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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Isolationsgrabens
in einer Halbleiterstruktur mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Ein
Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruch 1 ist
aus der
US 2004/0
169 005 A1 bekannt.
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Darüber hinaus
ist aus der US-Patentschrift
US
4,509,249 A ein Verfahren bekannt, wonach in eine Oberfläche eines
eine Halbleiterstruktur bildenden Silizium-Wafers ein Graben geätzt wird.
Die Wände
des Grabens werden mit einer Siliziumoxidschicht beschichtet, und
anschließend
wird der so beschichtete Graben mit Polysilizium als Füllmaterial
bis zu einer vorgegebenen Grabentiefe gefüllt. Die Grabentiefe ist derart
gewählt,
dass ein oberer, sich bis zur Oberfläche des Silizium-Wafers erstreckender
Seitenwandbereich des oxidbeschichteten Grabens von dem Polysilizium
frei bleibt.
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Aus
der
US 2004/0
197 989 A1 ist zudem ein Verfahren bekannt, wonach ein
mit einer dielektrischen Schicht ausgekleideter Graben mit einer
Polysiliziumfüllung
gefüllt
und oberhalb der Polysiliziumfüllung
eine Oxidschicht aufgebracht wird, die in einem nachfolgenden Schritt
teilweise wieder entfernt wird.
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Des
Weiteren offenbart die
US
6 566 229 B2 ein Verfahren, wonach ein Graben mit einem Spin-on-glass-Material
gefüllt
und ein Oxidmaterial auf dem Spin-on-glass-Material abgeschieden
wird.
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Darüber hinaus
ist aus der
US 6 593
207 B2 bekannt, einen Graben, dessen Seitenwände mit
einer Liner-Oxidschicht verse hen sind, mit einem Isolationsmaterial
zu füllen
und oberhalb dieses Isolationsmaterials eine weitere Isolationsschicht
zu erzeugen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen
eines Isolationsgrabens anzugeben, mit dem sich auch sehr schmale
und sehr tiefe Gräben,
also Gräben
mit einem hohen „Aspektverhältnis", zuverlässig mit
Isolationsmaterial füllen
lassen. Außerdem
soll das Verfahren sicherstellen, dass nach Fertigstellung des Isolationsgrabens
eine Weiterbearbeitung der Halbleiterstruktur einfach möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
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Danach
ist erfindungsgemäß ein Verfahren
zum Herstellen eines Isolationsgrabens in einer Halbleiterstruktur
vorgesehen, bei dem
- – in einer Oberfläche der
Halbleiterstruktur ein Graben gebildet wird,
- – der
Graben mit einer Oxidschicht beschichtet wird,
- – der
beschichtete Graben mit einem Füllmaterial
bis zu einer vorgegebenen Grabentiefe gefüllt wird, die unterhalb der
Oberfläche
der Halbleiterstruktur derart endet, dass ein oberer, sich bis zur
Oberfläche
der Halbleiterstruktur erstreckender Seitenwandbereich des beschichteten
Grabens von dem Füllmaterial
frei bleibt,
- – der
Graben nachfolgend mit einem Fülloxid
aufgefüllt
wird, das eine kleinere Ätzrate
als die Oxidschicht aufweist und
- – das
Fülloxid
sowie die Oxidschicht einem Ätzschritt
unterzogen werden, wobei
- – bei
dem Ätzschritt
zumindest ein oberer, an die Oberfläche der Halbleiterstruktur
angrenzender Teilabschnitt des Sei tenwandbereichs des Grabens von
der Oxidschicht befreit wird und eine Ätzstufe zwischen dem Fülloxid und
der Oxidschicht gebildet wird.
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Ein
wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
dass der an die Oberfläche der
Halbleiterstruktur angrenzende Teilabschnitt des oberen Seitenwandbereichs
frei von Isolationsmaterial bleibt. Dadurch ist es möglich, diesen
Bereich zusätzlich
zu der Oberfläche
der Halbleiterstruktur zum Aufbau elektronischer Komponenten heranzuziehen.
Beispielsweise lässt
sich in dem von der Oxidschicht befreiten oberen Teilabschnitt des
Grabens ein Teil eines Feldeffekttransistors ausbilden, dessen Hauptbestandteile
in der Oberfläche
der Halbleiterstruktur integriert werden. Mit anderen Worten ist
es also möglich,
aktive elektronische Komponenten wie Transistoren, insbesondere
Feldeffekttransistoren, sowohl in der Oberfläche der Halbleiterstruktur
als auch in dem oberen Teilabschnitt der Halbleiterstruktur unterzubringen.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch die Ätzstufe
bewirkt. Durch die Ätzstufe
wird nämlich
erreicht, dass trotz des Freilegens des oberen Teilabschnitts des
Grabens von der Oxidschicht die Dicke des Fülloxids weitgehend unverändert bleibt,
so dass dessen Isolations- und mechanische Stützwirkung weitgehend unbeeinträchtigt bleibt.
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Die
Oxidschicht, mit der der Graben zunächst beschichtet wird, bevor
das Füllmaterial
eingefüllt
wird, ist vorzugsweise eine „konformale" Oxidschicht. Unter
einer „konformalen" Oxidschicht wird
nachfolgend eine Schicht verstanden, die der Form des Grabens „winkeltreu" derart folgt, dass
die Formgebung des Isolationsgrabens (im Querschnitt betrachtet)
weitgehend unverändert
bleibt. Eine „konformale" Oxidschicht weist
vorzugsweise eine durchgehend gleichmäßige Dicke auf.
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Als
Füllmaterial
wird bevorzugt polysiliziumhaltiges Material in den Graben eingefüllt. Beispielsweise handelt
es sich bei dem Füllmaterial
um „reines" Polysilizium. Reines
Polysilizium weist den Vorteil auf, dass es sich auch in Gräben mit
sehr hohen Aspektverhältnissen,
also sehr tiefe und sehr schmale Gräben, problemlos einführen lässt.
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Alternativ
kann das Füllmaterial
auch „mehrschichtig" aufgebaut sein.
Beispielsweise kann auf die mit der Oxidschicht beschichteten Wände des
Grabens zunächst
eine Polysiliziumschicht aufgebracht werden. Der resultierende,
mit der Polysiliziumschicht beschichtete Graben wird anschließend mit
einem Isolationsmaterial bis zu der vorgegebenen Grabentiefe gefüllt. Nachfolgend
wird die Polysiliziumschicht in dem oberen, sich bis zur Oberfläche der
Halbleiterstruktur erstreckenden Seitenwandbereich des Grabens entfernt.
Bei dieser vorteilhaften Variante des Verfahrens wird das Füllmaterial
also durch unterschiedliche Materialien gebildet, die nacheinander
aufgebracht werden.
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Bezüglich der
letzten Ausführungsvariante
wird es außerdem
als vorteilhaft angesehen, wenn die Polysiliziumschicht eine „konformale" Polysiliziumschicht
ist, die sich an die Formgebung des Grabens anpasst. Eine „konformale" Polysiliziumschicht
stellt sicher, dass sich das Isolationsmaterial nachfolgend zuverlässig in den
Graben einführen
lässt und
Leer- oder Fehlstellen
des Isolationsmaterials im Graben vermieden werden.
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Zum
Entfernen der Polysiliziumschicht von dem oberen, sich bis zur Oberfläche der
Halbleiterstruktur erstreckenden Sei tenwandbereich – also „oberhalb" der vorgegebenen
Grabentiefe – wird
vorzugsweise ein Ätzmittel
verwendet, das gegenüber
Polysilizium eine größere Ätzrate als
gegenüber
dem Isolationsmaterial aufweist.
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Das
Isolationsmaterial kann beispielsweise aus der Gasphase abgeschieden
werden. Alternativ kann eine Flüssigkeit
auf die Polysiliziumschicht aufgebracht werden, die sich nach einem
Aushärtvorgang
das Isolationsmaterial bildet. Beispielsweise kann es sich bei dem
Isolationsmaterial um ein Oxid handeln, das als Spin-on-Glas in
den Graben eingefüllt
wird.
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Da
Isolationsgräben
insbesondere bei der Herstellung von DRAM-Speicherzellen eine große Rolle spielen,
wird es als vorteilhaft angesehen, wenn das beschriebene Verfahren
im Zusammenhang mit der Herstellung von DRAM-Speicherzellen verwendet
wird. Bei der Halbleiterstruktur handelt es sich vorzugsweise um ein
Siliziumsubstrat bzw. um eine Siliziumschicht, in das bzw. in die
der Graben unter Verwendung einer zuvor strukturierten Ätzmaskenschicht
geätzt
wird. Demgemäß wird die
Oberfläche
der Halbleiterstruktur durch die Oberfläche des Siliziumsubstrats bzw.
durch die Oberfläche
der Siliziumschicht gebildet.
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Die Ätzstufe
zwischen dem Fülloxid
und der Oxidschicht wird vorzugsweise im oberen Seitenwandbereich
des Siliziumsubstrats bzw. der Siliziumschicht ausgebildet.
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Die Ätzmaskenschicht
kann vor oder nach dem die Ätzstufe
bildenden Ätzschritt
entfernt werden. Bei der Ätzmaskenschicht
kann es sich beispielsweise um eine Nitridmaske handeln.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei
zeigen:
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1a bis 1e ein
erstes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
und die
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2a bis 2g ein
zweites Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In
den Figuren werden – soweit
möglich – für identische
oder vergleichbare Komponenten dieselben Bezugszeichen verwendet.
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In
der 1a erkennt man eine Halbleiterstruktur mit einem
Siliziumsubstrat 10, in dessen Oberfläche 20 ein Graben 30 gebildet,
beispielsweise geätzt,
worden ist. Zur Herstellung des Grabens 30 wird auf die Oberfläche 20 des
Siliziumsubstrats 10 zunächst eine Ätzmaskenschicht 40,
beispielsweise eine Siliziumnitridschicht, aufgebracht und strukturiert.
Die Ätzmaskenschicht 40 dient
nachfolgend als Ätzmaske
und schützt die
bei diesem Ätzschritt
nicht zu ätzende
Oberfläche 20 des
Substrats 10, so dass nur die von der Ätzmaskenschicht 40 unmaskierten
Teilbereiche des Siliziumsubstrats 10 geätzt werden.
Es entsteht somit vom Querschnitt her die in der 1a dargestellte
Struktur mit zwei erhabenen Siliziumbereichen 50 und 60,
dem Graben 30 zwischen den beiden erhabenen Siliziumbereichen 50 und 60 sowie
einer weiteren Ausnehmung 70, die beispielsweise einen
weiteren Graben bildet, rechts neben dem erhabenen Bereich 50.
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In
der 1a ist erkennbar, dass auf das strukturierte Siliziumsubstrat 10 sowie
auf die Ätzmaskenschicht 40 eine
Oxidschicht 80 aufgebracht worden ist. Diese Oxidschicht 80 kann
beispielsweise eine Siliziumdioxidschicht sein. Die Oxidschicht 80 ist
vorzugsweise eine konformale Schicht; dies bedeutet, dass die Schichtdicke
der Oxidschicht 80 durchgehend ungefähr gleich dick ist, so dass
sich die Oxidschicht 80 dem Verlauf der Struktur, insbesondere
dem Verlauf des Grabens 30, bestmöglich anpassen kann.
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Die
Siliziumoxidschicht 80 kann beispielsweise aus einem SA(Sub
Atmosphaeric)-Oxid, einem LP-CVD-(Low pressure chemical vapour deposition)Oxid
oder einem anderen Oxid bestehen.
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Auf
die in der 1a dargestellte Struktur wird
nachfolgend ganzflächig
Polysilizium 100 als Füllmaterial
abgeschieden; dies ist in der 1b gezeigt.
Anschließend
wird die resultierende Struktur gemäß 1b einem
CMP(CMP: Chemical-Mechanical Polishing)-Schritt und einem weiteren,
Polysilizium ätzenden
Schritt unterzogen.
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Durch
den Polysilizium-Ätzschritt
wird das Polysilizium auch im Grabenbereich entfernt; das Polysilizium
verbleibt lediglich bis zu einer Grabentiefe T. Es entsteht die
in der 1c im Querschnitt dargestellte Struktur
mit einem oberen Seitenwandbereich 120, der von dem Polysilizium 100 befreit
ist und sich bis zur Oberfläche 20 des
Grabens 30 erstreckt.
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Anschließend wird
die Struktur gemäß der 1c mit
einem Fülloxid 200 vollständig gefüllt. Es
entsteht die in der 1d dargestellte Struktur. Wichtig
ist, dass sich das Fülloxid 200 von
der Oxidschicht 80 unterscheidet; konkret soll das Fülloxid 200 bezüglich Oxid-Ätzmitteln
bzw. demjenigen Oxidätzmittel,
das im Weiteren verwendet werden wird, (z. B. flusssäurehaltige Ätzmittel)
eine kleinere Ätzrate
aufweisen als die Oxidschicht 80. Die Oxidschicht 80 besteht
beispielsweise aus SA-CVD-Oxid mit einer Ätzrate von 5 nm/min (DHF 200:1)
und das Fülloxid 200 beispielsweise
aus HDP(High density plasma)-Oxid mit einer Ätzrate von 1,5 nm/min (DHF
100:1).
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Die
Struktur gemäß der 1d wird
anschließend
einem oder mehreren Ätzschritten
unterworfen, bei denen die Ätzmaskenschicht 40 und
damit die auf der Ätzmaskenschicht 40 vorhandene
Oxidschicht 80 sowie das auf der Ätzmaskenschicht 40 befindliche
Fülloxid 200 entfernt
wird.
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Während dieses Ätzschrittes
oder in einem separaten weiteren Ätzschritt werden die Oxidschicht 80 sowie
das Fülloxid 200 mit
einem Ätzmittel
behandelt, das die Oxidschicht 80 stärker ätzt als das Fülloxid 200. Aufgrund
der unterschiedlichen Ätzraten
wird ein oberer, an die Oberfläche 20 des
Siliziumsubstrats 10 unmittelbar angrenzender Teilabschnitt 210 des
Grabens 30 bzw. die entsprechenden Randbereiche 210 der
erhabenen Siliziumbereiche 50 und 60 von der Oxidschicht 80 befreit.
Außerdem
bilden sich Ätzstufen 220 aufgrund
der unterschiedlichen Ätzraten
der Oxidschicht 80 und des Fülloxids 200. Der fertige
Isolationsgraben ist in der 1e gezeigt.
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In
den 2a bis 2g ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
für das
erfindungsgemäße Verfahren gezeigt.
Die 2a zeigt dabei das bereits im Zusammenhang mit
der 1a erläuterte
Siliziumsubstrat 10, in das die beiden Gräben 30 und 70 unter
Verwendung der strukturierten Ätzmaskenschicht 40 hineingeätzt worden
sind. Auf die resultierende Struktur ist eine konformale Oxidschicht 80 abgeschieden.
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In
einem nachfolgenden Schritt wird – im Unterschied zu dem ersten
Ausführungsbeispiel – auf die Oxidschicht 80 eine
konformale Polysiliziumschicht 300 abgeschieden. Dies zeigt
die 2b.
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In
einem sich daran anschließenden
Prozessschritt wird der Graben 30 mit einem Isolationsmaterial 310 gefüllt. Bei
dem Isolationsmaterial 310 kann es sich beispielsweise
um ein Spin-on-Siliziumoxidmaterial oder um ein „flowable" Oxid-Material. Die resultierende Struktur
ist in der 2c gezeigt.
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Nachfolgend
wird das Isolationsmaterial 310 ganzflächig geätzt, so dass die Materialdicke
des Isolationsmaterials 310 deutlich herabgesetzt wird.
In dem Graben 30 verbleibt das Isolationsmaterial 310 lediglich nur
noch bis zu einer Grabentiefe T. Die oberen, an die Oberfläche 20 des
Siliziumsubstrats 10 angrenzenden Seitenwandbereiche 120 des
Grabens 30 werden somit von dem Isolationsmaterial 310 befreit
(vgl. 2d).
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Anschließend wird
die Polysiliziumschicht 300 an den Stellen weggeätzt, an
denen sie nicht durch das Isolationsmaterial 310 geschützt wird.
Um dies zu erreichen, wird ein Ätzmittel
verwendet, das gegenüber
der Polysiliziumschicht 300 eine große Ätzrate und gegenüber dem
Isolationsmaterial 310 eine möglichst geringe Ätzrate hat.
Im Ergebnis entsteht somit die in der 2e gezeigte
Struktur, bei der der Graben 30 mit der Polysiliziumschicht 300 und
dem Isolationsmaterial 310 lediglich noch bis zur Tiefe
T gefüllt
ist.
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Nachfolgend
wird auf die Struktur gemäß 2e ein
Fülloxid 200 in
Form einer „Kappenschicht" aufgebracht. Das
Fülloxid 200 deckt
das Siliziumsubstrat 10 sowie die beiden Gräben 30 und 70 vollständig ab (vgl. 2f).
Anschließend
wird die Struktur gemäß der 2f einem
CMP-Schritt unterworfen, wodurch unter anderem die Ätzmaskenschicht 40 entfernt
und die Oberfläche 20 des
Siliziumsubstrats 10 freigelegt wird.
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In
einem nachfolgenden Ätzschritt
werden die Oxidschicht 80 und das Fülloxid 200 geätzt, wobei
die Oxidschicht 80 aufgrund der größeren Ätzrate gegenüber dem
Fülloxid 200 schneller
geätzt
wird. Es entstehen somit Stufen 220 in den oberen Teilabschnitten 210 der
beiden erhabenen Siliziumbereiche 50 und 60 bzw. der
beiden oberen Seitenwandbereiche 120 des Grabens 30.
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In
den oberen Teilabschnitten 210 sind die beiden erhabenen
Siliziumbereiche 50 und 60 vollständig von
dem Oxid 80 befreit, so dass in diesen Teilabschnitten
aktive Komponenten integriert werden können. Es ist also möglich, elektronische
Komponenten nicht nur im Bereich der Oberfläche 20 des Siliziumsubstrates 10 zu
integrieren, sondern darüber
hinaus auch im Bereich der Teilabschnitte 210 der freigelegten
Seitenwände der
beiden erhabenen Siliziumbereiche 50 und 60.
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Der
fertige Isolationsgraben ist in der
2g gezeigt. Bezugszeichenliste
| 10 | Siliziumsubstrat |
| 20 | Oberfläche des
Siliziumssubstrats |
| 30 | Graben |
| 40 | Ätzmaskenschicht |
| 50 | Erhabener
Siliziumbereich |
| 60 | Erhabener
Siliziumbereich |
| 70 | Weiterer
Graben |
| 80 | Oxidschicht |
| 100 | Polysilizium |
| 120 | Oberer
Seitenwandbereich |
| 200 | Fülloxid |
| 210 | Teilabschnitt |
| 220 | Stufe |
| 300 | Polysiliziumschicht |
| 310 | Isolationsmaterial |
| T | Grabentiefe |