DE10234165A1

DE10234165A1 - Verfahren zum Füllen einer in einer Materialschicht gebildeten Öffnung mit einem isolierenden Material

Info

Publication number: DE10234165A1
Application number: DE10234165A
Authority: DE
Inventors: Karsten Wieczorek; Stephan Kruegel; Michael Raab
Original assignee: Advanced Micro Devices Inc
Current assignee: GlobalFoundries Inc
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2022-07-27
Also published as: DE10234165B4; US6812115B2; US20040018696A1

Abstract

Das Füllen von Gräben in der Größenordnung von 0,25 mum oder darunter mit dielektrischem Material kann zur Bildung eines Hohlraums führen. Typischerweise kann der Hohlraum durch Oxidation geschlossen werden. Wenn der Graben nicht oxidierbare Seitenwandbereiche aufweist, kann ein unzureichendes Verschließen auftreten. Daher wird eine oxidierbare Abstandsschicht in konformer Weise vor dem Abscheiden des dielektrischen Volumenmaterials abgeschieden, so dass die Seitenwände des Grabens entlang der gesamten Tiefe des Grabens oxidiert werden können, um damit ein komplettes Verschließen des Hohlraums zu ermöglichen.

Description

GEBIET DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere das Füllen von Öffnungen, etwa von Gräben, mit einem isolierenden Material, um damit beispielsweise Flachgrabenisolationsstrukturen zu bilden, die in technisch fortgeschrittenen integrierten Schaltungen erforderlich sind.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Moderne integrierte Schaltungen beinhalten eine riesige Anzahl von Schaltungselementen, etwa von Widerständen, Kondensatoren, Transistoren und dergleichen. Typischerweise werden diese Schaltungselemente auf und in einer Halbleiterschicht, etwa einer Siliziumschicht, gebildet, wobei es für gewöhnlich notwendig ist, benachbarte Halbleitergebiete, in denen die einzelnen Schaltungselemente gebildet werden, elektrisch voneinander zu isolieren. Ein anschauliches Beispiel in dieser Hinsicht ist ein Feldeftekttransistor, dessen aktives Gebiet, – d.h. die stark dotierten Drain- und Sourcegebiete mit einem leicht invers dotierten dazwischen angeordneten Kanalgebiet, – durch eine Isolationsstruktur definiert ist, die in dem Halbleitermaterial gebildet ist.
Da die kritischen bzw. bestimmenden Strukturgrößen der Schaltungselemente, etwa die Gatelänge von Feldeffekttransistoren, ständig abnehmen, werden die Fläche, die von den Isolationsstrukturen umschlossen wird, sowie die Isolationsstrukturen selbst ebenso verkleinert. Von den diversen Verfahren zur Herstellung der Isolationsstrukturen hat sich die sogenannten Flachgrabenisolations-(STI) Technik als das zuverlässigste Verfahren erwiesen und ist die am häufigsten angewendete Technik zur Herstellung von Isolationsstrukturen für technisch weit entwickelte integrierte Schaltungen.
Entsprechend der STI-Technologie werden einzelne Schaltungselemente voneinander durch flache Gräben isoliert, die in das Halbleitermaterial, d.h. in ein Halbleitersubstrat, wenn Volumenhalbleiterelemente betrachtet werden, oder in eine Halbleiterschicht, die auf einem isolierenden Substrat ausgebildet ist, – wie im Fall von beispielsweise SOI(Silizium auf Halbleiter) Substraten – in dem die Schaltungselemente herzustellen sind. Die Gräben werden anschließend mit einem dielektrischen Material, etwa einem Oxid, aufgefüllt, um die erforderliche elektrische Isolierung benachbarter Schaltungselemente bereitzustellen. Obwohl sich diese Technologie als sehr zuverlässig für die Abmessungen von Gräben in der Größenordnung von Mikrometer erwiesen hat, können Probleme hinsichtlich der Zuverlässigkeit, etwa erhöhte Leckströme und dergleichen, für Elemente auftreten, die durch Entwurtsregeln im Sub-Mikrometerbereich definiert sind, wie dies im Folgenden detaillierter erläutert wird.
Mit Bezug zu den 1a–1f wird nun ein typischer konventioneller Prozessablauf zur Herstellung einer Flachgrabenisolation beschrieben.
In 1a umfasst eine Halbleiterstruktur 100 ein Substrat 101, das eine Halbleiterschicht aufweisen kann, oder das ein Halbleitersubstrat sein kann, etwa ein Siliziumsubstrat, in und auf welchem Schaltungselemente, etwa Feldeffekttransistoren und dergleichen, herzustellen sind. Ferner ist eine Siliziumdioxidschicht 102 auf dem Substrat 101, gefolgt von einer Siliziumnitridschicht 103 gebildet.
Typischerweise wird die Siliziumdioxidschicht 102 durch thermisches Oxidieren des Substrats 101 hergestellt und anschließend wird die Siliziumnitridschicht 103 beispielsweise durch chemische Dampfabscheidung (CVD), etwa Niederdruck-CVD (LPCVD), abgeschieden. Daraufhin wird eine Schicht aus Fotolack (nicht gezeigt) auf der Halbleiterstruktur 100 aufgetragen und mittels hoch entwickelter Fotolithographie- und Ätzverfahren entsprechend den Entwurterfordernissen strukturiert. In dem hierin beschriebenen Beispiel kann die zu bildende Grabenisolation so gestaltet sein, dass diese eine Breite in der Größenordnung von 0,25 μm oder weniger aufweist und die Fotolackschicht wird entsprechend strukturiert, um als eine Ätzmaske für einen anschließend ausgeführten anisotropen Ätzschritt zu dienen.
1b zeigt schematisch die Halbleiterstruktur 100, wobei ein Graben 104 in der Siliziumnitridschicht 103, der Siliziumdioxidschicht 102 und teilweise in dem Substrat 101 gebildet ist. Typischerweise wird der Graben 104 mit einer Tiefe von ungefähr 400–500 nm für die oben spezifizierte Breite geätzt. Ferner ist vorzugsweise der ani sotrope Ätzschritt zum Ätzen der Siliziumnitridschicht 103 so angelegt, um einen sich verjüngenden Seitenwandbereich 105 zu erzeugen, der das Füllvermögen eines nachfolgenden Abscheideschritts fördert.
1c zeigt schematisch die Halbleiterstruktur 100 während einer anfänglichen Phase eines Abscheideschritts, um den Graben 104 mit Siliziumdioxid zu füllen. In 1c ist bereits eine sehr dünne Siliziumdioxidschicht 106 auf der Siliziumnitridschicht 103 und in dem Graben 104 gebildet. Zum Abscheiden der Siliziumdioxidschicht 106 in den Graben 104 mit Abmessungen von 0,25 μm und weniger müssen hoch entwickelte Abscheideverfahren angewendet werden, um ein hohes Maß an Ausgefülltheit in dem Graben 104 zu erreichen. Vorzugsweise werden sup-atmosphärische CVD-Abscheideverfahren zum Füllen von Gräben mit einer Breite von 0,25 μm angewendet, und es können fortschrittliche CVD-Abscheideverfahren mit Unterstützung eines dichten Plasmas für eine Grabenbreite mit weniger als 0,25 μm angewendet werden. Obwohl diese Abscheideverfahren es ermöglichen, dass auftreffende Teilchen 107 in einer äußerst konformen Weise in dem Graben 104 abgeschieden werden, erhalten trotz der geringfügigen Verjüngung die obere Seitenwandbereich 105 eine dickere Siliziumdioxidschicht während des Verlaufs des Abscheidens, da die Anzahl der eintreffenden Teilchen 107 an Eckenbereichen 108 größer als die Anzahl an Teilchen 107, die auf zentralen Seitenwandbereichen 112 des Grabens 104 auftreffen, ist.
1d zeigt diese Situation, wenn sich die Dicke der Siliziumdioxidschicht 106 während des Abscheidens so vergrößert hat, dass der Graben 104 nahezu an den Eckenbereichen 108 geschlossen ist, wodurch eine weitere Abscheidung von Siliziumdioxid in dem Graben 104 im Wesentlichen verhindert wird.
1e zeigt schematisch die Halbleiterstruktur 100 nach Abschluss des Abscheideschritts, wobei ein Hohlraum 109 in dem Graben 104 gebildet ist. Da der Hohlraum 109 äußert unerwünscht für die weitere Bearbeitung der Halbleiterstruktur 100 ist, werden große Anstrengungen unternommen, um zumindest die Größe des Hohlraums 109 zu reduzieren. Dazu wird die Halbleiterstruktur 100 in einer oxidierenden Umgebung auf eine Temperatur von ungefähr 900°C aufgeheizt, um einerseits die Siliziumdioxidschicht 106 zu verdichten und um andererseits weiterhin Silizium an der Grenzflächen zwischen dem Graben 104 und dem Substrat 101 zu oxidieren, wie dies durch die Schicht 110 angedeutet ist. Während dieser Wärmebehandlung diffundiert Sauerstoff in die Siliziumdioxidschicht 106 und somit in den Graben 104 und führt zu einer weiteren Oxidation des Substrats 101. Beim Oxidieren des Substrats 101 wird eine mechanische Spannung auf die abgeschiedene Siliziumdioxidschicht 106 in dem Graben 104 ausgeübt, da das benachbart zu dem abgeschiedenen Siliziumdioxid 106 neu gewachsene Siliziumdioxid ein größeres Volumen einnimmt, als das von dem Oxidationsvorgang konsumierte Silizium.
In 1e ist der zusätzliche oxidierte Bereich durch 110 und die erzeugte mechanische Spannung ist durch die Pfeile 111 gekennzeichnet.
1f zeigt schematisch die Halbleiterstruktur 100 nach Beendigung des thermischen Oxidationsvorganges, wobei der Hohlraum 109 im unteren Bereich des Grabens 104 durch komprimieren des Siliziumdioxids 106 entfernt wird, so dass ein deutlich kleinerer Hohlraum 109a in der Nähe des oberen Bereichs des Grabens 104 erzeugt wird. Wie aus 1f deutlich wird, wird im Wesentlichen keine mechanische Spannung an den oberen Seitenwandbereichen 105 der nichtoxidierbaren Siliziumdioxidschicht 102 und der Siliziumnitridschicht 103 erzeugt.
1g zeigt die Halbleiterstruktur 100 schematisch nach dem Einebnen des Substrats 101 durch chemisch mechanisches Polieren (CMP), um das überschüssige Siliziumdioxid 106 und teilweise die Siliziumnitridschicht 103 zu entfernen, wobei der reduzierte Hohlraum 109a geöffnet wird, um eine rillenartige Vertiefung zu bilden, der der Einfachheit ebenso mit dem Bezugszeichen 109a bezeichnet wird. Der CMP-Vorgang zum Entfernen des Überschussoxids 106 und zum Einebnen des Substrats 101 ist ein entscheidender Schritt, der eine gewissenhafte Kontrolle der verbleibenden Siliziumnitridschicht 103 erfordert, da ein zu starkes Polieren der Siliziumnitridschicht 103 zu einer Beschädigung des darunter liegenden Siliziums des Substrats 101 führen kann, das das aktive Gebiet zur Herstellung von Schaltungselementen, etwa von Feldeffekttransistoren, darstellt, wodurch die Qualität dieser Elemente beeinträchtigt wird. Ein zu geringes Polieren der überschüssigen Siliziumdioxidschicht 106 und der darunter liegenden Siliziumnitridschicht 103 kann andererseits deutlich einen nachfolgenden technisch anspruchsvollen Fotolithographieschritt beeinflussen, der zur Herstellung von Gatelektroden von Feldeffekttransistoren erforderlich ist. Daher wäre ein Vermeiden einer Öffnung des reduzier ten Hohlraums 109a während des CMP oder ein im Wesentlichen Entfernen des reduzierten Hohlraums 109a durch verstärktes Polieren nur äußerst schwierig zu erreichen, ohne daher für nachfolgende Prozessschritte ein erhöhtes Risiko zu erzeugen.
1h zeigt schematisch die Halbleiterstruktur 100 nach dem Entfernen der Siliziumnitridschicht 103 und der Siliziumdioxidschicht 102. Typischerweise werden diese Schichten durch gut bekannte Ätzverfahren entfernt, während das Siliziumdioxid 106 in dem Graben 104 ebenfalls teilweise entfernt wird, wie dies durch 113 angedeutet ist, und die Größe der Vertiefung 109a nimmt weiter zu. Des Weiteren kann die Größe der Vertiefung 109a durch nachfolgende Prozessschritte, etwa durch Reinigungsprozesse vor dem Bilden einer Gateisolationsschicht für Feldeffekttransistoren, die auf dem Substrat 101 zu bilden sind, noch weiter zunehmen.
Die Vertiefung 109a kann eine Quelle für eine reduzierte Zuverlässigkeit von Schaltungselementen, etwa von Feldeffekttransistoren, darstellen, da beispielsweise Gateelektrodenmaterial, das häufig als Polysilizium vorgesehen wird, nicht in ausreichender Weise aus der Vertiefung 109a während der Strukturierung der Gateelektrode der Feldeffekttransistoren entfernt wird. Somit kann ein erhöhter Leckstrom oder möglicherweise ein Kurzschluss zwischen nicht in Verbindung stehenden Gateelektroden auftreten, wodurch die Produktionsausbeute deutlich beeinträchtigt wird.
Da die zuvor erläuterten Probleme eine ernstzunehmende Schwierigkeit für die Halbleitertechnologien, etwa die CMOS-Technologie darstellen, insbesondere im Bereich von Entwurfsregeln von 0,25 μm, gibt es einen Bedarf für eine Prozesstechnologie, die das Auffüllen von Öffnungen, etwa von Gräben mit einem dielektrischen Material zulässt, ohne im Wesentlichen Hohlräume zu erzeugen.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Im Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung an ein Verfahren, das es ermöglicht, Öffnungen oder vertiefte Bereiche, etwa für Isolationsstrukturen verwendete Gräben, mit einem dielektrischen Material zu füllen, wobei das Ausbilden von Hohlräumen im Wesentlichen vermeidbar ist, indem eine mechanische Spannung auf das abgeschiedene dielektrische Material im Wesentlichen entlang der gesamten Tiefe des ver tieften Bereichs ausgeübt wird. Dies wird erreicht, indem eine Schicht aus oxidierbarem Material in dem vertieften Bereich abgeschieden wird, wobei die inneren Seitenwände des vertieften Bereichs vor dem Füllen mit dem dielektrischen Material bedeckt werden. In einem anschließenden Oxidationsprozess wird das oxidierbare Material oxidiert und übt eine mechanische Spannung auf das dielektrische Material im Wesentlichen entlang der gesamten Tiefe des vertieften Bereichs aus, unabhängig davon, ob ursprünglich Seitenwandbereiche des vertieften Bereichs nicht oxidierbare Gebiete aufweisen.
Gemäß einer anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Füllen eines Grabens, der in einem Substrat gebildet ist, das konforme Abscheiden einer Abstandsschicht, die oxidierbares Material aufweist, auf dem Substrat und in dem Graben. Dann wird ein dielektrisches Material über der Abstandsschicht abgeschieden, um den Graben zu füllen und ein Oxidationsprozess in einer oxidierenden Umgebung wird ausgeführt, um zumindest einen Teil der Abstandsschicht in eine isolierende Schicht umzuwandeln.
Gemäß einer weiteren anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Füllen eines in einem Substrat gebildeten Grabens mit einem dielektrischen Material das Bilden von Abstandselementen an Seitenwänden des Grabens, wobei die Abstandselemente ein oxidierbares Material aufweisen. Anschließend wird ein dielektrisches Material über dem Substrat abgeschieden, um den Graben im Wesentlichen aufzufüllen, und das Substrat wird in eine oxidierende Umgebung eingebracht, um die Abstandselemente zumindest teilweise in eine isolierende Schicht umzuwandeln.
Gemäß einer weiteren anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Füllen eines Grabens in einem Substrat mit einer Schicht aus halbleitendem Material und einer Schicht aus dielektrischem Material die darauf gebildet ist, das Ausbilden von Seitenwandabstandselementen eines halbleitenden Materials in dem Graben, wobei die Seitenwandabstandselemente nicht oxidierbare Seitenwandbereiche des Grabens bedecken. Dann wird der Graben mit einem dielektrischen Material gefüllt und das Substrat wird einer oxidierenden Umgebung ausgesetzt, um zumindest teilweise die Seitenwandabstandselemente zu oxidieren.
Gemäß einer noch weiteren anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bilden einer Isolationsstruktur in einem Substrat mit einer Halbleiterschicht und einem dielektrischen Schichtstapel, der auf der Halbleiterschicht gebildet ist, das Ausbilden eines Grabens in dem Substrat, wobei sich der Graben in einer Tiefenrichtung durch den dielektrischen Schichtstapel hindurch erstreckt. Eine Abstandsschicht wird konform auf dem Substrat abgeschieden, wobei die Abstandschicht ein oxidierbares Material aufweist. Anschließend wird ein dielektrisches Material zum Füllen des Grabens abgeschieden und das Substrat wird einer oxidierenden Umgebung ausgesetzt, um zumindest teilweise die Abstandsschicht zu oxidieren, um damit einen Hohlraum zu füllen, der sich während des Abscheidens des dielektrischen Materials möglicherweise gebildet haben kann.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Bildung von Flachgrabenisolationsstrukturen in einem Substrat aus halbleitendem Material während eines Herstellungsvorganges zur Herstellung integrierter Schaltungen das Bilden einer ersten Schicht aus dielektrischem Material auf dem Substrat aus halbleitendem Material. Dann werden die erste Schicht aus dielektrischem Material und das Substrat aus halbleitendem Material selektiv so geätzt, um Graben zu bilden, die tiefer als die Dicke der Schicht aus dielektrischem Material sind. Seitenwandabstandselemente aus halbleitendem Material werden in den Gräben gebildet, wobei die Seitenwandabstandselemente die inneren Seitenwände der Gräben bedecken. Danach werden die Gräben mit einem dielektrischen Material gefüllt und die Seitenwandabstandselemente werden entlang der gesamten Tiefe der Grabenseitenwände oxidiert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung deutlicher hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird; es zeigen:
1a-1h schematisch Querschnittsansichten eines typischen konventionellen Prozessablaufs zur Herstellung von Flachgrabenisolationen, wie sie in technisch hoch entwickelten integrierten Schaltungen verwendet werden;
2a-2d schematisch Querschnittsansichten einer Prozessabfolge zum Füllen eines Grabens mit einem dielektrischen Material gemäß einer anschaulichen Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
3a-3h schematisch Querschnittsansichten eines Prozessablaufs gemäß einer anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Bilden einer flachen Grabenisolationsstruktur, die in technisch hoch entwickelten Halbleierelementen verwendbar ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den Zeichnungen dargestellt sind, sollte es selbstverständlich sein, dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen anschaulichen offenbarten Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patenansprüche definiert ist.
Mit Bezug zu den 2a-2d werden einige anschaulichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nunmehr beschrieben, wobei eine Öffnung oder ein vertiefter Bereich, beispielsweise in Form eines Grabens, im Wesentlichen vollständig mit einem dielektrischen Material selbst für laterale Abmessungen des vertieften Bereichs in der Größenordnung von 0,25 μm bis 0,13 μm oder sogar darunter mit einer Tiefe bis zu einigen hundert Nanometer zu füllen ist.
In 2a umfasst eine Struktur 200, beispielsweise eine Halbleiterstruktur, ein Substrat 201, das ein Halbleitersubstrat, ein isolierendes Substrat, ein Substrat mit einer oder mehreren darauf gebildeten Materialschichten, etwa Halbleiterschichten, dielektrischen Schichten und dergleichen darstellen kann. Im Folgenden soll das Substrat 201 ein Material beschreiben, in der eine äußerst isolierende im Wesentlichen hohlraumfreie Isolationsstruktur zu bilden ist, wobei das Substrat 201 zumindest teilweise ein im Wesentli chen nichtoxidierbares Material aufweisen kann. Eine Öffnung oder ein vertiefter Bereich, etwa ein Graben 204, ist in dem Substrat 201 gebildet und ist mit einem dielektrischen Material zu füllen. Die seitlichen Abmessungen des Grabens 204 können in der Größenordnung von 0,25 μm und darunter sein und die Tiefe kann im Bereich von einigen hundert Nanometern liegen. Der Graben 204 kann entsprechend gut bekannter technisch fortschrittlicher Fotolithographie- und Ätzverfahren gebildet werden und eine Beschreibung davon ist hierin weggelassen.
2b zeigt schematisch die Struktur 200 mit einer Abstandsschicht 220, die ein oxidierbares Material, etwa ein Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium, Germanium und dergleichen aufweist. Eine Dicke der Abstandsschicht 220 kann im Bereich von einigen Nanometern bis einige zehn Nanometer liegen, abhängig von den seitlichen Abmessungen des Grabens 204. Die Dicke der Abstandsschicht 220 kann so gewählt werden, dass ein Anstieg des Volumens durch Oxidieren der Abstandsschicht 220 ausreichend ist, Hohlräume, die an nichtoxidierbaren Seitenwandbereichen des Grabens 204 gebildet werden, deutlich zu kompensieren. In einigen Ausführungsformen, in denen das Substrat 201 ein oxidierbares Material aufweisen kann, kann eine dünne nichtoxidierbare Beschichtung (nicht gezeigt) vor dem Abscheiden der Abstandsschicht 220 gebildet werden, um eine Oxidation des Substrats 201 bei der weiteren Bearbeitung zu vermeiden. Wie zuvor mit Bezug zu den 1a–1h erläutert ist, kann die Abstandsschicht 220, die beispielsweise Silizium aufweist, durch fortschrittliche Abscheideverfahren, etwa Niederatmosphärendruck-CVD oder CVD mit Unterstützung durch hochdichtes Plasma abgeschieden werden, die eine im Wesentlichen konforme Abscheidung der Abstandsschicht 220 mit einer Dicke von ungefähr einigen zehn Nanometern ermöglichen.
2c zeigt schematisch die Struktur 200 mit einer darauf ausgebildeten dielektrischen Schicht 206, wobei der Graben 204 mit der dielektrischen Schicht 206 gefüllt ist, wobei ein Hohlraum 209 aus den zuvor mit Bezug zu den 1a–1h erläuterten Gründen gebildet wird. Die dielektrische Schicht 206 kann ein Oxid aufweisen, etwa Siliziumdioxid oder ein anderes geeignetes dielektrisches Material, solang eine ausreichende Diffusion von Sauerstoff in die darunter liegende Abstandsschicht 220 während des nachfolgenden Oxidationsprozesses sichergestellt ist, wie dies durch 221 gekennzeichnet ist.
Die dielektrische Schicht kann durch ein beliebiges geeignetes Abscheideverfahren, etwa CVD bei subatmosphärischem Druck, Niederdruck-CVD, plasmaverstärktes CVD, CVD mit Unterstützung durch hoch dichtes Plasma und dergleichen abgeschieden werden. Anschließend wird die Halbleiterstruktur 200 einer oxidierenden Umgebung ausgesetzt, wobei Sauerstoff in die Abstandsschicht 220 diffundiert und zusätzliches Oxid bildet, dessen Volumen das Volumen des aufgebrauchten Materials der Abstandsschicht 220 übersteigt, so dass eine mechanische Spannung, die durch 211 bezeichnet ist, auf das dielektrische Material 206, das den Hohlraum 209 umgibt, ausgeübt wird. Anders als bei einem konventionellen Abscheideverfahren, wie es beispielsweise mit Bezug zu den 1a-1h beschrieben ist, wird die mechanische Spannung im Wesentlichen entlang der gesamten Tiefe des Grabens 204 ausgeübt, da die oxidierbare Abstandsschicht 220 die gesamte Seitenwand des Grabens 204 bedeckt. Daher wird unabhängig davon, ob der Graben 204 nicht oxidierbare Seitenwandbereiche, – beispielsweise wenn das Substrat 201 aus einem Schichtstapel, in dem der Graben 204 gebildet ist, aufgebaut ist, – eine mechanische Spannung auf den Hohlraum 209 entlang der gesamten Tiefe ausgeübt.
2d zeigt die Halbleiterstruktur 200 nach Abschluss des Oxidationsvorganges, wobei der Hohlraum 209 im Wesentlichen vollständig gefüllt ist. Es sind typische Abscheideränder 221 in dem Graben 204 gezeigt, die jedoch nicht wesentlich nachteilig die Weiterbearbeitung der Halbleiterstruktur 200 beeinflussen. In einer Ausführungsform wird der Oxidationsprozess für eine Zeitdauer ausgeführt, die ausreicht, um die Abstandsschicht 220 im Wesentlichen vollständig zu oxidieren, so dass der Graben 204 zuverlässig vollständig mit dielektrischem Material, d.h. dem Oxid der Abstandsschicht 220 und dem dielektrischen Material 206, gefüllt ist.
In anderen Ausführungsformen kann die Struktur, wie sie in 2b gezeigt ist, anisotrop geätzt werden, um die Abstandsschicht 220 teilweise oder möglicherweise im Wesentlichen vollständig von dem Oberflächenbereich des Substrats 201 und der Unterseite des Grabens 204 vor dem Abscheiden der dielektrischen Schicht 206 zu entfernen. Somit bleiben die Seitenwände des Grabens 204 mit der dielektrischen Schicht 206 bedeckt, wie dies detaillierter mit Bezug zu den 3a-3h erläutert wird. Im Wesentlichen vollständig Entfernen die Abstandsschicht 220 von der Unterseite des Grabens 204 hat den Vorteil, dass selbst eine unvollständige Oxidation der Abstandsschicht 220, die dann nur an den Seitenwänden des Grabens 204 vorgesehen ist, keine leitende Verbindung innerhalb des Grabens 204 durch ein nichtoxidiertes Material der Abstandsschicht 220 bildet.
Die Halbleiterstruktur 200, wie sie in 2d gezeigt ist, kann dann weiterverarbeitet werden, beispielsweise durch Einebnen der Struktur mittels CMP, wobei im Wesentlichen keine Vertiefung oder Rille auf dem gefüllten Graben 204 gebildet ist.
Mit Bezug zu den 3a–3h werden nun weitere anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei auf eine STI-Struktur ähnlich zu jener, die im einleitenden Teil der Anmeldung beschrieben ist, Bezug genommen wird.
3a zeigt eine Halbleiterstruktur 300 mit einem Substrat 301 mit einer darauf gebildeten ersten Isolierschicht 302 und einer zweiten Isolierschicht 303, die Siliziumdioxid bzw. Siliziumnitrid aufweisen. Hinsichtlich der für das Substrat 301, die erste und zweite Isolierschicht 302, 303 verwendeten Materialien gelten die gleichen Kriterien, wie sie bereits mit Bezug zu den 1a-1h dargelegt sind.
3b zeigt die Halbleiterstruktur 300 nach der Bildung eines Grabens 304 in der ersten und der zweiten Isolierschicht 302, 303 und dem Substrat 301. Das Bilden des Grabens 304 kann ähnliche Prozessschritte beinhalten, wie sie bereits mit Bezug zu den 1a und 1b beschrieben sind, und eine entsprechende Beschreibung wird hiermit weggelassen.
3c zeigt die Halbleiterstruktur 300 nach Abschluss eines thermischen Wachstumsvorganges gemäß einer anschaulichen Ausführungsform, um eine dünne Oxidschicht 330 zu bilden, die als eine Ätzstoppschicht in nachfolgenden Prozessschritten dienen kann.
3d zeigt die Halbleiterstruktur 300 nach Abscheidung einer Abstandsschicht 320, die ein oxidierbares Material, etwa Silizium, Germanium oder ein anderes Material, das mit der weiteren Bearbeitung von integrierten Schaltungen kompatibel ist und ein isolierendes Oxid bildet, aufweist. Da eine Dicke der Abstandsschicht 320 im Bereich von einigen Nanometern bis einige zehn Nanometer liegt, kann die Abstandsschicht 320 im Wesentlichen konform abgeschieden werden, so dass innere Seitenwandbereiche 312 des Grabens 304 vollständig bedeckt sind. Anschließend kann die Halbleiterstruktur 300 einem anisotropen Ätzvorgang unterzogen werden, um die Abstandsschicht 320 von Oberflächenbereichen 313 der zweiten Isolierschicht 303 und von der Unterseite 315 des Grabens 304 zu entfernen. Während dieses anisotropen Ätzvorganges kann die dünne Oxidschicht 330 als eine Ätzstoppschicht dienen, um ein ungewünschtes Ätzen des Substrats 301 an der Unterseite 315 des Grabens 304 zu vehindem. Wie bereits mit Bezug zu den 2a–2d dargestellt ist, kann es in anderen Ausführungsformen vorteilhaft sein, das Bilden der Oxidschicht 330 wegzulassen und die Abstandsschicht 320 nur teilweise zu entfernen oder das anisotrope Ätzen vollständig wegzulassen, um die Abstandsschicht 320 im Wesentlichen intakt zu lassen.
Nach Abschluss des anisotropen Ätzvorganges wird die Abstandsschicht 320 teilweise entfernt und es werden Seitenwandabstandselemente 320a an den Seitenwänden 312 des Grabens 304 gebildet.
3f zeigt die Halbleiterstruktur 300 mit einer Schicht aus dielektrischem Material 306, das auf dem Substrat 301 abgeschieden und teilweise in den Graben 304 eingefüllt ist, wodurch ein Hohlraum 309 erzeug wird. Das dielektrische Material 306 kann ein beliebiges geeignetes Material, etwa Siliziumdioxid sein, das die Diffusion von Sauerstoff zur Förderung der Oxidation der Seitenwandabstandselemente 320a zulässt. Hinsichtlich des Abscheideverfahrens zur Bereitstellung der dielektrischen Schicht 306 gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu den 1a–1h und den 2a–2d angeführt wurden. Es ist wichtig anzumerken, dass im Gegensatz zum konventionellen Prozessablauf, die gesamten Seitenwandbereiche 312 des Grabens 304 einschließlich der nichtoxidierbaren sich verjüngenden Bereiche 305 und der der ersten Isolierschicht 302 entsprechende Seitenwandbereich 305a von den oxidierbaren Seitenwandabstandselementen 320a bedeckt sind. Bei Einbringen der Halbleiterstruktur 300 in eine oxidierende Umgebung werden die Seitenwandabstandselemente 320a oxidiert und eine mechanische Spannung wird auf das dielektrische Material 306 in dem Graben 304 entlang der gesamten Tiefe des Grabens 304 ausgeübt, so dass der Hohlraum 309 im Wesentlichen vollständig geschlossen wird.
3g zeigt die resultierende Struktur nach Abschluss des Oxidationsvorganges.
3h zeigt schematisch die Halbleiterstruktur 300 nach Ausführen eines CMP-Prozesses, um überschüssiges Material der dielektrischen Schicht 306 und der zweiten Isolierschicht 303 zu entfernen, wobei die Oberfläche des Substrats 301 eingeebnet wird. Im Gegensatz zu einem bekannten Prozessablauf ermöglicht es die vorliegende Erfindung, dass ein Oberflächenbereich des gefüllten Grabens 304 erhalten wird, wobei im Wesentlichen keine Vertiefungen oder Rillen auf der Isolationsstruktur gebildet sind. Die erste und die zweite Isolierschicht 302, 303 können dann entfernt werden, wie dies in der konventionellen Bearbeitung beschrieben ist.
Es sollte betont werden, dass die zuvor beschriebenen Ausführungsformen besonders vorteilhaft bei der Herstellung von STI-Isolationsstrukturen in Silizium-basierten Halbleiterelementen sind. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind aber ebenso auf einen beliebigen Grabenfüllprozess anwendbar, in dem die zuverlässige Abscheidung eines dielektrischen Materials in eine Öffnung, beispielsweise einen Graben oder ein Kontaktloch, von dielektrischem Material erforderlich ist, wobei die Größe und die Abmessung der Öffnung zu einer Bildung eines Hohlraums während des Füllvorgangs führen, selbst wenn technisch weit entwickelte Abscheideverfahren angewendet werden. Das Bereitstellen einer oxidierbaren Abstandsschicht mit einer Dicke, die guheherrschbar in einer äußerst konformen Weise entlang der gesamten Tiefe der Öffnung mittels gegenwärtig gut bekannter Abscheideverfahren abscheidbar ist, ermöglicht in einem nachfolgenden Oxidationsschritt das Entfernen eines Hohlraums, der während der Abscheidung des dielektrischen Volumenmaterials erzeugt worden ist. Das Bereitstellen einer relativ dünnen oxidierbaren Abstandsschicht anstelle des Versuchs, die Öffnung mit der Abstandsschicht vollständig zu füllen, kann erreicht werden, ohne dass die Prozesszeit unnötig verlängert wird, da das Oxidieren der dünnen Abstandsschicht oder von Seitenwandabstandselementen innerhalb vernünftiger Oxidationszeiten erreichbar ist.
Ferner ermöglicht es das Verfahren der vorliegenden Erfindung, dass die Isolationsstruktur innerhalb eines weiten Bereichs an Abmessungen skalierbar ist, beispielsweise von mehreren μm bis 0,15 μm und sogar darunter, wobei gut entwickelte Abscheideverfahren angewendet werden. Durch geeignetes Auswählen oxidierbarer Materialien, der Dicke der Abstandsschicht und der Art des Abscheideverfahrens hinsichtlich der Breite und der Tiefe der aufzufüllenden Öffnung können die hierin beschriebenen Ausfüh rungsformen in einfacher Weise auf spezielle Prozesserfordernisse angepasst werden, ohne dass unnötige Änderungen bereits bestehender Prozessabläufe erforderlich sind. Ferner kann das Miniaturisieren von künftigen Bauteilgenerationen mittels gut entwickelter Abscheidrezepte erreicht werden.
Weitere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese Beschreibung lediglich als anschaulich und für die Zwecke gedacht, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen aufzufassen.

Claims

Verfahren zum Füllen eines Grabens, der in einem Substrat gebildet ist, wobei das Verfahren umfasst: konformes Abscheiden einer Abstandsschicht, die oxidierbares Material aufweist, auf dem Substrat und in dem Graben; Abscheiden eines dielektrischen Materials über der Abstandsschicht, um den Graben zu füllen; und Ausführen eines Oxidationsprozesses in einer oxidierenden Umgebung, um wenigstens einen Teil der Abstandsschicht in eine Isolierschicht umzuwandeln.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abstandsschicht im Wesentlichen vollständig oxidiert wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: aniostropes Ätzen der Abstandsschicht vor dem Abscheiden des dielektrischen Materials.
Das Verfahren nach Anspruch 3, das ferner das Bilden einer Ätzstoppschicht vor dem Abscheiden der Abstandsschicht umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei Ausführen des Oxidationsvorganges mindestens einen Teil der Abstandsschicht in Siliziumdioxid umwandelt.
Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Abstandsschicht anisotrop geätzt wird, um Seitenwandabstandselemente in dem Graben zu bilden.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat mindestens eine nichtoxidierbare Isolierschicht darauf gebildet aufweist, wobei der Graben in der zumindest einen Isolierschicht und teilweise in dem Substrat gebildet wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Graben mindestens eine laterale Abmessung von 0,25 μm oder darunter aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Tiefe des Grabens im Bereich von ungefähr 200–700 nm liegt.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine Halbleiterschicht und eine nichtoxidierbare Isolierschicht, die auf der Halbleiterschicht gebildet ist, aufweist, wobei der Graben in der Isolierschicht und zumindest teilweise in der Halbleiterschicht gebildet wird.
Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Halbleiterschicht Silizium und/oder Germanium aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Isoliermaterial Siliziumnitrid aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das dielektrische Material ein Oxid eines halbleitenden Materials ist.
Verfahren zum Füllen eines Grabens, der in einem Substrat gebildet ist, mit einem dielektrischen Material, wobei das Verfahren umfasst: Bilden von Abstandselementen an Seitenwänden des Grabens, wobei die Abstandselemente ein oxidierbares Material aufweisen; Abscheiden eines dielektrischen Materials über dem Substrat, um den Graben im Wesentlichen zu füllen; und Einbringen des Substrats in eine oxidierende Umgebung, um zumindest einen Teil der Abstandselemente in eine Isolierschicht umzuwandeln.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei Bilden der Abstandselemente umfasst: Abscheiden einer Abstandsschicht auf das Substrat und in den Graben und ani sotropes Ätzen der Abstandsschicht, um die Abstandsschicht an der Unterseite des Grabens zu entfernen.
Das Verfahren nach Anspruch 15, das ferner Bilden einer Ätzstoppschicht vor dem Abscheiden der Abstandsschicht umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Ätzstoppschicht durch Oxidieren des Substrats gebildet wird, um eine Oxidschicht innerhalb des Grabens zu bilden.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Substrat einen Isolierschichtstapel umfasst, der auf einer Halbleiterschicht gebildet ist, wobei der Graben in dem Isolierschichtstapel und zumindest teilweise in der Halbleiterschicht gebildet wird.
Das Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Isolierschichtstapel eine Siliziumnitridschicht und eine Siliziumoxidschicht umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 15, wobei eine Dicke der Abstandsschicht im Bereich von ungefähr 5–100 nm liegt.
Verfahren zum Füllen eines Grabens in einem Substrat, wobei das Substrat eine Schicht aus halbleitendem Material und eine Schicht aus dielektrischem Material, die darauf gebildet ist, aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Bilden von Seitenwandabstandselementen aus einem halbleitenden Material in dem Graben, wobei die Seitenwandabstandselemente nicht oxidierbare Seitenwandbereiche des Grabens bedecken; Füllen des Grabens mit einem dielektrischen Material; und Einbringen des Substrats in eine oxidierende Umgebung, um zumindest teilweise die Seitenwandabstandselemente zu oxidieren.
Das Verfahren nach Anspruch 21, wobei Bilden der Seitenwandabstandselemente in dem Graben konformes Abscheiden einer zweiten Schicht aus einem halbleitenden Material auf dem Substrat umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 22, das ferner umfasst: anisotropes Ätzen der zweiten Schicht aus halbleitendem Material, um Material der zweiten halbleitenden Schicht von Bereichen des Substrats außerhalb des Grabens und von einer Unterseite des Grabens zu entfernen.
Das Verfahren nach Anspruch 23, wobei Füllen des Grabens mit einem dielektrischen Material Abscheiden einer zweiten Schicht eines dielektrischen Material auf dem Substrat umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 24, das ferner umfasst: Bilden einer Oxidschicht innerhalb des Grabens vor dem konformen Abscheiden der zweiten Schicht aus halbleitendem Material.
Das Verfahren nach Anspruch 25, wobei Oxidieren der Abstandselemente umfasst: Ausüben eines thermischen Oxidationsprozess bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 600°C–1100°C mit dem Substrat.
Das Verfahren nach Anspruch 22, wobei die zweite Schicht aus halbleitendem Material abgeschieden wird durch subatmosphärische chemische Dampfabscheidung oder eine chemische Dampfabscheidung mit Unterstützung eines äußerst dichten Plasmas.
Das Verfahren nach Anspruch 24, wobei die zweite Schicht aus dielektrischem Material abgeschieden wird durch eine subatmosphärische chemische Dampfabscheidung oder durch eine chemische Dampfabscheidung mit Unterstützung eines äußerst dichten Plasmas.
Das Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Schicht aus halbleitendem Material und die zweite Schicht aus halbleitendem Material Silizium aufweisen.
Das Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Schicht aus dielektrischem Material und die zweite Schicht aus dielektrischem Material Siliziumdioxid aufweisen.
Verfahren zur Herstellung einer Isolationsstruktur in einem Substrat mit einer Halbleiterschicht und einem dielektrischen Schichtstapel, der auf der Halbleiterschicht gebildet ist, wobei das Verfahren umfasst: Bilden eines Grabens in dem Substrat, wobei der Graben sich in einer Tiefenrichtung durch den dielektrischen Schichtstapel erstreckt; konformes Abscheiden einer Abstandsschicht auf dem Substrat, wobei die Abstandsschicht ein oxidierbares Material aufweist, Abscheiden eines dielektrischen Materials zum Füllen des Grabens; und Einbringen des Substrats in eine oxidierende Umgebung, um zumindest teilweise die Abstandsschicht zu oxidieren, um einen Hohlraum zu füllen, der sich während des Abscheidens des dielektrischen Materials bilden kann.
Das Verfahren nach Anspruch 31, das ferner umfasst: anisotropes Ätzen der Abstandsschicht vor dem Abscheiden des dielektrischen Materials, um Seitenwandabstandselemente an Seitenwänden des Grabens zu bilden.
Das Verfahren nach Anspruch 32, das ferner das Bilden einer Ätzstoppschicht vor dem Abscheiden der Abstandsschicht umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 31, wobei eine laterale Abmessung des Grabens 0,25 μm oder weniger beträgt.
Das Verfahren nach Anspruch 31, wobei das dielektrische Material ein Halbleiteroxid ist.
Das Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Abstandsschicht Silizium oder Germanium aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 31, wobei eine Dicke der Abstandsschicht im Bereich von ungefähr 5–100 nm liegt.
Verfahren zum Herstellen von Flachgrabenisolationsstrukturen in einem Substrat aus halbleitendem Material während eines Herstellungsprozesses zur Fertigung integrierter Schaltungen, wobei das Verfahren umfasst: Bilden einer ersten Schicht aus dielektrischem Material auf dem Substrat aus halbleitendem Material; selektives Ätzen der ersten Schicht aus dielektrischem Material und des Substrats aus halbleitendem Material, um Gräben zu bilden, die tiefer als die Dicke der Schicht aus dielektrischem Material sind, wobei die Gräben Seitenwände aufweisen; Bilden von Seitenwandabstandselementen, die ein halbleitendes Material aufweisen, in den Gräben, wobei die Abstandselemente die inneren Seitenwände der Gräben bedecken; Füllen der Gräben mit einem dielektrischen Material; Oxidieren der Abstandselemente entlang der gesamten Tiefe der Gräbenseitenwände.
Das Verfahren nach Anspruch 38, wobei das Bilden von Seitenwandabstandselementen in den Gräben umfasst: konformes Abscheiden einer zweiten Schicht aus halbleitendem Material auf der ersten Schicht aus halbleitendem Material bis zu einer Dicke, die eine vollständige Seitenwandbedeckung innerhalb der Gräben ermöglicht.
Das Verfahren nach Anspruch 39, das ferner umfasst: anisotropes Ätzen der zweiten Schicht aus halbleitendem Material, um das halbleitende Material von den Bereichen der ersten Schicht aus halbleitendem Material außerhalb der Gräben und von der Unterseite der Gräben zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei das Füllen der Gräben mit einem dielektrischen Material Abscheiden einer dritten Schicht aus dielektrischem Material auf der ersten Schicht aus dielektrischem Material umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 38, das ferner umfasst: thermisches Wachsen einer Zwischenschicht aus dielektrischem Material innerhalb der Gräben vor dem konformen Abscheiden der zweiten Schicht aus halbleitendem Material.
Das Verfahren nach Anspruch 38, wobei Oxidieren der Abstandselemente bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 600°C–1100°C ausgeführt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 38, wobei die zweite Schicht aus halbleitendem Material durch eine subatmosphärische chemische Dampfabscheidung abgeschieden wird.
Das Verfahren nach Anspruch 44, wobei die dritte Schicht aus dielektrischem Material gemäß einer subatmosphärischen CVD oder einer CVD unter Unterstützung eines äußerst dichten Plasmas abgeschieden wird.
Das Verfahren nach Anspruch 39, wobei das halbleitende Material des Substrats und der zweiten Schicht Silizium aufweisen.
Das Verfahren nach Anspruch 39, wobei das dielektrische Material der dritten Schicht Siliziumdioxid aufweist.