DE19603108C2 - Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Isolationsstrukturen mit einem an einer Strukturgrenze eines Halbleitersubstrats geformten Graben - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Isolationsstrukturen mit einem an einer Strukturgrenze eines Halbleitersubstrats geformten Graben

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Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Isolationsstrukturen, die in der Lage sind, einen Isolierfilm innerhalb einer Struktur und einen Isolierfilm zwischen Strukturen während eines konsi­ stenten Prozesses unabhängig und verträglich bereitzustel­ len, so daß Latch-Up-Eigenschaft auch in einem Bauteil, das eine Strukturgröße von unter 0,5 µm erfordert, verhindert werden kann.
2. Beschreibung der herkömmlichen Technik
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist das herkömmliche Halblei­ terbauteil darauf gerichtet, Isolierfilme innerhalb einer Struktur und zwischen Strukturen in einem Bauteil-Isolier­ verfahren eines LOCOS zwischen Bauelementeinheiten zu for­ men.
Ein Halbleiterbauteil ist darauf gerichtet, das Auf­ treten von Latch zu beschränken, indem genug Raum zwischen einem Abstand von MOS FET aus p-Struktur oder n-Struktur sichergestellt wird, um die Stromverstärkung eines aus n+- Übergang, p-Struktur und n-Struktur bestehenden npn-Bipo­ lartransistors zu verringern. Der n+-Übergang bildet hier die Source/Drainelektroden eines n-Kanal-FET.
Da jedoch der Integrationsgrad von CMOS Halbleiterbau­ teilen erhöht wird, ist in der Industrie ein Entwurfswerk­ zeug für ein Bauteil mit einem Dimensionsmaßstab von unter 0,5 µm erforderlich. Mit dem oben erwähnten Verfahren ist es schwierig, das Auftreten von Latch-Up auf der Grundlage einer hohen Integration des Bauteils zu verhindern.
Deshalb wurde in der Industrie das deep trench bzw. Tiefgraben-Bauteil-Isolierverfahren entwickelt, um das herkömmliche Bauteil-Isolierverfahren innerhalb einer Struktur oder innerhalb von Strukturen zu ersetzen.
Eines der oben erwähnten Tiefgraben-Bauteil-Isolier­ verfahren wird in einem Patent US 4,766,090 A der American tele­ phone and telegraph Co. beschrieben und Percy V. Gilbert von Motorola Co. beschrieb dasselbe in einem Bericht "Latch-up performance of a sub- 0,5 micron ilnterwell deep trench technology", die auf die Optimierung eines Tiefgra­ ben-Bauteil-Isolierverfahrens zwischen Strukturen in einem Bauteil im tiefen Submikrometer-Bereich gerichtet ist.
Die Offenbarung des US 4,766,090 A ist darauf gerichtet, einen Graben auf einem Graben und an einer Grenze zwischen einer n-Struktur und einer p-Struktur zu formen, an einer Seitenwand des Grabens einen thermischen Oxidfilm zu ent­ wickeln und Polysilizium oder amorphes Silizium in den Gra­ ben zu füllen. Danach wird mit einem allgemeinen Bauteil- Isolierverfahren die Bildung eines Isolierfilms zwischen einem von der inneren Wand isolierten Bauteil und einem anderen Bauteil erreicht.
Inzwischen beschreibt der Bericht vom '93 IEDM von Percy. V. Gilbert ein Verfahren zum Formen einer n-Struktur und einer p-Struktur, Durchführen eines PBL-(Polysilizium­ puffer-LOCOS-)Bauteil-Isolierprozesses in einem Bauteil- Isolierverfahren innerhalb einer Struktur, Abscheiden eines CVD-Oxidfilms, Ätzen mit einem bestimmten Muster, um so an einer Grenze zwischen Strukturen einen Graben zu formen, und Formen eines Grabens mit einer Tiefe von 4,0-5,0 µm wie in Fig. 2A gezeigt mit einer aus einem gemusterten CVD- Oxidfilm bestehenden Maske.
Danach wird die Innenseite des Grabens durch Silizium- Naßätzen oder unter Verwendung anodischer Oxidation gerei­ nigt und über der gesamten Oberfläche des Grabens wird ein thermischer Oxidfilm entwickelt. Durch Füllen des Grabens mit Ozon-TEOS wird ein Muster wie in Fig. 2B gezeigt ge­ formt. Fig. 2C zeigt einen Rückätzprozeß, der darauf ge­ richtet ist, durch Zurückätzen ein Bauteil innerhalb einer Struktur und ein Bauteil zwischen Strukturen zu isolieren, um so den Latch-Up zu beschränken.
Der oben erwähnte Prozeß hat jedoch deshalb Nachteile, da es schwierig ist, die Latch-Up-Probleme durch Kombinie­ ren des Bauteil-Isolierprozesses zwischen Strukturen und des Bauteil-Isolierprozesses innerhalb einer Struktur zu überwinden, jeder Prozeß sollte unabhängig durchgeführt werden.
Das bedeutet, daß der Bauteil-Isolierprozeß innerhalb einer Struktur in einem allgemeinen Bauteil-Isolierprozeß durchgeführt wird und der Bauteil-Isolierprozeß zwischen Strukturen in einem Tiefgraben-Prozeß durchgeführt wird, so daß die beiden oben erwähnten Bauteil-Isolierverfahren un­ abhängig durchgeführt werden und somit die Herstellungskos­ ten und die Anzahl von Prozessen erhöht werden. Zusätzlich ist verursacht durch die duplizierten Prozesse eine lange Durchlaufzeit (TAT) erforderlich. Außerdem wird die Ausbeu­ te bei der Produktherstellung verringert.
Aus der US 4,994,406 A ist ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils bekannt. Auf einem Substrat werden eine thermische Oxidschicht, eine Polysiliziumschicht und eine erste dielektrische Schicht abgeschieden. Anschließend werden in der ersten dielektrischen Schicht Öffnungen ge­ formt und Gräben in das Substrat geätzt. In den Öffnungen werden dann durch LOCOS-Oxidation Isolationselemente gebil­ det.
Aus der US 5,112,772 A ist ein Verfahren zur Herstellung einer Grabenstruktur bekannt, bei dem eine Oxidschicht, eine Polysiliziumschicht und eine Nitridschicht auf einem Substrat abgeschieden werden. Anschließend wird in dem Sub­ strat ein Graben geformt, dessen Seitenwände mit eine dielektrischer Beschichtung versehen werden, und der mit Polysilizium gefüllt wird. Eine Polysiliziumschicht wird dann auf die Grabenstruktur aufgebracht. Die Polysilizium­ schicht und ein Teil des in dem Graben angeordneten Füllma­ terials wird anschließend oxidiert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist folglich eine Aufgabe der vorliegenden Erfin­ dung, ein Bauteil-Isolierverfahren für ein Halbleiterbau­ teil bereitzustellen, das die beim herkömmlichen Bauteil- Isolierverfahren für ein Halbleiterbauteil auftretenden Probleme überwindet.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfin­ dung, ein verbessertes Bauteil-Isolierverfahren für ein Halbleiterbauteil bereitzustellen, das in der Lage ist, einen Isolierfilm innerhalb einer Struktur und einen Iso­ lierfilm zwischen Strukturen während eines konsistenten Prozesses unabhängig und verträglich bereitzustellen, so daß Latch-Up-Eigenschaft auch in einem Bauteil, das eine Strukturgröße von unterhalb 0,5 µm erfordert, verhindert werden kann.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Isolationsstrukturen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. mit den Merkmalen des nebengeordneten An­ spruchs 6 gelöst.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer Struktur eines herkömmlichen Halbleiterbauteils und einer Bauteil- Isolierung zwischen Strukturen, die mit einem LOCOS-Verfah­ ren hergestellt ist.
Fig. 2A bis 2C sind Querschnittsansichten, die einen Bauteil-Isolierprozeß durch einen Graben zwischen Struktu­ ren eines herkömmlichen Halbleiterbauteils zeigen.
Fig. 3A bis 3G sind Querschnittsansichten, die ein Bauteil-Isolierverfahren eines Halbleiterbauteils einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
Fig. 4A bis 4J sind Querschnittsansichten, die ein Bauteil-Isolierverfahren eines Halbleiterbauteils einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf das Verhindern der Latch-Up-Probleme, die in einem CMOS Halbleiterbauteil im tiefen Submikrometer-Bereich auftreten, mit einem Tiefgra­ ben-Bauteil-Isolierverfahren zwischen Strukturen und auf das verträgliche Durchführen der Bauteil-Isolierverfahren sowohl innerhalb einer Struktur als auch zwischen Struktu­ ren gerichtet, so daß die Ausbeute durch Verringerung der Anzahl von Prozessen erhöht wird.
Wie in Fig. 3A gezeigt, werden gemäß einer ersten Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung in einem p-Sili­ ziumsubstrat 10 eine n-Struktur 12 und eine p-Struktur 14 geformt und auf der n-Struktur und der p-Struktur wird ein CVD-Isolierfilm 16 mit einer Dicke von 100 nm geformt.
Danach wird wie in Fig. 3B gezeigt mit einem Fotoätz­ verfahren ein lichtempfindliches Muster 18 auf dem CVD- Isolierfilm 16 geformt, um so die Grabenbildung an einer Grenze zwischen der n-Struktur 12 und der p-Struktur 14 zu verbessern, und der durch eine Maske freigelegte CVD-Iso­ lierfilm 16 wird mit einem Reaktivionen-Ätzverfahren (RIE) geätzt, bis das Substrat freigelegt ist.
Wie in Fig. 3C gezeigt, wird das lichtempfindliche Muster 18 entfernt und ein Teilbereich des Substrats eines Struktur-Grenzbereichs wird geätzt, um einen Graben mit einer Tiefe von 4,0-5,0 µm zu formen, und BF2+ wird unter den Bedingungen 5,0 × 1013 Ionen/cm2 und 40 KeV als Kanal­ stop-Ionen in den Graben gefüllt.
Zu diesem Zeitpunkt ist das Entfernen des lichtemp­ findlichen Musters 18 auf das Überwinden der Unregelmäßig­ keit beim Ätzen gerichtet, die während eines Tiefgraben- Ätzprozesses durch Polymer bewirkt wird. Danach wird der Graben mit dem niederenergetischen trockenchemischen Ätz­ verfahren unter Verwendung von CF4/O2 lichtgeätzt und in verdünntem flüssigem HF gereinigt, um so den CVD-Oxidfilm 16 zu entfernen.
Auf der vorderen Oberfläche des Substrats, wo der Gra­ ben geformt ist, wird in einer trockenen O2-Umgebung bei 900°C ein thermischer Oxidfilm 20 mit einer Dicke von 15 nm geformt und mit dem Niederdruckverfahren zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase (LPCVD) wird Polysilizium oder amorphes Silizium 22 mit einer Dicke von 100 nm auf dem thermischen Oxidfilm 20 abgeschieden. Hier wird das Polysilizium 22 in den Graben gefüllt.
Danach wird wie in Fig. 3E gezeigt ein Siliziumnitrid­ film 24 auf dem Polysilizium 22 bis zu einer Dicke von 140 nm abgeschieden und der Bereich desselben wird in einem Fotoätzverfahren in einen aktiven Bereich und einen Feldbe­ reich unterschieden. Als Ergebnis verbleibt ein Siliziumni­ tridfilm im aktiven Bereich, auf dem das Bauteil angebracht wird, und im Feldbereich wird der Siliziumnitridfilm unter Verwendung von CHF3/CF4 entfernt, so daß die Oberfläche des Polysiliziums 22 des Substrats freigelegt wird.
Danach kann, falls nötig, in dieser Ausführungsform weiter ein Schritt zum Entfernen des Polysiliziums 22 des Feldbereichs mit einer Maske aus dem Siliziumnitridfilm 24 bereitgestellt werden. In dieser Hinsicht kann durch einen Rückätzprozeß an der Seitenwand ein mit Polysilizium ge­ formtes Seitenwand-Trennstück geformt werden.
Als nächstes wird durch einen thermischen Oxidprozeß in einer H2/O2-Umgebung am Feldbereich ein Isolierfilm 26 mit einer Dicke von 400 nm geformt. Zusätzlich werden wie in Fig. 3G gezeigt der Siliziumnitridfilm 24 und das Poly­ silizium 22 der Reihe nach entfernt.
Mit Bezug auf Fig. 4A bis 4J wird nun das Bauteil- Isolierverfahren für ein Halbleiterbauteil einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert.
Da die Prozesse von Fig. 4A bis 4C dieselben wie bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind, werden jetzt nur die Prozesse von Fig. 4D bis 4J erläutert.
Auf dem auf der vorderen Oberfläche des Substrats mit dem Graben entwickelten thermischen Oxidfilm 20 wird mit dem LPCVD-Verfahren ein Siliziumnitridfilm 24 mit einer Dicke von 10 nm abgeschieden, und auf dem Siliziumnitrid 24 wird mit dem Fotoätzverfahren ein lichtempfindliches Film­ muster 18' geformt, um so den aktiven Bereich und den Feld­ bereich zu unterscheiden, und der Siliziumnitridfilm des Feldbereichs wird wie in Fig. 4E gezeigt mit einer Maske aus dem lichtempfindlichen Muster 18' entfernt.
Danach wird das lichtempfindliche Muster 18' entfernt und durch einen ersten thermischen Oxidationsprozeß wird wie in Fig. 4F gezeigt in einer Umgebung von 1000°C und H2/O2 ein Isolierfilm 26 mit einer Dicke von 250 nm entwic­ kelt. Zu diesem Zeitpunkt kann, falls nötig, unter Verwen­ dung des nach dem ersten thermischen Oxidationsprozeß ge­ formten Isolierfilms das Verfahren zum Einbringen von Ionen durchgeführt werden.
Als nächstes wird wie in Fig. 4G gezeigt das Polysili­ zium 22 mit dem LPCVD-Verfahren auf dem Muster abgeschieden und das Polysilizium 22 wird mit dem RIE-Verfahren zurück­ geätzt, so daß ein Muster wie in Fig. 4I gezeigt geformt wird.
Zusätzlich wird wie in Fig. 4J gezeigt, der Isolier­ film 26 mit einer Dicke von 400 nm in einer Umgebung von 1000°C und H2/O2 durch den zweiten thermischen Oxidations­ prozeß entwickelt, und wie in Fig. 4J gezeigt wird der Si­ liziumnitridfilm 24 durch Einbringen in H3PO4 entfernt.
Neben dem oben erwähnten Verfahren kann der Isolier­ film mit einer Dicke von 400 nm wie in Fig. 4F gezeigt wäh­ rend des ersten thermischen Oxidationsprozesses entwickelt werden. Zusätzlich wird der CVD-Isolierfilm SiO2 in den Graben gefüllt und zurückgeätzt.
Wie oben beschrieben hat das Bauteil-Isolierverfahren für ein Halbleiterbauteil folgende Vorteile:
  • 1. Es ist möglich, durch Erreichen einer Isolierung zwischen Strukturen mit dem Tiefgraben-Verfahren das Auf­ treten von Latch-Up zwischen Strukturen zu verhindern, so daß es an ein Bauteil mit hoher Integrationsdichte angepaßt werden kann, das eine Strukturgröße von unter 0,5 µm erfor­ dert, und
  • 2. es ist möglich, verträglich durch denselben Prozeß Bauteil-Isolierung innerhalb einer Struktur und zwischen Strukturen zu erreichen, so daß Herstellkosten und -zeit des Produkts durch Verringern der Anzahl von Prozessen vor­ teilhaft verringert werden können, und
  • 3. die Produktausbeute kann erhöht werden.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung von Halbleiter- Isolationsstrukturen mit den Schritten:
ein erster Schritt, der an einer Strukturgrenze eines Halbleitersubstrats (10) mit einer n-Struktur (12) und ei­ ner p-Struktur (14) einen Graben formt;
ein zweiter Schritt, der auf der vorderen Oberfläche, einschließlich eines Grabens, des Halbleitersubstrats (10) der Reihe nach einen thermischen Oxidfilm (20), einen Sili­ ziumfilm (22) und einen Nitridfilm (24) formt;
ein dritter Schritt, der den Nitridfilm (24) eines Feldbereichs selektiv entfernt; und
ein vierter Schritt, der unter Verwendung einer ther­ mischen Oxidation in einem Feldbereich einen Isolierfilm (26) entwickelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Siliziumfilm (22) entweder mit einem polykristallinen Silizium oder ei­ nem amorphen Silizium geformt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verfahren einen Schritt zum Einbringen von Ionen beinhaltet, der auf das Durchführen einer Dotierung mit Kanalstop-Ionen hinsichtlich des Bodens des Grabens gerichtet ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verfahren einen Schritt enthält, der den Siliziumfilm (22) eines Feldbereichs mit einer Maske aus dem Nitridfilm (24) ent­ fernt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem während des Schritts zur Entfernung des Siliziumfilms (22) an einem thermischen Oxidfilm (20) an der Seitenwand durch Zurückät­ zen ein aus einem Siliziumfilm (22) geformtes Seitenwand- Trennstück geformt wird.
6. Verfahren zur Herstellung von Halbleiter- Isolationsstrukturen mit den Schritten:
ein erster Schritt, der an einer Strukturgrenze eines Halbleitersubstrats (10) mit einer n-Struktur (12) und ei­ ner p-Struktur (14) einen Graben formt;
ein zweiter Schritt, der auf der vorderen Oberfläche, einschließlich des Grabens, des Halbleitersubstrats (10) der Reihe nach einen thermischen Oxidfilm (20) und einen Nitridfilm (24) formt;
ein dritter Schritt, der den Nitridfilm (24) in einem Feldbereich selektiv entfernt;
ein vierter Schritt, der durch eine thermische Oxida­ tion einen Isolierfilm (26) im Feldbereich entwickelt; und
ein fünfter Schritt, der einen CVD-Siliziumfilm ab­ scheidet und ihn zurückätzt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, mit einem sechsten Schritt, der durch eine thermische Oxi­ dation einen Isolierfilm (26) im Feldbereich entwickelt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Siliziumfilm (22) entweder mit einem polykristallinen Silizium oder ei­ nem amorphen Silizium geformt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Verfahren einen Schritt zum Einbringen von Ionen enthält, der darauf gerichtet ist, entweder nach einer Grabenbildung oder nach der ersten thermischen Oxidation hinsichtlich des Bodens des Grabens eine Dotierung mit Kanalstop-Ionen durchzufüh­ ren.
10. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der dritte Schritt darauf gerichtet ist, im wesentlichen den Nitrid­ film (24) vom Boden des Grabens zu entfernen.
11. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Verfahren einen Schritt zum Einbringen von Ionen beinhaltet, der dar­ auf gerichtet ist, hinsichtlich des Bodens des Grabens eine Dotierung mit Kanalstop-Ionen durchzuführen.
12. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der dritte Schritt darauf gerichtet ist, im wesentlichen den Nitrid­ film (24) vom Boden des Grabens zu entfernen.
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