DE10313584A1 - Trough filling by means of a high density plasma (HDP) process useful in semiconductor production - Google Patents

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    • H01L21/76224—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using trench refilling with dielectric materials

Abstract

Process for at least partial trough filling by means of a high density plasma (HDP) process, where a number of troughs (G1-G5) in a wafer substrate (1) are filled with a filler material (111-115) at a process pressure of at least 50 mTorr.

Description

Verfahren zur Herstellung einer zumindest teilweisen Grabenfüllung mittels des HDP-Verfahrens Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer zumindest teilweisen Grabenfüllung mittels des HDP(High Density Plasma)-Verfahrens.Process for producing an at least partial grave filling by means of the HDP method The present invention relates to a Method for producing an at least partial trench filling by means of the HDP (High Density Plasma) process.

Obwohl auf beliebige Gräben anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik mit Bezug auf STI(„shallow trench isolation")-Gräben erläutert.Although applicable to any trench the present invention and the underlying problem with reference to STI ("shallow trench isolation ") - trenches explained.

Aus S.V. Nguyen, „High-Density Plasma Chemical Vapor Deposition of Silicon-based Dielectric Films for Integrated Circuits", IBM Journal of Research und Development, Vol. 43, 1/2, 1999 ist es bekannt, zum vollständigen Auffüllen von STI-Isolationsgräben ein HDP-Verfahren zur Abscheidung von undotiertem Siliziumoxid als Alternative zum üblichen TEOS/O2- bzw. TEOS/O3-Verfahren anzuwenden.It is known from SV Nguyen, "High-Density Plasma Chemical Vapor Deposition of Silicon-based Dielectric Films for Integrated Circuits", IBM Journal of Research and Development, Vol. 43, 1/2, 1999, for the complete filling of STI isolation trenches to use an HDP process for the deposition of undoped silicon oxide as an alternative to the usual TEOS / O 2 or TEOS / O 3 process.

Bei einem HDP-Verfahren wird üblicherweise ein Plasmareaktor verwendet, in dem ein Wafer auf einem Chuck angeordnet wird, der als Kathode dient.An HDP process is usually used uses a plasma reactor in which a wafer is placed on a chuck that serves as the cathode.

Das Plasma wird mittels induktiver Einkopplung über Spulen erzeugt. Siehe S.V. Nguyen, „High-Density Plasma Chemical Vapor Deposition of Silicon-based Dielectric Films for Integrated Circuits", IBM Journal of Research und Development, Vo1. 43, 1/2, 1999.The plasma is by means of inductive Coupling via Coils generated. See S.V. Nguyen, "High-Density Plasma Chemical Vapor Deposition of Silicon-based Dielectric Films for Integrated Circuits ", IBM Journal of Research and Development, Vo1. 43, 1/2, 1999.

Typische Prozessparameter bei einem HDP-Verfahren zur Abscheidung von undotiertem Siliziumoxid sind: RS-Quellenleistung 2000 bis 20000 W Gase SiH4/Ar/O2/He/H2/NF3 Flussraten, typischerweise 50 bis 1000 sccm Druck 2 bis 10 mTorr Abscheidungstemperatur 250 bis 800°C Abscheidungsrate 180 bis 1000 nm/min Insbesondere laufen solche HDP-Verfahren bei einem relativ niedrigen Druck im Bereich von 2 bis 10 m Torr, um eine hohe Elektronendichte (101–1012 cm–3) zu erreichen.Typical process parameters in an HDP process for the deposition of undoped silicon oxide are: RS source power 2000 to 20,000 W gases SiH 4 / Ar / O 2 / He / H 2 / NF 3 flow rates, typically 50 to 1000 sccm pressure 2 to 10 mTorr deposition temperature 250 to 800 ° C deposition rate 180 to 1000 nm / min In particular, such HDP processes run at a relatively low pressure in the range from 2 to 10 m Torr to achieve a high electron density (10 1 -10 12 cm -3 ).

3 ist eine schematische Darstellung des Prozessresultats eines Verfahren zur Herstellung einer zumindest teilweisen Grabenfüllung mittels des HDP(High Density Plasma)-Verfahrens angewendet auf eine Mehrzahl von Gräben mit hohem Aspektverhältnis in einem Silizium-Wafersubstrat zur Erläuterung der der Erfindung zugrundeliegenden Problematik. 3 is a schematic representation of the process result of a method for producing an at least partial trench filling by means of the HDP (High Density Plasma) method applied to a plurality of trenches with a high aspect ratio in a silicon wafer substrate to explain the problem on which the invention is based.

In 3 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Silizium-Wafer-Substrat mit einer Oberfläche OF, in dem eine Mehrzahl von Gräben G1 bis G5 eingebracht worden ist. Auf dem Stegen befindet sich eine Hartmaske aus Siliziumnitrid 5. Unterhalb des Substrats 1 bezeichnet Bezugszeichen M den Wafer-Mittelpunkt. Insofern ist aus 2 ersichtlich, dass der Graben G3 in etwa in der Mitte des Wafers angeordnet ist, wohingegen die Gräben G2 bzw. G4 weiter entfernt vom Wafer-Mittelpunkt M sind und die Gräben G1 bzw. G5 noch weiter entfernt vom Wafer-Mittelpunkt M sind. G1 und G5 befindet sich am nächsten zum Waferrand.In 3 denotes reference numerals 1 a silicon wafer substrate with a surface OF, in which a plurality of trenches G1 to G5 have been introduced. There is a hard mask made of silicon nitride on the web 5 , Below the substrate 1 Reference character M denotes the center of the wafer. In this respect it is over 2 it can be seen that the trench G3 is arranged approximately in the middle of the wafer, whereas the trenches G2 and G4 are further away from the center of the wafer M and the trenches G1 and G5 are still further away from the center of the wafer M. G1 and G5 are closest to the wafer edge.

Das Silizium-Wafer-Substrat 1 mit den Gräben G1 bis G5 wurde in einem üblichen, oben beschriebenen HDP-Reaktor mittels des HDP-Verfahrens zur Abscheidung von undotiertem Siliziumoxid auf den Gräbenböden bei den oben angegebenen üblichen Prozessbedingungen behandelt.The silicon wafer substrate 1 trenches G1 to G5 were treated in a conventional HDP reactor described above by means of the HDP process for the deposition of undoped silicon oxide on the trench bottoms under the usual process conditions specified above.

Siliziumoxid scheidet sich als Hütchen 201, 202, 203, 204, 205, 206 auf den Stegen, als Füllungen 101, 102, 103, 104, 105 in den Gräben G1–G5 und kaum im oberen Bereich der Grabenwände ab (letzteres nicht dargestellt).Silicon oxide separates as a cap 201 . 202 . 203 . 204 . 205 . 206 on the bridges as fillings 101 . 102 . 103 . 104 . 105 in the trenches G1-G5 and hardly in the upper area of the trench walls (the latter not shown).

Als Resultat dieser Behandlung ist erkennbar, dass die Höhe h der Befüllung vom Wafer-Mittelpunkt M nach außen hin stark abnimmt. Auch variiert das Oberflächenprofil der jeweiligen Füllungen 101, 102, 103, 104, 105 aus Siliziumoxid.As a result of this treatment, it can be seen that the height h of the filling decreases sharply towards the outside from the center of the wafer M. The surface profile of the respective fillings also varies 101 . 102 . 103 . 104 . 105 made of silicon oxide.

Der beobachtete Effekt wird darauf zurückgeführt, dass die Ionen oberhalb des Wafer-Mittelpunkts M eine relativ kleine geringe freie Weglänge aufweisen, wohingegen die freie Weglänge der Ionen nach außen hin stark zunimmt. Zum Effekt tragen auch Inhomogenitäten am Source Plasma bei, die zu Abschattung am Rand führen.The observed effect is on it attributed that the ions above the wafer center M are relatively small have a small free path, whereas the free path length of the ions to the outside increases sharply. Inhomogeneities at the source also contribute to the effect Plasma, which lead to shadowing at the edge.

Somit ergibt sich, wie durch die Pfeile in 3 angedeutet, gleichsam eine gerichtete Abscheidung bezüglich eines virtuellen Abscheidungszentrums HDPQ.Thus, as shown by the arrows in 3 indicated, as it were directed deposition with respect to a virtual deposition center HDPQ.

Des weiteren lässt sich beobachten, dass nahezu kein Siliziumoxid an den Wänden im oberen Bereich der Gräben G1–G5 abgeschieden wird.Furthermore, it can be observed that almost no silicon oxide on the walls in the upper part of the trenches G1-G5 is deposited.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer zumindest teilweisen Grabenfüllung mittels des HDP(High Density Plasma)-Verfahrens anzugeben, wobei eine bessere Gleichförmigkeit über die Waferoberfläche erzielt werden kann.The object of the invention is a Method for producing an at least partial trench filling by means of the HDP (High Density Plasma) process, with a better one Uniformity across the wafer surface can be achieved.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer zumindest teilweisen Grabenfüllung mittels des HDP(High Density Plasma)-Verfahrens nach Anspruch 1 gelöst.This task is accomplished through a process for producing an at least partial trench filling by means of of the HDP (High Density Plasma) method according to claim 1.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Preferred developments are the subject of subclaims.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weisen die Gräben ein Aspektverhältnis von mindestens 4 : 1 auf.According to a preferred development the trenches an aspect ratio from at least 4: 1.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung besteht das Wafersubstrat aus Silizium.According to another preferred The wafer substrate is made of silicon.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden die Gräben im unteren Bereich vollständig aufgefüllt, wobei im oberen Bereich eine Linerschicht aus dem Füllmaterial an den Gräbenwänden gebildet wird.According to another preferred Continuing education will be the trenches completely in the lower area filled, with a liner layer made of the filler material in the upper area formed on the trench walls becomes.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung liegt der Prozessdruck zwischen 50 mTorr und 200 mTorr.According to a further preferred further formation, the process pressure is between 50 mTorr and 200 mTorr.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained below of an embodiment explained in more detail with reference to the drawings.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Darstellung des Prozessresultats einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Verfahren zur Herstellung einer zumindest teilweisen Grabenfüllung mittels des HDP(High Density Plasma)-Verfahrens angewendet auf eine Mehrzahl von Gräben mit hohem Aspektverhältnis in einem Silizium-Wafersubstrat; 1 a schematic representation of the process result of an embodiment according to the invention of a method for producing an at least partial trench filling by means of the HDP (high density plasma) method applied to a plurality of trenches with a high aspect ratio in a silicon wafer substrate;

2 eine schematische Darstellung des Prozessresultats einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Verfahren zur Herstellung einer zumindest teilweisen Grabenfüllung mittels des HDP(High Density Plasma)-Verfahrens angewendet auf eine Mehrzahl von Gräben mit hohem Aspektverhältnis in einem Silizium-Wafersubstrat; und 2 a schematic representation of the process result of a further embodiment of a method according to the invention for producing an at least partial trench filling by means of the HDP (high density plasma) method applied to a plurality of trenches with a high aspect ratio in a silicon wafer substrate; and

3 eine schematische Darstellung des Prozessresultats eines Verfahren zur Herstellung einer zumindest teilweisen Grabenfüllung mittels des HDP(High Density Plasma)-Verfahrens angewendet auf eine Mehrzahl von Gräben mit hohem Aspektverhältnis in einem Silizium-Wafersubstrat zur Erläuterung der der Erfindung zugrundeliegenden Problematik. 3 a schematic representation of the process result of a method for producing an at least partial trench filling by means of the HDP (High Density Plasma) method applied to a plurality of trenches with a high aspect ratio in a silicon wafer substrate to explain the problem on which the invention is based.

In den Figuren gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder gleich wirkende Elemente.The same reference numerals in the figures denote the same or equivalent elements.

Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform wurde der HDP-Prozess bei einem wesentlich erhöhten Prozessdruck von 50 mTorr gefahren. Daraus resultierend ergab sich, wie gezeigt, eine teilweise Auffüllung der Gräben G1 bis G5 mit jeweiligen Füllungen 111 bis 115 aus undotiertem Siliziumoxid, deren Füllhöhen h annähernd gleich waren. Zudem ergab sich die Bildung eines linerartigen Films von undotiertem Siliziumoxid auf den Grabenwänden. Siliziumoxid scheidet sich weiterhin als Hütchen 211, 212, 213, 214, 215, 216 auf den Stegen ab.At the in 1 In the embodiment shown, the HDP process was run at a significantly increased process pressure of 50 mTorr. As a result, the trenches G1 to G5 were partially filled with respective fillings, as shown 111 to 115 made of undoped silicon oxide, the filling levels h of which were approximately the same. In addition, a liner-like film of undoped silicon oxide was formed on the trench walls. Silicon oxide continues to separate as a cap 211 . 212 . 213 . 214 . 215 . 216 on the jetties.

Zurückgeführt wird das beobachtete Phänomen darauf, dass aufgrund des erhöhten Drucks die Winkelabhängigkeit der freien Weglänge abnimmt, da die Stoßwahrscheinlichkeit zunimmt. Somit verschwindet die Winkelabhängigkeit der Höhe der Füllungen 111 bis 115 sowie die Unterschiedlichkeit der Oberflächenprofile.The observed phenomenon is attributed to the fact that, due to the increased pressure, the angle dependence of the free path length decreases, since the probability of impact increases. The angular dependence of the height of the fillings thus disappears 111 to 115 as well as the diversity of the surface profiles.

Somit ergibt sich, wie durch die Pfeile in 1 angedeutet, gleichsam eine gerichtete Abscheidung bezüglich einer virtuellen linearen Abscheidungsquelle HDPQ'.Thus, as shown by the arrows in 1 indicated, as it were directed deposition with respect to a virtual linear deposition source HDPQ '.

Der bei diesem Prozess beobachtete Liner an den Grabenwänden im oberen Grabenbereich kann, falls erwünscht, für folgende Prozessschritte in den Gräben G1 bis G5 belassen werden oder kann durch eine Überätzung entfernt werden.The one observed in this process Liners on the trench walls In the upper trench area, if desired, for the following process steps in the trenches G1 to G5 can be left or can be removed by overetching.

Besonders geeignet ist der beschriebene Prozess bei Gräben, die ein Aspektverhältnis von 4 : 1 oder höher aufweisen.The process described is particularly suitable trenches, which is an aspect ratio of 4: 1 or higher exhibit.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäss 2 kann die so erzielte Abscheidungscharakteristik ausgenutzt werden, um gezielt eine Füllung mit einem Lunker zu erzielen, der unterhalb der Substratoberfläche liegt, also bei einem späteren chemisch-mechanischen Polieren nicht mehr freigelegt wird.In a further embodiment according to 2 the deposition characteristic obtained in this way can be used to selectively achieve a filling with a blow hole that lies below the substrate surface, that is to say is no longer exposed during a subsequent chemical-mechanical polishing.

Siliziumoxid scheidet sich weiterhin als überhängende Hütchen 211', 212', 213', 214', 215', 216' auf den Stegen ab.Silicon oxide continues to separate as overhanging cones 211 ' . 212 ' . 213 ' . 214 ' . 215 ' . 216 ' on the jetties.

Beim erfindungsgemäßen Prozess mit höherem Druck ergibt sich somit ein Cusping, wo die Seitenwandbedeckung am dicksten ist, das deutlich niedriger liegt als bei normalem Druck. Wenn dieses Cusping so dick wäre, dass sich beide Seiten treffen, so lassen sich Voids bzw. Lunker L1 bis L5 erzeugen, die unterhalb der Substratoberfläche OF liegen und deswegen sicherlich bei einem späteren chemisch-mechanischen Polieren begraben bleiben. Dieses Verfahrensvariante kann man insbesondere für alle höheren Aspektverhältnisse (> 5 : 1) anwenden, wo mit üblichem HDP keine lunkerfreie Füllung möglich ist.In the process according to the invention with higher Pressure thus results in a cusping where the sidewall covering thickest, which is significantly lower than normal pressure. If this cusping were so thick that both sides meet, so voids or blowholes Generate L1 to L5, which are below the substrate surface OF and therefore certainly in a later chemical-mechanical one Polishing remain buried. This process variant can be used in particular for all higher aspect ratios (> 5: 1) apply, where with usual HDP no void-free filling is possible.

11
Silizium-WafersubstratSilicon wafer substrate
G1–G5G1-G5
Gräbentrenches
101–105101-105
Füllungfilling
111–115111-115
Füllungfilling
55
Siliziumnitrid-HartmaskeSilicon nitride hard mask
HDPQ, HDPQ'HDPQ, HDPQ '
Abscheidungsquelledeposition source
MM
WafermittelpunktWafer center
OFOF
Substratoberflächesubstrate surface
201–206, 211–216201-206, 211-216
Hütchen aus SiliziumoxidHat off silica
211'–216'211'-216 '
Hütchen aus SiliziumoxidHat off silica

Claims (7)

Verfahren zur Herstellung einer zumindest teilweisen Grabenfüllung mittels des HDP(High Density Plasma)-Verfahrens, wobei eine Mehrzahl von Gräben (G1-G5) in einem Wafersubstrat (1) mit einem Füllmaterial (111–115) aufgefüllt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessdruck mindestens 50 mTorr beträgt.Method for producing an at least partial trench filling by means of the HDP (high density plasma) method, a plurality of trenches (G1-G5) in a wafer substrate ( 1 ) with a filling material ( 111-115 ) is filled, characterized in that the process pressure is at least 50 mTorr. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gräben (G1–G5) ein Aspektverhältnis von mindestens 5 : 1 aufweisen.A method according to claim 1, characterized in that the trenches (G1-G5) an aspect ratio of at least 5: 1. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (111–115) undotiertes Siliziumoxid ist.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the filling material ( 111-115 ) is undoped silicon oxide. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wafersubstrat (1) aus Silizium besteht.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the wafer substance advice ( 1 ) consists of silicon. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gräben (G1–G5) im unteren Bereich vollständig aufgefüllt werden und im oberen Bereich eine Linerschicht aus dem Füllmaterial (111–115) an den Gräbenwänden gebildet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the trenches (G1-G5) are completely filled in the lower region and a liner layer made of the filling material ( 111-115 ) is formed on the trench walls. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessdruck zwischen 50 mTorr und 200 mTorr liegt.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized that the process pressure between 50 mTorr and 200 mTorr lies. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gräben (G1–G5) derart aufgefüllt werden, dass sie jeweils einen Lunker (L1–L5) aufweisen, der sich unterhalb der Substratoberfläche (OF) befindet.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized that the trenches (G1-G5) are such filled that they each have a void (L1-L5), which is below the substrate surface (OF) is located.
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