一种优化反窄沟道效应的STI介质与制备方法与流程

本申请属于半导体，涉及浅沟槽隔离（sti）工艺的优化，具体涉及一种优化反窄沟道效应的sti介质与制备方法。

背景技术：

1、随着半导体工艺节点的不断演进，器件尺寸持续缩小，浅沟槽隔离（sti）工艺在隔离有源区、防止相邻器件漏电方面发挥着关键作用。然而，在先进工艺尤其是90nm及以下节点中，随着沟道宽度的减小，阈值电压反而下降，这种现象被称为反窄沟道效应（inversenarrow width effect, inwe）。

2、现有研究发现，反窄沟道效应主要与浅沟槽隔离工艺中的填充材料及其边缘电场分布变化相关。当沟道宽度减小时，sti隔离结构边缘的电场分布发生变化，导致沟道边缘区域更易开启，从而降低了整体的阈值电压。

3、目前业界主流的sti填充方案主要基于单一介质材料如纯sio2进行填充。然而，该方案在应对反窄沟道效应时存在明显不足，包括：

4、（1）应力集中问题：纯sio2填充介质在sti的侧壁，尤其是顶端边角处会产生较大的局部压应力，应力集中导致载流子迁移率变化，进而加剧阈值电压的漂移。

5、（2）介电常数较高：普通sio2的k值约为4.0~4.2，在窄沟道条件下，较高的寄生电容会进一步影响器件的rc延迟和开关速度。

6、（3）间隙填充能力限制：随着沟槽深宽比的增加，纯sio2在沉积过程中容易出现孔洞或缝隙，导致隔离可靠性下降。

7、由于阈值电压降低会使晶体管更容易开启，引起泄漏电流增加、噪声裕度降低、性能不一致等，从而对数字逻辑电路的可靠性及模拟电路的增益、频率响应等性能产生负面影响，因此很有必要对反窄沟道效应进行抑制。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出了一种优化反窄沟道效应的sti介质与制备方法，采用介质叠层工艺，利用不同介质应力的差异化匹配，优化sti边缘场应力，解决现有技术中反窄沟道效应明显、局部应力集中和寄生电容较大的问题。

2、一种优化反窄沟道效应的sti介质，通过介质叠层工艺形成，用于填充半导体衬底表面两个有源区之间的浅隔离沟槽，从外到内、从下到上依次为衬垫氧化层、缓冲层和覆盖层。

3、所述缓冲层材料的弹性模量、热应力与介电常数低于覆盖层。

4、作为优选，所述衬垫氧化层的材料为sio2薄膜，所述缓冲层的材料为掺氟sio2（fsg），所述覆盖层的材料为致密sio2。

5、作为优选，所述衬垫氧化层通过快速热处理工艺在硅衬底表面生长一层sio2薄膜得到。

6、作为优选，所述缓冲层使用sih4、sif4和o2在衬垫氧化层上等离子体增强化学气相沉积得到。

7、作为优选，所述覆盖层通过在缓冲层上方高密度等离子体化学气相沉积或亚大气压化学气相沉积致密sio2材料得到。

8、作为优选，所述缓冲层的高度为sti高度的30%~50%，所述覆盖层的高度为sti高度的50%~70%。

9、一种优化反窄沟道效应的sti介质的制备方法，具体步骤如下：

10、步骤1、在刻蚀形成的sti沟槽中，通过快速热处理工艺在硅衬底表面生长一层sio2薄膜作为衬垫氧化层（liner oxide）。

11、步骤2、采用等离子体增强化学气相沉积工艺，在衬垫氧化层上沉积一层掺氟sio2（fsg）作为缓冲层，反应气体为sih4、sif4和o2。

12、步骤3、通过高密度等离子体化学气相沉积或亚大气压化学气相沉积在缓冲层上沉积致密的sio2材料作为覆盖层。

13、作为优选，还包括通过化学机械抛光工艺，去除多余的沉积材料，使sti区域与有源区表面平齐，暴露出有源区，为后续的栅极工艺做准备。

14、作为优选，根据工艺节点和器件类型对缓冲层和覆盖层的沉积厚度进行调整。

15、作为优选，对于高频器件，增加缓冲层的厚度以进一步降低寄生电容。

16、作为优选，对于高压器件，增加覆盖层的厚度以增强隔离耐压能力。

17、本发明具有以下有益效果：

18、1、采用sti介质叠层工艺优化应力：摒弃了传统的单一sio2填充，采用衬垫氧化层、缓冲层和覆盖层的叠层结构，通过不同介质层应力的差异化匹配，有效中和并弱化了sti边缘的局部压应力，尤其是压应力，直接抑制了反窄沟道效应的诱发因素。

19、2、引入掺氟sio2（fsg）作为缓冲层：fsg的弹性模量小、热应力低，能够显著降低sti沟槽侧壁和顶端边角处的热应力集中。同时，fsg的介电常数低于普通sio2，能够有效降低了寄生电容，提升高频或先进逻辑器件的性能。此外，fsg具有优异的间隙填充能力，能完美填充高深宽比、窄间距的sti沟槽，显著提高了隔离结构的工艺窗口和可靠性。

20、3、兼顾致密性的覆盖层设计：在缓冲层之上沉积致密材料作为覆盖层，既利用了缓冲层的低应力/低k特性，又保证了整个sti填充区域的机械强度、致密性和耐压能力，实现了性能和可靠性的完美平衡。

21、4、量产可行性高：采用业界成熟且成本较低的fsg和sio2组合，工艺兼容性好，无需引入昂贵或新型的沉积设备，量产可行性高。

1.一种优化反窄沟道效应的sti介质，用于填充半导体衬底表面两个有源区之间的浅隔离沟槽，其特征在于：通过介质叠层工艺形成，包括衬垫氧化层、缓冲层和覆盖层。

2.如权利要求1所述一种优化反窄沟道效应的sti介质，其特征在于：所述衬垫氧化层与半导体衬底直接接触，缓冲层位于衬垫氧化层与覆盖层之间。

3.如权利要求1所述一种优化反窄沟道效应的sti介质，其特征在于：所述缓冲层材料的弹性模量、热应力与介电常数低于覆盖层。

4.如权利要求1或3所述一种优化反窄沟道效应的sti介质，其特征在于：所述衬垫氧化层的材料为sio2薄膜，所述缓冲层的材料为掺氟sio2，所述覆盖层的材料为致密sio2。

5.如权利要求4所述一种优化反窄沟道效应的sti介质，其特征在于：所述衬垫氧化层通过快速热处理工艺在硅衬底表面生长一层sio2薄膜得到。

6.如权利要求4所述一种优化反窄沟道效应的sti介质，其特征在于：所述缓冲层使用sih4、sif4和o2在衬垫氧化层上等离子体增强化学气相沉积得到。

7.如权利要求4所述一种优化反窄沟道效应的sti介质，其特征在于：所述覆盖层通过在缓冲层上方高密度等离子体化学气相沉积或亚大气压化学气相沉积致密sio2材料得到。

8.如权利要求1所述一种优化反窄沟道效应的sti介质，其特征在于：所述缓冲层的高度为sti高度的30%~50%，所述覆盖层的高度为sti高度的50%~70%。

9.如权利要求1或8所述一种优化反窄沟道效应的sti介质，其特征在于：根据工艺节点和器件类型对缓冲层和覆盖层的沉积厚度进行调整，对于高频器件，增加缓冲层的厚度以进一步降低寄生电容；对于高压器件，增加覆盖层的厚度以增强隔离耐压能力。

10.一种优化反窄沟道效应的sti介质的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：