专利名称：氧化聚硅氮烷层的方法以及形成沟槽隔离结构的方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体集成电路的制程中使用绝缘材料进行电性隔离的方法，特别是涉及一种氧化聚娃氮烧(Polysilazane)层的方法。
现有技术在半导体集成电路中，半导体组件是整合并设计在一个小区域中，而需要组件彼此相接近。随着集成电路组件的尺寸和间距持续的缩小，绝缘材料用来隔离各种主动构件(例如晶体管、电阻器和电容器)。隔离用的绝缘材料一般是二氧化硅组成。举例来说，金属内联机间的层间介电层(interlayer dielectric,简称ILD)或金属间介电层需要填入深宽比等于5或大于5的窄间隙，此外，还需要在基底中的构件间于沟槽中填入绝缘材料，形成浅沟槽隔离(STI)。上述沟槽的宽度为0. 01至0. 05微米或更小， 而对如此小的图样填充绝缘材料是很困难的。此外，介电材料必须能够禁得起后续的制程步骤，例如蚀刻和清洗步骤。介电材料一般是由化学气相沉积法或电浆辅助化学气相沉积法沉积而成，举例来说，形成浅沟槽隔离一般包括以下方法蚀刻硅基底形成沟槽；在沟槽中填入二氧化硅作为隔离层。在沟槽中，氧化物的隔离层先形成在沟槽的侧壁，且朝向沟槽的中心成长，直到与氧化物相接触。由于深宽比越来越大，沟槽的宽度变得更窄，而深度变得更深。因此，使用化学气相沉积法或电浆辅助化学气相沉积法技术很难形成不具有孔洞或缝隙的隔离沟槽。现已发展出流动性的材料，例如娃酸盐(silicate)、娃氧烧(siloxane)、娃氮烧(silazane)或乙基娃倍半环丙烧(silisesquioxanes)的旋转涂布介电材料(spin_ondielectrics,简称SOD)、旋转涂布玻璃(spin-on glass,简称S0G)和旋转涂布高分子(spin-on polymer)。氧化娃薄膜是通过将含娃高分子的液态溶液旋转涂布在基底的表面，接着，对上述材料进行烘烤以移除溶剂，之后，在约不高于1000°C的温度下，于常压、氧气或水气的环境中热氧化高分子层。然而，上述的方法具有以下缺点如图I所示，当进行氧化和致密化聚娃氮烧(polysilazane)涂布层106的制程中，氧气和水气会渗入聚娃氮烧涂布层106。因此，此高温制程的方法需要厚度相对厚(大于6nm)的氮化硅衬层104以避免对基底102进行氧化。然而，此氮化硅衬层104限制浅沟槽隔离缝隙填充的应用(例如难以用在30nm技术以下的制程)。另一缺点为该高温制程会影响到其它低热容许(thermaltolerance)例如招或其它的金属线层。该产品需限制其热预算(thermal budget),其高温的致密化制程会对组件造成损坏。因此，需要较低温度的制程技术。
发明内容
根据上述内容，本发明提供一种氧化聚硅氮烷层的方法，包括提供基底，包括沟槽；在沟槽中形成聚硅氮烷层；及在施加超音波的含酸溶液中对聚硅氮烷层进行处理以氧化聚硅氮烷层。本发明提供一种形成沟槽隔离结构的方法，包括提供基底；在基底中形成沟槽；在沟槽中形成聚硅氮烷层；及在100°c 300°C的温度下，在施加超音波的含酸溶液中对聚硅氮烷层进行处理以将聚硅氮烷层转换成氧化硅层，其中含酸溶液包括磷酸、硫酸、4504添加O3(SOM)、H2SO4添加H2O2 (SPM)、H3PO4添加O3或H3PO4添加H2O2 ;及移除沟槽外的氧化硅层。
图I显示现有技术形成浅沟槽隔离结构的方法的制程剖面图。图2A-2E显示本发明一实施例形成浅沟槽隔离结构的介电层的方法的制程剖面图。主要组件符号说明
102 基底；104 氮化硅衬层；
106 聚硅氮烷涂布层； 202 基底；
204 第一垫层；206 第二垫层；
208 光阻罩幕层；210 沟槽侧壁；
212 沟槽底部表面；214 沟槽；
216 氮化硅衬层；218 聚硅氮烷涂布层；
220 氧化硅层；222 沟槽隔离结构。为让本发明的特征能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作出如下详细说明实施方式以下详细讨论揭示实施例的实施。然而，可以理解的是，实施例提供许多可应用的发明概念，其可以较广的变化实施。所讨论的特定实施例仅用来揭示使用实施例的特定方法，而不用来限定揭示的范围。以下文中的“一实施例”是指与本发明至少一个实施例相关的特定图样、结构或特征。因此，以下“在一实施例中”的叙述并不是指同一实施例。另外，在一或多个实施例中的特定图样、结构或特征可以适当的方式结合。值得注意的是，本说明书的附图并未按照比例绘示，其仅用来揭示本发明。图2A-2E揭示本发明一实施例形成浅沟槽隔离结构的介电层的方法，其中浅沟槽隔离结构可用来隔离集成电路的组件。举例来说，浅沟槽隔离结构可相应于晶体管闸极结构形成，且在基底中邻接晶体管的源极/汲极区。请参照图2A，其显示晶圆在制程中间阶段的剖面图，制程中的晶圆部分可包括半导体晶圆基底202和形成于基底202上的各制程层，其包括主动且可运作的部分半导体组件。半导体组件可包括晶体管、电容器、绝缘体或其它半导体结构常用的构件。图中的晶圆部分包括半导体基底202，和形成于半导体基底202上厚度很薄的第一垫层204(例如厚度8-20nm的用作垫氧化层的氧化硅)。首先，以热氧化基底202、化学气相沉积法、溅镀法或类似的技术形成第一垫层204。另外，本实施例可选择性地在第一垫层、204上形成第二垫层206，其中第二垫层206可以是以化学气相沉积法或其它沉积技术形成厚度约40-200nm的氮化硅，以作为氧化和化学机械研磨的硬式罩幕层。使用微影技术形成并图案化光阻罩幕层208。蚀刻第一垫层204、第二垫层206和基底202以在基底202中形成例如浅沟槽的开口或凹槽，供作组件隔离用。举例来说，沟槽的宽度可以约为0. Iii m，深度可以约为0.5 iim，而深宽比为5(0. 5/0. I)。沟槽214包括侧壁210和底部表面212。沟槽214可具有倾斜的侧壁210或非等向性蚀刻制程形成的垂直侧壁210。之后，移除光阻罩幕层208，以形成沟槽结构，如图2B所示。在移除光阻罩幕层208和清洗沟槽结构之后，如图2B所示，进行例如热氮化法或高密度电衆化学气相沉积法(使用娃烧SiH4和氨气NH3作为来源气体)，形成氮化娃衬层216在沟槽214的侧壁210和底部表面212上。氮化硅衬层216的厚度可以约为5nm IOnmo值得注意的是，由于本实施例的氧化聚娃氮烧(Polysilazane)层的方法相对于传统的方法具有较低的温度，氮化硅衬层216的厚度可以比现有技术薄，所以本发明聚硅氮烷可用于低于30nm节点(node)技术浅沟槽214隔离缝隙填充的技术。在另一实施例中，其不需要使用到氮化硅衬层216。
如图2C所示，在基底202上涂布含硅高分子溶液，且填入沟槽214中，形成聚硅氮烷(Polysilazane)涂布层218。一般来说，聚硅氮烷涂布层218采用旋转涂布或旋转涂布玻璃(spin-on glass, S0G)制程,形成于基底202上,然而,本发明不限于此,本发明的其它实施例可采用流动涂布(flow coating)、浸泡或喷洒的制程。在优选的实施例中，聚硅氮烷涂布层218的沉积方法优选为将有机溶剂中的聚硅氮烷溶液进行旋转涂布(或旋转涂布玻璃)制程，填满全部或预定的沟槽214。聚娃氮烧包含SixNyHz型态的单元，而娃原子处于-Si-NH-键中的还原环境(reducingenvironment)。聚硅氮烷材料若没有进行调整，其不能令人满意地进行蚀刻(500 I的HF
无法以超过1000A/min的速率进行蚀刻)。氮键需要氧化，以将材料转换成氧化硅。在基底202上形成层的过程中，在平面上旋转基底202，将聚硅氮烷溶液滴在硅基底的表面或基底202的层上，以依据施加于基底202 (或晶圆)的离心力，在全部基底202的表面上形成均匀涂布的薄膜。本实施例可通过调整涂布溶液的浓度和基底202旋转的速度，控制聚硅氮烷涂布层218的厚度。聚硅氮烷涂布层218厚度范围一般为30nm 500nm。在基底202上旋转涂布聚硅氮烷溶液的制程的参数如下基底202温度约为18°C 30°C，旋转的速度约为500rpm 6000rpm，旋转的时间约为2秒。请参照图2D，在涂布步骤之后，在施加超音波(mega-sonic wave)的含酸溶液中加热基底202，以移除有机溶剂，氧化聚硅氮烷涂布层218，而形成氧化硅层220。在此步骤中，将聚硅氮烷涂布层置入湿氧化化学溶液中，以通过用氧原子取代氮和氢原子，氧化聚硅氮烷材料的聚硅氮烷基团(SixNyHz)，以将层转换成富氧材料(例如氧化硅、二氧化硅)。含酸溶液包括磷酸、硫酸、H2SO4添加O3 (SOM)、H2SO4添加H2O2 (SPM)、H3PO4添加O3或H3PO4添加H202。含酸溶液升温至约100°C 30(TC。含酸溶液优选升温至约150°C 250°C。值得注意的是，由于含酸溶液于水中添加酸，其可加温至超过100°C。超音波的输出功率(outputpower)可约为IOwatt至2000watt。制程时间为I分钟至数时分钟或更长,直到全部的聚硅氮烷涂布层218转换成氧化硅。请参照图2E，在形成氧化硅层220之后，其可进行化学机械研磨制程、回蚀刻制程或类似的技术，使填入沟槽214的氧化硅层220与基底202等平面，以完成沟槽隔离结构222的制作。之后可进行闸极或其它结构的制作。根据上述，图2E的沟槽隔离结构222包括基底202、第一垫层204、第二垫层206、沟槽214、视需要形成的氮化硅衬层216和氧化硅层 220。本发明实施例氧化聚硅氮烷的方法具有以下优点第一，本发明氧化聚硅氮烷的方法的制程温度低于传统氧化聚硅氮烷的方法的制程温度。第二，由于本发明氧化聚硅氮烷的方法无需如传统制程高的温度，沟槽侧壁和底部的氮化硅衬层的厚度可减少，或者，可完全不需要氮化硅衬层。虽然本发明已以优选实施例发明如上，然而其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应以权利要求所界定的范围为准。·
权利要求
1.ー种氧化聚娃氮烧层的方法，包括 提供基底，包括沟槽； 在所述沟槽中形成聚硅氮烷层；及 在施加超音波的含酸溶液中对所述聚硅氮烷层进行处理，以氧化所述聚硅氮烷层。
2.如权利要求I所述的氧化聚硅氮烷层的方法，其特征在于所述含酸溶液包括磷酸、硫酸、H2SO4 添加 O3 (SOM)、H2SO4 添加 H2O2 (SPM)、H3PO4 添加 O3 或 H3PO4 添加 H2O2。
3.如权利要求I所述的氧化聚硅氮烷层的方法，其特征在于对所述聚硅氮烷层进行处理的步骤的温度为100°C 300°C。
4.如权利要求I所述的氧化聚硅氮烷层的方法，其特征在于对所述聚硅氮烷层进行处理的步骤的温度为150°C 250°C。
5.如权利要求I所述的氧化聚硅氮烷层的方法，其特征在于所述超音波的输出功率(output power)为 IOwatt 至 2000watto
6.如权利要求6所述的氧化聚硅氮烷层的方法，还包括在所述沟槽的侧壁和底部形成氮化娃衬层。
7.如权利要求I所述的氧化聚硅氮烷层的方法，其特征在于所述氮化硅衬层的厚度为5nm IOnm0
8.如权利要求I所述的氧化聚硅氮烷层的方法，其特征在于所述聚硅氮烷层直接接触所述基底，并且所述聚硅氮烷层和所述基底间不存在衬层。
9.如权利要求I所述的氧化聚硅氮烷层的方法，其特征在于形成所述聚硅氮烷层的步骤是采用旋转涂布制程。
10.ー种形成沟槽隔离结构的方法，包括 提供基底； 于所述基底中形成沟槽； 于所述沟槽中形成聚硅氮烷层；及 在100°C 300°C的温度下，在施加超音波的含酸溶液中对所述聚硅氮烷层进行处理以将所述聚硅氮烷层转换成氧化硅层，其中所述含酸溶液包括磷酸、硫酸、H2SO4添加O3 (SOM)、H2SO4 添加 H2O2 (SPM)、H3PO4 添加 O3 或 H3PO4 添加 H2O2 '及 移除所述沟槽外的氧化硅层。
11.如权利要求10所述的形成沟槽隔离结构的方法，其特征在于所述超音波的输出功率(output power)为 IOwatt 至 2000watt。
12.如权利要求10所述的形成沟槽隔离结构的方法，还包括在所述沟槽的侧壁和底部形成氮化硅衬层。
13.如权利要求10所述的形成沟槽隔离结构的方法，其特征在于对所述聚硅氮烷层进行处理的步骤的温度为150°C 250°C。
14.如权利要求10所述的形成沟槽隔离结构的方法，其特征在于所述氮化硅衬层的厚度为5nm 10nm。
15.如权利要求10所述的形成沟槽隔离结构的方法，其特征在于所述聚硅氮烷层直接接触所述基底，并且所述聚硅氮烷层和所述基底间不存在衬层。
16.如权利要求10所述的形成沟槽隔离结构的方法，其特征在于形成聚硅氮烷层的步骤是采用旋转涂布制程。
17.如权利要求10所述的形成沟槽隔离结构的方法，其特征在于形成所述沟槽的步骤包括 在所述基底上形成第一垫层； 在所述第一垫层上形成第二垫层； 将所述第一垫层和所述第二垫层图案化；及 将所述基底蚀刻以形成所述沟槽。
18.如权利要求17所述的形成沟槽隔离结构的方法，其特征在于所述第一垫层是由氧化硅组成，所述第二垫层是由氮化硅组成。
全文摘要
本发明提供一种氧化聚硅氮烷层的方法，包括提供基底；在基底中形成沟槽；在沟槽中形成聚硅氮烷层；及在施加超音波的含酸溶液中对聚硅氮烷层进行处理，以将聚硅氮烷层转换成氧化硅层，其中含酸溶液包括磷酸、硫酸、H2SO4添加O3(SOM)、H2SO4添加H2O2(SPM)、H3PO4添加O3或H3PO4添加H2O2；及移除沟槽外的氧化硅层。
文档编号H01L21/762GK102760660SQ201110320248
公开日2012年10月31日 申请日期2011年10月20日 优先权日2011年4月28日
发明者刘献文, 施信益, 陈逸男 申请人:南亚科技股份有限公司