深溝槽填充方法
【專利摘要】本發明公開了一種深溝槽填充方法，包括步驟：在襯底上形成深溝槽；對襯底表面進行表面預處理；對襯底進行加熱處理；在襯底表面噴吐純水進行預浸潤；在襯底表面形成第一層光刻膠；對第一層光刻膠進行熱回流。本發明通過在襯底表面涂膠后，對光刻膠軟烤之前，增加一個對光刻膠進行熱回流的工藝，由于熱回流時光刻膠中溶劑成分較多，所以光刻膠的流動性較好，通過加熱能使光刻膠產生回流，從而能夠增加深溝槽的頂部邊角處的光刻膠的厚度，能加強對溝槽頂部邊角處的保護；能夠在通過兩次光刻刻蝕不同深度的溝槽工藝中對深溝槽進行保護，防止在深溝槽的頂部形成缺陷，能提高器件的電性能。
【專利說明】深溝槽填充方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種半導體集成電路制造工藝方法，特別是涉及一種深溝槽填充方法。
【背景技術】
[0002]在半導體制造中通常需要對同一襯底形成不同深度的溝槽，而且經常其深度還有很大差別。如圖1A所示，是現有技術中在同一襯底上形成有不同深度的溝槽的第一種實例的示意圖；該第一種實例為典型的邏輯器件中使用銅互連，使用雙大馬士革結構的實例，該第一種實例，在Si02襯底I上形成有深溝槽2以及淺溝槽3，其中深溝槽2做接觸孔使用，淺溝槽3作為接觸孔的互聯金屬使用。
[0003]如圖1B所示，是現有技術中在同一襯底上形成有不同深度的溝槽的第二種實例的示意圖；該第二種實例為典型的功率器件，在硅襯底11上形成有絕緣膜12，其中深溝槽13的底部連接形成于硅襯底11中的埋層，淺溝槽14用于形成接觸孔，淺溝槽14并不進入到硅襯底11中。
[0004]現有刻蝕工藝中，一次刻蝕形成的溝槽的深度是基本一致的，因此如果要形成兩種深度不同的溝槽，必須通過兩次光刻刻蝕來形成。如圖2A所示，首先采用光刻刻蝕工藝在一襯底21形成形成深溝槽22 ;如圖2B所示，再用光刻膠層23定義出淺溝槽24的形成區域，并以光刻膠層23為掩模對襯底21進行刻蝕形成淺溝槽24 ;在刻蝕形成淺溝槽24的過程中，需要用光刻膠層23對深溝槽22進行保護。如果在刻蝕形成淺溝槽24的過程中沒有用光刻膠層23或其它填充材料對深溝槽22進行保護，則會對深溝槽22進行兩次刻蝕，從而在深溝槽22的頂部形成缺陷，影響器件的電性能。
[0005]用光刻膠對不同深度的溝槽進行填充覆蓋時，不同深度溝槽的填充效果是不一樣的。如圖3所示，是現有技術中不同深度的溝槽填充光刻膠的效果圖；溝槽31的寬度和深度都要大于溝槽32的寬度和深度。可以看出，光刻膠33能夠將溝槽32完全填充，而只能對溝槽31進行覆蓋，且在溝槽31的不同位置處，光刻膠33的厚度也不一樣，其中在溝槽31的頂部邊角處即如圖3的虛線框所圈的位置處的光刻膠33a的厚度會很薄，該處較薄的光刻膠33a不能對溝槽31進行有效的保護。在如圖2B所示，如果其中深溝槽22的寬度較大時,在形成淺溝槽24的刻蝕工藝中，深溝槽22的頂部邊角處的光刻膠23會很薄從而會對深溝槽22的頂部邊角再次刻蝕。
[0006]所以，現有技術中，對于溝槽深度尺寸較小的情況，可以使用填充材料，此時因為深溝槽尺寸較小，且圖形密度很低(通常邏輯器件中通孔層，即深溝槽層圖形密度〈1%)，填充材料可以較好的填充，并對深溝槽進行保護。
[0007]但是當溝槽圖形尺寸變大時(比如溝槽的寬度>0.8um)，或圖形密度增加時(比如>2%)，或溝槽深度很深(比如>2um)時，填充材料無法形成良好覆蓋，在溝槽頂部其厚度很薄，尤其在邊角處，因此在后續的淺溝槽刻蝕時無法起到保護作用。
【發明內容】
[0008]本發明所要解決的技術問題是提供一種深溝槽填充方法，能夠改進光刻膠對溝槽填充能力，提高大尺寸溝槽頂部和邊緣的保護能力。
[0009]為解決上述技術問題，本發明提供的深溝槽填充方法包括如下步驟:
[0010]步驟一、采用光刻刻蝕工藝在襯底上形成深溝槽，所述深溝槽的關鍵尺寸大于0.8微米。
[0011]步驟二、使用水或有機溶劑對形成有所述深溝槽的襯底表面進行表面預處理。
[0012]步驟三、對所述襯底進行加熱處理，用于去除所述襯底上的水或有機溶劑。
[0013]步驟四、在所述襯底表面噴吐純水進行預浸潤。
[0014]步驟五、在所述襯底表面噴吐光刻膠、并進行旋轉涂膠在所述襯底表面形成第一層光刻膠。
[0015]步驟六、對所述第一層光刻膠進行熱回流，使所述深溝槽的頂部邊角處的第一層光刻膠的厚度增加。
[0016]進一步的改進是，還包括如下步驟:
[0017]步驟七、在所述第一層光刻膠熱回流后的所述襯底表面上旋涂第二層光刻膠，采用光刻工藝形成光刻膠圖形，該光刻膠圖形定義出淺溝槽的形成區域，所述淺溝槽的形成區域的所述襯底表面露出。
[0018]步驟八、以所述光刻膠圖形為掩模，刻蝕所述襯底形成所述淺溝槽，所述淺溝槽的深度小于所述深溝槽的深度；所述淺溝槽的刻蝕過程中，所述深溝槽由填充于所述深溝槽中的所述第一層光刻膠和所述第二層光刻膠保護。
[0019]步驟九、去除所述第一層光刻膠和所述第二層光刻膠，使用摻雜多晶硅或金屬同時填充所述深溝槽和所述淺溝槽。
[0020]進一步的改進是，所述襯底為一硅片；或者所述襯底為一硅片加上形成于所述硅片上的絕緣膜；或者所述襯底為二氧化硅層。
[0021]進一步的改進是，步驟三中所述加熱處理的溫度為150°C?250°C，時間為30秒?360 秒。
[0022]進一步的改進是，步驟五中噴吐光刻膠的吐出量為2毫升?20毫升。
[0023]進一步的改進是,步驟五中噴吐光刻膠的吐出量為5暈升?10暈升。
[0024]進一步的改進是，步驟六中的熱回流溫度為30°C?60°C，時間為120秒?2小時。
[0025]進一步的改進是，步驟六中的熱回流的時間為5分鐘?30分鐘。
[0026]進一步的改進是，步驟二至步驟六都在光刻涂膠設備中完成。
[0027]進一步的改進是，在步驟六的熱回流之后，還包括對所述第一層光刻膠進行軟烤的步驟。
[0028]進一步的改進是，步驟六在烤箱中完成。
[0029]進一步的改進是，步驟六的熱回流通過紫外線輻照完成。
[0030]進一步的改進是，所述紫外線輻照的紫外線的波長大于400納米，輻照時間2分鐘?30分鐘，輻照溫度小于90°C。
[0031]進一步的改進是，所述深溝槽的深度大于2微米。
[0032]進一步的改進是，所述深溝槽深寬比大于3。[0033]進一步的改進是，所述深溝槽的圖形密度大于2%。
[0034]進一步的改進是，步驟六的熱回流后，所述深溝槽頂部的所述第一層光刻膠的厚度大于300納米，所述深溝槽頂部邊角處的所述第一層光刻膠的厚度大于200納米。
[0035]本發明通過在襯底表面涂膠后，對光刻膠軟烤之前，增加一個對光刻膠進行熱回流的工藝，由于熱回流時光刻膠中溶劑成分較多，所以光刻膠的流動性較好，通過加熱能使光刻膠產生回流，從而能夠增加深溝槽的頂部邊角處的光刻膠的厚度，能加強對溝槽頂部邊角處的保護；能夠在通過兩次光刻刻蝕不同深度的溝槽工藝中，有效的對深溝槽進行保護，能防止在深溝槽的頂部形成缺陷，能提高器件的電性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0036]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明:
[0037]圖1A是現有技術中在同一襯底上形成有不同深度的溝槽的第一種實例的示意圖；
[0038]圖1B是現有技術中在同一襯底上形成有不同深度的溝槽的第二種實例的示意圖；
[0039]圖2A-圖2B是現有形成不同深度的溝槽的各步驟中的器件結構示意圖；
[0040]圖3是現有技術中不同深度的溝槽填充光刻膠的效果圖；
[0041]圖4是本發明實施例深溝槽填充方法的流程圖；
[0042]圖5A是本發明實施例深溝槽填充方法的步驟六的熱回流前后的光刻膠在深溝槽中的填充效果圖；
[0043]圖5B是本發明實施例深溝槽填充方法的步驟六的熱回流后的光刻膠在深溝槽中的SEM照片。
【具體實施方式】
[0044]如圖4所示，是本發明實施例深溝槽填充方法的流程圖；本發明實施例深溝槽填充方法包括如下步驟:
[0045]步驟一、采用光刻刻蝕工藝在襯底上形成深溝槽，所述深溝槽的關鍵尺寸即深溝槽的寬度大于0.8微米，所述深溝槽的深度大于2微米，所述深溝槽深寬比大于3，所述深溝槽的圖形密度大于2%。
[0046]所述襯底為一娃片；或者所述襯底為一娃片加上形成于所述娃片上的絕緣膜；或者所述襯底為二氧化硅層。以圖1B所示的在同一襯底上形成有不同深度的溝槽的第二種實例為例，所述襯底為硅襯底11加上形成于硅襯底11上的絕緣膜12，所形成的深溝槽12的深度關鍵尺寸為2微米、寬度為7微米，所述深溝槽13的底部連接形成于硅襯底11中的埋層。
[0047]步驟二、使用水或有機溶劑對形成有所述深溝槽的襯底表面進行表面預處理。本實施例中以純水為例，能使用濕法清洗設備或光刻涂膠設備進行預處理；以光刻涂膠設備為例，預處理工藝中設定的轉速為IOOOrpm?1500rpm,以純水沖洗,每次5秒?10秒,反復3次,然后以2500rpm?3000rpm的轉速甩干。
[0048]步驟三、對所述襯底進行加熱處理，用于去除所述襯底上的水或有機溶劑，所述加熱處理的溫度為150°C?250°C，時間為30秒?360秒。
[0049]步驟四、在所述襯底表面噴吐純水進行預浸潤，同通用標準涂膠方法相同。
[0050]步驟五、在所述襯底表面噴吐光刻膠、并進行旋轉涂膠在所述襯底表面形成第一層光刻膠。
[0051]其中噴吐光刻膠的吐出量為2毫升?20毫升，較佳為5毫升?10毫升。現有通常方法中噴吐光刻膠的吐出量為0.5暈升?1.5暈升,本發明實施例方法的吐出量為現有通常方法中的吐出量的2-3倍以上，最好能達到4-8倍。
[0052]其中旋轉涂膠采用靜態+動態旋涂，即采用轉速為IOOrpm?250rpm、時間為5秒?10秒的靜態旋涂與轉速為1500rpm?3000rpm、時間為5秒?15秒的動態旋涂，兩者交替進行，反復3-5次。
[0053]步驟六、對所述第一層光刻膠進行熱回流，使所述深溝槽的頂部邊角處的第一層光刻膠的厚度增加。熱回流后，所述深溝槽頂部的所述第一層光刻膠的厚度大于300納米，所述深溝槽頂部邊角處的所述第一層光刻膠的厚度大于200納米。
[0054]本發明實施例中熱回流能夠采用多種方式實現:
[0055]方式一、使用光刻涂膠設備(Track)進行熱回流，熱回流溫度為30°C?60°C，時間為120秒?2小時，較佳時間為5分鐘?30分鐘。熱回流過程中，所述襯底能夠靜止，或以50rpm?250rpm低速旋轉,或靜止和低速旋轉交替進行，由于回流溫度遠低于正常的軟烤溫度，所以能夠使光刻膠保持一定的流動性，同時能夠防止光刻膠的溶劑過渡蒸發而固態化。
[0056]方式二、使用低溫烘箱進行烘烤實現熱回流，熱回流溫度為30°C?60°C，時間為120秒?2小時，較佳時間為5分鐘?30分鐘。在熱回流過程中襯底保持靜止。
[0057]方式三、通過紫外線輻照完成熱回流，所述紫外線輻照的紫外線的波長大于400納米，輻照時間2分鐘?30分鐘，輻照溫度小于90°C。此時不宜使用小于400納米的輻照波長，防止光刻膠形貌因大量吸收紫外波段輻照能量，而產生劇烈變化。
[0058]熱回流采用方式一時，在熱回流工藝之后，還需要對所述第一層光刻膠進行軟烤，軟烤溫度為75°C?150°C，時間為60秒?180秒。
[0059]如圖5A所示，是本發明實施例深溝槽填充方法的步驟六的熱回流前后的光刻膠在深溝槽中的填充效果圖；可以看出所述第一層光刻膠43a在熱回流之前在所述深溝槽的頂部邊角處的厚度較薄，所以第一層光刻膠43a的覆蓋能力較差；熱回流之后，所述第一層光刻膠43b在所述深溝槽的頂部邊角處的厚度增加，也就提高了第一層光刻膠43b的覆蓋能力。如圖5B所示，是本發明實施例深溝槽填充方法的步驟六的熱回流后的光刻膠在深溝槽中的SEM照片，可以看出所述深溝槽頂部邊角處的所述第一層光刻膠的厚度都大于200納米。
[0060]為了在所述襯底上形成淺溝槽，在所述深溝槽填充后，還包括如下步驟:
[0061]步驟七、在所述第一層光刻膠熱回流后的所述襯底表面上旋涂第二層光刻膠，采用光刻工藝形成光刻膠圖形，該光刻膠圖形定義出淺溝槽的形成區域，所述淺溝槽的形成區域的所述襯底表面露出。
[0062]步驟八、以所述光刻膠圖形為掩模，刻蝕所述襯底形成所述淺溝槽，所述淺溝槽的深度小于所述深溝槽的深度；所述淺溝槽的刻蝕過程中，所述深溝槽由填充于所述深溝槽中的所述第一層光刻膠和所述第二層光刻膠保護。
[0063]步驟九、去除所述第一層光刻膠和所述第二層光刻膠，使用摻雜多晶硅或金屬同時填充所述深溝槽和所述淺溝槽。以圖1B所示的在同一襯底上形成有不同深度的溝槽的第二種實例為例，在所述深溝槽13和所述淺溝槽14中填充的為鎢，填充之后需要采用化學機械研磨(CMP)或刻蝕回刻工藝進行平坦化，最后形成連接埋層和柵極的不同深度的接觸孔。
[0064]以上通過具體實施例對本發明進行了詳細的說明，但這些并非構成對本發明的限制。在不脫離本發明原理的情況下，本領域的技術人員還可做出許多變形和改進，這些也應視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種深溝槽填充方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟一、采用光刻刻蝕工藝在襯底上形成深溝槽，所述深溝槽的關鍵尺寸大于0.8微米; 步驟二、使用水或有機溶劑對形成有所述深溝槽的襯底表面進行表面預處理； 步驟三、對所述襯底進行加熱處理，用于去除所述襯底上的水或有機溶劑； 步驟四、在所述襯底表面噴吐純水進行預浸潤； 步驟五、在所述襯底表面噴吐光刻膠、并進行旋轉涂膠在所述襯底表面形成第一層光刻膠; 步驟六、對所述第一層光刻膠進行熱回流，使所述深溝槽的頂部邊角處的第一層光刻膠的厚度增加。
2.如權利要求1所述的深溝槽填充方法，其特征在于，還包括如下步驟: 步驟七、在所述第一層光刻膠熱回流后的所述襯底表面上旋涂第二層光刻膠，采用光刻工藝形成光刻膠圖形，該光刻膠圖形定義出淺溝槽的形成區域，所述淺溝槽的形成區域的所述襯底表面露出； 步驟八、以所述光刻 膠圖形為掩模，刻蝕所述襯底形成所述淺溝槽，所述淺溝槽的深度小于所述深溝槽的深度；所述淺溝槽的刻蝕過程中，所述深溝槽由填充于所述深溝槽中的所述第一層光刻膠和所述第二層光刻膠保護； 步驟九、去除所述第一層光刻膠和所述第二層光刻膠，使用摻雜多晶硅或金屬同時填充所述深溝槽和所述淺溝槽。
3.如權利要求1所述的深溝槽填充方法，其特征在于:所述襯底為一硅片；或者所述襯底為一硅片加上形成于所述硅片上的絕緣膜；或者所述襯底為二氧化硅層。
4.如權利要求1所述的深溝槽填充方法，其特征在于:步驟三中所述加熱處理的溫度為150°C~250°C，時間為30秒~360秒。
5.如權利要求1所述的深溝槽填充方法，其特征在于:步驟五中噴吐光刻膠的吐出量為2毫升~20毫升。
6.如權利要求5所述的深溝槽填充方法，其特征在于:步驟五中噴吐光刻膠的吐出量為5毫升~10毫升。
7.如權利要求1所述的深溝槽填充方法，其特征在于:步驟六中的熱回流溫度為30°C~60°C，時間為120秒~2小時。
8.如權利要求7所述的深溝槽填充方法，其特征在于:步驟六中的熱回流的時間為5分鐘~30分鐘。
9.如權利要求1所述的深溝槽填充方法，其特征在于:步驟二至步驟六都在光刻涂膠設備中完成。
10.如權利要求1或9所述的深溝槽填充方法，其特征在于:在步驟六的熱回流之后，還包括對所述第一層光刻膠進行軟烤的步驟。
11.如權利要求1所述的深溝槽填充方法，其特征在于:步驟六在烤箱中完成。
12.如權利要求1所述的深溝槽填充方法，其特征在于:步驟六的熱回流通過紫外線輻照完成。
13.如權利要求12所述的深溝槽填充方法，其特征在于:所述紫外線輻照的紫外線的波長大于400納米，輻照時間2分鐘~30分鐘，輻照溫度小于90°C。
14.如權利要求1所述的深溝槽填充方法，其特征在于:所述深溝槽的深度大于2微米。
15.如權利要求1所述的深溝槽填充方法，其特征在于:所述深溝槽深寬比大于3。
16.如權利要求1所述的深溝槽填充方法，其特征在于:所述深溝槽的圖形密度大于2%。
17.如 權利要求1所述的深溝槽填充方法，其特征在于:步驟六的熱回流后，所述深溝槽頂部的所述第一層光刻膠的厚度大于300納米，所述深溝槽頂部邊角處的所述第一層光刻膠的厚度大于200納米。
【文檔編號】H01L21/762GK103579073SQ201210251945
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年7月20日 優先權日:2012年7月20日
【發明者】王雷, 李偉峰 申請人:上海華虹Nec電子有限公司