專利名稱：制造平面溝槽的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體產(chǎn)品中具有基本平面表面的溝槽。
為了隔離集成電路中各元件，已開發(fā)出了再填充的溝槽結(jié)構(gòu)。形成這種溝槽有許多種不同方法。在Wolf，S.的“Silicon Processing fortheVLSI Era Volume II”(ISBN-0-961672-4-5，1990，Lattice PressUSA，第45-56頁)中，記載了制造填充溝槽最普通的方法。主要步驟是在硅襯底中腐蝕溝槽，包圍晶片上將被隔離的每個元件。然后，在溝槽中和硅襯底上淀積隔離氧化層，將元件與周圍隔開。然后，通過在整個晶片上淀積厚度足以填充所有溝槽結(jié)構(gòu)的多晶硅填充溝槽。這樣多晶硅還淀積于溝槽間硅襯底的平面表面上的氧化層上。然后，腐蝕掉多晶硅，從而露出平面表面上的氧化層。由于這次腐蝕，溝槽上的多晶硅也被去掉一些。這樣留下了被溝槽的隔離多晶硅包圍的硅島形式的元件。為了形成連續(xù)的元件層，需要集成電路的每個連續(xù)層形成在基本平面的表面上。然而，實際上，從溝槽上去掉一些多晶硅留下了向下垂直的臺階。溝槽的氧化物壁一般具有向著溝槽內(nèi)向下傾斜的傾斜上部。這樣一來，基本平面的多晶硅填充在溝槽中的多晶硅厚度隨著其到達溝槽壁而減薄。然后，氧化多晶硅，在溝槽上形成隔離氧化物覆蓋。該氧化期間，靠近只有薄多晶硅覆蓋的溝槽邊緣的區(qū)域中，硅襯底也可能被氧化。于是在這些區(qū)域中產(chǎn)生高機械應(yīng)力。隨后處理常采用濕法腐蝕去掉熱產(chǎn)生的氧化物。氧化物的濕法腐蝕速度很大程度上取決于氧化物中的機械應(yīng)力。這意味著高機械應(yīng)力區(qū)中氧化物腐蝕得比表面其余部分深，造成沿溝槽的邊緣形成槽。進一步處理期間，這些槽中可能會填入導(dǎo)電材料，深度到達此后去除不需要導(dǎo)電材料的處理無法去除的地方，多余的導(dǎo)電材料細條殘留在槽中。特別是，如果這些細條高到與溝槽上的導(dǎo)體接觸，則這些細條會引起例如短路等問題。
本發(fā)明的目的是形成一種比先前溝槽表面更平的溝槽表面。本發(fā)明另一目的是提供一種消除沿溝槽邊緣殘留槽中的多余導(dǎo)電材料細條的方法。
根據(jù)本發(fā)明，通過沿溝槽邊緣提供過量的溝槽材料，防止沿溝槽邊緣產(chǎn)生槽，從而實現(xiàn)本發(fā)明的目的。在硅基工藝的情況下，通過在溝槽填充材料上淀積多晶硅層、氧化物層、氮化物層等來這樣做，所淀積的材料然后將通過各向異性腐蝕即通過在垂直方向比在水平方向腐蝕顯著快的腐蝕工藝被深腐蝕。于是沿溝槽邊緣留下過量的材料。這個工藝可以在溝槽內(nèi)的多晶硅上生長氧化層之前或之后進行。在例如氧化物或氮化物等不可氧化材料的情況下，腐蝕后過量材料的厚度應(yīng)基本與向下垂直臺階的高度相同。在多晶硅的情況下，所淀積的多晶硅厚度優(yōu)選選擇為，在隨后氧化期間氧化所有過量多晶硅時，得到的氧化層具有與該臺階高度基本相同的高度。沿溝槽邊緣的氧化物、氮化物或多晶硅細條形式的過量材料可以防止氧化其它情況下會被氧化且產(chǎn)生高機械應(yīng)力區(qū)域的底層硅。在不存在高機械應(yīng)力區(qū)的情況下，隨后的濕法腐蝕將進行得更均勻，可以避免溝槽邊緣產(chǎn)生不想要的槽。通過利用與填充溝槽用材料相同類型的材料作過量材料，氧化后溝槽產(chǎn)生較小機械應(yīng)力。
靠近溝槽邊緣的過量厚度多晶硅材料的氧化還在溝槽壁附近提供了更厚的氧化層。通過選擇過量多晶硅細條的正確尺寸，可以在溝槽邊緣形成基本上與周圍氧化層相同厚度的氧化層，以此方式得到更平的表面。合適地選擇淀積溫度，可以調(diào)節(jié)所淀積硅的晶粒尺寸，即在580℃淀積產(chǎn)生非晶硅，而600℃淀積產(chǎn)生微晶硅，在620℃淀積則產(chǎn)生多晶硅。非晶硅氧化比微晶硅更快，微晶硅氧化比多晶硅快。因此，可以通過調(diào)節(jié)過量材料的淀積溫度，調(diào)節(jié)溝槽材料和過量材料的相對氧化速率，從而形成要求的溝槽截面形狀。
根據(jù)本發(fā)明形成的溝槽具有以下幾個優(yōu)點。一個顯著的優(yōu)點是，溝槽上的表面不再具有垂直臺階，減小了不需要材料留在溝槽中以后引起問題的危險。另一優(yōu)點是根據(jù)本發(fā)明的方法淀積氧化物或氮化物或淀積多晶硅并深腐蝕后，可以得到更均勻且平的表面。再一優(yōu)點是溝槽中的機械應(yīng)力減小。
下面以根據(jù)本發(fā)明形成的溝槽結(jié)構(gòu)實施例為例并結(jié)合各附圖詳細介紹本發(fā)明，各附圖中

圖1a-1h是展示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)方法形成溝槽的各階段的剖面圖；圖2a-2i是展示根據(jù)本發(fā)明一個實施例形成溝槽的各階段的剖面圖。
圖1a展示了形成溝槽的已知方法的第一階段。已在具有平面表面3的硅晶片襯底2中腐蝕出溝槽1。在溝槽1的腐蝕期間，用平面表面上的例如二氧化硅或氮化硅或它們的組合的隔離層4作掩模。
圖1b中，已在溝槽1和第一隔離氧化層4上生長或淀積了例如二氧化硅或氮化硅或它們的組合的第二隔離層9。也可以在從平面表面3上去掉第一隔離4后淀積隔離層9。圖1c中，已在基本全部硅襯底2上和溝槽1中淀積了厚度足以過填充溝槽1的多晶硅層6。在溝槽1上存在下沉或垂直向下的臺階8’。
圖1d中，已腐蝕掉了多晶硅層6，以露出硅襯底2的基本平面表面上的第二絕緣層9。第二絕緣層6耐腐蝕。于是留下由具有隔離氧化物壁9和多晶硅芯6的溝槽1隔離的島狀硅襯底2。在從晶片表面上腐蝕掉多晶硅層6露出第二絕緣層6時，向下的垂直臺階8留在溝槽1上。這是由于多晶硅層6的過腐蝕引起的。需要這種過腐蝕確保去除平面表面3上的所有多晶硅。
然后，氧化殘留在溝槽1中的多晶硅6的表面，在溝槽上形成隔離氧化物覆蓋10，如圖1e所示。在溝槽1的氧化物壁具有向著溝槽內(nèi)向下傾斜的傾斜上部的區(qū)域12中，硅襯底2只具有薄多晶硅覆蓋6。氧化工藝期間，也可以氧化該硅襯底2，尤其是在氧化步驟前覆蓋氧化物薄的區(qū)域。這在靠近這些區(qū)的區(qū)域12和氧化物9、10中產(chǎn)生高機械應(yīng)力。
隨后的處理常采用濕法腐蝕去掉熱形成的氧化物，從而減薄或均勻地整個去掉平面表面3上的隔離層9。在隔離層4仍存在的情況下，還可想到，至少還可以局部減薄。氧化物濕法腐蝕速度很大程度上取決于氧化物中的機械應(yīng)力。這意味著高機械應(yīng)力的區(qū)域12中氧化物腐蝕得比其余表面深。如圖1f所示，這可能會引起沿溝槽1的邊緣形成不規(guī)則槽14。
包括淀積導(dǎo)電材料16的隨后處理期間，這些槽14中將填充導(dǎo)電材料16，如圖1g所示。去掉不想要導(dǎo)電材料16的后續(xù)處理的時間可能不足以去掉槽14底部的所有導(dǎo)電材料16，多余導(dǎo)電材料16的細條18會留在槽中，如圖1h所示。特別是，如果這些細條高到使它們與溝槽上的導(dǎo)體接觸，這些細條18會引起隨后處理中發(fā)生短路的問題。
根據(jù)形成平溝槽的本發(fā)明方法的一個實施例，如圖2a-2d所示，按常規(guī)方式，例如結(jié)合圖1a-1d所介紹的，在襯底中腐蝕溝槽。為作為實例，以利用硅襯底、氧化硅作絕緣材料和多晶硅作填充材料的實施例例示本發(fā)明。也可以利用其它半導(dǎo)體例如碳化硅或其它3族或5族材料或其它合適的材料作襯底，絕緣材料可以是任何合適的化合物，例如氧化物、氮化物等或它們的組合。另外，溝槽填充材料不限于多晶硅，例如可以是非晶硅、微晶硅或結(jié)晶硅化合物。在以除硅外的材料為基礎(chǔ)的襯底上形成溝槽結(jié)構(gòu)時，當(dāng)然也以采用具有合適性質(zhì)的其它填充材料。
圖2e中，可以看出，利用任何合適的方法，沿溝槽的邊緣布設(shè)了與用來填充溝槽的材料相同類型的過量接痕20，這種情況下填充材料為多晶硅。這種方法的一個實例是，首先在整個晶片上淀積例如厚0.3-0.8Tm的多晶硅膜21。該膜21還直接淀積在溝槽1中的多晶硅6上和向下的垂直臺階8的側(cè)面上，從而淀積膜21后，使垂直臺階8彼此靠近2t。該膜21的厚度t取決于溝槽的向下垂直臺階的高度h。該膜21由圖2e中的虛線表示。然后，利用先在垂直方向腐蝕的各向異性腐蝕深腐蝕膜21距離t。于是露出平面表面上的氧化層4和/或9，和溝槽中心的多晶硅，但沿膜21的垂直厚度最大的溝槽邊緣留下了過量的多晶硅接痕20。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，計算膜21的厚度t和各向異性腐蝕的時間，得到過量接痕20的厚度d，從而接痕20中的多晶硅氧化后，得到的氧化層的厚度基本上等于覆蓋硅表面3的絕緣氧化層厚度。現(xiàn)在多晶硅6、20的形貌為不存在只有薄多晶硅覆蓋的區(qū)域。然后，按常規(guī)方式氧化晶片，在溝槽1上由露出的多晶硅6、20形成隔離氧化物覆蓋22，如圖2f所示。由于存在更多的多晶硅材料可用于區(qū)域12中氧化，所以區(qū)域12中，硅襯底不被氧化，不產(chǎn)生高機械應(yīng)力區(qū)。氧化前多晶硅層的厚度越均勻，將會形成越均勻的氧化層。通過改變多晶硅過量接痕20的形狀和尺寸，可以形成基本上平坦且與周圍襯底的露出表面共面的氧化層，另外，合適地選擇淀積溫度，可以調(diào)節(jié)所淀積硅的晶粒尺寸，即在580℃淀積時形成非晶硅，在600℃淀積時形成微晶硅，在620℃淀積時形成多晶硅。非晶硅的氧化比微晶硅快，微晶硅的氧化比多晶硅快。因此，可以通過調(diào)節(jié)過量材料的淀積溫度，調(diào)節(jié)溝槽材料和過量材料的相對氧化速率，從而形成要求溝槽截面形狀。
如圖2g所示，由于不存在高機械應(yīng)力區(qū)，所以熱氧化物的濕法深腐蝕期間不形成槽。
如圖2h和2i所示，導(dǎo)電材料16的任何隨后填充都具有更均勻的深度，可以進行導(dǎo)電材料16的去除，同時不會留下不希望的導(dǎo)電材料細條。
根據(jù)本發(fā)明方法的第二實施例，利用結(jié)合圖2a-2d介紹的工藝形成溝槽。然后，在過量的材料接痕20沿溝槽的邊緣布設(shè)前，氧化溝槽中多晶硅6，形成氧化硅層。這層氧化硅層用作進一步處理的停止層，防止溝槽中底層多晶硅6在隨后處理階段中被腐蝕或氧化。多晶硅優(yōu)選在800-900℃范圍的較低溫度下氧化。
本發(fā)明的第三實施例中，在用多晶硅填充溝槽和隨后的多晶硅深腐蝕步驟后，代替多晶硅，在包括溝槽壁的整個晶片上再淀積一層氧化物。該另一層的深度取決于溝槽垂直臺階的高度，和如以下將介紹的接痕所需要的高度。然后，利用主要在垂直方向腐蝕的各向異性腐蝕深腐蝕該氧化層到先前的氧化層，于是如上述實施例所述，沿溝槽邊緣留下過量的材料接痕。過量接痕的厚度(和所淀積氧化層的厚度)選擇為使沿溝槽邊緣殘留的氧化層厚(高度)基本上等于原絕緣氧化層的厚度，溝槽壁彼此相向位移足以覆蓋具有薄多晶硅覆蓋的溝槽邊緣的任何區(qū)域的量。如果每個過量接痕的厚度都大于最大溝槽寬度的一半，則這些接痕將完全填充溝槽。各向異性深腐蝕后，將形成基本上與周圍露出平面表面共平面的溝槽表面。這些過量接痕氧化物在隨后的晶片處理中不會被氧化，因此，防止了溝槽邊緣附近產(chǎn)生高機械應(yīng)力。
在本發(fā)明的第四實施例中，用另一氮化層代替本發(fā)明第三實施例中所述的另一氧化層。按第三實施例類似的方式，該氮化層淀積在晶片上，并且隨后將被深腐蝕。
在本發(fā)明所有實*施例中，隔離層都可由任何合適的絕緣材料構(gòu)成，包括例如氧化物、氮化物或襯底材料等。
根據(jù)本發(fā)明的方法優(yōu)選在襯底上形成了有源元件后，且它們通過覆蓋了抗腐蝕和抗氧化材料受到保護不被腐蝕和氧化后進行。
權(quán)利要求
1.在具有平面表面(3)的半導(dǎo)體材料襯底(2)中形成溝槽的方法，包括以下步驟利用掩模(4)掩蔽襯底(2)的平面表面(3)中要求的溝槽(1)位置，在所說平面表面(3)中腐蝕要求深度的溝槽(1)，處理某些或全部襯底(2)的露出表面，形成第一絕緣層(9)，在第一絕緣層(9)上淀積第二絕緣材料層(6)，其中所說第二絕緣材料層(6)的厚度等于或大于溝槽(1)的寬度，深腐蝕第二絕緣材料層(6)，直到平面表面(3)上的第一絕緣層(9)露出，但所說溝槽(1)仍包含所說第二緣緣材料層(6)，由此在溝槽(1)上形成基本垂直向下的臺階(8)的高度，其特征在于以下步驟在所說晶片(2)和所說溝槽(1)中所說第二層(6)的露出表面上淀積與所說絕緣材料(6)相同類型的絕緣膜(21)；各向異性深腐蝕該絕緣膜(21)，以便殘留在溝槽(1)邊緣的區(qū)域中所說溝槽<1>中所說第二絕緣材料層(6)上的絕緣膜(21)的深度d小于或基本上等于臺階(8)的高度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，包括以下步驟，在所說晶片(2)和溝槽(1)中所說第二層(6)的露出表面上淀積與所說絕緣材料(6)相同類型材料的絕緣膜(21)之前，氧化溝槽(1)中的所說第二層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，半導(dǎo)體材料(2)選自元素周期表的3族或5族。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求任何一個的方法，其特征在于，半導(dǎo)體材料(2)包括硅。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求任何一個的方法，其特征在于，絕緣膜(21)和第二緣緣材料層(6)包括多晶半導(dǎo)體材料、非晶半導(dǎo)體材料、微晶半導(dǎo)體材料、或一種或多種結(jié)晶半導(dǎo)體材料化合物。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求任何一個的方法，其特征在于，第一絕緣層(9)是半導(dǎo)體材料的氧化物。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求任何一個的方法，其特征在于，掩模(4)是保護底層表面不被腐蝕和氧化的半導(dǎo)體材料氧化物。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求任何一個的方法，其特征在于，還包括氧化已深腐蝕的絕緣膜(21)的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于，使氧化前絕緣膜(21)的厚度合適，以便完成氧化后，得到的氧化層(22)基本上與露出的平面表面(3)共平面。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求任何一個的方法，其特征在于，利用比所說第二絕緣材料(6)的結(jié)構(gòu)更快氧化的結(jié)構(gòu)淀積所說絕緣膜(21)。
11.半導(dǎo)體襯底中的溝槽，其特征在于，利用權(quán)利要求1-10中任何一項的方法形成。
全文摘要
改善溝槽結(jié)構(gòu)上形貌的方法,在溝槽邊緣區(qū)域中提供例如多晶硅20過量多晶半導(dǎo)體材料或氮化物或氧化物,如果需要,過量材料的隨后氧化防止產(chǎn)生高機械應(yīng)力區(qū)。
文檔編號H01L21/762GK1257609SQ9880544
公開日2000年6月21日 申請日期1998年3月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月26日
發(fā)明者A·K·S·瑟德貝里, N·O·厄格倫, E·H·舍丁, O·M·扎克里森 申請人:艾利森電話股份有限公司