[发明专利]沟槽隔离结构的形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种沟槽隔离结构的形成方法。

背景技术

浅沟槽隔离结构（Shallow Trench Isolation，STI）在目前的半导体器件制造中用于器件隔离。所述浅沟槽隔离结构的工艺包括：采用刻蚀工艺在衬底内形成开口（即浅沟槽），所述浅沟槽常用于隔离衬底内的有源区；在所述衬底表面和开口内形成填充满开口的绝缘层，所述绝缘层的材料包括氧化硅；采用化学机械抛工艺去除高于开口顶部的绝缘层。

随着半导体技术的发展，器件尺寸持续缩小，集成电路的集成化不断提高，导致浅沟槽隔离结构的宽度尺寸也相应减小，则用于形成浅沟槽隔离结构的开口的深宽比（aspect ratio）不断增大，会导致所形成的浅沟槽隔离结构内产生空隙（void）。图1至图3是现有技术高深宽比的沟槽隔离结构的形成过程的剖面结构示意图。

请参考图1，提供具有开口101的衬底100，所述开口101的深宽比大于3:1，所述开口101的侧壁和底部表面形成有氧化衬垫层102。

请参考图2，采用化学气相沉积工艺在衬底100表面、以及开口101内形成绝缘薄膜103。在形成所述绝缘薄膜103的过程中，绝缘材料容易堆积在靠近开口101顶部的侧壁表面，导致形成于开口101顶部侧壁的绝缘薄膜103厚度较厚，而开口101底部的绝缘薄膜103厚度较薄。

请参考图3，继续采用化学气相沉积工艺增厚绝缘薄膜103，位于开口101顶部的绝缘薄膜103首先闭合，而此时的开口101内任未被填充满，从而形成空隙104。

现有技术为了克服在高深宽比的开口内的填充问题，采用高深宽比填孔工艺（HARP，High Aspect Ratio Process），以满足更高深宽比开口的填充需求，以实现高深宽比沟槽隔离结构的无空隙。具体的，以正硅酸乙酯（TEOS）与臭氧（O₃）为反应气体，能够填充深宽比大于6:1的开口。

然而，当用于形成沟槽隔离结构的开口深宽比继续增加，所述高深宽比填孔工艺还是会产生空隙问题。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种沟槽隔离结构的形成方法，使所形成的浅沟槽隔离结构内无空隙、质量好。

为解决上述问题，本发明提供一种沟槽隔离结构的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底内具有开口；在所述开口的侧壁和底部表面形成第一绝缘衬垫层；采用离子注入工艺对所述第一绝缘衬垫层靠近开口顶部的部分注入改性离子；在所述离子注入工艺之后，进行热退火工艺，使注入改性离子的第一绝缘衬垫层形成第二绝缘衬垫层；在热退火工艺之后，进行表面处理工艺，使所述开口内的第一绝缘衬垫层和第二绝缘衬垫层表面具有氢氧键，且所述第二绝缘衬垫层表面的氢氧键密度小于第一绝缘衬垫层表面的氢氧键密度；在表面处理工艺之后，在所述开口内的第一绝缘衬垫层表面和第二绝缘衬垫层表面形成填充满开口绝缘层。

可选的，所述离子注入工艺为：注入角度为15°～30°，注入剂量为1*105～1*107原子/平方厘米，注入能量为10KeV～50KeV。

可选的，在所述离子注入工艺过程中，水平旋转所述半导体衬底，所述水平旋转的角度包括0°、90°、180°和270°。

可选的，所述表面处理工艺为：温度为400℃～550℃，水汽H2O的流量为3000标准毫升/分钟～6000标准毫升/分钟，载气氦气的流量为5000标准毫升/分钟～15000标准毫升/分钟，气压为2托～8托，射频功率为500瓦～1000瓦。

可选的，所述第一绝缘衬垫层的材料为氧化硅，所述改性离子为氮离子，所述第二绝缘衬垫层的材料为氮氧化硅或氮化硅。

可选的，所述第一绝缘衬垫层的形成工艺为热氧化工艺，所述第一绝缘衬垫层的厚度为20埃～200埃。

可选的，所述绝缘层的形成工艺为：在所述半导体衬底、第一绝缘衬垫层和第二绝缘衬垫层表面形成填充满开口绝缘薄膜；化学机械抛光半导体衬底表面的绝缘薄膜，直至暴露出半导体衬底为止。

可选的，所述绝缘薄膜的材料为氧化硅，形成工艺为化学气相沉积工艺。

可选的，所述化学气相沉积工艺的沉积气体包括正硅酸乙酯和臭氧，所述正硅酸乙酯的流量为500毫克/分钟～8000毫克/分钟，臭氧的流量为5000标准毫升/分钟～3000标准毫升/分钟，气压为300托～600托，温度为400摄氏度～600摄氏度。