DE3628488A1 - Isolationsstruktur in mos-bauelementen und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue und verbesserte Isolationsstruktur für MOS-Bauelemente und das Verfahren ihrer Herstellung.

Allgemeiner gesagt betrifft die Erfindung die Herstellung von bipolaren und unipolaren Halbleiterbauelementen der MOS-Art (Metall-Oxid-Halbleiter), ob sie linear integrierte Schaltkreise oder digital integrierte Schaltkreise von kleinem (SSI), mittlerem (MSI), großem (LSI) oder sehr großem (VLSI) Integrationsgrad sind. Um die Beschreibung einfacher zu gestalten, ist beabsichtigt, obwohl sie sich im allgemeinen auf MOS-Bauelemente oder -verfahren des N- Kanal-Typs (NMOS) bezieht, die verschiedenen bekannten MOS- Technologien, d. h. P-Kanal (PMOS), komplementär (CMOS) und Variationen davon, natürlich miteinzubeziehen.

Moderne Herstellungsverfahhren für Halbleiterbauelemente der MOS-Art, die oft kurz "MOS-Verfahren" genannt werden, verwenden spezielle Herstellungstechniken, die zur Verbesserung der Geometrie des beanspruchten Profils der Oberfläche der Bauelemente und zum Erlauben eines immer größeren Integrationsgrades entwickelt worden sind. Ein Hauptzweck solcher Techniken ist die Vermeidung (oder die Glättung) von scharfen Kanten in der Siliciumoxidschicht, die zum Bestimmen der Bereiche verwendet wird, worin die aktiven und passiven Komponenten des Bauelementes gebildet werden und welche Ecken Punkte von großer Brüchigkeit der darüberliegenden Metallisierungsschicht usw. mit sich bringen.

Beispiele solcher Techniken, die eine weit gestreute Anwendung gewunden haben, sind gut bekannte Verfahren: LOCOS, entwickelt von Philips, und Planox, entwickelt von SGS, die, obwohl sie einige Punkte gemeinsam haben, insbesondere in ihrem Abweichen von herkömmlichen Planarverfahren, sicherlich unterschiedlich voneinander sind.

Während in dem LOCOS-Verfahren die dicke Oxidschicht, die zum Isolieren benachbarter aktiver und passiver Komponenten verwendet wird, in dem Substrat durch einen vorhergehenden isotopischen Angriff von Silicium "begraben" wird, zum Bilden der Gräben, die daraufhin mit Siliciumoxid gefüllt werden, wird in dem Planox-Verfahren die Isolationsstruktur, d. h. das dicke (Feld-)Oxid von dem Substrat innerhalb vorbestimmter Bereiche in solch einer Art gezüchtet, daß es für mindestens die Hälfte seiner Dicke in das Substrat wächst.

Solche Verfahren sind in der Literatur breit beschrieben und eine Beschreibung davon findet sich in dem Buch von H. Lilen "Principles et applications des CI/MOS" Editions Radio Paris, 1972, von Seite 61 bis Seite 65.

Insbesondere das Planoxverfahren ist in den Publikationen von F. Morandi - IEDM Techn. Dig. Session 18, Oktober 1969 und von T. C. Wu - W. T. Stacy und K. N. Ritz - Journal of Electrochemical Society, 130, 1563 (1983) offenbart.

Eine entscheidende Stufe des Planox-Verfahrens ist die Bildung des Feldoxids, d. h. der dielektrische Struktur, die die verschiedenen aktiven und passiven Elemente, die das MOS-Bauelement bilden, isoliert.

Solch eine Struktur wird gebildet durch Züchten einer Schicht von Oxid einer geeigneter Dicke, im allgemeinen ungefähr 5000 bis 15000 Å auf Bereichen des Einkristallsiliciumsubstrats, die durch Entfernen der Maskierungsschicht aus Siliciumnitrid von den gewünschten Bereichen mit photolithographischen Techniken bestimmt sind. Die verbleibende Nitridschicht schützt die Bereiche wirksam vor Oxidation, wo später die aktiven und passiven Elemente der integrierten Schaltung gebildet werden.

Die Stufen, die beim Züchten des Oxids der Isolationsstruktur gebildet werden, sind niedriger, weil das Züchten der dicken Oxidschicht auf den unbedeckten Bereichen für ungefähr die Hälfte ihrer Dicke unterhalb der ursprünglichen Oberfläche des Siliciums fortschreitet, was dazu führt, daß ungefähr die Hälfte ihrer Dicke "begraben" ist.

Natürlich sind wegen der Art, auf die das Feldoxid gebildet wird, seine seitlichen Kanten nicht vertikal, sondern entscheidend zusammengesackt. D. h., während das Oxidationsverfahren von Siilicium in den unmaskierten Bereichen hauptsächlich ein Diffusionsprozeß ist, neigt die Oxidation dazu, zwar bei einer schnell weiter abnehmenden Geschwindigkeit, ebenfalls unmittelbar unterhalb der Maskierungsnitridschicht fortzuschreiten, obwohl letztere undurchdringlich für Dampf und Sauerstoff ist, d. h. hinter die geometrischen Begrenzungen der Kanten der Schicht selbst.

Deswegen zeigt das zu dicke (Feld)-Oxid, das mit dem Planoxverfahren erhalten wird, im Querschnitt ein charakteristisches Spitzzulaufen der Kanten, welches im Hinblick auf seine Form oft mit dem Namen Planox "Nase" ("Beak") bezeichnet wird.

Das teilweise "Begraben" der Isolationsstruktur, d. h. des dicken (Feld)-Oxids und das Zusammensacken seiner Kanten erzeugt eine Morphologie, die gekennzeichnet ist durch kleine und wenig steile Stufen, die die Herstellung von Schichten von polykristallinem Silicium und von nachfolgender Metallisierung und/oder Isolationsschichten sehr erleichtern.

Nichtdestoweniger muß der Betrag des Zusammensackens oder die Länge der Planox-Nase sorgfältig begrenzt werden, weil sie, obwohl die Kapazität und die Übergangsdurchbruchspannung oder BV _xj Kennwerte verbessert werden, bemerkenswerte geometrische Probleme verursacht, insoweit sie die benachbarten aktiven Bereiche vermindert und von da an eine Begrenzung der Verminderung der Leitungsbreite mitgibt, Probleme die stark gefühlt werden beim Verfolgen des immer weiter anwachsenden Integrationsgrades und deswegen der Verkleinerung. Es gibt weiterhin eine ganze Reihe von Kollektor-Effekten, die dem Fachmann gut bekannt sind, im Hinblick auf die die Struktur und Gestaltung der Feldoxidschicht in MOS-Bauelementen so sein sollte, daß die folgenden Erfordernisse erfüllt sind.

a) Bestimmen einer Schwellwertspannung des parasitären Feldeffekttransistors, der in Verbindung mit solch einem Oxid gebildet wird durch Verbinden von Streifen von polykristallinem Silicium oder von Metall von ausreichend hoher Ordnung, damit solch ein parasitärer Transistor nicht leitet, wenn auf dem "Gate" die Arbeitsspannung des Bauelementes angelegt wird.

b) Bestimmen einer Lawinendurchbruchsspannung des Übergangs, der sicherlich höher ist als die maximale Betriebsspannung des Bauelementes,

c) Verhindern des "Durchgriffs" ("Reach-through") oder der V _PT Erscheinung, d. h. Verhindern, daß der Verarmungsbereich eines umgekehrt vorgespannten Überganges sich so weit erstreckt, daß er den Verarmungsbereich eines anderen nicht verknüpften Überganges erreicht, der auf Masse gehalten wird.

d) Bestimmen einer niedrigeren Übergangskapazität entlang der Kante des Bereichs.

e) Bestimmen von Stufen so klein und so wenig steil wie möglich und

f) Erfordern des Bereichs so klein wie möglich.

Das herkömmliche Planoxverfahren erlaubt nicht die Dicke der Feldoxidschicht unter einen gewissen Minimalgrenzwert (ungefähr 5000 Å) zu vermindern, obwohl es bestimmte Vorteile im Hinblick auf andere Techniken anbietet. In der Tat bringt eine übermäßige Verminderung der Dicke der Feldoxidschicht eine nicht annehmbare niedrigere Schwellwertspannung des parasitären Transistors mit sich, bis man die Dotierung von Silicium in dem Bereich direkt unterhalb der dicken Oxidschicht erhöht, um eine hohe Schwellwertspannung selbst mit einer verminderten Dicke der Oxidschicht zu erhalten. Die Verstärkung der Siliciumdotierung in solch einem Bereich würde ebenfalls die Verbesserung der Immunitätskennwerte zu "Durchgreif"-Effekten entlang den Verarmungsbereichen von nicht verbundenen Übergängen begünstigen, aber eine solche vergrößerte Dotierung verschlechtert entscheidend die Kennwerte der Lawinendurchbruchsspannung des Überganges und der Kapazität des Überganges entlang der Kante des Bereiches, der bereits negativ durch die Notwendigkeit des Enthaltens der Länge der Planox-Nase beeinflußt wird. Wie beobachtet werden kann, ist die Optimierung der Struktur und der Anordnung der Feldoxidschicht in den bekannten MOS-Verfahren extrem kritisch und wird schwer behindert durch eine Reihe von gegensätzlichen Erfordernissen, die auf die beste Art zur gleichen Zeit nicht erfüllbar sind.

Es ist deswegen eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine neue und verbesserte Isolationsstruktur anzugeben, die in einfacheren Art erlaubt, die oben erwähnten verschiedenen Erfordernisse zu erfüllen. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren für die Herstellung von MOS-Bauelementen anzugeben.

Diese und andere Aufgaben und daraus folgende Vorteile werden durch das Halbleiterbauelemente der MOS-Art der vorliegenden Erfindung erhalten, die eine Struktur zum Isolieren der verschiedenen aktiven und passiven Elemente des Bauelementes aufweist, die erhalten wird durch die Züchtung von Siliciumoxid in Bereichen, die durch Maskierung mit Siliciumnitrid auf der Oberfläche des Einkristallsiliciumsubstrats erhalten werden. Das MOS-Bauelement der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsstruktur Anhänge in Form von Siliciumoxidkeilen aufweist, die sich in einer im wesentlichen kontinuierlichen Art entlang und von den Kanten des Oberflächenteiles der Schicht (dickes oder Feldoxid) der Isolationsstruktur von Siliciumoxid innerhalb des Substrates erstrecken für eine Tiefe, die ausreicht, um Kontakt und Bildung eines Überganges zwischen einem Bereich von Silicium direkt unterhalb des Oberteils oder Oberflächenteils der Isolationsstruktur, der ein Dotierungsniveau höher als das Dotierungsniveau der Masse des Substrates hat, und der Siliciumbereiche zu verhindern, die hoch mit einer Polarität entgegengesetzt zu der des Substrates der Diffusion dotiert sind, die verwendet werden, um die aktiven und passiven Elemente des Bauelementes zu bilden.

Solche Anhänge oder Keile, die im wesentlichen senkrecht zu der Ebene des Substrates sind, haben vorzugsweise eine Dicke im Bereich zwischen 100 und 3000 Å, obwohl größere Dicken gleichermaßen zufriedenstellend sein können, und eine Tiefe oder Breite vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 und 2,5 µm. Sie erlauben, dielektrisch und vollständig die verschiedenen dotierten Bereiche des Einkristallsiliciums des Substrates zu trennen.

Insbesondere trennen in N-Kanal-Bauelementen (NMOS) solche Keile effektiv dielektrisch die Bereiche des N⁺-Artsilicium der Übergänge, das hoch mit Donatoratomen (As, P, Sb) dotiert ist, von dem Bereich des Siliciums der P⁺-Art, das anreichernd mit Akzeptoratomen (B, In) dotiert ist, das unmittelbar unterhalb der Oberflächenschicht des Oxids der Isolationsstruktur (dickes oder Feldoxid) vorhanden ist.

Die Trennung, die mittels solcher Keile erhalten wird, erlaubt das Züchten einer viel dünneren Oberflächenschicht der Isolationsstruktur (Feldoxidschicht) insoweit man frei ist, die nachfolgenden Effekte der Erniedrigung der Schwellwertspannung des parasitären Transistors durch geeignetes Vergrößern der Verunreinigungskonzentration, d. h. Vergrößern des Dotierungsniveaus des Silicium P⁺ Bereichs, der direkt unter der Isolationsoxidschicht liegt, zu kompensieren und somit eine hohe Schwellwertspannung zu bewahren oder selbst zu vergrößern.

Auf der anderen Seite ist es möglich, die Konzentration des P⁺-Bereiches unter der horizontalen Oxidschicht der Isolationsstruktur zu vergrößern und somit einen hohen Schwellwert zu sichern, ohne die Kennwerte der Lawinendurchbruchspannung (BV _xj ) und der Kapazität der Übergänge zu unterdrücken, weil letztere von dem Bereich von P⁺-Silicium durch einen isolierenden Keil von Oxid getrennt sind.

Insbesondere die BV _xj der Übergänge ist hoch, weil die jeweiligen Verarmungsbereiche sich in das Volumen des Substrates für eine lange Entfernung erstrecken müssen, bevor sie über die hohe Konzentration von Akzeptoratomen kommen, die unter der Oberflächenoxidschicht der Isolationsstruktur vorhanden sind. Ferner ergibt sich, daß die Übergänge praktisch frei von dem Effekt der Verstärkung des elektrischen Feldes wegen des zylindrischen Biegens sind, das in allen Übergängen erzeugt wird, die durch die herkömmlichen Planar- und Planoxverfahren erhalten werden.

Selbst der Widerstand gegen die "Durchgreif"-Erscheinung unter den Verarmungsbereichen der Übergänge wird extrem vergrößert durch die Isolationsstruktur der Erfindung, in der Tat müssen sich die Verarmungsbereiche selbst tief erstrecken, um sich zu treffen. Es ist deswegen nicht länger notwendig, die Verbindungen weitweg voneinander in der horizontalen Richtung zu halten und die Minimalentfernung zwischen Übergängen wird lediglich durch die lithographischen Bestimmungen des Streifens begrenzt, entlang dessen das Maskierungsnitrid angegriffen wird.

Weiterhin erlaubt die Möglichkeit des drastischen Verminderns der Dicke der Oberflächenoxidschicht der Isolationsstruktur und die Kürzung der sogenannten Planox-Nase die Verbesserung der vertikalen und horizontalen geometrischen Kennwerte durch Minimierung der Höhe der Stufen und durch besseres Steuern der Gestaltung der Kante der Isolationsstrukturen.

In der Praxis wird die minimale Dicke der Oberflächenschicht der Isolationsstruktur von Siliciumoxid (dickes oder Feldoxid) ausschließlich durch die Notwendigkeit bestimmt, die Kapazität gegen Masse der polykristallinem Siliciumschicht zu begrenzen, weil alle anderen Erfordernisse der Isolation unter den verschieden dotierten Bereichen des Einkristallsiliciums des Substrates durch die besondere Isolationsstruktur der Erfindung erfüllt werden, die die beiden vertikalen Keile aufweist, die sich selbst entlang der Kanten der Oberflächenoxidschicht in Richtung auf das Innere des Substrates erstrecken. Auf diese Weise kann die Dicke der Oberflächenschicht der Isolationsstruktur des Siliciumoxids auf nur 1000 bis 5000 Å vermindert werden. Die Bildung der Isolationsstruktur der Erfindung wird perfekt und leicht erzielt in dem Zyklus der Behandlungen von MOS-Verfahren und ebenfalls ändert sich die Art des Entwerfens der Bauelemente nicht. Jedes bereits existierende Layout kann mit der Technik der vorliegenden Erfindung behandelt werden, ohne daß das Layout selbst modifiziert werden muß.

Das Verfahren der Erfindung zur Herstellung der Isolationsstruktur umfaßt das Maskieren der aktiven Bereiche mit dem Angriff des Oxids, des Nitrids und der möglichen dünnen Oxidschicht, die unter dem Nitrid liegt, bis das Silicium des Substrates entblößt ist und das nachfolgende Züchten der Siliciumoxidschicht der Isolation auf den entblößten Oberflächen des Substrates für eine Dicke vorzugsweise im Bereich zwischen 1000 und 5000 Å und ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Fenster einer Breite im Bereich zwischen 50 und 1000 Å definiert wird entlang der Kante der Siliciumoxidschicht der Isolation, die auf der Oberfläche des Siliciums gezüchtet wird. Das Siliciumsubstrat wird anisotropisch angegriffen entsprechend diesem Fenster für eine Tiefe im Bereich zwischen 0,5 und 2,5 µm und der erzeugte Graben wird mit einem im wesentlichen dielektrischen Material, vorzugsweise Siliciumoxid, gefüllt.

Die Art die notwendigen Fenster entlang der Kante der Oberflächenoxidschicht der Isolation (Feldoxidschicht), die auf der Oberfläche des Siliciumsubstrates gezüchtet ist, zu machen, kann unterschiedlich sein. Gemäß einem ersten Verfahren wird ein anisotropischer Angriff z. B. mittels einer heißen orthophosphorischen Säure, der entblößten seitlichen Kante der Siliciumnitridschicht bewirkt, die durch eine Schicht von Siliciumoxid bedeckt ist, die als eine Maske für die aktiven Bereiche der Oberfläche des Einkristalls während des Betriebs des Züchtens der Oberflächenschicht der Isolationsstruktur des Siliciumoxids (Feldoxidschicht) gedient hat.

Durch Steuerung der Dauer des Angriffs ist es möglich, zu veranlassen, daß die Kante der Siliciumnitridschicht für die gewünschte Entfernung zurückgeschoben wird. Wenn dann das Siliciumoxid unter isotropischen Bedingungen angegriffen wird, wird die mögliche dünne Oxidschicht auf der Oberfläche des Siliciums in Übereinstimmung mit dem Fenster entfernt, wie auch die Oxidschicht, die die Oberfläche der Nitridschicht bedeckt. Gemäß einem alternativen Verfahren wird nach dem Maskieren der aktiven Bereiche durch Angreifen des Oxids des Nitrids und der möglichen dünnen Oxidschicht, die unter dem Nitrid liegt, bis das Silicium des Substrates bloß gelegt wird, und vor dem Weiterschreiten, um die Oxidschicht der Isolation auf den bloßgelegten Bereichen des Substrates zu züchten, eine zweite Nitridschicht einer Dicke ähnlich zu der Breite des gewünschten Fensters niedergeschlagen wird, und die neue Nitridschicht daraufhin unter Bedingungen des anisotropischen Angriffs angegriffen und dies erlaubt eine hohe Geschwindigkeit des Angriffs des Nitrids und eine niedrige Geschwindigkeit des Angriffs des Siliciums, um den gesamten Niederschlag mit Ausnahme des vertikalen Streifens, der die vertikalen Kante der Maskierungsschicht der aktiven Bereiche ummantelt, zu entfernen. Die Oberflächenschicht der Struktur des Isolationsoxids wird dann auf den entblößten Bereichen gezüchtet, die benachbart zu den vertikalen Streifen des Nitrids sind, die nachfolgend in einer isotropischen Art angegriffen werden, um die gewünschten Fenster für eine anisotropische Ätzung des Siliciums zu definieren, die später oxidiert werden, um die vertikalen Keile der Isolationsstruktur der Erfindung zu bilden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Mikroschnitts der Feldoxidschichtstruktur, wie sie gemäß einem bekannten Verfahren erhalten wird,

Fig. 2 eine schematische perspektivische Darstellung eines Mikroschnitts der Isolationsstruktur, die gemäß der vorliegenden Erfindung gemacht ist,

Fig. 3a b, c, d und e schematisch einen teilweisen Mikroschnitt bei 90° des Kantenteils der Oberflächenschicht (Feldoxid) der Isolationsstruktur der Erfindung bei verschiedenen Stufen ihrer Herstellung gemäß dem ersten bevorzugten Verfahren der Erfindung, und

Fig. 4a, b, c, d, und e schematisch den Teilmikroschnitt bei 90° des Kantenteils der Oberflächenschicht des Oxids der Isolationsstruktur der Erfindung bei verschiedenen Stufen ihrer Herstellung gemäß eines weiteren bevorzugten Verfahrens der Erfindung.

Lediglich zum Zweck der Erläuterung ist in allen Figuren ein Halbleiterbauelement mit Oberflächenfeldeffekt, N- Kanal, MOS-Art, das auf einem P-Siliciumchip gebildet ist, d. h. von Silicium, das gleichförmig mit Akzeptoratomen dotiert ist, beispielsweise Boratomen, bis zu einer Konzentration von ungefähr 10¹⁵ Atomen/cm³, gezeigt.

Wie in Fig. 1 gezeigt, zeigt ein typischer Mikroschnitt der Struktur des Feldoxids in MOS-Bauelementen, wie sie im allgemeinen gemäß bekannten Techniken gebildet ist, die dicke Oxidschicht 1, die angeordnet ist, um zwei N⁺-Bereiche in Bezug auf zwei nicht verknüpfte Übergänge 2 und 3 zu trennen, d. h. von zwei Bereichen des Siliziumsubstrats, die hoch mit Donatoratomen dotiert sind, z. B. As, P oder Sb, bis zu einer Konzentration von ungefähr 10²⁰ Atomen/cm³.

Das dicke (Feld-)Oxid wird erhalten durch thermisches Oxidieren des Siliciums in den Bereichen, die durch Eingravieren mittels lithographischer Techniken definiert sind, und das Maskieren von Schichten von Nitrid und von Oxid, die auf dem Einkristallsiliciumsubstrat vorher geformt sind, bis das Silicium selbst bloß gelegt ist. Das Züchten des Oxids in solchen Bereichen wird fortgesetzt, bis eine Dicke erhalten wird, die gemäß allgemeinen Techniken, in einem Bereich zwischen 5000 und 15000 Å ist. Im allgemeinen wird, bevor man fortschreitet, um das dicke Oxid zu züchten, das Dotierungsniveau von Region 6 des P-Siliciumsubstrats direkt unter der zu bildenden Feldoxidschicht erhöht durch Ionenimplantation, bis es die Konzentration von ungefähr 10¹⁶ Atomen/cm³ von Akzeptoratomen, beispielsweise Boratomen, erreicht, um die Schwellwertspannung des parasitären Transistors zu vergrößern, der gebildet wird, wenn die Schicht von polykristallinem Silicium 7, die als Steuer (Gate)-Elektrode des Feldeffekts-Bauelementes arbeitet, den zwei nicht miteinander in Verbindung stehend Übergängen 3 und 2, die die dicke Oxidschicht 1 getrennt werden, überlagert wird.

In Fig. 2 wird die Isolationsstruktur der vorliegenden Erfindung gezeigt, die gebildet wird durch eine Oberflächenoxidschicht (Feldoxidschicht) 1, die erhalten wird durch Oxidieren des Siliciums in der gleichen Art, wie in der bekannten Technik, wobei aber die Dicke nur 1000 bis 5000 Å sein kann, und durch zwei Anhänge oder Keile 1 a und 1 b, die sich selbst entlang und von den Kanten der Oberflächenschicht 1 (Feldoxid) in das Siliciumsubstrat erstrecken.

Wie leicht zu sehen ist, trennen die beiden Anhänge oder Keile 1 a und 1 b dielektrisch die N⁺-Bereiche der Übergänge 2 und 3 von dem P⁺-Bereich 6, der unter der dicken Oxidschicht 1 liegt, d. h. die Oberflächenoxidschicht der Isolationsstruktur der Erfindung. Im allgemeinen ist es, um die dielektrische Trennung unter verschieden dotierten Siliciumbereichen sicherzustellen, ausreichend, daß die beiden Keile 1 a und 1 b sich selbst in das Substrat für eine Tiefe von mindestens 0,5 µm und vorzugsweise für eine Tiefe zwischen 1 und 2,5 µm erstrecken.

Wie bereits oben gezeigt, ist klar, daß mit der neuen Isolationsstruktur der Erfindung die Oberflächenoxidschicht, d. h. die Feldoxidschicht, so dünn wie gewünscht gezüchtet werden kann mit der folgenden Verbesserung der vertikalen und horizontalen Geometrieen des Bauelementes. Die Verdünnung der Feldoxidschicht wird möglich gemacht, weil es möglich ist, ohne Probleme die P⁺ Konzentration des Bereiches 6, der unter dem Feldoxid liegt, zu erhöhen und somit eine hohe Schwellwertspannung zu bewahren, ohne die BV _xj und Kapazitätskennwerte der Übergänge 2 und 3 hinunter zu drücken, weil diese von dem P⁺ durch ein Keil des Isolationsoxids getrennt sind.

Insbesondere ist die BV _xj -Spannung der Übergänge hoch, weil die jeweiligen Verarmungsbereiche sich in dem Substrat über eine lange Entfernung erstrecken, bevor sie auf die hohe Borkonzentration treffen, die unter dem dicken Oxid im wesentlichen frei von dem Intensivierungseffekt des elektrischen Feldes wegen der zylindrischen Biegung, was kennzeichnend für alle Übergänge ist, die durch die herkömmlichen Planar- und Planoxverfahren gebildet werden.

Ebenfalls wird die Freiheit von "Durchgriffs"-Erscheinungen unter Verarmungsbereichen von nicht miteinander in Verbindung stehenden Übergängen sehr stark vergrößert, weil sich die Verarmungsbereiche in Bezug auf benachbarte nicht miteinander in Verbindung stehende Übergänge in die Tiefe erstrecken müssen, um sich durch Laufen unter der Unterkante der Isolationsteile 1 a oder 1 b der Isolationsstruktur der Erfindung treffen zu können.

Solch eine Befreiung des "Durchgriffs" kann wünschenswerterweise weiter vergrößert werden durch Vergrößern des Dotierungsniveaus P⁺ des Siliciums in den Regionen 8 a und 8 b benachbart zu den Unterkannten der Keile 1 a und 1 b.

In der Reihe der Fig. 3a . . . 3e und 4a . . . 4e, die einige wesentliche Stufen der beiden bevorzugten Ausführungsformen der Verfahren der Erfindung zum Herstellen der Isolationsstruktur zeigen, werden neben den Bezugszeichen der verschiedenen Teile oder Bereiche, die bereits in Fig. 1 und 2 verwendet werden, ebenfalls die Bezeichnungen OX, NITR und RISIST zum Bezeichnen der folgenden Ausdrücke verwendet: Siliciumoxid, Siliciumnitrid und "PHOTORESIST", d. h. ultraviolettlichtempfindliches Harz, das in den photolithographischen Verfahren verwendet wird, die bei der Herstellung von integrierten Schaltungen und Halbleiterbauelementen verwendet werden.

Gemäß einer ersten Ausführungsform umfaßt das Verfahren der Erfindung zum Herstellen der Isolationsstruktur die folgenden Tätigkeiten:

1. Dünne Oxidation (ungefähr 100 Å) der Oberfläche des Einkristallsiliciums des Substrats, das thermische bei einer Temperatur im Bereich zwischen 700 und 900°C in einer Dampfumgebung ausgeführt wird, die erhalten wird durch Verbrennen von H₂ in einer O₂ Atmosphäre,

2. Niederschlag der Maskierungsnitridschicht, ungefähr (2000 Å) vorzugsweise durch Dampfphasen chemischen Niederschlag (CDV) in einem Niederdruckofen bei einer Temperatur von ungefähr 800°C von Dämpfen von Dichlorsilan (SiH₂Cl₂) und Stickstoff gelöstem Amoniak (NH₃),

3. Oberflächenoxidation des Nitrids in einer Dampfumgebung bei der Temperatur von ungefähr 1000°C für eine Zeit, die ausreichend ist, um eine Dicke des Oxids von ungefähr 200 Å zu züchten oder Niederschlag eines äquivalenten Oxids (ungefähr 500 Å), das durch chemischen Dampfphasenniederschlag bewirkt wird.

4. Maskieren der aktiven Bereiche durch allgemeine photolithographische Techniken mit nachfolgendem Angriff der Schicht des Oxids und des Nitrids, vorzugsweise bewirkt durch trockenen Angriff in Plasma oder durch RIE (Reaktives Ionenätzen, d. h. durch rückwirkende Ionen bombardieren) und nachfolgende Implantation eines Dotanten des gleichen Typs wie der des Substrats (Bor für N-Kanalverfahren). An diesem Punkt erscheint der Querschnitt, wie teilweise in Fig. 3a gezeigt, worin es möglich ist, zu sehen, daß die P⁺ Dotierung des Bereichs 6 des Substrats 5 von P-Silicium Platz gegriffen hat und über welcher das dicke Oxid gezüchtet wird, d. h. die Oberflächenoxidschicht der Isolationsstruktur der Erfindung.

5. Schwere Feldoxidation bei einer Temperatur im Bereich zwischen 700 und 1000°C in einer Dampfumgebung, die erzeugt wird, durch Verbrennen von H₂ in einer O₂- Atmosphäre, bis eine Dicke des Oxids in einem Bereich zwischen 1000 und 5000 Å, vorzugsweise ungefähr 3000 Å erhalten wird.

Der Querschnitt erscheint, wie in Fig. 3b gezeigt, wo es möglich ist, die Züchtung des dicken (Feld-)Oxids 1 zu beobachten, das Platz gegriffen hat mit einer beginnenden Keilbildung der Züchtung unter der Maskierungsnitridschicht (Planox-Nase), die sehr stark erhalten wird wegen der verminderten Züchtung, die bewirkt wird.

6. Isotropischer Angriff der entblößten Kante der Maskierungsnitridschicht, ausgeführt vorzugsweise mittels einer orthophosphorischen Säure (H₃PO₄) bei einer Temperatur von ungefähr 160°C für eine Zeitperiode im Bereich zwischen 10 Minuten und 2 Stunden.

Der Querschnitt wird, wie der in Fig. 3c gezeigte, worin das Zurückschieben in 9 der entblößten Kante der Nitridschicht sichtbar ist, das durch den vorangehenden Angriff erzeugt wird.

7. Angriff von Siliciumoxid bis zur vollständigen Entfernung der Oxidschicht, die über der Maskierungsnitridschicht gebildet ist, und der dünnen Oxidschicht von ungefähr 100 Å, die unter dem Nitrid vorhanden ist, das während des vorhergehenden Angriffs entfernt wurde.

8. Isotropischer Angriff von Silicium durch das Fenster, das durch die vorhergehenden Schritte erzeugt wurde, durch reaktive Ionenbombadierung (RIE) für eine Tiefe von ungefähr 1 µm.

Der Querschnitt ist nun in Fig. 3d gezeigt, worin der Graben 10 sichtbar ist, der durch den anisotropischen Angriff des Einkristallsiciliums des Substrats erzeugt wurde.

9. Thermische Oxidation bei einer Temperatur im Bereich zwischen 700 und 1000°C in einer Dampfumgebung bis zum vollständigen Füllen des Grabens 10 mit Siliciumoxid.

Nach Entfernen der verbleibenden Maskierungsschicht von Siliciumnitrid wird die Isolationsstruktur der Erfindung vervollständigt, so wie in Fig. 3e gezeigt und das Verfahren zur Herstellung des MOS-Bauelementes erfolgt weiter gemäß bekannten Techniken.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung kann die Abgrenzung des Bereiches, wo tiefes Eingravieren des Siliciumsubstrates bewirkt werden muß für die Bildung der Isolationskanten entlang der Kante der Oberflächenoxidschicht 1, d. h. die Bildung der notwendigen Fenster zum anisotropischen Angreifen des Substrates, ausgeführt werden alternativ durch Verwerten der Kennwerte der anisotropischen Angriffe, die eine größere Steuerung der Dimension des Bereiches erhalten, die dem Angriff ausgesetzt sind, d. h. des Fensters, gemäß einem Verfahren, das schematisch in der Reihe der Fig. 4a . . . 4e dargestellt ist.

Das Verfahren umfaßt die Züchtung einer dünnen Oxidschicht der Dicke von ungefähr 100 bis 200 Å gefolgt von der Bildung, vorzugsweise durch dampfphasenchemischen Niederschlag, einer Siliciumnitridschicht einer Dicke im Bereich zwischen 1000 und 2000 Å, gefolgt von der Bildung einer Siliciumoxidschicht von ungefähr 200 Å Dicke auf der Oberfläche der Siliciumnitridschicht, oder durch Niederschlag eines äquivalenten Oxides durch dampfphasenchemischen Niederschlag. Nach diesen Züchtungen und Bildungen der Schichten wird das lithographische Verfahren ausgeführt mit dem Angriff des Oxids und des Nitrids und des darunter liegenden Oxids bis das Silicium bloßgelegt ist (Fig. 4a). Der Niederschlag von Siliciumnitrid für eine Dicke gleich der Dimension der tiefen Ätzung, die wünschenswerterweise erhalten werden muß, wird ausgeführt (Fig. 4b) und das Nitrid wird anisotropisch angegriffen unter Bedingungen, die eine hohe Angriffsgeschwindigkeit des Nitrids und eine niedrigere Angriffsgeschwindigkeit des Siliciums begünnstigen. Das Ergebnis ist schematisch in Fig. 4c dargestellt.

An diesem Punkt kann eine Oberflächenschicht von Siliciumoxid einer Dicke von ungefähr 1000 Å gezüchtet werden (Fig. 4d), in der gleichen Art, wie in Schritt 5 des vorher beschriebenen Verfahrens.

Der nachfolgende Angriff des Nitrids in einer isotropischen Art läßt dann eine bestimmte Oberfläche des Siliciums bloßgelegt (Fig. 5) auf der der anisotropische Angriff ausgeführt werden kann zum Bilden des Grabens 10, woraufhin man mit dem vorher beschriebenen Verfahren fortschreiten kann.

Der Graben 10, der entlang der Kante der Oberflächenoxidschicht 1 (Feldoxid) der Isolationsstruktur der Erfindung gebildet wird, kann auch nicht vollständig mit Siliciumoxid gefüllt werden.

Gemäß einer Alternative des Verfahrens der Herstellung der Isolationsstruktur der Erfindung, ist es, nachdem der Graben 10 durch anisotropischen Angriff des Siliciums durch das geeignete Fenster gebildet wird, das vorzugsweise gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung erhalten wird, möglich mit einer Oxidation der Wände des Grabens fortzufahren bis eine dünne und kontinuierliche Schicht von Siliciumoxid einer Dicke im Bereich von z. B. zwischen 100 und 200 Å erhalten wird. An diesem Punkt kann das Füllen des inneren Kerns der Isolationskeile bewirkt werden mit einem im wesentlichen dielektrischen Material, das verschieden von Siliciumoxid ist. Beispielsweise ist es möglich ein Siliciumnitrid oder ein Oxid eines anderen Materials niederzuschlagen bis die Höhlung der Isolationskeile vollständig gefüllt ist.

Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf besonders bevorzugte Anordnungen und Verfahren beschrieben worden ist, ist beabsichtigt, daß Variationen und Modifikationen durch den Fachmann ausgeführt werden können, obwohl er innerhalb des Bereichs und des Geistes der Erfindung, die durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, bleibt.

Claims (8)

1. Halbleiterbauelement der Mos-Art, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsstruktur der verschiedenen aktiven und passiven Elemente des Bauelementes eine Oberflächenschicht aus Siliciumoxid (1), die auf Bereichen der Oberfläche des Einkristallsiliciums des Substrat (5) gezüchtet ist, die durch photolithographisches Maskieren mittels Siliciumnitrids abgegrenzt ist, und Anhänge aufweist in der Form von Keilen (1 a, 1 b) aus Siliciumoxid, die sich in einer im wesentlichen kontinuierlichen Art entlang und von den Kanten der Oberflächenschicht (1) aus Siliciumoxid in das Substrat (5) erstrecken für eine Tiefe die ausreichend ist, um die Bildung von Übergängen zwischen einem Bereich von Silicium (6), der unterhalb der Oberflächenoxidschicht (1) der Isolationsstruktur vorhanden ist, der ein Dotierungsniveau höher als das Dotierungsniveau der Masse des Substrats hat, und benachbarten Bereichen (2, 3) aus Silicium einer Dotierung mit entgegengesetzten Vorzeichen in Bezug zu der des Substrates, die die aktiven und passiven Komponente des Bauelementes bildet, zu verhindern.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Keile (1 a, 1 b) eine Dicke im Bereich zwischen 100 und 3000 Å haben.

3. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Keile (1 a, 1 b) sich in eine Richtung im wesentlichen senkrecht zu der Ebene des Substrats (5) erstrecken und eine Tiefe im Bereich zwischen 0,5 und 2,5 µm haben.

4. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Keile (1 a, 1 b) gebildet werden durch eine dünne und kontinuierliche Schicht von Siliciumoxid und worin der Kern dieser Keile gebildet wird durch ein Füllen eines dielektrischen Materials verschieden von Siliciumoxid.

5. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotierungsniveau des Siliciums vergrößert wird in dem Bereich (8 a, 8 b) unmittelbar benachbart zu den untersten Enden der Keile (1 a, 1 b).

6. Verfahren zur Herstellung einer Isolationsstruktur von aktiven Bereichen in MOS-Verfahren, das das Maskieren der aktiven Bereiche, durch die der Angriff über Bereiche, die durch Photolithographie von Siliciumoxid und von einer Maskierungssiliciumnitridschicht ausgeführt wird, bis das Silicium des Substrats bloßliegt, und nachfolgendes Züchten der Isolationsschicht des Siliciumoxids auf der Oberfläche des Substrates aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fenster einer Breite im Bereich zwischen 50 und 1500 Å bestimmt wird entlang der Kante der gezüchteten Isolationsschicht (1) aus Siliciumoxid unmittelbar benachbart dazu, das Siliciumsubstrat anisotropisch angegriffen wird entsprechend dieses Fensters für eine Tiefe im Bereich zwischen 0,5 und 2,5 µm und der erzeugte Graben (10) gefüllt wird mit einem im wesentlichen dielektrischen Material.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster gebildet wird durch Angreifen der bloßgelegten Kante der Maskierungsschicht auf Siliziumnitrid unter isotropischen Angriffsbedingungen für eine Zeitdauer, die ausreichend ist, um die Kante der Siliciumnitridschicht (NITR) um eine Entfernung zurückzuschieben, die der gewünschten Breite des Fensters entspricht, und durch nachfolgendes Entfernen der Schicht oder der Schichten aus Siliciumoxid (OX) in Übereinstimmung mit der Entfernung und Bloßlegen des Siliciums.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster gebildet wird durch Niederschlagen einer Siliciumnitridschicht (NITR), einer Dicke gleich zu der gewünschten Breite des Fensters über überlagerte Schichten von Siliciumoxid (OX), Siliciumnitrid (NITR) und Siliciumoxid (OX) der maskierten Bereiche, über Bereiche des Siliciumsubstrats (5), die bereits durch photolithographische Verfahren bloßgelegt sind und über die vertikale Kante der Maskierungsschichten, durch Ausführen eines anisotropischen Angriffs des Siliciumnitrids (NITA) bis zum kompletten Entfernen der Siliciumnitridschicht über diese Oberflächen parallel zu der Ebene des Substrats (5), durch Züchten der Oberflächenschicht des Siliciumoxids (OX) der Isolationsstruktur über diese bloßgelegten Bereiche des Substrats, durch isotropischen Angriff des Siliciumnitrids (NITR) bis zum Entfernen der Siliciumnitridschicht, die auf der vertikalen Kante der Maskierungsschichten niedergeschlagen ist, um das darunterliegende Silicium bloßzulegen.