DE3742912A1 - Verfahren zur herstellung von halbleiter-schaltungen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von halbleiter-schaltungen

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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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