专利名称：刻蚀和填充深沟槽的方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体集成电路制造工艺。
背景技术：
通常将深度在10 μ m以上的沟槽称为深沟槽，深沟槽结构在现今的半导体技术中得到较为广泛的应用。例如，深沟槽可作为隔离结构以隔绝不同操作电压的电子器件。又如，深沟槽可应用于超级结MOS晶体管(super junction MOSFET)，作为PN结通过耗尽态的电荷平衡达到高击穿电压性能。超级结MOS晶体管制造过程中刻蚀和填充深沟槽的方法，是在ρ型硅衬底上生长一层η型外延层(单晶硅)，然后在该外延层上刻蚀深沟槽，然后再用ρ型单晶硅填充该深沟槽，最后用化学机械研磨(CMP)工艺进行表面平坦化。此时该深沟槽结构作为ρ型半导体柱，该深沟槽结构的两侧作为η型半导体柱，即得到了纵向交替排列的ρ型和η型半导体柱。该方法中将η型硅与ρ型硅交换，效果不变。上述方法中，是在硅材料中刻蚀深沟槽，深沟槽中填充的也是硅材料，这便使CMP 工艺无法区分沟槽内外结构，有可能直接研磨到硅衬底，从而影响器件的某些电学性能。与此类似地，当在某种半导体材料中刻蚀深沟槽，随后又采用相同的半导体材料填充该深沟槽，随后又采用CMP工艺对硅片表面进行平坦化处理时，都会出现无法控制CMP 工艺停止点的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题提供一种刻蚀和填充深沟槽的方法，该方法可以保护硅衬底，达到较好的工艺控制效果。为解决上述技术问题，本发明刻蚀和填充深沟槽的方法包括如下步骤第1步，在硅片表面淀积ONO (氧化硅-氮化硅-氧化硅，oxide-nitride-oxide) 层；第2步，在硅片上刻蚀一个深沟槽，以所述ONO层最上方的氧化硅作为刻蚀阻挡层；第3步，去除所述ONO层最上方的氧化硅和中间的氮化硅；第4步，以单晶硅或多晶硅填充所述深沟槽；第5步，采用化学机械研磨工艺对硅片表面进行平坦化处理，以所述ONO层最下方的氧化硅作为研磨阻挡层；第6步，去除所述ONO层最下方的氧化硅。本发明刻蚀和填充深沟槽的方法，可以在硅片的同时，达到较好的工艺控制效果。
图1是本发明刻蚀和填充深沟槽的方法的流程图加 图2f是本发明刻蚀和填充深沟槽的方法的各步骤硅片剖面示意图。图中附图标记说明1为硅衬底；2为外延层；3为ONO层；31为氧化硅；32为氮化硅；33为氧化硅；4 为深沟槽；5为单晶硅。
具体实施例方式请参阅图1，本发明刻蚀和填充深沟槽的方法包括如下步骤第1步，请同时参阅图加，在硅片表面淀积ONO层3。所述硅片可以是硅衬底1，也可以是硅衬底1及其上方的外延层2。图加中示意性地表示为后者，其中外延层2的厚度优选为10 100 μ m。所述ONO层3具体包括位于下方的氧化硅31、位于中间的氮化硅32、位于上方的氧化硅33，总体呈三明治结构。其中氧化硅31的厚度优选为10 5000A，氮化硅32的厚度优选为10 5000A，氧化硅33的厚度优选为10 30000A。所述ONO层3的淀积工艺即先在硅片表面淀积一层氧化硅31，再在硅片表面淀积一层氮化硅32，再在硅片表面淀积一层氧化硅33，这样氧化硅31、氮化硅32和氧化硅33 一起构成了 ONO层3。各子层的淀积可采用APCVD (常压化学气相淀积)工艺、LPCVD (低压化学气相淀积)工艺、或PECVD (等离子体增强化学气相淀积)工艺等。第2步，请同时参阅图2b，在硅片上刻蚀一个深沟槽4，以所述ONO层3最上方的氧化硅33作为刻蚀阻挡层。所述深沟槽4的深度大于或等于10 μ m。优选的，所述深沟槽4的深度。为10 100 μ m,宽度为1 10 μ m。深沟槽4的底部可以在外延层2中，也可以在硅衬底1中，也可以在外延层2与硅衬底1的交界面处。例如，采用光刻和刻蚀工艺刻蚀沟槽4。先在硅片表面旋涂一层光刻胶，曝光、显影后暴露出刻蚀窗口(即沟槽4的位置)。然后以干法刻蚀工艺至少去除刻蚀窗口中的氧化硅33，也可以同时去除刻蚀窗口中的氮化硅32和/或氧化硅31。接着去除光刻胶，此时已由氧化硅33作为侧壁形成一个浅沟槽。在该浅沟槽中以干法刻蚀工艺刻蚀，直至刻蚀到外延层2和/或硅衬底1中，达到预定的深沟槽深度。在光刻胶去除后的刻蚀过程中，氧化硅 33作为刻蚀阻挡层。第3步，请同时参阅图2c，去除所述ONO层3最上方的氧化硅33和中间的氮化硅 32。优选地，先去除氧化硅33，此时氮化硅32作为氧化硅31的保护层，确保氧化硅31 不会受到刻蚀工艺(包括干法刻蚀、湿法腐蚀)的影响，仍然保持较好的膜厚均勻性；然后再去除氮化硅32。例如，采用干法刻蚀工艺去除氧化硅33和氮化硅32。又如，采用湿法腐蚀工艺分别去除氧化硅33和氮化硅32。常用的氧化硅的腐蚀药液为氢氟酸，常用的氮化硅的腐蚀药液为热磷酸。还可以先采用干法刻蚀工艺去除氧化硅33，再采用湿法腐蚀工艺去除氮化硅 32 ；或者先采用湿法腐蚀工艺去除氧化硅33，再采用干法刻蚀工艺去除氮化硅32。如果采用湿法去除氧化硅33，由于深沟槽4贯穿了 ONO层3，因此氧化硅31靠近深沟槽4的部位也会受到侧向侵蚀。这样在去除氮化硅32后，深沟槽4的两侧壁上方会暴露出部分的硅，如图2c所示。第4步，请同时参阅图2d，填充深沟槽4。填充材料硅5可以是单晶硅，也可以是多晶硅。例如，在硅片表面采用外延生长工艺生长一层单晶硅5，该单晶硅5至少将深沟槽 4填充满。又如，采用LPCVD工艺在硅片表面淀积一层多晶硅5，该多晶硅5至少将深沟槽 4填充满。又如，在硅片表面先采用外延生长工艺生长一层单晶硅，再以LPCVD工艺淀积一层多晶硅，所述的单晶硅和多晶硅一起至少将深沟槽4填充满。第5步，请同时参阅图2e，采用化学机械研磨工艺对硅片表面进行平坦化处理，以所述ONO层3最下方的氧化硅31作为研磨阻挡层。这一步中，至少将硅5研磨至与氧化硅31的上表面齐平，即只在深沟槽4中保留有单晶硅4作为填充物，而将氧化硅31上方的硅去除干净。实际上由于研磨液对不同半导体材料的选择比，深沟槽4中的硅5的上表面会稍低于氧化硅31的上表面，如图2e所示。第6步，请同时参阅图2f，去除氧化硅31。这一步可以采用干法刻蚀工艺和/或湿法腐蚀工艺，与第3步类似。本发明刻蚀和填充深沟槽的方法，创新性地在刻蚀深沟槽前先在硅片表面形成 ONO层。所述ONO层最上方的氧化硅作为刻蚀深沟槽时的刻蚀阻挡层。所述ONO层中间的氮化硅作为最下方氧化硅的保护层，确保其不会受到刻蚀工艺的影响，仍然保持较好的膜厚均勻性。所述ONO层最下方的氧化硅作为填充深沟槽后研磨填充物时的研磨阻挡层，由于这一层氧化硅的厚度均勻，并且未被刻蚀工艺破坏，因此有利于CMP工艺控制，并且保证了 CMP工艺不会伤害其下方的硅片，从而达到较好的工艺控制效果。如果在刻蚀深沟槽前仅先在硅片表面形成一层氧化硅，这一层氧化硅既作为刻蚀深沟槽时的刻蚀阻挡层，又作为填充深沟槽后研磨填充物时的研磨阻挡层。那么这一层氧化硅在作为刻蚀阻挡层时，其膜厚和均勻性会受到工艺的波动而变化，，因此在作为研磨阻挡层时不利于CMP工艺的控制。采用本发明所述方法之后，所述ONO层最下方的氧化硅可以根据工艺和器件要求进行调整，总体而言可以比传统工艺更薄。较小的厚度有利于减少前述湿法腐蚀工艺时出现的侧向侵蚀现象，从而提高器件的性能和可靠性。
权利要求
1.一种刻蚀和填充深沟槽的方法，其特征是，包括如下步骤第1步，在硅片表面淀积ONO层；第2步，在硅片上刻蚀一个深沟槽，以所述ONO层最上方的氧化硅作为刻蚀阻挡层；第3步，去除所述ONO层最上方的氧化硅和中间的氮化硅；第4步，以单晶硅或多晶硅填充所述深沟槽；第5步，采用化学机械研磨工艺对硅片表面进行平坦化处理，以所述ONO层最下方的氧化硅作为研磨阻挡层；第6步，去除所述ONO层最下方的氧化硅。
2.根据权利要求1所述的刻蚀和填充深沟槽的方法，其特征是，所述方法第1步中，所述硅片为硅衬底；或者所述硅片为硅衬底上生长一层外延层，所述外延层的厚度为10 ΙΟΟμπι。
3.根据权利要求1所述的刻蚀和填充深沟槽的方法，其特征是，所述方法第1步中， 淀积ONO层采用APCVD工艺、LPCVD工艺、或PECVD工艺，所述ONO层包括位于下方的厚度为10 5000Α的氧化硅、位于中间的厚度为10 5000Α的氮化硅、位于上方的厚度为 10 30000Α的氧化硅。
4.根据权利要求1所述的刻蚀和填充深沟槽的方法，其特征是，所述方法第2步中，所述深沟槽的深度为10 100 μ m,宽度为1 10 μ m。
5.根据权利要求1所述的刻蚀和填充深沟槽的方法，其特征是，所述方法第3步中，去除所述ONO层最上方的氧化硅和中间的氮化硅采用干法刻蚀工艺和/或湿法腐蚀工艺；当采用湿法腐蚀工艺去除所述ONO层最上方的氧化硅时，所述ONO层最下方的氧化硅会受到侧向侵蚀，使得所述深沟槽两侧壁暴露出部分的硅。
6.根据权利要求1所述的刻蚀和填充深沟槽的方法，其特征是，所述方法第3步中，先去除所述ONO层最上方的氧化硅，此时所述ONO层中间的氮化硅作为所述ONO层最下方的氧化硅的保护层；然后去除所述ONO层中间的氮化硅。
7.根据权利要求1所述的刻蚀和填充深沟槽的方法，其特征是，所述方法第4步中，深沟槽的填充采用单晶硅外延生长工艺；或者深沟槽的填充采用LPCVD工艺淀积多晶硅；或者深沟槽的填充是先在硅片表面外延生长一层单晶硅，再以LPCVD工艺填充多晶娃。
8.根据权利要求1所述的刻蚀和填充深沟槽的方法，其特征是，所述方法第5步中，至少将所述填充深沟槽的硅研磨至与所述ONO层最下方的氧化硅的上表面齐平，所述填充深沟槽的硅的上表面等于或低于所述ONO层最下方的氧化硅的上表面。
9.根据权利要求1所述的刻蚀和填充深沟槽的方法，其特征是，所述方法第6步中，去除所述ONO层最下方的氧化硅采用干法刻蚀工艺和/或湿法腐蚀工艺。
全文摘要
本发明公开了一种刻蚀和填充深沟槽的方法，包括如下步骤第1步，在硅片表面淀积ONO层；第2步，在硅片上刻蚀一个深沟槽，以所述ONO层最上方的氧化硅作为刻蚀阻挡层；第3步，去除所述ONO层最上方的氧化硅和中间的氮化硅；第4步，以单晶硅或多晶硅填充所述填充深沟槽；第5步，采用化学机械研磨工艺对硅片表面进行平坦化处理，以所述ONO层最下方的氧化硅作为研磨阻挡层。第6步，去除所述ONO层最下方的氧化硅。本发明刻蚀和填充深沟槽的方法，可以在保护硅衬底硅片的同时，达到较好的工艺控制效果。
文档编号H01L21/762GK102280402SQ20101020046
公开日2011年12月14日 申请日期2010年6月12日 优先权日2010年6月12日
发明者程晓华, 肖胜安 申请人:上海华虹Nec电子有限公司