專利名稱：帶空氣間隙的深隔離槽的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件隔離的工藝集成方法，尤其涉及一種帶空氣間隙的深隔離 槽的制造方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體器件中，對于不同的器件需要進(jìn)行隔離，其隔離方法通常采用兩種器件隔 離和物理隔離。器件隔離為NP結(jié)反向隔斷的特性，這種方法通常隔離能力受器件特性限制。物理隔離通常采用絕緣介質(zhì)作為隔離層，其隔離能力強(qiáng)。目前常用的為局部場絕 緣隔離(LOCOS)，淺槽隔離(STI)或深槽隔離(DTI)。其中LOCOS和STI絕緣層通常深度為 5000埃以下，對于低電壓器件結(jié)深較淺的器件隔離效果好，工藝成本低。但是對于結(jié)深很深 的高壓，大電流，大功率的BCD或高頻高速的通信用RF CMOS(射頻互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體) 或Si/Ge HBT (鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管)器件，需要使用深度很深的DTI物理隔離工藝。對于通常的器件，由于速度要求不高，通常采用在深隔離槽中填充多晶硅的工藝， 工藝比較簡單而且可以滿足要求。但是對于高速器件，普通的DTI工藝寄生電容很大，在高 頻情況下隔離效果會大大降低，為了降低寄生電容，往往將填充材料改為絕緣介質(zhì)。但是對 于Ft > IOGHz的高頻器件，介質(zhì)層的效果也不好，限制了整體頻率的提升。對于目前超高頻器件，通常采用Si/Ge HBT工藝，相對的DTI工藝直接采用空氣間 隙來填充，此時可以大大降低寄生電容，提高高頻下的隔離能力。如圖1所示，其傳統(tǒng)工藝 為1)光刻刻蝕硅基板1產(chǎn)生深隔離槽2，見圖IA ；2)成長側(cè)壁保護(hù)層3，見圖IB ；3)介質(zhì)層4填充，見圖IC ；4)回刻或通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)去除有源區(qū)上的介質(zhì)層4，見圖1D。此方法中利用高寬比過大時，填充能力不足以完全填充，必然產(chǎn)生空洞的原理，在 步驟3)中通過調(diào)整填充工藝，及深隔離槽的深度和尺寸形成空氣間隙。采用傳統(tǒng)方法形成的帶有空氣間隙的DTI時，其空氣間隙的大小，位置基本不受 控制，而且很難做的很大，同時對于不同尺寸，不同深度的深隔離槽，其空氣間隙的位置不 同，在步驟4)的回刻或CMP中很容易發(fā)生空氣間隙位置過高而接近于有源區(qū)高度導(dǎo)致步驟 4)完成后直接暴露，因此在實際使用中，此方法受限制很大，工藝控制能力弱，而且因為空 氣間隙不能很大，寄生電容也不會太小，因此限制了 Ft的提升。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種在深隔離槽中產(chǎn)生足夠大的可以控制的空 氣間隙的制造方法。該方法可以進(jìn)一步減小寄生電容以提高深隔離槽的隔離表現(xiàn)，同時工 藝控制能力更強(qiáng)，良品率更高。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種帶空氣間隙的深隔離槽的制造方法，包括 如下步驟(1)光刻刻蝕硅基板形成深隔離槽；(2)在深隔離槽的側(cè)壁成長側(cè)壁保護(hù)層；(3)贗層材料填充部分深隔離槽；(4)覆蓋介質(zhì)層填充深隔離槽；(5)光刻刻蝕覆蓋介質(zhì)層，在深隔離槽中心產(chǎn)生小孔；(6)去除贗層材料；該步驟可以采用加熱揮發(fā)贗層材料，或者采用HF去除贗層材 料；(7)介質(zhì)層填充覆蓋介質(zhì)層的小孔，在深隔離槽內(nèi)形成空氣間隙；(8)回刻或通過化學(xué)機(jī)械拋光去除有源區(qū)上的介質(zhì)層。和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果和傳統(tǒng)的介質(zhì)層或多晶填充的深隔 離槽相比，本發(fā)明形成的帶空氣間隙的深隔離槽，其寄生電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)工藝，對于高速 RF器件，Si/Ge器件等有更好的隔離表現(xiàn)。同現(xiàn)有的帶有空氣間隙的深隔離槽的制造方法 相比，通過使用本發(fā)明的方法，我們可以得到較大尺寸，具體尺寸可控制，且對不同設(shè)計規(guī) 則的深隔離槽有高度均一性的空氣間隙，可以進(jìn)一步減小寄生電容以提高隔離表現(xiàn)，同時 工藝控制能力更強(qiáng)，良品率更高。


圖1是傳統(tǒng)的帶空氣間隙的深隔離槽的制造方法的流程示意圖，其中，1是硅基 板，2是深隔離槽，3是側(cè)壁保護(hù)層，4是介質(zhì)層；圖2是本發(fā)明帶空氣間隙的深隔離槽的制造方法的流程示意圖，其中，11是硅基 板，12是深隔離槽，13是側(cè)壁保護(hù)層，14是贗層，15是覆蓋介質(zhì)層，16是小孔，17是空氣間 隙。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。本發(fā)明提供了一種帶空氣間隙的深隔離槽的制造方法，利用某些材料可以加熱揮 發(fā)的特性，采用該種材料作為贗層，通過在深隔離槽中填充贗層形成空氣間隙占位，接著利 用介質(zhì)層封口，然后通過光刻刻蝕形成小孔，加熱揮發(fā)贗層材料形成空氣間隙，最后填充介 質(zhì)層再回刻或通過化學(xué)機(jī)械拋光去除有源區(qū)上的介質(zhì)層，形成具有空氣間隙的深隔離槽。實施例1如圖2所示，本發(fā)明帶空氣間隙的深隔離槽的制造方法的實施例之一，具體包括 如下步驟(1)如圖2A所示，光刻刻蝕硅基板11產(chǎn)生深隔離槽12 ；步驟(1)中的刻蝕可以采 用光刻膠為掩膜的干法刻蝕，或以氧化物、氮化物或碳化物為第二層硬掩膜(Hard mask)的 干法刻蝕。如果采用的是硬掩膜的干法刻蝕工藝，后續(xù)應(yīng)該有去除該硬掩膜的工藝。(2)如圖2B所示，在深隔離槽12的側(cè)壁成長側(cè)壁保護(hù)層13 ；步驟⑵中的側(cè)壁保 護(hù)層13的材料為氧化物，氮化物或碳化物。
(3)如圖2C所示，贗層材料填充部分深隔離槽12 (贗層材料填充深度要保證形 成空隙后后續(xù)的CMP工藝不會磨到空隙即可，需要根據(jù)CMP的工藝能力來決定)，在深隔 離槽12內(nèi)形成贗層14 ；步驟(3)中的贗層材料為常溫下為液態(tài)(< 50°C )，一定溫度加 熱后為固態(tài)(100 250°C )，更高溫下可以汽化的材料Q50 400°C)，如BARC(Bottom Anti-Reflective Coating，底部抗反射涂層)等有機(jī)高分子材料。(4)如圖2D所示，覆蓋介質(zhì)層15填充深隔離槽12 ；覆蓋介質(zhì)層15的材料采用 一般的介質(zhì)層材料，如Si02，SiN等，且覆蓋介質(zhì)層15的材料成膜的溫度不能高于贗層材 料的汽化溫度O50 400°C )，因此需要采用低溫成膜工藝，比如本領(lǐng)域常用的SOG或低 溫ALD工藝；SOG為涂布含Si的高分子有機(jī)材料，然后加熱分解成Si02 ；ALD (Atom layer exposition，原子粒沉積工藝)是可以在很低的溫度下成膜的工藝。(5)如圖2E所示，光刻刻蝕覆蓋介質(zhì)層15，在深隔離槽12中心產(chǎn)生小孔16 ；步驟 (5)中的光刻區(qū)域尺寸大小為0. 02um(微米) 1/2的深隔離槽尺寸之間，且刻蝕完成后底 部小孔16的尺寸< 0. 5um。步驟(5)中的刻蝕方法可以為濕法刻蝕工藝或干法刻蝕工藝。(6)如圖2F所示，加熱揮發(fā)贗層材料，去除贗層14 ；步驟(6)中的加熱汽化溫度一 般為 250°C 400°C。(7)如圖2G所示，介質(zhì)層(介質(zhì)層材料一般為Si02，包括各種含其他雜質(zhì)的Si02， 如B，P，F(xiàn)等)填充覆蓋介質(zhì)層的小孔16，在深隔離槽內(nèi)形成空氣間隙17;步驟(7)中的介 質(zhì)層沉積工藝為普通介質(zhì)層沉積工藝，如PVD，CVD，HDP等。形成的空氣間隙17的橫向及底 部接觸為側(cè)壁保護(hù)層材料，上部接觸為覆蓋介質(zhì)層和介質(zhì)層材料。形成的空氣間隙17橫向 尺寸由側(cè)壁保護(hù)層決定，深度由贗層材料填充深度決定。(8)如圖2H所示，回刻或通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)去除有源區(qū)上的介質(zhì)層，形成 具有空氣間隙17的深隔離槽；步驟⑶中的回刻或CMP工藝，其目的是去除有源區(qū)的介質(zhì) 層，沒有介質(zhì)層殘留在有源區(qū)。同時在深隔離槽中的凹陷必須保證空氣間隙17上方的介質(zhì) 層> 500埃。可以殘留20 1000埃的介質(zhì)層作為后續(xù)注入的阻擋層，然后在后續(xù)的濕法 工藝中去除，但必須同時保證在深隔離槽中空氣間隙17上方的介質(zhì)層> 500埃。實施例2本發(fā)明帶空氣間隙的深隔離槽的制造方法的另一實施例，具體包括如下步驟(1)光刻刻蝕硅基板形成深隔離槽；步驟(1)中的刻蝕可以采用光刻膠為掩膜的 干法刻蝕，或以氧化物、氮化物或碳化物為第二層硬掩膜(Hard mask)的干法刻蝕。如果采 用的是硬掩膜的干法刻蝕工藝，后續(xù)應(yīng)該有去除該硬掩膜的工藝。(2)在深隔離槽的側(cè)壁成長側(cè)壁保護(hù)層，該側(cè)壁保護(hù)層材料采用SiN或SiC。(3)贗層材料填充部分深隔離槽(贗層材料填充深度要保證形成空隙后后續(xù)的 CMP工藝不會磨到空隙即可，需要根據(jù)CMP的工藝能力來決定)，在深隔離槽內(nèi)形成贗層，該 贗層材料采用Si02。(4)覆蓋介質(zhì)層填充深隔離槽，該覆蓋介質(zhì)層材料不能與HF反應(yīng)，例如可以采用 SiN 或 SiC。(5)光刻刻蝕覆蓋介質(zhì)層，在深隔離槽中心產(chǎn)生小孔；步驟(5)中的光刻區(qū)域尺寸 大小為0. 02um 1/2的深隔離槽尺寸之間，且刻蝕完成后底部小孔16的尺寸< 0. 5um。步 驟(5)中的刻蝕方法可以為濕法刻蝕工藝或干法刻蝕工藝。
(6)采用HF去除贗層材料；(7)介質(zhì)層(介質(zhì)層材料一般為Si02，包括各種含其他雜質(zhì)的Si02，如B，P，F(xiàn)等) 填充覆蓋介質(zhì)層的小孔，在深隔離槽內(nèi)形成空氣間隙；步驟(7)中的介質(zhì)層沉積工藝為普 通介質(zhì)層沉積工藝，如PVD，CVD, HDP等。形成的空氣間隙的橫向及底部接觸為側(cè)壁保護(hù)層 材料，上部接觸為覆蓋介質(zhì)層和介質(zhì)層材料。形成的空氣間隙橫向尺寸由側(cè)壁保護(hù)層決定， 深度由贗層材料填充深度決定。(8)回刻或通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)去除有源區(qū)上的介質(zhì)層，形成具有空氣間隙 的深隔離槽。步驟(8)中的回刻或CMP工藝，其目的是去除有源區(qū)的介質(zhì)層，沒有介質(zhì)層殘 留在有源區(qū)。同時在深隔離槽中的凹陷必須保證空氣間隙上方的介質(zhì)層> 500埃。可以殘 留20 1000埃的介質(zhì)層作為后續(xù)注入的阻擋層，然后在后續(xù)的濕法工藝中去除，但必須同 時保證在深隔離槽中空氣間隙上方的介質(zhì)層> 500埃。
權(quán)利要求
1.一種帶空氣間隙的深隔離槽的制造方法，其特征在于，包括如下步驟(1)光刻刻蝕硅基板形成深隔離槽；(2)在深隔離槽的側(cè)壁成長側(cè)壁保護(hù)層；(3)贗層材料填充部分深隔離槽；(4)覆蓋介質(zhì)層填充深隔離槽；(5)光刻刻蝕覆蓋介質(zhì)層，在深隔離槽中心產(chǎn)生小孔；(6)去除贗層材料；(7)介質(zhì)層填充覆蓋介質(zhì)層的小孔，在深隔離槽內(nèi)形成空氣間隙；(8)回刻或通過化學(xué)機(jī)械拋光去除有源區(qū)上的介質(zhì)層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶空氣間隙的深隔離槽的制造方法，其特征是，步驟(1)中的 刻蝕采用光刻膠為掩膜的干法刻蝕，或以氧化物、氮化物或碳化物為第二層硬掩膜的干法 刻蝕。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶空氣間隙的深隔離槽的刻蝕方法，其特征是，如果步驟(1) 采用以氧化物、氮化物或碳化物為第二層硬掩膜的干法刻蝕，后續(xù)應(yīng)該有去除該第二層硬 掩膜的工藝。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶空氣間隙的深隔離槽的制造方法，其特征是，步驟(6)所述 去除贗層材料采用加熱揮發(fā)贗層材料，或者采用HF去除贗層材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的帶空氣間隙的深隔離槽的制造方法，其特征是，當(dāng)步驟(6)采 用加熱揮發(fā)贗層材料去除贗層材料時，步驟O)中的側(cè)壁保護(hù)層材料為氧化物，氮化物或 碳化物；步驟(3)中的贗層材料為常溫下為液態(tài)，100 250°C加熱后為固態(tài)，250 400°C 下可以汽化的材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的帶空氣間隙的深隔離槽的制造方法，其特征是，步驟(6) 中所述加熱揮發(fā)贗層材料的加熱汽化溫度為250°C 400°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的帶空氣間隙的深隔離槽的制造方法，其特征是，當(dāng)步驟(6)采 用加熱揮發(fā)贗層材料去除贗層材料時，步驟中的覆蓋介質(zhì)層材料成膜的溫度不能高于 贗層材料的汽化溫度，因此該步驟采用低溫成膜工藝，可采用SOG成膜工藝或低溫ALD成膜 工藝。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的帶空氣間隙的深隔離槽的制造方法，其特征是，當(dāng)步驟(6)采 用HF去除贗層材料時，步驟(2)中的側(cè)壁保護(hù)層材料為SiN或SiC，步驟(3)中的贗層材料 為Si02，步驟中的覆蓋介質(zhì)層材料為SiN或SiC。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶空氣間隙的深隔離槽的制造方法，其特征是，步驟(5)中 的光刻區(qū)域尺寸大小為0. 02微米 1/2的深隔離槽尺寸之間，且刻蝕完成后底部小孔尺寸 < 0. 5微米。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或9所述的帶空氣間隙的深隔離槽的制造方法，其特征是，步驟 (5)中的刻蝕方法可以為濕法刻蝕工藝或干法刻蝕工藝。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶空氣間隙的深隔離槽的制造方法，其特征是，步驟(7)中 的介質(zhì)層填充采用常規(guī)的介質(zhì)層沉積工藝，可采用PVD，CVD或HDP工藝。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶空氣間隙的深隔離槽的制造方法，其特征是，步驟(8)中 所述去除有源區(qū)上的介質(zhì)層，同時保證在深隔離槽中空氣間隙上方的介質(zhì)層> 500埃。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的帶空氣間隙的深隔離槽的制造方法，其特征是，步驟(8)中 所述去除有源區(qū)上的介質(zhì)層，可以殘留20 1000埃的介質(zhì)層作為后續(xù)注入的阻擋層，然后 在后續(xù)的濕法工藝中去除，同時保證在深隔離槽中空氣間隙上方的介質(zhì)層> 500埃。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶空氣間隙的深隔離槽的制造方法，其特征是，步驟(7)中， 所述形成的空氣間隙的橫向及底部接觸為側(cè)壁保護(hù)層材料，上部接觸為覆蓋介質(zhì)層和介質(zhì) 層材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求1或14所述的帶空氣間隙的深隔離槽的制造方法，其特征是，步驟 (7)中，所述形成的空氣間隙橫向尺寸由側(cè)壁保護(hù)層決定，深度由贗層材料填充深度決定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶空氣間隙的深隔離槽的制造方法，利用某些材料可以加熱揮發(fā)的特性，采用該種材料作為贗層，通過在深隔離槽中填充贗層形成空氣間隙占位，接著利用介質(zhì)層封口，然后通過光刻刻蝕形成小孔，去除贗層材料形成空氣間隙，最后填充介質(zhì)層再回刻或通過化學(xué)機(jī)械拋光去除有源區(qū)上的介質(zhì)層，形成具有空氣間隙的深隔離槽。該方法可以進(jìn)一步減小寄生電容以提高深隔離槽的隔離表現(xiàn)，同時工藝控制能力更強(qiáng)，良品率更高。
文檔編號H01L21/764GK102082111SQ200910201879
公開日2011年6月1日 申請日期2009年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月30日
發(fā)明者王雷 申請人:上海華虹Nec電子有限公司