DE19717880C2 - Verfahren zur Bildung eines Isolationsbereichs einer Halbleitereinrichtung - Google Patents

Verfahren zur Bildung eines Isolationsbereichs einer Halbleitereinrichtung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1 zur Bildung eines Isolationsbereichs einer Halbleitereinrichtung.
Aus der JP 6-85050 (A) ist bereits ein Verfahren der genannten Art zur Bil­ dung eines Isolationsbereichs einer Halbleitereinrichtung bekannt, mit folgenden Schritten: Bildung einer ersten Isolationsschicht in verschiede­ nen Bereichen auf einem Substrat; Bildung von Gräben mit unterschiedli­ chen Breiten im Substrat unter Verwendung der ersten Isolationsschicht; Bildung einer zweiten Isolationsschicht in bzw. auf den Gräben und auf der ersten Isolationsschicht; Freilegen von Teilen der ersten Isolations­ schicht durch Ätzen der zweiten Isolationsschicht; und Ätzen der ersten Isolationsschicht und der nichtgeätzten Teile der zweiten Isolations­ schicht.
Mit größerer Integrationsdichte von Halbleitereinrichtungen wurden be­ reits mehrere Verfahren zur Bildung kleinerer Einrichtungs-Isolationsbe­ reiche und Bereiche für derartige Einrichtungen, also aktive Bereiche, vorgeschlagen. Eine herkömmliche Technik ist die sogenannte LOCOS- Technik (Lokale Oxidation von Silizium), die relativ einfach auszuführen ist und zu guten Ergebnissen führt. Die LOCOS-Technik eignet sich jedoch nicht zur Herstellung von DRAM's oberhalb von 64 MB, und zwar infolge der Bildung von Vogelschnäbeln, die charakteristischerweise bei Isola­ tionsbereichen auftreten, die durch die LOCOS-Technik hergestellt wer­ den. Derartige Vogelschnäbel entstehen an den Kanten der Isolationsoxid­ schicht und erstrecken sich bis hinein in den aktiven Bereich, wodurch sich dieser verkleinert.
Aus diesem Grunde wurde bereits eine verbesserte LOCOS-Technik ent­ wickelt, die auch bei der Herstellung von DRAM's mit 64 MB oder 256 MB zum Einsatz kommen kann. Diese Technik führt zu verkleinerten Isola­ tionsbereichen und größeren aktiven Bereichen, da das Auftreten von Vo­ gelschnäbeln verringert oder ganz beseitigt wird. Allerdings treten bei die­ ser verbesserten LOCOS-Technik nach wie vor Probleme auf, und zwar im Hinblick auf eine Verschlechterung der Eigenschaften des Isolationsbe­ reichs für DRAM's bei Gigabit-Speichereinrichtungen, bei denen ein Zellenbereich mit einer Fläche von 0,2 µm2 benötigt wird.
Ein Problem ist die extrem große Ausdehnung des Isolationsbereichs, während ein anderes Problem ein auftretender Leckstrom sein könnte, der sich durch Bildung einer Feldoxidschicht in der Grenzfläche mit einem Si­ liziumsubstrat bei Anwendung des LOCOS-Verfahrens ergibt. Darüber hinaus könnte eine Konzentrationsverringerung bei einem Siliziumsub­ strat auftreten. Aus diesem Grunde wurde bereits ein neues Verfahren zur Bildung des Isolationsbereichs für einen DRAM bei Gigabit-Speichereinrichtungen vorgeschlagen, bei dem die Bildung von Gräben vorgesehen ist, deren Dicke sich leicht einstellen läßt, um den Isolationseffekt zu verbessern.
Die Fig. 1a bis 1f zeigen Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung des konventionellen Verfahrens zur Bildung eines Isolationsbereichs ei­ ner Halbleitereinrichtung.
Gemäß Fig. 1a werden aufeinanderliegend eine Kissenoxidschicht 2 und eine Polysiliziumschicht 3 nacheinander auf einem Substrat 1 gebildet. Anschließend werden in diese Schichten Muster eingebracht, die sich in Breite und Abstand voneinander unterscheiden, und zwar durch selektive Strukturierung unter Anwendung eines fotolithografischen Prozesses so­ wie durch Ätzen. Das Substrat 1 wird sodann mit einer vorbestimmten Tie­ fe geätzt, und zwar unter Anwendung der zerteilten Polysiliziumschicht 3 und der Kissenoxidschicht 2 als Masken, um Gräben 4 zu erhalten, die ei­ ne unterschiedliche Breite aufweisen.
Wie in Fig. 1b zu erkennen ist, wird anschließend eine thermische Oxid­ schicht 5 entlang der Oberfläche eines jeden Grabens 4 gebildet, also am Boden und den Seitenwänden des jeweiligen Grabens 4, während in einem darauffolgenden Schritt durch ein CVD-Verfahren (chemische Dampfab­ scheidung im Vakuum) eine Oxidschicht 6 auf die gesamte Oberfläche der Gräben 4 aufgebracht wird, und zwar unter Verwendung einer ECR-Ein­ richtung (Elektron-Zyklotron-Resonanzeinrichtung). Dabei kommt die Oxidschicht 6 in den Gräben zu liegen und füllt diese aus. Ebenfalls kommt die Oxidschicht 6 neben den Gräben auf der Schicht 3 zu liegen. Beim Aufbringen der CVD-Oxidschicht 6 mittels der ECR-Einrichtung wird die Oxidschicht 6 unter Verwendung von SiH4/N2O Gas in einer ECR- Plasmaeinrichtung erzeugt.
Gemäß der Fig. 1c wird sodann die CVD-Oxidschicht 6 lateral bzw. seit­ lich geätzt. Im Ergebnis verbleibt die CVD-Oxidschicht 6 in den Gräben 4 und wird nicht aus diesen herausgeätzt. Allerdings wird dabei die obere Kante der Polysiliziumschicht 3 freigelegt, wodurch sich die Breite der auf ihr befindlichen CVD-Oxidschicht 6 verringert. Darüber hinaus wird die CVD-Oxidschicht 6, die auf dem schmalen Bereich der Polysiliziumschicht 3 liegt, beim lateralen bzw. seitlichen Ätzen vollständig entfernt.
Die Fig. 1d zeigt, daß nach Bildung eines Fotoresists auf der gesamten Oberfläche der Polysiliziumschicht 3 die verbleibende CVD-Oxidschicht 6, die nicht weggeätzt wurde, durch Belichtung und Entwicklung des Fotore­ sists freigelegt wird. Der Fotoresist trägt das Bezugszeichen PR. Bei die­ sem Prozess wird auch die obere Kante der Polysiliziumschicht 3 bereichs­ weise freigelegt, die sich unterhalb der CVD-Oxidschicht 6 befindet.
Gemäß der Fig. 1e wird die freigelegte CVD-Oxidschicht 6 anschließend selektiv entfernt, und zwar unter Verwendung des Fotoresists PR als Ma­ ske. Danach wird auch der Fotoresist PR entfernt.
Im letzten Schritt des konventionellen Verfahrens werden gemäß Fig. 1f nun auch die Polysiliziumschicht 3 und die Kissenoxidschicht 2 nachein­ ander entfernt, um somit eine unter Verwendung eines Grabens gebildete Isolationsschicht für die Halbleitereinrichtung zu erhalten.
Allerdings treten beim konventionellen Verfahren zur Bildung der Isola­ tionsschicht noch einige Probleme auf.
Zunächst einmal ist das gesamte Verfahren zu kompliziert. Nachdem die CVD-Oxidschicht in den Gräben gebildet worden ist, müssen zur Beseiti­ gung der CVD-Oxidschicht auf der Polysiliziumschicht außerhalb der Grä­ ben weitere Verfahrensschritte durchgeführt werden, nämlich ein latera­ les Ätzen, eine Strukturierung des Fotoresists auf fotolithografischem We­ ge, und ein weiterer Ätzvorgang unter Verwendung des Fotoresists als Maske.
Liegt darüber hinaus die beim Aufbringen der CVD-Oxidschicht gebildete CVD-Oxidschicht in den Gräben höher als die obere Fläche der Polysilizi­ umschicht, um die Gräben ausfüllen zu können, so ist zur Beseitigung die­ ser höher liegenden CVD-Oxidschicht ein laterales Ätzen erforderlich. An­ dererseits wird die CVD-Oxidschicht auf der Polysiliziumschicht nur un­ vollständig entfernt, da die obere Kante bzw. Fläche der Polysilizium­ schicht durch den Fotoresist maskiert ist. Die obere Fläche der Polysilizi­ umschicht bleibt daher durch die CVD-Oxidschicht abgedeckt, da letztere nur unvollständig entfernt worden ist. Das hat zur Folge, daß die Polysili­ ziumschicht unterhalb der CVD-Oxidschicht nicht vollständig herausge­ ätzt werden kann, wenn die Polysiliziumschicht beseitigt werden soll. Aus diesem Grunde ist ein zusätzlicher Prozess erforderlich, um die CVD-Oxid­ schicht vollständig zu entfernen und die unterhalb der CVD-Oxidschicht liegende Polysiliziumschicht, was die Produktivität verringert und die Pro­ duktionskosten erhöht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das zu besseren Er­ gebnissen bei der Ablagerung der zweiten Isolationsschicht und damit hinsichtlich der Qualität des Isolationsbereichs führt.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im Patent­ anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Isolationsbereich ohne Fehl­ stellen bzw. Lücken erhalten. Dies geschieht dadurch, daß das Verhältnis Abscheidung/Ätzung während der Bildung einer Isolationsschicht in ei­ nem Graben eingestellt wird, und zwar so, daß ein höheres Aspektverhält­ nis für den schmalen Graben erhalten wird, der zur Bildung des Isolations­ bereichs verwendet wird.
Vorteilhaft bei der Erfindung ist ferner, daß neben der Einstellung des Ver­ hältnisses Abscheiden/Ätzen dasjenige Material auf dem Substrat, das zur Bildung des Isolationsbereichs verwendet wurde und auf dem aktiven Bereich liegt, durch einen einzigen Abhebevorgang entfernt werden kann.
Die Zeichnung stellt neben einem herkömmlichen Verfahren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es zei­ gen:
Fig. 1a bis 1f Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines kon­ ventionellen Verfahrens zur Bildung des Isolationsbereichs einer Halblei­ tereinrichtung; und
Fig. 2a bis 2f Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines erfin­ dungsgemäßen Verfahrens zur Bildung des Isolationsbereichs einer Halb­ leitereinrichtung.
Zuerst werden gemäß Fig. 2a auf einem Substrat 10 der Reihe nach auf­ einander liegend eine untere Isolationsschicht 11 und darauf eine obere Isolationsschicht 12 gebildet. Durch einen fotolithografischen Prozess und anschließendes Ätzen werden die untere und die obere Isolations­ schicht 11, 12 selektiv strukturiert, also in ein erstes Isolationsschicht­ muster 11a, 12a und ein zweites Isolationsschichtmuster 11b, 12b unter­ teilt, die sich in Breite und Raum voneinander unterscheiden. Sodann wird das Substrat 10 über eine vorbestimmte Tiefe geätzt, und zwar unter Verwendung des ersten Isolationsschichtmusters 11a, 12a und unter Ver­ wendung des zweiten Isolationsschichtmusters 11b, 12b als Ätzmasken, um auf diese Weise Gräben 13a und 13b im Substrat 10 zu erhalten, die ei­ ne unterschiedliche Breite aufweisen. Zwischen den Gräben 13a und 13b liegt dabei das zweite Isolationsschichtmuster 11b, 12b, während rechts neben dem Graben 13b in der Fig. 2a das erste Isolationsschichtmuster 11a, 12a liegt. Ein weiteres Isolationsschichtmuster 11c, 12c ist links ne­ ben dem ersten Graben 13a zu erkennen.
Bei diesem Verfahren wird die untere Isolationsschicht 11 mit den Struktu­ ren 11a, 11b und 11c aus einem Oxid gebildet, während die obere Isola­ tionsschicht 12 mit den Strukturen 12a, 12b und 12c aus einem Nitrid ge­ bildet wird. Wie bereits erwähnt, weisen die Gräben 13a und 13b im Sub­ strat 10 eine unterschiedliche Breite auf, wobei die Breite des Grabens 13a geringer ist als 0,5 µm. Der Graben 13b ist breiter. Der Bereich des Sub­ strats 10, wo sich keine Gräben befinden, dient als Bereich zur Bildung von Einrichtungen, insbesondere als aktiver Bereich. Anstelle der oben ge­ nannten Materialien können die Schichten 11 und 12 auch aus den jeweils entgegengesetzten Materialien hergestellt werden.
Entsprechend der Fig. 2b wird auf der freiliegenden Oberfläche der Grä­ ben 13a und 13b eine thermische Oxidschicht 14 gebildet, die also auf den Böden und den Seitenwänden der Gräben zu liegen kommt. Anschließend werden alternativ B- oder As-Verunreinigungsionen in die Seiten der Grä­ ben 13a und 13b implantiert, um Leckstrom zu verhindern. Die Implanta­ tion der Verunreinigungsionen erfolgt auch in den Boden der Gräben hin­ ein.
Wie in Fig. 2c und 2d zu erkennen ist, wird unter Verwendung eines hochdichten Plasmas eine CVD-Oxidschicht gebildet, die in den Graben­ bereichen 13a und 13b stark unterschiedliche Höhen aufweist, und die auch auf den zweiten Isolationsschichtstrukturen 12a und 12b zu liegen kommt. Die Bildung dieser CVD-Oxidschicht erfolgt mittels einer ICP-Ein­ richtung (Einrichtung mit induktiv gekoppeltem Plasma) sowie auf der ge­ samten Oberfläche der Gräben 13a und 13b. Die Fig. 2c zeigt eine Quer­ schnittsdarstellung zur Erläuterung des Prozesses zum Aufbringen der CVD-Oxidschicht 15 innerhalb der Gräben 13a und 13b sowie auf den zweiten Isolationsschichtstrukturen 12a und 12b. Dagegen zeigt die Fig. 2d eine Querschnittsdarstellung zur Erläuterung der Vervollständigung dieses Prozesses zum Aufbringen der CVD-Oxidschicht 15. Durch das Auf­ bringen der CVD-Oxidschicht mit Hilfe der ICP-Einrichtung unter Verwen­ dung von SiH4/O2-Gas als Quellengas wird erreicht, daß die Oxidschicht 15 innerhalb der Gräben 13a und 13b eher am Boden der Gräben 13a und 13b abgelagert wird als an deren Seitenwänden. Die ICP-Einrichtung arbeitet bei einer Radiofrequenz (RF)-Vorspannleistung von 500 bis 3000 Watt und bei einer Quellenleistung von 2000 bis 4000 Watt, um eine Plas­ maquelle zu erzeugen. Dabei liegt der Druck unterhalb von 10 mtorr. Das Verhältnis von SiH4 zu O2 beträgt 1 zu 1,3, um somit einen größeren Anteil an O2 zu erhalten. Dabei liegt das Verhältnis Niederschlag bzw. Abschei­ dung/Sputterätzung bei 2,9 bis 8,1. Demzufolge ist es möglich, eine Ebene bzw. flache Oxidschicht durch Vergrößerung des Aspektverhältnisses zu begraben. Wie die Fig. 2c erkennen läßt, wird durch Abscheidung und Sputterätzen unter den obigen Bedingungen die CVD-Oxidschicht 15 auch mit abnehmender Breite ausgehend von der oberen Kante "A" der Gräben 13a und 13b auf der oberen Fläche der zweiten Isolationsschichtstruktu­ ren 12a und 12b abgeschieden, so daß sich (siehe Fig. 2d) ein Off-set-Be­ reich "B" (Versatzbereich) ohne vorspringende CVD-Oxidschicht 15 an der oberen Kante der zweiten Isolationsschichtstrukturen 12a und 12b ergibt. Die CVD-Oxidschicht 15, die innerhalb der Gräben 13a und 13b gebildet wird, ist höher als die obere Schicht der zweiten Isolationsschichtstruktu­ ren 12a und 12b. Unter diesem Aspekt kann die CVD-Oxidschicht 15 in den Gräben 13a und 13b durch Änderung der verschiedenen Bedingungen niedergeschlagen werden, beispielsweise der RF-Vorspannleistung, der Quellenleistung oder des Druckes. Ferner läßt sich die CVD-Oxidschicht 15 durch einen einzigen Prozess oder durch einen Mehrfachprozess (we­ nigstens einen zweifachen) niederschlagen, wobei das Verhältnis Abschei­ den/Sputtern für die jeweiligen Prozesse dann geändert wird.
Wie die Fig. 2e erkennen läßt, wird in einem nachfolgenden Verfahrens­ schritt ein Rückätzprozess durchgeführt, und zwar durch reaktives Io­ nenätzen oder durch Nassätzen unter Verwendung von POE oder HF, um die CVD-Oxidschicht 15 so zu ätzen, daß bereichsweise die obere Fläche und die Seiten der zweiten Isolationsschichtstrukturen 12a und 12b frei­ gelegt werden. Dadurch wird die CVD-Oxidschicht 15 unterteilt, und zwar in eine CVD-Oxidschicht 15a, die innerhalb der Gräben 13a und 13b zu lie­ gen kommt, und in eine CVD-Oxidschicht 15b, die auf der zweiten Isola­ tionsschichtstruktur 12a etwa mittig steht, die weiter bzw. breiter ist als die erste Isolationsschichtstruktur 12b. Mit anderen Worten wird die CVD-Oxidschicht 15 auf der schmalen zweiten Isolationsschichtstruktur 12b vollständig oder fast vollständig entfernt, während die CVD-Oxid­ schicht 15 auf der breiteren zweiten Isolationsschichtstruktur 12a insel­ förmig stehenbleibt.
Falls erforderlich, wird die CVD-Oxidschicht 15 als Maske bei der Implan­ tation von Kanalstopionen in das Substrat 10 unterhalb der Gräben 13a und 13b verwendet, wobei B, As oder P als Verunreinigungsionen verwen­ det werden. Beim oben genannten Rückätzprozess unter Anwendung des RIE-Verfahrens (reaktives Ionenätzen) kann der Leckpegel dadurch ver­ bessert werden, daß die Höhen von Substrat und CVD-Oxidschicht 15a in den Gräben 13a und 13b entsprechend eingestellt werden, wodurch ver­ mieden wird, daß sich Ausnehmungen an den Rändern bzw. Kanten der Gräben 13a und 13b bilden.
Entsprechend der Fig. 2f werden nunmehr die zweiten Isolations­ schichtstrukturen 12a und 12b mit einer H3PO4 Lösung entfernt, wo­ durch die CVD-Oxidschicht auf der breiteren zweiten Isolationsschicht­ struktur 12a abgehoben und automatisch entfernt wird. Anschließend wird die verbleibende erste Isolationsschicht 11 mit einer HF-Lösung ent­ fernt, womit das Verfahren zur Bildung eines Isolationsbereichs der Halbleitereinrichtung beendet ist.

Claims (15)

1. Verfahren zur Bildung eines Isolationsbereichs einer Halbleiterein­ richtung, mit folgenden Schritten:
  • - Bilden und Strukturieren wenigstens einer aus einer Oxidschicht (1) und einer Nitridschicht (12) bestehenden ersten Isolationsschicht (I) mit unterschiedlichen Abmessungen in verschiedenen Bereichen auf einem Substrat (10);
  • - Bilden von Gräben (13a, 13b) mit unterschiedlichen Breiten im Sub­ strat (10) unter Verwendung der ersten Isolationsschicht (I);
  • - Bildung einer zweiten Isolationsschicht (15) in bzw. auf den Gräben (13a, 13b) und auf der ersten Isolationsschicht (I), wobei die zweite Isola­ tionsschicht (15) als eine aus einem hochdichten Plasma hergestellte CVD-Oxidschicht ausgebildet wird;
  • - Freilegen von Teilen der ersten Isolationsschicht (I) durch Ätzen der zweiten Isolationsschicht (15); und
  • - Naßätzen der ersten Isolationsschicht (I) und der nichtgeätzten Teile der zweiten Isolationsschicht (15).
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Schritt zur Implantation von Verunreinigungsionen in das Substrat nach Bildung der Gräben.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ unreinigungsionen entweder B- oder As-Ionen sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der ersten Isolationsschicht (I) dadurch freigelegt wird, daß die zweite Isola­ tionsschicht (15) durch reaktives Ionenätzen abgetragen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der ersten Isolationsschicht (I) dadurch freigelegt wird, daß die zweite Isola­ tionsschicht (15) durch Nassätzen abgetragen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der ersten Isolationsschicht (I) durch Nassätzen mit HF freigelegt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Nitridschicht (12) dadurch freigelegt wird, daß die zweite Isolationsschicht (15) durch reaktives Ionenätzen abgetragen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Nitridschicht (12) durch Nassätzen der zweiten Isolationsschicht (15) ab­ getragen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der ersten Isolationsschicht (I) durch Nassätzen mit HF abgetragen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Isolationsschicht (15) wiederholt abgeschieden bzw. aufgebracht wird, und zwar mindestens zweimal.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Hilfe des hochdichten Plasmas gebildete CVD-Oxidschicht (15) unter Verwen­ dung von SiH4/O2-Gas gebildet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch hochdichtes Plasma gebildete CVD-Oxidschicht (15) bei einer Radiofre­ quenz (RF) Vorspannleistung von 500 bis 3000 Watt und einer Quellenlei­ stung von 2000 bis 4000 Watt gebildet wird, und zwar bei einem Druck un­ terhalb von 10 mtorr.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehr O2 als SiH4 vorhanden ist.
14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß beim SiH4/O2-Gas das Verhältnis von SiH4 zu O2 im Bereich von 1 bis 1,3 liegt.
15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver­ hältnis Abscheidung/Sputterätzung für die zweite Isolationsschicht im Bereich von 2,9 bis 8,1 liegt.
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