一种半导体隔离结构的制造方法转让专利
申请号 : CN202210089156.6
文献号 : CN114121776B
文献日 : 2022-04-19
发明人 : 蔡明洋 , 王厚有 , 冯永波 , 陶磊
申请人 : 晶芯成(北京)科技有限公司 , 合肥晶合集成电路股份有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种半导体隔离结构的制造方法,其特征在于,包括:提供一衬底;
形成保护层于所述衬底上;
形成第一凹槽和第二凹槽于所述保护层上,且所述第一凹槽的宽度大于所述第二凹槽的宽度;
形成第一膜层于所述保护层上、所述第一凹槽和所述第二凹槽内,所述第一膜层覆盖所述第一凹槽的底部和侧壁,并填充满所述第二凹槽;
形成第二膜层于所述第一膜层上,且所述第二膜层填充所述第一凹槽;
同时刻蚀所述第二膜层、所述第一膜层以及所述衬底,以在所述衬底内形成第一沟槽和第二沟槽;以及
填充所述第一沟槽和所述第二沟槽,以形成填充体隔离结构;
其中,所述第二膜层的蚀刻率大于所述第一膜层的蚀刻率。
2.根据权利要求1所述的半导体隔离结构的制造方法,其特征在于:形成所述第一凹槽和所述第二凹槽于所述保护层上的方法包括将所述第一凹槽和所述第二凹槽刻蚀至所述衬底的上表面。
3.根据权利要求1所述的半导体隔离结构的制造方法,其特征在于:形成填充体隔离结构的方法包括:
移除所述衬底表面的填充体和所述衬底表面的所述保护层。
4.根据权利要求1所述的半导体隔离结构的制造方法,其特征在于:所述填充体的上表面与所述衬底的上表面在同一平面上。
5.根据权利要求1所述的半导体隔离结构的制造方法,其特征在于:所述第一沟槽与所述第一凹槽的中心轴线重合,且所述第二沟槽与所述第二凹槽的中心轴线重合。
6.根据权利要求1所述的半导体隔离结构的制造方法,其特征在于:所述第一膜层位于所述保护层上的厚度范围为10‑15nm。
7.根据权利要求1所述的半导体隔离结构的制造方法,其特征在于:所述第二膜层位于非凹槽区内的所述第一膜层上的厚度范围为25‑35nm。
8.根据权利要求1所述的半导体隔离结构的制造方法,其特征在于:所述第一沟槽于所述衬底中的深度大于所述第二沟槽于所述衬底中的深度。
9.根据权利要求1所述的半导体隔离结构的制造方法,其特征在于:所述第一沟槽的底面积小于所述第一沟槽的开口面积。
10.根据权利要求1所述的半导体隔离结构的制造方法,其特征在于:所述第二沟槽的底面积与所述第二沟槽的开口面积相等。
说明书 :
一种半导体隔离结构的制造方法
技术领域
背景技术
过二次刻蚀以达到较深的深度。但是,通过两次干法刻蚀工艺形成沟槽之后,逻辑区域与像
素区域的沟槽的顶部表面存在高度差,容易产生多晶硅残留的问题,并对衬底表面造成二
次损伤。
发明内容
除了沟槽表面的高度差,避免了对衬底的二次损伤。通过调整不同膜层的蚀刻率,可以获取
不同形状的沟槽。
具体实施方式
施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离
本发明的精神下进行各种修饰或改变。
制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可
能更为复杂。
法形成沟槽容易导致多晶硅残留,并对衬底表面造成二次损伤。
可以包括以下步骤:
化铟或者其它III/V族化合物半导体。衬底10还可以包括半导体构成的多层结构,例如为绝
缘体上硅、绝缘体上层叠硅、绝缘体上层叠锗化硅、绝缘体上锗化硅或者绝缘体上锗等。在
本申请的一个实施例中,衬底10的材料可以为例如硅衬底。在本申请的一实施例中,衬底10
可以用于形成例如CIS(CMOS Image Sensor,CMOS图像传感器),衬底10可以包括例如像素
区域和逻辑区域,像素区域用来检测光电二极管,而逻辑区域用来将检测到的光信号处理
为电信号以获取光学数据。
的上表面,氮化保护层202可以设置在氧化保护层201的上表面。首先清洗衬底10的表面,去
除衬底10表面的杂质颗粒或其它污染物。然后在衬底10上形成氧化保护层201,形成氧化保
护层201的方法可以为例如高温炉管氧化法、快速热氧化法、原位水蒸气产生氧化法或其他
方法。氧化保护层201的厚度范围可以为例如150‑200埃,例如为170埃。氧化保护层201的材
料可以为例如二氧化硅材质。在本申请的一实施例中,对衬底10进行热氧化以形成保护氧
化层201。在保护氧化层201的表面进行氮化物淀积,以形成氮化保护层202。氮化保护层202
在进行化学机械抛光时可以充当抛光的阻挡材料。氮化保护层202的材料可以为例如氮化
硅,氮氧化物、金属氮化物或者其他材料。氮化保护层202可以通过例如低压化学气相沉积,
次大气压化学气相沉积,常压化学气相沉积,离子体增强化学气相沉积或高密度等离子体
化学气相淀积等方法形成。在利用低压化学气相淀积工艺制备氮化保护层202时,可以通过
氨气和二氯硅烷发生反应生成氮化硅,反应温度可以为例如750摄氏度。氮化保护层202的
应力较大,在衬底10上形成氮化保护层202时,容易在衬底10表面造成位错。氧化保护层201
用于在形成氮化保护层202时提供缓冲,避免在衬底10上产生位错的问题。氧化保护层201
同时可以作为化学机械研磨平坦化沟槽中填充的介质材料的停止层。
形成第一凹槽301和第二凹槽302于保护层20上,且第一凹槽301的宽度大于第二凹槽302的
宽度。去除部分保护层20,以形成凹槽30。首先在氮化保护层202上旋涂一层光刻胶层40,通
过掩膜版50进行紫外线曝光。将所要蚀刻的衬底10的第一沟槽101和第二沟槽102范围内的
光刻胶薄膜通过显影、曝光的方式清洗,以便在保护层内形成凹槽30。在对光刻胶薄膜进行
清洗时可以使用清洗剂,以去除光刻胶层104。清洗剂可以为例如包括醇胺、硼酸及其衍生
物的混合液。在本申请的一实施例中,凹槽30可以包括第一凹槽301和第二凹槽302。第一凹
槽301和第二凹槽302刻蚀至衬底10的上表面。经过光刻之后,用离子和强腐蚀性的化学物
质把没有被光刻胶保护的区域的氮化硅、氧化硅和硅刻蚀掉。当使用等离子体干法刻蚀时,
刻蚀气体可以为例如四氟化碳和三氟甲烷。刻蚀气体的压强取值范围可以为例如10mT~
20mT。气体流量的取值范围可以为例如50sccm~130sccm。刻蚀时间的取值范围可以为例如
10s~40s。显影后通过干法刻蚀去除曝露的氮化保护层202和氧化保护层201。图像传感器
中包括逻辑区域和像素区域,在本申请的一些实施例中,第一凹槽301可以设置在逻辑区域
内,第二凹槽302可以设置在像素区域内。第一凹槽301和第二凹槽302的数量可以为多个。
在本申请的一实施例中,第一凹槽301的宽度宽度可以大于第二凹槽302的宽度宽度。第一
凹槽301和第二凹槽302刻蚀至衬底10的上表面,为后续对衬底10的刻蚀定位,也为第一膜
层60和第二膜层70提供了空间。
底部和侧壁。形成第一膜层60于凹槽30的底部,且第一膜层60覆盖保护层20。第一膜层60可
以覆盖第一凹槽301的底部和侧壁,并填充第二凹槽302。在本申请的一实施例中,第一膜层
60可以覆盖在氮化保护层202的上表面。第一膜层60可以通过例如低压化学气相沉积,次大
气压化学气相沉积,常压化学气相沉积,离子体增强化学气相沉积或高密度等离子体化学
气相淀积等方法形成。在本申请的一实施例中,第一膜层60可以使用ALD(Atomic Layer
Deposition,原子层沉积法)进行制备。将气相前驱体交替地通入反应器,并在沉积基体形
成沉积膜。ALD在沉积过程中,反应前驱体交替沉积,每次反应只沉积一层原子。ALD沉积材
料可以包括例如Al2O3、CaO、TaNX、SiO2或其他材料。ALD沉积过程可有效控制薄膜的厚度和
均匀性,实现高深宽比孔道的均匀覆盖。ALD的反应温度范围可以为例如50‑500℃,工作压
力范围可以为例如0.1‑10mbar,所沉积薄膜在保护层20上的的厚度范围可以为例如10‑
15nm。ALD工艺可以在真空中相对低温下进行,并能够有效应用于敏感表面。
上。在本申请的一实施例中,第一膜层60覆盖第一凹槽301的底部和侧壁。第二膜层70可以
填充在第一凹槽301内部,并覆盖于第一膜层60上。在本申请的一实施例中,第一凹槽301内
可以包括第一膜层60和第二膜层70。第二凹槽302内可以被第一膜层60填充。在本申请的一
实施例中,第二膜层70的蚀刻率可以大于第一膜层60的蚀刻率。第二膜层70可以通过例如
低压化学气相沉积,次大气压化学气相沉积,常压化学气相沉积,离子体增强化学气相沉积
或高密度等离子体化学气相淀积等方法形成。在本申请的一实施例中,第二膜层70可以使
用LPCVD(Low‑Pressure CVD,低压化学气相沉积法)工艺进行制备。使用LPCVD法沉积的薄
膜材料可以为例如氮化硅、磷硅玻璃、掺杂多晶硅或其他材料。工作温度范围可以为例如
400‑450℃,所沉积的薄膜在非凹槽区内的第一膜层60上的厚度范围可以为例如25‑35nm。
LPCVD法具备较高的沉积速率,可以大大降低颗粒污染源。
槽101和第二沟槽102。刻蚀衬底10,以形成第一沟槽101和第二沟槽102。在本申请的一些实
施例中,在完成步骤S5之后,可以使用CMP (Chemical Mechanical Polishing,化学机械抛
光)工艺或者干法刻蚀将氮化保护层202、第一凹槽301以及第二凹槽302之外的第一膜层60
和第二膜层70去除,并对凹槽30及其下方的衬底10进行刻蚀。刻蚀气体可以为氯气、溴化氢
或者溴化氢与其它气体的混合气体。在本申请的一实施例中,可以使用例如化学机械抛光
工艺将氮化保护层202、第一凹槽301以及第二凹槽302之外的第一膜层60和第二膜层70去
除。使用抛光液,将上述工件在一定的下压力中相对于抛光垫作旋转运动,借助磨粒的机械
磨削及化学氧化剂的腐蚀作用来完成对工件表层材料的去除。抛光液可以为例如超细颗
粒、化学氧化剂与液体介质的混合液。
行刻蚀。在本申请的其他实施例中,沟槽刻蚀还可以包括第四阶段、第五阶段或其他所需阶
段。在本申请的一实施例中,第二膜层70的蚀刻率可以大于第一膜层60的蚀刻率。在第一凹
槽301内,第一膜层60覆盖在第一凹槽301的底面和侧壁,而第二膜层70对第一凹槽301进行
填充。在刻蚀的初始阶段,由于第二膜层70的蚀刻率可以大于第一膜层60的蚀刻率,相同时
间内,第一凹槽301内的刻蚀深度大于第二凹槽302内的刻蚀深度。
行刻蚀。第一凹槽301内刻蚀深度大于氮化保护层202的厚度,同时第二凹槽302内的第一膜
层60同步进行刻蚀。在上述刻蚀过程中,第一凹槽301内的刻蚀深度始终大于第二凹槽302
内的刻蚀深度。
所暴露出的衬底10的上表面进行刻蚀。此时,第二凹槽302中的第一膜层60仍未刻蚀完毕。
第二膜层70的蚀刻率大于第一膜层60的蚀刻率,且两者的蚀刻率差别较大,在第一凹槽301
内可以刻蚀出例如上宽下窄的倒梯形轮廓。在对第一凹槽301下方的衬底10进行蚀刻时,将
上述倒梯形轮廓映射倒衬底10内部。而第二凹槽302中存在第一膜层60,其在衬底10上刻蚀
出的形状可以例如为矩形。
的衬底10的上表面进行刻蚀。第二凹槽302中的第一膜层60被刻蚀穿透,同时也对所暴露出
的衬底10的上表面进行刻蚀。在完成对第一凹槽301下方的衬底10的蚀刻后,在衬底10内形
成第一沟槽101。在完成对第二凹槽302下方的衬底10的蚀刻后,在衬底10内形成第二沟槽
102。
大于第一凹槽301内的第一膜层60的蚀刻速度。在第一凹槽301内形成例如倒梯形结构,将
第一凹槽301内的倒梯形结构复刻在衬底10上,形成第一沟槽101。蚀刻完成后,第二沟槽
102位于第二凹槽302的正下方。第二凹槽302内部被第一膜层60覆盖,由于不存在不同蚀刻
率膜层之间的蚀刻速度的差异,所以在第二凹槽302内形成矩形结构。蚀刻完成后,将第二
凹槽302内的矩形结构复刻在衬底10上,形成第二沟槽102。在本实施例中,第二膜层70的蚀
刻率大于第一膜层60的蚀刻率,在衬底10上获取的第一沟槽101的深度大于第二沟槽102的
深度。
和第二沟槽102进行填充体80的填充。填充体80可以包括第一填充体801和第二填充体802,
第一填充体801可以位于第一沟槽101内,第二填充体802可以位于第二沟槽102内。第一填
充体801在填充第一沟槽101之后继续填充第一凹槽301,第二填充体802在填充第二沟槽
102之后继续填充第二凹槽302。在本申请的其他实施例中,还可以先对第一沟槽101和第二
沟槽102的侧壁及顶角进行热氧化。在第一沟槽101和第二沟槽102中形成热氧化侧壁及热
氧化圆化顶角,以提高隔离性能。通过等离子体增强化学气相沉积工艺在第一沟槽101和第
二沟槽102上形成填充体80。填充体80的材料可以为例如二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氟硅
玻璃、未掺杂的硅盐酸玻璃、正硅酸四乙酯或其他材料。在本申请的一实施例中,在第一沟
槽101和第二沟槽102中添加填充体80的工艺可以使用例如高深宽比沉积工艺、旋转涂布
法、流动化学气相沉积法或者其他方法实现。
101和第二沟槽102。移除衬底10表面的填充体80和衬底10表面的保护层20。可以使用例如
化学机械研磨工艺去除衬底10上表面的氧化保护层201、氮化保护层202以及填充体80。可
以通过例如化学机械研磨工艺对沟槽70进行平坦化处理。例如将衬底10放置在研磨垫上,
使得衬底10与研磨垫接触,然后对衬底10上的填充体80进行研磨。在本申请的一实施例中,
例如通过稀释的氢氟酸将位于衬底10顶部的填充体80移除掉,通过稀释的氢氟酸将氮化保
护层202移除。对填充物700进行平坦化处理,去除残余的氮化硅和二氧化硅。在本申请的另
一实施例中,可以在衬底10的表面生长一层新的热氧化层作为牺牲氧化层,以减少界面缺
陷。在进行化学机械研磨时,工件在一定的下压力中相对于抛光垫作旋转运动,使用抛光
液,借助磨粒的机械磨削及化学氧化剂的腐蚀作用来完成对工件表层材料的去除。抛光液
可以为例如超细颗粒、化学氧化剂与液体介质的混合液。在本申请的其他实施例中,还可以
使用湿法刻蚀工艺去除衬底10上表面的氧化保护层201、氮化保护层202以及填充体80,例
如采用磷酸溶液进行湿法刻蚀。
槽。消除了沟槽表面的高度差,避免了对衬底的二次损伤。通过调整不同膜层的蚀刻率,可
以获取不同形状的沟槽。
明的具体实施例和本发明的实例,但是正如本领域技术人员将认识和理解的,各种等效修
改是可以在本发明的精神和范围内的。如所指出的,可以按照本发明所述实施例的上述描
述来对本发明进行这些修改,并且这些修改将在本发明的精神和范围内。
到,本发明的实施例可以在没有一个或多个具体细节的情况下进行实践,或者利用其它装
置、系统、配件、方法、组件、材料、部分等进行实践。在其它情况下,并未特别示出或详细描
述公知结构、材料和/或操作以避免对本发明实施例的各方面造成混淆。
的前提下,在没有对应使用其他特征的情况下将采用本发明的一些特征。因此,可以进行许
多修改,以使特定环境或材料适应本发明的实质范围和精神。本发明并非意在限制到在下
面权利要求书中使用的特定术语和/或作为设想用以执行本发明的最佳方式公开的具体实
施例,但是本发明将包括落入所附权利要求书范围内的任何和所有实施例及等同物。因而,
本发明的范围将只由所附的权利要求书进行确定。
方案,同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下,由上述技术特征或其等同特征进行
任意组合而形成的其它技术方案,例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功
能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。除说明书所述的技术特征外,其余技术特
征为本领域技术人员的已知技术,为突出本发明的创新特点,其余技术特征在此不再赘述。