專利名稱：多層晶片中的溝槽結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及多層晶片的制造，具體而言，涉及專門設計用于制造CMOS器件的超薄包埋氧化物(UTBOX)晶片的制造。更具體而言，本發明涉及旨在用于使各個MOSFET電絕緣的淺槽隔離(STI)模塊的制造。
背景技術：
薄包埋氧化物層或超薄包埋氧化物(UTBOX)上硅的有利特征在于閾值電壓的較小變化，因此其在目前和未來的CMOS技術中受到的關注日益增長。特別是，全耗盡CMOS技術使得低電壓和低功率電路能夠在高速下運行。此外，全耗盡SOI器件被認為是能夠實現較低短溝道效應(SCE)的最有前景的候選物。絕緣體上硅(SOI)晶片、特別是UTBOX晶片構成了高性能MOSFET和CMOS技術的基礎。主要通過絕緣體上方形成的有源硅層(即，包埋氧化物(BOX)層)的薄度來促進對 SCE的控制。為降低源極與漏極之間的耦合效應，此外就薄膜器件對于未來技術的擴展性而言，必要的是提供非常薄的BOX層。閾值電壓的控制也依賴于BOX層的薄度。對BOX層下方襯底的適當注入使得通過反偏壓能夠精確調整閾值電壓。在SOI器件、特別是CMOS器件的制造中通常必須形成溝槽，例如使得各個MOSFET 彼此電隔離。所形成的溝槽可以進行清潔、輕度氧化，隨后填充氧化物內襯并在內襯上方填充部分絕緣材料，由此形成淺槽隔離(STI)結構。然而，在這種溝槽結構(例如STI)的制造中，會出現所謂鳥嘴效應形式的問題。在SOI晶片中形成溝槽的情況中的鳥嘴效應的特征在于，在靠近溝槽邊緣區域中的BOX層厚度的增加。形成鳥嘴效應背后的原因之一可能例如與BOX層在通常包括氫氟酸浸漬的清潔工序中的一些過蝕有關。另一個原因可能在于， 在通過氧化物-氧化物結合來制造SOI晶片的情形中(其中，例如用氧化物層如SiO2層被覆薄硅層，并轉移到也由同類型氧化物層被覆的襯底上)，BOX層中未完全緊閉結合的界面發生側向氧化。因此，存在對用于形成可減少鳥嘴效應的溝槽和相應的隔離體結構的改進方法的需求。
發明內容
本發明解決了上述需求，并因此提供一種在多層晶片中制造溝槽結構的方法，所述多層晶片包含襯底、位于襯底上的氧化物層和位于氧化物層上的半導體層，所述方法包含以下步驟穿過半導體層和氧化物層(BOX層)形成溝槽并延伸至襯底中；和對所形成的溝槽進行退火處理，使得在溝槽的內表面處，所述半導體層的部分材料在氧化物層在溝槽內表面處露出的部分的至少一部分上流動。具體而言，所述襯底可以是硅襯底，所述氧化物層可以是(二)氧化硅層(SiO2)并且所述半導體層為硅層，例如單晶硅層。
通過熱退火步驟，在基于所形成的溝槽的后續制造步驟中的鳥嘴效應可以有效地得到減少。在溝槽中露出的氧化物上溢流的半導體材料防止了后續清潔工序中半導體層的過蝕以及例如在溝槽的內表面上形成氧化物內襯時先前露出的氧化物層的非預期側向氧化。根據一個實施方式，在退火處理后進行溝槽的清潔處理。清潔處理可以包括使用氫氟酸溶液進行清潔，特別是浸漬在氫氟酸溶液中進行清潔。由于因熱退火而在露出的氧化物表面上流動的半導體層材料的保護性涂布，氫氟酸溶液未引起半導體層的過蝕。在熱退火和清潔處理后，可以在溝槽中形成氧化物內襯。通過包含溝槽的晶片的熱氧化可以形成氧化物內襯。所形成的氧化物的厚度應該足以消耗溢流的半導體材料，并通過這樣做來防止頂部Si層與BOX層下的硅襯底之間的電短路/連接。所述方法還可以包括退火處理后和氧化物內襯形成后使用絕緣材料填充溝槽。退火處理例如在至少1100°C、特別是至少1150°C、更特別是至少1200°C的溫度下進行。此外，退火處理可以在氫氣和/或氬氣氣氛中進行。熱退火處理可以進行非常短的時間，例如至多4分鐘、特別是至多3分鐘、更特別是至多2分鐘。在所發明方法的上述實例中，BOX層可以具有5nm 20nm的厚度，并且UTBOX晶片中的頂部半導體層可以具有IOnm 50nm的厚度。由此可以在下述UTBOX晶片中形成溝槽，所述UTBOX晶片包含極薄的BOX層和旨在用作半導體器件(例如SOI CMOS器件)有源層的薄硅層。由于鳥嘴效應對薄BOX層而言特別會造成問題，因此要注意的是，通過本發明提供的熱退火工序，甚至對于這種約2nm 20nm的薄BOX層，都可以有效地抑制鳥嘴效應。此外，上述實例中的多層晶片可以通過以下方式提供在襯底上形成第一氧化物層；在另一襯底上形成第二氧化物層；和在晶片轉移工序中使第一和第二氧化物層結合，由此形成夾在所述襯底和半導體層之間的氧化物層、BOX層，并除去所述另一襯底。注意到，在以此方式提供多層的情形中，本發明的熱退火步驟有利地引起了第一和第二氧化物層(其形成晶片的BOX層)結合界面在界面完全緊閉(complete closing) 意義上的合并，由此生成了均質BOX層。由于如此獲得的BOX層的均質性，可以明顯抑制通過熱氧化在溝槽內表面處形成氧化物內襯時由側向氧化導致的鳥嘴效應。本發明還提供一種用于制造半導體器件的方法，所述方法包括下述步驟根據上述實例之一在多層晶片中制造溝槽(結構)；在所述多層晶片上方并部分地在該多層晶片中形成MOSFET ；和在多層晶片上方和/或其中形成另一器件，使得所述另一器件通過溝槽(結構) 與MOSFET隔開。特別是，在該方法中，可以對所述襯底進行摻雜以用作背柵極襯底，并且所述另一器件可以包含用于背柵極偏壓的背柵極端子。另外，本發明還提供一種用于制造溝槽電容器的方法，所述方法包括下述步驟根據上述實例之一在多層晶片中制造溝槽結構；退火處理后在溝槽內表面上形成節點電介質(node dielectric)；和形成節點電介質后在溝槽中填充導電性材料。
通過填充至溝槽中的導電性材料形成一個電極，并可以通過(摻雜的多晶硅)襯底形成另一個電極。
現將參照附圖描述本發明的其他特征和優點。在本說明書中，對意在說明本發明優選實施方式的附圖進行了參考。應該理解，這些實施方式并不代表本發明的全部范圍。圖Ia If示出了本發明在SOI晶片中制造STI的方法的一個實例。圖2示出了本發明一個實例的超薄BOX上硅器件的一部分。
具體實施例方式下面描述在多層晶片中形成溝槽結構的本發明方法的一個實例。提供如圖Ia所示的晶片。該多層晶片包含襯底1、第一層2和第二層3。根據本實例，該多層晶片為SOI 晶片，即，襯底1為硅襯底1，第一層2為氧化層(BOX層)，并且第二層3為硅層3。圖Ia所示的多層晶片可以通過本領域已知的多種晶片轉移技術獲得。例如，硅層3可以在供體襯底上生長，并且隨后在硅層3上形成(二)氧化硅層。另一方面，在襯底1上形成(二)氧化硅層。在晶片轉移工序中，形成在硅層3上的氧化物層和形成在襯底1上的氧化物層彼此進行結合，并且除去該供體襯底，余下包含襯底1、氧化物層2和硅層3的晶片。在圖Ia所示的晶片中，如圖Ib中所示穿過硅層3和氧化物層2形成溝槽4并延伸至襯底1中。通過形成掩模層，例如位于硅層3頂部的氮化物掩模層和位于掩膜層頂部的光刻膠(未示出)，可有助于溝槽的形成。在圖案化后，可對溝槽4進行蝕刻，并除去掩膜層和光刻膠。在多層晶片中形成溝槽4后，進行快速熱退火工序100(參見圖Ic)。為此，使晶片 (溝槽)在至少1100°C，例如1150°C，特別是12000C^ 1250°C以上的溫度下經受例如由氫氣和/或氬氣構建的退火氣氛至多4分鐘，例如至多2或3分鐘。快速熱退火工序100使得在溝槽4的內表面處生成硅層3的部分流動的硅，使得流動的硅至少部分被覆在部分于溝槽4內表面處露出的氧化層2上。由此在后續制造過程中抑制鳥嘴效應。接下來，如圖Id所示，通過氫氟酸溶液對溝槽4進行清潔200。例如，可以使用 10% 20%的氫氟酸溶液來進行晶片和溝槽4的浸漬清潔。通過先前進行的退火處理100 可有效地防止硅層3的過蝕。清潔工序200后，在溝槽4的內表面上形成氧化物內襯5 (參見圖Ie)。可以通過例如在特別是包括02/H2或02/H2/HCl或02/HCl的氧氣氣氛和/或800°C 1000°C的溫度下的熱氧化來形成氧化物內襯5。再次，通過先前進行的退火處理100使得原本在由上述晶片轉移所得的氧化物層 2中由不完全緊閉的氧化物-氧化物界面的側向氧化導致的鳥嘴效應得到了抑制。根據所示實例，使用部分絕緣體材料6 (例如部分氮化物或氧化物材料)來填充該溝槽，以完成STI的形成(參見圖If)。通過這種STI，例如各個不同的MOSFET可以彼此隔開。隔開的MOSFET可以具有不同的導電類型，并可以是CMOS器件的部分。圖Ic和Id所示的形成溝槽結構的上述方式也可以用于溝槽電容器的形成，并且特別是可用于包含所述溝槽電容器的存儲單元(例如SOI上DRAM單元)的形成。為此目的，在圖Ic或Id所示的溝槽4的內表面上形成例如氮化硅或氧化硅的節點電介質，隨后使用導電性材料(例如銅、鎳等金屬或η+摻雜的多晶硅)來填充溝槽4。這種溝槽電容器可以與也形成在多層晶片上并部分形成在多層晶片中的存取晶體管連接。圖2中示出了本發明制造溝槽結構、特別是STI的方法的另一應用。在所示實例中，所示的UTBOX上硅器件包含MOSFET 10，所述MOSFET 10包含柵電極7和側壁間隔物 (sidewall spacer)80在有源硅層3中，溝道區9在柵電極7下方形成。源/漏區在硅層3 中形成為與溝道區域相鄰。在硅層3下方設置極薄的BOX層2，其形成在多晶硅襯底1上。 MOSFET 10的有源區下方的襯底1進行適當摻雜，以起到背柵極襯底的作用。此外，所示器件包含位于STI 6之間的背柵極端子11。位于右手側的另一 STI 6限制出所示的有源區域。注意到，可以將硅化物區形成為與側壁隔片8相鄰，并且可以優選的是柵電極至少部分地進行硅化。在圖2所示的實例中，特別有利的是提供根據本發明制造的STI，即通過包括參照圖Ic所描述的熱退火的工序步驟形成的STI，由此避免了原本將導致成品UTBOX(CMOS)上硅器件的性能顯著劣化的鳥嘴效應。所有上述實施方式都不意在作為限制，而是用作說明本發明的特征和優點的實例。應該理解，上述特征的多個或全部也可以以不同方式結合。
權利要求
1.一種在多層晶片中制造溝槽結構的方法，所述多層晶片包含襯底、位于所述襯底上的氧化物層和位于所述氧化物層上的半導體層，所述方法包括以下步驟穿過所述半導體層和所述氧化物層形成溝槽并延伸至所述襯底中；和對所形成的溝槽進行退火處理，使得在所述溝槽的內表面處，所述半導體層的部分材料在所述氧化物層在溝槽內表面處露出的部分的至少一部分上流動。
2.權利要求1所述的方法，所述方法還包括在所述退火處理后對所述溝槽進行清潔處理。
3.如權利要求2所述的方法，其中，所述清潔處理包括使用氫氟酸溶液進行清潔，特別是浸漬在氫氟酸溶液中進行清潔。
4.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述退火處理在至少1100°C、特別是至少1150°C、更特別是至少1200°C的溫度下進行。
5.如權利要求4所述的方法，其中，所述退火處理在氫氣和/或氬氣氣氛中進行。
6.如權利要求4或5所述的方法，其中，所述退火處理進行至多4分鐘、特別是至多3 分鐘、更特別是至多2分鐘。
7.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述襯底包含硅特別是多晶硅或者由硅特別是多晶硅構成，和/或所述氧化物層包含SiO2，和/或所述半導體層包含硅特別是單晶硅或者由硅特別是單晶硅構成。
8.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述氧化物層的厚度為5nm 20nm，和 /或所述半導體層的厚度為IOnm 50nm。
9.如前述權利要求中任一項所述的方法，所述方法還包括通過下述方式提供多層晶片在所述襯底上形成第一氧化物層； 在另一襯底上形成第二氧化物層；在晶片轉移工序中使所述第一和第二氧化物層結合，并除去所述另一襯底。
10.如前述權利要求中任一項所述的方法，所述方法還包括在所述退火處理后特別是通過熱氧化在所述溝槽中形成氧化物內襯。
11.如前述權利要求中任一項所述的方法，所述方法還包括在所述退火處理后使用絕緣體材料填充所述溝槽。
12.一種用于制造半導體器件的方法，所述方法包括下述步驟 如前述權利要求中任一項所述在多層晶片中制造溝槽結構； 在所述多層晶片上方并部分地在所述多層晶片中形成MOSFET ；和在所述多層晶片上方和/或其中形成另一器件，使得所述另一器件通過所述溝槽結構與所述MOSFET隔開。
13.如權利要求12所述的方法，其中，對所述襯底進行摻雜以用作背柵極襯底，并且所述另一器件包含背柵極端子。
14.一種用于制造溝槽電容器的方法，所述方法包括下述步驟 如前述權利要求中任一項所述在多層晶片中制造溝槽結構； 在退火處理后在所述溝槽的內表面上形成節點電介質；和在形成所述節點電介質后在所述溝槽中填充導電性材料。
全文摘要
本發明涉及一種多層晶片中的溝槽結構，以及在多層晶片中制造該溝槽結構的方法，所述多層晶片包含襯底、位于襯底上的氧化物層和位于氧化物層上的半導體層，所述方法包括以下步驟穿過半導體層和氧化物層形成溝槽并延伸至襯底中，并對所形成的溝槽進行退火處理，以使在所述溝槽的內表面處，所述半導體層的部分材料在所述氧化物層在溝槽內表面處露出的部分的至少一部分上流動。
文檔編號H01L21/8238GK102263054SQ201110117188
公開日2011年11月30日 申請日期2011年5月6日 優先權日2010年5月25日
發明者卡洛斯·馬祖拉, 康斯坦丁·布德爾 申請人:硅絕緣體技術有限公司