TW201036107A - Multiple depth shallow trench isolation process - Google Patents

Description

201036107 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一獨特的製程，其在一晶粒中產生多重深 度淺渠槽用於裝置隔離。 本申請案主張2009年1月16曰申請之名為「具有一單一 臨界遮罩及蝕刻步驟之多重深度淺渠槽隔離（MULTIPLE DEPTH SHALLOW TRENCH ISOLATION WITH A SINGLE CRITICAL MASK AND ETCH STEP)」之美國臨時專利申 請案第61/145,354號之權利，該案之全文以引用的方式併 入本文中。 【先前技術】 一半導體晶片上不同區段包括具有複數個結構之電子電 路，該等電子電路需要與半導體晶粒之其他部分電絕緣。 為此，在各自結構之周圍產生槽。然而，一些結構要求槽 更深地到達基板中以根據各自的規格完全提供絕緣。存在 在一半導體裝置中產生此等隔離槽之各種方法。然而，若 在相同晶粒上具有不同深度之槽係必須的，則此等習知的 方法要求進一步精細的發展。 因此，存在對於一改良方法之需要，該方法橫跨一半導 體晶粒提供多重深度淺渠槽隔離槽之形成。 【發明内容】 根據一實施例，一種用於製造一半導體晶粒之方法可包 括以下步驟：提供一半導體基扳；處理該基板至可形成淺 渠槽隔離（STI)之一點；沈積具有一預定義厚度之至少一底 145906.doc 201036107 層於晶圓上；沈積一遮罩居於 卓層於该底層之頂部，·塑形該遮罩 層以具有預定義深度之區域•廄 . "士 、，應用-光微影成像製程以曝 寺形成該等槽之所有區域，·及㈣該晶圓以形成石夕槽， 其中-槽之深度取決於相對於該遮罩層區域之位置。 根據一進—步實施例’塑形該遮罩層之步驟可包括以下 步驟：應用-第-微影成像製程以定義待形成最深槽之區 域，執行-钱刻以移除該遮罩層至一預定義厚度。根據一 Ο Ο 進一步實施例’該方法可進_步包括針對用於按產品要求 具有一不同槽深度之槽的至少另一區域重複微影成像及钱 刻製私之步驟以塑形該遮罩層，同時用於最淺渠槽之區域 係最個待定義之區域。根據一進一步實施例，可在待 形成最深槽之區域中完全移除遮罩層。根據一進一步實施 例’、钱刻晶IB以形成⑪槽之步驟可係由多個步驟組成之一 乾式蝕刻製程’同時各钱刻步驟具有其自己的钱刻特性。 根據一進一步實施例，一第—蝕刻步驟可沒有選擇性蝕刻 沈積在晶圓上之所有膜及基板。根據一進一步實施例，開 放區域中之剩餘遮罩層之不同量可導致用於石夕槽钮刻之不 同的開始時間。根據一進一步實施例，在完全移除最淺渠 槽區域上之至少一底層之後，可使用一第二步驟以蝕刻所 ^槽至其等之最終深度。根據一進一步實施例，一遮罩膜 可具有不同於一底層氮化物層的一組合物。根據一進—步 實轭例’可選擇一遮罩膜之厚度與屬性以提供產生具有不 同冰度之隔離槽之控制。根據一進一步實施例，取決於相 對於待使用在相同晶粒中之其他槽深度之該槽深度，可在 145906.doc 201036107 自遮罩層中至氮化物層中之任何地方停止姓刻。 根據另一實施例，一種用於製造一半導體晶粒之方法可 包括以下步驟：提供一半導體基板；處理該基板至可形成 淺渠槽隔離（STI)之一點；沈積具有一預定義厚度之底層於 晶圓上’·沈積一遮罩層於該等底層之頂部；藉由以下步驟 塑形該遮罩層以具有預定義深度之區域：應用一第一微麥 成像製程以定義待形成最深槽之區域；執行一蝕刻以移除 該遮罩層至一預定義厚度；及針對用於按產品要求具有: 不同槽深度之槽的至少另—區域重複微影成像及姓刻製程 以塑形該遮罩層，同時用於最淺渠槽之區域係最後—個待 疋義之區i或，應用一進—步光微影成像製程以曝照待形成 6亥等槽之所有區域；及蝕刻該晶圓以形成矽槽，其中—槽 之深度取決於相對於該遮罩層區域之位置。 3 根據一進一步實施例’可在待形成最深槽之區域中完全 移除遮罩層。根據一進一步實施例，蝕刻晶圓以形成矽槽 之步驟可係由多個步驟組成之—乾式㈣製程，同時各姓 刻步驟具有其自己的姓刻特性。根據一進一步實施例，一 弟一姓刻步驟可为古，强4 彳選純_沈積在晶圓上之所有膜及 :旦；$ #實施例’開放區域中之剩餘遮罩層之 致用於他刻之不同的開始時間。根據-進 後，可使用-I元+全移除最淺渠槽區域上之該等底層之 根據-進-步ΐ:以敍刻所有槽至其等之最終深度。 ^ 遮罩臈可具有不同於一底層氮化 、°物。根據-進-步實施例，可選擇一遮罩膜 145906.doc 201036107 之厚度與屬性以提供產生具有不同深度之隔離槽之控制。 根據一進一步實施例’取決於相對於待使用在相同晶粒中 之其他槽深度之該槽深度’可在自遮罩層中至氮化物層中 之任何地方停止敍刻。 自以下’特定而言’如附圖所繪示之本發明之較佳實施 例之描述將明白本發明之上述及其他目的、特徵與優點。 【實施方式】 ’ Ο

如上所述，淺渠槽隔離（STI)對於不同農置在不同槽深 度上提供最佳隔離。一種「一大小適合所有」方法將損及 隔離性能。例如，#由在-晶粒上與其他裝置相對的士己憶 體陣列中使用-不同深度槽隔離，可改良儲存以耐^ 同時可保持總漏電流低下^亦可在輻射耐受_射硬化裝 置中使用多重深度隔離。 根據各種實施例，提議具有多重深度槽隔離之—半導體 製程，使用該製程各槽深度可針對若干 且 拥嗝丨衣置之取佳電隔離 調適。各額外槽深度係藉由添加定義 ^. 有不同深度之遮罩 乳化物之區域的一光微影成像及一 A & 步驟而實現。因 而，此4遮單氧化物在各自料氧化物 最終深度： XT控制-槽之 添加1步驟·· 2深度 添加2步驟：3深度 添加3步驟·· 4深度 諸如此類。 根據各種實施例 可形成具有與所要求之不同深度一樣 145906.doc 201036107 多之搞離槽，同時各額外的深度要求—光微影成像步驟與 蝕刻步驟。此外，根據其他態樣，可在橫跨晶粒之不同 位置之間產生一可調整槽輪廓。使用各種實施例可產生 各種深度與輪廓之隔離槽，藉此減少漏電流及改良一半導 體晶粒中之儲存單元财久性。根據各種實施例產生具有多 重深度及側壁輪廓之淺隔離槽以隔離一晶粒中之裝置的一 被提議製程可改良晶片可靠性，該晶片具有低漏電流及極 好的儲存單元耐久性。 根據一實施例，一半導體級矽晶圓（基板）被處理至可形 成淺渠槽隔離（STI)之點。圖！至圖4a展示製備―砍晶圓之 不同步驟。圖1展示基板10^ 一作用層係在此基板1〇〇上 形成。例如，在一第一步驟中可沈積作為墊氧化物ιι〇(諸 如氧化石夕）之-薄層，如圖2所示。具有一不同厚度之氮化 矽120之一帛二層可被沈積在第一層ιι〇之頂部上，如圖3 所不接著，一遮罩層1 3 0被沈積在作用堆疊1 i 〇、i 2〇之 頂部上。遮罩膜130可具有不同於底層110、120之一組合 物。 σ 遮罩層在多重深度淺矽槽之形成中起關鍵性作用。謹, 選擇遮罩層狀厚度與屬性以提供產生具有不同深度（ 離槽之最佳控制，如圖4b至圖4d所示。例如，若要求具: 三個不同深度之槽，則如圖仆所示在一第一微影成像:彳 刻步驟中圖案化料氧化物13G1定義稍後待包括最; 槽之-區域A。接著，在一額外微影成像步驟中定義待丨 括如圖4B所示之「中間深度」槽的另一區域b。在蝕刻: I45906.doc 201036107 後，具有不同深度A、B、k遮罩氧化物之三個區域被定 義，如圖4d所示。钮刻之順序可係不同的。例如，區域a 與B可首先被钱刻至區域B之最終位階，接著區域B與匚可 被遮罩’且區域A可被#刻以移除遮罩氧化物，其將導致 與圖4c所示之結構相同之結構。 取決於晶粒上之位置，該等區域可具有任何形式。該等 區域沒有必須係連續的，如實例中所示。同時，區域之數 〇目不受限並取決於具有不同深度之槽之數目。區域A展示 沒有遮罩氧化物 '然而’在其他實施例中，稍後待含有最 深槽之此區域亦可具有一薄遮罩氧化物層。 遮罩氧化物之蝕刻係藉由一非臨界微影成像製程執行以 覆蓋待形成較淺渠槽之區域，如圖4d所示。接著，一底邹 抗反射塗膜（BARC)層135被沈積在遮罩層13〇之頂部，如 圖5所示。接著是不同大小之槽之實際形成。 首先，一光阻劑層140被沈積並被圖案化，如圖6所示。 〇 接著，執行—蝕刻以移除經曝照的堆疊材料之部分，如圖 7a與圖7b所示。圖乃展示蝕刻進度。取決於相對於待在相 同，粒中形成之其他槽深度之該槽深度，可在自遮罩層中目 至氮化物層中之任何地方停止蝕刻，如圖7b 、。在W程 之最終（臨界）步驟期間，將完成具有三個不同深度之槽。 然而，若要求多重深度，則可多次重複對遮罩氧化物之非 臨界钱刻。 因此’在遮罩氧化物已由上述步驟在待形成槽之所有區 域中已被部分或全部移除之後，如圖7a與圖7b中所展示之 145906.doc 201036107 t影成像製程被用於曝照待形成槽之所有區域。因 此，故界光微影成像步驟已控制臨界尺寸，換: 光微影成像步驟料—確定範时之職義料，而初Γ 微影成像步驟不需要做這些’因此沒有準確地控制尺:。 臨界蝕刻步驟可係乾式蝕 m ^ ^^ 战八有不同冰度與側壁輪 廓之石夕1如圖7a與圖7b所示。乾式蚀刻製程可由多個步 驟組成’同時各_步驟具有其自己的㈣特性。第一姑 刻步驟沒有選擇性_沈積在晶圓上之所有^底部抗反 射塗膜（BARC)、料層、氮切、氧切）及基板。開放 &域中之剩餘堆疊材料之不同量導致用於⑪㈣刻之不同 的開始時間，M7a與圖7b所示。在完全移除最淺渠槽區 域亡之堆疊材料之後，可使用一第二步驟以蝕刻所有槽至 其等之最終深度，如圖7b所示。圖8展示移除光阻齊:及 BARC層。圖9a展不移除剩餘層之後的理論結果。 然而，如此項技術所常見，槽將被填充—絕緣材料且晶 圓將在化學機械拋光（CMP)下拋光。因此，在圖8所示之步 驟之後將沈積絕緣材料。接著，晶圓經由CMp處理，其移 除所有龐大的氧化物1 3〇並停在氮化物層！ 2〇處。接著，兮 結構被移除，留下類似於圖9b具有絕緣材料丨5〇之—結 圖1〇與圖11展示根據該實施例處理之一晶圓之透射式電 子顯微鏡（TEM)截面影像。 概括來說，根據各種實施例，一種用於製造一半導許曰 粒之方法可包括以下步驟： 145906.doc -10· 201036107 提供一半導體基板； 處理該基板至可形成淺渠槽隔離(STI)之一點； 沈積具有典型厚度之至少-底層於晶圓上； 沈積一遮罩層於該等底層之頂部； 在4遮罩層上應肖—非臨界微影成像製程以定義待形成 不同大小之槽之區域； 執仃该遮罩層之一蝕刻以形成該等不同的區域； 〇 選用之對於按產品要求具有較淺深度之額外槽，重複 微影成像與钮刻製程，同時最淺的槽係最後—個被定義之 )^已部分及/或全部移除待形成槽之所有區域中之該或 /等底層之後，應用一臨界光微影成像製程以曝照待形成 槽之所有區域；及 乾式蝕刻晶圓以形成具有不同深度與側壁輪廓之矽槽。 〇 因此，本發明經恰當調適以執行該等目的並獲得所提及 之目標與優點，以及本文之其他本f。雖財發明已被描 繪、描述且參考本發明之特定較佳實施例被定義，此等參 考不暗示限制本發明，1將不推斷此限制。本發明對於在 有關技術中之—般技術者可在形式與功能上具有相當大的 ^改1更及等效。本發明所騎與描述的較佳實施例僅 :例不’且;^詳盡本發明之範圍。因&，本發明意欲僅受 p附申請專利範圍之精神與範圍所限制，在各 效物给予完整認知。 4 【圖式簡單說明】 U5906.doc 201036107 圖1至圖9展示在一半導體晶粒中產生多重深度淺隔離槽 之不同步驟。 圖10與圖11展示經根據一實施例處理之一晶圓之透射式 電子顯微鏡（TEM)截面影像。 【主要元件符號說明】 100 基板 110 墊氧化物 120 氮化矽 130 遮罩膜 135 底部抗反射塗膜（BARC)層 140 光阻劑層 150 絕緣材料 145906.doc -12-

Claims (1)

1. 201036107 七、申請專利範圍： 1. 一種製造一半導體晶粒之方法，其包括以下步驟： 提供一半導體基板； 處理該基板至可形成淺渠槽隔離（STI)之一點； 沈積具有一預定義厚度之至少一底層於晶圓上； 沈積一遮罩層於該底層之頂部； 塑形該遮罩層以具有預定義深度之區域； 應用一光微影成像製程以曝照待形成該等槽之所有該 等區域；及 钮刻5亥晶圓以形成石夕槽，其中一槽之深度取決於相對 於該遮罩層區域之位置。 2. 如請求項1之方法，其中塑形該遮罩層之步驟包括以下 步驟： 應用一第一微影成像製程以定義待形成該等最深槽之 區域；

   執行一蝕刻以移除該遮罩層至一預定義厚度。 3·如研求項2之方法，其包括以下步驟：針對用於按產品 要求具有一不同槽深度之槽的至少另一區域重複該 成像製裎及該蝕刻製程 D 巨 衣往U塑形戎遮罩層，同時用於最淺 渠槽之區域係最後—個待定義之區域。 4.如請求項1之方法， 完全移除該遮罩層。 5 ·如請求項1之方法， 驟係由多個步驟組成 其中在待形成該等最深槽之區域中 其中蝕刻該晶圓以形成矽槽之該步 之—乾式蝕刻製程’同時各蚀刻步 145906.doc 201036107 驟具有其自己的蝕刻特性。 6. 如請求項5之方法，其中一第一 刿嗦锫+ a / V驟沒有選擇性蝕 積在該晶圓上之所有膜及該基板。 如請求们之方法，其中開放區域 8. 同量導致用於補㈣^㈣開始時間。、以層之不 2求項6之方法’其中在完全移除該等最淺渠槽區域 上之該至少一底層之後，使用一 5 -7 .鄉以麵刻所有； 至其等之最終深度。 有槽 9.如請求項1之方法，其中一逨m臌且女 ^遜罩臈具有不同於—底層氮 化物層的一組合物。 _ 10. 如0月求項1之方法_ ’其中一神置肢夕® Α t θ 遲罩膜之厚度與屬性經選擇 以提供產生具有不同深度之隔離槽之控制。 11.如請求項1之方法，#中取決於相對於待使用在該相同 晶粒中之其他槽深度之該槽深度，可在自該遮罩層中I 該氮化物層_之任何地方停止該蝕刻。 1 2. —種製造一半導體晶粒之方法，其包括以下步驟： 提供一半導體基板； 處理該基板至可形成淺渠槽隔離（STI)之一點； 沈積具有一預定義厚度之底層於晶圓上； 沈積一遮罩層於該等底層之頂部； 藉由以下步驟塑形該遮罩層以具有預定義深度之區 域： 應用一第一微影成像製程以定義待形成最深槽之區 域； 145906.doc 201036107 執行一蝕刻以移除該 /遮罩層至一預定義厚度； 針對用於按產品要求 、有一不同槽深度之槽的至少 另一區域重複該微影成 v ώ ^ 战像製程及該蝕刻製程以塑形兮 遮罩層，同時用於最淺^ ^ _ 塑形5亥 取戈渠槽之區域係最後一個待 之區域； 1了疋莪 程以曝照待形成該等槽之 應用一進一步光微影成像製 所有5亥等區域；及

   彡成㈣’其中—槽之深度取決於相對 於該遮罩層區域之位置。 如月求項12之方法’其中在待形成該等最深槽之區域中 完全移除該遮罩層。 14.如吻求項12之方法’其中㈣該晶圓以形切槽之該步 驟係由多個步驟組成之-乾式㈣製程，同時各敍刻步 驟具有其自己的蝕刻特性。 15. 〇 16. 17. 如明求項14之方法’其中—第—姓刻步驟沒有選擇性姓 刻沈積在該晶圓上之所有膜及該基板。 士 β求項1之方法，其中開放區域中之剩餘遮罩層之不 同量導致用於矽槽蝕刻之不同的開始時間。 如β求項15之方法，其中在完全移除該等最淺渠槽區域 上之該等底層之後，使用一第二步驟以蝕刻所有槽至其 等之最終深度。 18. 如請求項12之方法，其中一遮罩膜具有不同於一底層氮 化物層的—組合物。 19. 士。月求項12之方法，其中一遮罩膜之厚度與屬性經選擇 145906.doc 201036107 以提供產生具有不同深度之隔離槽之控制。 2〇_如請求項I2之方法’其中取決於相對於待使用在該相同 晶粒中之其他槽深度之該槽深度，可在自該遮罩層中至 該氮化物層中之任何地方停止該蝕刻。 145906.doc