DE19909282A1 - Verfahren zum Bilden einer Oxidisolationsstruktur in Silicium - Google Patents

Abstract

Ein Oxid in Silicium wird durch Ätzen wenigstens eines Grabens in das Silicium gebildet, gefolgt von der Baufschlagung der Siliciumwände des Grabens mit thermisch oxidierenden Bedingungen. Das Oxid wächst aus den Grabenwänden nach außen und verbraucht das darin befindliche Silicium. Das Silicium, das ursprünglich die Grabenwände bildet, wird durch Oxid ersetzt, wenn der Graben gefüllt ist. Besonders nützlich ist ein Prozeß, in dem benachbarte Gräben eine Reihe von Siliciumscheiben definieren und sämtliche Siliciumschienen während der Bildung des Oxids verbraucht werden. Der Prozeß der Erfindung entkoppelt das erwünschte vertikale Eindringen des Oxids in das Silicium von der unerwünschten seitlichen Ausdehnung des Oxids in benachbarte aktive Bereiche.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bilden einer Oxidi­ solationsstruktur in Silicium nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Elektronisch aktive Bereiche in Halbleitervorrichtungen werden voneinander durch die Bildung von Zwischenstrukturen, die aus Siliciumdioxid gebildet sind, isoliert. Verfahren zum Aufwachsenlassen von Siliciumdioxid für diesen Zweck fallen in zwei allgemeine Kategorien: (1) räumlich begrenzte Oxidation von Silicium (LOCOS) und (2) Grabenisoliertechni­ ken.

In einem herkömmlichen LOCOS-Isolierprozeß zur Bildung eines Oxids werden auf der Siliciumoberfläche wahlweise ein Flä­ chenoxidmuster und ein Nitridmaskenmuster gebildet. Ur­ sprüngliche elektrisch aktive Bereiche werden maskiert, während ursprüngliche Isolationsbereiche unmaskiert bleiben.

Das Silicium wird anschließend unter Oxidationsbedingungen, die dem freiliegenden Silicium zu reagieren ermöglichen, um Siliciumdioxid zu bilden, erwärmt. Das Wachstum von Oxid aus Silicium erfolgt nicht nur in vertikaler Richtung, sondern auch in horizontaler Richtung. Dieses seitliche Oxidwachstum endet in einem schmalen "Vogelschnabel"-Bereich
Der Hauptvorteil, den diese herkömmlichen LOCOS-Iso­ lationstechniken bieten, ist die Einfachheit des Prozes­ ses, da nur die Schritte des Maskierens und der thermischen Oxidation verwendet werden. Das die herkömmlichen LOCOS-Iso­ lationsprozesse begleitende seitlich auswachsende Oxid weist jedoch eine Anzahl ernsthafter Nachteile auf.

Zunächst ist der Vogelschnabelbereich typischerweise auf­ grund der durch die Nitridmaske und das seitlich wachsende Oxid auf ihn ausgeübten Kräfte einer verhältnismäßig hohen mechanischen Beanspruchung unterworfen. Somit ist der Vogel­ schnabelbereich mit einem Eindringen und anderen Problemen verbunden.

Ein zweites Problem in Verbindung mit den herkömmlichen LOCOS-Isolationstechniken besteht darin, daß das seitliche Oxidwachstum auch die Siliciummenge, die für ursprüngliche elektrisch aktive Vorrichtungsbereiche verfügbar ist, um eine bestimmte Strecke beiderseits des ursprünglichen Isola­ tionsbereichs 206 reduziert. Dieser Raumverlust für benach­ barte elektrisch aktive Bereiche erweist sich als ein immer wichtiger werdender Aspekt, wenn die Vorrichtungsgrößen in den Submikronbereich schrumpfen.

Die erste Alternative zu Isolationsprozessen des LOCOS-Typs ist die Grabenisolation, gemäß der ein Fülloxidmuster und ein Nitridschichtmuster auf der Siliciumoberfläche gebildet werden. Ursprüngliche aktive Bereiche, die so beschaffen sind, daß sie elektrisch aktive Komponenten enthalten, werden durch ein Fülloxid und eine Nitridschicht maskiert, während ursprüngliche Isolationsbereiche unmaskiert bleiben.

Dann folgt ein Ätzschritt des Siliciums, um einen Graben zu bilden. Der Ätzschritt ist im allgemeinen anisotrop und ergibt nahezu vertikale Grabenwände und scharf definierte Grenzen zwischen einem ursprünglichen Isolationsbereich und ursprünglichen elektrisch aktiven Bereichen.

Es folgt eine chemische Abscheidung aus der Dampfphase (CVD) von Oxid über der gesamten Oberfläche des Siliciums und des Nitrids, die nicht selektiv ist, so daß Oxid nicht nur im Graben, sondern auch in ursprünglichen elektrisch aktiven Bereichen abgeschieden wird.

Wegen des Vorhandenseins des Grabens ist die mittels CVD abgeschiedene Oxidschicht nicht eben. Daher wird die Oxid­ schicht einem chemisch-mechanischen Polieren unterworfen. Dieser Prozeßschritt erzeugt eine ebene Oberfläche der Oxidschicht.

Es folgt eine anschließende Entfernung des Fülloxids, des Nitrids und der Oxidschicht von den ursprünglichen elek­ trisch aktiven Bereichen. Die Entfernung der Materialien kann in Wirklichkeit aus mehreren präzisen Maskierungs- und Ätzschritten bestehen, die jeweils eine genaue Prozeßsteue­ rung erfordern.

Der Grabenisolationsprozeß bietet einen Vorteil gegenüber herkömmlichen LOCOS-Prozessen, indem er keinerlei seitliches Auswachsen eines Oxids fördert, wodurch eine Verengung durch das Oxid in benachbarten aktiven Siliciumbereichen verhin­ dert wird. Leider reduziert jedoch die mit der Entfernung des CVD-Oxids verbundene zusätzliche Prozeßkomplexität den Durchsatz und den Ausstoß erheblich. Dieser reduzierte Wirkungsgrad erhöht wiederum die Kosten des Gesamtprozesses.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1 zu schaffen, das so einfach wie her­ kömmliche LOCOS-Prozesse ist und gleichzeitig das erwünschte vertikale Oxidwachstum vom unerwünschten seitlichen Oxid­ wachstum entkoppelt.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Oxidstrukturen für eine elektronische Isolation aktiver Bereiche in Silicium werden durch Ätzen wenigstens eines Grabens in Silicium gebildet, gefolgt von der Beaufschlagung der Siliciumwände des Grabens mit thermisch oxidierenden Bedingungen. Im Ergebnis wächst Oxid aus den Grabenwänden. Dieser Oxidationsprozeß wird solange fortgesetzt, bis der Graben mit Oxid gefüllt ist und das Silicium an den Wänden des Grabens im wesentlichen verbraucht ist. Dieser Prozeß ist besonders nützlich, wenn eine Reihe benachbarter Gräben eine Anzahl von Siliciumschienen definieren, wobei diese Siliciumschienen vollständig verbraucht werden, um während der thermischen Oxidation ein Oxid zu bilden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefüg­ ten Abbildungen illustrierten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1A-1D zeigen in Querschnittsansichten den Prozeß zur Bildung eines Oxids.

Fig. 2 zeigt in einer Draufsicht das geätzt Silicium vor der Oxidation.

Gemäß Fig. 1A folgt der Bildung einer Schicht aus Fülloxid 300 auf dem Silicium 302 die Bildung einer Nitridschicht 304 auf dem Fülloxid 300, um eine oxidationsbeständige Maske zu bilden. Das Fülloxid 300 hat typischerweise eine Dicke von ungefähr 90 Å, während die Nitridschicht 304 typischerweise eine Dicke von ungefähr 2000 Å besitzt.

Fig. 1B zeigt das Ätzen des darunterliegenden Siliciums 302, um ursprüngliche elektrisch aktive Bereiche 301 und einen ursprünglichen Isolationsbereich 303 zu bilden. Der ur­ sprüngliche Isolationsbereich 303 enthält eine Anzahl be­ nachbarter Gräben 306 mit gleichmäßiger Tiefe. Die Bildung benachbarter Gräben 306 erzeugt eine Reihe von Silicium­ schienen 308 mit Seitenwänden 310, die aus Silicium gebildet sind.

Fig. 1C zeigt die Anfangsstufe des Oxidwachstumsprozesses, wobei die Seitenwände 310 der Gräben 306 den Oxidationsbe­ dingungen ausgesetzt sind. Die Oxidation kann unter ver­ schiedenen Bedingungen stattfinden, die eine Hochdruckoxida­ tion, eine Naßoxidation oder eine Trockenoxidation enthalten können, jedoch nicht darauf eingeschränkt sind. Diese Bedin­ gungen rufen die Bildung von Oxid 312 aus dem in den Seiten­ wänden 310 vorhandenen Silicium hervor.

Fig. 1D zeigt den Abschluß des Prozesses der Bildung des Oxids 312. Das Oxid 312 wächst fortgesetzt aus den Seiten­ wänden 310 aus Siliciumsäulen 308, wobei unter Umständen sämtliche Gräben 306 mit Oxid 312 gefüllt werden. Die Sili­ ciumsäulen 306 sind schließlich durch das Wachstum von Oxid 312 aus den gegenüberliegenden Seitenwänden 310 vollständig verbraucht. Am Ende des Oxidwachstumsprozesses ist das Silicium im gesamten ursprünglichen Isolationsbereich 303 durch Oxid 312 ersetzt worden.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht des Siliciums 400 und der oxidationsbeständigen Maske 402 nach Abschluß des Ätzens, wie oben in Verbindung mit Fig. 1B beschrieben worden ist. Der Eindringwinkel des Grabens in das Silicium ist um der Darstellung willen reduziert worden.

Die ursprünglichen elektrisch aktiven Bereiche 404 sind voneinander durch den ursprünglichen Isolationsbereich 406 getrennt. Der ursprüngliche Isolationsbereich 406 enthält mehrere parallele Gräben 408 mit Seitenwänden 410. Die Gräben 408 sind durch nicht geätzte Schienen 412 getrennt.

Während des Oxidationsprozesses wird jedes Einheitsvolumen aus Silicium, das an den Grabenseitenwänden oxidiert wird, durch Oxid ersetzt, das ein 1,27faches Volumen einnimmt. Etwas mehr als 50% dieses Oxidvolumens steht in den Graben 408 vor, während sich das verbleibende Volumen zurück in das Silicium erstreckt. Um daher zu gewährleisten, daß das Silicium des ursprünglichen Isolationsbereichs 406 vollstän­ dig durch Oxid ersetzt wird, sollten abwechselnde Gräben 408 und Schienen 412 in sehr guter Näherung die gleiche Breite besitzen.

Die Oxidation sollte in einer Weise erfolgen, die mechani­ sche Beanspruchungen auf das Oxid während des Wachstums entlastet. Dies ist notwendig, damit das von den Seitenwän­ den wachsende Oxid nach unten in den Boden des Grabens fließen kann und somit die Bildung von Hohlräumen vermieden wird. Dem Oxid kann unter Verwendung zahlreicher Techniken einschließlich der Fluorierung des Oxids während der Oxida­ tion oder einer Oxidation bei verhältnismäßig hohen Tempera­ turen von beispielsweise mehr als 1150°C eine begrenzte Flexibilität verliehen werden.

Der Hauptvorteil besteht darin, daß das Ausmaß des vertika­ len Eindringens des Oxids in das Silicium (in Fig. 1D mit Y bezeichnet) von der horizontalen Ausdehnung des Oxids in elektrisch aktive Bereiche (in Fig. 1D mit X bezeichnet) entkoppelt ist. Diese Entkopplung tritt auf, da das vertika­ le Eindringen des Oxids in das Silicium durch die Tiefe der Grabenseitenwände vorbestimmt ist, während das horizontale Oxidwachstum durch die Breite der Gräben und das Ausmaß des Oxidwachstums von gegenüberliegenden Seitenwänden begrenzt ist. Somit wird die Prozeßeinfachheit der LOCOS-Iso­ lationstechniken mit der Steuerung der seitlichen Abmes­ sungen Grabenisolationstechniken kombiniert.

Der in den Fig. 1A bis 1D und in Fig. 2 gezeigte Oxidwachs­ tumsprozeß zeigt lediglich einen von mehreren für das Oxid­ wachstum geeigneten Prozessen. Beispielsweise würde das Ätzen einer Reihe von nicht parallelen Gräben im Silicium Silicium-"Säulen" mit vorgegebener Länge und Breite ergeben. Die Oxidation der Seitenwände dieser Silicium-"Säulen" würde ein Oxidwachstum in zwei anstatt in einer Dimension hervor­ rufen, wodurch die Bildung von Oxidstrukturen mit verschie­ denen Größen und Formen ermöglicht wird. Weiterhin können die Tiefe und der Winkel der Seitenwände der Gräben sowie die verwendeten Oxidationsbedingungen angepaßt werden, um Oxidstrukturen mit der gewünschten Eigenschaft zu bilden.

Claims (7)

1. Verfahren zum Bilden einer Oxidisolationsstruktur in Silicium, bei dem
auf der Oberseite des Siliciums (302) eine oxidbe­ ständige Maske (304) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß
durch die oxidbeständige Maske (304) geätzt wird, um im Silicium (302) einen Graben (306) mit gegenüberliegenden Seitenwänden (310) zu bilden; und
die Seitenwände (310) des Grabens (306) unter Oxida­ tionsbedingungen so beaufschlagt werden, daß das Oxid aus den Seitenwänden (310) herauswächst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände (310) des Grabens (306) unter Oxidati­ onsbedingungen gehalten werden, bis der Graben (306) mit Oxid (312) gefüllt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in das Oxid (312) der Seitenwände (310) wäh­ rend der Oxidation Fluor eingeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß während der Oxidation die Seitenwände (310) Temperaturen oberhalb von etwa 1150°C ausgesetzt sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in das Silicium (302) mehrere parallele Gräben geätzt werden, um eine Reihe paralleler Silicium­ schienen (412) zu bilden, wobei die Gräben (306) und die Schienen (412) angenähert die gleiche Breite besitzen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gräben unter Oxidationsbedingungen gehalten werden, bis sie im wesentlichen mit Oxid gefüllt sind und das Sili­ cium in den Schienen im wesentlichen verbraucht ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in das Silicium (302) nicht parallele Gräben (306) geätzt werden, um wenigstens eine Siliciumsäule (308) zu definieren.