DE3613181A1

DE3613181A1 - Verfahren zum erzeugen von graeben mit einstellbarer steilheit der grabenwaende in aus silizium bestehenden halbleitersubstraten

Info

Publication number: DE3613181A1
Application number: DE19863613181
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Phys D Engelhardt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1986-04-18
Filing date: 1986-04-18
Publication date: 1987-10-22
Anticipated expiration: 2006-04-19
Also published as: DE3613181C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Gräben mit einstellbarer Steilheit der Grabenwände in aus Silizium bestehenden Halbleitersubstraten für höchst integrierte Schaltungen durch reaktives Ionenätzen in einer aus Trifluorbrommethan (CBrF₃) bestehenden Ätzgas atmosphäre unter Verwendung einer Ätzmaske.

Eine der wesentlichen Innovationen, die zur Realisierung von 4Mbit-Speichern erforderlich sind, stellt die Gra benzelle dar. Um eine Erhöhung des Integrationsgrades zu erreichen, wird anstelle eines planaren Speicherkon densators ein Grabenkondensator im Substratmaterial er zeugt. Durch Dotieren der Grabenwand und des Grabenbo dens wird eine dreidimensional ausgedehnte Kondensator platte erzeugt. Ein Dielektrikum stellt die Isolation zu einer dotierten Polysiliziumschicht her, die als zweite Kondensatorplatte dient. Mit der Grabenzelle gelingt es, bei reduziertem Platzbedarf durch Verwendung eines drei dimensional ausgedehnten Kondensators dieselbe Speicher kapazität bereitzustellen wie bei einem planaren Konden sator.

Zur Realisierung der Grabenzelle werden anisotrope Trockenätzprozesse vorgeschlagen, mit denen es möglich ist, Gräben in das Siliziumsubstrat zu ätzen. Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus einem Bericht von Morie et. al. aus dem IEEE Electron Devices Letters, Vol. EDL-4, Nr. 11 (November 1983), auf den Seiten 411 bis 414 zu entnehmen. Dabei werden die Gräben von 1 bis 3 µm Tiefe in einem mit Elektronenstrahl geschriebenen Muster versehenen Siliziumsubstrat in einer aus Trifluor brommethan bestehenden Gasatmosphäre durch reaktives Ionenätzen und anschließendes Naßätzen in einem aus Sal petersäure, Essigsäure und Flußsäure bestehenden Gemisch erzeugt. Bei dieser Ätzung wurde festgestellt, daß zur Erzielung eines rechtwinkligen Grabenquerschnittes der CBrF₃-Gasdruck konstant auf 1.87 . 10^-2 mbar (= 14 mTorr) gehalten werden muß, während die Hochfrequenzleistungs dichte für die Ausbildung des Grabens von untergeordne ter Bedeutung ist.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrundeliegt, besteht in der Herstellung von Gräben, an deren Profil folgende An forderungen gestellt werden:

1. die Grabenwände sollen senkrecht bis leicht getapert ausgebildet sein, um ein leichtes Auffüllen des Iso lationsmaterials und das Einbringen einer Dotierung zu ermöglichen,
2. ihre Oberflächen sollen glatt sein und keine Stufen aufweisen,
3. am Rand des Grabenbodens soll kein bevorzugter Ätzan griff stattfinden,
4. der Prozeß soll in einem Schritt gut reproduzierbar durchführbar sein.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß

a) die Hochfrequenzleistungsdichte für maximale Steil heit (90°) auf 1 W/cm² begrenzt wird und zur Erzeu gung abgeschrägter Grabenwände bis auf 3W/cm² erhöht wird.
b) der Gasfluß des Reaktionsgases auf mindestens 30 sccm (= Standardkubikzentimeter) eingestellt wird,
c) der Gasdruck auf maximal 2 × 10^-2 mbar gehalten wird und
d) die Ätzung in einem Einscheiben-Plattenreaktor mit beheizten Elektroden durchgeführt wird.

Es ist ein wichtiges Kriterium der Erfindung, daß die Flankensteilheit der Grabenwand über die Änderung der verwendeten Hochfrequenzleistung, also nur eines einzi gen Parameters, einstellbar ist. Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß als Ätzmaske eine mindestens 500 nm dicke, vorzugsweise 700 nm dicke, durch thermische Zer setzung aus Tetraethylorthosilikat (TEOS) erzeugte SiO₂- Schicht verwendet wird.

Gemäß einem besonders günstigen Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung werden zur Erzeugung von optima len 2 µm tiefen und 1 µm breiten Gräben in einem p-do tierten Siliziumsubstrat folgende Parameter eingestellt:

Elektrodentemperatur (und Reaktortemperatur) 40°C
Elektrodenabstand 150 mm
Hochfrequenzleistungsdichte im Bereich von 75 bis 250
Watt/Substratscheibe
Gasdruck 2×10^-2 mbar
Gasfluß 30 sccm

Die geerdete Gegenelektrode ist als Gasdusche ausgebildet. Die für den Gaseinlaß vorgesehenen Löcher in der Gasdu sche sind auf fünf konzentrischen Kreisen angeordnet. Die Durchmesser dieser Kreise betragen 80 mm, 60 mm, 38 mm, 20 mm und 10 mm, wobei der Abstand benachbarter Löcher auf diesen Kreisen 9 mm, 8 mm und bei den drei kleinsten Kreisen jeweils 5 mm beträgt. Der Durchmesser eines ein zelnen Loches liegt bei weniger als 1 mm. Der Durchmes ser der gesamten Gasdusche beträgt 115 mm.

Die Reaktorwandungen, die Gaszu- und -ableitungen sowie die Elektroden sind mit einer anodisierten Aluminium schicht überzogen.

Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ge genüber den an den Einscheibenanlagen durchgeführten be kannten Trockenätzprozessen mit Tetrachlorkohlenstoff und Stickstoff als Ätzgas ist neben der Tatsache, daß keine Unterätzungen auftreten, darin zu sehen, daß das Verfahren nach der Lehre der Erfindung keine gesund heitsschädlichen Wirkungen zeigt und die Ätzmedien leichter handhabbar sind.

Weitere Unterschiede und Einzelheiten sind aus den Fig. 1 bis 3 zu entnehmen. Dabei zeigen

die Fig. 1 und 2 im Schnittbild im Siliziumsubstrat in der Einscheibenanlage geätzte Gräben, wobei die Fig. 1 ein mit Trifluorbrom methan geätztes Profil bei einer HF-Lei stung von 75 Watt/Substrat (steilstes Profil) und

die Fig. 2 ein mit Tetrachlorkohlenstoff und Stickstoff geätztes Profil zeigt;

die Fig. 3 zeigt in einem Kurvendiagramm die Abhängig keit der Steilheit der Grabenwand (Ordinate = Grabenwinkel/Grad) von der Hochfrequenz leistung (Abszisse in Watt).

In den Fig. 1 und 2 gelten folgende Bezugszeichen:

1 Siliziumsubstrat (p-dotiert)
2 SiO₂-Schicht als Ätzmaske (700 nm)
3 Graben (Tiefe 1,6 µm)
4 Grabenwände

Ein Vergleich der beiden Fig. 1 und 2 zeigt deutlich, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren das gewünschte Grabenprofil mit geraden Wänden ohne jegliche Unterätzung hergestellt werden kann.

Aus Fig. 3 ist zu entnehmen, daß durch die Hochfrequenz leistung die Steilheit der Grabenwand kontrolliert einge stellt werden kann.

Durch das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ist die Möglichkeit gegeben, auf einfache Weise durch anisotrope Trockenätzprozesse Grabenzellen zu realisieren, wie sie für 4 Megabit-Speicherschaltungen erforderlich sind. Dar über hinaus kann aber das Verfahren auch für die Isola tion von CMOS-Bauelementen bei höchstintegrierten Schal tungen verwendet werden, bei denen Isolationstechniken wie das bekannte LOCOS-Verfahren durch die Grabeniso lation (Box-Isolation) ersetzt werden muß.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen von Gräben (3) mit einstellba rer Steilheit der Grabenwände (4) in aus Silizium be stehenden Halbleitersubstraten (1) für höchstintegrier te Schaltungen durch reaktives Ionenätzen in einer aus Trifluorbrommethan bestehenden Ätzgasatmosphäre unter Verwendung einer Ätzmaske (2), dadurch ge kennzeichnet, daß

a) die Hochfrequenzleistungsdichte für maximale Steilheit (90°) auf 1 W/cm² begrenzt wird und zur Erzeugung abge schrägter Grabenwände auf Werte bis zu 3W/cm² erhöht wird.
b) der Gasfluß des Reaktionsgases auf mindestens 30 sccm eingestellt wird,
c) der Gasdruck auf maximal 2 x 10^-2 mbar gehalten wird und
d) die Ätzung in einem Einscheiben-Plattenreaktor mit beheizten Elektroden durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Elektrodentempera tur auf 40 bis 50°C eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Ätzmaske (2) eine mindestens 500 nm dicke, vorzugsweise 700 nm dicke, SiO₂- Schicht-Struktur verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die SiO₂-Schicht (2) durch thermische Zersetzung von Tetraethylorthosilikat erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß der Ab stand der Elektroden auf 130 bis 170 mm, vorzugsweise 150 mm, eingestellt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß eine geerdete Gegenelektrode verwendet wird, die als Gas dusche ausgebildet ist, wobei die für den Gaseinlaß vor gesehenen Löcher auf konzentrischen Kreisen angeordnet sind und der Durchmesser der Löcher kleiner als 1 mm be trägt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß die Reaktorwandungen, Gaszu- und -ableitungen, sowie die Elektroden mit einer anodisierten Aluminiumschicht über zogen sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß die das Substrat tragende Elektrode im Bereich des Substratran des mit einem Teflonring belegt wird.

9. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung von Grabenzellen bei dreidimen sionalen Halbleiterstrukturen für höchstintegrierte Speicherschaltungen.

10. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung von die aktiven Transistorbereiche im Siliziumsubstrat trennenden Grabenisolation von hoch integrierten CMOS-Schaltungen.