DD286457A5 - Verfahren zum auffuellen von trenchstrukturen in halbleitersubstratscheiben - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auffuellen von Trenchstrukturen in Halbleitersubstratscheiben mit aus einer Gasphase abzuscheidenden Poly-Silicium, im Rahmen von VLSI-Technologien zur lateralen Isolation oertlich begrenzter Flaechenbereiche oder der Realisierung von Kondensatorelementen, wobei bei Gewaehrleistung einer hohen Wachstumsrate des aufzufuellenden Materials und der Vermeidung von Hohlraeumen im, die Trenchstruktur ausfuellenden Material das Verfahren in nur einer Normaldruck-CVD-Anlage durchfuehrbar ist, da eine Homogenisierung des Kristallitwachstumsprozesses und damit des abzuscheidenden Poly-Siliciummaterials waehrend des Abscheideprozesses an der Oberflaeche der Substratscheibe und in der Trenchstruktur realisierbar ist. Erreicht wird dies dadurch, dasz nach Ausbildung der dielektrisch isolierenden Beschichtung der zu realisierenden Flaechenelemente des Halbleitermaterials, dieses einem Normaldruck CVD-Abscheideprozesz ausgesetzt wird und der Schichtquellensubstanz ein chemisch reaktiver, gasfoermiger Stoff zugesetzt wird.{Trenchstrukturen; Auffuellen; Poly-Silicium; laterale Isolation; hohe Wachstumsrate; Hohlraeume; dielektrisch isolierende Beschichtung; Normaldruck-CVD-Anlage; Kristallitgroesze; Schichtquellensubstanz}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auffüllen von Trenchstrukturen in Halbleitersubstratscheiben mit aus einer Gasphase abzuscheidenden Poly-Silicium im Rahmen ν η VLSI-Tochnologien zur Herstellung von Halbleiterbauelementen höchster Packungsdichte, welches der lateralen Isolation örtlich begrenzter Flächenbereiche oder der Realisierung von Kondensatorelementen dient.

Charakteristik dor bekannten technischen Lösungen

Das Auffüllen schmaler, tiefer Trenchs im Halbleitersubstratmatarial mit Poly-Sjliciummaterial ist zumeist mit der Ausbildung einer thermischen Oxidschicht an den Wandflächen der Trenchs verbunden. Diese Trenchstrukturen werden danach, nach zwei bisher bekanntgewordenen Verfahrensvarianten mit Poly-Siliciummaterial aufgefüllt.

Einer Verfahrensvariante entsprechend erfolgt das Auffüllen der Trenchs durch LPCVD-Poly-Siliciumabscheidung. Einer weiteren Verfahrensvariante entsprechend, erfolgt das Auffüllen der Trenchs durch eine LPCVD-Poly-Silicium-Keimschichtabscheldung an den mit einem thermischen Oxid vercehenen Wandiläcrmn der Trenchs und nach Ausbildung der Keimschicht eine Poly-Siiiciumabscheidung in einem Normaldruck-CVD-Verfahren. Die Anwendung beider Verfahrensvarianten sichert die Abscheidung sowohl von hochohmigem, als auch von niederohmigem Polysiliciummaterial. Letzteres verlangt die In-situ-Abscheidung von Dotandenelementen wie Arsen, Phosphor oder Bor in bekannter Weise. Die Schwierigkeit beim Auffüllen der Trenchs im Rahmen von CVD-Prozessen besteht im Auftreten von Hohlräumen im Trench infolge nicht konformer Schichtwachstumsraten innerhalb und außerhalb der Trenchstrukturen über den gesamten Prozeßverlauf. Es zeigt sich, daß die Ausbildung der Poly-Siliciumschicht auf der Oberfläche der dielektrisch isolierten Halbleitersubstratscheibe im Prozeßverhuf schneller ausgebildet wird als in der dielektrisch isolierten Trenchstruktur selbst, in der bei zunehmender Trenchtiefe eine abnehmende Schichtdicke zu verzeichnen ist. Bedingt ist dies durch im Prozeßverlauf auftretende unterschiedliche Abscheidebedingungen für die Poly-Silisiumschichtbildung zwischen Oberfläche und Trench. Diese Gefahr besteht insbesondere bei der LPCVD-Poly-Siliciumabscheidung, wenn die Schichtwachstumsrate nicht niedrig genug gewählt wird. Die Wahl niedriger Schichtwachstumsraten in diesem CVD-Prozeß mino jrt die Gefahr der Ausbildung von Hohlräumen im Poly-Siliciummaterial, damit ist das vollständige Auffüllen der Trenchs mittels dieser Verfahrensvariante mit einer großen Zeitdauer verbunden. Die Verfahrensvariante des Auffüllens der Trenchs mittels LPCVD-Poly-Silicium-Keimschichtabscheidung und nachfolgender Normaldruck-Poly-Siliciumabscheidung weist gegenüber der LPCVD-Poly-Siliciumabscheidung eine etwa 1Ofach größere Schichtwachstumsrate auf. Bei geeigneter Vorfahrensführung dieses zweistufigen Abscheideprozesses erfolgt ein im wesentlichen konformes Poly-Siliciumschichtwachstum beim Auffüllen der Trenchs. An den mit thermischem Oxid versehenen Wandflächen det Trenchs und auf der mit thermischem Oxid versehenen Oberfläche der Halbleitersubstratscheibe wird zunächst eine Keimschicht mit einer sehr niedrigen Schichtwaciistumsrate abgeschieden. Auf Grund dieser Keimschichtbildung, die durch die niedrige Schichtwachstumsrate eine homogene Bekeimung des gesamten zu beschichtenden Flächenbereiches ermöglicht, kann der nächste Verfahrensschritt, die Normaldruck-CVD-Poly-Siliciumabscheidung, ehe sehr hohe Schichtwachstumsrate aufweisend, durchgeführt werden. Jedoch besitzt diese Verfahrensvariante den Nachteil der Notwendigkeit einer Verfahrensführung in zwei getrennter' Anlagen, einer LPCVD-Anlage und einer APCVD-Anlage.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Auffüllen von Trenchstrukturen in Halbleitersubstratscheiben anzugeben, das bei Gewährleistung einer hohen Wachstumsrate des auffüllenden Materials und der Vermeidung der Entstehung von Hohlräumen im die Trenchstruktur ausfüllenden Material in einem Verfahrensschritt durchführbar ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Auffüllen von Trenchstrukturen in Halbleiiersubstratscheiben anzugeben, das bei Gewährleistung einer hohen Wachstumsrate des abzuscheidenden Materials eine Homogenisierung der Wachstumsrate über den gesamten zu beschichtenden Flächenbereich des mit der Trenchstruktur versehenen Haibleitersubstratmaterials in einem Abscheideprozeß ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Auffüllen von mit einer dielektrisch isolierten Schicht versehenen Trenchstrukturen, die in Halbleitersubstratscheiben eingebracht sind und durch die ^eisetzungsreaktion einer Schichtquellensubstanz mit Poly-Silicium aufgefüllt werden, erfindungsgemäß dadurch gelöst, da..> die mit den Trenchstrukturen versehenen Halbleitersubstratscheiben nach Ausbildung der dielektrisch isolierenden Beschichtung der zu beschichtenden Flächenbereiche einem Normaldruck-CVD-Abscheideprozeß ausgesetzt werden und dabei der Schichtquellensubstanz ein hinsichtlich des Poly-Siliciums chemisch reaktiver, gasförmiger Stoff, insbesondere CO₂ oder N₂O, mit einem Anteil von 0,1-1 zugesetzt wird.

Die Erfindung wird vorteilhaft dadurch ausgestaltet, daß der gasförmige Stoff nur zu Beginn der Poly-Siliciumabscheidung zugesetzt wird und die Abscheidetemperatur während der Zugabe des gasförmigen Stoffes abgesenkt ist.

Ausfuhrungsbeispiel Die Erfindung soll anhand einer Ausführungsbeispielsbeschreibung näher erläutert werden.

Auf einem Halbleitersiliciumsubstrat, auf dem mittels eines Ätzprozesses eine Trenchstruktur ausgebildet ist, deren Gräben ca. 1-4Mm breit und 3-9pm tief sind, wird nachfolgend einem Oxidationsprozeß unterzogen. Die dabei ausgebildete thermische Oxidschicht, eine Schichtdicke von etwa 30-200pm aufweisend, bedeckt die Wandflächen der Trenchstruktur und die verbleibenden Flächenbereiche der Halbleitersubstratscheibe. Die derart präparierte Halbleitersiliciumscheibe wird in eine CVD-Normaldruckanlage eingegeben. Die. Bearbeitung dieser mit Trenchstrukturen versehenen Halbleitersubstratscheiben erfolgt dabei in einen luftgekühlten Rechteckrohrreaktor mit einer horizontalen Anordnung der Siliciumscheiben. Dabei werden die Siliciumsche'bsn liegend auf einem karbidisierten Brettheize.- aus Graphit angeordnet. Nach dem Einbringen der Substratscheiben in den Rohrreaktor werden diese einer Vorheizung unterzogen. Dazu wird dem Reaktor Wasserstoff zugeführt, der den Reaktor mit einer linearen Strömungsgeschwindigkeit von ca. 43cm/s durchströmt. Der Feuchtigkeitsgehalt und Sauerstoffanteil des Wasserstoffgases ist dabei 3 ppm. Nach Abschluß dieser Temperung der Substratscheiben, die dabei Temperaturen von ca. 115O⁰C erreichen, erfolgt die Einspeisung der Schichtquellensubstanz, zumeist ein Silan-Chlorwasserstoff-Gemisch. Dieser wird mit einem Anteil von 50% bezüglich der Schichtquellensubstanz ein gasförmiger Stoff zugesetzt. Im Falle einer die Wandflächen der Trenchstrukturen bedeckenden thermischen Oxidschicht wird der Schichtquellensubstanz ein Stickoxid, N]O oder Kohlendioxid CO] beigegeben. Die Zugabe eines dieser Stoffe zur Schichtquellensubstanz nach dem Abschluß des Temperprozesses sichert eine homogen j Bekeimung der zu beschichtenden dielektrischen Flächen der Trenchstrukturen durch den Normaldruck-CVD-Poly-Silicium-Abscheideprozeß, der bei etwa 1000⁰C durchgeführt wird.

Als zuzusetzende gasförmige Stoffe eignen sich dabei prinzipiell jene, die für die reaktive Gerinnung von siliciumhaltigen Dielektrika geeignet sind und durch chemische Wechselwirkung mit der Schichtquellensubstanz eine Homogenisierung des Kristallitwachstumsprozesses ermöglichen.

Das Zugeben des gasförmigen Stoffes N₂O oder CO₂ zur Schichtquellensubsianz erfolgt zumindest in der Anfangsphase des Schichtabscheideprozesses, bis die Bekeimung der zu beschichtenden dielektrischen Flächen dor Trenchstrukturen abgeschlossen ist.

Claims (3)

1. Verfahren zum Auffüllen von mit einer dielektrisch isolierten Schicht versehenen Trenchstrukturen, die in Halbleitersubstratscheiben eingebracht sind und durch die Zersetzungsreaktion einer Schichtquellensubstanz mit Poly-Silicium aufgefüllt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Trenchstrukturen versehenen Halbleitersubstratscheiben nach Ausbildung der dielektrisch isolierenden Beschichtung der zu beschichtenden Flächenbereiche einem Normaldruck CVD-Abscheideprozeß ausgesetzt werden und dabei der Schichtquellensubstanz ein hinsichtlich des Poly-Siliciums chemisch reaktiver, gasförmiger Stoff, insbesondere CO2, NO₂ odor N₂O, in einem Verhältnis zur Schichtquellensubstanz von 0,1-1, zugesetzt wird.

2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige Stoff nur zu Beginn der Poly-Silicium-Abscheidung zugesetzt wird.

3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidetemperatur während der Zugabe des gasförmigen Stoffes abgesenkt ist.