
可選地，形成所述掩膜層的材料為氮化硅。 可選地，形成刻蝕所述掩膜層的等離子體的氣體為三氟甲烷和氬氣的混合氣體。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提一種用于半導(dǎo)體器件隔離的淺溝槽，所述淺溝槽的 側(cè)壁在所述淺溝槽寬度方向的截面上內(nèi)凹。 根據(jù)本發(fā)明的又一方面，還提一種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，包括淺溝槽和填充在所述淺
溝槽內(nèi)的氧化物，所述淺溝槽的側(cè)壁在所述淺溝槽寬度方向的截面上內(nèi)凹。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明形成側(cè)壁內(nèi)凹的淺溝槽結(jié)構(gòu)，更方便淺溝槽的填充。并
且，利用截面為長(zhǎng)方形或正方形的掩膜層作為刻蝕淺溝槽的掩膜，可以使得淺溝槽的原始
設(shè)計(jì)尺寸與實(shí)際制造尺寸之間的偏差均一。


圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例淺溝槽結(jié)構(gòu)的示意圖；
圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例制造淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的流程圖；
圖3至圖6為根據(jù)圖2所示流程制造淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的示意圖；
圖7為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例所制造的淺溝槽的掃描電鏡圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在制造淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)時(shí)，如圖1所示，如果淺溝槽101在 其寬度方向上的截面形狀為倒置的"花瓶"形狀時(shí)，可以方便氧化物填入淺溝槽101之中而 不至于堵塞淺溝槽101的開(kāi)口。這里所謂的倒置的"花瓶"形狀，即淺溝槽101的內(nèi)壁在圖 1所示的其寬度方向上的截面上向內(nèi)凹，使得淺溝槽101從開(kāi)口到底部的寬度非線性地減 小。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用于半導(dǎo)體器件隔離的淺溝槽，淺溝槽的側(cè)壁 在其寬度方向的截面上內(nèi)凹。當(dāng)然，本發(fā)明還提供一種用于半導(dǎo)體器件隔離的淺溝槽隔離 結(jié)構(gòu)，包括淺溝槽和填充在所述淺溝槽內(nèi)的氧化物，其中，淺溝槽的側(cè)壁在其寬度方向的截 面上內(nèi)凹。 發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，在淺溝槽的制造過(guò)程中，如果用于刻蝕淺溝槽的掩膜在平行于淺
溝槽寬度方向上的截面為長(zhǎng)方形或正方形，既可以使得淺溝槽的原始設(shè)計(jì)尺寸與實(shí)際制造
尺寸之間的偏差均一，又可以進(jìn)一步制造出上述倒置"花瓶"形狀的淺溝槽。 因而，本發(fā)明的發(fā)明人設(shè)計(jì)出一種淺溝槽的制造方法，如圖2所示，包括步驟 S201，在半導(dǎo)體襯底上依次形成掩膜層、有機(jī)底部抗反射層、含硅底部抗反射層和
光刻膠層； S202，依次圖形化光刻膠層、含硅底部抗反射層和有機(jī)底部抗反射層并去除光刻 膠層； S203，刻蝕形成截面為長(zhǎng)方形或正方形的掩膜層； S204，利用含鹵素的等離子體在半導(dǎo)體襯底上形成淺溝槽。 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。 首先執(zhí)行步驟S201，在半導(dǎo)體襯底301上依次形成掩膜層302、有機(jī)底部抗反射層 303、含硅底部抗反射層304和光刻膠層305，即形成如圖3所示的結(jié)構(gòu)。
先在半導(dǎo)體襯底301之上形成掩膜層302。形成掩膜層302的材料有多種，其中 一個(gè)例子是氮化硅。用氮化硅來(lái)形成掩膜層302的方法可以是等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 (Plasma Enhanced Chemical Vapor D印osition， PECVD)的方法。PECVD方法已為本領(lǐng)域 技人員所熟知，在此不再贅述。 再于掩膜層302上形成有機(jī)底部抗反射層303。有機(jī)底部抗反射層303可以用旋涂 的方式形成在掩膜層302之上，即將液態(tài)的有機(jī)抗反射材料滴注在旋轉(zhuǎn)的半導(dǎo)體襯底301 上，通過(guò)離心現(xiàn)象將液態(tài)的有機(jī)抗反射材料均勻涂布在半導(dǎo)體襯底302表層，再通過(guò)加熱 烘干來(lái)形成厚度均勻的有機(jī)底部抗反射層303。有機(jī)底部抗反射層303的厚度可以為lOOnm 至300nm，優(yōu)選的厚度為200nm。用以形成有機(jī)底部抗反射層303的材料可以例如是日本信 越(Shin Etsu)公司所生產(chǎn)的牌號(hào)為0DL63的有機(jī)抗反射材料。 然后再在有機(jī)底部抗反射層303之上形成一層含硅底部抗反射層304。形成含硅 底部抗反射層304的方法具體可以是跟蹤旋涂(Tracker Spin On)的方法，該方法的具體 步驟已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，在此不再贅述。形成含硅底部抗反射層304的厚度可以 是50nm至lOOnm，優(yōu)選的厚度是80nm。形成含硅底部抗反射層304的材料可以是日本信越 (Shin Etsu)公司生產(chǎn)的牌號(hào)為SHB-A629的含硅抗反射材料。 最后再在含硅底部抗反射層306上形成光刻膠層307，形成如圖8所示的結(jié)構(gòu)。形 成光刻膠層307的方法可以是半導(dǎo)體制造領(lǐng)域所常見(jiàn)的旋涂法。旋涂形成的光刻膠層307 的厚度可以是150nm至200nm，優(yōu)選的光刻膠層307的厚度是176nm。 當(dāng)然，在半導(dǎo)體襯底301和掩膜層302之間還可以形成襯墊氧化物層(圖未示)。 由于襯墊氧化物層的材料和形成方法已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，在此不再贅述。
然后依次圖形化光刻膠層305、含硅底部抗反射層304和有機(jī)底部抗反射層303， 形成如圖4所示的結(jié)構(gòu)。具體來(lái)說(shuō)，是先圖形化光刻膠層305。圖形化光刻膠層305的具體 方法可以是光刻的方法，包括干法光刻的方法以及浸沒(méi)式光刻的方法，即通過(guò)光刻機(jī)將預(yù) 定的圖形在光刻膠上進(jìn)行曝光和濕法刻蝕，將預(yù)定的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠層305上。
接著以圖形化之后的光刻膠層305為掩膜，圖形化含硅底部抗反射層304。圖形化 含硅底部抗反射層304的具體方法可以是等離子體干法刻蝕的方法，具體來(lái)說(shuō)，是以二氟 甲烷為氣體源的等離子刻蝕，其中二氟甲烷的流量是30至50sccm/min，具體例如35sccm/ min ;形成等離子體的環(huán)境壓力是2mT至100mT，具體例如8mT ;使氣體等離子化的源功率 (Source Power)為200W至500W，具體例如450W ;使等離子體轟擊含硅底部抗反射層306的 偏移功率(Bias Power)為50W至IOOW，具體例如60V ;處理的時(shí)間是15至100秒，具體例 如48秒。與使用其他氣體電離形成的等離子體相比，使用由二氟甲烷電離形成的等離子體 來(lái)刻蝕含硅底部抗反射層304可以較好地確保光刻膠層305上的圖形能夠精確地轉(zhuǎn)移到含 硅底部抗反射層304上而不會(huì)產(chǎn)生側(cè)壁侵蝕等問(wèn)題。 然后使用含硫和氧的等離子體或含溴和氧的等離子體刻蝕有機(jī)底部抗反射層 305?？涛g有機(jī)底部抗反射層305的具體方法可以是以電離包含溴化氫和氧氣的混合氣體 的等離子體刻蝕，其中溴化氫的流量是10sccm/min至50sccm/min，具體例如30sccm/min， 而氧氣的流量是40sccm/min至50sccm/min，具體例如45sccm/min ;形成等離子體的環(huán)境壓 力是5mT至50mT，具體例如8mT ;使氣體等離子化的源功率為300W至800W，具體例如500W ; 對(duì)等離子體施加的偏移功率為50W至IOOW，具體例如70W ;等離子體刻蝕的時(shí)間是50秒至100秒，具體例如70秒。 接著再去除光刻膠層305之后，就完成了步驟S202。利用上述工藝刻蝕含硅底部
抗反射層304和有機(jī)底部抗反射層303，可以保證圖形從光刻膠層305精確地轉(zhuǎn)移到含硅底
部抗反射層304和有機(jī)底部抗反射層303上，從而保證后續(xù)形成截面為長(zhǎng)方形或正方形的
掩膜層302時(shí)，不發(fā)生圖形形狀的改變，也即保證了后續(xù)掩膜層302刻蝕的質(zhì)量。 然后執(zhí)行步驟S203，刻蝕形成截面為長(zhǎng)方形或正方形的掩膜層302，形成如圖5所
示的結(jié)構(gòu)。這里所說(shuō)的截面為長(zhǎng)方形或正方形，是指掩膜層302在平行于淺溝槽306寬度
方向上的截面為長(zhǎng)方形或正方形。 具體來(lái)說(shuō)，步驟S203是以電離包含三氟甲烷和氬氣的混合氣體的等離子體刻蝕， 其中三氟甲烷的流量是10sccm/min至50sccm/min，具體例如25sccm/min，而氬氣的流量是 50sccm/min至150sccm/min，具體例如100sccm/min ;形成等離子體的環(huán)境壓力是70mT至 100mT，具體例如80mT ;使氣體等離子化的源功率為100W至500W，具體例如300W ;對(duì)等離子 體施加的偏移功率為200W至400W，具體例如300W ;等離子體刻蝕的時(shí)間是80秒至120秒， 具體例如100秒。 在步驟S203中，形成刻蝕掩膜層302的等離子體的氣體源是三氟甲烷與氬氣的混 合氣體。其中三氟甲烷即具有較高氟/氫比，又仍然包含氫等離子體存在，不像電離四氟甲 烷那樣不存在氫等離子體。應(yīng)用這樣具有高氟/氫比的等離子體，可以保證所刻蝕出的掩 膜層302在平行于淺溝槽306寬度方向上的輪廓筆直而轉(zhuǎn)角銳利，因而可以使得刻蝕出的 掩膜層302在平行于淺溝槽306寬度方向上的截面為長(zhǎng)方形或正方形。而氬氣的存在是為 了獲得較高原子質(zhì)量的氬等離子體，從而提高刻蝕速率。 當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，在步驟S203中，掩膜層302之上的含硅底部抗反射層 304和有機(jī)底部抗反射層303都有可能受到等離子體的侵蝕，特別是含硅底部抗反射層304 有可能被完全刻蝕掉。但是，這并不影響該步驟截面為長(zhǎng)方形或正方形的掩膜層302。
再執(zhí)行步驟S204，利用含鹵素的等離子體在半導(dǎo)體襯底301上形成淺溝槽306，即 形成如圖6所示的結(jié)構(gòu)。 具體來(lái)說(shuō)，步驟S204是以電離包含溴化氫、氯氣和二氟甲烷的混合氣體所形成的 等離子體進(jìn)行的等離子體刻蝕，其中溴化氫的流量是10sccm/min至50sccm/min，具體例 如30sccm/min，氣氣的流量是10sccm/min至30sccm/min，具體例如20sccm/min，而二氣甲 烷的流量是5sccm/min至10sccm/min，具體例如7sccm/min ;形成等離子體的環(huán)境壓力是 20mT至40mT，具體例如30mT ;使氣體等離子化的源功率為800W至1500W，具體例如1000W ; 對(duì)等離子體施加的偏移功率為100W至200W，具體例如170W ;等離子體刻蝕的時(shí)間是80秒 至120秒，具體例如105秒。 步驟S204中，由溴化氫、氯氣和二氟甲烷的混合氣體所形成的等離子體配合刻蝕 半導(dǎo)體襯底301，可以在刻蝕的初始階段能較好地復(fù)制半導(dǎo)體襯底301之上的其他覆層上 的圖形。而隨著刻蝕的繼續(xù)進(jìn)行，等離子體對(duì)靠近側(cè)壁處的半導(dǎo)體材料的刻蝕速率有所下 降，也就是說(shuō)，隨著淺溝槽306深度的增加，靠近淺溝槽306中心處的刻蝕速率大于靠近淺 溝槽306側(cè)壁處的刻蝕速率，最終就形成了前述的倒置的"花瓶"形狀的淺溝槽306，其掃描 電鏡圖如圖7所示。 當(dāng)然，上述形成含鹵素的等離子體的氣體源僅僅是一個(gè)示例，本領(lǐng)域技術(shù)人員知
6道，其他成分和比例的氣體組合也可以用于步驟S204所述的等離子體刻蝕。 最后去除半導(dǎo)體襯底上所剩余的其他覆層，就形成了如圖1所示的結(jié)構(gòu)。然后再
通過(guò)本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的方法在淺溝槽306內(nèi)填充氧化物，就可以制成所需的淺溝槽
隔離結(jié)構(gòu)。 本發(fā)明雖然以較佳實(shí)施例公開(kāi)如上，但其并不是用來(lái)限定權(quán)利要求，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做出可能的變動(dòng)和修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以本發(fā)明權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種淺溝槽的制造方法，其特征在于，包括步驟提供具有掩膜層的半導(dǎo)體襯底；刻蝕所述掩膜層，使得所述掩膜層在平行于淺溝槽寬度方向上的截面為長(zhǎng)方形或正方形；以所述掩膜層為掩膜，利用含鹵素的等離子體在半導(dǎo)體襯底上形成淺溝槽，所述淺溝槽的側(cè)壁在所述淺溝槽寬度方向的截面上內(nèi)凹。
2. 如權(quán)利要求1所述的淺溝槽的制造方法，其特征在于所述鹵素為氟、氯或溴。
3. 如權(quán)利要求l所述的淺溝槽的制造方法，其特征在于所述鹵素包含且僅包含氟、氯 和溴。
4. 如權(quán)利要求3所述的淺溝槽的制造方法，其特征在于所述含鹵素的等離子體是通 過(guò)電離溴化氫、氯氣和二氟甲烷的混合氣體所形成的。
5. 如權(quán)利要求4所述的淺溝槽的制造方法，其特征在于電離的源功率為800W至 1200W。
6. 如權(quán)利要求4所述的淺溝槽的制造方法，其特征在于對(duì)含氧等離子體施加的偏移 功率為150W至200W。
7. 如權(quán)利要求1所述的淺溝槽的制造方法，其特征在于形成所述掩膜層的材料為氮 化硅。
8. 如權(quán)利要求7所述的淺溝槽的制造方法，其特征在于形成刻蝕所述掩膜層的等離 子體的氣體為三氟甲烷和氬氣的混合氣體。
9. 一種用于半導(dǎo)體器件隔離的淺溝槽，其特征在于所述淺溝槽的側(cè)壁在所述淺溝槽寬度方向的截面上內(nèi)凹。
10. —種淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，包括淺溝槽和填充在所述淺溝槽內(nèi)的氧化物，其特征在于所述淺溝槽的側(cè)壁在所述淺溝槽寬度方向的截面上內(nèi)凹。
全文摘要
本發(fā)明涉及淺溝槽及其制造方法和淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)。其中，淺溝槽的制造方法包括步驟提供具有掩膜層的半導(dǎo)體襯底；刻蝕所述掩膜層，使得所述掩膜層在平行于淺溝槽寬度方向上的截面為長(zhǎng)方形或正方形；以所述掩膜層為掩膜，利用含鹵素的等離子體在半導(dǎo)體襯底上形成淺溝槽，所述淺溝槽的側(cè)壁在其寬度方向的截面上內(nèi)凹。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明形成側(cè)壁內(nèi)凹的淺溝槽結(jié)構(gòu)，更方便淺溝槽的填充。并且，利用截面為長(zhǎng)方形或正方形的掩膜層作為刻蝕淺溝槽的掩膜，可以使得淺溝槽的原始設(shè)計(jì)尺寸與實(shí)際制造尺寸之間的偏差均一。
文檔編號(hào)H01L21/3065GK101783313SQ20091004597
公開(kāi)日2010年7月21日 申請(qǐng)日期2009年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月19日
發(fā)明者張世謀, 王新鵬, 韓秋華 申請(qǐng)人:中芯國(guó)際集成電路制造(上海)有限公司