[发明专利]沟槽隔离的形成方法

说明书

本发明涉及半导体的制造，特别涉及在半导体衬底上形成隔离有源区的沟槽。

随着器件尺寸变小，器件的密度增加，要建立有效和可靠的隔离工艺来隔离有源器件变得越来越困难。标准的LOCOS的局限促进了寻找和开发新的隔离方案，由于沟槽隔离使用了全凹槽氧化物，没有鸟嘴，完全平面，并且不受场氧化物减薄效应的影响，因此沟槽隔离是很有前途的选择。

形成沟槽隔离的已知方法通常包括以下步骤。首先腐蚀硅衬底需要的区域形成预定深度和宽度的沟槽。在沟槽内形成热氧化层，除去由腐蚀硅衬底的步骤产生的硅衬底损伤。将沟槽填充绝缘物淀积在沟槽的其余部分内。

用沟槽填充绝缘层填充沟槽之后，进行各种热氧化步骤。例如，形成晶体管的栅氧化层，形成用于离子注入的屏蔽氧化层和形成用于栅多晶硅的氧化层。然而，在这种热氧化工艺期间，O₂渗透沟槽填充绝缘物并与沟槽的内壁反应，由此导致沟槽填充绝缘层体积膨胀。这种体积膨胀向面向沟槽填充层的硅衬底，特别是沟槽的底边施加了应力。施加到硅衬底的应力产生如位错等的晶体缺陷，当沟槽的底边很陡地腐蚀时，缺陷变得很严重。

鉴于以上问题形成本发明，因此本发明的目的是提供一种形成沟槽隔离的方法，减小施加到沟槽内壁的应力。

本发明的一个关键特征是形成具有圆形底边的沟槽。这些圆形底边可以减轻施加到其上的应力。在1,000℃以上的高温下在沟槽内形成热氧化层。在这种高温下，热氧化层进行粘弹性流动，所述流动起减轻应力引起的体积膨胀的作用。此外，利用氮化工艺在热氧化层上形成氧化阻挡层。

通过在半导体衬底上依次形成约160厚的衬垫氧化层和约1.550厚的氮化硅层可以实现根据本发明的以上和其它目的。光刻胶层旋涂在氮化硅层上并构图限定沟槽形成区。使用构图的光刻胶，腐蚀氮化硅层和衬垫氧化层形成沟槽掩模。腐蚀由沟槽掩模露出的硅衬底形成沟槽。沟槽的优选深度是约2,500，优选宽度是约2,100。硅衬底的腐蚀包括两步腐蚀，以便形成具有圆形底边的沟槽。顺序地进行垂直腐蚀的第一步和圆形腐蚀的第二步。使用第一气体在约100mT和约400W的功率下进行垂直腐蚀。第一气体包括在约35sccm的流量下的CF4。在约30G的磁场中使用第二气体在约100mT和约250W的功率下进行圆形腐蚀。优选的第二气体包括Cl₂、HBr、He和O₂，其组成比例为30∶90∶10∶1。

形成沟槽之后，在沟槽内形成厚度约240以下的热氧化层。所述热氧化层易于在1,000℃以上的高温下形成，以提供热氧化层的粘弹性流动。将沟槽填充材料淀积在沟槽的其余部分内。优选淀积USG层。随后将PE-TEOS层淀积在USG层上，以减轻USG层的应力。此后，进行退火在约1,150℃的高温下致密USG层。这同样为热氧化层和USG层提供粘弹性流动。最后进行平面化工艺形成需要的沟槽隔离。

根据本发明的另一方案，为了防止沟槽内壁的氧化，在热氧化层上形成氧化阻挡层。所述氧化阻挡层由氮化硅层(Si₃N₄)或氮氧化硅层SiOxNy(其中x和y为自然数)形成，其厚度约10。通过LPCVD(化学汽相淀积)形成氮化硅层。通过氮化工艺形成氮氧化硅层。通过等离子体处理或热处理进行氮化。等离子体处理使用NH₃或N₂。使用快速热退火工艺装置或炉管在NH₃的的气氛中约700℃到1,200℃的温度下进行热处理。

本发明的优点在于，形成圆形底边的沟槽，由此缓和由于氧化热膨胀产生的应力。本发明的另一优点是在很高的温度下在沟槽的内壁上形成热氧化层，由此提供热氧化层的粘弹性流动，缓和应力。本发明的再一优点是在热氧化层上形成氧化阻挡层，以确保防止氧化。

通过参考附图可以理解本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明的目的将变得很显然。

图1A到1E是显示根据本发明的一个实施例形成沟槽隔离的新颖方法的工艺步骤的流程图；

图2为具有由图1A到1E示出的工艺步骤形成的沟槽的半导体衬底的剖面图；以及

图3为根据本发明的另一实施例沟槽隔离的剖面图。

下面配合本发明之目的，参考附图详细地介绍在半导体器件中形成沟槽隔离的方法。