DE19645440A1 - Verfahren zur Isolierung der Elemente einer Halbleiter-Vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Isolierung der Elemente von Halbleiter-Vorrichtungen, sie betrifft insbesondere die Einschränkung der Vo­ gelschnabel (bird′s beak)-Bildung beim LOCOS-Verfahren und die Kontrolle der Ätztiefe bei dem Aushöhlungs-LOCOS-Verfahren sowie ein Verfahren zur Erzielung einer solchen Einschränkung und Kontrolle.

Die meisten der derzeit gebräuchlichen Elementisolierungsverfahren stehen im Zusammenhang mit dem LOCOS-Verfahren (Verfahren zur lokalen Oxidation von Silicium). Insbesondere die Aushöhlungs-LOCOS-Verfahren werden in großem Umfange angewendet zur Erzielung guter Profile von Feldoxidfilmen.

Ein konventionelles Aushöhlungs-LOCOS-Verfahren wird nachstehend im ein­ zelnen in Verbindung mit den Fig. 1A bis 1D beschrieben.

Die Fig. 1A zeigt einen Querschnitt, bei dem zuerst ein Pad-Oxidfilm 12 auf ein Silicium-Substrat 11 aufgebracht und danach ein dicker Nitridfilm auf dem Pad-Oxidfilm 12 gebildet worden ist.

Dann werden der Nitridfilm 13 und der Pad-Oxidfilm 12 nacheinander in einem vorgegebenen Bereich geöffnet (freigelegt) durch ein selektives Ätzverfahren mit einer Maske, beispielsweise einem Photoresist-Muster (nicht dargestellt), um einen Feldbereich 14 zu erzeugen, durch den hindurch ein vorgegebener Bereich des Siliciumsubstrats 11 freigelegt wird.

Danach wird auf der gesamten resultierenden Struktur ein dünner Oxynitridfilm abgeschieden und das Ganze wird dann einer Oberflächen-Trockenätzung unterworfen unter Bildung eines Nitrid-Abstandhalters 15 an der Seitenwand, der besteht aus dem gemusterten Nitridfilm 13 und dem Pad-Oxidfilm 12, wie in Fig. 1C dargestellt. Danach wird der freigelegte Feldbereich 14 des Silici­ umsubstrats 11 bis zu einer vorgegebenen Tiefe von beispielsweise etwa 30 bis 80 nm (300-800 Å) trocken geätzt. Dies wird durch die Bezugsziffer 16 angezeigt.

Die Fig. 1D zeigt einen Querschnitt, nachdem ein Feldoxidfilm 17 durch Oxi­ dation bei hoher Temperatur gebildet worden ist, woran sich die Entfernung aller Filme anschließt mit Ausnahme des Feldoxidfilms, die stapelförmig auf das Siliciumsubstrat 11 aufgebracht worden sind. In der Fig. 1D bezeichnet die Bezugsziffer 18 einen Vogelschnabel (bird′s beak).

Obgleich bei einem solchen konventionellen Verfahren ein Nitrid-Abstandhalter verwendet wird, ist dies nicht ausreichend, um die Bildung eines Vogel­ schnabels (bird′s beak) entlang des Pad-Oxidfilms zu verhindern. Außerdem ist es dann, wenn das Siliciumsubstrat nach dem konventionellen Verfahren trocken geätzt wird, schwierig, die Ätztiefe, insbesondere von weniger als 50 nm (500 Å) zu kontrollieren. Möglich ist es zwar, die Reproduzierbarkeit ist je­ doch sehr schlecht. Das trockene Ätzen führt zu großen Schäden. Es wurde gefunden, daß bei dem konventionellen Verfahren große Schwankungen an dem Profil des Feldoxidfilms und dem Vogelschnabel (bird′s beak) auftreten. Außerdem führt der dicke Nitrid-Abstandhalter, der verwendet wird, um eine aktive Region zu gewährleisten, zu einem Problem in bezug auf die Herstel­ lung eines dünnen Feldoxidfilms.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, die obengenannten Probleme, die bei dem Stand der Technik auftreten, zu überwinden und ein Verfahren zur Isolierung der Elemente von Halbleiter-Vorrichtungen zu schaf­ fen, mit dessen Hilfe die Bildung eines Vogelschnabels (bird′s beak) in einem solchen beträchtlichen Umfang eingeschränkt werden kann, daß ein großer aktiver Bereich gewährleistet ist, die Ätztiefe eines Halbleiter-Substrats kon­ trolliert (gesteuert) werden kann und gute Profile des Feldoxidfilms reprodu­ ziert werden können.

Erfindungsgemäß kann das obengenannte Ziel erreicht werden mit einem Verfahren zur Isolierung der Elemente von Halbleiter-Vorrichtungen, das die folgenden Stufen umfaßt:
Bildung einer Spannungspufferschicht auf einem Halbleiter-Substrat;
Glühen bzw. Tempern in einer Stickstoff enthaltenden Gasatmosphäre unter Bildung einer Schicht mit angereichertem Stickstoff an der Grenzfläche zwi­ schen dem Halbleiter-Substrat und der Pufferschicht;
Abscheidung einer Oxidationsverhinderungsschicht auf der gesamten resultie­ renden Struktur;
selektive Ätzung der Oxidationsverhinderungsschicht und der Pufferschicht in einem Feldbereich unter Bildung eines ersten vertieften (ausgehöhlten) Berei­ ches;
Bildung eines Abstandhalters zur Beschränkung der Bildung eines Vogel­ schnabels (bird′s beak) an der Seitenwand des ersten ersten vertieften Berei­ ches;
Bildung eines Opferoxidfilms in einem ersten Oxidationsprozeß;
Entfernung des Opferoxidfilms in einem Naß-Ätzprozeß unter Bildung eines zweiten vertieften (ausgehöhlten) Bereiches in dem Halbleiter-Substrat; und
Bildung eines Feldoxidfilms in einem zweiten Oxidationsprozeß.

Wie nachstehend näher beschrieben, kann erfindungsgemäß der Vogelschna­ bel (bird′s beak) beschränkt werden durch Anreicherung von Stickstoffatomen zwischen dem Pad-Oxidfilm und dem Siliciumsubstrat und die Ätztiefe des Si­ liciumsubstrats kann durch Anwendung eines Naßätzverfahrens kontrolliert (gesteuert) werden zur Entfernung des Oxids, das auf das Siliciumsubstrat aufgewachsen ist, bei einer niedrigen Temperatur nach der Bildung des Nitrid-Abstandhalters, wodurch gute Profile des Feldoxidfilms wiedergegeben wer­ den.

Weitere Ziele und Aspekte der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Be­ schreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beilie­ genden Zeichnungen hervor. Es zeigen:

Fig. 1A bis 1D schematische Querschnittsansichten, die konventionelle Aushöhlungs-LOCOS-Verfahren erläutern;

Fig. 2A bis 2F schematische Querschnittsansichten, die ein Verfahren zur Iso­ lierung der Elemente von Halbleiter-Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung erläutern.

Die Anwendung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird am besten verständlich anhand der beiliegenden Zeichnungen, in denen gleiche Bezugsziffern für gleiche bzw. sich entsprechende Teile verwendet werden.

In den Fig. 2A bis 2F ist ein Verfahren zur Isolierung der Elemente von Halbleiter-Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert.

Wie in Fig. 2A dargestellt, wird zuerst ein Pad-Oxidfilm 22 in einer Dicke von etwa 5 bis 20 nm (50 bis 200 Å) auf einem Siliciumsubstrat 21 gebildet, das dann bei 800 bis 1000°C und bei 1,33 bis 13,32 kPa (10-100 Torr) etwa 0,5 bis 2 h lang in einer NH₃-Gasatmosphäre geglüht (getempert) wird unter Bil­ dung einer Oxynitridschicht 100, in der Stickstoffatome angereichert sind, an der Grenzfläche zwischen dem Siliciumsubstrat 21 und dem Pad-Oxidfilm 22. Danach wird ein Oxidationsverhinderungs-Nitridfilm 23 in einer Dicke von etwa 100 bis 300 nm (1000-3000 Å) abgeschieden.

Anschließend werden der Nitridfilm 23 und der Pad-Oxidfilm 22 nacheinander in einem vorgegebenen Bereich durch ein Ätzverfahren unter Verwendung ei­ ner Maske geöffnet (freigelegt) zur Herstellung eines Feldbereiches. In diesem Augenblick wird auch die Oxynitridschicht 100 selektiv geätzt, wie in Fig. 2B dargestellt.

Fig. 2C zeigt einen Querschnitt, nachdem ein Abstandhalter-Nitridfilm 25 an der Seitenwand gebildet worden ist, der aus dem Nitridfilm 23 besteht, wonach der Pad-Oxidfilm 22 und der Oxynitridfilm 100 geöffnet (freigelegt) werden. Zu diesem Zweck wird ein Nitridfilm in Form einer dünnen Schicht mit einer Dicke von beispielsweise 10 bis 70 nm (100-700 Å) auf der gesamten Oberfläche der resultierenden Struktur abgeschieden und dann einer Ätzung unterworfen zur Bildung des Abstandhalter-Nitridfilms 25.

Danach läßt man ein Oxid 200 bis zu einer Dicke von 100 nm (1000 Å) auf das Siliciumsubstrat 21 des Feldbereiches 24 aufwachsen, wie in Fig. 2D darge­ stellt. Diese Oxidation wird bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur von beispielsweise etwa 700 bis 900°C durchgeführt. Es sei darauf hingewie­ sen, daß das Oxid 200 kein Feldoxid ist, sondern eine Art Opferschicht zum Ätzen des Siliciumsubstrats 21. Ein Grund dafür, warum das Siliciumsubstrat bei derart niedrigen Temperaturen oxidiert wird, ist der, daß die zwischen dem Abstandhalter-Nitridfilm 25 und dem Siliciumsubstrat 21 bei der Oxidation ent­ stehenden Spannungen groß werden, wodurch die Bildung des Vogelschna­ bels (bird′s beak) praktisch eliminiert wird. Da das aufgewachsene Oxid 200 eine vertikale Seitenwand aufweist, kann auch ein anisotropes Silicium-Vertiefungsprofil erhalten werden, wenn das Oxid 200 entfernt wird.

Die Fig. 2E zeigt einen Querschnitt, nachdem das dünne Oxid 200 in dem Feldbereich unter Verwendung einer HF-Lösung entfernt worden ist unter Bil­ dung eines vertieften (ausgehöhlten) Bereiches 300. Zu diesem Zeitpunkt liegt die Tiefe, bis zu der das Siliciumsubstrat 21 geätzt worden ist, in dem Bereich von etwa 10 bis 50 nm (100-500 Å). Es muß berücksichtigt werden, daß die Tiefe durch das Wachstum des Oxids 200 in dem vorhergehenden Verfahren bestimmt wird. Das Oxid 200 kann in einer geringen Menge zurückbleiben, d. h. seine Ätzung kann in einem Bereich von etwa 80 bis 100% gesteuert (kontrolliert) werden.

Schließlich wird ein Feldoxidfilm 27 in einer Dicke von etwa 200 bis 500 nm (2000-5000 Å) bei einer hohen Temperatur von etwa 1000 bis 1200°C gebil­ det und alle anderen Filme, die auf dem Siliciumsubstrat 21 gebildet worden sind, werden entfernt.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, nehmen dann, wenn das Siliciumsubstrat oxidiert wird unter Bildung des Oxidfilms die Spannungen in dem Abstandhalter-Nitridfilm zu, wodurch das Fortschreiten der Diffusion von Sauerstoff in das Pad gemäß der vorliegenden Erfindung verlangsamt wird. Wenn Sauerstoff in das Pad-Oxid diffundiert, werden bis zu einem gewissen Grade Stickstoffatome in der Grenzfläche zwischen dem Siliciumsubstrat und dem Pad-Oxidfilm angereichert, die eine weitere Diffusion des Sauerstoffs verhindern, wodurch die Bildung eines Vogelschnabels (bird′s beak) vermin­ dert wird.

Außerdem verleiht die Verwendung eines Opferoxidfilms dem Siliciumsubstrat ein praktisch vertikales Profil und ermöglicht es, die Aushöhlungstiefe in ge­ eigneter Weise zu kontrollieren (zu steuern). Auf diese Weise können gute Profile des Feldoxidfilms reproduziert werden. Darüber hinaus treten die De­ fekte, die den Ätzschäden zuzuschreiben sind, wie sie beim Naßätzen auftre­ ten, erfindungsgemäß nicht auf, weil der Opferoxidfilm auf nassem Wege ent­ fernt wird.

Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend erläuternd beschrieben und es ist klar, daß die verwendete Terminologie eher ihrer Beschreibung als ihrer Be­ schränkung dienen soll.

Es können viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung im Rahmen der vorstehenden Lehren vom Fachmann vorgenommen werden. Ins­ besondere kann die Erfindung auch in anderer Weise als vorstehend be­ schrieben durchgeführt werden, ohne daß dadurch der Rahmen der nachfol­ genden Patentansprüche verlassen wird.

Claims (12)

1. Verfahren zur Isolierung der Elemente von Halbleiter-Vorrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Stufen umfaßt:

Bildung einer Spannungspufferschicht auf einem Halbleiter-Substrat;
Glühen (Tempern) in einer Stickstoff enthaltenden Gasatmosphäre unter Bil­ dung einer Schicht mit angereichertem Stickstoff an der Grenzfläche zwischen dem Halbleiter-Substrat und der Pufferschicht;
Abscheidung einer Oxidationsverhinderungsschicht auf der gesamten resultie­ renden Struktur;
selektives Ätzen der Oxidationsverhinderungsschicht und der Pufferschicht in einem Feldbereich unter Bildung eines ersten vertieften (ausgehöhlten) Berei­ ches;
Bildung eines Abstandhalters zur Einschränkung der Bildung eines Vogel­ schnabels (bird′s beak) an der Seitenwand des ersten vertieften (ausgehöhl­ ten) Bereiches;
Bildung eines Opferoxidfilms in einem ersten Oxidationsprozeß;
Entfernung des Opferoxidfilms in einem Naßätzprozeß unter Bildung eines zweiten vertieften (ausgehöhlten) Bereiches in dem Halbleiter-Substrat; und
Bildung eines Feldoxidfilms in einem zweiten Oxidationsprozeß.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Glühen in einer NH₃-Gasatmosphäre durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Glühen bei einer Temperatur von etwa 800 bis 1 000°C und bei einem Druck von 1,33 bis 13,32 kPa (10-100 Torr) für 0,5 bis 2 h durchgeführt wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das selektive Ätzen durchgeführt wird, bis die mit Stickstoff angereicherte Schicht geätzt wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Abstandhalter in Richtung der Seitenwand gebildet wird, wobei seine Dicke in dem Bereich von 10 bis 70 nm (100-700 Å) liegt.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der zweite vertiefte (ausgehöhlte) Bereich eine Tiefe von 10 bis 50 nm (100-500 Å) aufweist.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der erste Oxidationsprozeß bei einer Temperatur von 700 bis 900°C durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Opfer­ oxidfilm in einer Dicke von 10 bis 100 nm (100-1000 Å) gebildet wird.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Opferoxidfilm in einem Bereich von 80 bis 100% seiner Gesamtdicke entfernt wird.

10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Oxidationsbeschränkungsschicht und der Abstandhalter jeweils einen Nitridfilm umfassen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Puffer­ schicht einen Oxidfilm umfaßt.