DE19840385C2 - Verfahren zm Isolieren von Bereichen eines integrierten Schaltkreises und Halbleiterbaustein mit integriertem Schaltkreis - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Isolieren von Berei­ chen eines integrierten Schaltkreises nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einem Halbleiterbaustein mit integriertem Schaltkreis nach dem Oberbegriff des nebengeordneten Anspruchs 9.

Integrierte Schaltkreise werden durch Verbinden von isolierten Einrichtungen über bestimmte elektrische Pfade gebildet, wobei ver­ schiedene Techniken zum Isolieren entsprechend den unterschiedlichen An­ forderungen von unterschiedlichen integrierten Schaltkreisen entwickelt wurden, die unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich minimalem Iso­ lierungsabstand, Oberflächenebenheit, Prozeßkomplexität und der Dichte von Defekten, die während der Herstellung der Isolierung erzeugt werden, besitzen. Hierbei werden im allgemeinen unterschiedliche Isolierungs­ techniken für MOS- und bipolare Einrichtungen verwendet. Bei bipolaren Einrichtungen werden üblicherweise zwei Methoden verwendet, die SBC- (Standard buried collector) Methode und die CDI-(Collector diffused isolation) Merthode. Diese besitzen jedoch verschiedene Nachteile. Hier­ bei entstehen große Kapazitäten zwischen Kollektor und Basis und Kollek­ tor und Substrat, die die Schaltgeschwindigkeit reduzieren. Außerdem führen beide Methoden zu geringen Durchbruchsspannungen am Kollektor/Ba­ sis-Übergang, wodurch derartige Schaltkreise auf Anwendungen begrenzt werden, die nur geringe Versorgungsspannungen erfordern. Die SBC-Methode hat den weiteren Nachteil, daß breite Isolierbereiche großen inaktiven Bereichen auf der Siliciumoberfläche entsprechen, die die Integrations­ dichte begrenzen. Bei MOS-Einrichtungen (PMOS und NMOS) wird zum Isolie­ ren die lokale Oxidation von Silicium, LOCOS, verwendet. Diese Technik erfordert das Ausbilden eines teilvertieften Oxids in nicht-aktiven und Feldbereichen des Substrats.

Gemäß Burton et al., "New Techniques for Elimination of the Bird's Head and Bird's Beak", IEDM, Seiten 582-585, 1984, wird zum Iso­ lieren von Bereichen eines integrierten Schaltkreises zunächst auf einem Siliciumsubstrat eine Oxidschicht und darauf eine Siliciumnitridschicht aufgebracht, wonach durch Ätzen eine Ausnehmung erzeugt wird, die bis in das Substrat reicht. Anschließend bringt man eine weitere Oxischicht im Bereich der Ausnehmung auf. Entlang der Seitenwände der Ausnehmung wer­ den Abstandshalter aus Polysilicium durch chemische Dampfabscheidung mit Niederdruck (LPCVD) und anisotropes Zurückätzen ausgebildet. Während ei­ ner nachfolgenden Feldoxidation wird zunächst die äußere Polysilicium­ schicht längs der Seitenwände oxidiert und in Siliciumdioxid überführt. Hierbei findet die Oxidation an der Siliciumnitrid/Siliciumdioxid/Siliciumgrenzfläche nicht statt, bis die Seitenwandabstandshalter vollständig in Siliciumdioxid umgewandelt sind. Die Polysiliciumabstandshalter ermöglichen es aufgrund der hierdurch be­ wirkten Verzögerung der Oxidation, daß eine Vogelkopfstruktur vermieden werden kann. Die Oxidation der Polysiliciumseitenwände erzeugt jedoch Oxidausstülpungen an der Grenzfläche zwischen Feldoxid und aktivem Be­ reich, die durch entsprechende Einebnung zu entfernen sind, so daß zwar diese Methode in bezug auf die Vermeidung von Vogelkopfstrukturen vor­ teilhaft ist, jedoch schwierige Einebnungsschritte erfordert.

Gemäß Jang et al., "Evaluation of Double Spacer Local Oxidation of Silicon (LOCOS) Isolation Process for Sub-Quarter Micron Design Rule", Japanese Journal of Applied Physics, Band 36, 1997, S. 1433-1438, wird zum Isolieren von Bereichen eines integrierten Schaltkreises zunächst auf einem Siliciumsubstrat eine Oxidschicht und darauf eine Nitridschicht aufgebracht, wonach durch Ätzen eine Ausnehmung erzeugt wird, die bis in das Substrat hinein reicht. Anschließend werden eine Siliciumnitrid- und eine Oxidschicht aufgebracht. Es folgt ein Ätzschritt, bei welchem die Oxidschicht entlang der Seitenwände der Ausnehmung unter Bildung von Abstandshaltern nur leicht und die Oxidschicht und die Siliciumnitridschicht im Bereich des Bodens der Ausnehmung unter Freilegen eines Bereiches des darunter liegenden Siliciumsubstrats weggeätzt werden.

Aus US 5 512 509 ist ein Verfahren zum Bilden einer Isolierschicht in einem Halbleitergerät bekannt, bei dem eine Ausnehmung in einem Halbleitersubstrat gebildet wird, in welche nacheinander eine Oxid-, eine Nitrid- und eine Polysiliciumschicht aufgebracht werden. Anschließend wird die Polysiliciumschicht bodenseitig bis zur Nitridschicht entfernt, so daß entlang der Seitenwände der Ausnehmung Abstandshalter aus Polysilicium verbleiben.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, das vereinfacht ist und die Ausbildung von Spannungen im Silicium minimiert.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Anstatt monokristallines Silicium zu oxidieren, wird hierbei polykristallines Silicium, das in einer Ausnehmung etwa zur Bildung eines Isolierungsgrabens angeordnet wird, oxidiert. Hierbei wird eine Schicht aus oxidresistentem Maskierungsmaterial, wie Siliciumnitrid, über den aktiven Bereichen eines Siliciumsubstrats ausgebildet und dann geätzt, um das Silicium zu exponieren, um eine Ausnehmung im Feldbereich zu bilden. Dann läßt man ein Oxid auf der Ausnehmung aufwachsen und bringt eine weitere oxidresistente Schicht auf, um die Ausnehmung auszukleiden. Anschließend werden auf den Seitenwänden der Ausnehmung die elektrischen Abstandshalter ausgebildet, die Struktur geätzt, um das Siliciumsubstrat am Boden der Ausnehmung zu exponieren und dann eine Polysiliciumschicht sowohl in der Ausnehmung als auch auf den aktiven Bereichen aufgebracht. Das Polysilicium wird dann eingeebnet und oxidiert (oder oxidiert und eingeebnet) und die erste oxidresistente Schicht von den aktiven Bereichen des Substrats entfernt.

Durch die Auskleidung der Ausnehmung durch die oxidbeständige Schicht, etwa aus Siliciumnitrid, wird die Vogelkopfausdehnung während der Oxidation gestoppt. Da hauptsächlich polykristallines Silicium oxidiert wird, wird das monokristalline Substrat nur vernachlässigbar kräftemäßig beansprucht. Wenn polykristallines Silicium oxidiert wird, expandiert es, um einen größeren Raum einzunehmen. Als Ergebnis hiervon wächst das oxidierende polykristalline Silicium aufwärts, da die Auskleidung aus der oxidresistenten Schicht die seitliche Ausdehnung in das Silicium verhindert, so daß die oxidresistente Schicht ein Eindringen von Oxid zur Ausbildung einer Vogelkopfstruktur verhindert. Aufgrund dessen können die einzelnen Einrichtungen eines integrierten Schaltkreises näher aneinander gerückt werden, so daß eine größere Packungsdichte ermöglicht wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbildungen illustrierten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1A-1I illustrieren verschiedene Stufen einer Ausfüh­ rungsform eines Verfahrens zum Isolieren von Bereichen eines integrier­ ten Schaltkreises.

Fig. 1A wird von einem Substrat 401 aus einem p- oder n-lei­ tenden Halbleitermaterial mit entsprechendem Dotierungsniveau, etwa n-leitendes Silicium, ausgegangen. Hierbei ist das Substrat 401 mit ty­ pischen Siliciumhalbleitersubstraten konsistent, obwohl auch andere Si­ liciumkristallorientierungen verwendbar sind.

Eine dielektrische Schicht 403, typischerweise aus Siliciumdi­ oxid (SiO₂) läßt man auf dem Substrat 401, etwa einem Wafer, mit bloßer Siliciumoberfläche aufwachsen. Anschließend wird eine Nitridschicht 405 im CVD-Verfahren auf der dielektrischen Schicht 403 aufgebracht, wobei die Nitridschicht 405 als oxidbeständige Maske wirkt. Aktive Bereiche 402 des Substrats 401 werden dann photolithographisch definiert. Ein Re­ sistmuster kann verwendet werden, um die Bereiche 402 zu schützen, wo aktive Einrichtungen ausgebildet werden. Die Nitridschicht 405, die die­ lektrische Schicht 403 und das Substrat 401 werden geätzt, um eine Aus­ nehmung 407 in dem Substrat 401 auszubilden, die beispielsweise einen Isoliergraben bildet. Die Ausnehmung 407 kann tief oder flach sein. So kann die Ausnehmung 407 zur Bildung eines isolierenden Grabens in fla­ cher Ausbildung eine Tiefe von weniger als etwa 1 µm besitzen.

Wie in Fig. 1B dargestellt ist, wird das in der Ausnehmung 407 exponierte Silicium anschließend oxidiert, indem man eine dielektrische Schicht 409 auf der Oberfläche der Ausnehmung 407 aufwachsen läßt oder darauf ablagert. Wie in Fig. 1C dargestellt, wird eine weitere oxidbe­ ständige Schicht 411 aus Siliciumnitrid auf der Oxidschicht 409 in der Ausnehmung 407 als auch auf der Nitridschicht 405 über den aktiven Be­ reichen 402 des Substrats 401 aufgebracht. Die oxidbeständige Schicht 411 ist typischerweise dünn.

Gemäß Fig. 1D wird eine dicke Oxidschicht 413 auf der oxidbe­ ständigen Schicht 411 aufgebracht. Die Oxidschicht 413 wird beispiels­ weise aus Tetraethylorthosilan (TEOS) gebildet. Die dicke Oxidschicht 413 wird anisotrop unter Verwendung einer isoplanaren Ätztechnik, wie Plasmaätzen, geätzt. Als Ergebnis des Zurückätzens verbleiben von der dicken Oxidschicht 413 nur Seitenwände 415 in der Ausnehmung 407, wie in Fig. 1E dargestellt ist. Die Seitenwände 415 bilden einen Abstandshal­ ter, der die oxidbeständige Schicht 411, die die Seitenwände und einen Teil des Bodens 407 bedeckt, schützt. Durch das isoplanare Ätzen wird ferner die Oxidschicht 413 von der oxidbeständigen Schicht 411 über den aktiven Bereichen 402 des Substrats 401 entfernt, wie aus Fig. 1E er­ sichtlich ist.

Gemäß einer Ausführungsform wird ein zweiter Ätzvorgang vorge­ nommen, um die Ausnehmung 407 zu ätzen, bis ein Abschnitt 417 des Sub­ stats 401, der den Boden der Ausnehmung 407 bildet, freigelegt ist, wie in Fig. 1F dargestellt ist. Dies erfordert ein Ätzen durch die oxidbe­ ständige Schicht 411 aus Siliciumnitrid, die Oxidschicht 409 und einen Teil des Substrats 401. Dieser Ätzschritt entfernt diejenigen Abschnitte der oxidbeständigen Schicht 411 und der Oxidschicht 409, die nicht von den Abstandshaltern 415 geschützt sind, als auch den Abschnitt der oxid­ beständigen Schicht 411, die über den aktiven Bereichen 402 des Sub­ strats 401 ausgebildet sind. Als Ergebnis dieses anisotropen Ätzens ver­ bleibt eine oxidische Seitenwand 415 an jedem Schenkel 407A und Fußbe­ reich 407B der Ausnehmung 407.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der zweite Ätzvor­ gang durchgeführt, um nur durch die oxidbeständige Schicht 411 zu ätzen. Dieser Ätzschritt entfernt diejenigen Abschnitte der oxidbeständigen Schicht 411, die nicht durch die oxidischen Seitenwände 415 geschützt sind, als auch den Abschnitt der oxidbeständigen Schicht 411, der über den aktiven Bereichen 402 des Substrats 401 gebildet ist. Die Oxid­ schicht 409 wird hierbei nicht entfernt. Dieses anisotrope Ätzen beläßt somit die oxidische Seitenwand 415 an jedem Schenkel 407A und Fußbereich 407B der Ausnehmung 407.

Gemäß Fig. 1G wird eine dicke Schicht 419 aus polykristallinem Silicium sowohl über dem aktiven Bereich 402 als auch über dem isolie­ renden Bereich des Substrats 401, der durch die Ausnehmung 407 gebildet wird, aufgebracht. Die polykristallinie Siliciumschicht 419 bedeckt die oxidbeständige Schicht 405 aus Siliciumnitrid und die Seitenwände 415 als auch den Abschnitt 417 aus exponiertem Silicium. Die Dicke der poly­ kristallinen Siliciumschicht 419 kann etwa 2/3 der Tiefe der Ausnehmung 407 betragen. Diese Tiefe liefert dem polykristallinen Silicium der po­ lykristallinen Siliciumschicht 419 Raum, sich während eines Oxidations­ vorgangs aufwärts auszudehnen, wodurch unerwünschte Oxidhöcker über den Feldbereichen vermieden werden, wie sie bei einigen bekannten Isolie­ rungsmethoden, beispielsweise der in dem vorstehend zitierten Aufsatz von Burton et al. beschriebenen Methode auftreten und Probleme beim Eb­ nen bereiten können.

Die polykristalline Siliciumschicht 419 wird dann oxidiert, um Feldoxid 421 zu bilden, und geebnet, um die in Fig. 1H dargestellte Struktur zu bilden. Die polykristallinie Siliciumschicht 419 kann voll­ ständig oxidiert werden. Da die oxidbeständige Schicht 411 die Volumen­ expansion des Feldoxids 421 in seitlicher Richtung bezüglich der Ausneh­ mung 407 verhindert, expandiert das Feldoxid 421 aufwärts, da in dieser Richtung kein Widerstand besteht. Da somit hierbei hauptsächlich das po­ lykristallinie Silicium über dem monokristallinen Silicium des Substrats 401 oxidiert wird, treten in dem monokristallinen Substrat 401 nur ver­ nachlässigbare Spannungsbeanspruchungen auf, und ein vernachlässigbares Oxidübergreifen bewirkt die Bildung des Auftretens der Vogelkopfstruk­ tur.

Dann wird das Feldoxid 421 geebnet, indem beispielsweise ein Resistzurückätzen (REB) oder ein Oxidreflow und -zurückätzen verwendet wird, bis die oxidbeständige Schicht 405 exponiert ist. Die polykristal­ line Siliciumschicht 419 kann entweder geebnet und dann oxidiert oder oxidiert und dann geebnet werden. Ein Vorteil bezüglich des Zurückätzens der polykristallinen Siliciumschicht 419 vor dem Oxidieren ist die Leichtigkeit, mit der die vorliegende Isolierungsmethode in einen übli­ chen Ebnungsvorgang durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) inte­ griert werden kann.

Wie in Fig. 1I dargestellt, kann die oxidbeständige Schicht 405 über den aktiven Bereichen 402 entfernt werden, wobei ein teilweise nitridausgekleideter Isolierbereich verbleibt. Ein gesteuerter heißer Phosphornitridstrip ist eine Technik, die verwendet werden kann, um die oxidbeständige Schicht 405 aus Siliciumnitrid zu entfernen, um sicherzu­ stellen, daß das Nitrid von der Substratoberfläche, jedoch nicht aus der Ausnehmung 407 entfernt worden ist.

Dementsprechend ergibt sich eine isolierende Wanne mit Nitrid­ schenkeln 407A und Nitridfußbereichen 407B, die die dielektrische Schicht 403 aus Siliciumdioxid, die die Seitenwände bildet, von der oxi­ dierten polykristallinen Siliciumschicht 421 trennt, wobei nur eine ver­ nachlässigbare Oxidausdehnung vorhanden ist.

Siliciumnitrid ist insofern sehr effektiv, als Sauerstoff und Wasserdampf nur sehr langsam hierdurch hindurchdiffundieren, wodurch verhindert wird, daß oxidierende Substanzen die Oxidschicht unter der Nitridschicht erreichen. Zusätzlich oxidiert das Nitrid selbst sehr langsam, wenn polykristallines Feldoxid aufwächst. Daher verbleibt das Nitrid als eine integrale Oxidationsbarriere während des gesamten Schrittes zum Aufwachsen von Feldoxid.

Das Verfahren ist sowohl bei MOS-integrierten Schaltkreisen als auch bei bipolaren Schaltkreisen anwendbar, obwohl die Isolierungs­ anforderungen hierzwischen etwas unterschiedlich sind.

Claims (11)

1. Verfahren zum Isolieren von Bereichen eines integrierten Schaltkreises, wobei eine Ausnehmung (407) in einem Substrat (401) und dann in der Ausnehmung (407) eine dielektrische Schicht (409) ausgebildet werden, und wobei eine die Ausnehmung (407) verkleinernde Oxidschicht (413) aufgebracht, ein Teil des Substrats (401) in der Ausnehmung (407) exponiert und in dieser Oxid ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dielektrischen Schicht (409) zunächst eine oxidresistente Schicht (411) aufgebracht und nach Exponieren eines Teils des Substrats (401) in der Ausnehmung (407) Halbleitermaterial (421) in die Ausnehmung (407) eingebracht und oxidiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (407) dadurch gebildet wird, daß auf der Oberfläche des Substrats (401) eine dielektrische Schicht (403) und darüber eine oxidresistente Schicht (405) mit einer den Bereich der zu bildenden Ausnehmung (407) exponierenden Bemusterung aufgebracht und die Ausnehmung (407) in dem exponierten Bereich ausgebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidschicht (413) auf der oxidresistenten Schicht (411) aufgebracht und die Oxidschicht (413) derart geätzt wird, daß ein Teil der Oxidschicht (413) von einem Teil der oxidresistenten Schicht (411) entfernt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Exponieren eines Teils des Substrats (401) in der Ausnehmung (407) ein Teil der oxidresistenten Schicht (411) und ein Teil der dielektrischen Schicht (409) vom Boden der Ausnehmung (407) entfernt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß polykristallines Silicium auf den exponierten Substratabschnitt in der Ausnehmung (407) eingebracht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidresistente Schicht (405, 411) aus Siliciumnitrid gebildet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß polykristallines Silicium in die Ausnehmung (407) bis zu einer Tiefe von etwa 2/3 der verkleinerten Ausnehmung (407) eingebracht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das oxidierte Halbleitermaterial (421) zurückgeätzt wird.

9. Halbleiterbaustein mit wenigstens einem integrierten Schaltkreis, der einen isolierten Bereich in einem Substrat (401) aus Halbleitermaterial mit wenigstens einer darin angeordneten Ausnehmung (407) aufweist, wobei die Ausnehmung eine dielektrische Schicht (409) mit einer einen Abschnitt (417) des Substrats exponierenden Öffnung trägt und mit einem Oxid gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine oxidresistente Schicht (411) auf der dielektrischen Schicht (409) angeordnet ist und eine in der Ausnehmung (407) gebildete weitere Ausnehmung bildet, die sich durch die dielektrische und die oxidresistente Schicht (409, 411) hindurch bis zum Abschnitt (417) erstreckt.

10. Baustein nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidresistente Schicht (411) aus Siliciumnitrid besteht.

11. Baustein nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxid in der Ausnehmung (407) oxidiertes polykristallines Silicium ist.