一种半导体结构的制造方法与流程

1.本发明属于集成电路技术领域，特别是涉及一种半导体结构的制造方法。


背景技术：

2.浅沟槽隔离结构(shallow trench isolation，sti)是集成电路中重要的结构，其可防止相邻的半导体器件之间的电流泄漏，以及发挥其他电学性能的作用。浅沟槽隔离的台阶高度影响器件的性能，台阶高度过低时，台阶与垫氧化层之间的拐角处有应力集中，会形成凹陷，在使用时，导致有源区漏电。台阶高度过高时，会在后续对栅极刻蚀的工艺中导致浅沟槽隔离结构的台阶与衬底形成的拐角处残留有多晶硅，进而导致半导体元件产生短路的现象。
3.目前浅沟槽隔离结构的台阶高度，一般采用两步刻蚀工艺形成，先通过氢氟酸对浅沟槽结构进行刻蚀，再通过热磷酸对氮化硅进行刻蚀。刻蚀工艺较为复杂，台阶高度较难控制，且成本较高，生产周期也会相对较长。因此，如何准确控制台阶的高度，以及简化工艺成为亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种半导体结构的制造方法，采用一步法刻蚀形成台阶，制造方法操作简单方便，缩短工艺时间，且能够准确控制台阶高度，解决了电性，良率不稳定的问题。
5.为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：本发明提供一种半导体结构的制造方法，其包括：提供一衬底；在所述衬底上形成垫氧化层；在所述垫氧化层上形成垫氮化层；蚀刻所述垫氧化层、所述垫氮化层和部分所述衬底，形成浅沟槽；在所述浅沟槽内形成内衬氧化层；在所述浅沟槽内沉积隔离介质形成浅沟槽隔离结构；以及蚀刻所述垫氮化层和部分所述浅沟槽隔离结构，以使所述浅沟槽隔离结构和所述垫氧化层形成台阶。
6.在本发明公开的一些实施例中，通过第一次刻蚀所述垫氮化层、所述垫氧化层和部分所述衬底，形成开口。
7.在本发明公开的一些实施例中，通过第二次刻蚀所述开口内的部分所述衬底，形成所述浅沟槽。
8.在本发明公开的一些实施例中，所述内衬氧化层的形成方法包括：在温度为500~650℃，压力为10~20t的条件下，向所述浅沟槽内通入混有少量氢气的氧气，所述氧气与所述浅沟槽的侧壁反应生成氧化层。
9.在本发明公开的一些实施例中，所述浅沟槽隔离结构的形成步骤包括：在所述浅沟槽内沉积所述隔离介质；以及平坦化所述隔离介质和部分所述垫氮化层，以使所述隔离介质与所述垫氮化层高度一致；其中，平坦化后的所述垫氮化层的厚度为40~150nm。
10.在本发明公开的一些实施例中，采用湿法刻蚀同步去除所述垫氮化层和部分所述浅沟槽隔离结构。
11.在本发明公开的一些实施例中，所述湿法刻蚀的刻蚀液包括氢氟酸，且所述氢氟酸中氟化氢的质量分数为45~55%。
12.在本发明公开的一些实施例中，所述湿法刻蚀的刻蚀液还包括乙二醇，且所述乙二醇和所述氢氟酸的体积比为1:10~1:40。
13.在本发明公开的一些实施例中，所述湿法刻蚀制程中所述浅沟槽隔离结构和所述垫氮化层的刻蚀选择比为1:1.2~1:2。
14.在本发明公开的一些实施例中，所述湿法刻蚀的步骤包括：将所述氢氟酸和所述乙二醇混合得到所述刻蚀液；将所述刻蚀液温度升至60~90℃；以及将所述衬底与所述刻蚀液反应100~500s。
15.本发明提供一种半导体结构的制造方法，在刻蚀形成浅沟槽后，通过在浅沟槽内沉积一层内衬氧化层，能够修复沟槽表面的损伤，并在浅沟槽底部形成圆角，较少尖角漏电现象，提高器件的电性和良率。通过使用氢氟酸和乙二醇的混合溶液作为刻蚀液，由于氢氟酸和乙二醇的混合溶液对垫氮化层和隔离介质的刻蚀选择比不同，可以对垫氮化层和隔离介质同步进行刻蚀。通过控制氢氟酸和乙二醇的混合比例和刻蚀温度，控制对垫氮化层和隔离介质的刻蚀选择比，对台阶的高度选择有了极大的自由。因此，本发明提供一种半导体结构的制造方法，简化了制备浅沟槽隔离结构的制程，采用同步蚀刻浅沟槽隔离结构和垫氮化层，降低工艺的复杂程度及生产成本，且缩短生产周期，具有广泛的应用前景。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明提供的一种半导体结构的制造方法的流程示意图。
18.图2为对应步骤s1中在硅衬底上形成垫氮化层和垫氧化层时的结构示意图。
19.图3为对应步骤s2中在垫氮化层、垫氧化层和硅衬底形成开口时的结构示意图。
20.图4为对应步骤s3中形成隔离沟槽时的结构示意图。
21.图5为对应步骤s4中形成内衬氧化层时的结构示意图。
22.图6为对应步骤s5中形成隔离介质时的结构示意图。
23.图7为对应步骤s6中对隔离介质化学机械抛光后的结构示意图。
24.图8为对应步骤s7中一步蚀刻垫氮化层和浅沟槽隔离结构后的结构示意图。
25.标号说明：110硅衬底；120垫氧化层；130垫氮化层；140开口；150a浅沟槽；150浅沟槽隔离结构；160内衬氧化层；170台阶；101圆角；200隔离介质；α倾斜角；h台阶高度；s1~s7步骤。
具体实施方式
26.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
27.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
28.在本发明中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”仅用于描述和区分目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
29.本发明提供一种半导体结构的制造方法，在浅沟槽形成后，填充隔离介质形成沟槽隔离结构。将隔离介质采用研磨方法将沟槽隔离结构与垫氮化物层高度一致后，采用一步刻蚀法，同步刻蚀垫氮化层和隔离介质，以形成浅沟槽隔离结构的台阶，并通过蚀刻条件的改变，精准控制台阶的高度。
30.如图1所示，在本发明提供的不同实施例中，浅沟槽隔离结构的制造方法可包括以下步骤：s1、于一衬底上形成垫氧化层和位于垫氧化层上的垫氮化层。
31.s2、刻蚀垫垫氧化层、垫氮化层以及部分衬底，形成开口。
32.s3、在开口位置，继续刻蚀，形成浅沟槽。
33.s4、在浅沟槽内形成一层内衬氧化层。
34.s5、在浅沟槽中填充浅沟槽隔离介质，以形成浅沟槽隔离结构，直至隔离介质覆盖垫氮化层。
35.s6、化学机械抛光，使浅沟槽隔离介质与两边垫氮化层高度一致。
36.s7、同时刻蚀垫氮化层和浅沟槽隔离结构，以在垫氧化层和浅沟槽隔离结构之间形成台阶。
37.如图2所示，本发明提供的实施例中，衬底110例如硅衬底，进一步地可以为单晶硅、多晶硅或非晶硅，当然衬底110也可以包括掺杂的硅。衬底110的厚度没有特别限定，可以根据实际制程中的需要进行选择。本发明并不限制衬底110的材质，在其他实施例中，衬底110可选用不同材质的衬底，例如选择氮化物衬底、蓝宝石衬底或硅衬底等。
38.如图2所示，本发明提供的实施例中，在步骤s1中，在衬底110上形成垫氧化层120，垫氧化层120例如为致密的氧化硅，例如可以通过热氧化法在衬底110上形成垫氧化层120。
具体可将衬底110放入例如900～1150℃温度下的炉管中，向炉管中通入氧气，衬底110与氧气在高温下反应，生成致密的垫氧化层130。垫氧化层120的厚度例如为10~50nm，具体例如30nm、40nm、45nm或50nm等。本发明并不限制垫氧化层120的形成方法，在其他实施例中，垫氧化层120还可以通过化学气相沉积法（chemical vapor deposition，cvd）形成。
39.如图2所示，本发明提供的实施例中，在步骤s1中，在垫氧化层120上形成垫氮化层130，垫氮化层130例如为氮化硅（nitride，sin）或氮化硅和氧化硅的混合物。其中，垫氧化层120作为缓冲层可以改善衬底110与垫氮化层130之间的高应力。在本发明中，例如可以通过低压化学气相淀积（low pressure chemical vapor deposition，lpcvd）法形成垫氮化层130于垫氧化层120上。具体例如将带有垫氧化层120的衬底110放置于充有二氯硅烷与氨气的炉管内，在压力例如为2~10t，具体例如为8t，且在温度例如为700~800℃下反应，具体例如为750℃的条件下，沉积垫氮化层130。且可以通过控制加热时间调整垫氮化层130的厚度，在一些实施例中，加热时间例如为50~190min，垫氮化层130的厚度例如为50nm~200nm，具体例如为60nm、75nm、80nm、100nm、150nm、180nm或200nm等。垫氮化层130可保护衬底110免受浅沟槽隔离结构制造过程中涉及的化学机械抛光平坦化制程（chemical mechanical polishing，cmp）工艺的影响。且垫氮化层130在浅沟槽形成过程中，可以作为掩膜，在对衬底110进行刻蚀时，保护其他部位的衬底110不受损害。
40.如图3所示，本发明提供的实施例中，浅沟槽的形成过程包括第一次刻蚀和第二次刻蚀，在步骤s2中，对衬底110以及设置在衬底110上的垫氧化层120和垫氮化层130进行第一次刻蚀。具体例如可以利用旋涂法在垫氮化层130上形成光刻胶层，经过曝光，显影工艺，在光刻胶层上形成光刻图案，获得一图案化光阻层（图中未显示），图案化光阻层用于定义开口的位置。在形成图案化光阻层后，以该图案化光阻层为掩膜，利用干法刻蚀定量地去除位于光刻图案下的垫氮化层130、垫氧化层120和部分衬底110，得到开口140。其中，开口140用于定义浅沟槽的位置，在本实施例中，例如刻蚀10~50nm的衬底110，然后去除图案化光阻层。通过第一次刻蚀，形成开口140，以定位浅沟槽的形成位置，且将浅沟槽的蚀刻过程分两步进行刻蚀，能够防止在图案化过程中，光阻太厚，造成光阻剥离。
41.如图4所示，本发明提供的实施例中，在形成开口140后，对衬底110进行第二次刻蚀。在第二次刻蚀中，以垫氮化层130为掩膜，例如干法刻蚀衬底110，在开口140的位置形成浅沟槽150a，浅沟槽150a具有倾斜的侧壁，且倾斜角α例如为85~90
°
，浅沟槽150a的顶部开口宽度较大，以利于后续的制程作业。其中，在干刻蚀制程形成浅沟槽150a的过程使用的刻蚀气体例如可以是氯气（cl2）、氟甲烷（cf3）、二氟甲烷（cf2）、三氟化氮（nf3）、六氟化硫（sf6）、溴化氢（hbr）、氮气（n2），或它们和氧气（o2）组合，具体例如为cl2、n2和o2的混合气体。基于其各向异性的特点，因此浅沟槽150a的底部拐角几乎为直角角部，其在后续的沉积隔离介质200和封装半导体器件时存在潜在的漏电等问题。
42.如图5所示，本发明提供的实施例中，在形成浅沟槽150a后，在浅沟槽150a内形成一内衬氧化层160。在本实施例中，在浅沟槽150a内，例如在500~650℃以及压力例如为10~20t的条件下，通入混有少量氢气（h2）的氧气（o2），氢气和氧气在浅沟槽150a内的硅表面上形成水蒸气、oh自由基、o自由基等物质的混合物，由于氢气和氧气的反应产物不与垫氧化层120以及垫氮化层130反应，所以只在衬底110部分的浅沟槽150a的内侧，与硅衬底的表面反应，产生氧化硅，以形成线型内衬氧化层160。且内衬氧化层160会在浅沟槽150a的底部拐
角处沉积，形成圆角101，圆角101能够减小接触面积，解决潜在漏电的问题。且内衬氧化层160还可以修复刻蚀时浅沟槽150a边缘表面的损伤，提高器件的电性和良率。
43.如图6所示，本发明提供的实施例中，在步骤s5中，在浅沟槽150a内以及浅沟槽150a顶部沉积隔离介质200，隔离介质200直至覆盖垫氮化层130的表面。本发明并不限制隔离介质200的沉积方式，例如可以通过高密度等离子体化学气相淀积（high density plasma cvd，hdp-cvd）或高深宽比化学气相淀积（high aspect ratio process cvd，harp-cvd）等沉积方式，以形成相应的隔离介质200。且隔离介质200的厚度例如为300～1200nm，具体例如为350nm、560nm、750nm、890nm、970nm或1200nm等。在沉积隔离介质200之后，可进行高温回火制程，例如在800~1200℃对隔离介质200进行退火，以增加隔离介质200的密度和应力情况。在本实施例中，隔离介质200例如为对研磨具有较高适应力的氧化硅，在其他实施例中，隔离介质200还可以为氟硅玻璃等绝缘材料。
44.如图7所示，本发明提供的实施例中，在步骤s6中，对步骤s5完成后的隔离介质200进行平坦处理，例如利用化学机械抛光（chemical mechanical polishing，cmp）工艺平坦化隔离介质200和部分垫氮化层130，并使浅沟槽隔离结构150与两侧的垫氮化层130的高度一致。经过刻蚀和研磨工艺后，垫氮化层130的厚度例如为40~150nm，例如60nm、75nm、90nm、120nm。
45.如图8所示，在步骤s7中，对抛光后的垫氮化层130和浅沟槽隔离结构150进行同时刻蚀，例如湿法刻蚀。湿法刻蚀的刻蚀液例如由氢氟酸（hf）和乙二醇（eg）混合配制，且氢氟酸和乙二醇的混合溶液对氮化硅和氧化硅的刻蚀选择比不同。其中，氢氟酸选用氟化氢质量分数例如为45%~55%的氢氟酸水溶液，具体选用例如为49%的氢氟酸水溶液与乙二醇混合均匀，且刻蚀液中氢氟酸水溶液与乙二醇的体积比例如为1:10~1:40。在本实施例中，在刻蚀温度例如为60~90℃，对垫氮化层130和浅沟槽隔离结构150进行同时刻蚀，且刻蚀时间例如100~500s。通过采用氢氟酸和乙二醇的混合溶液作为刻蚀液，可以同步对垫氮化层130和浅沟槽隔离结构150进行刻蚀。
46.如图8所示，本发明提供的实施例中，垫氮化层130例如为sin，浅沟槽隔离结构150例如为sio2。刻蚀液例如为49%的氢氟酸水溶液与乙二醇的混合溶液，且氢氟酸水溶液与乙二醇的体积比例如为1:24，在70~80℃时，刻蚀液对sio2和sin的刻蚀选择比为1:1.5。由于垫氮化层130和浅沟槽隔离结构150在步骤s6之后高度一致，在进行刻蚀时，sin的刻蚀速度较快，会在垫氮化层130和浅沟槽隔离结构150之间形成台阶，控制反应时间，即可对台阶的台阶高度（step height）进行选择。在本实施例中，台阶高度h例如为10~60nm，具体例如为10nm、20nm、30nm、40nm或50nm等。
47.如图8所示，本发明提供的实施例中，可通过对垫氮化层130和浅沟槽隔离结构150的高度进行选择，固定刻蚀液的比例，通过控制刻蚀前垫氮化层130的高度，确定刻蚀时间，保证垫氮化层130刚好刻蚀完全，以形成不同的台阶高度。例如刻蚀前垫氮化层130的高度为90nm，采用上述刻蚀液进行刻蚀，当垫氮化层130刚好刻蚀完全，此时，浅沟槽隔离结构150刻蚀了60nm，在垫氧化层120与浅沟槽隔离结构150形成的台阶高度h为30nm。
48.如图8所示，本发明提供的实施例中，可以在制备过程中，选择固定的垫氮化层130和浅沟槽隔离结构150的高度，通过对氢氟酸水溶液与乙二醇的混合比例及刻蚀温度进行选择，进而控制对氮化层和氧化层的不同刻蚀选择比，在本实施例中，通过控制混合比列，
刻蚀液对氮化层和氧化层的刻蚀选择比例如为1:1.2~1:2，从而可做到一步形成不同高度的台阶高度。通过一步刻蚀工艺，降低了工艺的复杂程度及生产周期。
49.如图8所示，本发明提供的实施例中，在对垫氮化层130和浅沟槽隔离结构150进行刻蚀时，整批衬底进入刻蚀液进行刻蚀，刻蚀完成后，立即取出，整批进入水槽中冲洗，冲洗干净后烘干，即完成浅沟槽隔离结构的制备。可使用该浅沟槽隔离结构应用到半导体器件中，获得半导体器件隔离结构。
50.综上所述，本发明提供的一种半导体结构的制造方法是通过在衬底上沉积垫氧化层和垫氮化层，通过两步刻蚀垫氮化层、垫氧化层以及衬底，形成了浅沟槽。通过在浅沟槽内形成氧化物，以生成内衬氧化层。在浅沟槽内沉积隔离介质层且覆盖垫氮化层，平坦化隔离介质层，以形成浅沟槽隔离结构。通过采用湿法刻蚀，对垫氮化层和浅沟槽隔离结构同步刻蚀，去除垫氮化层，在垫氧化层和浅沟槽隔离结构形成台阶，通过控制刻蚀液中各组分的比例和刻蚀温度，形成不同高度的台阶。通过本发明提供的半导体结构的制造方法，可以提高半导体器件的性能。
51.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

技术特征：
1.一种半导体结构的制造方法，其特征在于，包括：提供一衬底；在所述衬底上形成垫氧化层；在所述垫氧化层上形成垫氮化层；蚀刻所述垫氧化层、所述垫氮化层和部分所述衬底，形成浅沟槽；在所述浅沟槽内形成内衬氧化层；在所述浅沟槽内沉积隔离介质形成浅沟槽隔离结构；以及蚀刻所述垫氮化层和部分所述浅沟槽隔离结构，以使所述浅沟槽隔离结构和所述垫氧化层形成台阶。2.根据权利要求1所述的半导体结构的制造方法，其特征在于，通过第一次刻蚀所述垫氮化层、所述垫氧化层和部分所述衬底，形成开口。3.根据权利要求2所述的半导体结构的制造方法，其特征在于，通过第二次刻蚀所述开口内的部分所述衬底，形成所述浅沟槽。4.根据权利要求1所述的半导体结构的制造方法，其特征在于，所述内衬氧化层的形成方法包括：在温度为500~650℃，压力为10~20t的条件下，向所述浅沟槽内通入混有少量氢气的氧气，所述氧气与所述浅沟槽的侧壁反应生成氧化层。5.根据权利要求1所述的半导体结构的制造方法，其特征在于，所述浅沟槽隔离结构的形成步骤包括：在所述浅沟槽内沉积所述隔离介质；以及平坦化所述隔离介质和部分所述垫氮化层，以使所述隔离介质与所述垫氮化层高度一致；其中，平坦化后的所述垫氮化层的厚度为40~150nm。6.根据权利要求1所述的半导体结构的制造方法，其特征在于，采用湿法刻蚀同步去除所述垫氮化层和部分所述浅沟槽隔离结构。7.根据权利要求6所述的半导体结构的制造方法，其特征在于，所述湿法刻蚀的刻蚀液包括氢氟酸，且所述氢氟酸中氟化氢的质量分数为45~55%。8.根据权利要求7所述的半导体结构的制造方法，其特征在于，所述湿法刻蚀的刻蚀液还包括乙二醇，且所述乙二醇和所述氢氟酸的体积比为1:10~1:40。9.根据权利要求6所述的半导体结构的制造方法，其特征在于，所述湿法刻蚀制程中所述浅沟槽隔离结构和所述垫氮化层的刻蚀选择比为1:1.2~1:2。10.根据权利要求8所述的半导体结构的制造方法，其特征在于，所述湿法刻蚀的步骤包括：将所述氢氟酸和所述乙二醇混合得到所述刻蚀液；将所述刻蚀液温度升至60~90℃；以及将所述衬底与所述刻蚀液反应100~500s。

技术总结
本发明公开了一种半导体结构的制造方法，所述制造方法包括：提供一衬底；在所述衬底上形成垫氧化层；在所述垫氧化层上形成垫氮化层；蚀刻所述垫氧化层、所述垫氮化层和部分所述衬底，形成浅沟槽；在所述浅沟槽内形成内衬氧化层；在所述浅沟槽内沉积隔离介质形成浅沟槽隔离结构；蚀刻所述垫氮化层和部分所述浅沟槽隔离结构，以使所述浅沟槽隔离结构和所述垫氧化层之间形成台阶。通过本发明提供的一种半导体结构的制造方法，能够对浅沟槽隔离结构的台阶高度进行选择。台阶高度进行选择。台阶高度进行选择。


技术研发人员：殷海霞 许春龙 王行之 杨宗凯
受保护的技术使用者：合肥晶合集成电路股份有限公司
技术研发日：2022.02.10
技术公布日：2022/3/8