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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verringern von Defekten zum Verbessern der Isolation von Feldoxiden (Siliziumdioxid Si02), welche als Isolation zwischen aktiven Bereichen eines Silizium (Si)-Halbleitersubstrates erzeugt werden.
Bei der Herstellung von Halbleitern wird als erster Schritt üblicherweise das Halbleitersubstrat, welches aus monokristallinem Silizium besteht, in Bereiche, in denen aktive Bauelemente realisiert werden und in die die aktiven Bereiche voneinander elektrisch isolierenden Bereiche unterteilt.
Als isolierendes Material wird hierbei üblicherweise Siliziumdioxid (Si02) verwendet, welches in dieser Form auch als Feldoxid bezeichnet wird. Die am weitesten verbreitete Technik für die Herstellung eines Feldoxides ist die lokale Oxidation von Silizium (LOCOS). Beim LOCOS-Verfahren werden die aktiven Bereiche des Siliziumsubstrates mit einer Siliziumnitridschicht (Si3N4) maskiert und nachfolgend wird in den Isolationsbereichen durch eine thermische Oxidation das Feldoxid ausgebildet. Das LOCOS-Verfahren ist zwar einfach und effizient, weist jedoch auch einige Probleme bei der Ausbildung eines fehlerfreien Überganges zwischen Feldoxid und aktiven Bereichen auf. Da die Oxidation sich unter die mit Siliziumnitrid abgedeckten Bereiche erstreckt, wird ein sogenannter Vogelschnabeleffekt beobachtet.
Durch diese laterale Oxidation können unterhalb einer gewissen Grenzgrösse keine aktiven Bereiche mehr erzeugt werden, da die benachbarten Feldoxide aufgrund des Vogelschnabeleffektes miteinander verschmelzen. Da die Ausbildung des Feldoxides unter einer erheblichen Volumszunahme erfolgt, kommt es vor allem im Bereich des Vogelschnabels zu Spannungen nahe der Grenzfläche zwischen Siliziumnitridschicht und Siliziumsubstrat.
Um solche Spannungen zu vermeiden, ist es beispielsweise aus der US-PS 3 900 350 bekanntgeworden, zwischen dem Siliziumsubstrat und der Siliziumnitridschicht eine Schicht aus polykristallinem Silizium anzuordnen. In der US-PS 4 541 167 wurde vorgeschlagen, zwischen dem Siliziumsubstrat und der Siliziumnitridschicht eine dünne Schicht aus Siliziumdioxid und eine etwas dickere Schicht aus polykristallinem Silizium anzuordnen. Diese Zwischenschichten sollen bei den bekannten Verfahren die
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Spannungen aufnehmen, die zwischen der Siliziumnitridschicht und dem Siliziumsubstrat auftreten. Nachteilig bei diesen bekannten Verfahren ist jedoch die Tatsache, dass bei der Ausbildung des Feldoxides eine teilweise Oxidation der polykristallinen Siliziumschicht in den Aussenbereichen bzw.
Rändern des aktiven Bereiches nicht verhindert werden kann (Vogelschnabeleffekt).
Darüber hinaus werden jedoch oft noch drei weitere störende Effekte beobachtet : (a) Die Oberfläche des Feldoxids ist nicht glatt, sondern rauh. Diese Rauhigkeit kann u. U. mit einer Rekristallisation des polykristallinen Siliziums während der Feldoxidation erklärt werden. Dadurch besteht die Gefahr, dass auch die aktiven Silizium-Gebiete in einer entsprechenden Weise geschädigt werden, ohne dass dies sichtbar sein muss. Ausserdem werden bei der Ätzung der Siliziumnitridschicht und der teilweisen Ätzung der darunterliegenden polykristallinen Siliziumschicht die amorphen Korngrenzen dieses polykristallinen Silizium stärker angeätzt als die Körner selbst. Auch so wären die sichtbare Rauhigkeit des Feldoxides und eine eventuelle Substratschädigung erklärbar.
(b) Die Feldoxidkante ist zerklüftet, sodass längs dieser Kante Leckströme fliessen können.
(c) Im Bereich von konvexen Ecken des aktiven Gebietes (insbesondere mit Minimalbreite) bleiben nach der Feldoxidation, der Entfernung des Siliziumnitrids und der polykristallinen Siliziumschicht Reste zurück, die von der unerwünschten, bevorzugten Oxidation der amorphen Korngrenzen stammen und die weiteren Prozessschritte stören.
Um ein Anwachsen der Oxidschicht im Bereich einer aus polykristallinem Silizium bestehenden Zwischenschicht zu verhindern (Vogelschnabeleffekt), wurde bereits vorgeschlagen, nach dem teilweisen Abtragen der Siliziumnitriddeckschicht denjenigen Bereich, in welchem Feldoxid ausgebildet werden soll, teilweise mit einem Fotolack abzudecken, sodass ein Freiraum zwischen der Fotolackabdeckung und der Siliziumnitridabdeckung ausgebildet wird. In der Folge wird bei dem in der US-PS 5 599 731 beschriebenen Verfahren in diesen Freiraum Stickstoff durch Ionenimplantation eingebracht, sodass die Randbereiche der Schicht aus poly-
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kristallinem Silizium mit Stickstoff dotiert werden und auf diese Weise weniger leicht bei der nachfolgenden Oxidation in Siliziumdioxid umgewandelt werden können.
Diese Massnahme betrifft in erster Linie die Verringerung des sogenannten Vogelschnabeleffektes, wobei jedoch nach dem Abtragen des Fotolacks, wofür ein gesonderter Verfahrensschritt erforderlich ist, die obengenannten drei störenden Effekte nicht ausreichend unterdrückt werden.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine exakter definierte Grenze zwischen isolierenden und aktiven Bereichen ausgebildet wird und gleichzeitig die Beschaffenheit des ausgebildeten Feldoxides, der Feldoxidkanten und des aktiven Gebietes dahingehend verbessert wird, dass geringere Störungen und eine bessere Isolation beobachtet werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht das erfindungsgemässe Verfahren im wesentlichen darin, dass die Siliziumsubstratoberfläche mit einer ersten Siliziumdioxid-Schicht und einer darüberliegenden polykristallinen Silizium-Schicht versehen wird, worauf die Schicht aus polykristallinem Silizium mit Stickstoffionen oder einem anderen stickstoffhältigen Dopanden durch Ionenimplantation dotiert wird und eine Schicht aus Siliziumnitrid aufgebracht wird und dass anschliessend die Siliziumnitridschicht in denjenigen Bereichen, in welchen Feldoxid ausgebildet werden soll, bis in die stickstoffdotierte Polysiliziumschicht abgetragen wird und anschliessend eine thermische Oxidation zur Ausbildung des Feldoxides vorgenommen wird.
Dadurch, dass in Übereinstimmung mit den bekannten Verfahren zunächst eine entsprechende Abdeckung der aktiven Bereiche mit Siliziumdioxid und polykristallinem Silizium erfolgt, welche sich naturgemäss zunächst auch über die in der Folge zu oxidierenden, d. h. durch Ausbildung von Feldoxid zu isolierenden Bereiche erstreckt, wird den eingangs geschilderten Schwierigkeiten im Zusammenhang mit Spannungen Rechnung getragen.
Dadurch, dass nun vor dem Auftrag der gegen Oxidation beständigen Siliziumnitridschicht die gesamte aus polykristallinem Silizium bestehende Zwischenschicht mit Stickstoff
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dotiert wird und anschliessend die Siliziumnitriddeckschicht abgeschieden wird, wobei diese mit Stickstoff dotierte Polysiliziumschicht in der Folge nach dem Abtragen der Siliziumnitridschicht in denjenigen Bereichen, in welchen Feldoxid ausgebildet wird, auch teilweise noch vorliegen kann, wird nun überraschenderweise beobachtet, dass bei einer nachfolgenden Oxidation eine Verbesserung in den Randbereichen und insbesondere eine scharfe Grenze zwischen aktiven Bereichen und Isolationsbereichen erzielt wird, wobei gleichzeitig eine glatte Oberflächenstruktur des Feldoxides beobachtet wird, was insgesamt reproduzierbare Isolationseigenschaften zur Folge hat.
Gegenüber bekannten Verfahren kann insbesondere beispielsweise der zusätzliche Verfahrensschritt eines Auftragens von Fotolack entfallen, wobei der Umstand, dass sich die Stickstoffdotierung über die gesamte Schicht aus polykristallinem Silizium erstreckt, offensichtlich für die Ausbildung scharfer Konturen und einer entsprechend glatten Oberfläche verantwortlich ist.
In besonders vorteilhafter Weise wird das erfindungsgemässe Verfahren so durchgeführt, dass die Stickstoffdotierung der Schicht aus polykristallinem Silizium mit einer Dosis von über 1015, insbesondere 1016 Atomen/cm2 vorgenommen wird. Eine derartige vergleichsweise hohe Stickstoffdotierung stellt eine besonders klare und scharfe Grenze zwischen aktiven Bereichen und Feldoxidbereichen sicher.
Vor dem thermischen Oxidieren zur Ausbildung von Feldoxid wird, wie bereits erwähnt, die Siliziumnitridschicht lokal entfernt, wofür mit Vorteil so vorgegangen wird, dass die Siliziumnitridschicht gerichtet (anisotrop) strukturiert und später mit Phosphorsäure (H3P04) abgeätzt wird. Das Abtragen der Siliziumnitridschicht erfolgt naturgemäss nur in denjenigen Bereichen, in welchen in der Folge Feldoxid ausgebildet werden soll.
Besonders gute Ergebnisse und reproduzierbare Isolationseigenschaften haben sich dadurch erzielen lassen, dass die Schichtdicke der Schicht aus polykristallinem Silizium dem 2 bis 8fachen, insbesondere dem etwa 5fachen der Schichtdicke der Siliziumdioxidschicht gewählt wird, wobei mit Vorteil die
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Schicht aus polykristallinem Silizium mit einer Schichtdicke kleiner 70 nm, vorzugsweise etwa 50 nm, gewählt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 ein mit einer Mehrzahl von Schichten überzogenes Halbleitersubstrat, Fig. 2 den schichtartigen Aufbau gemäss Fig. 1 mit einem freigeätzten Bereich, Fig. 3 den schichtartigen Aufbau gemäss Fig. 2 mit dem im freien Bereich entstandenen Feldoxid, Fig. 4 eine Draufsicht auf die verschiedenen auf dem Halbleitersubstrat realisierten Bereiche bei der Verfahrensweise nach dem Stand der Technik und Fig. 5 eine Draufsicht auf ein Halbleitersubstrat gemäss Fig. 4 unter Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Halbleitersubstrat aus monokristallinem Silizium dargestellt. In dem Silizium-Halbleitersubstrat l sind durch Dotierung aktivierte Bereiche 2 ersichtlich. Die Siliziumdioxidschicht 3 sowie die mit Stickstoff (N) dotierte Schicht aus polykristallinem Silizium 4 dienen der Aufnahme der zwischen dem Halbleitersubstrat 1 und der Siliziumnitridschicht 5 auftretenden Kräfte. Die erfindungsgemässe Verfahrensweise sieht hiebei vor, dass zuerst die Schicht aus polykristallinem Silizium durch Ionenimplantation mit Stickstoff dotiert wird und danach die Siliziumnitridschicht 5, welche als Schutzschicht während der nachfolgenden Verfahrensschritte dient, aufgebracht wird.
In Fig. 2 ist ersichtlich, dass die Siliziumnitridschicht 5 in einen Bereich 6 bis in den Bereich der polykristallinen Siliziumschicht 4 hinein abgetragen wurde. In diesem Bereich kann nun durch thermische Oxidation das in Fig. 3 mit 7 bezeichnete Feldoxid ausgebildet werden, welches die aktiven Bereiche 2 voneinander isolieren soll. Das Feldoxid 7 entsteht hiebei durch Oxidation des monokristallinen Siliziums 1 und teilweise Oxidation des polykristallinen Siliziums 4. Dadurch, dass die polykristalline Siliziumschicht 4 zur Gänze mit Stickstoff durch Ionenimplantation dotiert ist, wird eine grössere Ausbreitung des Feldoxides 7 in den aktiven Bereich 2 hinein verhindert und im
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Übergangsbereich 8 eine scharfe Grenze zwischen Feldoxid 7 und Halbleitersubstrat 1 erreicht.
In Fig. 4 ist ersichtlich, dass zwischen den Feldoxidbereichen 7 und dem aktiven Gebiet 2 bei einer Verfahrensweise nach dem Stand der Technik unscharfe Übergänge 9 und 10 auftreten. Ausserdem kommt es in diesen Bereichen 9 und 10 durch eine teilweise Oxidation des polykristallinen Siliziums und an den Randbereichen des aktiven Bereiches zu einer körnigen Oberflächenstruktur.
In Fig. 5 ist ersichtlich, dass die Grenzen zwischen aktivem Gebiet 2 und Isolationsgebiet, d. h. Feldoxid 7, bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens scharf sind, dass ausserdem die Oberfläche des aktiven Bereiches 2 keine körnige Struktur aufweist und zudem keine Reste sichtbar sind. Dadurch wird die Isolationswirkung des Feldoxides 7 deutlich verbessert und eine Oberfläche geschaffen, welche keine Defekte aufweist.