DE102004042459B3

DE102004042459B3 - Verfahren zur Herstellung einer Grabenisolationsstruktur mit hohem Aspektverhältnis

Info

Publication number: DE102004042459B3
Application number: DE102004042459A
Authority: DE
Inventors: Uwe Wellhausen
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2024-09-01
Also published as: US20060051931A1; US7393756B2

Abstract

Die Aufgabe der Erfindung, Schwächen und Risiken des SelOx-Prozesses bei der Nutzung zur Auffüllung von Isolationsgräben mit sehr hohen Aspektverhältnissen zu beseitigen und insbesondere ein Verfahren zum Auffüllen eines Isolationsgrabens mit einem selektiv aufwachsenden Oxid aufzuzeigen, bei dem die AA-Oxidation vor der Grabenfüllung erfolgen kann und bei dem das SelOx wie ein fließfähiges Material tatsächlich vom Boden zur Oberkante hin aufwächst, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Ausbildung einer Oxidschicht in dem Graben nach dem Ätzen desselben erfolgt, danach das Siliziumsubstrat am Boden des Isolationsgrabens durch einen Ätzschritt freigelegt wird und anschließend das selektive Aufwachsen von Siliziumoxid auf dem am Grabenboden freiliegenden Silizium vom Boden zur Oberkante des Graben hin erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung von Isolationsstrukturen bei der Herstellung von HL-Bauelementen auf Wafern und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Grabenisolationsstruktur mit hohem Aspektverhältnis in einem Siliziumsubstrat, bei dem der in das Siliziumsubstrat geätzte Graben mit einem selektiv auf Silizium aufwachsenden Oxid gefüllt wird. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Grabenisolation von DRAM-Speicherzellen auf einem Wafer.

Im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung in der Halbleitertechnologie erhöht sich ständig die Packungsdichte von Bauelementen in integrierten Schaltungen. Um unerwünschte Wechselwirkungen zwischen den Bauelementen zu vermeiden, ist die Qualität der Isolation der Bauelemente untereinander ein wichtiger Aspekt der Prozessentwicklung.

Neben der klassischen LOCOS-Technik (Local Oxidation of Silicon) wurde für hochintegrierte Halbleiterbausteine die STI-Technologie (Shallow Trench Isolation) entwickelt, bei der Gräben in das Substrat geätzt werden und diese mit dielektrischem Material aufgefüllt werden. STI-Strukturen werden typischerweise in der MOS- und CMOS-Technologie genutzt, um eine Isolation zwischen benachbarten Bauelementen bereitzustellen.

Mit zunehmender Packungsdichte vermindert sich auch die Breite dieser Isolationsgräben und deren Aspektverhältnis (Verhältnis von Höhe zu Breite) nimmt zu. Infolgedessen wird das Füllen der Isolationsgräben schwieriger, es können sich Hohlräume in dem isolierenden Füllmaterial ergeben, wodurch sich deren Isolationseigenschaft verschlechtert und damit die Ausbeute und Qualität der Produkte beeinträchtigt.

Als Verfahren zum Auffüllen von Isolationsgräben mit hohem Aspektverhältnis (bis etwa 3:1) ist die Abscheidung von Siliziumoxid mit Hilfe eines HDP-CVD-Prozesses (chemische Gasphasenabscheidung mit hochdichtem Plasma) bekannt. Durch die hohe Plasmadichte weist dieser Prozess neben der Abscheidung auch eine Sputterkomponente auf, wodurch bei guter Einstellung des Abscheidungs/Sputter-Verhältnisses dichte Isolationsschichten erzielt werden können. Es sind zahlreiche Modifikationen dieses Verfahrens zur Erzielung einer dichten Füllung bekannt ( US 2002 187 655 u.a.). Beim Übergang zur Sub-100 nm-Technologie bereitet dieses Verfahren dennoch zunehmend Schwierigkeiten hinsichtlich der hohlraum- und nahtfreien Auffüllung der Isolationsgräben.

Eine andere Möglichkeit der Isolation besteht in der Realisierung des Füllprozesses mit fließfähigen Materialien wie beispielsweise aufschleuderbarem Glas (SOG, Spin-On Glass). Nachteile dieses Verfahrens sind eine auftretende Schrumpfung des Füllmatrials sowie eine erforderliche aufwendige Nachbehandlung (Verdichten, Ausbacken, Ausheilen usw.).

Als Alternative zum Auffüllen von Isolationsgräben mit sehr hohem Aspektverhältnis im Zuge der 70-nm-Entwicklung bietet sich das so genannte SelOx-Verfahren an, welches auf einem selektiven Aufwachsprozess von Siliziumoxid und -nitrid beruht. Dieses ist aus der Schrift "SelOx – A Simple Shallow Trench Isolation for 0.25μ Design Rules and below", Siemens Development Report 11/1998 bekannt, welche den nächstliegenden Stand der Technik darstellt. Eine Weiterbildung dieses Verfahrens ist auch in der EP 1 178 528 beschrieben.

Aus der Druckschrift US 6,677,197 B2 ist ein Verfahren zur Ausbilding eines Grabens für einen Grabenkondensator in einer DT-DRAM-Speicherzelle beschrieben, das u.a. einen gerichteten Implantationsschritt beinhaltet, um das Material im Hinblick auf einen nachfolgenden Ätzschritt gezielt unterschiedlich zu konditionieren. Die Implantation dient hier nicht der Vorbereitung einer SelOx-Abscheidung.

In dem Dokument DE 101 43 997 A1 ist ein SelOx-Prozess zur selektiven Bedeckung von Seitenwänden in Gräben mit hohem Aspektverhältnis zum Verschluss von Hohlräumen beschrieben.

Das SelOx-Verfahren zur Auffüllung von STI-Gräben zeigt sehr gute Fülleigenschaften. Den Vorteilen stehen jedoch auch drei grundsätzliche Nachteile oder Probleme gegenüber: (a) nach dem Ausbilden der Isolationsgräben liegt in diesen sowohl am Boden als auch an den Wänden Silizium frei. Daher wächst das selektive Oxid nicht nur ausgehend vom Grabenboden sondern auch von den Seitenwänden des Grabens auf. Dadurch kann sich eine Naht bilden und an den Grenzen zwischen Padnitrid und Silizium ragt das SelOx über den späteren Isolationsgraben nach oben hinaus, woraus Probleme in der weiteren Prozessführung auf Grund eines unterschiedlichen und schwer zu kontrollierenden Ätzverhaltens resultieren. (b) Kommen die Isolationsgräben zur Isolation von beispielsweise DT-DRAM-Speicherzellen mit in „tiefen Gräben" (engl. Deep Trench – DT) ausgebildeten Grabenkondensatoren zur Anwendung, so wird an jenen Stellen, an denen der Isolationsgraben den Grabenkondensator schneidet, der Oxidkragen, das so genannte Collar-Oxid, an den oberen Wandbereichen der Grabenkondensatoren angeschnitten. Somit liegt an diesen Stellen nicht Silizium sondern Siliziumdioxid frei, auf welchem das SelOx ein gehemmtes Wachstum zeigt und im weiteren Wachstumsverlauf zur Hohlraumbildung neigt. (c) Da der Isolationsgraben direkt nach der standardmäßigen RIE-Ätzung (reaktive Ionenätzung) an der Oberfläche stark geschädigt ist, wird herkömmlicherweise vor der Auffüllung des Grabens mit Oxid ein thermischer Oxidationsschritt zum Ausheilen bzw. der Beseitigung dieser Schäden, insbesondere im Hinblick auf ein gutes Leck- und Speicherverhalten der Bauelemente vorgesehen. Da für das Se-lOx-verfahren aber freiliegendes Silizium benötigt wird, erfolgt diese so genannte AA-Oxidation (Oxidation der Seitenwände des STI-Grabens) bisher nach dem Auffüllen des Grabens, was aber Risiken bezüglich Schichtverspannungen und der Qualität des Oxids mit sich bringt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, Schwächen und Risiken des SelOx-Prozesses bei der Nutzung zur Auffüllung von Isolationsgräben mit sehr hohen Aspektverhältnissen zu beseitigen. Insbesondere soll ein Verfahren zum Auffüllen eines Isolati onsgrabens mit einem selektiv aufwachsenden Oxid aufgezeigt werden, bei dem die AA-Oxidation wie bei den früheren HDP-Prozessen vor der Grabenfüllung und damit an der für die Leistungsfähigkeit der Bauelemente optimalen Stelle des Prozessablaufs erfolgen kann. Ferner wird ein Verfahren gesucht, bei dem das SelOx wie ein fließfähiges Material tatsächlich vom Boden zur Oberkante hin aufwächst. Darüber hinaus soll eine Hohlraumbildung am Anschnitt des Collar-Oxids im Grabenkondensator sowie am Anschnitt des so genannten Straps (Verbindung zwischen Drain/Source-Übergang und Speicherknotenelektrode) verhindert werden.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Ausbildung einer Oxidschicht in dem Graben nach dem Ätzen desselben erfolgt, danach das Siliziumsubstrat am Boden des Isolationsgrabens durch einen Ätzschritt freigelegt wird und anschließend das selektive Aufwachsen von Siliziumoxid auf dem am Grabenboden freiliegenden Silizium vom Boden zur Oberkante des Grabens hin erfolgt.

Die Oxidschicht wird vorzugsweise durch thermische Oxidation ausgebildet.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann nach Ausbilden der Oxidschicht auf dieser eine die Selektivität des Aufwachsprozesses erhöhende Zwischenschicht, beispielsweise aus Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid, welches durch einen ALD-Prozess aufgebracht werden kann, in dem Graben abgeschieden werden, wobei diese Zwischenschicht in dem nachfolgenden Ätzschritt zur Öffnung des Grabenbodens an diesem zusammen mit der Oxidschicht entfernt wird.

Das Freilegen des Siliziumsubstrats am Boden des Isolationsgrabens erfolgt dabei vorzugsweise durch einen anisotropen RIE(reaktives Ionenätzen)-Ätzschritt.

Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt vor oder nach dem Öffnen des Grabenbodens und vor dem Auffüllen des Grabens mit selektiv aufwachsendem Siliziumoxid eine Implantation einer für eine Oberflächenkonditionierung geeigneten Spezies (z. B. Silizium) in den Boden des Grabens.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass nach dem Freilegen des Siliziums am Grabenboden und gegebenenfalls dem Implantationsschritt und vor dem Auffüllen des Grabens ein Ausheilungs- und Reinigungsschritt bzw. ein leichtes Überätzen erfolgt.

Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausführungsform eignet sich das Verfahren für die Grabenisolation von DRAM-Speicherzellen auf einem Wafer, wobei es folgende Schritte umfasst: Ätzen von Isolationsgräben mit hohem Aspektverhältnis durch einen RIE-Schritt; thermische Oxidation; optional Abscheiden einer die Selektivität des Aufwachsprozesses erhöhenden Zwischenschicht auf dem Oxid; Öffnen des Grabenbodens durch einen anisotropen RIE-Ätzschritt; Implantation von Silizium oder einer anderen zur Oberflächenkonditionierung geeigneten Spezies in den Grabenboden; selektives Aufwachsen von Siliziumoxid auf dem am Grabenboden freiliegenden Silizium vom Boden zur Oberkante des Grabens hin.

Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung sind der folgenden detaillierten Beschreibung sowie den anliegenden Zeichnungen zu entnehmen, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Bestandteile bezeichnen.

Es zeigen:

1 eine Schnittansicht eines in ein Siliziumsubstrat geätzten Isolationsgrabens, in welchem Zwischenschichten abgeschieden sind;

2 eine Schnittansicht des Isolationsgrabens aus 1, bei dem erfindungsgemäß die Zwischenschichten am Boden entfernt wurden, so dass am Grabenboden Silizium freiliegt;

3 eine Schnittansicht des Isolationsgrabens aus 1 entlang einer den Grabenkondensator einer DT-DRAM-Zelle schneidenden Schnittlinie, mit erfindungsgemäßer Implantation in den Boden des Grabens;

4 das erfindungsgemäße Aufwachsen von Siliziumoxid vom Boden des Grabens zur Oberkante desselben hin.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens soll nun anhand der 1 bis 4 erläutert werden.

In 1 ist ein Schnitt durch einen in das Siliziumsubstrat 1 geätzten Isolationsgraben 2 mit hohem Aspektverhältnis (Verhältnis von Tiefe zu Breite) gezeigt. Das Ätzen des Grabens erfolgt üblicherweise durch einen RIE-Schritt (reaktives Ionenätzen), wobei das auf dem Substrat vorgesehene Padnitrid 5 als Ätzmaske dient. Danach erfolgt ein thermischer Oxidationsschritt, durch welchen die an der Siliziumoberfläche durch das RIE-Ätzen verursachten Schäden beseitigt werden (so genannte AA-Oxidation). Nach diesem Oxidationsschritt sind sowohl die Seitenwände als auch der Boden 2a des Grabens mit Oxid 3 bedeckt, so dass die Vorraussetzungen für einen SelOx-Prozess zur Grabenauffüllung, der auf unterschiedlichen Aufwachsraten des Siliziumoxids auf Silizium gegenüber Oxid oder Nitrid beruht, nicht gegeben sind. Daher wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das AA-Oxid am Boden 2a des Isolationsgrabens mit einem anisotropen RIE-Ätzschritt zu entfernen (2). Das Oxid 3 an den Seitenwänden bleibt dabei stehen. Bei dem nachfolgenden SelOx-Schritt wächst daher das Siliziumdioxid selektiv vom Boden des Grabens her auf. Ein Seitenwandwachstum und das damit verbundene Überwachsen der Padnitrid-Seitenwände wird unterdrückt.

Um die Selektivität des SelOx-Schrittes zu erhöhen, kann es vorteilhaft sein, über dem Oxid eine die Selektivität gegenüber Silizium erhöhende Zwischenschicht 4, beispielsweise Si₃N₄, abzuscheiden (1). Alternativ könnte eine AlO_x-Schicht, vorzugsweise mit einem ALD-Prozess (Abscheidung in einzelnen Atomlagen), aufgebracht werden. Diese Zwischenschicht 4 wird dann während des RIE-Ätzschrittes (2) am Grabenboden zusammen mit dem Oxid entfernt.

Soll das erfindungsgemäße Verfahren zur Isolation von DT-DRAM-Zellen auf einem Wafer zur Anwendung kommen, die einen Grabenkondensator enthalten, so werden die Kondensatorgräben durch die quer zu diesen verlaufenden Isolationsgräben angeschnitten. 3 zeigt eine Schnittansicht des Isolationsgrabens an einer durch die Grabenkondensatoren verlaufenden Schnittlinie. Es ist zu sehen, dass durch den Isolationsgraben 2 zwei Grabenkondensatoren 9 angeschnitten werden. Dabei wird gleichzeitig das im oberen Bereich des Kondensatorgrabens an dessen Wänden vorgesehene Collar-Oxid 8 angeschnitten und liegt somit am Grabenboden 2a frei, wodurch an diesen Stellen ein gehemmtes SelOx-Wachstum und somit das Risiko einer nachfolgenden Hohlraumbildung in dem Füllmaterial des Grabens gegeben wäre. Als Gegenmaßnahme wird erfindungsgemäß eine Implantation 7 in den Grabenboden zur Konditionierung der Oberfläche desselben, beispielsweise mit Silizium, vorgeschlagen (3).

Hinsichtlich der Leistungsfähigkeit der Bauelemente kann es nach der Implantation vorteilhaft sein, vor dem SelOx-Prozess einen weiteren Ausheilschritt (Beseitigung von Oberflächenschäden aus dem Ätzschritt aus 2) sowie einen Reini gungsschritt bzw. ein leichtes Überätzen vorzusehen. Danach erfolgt die SelOx-Prozessführung wie gewöhnlich bzw. mit kleineren Anpassungen.

Das erfindungsgemäße Verfahrens macht es somit möglich, die Silizium/Oxid/Nitrid-Selektivität des SelOx-Prozesses in Kombination mit einer Spacertechnik zur Realisierung eines echten Auffüllprozesses vom Boden zur Oberkante des Isolationsgrabens zu nutzen und damit einen Füllprozess wie mit fließfähigen Materialien ohne deren Nachteile und ohne Hohlraum- oder Nahtbildungen in dem Isolationsmaterial zu realisieren.

1: Silizium-Substrat
2: Isolationsgraben
3: Oxidschicht
4: Nitridschicht
5: Padnitrid
6: aufwachsendes Siliziumoxid
7: Implantation von Silizium
8: Collar-Oxid des Grabenkondensators
9: Grabenkondensator

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Grabenisolationsstruktur mit hohem Aspektverhältnis in einem Siliziumsubstrat (1), bei dem der in das Siliziumsubstrat geätzte Graben (2) mit einem selektiv auf Silizium aufwachsenden Oxid gefüllt wird; gekennzeichnet durch folgende Schritte: (a) Ausbilden einer Oxidschicht (3) in dem Graben (2) nach dem Ätzen desselben; (b) Freilegen des Siliziumsubstrats (1) am Boden (2a) des Isolationsgrabens (2) durch einen Ätzschritt; (c) selektives Aufwachsen von Siliziumoxid (6) auf dem am Grabenboden freiliegenden Silizium vom Boden (2a) zur Oberkante des Grabens hin.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ferner zwischen den Schritten (a) und (b) einen Schritt beinhaltet, bei dem auf dem Oxid (3) eine die Selektivität des Aufwachsprozesses erhöhende Zwischenschicht (4) in dem Graben abgeschieden wird, wobei diese Zwischenschicht während Schritt (b) am Boden des Grabens zusammen mit der Oxidschicht entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (4) aus Siliziumnitrid besteht.
verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (4) aus Aluminiumoxid besteht.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumoxid in einem ALD-Prozess abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung der Oxidschicht (3) in Schritt (a) durch thermische Oxidation erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Freilegen des Siliziumsubstrats am Boden (2a) des Isolationsgrabens in Schritt (b) durch einen anisotropen RIE-Ätzschritt (reaktives Ionenätzen) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ferner vor dem Auffüllen des Grabens mit selektiv aufwachsendem Siliziumoxid (6) eine zur Oberflächenkonditionierung geeignete Spezies, beispielsweise Silizium, in den Boden des Grabens implantiert (7) wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Implantation (7) in den Boden des Isolationsgrabens vor Schritt (b) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Implantation (7) in den Boden des Isolationsgrabens nach Schritt (b) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Freilegen des Siliziums (1) am Grabenboden (2a) und gegebenenfalls dem Implantationsschritt (7) und vor dem Auffüllen (6) des Grabens ein Ausheilungs- und Reinigungsschritt erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Siliziumsubstrat aktive Gebiete sowie Grabenkondensatoren für DRAM-Speicherzellen enthält und dass die aktiven Gebiete durch die Isolationsgräben voneinander isoliert werden.
Verfahren zur Grabenisolation von DT-DRAM-Speicherzellen auf einem Wafer, mit folgenden Schritten: Ätzen von Isolationsgräben (2) mit hohem Aspektverhältnis durch einen RIE-Schritt; thermische Oxidation; Entfernen des Oxids am Grabenboden (2a) durch einen anisotropen RIE-Ätzschritt; Implantation (7) von Silizium oder einer anderen zur Oberflächenkonditionierung geeigneten Spezies in den Grabenboden; selektives Aufwachsen (6) von Siliziumoxid auf dem am Grabenboden freiliegenden Silizium vom Boden zur Oberkante des Grabens hin.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach der thermischen Oxidation eine die Selektivität des Aufwachsprozesses erhöhende Zwischenschicht (4) in dem Graben abgeschieden wird, wobei diese Zwischenschicht während des nachfolgenden RIE-Ätzschrittes am Boden des Grabens zusammen mit dem Oxid entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (4) aus Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Freiätzen des Grabenbodens und dem Implantationsschritt und vor dem Auffüllen des Grabens ein Ausheilungs- und Reinigungsschritt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Reinigungsschritt durch leichtes Überätzen erfolgt.