超结深沟槽器件及其制作方法与流程

1.本发明属于集成电路制造技术领域，具体涉及一种超结深沟槽器件及其制作方法。


背景技术：

2.超结结构由交替排列的n型柱和p型柱组成。超结器件的制作工艺常采用沟槽填充型制作工艺，超结器件以nmosfet为例。在n型外延层表面形成掩膜层，刻蚀掩膜层和n型外延层形成沟槽，之后在沟槽中填充p型外延层，p型外延层还覆盖掩膜层的上表面，最后通过化学机械研磨(cmp)平坦化p型外延层，形成交替排列的p-n柱。化学机械研磨的过程中存在掩膜层易断裂导致表面划伤的问题，亟需改进。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种超结深沟槽器件及其制作方法，氮化硅层被悬空的部分被去除，剩余的氮化硅层下面均有底部氧化层支撑，避免了化学机械研磨的过程中氮化硅层因被悬空导致在研磨压力作用下的断裂损伤。
4.本发明提供一种超结深沟槽器件的制作方法，包括：
5.提供衬底，所述衬底上依次形成有第一外延层和硬掩膜层，所述硬掩膜层包括依次位于所述第一外延层上的底部氧化层、氮化硅层和顶部氧化层；
6.形成若干沟槽，所述沟槽贯穿所述硬掩膜层和部分厚度的所述第一外延层；
7.湿法刻蚀去除所述顶部氧化层，同时所述沟槽两侧暴露出的所述底部氧化层被侧掏，使部分宽度的所述氮化硅层被悬空；
8.去除所述氮化硅层被悬空的部分，剩余的所述氮化硅层层叠在所述底部氧化层上方；
9.形成第二外延层，所述第二外延层填充所述沟槽以及由层叠的所述底部氧化层和剩余的所述氮化硅层形成的开口；
10.化学机械研磨使所述第二外延层与剩余的所述氮化硅层表面平坦化。
11.进一步的，采用各向同性干法刻蚀工艺去除所述氮化硅层被悬空的部分。
12.进一步的，所述氮化硅层横向刻蚀速率为2埃/秒～6埃/秒。
13.进一步的，所述各向同性干法刻蚀工艺具体参数包括：反应腔的压力为8毫托～20毫托，上部电源功率为700w～1600w，偏转功率为40w～100w，通入氟碳化合物气体流量为50sccm～250sccm。
14.进一步的，所述氟碳化合物气体包括chf3，cf4，ch2f2和ch3f中的至少一种。
15.进一步的，采用湿法刻蚀工艺去除所述氮化硅层被悬空的部分，湿法药液采用热磷酸。
16.进一步的，所述第一外延层为n型硅外延层,所述第二外延层为p型硅外延层；或者，所述第一外延层为p型硅外延层,所述第二外延层为n型硅外延层。
17.进一步的，采用干法刻蚀的方法形成若干所述沟槽，若干所述沟槽在所述第一外延层中间隔排列。
18.进一步的，去除所述氮化硅层被悬空的部分的工艺中，所述氮化硅层也被消耗一定的厚度，剩余的所述氮化硅层厚度占所述氮化硅层原始厚度的1/4～1/3。
19.本发明还提供一种超结深沟槽器件，包括：
20.衬底，所述衬底上依次形成有第一外延层和硬掩膜层，所述硬掩膜层包括依次层叠位于所述第一外延层上的底部氧化层和氮化硅层；
21.若干沟槽，所述沟槽贯穿部分厚度的所述第一外延层；
22.若干开口，所述开口贯穿所述氮化硅层和所述底部氧化层，所述开口与所述沟槽连通且一一对应，所述开口在所述衬底的投影覆盖且大于所述沟槽在所述衬底的投影；
23.第二外延层，所述第二外延层填充所述沟槽和所述开口。
24.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
25.本发明提供一种超结深沟槽器件及其制作方法，包括：提供衬底，衬底上依次形成有第一外延层和硬掩膜层，硬掩膜层包括底部氧化层、氮化硅层和顶部氧化层；形成若干沟槽，沟槽贯穿硬掩膜层和部分厚度的第一外延层；湿法刻蚀去除顶部氧化层，同时沟槽两侧暴露出的底部氧化层被侧掏，使部分宽度的氮化硅层被悬空；去除氮化硅层被悬空的部分；剩余的氮化硅层层叠在底部氧化层上方；形成第二外延层，第二外延层填充沟槽；化学机械研磨使第二外延层与剩余的氮化硅层表面平坦化。本发明氮化硅层被悬空的部分被去除，剩余的氮化硅层下面均有底部氧化层支撑，避免了化学机械研磨过程中氮化硅层因被悬空导致在研磨压力作用下的断裂损伤。
附图说明
26.图1为本发明实施例的一种超结深沟槽器件的制作方法流程示意图。
27.图2为本发明实施例的超结深沟槽器件的制作方法中形成沟槽后的结构示意图。
28.图3为本发明实施例的超结深沟槽器件的制作方法中湿法刻蚀去除顶部氧化层后的结构示意图。
29.图4为不去除氮化硅层被悬空的部分进行后续工艺的反面案例结构示意图。
30.图5为本发明实施例的超结深沟槽器件的制作方法中去除氮化硅层被悬空的部分后的结构示意图。
31.图6为本发明实施例的超结深沟槽器件的制作方法中形成第二外延层后的结构示意图。
32.图7为本发明实施例的超结深沟槽器件的制作方法中研磨第二外延层后的结构示意图。
33.其中，附图标记如下：
34.10-衬底；11-第一外延层；12-硬掩膜层；12a-底部氧化层；12b-氮化硅层；12c-顶部氧化层；v-沟槽；k-开口；d-空洞；13-外延层；14-第二外延层。
具体实施方式
35.以下结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明。根据下面说明，本发明的
优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
36.为了便于描述，本技术一些实施例可以使用诸如“在
…
上方”、“在
…
之下”、“顶部”、“下方”等空间相对术语，以描述如实施例各附图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件之间的关系。应当理解的是，除了附图中描述的方位之外，空间相对术语还旨在包括装置在使用或操作中的不同方位。例如若附图中的装置被翻转，则被描述为在其它元件或部件“下方”或“之下”的元件或部件，随后将被定位为在其它元件或部件“上方”或“之上”。下文中的术语“第一”、“第二”、等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换。
37.本发明实施例提供了一种超结深沟槽器件的制作方法，如图1所示，包括：
38.步骤s1、提供衬底，所述衬底上依次形成有第一外延层和硬掩膜层，所述硬掩膜层包括依次位于所述第一外延层上的底部氧化层、氮化硅层和顶部氧化层；
39.步骤s2、形成若干沟槽，所述沟槽贯穿所述硬掩膜层和部分厚度的所述第一外延层；
40.步骤s3、湿法刻蚀去除所述顶部氧化层，同时所述沟槽两侧暴露出的所述底部氧化层被侧掏，使部分宽度的所述氮化硅层被悬空；
41.步骤s4、去除所述氮化硅层被悬空的部分，剩余的所述氮化硅层层叠在所述底部氧化层上方；
42.步骤s5、形成第二外延层，所述第二外延层填充所述沟槽以及由层叠的所述底部氧化层和剩余的所述氮化硅层形成的开口；
43.步骤s6、化学机械研磨使所述第二外延层与剩余的所述氮化硅层表面平坦化。
44.下面结合图2至图7详细介绍本发明实施例的超结深沟槽器件的制作方法的各步骤。
45.如图2所示，提供衬底10，所述衬底10上依次形成有第一外延层11和硬掩膜层12，所述硬掩膜层12包括依次位于所述第一外延层11上的底部氧化层12a、氮化硅层12b和顶部氧化层12c。本实施例中衬底可以是以下所提到的材料中的至少一种：si、sic、sige、sigec、geas、inas、inp，以及其它
ⅲ‑ⅴ
或
ⅱ‑ⅵ
族化合物半导体。在此仅是描述了可以形成衬底的几个示例，本领域的技术人员可以根据衬底上形成的半导体器件选择衬底的类型，衬底的类型不构成对本发明的保护范围的限制。
46.形成沟槽v，所述沟槽v贯穿所述硬掩膜层12和部分厚度的所述第一外延层11。可采用干法刻蚀的方法形成所述沟槽v，可形成若干间隔排列的沟槽v。
47.如图3所示，湿法刻蚀去除所述顶部氧化层12c，同时所述沟槽v暴露出的所述底部氧化层12a被侧掏，从而部分宽度的所述氮化硅层12b被悬空。
48.如图4所示，若氮化硅层12b被悬空的部分不做处理，继续后续工艺，形成外延层13，外延层13填充沟槽，填充外延层13的过程中，氮化硅层12b被悬空的部分其下方间隙不易被填充，因此该处极易形成空洞d，化学机械研磨(cmp)外延层13的过程中，空洞d附近的氮化硅层12b在cmp研磨时易发生断裂导致表面划伤。
49.如图5所示，去除所述氮化硅层12b被悬空的部分；剩余的所述氮化硅层12b层叠在所述底部氧化层12a上方。具体的，可采用各向同性干法刻蚀工艺去除所述氮化硅层12b被
悬空的部分，该干法刻蚀过程中氮化硅层12b被损耗一定的厚度，被损耗的氮化硅层厚度约占氮化硅层原始厚度的2/3左右，剩余的所述氮化硅层厚度约占氮化硅层原始厚度的1/3左右。示例性的，剩余的所述氮化硅层厚度占所述氮化硅层原始厚度的1/4～1/3。
50.各向同性干法刻蚀工艺刻蚀氮化硅层12b，具体刻蚀参数设置为：反应腔的压力为8毫托～20毫托，上部电源功率为700w～1600w，偏转功率为40w～100w，通入氟碳化合物气体(例如chf3，cf4，ch2f2，ch3f中的至少一种)流量为50sccm～250sccm，通入氩气流量为50sccm～150sccm。各向同性刻蚀的横向(平行于衬底10方向)刻蚀宽度随着刻蚀时间成线性变化，即各向同性刻蚀的横向刻蚀速率为固定值。
51.根据氮化硅层12b被悬空部分的水平方向的宽度设定刻蚀时间。示例性的，氮化硅层12b横向刻蚀速率为2埃/秒～6埃/秒。氮化硅层横向刻蚀速率不做限制，可根据实际情况调整，通过调整氟碳化合物气体的流量、偏转功率等参数来调整氮化硅层横向刻蚀速率。氮化硅层横向被刻蚀的同时，纵向(垂直于衬底方向)也被刻蚀一定厚度。
52.去除所述氮化硅层12b被悬空的部分的工艺中，可采用对氮化硅和硅高选择比的刻蚀气体，以确保在刻蚀氮化硅12b的过程中，第一外延层11(材质例如为硅)不被较大的损耗；在刻蚀氮化硅12b的过程中，第一外延层11有部分损耗也是允许的，第一外延层11被损耗的区域后续由第二外延层14填充。
53.在其他示例中，也可采用湿法刻蚀工艺去除所述氮化硅层12b被悬空的部分，湿法药液例如采用热磷酸。
54.如图5和图6所示，形成第二外延层14，所述第二外延层14填充所述沟槽v以及由层叠的所述底部氧化层12a和剩余的所述氮化硅层12b形成的开口k。如图7所示，化学机械研磨(cmp)所述第二外延层14与剩余的所述氮化硅层12b表面平坦化。如此一来，氮化硅层12b被悬空的部分被去除，剩余的氮化硅层12b下面均有底部氧化层12a支撑，避免了化学机械研磨所述第二外延层14的过程中氮化硅层12b因被悬空导致在研磨压力作用下的断裂损伤。
55.第一外延层11为n型硅外延层,第二外延层14为p型硅外延层。或者，第一外延层11为p型硅外延层,第二外延层14为n型硅外延层。示例性的，在所述沟槽v中填充第二外延层14，第二外延层14例如为p型硅外延层形成p型柱，p型柱之间的第一外延层11(例如n型外延层)形成n型柱，n型和p型柱交替排列形成超结结构。
56.本发明还提供一种超结深沟槽器件，如图5和图7所示，包括：
57.衬底10，所述衬底10上依次形成有第一外延层11和硬掩膜层，所述硬掩膜层包括依次层叠位于所述第一外延层上的底部氧化层12a和氮化硅层12b；
58.若干沟槽v，所述沟槽v贯穿部分厚度的所述第一外延层11；
59.若干开口k，所述开口k贯穿所述氮化硅层12b和所述底部氧化层12a，所述开口k与所述沟槽v连通且一一对应，所述开口k在所述衬底10的投影覆盖且大于所述沟槽v在所述衬底10的投影；
60.第二外延层14，所述第二外延层14填充所述沟槽v和所述开口k。
61.综上所述，本发明提供一种超结深沟槽器件及其制作方法，包括：提供衬底，衬底上依次形成有第一外延层和硬掩膜层，硬掩膜层包括底部氧化层、氮化硅层和顶部氧化层；形成若干沟槽，沟槽贯穿硬掩膜层和部分厚度的第一外延层；湿法刻蚀去除顶部氧化层，同
时沟槽两侧暴露出的底部氧化层被侧掏，使部分宽度的氮化硅层被悬空；去除氮化硅层被悬空的部分；剩余的氮化硅层层叠在底部氧化层上方；形成第二外延层，第二外延层填充沟槽；化学机械研磨使第二外延层与剩余的氮化硅层表面平坦化。本发明氮化硅层被悬空的部分被去除，剩余的氮化硅层下面均有底部氧化层支撑，避免了化学机械研磨的过程中氮化硅层因被悬空导致在研磨压力作用下的断裂损伤。
62.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于与实施例公开的器件相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
63.上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种超结深沟槽器件的制作方法，其特征在于，包括：提供衬底，所述衬底上依次形成有第一外延层和硬掩膜层，所述硬掩膜层包括依次位于所述第一外延层上的底部氧化层、氮化硅层和顶部氧化层；形成若干沟槽，所述沟槽贯穿所述硬掩膜层和部分厚度的所述第一外延层；湿法刻蚀去除所述顶部氧化层，同时所述沟槽两侧暴露出的所述底部氧化层被侧掏，使部分宽度的所述氮化硅层被悬空；去除所述氮化硅层被悬空的部分，剩余的所述氮化硅层层叠在所述底部氧化层上方；形成第二外延层，所述第二外延层填充所述沟槽以及由层叠的所述底部氧化层和剩余的所述氮化硅层形成的开口；化学机械研磨使所述第二外延层与剩余的所述氮化硅层表面平坦化。2.如权利要求1所述的超结深沟槽器件的制作方法，其特征在于，采用各向同性干法刻蚀工艺去除所述氮化硅层被悬空的部分。3.如权利要求2所述的超结深沟槽器件的制作方法，其特征在于，所述氮化硅层横向刻蚀速率为2埃/秒～6埃/秒。4.如权利要求2所述的超结深沟槽器件的制作方法，其特征在于，所述各向同性干法刻蚀工艺具体参数包括：反应腔的压力为8毫托～20毫托，上部电源功率为700w～1600w，偏转功率为40w～100w，通入氟碳化合物气体流量为50sccm～250sccm。5.如权利要求4所述的超结深沟槽器件的制作方法，其特征在于，所述氟碳化合物气体包括chf3，cf4，ch2f2和ch3f中的至少一种。6.如权利要求1所述的超结深沟槽器件的制作方法，其特征在于，采用湿法刻蚀工艺去除所述氮化硅层被悬空的部分，湿法药液采用热磷酸。7.如权利要求1所述的超结深沟槽器件的制作方法，其特征在于，所述第一外延层为n型硅外延层,所述第二外延层为p型硅外延层；或者，所述第一外延层为p型硅外延层,所述第二外延层为n型硅外延层。8.如权利要求1所述的超结深沟槽器件的制作方法，其特征在于，采用干法刻蚀的方法形成若干所述沟槽，若干所述沟槽在所述第一外延层中间隔排列。9.如权利要求1所述的超结深沟槽器件的制作方法，其特征在于，去除所述氮化硅层被悬空的部分的工艺中，所述氮化硅层也被消耗一定的厚度，剩余的所述氮化硅层厚度占所述氮化硅层原始厚度的1/4～1/3。10.一种超结深沟槽器件，其特征在于，包括：衬底，所述衬底上依次形成有第一外延层和硬掩膜层，所述硬掩膜层包括依次层叠位于所述第一外延层上的底部氧化层和氮化硅层；若干沟槽，所述沟槽贯穿部分厚度的所述第一外延层；若干开口，所述开口贯穿所述氮化硅层和所述底部氧化层，所述开口与所述沟槽连通且一一对应，所述开口在所述衬底的投影覆盖且大于所述沟槽在所述衬底的投影；第二外延层，所述第二外延层填充所述沟槽和所述开口。

技术总结
本发明提供一种超结深沟槽器件及其制作方法，包括：提供衬底，衬底上依次形成有第一外延层和硬掩膜层，硬掩膜层包括底部氧化层、氮化硅层和顶部氧化层；形成若干沟槽，沟槽贯穿硬掩膜层和部分厚度的第一外延层；湿法刻蚀去除顶部氧化层，同时底部氧化层被侧掏，使部分宽度的氮化硅层被悬空；去除氮化硅层被悬空的部分，剩余的氮化硅层层叠在底部氧化层上方；形成第二外延层，第二外延层填充沟槽；化学机械研磨第二外延层，使第二外延层与剩余的氮化硅层表面平坦化。本发明氮化硅层被悬空的部分被去除，剩余的氮化硅层下面均有底部氧化层支撑，避免了化学机械研磨过程中氮化硅层因被悬空导致在研磨压力作用下的断裂损伤。空导致在研磨压力作用下的断裂损伤。空导致在研磨压力作用下的断裂损伤。


技术研发人员：支立明 冯海浪
受保护的技术使用者：上海华虹宏力半导体制造有限公司
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/9/9