DE10154346A1 - Ausffüllen von Substratvertiefungen mit SiO ¶¶2¶¶ durch HDP-Gasphasenabscheidung unter Beteiligung von H¶¶2¶¶O¶¶2¶¶ oder H¶¶2¶¶O als Reaktionsgas - Google Patents

Ausffüllen von Substratvertiefungen mit SiO ¶¶2¶¶ durch HDP-Gasphasenabscheidung unter Beteiligung von H¶¶2¶¶O¶¶2¶¶ oder H¶¶2¶¶O als Reaktionsgas

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Abstract

Der Reaktionskammer wird ein erstes siliziumhaltiges Reaktionsgas und ein Sauerstoff-Prekursor als weiteres Reaktionsgas zugeführt und ein Plasma hoher Dichte, vorzugsweise oberhalb von 10·16· Ionen/m·3· erzeugt. Durch mindestens partielles Substituieren des normalerweise verwendeten Prekursors O¶2¶ wird H¶2¶O¶2¶ und/oder H¶2¶O der Reaktionskammer zugeführt, um die Sputtereffekte durch O¶2¶-Ionen während der Abscheidung weiter zu reduzieren, die zu unerwünschten Redepositionen des SiO¶2¶ an Seitenwänden der Vertiefung (25) führen.

Description

    Auffüllen von Substratvertiefungen mit SiO2 durch HDP- Gasphasenabscheidung unter Beteiligung von H2O2 oder H2O als Reaktionsgas
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Auffüllen einer in einem Substrat enthaltenen Vertiefung mit Siliziumoxid nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Bei der Herstellung von Halbleiter-(DRAM-)Speicherzellen, welche einen Grabenkondensator und einen Auswahltransistor aufweisen, wird der Grabenkondensator auf einer Seite mit dem Auswahltransistor durch eine vergrabene Leitungsbrücke ("buried strap") elektrisch leitend verbunden und auf der anderen Seite des Grabenkondensators wird ein Isolationsgebiet (STI, "shallow trench isolation") erzeugt, durch welches der Grabenkondensator von einer benachbarten Speicherzelle elektrisch isoliert wird. Die Erzeugung des STI-Isolationsgebiets erfolgt durch einen Strukturierungsschritt, bei welchem ein Oberflächenabschnitt entfernt wird, der durch einen Teilabschnitt des zuvor erzeugten Grabenkondensators gebildet wird. Nach der Entfernung dieses Oberflächenabschnitts wird die entstandene Vertiefung durch einen Isolator, in der Regel Siliziumdioxid (SiO2) aufgefüllt.
  • Bezüglich der Erzeugung von STI-Isolationsgebieten bei der Herstellung der genannten Speicherzellen wird beispielhaft auf die deutschen Offenlegungsschriften DE 199 41 148 A1 und DE 199 44 012 A1 verwiesen.
  • Die stetige Miniaturisierung mikroelektronischer und mikrotechnischer Bauelemente hat zur Folge, dass in deren Herstellungsprozeß Gräben und Vertiefungen mit immer größeren Aspektverhältnissen (= Tiefe/Durchmesser) auftreten. Im Falle der genannten STI-Isolationsgebiete werden derzeit bereits Aspektverhältnisse bis 3,5 erreicht. In zukünftigen Speicherzellen wird das STI-Isolationsgebiet nur noch eine Breite von weniger als 100 nm und ein Aspektverhältnis größer als 4, äußerstenfalls bis zu 8, aufweisen. Mit den heutigen Abscheideverfahren können derartige Vertiefungen jedoch nicht mehr lunkerfrei gefüllt werden. Lunker entstehen dadurch, dass sich SiO2-Material nicht nur am Boden der Vertiefung ablagert, sondern ebenso an deren Seitenwänden. Dies kann bewirken, dass aufgrund des hohen Aspektverhältnisses das an den Seitenwänden abgelagerte SiO2 zusammenwächst, bevor die Vertiefung von ihrem Boden her gefüllt ist. Bei einem späteren planaren Rückätzen, etwa durch einen CMP-Prozeß, können diese Lunker dann an der Oberfläche offengelegt und in unerwünschter Weise während der anschließenden Bildung des Gates des Auswahltransistors mit polykristallinem Silizium gefüllt werden, wodurch Kurzschlüsse entstehen können.
  • Es ist bekannt, bei der Abscheidung von SiO2 in einem HDP- CVD-Prozeß als Ausgangsgase SiH4-, O2- und Ar-Gas in einen HDP-Reaktor einzuleiten und in dem Reaktor in bekannter Weise ein Plasma hoher Dichte (> 1016 Ionen/m3) zu erzeugen. Während der Ablagerung der SiO2-Schicht am Boden der Vertiefung wird jedoch durch die Ionen des Plasmas, hauptsächlich die Ar-Ionen, ein Teil der aufwachsenden Schicht wieder weggesputtert. Es wird angenommen, dass die Deposition von SiO2 an den Seitenwänden der Vertiefung zum weitaus größten Teil auf der Redeposition dieses bereits aufgewachsenen und weggesputterten SiO2-Materials beruht. Durch die Sputterwirkung der Ionen kann wiederum auch das an den Seitenwänden redeponierte SiO2 zum Teil wieder entfernt werden.
  • Es besteht einerseits die Annahme, dass eine gewisse Sputterwirkung von Inertgas- oder anderen Ionen des Plasmas notwendig sei, um den Wachstumsprozeß von SiO2 aufrechtzuerhalten. Aus der Veröffentlichung "Modeling of SiO2 Deposition in High Density Plasma Reactors and Comparisons of Model Predictions with Experimental Measurements", Journal of Vacuum Science and Technology A 16(2), März/April 1998, S. 544ff. von E. Meeks et al. (im folgenden "Meeks" genannt) ist ein Modell über die bei der Abscheidung von SiO2 in einem HDP-CVD-Prozeß ablaufenden chemischen Reaktionen bekannt. Dieses Modell geht davon aus, dass sich in einem Hauptreaktionsweg zunächst SiHX an der Oberfläche der Struktur anlagert, wobei x für die Zahlen 2 und/oder 3 steht. Anschließend werden die Wasserstoffliganden teilweise oxidiert, so dass das Oberflächenmolekül SiG(OH)H2 entsteht, wobei G für ein Sauerstoffatom steht, welches zwei der Oberflächenmoleküle gemeinsam ist. Dieses Oberflächenmolekül ist chemisch inert, so dass an ihm nicht weitere SiHx-Moleküle angelagert werden können. Durch Beschuß von Ionen aus dem Plasma, insbesondere von Ar-Ionen, erfolgt eine chemische Aktivierung, so dass eine Anlagerung weiterer SiHx-Moleküle stattfinden kann. An diesen Hauptreaktionsweg knüpfen diverse Nebenreaktionswege und Umstrukturierungsprozesse an, die im Bereich der Oberfläche zur endgültigen Bildung von SiO2 führen.
  • Dieser Annahme folgend wird in der US-PS-6,030,881 (Novellus, IBM) ein HDP-Abscheideverfahren von SiO2 zum Auffüllen von Vertiefungen mit hohem Aspektverhältnis beschrieben, bei welchem eine alternierende Sequenz von zwei Verfahrensschritten mit unterschiedlichem Depositions-/Sputter-Verhältnis eingesetzt wird. Als erstes wird somit ein Verfahrensschritt hoher Depositionsrate und niedriger Sputterrate eingesetzt, um die Vertiefung soweit mit SiO2 zu füllen, dass ihre Seitenwände an ihrem oberen Rand durch den beschriebenen Redepositionseffekt schon fast zusammengewachsen sind. Danach kommt der zweite Verfahrensschritt zum Einsatz, welcher eine niedrige Depositionsrate und eine hohe Sputterrate aufweist, um in erster Linie das an den Seitenwänden redeponierte SiO2 mindestens teilweise wieder zu entfernen. Für die Durchführung des zweiten Verfahrensschritts kann beispielsweise die Zufuhr von Argon erhöht werden. Anschließend kann wieder der erste Verfahrensschritt zum Einsatz kommen, um die Vertiefung weiter aufzufüllen. Die beiden Verfahrensschritte werden so oft wie erforderlich aufeinander folgend durchgeführt, bis die Vertiefung lunkerfrei aufgefüllt ist. Da jedoch durch den zweiten Verfahrensschritt auch das am Boden der Vertiefung deponierte SiO2 teilweise wieder entfernt wird, ist dieses Verfahren relativ langwierig und kostenintensiv.
  • Gemäß der US-PS-5,872,058 (Novellus) sollen dagegen die Sputtereffekte in einem derartigen HDP-Abscheidungsprozeß nach Möglichkeit unterdrückt werden, indem der Anteil des Inertgases an dem Gesamtfluß der Prozeßgase in den Reaktor drastisch reduziert wird. Während bei den bis dahin bekannten HDP- Prozessen die Argon-Flußrate 30-60% der Gesamtflußrate der Reaktionsgase betrug, wird vorgeschlagen, die Argon-Flußrate auf 0-13% an der Gesamtflußrate zu begrenzen. Insbesondere wird demzufolge also auch ein Ar-freier Prozeß als gangbare Möglichkeit erachtet. Auch in diesem Fall wird allerdings der Abscheidungsprozeß durch die im Plasma vorhandenen O2-Ionen noch weiterhin durch Sputtereffekte beeinflußt, worauf in dieser Druckschrift auch explizit hingewiesen wird.
  • Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Auffüllen von Vertiefungen mit SiO2 anzugeben, mit welchem auch Vertiefungen mit hohem Aspektverhältnis lunkerfrei gefüllt werden können.
  • Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die Erfindung geht zunächst davon aus, dass Sputtereffekte bei der HDP-Gasphasenabscheidung für das Schichtwachstum von SiO2 prinzipiell nicht notwendig sind und dass demzufolge, insbesondere im Sinne einer Verhinderung der Redeposition von weggesputtertem SiO2 an den Seitenwänden einer mit SiO2 aufzufüllenden Vertiefung, derartige Sputtereffekte nach Möglichkeit weiter reduziert werden sollten.
  • Wie in der bereits genannten US-PS-5,872,058 festgestellt wurde, sind auch in einem Ar-freien Prozeß noch Sputtereffekte durch die O2-Ionen vorhanden.
  • Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt darin, O2 als Sauerstoff lieferndes Reaktionsgas in einem HDP- Abscheidungsprozeß mindestens partiell durch ein anderes Sauerstoff enthaltendes Reaktionsgas, nämlich H2O2 und/oder H2O zu ersetzen und dieses Reaktionsgas der HDP-Reaktionskammer zuzuführen, so dass die Bildung von O2-Ionen reduziert werden kann. Erfindungsgemäß wird also der Sauerstoff-Prekursor O2 durch den Sauerstoff-Prekursor H2O2 und/oder H2O ersetzt. Dies kann soweit gehen, dass das Reaktionsgas O2 gänzlich durch H2O2 und/oder H2O ersetzt wird, wobei dann entweder nur H2O2 oder nur H2O oder ein Gemisch aus diesen beiden Reaktionsgasen in der Reaktionskammer gebildet wird. Es kann jedoch O2 zum Teil noch vorhanden und zum anderen Teil durch H2O2 und/oder H2O ersetzt sein, so daß eine Variante darin besteht, ein Reaktionsgasgemisch aus O2, H2O2 und H2O in der Reaktionskammer zu bilden.
  • Der Reaktionskammer wird in jedem Fall ein erstes siliziumhaltiges Reaktionsgas zugeführt, welches beispielsweise durch Silan (SiH4) gebildet sein kann.
  • Ein Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ferner, dass eine HDP-(high density plasma)Gasphasenabscheidung durchgeführt wird. Dieses Verfahren ist an sich im Stand der Technik bekannt. Es können hierfür zur näheren Charakterisierung beispielsweise die in der DE 199 04 311 A1 enthaltenen Angaben herangezogen werden, die hiermit in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird. Ein HDP-Reaktor zur Erzeugung eines hochdichten Plasmas umfaßt demgemäß eine zentrale Kammer, in der Halbleiter- oder Isolatorsubstrate auf einem Boot sitzen, das die Substrate nicht beeinträchtigt oder irgendwelche Verunreinigungen in die Substrate einführt.
  • Die zentrale Kammer besteht aus einem Material, das Drücken um 1 mTorr oder weniger widerstehen kann, bei derartigen Drücken minimal ausgast und zu keinen Verunreinigungen Anlaß gibt, die in das Innere der Kammer oder in die Substrate oder in einen darauf befindlichen Dünnfilm eindringen. Die zentrale Kammer arbeitet bei einem Betriebsdruck, der sehr viel niedriger als bei üblichen Kammern für chemische Abscheidung aus der Gasphase oder plasmagestützte chemische Abscheidung aus der Gasphase ist. Der Druck innerhalb der Kammer beträgt vorzugsweise etwa 5 mTorr, während bei der plasmagestützten chemischen Abscheidung aus der Gasphase (PECVD) typischerweise ein Druck von etwa 2 Torr verwendet wird. Die Plasmadichte innerhalb der Kammer ist viel höher als bei der normalen chemischen Abscheidung aus der Gasphase, selbst wenn sie plasmagestützt ist, und liegt vorzugsweise über 1016 Ionen/m3, vorzugsweise im Bereich von 1016 bis 1022 und insbesondere im Bereich von 1017 bis 1019 Ionen/m3. Die Plasmadichte könnte aber auch noch höher sein. Im Vergleich hierzu liegt beim typischen Betriebsdruck einer Kammer zur plasmagestützten chemischen Abscheidung aus der Gasphase (PECVD) die Plasmadichte im Bereich von 1014 bis 1016 Ionen/m3.
  • Die HDP-Abscheidung kann beim erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise bei Drücken von ca. 1-20 mTorr durchgeführt werden und die Substrattemperatur kann in einem Bereich zwischen 200°C-750°C, vorzugsweise 600°C-750°C, geregelt werden.
  • Es wird erwartet, dass im Vergleich mit dem Ar-freien Prozeß die Sputterrate nochmals um ca. 50% gesenkt werden kann. Nach einer vollständigen Substitution von O2 verbleibt lediglich noch die Sputterwirkung der SiHx +-Ionen.
  • Für den Fall, dass entsprechend dem eingangs beschriebenen Modell von Meeks Sputtereffekte in einem bestimmten, wenn auch geringen Ausmaß notwendig für das SiO2-Schichtwachstum sind, kann auch vorgesehen sein, dass wie bei den bisher bekannten Verfahren ein Inertgas wie Argon oder Helium in geringen Mengen der Reaktionskammer zugeführt wird.
  • Gewünschtenfalls können noch zusätzlich passivierende Stoffe bzw. atomare und/oder molekulare Teilchen bereitgestellt werden, die die Oberfläche der Struktur zeitweise gegen eine Anlagerung des Füllmaterials und/oder eines Prekursors des Füllmaterials passivieren können. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei der Abscheidung des Füllmaterials aus der Gasphase zeitweilig eine derartige Passivierung auftreten kann, die wiederum durch den Beschuß mit Ionen aus dem Plasma beseitigt werden kann. Als ein Passivierungsgas kann beispielsweise Wasserstoff (H2) der Reaktionskammer zugeführt werden.
  • Wie bereits in der erwähnten DE 199 04 311 A1 beschrieben wurde, kann ferner eine zusätzliche Kohlenstoffdotierung der in die Vertiefung eingebrachten SiO2-Füllung vorgesehen sein, um zu niedrigeren Dielektrizitätszahlen zu gelangen. Zu diesem Zweck kann als erstes oder weiteres Reaktionsgas ein kohlenstoffhaltiges Reaktionsgas, insbesondere eines oder mehrere Reaktionsgase aus der Gruppe Methan, Tetraethylorthosilikat (TEOS), Methyltrimethoxysilan (MTMS) oder Phenyltrimethoxysilan (PTMS) verwendet werden.
  • Eine weitere optionale Maßnahme betrifft insbesondere solche Prozesse wie den bereits genannten STI-Herstellungsprozess, bei denen der Substratwafer nicht von der Rückseite gekühlt werden muß. Die Wafertemperatur bei diesen Prozessen ergibt sich durch eine Aufheizung aus dem Plasma und dem Ionenstrom zum Wafer, also als Funktion des Druckes, der eingekoppelten Leistung (HF und LF) und der Partialdrücke der einfliessenden Gase einerseits und durch eine Abkühlung via Strahlung und Kühlung durch den unterliegenden Chuck andererseits. Beim STI-Prozeß lässt sich dabei ein Temperaturbereich von ca. 500-650°C erschliessen. Man kann jedoch bei Parameterveränderungen beobachten, dass sich das Auffüllverhalten mit steigender Temperatur weiter verbessert, d. h. es ist wünschenswert, eine noch höhere Prozeßtemperatur als 650°C zur Verfügung zu stellen. Dies kann beispielsweise durch einen elektrisch geheizten Chuck erreicht werden, der beispielsweise über ein keramisches Heizelement auf Temperaturen über 650°C gebracht werden kann.
  • Im folgenden ist lediglich zur Illustration ein Ausführungsbeispiel anhand der Figuren dargestellt. Es zeigen:
  • Fig. 1 ein Zwischenstadium beim Auffüllen einer Substratvertiefung;
  • Fig. 2 ein Endstadium beim Auffüllen der Substratvertiefung.
  • Fig. 1 zeigt ein Substrat 28 mit einem Graben 25, der sich senkrecht zur Bildebene erstreckt. Der Graben 25 kann beispielsweise für ein STI-Isolationsgebiet zwischen benachbarten, in dem Substrat 28 ausgebildeten Speicherzellen sein. Der Graben 25, der ein Aspektverhältnis von ca. 4 aufweist, ist bereits vom Boden 26 her mit SiO2-Füllmaterial 30 teilweise aufgefüllt worden. Auch an den Seitenwänden 27 des Grabens 25 ist SiO2 30 deponiert worden. Weiterhin hat auch außerhalb des Grabens 25 eine Deponierung von SiO2 30 stattgefunden.
  • Es wird erwartet, dass wie in Fig. 2 zu sehen ist, infolge der weitgehenden Unterdrückung der Sputtereffekte mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Redeposition des SiO2 an den Seitenwänden so reduziert werden kann, dass die Vertiefung 25 lunkerfrei gefüllt werden kann.

Claims (12)

1. Verfahren zum Auffüllen einer in einem Substrat enthaltenen Vertiefung mit SiO2, bei welchem
einer das Substrat enthaltenden Reaktionskammer ein erstes siliziumhaltiges Reaktionsgas sowie ein oder mehrere weitere Reaktionsgase zugeführt werden, und
eine chemische Abscheidung aus der Gasphase durch ein HDP- Verfahren vorgenommen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass in den weiteren Reaktionsgasen H2O2 und/oder H2O enthalten ist/sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmadichte oberhalb von 1016 Ionen/m3 liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmadichte im Bereich von 1016 bis 1022 Ionen/m3 liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmadichte im Bereich von 1017 bis 1019 Ionen/m3 liegt.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als weiteres Reaktionsgas O2 verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gemisch aus H2O2, H2O und O2 als eines der weiteren Reaktionsgase verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als weiteres Reaktionsgas ein Inertgas, insbesondere Ar und/oder He, verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Reaktionsgas Silan verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes oder weiteres Reaktionsgas ein kohlenstoffhaltiges Reaktionsgas, insbesondere eines oder mehrere aus der Gruppe Methan, Tetraethylorthosilikat (TEOS), Methyltrimethoxysilan (MTMS) oder Phenyltrimethoxysilan (PTMS) verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als weiteres Reaktionsgas ein Passivierungsgas, insbesondere Wasserstoff, verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat während der Abscheidung mittels einer Heizquelle erhitzt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizquelle durch einen elektrisch geheizten Chuck gebildet wird.
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