專利名稱：使用摻雜氧化物溝槽填充之溝槽絕緣的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明系關(guān)于半導(dǎo)體集成電路裝置，及更特別是關(guān)于包括低泄漏晶體管的絕緣溝槽之半導(dǎo)體集成電路裝置的制造方法。
各種絕緣方法已被使用以將一或更多形成于基板的半導(dǎo)體裝置組件與其它裝置組件電絕緣。此種方法已包括p-n接合絕緣及硅的局部氧化(LOCOS)。更新一代的半導(dǎo)體裝置特征變得愈來愈小且組件數(shù)目增加，這些已知方法一般為不合適或增加困難的以可控制方式制造。為絕緣此種更小的及更高度積體的半導(dǎo)體裝置組件，溝槽絕緣普遍被使用，其中溝槽形成于半導(dǎo)體基板內(nèi)及圍繞要被電絕緣的區(qū)域及絕緣材料被填充于該溝槽。
一類超低泄漏晶體管，稱之為信道晶體管，被廣泛地用于動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存(DRAM)數(shù)組以存取經(jīng)儲(chǔ)存電荷。隨著減少的記憶胞元尺寸及減少的操作電壓，在胞元的經(jīng)儲(chǔ)存電荷范圍自約10,000至100,000單電子電荷或自約6至60fC。為保留大部分的此種低電荷于合理量的時(shí)間(典型上數(shù)百毫秒)，在每一胞元的漏電流應(yīng)小于10fA。各種裝置絕緣技術(shù)會(huì)影響在此種超低泄漏區(qū)域的漏電流。
為形成該絕緣溝槽，一或更多蝕刻屏蔽層典型上被沉積于半導(dǎo)體基板上，及之后光致抗蝕劑膜被沉積于蝕刻屏蔽層及被圖案化，該蝕刻屏蔽層的經(jīng)選擇區(qū)域接著被移除及曝光半導(dǎo)體基板的區(qū)域。該半導(dǎo)體基板的經(jīng)曝光區(qū)域接著被蝕刻至所欲深度，及絕緣材料被沉積以填充該溝槽。沉積于溝槽開孔外側(cè)或在其上方的任何絕緣材料接著被移除，該蝕刻屏蔽材料亦接著被移除或可在該絕緣材料的沉積前被移除。
當(dāng)半導(dǎo)體裝置特征尺寸進(jìn)一步減少時(shí)，該絕緣溝槽的寬度同樣地被減少，該絕緣溝槽的深度系由形成于該基板的各種裝置之深度及由提供裝置間有效絕緣所需的最小絕緣溝槽的周圍所定義，因此，例如該溝槽深度可被增加以保持裝置間的固定溝槽周圍。溝槽高度與溝槽寬度之比值，已知為特性比，亦被增加。而且，該裝置的三度空間(3D)整合需要甚至更深的絕緣溝槽，產(chǎn)生更高的特性比。做為實(shí)例，DRAM胞元可使用堆棧在儲(chǔ)存電容頂部的垂直存取晶體管。此種垂直晶體管DRAM胞元的絕緣溝槽必需足夠深以絕緣該垂直信道晶體管的下方接點(diǎn)。對(duì)以使用100奈米最小特征尺寸的半導(dǎo)體技術(shù)所制造的垂直DRAM胞元，該絕緣溝槽的特性比約為10∶1。當(dāng)絕緣材料，如高密度電漿(HDP)氧化物，被沉積于具此種特性比的溝槽，空隙或接合線常形成于位于該溝槽的絕緣材料內(nèi)。該空隙可完全位于該半導(dǎo)體基板表面下方使得該絕緣溝槽及該絕緣材料的絕緣性質(zhì)被降級(jí)，或者該空隙可延伸超過該半導(dǎo)體基板的表面使得當(dāng)該裝置被后續(xù)平面化時(shí)，接合線在該絕緣材料開啟，其可能接著以多晶硅膜或其它傳導(dǎo)材料填充，其產(chǎn)生裝置組件間的短路。
因此希望提供一種溝槽絕緣方法，其中該溝槽以一種防止該空隙及接合線形成的方式使用該絕緣材料填充。
做為替代方案，摻雜氧化物如硼磷硅玻璃(BPSG)可被使用以填充該絕緣溝槽。因?yàn)楫?dāng)置于高溫時(shí)，此種摻雜氧化物軟化及回焊，該高特性比溝槽可以摻雜氧化物填充及接著進(jìn)行高溫退火，其回焊該摻雜氧化物及消除當(dāng)該摻雜氧化物沉積于該溝槽內(nèi)所形成的該空隙及接合線。然而，此種摻雜氧化物的使用具缺點(diǎn)為在退火步驟及其它后續(xù)高溫處理步驟期間，在該氧化物的摻雜劑，如硼、砷、或磷，可自摻雜氧化物擴(kuò)散出來及進(jìn)入該裝置區(qū)域及改變?cè)撗b置的特性。而且當(dāng)暴露于濕溶劑如酸中，此種摻雜氧化物具高蝕刻速率之缺點(diǎn)，及因而無法以容易控制及可重復(fù)的方式被蝕刻。
另一已知替代方案被敘述于頒給Yabu等的美國專利第6,143,626號(hào)及標(biāo)題為”使用溝槽絕緣技術(shù)制造半導(dǎo)體裝置的方法”。一種溝槽形成于半導(dǎo)體基板及由高溫氧化物(HTO)膜組成的下方絕緣膜形成于該基板上，可回焊膜接著以大于約溝槽深度一半的厚度沉積及接著由熱處理回焊以消除空隙。該可回焊膜接著被回蝕使得僅少部分的膜留在該溝槽底部，接著，二氧化硅膜以大于溝槽深度的厚度沉積以形成填充該溝槽的絕緣層。在此機(jī)制中，當(dāng)摻雜氧化物被用做可回焊膜，該HTO擴(kuò)散阻擋膜必需足夠厚以防止摻雜劑穿透進(jìn)入該裝置區(qū)域。做為實(shí)例，在晶體管制造期間的典型熱處理包括在950℃-1050℃間進(jìn)行的高溫?fù)诫s劑活化步驟，該HTO層必需為至少400-600埃厚以基本上停止自氧化物進(jìn)入硅基板的任何摻雜劑穿透。因?yàn)槟壳暗谋炯妓囍圃旆椒ㄊ褂脙H100奈米寬的絕緣溝槽，當(dāng)該可回焊材料為高摻雜氧化物時(shí)防止摻雜劑穿透的基本保護(hù)是不實(shí)際的。如此，該方法不合適用于具愈來愈小特征尺寸(約120奈米或更少)及更高特性比(約5或更高)的溝槽。
而且，該絕緣材料及其相關(guān)沉積方法具用于超低泄漏應(yīng)用如DRAM數(shù)組的特定要求，伴隨在晶體管接合的不純物、結(jié)構(gòu)、及表面缺陷的電泄漏必需最小化以增加其電荷保存特性。在硅/絕緣溝槽邊界的硅電荷保存間隙間能量位準(zhǔn)附近的表面懸掛鍵及伴隨電子捕獲典型上由生長(zhǎng)高品質(zhì)熱硅氧化物而被最小化。在該技藝中于過去的三十年硅的熱氧化已被使用以制造近乎完美的硅氧化物/硅接口。對(duì)典型熱生長(zhǎng)硅氧化物，在硅間隙間能量的接口捕獲密度為約或少于1E11公分-2電子伏特-1(及典型約3E10公分-2電子伏特-1)于(100)硅晶體平面，在少于約5E11公分-2電子伏特-1的硅間隙間能量位準(zhǔn)的表面捕獲密度為高度所欲的以用于超低泄漏應(yīng)用。
已知摻雜氧化物，BPSG，顯現(xiàn)離子吸著性質(zhì)，亦即，可移動(dòng)金屬離子(如K+、Na+)擴(kuò)散進(jìn)入BPSG層及快速地化學(xué)鍵結(jié)至在玻璃基質(zhì)內(nèi)的磷原子。所以，位于晶體管接合區(qū)域附近的BPSG材料可吸收來自該接合的金屬污染，由此減少晶體管泄漏。由BPSG的有效離子吸著的唯一要求為離子擴(kuò)散進(jìn)入BPSG層的能力，當(dāng)該可移動(dòng)離子不會(huì)遇到在該BPSG層及該晶體管活性區(qū)域間的任何基本擴(kuò)散阻擋層時(shí)，此種要求可被滿足。
因此期望提供避免空隙與接合線的形成及不會(huì)有摻雜劑擴(kuò)散及高濕蝕刻速率及減少晶體管截止電流的溝槽絕緣材料。
發(fā)明摘要本發(fā)明提供一種絕緣溝槽，其中經(jīng)回焊摻雜氧化物材料被使用以采用一種無空隙方式填充該溝槽，薄的內(nèi)襯層被使用以排列該溝槽的壁及底部及當(dāng)為該可移動(dòng)離子可透過的，用做氧化物摻雜劑的有效擴(kuò)散阻擋層，及薄的覆蓋層被使用以保護(hù)該摻雜氧化物不致濕蝕刻處理及用做擴(kuò)散阻擋層。此外，薄的內(nèi)襯具可接受的接口品質(zhì)(由在硅間隙間能量狀態(tài)的接口密度決定之)，其與超低泄漏應(yīng)用為可兼容的。
根據(jù)本發(fā)明的一方向，溝槽絕緣結(jié)構(gòu)被形成于該基板內(nèi)，至少一開孔形成于該基板表面，及內(nèi)襯層至少沿該開孔的底部及側(cè)壁形成。摻雜氧化物材料層至少沉積于該開孔，及該基板被退火以回焊在該開孔內(nèi)的摻雜氧化物材料層，僅接近該基板表面的部分被自在該開孔內(nèi)的摻雜氧化物材料層被移除，及在摻雜氧化物材料層的其余部分上方的覆蓋層被沉積于該開孔。
根據(jù)本發(fā)明的另一方向，溝槽絕緣結(jié)構(gòu)被形成于該基板內(nèi)，至少一開孔形成于該基板表面及具至少5∶1的深度-與-寬度特性比，約100?；蚋俸穸鹊谋〉母咂焚|(zhì)硅氧化物層被熱生長(zhǎng)于至少沿該開孔的側(cè)壁。氮化硅(SiN)內(nèi)襯層至少沿該開孔的底部及側(cè)壁沉積及具厚度至少60埃但不超過200埃。摻雜氧化物材料層被沉積于該開孔，及該基板于至少800℃的溫度退火至少10分鐘以回焊在該開孔內(nèi)的摻雜氧化物材料層。接近該基板表面的約500埃厚度部分被自在該開孔內(nèi)的摻雜氧化物材料層被移除，高密度電漿(HDP)沉積氧化物層被沉積于在該開孔內(nèi)的摻雜氧化物材料層的其余部分上。
根據(jù)本發(fā)明的另一方向，溝槽絕緣結(jié)構(gòu)被沉積于該基板內(nèi)，至少一開孔位于該基板表面及具至少5∶1的深度-與-寬度特性比，約100?；蚋俸穸鹊谋〉母咂焚|(zhì)硅氧化物層被熱生長(zhǎng)于至少該開孔的側(cè)壁。氮化硅(SiN)內(nèi)襯層至少位于沿該開孔的底部及側(cè)壁及具厚度至少60埃但不超過200埃。經(jīng)回焊、摻雜氧化物材料層位于該開孔內(nèi)及基本上填充所有該開孔除了接近該基板表面的約500埃厚度區(qū)域，高密度電漿(HDP)沉積氧化物層被位于在該摻雜氧化物材料層上方的開孔。
當(dāng)參考較佳具體實(shí)施例的下列敘述及相關(guān)圖式，本發(fā)明的先前方向、特征及優(yōu)點(diǎn)被進(jìn)一步了解。
圖標(biāo)簡(jiǎn)略敘述第1圖為說明包括根據(jù)本發(fā)明的方向的溝槽絕緣結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體基板部份的截面圖。
第2A-2F圖為說明形成根據(jù)本發(fā)明方法的半導(dǎo)體基板區(qū)域的溝槽絕緣結(jié)構(gòu)的方法步驟之截面圖。
第3圖顯示在BPSG層(其由20埃厚度的SiN層與該基板隔離)的1050℃、30秒退火后在結(jié)晶性硅基板的磷(P)及硼(B)濃度的二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)深度數(shù)據(jù)。
第4圖顯示在BPSG層(其由40埃厚度的SiN層與該基板隔離)的1050℃、30秒退火后在結(jié)晶性硅基板的磷(P)及硼(B)濃度的SIMS深度數(shù)據(jù)。
第5圖顯示在BPSG層(其由60埃厚度的SiN層與該基板隔離)的1050℃、30秒退火后在結(jié)晶性硅基板的磷(P)及硼(B)濃度的SIMS深度數(shù)據(jù)。
第6圖顯示在BPSG層(其由80埃厚度的SiN層與該基板隔離)的1050℃、30秒退火后在結(jié)晶性硅基板的磷(P)及硼(B)濃度的SIMS深度數(shù)據(jù)。
第7圖顯示在BPSG層(其由該HDP氧化物層覆蓋所覆蓋)的800℃、10分鐘的退火及1050℃、90秒的第二次退火后在具HDP氧化物覆蓋的結(jié)晶性硅基板的磷(P)及硼(B)濃度的SIMS深度數(shù)據(jù)。
詳細(xì)敘述第1圖顯示基板部份的截面視圖，其中溝槽結(jié)構(gòu)系為根據(jù)本發(fā)明形成，具至少5∶1的特性比之溝槽102形成于半導(dǎo)體基板100。該溝槽102的底部及側(cè)壁，除了該溝槽的最上方部份，與薄內(nèi)襯材料104排列，其為典型上約100埃厚度的高品質(zhì)硅氧化物(SiO2)層，其為由以約60-200埃厚度的氮化硅(SiN)層覆蓋。
在基板100之后形成的該高品質(zhì)硅氧化物確保典型上少于約50飛安培/微米2的低泄漏(亦即，低陷位產(chǎn)生)電流，為得到此種低泄漏電流，在該基板100及該內(nèi)襯104間的基本上良好接口為需要的，該接口品質(zhì)由測(cè)量在硅接口的間隙能量狀態(tài)的密度決定，其為在該接口的電荷捕獲及/或懸掛鍵的數(shù)目之指示。在硅基板100及內(nèi)襯層104間的接口之間隙能量之能量狀態(tài)密度低于5E11公分-2電子伏特-1為較佳的。
熱硅氧化物已知為提供一種具結(jié)晶性硅基板的高品質(zhì)接口。對(duì)典型的熱生長(zhǎng)熱硅氧化物，在硅間隙能量的捕獲的接口密度為約，或少于1E11公分-2電子伏特-1及典型為約1E10公分-2電子伏特-1于(100)硅晶體平面。其它(110)硅晶體平面典型存在于該絕緣結(jié)構(gòu)及以約二至三的因子具些微更高的狀態(tài)接口密度。因此，在該內(nèi)襯104的熱硅氧化物層提供該高品質(zhì)接口，在該內(nèi)襯104的SiN部分亦提供有效的擴(kuò)散阻擋層。
該溝槽102的底部部份亦以不具空隙或接合線的經(jīng)回焊摻雜氧化物材料106填充，該摻雜氧化物典型上為BPSG，其它摻雜氧化物亦可被使用，如磷硅玻璃(PSG)、硼硅玻璃(BSG)、砷-摻雜二氧化硅或離子植入二氧化硅。接近該半導(dǎo)體基板100的上表面的該溝槽的最上方部份以覆蓋層108于摻雜氧化物頂部填充，如500埃厚度的高密度電漿(HDP)沉積氧化物層。該內(nèi)襯層104及該覆蓋層108用作擴(kuò)散阻擋層以防止在回悍方法期間或在其它熱方法期間摻雜劑，如硼、磷或砷摻雜劑，自摻雜氧化物的擴(kuò)散。此外，該內(nèi)襯材料104被選擇以允許可移動(dòng)金屬離子經(jīng)由該內(nèi)襯層104的有效擴(kuò)散。該覆蓋層108在后續(xù)加工步驟期間亦保護(hù)摻雜氧化物不與濕蝕刻劑接觸。
第2A-2F圖說明制造本發(fā)明溝槽結(jié)構(gòu)的方法步驟之順序，首先，如第2A圖所示，一或更多溝槽202典型上以至少5∶1的高度-與-寬度特性比被蝕刻。做為實(shí)例，100奈米寬溝槽以約600奈米深度被蝕刻，為說明目的，三個(gè)溝槽被示出，其由等于該溝槽寬度的距離彼此分開。然而，本發(fā)明方法亦適合用于單獨(dú)溝槽或用于具其它間隔的溝槽，在單一基板上蝕刻的溝槽寬度依特定裝置應(yīng)用亦廣泛變化。
溝槽202可以已知方式形成于基板200，典型上，一或更多蝕刻屏蔽層先被沉積于該基板200的表面，例如薄二氧化硅膜之后為較厚的氮化硅膜，選擇的硬屏蔽層或數(shù)層亦存在于該氮化硅層的頂部，此種硬屏蔽層或數(shù)層可包括各種摻雜氧化物如BPSG、BSG、PSG、FSG、或其類似物，及/或無定型硅層?？狗瓷渫繉涌杀贿x擇性地加至該硬屏蔽層頂部以藉由改變?cè)撜w層堆棧的反射性質(zhì)協(xié)助后續(xù)高解晰度微影步驟。
接著，抗蝕劑膜被沉積于該蝕刻硬屏蔽層或數(shù)層的頂部及以已知方式被曝光及顯玻璃影以形成至該蝕刻硬屏蔽層或數(shù)層的開孔。在曝光前，另一抗反射涂層可被選擇性地加至該抗蝕劑層頂部，此種頂部抗反射層可進(jìn)一步協(xié)助該高解晰度微影步驟。多重光曝光可被使用以較佳地定義或轉(zhuǎn)移該各種微細(xì)尺寸的特征，該蝕刻屏蔽層的曝光部份接著被蝕刻，且該抗蝕劑層可被移除。許多不類似的屏蔽層允許在切換蝕刻化學(xué)的更大彈性及改良每一蝕刻方法關(guān)于其下方層的選擇性。
之后，由在該蝕刻硬屏蔽層或數(shù)層的開孔曝光的該半導(dǎo)體基板的區(qū)域被蝕刻以形成該溝槽202。一些或所有該蝕刻屏蔽層可接著被移除。在一具體實(shí)施例中，摻雜氧化物硬屏蔽層被移除，但該墊SiN維持在原位直到該結(jié)構(gòu)由CMP完全平面化。
接著，如第2A圖所示，熱生長(zhǎng)硅氧化物的薄層被形成于該溝槽壁，在該氧化物生長(zhǎng)前，晶圓表面(包括該溝槽壁)較佳為被清潔以移除任何有機(jī)或金屬污染物。前氧化清潔可包括攜氧(如分子氧或臭氧)電漿處理以移除任何有機(jī)聚合物及/或包括工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)RCA清潔順序以移除離子及有機(jī)污染。該晶圓表面亦可被化學(xué)氧化已使用10-20埃厚度氧化物層密封該表面。該化學(xué)沉積氧化物防止在晶圓轉(zhuǎn)移至氧化工具期間的表面污染。
該氧化工具可為批式反應(yīng)器，如氧化爐，或單一晶圓工具，例如快速熱制程(RTP)。該氧化物藉由在攜氧氣體，如O3、O2、N2O、或NO存在下于典型為500℃至1100℃的范圍之溫度加熱該晶圓被熱生長(zhǎng)。自由基輔助熱氧化亦可被使用，其中氧自由基先自攜氧氣體使用激發(fā)制程被產(chǎn)生，該自由基輔助氧化可在范圍自室溫(約25℃)至1100℃的溫度進(jìn)行。加工時(shí)間、加工溫度、及主要氧化劑的分壓被選擇使得約20埃至約100埃的氧化物層被生長(zhǎng)，因?yàn)檩^高的氧化溫度產(chǎn)生較低的狀態(tài)的接口密度，超過800℃的氧化溫度為較佳的。
后續(xù)晶圓冷卻的速率亦影響該狀態(tài)的接口密度，較低的冷卻速率一般產(chǎn)生較低的狀態(tài)接口密度，故少于約5℃/分鐘的冷卻速率為較佳的。
然而，對(duì)自由基輔助氧化，該冷卻速率具在狀態(tài)的接口密度的較少影響，由此允許高的冷卻速率而無任何在氧化物品質(zhì)的不利影響。做為實(shí)例，同時(shí)蒸氣產(chǎn)生(ISSG)方法可被使用以在RTP反應(yīng)器由在減壓下的分子氫及氧的多步驟化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生氧自由基，10-50℃/秒的冷卻速率，該ISSG方法產(chǎn)生具可與典型爐子方法的狀態(tài)的接口密度相比之狀態(tài)的接口密度的氧化物。
后續(xù)加工步驟亦可改良該接口氧化物的品質(zhì)，做為實(shí)例，小的氫原子可鍵結(jié)為在該接口的懸掛鍵。在制造方法結(jié)束時(shí)所使用的標(biāo)準(zhǔn)形成氣體退火期間，小的氫分子快速地于相當(dāng)?shù)偷耐嘶饻囟?典型400-500℃)經(jīng)由相當(dāng)厚的中間連接層擴(kuò)散以修護(hù)該氧化物接口，形成氣體或氫退火亦可改良該接口氧化物的品質(zhì)。而且，高溫退火步驟亦為已知以改良該氧化物的接口品質(zhì)，該氧化物層在溫度高于約950℃的溫度變?yōu)轲ば缘募熬徍蜋C(jī)械應(yīng)力，其結(jié)果為減少在該接口上或在該接口附近的應(yīng)力誘發(fā)懸掛鍵及固定電荷之?dāng)?shù)目。
其它確保加工步驟會(huì)降級(jí)該氧化物的接口品質(zhì)，例如，在接口氮的大量堆積增加狀態(tài)的接口密度。因此，在接口氮原子的數(shù)目較佳為應(yīng)少于約25％在接口氧原子的數(shù)目。
根據(jù)本發(fā)明，該氧化物層以經(jīng)沉積氮化硅層覆蓋，最小氧化物厚度接著被由該SiN沉積方法定義，該氧化物應(yīng)足夠厚以防止在硅/硅氧化物接口的過量氮累積。依據(jù)氮化硅及特別氮前驅(qū)體的沉積溫度而定，該最小氧化物厚度應(yīng)介于20埃及50埃之間，該最大氧化物厚度典型上被限制以避免該溝槽特性比的不欲增加，做為實(shí)例，100埃厚度內(nèi)襯增加100奈米寬溝槽的特性比的20％。
薄的氮化硅內(nèi)襯層204，其典型上為自約60至約200埃厚，使用化學(xué)氣相沉積(CVD)或其它已知方法被沉積于該溝槽202的側(cè)邊及底部及該半導(dǎo)體基板200的頂部表面。在一具體實(shí)施例中，該氮化硅內(nèi)襯系由低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)沉積于爐子反應(yīng)器。LPCVD方法的較佳溫度范圍為自600℃至800℃，及在低于1托耳的較佳反應(yīng)壓力該LPCVD方法的較佳化學(xué)前驅(qū)體為DCS(二氯硅烷)及氨(NH3)。在較低溫度的LPCVD方法產(chǎn)生較不稠密的氮化硅膜，其包含高量的氫及/或硅。此種富含氫或硅膜為差的擴(kuò)散阻擋層，較高的沉積溫度亦造成在該接口的氮的大量累積，如上所述。
其它反應(yīng)條件及反應(yīng)器亦為合適的，例如低溫原子層或經(jīng)脈沖CVD反應(yīng)器在低于500℃的溫度生長(zhǎng)高品質(zhì)的氮化硅膜。
該氧化物/氮化物堆棧可被選擇性地退火以改善該氧化物接口品質(zhì)及該氮化硅做為有效擴(kuò)散阻擋層的能力，此種退火可于中性環(huán)境(如N2或Ar)或于氮化環(huán)境(如NH3或原子氮)進(jìn)行。較佳退火溫度范圍為自900℃至1100℃，及較佳退火時(shí)間范圍為自1秒至1小時(shí)。
接著，如第2C圖所示，摻雜氧化物材料層206被沉積，其填充該溝槽202及亦覆蓋該基板的頂部表面。摻雜氧化物典型上具約一半溝槽寬度的最小厚度，典型上，BPSG層使用CVD方法或其它已知方法，經(jīng)過其它可回焊膜(如BSG或離子植入玻璃可被使用)被沉積，該可回焊材料可被混合及/或以可移動(dòng)離子吸著材料，如PSG、砷-基底玻璃、或離子植入玻璃被層化。例如，BPSG為可回焊材料(BSG)及離子吸著材料(PSG)的混合。在BPSG中硼的量決定其流動(dòng)能力及磷的量決定其離子吸著性質(zhì)，硼及磷在摻雜氧化物中的濃度可被獨(dú)立地調(diào)整，在BPSG中較佳的硼濃度為自1至10重量百分率，且較佳的磷濃度為自0.1至10重量百分率，摻雜劑總濃度典型上被保持在低于約10重量百分率。
因?yàn)樵摐喜鄣母咛匦员?，空?07常形成于在該溝槽202內(nèi)的摻雜氧化物層206。為移除這些空隙，該基板于800℃或更高的溫度退火以回焊摻雜氧化物層206，如第2D圖所示?；睾覆襟E較佳為在900℃的溫度于批式爐中進(jìn)行約10分鐘或更久，或者在1000℃的溫度于單一晶圓RTP反應(yīng)器中進(jìn)行約1分鐘。
濕蝕刻步驟接著被進(jìn)行，如第2E圖所示。該濕蝕刻移除摻雜氧化物層206及位于該基板200頂部的該內(nèi)襯層204，該濕蝕刻亦自該溝槽202的最上方部份移除少部份的摻雜氧化物層及該內(nèi)襯層。典型上約500-1000埃厚度的該摻雜氧化物部份被自該溝槽頂部移除?；蛘?，干蝕刻或化學(xué)機(jī)械光(CMP)接著干或濕蝕刻的組合亦可被使用。
以高張力應(yīng)力材料填充的絕緣溝槽為高度不欲的因?yàn)樗麄優(yōu)閿?shù)個(gè)斷層的來源，其貢獻(xiàn)該漏電流。因而，該剩余的BPSG膜有利地顯現(xiàn)少于約+1千兆達(dá)因/公分2的相當(dāng)?shù)偷膹埩?yīng)力，與更典型使用的旋涂式玻璃(SOG)材料的更高張力應(yīng)力相對(duì)，其在高溫退火后典型上顯現(xiàn)在+2至+5千兆達(dá)因/公分2大小的張力應(yīng)力。
之后，如第2F圖所示，覆蓋層208被沉積以填充該摻雜氧化物被移除的該溝槽部份，該覆蓋層208典型上為500-1000埃厚度的HDP氧化物層，其它氧化物材料(如TEOS)可使用熱處理或化學(xué)氣相沉積(CVD)被沉積。依據(jù)該摻雜氧化物的起始厚度、溝槽深度、及存在于該基板的溝槽尺寸范圍而定，較厚的膜亦為有用的，HDP氧化物因其約-1至-2千兆達(dá)因/公分2的壓縮應(yīng)力而為較佳的，其補(bǔ)償在該摻雜氧化物層的中度張力應(yīng)力。結(jié)果，在該溝槽薄膜材料的總張力應(yīng)力被減少，由此減少在該基板100的斷層產(chǎn)生之機(jī)率。
典型上，該覆蓋層被沉積于該溝槽202及該基板200的頂部表面，及接著位于該基板頂部表面上的及位于該溝槽頂部的該覆蓋層部份由化學(xué)機(jī)械光(CMP)或其它平面化方法被移除。接著，蝕刻屏蔽層，典型上SiN，可由濕蝕刻移除。
在形成絕緣溝槽后，高速邏輯晶體管典型上于基板上被制造及需要至少一高溫步驟以活化定義該晶體管區(qū)域的摻雜劑。典型摻雜劑活化步驟系在自950℃至1050℃的溫度于RTP反應(yīng)器進(jìn)行1-30秒。其它高溫步驟在后絕緣區(qū)域制造順序，如熱氧化步驟、回焊退火、硅化退火、及高溫CVD沉積步驟，亦可能為需要的。所以，絕緣結(jié)構(gòu)必須與此種高溫步驟兼容。存在于該絕緣結(jié)構(gòu)的下方部分的氧化物摻雜劑應(yīng)被包含于該結(jié)構(gòu)內(nèi)，及該氧化物摻雜劑經(jīng)由該內(nèi)襯104進(jìn)入該基板100的滲透不應(yīng)與基板100的有用結(jié)構(gòu)沖突。
例如，該氧化物摻雜劑不應(yīng)改變?cè)摻^緣結(jié)構(gòu)所在的井的摻雜劑型式，雖然摻雜劑井可具非均勻三度空間摻雜劑數(shù)據(jù)，在絕緣結(jié)構(gòu)附近的最低摻雜劑濃度為最重要的，在井中摻雜劑之典型最小本底濃度范圍自約5E17公分-3至約1E18公分-3。故自該摻雜氧化物滲透進(jìn)入P-井的n-型式摻雜劑(如P或As)的濃度應(yīng)限制于約3E17公分-3。類似準(zhǔn)則可對(duì)p-型式摻雜劑(如B)建立，其自該摻雜氧化物滲透進(jìn)入N-井。對(duì)CMOS電路，于此該相同絕緣結(jié)構(gòu)被典型用于該P(yáng)-井及該N-井，在高溫步驟期間滲透進(jìn)入該基板的該氧化物摻雜劑之濃度不應(yīng)超過3E17公分-3之濃度位準(zhǔn)。
在DRAM-基底電路，其中兩種型式的絕緣結(jié)構(gòu)被使用，即一于該DRAM數(shù)組及一于該CMOS邏輯電路，該氧化物摻雜劑限制之準(zhǔn)則對(duì)每一摻雜劑可為不同的，一此種情況為垂直晶體管DRAM胞元，其中該垂直信道晶體管典型上位于該P(yáng)-井，n-型式摻雜劑(如P、As)的限制為3E17公分-3，如上所說明。然而，該p-型式摻雜劑(如B)可增加在井中摻雜劑之本底濃度而不會(huì)改變井型式，所以，p-型式摻雜劑限制的需求基本上較少使得在高溫步驟期間滲透進(jìn)入該P(yáng)-井的該p-型式摻雜劑的濃度不應(yīng)超過3E18公分-3之濃度位準(zhǔn)，其些微高于在該P(yáng)-井中該摻雜劑之典型本底濃度。P-井的松弛準(zhǔn)則為顯著的，因?yàn)榕穑錇榈湫偷膒-型式摻雜劑，擴(kuò)散較砷或磷(其為典型的n-型式摻雜劑)快速。
該摻雜劑限制準(zhǔn)則亦可以滲透進(jìn)入基板的摻雜劑量訂定，該摻雜劑量以穿過單位面積的擴(kuò)散阻擋層擴(kuò)散進(jìn)入該基板的摻雜劑量定義及使用末加工過的晶圓(一度空間)摻雜量度。典型而言，約1E11公分-2的劑量約略對(duì)應(yīng)于3E17公分-3的濃度限制，其中約1E12公分-2的劑量約略對(duì)應(yīng)于3E18公分-3的濃度限制。因此，各自限制準(zhǔn)則可以1E11公分-2及1E12公分-2的摻雜劑量定義。
第3-6圖顯示在BPSG層的1050℃、30秒退火后在結(jié)晶性硅基板的磷(P)及硼(B)濃度的深度數(shù)據(jù)，BPSG層由分別具20埃、40埃、60埃、及80埃的厚度之SiN層與基板分開，該深度數(shù)據(jù)使用二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)進(jìn)行，在測(cè)量該SIMS數(shù)據(jù)前，該BPSG層及該薄SiN阻擋層被自經(jīng)加工晶圓被移除。薄的俱生氧化物(~10埃)亦因暴露于，此濕氣而形成于該樣品表面，此可累積相當(dāng)大量硼。所以，大的硼的經(jīng)測(cè)度表面濃度可為樣品制備加工品。結(jié)果，該摻雜劑劑量準(zhǔn)則為判斷該阻擋層強(qiáng)度之較佳方式。
第5圖顯示對(duì)1050℃、30秒活化步驟60埃厚度SiN阻擋層為不足阻擋層，然而第6圖顯示80埃SiN阻擋層為N-井所足夠的，此處1050℃、30秒熱預(yù)算表示最惡劣的情況，然而典型接合活化熱預(yù)算為約或低于1000℃，及30秒。擴(kuò)散阻擋層的強(qiáng)度指數(shù)地依據(jù)溫度而定，結(jié)果，50℃的溫度降以約40％的3電子伏特的典型活化能緩和在擴(kuò)散阻擋層的厚度之要求，因此，該N-井保護(hù)準(zhǔn)則可以50埃厚度SiN阻擋層被滿足。
第7圖顯示在BPSG層(其由400奈米HDP覆蓋所覆蓋)的連續(xù)800℃、10分鐘及1050℃、90秒的退火后在HDP氧化物覆蓋的磷(P)及硼(B)的SIMS深度數(shù)據(jù)，在此種極端熱預(yù)算，進(jìn)入該HDP覆蓋的摻雜劑滲透不超過100奈米。在剩余300奈米的覆蓋的摻雜劑位準(zhǔn)系低于偵測(cè)限制，因此，100奈米厚的HDP覆蓋足夠有效阻擋摻雜劑滲透至該絕緣溝槽的頂部表面。
移動(dòng)離子自由地經(jīng)由氮化物阻擋層204擴(kuò)散及累積或吸著于該BPSG層206的能力被示于說明于表1的另一實(shí)驗(yàn)，此處，厚的BPSG吸著層使用具5奈米或12奈米厚度的氮化硅阻擋層與移動(dòng)離子來源層分開，于此處所使用的移動(dòng)離子源為一種經(jīng)沉積氧化硅層，其先前暴露于污染光致抗蝕劑以仿真存在于經(jīng)污染氧化物的鈉及鉀離子污染的典型污染量，即約1E11公分-2至4E10公分-2，雖然該污染被引入的方式不為重要的。樣品接著于不超過1000℃的溫度進(jìn)行典型的接合活化退火順序。做為控制樣品，該頂部經(jīng)沉積氧化物層的污染被避免，及約300奈米厚的BPSG層被進(jìn)一步包括于12奈米SiN阻擋層及經(jīng)沉積氧化物之間，該控制樣品亦進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)退火順序，鈉及鉀的分布接著使用該SIMS技術(shù)分析。
表1顯示在三個(gè)層中的每一的污染量，其單位為每單位面積的原子，此三層即(1)污染源(經(jīng)污染沉積氧化物層)，(2)擴(kuò)散阻擋層，及(3)BPSG吸著層。如上所指出，對(duì)控制樣品，該阻擋層包括SiN膜及頂部BPSG層。典型的退火順序包括數(shù)十秒的1000℃的接合活化退火及數(shù)十分的600-800℃的爐子回焊/氧化退火，對(duì)5奈米厚SiN阻擋層，所有離子由該BPSG層吸著，留下污染的原始來源幾乎不含離子。對(duì)12奈米厚SiN阻擋層，大部份離子留在該原始來源。如此，該5奈米厚SiN層該為移動(dòng)離子可透過的，然而，該12奈米厚SiN層防止離子由該BPSG層吸著。因此，氮化硅內(nèi)襯層204的厚度可被選擇使得其基本上阻擋該氧化物摻雜劑滲透進(jìn)入該晶體管井并提供對(duì)移動(dòng)離子的擴(kuò)散之些微電阻。
如此，本發(fā)明溝槽結(jié)構(gòu)具優(yōu)點(diǎn)為該溝槽以一種可被回焊以移除任何在其中形成的空隙或接合線(除了在該溝槽的側(cè)壁及底部之薄內(nèi)襯層及在該溝槽的頂部之薄覆蓋層)之材料填充。做為進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)，該內(nèi)襯層及該覆蓋層防止摻雜劑自摻雜氧化物材料至該基板及于回焊或其它熱加工期間所形成的任何裝置之?dāng)U散。做為進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)，該覆蓋層保護(hù)在任何后續(xù)濕蝕刻期間該摻雜氧化物層不致被損傷。
雖然，此處本發(fā)明已參考特定具體實(shí)施例敘述，要了解的是這些具體實(shí)施例僅為本發(fā)明的原則及應(yīng)用之說明，所以要了解的是數(shù)個(gè)改良可對(duì)該說明性具體實(shí)施例進(jìn)行及其它裝置可被發(fā)明而不偏離由所附申請(qǐng)專利范圍所定義的本發(fā)明精神及意旨。
權(quán)利要求
1.一種形成溝槽絕緣結(jié)構(gòu)于該基板的方法，該方法包括形成至少一開孔于該基板的表面；至少沿該開孔的底部及側(cè)壁沉積內(nèi)襯層；沉積摻雜氧化物材料層至少于該開孔；退火該基板以回焊在該開孔內(nèi)的該摻雜氧化物材料層；自在該開孔內(nèi)的該摻雜氧化物材料層移除僅接近該基板的該表面的部分；及在該開孔，沉積覆蓋層于該摻雜氧化物材料層的其余部分的頂部。
2.根據(jù)申請(qǐng)專利范圍第1項(xiàng)的方法，其中該基板包括一半導(dǎo)體材料。
3.根據(jù)申請(qǐng)專利范圍第1項(xiàng)的方法，其中形成開孔的該步驟包括形成屏蔽層于該基板的表面，圖案化及蝕刻該屏蔽層以曝光該基板部份，及蝕刻該基板的該曝光部份以形成該開孔于該基板。
4.根據(jù)申請(qǐng)專利范圍第1項(xiàng)的方法，其中在該基板的該開孔之深度-與-寬度特性比為至少5∶1。
5.根據(jù)申請(qǐng)專利范圍第1項(xiàng)的方法，其中該內(nèi)襯層包括氮化硅(SiN)層。
6.根據(jù)申請(qǐng)專利范圍第1項(xiàng)的方法，其中該內(nèi)襯層具厚度至少60埃。
7.根據(jù)申請(qǐng)專利范圍第1項(xiàng)的方法，其中該摻雜氧化物材料層系選自由下列所組成族群選出硼磷硅玻璃(BPSG)、硼硅玻璃(BSG)、磷硅玻璃(PSG)、砷摻雜玻璃或離子植入氧化物。
8.根據(jù)申請(qǐng)專利范圍第1項(xiàng)的方法，其中該沉積步驟沉積摻雜氧化物材料層，其具厚度為至少該溝槽深度的兩倍。
9.根據(jù)申請(qǐng)專利范圍第1項(xiàng)的方法，其中該退火步驟包括于至少800℃的溫度再加熱該基板至少10分鐘。
10.根據(jù)申請(qǐng)專利范圍第1項(xiàng)的方法，其中移除該摻雜氧化物材料層的上方部份之該步驟包括濕蝕刻該基板以移除在該開孔的該摻雜氧化物材料層的該上方部份。
11.根據(jù)申請(qǐng)專利范圍第1項(xiàng)的方法，其中移除該摻雜氧化物材料層的上方部份之該步驟包括移除位于該基板的該表面的頂部之該摻雜氧化物材料層的其它部份。
12.根據(jù)申請(qǐng)專利范圍第1項(xiàng)的方法，其中移除該摻雜氧化物材料層的上方部份之該步驟包括移除在該基板的該開孔的該內(nèi)襯層部份。
13.根據(jù)申請(qǐng)專利范圍第1項(xiàng)的方法，其中移除該摻雜氧化物材料層的上方部份之該步驟包括移除位于該基板的該表面的頂部之該內(nèi)襯層部份。
14.根據(jù)申請(qǐng)專利范圍第1項(xiàng)的方法，其中沉積覆蓋層的步驟包括氧化物層的高密度電漿(HDP)沉積。
15.根據(jù)申請(qǐng)專利范圍第1項(xiàng)的方法，其進(jìn)一步包括移除位于該基板的該表面的頂部之該覆蓋層部份。
16.一種形成溝槽絕緣結(jié)構(gòu)于該基板的方法，該方法包括形成至少一開孔于該基板的表面，在該基板的該開孔具深度-與-寬度特性比為至少5∶1；至少沿該開孔的底部及側(cè)壁沉積氮化硅(SiN)內(nèi)襯層，該SiN內(nèi)襯層具厚度至少60埃；沉積摻雜氧化物材料層至少于該開孔；于至少800℃的溫度退火該基板至少10分鐘以回焊在該開孔內(nèi)的該摻雜氧化物材料層；自在該開孔內(nèi)的該摻雜氧化物材料層移除接近該基板的該表面的約500埃厚度部分；及在該開孔，沉積高密度電漿(HDP)沉積氧化物層于該摻雜氧化物材料層的其余部分的頂部。
17.一種位于該基板的溝槽絕緣結(jié)構(gòu)，該溝槽絕緣結(jié)構(gòu)包括至少一開孔形成于該基板的表面；摻雜氧化物材料層位于該開孔及基本上填充所有該開孔除了接近該基板的該表面的區(qū)域；及覆蓋層位于該摻雜氧化物材料層的頂部之該開孔。
18.根據(jù)申請(qǐng)專利范圍第17項(xiàng)的溝槽絕緣結(jié)構(gòu)，其中該基板包括半導(dǎo)體材料。
19.根據(jù)申請(qǐng)專利范圍第1項(xiàng)的溝槽絕緣結(jié)構(gòu)，其中該開孔的深度-與-寬度特性比為至少5∶1。
20.根據(jù)申請(qǐng)專利范圍第17項(xiàng)的溝槽絕緣結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步包括位于該摻雜氧化物材料層及該開孔的底部與側(cè)壁之間的內(nèi)襯層。
21.根據(jù)申請(qǐng)專利范圍第20項(xiàng)的溝槽絕緣結(jié)構(gòu)，其中該內(nèi)襯層包括具厚度至少60埃的氮化硅(SiN)層。
22.根據(jù)申請(qǐng)專利范圍第17項(xiàng)的溝槽絕緣結(jié)構(gòu)，其中該摻雜氧化物材料層系選自由下列所組成族群選出硼磷硅玻璃(BPSG)、硼硅玻璃(BSG)、磷硅玻璃(PSG)、砷摻雜玻璃或離子植入氧化物。
23.根據(jù)申請(qǐng)專利范圍第17項(xiàng)的溝槽絕緣結(jié)構(gòu)，其中該摻雜氧化物材料層具起始厚度為至少該溝槽的深度的兩倍。
24.根據(jù)申請(qǐng)專利范圍第17項(xiàng)的溝槽絕緣結(jié)構(gòu)，其中該摻雜氧化物材料層包括摻雜氧化物材料的經(jīng)回焊層。
25.根據(jù)申請(qǐng)專利范圍第17項(xiàng)的溝槽絕緣結(jié)構(gòu)，其中該覆蓋層包括氧化物的高密度電漿(HDP)經(jīng)沉積層。
26.一種溝槽絕緣結(jié)構(gòu)形成于該基板，該溝槽絕緣結(jié)構(gòu)包括至少一開孔形成于該基板的表面，在該基板的該開孔具深度-與-寬度特性比為至少5∶1；位于至少沿該開孔的底部及側(cè)壁的氮化硅(SiN)內(nèi)襯層，該SiN內(nèi)襯層具厚度至少60埃；經(jīng)回焊摻雜氧化物材料層位于該開孔及基本上填充所有該開孔而除了接近該基板的該表面的區(qū)域的約500埃厚度部分；及位于該開孔的高密度電漿(HDP)沉積氧化物層于該摻雜氧化物材料層的頂部。
全文摘要
一種溝槽絕緣結(jié)構(gòu)被形成于該基板內(nèi)，一或更多開孔形成于該基板表面，及內(nèi)襯層被沉積于至少沿該開孔的底部及側(cè)壁。摻雜氧化物材料層被沉積于至少在該開孔，及該基板被退火以回焊該摻雜氧化物材料層，僅接近該基板表面的部分被自在該開孔內(nèi)的摻雜氧化物材料層被移除，覆蓋層被沉積于在該開孔的摻雜氧化物材料層的其余部分的頂部。
文檔編號(hào)H01L21/762GK1542941SQ20041003126
公開日2004年11月3日 申請(qǐng)日期2004年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月26日
發(fā)明者M·貝延斯基, O·格魯斯臣科夫, A·克諾爾, C·帕克斯, M 貝延斯基, 乘鉤伎品, 刀, 慫 申請(qǐng)人:因芬尼昂技術(shù)股份公司, 國際商業(yè)機(jī)器公司