專利名稱：形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件制備，特別是涉及使用旋涂法形成位于半導(dǎo)體器件上的溝槽隔離結(jié)構(gòu)的方法。
一般半導(dǎo)體器件隔離結(jié)構(gòu)用于將半導(dǎo)體元件或如有源區(qū)的晶體管、電阻和電容器的元件與其它半導(dǎo)體元件或同一半導(dǎo)體襯底上的鄰近有源區(qū)內(nèi)的元件電隔離。
近年來(lái)，隨著大規(guī)模集成電路(LSIs)的集成水平的提高，越來(lái)越需要使隔離區(qū)變窄。因此，對(duì)于公知的通過在硅(Si)半導(dǎo)體利底的主表面上選擇氧化產(chǎn)生構(gòu)圖的隔離介質(zhì)而形成隔離區(qū)的硅局部氧化法(LOCOS)，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)所需要的集成水平的隔離區(qū)。
為滿足此需要，常使用“溝槽隔離結(jié)構(gòu)”，其中鄰近有源區(qū)通過隔離介質(zhì)相互隔離，隔離介質(zhì)填充在垂直形成于半導(dǎo)體襯底的溝槽中。隔離介質(zhì)一般由二氧化硅(SiO2)形成。溝槽按照隔離區(qū)的所需要的圖形在襯底形成，然后有選擇地形成隔離介質(zhì)來(lái)填充溝槽。與傳統(tǒng)的LOCOS法完成的隔離區(qū)相比，溝槽隔離結(jié)構(gòu)可降低隔離溝槽(即隔離區(qū))的寬度。因此，溝槽隔離結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生對(duì)應(yīng)LSIs最近的高集成水平的較窄隔離區(qū)。
參考

圖1A-1E，如下解釋形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)方法。在該方法中，不用說(shuō)有許多隔離溝槽形成在半導(dǎo)體襯底中，相互電隔離相鄰有源區(qū)。然而，為簡(jiǎn)化說(shuō)明起見，下面只描述并解釋一個(gè)溝槽隔離兩個(gè)相鄰有源區(qū)。
已知化學(xué)氣相淀積法(CVD)可有效地選擇形成SiO2的隔離介質(zhì)，填充精細(xì)的隔離溝槽(即寬度約0.1μm)，這是因?yàn)镃VD產(chǎn)生良好溝槽填充性能的SiO2，換句話說(shuō)，CVD所產(chǎn)生的SiO2(即CVD-SiO2)具有良好溝槽填充性能。在如下參考圖1A-1E解釋的傳統(tǒng)方法中，使用可產(chǎn)生較好溝槽填充性能的SiO2的高密度等離子體CVD。
首先，充當(dāng)基層氧化物的厚度約20nm的SiO2膜105通過襯底101的熱氧化形成在單晶硅Si襯底101的主表面。然后，厚度200nm的氮化硅(Si3N4)膜106通過減壓CVD形成在SiO2膜105上。Si3N4膜106用作隔離溝槽的掩模。此階段的狀況如圖1A所示。
下一步，通過涂覆在Si3N4膜106上形成光刻膠膜(未示出)之后，經(jīng)過通常的暴光和顯影處理使光刻膠膜形成圖形。構(gòu)圖的光刻膠膜具有對(duì)應(yīng)所需要的隔離溝槽的平面形狀的圖形。換句話說(shuō)，光刻膠膜具有對(duì)應(yīng)所要形成的隔離溝槽的窗口。
使用構(gòu)圖的光刻膠膜充當(dāng)掩模，Si3N4膜106和SiO2膜105通過干蝕刻連續(xù)構(gòu)圖。因此，形成孔118穿透Si3N4膜106和SiO2膜105。具有對(duì)應(yīng)光刻膠膜的窗口的平面形狀的孔118可抵達(dá)襯底101的主表面，如圖1B所示。
去除光刻膠膜之后，使用Si3N4膜106充當(dāng)掩模，襯底101的主表面可通過干蝕刻有選擇并垂直地去除，從而在襯底101形成隔離溝槽103，如圖1C所示。隔離溝槽103具有對(duì)應(yīng)光刻膠膜的窗口的平面形狀。例如，溝槽103的寬度0.1μm，其深度0.5μm，高寬比為5(=0.5/0.1)。
接著，如圖1D所示，在Si3N4膜106上形成SiO2膜113以覆蓋襯底101的整個(gè)主表面。通過可產(chǎn)生較好溝槽填充性能的SiO2的高密度等離子體CVD完成SiO2膜113的形成工藝。結(jié)果，在Si3N4膜106上淀積SiO2膜113，同時(shí)在溝槽103和穿透孔118中淀積。此階段的狀況如圖1D所示。
然后通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)拋光SiO2膜113，直至底層Si3N4膜106的表面被暴露。因此，去除SiO2膜113，而位于Si3N4膜106表面下的部分SiO2膜113留下，同時(shí)Si3N4膜106表面被平面化。
最后，剩余的Si3N4膜106和底層SiO2膜105通過濕蝕刻連續(xù)被去除。結(jié)果，如圖1E所示，只有位于Si3N4膜106表面下的部分SiO2膜113留下。剩余部分的SiO2膜113充當(dāng)隔離介質(zhì)，幾乎所有的SiO2膜113位于溝槽103中而且其頂部從襯底101的主表面突出一個(gè)對(duì)應(yīng)膜106和105的總厚度的高度。溝槽103和剩余SiO2膜113組成溝槽隔離結(jié)構(gòu)102從而電隔離兩個(gè)相鄰有源區(qū)A101和A102。
對(duì)于如圖1A-1E所示的形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)方法，空隙(即未填充部分)114可在通過高密度等離子體CVD形成SiO2膜113的處理期間趨于在剩余SiO2膜113(即隔離介質(zhì))中形成，如圖1D所示。這由于隔離溝槽103的寬度窄而高寬比高而引起。在這種情況下，盡管可產(chǎn)生較好溝槽填充性能的SiO2的高密度等離子體CVD用于形成SiO2膜113中，整個(gè)溝槽103難于被SiO2膜113填充。
如果空隙114存在于隔離介質(zhì)113，不僅溝槽隔離結(jié)構(gòu)102的機(jī)械強(qiáng)度而且其電隔離能力將降低。同時(shí)，在SiO2膜113的CMP處理之后空隙114可能在襯底101的主表面上出現(xiàn)，如圖1E所示。在這種情況下，暴露的空隙114將導(dǎo)致上覆布線層或線(在隨后的工藝中形成)斷裂或斷開的問題。
作為如圖1A-1E所示的上述傳統(tǒng)方法的改進(jìn)，已研制使用不同條件的高密度等離子體CVD的方法。在該方法中，通過增強(qiáng)的等離子體蝕刻作用防止空隙114產(chǎn)生。
對(duì)于使用不同CVD條件的改進(jìn)方法，盡管空隙114可防止，但是膜106和105的孔118與隔離溝槽103的頂部的附近趨于被增強(qiáng)的等離子體蝕刻作用蝕刻。結(jié)果，如圖2所示，孔118的側(cè)壁與溝槽103傾斜。就圖1A-1E的傳統(tǒng)方法而論，溝槽103與孔118的傾斜側(cè)壁115導(dǎo)致溝槽103或隔離區(qū)實(shí)際擴(kuò)大，傳統(tǒng)方法與縮小隔離區(qū)的需要恰恰相反。此外，擴(kuò)大的溝槽103將產(chǎn)生由于隔離能力降低而導(dǎo)致增加漏電的問題。
另一方面，已知所謂的“旋涂”可有效產(chǎn)生較好溝槽填充性能的SiO2。旋涂工藝可稱為“旋涂玻璃(SOG)”工藝。當(dāng)使用該旋涂法或SOG工藝，含硅材料的溶液滴在Si襯底的主表面(或位于襯底上的層)，同時(shí)在水平面上旋轉(zhuǎn)襯底，從而由于離心力作用在Si襯底的整個(gè)主表面(或位于襯底的層)上形成溶液的均勻涂覆膜。隨后，加熱襯底101從涂覆膜上蒸發(fā)或揮發(fā)溶液的溶劑，并引起含硅材料與氣氛中存在的氧化學(xué)反應(yīng)，從而在襯底101的整個(gè)主表面(或位于襯底的層)上形成SiO2膜。
對(duì)于使用旋涂工藝的方法，由于含硅材料的溶液滴在襯底的表面(或位于襯底的層)并在離心力作用下涂覆其上，這將產(chǎn)生優(yōu)良溝槽填充性能。作為含硅材料的溶液，一般使用分散在有機(jī)溶劑如乙醇中的含氫氧化硅(即硅烷醇、SiOH4)的溶液。
使用上述旋涂法或SOG處理的形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)方法如圖3A和3B所示。
首先，以圖1A-1E所示的相同上述傳統(tǒng)方法，在有SiO2膜105和Si3N4膜106的Si襯底101上形成隔離溝槽103，如圖3A所示。然后使用含分散在有機(jī)溶劑中的SiOH4的溶液通過旋涂工藝，在Si3N4膜106上形成SiOH4溶液的膜107，覆蓋襯底101的整個(gè)主表面。在此階段，膜107填充整個(gè)溝槽103和整個(gè)孔118，如圖3A所示。
隨后，SiOH4溶液的膜107進(jìn)行規(guī)定的熱處理，從而由于水解和脫水縮合反應(yīng)將膜107轉(zhuǎn)變成SiO2膜104。
最后，以圖1A-1E所示的相同上述傳統(tǒng)方法，位于Si3N4膜106表面上的SiO2膜104通過CMP有選擇地去除，然后Si3N4膜106和SiO2膜105通過濕蝕刻連續(xù)去除。結(jié)果，位于Si3N4膜106表面下的部分SiO2膜104留在溝槽103和孔118中，從而形成電隔離兩個(gè)相鄰有源區(qū)A101和A102的溝槽隔離結(jié)構(gòu)102，如圖3B所示。
然而，使用如圖3A和3B所示的旋涂法的傳統(tǒng)法具有如下問題。
在將含硅材料膜107轉(zhuǎn)變成SiO2膜104的熱處理工藝期間，由于脫水縮合反應(yīng)在膜107上發(fā)生大體積收縮。結(jié)果，位于溝槽103和孔118的部分SiO2膜104(即隔離介質(zhì))不能阻擋收縮作用，導(dǎo)致剩余SiO2膜104中產(chǎn)生裂縫117，如圖3B所示，與剩余部分相比，SiO2膜104(即隔離介質(zhì))具有相對(duì)較大的厚度或高度。
而且，已知SiOH4脫水縮合反應(yīng)所產(chǎn)生的SiO2膜104含有大量SiOH4集團(tuán)且由于不夠致密，膜104多孔。SiO2膜104的這些性能對(duì)有選擇去除SiO2膜104的CMP工藝和/或去除Si3N4膜106和SiO2膜105的濕蝕刻處理造成有害影響。結(jié)果，剩余SiO2膜104的頂部趨于降低并在溝槽103中形成凹部或坑116，如圖3B所示。
特別是當(dāng)基層SiO2膜105通過熱氧化形成時(shí)，凹部或坑116容易形成。這是由于SiOH4溶液的膜107化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的SiO2膜104在蝕刻速率上比通過去除SiO2膜105的濕蝕刻工藝中的熱氧化所形成的SiO2膜105要大。
如上所述，如圖1A-1E所示的傳統(tǒng)方法的問題在于空隙106趨于形成在隔離溝槽103的剩余SiO2膜113中。如圖2所示的傳統(tǒng)方法解決了與空隙106有關(guān)的該問題。然而，問題在于隔離區(qū)擴(kuò)大，隔離能力降低，并增加了漏電。如圖3A和3B所示的傳統(tǒng)方法的問題在于裂縫117和/或凹部116趨于形成在隔離溝槽103的剩余SiO2膜104上。
因此，本發(fā)明的目的是提供形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)的方法，溝槽隔離結(jié)構(gòu)可防止如形成在隔離溝槽中隔離介質(zhì)的空隙、裂縫和凹部的缺陷產(chǎn)生而沒有如隔離區(qū)擴(kuò)大、隔離能力降低和漏電增加的問題。
本發(fā)明的另一目的是提供形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)的方法，可用介質(zhì)填充寬度約0.1μm的精細(xì)隔離溝槽。
通過下列描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將對(duì)上述目的和未特別提及的其它目的一目了然。
按照本發(fā)明的形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)的方法包括如下第一至第四步驟。
在第一步驟中，在半導(dǎo)體襯底上形成隔離溝槽，并從襯底主表面暴露溝槽頂部。
第二步驟中，通過旋涂法用過氫化硅氮烷聚合物溶液涂覆襯底的整個(gè)主表面，從而形成覆蓋襯底整個(gè)主表面的溶液膜。溝槽完全被溶液膜填充。
溶液膜可直接形成在襯底主表面上或經(jīng)任何中間膜間接形成在襯底主表面上面。
第三步驟中，由于化學(xué)反應(yīng)覆蓋襯底主表面的溶液膜轉(zhuǎn)變成覆蓋襯底主表面的硅氧化物膜。
第四步驟中，有選擇地去除覆蓋襯底主表面的硅氧化物膜，從而在溝槽中留下用作溝槽隔離結(jié)構(gòu)的隔離介質(zhì)的部分氧化物膜。
對(duì)于按照本發(fā)明的形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)的方法，形成過氫化硅氮烷聚合物溶液膜，并在第二步驟中通過使用具有良好溝槽填充性能的旋涂層涂覆半導(dǎo)體襯底整個(gè)主表面。然后，在第三步驟中由于化學(xué)反應(yīng)覆蓋襯底主表面的溶液膜轉(zhuǎn)變成硅氧化物膜。因此，盡管隔離溝槽的約0.1μm小寬度，可完美形成硅氧化物膜來(lái)填充整個(gè)溝槽而沒有如隔離區(qū)擴(kuò)大、隔離能力降低和漏電增加的問題。
此外，由于通過旋涂法形成過氫化硅氮烷聚合物溶液膜，在溝槽中即隔離介質(zhì)中的硅氧化物膜剩余部分不會(huì)形成空隙。過氫化硅氮烷聚合物溶液膜在第三步驟的轉(zhuǎn)變成硅氧化物膜期間幾乎沒有收縮，因此在隔離介質(zhì)中不會(huì)形成裂縫。
而且，由于化學(xué)反應(yīng)從過氫化硅氮烷聚合物溶液膜產(chǎn)生的硅氧化物膜致密且而蝕刻性高。因此，在第四步驟的去除未用部分的硅氧化物膜的工藝(即CMP工藝)和去除形成在襯底主表面上的其它膜(氮化硅或二氧化硅膜)的工藝(即濕蝕刻工藝)中幾乎沒有影響硅氧化物膜。結(jié)果，在隔離介質(zhì)中不會(huì)形成凹部和坑。
如上所述，對(duì)于本發(fā)明的形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)的方法，盡管隔離溝槽精細(xì)，具有約0.1μm的小寬度，但仍可防止產(chǎn)生如空隙、裂縫和凹部的隔離溝槽缺陷而沒有如隔離區(qū)擴(kuò)大、隔離能力降低和漏電增加的問題。換句話說(shuō)，盡管隔離溝槽具有約0.1μm的小寬度，在隔離溝槽中可完美形成隔離介質(zhì)。
在按照本發(fā)明方法的優(yōu)選實(shí)施例中，第三步驟是在含有從由氧、臭氧和水蒸氣組成的組中選擇的至少一個(gè)的氣氛下完成的熱處理。這確保了在第三步驟中通過化學(xué)反應(yīng)將過氫化硅氮烷聚合物轉(zhuǎn)變成硅氧化物。
在按照本發(fā)明方法的另一優(yōu)選實(shí)施例中，第三步驟在350℃或更高的溫度下進(jìn)行。這確保了在第三步驟中通過化學(xué)反應(yīng)將過氫化硅氮烷聚合物轉(zhuǎn)變成硅氧化物。
在按照本發(fā)明方法的還有一優(yōu)選實(shí)施例中，在第三和第四步驟之間提供在700℃-1100℃溫度范圍內(nèi)通過熱處理使硅氧化物膜致密的步驟。如溫度低于700℃，硅氧化物膜在隨后的工藝步驟中可能釋放一些氣體和/或收縮，從而對(duì)隨后的工藝步驟造成不良影響。如溫度高于1100℃，由于熱量可能導(dǎo)致半導(dǎo)體襯底退化。
在按照本發(fā)明方法的再一優(yōu)選實(shí)施例中，在第二和第三步驟之間提供在惰性氣氛下通過熱處理?yè)]發(fā)含在過氫化硅氮烷聚合物膜中的溶劑的步驟。在該實(shí)施例中，附加優(yōu)點(diǎn)在于過氫化硅氮烷聚合物膜中所含的溶劑可不改變其膜的質(zhì)量就能去除。
在按照本發(fā)明方法的還有再一優(yōu)選實(shí)施例中，在第一和第二步驟之間提供通過氧化襯底主表面在隔離溝槽的頂部倒圓側(cè)壁的步驟。在該實(shí)施例中，由于側(cè)壁在隔離溝槽的頂部被弄圓，可防止在襯底中產(chǎn)生的電場(chǎng)在隔離溝槽頂部的角集中。因此，附加優(yōu)點(diǎn)在于進(jìn)一步抑制漏電，提高能達(dá)到的耐壓。
在按照本發(fā)明的形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)的方法中，第一步驟可通過任何工藝來(lái)完成。第二步驟中可采用任何旋涂工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)旋涂層。過氫化硅氮烷聚合物溶液可通過如將過氫化硅氮烷聚合物分散在合適溶劑(優(yōu)選有機(jī)溶劑)中而方便產(chǎn)生。作為有機(jī)溶劑，優(yōu)選使用如二甲苯或二丁醚。如果通過過氫化硅氮烷聚合物溶液膜的化學(xué)反應(yīng)可形成硅氧化物膜，可采用任何工藝來(lái)完成第三步驟。盡管一般采用熱處理來(lái)達(dá)到這一目的，但為此可采用其它任何工藝。第四步驟可采用如CMP工藝和干或濕蝕刻工藝的任何工藝。
為了使本發(fā)明容易實(shí)施，現(xiàn)參考附圖描述。
圖1A-1E是分別表示形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)方法的部分截面圖。
圖2是表示形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)的另一傳統(tǒng)方法的部分截面圖。
圖3A和3B是分別表示形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)的再一傳統(tǒng)方法的部分截面圖。
圖4A-4G是分別表示按照本發(fā)明第一實(shí)施例形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)的方法的部分截面圖。
圖5是表示在按照本發(fā)明第一實(shí)施例的方法中過氫化硅氮烷聚合物膜的熱處理工藝的流程圖。
圖6A-6E是分別表示按照本發(fā)明第二實(shí)施例形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)的方法的部分截面圖。
參考附圖下面詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
第一實(shí)施例參考圖4A-4G如下解釋按照本發(fā)明的第一實(shí)施例的形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)的方法。
圖4A-4G中，盡管實(shí)際上許多隔離溝槽形成在半導(dǎo)體襯底上以相互電隔離相鄰有源區(qū)，而為簡(jiǎn)化起見下面只說(shuō)明和解釋隔離兩個(gè)相鄰有源區(qū)的僅一個(gè)溝槽。
如圖4A所示，首先充當(dāng)基層氧化物的厚度約20nm的SiO3膜5通過襯底1的熱氧化形成在單晶Si襯底1的主表面上。然后，厚度約200nm的Si3N4膜6通過減壓CVD形成在SiO2膜上。Si3N4膜6用作隔離溝槽的掩模。此階段的狀態(tài)如圖4A所示。
在此階段中，與膜5和6相同的SiO2膜和Si3N4膜形成在襯底1的背表面。然而，由于與本發(fā)明沒有關(guān)系且在隨后工藝中被去除，這里將其省略。
接著，通過涂覆在Si3N4膜6上形成光刻膠膜(未示出)之后，利用通常的光刻技術(shù)使光刻膠膜形成圖形。構(gòu)圖的光刻膠膜具有對(duì)應(yīng)所需要的隔離溝槽的平面形狀的圖形，換句話說(shuō)，具有對(duì)應(yīng)要形成的隔離溝槽的窗口。
使用構(gòu)圖的光刻膠膜充當(dāng)掩模，Si3N4膜6和SiO2膜5通過干蝕刻連續(xù)形成圖形。因此，形成孔18穿透Si3N4膜6和SiO2膜5。具有對(duì)應(yīng)光刻膠膜的窗口的平面形狀的孔18可抵達(dá)襯底1的主表面，如圖4B所示。
去除光刻膠膜之后，利用Si3N4膜6充當(dāng)掩模通過干蝕刻襯底1經(jīng)其主表面可選擇并垂直地被去除，從而在襯底1垂直形成隔離溝槽3，從襯底1的主表面暴露溝槽3的頂部，如圖4C所示。隔離溝槽3具有對(duì)應(yīng)光刻膠膜的窗口的平面形狀。例如，溝槽3的寬度為0.1μm而其深度為0.5μm，其高寬比為5。
上述處理步驟與圖1A-1E所示的傳統(tǒng)方法一樣。
隨后，如圖4D所示，襯底1的整個(gè)主表面用過氫化硅氮烷聚合物[(SiH2NH)n]溶液膜7覆蓋。位于Si3N4膜6上的膜7厚度約為400nm。[(SiH2NH)n]溶液膜7利用旋涂工藝以下列方式形成。
首先，將液體[(SiH2NH)n]分散在液體二甲苯中產(chǎn)生[(SiH2NH)n]溶液。然后，所得的[(SiH2NH)n]溶液滴在Si3N4膜6的表面上，同時(shí)水平面上旋轉(zhuǎn)襯底1。因此，形成[(SiH2NH)n]溶液的均勻膜7，覆蓋襯底1的整個(gè)主表面。結(jié)果，如圖4D所示，盡管溝槽3的寬度窄至0.1μm而其高寬比高至5，但溝槽3完全被膜7填充。不象圖1A-1E所示的傳統(tǒng)方法，在位于溝槽3和孔18的部分膜7上不會(huì)形成空隙。
旋涂工藝的一般條件是襯底1的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為4000rpm而旋轉(zhuǎn)時(shí)間設(shè)定為20秒。
此后，對(duì)Si3N4膜6上的[(SiH2NH)n]溶液膜7進(jìn)行熱處理工藝，從而將膜7轉(zhuǎn)變成SiO2膜4。該熱處理工藝包含圖5所示的三個(gè)步驟S1、S2和S3。
步驟S1中，具有[(SiH2NH)n]溶液膜7的襯底1在惰性氣氛下200℃放置在熱板(未示出)上3分鐘，從而從膜7上揮發(fā)有機(jī)溶劑(即二甲苯)。
步驟S2中，具有[(SiH2NH)n]溶液膜7的襯底1放置在水蒸氣(H2O)氣氛下的電爐(未示出)中400℃下60分鐘，從而將[(SiH2NH)n]溶液膜7轉(zhuǎn)變成SiO2膜4。步驟S2可在用氧氣(O2)或臭氧(O3)氣氛替代水蒸氣(H2O)氣氛下完成。
步驟S2中，按照如下反應(yīng)式(1)將[(SiH2NH)n]膜7轉(zhuǎn)變成SiO2膜4。
(1)從反應(yīng)式(1)可看出，過氫化硅氮烷SiH2NH與水蒸氣分解所產(chǎn)生的活化氧(O)反應(yīng)，結(jié)果，產(chǎn)生二氧化硅(SiO2)和氨(NH3)。此氨在反應(yīng)式(1)所示的反應(yīng)中充當(dāng)催化劑，因此，含在膜7中的SiH2NH完全轉(zhuǎn)變成SiO2且膜7完全不含SiH2NH。因此，SiO2膜4密度高。同時(shí)，由于膜7經(jīng)過轉(zhuǎn)變成SiO2膜4幾乎沒有收縮，在膜4上不會(huì)形成裂縫。因此，SiO2膜4具有良好的耐蝕刻性。
步驟S3中，具有所得的SiO2膜4的襯底1放置在900℃的惰性氣氛電爐中60分鐘，從而從膜7中去除如過量氨和水的雜質(zhì)。經(jīng)過此步驟S3,SiO2膜4進(jìn)一步致密，密度更高。
此階段的狀況如圖4E所示。
隨后，通過膜7熱處理形成的SiO2膜4利用CMP工藝拋光直至Si3N4膜6的表面被暴露。因此，如圖4F所示，只留下部分位于溝槽3和穿透孔18的SiO2膜4。剩余部分SiO2膜4的頂部大致平坦。
然后使用加熱到如160℃的熱磷酸通過濕蝕刻工藝去除Si3N4膜6。然后使用緩沖氫氟酸通過濕蝕刻工藝去除SiO2膜5。因此，如圖4G所示，在襯底1上形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)2a，溝槽3中的剩余SiO2膜4充當(dāng)結(jié)構(gòu)2a的隔離介質(zhì)。
溝槽3中的剩余SiO2膜4在Si3N4膜6的蝕刻處理期間并未蝕刻。然而，在SiO2膜5的蝕刻處理期間被蝕刻。因此，剩余SiO2膜4(即隔離介質(zhì))的頂部輕微從襯底1的主表面伸出，如圖4G所示。實(shí)際上經(jīng)過按照第一實(shí)施例的上述方法形成的溝槽隔離結(jié)構(gòu)2a以此狀態(tài)使用。
對(duì)于按照第一實(shí)施例的方法，如上所述，通過使用具有優(yōu)良溝槽填充性能的旋涂法過氫化硅氮烷聚合物溶液膜7形成在Si3N4膜6上，覆蓋半導(dǎo)體襯底1的整個(gè)主表面。然后，由于化學(xué)反應(yīng)覆蓋襯底1的主表面的溶液膜7轉(zhuǎn)變成SiO2膜4。因此，盡管隔離溝槽3具有約0.1μm的小寬度，但仍可完美形成SiO2膜4來(lái)填充整個(gè)溝槽3而沒有如隔離區(qū)擴(kuò)大、隔離能力降低和漏電增加的問題。
此外，由于可通過旋涂法形成膜7，在溝槽3的剩余部分的SiO2膜4(即隔離介質(zhì))上不會(huì)形成空隙。在轉(zhuǎn)變成SiO2膜4期間膜7幾乎沒有收縮，因此在隔離介質(zhì)4上沒有形成裂縫。
而且，由于化學(xué)反應(yīng)從過氫化硅氮烷聚合物溶液膜7產(chǎn)生的SiO2膜4致密且耐蝕刻性高。因此，在去除未用部分的SiO2膜4的CMP工藝和去除Si3N4膜6和SiO2膜5的濕蝕刻工藝中幾乎沒有影響SiO2膜4。結(jié)果，在隔離介質(zhì)4不會(huì)形成凹部和坑。
因此，盡管隔離溝槽3精細(xì)，寬度小至約0.1μm，但隔離介質(zhì)4仍可在溝槽3中完美形成。
證實(shí)試驗(yàn)為證實(shí)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)明者在如下所列的不同條件(ⅰ)、(ⅱ)和(ⅲ)下進(jìn)行試驗(yàn)。
(ⅰ)利用按照上述第一實(shí)施例的過氫化硅氮烷聚合物形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)。
(ⅱ)利用上述圖3A和3B所示的傳統(tǒng)方法的硅烷醇形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)。
(ⅲ)利用上述圖1A-1E所示的傳統(tǒng)方法的高密度等離子體CVD形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)。
然后，測(cè)量并比較由在不同條件(ⅰ)、(ⅱ)和(ⅲ)下的方法所形成的SiO2膜的收縮速率和濕蝕刻速率。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
根據(jù)經(jīng)在氮?dú)?N2)氣氛下900℃進(jìn)行60分鐘熱處理的SiO2膜的厚度變化(即所得值和初始值之差與初始值之比)的測(cè)量結(jié)果計(jì)算收縮速率。
以下列方式計(jì)算濕蝕刻速率。具體而言，對(duì)在不同條件(ⅰ)、(ⅱ)和(ⅲ)下的方法所形成的SiO2膜和950℃水蒸氣(H2O)氣氛下熱氧化形成的SiO2膜用緩沖氫氟酸蝕刻，測(cè)量這些SiO2膜的蝕刻速率。緩沖氫氟酸通過將氫氟酸(HF)與氟化胺(NH4F)以1∶30比例混合而形成。然后，計(jì)算在不同條件(ⅰ)、(ⅱ)和(ⅲ)下的方法所形成的SiO2膜的蝕刻速率與熱氧化所形成的SiO2膜的蝕刻速率之比。
表1
從表1可清楚看出如下結(jié)論。
在使用SiOH4的條件(ⅱ)的SiO2膜的情況下，收縮速率是30％的較大值。另一方面，在使用(SiH2NH)n和高密度等離子體CVD的條件(ⅰ)和(ⅲ)的SiO2膜的情況下，收縮速率是3％的非常小的值。結(jié)果，證明按照第一實(shí)施例條件(ⅰ)下的方法所形成的SiO2膜的收縮速率與條件(ⅲ)下利用高密度等離子體CVD所形成的SiO2膜的收縮速率一樣低。
在使用(SiH2NH)n的條件(ⅰ)的SiO2膜的情況下，濕蝕刻速率是1.5的非常小的值，比使用SiOH4的條件(ⅱ)的情況下所得的值低得多。結(jié)果，證明了按照第一實(shí)施例條件(ⅰ)下的方法所形成的SiO2膜的濕蝕刻速率與利用高密度等離子體CVD所形成的SiO2膜的濕蝕刻速率一樣低。換句話說(shuō)，證明了按照第一實(shí)施例的方法所形成的SiO2膜的密度與利用高密度等離子體CVD所形成的SiO2膜的密度一樣高。
第二實(shí)施例圖6A-6E表示按照本發(fā)明第二實(shí)施例的溝槽隔離結(jié)構(gòu)的方法。
首先，以第一實(shí)施例相同方式在單晶Si襯底1形成隔離溝槽3。此后，襯底1進(jìn)行熱氧化處理，從而形成覆蓋襯底1主表面和溝槽3側(cè)壁和底壁的SiO2膜8，如圖6A所示。經(jīng)過此熱氧化處理，溝槽3的頂角9被弄圓。
隨后工藝基本與第一實(shí)施例相同。
具體而言，厚度約20nm的基層SiO2膜5通過襯底1的熱氧化形成在SiO2膜8上。然后，厚度約200nm的Si3N4膜6通過減壓CVD形成在SiO2膜5上。
接著，使用構(gòu)圖的光刻膠膜(未示出)充當(dāng)掩模，Si3N4膜6和SiO2膜5通過干蝕刻連續(xù)形成圖形，從而形成穿透Si3N4膜6和SiO2膜5的孔18，與溝槽3重疊。此階段的狀況如圖6A所示。
去除光刻膠膜之后，如圖6B所示，過氫化硅氮烷聚合物[(SiH2NH)n]溶液膜7形成在Si3N4膜6上，覆蓋襯底1整個(gè)主表面。膜7的厚度約400nm。以第一實(shí)施例所述的相同方式利用旋涂工藝形成[(SiH2NH)n]溶液膜7。結(jié)果，如圖6B所示，盡管溝槽3的寬度窄至0.1μm，其高寬比為5，但溝槽3和孔18可完全被膜7所填充。不象圖1A-1E所示的傳統(tǒng)方法，在位于溝槽3的部分膜7上不會(huì)形成空隙。
此后，對(duì)形成在Si3N4膜6上的[(SiH2NH)n]溶液膜7進(jìn)行第一實(shí)施例相同的熱處理，從而將膜7轉(zhuǎn)變成SiO2膜4，如圖6C所示。之后，SiO2膜4通過CMP處理拋光，直至Si3N4膜6的表面暴露。因此，如圖6D所示，只留下位于溝槽3和穿透孔18的部分SiO2膜4。剩余部分SiO2膜4的頂部大致平坦。
然后通過濕蝕刻去除Si3N4膜6。再通過濕蝕刻去除位于襯底1主表面上的整個(gè)SiO2膜5和部分SiO2膜8。因此，如圖6E所示，在襯底1形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)2b，剩余SiO2膜4和8充當(dāng)隔離介質(zhì)。
溝槽3和孔18中的剩余SiO2膜4在Si3N4膜6蝕刻處理期間并未蝕刻而在SiO2膜5和8蝕刻處理期間被蝕刻。因此，剩余SiO2膜4(即隔離介質(zhì))的頂部從襯底1主表面輕微伸出，如圖6E所示。實(shí)際上經(jīng)上述工藝形成的溝槽隔離結(jié)構(gòu)2b在此狀態(tài)下使用。
如上所述，按照本發(fā)明第二實(shí)施例的形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)2b的方法包括與第一實(shí)施例相同的處理步驟，具有與第一實(shí)施例相同的優(yōu)點(diǎn)。此外，溝槽3的頂角9可被弄圓并通過剩余SiO2膜4和8形成隔離介質(zhì)。因此，可防止襯底1中產(chǎn)生的電場(chǎng)在角9集中，與第一實(shí)施例相比更有效抑制漏電。結(jié)果，額外優(yōu)點(diǎn)在于比第一實(shí)施例能達(dá)到的耐壓更高。
已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，應(yīng)了解在不脫離本發(fā)明精神下各種改進(jìn)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。因此，本發(fā)明的范圍只由下列權(quán)利要求所確定。
權(quán)利要求
1．形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)的方法，包括在半導(dǎo)體襯底中形成隔離溝槽以從襯底主表面暴露溝槽頂部的第一步驟用過氫化硅氮烷聚合物溶液通過旋涂法覆蓋所述襯底的所述整個(gè)主表面，從而形成覆蓋所述襯底的所述整個(gè)主表面的所述溶液的膜的第二步驟；所述溝槽完全被所述溶液的所述膜填充；第三步驟，由于化學(xué)反應(yīng)將覆蓋所述襯底的所述主表面的所述溶液的所述膜轉(zhuǎn)變成覆蓋所述襯底的所述主表面的硅氧化物膜；和第四步驟，有選擇地去除覆蓋所述襯底的所述主表面的所述硅氧化物膜，從而留下部分所述氧化物膜，所述氧化物膜充當(dāng)在所述溝槽中的溝槽隔離結(jié)構(gòu)的隔離介質(zhì)。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第三步驟是在含有從由氧氣、臭氧和水蒸氣組成的組中選擇的至少一個(gè)的氣氛下完成的熱處理。
3．如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第三步驟是在350℃或更高溫度下進(jìn)行。
4．如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述第三步驟和第四步驟之間通過700-1100℃溫度范圍的熱處理使所述硅氧化物膜致密的步驟。
5．如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述第二和第三步驟之間通過惰性氣氛中的熱處理?yè)]發(fā)含在所述過氫化硅氮烷聚合物的所述膜中的溶劑的步驟。
6．如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述第一和第二步驟之間弄圓在所述隔離溝槽頂部的側(cè)壁的步驟。
7．如權(quán)利要求6所述的方法，其中在所述隔離溝槽的頂部弄圓側(cè)壁的所述步驟是通過氧化所述襯底的所述主表面來(lái)完成。
全文摘要
提供形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)的方法,可防止如形成在隔離溝槽上的隔離介質(zhì)的空隙、裂縫和凹部的缺陷產(chǎn)生而沒有如隔離區(qū)擴(kuò)大、隔離能力降低和漏電增加的問題。該方法包括:在半導(dǎo)體襯底中形成隔離溝槽以從襯底主表面暴露溝槽頂部;用過氫化硅氮烷聚合物溶液通過旋涂法覆蓋襯底的整個(gè)主表面,從而形成覆蓋襯底的整個(gè)主表面的溶液膜,溝槽完全被溶液膜填充;通過化學(xué)反應(yīng)將溶液膜轉(zhuǎn)變成硅氧化物膜;有選擇地去除覆蓋襯底的主表面的硅氧化物膜,留下部分氧化物膜充當(dāng)溝槽隔離結(jié)構(gòu)的隔離介質(zhì)。
文檔編號(hào)H01L21/70GK1234607SQ9910754
公開日1999年11月10日 申請(qǐng)日期1999年4月27日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月27日
發(fā)明者小柳賢一 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社