DE3742912A1 - Verfahren zur herstellung von halbleiter-schaltungen - Google Patents
Verfahren zur herstellung von halbleiter-schaltungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Herstellung von hochintegrierten
Halbleiter-Schaltungen mit verbesserter Isolierung zwischen
den Leiterbahnen oder dergleichen.
Die Bestrebungen gehen im allgemeinen dahin, die Packungs
dichte oder Integrierung von Halbleiter-Schaltungen, ins
besondere für Speicher- und Rechnerplatten, zu erhöhen und
damit die Möglichkeit der weiteren Miniaturisierung der Bau
teile zu erschließen. Dabei spielt die Isolierung von be
nachbarten Leiterbahnen bzw. leitenden Bereichen eine zuneh
mende Rolle, denn gerade diese Isolierung kann sonst zu ei
nem begrenzenden Faktor bei den Bemühungen zur weiteren Mi
niaturisierung von Halbleiter-Bauteilen werden.
Bisher erfolgte die Isolation nach der sogenannten LOCOS-
Methode (local oxidation of silicon). Dieses Verfahren ist
in der Fig. 1 dargestellt. Auf einem Silicium-Substrat (1)
wird eine dünne Oxid-Schicht (2) und darauf eine Schicht aus
Siliciumnitrid (3) (Fig. 1A) gebildet. Auf die Siliciumni
trid-Schicht (3) kommt ein Fotoresist (4). Das Fenster (8)
wird durch Lichtdruck aus der Siliciumnitrid-Schicht (3) ge
ätzt.
Im folgenden wird dann mit Hilfe von Ionen-Implantation mit
derselben Art wie das Siliciumsubstrat dieses dotiert und
nach der durch Ionen-Implantation erfolgten Dotierung (5)
wird der Fotoresist (4) entfernt und nun eine dicke Feld
oxid-Schicht (6) durch Oxidation in einem Hochtemperaturrohr
(Fig. 1B) gebildet. Diese Oxid-Schicht wächst schnell im Be
reich des Fensters, wo die Siliciumnitrid-Schicht (3) fehlt,
die in diesem Fall als Oxidationsmaske wirkt. An den Flanken
der Siliciumnitrid-Schicht (3) findet seitlich eine Oxida
tion statt, so daß durch Aktivierung und Diffusion der im
plantierten Ionen eine vogelschnabelartige Verdickung (9)
und eine Sperrschicht (7) (channel stopper region) ausgebil
det wird.
Nun wird die Siliciumnitrid-Schicht (3) abgeätzt und es ver
bleibt die dünne Oxid-Schicht (2) (Fig. 1C). Der Bereich
(10 a) - im Falle eines Transistors - ist von dem Bereich
(10 b) zu trennen; dies geschieht durch das Feldoxid (6) und
die Sperrschicht (7).
Bei dieser bekannten LOCOS-Methode kommt es zu einem ver
dickten Bereich in der Art eines Vogelschnabels zwischen den
Bereichen (10 a) und (10 b) und damit zu einer Verringerung
der Nutzfläche durch seitliche Diffusion im Bereiche der
Sperrschicht (7) während des Wachsens des Feldoxids (6) und
folglich zu einer Verringerung der aktiven Fläche in Halb
leiter-Schaltungen.
Es besteht jedoch ein dringender Bedarf, insbesondere bei
der Herstellung von Megabit-Chips für Speicher und Rechner,
zur Beherrschung der Technik im Mikronbereich. Jedoch führt
dieses bekannte Verfahren zu gravierenden Problemen, da die
aktive Fläche eingeschränkt ist, wenn die Dicke der Feldoxi
de mehr als 350 nm beträgt. Darüber hinaus wird das als Gate
wirkende Oxid in Nachbarschaft zu dem Feldoxid-Bereich nach
Entfernen der dünnen Oxid-Schicht (Fig. 1C) außerordentlich
dünn, so daß es zu Spannungen im Siliciumsubstrat in der
aktiven Fläche nahe dem Feldoxid bei der Bildung der Feld
oxid-Schicht kommen kann.
Aufgabe der Erfindung ist also die Verbesserung der Isola
tion der Flanken und die Verhinderung einer weiteren Ein
schnürung der wirksamen Fläche bei der Herstellung von hoch
integrierten Halbleiter-Schaltungen; dies geschieht durch
Bildung einer Sperrschicht (channel stopper) unter dem Feld
oxid zur Herabsetzung der seitlichen Diffusion aus der
Sperrschicht in die aktive Fläche. Weiters ist Aufgabe des
erfindungsgemäßen Verfahrens die Verringerung von Kristall
defekten durch Wärmespannungen, die bei der Bildung der
Isolation auftreten können.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt also die Herab
setzung der für die Isolierung benötigten Fläche und die
Verringerung von Kristalldefekten durch seitliche Oxidation
des polykristallinen Siliciums, indem
- 1. Siliciumnitrid abgeätzt wird, um den Isolierbereich zu erhalten,
- 2. an der Flanke der verbleibenden Siliciumnitrid-Schicht wird sozusagen als Abstandhalter polykristallines Sili cium gebildet, worauf
- 3. die Dotierung mit Hilfe von Ionen-Implantation in das ausgeätzte Fenster erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der Fig. 2
erläutert.
Auf die obere Fläche eines Silicium-Substrats (20) wird
durch thermische Oxidation eine Schicht aus SiO2 mit einer
Stärke von 10 bis 30 nm gebildet (Fig. 2A). Auf der Oxid-
Schicht (21) wird dann durch übliche Abscheidung aus der
Dampfphase eine Schicht (22) aus Siliciumnitrid Si3N4
gebildet und auf dieser ein Fotoresist (23) aufgetragen. Die
Oxid-Schicht (21) dient zur Verbesserung der Haftung der
Siliciumnitrid-Schicht (22) an dem Substrat.
In die Siliciumnitrid-Schicht (22) wird auf übliche foto
lithografische Weise ein Fenster (24) eingeätzt, anschlie
ßend der restliche Fotoresist (23) entfernt und auf die ge
samte Fläche durch übliche Abscheidung aus der Dampfphase
polykristallines Silicium für eine Schicht-Stärke von 100
bis 250 nm abgeschieden (Fig. 2B). Der so erhaltene Wafer
wird dann ohne Maske mit einem Plasmastrahl geätzt, und zwar
bei einem Vakuum von 1,2 mbar (0,9 Torr) mit Hilfe eines
hochfrequenten Stroms von 200 W und SF6 als Reaktionsgas mit
einer Strömungsgeschwindigkeit von 175 cm3 (SCCM) und Helium
als Trägergas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 50 cm3
(SCCM) - unter Normalbedingungen - das polykristalline Sili
cium derart abgetragen, daß an den Flanken der Silicium
nitrid-Schicht (22) innerhalb des Fensters (24) ein Wulst
(26) aus polykristallinem Silicium in einer Breite von 0,1
bis 0,25 µm in horizontaler Richtung (Fig. 2C) gebildet
wird. Dieser Wulst aus polykristallinem Silicium (26) dient
zur Maskierung der Flanke der Siliciumnitrid-Schicht, um
eine Ausdehnung des isolierten Bereichs in aktive Zonen
durch die vogelschnabelartige Bildung von Feldoxiden zu ver
hindern. Diese Feldoxide erhält man, indem nach dem Abtragen
von polykristallinem Silicium eine Feld-Dotierung (27) durch
Ionen-Implantation vorgenommen wird. Die Ionen-Implantation
kann beispielsweise auf p-Silicium als Substrat (20) mit Bor
erfolgen, und zwar mit einer Energie von 30 keV und 3×1013
Ionen/cm2 (Fig. 2C).
Nach der Ionen-Implantation erhält man einen Feldoxid-Be
reich (28) von etwa 550 nm durch übliche thermische Oxida
tion in einem Hochtemperatur-Diffusionsrohr (Fig. 2D).
Bei dieser Oxidation wird das polykristalline Silicium (26)
oxidiert unter Bildung von SiO2 zu einer Erhebung (30)
(Fig. 2D); dieses begrenzt die Oxidation aus dem vogel
schnabelartigen Bereich in die Siliciumnitrid-Schicht (22),
anliegend an den Flankenwulst (26).
Wie oben bereits darauf hingewiesen, ist die seitliche Be
grenzung des Implantations-Bereichs (27) derart, daß die
Breite 1 des Wulstes (26) im Vergleich zu dem bekannten
LOCOS-Verfahren eine Verringerung der aktiven Fläche durch
seitliche Diffusion zu verhindern vermag.
Der Wulst aus polykristallinem Silicium wird bei der Feld-
Oxidation oxidiert, so daß die Feldoxid-Schicht nicht dünner
wird und somit bei sehr feinem Leitermuster thermische
Spannungen verhindert werden, die ihrerseits zu Kristall
fehlern zwischen SiO2 und Si in unmittelbarer Nähe der
Feldoxide (28) führen können. Die Abgrenzung gegen das
Substrat erfolgt über die Sperrschicht (29) (channel stopper
region).
In Folge der Oxidation des polykristallinen Siliciums des
Wulstes (26) bildet sich eine Kerbe (31) (Fig. 2D), welche
bei dem Abätzen zum Abtrag der Siliciumnitrid-Schicht (22)
und bei der Oxid-Schicht verschwindet, ebenso wie die vogel
schnabelartige Form (Fig. 2E). Es bleibt die dicke Feldoxid-
Schicht (28) im Isolierbereich zurück. Durch die Entfernung
der Oxid-Schicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es
möglich, die Feldoxide (28) im isolierten Bereich - wie aus
(Fig. 2E) hervorgeht - mit der Kerbe einzuebnen, und zwar
durch Ätzen mit einer Flußsäure aus HF und entionisiertem
Wasser in einem Verhältnis von 1:100 in einer Ätzzeit von
etwa 6 min.
Wie oben darauf hingewiesen, können die Probleme bei der
Isolierung der nicht-leitenden Bereiche nach dem bekannten
Verfahren LOCOS durch die erfindungsgemäße Maßnahme der
Abscheidung von polykristallinem Silicium und maskenlosem
Abätzen unter Zurücklassung von polykristallinem Silicium an
den Schicht-Flanken, welches dann in das Oxid umgewandelt
wird, überwunden werden.
Bei der sich anschließenden Ionen-Implantation erfolgt keine
Dotierung innerhalb des Bereiches des Wulstes aus polykri
stallinem Silicium unter Begrenzung der seitlichen Diffusion
und die Ausbildung der vogelschnabelartigen Form wird bei
dessen Oxidation in aktiven Bereichen unterdrückt, bis das
polykristalline Silicium ausreichend oxidiert ist während
der Bildung der Feldoxide. Die Verringerung der Schichtstär
ke bei der Bildung der Feldoxid-Schicht bei hoch-integrier
ten Schaltungen wird kompensiert durch die Eingrenzung des
Oxidations-Bereichs mit Hilfe des polykristallinen Sili
ciums. Darüber hinaus ist es auch möglich, die Bildung einer
Nitrid-Schicht durch Einwirkung von Ammoniakgas auf das
Silicium-Substrat mit Hilfe der Nitrid-Schicht zu verhin
dern und die Bildung der Feldoxide zu ermöglichen. Weiters
erreicht man durch das erfindungsgemäße Verfahren eine
Begrenzung von Kristallfehlern im Silicium-Substrat, da das
polykristalline Silicium Spannungen aufzunehmen vermag. Nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es also, Halbleiter-
Schaltungen mit ausreichender Stärke von Feldoxiden herzu
stellen und damit die Herstellung einer hohen Packungsdichte
in den Schaltungen mit Isolations-Breiten in der Größenord
nung von 1 µm zu ermöglichen.
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung von hoch-integrierten Halb
leiter-Schaltungen mit gegrenzter Seiten-Diffusion,
gekennzeichnet durch
folgende Verfahrensstufen:
- a) auf einem Silicium-Substrat wird eine Oxid-Schicht ge bildet,
- b) auf der Oxid-Schicht wird eine Siliciumnitrid-Schicht als Oxidationsmaske gebildet,
- c) in die Siliciumnitrid-Schicht werden Fenster geätzt,
- d) über die gesamte Siliciumnitrid-Schicht und die Fenster wird polykristallines Silicium abgeschieden,
- e) durch maskenlosen Abtrag der polykristallinem Silicium- Schicht verbleibt an den Flanken der Siliciumnitrid- Schicht in den Fenstern ein Wulst aus polykristallinem Silicium,
- f) dieser Wulst aus polykristallinem Silicium wird bei der Bildung der Feldoxide oxidiert und
- g) durch Ätzen der Siliciumnitrid- und -oxid-Schicht wird der isolierte Bereich entsprechender Feldoxid-Stärke gebildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Bereich innerhalb des Fensters durch Ionen-Implantation
nach der Bildung der Schicht aus polykristallinem Silicium
dotiert wird.
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