DE19636956A1 - Verfahren zum Auffüllen eines Grabens - Google Patents

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 eine 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 reak­ tiven 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. Dies bedeutet, daß die poröse Wachstumsfuge 5 zu­ nächst unter der Schichtoberfläche vergraben liegt. Da die TEOS-Abscheidung üblicherweise bei ca. 670°C erfolgt und in späteren Prozeßschritten höhere Temperaturen von ca. 900°C erreicht werden, können solche Schichten später noch schrump­ fen. Dieses Verdichten führt dazu, daß an der Stelle des po­ rösen Bereichs ein als Lunker 6 bezeichneter röhrenförmiger Hohlraum entsteht (Fig. 7), der sich senkrecht zur Zeichene­ bene je nach Ausdehnung des Grabens in dieser Richtung über einen längeren Abschnitt erstreckt. Der Lunker wird häufig bei einer späteren Planarisierung (beispielsweise durch Zu­ rückschleifen, Chemical-Mechanical-Polishing) oder bei Anätz- oder Reinigungsschritten (beispielsweise mit HF) aufgeätzt (Fig. 8). Auf diese Weise können unerwünschte 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.

Die Erfindung vermeidet das Entstehen des porösen Bereichs dadurch, daß der Graben zunächst nur teilweise mit der Schicht aufgefüllt wird, wobei schräge Seitenwände und eine Verringerung des Aspektverhältnisses erzielt werden. An­ schließend erfolgt die vollständige Auffüllung mit der Schicht, bei der aufgrund der Geometrie dann keine poröse Wachstumsfuge ausgebildet werden kann, so daß in späteren Schritten kein Lunker gebildet werden kann.

Die teilweise Auffüllung geschieht durch Aufbringen der Schicht in einer ersten Dicke, die geringer ist als die halbe Grabenweite x/2, und Aufbringen einer Hilfsschicht, die den verbleibenden Graben füllt und die Oberfläche planarisiert. Anschließend wird mit einem weitgehend isotropen Ätzschritt, der für die Hilfsschicht eine höhere Ätzrate als für die iso­ lierende Schicht besitzt, der Schichtaufbau zurückgeätzt. Die Hilfsschicht wird vollständig entfernt. Danach weist der Gra­ ben ein schräges Seitenwandprofil auf und ist teilweise mit der Schicht gefüllt.

Vorzugsweise werden die erste Dicke der Schicht und die Ätzra­ ten von Schicht und Hilfsschicht so aufeinander abgestimmt, daß die Hilfsschicht gerade vollständig aus dem Graben ent­ fernt ist, wenn die Schicht außerhalb des Grabens ebenfalls gerade durchgeätzt ist. Als Hilfsschicht ist beispielsweise Lack geeignet.

Für den Ätzprozeß können in der Halbleiterfertigung übliche Trockenätzanlagen eingesetzt werden. Zweckmäßigerweise kann der Lack zunächst in einem reinen Sauerstoffplasma anisotrop rückgedünnt werden. Zur Erhöhung der Prozeßsicherheit kann außerdem rechtzeitig vor Erreichen der Schicht ein Ätzschritt eingefügt werden, der die Hilfsschicht und die Schicht (also insbesondere Lack und Oxid) im wesentlichen mit gleicher Rate abträgt. Als Ätzgase eignen sich beispielsweise Gemische aus CHF₃ und Ar. Das Erreichen der Oxidoberfläche kann mit Hilfe einer Endpunkterkennung, die auf optischer Emission beruht, detektiert werden. Dafür kann insbesondere ein CO-Endpunkt-Signal verwendet werden. Dann folgt der isotrope Ätzschritt, der im Prinzip mit den gleichen Gasen, aber mit geänderten Parametern (beispielsweise geringerer Leistung und höherem F-Anteil) durchgeführt werden kann. Dabei läßt sich auch das gewünschte Ätzratenverhältnis zwischen Lack und Oxid einstel­ len. Eine erneute Änderung des CO-Endpunktsignals, wenn kein Lack mehr vorhanden ist, kann das Ende des Ätzvorgangs anzei­ gen.

Nach diesem eventuell mehrstufigen Ätzprozeß liegt ein Graben mit einem abgeschrägten Flankenprofil vor. Dieser kann nun mit einer nachfolgenden Abscheidung der 2. Teilschicht lun­ kerfrei aufgefüllt werden, da beim Zuwachsen keine Verarmung der umgebenden Gasphase mehr auftritt. Durch Planarisieren beispielsweise mit CMP (chemical mechanical polishing) läßt sich nun die planare, lunkerfreie Substratoberfläche einstel­ len.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels und der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 bis 5 einen Querschnitt durch ein Halbleitersubstrat, an dem eine Ausführungsform des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens dargestellt wird,

Fig. 6 bis 8 ein konventionelles Verfahren zur Grabenauffül­ lung.

Fig. 1: In einem aus Silizium bestehenden Substrat 1 befin­ det sich ein Graben 2 mit der Weite x in einer ersten Rich­ tung. Die Grabenweite (y) in der dazu senkrechten zweiten Richtung (senkrecht zur Zeichenebene) ist größer oder gleich x, die Grabentiefe z ist größer x/2. Die gesamte Oberfläche von Substrat und Graben ist mit einer Zwischenschicht 4 aus thermischem Oxid oder ähnlichem bedeckt. Darauf wird eine er­ ste Teilschicht 7a des TEOS mit einer Schichtdicke von typi­ scherweise x/4-x/3 abgeschieden.

Fig. 2: Dann wird Lack 8 aufgeschleudert, so daß der ver­ bleibende Graben gefüllt und die gesamte Oberfläche eingeeb­ net wird. Vorzugsweise schließt sich eine anisotrope Rück­ ätzung des Lacks an.

Fig. 3: Anschließend wird mit einem Trockenätzprozeß, der sowohl TEOS 7a als auch Lack 8 isotrop angreift, der Schicht­ aufbau zurückgeätzt. Wird der Lack 8 z. B. dreimal so schnell geätzt wie das TEOS 7a, so muß die TEOS-Dicke gerade 1/3 der ursprünglichen Grabentiefe z betragen, damit der Lack gerade vollständig herausgeätzt ist, wenn die TEOS-Schicht außerhalb des Grabens ebenfalls gerade durchgeätzt ist. Sowohl das be­ ginnende Herausätzen des Lacks aus dem Graben als auch das vollständige Entfernen lassen sich über Endpunkterkennung de­ tektieren. Zum einen ist es der Übergang Lack/TEOS, zum ande­ ren das vollständige Verschwinden von Lack oder der Übergang TEOS/Substrat (bzw. Zwischenschicht 4), die zur Endpunkter­ kennung dienen können. Vorausgesetzt, die Oxidätzung ist weitgehend isotrop, so liefert dieses Verfahren das darge­ stellte Flankenprofil, d. h. einen Graben mit verbessertem Aspektverhältnis und abgeschrägten Seitenwänden 7′.

Fig. 4: Der verbleibende Graben kann mit einer zweiten Teil­ schicht 7b des TEOS problemlos aufgefüllt werden. Die minde­ stens notwendige Schichtdicke beträgt in diesem Fall x/2, da an der Oberkante des Grabens die Grabenweite x beträgt. Bei nicht vollständiger Entfernung der ersten Teilschicht 7a von der Substratoberfläche ist die verbleibende Weite an der Gra­ benoberkante im allgemeinen geringer, und die zweite Teil­ schicht 7b kann (vorausgesetzt, das verbesserte Aspektver­ hältnis ist kleiner 1) in geringerer Dicke aufgebracht wer­ den.

Fig. 5: Es wird ein CMP-Schritt durchgeführt, um eine plana­ re, lunkerfreie Substratoberfläche zu erhalten.

Claims (8)

1. Verfahren zum Auffüllen eines Grabens (2) mit der Gra­ benbreite x in einem Halbleitersubstrat (1) mit einer Schicht (7), mit folgenden Schritten:

• a) Ganzflächiges Aufbringen einer ersten Teilschicht (7a) der Schicht (7) in einer vorgegebenen Dicke, die geringer ist als die halbe Grabenbreite (x/2),
• b) ganzflächiges Aufbringen einer Hilfsschicht (8), so daß der Graben vollständig gefüllt ist,
• c) Durchführen eines Ätzprozesses, der die erste Teilschicht (7a) und die Hilfsschicht (8) isotrop ätzt und für die Hilfsschicht (8) eine höhere Ätzrate aufweist als für die erste Teilschicht (7a), bis die Hilfsschicht (8) entfernt ist,
• d) ganzflächiges Aufbringen einer zweiten Teilschicht (7b) der Schicht (7), so daß der Graben vollständig aufgefüllt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem anschließend die Schicht (7a, 7b) von der Substrat­ oberfläche außerhalb des Grabens (2) entfernt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem im Schritt (c) die erste Teilschicht (7a) außerhalb des Grabens (2) entfernt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Schicht (7) aus TEOS und/oder die Hilfschicht (8) aus Lack besteht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, bei dem im Schritt (a) die Dicke der ersten Teilschicht (7a) 1/3 der Grabentiefe beträgt und in Schritt (c) das Ätzraten­ verhältnis etwa 3 beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Ätzprozeß mit einer optischen Endpunkterkennungs­ methode gesteuert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem zwischen den Schritten (b) und (c) die Hilfsschicht (7) zunächst mit einem anisotropen Rückätzprozeß gedünnt wird und/oder ein Ätzprozeß durchgeführt wird, der die erste Teil­ schicht (7a) und die Hilfsschicht (8) mit etwa gleicher Rate ätzt.

8. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bei der Herstellung eines ROMs.