DE19636914A1 - Verfahren zum Auffüllen eines Grabens mit Hilfe eines anisotropen Ätzprozesses - Google Patents

Verfahren zum Auffüllen eines Grabens mit Hilfe eines anisotropen Ätzprozesses

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Manfred Hain
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auffüllen eines Gra­ bens in einem Halbleitersubstrat mit einer Schicht.
Bei der Herstellung integrierter Schaltungen stellt sich oft die Aufgabe, einen Graben mit senkrechten oder annähernd senkrechten Seitenwänden und einem hohen Aspektverhältnis (Grabentiefe/Grabenbreite) in einem Halbleitersubstrat mit einer Schicht insbesondere vollständig aufzufüllen. Ein Bei­ spiel dafür ist die sogenannte Shallow-Trench-Isolation oder die Auffüllung von periodisch verlaufenden Grabenfeldern in Lesespeichern (ROMs), wobei an den Seitenwänden Transistoren angeordnet sein können. Wichtig ist dabei die gleichmäßige Füllung des Grabens, ohne daß in der Schicht Löcher (soge­ nannte Lunker) entstehen.
Bei dem zuletzt genannten Beispiel, das anhand der Fig. 6 bis 8 näher erläutert wird, soll ein Graben 2 mit annähernd parallelen Seitenwänden und einem Aspektverhältnis (Graben­ tiefe z/Grabenbreite x) < 0,5 mit einer isolierenden Schicht aufgefüllt werden. Das Substrat 1 besteht meist aus Silizium, das bereits Halbleiterstrukturen enthalten kann. Als isolie­ rende Schicht 3 wird vorzugsweise TEOS verwendet, das mit Hilfe eines Ofenprozesses auf dem Siliziumsubstrat abgeschie­ den wird. Gegebenenfalls kann vor der TEOS-Abscheidung auch ein dünnes thermisches Oxid und/oder ein Nitrid 4 auf der Substratoberfläche aufgewachsen werden. Das TEOS 3 wird mit einer solchen Schichtdicke D abgeschieden, daß der Graben 2 gefüllt wird, also mindestens mit der halben Grabenweite (D x/2). Bei einer solchen Prozeßführung stellt sich übli­ cherweise poröse Wachstumsfuge 5 genau dort ein, wo sich die beiden von den Seitenwänden her aufeinander zuwachsenden TEOS-Oberflächen berühren. Da beim Zuwachsen des immer enger werdenden Spalts in der Endphase der Nachtransport an reakti­ ven Molekülen aus der umgebenden Gasphase verringert wird bzw. abbricht, entsteht das Zentrum des porösen Bereichs un­ mittelbar über einer TEOS-Dicke, die der halben Grabenweite entspricht. (Es kann auch hier schon ein Hohlraum, verursacht durch nicht perfekte Kantenbedeckung des TEOS entstehen.) Dies bedeutet, daß die poröse Wachstumsfuge 5 zunächst unter der Schichtoberfläche vergraben liegt. Da die TEOS-Abschei­ dung üblicherweise bei ca. 670°C erfolgt und in späteren Prozeßschritten höhere Temperaturen von ca. 900°C erreicht werden, können solche Schichten später noch schrumpfen. Die­ ses Verdichten führt dazu, daß an der Stelle des porösen Be­ reichs ein als Lunker 6 bezeichneter röhrenförmiger Hohlraum entsteht beziehungsweise vergrößert wird (Fig. 7), der sich senkrecht zur Zeichenebene je nach Ausdehnung des Grabens in dieser Richtung über einen längeren Abschnitt erstreckt. Der Lunker wird häufig bei einer späteren Planarisierung (bei­ spielsweise durch Zurückschleifen, Chemical-Mechanical-Poli­ shing) oder bei Anätz- oder Reinigungsschritten (beispiels­ weise mit HF) aufgeätzt (Fig. 8). Auf diese Weise können un­ erwünschte Kurzschlüsse auftreten.
Die Erfindung hat daher zur Aufgabe, ein Verfahren zur lun­ kerfreien Auffüllung von Gräben mit einer Schicht, insbeson­ dere einer isolierenden Schicht, anzugeben. Das Verfahren soll einfach durchführbar sein und ohne große Anpassungen auf verschiedene Aspektverhältnisse übertragbar sein.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei der Erfindung wird die Schicht in mindestens zwei Teil­ schichten aufgebracht, wobei die erste Teilschicht nur am Grabenboden verbleibt und dadurch die Grabentiefe, also das Aspektverhältnis verringert wird. Mit der zweiten Teilschicht kann dann der Graben lunkerfrei aufgefüllt werden.
Das Verfahren sieht vor, die erste Teilschicht zunächst ganz­ flächig aufzubringen, wobei die Schichtdicke so bemessen ist, daß es nicht zu einem Zusammenwachsen der Teilschicht im Gra­ ben kommt, sondern ein unaufgefüllter Spalt im Graben ver­ bleibt. In diesem Spalt wird nun eine Hilfsstruktur erzeugt, die die erste Teilschicht am Grabenboden bedeckt. Die Ober­ fläche der ersten Teilschicht außerhalb des Grabens ist nicht von der Hilfsstruktur bedeckt. Vorzugsweise wird die Hilfs­ struktur durch ganzflächiges Aufbringen einer planarisieren­ den Hilfsschicht, beispielsweise Lack mit anschließender Rückätzung hergestellt.
Dann wird die erste Teilschicht geätzt, wobei ein Ätzprozeß mit genügend hoher Selektivität zur Hilfsstruktur und zum Substrat eingesetzt wird. Die erste Teilschicht wird auf den Oberflächen außerhalb des Grabens und im oberen Bereich der Grabenwand entfernt, während sie auf dem Grabenboden durch die Hilfsstruktur geschützt ist. Vorzugsweise ist die Ätz­ dauer so bemessen, daß eine möglichst gleichmäßig dicke erste Teilschicht am Grabenboden verbleibt. Besonders geeignet ist ein anisotroper Ätzprozeß. Anschließend wird die Hilfsstruk­ tur entfernt.
Durch diese Vorgehensweise hat man eine Verbesserung des Aspektverhältnisses erreicht, welche der Dicke der ersten Teilschicht entspricht. Bei einem hohen Aspektverhältnis kann es auch sinnvoll sein, den soeben beschriebenen Prozeß zu wiederholen, so daß eine sukzessive Auffüllung mit n Teil­ schichten erreicht wird. Durch diese Verbesserung des Aspekt­ verhältnisses ist nun eine lunkerfreie Auffüllung durch die zweite {oder (n + 1) · Teilschicht} möglich.
Das Verfahren ist allgemein bei Auffüllprozessen (Gräben oder Löcher) einsetzbar. Voraussetzung ist nur, daß die Hilfs­ struktur, die beispielsweise aus Lack oder Spin-on-Glas be­ stehen kann, selektiv zu der Füllschicht ätzbar ist, und um­ gekehrt. Die Füllschicht kann auch eine Polysiliziumschicht oder eine andere Schicht sein.
Der Vorteil des Verfahrens ist, daß es ein großes Prozeßfen­ ster besitzt und ohne große Modifikationen auf verschiedene Aspektverhältnisse anwendbar ist. Lediglich die Ätzdauer und gegebenenfalls die Dicke der ersten Teilschicht sind anzupas­ sen. Ein weiterer Vorteil ist, daß insbesondere anisotrope Ätzprozesse für die erste Teilschicht eingesetzt werden. Der­ artige Prozesse, die auch die geforderte Selektivität aufwei­ sen, sind aus dem Stand der Technik bekannt und mit den gän­ gigen Mitteln (Ätzanlagen, Prozeßgase u. a.) durchführbar.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels und der Figuren näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 bis 5 einen Querschnitt durch ein Halbleitersub­ strat, an dem eine Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens dargestellt wird,
Fig. 6 bis 8 ein konventionelles Verfahren zur Grabenauf­ füllung.
Fig. 1: In einem aus Silizium bestehenden Substrat befindet sich ein Graben 2 mit der Breite x in einer ersten Richtung. Die Grabenbreite (y) in der dazu senkrechten zweiten Richtung (senkrecht zur Zeichenebene) ist x, die Grabentiefe z ist vorzugsweise x/2. Die gesamte Oberfläche von Substrat und Graben ist in dem Beispiel mit einer Zwischenschicht 4 aus Nitrid oder einem thermischen Oxid bedeckt. Darauf wird eine erste Teilschicht 7a des TEOS mit einer Schichtdicke abge­ schieden, die unterhalb der halben Grabenbreite x liegt, bei­ spielsweise x/3.
Fig. 2: Dann wird als Hilfsschicht Lack 8 aufgeschleudert, so daß der verbleibende Spalt innerhalb des Grabens gefüllt und die gesamte Oberfläche eingeebnet wird. Der Lack wird an­ schließend beispielsweise in einem anisotropen Ätzprozeß rückgedünnt, wobei er nicht vollständig entfernt werden darf, sondern eine Hilfsstruktur 8′ bildet. Vorzugsweise wird er soweit geätzt, daß er nur die senkrechten Wände des Spaltes bedeckt und in seinem oberen Teil nicht über die erste Teil­ schicht überhängt. Somit erreicht man, daß der Lack aus­ schließlich die TEOS-Schicht im Grabenboden beim anschließen­ den Oxid-Ätzprozeß schützt. Diese entspannten Anforderungen an den Rückdünnprozeß für die Hilfsschicht 8 bieten ein genü­ gend großes Prozeßfenster.
Fig. 3: Nun schließt sich ein Oxid-Ätzprozeß mit genügend hoher Selektivität zur Lack-Hilfsstruktur 8′ und zur Zwi­ schenschicht 4 an. Vorzugsweise verläuft dieser Ätzprozeß im wesentlichen anisotrop. Dabei ist die Ätzdauer so bemessen, daß das TEOS oberhalb der Substratoberfläche und im oberen Bereich der Grabenwand vollständig entfernt wird. Vorzugs­ weise bleibt eine möglichst gleichmäßige TEOS-Dicke am Boden des Grabens zurück.
Fig. 4: Die Hilfsstruktur 8′ wird selektiv zum Substrat bzw. der Zwischenschicht 4 und zur ersten Teilschicht 7a entfernt, bei einer aus Lack bestehenden Hilfsstruktur kann dies in ei­ nem O₂-Plasma geschehen. Der Graben 2 ist nun teilweise mit TEOS gefüllt, so daß eine Verbesserung des Aspektverhältnis­ ses erzielt ist, welche der Dicke der ersten TEOS-Abscheidung entspricht. Schließlich wird der verbleibende Graben in kon­ ventioneller Weise mit einer zweiten TEOS-Teilschicht 7b auf­ gefüllt, wobei aufgrund des verringerten Aspektverhältnisses kein poröser Bereich mehr entsteht.
Fig. 5: Das TEOS kann von der Substratoberfläche beispiels­ weise mit Hilfe eines sogenannten CMP-Verfahrens (Chemical- Mechanical-Polishing) entfernt werden, so daß es nur in dem Graben 2 verbleibt. Ersatzweise ist auch ein einfaches Rück­ ätzen der Schicht möglich. Die Rückätzzeit wird so bemessen, daß eine planare Oberfläche entsteht.

Claims (7)

1. Verfahren zum Auffüllen eines Grabens (2) mit der Graben­ breite x in einem Substrat (1) mit einer Schicht (7) mit fol­ genden Schritten:
  • a) Aufbringen einer ersten Teilschicht (7a) der Schicht (7) in einer vorgegebenen Dicke, die geringer ist als die hal­ be Grabenbreite,
  • b) Erzeugen einer Hilfsstruktur (8′) innerhalb des Grabens, die die erste Teilschicht (7a) am Grabenboden vollständig bedeckt,
  • c) Entfernen der freiliegenden Teile der ersten Teilschicht (7a) mit Hilfe eines Ätzprozesses, so daß der Grabenboden vollständig mit der ersten Teilschicht bedeckt bleibt,
  • d) Entfernen der Hilfsstruktur (8′),
  • e) Aufbringen einer zweiten Teilschicht (7b) der Schicht (7), die den Graben auffüllt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Schritte a) bis d) wiederholt werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem die freiliegenden Teile der ersten Teilschicht (7a) mit einem im wesentlichen anisotropen Ätzprozeß entfernt wer­ den, der eine hohe Selektivität zum Substrat (1) und zur Hilfsstruktur (8′) besitzt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Hilfsstruktur (8′) folgendermaßen erzeugt wird:
  • c₁) ganzflächiges Aufbringen einer planarisierenden Hilfs­ schicht (8),
  • c₂) Rückätzen der Hilfsschicht (8) so daß sie nur innerhalb des Grabens (2) verbleibt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Substrat (1) und der Graben (2) mit einer Zwi­ schenschicht (4) bedeckt sind und der Ätzprozeß in Schritt c) eine hohe Selektivität zur Zwischenschicht (4) und zur Hilfsstruktur (8′) aufweist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem als Schicht (7) eine TEOS-Schicht verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem als Schicht (7) eine Polysilizium-Schicht verwendet wird.
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