DE19717880C2 - Verfahren zur Bildung eines Isolationsbereichs einer Halbleitereinrichtung - Google Patents
Verfahren zur Bildung eines Isolationsbereichs einer HalbleitereinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1 zur
Bildung eines Isolationsbereichs einer Halbleitereinrichtung.
Aus der JP 6-85050 (A) ist bereits ein Verfahren der genannten Art zur Bil
dung eines Isolationsbereichs einer Halbleitereinrichtung bekannt, mit
folgenden Schritten: Bildung einer ersten Isolationsschicht in verschiede
nen Bereichen auf einem Substrat; Bildung von Gräben mit unterschiedli
chen Breiten im Substrat unter Verwendung der ersten Isolationsschicht;
Bildung einer zweiten Isolationsschicht in bzw. auf den Gräben und auf
der ersten Isolationsschicht; Freilegen von Teilen der ersten Isolations
schicht durch Ätzen der zweiten Isolationsschicht; und Ätzen der ersten
Isolationsschicht und der nichtgeätzten Teile der zweiten Isolations
schicht.
Mit größerer Integrationsdichte von Halbleitereinrichtungen wurden be
reits mehrere Verfahren zur Bildung kleinerer Einrichtungs-Isolationsbe
reiche und Bereiche für derartige Einrichtungen, also aktive Bereiche,
vorgeschlagen. Eine herkömmliche Technik ist die sogenannte LOCOS-
Technik (Lokale Oxidation von Silizium), die relativ einfach auszuführen
ist und zu guten Ergebnissen führt. Die LOCOS-Technik eignet sich jedoch
nicht zur Herstellung von DRAM's oberhalb von 64 MB, und zwar infolge
der Bildung von Vogelschnäbeln, die charakteristischerweise bei Isola
tionsbereichen auftreten, die durch die LOCOS-Technik hergestellt wer
den. Derartige Vogelschnäbel entstehen an den Kanten der Isolationsoxid
schicht und erstrecken sich bis hinein in den aktiven Bereich, wodurch
sich dieser verkleinert.
Aus diesem Grunde wurde bereits eine verbesserte LOCOS-Technik ent
wickelt, die auch bei der Herstellung von DRAM's mit 64 MB oder 256 MB
zum Einsatz kommen kann. Diese Technik führt zu verkleinerten Isola
tionsbereichen und größeren aktiven Bereichen, da das Auftreten von Vo
gelschnäbeln verringert oder ganz beseitigt wird. Allerdings treten bei die
ser verbesserten LOCOS-Technik nach wie vor Probleme auf, und zwar im
Hinblick auf eine Verschlechterung der Eigenschaften des Isolationsbe
reichs für DRAM's bei Gigabit-Speichereinrichtungen, bei denen ein Zellenbereich
mit einer Fläche von 0,2 µm2 benötigt wird.
Ein Problem ist die extrem große Ausdehnung des Isolationsbereichs,
während ein anderes Problem ein auftretender Leckstrom sein könnte, der
sich durch Bildung einer Feldoxidschicht in der Grenzfläche mit einem Si
liziumsubstrat bei Anwendung des LOCOS-Verfahrens ergibt. Darüber
hinaus könnte eine Konzentrationsverringerung bei einem Siliziumsub
strat auftreten. Aus diesem Grunde wurde bereits ein neues Verfahren zur
Bildung des Isolationsbereichs für einen DRAM bei Gigabit-Speichereinrichtungen
vorgeschlagen, bei dem die Bildung von Gräben vorgesehen ist, deren
Dicke sich leicht einstellen läßt, um den Isolationseffekt zu verbessern.
Die Fig. 1a bis 1f zeigen Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung
des konventionellen Verfahrens zur Bildung eines Isolationsbereichs ei
ner Halbleitereinrichtung.
Gemäß Fig. 1a werden aufeinanderliegend eine Kissenoxidschicht 2 und
eine Polysiliziumschicht 3 nacheinander auf einem Substrat 1 gebildet.
Anschließend werden in diese Schichten Muster eingebracht, die sich in
Breite und Abstand voneinander unterscheiden, und zwar durch selektive
Strukturierung unter Anwendung eines fotolithografischen Prozesses so
wie durch Ätzen. Das Substrat 1 wird sodann mit einer vorbestimmten Tie
fe geätzt, und zwar unter Anwendung der zerteilten Polysiliziumschicht 3
und der Kissenoxidschicht 2 als Masken, um Gräben 4 zu erhalten, die ei
ne unterschiedliche Breite aufweisen.
Wie in Fig. 1b zu erkennen ist, wird anschließend eine thermische Oxid
schicht 5 entlang der Oberfläche eines jeden Grabens 4 gebildet, also am
Boden und den Seitenwänden des jeweiligen Grabens 4, während in einem
darauffolgenden Schritt durch ein CVD-Verfahren (chemische Dampfab
scheidung im Vakuum) eine Oxidschicht 6 auf die gesamte Oberfläche der
Gräben 4 aufgebracht wird, und zwar unter Verwendung einer ECR-Ein
richtung (Elektron-Zyklotron-Resonanzeinrichtung). Dabei kommt die
Oxidschicht 6 in den Gräben zu liegen und füllt diese aus. Ebenfalls
kommt die Oxidschicht 6 neben den Gräben auf der Schicht 3 zu liegen.
Beim Aufbringen der CVD-Oxidschicht 6 mittels der ECR-Einrichtung
wird die Oxidschicht 6 unter Verwendung von SiH4/N2O Gas in einer ECR-
Plasmaeinrichtung erzeugt.
Gemäß der Fig. 1c wird sodann die CVD-Oxidschicht 6 lateral bzw. seit
lich geätzt. Im Ergebnis verbleibt die CVD-Oxidschicht 6 in den Gräben 4
und wird nicht aus diesen herausgeätzt. Allerdings wird dabei die obere
Kante der Polysiliziumschicht 3 freigelegt, wodurch sich die Breite der auf
ihr befindlichen CVD-Oxidschicht 6 verringert. Darüber hinaus wird die
CVD-Oxidschicht 6, die auf dem schmalen Bereich der Polysiliziumschicht
3 liegt, beim lateralen bzw. seitlichen Ätzen vollständig entfernt.
Die Fig. 1d zeigt, daß nach Bildung eines Fotoresists auf der gesamten
Oberfläche der Polysiliziumschicht 3 die verbleibende CVD-Oxidschicht 6,
die nicht weggeätzt wurde, durch Belichtung und Entwicklung des Fotore
sists freigelegt wird. Der Fotoresist trägt das Bezugszeichen PR. Bei die
sem Prozess wird auch die obere Kante der Polysiliziumschicht 3 bereichs
weise freigelegt, die sich unterhalb der CVD-Oxidschicht 6 befindet.
Gemäß der Fig. 1e wird die freigelegte CVD-Oxidschicht 6 anschließend
selektiv entfernt, und zwar unter Verwendung des Fotoresists PR als Ma
ske. Danach wird auch der Fotoresist PR entfernt.
Im letzten Schritt des konventionellen Verfahrens werden gemäß Fig. 1f
nun auch die Polysiliziumschicht 3 und die Kissenoxidschicht 2 nachein
ander entfernt, um somit eine unter Verwendung eines Grabens gebildete
Isolationsschicht für die Halbleitereinrichtung zu erhalten.
Allerdings treten beim konventionellen Verfahren zur Bildung der Isola
tionsschicht noch einige Probleme auf.
Zunächst einmal ist das gesamte Verfahren zu kompliziert. Nachdem die
CVD-Oxidschicht in den Gräben gebildet worden ist, müssen zur Beseiti
gung der CVD-Oxidschicht auf der Polysiliziumschicht außerhalb der Grä
ben weitere Verfahrensschritte durchgeführt werden, nämlich ein latera
les Ätzen, eine Strukturierung des Fotoresists auf fotolithografischem We
ge, und ein weiterer Ätzvorgang unter Verwendung des Fotoresists als
Maske.
Liegt darüber hinaus die beim Aufbringen der CVD-Oxidschicht gebildete
CVD-Oxidschicht in den Gräben höher als die obere Fläche der Polysilizi
umschicht, um die Gräben ausfüllen zu können, so ist zur Beseitigung die
ser höher liegenden CVD-Oxidschicht ein laterales Ätzen erforderlich. An
dererseits wird die CVD-Oxidschicht auf der Polysiliziumschicht nur un
vollständig entfernt, da die obere Kante bzw. Fläche der Polysilizium
schicht durch den Fotoresist maskiert ist. Die obere Fläche der Polysilizi
umschicht bleibt daher durch die CVD-Oxidschicht abgedeckt, da letztere
nur unvollständig entfernt worden ist. Das hat zur Folge, daß die Polysili
ziumschicht unterhalb der CVD-Oxidschicht nicht vollständig herausge
ätzt werden kann, wenn die Polysiliziumschicht beseitigt werden soll. Aus
diesem Grunde ist ein zusätzlicher Prozess erforderlich, um die CVD-Oxid
schicht vollständig zu entfernen und die unterhalb der CVD-Oxidschicht
liegende Polysiliziumschicht, was die Produktivität verringert und die Pro
duktionskosten erhöht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu
schaffen, das zu besseren Er
gebnissen bei der Ablagerung der zweiten Isolationsschicht und damit hinsichtlich der Qualität des Isolationsbereichs führt.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im Patent
anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
den Unteransprüchen zu entnehmen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Isolationsbereich ohne Fehl
stellen bzw. Lücken erhalten. Dies geschieht dadurch, daß das Verhältnis
Abscheidung/Ätzung während der Bildung einer Isolationsschicht in ei
nem Graben eingestellt wird, und zwar so, daß ein höheres Aspektverhält
nis für den schmalen Graben erhalten wird, der zur Bildung des Isolations
bereichs verwendet wird.
Vorteilhaft bei der Erfindung ist ferner, daß neben der Einstellung des Ver
hältnisses Abscheiden/Ätzen dasjenige Material auf dem Substrat, das
zur Bildung des Isolationsbereichs verwendet wurde und auf dem aktiven
Bereich liegt, durch einen einzigen Abhebevorgang entfernt werden kann.
Die Zeichnung stellt neben einem herkömmlichen Verfahren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es zei
gen:
Fig. 1a bis 1f Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines kon
ventionellen Verfahrens zur Bildung des Isolationsbereichs einer Halblei
tereinrichtung; und
Fig. 2a bis 2f Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines erfin
dungsgemäßen Verfahrens zur Bildung des Isolationsbereichs einer Halb
leitereinrichtung.
Zuerst werden gemäß Fig. 2a auf einem Substrat 10 der Reihe nach auf
einander liegend eine untere Isolationsschicht 11 und darauf eine obere
Isolationsschicht 12 gebildet. Durch einen fotolithografischen Prozess
und anschließendes Ätzen werden die untere und die obere Isolations
schicht 11, 12 selektiv strukturiert, also in ein erstes Isolationsschicht
muster 11a, 12a und ein zweites Isolationsschichtmuster 11b, 12b unter
teilt, die sich in Breite und Raum voneinander unterscheiden. Sodann
wird das Substrat 10 über eine vorbestimmte Tiefe geätzt, und zwar unter
Verwendung des ersten Isolationsschichtmusters 11a, 12a und unter Ver
wendung des zweiten Isolationsschichtmusters 11b, 12b als Ätzmasken,
um auf diese Weise Gräben 13a und 13b im Substrat 10 zu erhalten, die ei
ne unterschiedliche Breite aufweisen. Zwischen den Gräben 13a und 13b
liegt dabei das zweite Isolationsschichtmuster 11b, 12b, während rechts
neben dem Graben 13b in der Fig. 2a das erste Isolationsschichtmuster
11a, 12a liegt. Ein weiteres Isolationsschichtmuster 11c, 12c ist links ne
ben dem ersten Graben 13a zu erkennen.
Bei diesem Verfahren wird die untere Isolationsschicht 11 mit den Struktu
ren 11a, 11b und 11c aus einem Oxid gebildet, während die obere Isola
tionsschicht 12 mit den Strukturen 12a, 12b und 12c aus einem Nitrid ge
bildet wird. Wie bereits erwähnt, weisen die Gräben 13a und 13b im Sub
strat 10 eine unterschiedliche Breite auf, wobei die Breite des Grabens 13a
geringer ist als 0,5 µm. Der Graben 13b ist breiter. Der Bereich des Sub
strats 10, wo sich keine Gräben befinden, dient als Bereich zur Bildung
von Einrichtungen, insbesondere als aktiver Bereich. Anstelle der oben ge
nannten Materialien können die Schichten 11 und 12 auch aus den jeweils
entgegengesetzten Materialien hergestellt werden.
Entsprechend der Fig. 2b wird auf der freiliegenden Oberfläche der Grä
ben 13a und 13b eine thermische Oxidschicht 14 gebildet, die also auf den
Böden und den Seitenwänden der Gräben zu liegen kommt. Anschließend
werden alternativ B- oder As-Verunreinigungsionen in die Seiten der Grä
ben 13a und 13b implantiert, um Leckstrom zu verhindern. Die Implanta
tion der Verunreinigungsionen erfolgt auch in den Boden der Gräben hin
ein.
Wie in Fig. 2c und 2d zu erkennen ist, wird unter Verwendung eines
hochdichten Plasmas eine CVD-Oxidschicht gebildet, die in den Graben
bereichen 13a und 13b stark unterschiedliche Höhen aufweist, und die
auch auf den zweiten Isolationsschichtstrukturen 12a und 12b zu liegen
kommt. Die Bildung dieser CVD-Oxidschicht erfolgt mittels einer ICP-Ein
richtung (Einrichtung mit induktiv gekoppeltem Plasma) sowie auf der ge
samten Oberfläche der Gräben 13a und 13b. Die Fig. 2c zeigt eine Quer
schnittsdarstellung zur Erläuterung des Prozesses zum Aufbringen der
CVD-Oxidschicht 15 innerhalb der Gräben 13a und 13b sowie auf den
zweiten Isolationsschichtstrukturen 12a und 12b. Dagegen zeigt die Fig.
2d eine Querschnittsdarstellung zur Erläuterung der Vervollständigung
dieses Prozesses zum Aufbringen der CVD-Oxidschicht 15. Durch das Auf
bringen der CVD-Oxidschicht mit Hilfe der ICP-Einrichtung unter Verwen
dung von SiH4/O2-Gas als Quellengas wird erreicht, daß die Oxidschicht
15 innerhalb der Gräben 13a und 13b eher am Boden der Gräben 13a und
13b abgelagert wird als an deren Seitenwänden. Die ICP-Einrichtung
arbeitet bei einer Radiofrequenz (RF)-Vorspannleistung von 500 bis 3000
Watt und bei einer Quellenleistung von 2000 bis 4000 Watt, um eine Plas
maquelle zu erzeugen. Dabei liegt der Druck unterhalb von 10 mtorr. Das
Verhältnis von SiH4 zu O2 beträgt 1 zu 1,3, um somit einen größeren Anteil
an O2 zu erhalten. Dabei liegt das Verhältnis Niederschlag bzw. Abschei
dung/Sputterätzung bei 2,9 bis 8,1. Demzufolge ist es möglich, eine Ebene
bzw. flache Oxidschicht durch Vergrößerung des Aspektverhältnisses zu
begraben. Wie die Fig. 2c erkennen läßt, wird durch Abscheidung und
Sputterätzen unter den obigen Bedingungen die CVD-Oxidschicht 15 auch
mit abnehmender Breite ausgehend von der oberen Kante "A" der Gräben
13a und 13b auf der oberen Fläche der zweiten Isolationsschichtstruktu
ren 12a und 12b abgeschieden, so daß sich (siehe Fig. 2d) ein Off-set-Be
reich "B" (Versatzbereich) ohne vorspringende CVD-Oxidschicht 15 an der
oberen Kante der zweiten Isolationsschichtstrukturen 12a und 12b ergibt.
Die CVD-Oxidschicht 15, die innerhalb der Gräben 13a und 13b gebildet
wird, ist höher als die obere Schicht der zweiten Isolationsschichtstruktu
ren 12a und 12b. Unter diesem Aspekt kann die CVD-Oxidschicht 15 in
den Gräben 13a und 13b durch Änderung der verschiedenen Bedingungen
niedergeschlagen werden, beispielsweise der RF-Vorspannleistung, der
Quellenleistung oder des Druckes. Ferner läßt sich die CVD-Oxidschicht
15 durch einen einzigen Prozess oder durch einen Mehrfachprozess (we
nigstens einen zweifachen) niederschlagen, wobei das Verhältnis Abschei
den/Sputtern für die jeweiligen Prozesse dann geändert wird.
Wie die Fig. 2e erkennen läßt, wird in einem nachfolgenden Verfahrens
schritt ein Rückätzprozess durchgeführt, und zwar durch reaktives Io
nenätzen oder durch Nassätzen unter Verwendung von POE oder HF, um
die CVD-Oxidschicht 15 so zu ätzen, daß bereichsweise die obere Fläche
und die Seiten der zweiten Isolationsschichtstrukturen 12a und 12b frei
gelegt werden. Dadurch wird die CVD-Oxidschicht 15 unterteilt, und zwar
in eine CVD-Oxidschicht 15a, die innerhalb der Gräben 13a und 13b zu lie
gen kommt, und in eine CVD-Oxidschicht 15b, die auf der zweiten Isola
tionsschichtstruktur 12a etwa mittig steht, die weiter bzw. breiter ist als
die erste Isolationsschichtstruktur 12b. Mit anderen Worten wird die
CVD-Oxidschicht 15 auf der schmalen zweiten Isolationsschichtstruktur
12b vollständig oder fast vollständig entfernt, während die CVD-Oxid
schicht 15 auf der breiteren zweiten Isolationsschichtstruktur 12a insel
förmig stehenbleibt.
Falls erforderlich, wird die CVD-Oxidschicht 15 als Maske bei der Implan
tation von Kanalstopionen in das Substrat 10 unterhalb der Gräben 13a
und 13b verwendet, wobei B, As oder P als Verunreinigungsionen verwen
det werden. Beim oben genannten Rückätzprozess unter Anwendung des
RIE-Verfahrens (reaktives Ionenätzen) kann der Leckpegel dadurch ver
bessert werden, daß die Höhen von Substrat und CVD-Oxidschicht 15a in
den Gräben 13a und 13b entsprechend eingestellt werden, wodurch ver
mieden wird, daß sich Ausnehmungen an den Rändern bzw. Kanten der
Gräben 13a und 13b bilden.
Entsprechend der Fig. 2f werden nunmehr die zweiten Isolations
schichtstrukturen 12a und 12b mit einer H3PO4 Lösung entfernt, wo
durch die CVD-Oxidschicht auf der breiteren zweiten Isolationsschicht
struktur 12a abgehoben und automatisch entfernt wird. Anschließend
wird die verbleibende erste Isolationsschicht 11 mit einer HF-Lösung ent
fernt, womit das Verfahren zur Bildung eines Isolationsbereichs der
Halbleitereinrichtung beendet ist.
Claims (15)
1. Verfahren zur Bildung eines Isolationsbereichs einer Halbleiterein
richtung, mit folgenden Schritten:
- - Bilden und Strukturieren wenigstens einer aus einer Oxidschicht (1) und einer Nitridschicht (12) bestehenden ersten Isolationsschicht (I) mit unterschiedlichen Abmessungen in verschiedenen Bereichen auf einem Substrat (10);
- - Bilden von Gräben (13a, 13b) mit unterschiedlichen Breiten im Sub strat (10) unter Verwendung der ersten Isolationsschicht (I);
- - Bildung einer zweiten Isolationsschicht (15) in bzw. auf den Gräben (13a, 13b) und auf der ersten Isolationsschicht (I), wobei die zweite Isola tionsschicht (15) als eine aus einem hochdichten Plasma hergestellte CVD-Oxidschicht ausgebildet wird;
- - Freilegen von Teilen der ersten Isolationsschicht (I) durch Ätzen der zweiten Isolationsschicht (15); und
- - Naßätzen der ersten Isolationsschicht (I) und der nichtgeätzten Teile der zweiten Isolationsschicht (15).
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Schritt
zur Implantation von Verunreinigungsionen in das Substrat nach Bildung
der Gräben.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver
unreinigungsionen entweder B- oder As-Ionen sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil
der ersten Isolationsschicht (I) dadurch freigelegt wird, daß die zweite Isola
tionsschicht (15) durch reaktives Ionenätzen abgetragen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil
der ersten Isolationsschicht (I) dadurch freigelegt wird, daß die zweite Isola
tionsschicht (15) durch Nassätzen abgetragen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil
der ersten Isolationsschicht (I) durch Nassätzen mit HF freigelegt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil
der Nitridschicht (12) dadurch freigelegt wird, daß die zweite Isolationsschicht
(15) durch reaktives Ionenätzen abgetragen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil
der Nitridschicht (12) durch Nassätzen der zweiten Isolationsschicht (15) ab
getragen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil
der ersten Isolationsschicht (I) durch Nassätzen mit HF abgetragen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
zweite Isolationsschicht (15) wiederholt abgeschieden bzw. aufgebracht wird,
und zwar mindestens zweimal.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit
Hilfe des hochdichten Plasmas gebildete CVD-Oxidschicht (15) unter Verwen
dung von SiH4/O2-Gas gebildet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
durch hochdichtes Plasma gebildete CVD-Oxidschicht (15) bei einer Radiofre
quenz (RF) Vorspannleistung von 500 bis 3000 Watt und einer Quellenlei
stung von 2000 bis 4000 Watt gebildet wird, und zwar bei einem Druck un
terhalb von 10 mtorr.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehr
O2 als SiH4 vorhanden ist.
14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß beim
SiH4/O2-Gas das Verhältnis von SiH4 zu O2 im Bereich von 1 bis 1,3 liegt.
15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver
hältnis Abscheidung/Sputterätzung für die zweite Isolationsschicht im
Bereich von 2,9 bis 8,1 liegt.
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