本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體集成電路制造工藝方法，特別是涉及一種超級(jí)結(jié)的溝槽填充方法。

背景技術(shù)：

超級(jí)結(jié)為由形成于半導(dǎo)體晶圓(wafer)中的交替排列的p型薄層和n型薄層組成，現(xiàn)有超級(jí)結(jié)的制造方法通常會(huì)采用到溝槽填充工藝方法，溝槽填充方法需要先在半導(dǎo)體晶圓如硅晶圓表面的外延層如n型摻雜外延層上刻蝕一定深度和寬度的溝槽，然后利用外延填充(epifilling)的方式在刻出的溝槽上填充p型摻雜的硅外延，并且要求填充區(qū)域具有完好的晶體結(jié)構(gòu)，以便后續(xù)流程制作高性能的器件。

隨著工藝的發(fā)展，在超級(jí)結(jié)項(xiàng)目中，三代工藝在二代工藝的基礎(chǔ)上，深溝槽即超級(jí)結(jié)的溝槽的側(cè)面角度由原來的88.6度優(yōu)化至完全垂直的90度，溝槽的關(guān)鍵尺寸如溝槽的寬度的面內(nèi)變化范圍也明顯減小，器件性能因此得到顯著提升。但另一方面，溝槽形貌的優(yōu)化將在很大程度上增加了epifilling的難度。

由于受負(fù)載效應(yīng)(loadingeffect)及外延反應(yīng)腔(epichamber)結(jié)構(gòu)的影響，wafer邊緣到ee5mm即邊緣內(nèi)5毫米范圍內(nèi)的溝槽填充速率快，中間位置較慢，從而導(dǎo)致邊緣位置溝槽填滿，而中間位置仍存在較深“v”型口，面內(nèi)均一性不好。溝槽形貌優(yōu)化后，該問題表現(xiàn)得更加明顯，邊緣與中間位置溝槽填充速率的差異更大。若單純?cè)黾犹畛鋾r(shí)間，可將中間位置溝槽填滿，但邊緣由于硅生長(zhǎng)過厚會(huì)產(chǎn)生缺陷，而外延缺陷會(huì)直接影響器件性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種超級(jí)結(jié)的溝槽填充方法，能提高填充工藝的面內(nèi)均勻性，減少缺陷產(chǎn)生并最后提高器件性能。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的超級(jí)結(jié)的溝槽填充方法包括如下步驟：

步驟一、提供一半導(dǎo)體晶圓，在所述半導(dǎo)體晶圓表面形成有第一導(dǎo)電類型外延層。

步驟二、采用光刻刻蝕工藝在所述第一導(dǎo)電類型外延層表面形成多個(gè)所述溝槽，所述溝槽分布于所述半導(dǎo)體晶圓的中央?yún)^(qū)域并延伸分布到邊緣區(qū)域。

步驟三、將所述半導(dǎo)體晶圓放置到外延生長(zhǎng)設(shè)備的反應(yīng)腔中。

步驟四、在所述反應(yīng)腔進(jìn)行外延生長(zhǎng)形成第二導(dǎo)電類型外延層將各所述溝槽完全填充；所述外延生長(zhǎng)的工藝氣體包括生長(zhǎng)氣體和刻蝕氣體，在所述外延生長(zhǎng)過程中在保持所述半導(dǎo)體晶圓的中央?yún)^(qū)域和邊緣區(qū)域的生長(zhǎng)氣體流量一致的條件下增加所述邊緣區(qū)域的刻蝕氣體流量，通過增加刻蝕氣體流量來降低所述邊緣區(qū)域的外延生長(zhǎng)速率，且該外延生長(zhǎng)速率的降低值用以抵消生長(zhǎng)氣體流量一致時(shí)所述邊緣區(qū)域的外延生長(zhǎng)速率大于所述中央?yún)^(qū)域的外延生長(zhǎng)速率的值，使所述中央?yún)^(qū)域和所述邊緣區(qū)域的外延生長(zhǎng)速率分布均勻并實(shí)現(xiàn)將所述邊緣區(qū)域和所述中央?yún)^(qū)域的各所述溝槽同時(shí)完全填充。

由填充于所述溝槽中的所述第二導(dǎo)電類型外延層組成第二導(dǎo)電類型柱，由各所述溝槽之間的所述第一導(dǎo)電類型外延層組成第一導(dǎo)電類型柱，由所述第一導(dǎo)電類型柱和所述第二導(dǎo)電類型柱交替排列形成所述超級(jí)結(jié)。

進(jìn)一步的改進(jìn)是，所述半導(dǎo)體晶圓為硅晶圓，所述第一導(dǎo)電類型外延層為硅外延層，所述第二導(dǎo)電類型外延層為硅外延層。

進(jìn)一步的改進(jìn)是，步驟二中形成所述溝槽時(shí)包括如下分步驟：在所述第一導(dǎo)電類型外延層表面形成硬質(zhì)掩模層，采用光刻定義出超級(jí)結(jié)的溝槽的形成區(qū)域，依次對(duì)所述溝槽的形成區(qū)域的所述硬質(zhì)掩模層和所述第一導(dǎo)電類型外延層進(jìn)行刻蝕形成多個(gè)所述溝槽。

進(jìn)一步的改進(jìn)是，所述硬質(zhì)掩模層為氮化硅層；或者，所述硬質(zhì)掩模層為氧化硅和氮化硅的疊加層。

進(jìn)一步的改進(jìn)是，所述溝槽的側(cè)面角度為90度+/-0.1度。

進(jìn)一步的改進(jìn)是，所述邊緣區(qū)域包括從所述半導(dǎo)體晶圓的最外側(cè)邊緣向內(nèi)延伸5毫米的范圍內(nèi)的區(qū)域。

進(jìn)一步的改進(jìn)是，步驟二中的光刻工藝定義的各所述溝槽的寬度相同，各所述溝槽之間的間距相同。

進(jìn)一步的改進(jìn)是，步驟四之后還包括依次去除所述硬質(zhì)掩模層的表面的所述第二導(dǎo)電類型外延層以及所述硬質(zhì)掩模層的步驟。

進(jìn)一步的改進(jìn)是，第一導(dǎo)電類型為n型，第二導(dǎo)電類型為p型；或者，第一導(dǎo)電類型為p型，第二導(dǎo)電類型為n型。

進(jìn)一步的改進(jìn)是，所述工藝氣體通過氣體分配裝置流入到所述反應(yīng)腔中，所述氣體分配裝置包括中間流入支路和外周流入支路，所述中間流入支路用于將相應(yīng)的所述工藝氣體流入到所述中央?yún)^(qū)域，所述外周流入支路用于將相應(yīng)的所述工藝氣體流入到所述邊緣區(qū)域。

進(jìn)一步的改進(jìn)是，所述生長(zhǎng)氣體均勻通過所述中間流入支路和所述外周流入支路從而同時(shí)均勻分配到所述中央?yún)^(qū)域和所述邊緣區(qū)域；所述刻蝕氣體分成兩部分，第一部分刻蝕氣體通過所述中間流入支路和所述外周流入支路從而同時(shí)均勻分配到所述中央?yún)^(qū)域和所述邊緣區(qū)域，第二部分刻蝕氣體通過所述外周流入支路分配到所述邊緣區(qū)域。

進(jìn)一步的改進(jìn)是，所述生長(zhǎng)氣體和所述第一部分刻蝕氣體在流入所述氣體分配裝置之前混合。

進(jìn)一步的改進(jìn)是，所述生長(zhǎng)氣體包括氫氣和硅源氣體；所述刻蝕氣體為氯化氫。

進(jìn)一步的改進(jìn)是，所述硅源氣體為二氯氫硅(dcs)。

進(jìn)一步的改進(jìn)是，所述氣體分配裝置包括自動(dòng)計(jì)量閥。

本發(fā)明利用在相同的工藝氣體條件下的邊緣區(qū)域的外延生長(zhǎng)速率會(huì)大于中央?yún)^(qū)域的外延生長(zhǎng)速率的特點(diǎn)，調(diào)整工藝氣體的分布，將工藝氣體中用于刻蝕的氣體即刻蝕氣體額外增加流入到邊緣區(qū)域中，也即在外延生長(zhǎng)過程中在保持半導(dǎo)體晶圓的中央?yún)^(qū)域和邊緣區(qū)域的生長(zhǎng)氣體流量一致的條件下增加邊緣區(qū)域的刻蝕氣體流量，由刻蝕氣體流量越大生長(zhǎng)速率越慢的特點(diǎn)可知，在邊緣區(qū)域的刻蝕氣體流量增加后能降低邊緣區(qū)域的外延生長(zhǎng)速率，且利用該外延生長(zhǎng)速率的降低值來抵消生長(zhǎng)氣體流量一致時(shí)邊緣區(qū)域的外延生長(zhǎng)速率大于中央?yún)^(qū)域的外延生長(zhǎng)速率的值，能使中央?yún)^(qū)域和邊緣區(qū)域的外延生長(zhǎng)速率分布均勻并實(shí)現(xiàn)將邊緣區(qū)域和中央?yún)^(qū)域的各所述溝槽同時(shí)完全填充，從而能提高填充工藝的面內(nèi)均勻性，減少缺陷產(chǎn)生，最后能達(dá)到理想的填充效果，從而能提高器件性能。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明：

圖1a-圖2b是現(xiàn)有超級(jí)結(jié)的溝槽填充方法各步驟中的器件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例方法的流程圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例方法中的氣體分配裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5a是本發(fā)明實(shí)施例方法中中央?yún)^(qū)域溝槽外延填充后的器件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5b是本發(fā)明實(shí)施例方法中邊緣區(qū)域溝槽外延填充后的器件結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

首先介紹一下現(xiàn)有方法所具有的問題，本發(fā)明實(shí)施例方法正是針對(duì)這些技術(shù)問題做了特定的改進(jìn)，如圖1a至圖2b所示，是現(xiàn)有超級(jí)結(jié)的溝槽填充方法各步驟中的器件結(jié)構(gòu)示意圖；其中，圖1a和圖2a對(duì)應(yīng)于中間區(qū)域的器件結(jié)構(gòu)示意圖，圖1b和圖2b對(duì)應(yīng)于邊緣區(qū)域的器件結(jié)構(gòu)示意圖，現(xiàn)有方法包括如下步驟：

步驟一、如圖1a和圖1b所示，提供一半導(dǎo)體晶圓101，在所述半導(dǎo)體晶圓101表面形成有第一導(dǎo)電類型外延層102。

步驟二、如圖1a和圖1b所示，在所述第一導(dǎo)電類型外延層102表面形成硬質(zhì)掩模層103，采用光刻定義出超級(jí)結(jié)的溝槽的形成區(qū)域，依次對(duì)所述溝槽的形成區(qū)域的所述硬質(zhì)掩模層103和所述第一導(dǎo)電類型外延層102進(jìn)行刻蝕形成多個(gè)所述溝槽，所述溝槽分布于所述半導(dǎo)體晶圓101的中央?yún)^(qū)域并延伸分布到邊緣區(qū)域。

步驟三、如圖1a和圖1b所示，進(jìn)行外延生長(zhǎng)在各所述溝槽中填充第二導(dǎo)電類型外延層104。如圖1b所示，邊緣區(qū)域的溝槽已被第二導(dǎo)電類型外延層104完全填充，第二導(dǎo)電類型外延層104在填充溝槽時(shí)是從溝槽的側(cè)面和底部表面生長(zhǎng)，生長(zhǎng)到一定厚度后第二導(dǎo)電類型外延層104會(huì)在溝槽的中間合并，如虛線圈202，在溝槽的頂部中間區(qū)域的第二導(dǎo)電類型外延層104也完全合并，所以第二導(dǎo)電類型外延層104將溝槽完全填充。圖1a所示，中央?yún)^(qū)域的溝槽未被第二導(dǎo)電類型外延層104完全填充，所以在溝槽的頂部的中間區(qū)域會(huì)形成v型開口，如虛線圈201所示。

由于圖1a所示的中央?yún)^(qū)域的溝槽未被完全填充，故還需進(jìn)行外延生長(zhǎng)，且后續(xù)外延生長(zhǎng)和圖1a和圖1b對(duì)應(yīng)的外延生長(zhǎng)是連續(xù)進(jìn)行的，為了方便顯示外延生長(zhǎng)過程中的器件結(jié)構(gòu)才將圖1a和圖1b單獨(dú)顯示。在圖1a和圖1b對(duì)應(yīng)的狀態(tài)之后的外延生長(zhǎng)會(huì)對(duì)v型開口進(jìn)行填充并最后將中央?yún)^(qū)域的溝槽完全填充，填充完成后的器件結(jié)構(gòu)請(qǐng)參考圖2a和圖2b所示，虛線圈203所示區(qū)域顯示中央?yún)^(qū)域的溝槽的頂部的外延層也已經(jīng)完全合并，實(shí)現(xiàn)了中央?yún)^(qū)域的溝槽的完全填充。但是這時(shí)，邊緣區(qū)域的外延層也會(huì)繼續(xù)生長(zhǎng)，這會(huì)造成邊緣區(qū)域的外延層厚度過厚，如虛線圈204所示。而且，外延生長(zhǎng)時(shí)，第二導(dǎo)電類型外延層104還會(huì)延伸到溝槽外的硬質(zhì)掩模層103的表面，圖2a中用標(biāo)記104a表示延伸到硬質(zhì)掩模層103表面的第二導(dǎo)電類型外延層，圖2b中用標(biāo)記104b表示延伸到硬質(zhì)掩模層103表面的第二導(dǎo)電類型外延層。顯然第二導(dǎo)電類型外延層104b和104a之間具有較大的厚度差，較厚的第二導(dǎo)電類型外延層104b容易在和溝槽頂部和硬質(zhì)掩模層103相接觸的位置處形成缺陷。由上可知，現(xiàn)有方法容易產(chǎn)生填充的面內(nèi)均勻性問題，且容易產(chǎn)生邊緣區(qū)域的延伸到硬質(zhì)掩模層103表面的第二導(dǎo)電類型外延層104b厚度較大而容易形成缺陷的問題，這些都會(huì)影響器件的性能。

如圖3所示，是本發(fā)明實(shí)施例方法的流程圖；如圖5a所示，是本發(fā)明實(shí)施例方法中中央?yún)^(qū)域溝槽外延填充后的器件結(jié)構(gòu)示意圖；如圖5b所示，是本發(fā)明實(shí)施例方法中邊緣區(qū)域溝槽外延填充后的器件結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明實(shí)施例超級(jí)結(jié)的溝槽填充方法包括如下步驟：

步驟一、提供一半導(dǎo)體晶圓1，在所述半導(dǎo)體晶圓1表面形成有第一導(dǎo)電類型外延層2。所述半導(dǎo)體晶圓1為硅晶圓，所述第一導(dǎo)電類型外延層2為硅外延層，所述所述第二導(dǎo)電類型外延層4為硅外延層。

步驟二、采用光刻刻蝕工藝在所述第一導(dǎo)電類型外延層2表面形成多個(gè)所述溝槽，所述溝槽分布于所述半導(dǎo)體晶圓1的中央?yún)^(qū)域并延伸分布到邊緣區(qū)域。所述邊緣區(qū)域包括從所述半導(dǎo)體晶圓1的最外側(cè)邊緣向內(nèi)延伸5毫米的范圍內(nèi)的區(qū)域。

本發(fā)明實(shí)施例方法中，形成所述溝槽時(shí)包括如下分步驟：在所述第一導(dǎo)電類型外延層2表面形成硬質(zhì)掩模層3；所述硬質(zhì)掩模層3為氮化硅層；或者，所述硬質(zhì)掩模層3為氧化硅和氮化硅的疊加層。

采用光刻定義出超級(jí)結(jié)的溝槽的形成區(qū)域，依次對(duì)所述溝槽的形成區(qū)域的所述硬質(zhì)掩模層3和所述第一導(dǎo)電類型外延層2進(jìn)行刻蝕形成多個(gè)所述溝槽。

較佳為，所述溝槽的側(cè)面角度為90度+/-0.1度。各所述溝槽的寬度相同，各所述溝槽之間的間距相同。

步驟三、如圖4所示，是本發(fā)明實(shí)施例方法中的氣體分配裝置302的結(jié)構(gòu)示意圖；將所述半導(dǎo)體晶圓1放置到外延生長(zhǎng)設(shè)備的工藝腔301中，半導(dǎo)體晶圓1在圖4中還用wafer表示。

步驟四、在所述工藝腔301進(jìn)行外延生長(zhǎng)形成第二導(dǎo)電類型外延層4將各所述溝槽完全填充；所述外延生長(zhǎng)的工藝氣體包括生長(zhǎng)氣體和刻蝕氣體，在所述外延生長(zhǎng)過程中在保持所述半導(dǎo)體晶圓1的中央?yún)^(qū)域和邊緣區(qū)域的生長(zhǎng)氣體流量一致的條件下增加所述邊緣區(qū)域的刻蝕氣體流量，通過增加刻蝕氣體流量來降低所述邊緣區(qū)域的外延生長(zhǎng)速率，且該外延生長(zhǎng)速率的降低值用以抵消生長(zhǎng)氣體流量一致時(shí)所述邊緣區(qū)域的外延生長(zhǎng)速率大于所述中央?yún)^(qū)域的外延生長(zhǎng)速率的值，使所述中央?yún)^(qū)域和所述邊緣區(qū)域的外延生長(zhǎng)速率分布均勻并實(shí)現(xiàn)將所述邊緣區(qū)域和所述中央?yún)^(qū)域的各所述溝槽同時(shí)完全填充。

如圖4所示，所述工藝氣體通過氣體分配裝置302流入到所述工藝腔301中。所述氣體分配裝置302包括自動(dòng)計(jì)量閥。本發(fā)明實(shí)施例方法中，外延生長(zhǎng)設(shè)備采用應(yīng)用材料公司的epicentura設(shè)備，所述氣體分配裝置302的自動(dòng)計(jì)量閥采用accusett，虛線框303所示為所述氣體分配裝置302的內(nèi)部氣體流向分布示意圖，包括中間流入支路304a和外周流入支路304b，中間流入支路304a在圖4中用inner表示，外周流入支路304b在圖4中用outer表示；所述中間流入支路304a用于將相應(yīng)的所述工藝氣體流入到所述中央?yún)^(qū)域，所述外周流入支路304b用于將相應(yīng)的所述工藝氣體流入到所述邊緣區(qū)域。

所述生長(zhǎng)氣體均勻通過所述中間流入支路304a和所述外周流入支路304b從而同時(shí)均勻分配到所述中央?yún)^(qū)域和所述邊緣區(qū)域；所述刻蝕氣體分成兩部分，第一部分刻蝕氣體通過所述中間流入支路304a和所述外周流入支路304b從而同時(shí)均勻分配到所述中央?yún)^(qū)域和所述邊緣區(qū)域，第二部分刻蝕氣體通過所述外周流入支路304b分配到所述邊緣區(qū)域。

所述生長(zhǎng)氣體和所述第一部分刻蝕氣體在流入所述氣體分配裝置302之前混合。

所述生長(zhǎng)氣體包括氫氣和硅源氣體；所述刻蝕氣體為氯化氫。所述硅源氣體為二氯氫硅。由圖4所示，其中maingasflow表示氣源的主路徑，其中包括了dcs、hcl和h2，maingasflow中hcl為第一部分刻蝕氣體，maingasflow中的各氣體在流入所述氣體分配裝置302之前已經(jīng)混合，之后通過inner和outer均勻分配到所述中央?yún)^(qū)域和所述邊緣區(qū)域。

addedgasflow表示在氣源的主路徑的旁邊的增加路徑，增加路徑中的hcl對(duì)應(yīng)于第二部分刻蝕氣體，第二部分刻蝕氣體僅所述外周流入支路304b即outer分配到所述邊緣區(qū)域。

如圖5a所示，是本發(fā)明實(shí)施例方法中中央?yún)^(qū)域溝槽外延填充后的器件結(jié)構(gòu)示意圖；如圖5b所示，是本發(fā)明實(shí)施例方法中邊緣區(qū)域溝槽外延填充后的器件結(jié)構(gòu)示意圖，由于增加了addedgasflow路徑，故能夠減少邊緣區(qū)域的外延生長(zhǎng)速率，最后能實(shí)現(xiàn)中央?yún)^(qū)域和邊緣區(qū)域的溝槽填充速率均勻并能實(shí)現(xiàn)同時(shí)完全填充。

之后還包括依次去除所述硬質(zhì)掩模層3的表面的所述第二導(dǎo)電類型外延層4以及所述硬質(zhì)掩模層3的步驟。所述硬質(zhì)掩模層3去除后，由填充于所述溝槽中的所述第二導(dǎo)電類型外延層4組成第二導(dǎo)電類型柱，由各所述溝槽之間的所述第一導(dǎo)電類型外延層2組成第一導(dǎo)電類型柱，由所述第一導(dǎo)電類型柱和所述第二導(dǎo)電類型柱交替排列形成所述超級(jí)結(jié)。

本發(fā)明實(shí)施例方法中，第一導(dǎo)電類型為n型，第二導(dǎo)電類型為p型。在其它實(shí)施例中也能為：第一導(dǎo)電類型為p型，第二導(dǎo)電類型為n型。

以上通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但這些并非構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在不脫離本發(fā)明原理的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可做出許多變形和改進(jìn)，這些也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。