專利名稱：形成無空隙溝槽隔離層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路器件的隔離技術(shù)。更具體而言，本發(fā)明涉及在高密度等離子體化學氣相沉積(HDP-CVD)設(shè)備中利用He氣形成無空隙溝槽隔離層的方法。
背景技術(shù)：
淺溝槽隔離(STI)是半導(dǎo)體集成電路中最廣泛使用的絕緣或隔離各元件的技術(shù)之一。通過STI形成的隔離區(qū)或?qū)诱加幂^小的面積，同時提供良好的隔離質(zhì)量，因此適用于較高集成的IC器件。
隨著集成度的增加，需要在具有等于或大于3的較大深寬比(aspect ratio)的淺溝槽中形成填充氧化物材料的無空隙隔離層。
由于缺少加工裕度(process margin)，在根據(jù)DAS 130nm FCT(鑄造相容技術(shù))的光刻過程中經(jīng)常出現(xiàn)空隙，這導(dǎo)致諸如大量晶片報廢和需要對晶片進行再加工的損失。為了解決該問題，應(yīng)發(fā)明另一種制造方法來確保足夠的加工裕度。然而，該方案是困難的并且不具有成本效率。因此，需要通過改進溝槽隔離方法來獲得較寬的裕度。
在溝槽隔離形成方法中，HDP-CVD設(shè)備用于在淺溝槽中形成氧化物膜。所述氧化物膜通過在HDP-CVD系統(tǒng)中沉積和同時濺射反應(yīng)氣體的組合來沉積。具體而言，通過高密度等離子體源將SiH4和O2的氣體混合物解離成離子，所解離的離子形成SiOx。此處，O2有助于氧化物層的沉積，同時有助于通過施加至反應(yīng)室的偏壓功率進行的濺射。
在HDPCVD設(shè)備中形成氧化物膜的過程中，沉積和濺射之比用“D/S”(“沉積-濺射蝕刻比”或簡稱“濺射蝕刻比”)表示，定義為“(凈沉積速率+毯覆式濺射速率)/(毯覆式濺射速率)”。D/S值決定HDP-CVD過程的間隙填充能力。當D/S大時，沉積速率大于濺射速率，氧化物層的形成主要取決于沉積而不是通過反應(yīng)氣體的濺射。同時，較低的D/S表示在氧化物層的形成中以通過反應(yīng)氣體的濺射為主。因此，較低的D/S有利于深寬比為3或更大的較大溝槽的間隙填充，因為濺射防止溝槽孔洞在完成間隙填充之前關(guān)閉。然而，如果比率(D/S)太小，那么溝槽圖案會被濺射除去。因此，根據(jù)加工條件選擇合適的D/S值很重要。
傳統(tǒng)的溝槽隔離在HDPCVD設(shè)備中通過利用作為氧化物形成氣體的SiH4和O2形成。然而，當使用具有大的原子半徑的分子如O2離子時，從O2原子濺射出的離子與反應(yīng)氣體碰撞，并且可以在溝槽上部轉(zhuǎn)角中引起側(cè)壁上氧化物的再沉積。這是因為當寬度小于150nm的溝槽利用單一的O2氣填充時，難以形成無空隙氧化物膜。此外，利用O2形成的溝槽隔離在波高方面具有較大差異，并因此會在隨后的過程如化學機械拋光(CMP)過程中產(chǎn)生晶片缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在HDPCVD設(shè)備中利用He氣形成沒有空隙的寬度為130nm的溝槽隔離。
本發(fā)明的另一目的是在利用He氣的HDP-CVD過程中確保130nm器件的加工裕度。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，形成溝槽隔離的方法包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底中的隔離區(qū)內(nèi)形成溝槽；和在半導(dǎo)體襯底上形成填充氧化物以填充溝槽。通過HDP-CVD方法并利用包括O2、SiH4和He的反應(yīng)氣體混合物形成填充氧化物。
在本發(fā)明的實施方案中，填充氧化物的形成以兩步法進行，所述兩步法包括在沉積速率大于濺射速率的第一D/S值的第一加工條件下，用填充氧化物第一次填充溝槽；和在第二D/S值小于第一D/S值的第二加工條件下，用填充氧化物第二次填充溝槽。此處D/S值定義為“(凈沉積速率+毯覆式濺射速率)/(毯覆式濺射速率)”。第一D/S值和第二D/S值的沉積速率通過SiH4-頂部的流量進行控制，濺射速率通過偏壓功率進行控制。第一D/S值等于或大于33.6。


本發(fā)明的上述和其它特征和優(yōu)點將通過參照附圖詳細描述其優(yōu)選實施方案而變得更加明顯，其中圖1示出根據(jù)本發(fā)明實施方案的溝槽隔離形成法；圖2是描述各種條件下的D/S的圖；圖3是描述根據(jù)采用O2的HDPCVD法中的D/S的溝槽填充能力的圖；圖4示出在采用O2的HDPCVD法中溝槽填充的SEM橫截面；圖5是描述根據(jù)采用He的HDP-CVD溝槽填充法中的D/R和S/R的D/S條件的表；圖6是描述在根據(jù)采用He的HDP-CVD溝槽填充法中的D/S的溝槽空隙的尺寸和位置的圖；圖7是示出當D/S值分別為(a)12.9，(b)19.7和(c)33.6時，溝槽間隙填充的SEM照片；和圖8是示出根據(jù)采用He的HDPCVD法中的D/S的溝槽填充能力的圖。
具體實施例方式
圖1描述根據(jù)本發(fā)明實施方案的形成溝槽隔離的方法。
參照圖1，利用傳統(tǒng)光刻法在硅襯底10的隔離區(qū)中形成溝槽11。
在溝槽11和襯底10的整個表面上均形成氮化硅層12。氮化硅層12可以通過低壓化學氣相沉積(LPCVD)形成，其厚度為約20nm。沉積氮化硅層12的目的是減小溝槽11的寬度和深度。當沉積氮化硅層12時，溝槽11具有約120nm-130nm的寬度和約360nm-370nm的深度。
接下來，氧化物20在溝槽11內(nèi)形成或填充。HDPCVD設(shè)備可以用于在下列條件下填充氧化物11引入腔室側(cè)面的SiH4-側(cè)面沉積氣體的流量為約59sccm(標準狀態(tài)毫升/分鐘)，引入腔室頂部的SiH4-頂部的流量為約8.1sccm。此外，引入腔室側(cè)面的O2和He的流量設(shè)定為約109sccm的O2-側(cè)面和約100sccm的He-側(cè)面。在該實施方案中，不同于僅采用O2的現(xiàn)有技術(shù)，而是加入具有較小原子半徑的He，因此等離子體的電勢增加，并且等離子體的密度提高，從而使得溝槽的氧化物填充得以增強。此外，采用具有較小原子半徑的He作為濺射氣體，使得由從He中濺射的離子與反應(yīng)物氣體的碰撞引起的在離子溝槽頂部表面兩側(cè)的再沉積可以減少，并且溝槽11被氧化物20無空隙地填充。由此，顯然與僅采用O2的傳統(tǒng)技術(shù)相比，加入He對于使用氧化物的無空隙溝槽填充而言是有利的。
隨后，在下列條件下通過HDP CVD形成溝槽隔離層。腔室中的真空壓力為約3mTorr(毫托)，硅襯底的溫度保持為約700℃。偏壓功率在1935W和2365W之間變化以控制D/S，通過改變D/S來實施兩步法以形成溝槽隔離層。在第一步驟(沉積1，D1)中，沉積速率大于濺射速率(較大的D/S值，為約33.6)，并且在溝槽內(nèi)產(chǎn)生突出物之前用氧化物迅速填充溝槽。在第二步驟(沉積2，D2)中，D/S小于第一較高D/S值，以完成溝槽隔離層，同時除去溝槽孔洞側(cè)壁處的突出物。沉積速率通過控制反應(yīng)物氣體SiH4-側(cè)面/SiH4-頂部的流量來確定，濺射速率通過控制施加到反應(yīng)室的偏壓功率來確定。
因此，所形成的溝槽隔離層在波高21方面具有較小的差異，并且可以防止在后續(xù)化學機械拋光(CMP)工藝中可能出現(xiàn)的晶片缺陷。
接下來說明反應(yīng)物氣體混合物SiH4和O2與反應(yīng)物氣體混合物SiH4、O2和He相比時的間隙填充特征。
圖2示出當將SiH4和O2用于反應(yīng)物氣體混合物時各種條件下的D/S特征。當參數(shù)如SiH4比、RF(射頻)功率、偏壓功率和O2比不同于傳統(tǒng)的記錄方法(PoR)時，觀察D/S和膜厚均勻度。如圖2中所示，D/S主要受到偏壓功率的影響。這可以解釋為偏壓功率的變化引起加速O2的離子密度、濺射速率的變化和D/S的急劇變化。因此，本發(fā)明人通過使用氣體混合物SiH4和O2使得偏壓功率成為主要變量來分析間隙填充特征。
圖3描述當采用SiH4和O2作為反應(yīng)物氣體混合物并且改變偏壓功率時的溝槽填充能力，在6.5-8.5的D/S范圍內(nèi)觀察到空隙。在圖3中，標記“X”是指“具有空隙”，而標記“O”表示“沒有空隙”。
如圖3中所示，當D/S為7.3時，在具有150nm寬度的溝槽中沒有觀察到空隙，而當D/S是6.5或8.5時產(chǎn)生空隙。此外，當溝槽寬度小于150nm時，即使D/S為7.3也產(chǎn)生空隙22，如圖4中的掃描電子顯微鏡(SEM)照片所示。也就是說，當使用O2時，無空隙溝槽的寬度限制為至多150nm。
接下來，說明當反應(yīng)物氣體混合物包括SiH4、O2和He時的溝槽填充特征。
溝槽填充方法以兩步驟實施。在第一步驟(D1)中，溝槽以沉積速率大于濺射速率的較高D/S填充。然后在第二步驟(D2)中使用濺射速率大于沉積速率的較低D/S來填充溝槽。在第二步驟過程中，移除溝槽側(cè)壁處的突出物。
圖5描述了在改變第一步驟(D1)和第二步驟(D2)中的D/S值時，根據(jù)D/S的溝槽填充特征。在圖5中，D/R指沉積速率，S/R指濺射速率。
圖6示出在第一步驟(D1)中從溝槽底部表面產(chǎn)生的空隙的尺寸和位置。第二步驟(D2)以固定的較低D/S值5.9開始，以移除在第一步驟(D1)中產(chǎn)生的突出物。如圖6中所示，隨著D/S值增加，空隙的位置遠離溝槽的底部表面，同時空隙尺寸變得更小。原因是當D/S較大時，溝槽填充在沉積期間產(chǎn)生突出物之前快速進行。這由圖7證實，圖7示出隨著第一步驟(D1)中所用的D/S值從(a)12.9上升到(b)19.7，空隙22產(chǎn)生的次數(shù)下降，同時在(c)33.6的較高D/S值時觀察到?jīng)]有空隙。
溝槽填充能力對于反應(yīng)混合物SiH4、O2和He的依賴性示于圖8中。無空隙溝槽填充可以在第一步驟(D1)中以10-20的較低D/S值至多達到140nm的溝槽寬度，當D/S值變大達到33.6時，直至溝槽寬度減小至130nm都沒有空隙產(chǎn)生。
如上所述，采用SiH4和O2作為反應(yīng)氣體混合物的傳統(tǒng)方法和根據(jù)本發(fā)明使用SiH4、O2和He氣體混合物的方法之間溝槽填充能力的比較揭示了以下事實。在僅將O2用于附加氣體的傳統(tǒng)方法中，具有370nm深度的無空隙溝槽的最小溝槽寬度為約150nm，且深寬比為2.47。相反，利用將He用于附加氣體的本發(fā)明方法，可以通過控制第一步驟(D1)和第二步驟(D2)中的D/S值來獲得溝槽寬度為130nm(深寬比為2.85)的無空隙溝槽。該結(jié)果與傳統(tǒng)的O2方法相比提高了15％。
因此，本發(fā)明可以在利用He的HDP-CVD法中為130nm水平的器件確保足夠的加工裕度，這使得在光刻工藝中節(jié)約晶片再加工的成本、防止晶片報廢以及提高半導(dǎo)體IC器件的生產(chǎn)率和良率。
此外，本發(fā)明可以在HDP-CVD法中利用He形成無空隙隔離區(qū)或?qū)印?br> 雖然已經(jīng)參照附圖具體示出和描述了本發(fā)明的實施方案，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以在不背離如所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明精神和范圍的情況下，可以在形式和細節(jié)方面進行各種變化和修改。
權(quán)利要求
1.形成溝槽隔離的方法，包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底中的隔離區(qū)內(nèi)形成溝槽；在半導(dǎo)體襯底上形成填充氧化物以填充溝槽；和通過高密度等離子體化學氣相沉積(HDP-CVD)過程并利用包括O2、SiH4和He的反應(yīng)物氣體混合物形成所述填充氧化物。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中形成填充氧化物的步驟包括以下子步驟在沉積速率大于濺射速率的第一D/S值的第一加工條件下，用填充氧化物第一次填充溝槽；和在第二D/S值小于第一D/S值的第二加工條件下，用填充氧化物第二次填充溝槽，并且其中D/S值定義為“(凈沉積速率+毯覆式濺射速率)/(毯覆式濺射速率)”。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中第一D/S值和第二D/S值的沉積速率通過SiH4-頂部的流量進行控制，濺射速率通過偏壓功率進行控制。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中第一D/S值等于或大于33.6。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在實施形成填充氧化物的步驟之前，在溝槽中和半導(dǎo)體襯底的整個表面上均形成氮化硅。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中氮化硅通過低壓化學氣相沉積(LPCVD)形成，并且具有20nm的厚度。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中填充氧化物的形成條件為引入腔室側(cè)面的SiH4-側(cè)面沉積氣體的流量為約59sccm和引入腔室頂部的SiH4-頂部的流量為約8.1sccm。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中引入到腔室側(cè)面的O2和He的流量設(shè)定為約109sccm的O2-側(cè)面和約100sccm的He-側(cè)面。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中反應(yīng)室的真空壓力為3mTorr，半導(dǎo)體襯底的溫度保持為700℃。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中偏壓功率在1935W-2365W之間變化。
全文摘要
公開了形成無空隙隔離的方法，包括以下步驟在半導(dǎo)體襯底中的隔離區(qū)內(nèi)形成溝槽；和在半導(dǎo)體襯底上形成填充氧化物以填充溝槽。通過HDP－CVD法并利用包括O
文檔編號H01L21/02GK1913122SQ20061010980
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月12日
發(fā)明者樸慶敏 申請人:東部電子株式會社