TW201203453A - Trench structure in multilayer wafer - Google Patents

Description

201203453 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於製造多層晶圓’尤其製造特別針對製造互 補金屬氧化物半導體（CMOS)裝置而設計之超薄埋藏氧化 • 物（UTBOX)晶圓。更特定言之’本發明係關於意欲用於個 - 別金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET)之電絕緣之淺 溝渠隔離（STI)模組之製造。 【先前技術】 薄埋藏氧化物層或超薄埋藏氧化物層（UTBOX)上之矽之 有利特徵在於臨限電壓之小變動及因此對當前及未來 CMOS技術之增長興趣之小變動。特定言之，全空乏 CMOS技術允許低壓及低功率電路在高速下操作。進一步 言之，全空乏絕緣體上覆矽（SOI)裝置被認為係允許減小 短通道效應（SCE)之最有希望的候選者。 絕緣體上覆矽（SOI)晶圓及（特定言之）UTBOX晶圓形成 高效能MOSFET及CMOS技術之基礎。主要藉由形成於該 絕緣體上方之作用矽層（即，埋藏氧化物（BOX)層）之厚度 促進該SCE之控制。為減小源極與汲極之間的耦合效應， • 且進一步言之，關於用於未來技術之薄膜裝置之可量測 - 性，強制提供極薄BOX層。該臨限電壓之控制亦取決於該 等BOX層之薄度》在80又層下方適當植入基板允許藉由回 授偏壓精確地調整臨限電壓。 舉例而言，在SOI裝置（特別係CMOS裝置）之製造中，通 常必須形成溝渠，以使個別MOSFET彼此電隔離。該等所 155219.doc 201203453 形成之溝渠可被清洗、稍微氧化並隨後用一氧化物襯裏及 該襯裏上方之一些絕緣體材料填充，藉此形成淺溝渠隔離 (STI)結構。然而，在此等溝渠結構（例如，STI)之製造 中’產生呈所謂的烏嘴效應之形式之一問題。在該等SOI 晶圓中之溝渠之形成之背景下之鳥嘴效應之特徵在於，接 近於一溝渠之邊緣之區域中之BOX層之厚度之增加。形成 鳥嘴效應背後之原因之一者可能與（例如）在通常包括氫氟 酸浸潰之一清洗處理期間之該Βοχ層之一些底部蝕刻有 關。在藉由氧化物接合製造該S0I晶圓之情況中（其中，舉 例而言，一薄矽層被一氧化物層（例如，一 Si〇2層）覆蓋並 轉移至亦藉由相同類型之一氧化物層覆蓋之一基板），另 原因可參見於該BOX層内之一並非完全封閉之接合介面 之側向氧化中。 因此，需要一種用於形成溝渠及對應的絕緣體結構之緩 和鳥嘴效應之改良方法。 【發明内容】 本發明解決該上述提及之需要並因此提供一種用於在包 括-基板、該基板上之—氧化物層及該氧化物層上之一半 導體層之-多層晶圓中製造一溝渠之方法，該方法包括以 下步驟： 形成通過該半導體層及該氧化物層（Β〇χ層）並延伸進 該基板中之一溝渠；及 執行該所形成溝渠之一很、Jf I田 /+ 退火處理，使得在該溝渠之内 面處該半導體層之一些材料至少在 π王夕隹曝露於該溝渠之該内 155219.doc -4- 201203453 面處之该氧化物層之部分之一部分上方流動。 特定言之，該基板可為一矽基板，該氧化物層可為 化矽層（Si〇2)，且該半導體層係一矽層（例如，一 _ 層早晶石夕 藉由熱退火之步射有效地減小基於該所形成溝渠 後製造步驟期間之鳥嘴效應β溢出曝露於溝渠中之氧化物 之半導體材料防止在隨後清洗程序中底部_該半導勿 並防止在（例如）該溝渠之内表面上形成—氧化物 所期地側向氧化先前所曝露之氧化物層。 根據一實施例，在退火處理之後執行該溝渠之一清洗處 理。該清洗處理可包括用氫氟酸溶液清洗，特定言^，浸 潰在風氣酸溶液中。該盪蠢酿，交、、右* 土曾 虱齓鲛，奋液並未導致底部蝕刻該半 導體，此係歸因於藉由由於該熱退火而在該所曝露之氧化 物表面上流動之該半導體層之材料所形成之保護塗層。 在該熱退火及清洗處理之後，可執行該溝渠中之一氧化 物襯裏之-形成。該氧化物襯裏可藉由熱氧化包含該溝渠 之晶圓而形成》該所形成之氧化物之厚度毅以消耗溢出 的半導體材料並藉此防止頂部8丨層與該峨層下方之石夕基 板之間的電短路/連接》該方法可進—步包括在該退火之 後及形成該氧化物襯裏之後用—絕緣體材料填充該溝渠。 舉例而言，在至少110(rc，特定言之，至少115代，且 更特定言之’至少叫之一溫度下執行退火處理。進一 步言之’可在氫氣及/或氬氣氛圍中執行退火處理。可執 行熱退火處理-相當短的時間週期，舉例而言，最多4分 155219.doc 201203453 知’特定言之，最多3分鐘’且更特定言之，最多2分鐘。 在針對發明性方法之上述實例中，BOX層可具有在自5 奈米至20奈米之範圍中之一厚度，且一 UTBOX晶圆中之 頂部半導體層可具有在自1〇奈米至50奈米之範圍中之一厚 度。因此’可在包括意欲用作一半導體裝置（例如，一 S0I CMOS裝置）之一作用層之一極薄Βοχ層及一薄矽層之一 UTB〇X晶圓中形成一溝渠。由於鳥嘴效應對於薄BOX層 特別成問題，故應注意’藉由熱退火程序之發明性提供， 甚至對於一些2奈米至20奈米之薄BOX層而言，可有效地 抑制鳥嘴效應。 進一步言之，可藉由以下步驟提供該等以上實例中之多 層晶圓： 於基板上方形成一第一氧化物層； 於另一基板上方形成一第二氧化物層；及 在一晶圓轉移程序内將該第一氧化物層與該第二氧化物 層接合，藉此形成夾置在該基板與該半導體層之間的該氧 化物層（BOX層）並移除該另一基板。 注意在以此方式提供該多層之情況中，從一介面之完全 封閉的意義上而言，本發明之熱退火步驟有利地導致該第 一氧化物層與該第二氧化物層（形成晶圓之Β〇χ層）之接合 介面之凝固，藉此導致一均質3〇又層。歸因於該Β〇χ層之 因此而達成之均質性，可明顯抑制當藉由熱氧化在溝渠之 内表面處形成一氧化物襯襄時由側向氧化導致之鳥嘴效 應。 155219.doc -6- 201203453 本發明亦提供一種用於製造一半導體裝置之方法，該方 法包括以下步驟： 在根據該等上述實例之一者之多層晶圓中製造溝渠（結 構）; 在該多層晶圓上方及部分在該多層晶圓中形成一 * MOSFET ;及 在該多層晶圓上方及/或該多層晶圓中形成另一裝置， 使得該另一裝置係藉由該溝渠（結構）而與該m〇sfet隔 開。 特定言之，在此方法中，該基板可經摻雜以用作背閘極 基板，且該另一裝置可包括意欲用於背閘極偏壓之一背閘 極端子。 此外’本發明亦提供一種用於製造一溝渠電容器之方 法，該方法包括以下步驟： 在根據該等上述實例之一者之多層晶圓中製造溝渠結 構； 在退火處理之後’於該溝渠之内表面上形成一節點介電 質；及 在形成s亥卽點介電質之後，在該溝渠中填充一導電材 . 料。 由填充進入該溝渠中之該導電材料形成一電極，且由該 (推雜多晶碎）基板形成另一電極。 將參考圖式描述本發明之額外特徵及優點。在描述中， 參考打算圖解說明本發明之較佳實施例之隨附圖式。應瞭 155219.doc 201203453 解此荨貫施例並不表不本發明之全範缚。 【實施方式】 在下文中，描述形成一多層晶圓中之一溝渠結構之發明 性方法之一實例。提供如圖1 a所示之一晶圓。該多詹晶圓 包括一基板1、一第一層2及一第二層3。根據當前實例’ 該多層晶圓係一 SOI晶圓，即，該基板1係一矽基板1，該 第一層2係一氧化物層（一 BOX層），且該第二層3係一矽層 3。圖1 a中展示之該多層晶圓可藉由此項技術中熟知之某 晶圆轉移技術獲得。舉例而言，一矽層3可生長在一供體 基板上’且隨後在該矽層3上形成（二氧化矽）氧化矽層。另 一方面’在該基板1上形成（二氧化矽）氧化矽層。在該晶圓 轉移程序期間，形成於該矽層3上之該氧化物層及形成於 該基板1上之該氧化物層係彼此接合，且移除該供體基 板’從而使晶圓包括該基板1、該氧化物層2及該石夕層3 » 在圖1 a展示之該晶圓中，形成通過該石夕層3及該氧化物 層2並延伸進入該基板1中之一溝渠4，如圖ib所示。藉由 在該石夕層3之頂部形成一遮罩層（例如，一氮化物遮罩層）及 在該遮罩層（未展示）之頂部形成一光阻可促進該溝渠之形 成。在圖案化之後，可蝕刻該溝渠4並移除該遮罩層及該 光阻兩者。 在該多層晶圓中形成該溝渠4之後，執行一快速熱退火 程序100(參見圖lc)。為此，該晶圓（該溝渠）經受—退火氛 圍，舉例而言，在至少11 〇〇°C ’例如，115〇 °c，特定令 之’ 1200°C或1250°C或更高之一溫度下建立氫氣及/或氮 155219.doc 201203453 « 孔並持續最多4分鐘，例如，最多2分鐘或3分鐘。該快 速熱退火程序100結果係該矽層3之一些矽在該溝渠4之内 β表面流動’使得流動石夕至少部分覆蓋曝露於該溝渠4之 Θ表面處之該氧化物層2之部分。藉此，在隨後的製造程 序期間抑制該鳥嘴效應。 接著如圖1d所7^，藉由氫H酸溶液清洗該溝渠 4(200)舉例而吕，1〇%至2〇%氮氣酸溶液可用於浸潰清 洗該Ba圓及該溝渠4。藉由先前執行之退火程序⑽有效地 防止該矽層3之底部蝕刻。在該清洗程序2〇〇之後 ，於該溝 渠4之4等内表面上形成—氧化物襯裏5(參見圖㈤。可藉 由（例如）在一氧氣氛圍（特定言之，包括〇2/出或〇2/H2/Hci 或〇2/HC1)中及/或在800t至1〇〇〇t之一溫度下熱氧化形成 該氧化物襯裏5。 再者，藉由該先前執行之退火處理1〇〇抑制否則可能由 可由該上述晶圓轉移引起之該氧化物層2内之一並未完全 封閉之氧化物-氧化物介面之側向氧化導致之鳥嘴效應。 根據所展示之實例，用某絕緣體材料6(例如，某氮化物 或氧化物材料）填充該溝渠以完成STI之形成（參見圖lf)。 舉例而吕，藉由此種STI，不同個別MOSFET可彼此隔 . 開。該等所隔開之MOSFET可具有不同的導電類型，且可 係一 CMOS裝置之部分。 形成圖lc及圖Id中展示之該溝渠結構之上述方式亦可用 於形成一溝渠電容器，且特定言之，用於形成包括此一溝 渠電容器之一記憶蟫單元（例如，S0I上之一動態隨機存取 155219.doc 201203453 記憶體（dram)單元卜為此目的，舉例而言，於圖lc或圖 Id中展示之該溝渠4之該等内表面上形成氮化矽或二氧化 矽之一節點介電質，且隨後用一導電材料（例如，如銅、 鎳等等之一金屬或n+摻雜多晶矽）填充該溝渠4。此一溝渠 電容器可連接S亦形成於該多I晶圓上並部分形成於該多 層晶圓中之一存取電晶體。 在圖2中，圖解說明製造一溝渠結構及特別係STI之發明 性方法之另一應用。在所展示之實例中，UTBOX裝置上 之矽係展示為包括一 MOSFET 10，該MOSFET 10包括一閘 極電極7及側壁間隔件8。在作用矽層3中，於該閘極電極7 下方形成一通道區域鄰近於該矽層3中之該通道區域形 成源極/汲極區域。一極薄Β〇χ層2位於該矽層3下方，且 形成於一多晶矽基板1上。該厘081^丁 1〇之該作用區域下 方之該基板1係經適當地摻雜以用作一背閘極基板。進一 步言之，該所展示之裝置包括位於STI 6之間的一背閘極 端子11。另一 STI ό將該所展示之作用區域限制於右手側 上。應注意可鄰近於該等侧壁間隔件8形成矽化物區域， 且應注意該閘極電極係至少部分被矽化可能係較佳的。 在圖2所展示之實例中，特別有利的是提供根據本發明 製造之STI，即，由包含參考圖卜描述之該熱退火，藉此 避免否則將導致UTBOX(CMOS)裝置上之該所完成之矽之 效能顯著惡化之鳥嘴效應之程序步驟形成之STI。 所有先前論述之實施例非旨在限制但用作圖解說明本發 明之特徵及優點之實例。應瞭解該等上述特徵之一些或所 155219.doc -10· 201203453 有亦可以不同方式組合。 【圖式簡單說明】 圖la及圖If圖解說明一種用於根據本發明在一 s〇i晶圓 中製造STI之方法之一實例；及 圖2圖解說明根據本發明之一實例之超薄box裝置上之 • 矽之一部分。 【主要元件符號說明】 1 基板 2 氧化物層/第一層 3 矽層/第二層 4 溝渠 5 氧化物襯裏 6 淺溝渠隔離（STI)/絕緣體材料 7 閘極電極 8 側壁間隔件 9 通道區域 10 金屬氧化物半導體場效電晶體（M0SFET) 11 背閘極端子 100 退火處理 200 清洗處理 155219.doc -11·

Claims (1)

1. 201203453 七、申請專利範圍： 1. 一種用於在包括一基板、該基板上之一氧化物層及該氧 化物層上之一半導體層之一多層晶圓中製造一溝渠結構 之方法’該方法包括以下步驟： 形成通過該半導體層及該氧化物層並延伸進入該基板 中之一溝渠；及 執行該所形成溝渠之一退火處理，使得在該溝渠之内 表面處該半導體層之一些材料至少在該氧化物層曝露於 S亥溝渠之該内表面處之部分之一部分上方流動。 2. 如明求項1之方法，其進一步包括在該退火處理之後執 行該溝渠之一清洗處理。 3. 如請求項2之方法，其中該清洗處理包括用氫氟酸溶液 清洗，特定言之，浸潰在氫氟酸溶液中。 4. 如請求項1、2或3之方法，其中該退火處理係在至少 u〇〇c，特定言之’至少115〇〇c，且更特定言之，至少 1200°C之一溫度下執行。 5·如咕求項4之方法，其中該退火處理係在氫氣及/或氬氣 氛圍中執行。 6·如5青求項4之方法，其中該退火處理係執行最多4分鐘， 特定=之，最多3分鐘，且更特定言之，最多2分鐘。 7·如明求項丨、2或3之方法，其中該基板包括矽（特定言 之，多晶矽）或由矽（特定言之，多晶矽）組成，及/或該氧 化物層包括Si〇2及/或該半導體層包括石夕（特定言之，單 晶石夕）或由罐定言之，單㈣）組成。 155219.doc 201203453 8·如-月求項1、2或3之方法，其中該氧化物層具有在自作 米至2〇奈米之範圍中之-厚度及/或該半導體層具有在自 10奈米至50奈米之範圍中之一厚度。 9. 如請求項卜2或3之方*，其進一#包括藉由以下步驟 提供該多層晶圓： 於該基板上方形成一第一氧化物層； 於另—基板上方形成一第二氧化物層； 在一晶圓轉移程序内將該第一氧化物層與該第二氧化 物層接合並移除該另一基板。 10. 如請求項丨、2或3之方法，其進一步包括在該退火處理 之後’特定言之，藉由熱氧化在該溝渠中形成一氧化物 襯裏。 11·如請求項1、2或3之方法，其進一步包括在該退火處理 之後’用一絕緣體材料填充該溝渠。 12. —種用於製造一半導體裝置之方法，該方法包括以下步 驟： 如則述請求項中任一項在多層晶圓中製造溝渠結構； 在該多層晶圓上方及部分在該多層晶圓中形成一 MOSFET ;及 在該多層晶圓上方及/或該多層晶圆中形成另一裝置， 使得該另一裝置係藉由該溝渠結構而與該m〇sfet隔 開。 13. 如請求項12之方法，其中該基板係經摻雜以用作一背閘 極基板，且該另一裝置包括一背閘極端子。 155219.doc 201203453 14_ 一種用於製造一溝渠電容器之方法，該方法包括以下步 驟： 如前述請求項中任一項在多層晶圓中製造溝渠結構； 在退火處理之後，於該溝渠之内表面上形成一節點介 電質；及 在形成該節點介電質之後，在該溝渠中填充一導電材 料。 155219.doc