DE19648082C2 - Verfahren zur Einebnung einer Halbleitereinrichtung - Google Patents

Verfahren zur Einebnung einer Halbleitereinrichtung

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Einebnung einer Halbleiterein­ richtung gemäß dem Patentanspruch 1, und insbesondere auf ein Verfahren, das dazu geeignet ist, Dotierstoffe davon abzuhalten, sich während des Fließverfahrens für eine abgeschiedene Schicht zur Einebnung abzulagern.
Bei den Halbleitereinrichtungen sind aktive Einrichtungen, wie etwa Transistoren, passive Einrichtungen, wie etwa Widerstände, und eine mehrlagige Verbindungs- bzw. Zwischen­ verbindungsstruktur auf dem Substrat erforderlich. Bei der Herstellung der aktiven Ein­ richtungen und der passiven Einrichtungen kann die Substratoberfläche uneben werden. Aufgrund der großen Steigerung der Dichte und der hohen Integration der Halbleiterein­ richtungen in den vergangenen und gegenwärtigen Jahren ist die Unebenheit der Substrat­ oberfläche auffällig und deshalb hier zu einem Problem geworden. Es ist schwieriger geworden, ein sehr genaues, feines Muster bzw. Schaltstruktur auszubilden. Zusätzlich können auch Kurzschlüsse bzw. Mängel der Verbindungen oder Zwischenverbindungen und dergleichen auftreten. Um diese Probleme im Stand der Technik zu überwinden, ist es erforderlich, die Substratoberfläche eben zu gestalten.
Üblichweise wird eine Schicht aus Isoliermaterial, wie etwa Siliziumoxid, über derartigen unebenen Oberflächen eingesetzt, um die Ausbildung einer feiner strukturierten Schicht auf der Oberfläche einer nicht eingeebneten Schicht zu ermöglichen. Diese Siliziumoxid- bzw. -dioxidschicht neigt jedoch dazu, sich an die darunterliegende Struktur bzw. Topologie anzupassen, was zu der Erzeugung einer nicht ebenen bzw. abgestuften Oberfläche führt. Folglich ist es sehr schwierig, die eher fein bzw. genau strukturierte bzw. mit einem Schaltungsmuster versehene Schicht auf der unebenen Oberfläche unter Verwendung eines photolithographischen Verfahrens auszubilden.
Folglich wird ein Glasmaterial, wie etwa ein aufschleuderbares Glas (SOG: Spin on Glas) zur Verfügung gestellt, und ein Material, das Bor und/oder Phospor enthält, wie etwa ein Bor-Phosporsilikatglas (BPSG), ein Phosphorsilikatglas (PSG) und ein Borsilikatglas (BSG), wird für die Ausbildung einer geebneten Schicht verwendet.
Unter diesen Schichten für die Einebnung bzw. Planarisierung wird eine BPSG-Schicht, die eine Borkonzentration von ca. 3 bis 5 Gew.-% und eine Phosphorkonzentration von etwa 3 bis 5 Gew.-% hat, bei einer niedrigen Temperatur von 400 bis 450°C auf dem Substrat abgelagert bzw. abgeschieden. Dann wird ein thermisches Fließ- bzw. Verteilungverfahren bei einer Temperatur von 800 bis 850°C durchgeführt, das der Abscheidung unmittelbar folgt, wodurch eine Planarisierung bzw. Einebnung der Oberfläche erhalten wird. Zu dieser Zeit, wenn sich die Borkonzentration in dem BPSG erhöht, wird die Fluß- bzw. Ver­ teilungstemperatur abgesenkt. Der Grad der Einebnung ist auch proportional zu den Bor- und Phosphorkonzentrationen. Zusätzlich spielt das BPSG beim Entfernen der vorhandenen Topologie eine Rolle, z. B. zwischen einer Gate-Elektrode und einer ersten Metallverbindung bzw. -zwischenverbindung.
Bezugnehmend auf Fig. 2 wird ein Verfahren zur Planarisierung bzw. Einebnung nach dem Stand der Technik beschrieben, bei dem eine Gate-Elektrode und eine erste Metallverbin­ dung bzw. -zwischenverbindung unter Verwendung von BPSG eingesetzt wird. Eine Gate­ oxidschicht 3, eine Gate-Elektrode 4 und Kontaktabschnitte 5 werden in bzw. auf dem Siliziumwafer 1 mit einem Feldoxid 2 zur Isolierung bzw. Trennung einer Einrichtung unter Verwendung eines herkömmlichen Verfahrens ausgebildet. Anschließend werden Seiten­ wandabstandshalter 6 an beiden Seiten der Gate-Elektrode 4 ausgebildet und dann wird eine Zwischenniveau-Isolierschicht 7 wie etwa ein Siliziumdioxid, auf der Siliziumscheibe bzw. dem Siliziumwafer 1 durch ein Verfahren mit chemischer Dampfabscheidung (CVD-Verfah­ ren) ausgebildet. Als nächstes wird zum Einebnen der gesamten Oberflächentopologie wegen des Feldoxids 2 und der Gate-Elektrode 4 eine BPSG-Schicht 8 auf der Zwischenniveau- Isolierschicht 7 entweder durch ein chemisches Dampfabscheidungsverfahren mit Plasmaver­ stärkung (PECVD) oder eine chemische Dampfabscheidung bei Atmosphärendruck (APCVD) ausgebildet. Wie oben beschrieben, wird es bevorzugt, daß die Konzentration von Bor und Phosphor, das in der BPSG-Schicht 8 enthalten ist, etwa 3,5 bis 5,0 Gew.-% beträgt, um eine noch ebenere Oberfläche zu erzielen.
Der Wafer 1, auf dem die BPSG-Schicht 8 ausgebildet wird, wird in einen Diffusionsofen geladen bzw. eingeschleust, wobei Atmosphärendruck und eine Temperatur von etwa 750 bis 850°C aufrechterhalten werden. Anschließend wird die Temperatur des Diffusions­ ofens auf etwa 800 bis 850°C angehoben und Stickstoffgas (N2) wird dem Diffusionsofen zugeführt. Unter den oben aufgezeigten Bedingungen wird ein thermischer Ausheiz- bzw. Glühprozeß für das Fließen der abgeschiedenen BPSG-Schicht 8 über 20 bis 60 Minuten eingesetzt, wodurch die BPSG-Schicht 8 eingeebnet bzw. planarisiert wird. Zum Schluß wird die Temperatur des Diffusionsofens auf ca. 650 bis 800°C abgesenkt und der Wafer 1 wird aus dem Diffusionsofen entnommen.
In Fig. 2 ist es nicht gezeigt, daß eine zweite Isolierschicht anschließend auf der eingeebne­ ten BPSG-Schicht des Wafers 1 ausgebildet wird und vorbestimmte Abschnitte der zweiten Isolierschicht, der BPSG-Schicht und der ersten Isolierschicht geätzt werden, um die darunterliegenden Kontaktbereiche freizulegen, wodurch Kontaktlöcher ausgebildet werden. Danach werden Metallverbindungen bzw. -zwischenverbindungen für die elektrische Kontak­ tierung mit Kontaktbereichen hergestellt.
Dann diffundieren Bor- und Phosphoratome, die in der BPSG-Schicht durch Dotierung vorhanden sind, wegen der hohen Fließtemperatur während des Fließprozesses aus der Oberfläche nach außen. Aufgrund der oben aufgezeigten Tatsachen, sammeln sich diffun­ dierte Bor- und Phosphoratome an der Oberfläche der BPSG-Schicht 8 an, und dadurch wird deren Oberfläche übersättigt. Anschließend, wenn der Wafer 1 nach außen aus dem Ofen ausgetragen wird, gehen die an der Oberfläche der BPSG-Schicht 8 angehäuften Atome durch die schnelle Änderung der Oberflächentemperatur und durch die an der Atmosphäre vorhandene Feuchtigkeit schnell in einen Ablagerungs- bzw. Kristallzustand über. Diese angesammelten Kristalle erzeugen nicht nur Kristalldefekte bei der Ausbildung einer Struk­ tur bzw. eines Musters, sondern auch Muster bzw. Strukturdefekte, wie etwa eine Graben- bzw. Rillenbildung. Darüber hinaus vermindern sie die Isolationseigenschaften der BPSG- Schicht 8.
Aus US 5,268,333 ist ein Verfahren zum Neu-Verfließen eines Halbleiterbauelements bekannt, um seine Einebnung zu verbessern. Danach wird zuerst eine erste Isolierschicht auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet, wobei wenigstens eine Elektrode über der ersten Isolierschicht ausgebildet wird, und dann wird eine zweite Isolierschicht über wenigstens einer Elektrode und der ersten Isolierschicht ausgebildet. Danach wird eine erste BPSG- Schicht einer ersten Konzentration über die sich ergebende Oberfläche der zweiten Isolier­ schicht ausgebildet, wobei die erste Konzentration eine niedrige Konzentration ist. Danach wird eine zweite BPSG-Schicht einer zweiten Konzentration über der sich ergebenden Oberfläche der ersten BPSG-Schicht ausgebildet, wobei die zweite Konzentration eine hohe Konzentration ist. Schließlich wird ein Neu-Verfließen der ersten und zweiten BPSG- Schichten ausgeführt, um so die Oberflächen der BPSG-Schichten bei 900°Celsius eben zu machen. Letztendlich wird die BPSG-Schicht geäzt.
Aus JP 3-237744 A (Abstract) ist ein Herstellungsverfahren für ein Halbleiterbauelement bekannt. Bei diesen Verfahren wird eine BPSG-Schicht auf einem Halbleitersubstrat abgeschieden, das eine darunterliegende Musterschicht enthält. Dann wird eine Polysiliziumschicht auf der BPSG-Schicht abgeschieden. Die BPSG-Schicht wird durch Wärmebehandlung in einem Ofen mit einer Sauerstoffatmosphäre zum Fließen gebracht, um die BPSG-Schicht eben zu machen. Zu dieser Zeit ist die BPSG-Schicht mit einer Polysiliziumschicht abgedeckt.
Aus JP 4-69954 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine BPSG-Schicht auf einem Halblei­ tersubstrat ausgebildet wird, das eine darunterliegende Musterschicht enthält. Dann wird eine PSG-Schicht auf der BPSG-Schicht als eine Schutzschicht ausgebildet. Die Wärmebe­ handlung wird bei einer Temperatur von 850°Celsius ausgeführt. Die PSG-Schicht wird entfernt und die BPSG-Schicht wird zum Neu-Verfließen gebracht.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Einebnung einer Halbleiter­ einrichtung zur Verfügung zu stellen, das dazu in der Lage ist, die Erzeugung von Kristall­ defekten zu verhindern, indem Dotierstoffe, die in einer BPSG-Schicht für die Einebnung enthalten sind, daran gehindert werden, sich niederzuschlagen bzw. anzusammeln, wenn ein Wafer, auf dem die BPSG-Schicht ausgebildet ist, aus einem Diffusionsofen entnommen wird, nachdem der Fließprozeß für die abgeschiedene BPSG-Schicht abgeschlossen worden ist.
Vorstehende Aufgabe wird durch das Verfahren nach dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Ein Verfahren zur Einebnung einer Halbleitereinrichtung wird zur Verfügung gestellt, das vorteilhaft dazu in der Lage ist, die Strukturierung einer Schicht bzw. eines Musters darin zu vereinfachen, die auf der BPSG-Schicht abgeschieden worden ist.
Weitere Vorteile und gegebenenfalls Merkmale gemäß der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich, wobei ein Bezug zu den begleitenden Darstel­ lungen herzustellen ist, in denen wenigstens eine bevorzugte Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung erklärt wird, in denen
Fig. 1A bis 1E querschnittliche Ansichten einer Halbleitereinrichtung sind, wobei ein Verfahren zur Einebnung der Halbleitereinrichtung nach einer Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung erläutert wird; und
Fig. 2 eine querschnittliche Ansicht einer Halbleitereinrichtung ist, wobei ein Verfahren zur Einebnung der Halbleitereinrichtung gemäß dem Stand der Technik erläutert wird.
Bezugnehmend auf Fig. 1A wird ein Feldoxid 11 auf vorbestimmte Abschnitte eines Silizi­ umwafers bzw. einer Siliziumscheibe 10 thermisch aufgewachsen. Danach wird das Gate­ oxid 12 auf dem Wafer 10 bis zu einer Dicke von bis zu ca. 20 nm, insbesondere 10 bis 20 nm, auf dem Wafer 10 abgeschieden, und eine Polysiliziumschicht 13, die Dotierstoffe enthält, wird dann auf dem Gateoxid durch eine chemische Dampfabscheidung abgelagert. Als nächstes wird ein (nicht gezeigtes) Muster bzw. Struktur einer Photomaske auf der Polysiliziumschicht 13 unter Verwendung eines herkömmlichen photolithographischen Verfahrens ausgebildet, und eine Gate-Elektrode 14 wird anschließend ausgebildet, indem die Polysiliziumschicht 13 und das darunterliegende Gateoxid 12 unter Verwendung der Struktur bzw. des Musters der Photomaske strukturiert werden. Mit Dotierstoffen dotierte Bereiche 15 werden an beiden Seiten der Gate-Elektrode 14 in dem Wafer 10 unter Verwen­ dung eines Ionenimplantationsverfahrens ausgebildet. Abstandshalteeinrichtungen 16 werden an beiden Seiten der Gate-Elektrode 14 zur Ausbildung eines Metall-Oxid-Halbleiter-Feld­ effekttransistors (MOSFET) zur Verfügung gestellt, der eine leicht dotierte Drain(LDD)- Struktur hat, wobei die Abstandshalteinrichtungen bzw. Abstandseinrichtungen 16 durch anisotropes Ätzen der Siliziumdioxidschicht ausgebildet werden, die auf der MOSFET-Struktur nach Fig. 1A abgeschieden ist.
Bezugnehmend auf Fig. 1B wird eine Isolierschicht 17, wie etwa eine Siliziumdioxidschicht auf der gesamten Oberfläche der sich ergebenden Struktur nach Fig. 1A unter Verwendung einer chemischen Dampfabscheidnung ausgebildet. Danach wird eine Oxidschicht, die Dotierstoffe enthält, z. B. eine BPSG-Schicht 18, auf der Isolierschicht 17 unter einer Abscheidebedingung mit Atmosphärendruck und einem Temperaturbereich von bis zu etwa 450°C, insbesondere ca. 400 bis 450°C unter Verwendung der APCVD-Methode abgeschie­ den. Es ist möglich, die BPSG-Schicht 18 unter Verwendung einer PECVD-Methode auszubilden. In diesem Fall enthält die BPSG-Schicht 18 eine hohe Konzentration an Bor- und Phosphorionen. Danach wird der Wafer 10 in eine Reaktorkammer für chemische Dampfabscheidung bei niedrigem Druck (LPCVD) eingesetzt, deren innerer Druck bei etwa 1,3 bis 13,3 Pa gehalten wird, und ein erstes thermisches Ausheizverfahren (Hitzebe­ handlung) wird für näherungsweise 60 Minuten durchgeführt.
Bezugnehmend auf Fig. 1C diffundieren während der ersten thermischen Behandlung bzw. des ersten thermischen Ausheizens Bor- und Phosphorionen, die in der BPSG-Schicht 18 enthalten sind von der Oberfläche der BPSG-Schicht 18 nach außen und dadurch wird die Oberflächenkonzentration der BPSG-Schicht 18 abgesenkt. Diffundierte Bor- und Phos­ phoratome werden über einen Auslaß der Reaktionskammer mittels eines Pumpverfahrens aus der Kammer entfernt.
Anschließend wird die Temperatur der Reaktorkammer auf bis zu ca. 900°C, insbesondere ca. 850 bis 900°C angehoben und das Innere des Reaktors wird unter einer Stickstoff­ atmosphäre gehalten. Unter der oben aufgezeigten Bedingung bzw. Zustand wird ein zweiter thermischer Erhitzungsprozeß für etwa 20 bis 40 Minuten (je nach Temperatur) durch­ geführt, wobei höhere Temperaturen eine geringere Zeit erfordern, während geringere Temperaturen eine längere Zeit erfordern. Im Ergebnis verläuft bzw. fließt die BPSG- Schicht 18, wie in Fig. 1D gezeigt, was zu der Einebnung der Oberfläche des Wafers 10 führt, ohne daß ein Kondensieren bzw. Kristallisieren der Dotierstoffe stattfindet.
Bezugnehmend auf Fig. 1E wird ein N2O-Gas in die Reaktorkammer eingeführt, um eine Passivierungsschicht 19 auf der BPSG-Schicht 18 auszubilden und ein thermisches Oxid wird auf der BPSG-Schicht 18 mittels eines Fließverfahrens und einer thermischen Oxidation bei der selben Temperatur erzeugt. In dem möglichen Fall, daß sich Dotierstoffe aus der BPSG-Schicht 18 aufgrund des plötzlichen Temperaturwechsels niederschlagen bzw. kristal­ lisieren, wird die Passivierungsschicht 19 vorgesehen, die aus dem thermischen Oxid hergestellt ist, um die Erzeugung von Kristalldefekten zu verhindern, wenn der Wafer aus der Reaktorkammer ausgeschleust wird.
Nachdem die Passivierungsschicht 19 fertig ausgebildet ist, wird die Temperatur der Re­ aktionskammer für das LPCVD auf ca. 680 bis 720°C abgesenket und anschließend wird der Wafer 10 aus der Reaktorkammer entladen. Zu dieser Zeit werden die erste Hitzebe­ handlung, die zweite Hitzebehandlung und das Verfahren zur Ausbildung der Passivierungs­ schicht in derselben Reaktionskammer ohne Vakuumunterbrechung durchgeführt.
Wie oben beschrieben, vereinfacht die vorliegende Erfindung die Ausbildung eines Musters, das während eines Verfahrens in Folge auf ein Herstellungsverfahren für eine BPSG-Schicht ausgebildet wird, wobei sie jedoch auch eine hervorragende Isoliereigenschaft vorsieht. Andere Merkmale, Vorteile und Ausführungsformen der Erfindung, die hierin offenbart sind, wird den Fachleuten, nachdem sie die vorstehende Offenbarung gelesen haben, leicht vor Augen erscheinen. In dieser Hinsicht können, während spezifische Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen beschrieben worden sind, Abänderungen und Modifikationen dieser Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne aus dem Wesen und dem Bereich der Erfindung zu kommen, wie sie beschrieben und beansprucht wird.

Claims (12)

1. Verfahren zur Einebnung einer Halbleitereinrichtung, mit den folgenden Schritten:
  • 1. ein Halbleitersubstrat (10) wird zur Verfügung gestellt, auf dem eine mit einem Muster bzw. einer Struktur versehene Schicht mit einer Topologie ausgebildet wird;
  • 2. eine Zwischenniveau-Isolierschicht (17) wird auf dem Halbleitersubstrat (10) ausgebildet;
  • 3. eine Schicht (18) zur Einebnung, die einen Dotierstoff bzw. Dotierstoffe enthält, wird auf der Zwischenniveau-Isolierschicht (17) ausgebildet;
  • 4. der Dotierstoff bzw. die Dotierstoffe, die in der Schicht (18) für die Ein­ ebnung enthalten ist bzw. sind, wird bzw. werden aus der Oberfläche der Schicht herausdiffundiert; und danach
  • 5. wird die Schicht (18) zur Einebnung zum Fließen gebracht.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Schicht (18) für die Einebnung BPSG ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Diffusion der Dotier­ stoffe durch eine Hitzebehandlung durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Diffusionsschritt für etwa 50-70 Minuten bei einer Temperatur von ca. 650 bis 750°C und einem Druck von ungefähr 1,3 bis 13 Pa durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Schritt des Fließens für etwa 25-35 Minuten bei einer Temperatur von etwa 850 bis 900°C durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem sowohl der Diffusionsschritt als auch der Schritt des Fließens in derselben Kammer ohne eine Vakuumunter­ brechung durchgeführt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei beide Schritte in einer LPCVD-Kammer durch­ geführt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, das ferner den Schritt umfaßt, daß eine Passivierungsschicht (19) auf der zum Fließen gebrachten Schicht (18) für die Einebnung ausgebildet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Passivierungsschicht (19) mittels eines thermischen Oxidationsverfahrens ausgebildet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem das thermische Oxidationsverfahren unter einer Atmosphäre von N2O durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem sowohl der Diffusions­ schritt, der Schritt des Fließens und der Schritt zur Ausbildung der Passivierungs­ schicht (19) in derselben Kammer ohne eine Vakuumunterbrechung durchgeführt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem sämtliche der Schritte in der LPCVD-Kammer durchgeführt werden.
DE19648082A 1995-11-20 1996-11-20 Verfahren zur Einebnung einer Halbleitereinrichtung Expired - Fee Related DE19648082C2 (de)

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