專利名稱：具有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路器件及其制造方法，更具體，涉及具有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)(STI)的半導(dǎo)體器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體集成的增加，用于電隔離相鄰器件的隔離技術(shù)變得更加重要。淺溝槽隔離(STI)形成工藝是在制造高集成半導(dǎo)體器件中廣泛使用的隔離技術(shù)。STI形成工藝用于形成在半導(dǎo)體襯底上限定有源區(qū)的溝槽，并用于通過用絕緣材料填充溝槽來形成隔離層。
已經(jīng)開發(fā)了用于制造高度集成的半導(dǎo)體器件的各種縮放技術(shù)。同樣，由于使用70nm技術(shù)或更小來制造CMOS器件，形成它們的STI結(jié)構(gòu)變得更加困難。在使用STI的隔離工藝中，使用具有正斜率的錐形側(cè)壁來形成STI溝槽，使得可以使用隔離材料充分地并容易地填充STI溝槽。即，溝槽的頂比溝槽的底寬。然而，隨著器件尺寸減小，STI溝槽的高寬比減小。具有增加的高寬比的這種STI溝槽的斜率減小，并且隔離性能惡化。此外，STI溝槽的形狀和深度根據(jù)在晶片上的位置而變化。
此外，在形成STI溝槽之后，在使用絕緣材料填充溝槽之前，執(zhí)行溝槽側(cè)壁的氧化工序。在溝槽側(cè)壁的氧化工序期間，氧化消耗了襯底的有源區(qū)。隨后，對于足夠的處理余量，更加難以保證有源區(qū)的有效區(qū)域。當(dāng)氧化溝槽側(cè)壁時，在溝槽入口的頂部周圍出現(xiàn)過氧化。因此，接觸焊盤或在臨近于溝槽頂部的有源區(qū)中形成的源區(qū)/漏區(qū)的阻抗增加，并且單元晶體管的電流減小。結(jié)果，單元器件的性能惡化，并且可出現(xiàn)器件的故障。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供具有隔離結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，該隔離結(jié)構(gòu)能夠提供穩(wěn)定的隔離性能、有效防止熱電子引起的擊穿(HEIP)效應(yīng)、并且增加有源區(qū)的區(qū)域。
本發(fā)明還提供制造半導(dǎo)體器件的方法，能夠抑制由于氧化的有源區(qū)的消耗、提供簡便的溝槽填充、以及提供穩(wěn)定的隔離結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，半導(dǎo)體器件包括具有上溝槽和下溝槽的半導(dǎo)體襯底，以限定有源區(qū)，下溝槽在上溝槽之下具有基本上弧形或者圓形的截面特性，使得下溝槽與上溝槽連通；以及在半導(dǎo)體襯底的上溝槽和下溝槽內(nèi)形成的隔離層，該隔離層包括第一絕緣層，僅形成在上溝槽內(nèi)并以隔片的形式覆蓋上溝槽的內(nèi)壁；第二絕緣層，由第一絕緣層包圍并在上溝槽內(nèi)掩埋；以及第三絕緣層，覆蓋下溝槽的內(nèi)壁，以使得在下溝槽內(nèi)限定閉合的空間(void)。
上溝槽可具有在上部的第一寬度和在下部的第二寬度，第一寬度大于第二寬度，并且下溝槽可具有對應(yīng)于下溝槽的最大寬度的第三寬度，第三寬度大于第二寬度。可在半導(dǎo)體襯底上形成隔離層以將多個有源區(qū)限定為島形，其在半導(dǎo)體襯底的主表面上具有在第一方向上延伸的主軸和在垂直于第一方向的第二方向上延伸的次軸，并且第三寬度可在有源區(qū)的次軸方向上小于第一寬度。
上溝槽可具有正斜率的錐形內(nèi)壁。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，制造半導(dǎo)體器件的方法包括通過蝕刻半導(dǎo)體襯底的預(yù)設(shè)區(qū)域而形成上溝槽；在上溝槽的底執(zhí)行各向同性的干法蝕刻工序，由此形成下溝槽，其經(jīng)由上溝槽的底與上溝槽連通并具有基本上弧形或者圓形的截面特性；以及使用絕緣層填充上溝槽并部分填充下溝槽，以在下溝槽內(nèi)形成具有閉合空間的隔離溝槽。
形成上溝槽可包括在半導(dǎo)體襯底上執(zhí)行各向異性的干法蝕刻工序，使得在上溝槽的上部的第一寬度大于在其下部的第二寬度?？墒褂酶飨蛲愿煞ㄎg刻來形成下溝槽。
可以與形成絕緣隔片一起就地執(zhí)行形成下溝槽。
當(dāng)使用用于隔離的絕緣層填充STI溝槽時，上溝槽具有良好的間隙填充特性。此外，根據(jù)用于隔離的絕緣層的淀積條件，通過形成具有比下溝槽內(nèi)的傳統(tǒng)氧化物層低的介電常數(shù)的空間，可以改善隔離性能。通過使用各向同性干法蝕刻工藝形成下溝槽以具有基本上弧形或者圓形的截面特性，隔離區(qū)可以改進(jìn)在晶片的整個表面的各個位置上形成的用于隔離的溝槽的深度變化。通過在上溝槽的內(nèi)壁中形成氧化物層的隔片，增加有源區(qū)的區(qū)域并改進(jìn)電性能。


通過參照所附附圖對其示例性實施例的詳細(xì)說明，本發(fā)明的上述和其他特性和優(yōu)勢將變得更加顯而易見，其中圖1是ICP蝕刻裝置的原理圖；圖2A至2H是說明根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的制造半導(dǎo)體器件的連續(xù)工序的截面圖；圖3是說明根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的由隔離層限定的有源區(qū)圖形的示例性平面結(jié)構(gòu)的SEM圖像；圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的在有源區(qū)中的次軸方向上的截面結(jié)構(gòu)；圖5是根據(jù)本發(fā)明的還一實施例的在有源區(qū)中的主軸方向上的截面結(jié)構(gòu)；圖6是根據(jù)本發(fā)明的又一實施例的從有源區(qū)的主軸方向，由隔離層在半導(dǎo)體襯底上限定的有源區(qū)中的RCAT的結(jié)構(gòu)的截面圖；圖7是說明根據(jù)本發(fā)明的再一實施例的當(dāng)由隔離層限定有源區(qū)時，用于隔離的溝槽深度的一致性測試結(jié)果的圖；以及圖8至圖10是說明使用傳統(tǒng)方法形成的STI隔離區(qū)的形成結(jié)果的截面結(jié)構(gòu)，以實施具有不同特征尺寸的器件。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參照附圖更加全面地說明本發(fā)明的某些實施例，其中說明了本發(fā)明的示例性實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，圖中的元件說明為簡單和清楚的目的，而不必按照比例繪制。例如，相對于其它元件，可以放大圖中的某些元件的尺寸，以幫助提高對本發(fā)明的實施例的理解。
使用STI技術(shù)在半導(dǎo)體襯底上形成限定有源區(qū)的隔離層。在STI溝槽內(nèi)形成隔離層，通過蝕刻半導(dǎo)體襯底的區(qū)域來形成該STI溝槽。STI溝槽包括上溝槽和下溝槽。下溝槽經(jīng)由上溝槽的底與上溝槽連通，并具有基本上弧形或者圓形的截面特性。可形成絕緣隔片以覆蓋上溝槽的內(nèi)壁?？梢栽谙嗤奶幚硎抑芯偷貓?zhí)行用于形成絕緣隔片的蝕刻工序和用于形成下溝槽的蝕刻工序(可以不破壞真空)?？梢允褂美绺袘?yīng)耦合等離子體(ICP)蝕刻來執(zhí)行該蝕刻工序。在形成絕緣隔片之后，對于下溝槽的就地形成，可以使用各向同性的干法蝕刻工序。圖1是典型ICP蝕刻裝置的原理圖。
參照圖1，在ICP蝕刻裝置內(nèi)設(shè)置具有形成空間的等離子體的處理室10?；?1設(shè)置在處理室10的內(nèi)下部并支撐將被處理的襯底，即，晶片W。偏壓源12連接到基座11。介質(zhì)窗16安裝在處理室10的頂。氣體入口14形成在處理室10的側(cè)壁以將反應(yīng)氣體注入處理室10。在處理室10內(nèi)形成與氣體入口14連接的多個氣體分配口(port)15。在處理室10的底形成真空入口18以與真空泵19連接來在處理室10內(nèi)制造真空。在介質(zhì)窗16上設(shè)置多個ICP天線(antenna)20，以在處理室10內(nèi)生成等離子體。電源22連接到ICP天線20并且RF電流流過天線20。由RF電流生成磁場并根據(jù)磁場相對于時間的變化感應(yīng)伴生的電場。同時，反應(yīng)氣體通過氣體分配口15流入處理室10，并且由所感應(yīng)的電場加速的電子通過經(jīng)由碰撞工序(collision process)電離反應(yīng)氣體而在處理室10內(nèi)生成等離子體。在等離子體和晶片W之間的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致等離子體蝕刻晶片W的表面。
圖2A至2H是說明根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的制造半導(dǎo)體器件的連續(xù)工序的截面圖。
參照圖2A，在半導(dǎo)體襯底100上形成焊盤氧化物層102，并在焊盤氧化物層102上形成氮化物層104。通過使用具有限定有源區(qū)的光掩模圖形的光刻工序來構(gòu)圖氮化物層104和焊盤氧化物層102，從而形成掩模圖形106。
參照圖2B，掩模圖形106通過使用蝕刻掩模將半導(dǎo)體襯底100的露出區(qū)域蝕刻至特定深度而形成上溝槽110。例如，在圖1中說明的ICP蝕刻裝置可用于蝕刻并形成上溝槽110。例如，ICP蝕刻裝置執(zhí)行穿透(breakthrough)(BT)工序和主蝕刻工序來除去在半導(dǎo)體襯底100的表面上剩余的任何本生(native)氧化物層。為了在隨后的對于隔離層使用絕緣材料填充上溝槽110的工序中獲得優(yōu)異的間隙填充性能，期望控制蝕刻條件以在主蝕刻工序期間，在上溝槽110內(nèi)形成具有正斜率的錐形側(cè)壁110a。優(yōu)選地，可將上溝槽110形成為具有約88°的斜率的錐形側(cè)壁。如上所述，由于錐形側(cè)壁的功效，在上溝槽110的頂?shù)牡谝粚挾萕1大于在上溝槽110的底110b的第二寬度W2(W1＞W(wǎng)2)。
當(dāng)ICP蝕刻裝置形成上溝槽110時，電源22和偏壓功率源12保持通電狀態(tài)。可以使用下面的參數(shù)來執(zhí)行使用ICP蝕刻裝置的BT工序，例如蝕刻氣氛的壓力20mTorr；源功率600W；偏壓功率1000W；蝕刻氣氛氣體和流速CF4(50sccm)/Ar(150sccm)；以及蝕刻時間11秒。
可以根據(jù)將形成的器件的類型，尺寸和其它相關(guān)規(guī)范來修改這些參數(shù)。
當(dāng)在用于形成上溝槽110的主蝕刻工序中使用ICP蝕刻裝置時，可以使用下面的參數(shù)來執(zhí)行主蝕刻工序，例如蝕刻氣氛的壓力50mTorr；源功率600W；偏壓功率225W；蝕刻氣氛氣體和流速Cl2(200sccm)/HBr(200sccm)/O2(6sccm)；以及蝕刻時間25秒。
可以根據(jù)將形成的器件的類型，尺寸和其它相關(guān)規(guī)范來修改這些參數(shù)。
參照圖2C，在具有上溝槽110的半導(dǎo)體襯底100的基本上整個表面上形成例如氧化物層112的絕緣層。例如，氧化物層112可以在約800℃使用低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)方法，由中溫氧化物淀積(MTO)層構(gòu)成。例如，可以將氧化物層112形成為約40-50厚。
參照圖2D，通過除去上溝槽110的底110b上的部分氧化物層112來露出半導(dǎo)體襯底100?？梢杂稍趥?cè)壁的氧化物層112的剩余物來形成例如氧化物隔片112a的絕緣隔片?？梢詧?zhí)行使用ICP蝕刻裝置的BT工序來獲得上述。
使用下面的參數(shù)，使用ICP蝕刻裝置的BT工序可用于形成氧化物層隔片112a，例如蝕刻氣氛的壓力5mTorr；源功率300W；偏壓功率150W；蝕刻氣氛氣體和流速CF4(50sccm)/Ar(100sccm)；以及蝕刻時間5秒。
可以根據(jù)將形成的器件的類型，尺寸和其它相關(guān)規(guī)范來修改這些參數(shù)。
參照圖2E，可以在上溝槽110的底110b上，使用氧化物層隔片112a作為蝕刻掩模來執(zhí)行各向同性的干法蝕刻工序，優(yōu)選地就地執(zhí)行(in-situ)，由此形成與上溝槽110連通的下溝槽120。因此，形成包括上溝槽110和下溝槽120的STI溝槽。由于通過各向同性干法蝕刻工序形成下溝槽120，其具有基本上圓形或弧形的截面特性。可以通過控制各向同性的干法蝕刻條件的反復(fù)仿真來將下溝槽120的截面特性形成為基本上圓形或橢圓形。下溝槽120的基本上弧形的截面特性可表示通常圓形弧。
可以由在圖1中說明的ICP蝕刻裝置來執(zhí)行用于形成下溝槽120的各向同性的干法蝕刻工序。在該情況下，電源22保持通電狀態(tài)并且偏壓功率源12保持關(guān)閉狀態(tài)。例如，可以使用下面的參數(shù)來執(zhí)行使用圖1所說明的ICP蝕刻裝置的各向同性的干法蝕刻工序蝕刻氣氛的壓力20mTorr；源功率350W；偏壓功率0W；蝕刻氣氛氣體和流速Cl2(150sccm)/SF6(15sccm)/O2(10sccm)；以及蝕刻時間7秒。
可以根據(jù)將形成的器件的類型，尺寸和其它相關(guān)規(guī)范來修改這些參數(shù)。
作為下溝槽120的最大寬度的第三寬度W3大于上溝槽110的底的第二寬度W2。在不同的條件下，第三寬度W3可以大于或小于上溝槽110的頂?shù)牡谝粚挾萕1。將稍后描述這些寬度的詳細(xì)說明。
在使用STI工序形成隔離層中，控制晶片上的STI溝槽的深度一致性是方便的，因為下溝槽具有基本上弧形或圓形的截面特性。例如，當(dāng)形成用于大比例器件制造的隔離區(qū)時，不需要應(yīng)用嚴(yán)格的場工程學(xué)來維持現(xiàn)有溝槽深度。此外，可以減小由在現(xiàn)有技術(shù)中的溝槽底的銳利所導(dǎo)致的電場增強(qiáng)效應(yīng)。
參照圖2F，可以形成例如氧化物層132的絕緣層來覆蓋在上溝槽110和下溝槽120的內(nèi)壁中的氧化物層隔片112a的表面。可以通過使用例如熱氧化工序的傳統(tǒng)技術(shù)來形成氧化物層132。當(dāng)通過熱氧化工序生長氧化物層132時，在上溝槽的頂附近的半導(dǎo)體襯底100的有源區(qū)中，可以將由氧化所消耗的部分最小化。這是因為預(yù)設(shè)厚度的氧化物層隔片112a已經(jīng)位于上溝槽110周圍的半導(dǎo)體襯底100和生長的氧化物層132之間。然后在將在有源區(qū)上形成的接觸焊盤區(qū)或源區(qū)/漏區(qū)中阻抗減小，并增加單元晶體管的電流。
然后，在半導(dǎo)體襯底100及其在上結(jié)構(gòu)上執(zhí)行氮化，以在上溝槽110和下溝槽120內(nèi)的氧化物層132上形成氮化物襯墊134(liner)。可以使用例如使用熔爐的熱氮化工序來執(zhí)行氮化。
參照圖2G，在所得結(jié)構(gòu)上形成絕緣層140以填充由氮化物襯墊134限定的區(qū)域。上溝槽110的側(cè)壁具有正斜率的錐形側(cè)壁110a。因此，當(dāng)用絕緣層140填充該區(qū)域時，最小化了間隙填充余量的減小。
盡管將絕緣層140形成為填充上溝槽110和下溝槽120，優(yōu)選地僅填充上溝槽110，使得在下溝槽120內(nèi)形成閉合空間142，如圖2G所示。當(dāng)在下溝槽120中形成空間142時，空間142中的介電常數(shù)小于典型氮化物層中的介電常數(shù)(例如，氧化物層)。因此，減少了所感應(yīng)的電荷的總量，并因此可以獲得良好的隔離特性。盡管在圖2G的下溝槽120中淀積了少量的絕緣層140，本發(fā)明不限制于該結(jié)構(gòu)。例如，可以不在下溝槽120中淀積絕緣層140，或者可以不通過完全填充下溝槽120來形成空間142。
可以使用CVD方法由高密度等離子體(HDP)，或者使用等離子體增強(qiáng)的CVD(PECVD)方法形成的例如正硅酸四乙酯(tetraethylorthosilicate)玻璃(TEOS)的基于旋涂玻璃(SOG)的氧化物層和未摻雜的硅酸鹽玻璃(USG)來形成絕緣層140。
參照圖2H，執(zhí)行化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工序，直到露出圖2G的氮化物層104。然后，通過使用磷酸的濕法蝕刻工序除去露出的氮化物層，并且使用清洗工序來除去不需要的層，并且形成隔離層150。
根據(jù)本發(fā)明的實施例的半導(dǎo)體器件的隔離層150比現(xiàn)有技術(shù)的相對要厚，由于在上溝槽110中的氧化物層隔片112a上形成氧化物層132。因此，最小化了由氮化物襯墊134導(dǎo)致的溝槽阱電荷(trench trapcharge)現(xiàn)象，并由此防止熱電子引起的擊穿(HEIP)效應(yīng)。考慮到在形成柵電極的隨后工序期間的多個清洗工序中使用的所消耗氧化物層總量，可以確保用于清洗工序的足夠余量，因為在隔離層150中的側(cè)壁氧化物層150的總厚度增加。因此，可以最小化在隔離層和有源區(qū)之間的凹痕(dent)形成的可能性。
圖3是說明根據(jù)本發(fā)明的一個方面的由在半導(dǎo)體襯底上形成的隔離層150所限定的有源區(qū)圖形152的示例性平面結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
參照圖3，在半導(dǎo)體襯底的主表面上形成由隔離層150限定的多個有源區(qū)圖形152。有源區(qū)圖形152具有島形形狀，其具有在第一方向上延伸的主軸Y(圖3中的y方向)以及在垂直于第一方向的次軸X(圖3中的x方向)。
圖4是說明根據(jù)本發(fā)明的一個方面的在有源區(qū)圖形152中的次軸方向上的截面圖的SEM圖像。此外，圖4是沿圖3中的線IV-IV’所取的截面圖，即，在有源區(qū)圖形152的次軸X方向上的隔離層150的截面圖。
參照圖4，在隔離層150的下溝槽120內(nèi)形成空間142。此外，下溝槽120的最大寬度小于上溝槽110的頂?shù)膶挾炔⒋笥谏蠝喜?10的底的寬度。
圖5是說明根據(jù)本發(fā)明的一個方面的在有源區(qū)中的主軸方向上的截面結(jié)構(gòu)的SEM圖像。此外，圖5是沿圖3中的線V-V’所取的截面圖，即，在有源區(qū)圖形152的主軸Y方向上的隔離層150的截面圖。
參照圖5，隔離層150的下溝槽120的最大寬度大于上溝槽110的頂?shù)膶挾取?br> 參照圖4和5，在有源區(qū)圖形152的主軸Y方向上的下溝槽120的最大寬度大于在有源區(qū)圖形152的次軸X方向上的下溝槽120的寬度。由負(fù)載(loading)效應(yīng)的結(jié)果導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)。由在上文中參照圖2E所描述的形成下溝槽120的各向同性干法蝕刻工序期間的半導(dǎo)體襯底的有源區(qū)圖形152中的模式密度的差異導(dǎo)致該負(fù)載效應(yīng)。在具有高模式密度的圖3的線IV-IV’的截面區(qū)域中，由在平行方向上的干法蝕刻工序所消耗的總量相對小。相反地，在具有低模式密度的圖3的線V-V’的截面區(qū)域中，由在垂直方向上的干法蝕刻工序所消耗的總量相對大。
當(dāng)形成STI隔離層以限定如圖3的多個有源區(qū)圖形152時，對于半導(dǎo)體器件的特定結(jié)構(gòu)而言，在有源區(qū)圖形152的主軸Y方向上的下溝槽的增大的最大寬度是有益的。例如，對于在凹道陣列晶體管(RCAT)中的凹道形成，通過沿著有源區(qū)上的溝槽的外表面形成溝道，而構(gòu)建具有足夠溝道長度的結(jié)構(gòu)。當(dāng)在有源區(qū)圖形的主軸Y方向上，下溝道的最大寬度增加時，在RCAT中耗盡區(qū)減小。因此，改進(jìn)了擺動(swing)特性和刷新特性，并降低了限制電壓。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個方面，從由STI隔離層250在半導(dǎo)體襯底200上限定的有源區(qū)202中的RCAT230的結(jié)構(gòu)的有源區(qū)202主軸方向(圖3中的線V-V’的截面圖)的截面圖。
參照圖6，下溝道220的最大寬度大于上溝道210的寬度，由于在各向同性的干法蝕刻期間，在平行方向上的蝕刻量增加以形成隔離層250的下溝道220。因此，RCAT230和體(body)之間的耗盡區(qū)減小，并且可以部分地形成完全耗盡區(qū)，如在絕緣體上硅(SOI)襯底上所實現(xiàn)的部分絕緣的場效應(yīng)晶體管(PI-FET)，由于在RCAT230的溝道區(qū)和隔離層250之間的距離D減小。
圖7是當(dāng)由使用根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的方法所形成的隔離層限定有源區(qū)圖形152時，具有圖3的有源區(qū)圖形152的布局中的隔離的溝槽深度的一致性測試結(jié)果的圖。圖7還包含當(dāng)由使用現(xiàn)有技術(shù)的方法形成的隔離層限定有源區(qū)時，用于隔離的溝槽深度的一致性測試結(jié)果的圖。
參照圖7，當(dāng)使用圖3的布局限定多個有源區(qū)圖形152時，根據(jù)產(chǎn)品的特征尺寸中的變化，通過測量在具有單元陣列區(qū)中的隔離區(qū)中的最小寬度(圖3中的線IV-IV’的截面圖)的部分中的隔離區(qū)的寬度(圖3中的“Wmin”)，并且還估計在晶片的整個表面的不同位置上形成的用于隔離的溝槽的深度變化，來測試用于隔離的溝槽的一致性。
分別具有68nm、74nm、80nm和92nm特征尺寸的器件用于使用傳統(tǒng)方法形成的隔離層的測試樣品。圖8至10是說明STI隔離區(qū)的形成結(jié)果的截面圖，以限定根據(jù)圖3中的布局的有源區(qū)，并根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)分別具有92nm、80nm、74nm的特征尺寸的器件。此外，STI隔離區(qū)根據(jù)圖3的布局限定有源區(qū)。在圖8-10的每個截面圖對應(yīng)于圖3中的線V-V’。參照圖7，隨著特征尺寸的減小，單元陣列區(qū)中的隔離區(qū)的寬度也減小，如參考符號▲所指示。參照圖8至10，隨著特征尺寸的減小，溝槽的底形狀變得更加尖銳。此外，從圖7中可知，隨著特征尺寸的減小用于隔離的溝槽的深度變化變得更大，如參考符號□所指示。
總之，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，具有74nm的特征尺寸的器件用作測試樣品，并且在圖4中說明了在所測試器件中的隔離區(qū)的截面結(jié)構(gòu)。在圖7中，如參考符號·所示，在具有根據(jù)本發(fā)明的另一方面的隔離結(jié)構(gòu)的器件中，在相同特征尺寸(74nm)中用于隔離的溝槽的深度變化變得小于現(xiàn)有技術(shù)的。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，使用STI技術(shù)來形成在半導(dǎo)體襯底上限定有源區(qū)的隔離層。在具有通過蝕刻半導(dǎo)體襯底的預(yù)設(shè)區(qū)域而形成的上溝槽，以及與上溝槽的底連通并具有圓形的截面形狀的下溝槽的STI溝槽內(nèi)形成隔離層。由于具有正斜率的錐形側(cè)壁的正斜率，當(dāng)使用用于隔離的絕緣層填充上溝槽時，上溝槽具有優(yōu)異的間隙填充性能。此外，根據(jù)用于隔離的絕緣層的淀積條件，可以在下溝槽內(nèi)形成閉合的空間。所感應(yīng)的電荷量減少，由于具有空間的隔離層的介電常數(shù)(permittivity)變得小于沒有空間的傳統(tǒng)氧化物層。
因此，與傳統(tǒng)氧化物層的隔離層相比較，可以增強(qiáng)本發(fā)明的隔離性能。通過使用各向同性干法蝕刻方法在下溝槽中形成圓形的截面形狀，使用根據(jù)本發(fā)明的某些實施例的方法所形成的隔離區(qū)可以改進(jìn)在晶片的整個表面的不同位置上形成的溝槽深度變化。此外，通過在上溝槽的內(nèi)壁內(nèi)形成氧化物層隔片，可以擴(kuò)展有源區(qū)并可以增強(qiáng)HEIP效應(yīng)。而且，可以減少寄生漏電流并同時增強(qiáng)隔離性能。
在整個說明書中參照“一個實施例”或者“實施例”是指連同該實施例所描述的特定的特性、結(jié)構(gòu)或特征包括在本發(fā)明的至少一個實施例中。因此，在整個說明書的不同位置出現(xiàn)的用語“在一個實施例中”或“在實施例中”不必都指相同的實施例。而且，可以以在一個或多個實施例中的任何適宜方式來組合特定特征、結(jié)構(gòu)或特性。
盡管參照其示例性實施例具體說明并描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以在其中作出各種形式和細(xì)節(jié)上的變化，而不背離由下面的權(quán)力要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括半導(dǎo)體襯底，具有上溝槽和下溝槽，以共同地限定有源區(qū)，下溝槽具有基本上弧形截面形狀，下溝槽與上溝槽連通；以及在半導(dǎo)體襯底的上溝槽和下溝槽內(nèi)形成的隔離層，該隔離層包括第一絕緣層，僅在上溝槽內(nèi)形成并覆蓋上溝槽的內(nèi)壁；第二絕緣層，在第一絕緣層上；以及第三絕緣層，在第二絕緣層上并覆蓋下溝槽的內(nèi)壁，以在下溝槽內(nèi)限定閉合空間。
2.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中上溝槽具有在上部的第一寬度和在下部的第二寬度，第一寬度大于第二寬度，并且下溝槽具有對應(yīng)于下溝槽的最大寬度的第三寬度，第三寬度大于第二寬度。
3.如權(quán)利要求2的半導(dǎo)體器件，其中在半導(dǎo)體襯底上形成隔離層以限定多個每個具有島形的有源區(qū)，其具有在半導(dǎo)體襯底的主表面上在第一方向上延伸的主軸和在垂直于第一方向的第二方向上延伸的次軸，以及在有源區(qū)的次軸方向上第三寬度小于第一寬度。
4.如權(quán)利要求3的半導(dǎo)體器件，其中在有源區(qū)的主軸方向上第三寬度大于第一寬度。
5.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中上溝槽具有正斜率的錐形內(nèi)壁。
6.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中第一絕緣層由氧化物中溫淀積(MTO)形成。
7.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中第二絕緣層包括覆蓋第一絕緣層的氮化物襯墊。
8.如權(quán)利要求7的半導(dǎo)體器件，其中第三絕緣層包括覆蓋下溝槽內(nèi)的空間周圍的氮化物襯墊的氧化物層。
9.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中基本上弧形截面形狀表示通常圓形弧。
10.一種半導(dǎo)體器件的制造方法，該方法包括通過蝕刻部分半導(dǎo)體襯底形成上溝槽；在上溝槽的底執(zhí)行各向同性的干法蝕刻工序，由此形成下溝槽，該下溝槽與上溝槽連通并具有基本上弧形截面形狀；以及使用絕緣層填充上溝槽并部分填充下溝槽，以在下溝槽內(nèi)形成具有閉合空間的隔離槽。
11.如權(quán)利要求10的方法，其中形成上溝槽包括在半導(dǎo)體襯底上執(zhí)行各向異性的干法蝕刻工序，使得上溝槽的上部的第一寬度大于上溝槽的下部的第二寬度。
12.如權(quán)利要求10的方法，還包括在上溝槽的側(cè)壁上形成絕緣隔片，其中在上溝槽的底執(zhí)行各向同性的干法蝕刻工序包括使用絕緣隔片作為蝕刻掩模。
13.如權(quán)利要求12的方法，其中與形成絕緣隔片一起就地執(zhí)行形成下溝槽。
14.如權(quán)利要求12的方法，其中形成絕緣隔片包括在上溝槽的內(nèi)壁上形成氧化物層；以及通過在感應(yīng)耦合等離子體(ICP)蝕刻處理室內(nèi)蝕刻氧化物層而在上溝槽的底露出半導(dǎo)體襯底，在該處理室中電源和偏壓源都開啟，并同時在上溝槽的側(cè)壁上形成絕緣隔片。
15.如權(quán)利要求14的方法，其中與在ICP蝕刻處理室內(nèi)形成絕緣隔片一起就地執(zhí)行形成下溝槽，并且當(dāng)形成下溝槽時電源和偏壓源分別保持開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)。
16.如權(quán)利要求10的方法，其中填充上溝槽和部分填充下溝槽包括形成覆蓋絕緣隔片和下溝槽的內(nèi)壁的氧化物層；在氧化物層上形成氮化物襯墊；以及在氮化物襯墊上形成絕緣層以填充上溝槽。
17.如權(quán)利要求16的方法，其中通過熱氧化形成氧化物層。
18.如權(quán)利要求16的方法，其中在氮化物襯墊上形成絕緣層包括在下溝槽內(nèi)形成閉合空間。
19.如權(quán)利要求16的方法，其中絕緣層由HDP氧化物和基于SOG氧化物的一種而形成。
20.如權(quán)利要求12的方法，其中絕緣隔片由氧化物層構(gòu)成。
21.一種半導(dǎo)體器件，包括半導(dǎo)體襯底，包括具有上寬度和下寬度的上溝槽；以及具有基本上弧形截面的下溝槽，下溝槽與上溝槽的下部連通；覆蓋上溝槽側(cè)壁而不在下溝槽內(nèi)的絕緣層隔片；覆蓋上和下溝槽的內(nèi)表面并覆蓋絕緣層隔片的絕緣層；以及填充上溝槽的絕緣層。
22.如權(quán)利要求21的半導(dǎo)體器件，其中上寬度大于下寬度。
23.一種半導(dǎo)體器件，包括半導(dǎo)體襯底，具有上溝槽和下溝槽以共同地限定有源區(qū)，上溝槽向內(nèi)呈錐形并向下朝向與下溝槽相交的狹窄的下部，具有基本上弧形的截面形狀的下溝槽，其在截面上比上溝槽的狹窄的下部寬；以及在半導(dǎo)體襯底的上溝槽和下溝槽內(nèi)形成的隔離層，該隔離層具有在下溝槽內(nèi)的閉合空間。
24.如權(quán)利要求23的半導(dǎo)體器件，其中隔離層包括第一絕緣層，僅在上溝槽內(nèi)形成并覆蓋上溝槽的內(nèi)壁；以及第二絕緣層，在第一絕緣層上并覆蓋下溝槽的內(nèi)壁，以在下溝槽內(nèi)限定閉合空間。
25.如權(quán)利要求23的半導(dǎo)體器件，其中基本上弧形形狀表示通常圓形弧。
26.一種半導(dǎo)體器件，由包括如下步驟的工序形成通過蝕刻半導(dǎo)體襯底的區(qū)域形成上溝槽；在上溝槽的側(cè)壁上形成絕緣隔片；使用絕緣隔片作為蝕刻掩模，在上溝槽的底執(zhí)行各向同性干法蝕刻，由此形成經(jīng)由上溝槽的底與上溝槽連通并具有基本上弧形截面形狀的下溝槽；以及使用絕緣層填充上溝槽并部分填充下溝槽，以在下溝槽內(nèi)形成具有閉合空間的隔離槽。
27.一種形成半導(dǎo)體器件的方法，該方法包括通過蝕刻半導(dǎo)體襯底的區(qū)域來形成上溝槽，該上溝槽向內(nèi)和向下呈錐形；隨后，在上溝槽的側(cè)壁上形成絕緣隔片；使用絕緣隔片作為蝕刻掩模，在上溝槽的底執(zhí)行各向同性干法蝕刻工序，由此形成與上溝槽連通并具有基本上弧形截面形狀的下溝槽；以及使用絕緣層填充上溝槽和下溝槽，以在半導(dǎo)體襯底中形成隔離槽。
全文摘要
在一個實施例中，半導(dǎo)體器件具有由在STI溝槽內(nèi)形成的隔離層所限定的有源區(qū)，該STI溝槽包括上溝槽和下溝槽，下溝槽在上溝槽之下，具有基本上弧形截面形狀，使得下溝槽與上溝槽連通。由于上溝槽具有正斜率的錐形側(cè)壁，當(dāng)使用絕緣層填充上溝槽時，可以獲得良好的間隙填充性能。通過在下溝槽中形成空間，在隔離層的底的介電常數(shù)小于在氧化物層的介電常數(shù)，由此改善隔離性能。隔離層包括僅在上溝槽內(nèi)形成并以隔片形式覆蓋上溝槽內(nèi)壁的第一絕緣層。
文檔編號H01L21/762GK1866523SQ20061008478
公開日2006年11月22日 申請日期2006年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月18日
發(fā)明者李盛三, 秦教英, 金允基 申請人:三星電子株式會社