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DE19906030A1 - Grabenisolationsstruktur eines Halbleiterbauteils und Verfahren zum Herstellen einer Grabenisolationsstruktur mit Polysiliziumkontakt - Google Patents

Grabenisolationsstruktur eines Halbleiterbauteils und Verfahren zum Herstellen einer Grabenisolationsstruktur mit Polysiliziumkontakt

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DE19906030A1
DE19906030A1 DE19906030A DE19906030A DE19906030A1 DE 19906030 A1 DE19906030 A1 DE 19906030A1 DE 19906030 A DE19906030 A DE 19906030A DE 19906030 A DE19906030 A DE 19906030A DE 19906030 A1 DE19906030 A1 DE 19906030A1
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layer
trench
poly
semiconductor substrate
isolation
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Wipawan Yindeepol
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National Semiconductor Corp
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Description

Die Erfindung betrifft Grabenisolationsstrukturen in Halbleitervorrichtungen oder Halbleiter­ bauteilen, Verfahren für deren Herstellung und Verfahren zu deren Betrieb. Insbesondere be­ trifft die Erfindung mit Polysilizium gefüllte Grabenisolationsstrukturen, die einen Polysilizi­ umkontakt zum Anlegen einer Vorspannung aufweisen. Die Grabenisolationsstruktur sowie das Verfahren zu ihrer Herstellung und das Verfahren zu ihrem Betrieb können in Verbindung mit komplementären Metalloxidhalbleiterbauteilen (CMOS), bipolaren Halbleiterbauteilen und Kombinationen aus bipolaren und CMOS (BiCMOS) Halbleiterbauteilen angewendet werden.
Häufig sollen in einer integrierten Schaltung Halbleiterbauteile von anderen elektrisch isoliert werden. Eine Art, eine solche Isolation durchzuführen, besteht darin, mit einem Isolator ge­ füllte, vertikale Gräben in dem Halbleitersubstrat einzusetzen, um die Halbleiterbauteile zu umgeben, wodurch seitliche elektrische Leckverluste unterbunden werden; siehe z. B. S. M. Sze, VLSI Technology, S. 489 bis 490 (2. Auflage 1988). In einigen Fällen, insbesondere bei Hochspannungs-Halbleiterbauteilen, wird eine "vergrabene" horizontale Isolatorschicht in dem Halbleitersubstrat verwendet. Die "vergrabene" horizontale Isolatorschicht schneidet die vertikalen Gräben, so daß das Hochspannungs-Halbleiterbauteil vollständig umgeben und elektrisch isoliert ist.
Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer herkömmlichen Grabenisolationsstruktur 2 eines Halbleiterbauteils, die ein Halbleitersubstrat 4 und einen Isolationsgraben 6 umfaßt. Der Iso­ lationsgraben 6 enthält eine mehrschichtige Grabenfüllung, die eine Schicht aus einem Gra­ benauskleidungsoxid 8, eine Schicht aus einem Grabenauskleidungs-Siliziumnitrid 10 und eine Grabenfüllschicht aus Polysilizium 12 umfaßt. Eine Isolationsschicht 14 bedeckt die Oberfläche des Halbleitersubstrats 4 und den Isolationsgraben 6 und dient zum Isolieren der Grabenfüllschicht aus Polysilizium 12 von den leitenden Schichten, die in nachfolgenden Verarbeitungsschritten aufgebracht werden.
Fig. 2 zeigt eine herkömmliche Grabenisolationsstruktur eines Halbleiterbauteils mit Silizium auf einem Isolator (SOI; Silicon-on-Isolator), die ein Siliziumgrundsubstrat 16 aufweist, auf dessen Oberseite eine vergrabene horizontale Isolatorschicht 18 (üblicherweise Oxid) ausge­ bildet ist. Eine aktive Siliziumschicht 20 ist auf der vergrabenen horizontalen Isolatorschicht 18 ausgebildet. Ein Isolationsgraben 22 erstreckt sich von der Oberseite der aktiven Silizium­ schicht 20 zu der vergrabenen horizontalen Isolatorschicht 18 und isoliert dadurch einen Teil 24 der aktiven Siliziumschicht 20 elektrisch vollständig vom Rest der Struktur.
Der Isolationsgraben 22 umfaßt üblicherweise eine Schicht aus Grabenauskleidungsoxid 26 (d. h. die äußere Schicht des Isolationsgrabens), die auf den Seitenwänden der aktiven Silizi­ umschicht ausgebildet ist, welche den Isolationsgraben umgeben. Der Isolationsgraben 20 kann auch eine Schicht aus Grabenauskleidungs-Siliziumnitrid 28 (d. h. die Mittelschicht des Isolationsgrabens) aufweisen, die über der Schicht aus dem Grabenauskleidungsoxid 26 aus­ gebildet ist. Die Grabenfüllschicht aus Polysilizium 30 (d. h. die innerste Schicht des Isolati­ onsgrabens) füllt den Rest des Isolationsgrabens 22. Eine Isolationsschicht 32 isoliert die Grabenfüllschicht aus Polysilizium von leitenden Schichten, die bei der späteren Verarbeitung aufgebracht werden.
Die elektrische Isolation, welche durch die herkömmlichen Grabenisolationsstrukturen ge­ schaffen wird, ist unter Umständen nicht ideal. Es hat sich z. B. herausgestellt, daß bei dem anfänglichen Vormagnetisieren bestimmter Hochspannungs-Halbleiterbauteile die Bauteile Strom bei einer Spannung leiten können, die niedriger ist als die konzipierte Durchbruchs­ spannung. Bei andauernder Belastung und fließendem Strom "wandert" die Durchbruchs­ spannung dann zu ihrer konzipierten Durchbruchsspannung hin. Dieses instabile elektrische Isolationsverhalten kann mit hohen elektrischen Feldern über herkömmlichen Isolationsgrä­ ben und/oder einem Lawinendurchbruch an den Ecken der herkömmlichen Grabenisolations­ strukturen in Verbindung gebracht werden.
Es wird also im Stand der Technik eine Grabenisolationsstruktur für ein Halbleiterbauteil, ein Verfahren zu deren Herstellung und ein Verfahren zu deren Betrieb benötigt, die selbst unter hohen Betriebsspannungsbedingungen eine stabilem elektrische Isolation gewährleisten. Die Grabenisolationsstruktur des Halbleiterbauteils sollte auch relativ kompakt sein, um eine Zu­ nahme der Chip-Größe zu vermeiden.
Die Erfindung sieht eine Grabenisolationsstruktur für ein Halbleiterbauteil vor, die in einem Halbleitersubtrat ausgebildet ist (z. B. in einem Siliziumsubstrat oder in einem SOI-Substrat).
Die Grabenisolationsstruktur des Halbleiterbauteils umfaßt eine Feldoxidschicht (FOX) auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats und einen Isolationsgraben, der sich vertikal durch die FOX-Schicht und in das Halbleitersubstrat erstreckt. Aufgrund dieser strukturellen Anord­ nung des Isolationsgrabens hat der Isolationsgraben sowohl Halbleitersubstrat-Seitenwände als auch FOX-Seitenwände.
Der Isolationsgraben umfaßt mehrere Schichten. Es gibt eine Schicht aus Grabenausklei­ dungsoxid als die äußere Schicht des Isolationsgrabens, die direkten Kontakt zu den Seiten­ wänden des Halbleitersubstrats hat, und eine Schicht aus Grabenauskleidungs-Siliziumnitrid (d. h. die Mittelschicht), die über der seitlichen Schicht aus dem Grabenauskleidungsoxid und auf einem unteren Abschnitt der FOX-Seitenwände ausgebildet ist. Eine Grabenfüllschicht aus Polysilizium (Poly 1) füllt den Rest des Isolationsgrabens als innerste Schicht. Die Poly 1-Graben­ füllschicht erstreckt sich über der Schicht aus dem Grabenauskleidungs-Siliziumnitrid, so daß eine obere Seitenfläche der Poly 1-Grabenfüllschicht keinen Kontakt zu der Schicht aus dem Grabenauskleidungs-Siliziumnitrid hat. Eine andere Schicht aus Polysilizium (Poly 2) berührt die Poly 1-Grabenfüllschicht bei der oberen Seitenfläche der Poly 1-Grabenfüllschicht. Da der Kontakt der Poly 2-Schicht mit der Poly 1-Grabenfüllschicht über dem Isolationsgraben zentriert ist und sich minimal über den Isolationsgraben hinaus er­ streckt bleibt die Chipgröße relativ kompakt.
Bei einer Ausführungsform berührte die Poly 2-Schicht auch ein Halbleiterbauteil (CMOS, bipolar oder BiCMOS), das in dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist und von dem Isolations­ graben umgeben wird. Bei einer anderen Ausführungsform schneidet der Isolationsgraben eine vergrabene horizontale Isolatorschicht (üblicherweise Oxid), die in dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, während die Poly 2-Schicht zusätzlich zu der Poly 1-Grabenfüllschicht die Basis und den Emitter eines bipolaren NPN-Transistors berührt.
Die Erfindung sieht ein Verfahren zum Betreiben eines Halbleiterbauteils mit Polysilizium­ kontakt, das durch einen Graben isoliert ist, vor. Bei dem Verfahren wird zunächst ein von einem Graben isoliertes Halbleiterbauteil mit Polysiliziumkontakt in einem Halbleitersubtrat vorgesehen. Dieses von dem Graben isolierte Halbleiterbauteil umfaßt eine FOX-Schicht auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats und einen Isolationsgraben, der sich vertikal durch die FOX-Schicht und in das Halbleitersubstrat erstreckt. Die Struktur des Isolationsgrabens ist identisch mit der Grabenisolationsstruktur für das Halbleiterbauteil gemäß der Erfindung, die oben beschrieben wurde. Danach wird über die Poly 2-Schicht ein Vorspannungssignal an die Poly 1-Grabenfüllschicht angelegt. Dieses Vorspannungssignal ist ausreichend groß, um ein elektrisches Feld über dem Isolationsgraben unter einem vorgegebenen Wert zu erhalten, der niedrig genug ist, um bei allen Betriebsbedingungen eine stabile elektrische Isolation zu ge­ währleisten.
Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Herstellen eines Isolationsgrabens mit Polysilizi­ umkontakt in einem Halbleitersubstrat vor. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zu­ nächst eine Oxid/Nitrid/Oxid-Schicht (ONO) auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet. Diese ONO-Schicht besteht aus einer FOX-Schicht, einer Schicht aus Siliziumnitrid, die durch LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition; chemische Niederdruck-Aufdampfung) aufgebracht wird, und einer Schicht aus einem Hartmaskenoxid, z. B. LTO (Niedertemperatur­ oxid) oder TEOS.
Dann wird eine Photoresistschicht auf die ONO-Schicht aufgebracht und mit einer Struktur versehen. Alle drei Komponenten der ONO-Schicht (d. h. das aufgebrachte Hartmaskenoxid, das LPCVD-Siliziumnitrid und das FOX) werden unter Verwendung der strukturierten Photo­ resistschicht als eine Maske anisotrop geätzt, um einen gewünschten Teil der Oberfläche des Halbleitersubstrats freizulegen und dabei den oberen Abschnitt des Isolationsgrabens zu bil­ den.
Die strukturierte Photoresistschicht wird danach entfernt, und das aufgebrachte Hartmas­ kenoxid wird als eine Maske für das anisotrope Ätzen der freigelegten Teile des Halbleiter­ substrats verwendet, um den Rest des Isolationsgrabens auszubauen. Der so aufgebaute Isola­ tionsgraben erstreckt sich vertikal durch das FOX und in das Halbleitersubstrat und umfaßt daher sowohl die FOX-Seitenwände als auch Halbleitersubstratseitenwände.
Als nächstes wird eine Schicht aus Grabenauskleidungsoxid über den Halbleitsusbtratseiten­ wänden des Isolationsgrabens ausgebildet. Danach wird eine Schicht aus Grabenausklei­ dungs-Siliziumnitrit auf die Schicht aus Grabenauskleidungsoxid, die ONO-Schicht und die FOX-Seitenwände aufgebracht (beispielsweise mittels LPCVD). Danach wird durch anisotro­ pes Ätzen die Schicht aus dem Grabenauskleidungs-Siliziumnitrit von allen horizontalen Oberflächen entfernt (d. h. dem Boden des Isolationsgrabens und den horizontalen Flächen der ONO-Schicht), während die Schicht aus dem Grabenauskleidungs-Siliziumnitrit auf den ver­ tikalen Flächen (d. h. den vertikalen Flächen der ONO-Schicht, einschließlich der FOX- Seitenwand und der Schicht aus Grabenauskleidungsoxid) davon nicht betroffen sind.
Als nächstes wird eine Grabenfüllschicht aus Polysilizium (Poly 1) aufgebracht, um den Rest des Isolationsgrabens zu füllen, die dann zurückgeätzt wird, um die Poly 1-Grabenfüllschicht von der Oberseite der aufgebrachten Hartmaskenoxidschicht zu entfernen. Die aufgebrachte Hartmaskenoxidschicht wird danach entfernt.
Als nächstes wird die Schicht aus LPCVD-Siliziumnitrid zusammen mit einem oberen Teil der Schicht aus dem Grabenauskleidungs-Siliziumnitrid entfernt, der ausreichend ist, um ei­ nen oberen Abschnitt der Seitenfläche der Poly 1-Grabenfüllschicht freizulegen. Eine andere Schicht aus Polysilizium (Poly 2) wird dann über der FOX-Schicht und der Grabenfüllschicht Poly 1 derart aufgebracht, daß die Poly 2-Schicht die freigelegte Seitenfläche der Grabenfüll­ schicht Poly 1 berührt. Schließlich wird die Poly 2-Schicht dotiert und mit einer Struktur ver­ sehen.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Isolationsgraben mit Polysiliziumkontakt in einer SOI-Struktur (SOI = Silizium auf Isolator) ausgebildet, die ein Grundhalbleitersubstrat, eine vergrabene horizontale Isolatorschicht, die auf dem Grundhalb­ leitersubstrat ausgebildet ist, und eine aktive Siliziumschicht, die auf der vergrabenen hori­ zontalen Isolatorschicht ausgebildet ist, aufweist. Die aktive Siliziumschicht wird anisotrop geätzt, so daß sich der resultierende Isolationsgraben bis zu der vergrabenen horizontalen Isolatorschicht nach unten erstreckt.
Die Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigt:
Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer herkömmlichen Isolationsgrabenstruktur;
Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung einer herkömmlichen Isolationsgrabenstruktur, die eine vergrabene horizontale Isolatorschicht schneidet;
Fig. 3 zeigt ein Layout einer Grabenisolationsstruktur für ein Halbleiterbauteil gemäß der Erfindung;
Fig. 4 zeigt eine Schnittdarstellung in Fig. 3 der Grabenisolationsstruktur für ein Halbleiterbauteil gemäß der Erfindung entlang der Linie A-A;
Fig. 5 zeigt eine Schnittdarstellung einer Grabenisolationsstruktur für ein Halbleiter­ bauteil gemäß der Erfindung, die eine vergrabene horizontale Isolationsschicht umfaßt, welche den Isolationsgraben schneidet; und
Fig. 6A bis 6Q zeigen Schnittdarstellungen einer Folge von Verarbeitungsschritten zum Her­ stellen einer Grabenisolationsstruktur mit Polysiliziumkontakt in einer SOI-Struktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 3 und 4 zeigen in Form eines Layouts bzw. einer Schnittdarstellung eine Grabenisolati­ onsstruktur 100 eines Halbleiterbauteils. Die Struktur 100 umfaßt ein Halbleitersubstrat 102, eine FOX-Schicht 104 auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 102 und einen Isolations­ graben 106, der sich vertikal durch die FOX-Schicht 104 und in das Halbleitersubstrat 102 erstreckt. Der Isolationsgraben 106 berührt somit direkt die Seitenwände des Halbleitersub­ strats und die FOX-Seitenwände.
Der Isolationsgraben 106 weist mehrere Schichten auf, einschließlich einer Schicht aus einem Grabenauskleidungsoxid 108 (d. h. eine äußere Schicht), die über die Seitenwände des Halb­ leitersubstrats des Isolationsgrabens 106 aufgebracht ist, und eine Schicht aus einem Graben­ auskleidungs-Siliziumnitrid 110 (d. h. eine mittlere Schicht), die auf die seitliche Schicht aus dem Grabenauskleidungsoxid 106 und einen Bodenabschnitt der FOX-Seitenwände des Iso­ lationsgrabens aufgebracht ist.
Eine Grabenfüllschicht aus Polysilizium (Poly 1) 112 füllt den Rest des Isolationsgrabens 106 als eine innerste Schicht. Die Poly 1-Grabenfüllschicht 112 liegt über und erstreckt sich über der Schicht aus dem Grabenauskleidungs-Siliziumnitrid 110, so daß ein oberer Abschnitt ei­ ner Seitenfläche 122 der Poly 1-Grabenfüllschicht 112 keinen Kontakt zu der Schicht aus dem Grabenauskleidungs-Siliziumnitrid 110 hat. Eine Oxidabdeckung (in Fig. 3 nicht gezeigt) bedeckt die Oberseite der Poly 1-Grabenfüllschicht 112.
Die Struktur 100 umfaßt eine weitere Polysiliziumschicht (Poly 2) 116, welche die Poly 1-Grabenfüllschicht berührt, wobei der obere Abschnitt der Seitenfläche 122 der Poly 1-Grabenfüllschicht 112 sich über die Schicht aus dem Grabenauskleidungs-Siliziumnitrid 110 erstreckt. Die Poly 2-Schicht liegt auch über wenigstens einem Teil der FOX-Schicht 104. Eine Isolationsschicht 118 (in Fig. 3 nicht gezeigt) bedeckt die FOX-Schicht 104 und die Poly 2-Schicht 116.
Um einen robusten elektrischen Kontakt zwischen der Poly 2-Schicht und der Poly 1-Grabenfüllschicht sicherzustellen, kontaktiert die Poly 2-Schicht die Poly 1-Grabenfüllschicht vorzugsweise entlang einer Seitenfläche der Poly 1-Grabenfüllschicht, die zwischen 0,2 und 0,5 µm hoch ist.
Fig. 5 ist eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform der Grabenisolationsstruktur des Halbleiterbauteils gemäß der Erfindung gezeigt, die ähnlich wie die in den Fig. 3 und 4 ist, die jedoch auch eine vergrabene horizontale Isolatorschicht (z. B. Siliziumdioxid) 120 in dem Halbleitersubstrat 102 aufweist. Bei dieser Ausführungsform schneidet der Isolations­ graben 106 direkt die vergrabene horizontale Isolatorschicht 120.
In dem Halbleitersubstrat können CMOS, bipolare oder BiCMOS-Halbleiterbauteile ausge­ bildet werden, so daß die Bauteile entweder von dem Isolationsgraben eingekreist sind oder, wenn eine vergrabene horizontale Isolatorschicht vorhanden ist, von dem Isolationsgraben und der diesen sehneidenden vergrabenen horizontalen Isolatorschicht vollständig umgeben sind. Bei einer Ausführungsform wird ein bipolares Bauteil in dem Halbleitersubstrat ausge­ bildet, und die Poly 2-Schicht wird dazu verwendet, den Kontakt zu der Basis und dem Emit­ ter des bipolaren Bauteils herzustellen.
Ein Verfahren zum Betreiben der von einem Graben isolierten Halbleiterbauteilstrukturen mit Polysiliziumkontakt der Fig. 3 bis 5 würde einen Schritt umfassen, bei dem eine Vorspan­ nung angelegt wird, die ausreicht, um ein elektrisches Feld über dem Isolationsgraben unter einem vorgegebenen Wert zu halten. Die Vorspannung wird über die Poly 2-Schicht an die Poly 1-Grabenfüllschicht angelegt. Durch Aufrechterhalten eines vorgegebenen elektrischen Feldes über dem Isolationsgraben können die elektrische Instabilität der Isolation aufgrund hoher elektrischer Felder über dem Isolationsgraben und/oder ein Lawinendurchbruch an den Ecken des Grabens verhindert werden.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben der Halbleiterstruktur gemäß der Erfindung wird ein bipolarer NPN-Transistor in dem Halbleitersubstrat Vorgesehen, und ein Vorspannungssignal wird über die Poly 2-Schicht an die Poly 1-Grabenfüllschicht angelegt, das gleich groß wie oder positiver als das positivste Potential ist, das während des Betriebs des bipolaren NPN-Transistors an dem Kollektoranschluß des bipolaren NPN-Transistors auftritt. Beim Betrieb bipolarer NPN-Hochspannungstransistoren, die von 2,0 µm hohen Iso­ lationsgräben gemäß der Erfindung eingekreist sind, kann das angelegte Spannungssignal z. B. wenigstens +40 Volt betragen.
Die Fig. 6A bis 6Q zeigen verschiedene Stufen eines Verfahrens zum Aufbauen einer Grabenisolationsstruktur mit Polysiliziumkontakt gemäß der Erfindung.
Fig. 6A zeigt eine vorläufige SOI-Struktur 200, die ein Grundhalbleitersubstrat 202, eine ver­ grabene horizontale Isolatorschicht 204 (üblicherweise Siliziumdioxid), die auf dem Grund­ halbleitersubstrat 202 ausgebildet ist, und eine aktive Siliziumschicht 206 (die üblicherweise etwa 20 000 bis 25 000 Å dick ist), die auf der vergrabenen horizontalen Isolatorschicht 204 ausgebildet ist, umfaßt. Die aktive Siliziumschicht 206 kann eine Epitaxieschicht umfassen, die auf gebondetem Silizium gewachsen ist.
Fig. 6A zeigt auch eine FOX-Schicht 210 (die ungefähr 10 000 Å dick ist und durch lokale Oxidation von Silizium (LOCOS) gewachsen ist), die auf der aktiven Siliziumschicht 206 ausgebildet ist, eine Schicht aus LPCVD-Siliziumnitrid 212 (ungefähr 2000 bis 3000 Å dick), die auf der FOX-Schicht 210 ausgebildet ist, und eine Schicht aus aufgebrachten Hart­ maskenoxid 214 (z. B. LTO oder TEOS; ungefähr 25 000 bis 29 000 Å dick), die auf der Schicht aus dem LPCVD-Siliziumnitrid 212 ausgebildet ist. Diese drei Schichten (die Schichten 210, 212 und 214) bilden eine Oxid-Nitrid-Oxid-Schicht (ONO-Schicht) auf der aktiven Siliziumschicht 206.
Eine Photoresistschicht (PR) 216 wird dann über die Schicht aus dem aufgebrachten Hart­ maskenoxid 214 gezogen und mit einer Struktur versehen. Die Dicke der Photoresistschicht 216 beträgt etwa 2 bis 3 µm, was ausreichend ist, um beständig gegen ein herkömmliches Trockenätzen der ONO-Schicht zu sein. Wenn die strukturierte Photoresistschicht 216 als Ätzmaske verwendet wird, werden dann die Schicht aus dem aufgebrachten Hartmaskenoxid 214, die Schicht aus dem LPCVD-Siliziumnitrid 212 und die FOX-Schicht 210 geätzt, wo­ durch die Oberseite der aktiven Siliziumschicht 206 und Seitenflächen des FOX freigelegt werden (Vorläufer für die FOX-Seitenwände des im folgenden erörterten Isolationsgrabens). Die resultierende Struktur ist in Fig. 6B gezeigt. Die hier für das Ätzen verwendeten Chemi­ kalien sind selektiv, so daß sie die ONO-Schicht ätzen, ohne die aktive Siliziumschicht 206 merklich zu ätzen oder zu beschädigen.
Nach dem Entfernen der strukturierten Photoresistschicht 216 wird die aktive Siliziumschicht 206 anisotrop geätzt (Grabenätzschritt), um darin Gräben auszubilden, die sich zu der vergra­ benen horizontalen Isolatorschicht 204 erstrecken, wie in Fig. 6C gezeigt. Die Gräben sind ungefähr 2 µm breit.
Die anfängliche Dicke der Schicht aus dem aufgebrachten Hartmaskenoxid 214 (ungefähr 25 000 bis 29 000 Å) wird so gewählt, daß nach dem Grabenätzschritt wenigstens ein Teil der Öffnung in der Schicht aus dem aufgebrachten Hartmaskenoxid 214 (ungefähr 3000 Å) verti­ kal (d. h. ungeätzt) bleibt, wie in Fig. 6C gezeigt.
Bei einer Ausführungsform wird, wie in Fig. 6D gezeigt, nach dem Ätzen des Grabens eine dünne Schicht aus Opferoxid 218 (ungefähr 600 bis 700 Å dick) bei hoher Temperatur ent­ lang der aktiven Siliziumschicht-Seitenwände des Isolationsgrabens gezüchtet, um mögliche Schäden der aktiven Siliziumschicht 206 aufzufangen, die sich aus dem Ätzen des Grabens ergeben. Die dünne Schicht aus dem Opferoxid 218 wird dann entfernt (d. h. die Schäden an der aktiven Siliziumschicht 206 werden entfernt), indem sie z. B. in eine Fluorwasserstoffsäu­ re (HF) oder gepufferte Fluorwasserstoffsäurelösung getaucht wird, wodurch sich die in Fig. 6D gezeigte Struktur ergibt.
Eine Schicht aus Grabenauskleidungsoxid 220 mit einer Dicke im Bereich von etwa 1000 bis 5000 Å wird dann auf den Seitenwänden der aktiven Siliziumschicht des Isolationsgrabens bei einer Temperatur zwischen etwa 950°C und 1150°C gezüchtet, woraus sich die in Fig. 6F gezeigte Struktur ergibt. Danach wird eine Schicht aus Grabenauskleidungs-Siliziumnitrit 220 (etwa 3000 Å dick) aufgebracht, um die Schicht aus dem aufgebrachten Hartmaskenoxid 214, die Seitenfläche der Schicht aus LPCVD-Siliziumnitrid, die FOX-Seitenwände, die Schicht aus dem Grabenauskleidungsoxid und die vergrabene horizontale Isolatorschicht 204 am Boden des Isolationsgrabens zu bedecken.
Diese Schicht aus LPCVD-Siliziumnitrid 212 und die Schicht aus dem Grabenauskleidungs- Siliziumnitrid 220 werden dann anisotrop geätzt, wobei ein Ätzmittel mit einer Selektivität zwischen dem Grabenauskleidungsnitrid 222 und der darunterliegenden vergrabenen hori­ zontalen Isolatorschicht 204 verwendet wird. Während dieses Ätzens werden nur die freilie­ genden Teile der Schicht aus LPCVD-Siliziumnitrid 212 (d. h. die Oberseite der Schicht aus dem aufgebrachten Hartmaskenoxid 214) und der Schicht aus dem Grabenauskleidungs- Siliziumnitrid 222 (d. h. am Boden des Isolationsgrabens) entfernt, während deren vertikal freiliegende Teile (d. h. die an den Seitenflächen der Schicht aus dem aufgebrachten Hartmas­ kenoxid 214, des LPCVD-Siliziumnitritgrabens, der FOX-Seitenwände und der Schicht aus Grabenauskleidungsoxid 220) davon nicht betroffen sind, wie in Fig. 6H gezeigt.
Die Schicht aus LPCVD-Siliziumnitrid dient als ein Ätzstopp zum Schutz der darunterliegen­ den FOX-Schicht 210, so daß die Dicke der FOX-Schicht 210 konstant und gleichmäßig bleibt, während die verbleibende Schicht aus dem Hartmaskenoxid 214 nach der Ausbildung des Isolationsgrabens entfernt wird.
In bezug auf Fig. 6I liegt die Bedeutung des anisotropen Wesens des Ätzvorgangs im Ver­ hältnis zu der Schicht aus Grabenauskleidungs-Siliziumnitrid 222 darin, sicherzustellen, daß die Schicht aus dem Grabenauskleidungs-Siliziumnitrid 222, die über der Schicht aus LPCVD-Siliziumnitrid 212 zurückbleibt, nach dem Ätzen noch dick genug ist, um eine robu­ ste Grenzfläche zwischen diesen beiden Nitridschichten zu behalten. Um dies zu erleichtern, ist es wichtig, daß ein angemessener Teil der Öffnung in der Schicht des aufgebrachten Hart­ maskenoxids 214 nach dem Ätzen des Grabens vertikal bleibt, wie oben erläutert wurde. Die Anfangsdicke der Schicht aus dem aufgebrachten Hartmaskenoxid 214 wird daher gestützt auf die Selektivität des Grabenätzvorgangs in Bezug auf das Hartmaskenoxid und den Um­ fang der Facettenbildung (Kantenabschrägung) an der Öffnung des aufgebrachten Hartmas­ kenoxids gewählt.
Eine robuste Verschmelzung der Grenzfläche zwischen der Schicht aus LPCVD-Silizium­ nitrid 212 und der Schicht aus Grabenauskleidungs-Siliziumnitrid 222 kann ferner sicherge­ stellt werden, indem die Struktur in HF oder BOE getaucht wird, bevor die Schicht aus dem Grabenauskleidungs-Siliziumnitrid 222 aufgebracht wird. Das Eintauchen entfernt alles Oxidnitrit (siehe Fig. 6J) das sich während der Herstellung der Schicht aus Grabenausklei­ dungsoxid 220 gebildet hat, an den freiliegenden Seitenflächen der Schicht aus LPCVD- Siliziumnitrid, das diese Verschmelzung andernfalls behindern würde.
Nach dem Ätzen der Schicht aus Grabenauskleidungs-Siliziumnitrid 222 wird der Rest des Isolationsgrabens mittels LPCVD mit einer Grabenfüll-Polysiliziumschicht (Poly 1) 224 ge­ füllt. Die Dicke der Poly 1-Grabenfüllschicht 224 wird so gewählt, daß sichergestellt ist, daß die Poly 1-Grabenfüllschicht 224 den Isolationsgraben vollständig füllt (d. h. belegt), und zwar auch bei den Ecken, bei denen der diagonale Abstand etwa 2,8 µm beträgt. Die resultierende Struktur ist in Fig. 6K gezeigt.
Dann wird die Poly 1-Grabenfüllschicht 224 zurückgeätzt, um die Poly 1-Grabenfüllschicht 224 von der Oberfläche der Schicht aus aufgebrachtem Hartmaskenoxid 214 zu entfernen. Das Zurückätzen wird z. B. mit einem isotropen oder anisotropen Ätzmittel mit Ätzchemikali­ en auf F-Basis oder Cl2-Basis durchgeführt. Das Zurückätzen erfolgt unter Verwendung eines Endpunkt-Erfassungssystems, wobei die Poly 1-Schicht überätzt wird, so daß die in dem Iso­ lationsgraben verbleibende Poly 1 Grabenfüllschicht 224, wie in Fig. 6L gezeigt, so hoch ist, daß sich bei der nachfolgenden Oxidation der Poly 1-Grabenfüllschicht 224 eine Oxidabdec­ kung 226 bildet, die mit der FOX-Schicht 210 eben abschließt.
Die verbleibende Schicht aus dem aufgebrachten Hartmaskenoxid 214 wird dann mittels einer Hartmasken-Abziehlösung entfernt. Da die Schicht aus dem aufgebrachten Hartmaskenoxid 214 relativ dick ist und die Struktur daher relativ lange Zeit in die Hartmasken-Abziehlösung eingetaucht wird, um dieses komplett zu entfernen, ist die robuste Grenzfläche zwischen der Schicht aus LPCVD-Siliziumnitrid 216 und der Schicht aus Grabenauskleidungs-Silizium­ nitrid 222, die oben erläutert wurde, wichtig.
Die Oberseite der Poly 1-Grabenfüllschicht 224 wird anschließend oxidiert, um an deren obe­ ren Abschnitt eine Oxidabdeckung 226 zu bilden, wie in Fig. 6M gezeigt. Die Oxidabdeckung 226 dient als eine Ätzstoppschicht nach dem Entfernen der Poly 2-Schicht von dem Teil des Isolationsgrabens, bei dem es keinen Poly 2-Kontakt gibt. Dadurch kann die Chipgröße kom­ pakt gehalten werden.
Als nächstes wird die Schicht aus LPCVD-Siliziumnitrid 212 und ein Teil der Schicht aus Grabenauskleidungs-Siliziumnitrid 222 unter Verwendung von z. B. heißer Phosphorsäure geätzt. Während des Ätzens wird die Schicht aus LPCVD-Siliziumnitrid 212 vollständig ent­ fernt, während die Schicht aus Grabenauskleidungs-Siliziumnitrid 222 bis zu einem Punkt zurückgeätzt wird, bei dem wenigstens 0,2 µm der oberen Seitenfläche 232 der Poly 1-Grabenfüllschicht 224 freigelegt ist. Die resultierende Struktur ist in Fig. 6N dargestellt. Bes­ ser ist es, wenn die Poly 1-Grabenfüllschicht auf einer Länge zwischen etwa 0,2 und 0,5 µm freigelegt wird.
Eine andere Schicht aus Polysilizium (Poly 2 etwa 3500 Å dick) 228 wird anschließend auf­ gebracht. Wie in Fig. 6O gezeigt, bedeckt die Poly 2-Schicht Oberflächen der FOX-Schicht 210, der freiliegenden oberen Seitenfläche 232 der Poly 1-Grabenfüllschicht 224 und der Oxidabdeckung 226. Die Poly 2-Schicht 228 stellt daher einen elektrischen Kontakt zu der Poly 1-Grabenfüllschicht 224 über deren freiliegende obere Seitenfläche 232 her. Die Kon­ taktbildung der Poly 2-Schicht mit der Poly 1-Grabenfüllschicht gemäß der Erfindung ist "selbst ausrichtend", weil keine zusätzliche photolithographische Maskierung und keine wei­ teren Schritte notwendig sind, um die obere Seitenfläche der Poly 1-Grabenfüllschicht frei­ zulegen, bevor die Poly 2-Schicht aufgebracht wird.
Der Fachmann auf diesem Gebiet wird jedoch erkennen, daß zwischen dem Zurückätzen der Schicht aus Grabenauskleidungs-Siliziumnitrid 222 und dem Aufbringen der Poly 2-Schicht 228 zusätzliche Verarbeitungsschritte durchgeführt werden können, um z. B. Teile der oder alle bipolaren, CMOS oder BiCMOS-Bauteile in der aktiven Siliziumschicht 206 auszubilden. Wenn gewünscht, kann die Grabenisolationsstruktur während dieser zusätzlichen Schritte geschützt werden, indem eine Photoresistmaske, eine vorübergehend aufgebrachte Oxid­ schicht oder andere im Stand der Technik bekannte Techniken eingesetzt werden.
Als nächstes wird die Poly 2-Schicht 228 dotiert, z. B. durch Ionenimplantation, und mittels herkömmlicher photolithographischer und Ätztechniken mit einer Struktur versehen. Die re­ sultierende Struktur ist in Fig. 6P im Querschnitt gezeigt, während das Layout ihrer Oberflä­ che äquivalent zu dem der Fig. 3 ist.
Schließlich wird eine Isolierschicht 230 (z. B. 7000 Å LTO) aufgebracht. Die resultierende Struktur ist in Fig. 6Q gezeigt, sie ist äquivalent zu der in Fig. 5 gezeigten Struktur.
Alternative Verfahren zum Bilden des Grabens sind in einer ebenfalls anhängigen US Pa­ tentanmeldung mit dem Titel "Methods of Forming and Planarizing Deep Isolation Trenches in a Silicon-On-Insulator (SOI) Structure", Anmeldenummer 08/816 408 vom 13. März 1997 beschrieben; auf diese Anmeldung wird ausdrücklich Bezug genommen.
Man sollte verstehen, daß zahlreiche Alternativen der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung der Realisierung der Erfindung zum Einsatz kommen können. Die folgenden An­ sprüche sollen den Bereich der Erfindung definieren, und Verfahren und Strukturen innerhalb des Bereiches dieser Ansprüche sowie deren Äquivalente sollen von der Erfindung umfaßt sein. Die in der vorliegenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Realisierung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims (13)

1. Grabenisolationsstruktur für eine Halbleitervorrichtung, mit folgenden Merkmalen:
ein Halbleitersubstrat;
eine Feldoxidschicht (FOX) auf dem Halbleitersubstrat;
ein Isolationsgraben, der sich durch die FOX-Schicht und in das Halbleitersubstrat er­ streckt, wobei der Isolationsgraben eine Grenzfläche zu Seitenwänden des Halbleiter­ substrats und FOX-Seitenwänden bildet, und wobei der Isolationsgraben mehrere Schichten aufweist, einschließlich:
  • eine Schicht aus Grabenauskleidungsoxid, die auf die Seitenwände des Halb­ leitersubstrats aufgebracht ist;
    eine Schicht aus Grabenauskleidungs-Siliziumnitrit, die auf die Schicht aus Grabenauskleidungsoxid und eine untere Seitenfläche der FOX-Seitenwände aufgebracht ist; und eine Grabenfüll-Polysiliziumschicht (Poly 1), die den Rest des Isolationsgrabens belegt und sich über die Schicht aus Grabenausklei­ dungs-Siliziumnitrit erstreckt; und
eine weitere Polysiliziumschicht (Poly 2), die über wenigstens einem Teil der FOX- Schicht liegt und die Poly 1-Grabenfüllschicht berührt, wo sich die Poly 1-Grabenfüllschicht über die Schicht aus Grabenauskleidungs-Siliziumnitrid erstreckt.
2. Grabenisolationsstruktur nach Anspruch 1, bei der die Poly 2-Schicht die Grabenfüll­ schicht Poly 1 entlang einer Seitenfläche der Poly 1-Grabenfüllschicht berührt.
3. Grabenisolationsstruktur nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Isolationsgraben wenig­ stens 20 µm tief und 2 µm breit ist.
4. Grabenisolationsstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Poly 2-Schicht die Poly 1-Grabenfüllschicht entlang der Seitenfläche berührt, die zwischen 0,2 und 0,5 Mikrometer hoch ist.
5. Grabenisolationsstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer vergra­ benen horizontalen Isolatorschicht in dem Halbleitersubstrat, wobei die vergrabene ho­ rizontale Isolatorschicht den Isolationsgraben schneidet.
6. Grabenisolationsstruktur nach Anspruch 5 mit
einem bipolaren Transistor, der in dem Halbleitersubstrat über der vergrabenen hori­ zontalen Isolatorschicht ausgebildet ist, wobei der bipolare Transistor einen Emitter,
eine Basis und einen Kollektor aufweist; und
einem Poly 2-Kontakt zu dem Emitter und der Basis des bipolaren Transistors; und wobei der Isolationsgraben den bipolaren Transistor umgibt.
7. Verfahren zum Betreiben einer durch einen Graben isolierten Halbleitervorrichtung mit Polysiliziumkontakt, mit folgenden Verfahrensschritten:
Vorsehen einer von einem Graben isolierten Halbleitervorrichtung mit Polysilizium­ kontakt umfassend:
  • ein Halbleitersubstrat;
    eine Feldoxidschicht (FOX) auf dem Halbleitersubstrat;
    ein Isolationsgraben, der sich durch die FOX-Schicht und in das Halbleitersub­ strat erstreckt, wobei der Isolationsgraben eine Grenzfläche zu Seitenwänden des Halbleitersubstrats und FOX-Seitenwänden bildet, und wobei der Isolati­ onsgraben mehrere Schichten aufweist, einschließlich:
    • eine Schicht aus Grabenauskleidungsoxid, die auf die Seitenwände des Halbleitersubstrats aufgebracht ist;
      eine Schicht aus Grabenauskleidungs-Siliziumnitrit, die auf die Schicht aus Grabenauskleidungsoxid und eine untere Seitenfläche der FOX- Seitenwände aufgebracht ist; und eine Grabenfüll-Polysiliziumschicht (Poly 1), die den Rest des Isolationsgrabens belegt und sich über die Schicht aus Grabenauskleidungs-Siiiziumnitrit erstreckt; und
eine weitere Polysiliziumschicht (Poly 2), die über wenigstens einem Teil der FOX-Schicht liegt und die Poly 1-Grabenfüllschicht berührt, wo sich die Poly 1-Grabenfüllschicht über die Schicht aus Grabenauskleidungs-Siliziumnitril er­ streckt;
Anlegen eines Vorspannungssignals an die Poly 1-Grabenfüllschicht über die Poly 2-Schicht, wobei das Vorspannungssignal ausreichend groß ist, um eine elektrisches Feld über dem Isolationsgraben unter einem vorgegebenen Wert zu halten.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Halbleitervorrichtung mit Polysiliziumkon­ takt einen bipolaren NPN-Transistors umfaßt; und
das Vorspannungssignal an die Poly 1-Grabenfüllschicht angelegt wird, wobei das Vorspannungssignal gleich oder positiver als das positivste Potential ist, welches am Kollektoranschluß des bipolaren NPN-Transistors während des Betriebs des bipolaren NPN-Transistors auftaucht.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem ein Vorspannungssignal von wenigstens +40 Volt an die Poly 1-Grabenfüllschicht angelegt wird.
10. Verfahren zum Herstellen einer Grabenisolationsstruktur mit Polysiliziumkontakt, mit folgenden Verfahrensschritten:
Vorsehen eines Halbleitersubstrats;
Ausbilden einer Oxid/Nitrid/Oxidschicht (ONO) auf dem Halbleitersubstrat, wobei die ONO-Schicht folgende Merkmale umfaßt:
  • eine Feldoxidschicht (FOX), die auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, ei­ ne Schicht aus LPCVD-Siliziumnitrid, die auf der FOX-Schicht ausgebildet ist,
    und eine Schicht aus aufgebrachtem Hartmaskenoxid, die aus der Schicht aus LPCVD-Siliziumnitrid ausgebildet ist;
Überziehen der ONO-Schicht mit einer Photoresist-Schicht;
Ausbilden einer Struktur in der Photoresist-Schicht;
Ätzen der ONO-Schicht unter Verwendung der strukturierten Photoresist-Schicht als Ätzmaske, um einen Teil der Oberfläche des Halbleitersubstrats freizulegen;
Entfernen der strukturierten Photoresist-Schicht;
Ätzen der freiliegenden Teile der Oberfläche des Halbleitersubstrats, wodurch ein Isolationsgraben gebildet wird, der sich durch die FOX-Schicht und in das Halbleiter­ substrat erstreckt, wobei der Isolationsgraben FOX-Seitenwände und Halbleitersub­ strat-Seitenwände aufweist;
Ausbilden einer Schicht aus Grabenauskleidungsoxid auf den Halbleitersubstrat- Seitenwänden;
Aufbringen einer Schicht aus Grabenauskleidungs-Siliziumnitrid auf der Schicht aus Grabenauskleidungsoxid, auf den FOX-Seitenwänden, auf dem Boden des Isolations­ grabens und auf der ONO-Schicht;
anisotropes Ätzen der Schicht aus Grabenauskleidungs-Siliziumnitrid, um die Schicht aus Grabenauskleidungsnitrid von den horizontalen Flächen der ONO-Schicht und von dem Bo
den des Isolationsgrabens zu entfernen;
Aufbringen einer Grabenfüll-Polysiliziumschicht (Poly 1), um den Isolationsgraben zu füllen;
Ätzen der Poly 1-Grabenfüllschicht von einer Oberseite des aufgebrachten Hartmas­ kenoxids;
Entfernen der Schicht aus aufgebrachten Hartmaskenoxid;
Ätzen der Schicht aus LPCVD-Siliziumnitrid und der Schicht aus Grabenausklei­ dungs-Siliziumnitrid, um die Schicht aus LPCVD-Siliziumnitrid zu entfernen und eine obere Seitenfläche der Grabenauskleidungsschicht Poly 1 in dem Isolationsgraben freizulegen;
Aufbringen einer weiteren Polysiliziumschicht (Poly 2) über der FOX-Schicht und der freiliegenden oberen Seitenfläche der Poly 1-Grabenfüllschicht, wodurch die Poly 2-Schicht einen Kontakt zu der Poly 1-Grabenfüllschicht herstellt; und
Dotieren der Poly 2-Schicht.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei ein Halbleitersubstrat mit einer Silizium-auf- Isolator-Struktur-(SOI) vorgesehen wird, wobei das Halbleitersubstrat mit der SOI-Struktur ein Grundhalbleitersubstrat, eine vergrabene horizontale Isolatorstruktur, die auf dem Grundhalbleitersubstrat ausgebildet ist, und eine aktive Siliziumschicht, die auf der vergrabenen horizontalen Isolatorstruktur ausgebildet ist, umfaßt;
die ONO-Schicht zum Freilegen eines Teils einer Oberfläche der aktiven Silizium­ schicht geätzt wird; und
der freiliegende Teil der Oberfläche der aktiven Siliziumschicht zum Ausbilden eines Grabens in der aktiven Siliziumschicht, der sich zu der vergrabenen horizontalen Iso­ latorschicht erstreckt, geätzt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, beim Ätzen der Schicht aus LPCVD- Siliziumnitrid und der Schicht aus Grabenauskleidungs-Siliziumnitrid eine obere Sei­ tenfläche der Poly 1-Grabenfüllschicht freigelegt wird, wobei die obere Seitenfläche eine Höhe von zwischen 0,2 und 0,5 µm hat.
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