深孔外延填充的方法及深孔外延结构与流程

专利检索2025-07-24  6


本申请涉及半导体制造,具体涉及一种深孔外延填充的方法及深孔外延结构。


背景技术:

1、55nm cmos图像传感器(55cis)平台二极管光电区域一般采用ddn(深n型离子)注入的方法来制作。但随着像素(pixel)尺寸从1.12um缩小至0.7um,传统的高深宽比光刻以及高能离子注入已无法满足高端cis器件的要求。为了保证一定的小pitch(尺寸)下获得更大的满阱容量(full well capacity,fwc),先通过super cap epi(超级盖帽外延)形成深层的二极管光电区(pd),在此基础上再制作其他离子注入区或膜层。

2、目前,常规超级盖帽外延型的cis器件的n型深孔的外延(epi)填充方案如下图,主要分为四步:①在深孔中先淀积一定厚度的p epi(p型外延层);②再淀积一定厚度的本征外延层沉积;③再淀积一定厚度的n型外延层;④最后淀积一定厚度的本征外延层填满深孔。epi的填充效果对整个产品的最终性能至关重要。

3、由于深孔的形貌通常为圆型且垂直的圆孔,这造成epi填充存在一定的难度。由于反应气体始终从n型深孔顶部进入深孔底部,因此若采用单一的epi生长,深孔顶部开口会越来越窄,深孔容易呈现顶部窄并且底部宽的形貌,导致在深孔内部未填满外延层之前,深孔顶端提前封口,最终在深孔填满前,深孔中形成空洞(void)缺陷。

4、目前主流的填充方式为循环式生长,通过沉积-刻蚀交替,可以防止深孔提前封口,但是该方法在由刻蚀向沉积切换的过程中,底部残留的刻蚀气体会消耗下一次沉积初期的硅源气体,从而降低底部生长速率,形成不利于填充的深孔形貌。


技术实现思路

1、本申请提供了一种深孔外延填充的方法及深孔外延结构,可以解决深孔外延填充过程中,深孔提前封口从而产生空洞(void)缺陷、底部残留刻蚀气体消耗下一次沉积的硅源气体从而对深孔形貌造成影响等问题中的至少一个问题。

2、一方面,本申请实施例提供了一种深孔外延填充的方法,包括:

3、第一步骤:提供一衬底,所述衬底上由下往上依次形成有第一外延层、衬垫氧化层和硬掩膜层,其中,所述硬掩膜层、所述衬垫氧化层和所述第一外延层中形成有阵列式排布的深孔;

4、第二步骤:对形成所述深孔之后的半导体结构进行烘烤工艺;

5、第三步骤:通入一定比例的硅源气体和刻蚀气体,采用选择性生长工艺在所述深孔中形成一定厚度的第二外延层,所述第二外延层覆盖所述深孔的侧壁和底壁;

6、第四步骤:通入刻蚀气体,刻蚀所述深孔侧壁上的部分第二外延层,以修正所述深孔形貌;

7、第五步骤:降低工艺腔室中的压力,并停止所述刻蚀气体和所述硅源气体的供应,以使工艺腔室内和工艺腔室外产生压差来抽除所述深孔中残留的所述刻蚀气体;

8、第六步骤:重复执行所述第三步骤至所述第五步骤至少八次,其中,所述第六步骤结束时,所述深孔未被所述第二外延层填满;

9、第七步骤:形成第三外延层,所述第三外延层覆盖所述第二外延层以及填充所述深孔的剩余空间。

10、可选的,在所述深孔外延填充的方法中,所述硅源气体为二氯二氢硅;所述刻蚀气体为hcl。

11、可选的,在所述深孔外延填充的方法中,在所述第三步骤中,所述选择性生长工艺的工艺参数包括:工艺温度为800℃~950℃;工艺腔室内的压力为80torr~100torr;参与外延生长的气体至少包括:二氯二氢硅和hcl。

12、可选的,在所述深孔外延填充的方法中,在所述第四步骤中,刻蚀工艺的工艺参数包括:工艺温度为800℃~950℃;工艺腔室内的压力为80torr~100torr;参与刻蚀的气体至少包括:hcl。

13、可选的,在所述深孔外延填充的方法中,在所述第五步骤中,将所述工艺腔室中的压力降低至30torr以下。

14、可选的,在所述深孔外延填充的方法中,在第六步骤中,重复执行所述第三步骤至所述第五步骤8次~12次。

15、可选的,在所述深孔外延填充的方法中,在所述第七步骤中,形成第三外延层的工艺参数包括:工艺腔室内的压力为80torr~100torr;参与外延生长的气体至少包括:二氯二氢硅。

16、可选的,在所述深孔外延填充的方法中,在所述第七步骤之后,所述深孔外延填充的方法还包括:

17、第八步骤:采用cmp工艺去除所述硬掩膜层和超出所述衬垫氧化层表面的所述第三外延层和所述第二外延层。

18、可选的,在所述深孔外延填充的方法中,所述深孔的深度为1μm~3μm。

19、另一方面,本申请实施例还提供一种深孔外延结构,包括:

20、衬底,所述衬底上由下往上依次形成有第一外延层、衬垫氧化层和硬掩膜层,其中,所述硬掩膜层、所述衬垫氧化层和所述第一外延层中形成有阵列式排布的深孔;

21、堆叠的第一层至第m层第二外延层,第一层第二外延层覆盖所述深孔的侧壁和底壁,其中,m为大于或者等于8的整数;以及

22、第三外延层,所述第三外延层覆盖第m层第二外延层以及填充所述深孔的剩余空间。

23、本申请技术方案,至少包括如下优点:

24、本申请通过先采用选择性生长工艺在所述深孔中形成一定厚度的第二外延层;然后刻蚀部分第二外延层以修正深孔形貌;接着降低工艺腔室中的压力,以使工艺腔室内外产生压差来抽除深孔中残留的刻蚀气体,并重复上述沉积-刻蚀-低压抽除刻蚀气体这三个步骤至少八次,可以在每次刻蚀修正深孔形貌之后,将刻蚀气体采用低压完全抽出,避免了深孔底部残留刻蚀气体从而消耗下一次沉积步骤中的硅源气体的情况,变相地提高了深孔底部的外延生长速率,对深孔形貌起到了很好的保护作用。

25、进一步的,重复沉积-刻蚀-低压抽除刻蚀气体的步骤至少八次,可以避免深孔提前封口,从而避免深孔中的第二外延层产生空洞缺陷的情况,提高了外延填充良率。



技术特征:

1.一种深孔外延填充的方法,其特征在于,包括:

2.根据权利要求1所述的深孔外延填充的方法,其特征在于,所述硅源气体为二氯二氢硅;所述刻蚀气体为hcl。

3.根据权利要求1所述的深孔外延填充的方法,其特征在于,在所述第三步骤中,所述选择性生长工艺的工艺参数包括:工艺温度为800℃~950℃;工艺腔室内的压力为80torr~100torr;参与外延生长的气体至少包括:二氯二氢硅和hcl。

4.根据权利要求3所述的深孔外延填充的方法,其特征在于,在所述第四步骤中,刻蚀工艺的工艺参数包括:工艺温度为800℃~950℃;工艺腔室内的压力为80torr~100torr;参与刻蚀的气体至少包括:hcl。

5.根据权利要求4所述的深孔外延填充的方法,其特征在于,在所述第五步骤中,将所述工艺腔室中的压力降低至30torr以下。

6.根据权利要求1所述的深孔外延填充的方法,其特征在于,在第六步骤中,重复执行所述第三步骤至所述第五步骤8次~12次。

7.根据权利要求1所述的深孔外延填充的方法,其特征在于,在所述第七步骤中,形成第三外延层的工艺参数包括:工艺腔室内的压力为80torr~100torr;参与外延生长的气体至少包括:二氯二氢硅。

8.根据权利要求1所述的深孔外延填充的方法,其特征在于,在所述第七步骤之后,所述深孔外延填充的方法还包括:

9.根据权利要求1所述的深孔外延填充的方法,其特征在于,所述深孔的深度为1μm~3μm。

10.一种深孔外延结构,其特征在于,包括:


技术总结
本申请提供一种深孔外延填充的方法及深孔外延结构,其中在外延填充方法中,先采用选择性生长工艺在深孔中形成一定厚度的第二外延层;然后刻蚀部分第二外延层以修正深孔形貌;接着降低工艺腔室中的压力,以使工艺腔室内外产生压差来抽除深孔中残留的刻蚀气体,并重复上述三步至少八次,可以在每次刻蚀修正深孔形貌之后,将刻蚀气体采用低压完全抽出,避免了深孔底部残留刻蚀气体从而消耗下一次沉积步骤中的硅源气体的情况,对深孔形貌起到了很好的保护作用。进一步的,重复沉积‑刻蚀‑低压抽除刻蚀气体的步骤至少八次,可以避免深孔提前封口,从而避免深孔中的第二外延层产生空洞缺陷的情况,提高了外延填充良率。

技术研发人员:马寒骏,闫家翔,杨德明,赵正元,张守龙
受保护的技术使用者:华虹半导体(无锡)有限公司
技术研发日:
技术公布日:2024/5/29
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