浅沟槽隔离结构的形成方法及半导体器件的形成方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种浅沟槽隔离结构的形成方法及半导体器件的形成方法。

背景技术：

2.浅沟槽隔离结构（sti）是集成电路的特征部件，用以防止相邻的半导体部件间漏电流的相互影响。
3.cis图像传感器结构中存在第一区域和第二区域。随着先进cis图像传感器技术的发展，单个像素的特征尺寸越来越小，为了增大感光面积同时改善暗电流，需要在第二区域蚀刻得到更浅的浅沟槽隔离结构。通常使用两次光刻和两次刻蚀得到该更浅的浅沟槽隔离结构。具体地，先将第一沟槽和第二沟槽刻蚀到相同深度，再使用光刻胶（pr）覆盖第二沟槽，单独蚀刻第一沟槽到指定深度。此方案中第一沟槽周边的氮化硅(sin)可以作为刻蚀的掩膜被消耗，第二沟槽周边的氮化硅有光刻胶作为刻蚀阻挡层而被保护，从而造成氮化硅的高度差（step height），此高度差将造成化学机械研磨工艺的负载（cmp loading），导致在后续制程去除氮化硅（nitride strip）后产生氮化物残留物(nitrideresidue)，以及第一区域与第二区域的氧化硅高度不同的问题，对半导体器件的良率造成影响。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种浅沟槽隔离结构的形成方法及半导体器件的形成方法，以解决具有高度差的掩膜层去除时残留掩膜层导致半导体器件的良率下降的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种浅沟槽隔离结构的形成方法，包括：提供一衬底，所述衬底上包括第一区域和第二区域，所述衬底上依次形成有第一介质层、第一硬掩膜层和第二硬掩膜层，所述第一硬掩膜层和所述第二硬掩膜层的材料不同；以所述第二硬掩膜层为掩膜，通过刻蚀在所述第一区域形成第一开口，所述第一开口贯穿所述第二硬掩膜层、所述第一硬掩膜层、所述第一介质层，并延伸至所述衬底中；在所述第一开口内和所述第二硬掩膜层上形成保护层，以所述保护层为掩膜，在所述第二区域形成第二开口，所述第二开口贯穿所述第二硬掩膜层和所述第一硬掩膜层，所述第二开口的深度小于所述第一开口的深度；去除所述第二硬掩膜层；以所述第一硬掩膜层为掩膜，刻蚀所述第一开口下方的衬底形成第一沟槽，同时刻蚀所述第二开口下方的衬底形成第二沟槽。
6.可选的，所述第一硬掩膜层为氮化硅，所述第二硬掩膜层为无定形碳。
7.可选的，所述第一硬掩膜层的厚度为800埃~1000埃，所述第二硬掩膜层的厚度为6000埃~8000埃。
8.可选的，在所述第一区域形成第一开口的步骤中包括：
在所述第二硬掩膜层上形成第一图形化的光刻胶层；以所述第一图形化的光刻胶层为掩膜，刻蚀所述第一区域上的第二硬掩膜层形成初始开口，所述初始开口贯穿所述第二硬掩膜层并暴露出所述第一硬掩膜层；去除所述第一图形化的光刻胶层；以所述第二硬掩膜层为掩膜，刻蚀所述初始开口形成第一开口。
9.可选的，所述保护层为第二图形化的光刻胶层，所述第二图形化的光刻胶层暴露出所述第二区域上的部分所述第二硬掩膜层。
10.可选的，所述第二开口停留在所述第一介质层内或者停留在所述衬底表面上。
11.可选的，在形成第一沟槽和第二沟槽后，还保留部分厚度的所述第一硬掩膜层。
12.可选的，在形成第一沟槽和第二沟槽后，包括：在所述第一沟槽和第二沟槽内形成第二介质层，所述第二介质层延伸至所述第一硬掩膜层上；执行化学机械研磨工艺去除所述第一硬掩膜层上的所述第二介质层；去除所述第一硬掩膜层，形成浅沟槽隔离结构。
13.基于同一发明构思，本发明还提供一种半导体器件的形成方法，采用上述任一项所述的浅沟槽隔离结构的形成方法形成浅沟槽隔离结构。
14.可选的，所述半导体器件为cis图像传感器，所述第一区域为逻辑区，所述第二区域为像素区。
15.在本发明提供的一种浅沟槽隔离结构的形成方法及半导体器件的形成方法中，形成第一开口刻蚀时，采用第二硬掩膜层作为硬掩膜，消除了因光刻胶形貌不好造成的浅沟槽形貌不佳和尺寸不均匀问题。以及，由于形成第一开口和第二开口时采用第二硬掩膜层为掩膜，因此，减少了第一硬掩膜层的损失量，对沉积的第一硬掩膜层的负载较低。本发明在没有增加制程数量的情况下形成较平坦的晶圆表面，不会产生第一硬掩膜层表面段差以及第一区域与第二区域的介质层高度不同的问题。
附图说明
16.图1是本发明实施例的浅沟槽隔离结构的形成方法流程图；图2是本发明实施例的形成第一图形化的光刻胶层的结构示意图；图3是本发明实施例的形成第一初始开口的结构示意图；图4是本发明实施例的去除第一图形化的光刻胶层的结构示意图；图5是本发明实施例的形成第一开口的结构示意图；图6是本发明实施例的形成第二图形化的光刻胶层的结构示意图；图7是本发明实施例的形成第二开口的结构示意图；图8是本发明实施例的去除第二图形化的光刻胶层的结构示意图；图9是本发明实施例的去除第二硬掩膜层的结构示意图；图10是本发明实施例的形成第一沟槽和第二沟槽的结构示意图；图11是本发明实施例的形成第二介质层的结构示意图；图12是本发明实施例的去除第一硬掩膜层上的第二介质层的结构示意图；图13是本发明实施例的形成浅沟槽隔离结构的结构示意图；
图中，10-衬底；10a-第一区域；10b-第二区域；11-第一介质层；12-第一硬掩膜层；13-第二硬掩膜层；14-介电抗反射层；15-第一图形化的光刻胶层；15a-第二图形化的光刻胶层；16-初始开口；16a-第一开口；16b-第一沟槽；16c-第一浅沟槽隔离结构； 17a-第二开口；17b-第二沟槽；17c-第二浅沟槽隔离结构。
具体实施方式
17.为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。还应当理解的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
18.图1是本发明实施例的浅沟槽隔离结构的形成方法流程图。如图1所示，本实施例提供一种浅沟槽隔离结构的形成方法，包括：步骤s10，提供一衬底，所述衬底上包括第一区域和第二区域，所述衬底上形成有第一介质层、第一硬掩膜层和第二硬掩膜层；步骤s20，以所述第二硬掩膜层为掩膜在所述第一区域形成第一开口，所述第一开口贯穿所述第二硬掩膜层、所述第一硬掩膜层和所述第一介质层，并延伸至所述衬底中；步骤s30，在所述第一开口内和所述第二硬掩膜层上形成保护层，以所述保护层为掩膜，在所述第二区域形成第二开口，所述第二开口贯穿所述第二硬掩膜层和所述第一硬掩膜层，所述第二开口的深度小于所述第一开口的深度；步骤s40，去除所述第二硬掩膜层；步骤s50，以所述第一硬掩膜层为掩膜刻蚀所述第一开口形成第一沟槽，同时刻蚀所述第二开口形成第二沟槽。
19.图2至图13是本发明实施例的一种浅沟槽隔离结构的形成方法步骤对应结构示意图。为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合说明书附图2至图13对本发明的具体实施例做详细的说明。
20.请参考图2，在步骤s10中，提供一衬底10。所述衬底10的材料可以为硅、锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟，所述衬底10还可以为绝缘体上的硅衬底或者绝缘体上的锗衬底。
21.本实施例中，所述衬底10包括第一区域10a和第二区域10b。所述第一区域10a为逻辑区，用于形成逻辑器件(logic device)。所述第二区域10b为像素区，用于形成像素结构。所述衬底10上依次形成有第一介质层11、第一硬掩膜层12和第二硬掩膜层13。所述第一介质层11为缓冲层或者为垫介质层（pad oxide），所述第一介质层11可用于缓冲所述第一硬掩膜层12与所述衬底10之间的应力。所述第一介质层11例如是氧化层，可以通过热氧化工艺形成。所述第一介质层11的厚度例如是30埃~80埃。所述第一硬掩膜层12和所述第二硬掩膜层13的材料不同。所述第一硬掩膜层12例如是氮化硅，可以通过pecvd等工艺形成。所述
第二硬掩膜层13例如是无定形碳，可以采用pecvd工艺形成。所述第一硬掩膜层12的厚度例如是800埃~1000埃，所述第二硬掩膜层13的厚度例如是6000埃~8000埃。由于形成第一开口16a时采用所述第二硬掩膜层13为掩膜，形成第二开口17a时采用第二图形化的光刻胶层15a为掩膜，只有形成第一沟槽16b和第二沟槽17b时才以所述第一硬掩膜层12为掩膜，因此，所述第一硬掩膜层12无需太厚。
22.请参考图2-图5，在步骤s20中，以所述第二硬掩膜层13为掩膜在所述第一区域10a形成第一开口16a，所述第一开口16a贯穿所述第二硬掩膜层13、所述第一硬掩膜层12和所述第一介质层11，并延伸至所述衬底10中。
23.具体地，在所述第一区域10a形成第一开口16a的步骤中包括：请参考图2，执行步骤s21，在所述第二硬掩膜层13上形成第一图形化的光刻胶层15。在本实施例中，所述第二硬掩膜层13和所述第一图形化的光刻胶层15之间还形成有介电抗反射层14，所述介电抗反射层14用于反射光刻工艺中的光，以保证光刻工艺形成的初始开口图形规则。所述第一图形化的光刻胶层15暴露出第一区域10a上的部分介电抗反射层14。
24.请参考图3，执行步骤s22，以所述第一图形化的光刻胶层15为掩膜，刻蚀第一区域10a的所述第二硬掩膜层13以形成初始开口16，所述初始开口16贯穿所述第二硬掩膜层13并暴露出所述第一硬掩膜层12。在本实施例中，所述刻蚀工艺例如为干法刻蚀工艺，刻蚀气体例如为cf4，所述cf4的气体流量例如为50sccm~150sccm。
25.形成初始开口16的过程中，所述第一图形化的光刻胶层15可能被消耗殆尽，也可能还有残留。如果第一图形化的光刻胶层15还未消耗殆尽，还需要额外进行去除光刻胶工艺，通常可采用灰化工艺或者剥离的方式去除残留的光刻胶。本实施例中，请参考图3和图4，执行步骤s23，去除所述第一图形化的光刻胶层15，同时也去除介电抗反射层14，暴露出第二硬掩膜层13。
26.请参考图5，执行步骤s24，以所述第二硬掩膜层13为掩膜，刻蚀所述初始开口16下方的第一介质层11和部分厚度的衬底10，以形成第一开口16a。本实施例中，在进行第一开口16a刻蚀时，第一图形化的光刻胶层15已经被去除，此时可以使用第二硬掩膜层13作为硬掩膜。以第二硬掩膜层13为掩膜，解决了因光刻胶形貌不好造成的浅沟槽形貌不佳和尺寸不均匀问题。由于刻蚀所述初始开口16时，同时也消耗掉一部分第二硬掩膜层13，形成第一开口16a之后，所述第二硬掩膜层13的厚度会减少一些，例如还剩余4000埃~6000埃。
27.请参考图6~图8，在步骤s30中，在所述第一开口16a内和所述第二硬掩膜层13上形成保护层，以所述保护层为掩膜，在所述第二区域10b形成第二开口17a，所述第二开口17a贯穿所述第二硬掩膜层13和所述第一硬掩膜层12，所述第二开口17a的深度小于所述第一开口16a的深度，所述第二开口17a停留在所述第一介质层11内或者所述第二开口17a停留在所述衬底10的表面。在本实施例中，所述第二开口17a例如是停留在所述衬底10的表面上。
28.请参考图6，在所述第二硬掩膜层13上形成的保护层，所述保护层例如是第二图形化的光刻胶层15a，所述第二图形化的光刻胶层15a暴露出第二区域的部分所述第二硬掩膜层13。
29.请参考图7，以所述第二图形化的光刻胶层15a为掩膜，刻蚀第二区域10b的第二硬
掩膜层13、所述第一硬掩膜层12和所述第一介质层11形成第二开口17a，所述第二开口17a贯穿所述第二硬掩膜层13和所述第一硬掩膜层12，所述第二开口17a的深度小于所述第一开口16a的深度。所述第二开口17a可以停留在所述第一介质层11内或者所述第二开口17a停留在所述衬底10的表面。在本实施例中，所述刻蚀工艺例如为干法刻蚀工艺，刻蚀气体例如为cf4，所述cf4的气体流量例如为50sccm-150sccm。由于第二开口17a的深度较浅，并且第二开口17a并未延伸至所述衬底10内，因此，对形成浅沟槽隔离结构的形貌和尺寸影响较小，可以采用第二图形化的光刻胶层15a作为掩膜。
30.请参考图8，去除所述第二图形化的光刻胶层15a。形成第二开口17a后，所述第二图形化的光刻胶层15a可能被消耗殆尽（第二硬掩膜层13上方的第二图形化的光刻胶层15a以及第一开口16a内的第二图形化的光刻胶层15a均被消耗掉），也可能还有一些残留。具体实施时，如果第二图形化的光刻胶层15a还未消耗殆尽，可额外进行去除光刻胶工艺，通常可采用灰化工艺或者剥离的方式去除残留的光刻胶。
31.在另一个实施例中，形成第二开口17a还可以先去除所述第二图形化的光刻胶层15a，以所述第二硬掩膜层13为掩膜进行刻蚀从而形成第二开口17a。优选的，去除所述第二图形化的光刻胶层15a时，不仅去除所述第二硬掩膜层13上的所述第二图形化的光刻胶层15a，同时也会去除所述第一开口16a中的所述第二图形化的光刻胶层15a，因此，在以所述第二硬掩膜层13为掩膜进行刻蚀第二开口17a的同时，所述第一开口16a会进一步被刻蚀（变深和/或变宽）。
32.请参考图9，在步骤s40中，去除所述第二硬掩膜层13。在形成第一开口16a时以第二硬掩膜层13为掩膜，在形成第一开口16a时，所述第二硬掩膜层13也同时在损耗，形成第一开口16a之后，所述第二硬掩膜层13可能被消耗殆尽，也可能还有残留。具体实施时，如果第二硬掩膜层13还未消耗殆尽，可以进行湿法刻蚀工艺去除第二硬掩膜层13。由于所述第二硬掩膜层13和所述第一硬掩膜层12材质不同，所以采用湿法刻蚀工艺的时候可以只去除所述第二硬掩膜层13而不损伤所述第一硬掩膜层12。
33.请参考图10，在步骤s50中，以所述第一硬掩膜层12为掩膜刻蚀所述第一开口16a下方的衬底10从而形成第一沟槽16b，同时刻蚀所述第二开口17a下方的衬底10从而形成第二沟槽17b。所述第一沟槽16b的深度例如是3000埃~4000埃，所述第二沟槽17b的深度例如是1500埃~2000埃。在本实施例中，所述刻蚀工艺例如为干法刻蚀工艺，刻蚀气体例如为cf4，所述cf4的气体流量例如为50sccm-150sccm。在刻蚀第一开口16a和第二开口17a形成第一沟槽16b和第二沟槽17b的过程中，使用第一硬掩膜层12作为硬掩膜。由于形成第一开口16a时采用第二硬掩膜层13为掩膜，因此，减少了第一硬掩膜层12的损失量，对沉积的第一硬掩膜层12的厚度要求较低。
34.较佳地，在形成第一沟槽16b和第二沟槽17b后，还可以保留部分厚度的所述第一硬掩膜层12，以在后续的化学机械研磨工艺中用作化学机械研磨停止层。
35.可选方案中，在形成第一沟槽16b和第二沟槽17b后，包括如下步骤：请参考图11，步骤s60，在所述第一沟槽16b和第二沟槽17b内形成第二介质层18，所述第二介质层18还覆盖所述第一硬掩膜层12。所述第二介质层18例如是氧化硅，可以采用harp工艺形成。在所述harp工艺中，所述工艺气体包括teos(正硅酸乙酯)和o3。
36.请参考图12，在步骤s70中，执行化学机械研磨工艺去除所述第一硬掩膜层12上的
所述第二介质层18，其中，所述第一硬掩膜层12可作为化学机械研磨工艺的停止层，以提高研磨效果。
37.请参考图13，步骤s80，去除所述第一硬掩膜层12，形成由第一浅沟槽隔离结构16c和第二浅沟槽隔离结构17c组成的双浅沟槽隔离结构。在本实施例中，可以采用湿法刻蚀工艺去除所述第一硬掩膜层12。具体地，第一浅沟槽隔离结构16c和第二浅沟槽隔离结构17c突出于衬底10，且高于第一介质层11的表面。第一浅沟槽隔离结构16c和第二浅沟槽隔离结构17c顶面齐平（或基本齐平），并且，第一浅沟槽隔离结构16c的深度大于第二浅沟槽隔离结构17c的深度。
38.本实施例还提供一种半导体器件的形成方法，采用上述所述的浅沟槽隔离结构的形成方法形成浅沟槽隔离结构。所述半导体器件例如是cis图像传感器，所述第一区域为逻辑区，所述第二区域为像素区。
39.综上可见，在本发明提供的一种浅沟槽隔离结构的形成方法及半导体器件的形成方法中，形成第一开口的刻蚀时，在去除图形化的光刻胶层之后使用所述第二硬掩膜层作为硬掩膜，消除了因图形化的光刻胶层形貌不好造成的浅沟槽形貌不佳和尺寸不均匀问题。在进一步刻蚀第一开口和第二开口形成第一沟槽和第二沟槽的过程中，使用第一硬掩膜层作为硬掩膜。由于形成第一开口和第二开口时采用第二硬掩膜层为掩膜，因此，减少了第一硬掩膜层的损失量，对沉积的第一硬掩膜层的厚度要求较低。本发明可在没有增加制程数量的情况下形成较平坦的晶圆表面，不会产生第一硬掩膜层表面段差以及第一区域与第二区域的介质层高度不同的问题。
40.此外还应该认识到，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。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做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

技术特征：

1.一种浅沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，包括：提供一衬底，所述衬底上包括第一区域和第二区域，所述衬底上依次形成有第一介质层、第一硬掩膜层和第二硬掩膜层，所述第一硬掩膜层和所述第二硬掩膜层的材料不同；以所述第二硬掩膜层为掩膜，通过刻蚀在所述第一区域形成第一开口，所述第一开口贯穿所述第二硬掩膜层、所述第一硬掩膜层、所述第一介质层，并延伸至所述衬底中；在所述第一开口内和所述第二硬掩膜层上形成保护层，以所述保护层为掩膜，在所述第二区域形成第二开口，所述第二开口贯穿所述第二硬掩膜层和所述第一硬掩膜层，所述第二开口的深度小于所述第一开口的深度；去除所述第二硬掩膜层；以所述第一硬掩膜层为掩膜，刻蚀所述第一开口下方的衬底形成第一沟槽，同时刻蚀所述第二开口下方的衬底形成第二沟槽。2.如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，所述第一硬掩膜层为氮化硅，所述第二硬掩膜层为无定形碳。3.如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，所述第一硬掩膜层的厚度为800埃~1000埃，所述第二硬掩膜层的厚度为6000埃~8000埃。4.如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，在所述第一区域形成第一开口的步骤中包括：在所述第二硬掩膜层上形成第一图形化的光刻胶层；以所述第一图形化的光刻胶层为掩膜，刻蚀所述第一区域上的第二硬掩膜层形成初始开口，所述初始开口贯穿所述第二硬掩膜层并暴露出所述第一硬掩膜层；去除所述第一图形化的光刻胶层；以所述第二硬掩膜层为掩膜，刻蚀所述初始开口形成第一开口。5.如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，所述保护层为第二图形化的光刻胶层，所述第二图形化的光刻胶层暴露出所述第二区域上的部分所述第二硬掩膜层。6.如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，所述第二开口停留在所述第一介质层内或者停留在所述衬底表面上。7.如权利要求1所述的浅沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，在形成第一沟槽和第二沟槽后，还保留部分厚度的所述第一硬掩膜层。8.如权利要求1或7中所述的浅沟槽隔离结构的形成方法，其特征在于，在形成第一沟槽和第二沟槽后，包括：在所述第一沟槽和第二沟槽内形成第二介质层，所述第二介质层延伸至所述第一硬掩膜层上；执行化学机械研磨工艺去除所述第一硬掩膜层上的所述第二介质层；去除所述第一硬掩膜层，形成浅沟槽隔离结构。9.一种半导体器件的形成方法，其特征在于，采用如权利要求1至8中任一项所述的浅沟槽隔离结构的形成方法形成浅沟槽隔离结构。10.如权利要求9所述的半导体器件的形成方法，其特征在于，所述半导体器件为cis图像传感器，所述第一区域为逻辑区，所述第二区域为像素区。

技术总结

本发明提供了一种浅沟槽隔离结构的形成方法及半导体器件的形成方法，提供一衬底，衬底上包括第一区域和第二区域，衬底上依次形成有第一介质层、第一硬掩膜层和第二硬掩膜层，第一硬掩膜层和所述第二硬掩膜层的材料不同；以所述第二硬掩膜层为掩膜，通过刻蚀在所述第一区域形成第一开口，在第一开口内和所述第二硬掩膜层上形成保护层，以所述保护层为掩膜，在第二区域形成第二开口，第二开口贯穿所述第二硬掩膜层和所述第一硬掩膜层，第二开口的深度小于所述第一开口的深度；去除所述第二硬掩膜层；以所述第一硬掩膜层为掩膜，刻蚀所述第一开口下方的衬底形成第一沟槽，同时刻蚀所述第二开口下方的衬底形成第二沟槽，形成较平坦的晶圆表面。的晶圆表面。的晶圆表面。