DE3751732T2

DE3751732T2 - Seitenwandisolation für eine Grube mittels Oxidation von Polysilizium

Info

Publication number: DE3751732T2
Application number: DE3751732T
Authority: DE
Inventors: Inge Grumm Fulton; James Steve Makris; Victor Ray Nastasi; Anthony Francis Scaduto; Anne Charlene Shartel
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1986-05-12
Filing date: 1987-03-24
Publication date: 1996-09-26
Anticipated expiration: 2007-03-25
Also published as: EP0245622B1; CA1286572C; EP0245622A2; EP0245622A3; US4666556A; ES2084575T3; BR8702320A; DE3751732D1; JPS62269335A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bildung von Halbleiterbauelement-Isolationsgräben und spezieller auf ein Verfahren zur Bildung von Gräben, die auf ihren Wänden einen Siliciumdioxid-Isolator hoher Integrität aufweisen.
In der Technologie für integrierte Schaltkreise (IC) ist es üblicherweise notwendig, verschiedene aktive und passive Bauelemente in dem IC zu isolieren. Die bevorzugte Isolation ist eine dielektrische Isolation, da sie es erlaubt, die Schaltkreiselemente an die Isolation anzufügen, und daher zu einer größeren Dichte der Packung der aktiven und passiven Bauelemente auf dem IC-Chip führt. Das Fachgebiet verfügt über eine Vielzahl von dielektrischen Isolationsschemata. Innerhalb des Gebiets der dielektrischen Isolation hat die Isolation mittels eines dielektrisch gefüllten Grabens aufgrund ihrer Fähigkeit, die grundlegenden Anforderungen einer Isolation zwischen Bauelementen, bei der elektrischen Isolierung und dem Raumverbrauch effizient zu sein und dabei eine gute Oberflächenplanarität beizubehalten, zu erfüllen, besondere Aufmerksamkeit erfahren. Die Gesamtprozeßabfolge der Grabenisolationsherstellung besteht aus vier grundlegenden Prozeßschritten: (1) Erzeugen von Gräben; (2) Füllen der Gräben; (3) Planarisieren der Oberfläche; und (4) Entfernung von überschüssigem Material. In diesem Zusammenhang offenbart das US-Patent 3 966 577 für Hochberg ein Sputterätzverfahren zur Erzielung einer dielektrischen Isolation unter Verwendung von aufgewachsenem oder aufgebrachtern Siliciumdioxid zum Füllen geätzter Gräben.
IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 21 (1), Seite 144, Juni 1977 von S. A. Abbas mit dem Titel "Recessed Oxide Isolation Process" beschreibt ein Verfahren zum reaktiven Ionenätzen (RIE), um vertiefte, mit Siliciumdioxid gefüllte Gräben durch teuweises Füllen der Gräben mit aufgedampftem Polysiliciummaterial und anschließendes Oxidieren des Materials herzustellen.
Das US-Patent 4 104 086 für Bondur et al., das auf die vorliegende Anmelderin übertragen ist (das nebenbei bemerkt eine umfassende Zitierung von früheren Isolationstechniken enthält), lehrt ein Verfahren zur Erzielung gut gefüllter, tiefer, schmaler Vertiefungen mit nahezu vertikalen Wänden durch Einsetzen von RIE. Das Verfahren besteht aus der Bildung von sich leicht verjüngenden, schmalen Gräben, die durch vergrabene, hochdotierte Siliciumbereiche hindurchgeschnitten sind, der thermischen Oxidation der Gräben und dem geeigneten Befüllen der verbliebenen Gräben mit einem aus der Gasphase abgeschiedenen dielektrischen Material. Dieses Patent unterstreicht die Notwendigkeit für die Bildung von sich leicht verjüngenden Wänden und geht dann die Abhängigkeit der Qualität und der Planarität des dielektrischen Füllmaterials von dem Grabenverjüngungswinkel und der Grabenbreite an. Dieses Patent verwendet außerdem einen Zurückätzvorgang (durch RIE) des Füllmaterials, das den gesamten Wafer bedeckt, um das Material überall von der Oberfläche zu entfernen, um lediglich die Isolationstaschen zu belassen.
Das US-Patent 4 139 442 für Bondur et al., das auf die vorliegende Anmelderin übertragen ist, lehrt ein Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung sowohl flacher als auch tiefer Isolationsgräben mit vertieftem Oxid. Durch RIE werden flache und tiefe Gräben von gleicher, geringer Breite in dem Siliciumsubstrat erzeugt, gefolgt von thermischen Oxidieren der vertikalen Grabenwände, um die Gräben vollständig zu füllen.
Das US-Patent 4 222 792 für Lever et al., das auf die vorliegende Anmelderin übertragen ist, offenbart ein Verfahren zur Bildung eines tiefen, breiten, mit einem Dielektrikum gefüllten Isolationsgrabens. Bei diesem Verfahren wird ein breiter Graben in der Oberfläche eines Siliciumsubstrats erzeugt, eine dünne Oxidschicht wird durch thermische Oxidation des Grabens auf den Grabenwänden erzeugt, und eine Schicht aus organischem Glasharz in einem Lösungsmittel wird über der Oberfläche des Substrats und innerhalb des Grabens aufgeschleudert. Das Harzglas innerhalb des Grabens wird einem Elektronenstrahl ausgesetzt, um das Glas innerhalb des Grabens für ein entwickelndes Lösungsmittel undurchlässig zu machen. Der Rest des Harzglases wird durch Entwickeln in einem Lösungsmittel weggelöst, und der Harzglaspropfen innerhalb des Grabens wird durch Erwärmen in einer Sauerstoffumgebung in Siliciumdioxid umgewandelt. Schließlich wird eine Schicht aus Siliciumdioxid über der gesamten Oberfläche des Substrats aufgebracht und weggeätzt, um den Graben zu planansieren.
IBM Technical Disclosure Bulletin Bd. 21 (4), Seiten 1466 bis 1467, September 1978 mit dem Titel "Method of Etching/Filling Deep Trench Isolation for Large-Scale Integrated Devices" von Logan et al. offenbart die Verwendung von Magnesiumoxid als einer Kombination von Ätzmaske und Lift-off-Maske während der Herstellung von mit Oxid gefüllten Gräben. Ein Graben wird durch RIE unter Verwendung einer MgO-Schicht mit einer Grabenstruktur in einem Siliciumsubstrat erzeugt. Ein Oxid wird auf den freiliegenden Oberflächen des Grabens aufgewachsen. Der Graben wird durch Sputterdeposition von SiO&sub2; bis zu einer Tiefe, die geringer als die Grabentiefe ist, gefüllt. Das in den Bauelementgebieten aufgesputterte Oxid wird durch einen Lift-off-Prozeß mittels Auflösen der MgO-Schicht entfernt.
Das US-Patent 4 238 278 für Antipov, das auf die vorliegende Anmelderin übertragen ist, offenbart die Bildung von tiefen und flachen Gräben in einem Siliciumsubstrat. Tiefe Gräben werden durch RIE in dem Substrat erzeugt. Die Gräben werden durch eine Kombination von thermischer Oxidation der Grabenoberflächen und chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) teilweise mit Oxid gefüllt. Das Füllen von tiefen Gräben wird durch die Deposition von Polysilicium bis zum Oberflächenniveau des CVD-Oxids vervollständigt. Dann werden flache Gräben in das Substrat geätzt, und das freiliegende Silicium und Polysilicium, das zu den flachen beziehungsweise tiefen Gräben gehört, wird thermisch oxidiert.
Das US-Patent 4 356 211 für Riseman, das auf die vorliegende Anmelderin übertragen ist, beschreibt ein Verfahren zur Bildung von Luft-Dielektrikum-Isolationsgebieten in Silicium. In dem Siliciumsubstrat werden durch RIE Gräben erzeugt, nachdem Öffnungen in eine Oxid-Nitrid-Doppelschicht auf der Substratoberfläche geätzt wurden. Die Oberflächen der Gräben werden oxidiert, bevor polykristallines Silicium auf den Grabenseitenwänden und auf den Wänden, welche die Öffnungen in der Doppelschicht definieren, aufgebracht wird. Durch selektives Dotieren des Teils des Polysiliciums auf den Wänden der Öffnungen in der Doppelschicht, so daß dieses Polysilicium mit einer schnelleren Rate oxidiert als das Polysilicium auf den Grabenwänden, bewirkt eine thermische Oxidation, daß sich das Polysilicium am oberen Ende eines jeden der Gräben schließt, während darunter ein Luftraum verbleibt, um die dielektrischen Isolationsgebiete zu bilden.
Das US-Patent 4 544 576 für Chu et al., das auf die vorliegende Anmelderin übertragen ist, offenbart eine Isolation mittels eines tiefen, mit Glas gefüllten Grabens. Nach der Erzeugung von Gräben in einem Siliciumsubstrat durch RIE wird eine Oxidgrabenauskleidung aufgewachsen. Ein Glas mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der eng an jenen des Substrats angepaßt ist, wird aufgebracht, um den Graben vollständig oder teilweise zu füllen. Die Struktur wird dann gebrannt, bis die Glaspartikel in eine kontinuierliche Glasschicht verschmelzen und bis, wenn notwendig, ein endgültiges Glätten erreicht wird.
Das US-Patent 4 571 819 für Rogers et al. beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung von mit Oxid gefüllten Gräben, ohne daß ein Hohlraum oder ein ungenügend gefüllter Graben in der Mitte des Grabens verbleibt. Bei diesem Verfahren wird eine Grabenfüllung aus Siliciumdioxid, die 3 Gewichtsprozent bis 9 Gewichtsprozent eines n- oder p-leitenden Dotierstoffmaterials enthält, bei 950 ºC bis 1150 ºC aufgeschmolzen, um jegliche Hohlräume darin kollabieren zu lassen und Oberflächenplanarität zu erzeugen. Eine darunterliegende Oxid-Polysilicium-Nitridschicht erlaubt die Bildung und das Aufschmelzen des dotierten Oxids und verbleibt in dem Graben an Ort und Stelle.
Das US-Patent 4 509 249 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Isolation mittels eines mit Polysilicium gefüllten Grabens. Nach der Erzeugung einer U-förmigen Vertiefung in einem Siliciumsubstrat durch RIE und thermischem Oxidieren der Grabenoberflächen, um ein dickes Oxid zu bilden, wird undotiertes Polysilicium aufgebracht, um die Vertiefung zu füllen. Das Polysiliciummaterial, das auf der Substratoberfläche aufgebracht ist, wird weggeätzt, während gleichzeitig das Polysilicium in der Vertiefung vertieft wird, gefolgt von der Fertigstellung der Füllung der Vertiefung mit einem unter Vorspannung gesputterten Oxid.
Mit dem Aufkommen des höchstintegrierten Schaltkreises und seiner Anforderung (aufgrund niedriger Dotierstoffkonzentrationen in dem Substratmaterial) der Herstellung eines elektrischen Kontaktes zu dem Substrat, das den IC an der Oberseite anstelle an der Rückseite desselben enthält, um das Substrat in Sperrichtung zu polen, kam das Füllen von Gräben mit leitfähigem Material in Mode. Dotiertes Polysilicium wurde als die leitfähige Grabenfüllung bevorzugt, da es während der verschiedenen nachfolgenden thermischen Zyklen aufgrund der ausgezeichneten Kompatibilität des Polysiliciums mit dem Siliciummaterial hinsichtlich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten nur für eine minimale kristallographische Defekterzeugung Anlaß gibt. In diesem Zusammenhang lehrt IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 25(2), Seiten 588 bis 589, Juli 1982 von Antipov et al. mit dem Titel "Post Emitter Polysilicon Trench Isolation" die Verwendung von dotiertem Polysilicium als dem Material zum Füllen der Gräben. Nach der Bildung aller Elemente eines bipolaren Bauelementes auf einem Siliciumsubstrat wird unter Verwendung einer Oxid-Nitrid- Ätzmaske durch RIE ein tiefer Graben in dem Substrat erzeugt. Die Grabenoberflächen werden oxidiert, um eine dünne Oxidschicht zu bilden, gefolgt von der Deposition einer dünnen Nitridschicht. Die Oxid-Nitrid-Schichten am Boden des Grabens werden entfernt, gefolgt von der Deposition von dotiertem Polysilicium, um den Graben zu füllen und über den Grabenboden einen Substratkontakt herzustellen. Überschüssiges Polysilicium wird entfernt, gefolgt von einer Oxidation, um den oberen Teil der Grabenfüllung aus Polysilicium in eine Passivierungsschicht umzuwandeln.
IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 25(5), Seiten 2288 bis 2291 von Anantha et al. mit dem Titel "Method of Forming Polysilicon-Filled Regions in an Integrated Circuit Device" offenbart eine Variation des Verfahrens von Antipov et al., bei dem die Grabenwände mit einem CVD-Oxid beschichtet sind und Grabenfüllmaterial aus Polysilicium unterhalb der Substratoberfläche wesentlich vertieft ist.
Das US-Patent 4 256 514 für Pogge, das auf die vorliegende Anmelderin übertragen ist, offenbart einen Prozeß zur Bildung tiefer und flacher, mit einem Oxid gefüllter Gräben in Verbindung mit Gräben, die mit Polysilicium gefüllt sind, wobei die letzteren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes mit dem Substrat von der Oberseite des Substrats her dienen, in einem Sihciumsubstrat. Eine CVD-Oxidschicht ist auf den Wänden der mit Polysilicium gefüllten Gräben gebildet, um die notwendige dielektrische Isolation zwischen Bauelement-ICs bereitzustellen.
IBM Technical Disclosure Bulletin Bd. 28, Nr. 6, Seiten 2583 bis 2584 offenbart einen Prozeß zum Füllen von Gräben, bei dem die Polysiliciumschicht auf den Seitenwänden der Gräben dotiert sein können. In diesem Prozeß diffundiert der Dotierstoff in das Polysilicium der Füllung. Außerdem wird angegeben, daß eine Ausdiffusion des Dotierstoffes dazu verwendet werden kann, ein Kanalstoppgebiet am Grabenboden zu erzeugen.
In der Grabenisolationstechnologie ist es von Bedeutung, daß die Grabenauskleidung und das Grabenfüllmaterial von hoher Qualität und Integrität sind. Insbesondere bei der Technologie, bei der Gräben mit Polysilicium gefüllt werden, ist es unbedingt erforderlich, daß die Seitenwand des Grabens von hoher Integrität ist, da die Isolation zwischen Bauelementen durch die Isolatorschicht (ausnahmslos ein dickes Oxid) auf den Seitenwänden des Grabens bereitgestellt wird, während die Füllung aus dotierten Polysilicium als das elektrisch leitfähige Medium zum Vorspannen des Substrates dient. Die Verfahren des Standes der Technik zur Bildung des Grabenseitenwandisolators aus Oxid weisen jedoch ungeachtet dessen, ob sie durch CVD oder thermische Oxidation erzeugt wurden, grundlegende Unzulänglichkeiten auf.
Um die obigen Unzulänglichkeiten herauszuarbeiten, wird auf Fig. 1 Bezug genommen, in der ein tiefer, mit einem CVD-Oxid beschichteter Graben gezeigt ist. Bezugszeichen 10 bezeichnet ein Siliciumsubstrat, in dem der Graben ausgebildet ist, und 12 sowie 14 bezeichnen dünne Grabenauskleidungen aus Oxid beziehungsweise Nitrid. Die Seitenwand aus CVD-Oxid ist mit 16 bezeichnet, und die Füllung aus Polysilicium, die vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Substrat 10 ist, mit 18. Der Seitenwandisolator 16 aus CVD-Oxid leidet, wenngleich er eine ausgezeichnete Konformität bereitstellt, wie sie für eine Grabenseitenwand gewünscht ist, an der Anfälligkeit gegenüber Erosion 20 an der Oberseite desselben während der Naßätzschritte (z.B. gepufferte Fluorwasserstoffsäure), die mit dem Schritt zur Entfernung von überschüssigem Material (ausnahmslos eine Maske aus thermisch aufgewachsenem Oxid) der hierin oben erwähnten Grabenherstellung oder mit einer nachfolgenden Herstellung von Bauelementen verknüpft sind. Diese Erosion der Seitenwand 16 aus CVD- Oxid tritt auf, da die Ätzrate von CVD-Oxid äußerst hoch (typischerweise 5 bis 6 mal höher) im Vergleich zu jener von thermisch aufgewachsenem Oxid ist. Als Folge dieser Erosion führt eine nachfolgende Verwendung des Substrates 10 zu ernsthaften Problemen hinsichtlich elektrischem Kurzschluß. Zum Beispiel füllt bei der Fertigung bipolarer Bauelemente gemäß dem Stand der Technik, bei der eine Polysilicium-Basis derart definiert wird, daß sie den Graben überlappt, das Basismaterial aus dotiertem Polysilicium die schmalen Vertiefungen 22, wodurch darin eingebettete leitfähige Polysilicium-Schienen gebildet werden. Dies führt zu Kurzschlüssen zwischen Basis und Isolation und zu einem Leckverlust durch die dotierten Polysilicium-Schienen.
Zusätzlich zu der vertikalen Erosion während des Naßätzens ist das CVD-Seitenwandoxid 16 außerdem anfällig für laterale Erosion. Da die Ätzrate des CVD-Oxids inhärent hoch ist, tendieren die verschiedenen Ätzschritte zur Entfernung des Nitrids 14 und des Oxids 12 von dem Grabenboden und Grabenreinigungsschritte vor dem Füllen mit Polysilicium 18 dazu, das CVD-Seitenwandoxid 16 dünner zu machen, wie durch das Bezugszeichen 24 in Fig. 1 angezeigt. Da die Dicke des Seitenwandisolators 16 eine Schlüsselfunktion für die mit dem Graben verknüpfte Kapazität darstellt (je dünner der Isolator ist, desto größer ist die Kapazität), führt das Dünnermachen des Seitenwandoxids 16 zu einer inakzeptablen Grabenseitenwandkapazität.
Ein Weg, um die laterale Erosion 24 (Fig. 1) zu minimieren und die Dicke des Graben-CVD-Seitenwandoxids zu erhalten, besteht darin, Schutzschichten bereitzustellen. Dies trägt jedoch zur Komplexität und zu den Kosten des Grabenfertigungsprozesses bei. Desgleichen kann die Erosion 20 an der Oberseite mittels zusätzlicher Barrierenschichten (wie Siliciumnitrid oder undotiertes Opfer-Polysilicium) minimiert werden, jedoch zu Lasten zusätzlicher Kosten und Prozeßkomplexität.
Sich nun den Unzulänglichkeiten des zweiten Verfahrens des Standes der Technik zur Bildung des Seitenwandoxides, nämlich durch thermische Oxidation des Siliciumgrabens, zuwendend, ist bei diesem Verfahren, das die Bedeckung des Siliciumsubstrates mit einer gegenüber Oxidation beständigen Maske zur Grabendefinition, RIE des Grabens und eine thermische Oxidation der Grabenoberflächen bei hoher Temperatur beinhaltet, das aufgewachsene Oxid empfindlich gegenüber dem Typ des Dotierstoffes und gegenüber Variationen der Konzentrationen in dem Substrat. Bezugnehmend auf die Fig. 2A und 2B, in denen das Substrat 30 p-leitend ist, eine deckende n+-Subkollektorschicht 32 mit einer hohen Dotierstoffkonzentration und eine n-leitende epitaxiale Siliciumschicht 34 mit einer niedrigeren Dotierstoffkonzentration als jener der n-Schicht 32 enthält, findet zum Beispiel keine gleichmäßige Oxidation an den Grabenseitenwänden statt. Bezugnehmend auf Fig. 2A erfährt der Grabenteil, welcher der Schicht 32 entspricht, aufgrund der höheren Dotierstoffkonzentration in der Subkollektorschicht 32 eine gesteigerte Oxidation, was zu einer Verzerrung 36 des ursprünglichen Profils der Grabenwand führt. Der nachfolgende Ätzschritt zur Entfernung des Oxides am Grabenboden, um ein Kontaktieren des Substrats zu erleichtern, führt zu Pinholes, Diskontinuitäten und anderen Defekten in der Oxidseitenwand aufgrund von lokalisiertem Dünnerwerden derselben. Demzufolge diffundiert beim Füllen des Grabens mit hoch (p) dotiertem Polysilicium der p-Dotierstoff über die Pinholes und andere Defekte in dem aufgewachsenen Seitenwandoxid in das Substrat aus, was die Abschnürdefekte 40 verursacht. Ein ähnlicher Abschnürdefekt 42 tritt, wie in Fig. 2B dargestellt, oben an dem Graben nahe der Grenzfläche zwischen der epitaxialen Schicht 34 und der Maske zur Definition des Grabens (nicht gezeigt) aufgrund des Dünnerwerdens des Seitenwandoxids 44 an den oberen Ecken des Grabens während der Ätzschritte zur Entfernung des Oxids 44 am Grabenboden und der Maske zur Definition des Grabens auf. Die Abschnürdefekte 40 und 42 führen zu einem niedrigen Isolationsdurchbruch.
Die Erfindung löst diese und weitere Probleme durch ein neuartiges Verfahren, das einfach und unkompliziert ist.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Oxidseitenwand hoher Integrität zur Grabenisolation bereitzustellen, um die Eigenschaft eines niedrigen Durchbruchs der Grabenisolation des Standes der Technik abzuschwächen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Grabenseitenwandoxids, das die Konformität eines CVD-Oxids und die Ätzbeständigkeit von thermisch aufgewachsenem Oxid aufweist.
Wie er hierin verwendet wird, bedeutet der Ausdruck "Polysiliciumoxid" ein Oxid, das durch eine vollständige thermische Oxidation von Polysilicium erhalten wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß dem allgemeinen Konzept der Erfindung ist durch Anspruch 1 ein Verfahren zur Bildung eines Isolationsgrabens in einem p- leitenden Halbleiter gegeben. Zusätzliche Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die neuartigen Merkmale, individuellen Prozeßschritte und deren Kombination, die charakteristisch für die Erfindung sind, sind in den beigefügten Ansprüchen dargelegt. Die Erfindung selbst ist jedoch am besten unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verständlich, in denen:
Fig. 1 eine Querschnittsdarsteliung einer Grabenisolationsstruktur gemäß dem Stand der Technik ist, wobei das Grabenseitenwandoxid durch CVD gebildet wird, welche die Mängel des Standes der Technik zeigt.
Fig. 2A und 2B in einer Querschnittsdarstellung eine Grabenstruktur gemäß dem Stand der Technik zeigt, wobei das Grabenseitenwandoxid durch thermische Oxidation gebildet wird, welchedie Unzulänglichkeiten des Standes der Technik zeigt.
Fig. 3 bis 8 Flußdiagramme sind, die durch sequentielle Querschnittsdarstellung ein Verfahren zur Bildung einer Grabenisolationsstruktur mit einer Seitenwand aus Polysiliciumoxid zeigen.
Fig. 9 bis 11 Querschnittsdarstellungen der Bildung einer Grabenisolationsstruktur mit einer Seitenwand aus Polysiliciumoxid sind, wobei das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Bezugnehmend auf die Fig. 3 bis 8 wird ein Verfahren zur Bildung einer Grabenisolationsstruktur beschrieben. Wie in Fig. 3 dargestellt, wird beginnend mit einem p-leitenden Siliciumsubstrat 50 eine Dreifachschicht-Maske gebildet, die aus etwa 150 nm bis 200 nm dickem Siliciumdioxid 52, etwa 80 nm bis 120 nm dickem Siliciumnitrid 54 und etwa 500 nm bis 1000 nm dickem CVD-Oxid 56 besteht. Das Oxid 52 dient als eine Auflage, um die durch das Nitrid 54 auf dem Substrat 50 induzierte mechanische Spannung zu puffern. Das Nitrid dient als eine Oxidationsmaske während einer späteren Stufe des vorliegenden Fertigungsprozesses. Das CVD- Oxid 56 dient unter anderem als eine Maske während des Schritts zum Ätzen des Grabens.
In der folgenden Beschreibung wird ein p-leitendes Siliciumsubstrat verwendet. Die Dicke der verschiedenen Schichten kann außerdem nach Wunsch in Abhängigkeit von dem Bauelement-Design geändert werden. Es versteht sich außerdem, daß das Substratmaterial nicht auf Silicium beschränkt ist. Das Verfahren känn auch aufandere Halbleitersubstrate zur Herstellung einer Grabenisolätion angewendet werden. Außerdem sind die Zeichnungen nicht maßstabsgetreu. Die Dicke der verschiedenen Schichten ist im Hinbliök auf die Deutlichkeit der Darstellung wiedergegeben.
Die Dreifachschicht-Maske 52-54-56 wird gemäß der gewünschten Grabenstruktur unter Verwendung von herkömmlichenlithggraphischen Techniken und Ätztechniken strükturiert. Dann wird in dem Substrat 50 durch RIE eine Grabenstruktur erzeugt. Details des Grabenätzprozesses sind in dem zuvor erwähnten Patent Nr. 4 104 086 für Bondur et al., das durch Verweis hierin aufgenommen wird, enthalten. Zwecks Bequemlichkeit der Darstellung ist in Fig. 3 lediglich ein Teil der Grabenstruktur gezeigt, die aus einem einzelnen Graben 58 besteht. Der Graben 58 für Bauelement- Isolationszwecke ist ausreichend tief und schmal, typischerweise im Bereich von 1 µm bis 5 µm, und besteht aus im wesentlichen vertikalen Wänden 60 und einem im wesentlichen horizontalen Boden 62. Als nächstes wird ein Oberflächenoxid 64 hoher Qualität gebildet, das die Grabenwände auskleidet, um eine gute Grenzfläche zwischen Silicium und Siliciumdioxid mit einer niedrigen Oberflächenzustandsdichte zu gewährleisten. Das Oxid 64 ist ty-. pischerweise etwa 50 nm bis 70 nm dick und wird durch thermische Oxidation des Grabens erzeugt.
Zur Struktur von Fig. 4 fortschreitend,. wird auf allen Grabenoberflächen einschließlich den mit Oxid beschichteten vertikalen und horizontalen Oberflächen 60 beziehungsweise 62 und auf der Maske 56 aus CVD-Oxid durch CVD eine gleichmäßig dicke und konforme Polysiliciumschicht 66 gebildet. Die Dicke der Polysiliciumschicht 66 wird so eingestellt, daß sie gleich ungefähr 40 % der gewünschten Dicke der Grabenseitenwand aus Oxid ist, was wiederum durch die erforderliche Kollektor-Basis-Kapazität der Isolatioässtruktur bestimmt wird. Typischerweise liegt die Dicke des Polysiliciums. 66 im Bereich von etwa 100 nm bis 150 nm. LPCVD ist ein bevorzugtes Verfahren zur Bildung des Polysiliciums 66, da dieses eine bessere konforme Beschichtung liefert. Das Polysilicium 66 wird durch die Pyrolyse eines Silicium tragenden Gases, wie Silan und Dichlorsilan, typischerweise im Temperaturbereich von, 600 ºC bis 800 ºC in einem. System bei Atmosphärendruck oder einem System mit reduziertem Druck bei einem niedrigen Druck von etwa 13,3 Pa bis 26,6 Pa (100 Millitorr bis 200 Millitorr) aufgebracht.
Im nächsten Prozeßschritt, der in Fig. 5 dargestellt ist, wird das Pölysilicium 66 einer thermischen,Oxidation unterworfen, um das Pplysilicium vollständig in ein Polysiliciumoxid 68 umzuwandeln. Für diesen Umwandlungsprozeß wird eine Dampfoxidation bei einer Temperatur von etwa 900 ºC bis 1000 ºC eingesetzt. Da die Siliciumqüelle, die das Polysiliciumoxid 68 entstehen läßt, eine konforme (Polysilicium-)Schicht (66) ist, ist das Oxid 68 ebenfalls entsprechend konform. Außerdem sind, da das Polysiliciumoxid 68 durch thermische Umwandlung des Polysiliciums (66) erhalten wird, die Ätzcharakteristika des Oxids 68 ebenso hochwertig wie die des durch thermische Oxidation von Silicium aufgewachsenen Oxides. Das Polysiliciumoxid 68 weist außerdem eine hohe Qualität auf, die in Verbindung mit der Oxidauskleidung 64 (die in Fig. 5 nicht gezeigt ist, da sie von dem Oxid 68 nicht zu unterscheiden ist) eine ausgezeichnete Grenzfläche mit einer niedrigen Oberflächenzustandsdichte zwischen den vertikalen Oberflächen 60 und der horizontalen Oberfläche 62 aus Silicium 50 und Oxid 68 bereitstellt. Somit wird durch Bilden eines CVD-- Polysiliciums als einem Vorläufer für das Grabenseitenwandoxid und thermisches Umwandeln des Vorläufer-Polysiliciums in Oxid eine Grabenseitenwand erzielt, die sowohl die Konformität einer Schicht aus CVD-Oxid als auch die hohe Ätzbeständigkeit eines thermisch aufgewachsenen Oxides aufweist.
Der nächste Prozeßschritt besteht aus dem Füllen des Grabens 58. Der Graben kann mit einem beliebigen mehrerer unterschiedlicher Materialien gefüllt werden. Im Fall von Bauelementanwendungen besteht das Füllmaterial aus irgendeiner Form eines dielektrischen Materiäls, wie Oxiden, Polymeren, epitaxialem Silicium oder polykristallinem Silicium. Der Graben kann außerdem mit einem leitfähigen Metall gefüllt werden, um vergrabene Leitungen zur Verbindung von Bauelementen miteinander zu erzielen.
Wenn ein Kontakt zum Substrat 50 gewünscht ist, muß da& zum Boden 62 des Grabens 58 gehörige Oxid 68 entfernt werden, bevor der Graben mit einem leitfähigen Material gefüllt wird. Diese Entfernung wird durchvertikales RIE unter Verwendung von zum Beispiel CF&sub4;-Ätzmittel-Gasspezies. ausgeführt. Während dieses RIE-Schrittes wird das auf der Oberfläche der Maske 56 aus CVD- Oxid ausgebildete Oxid 68 ebenfalls entfernt, wobei ein Seiten wandoxid 68' auf den vertikalen Wänden des Grabens verbleibt. Als nächstes kann, um sicherzustellen, daß das p-leitende Substrat 50 während der nachfolgenden Bearbeitung nicht invertiert und Leckverluste von Bauelement zu Bauelement verursacht&sub1; eine Implantation des Grabens mit p-leitenden Ionen (z.B. Borionen) ausgeführt werden. Der Implantationsstoff wird vertikal in den Graben gerichtet. Unter diesen Bedingungen wirkt das Grabenseitenwandoxid 68' als eine effiziente Maske, während der Implantationsstoff im Boden in das Substrat hinein gelangen und ein p&spplus;- Gebiet 72 bilden kann.
Der obige Grabenimplantationsschritt wird vermieden, und dennoch wird das p-Gebiet 72 gebildet, wodurch Einsparungen bei den Prozeßkosten erzielt werden. Bei diesem Prozeß wird der Graben 58 mittels CVD von in-situ p-dotiertem Polysilicium 70 gefüllt. Bor wird typischerweise als der Dotierstoff für diesen Zweck verwendet. CVD von Polysilicium ist bevorzugt, da es eine konforme Beschichtung und eine ausgezeichnete Steuerung der Deposition erleichtert und im allgemeinen die Bildung von Hohlräumen in der Grabenfüllung verhindert. Die Temperatur für die Deposition des Polysiliciums liegt bei etwa 900 ºC bis 1000 ºC, und der Depositionsdruck beträgt etwa eine Atmosphäre. Die Deposition des Polysiliciums 70 wird fortgesetzt, bis eine dicke (2 µm bis 3 µm) Oberflächenschicht desselben auf dem mit der Maske 56 bedeckten Substrat ausgebildet ist. Während des Schritts zur Deposition des Polysiliciums 70 diffundiert aufgrund der hohen Depositionstemperatur etwas von dem p-leitenden Dotierstoff aus dem Polysilicium 70 eine ausreichende Tiefe in das Substrat über den Grabenboden 62 in das darunterliegende Substrat 50 hinein, wodurch der hochdotierte p&spplus;-Kanalstopp gebildet wird. Somit wird gemäß der Erfindung in einem einzigen Prozeßschritt die Füllung des Grabens mit Polysilicium 70, die Dotierung der Grabenfüllung 70 (auf ein hohes Konzentrationsniveau) mit einem Dotierstoff, der den gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Substrat, aufweist, und die Diffusion dieses Dotierstoffes in das Substrat hinein direkt unterhalb des Grabens, um das p&spplus;-Gebiet 72 zu bilden, ausgeführt.
Nachdem die Füllung des Gräbens beendet ist, wird als nächstes, wie in Fig. 7 dargestellt, eine Planarisierung der Substratoberfläche unter Verwendung allgemein bekannter Planarisierungstechniken durchgeführt, um überschüssiges Polysilicium 70, d.h. das Polysilicium 70 oberhalb des Niveaus der Oberfläche des Substrates 50, zu entfernen. Chemisch-mechanisches Polieren kann zur Entfernung des Teils des überschüssigen Polysiliciums 70 oberhalb der Oberfläche der Nitridschicht 54 verwendet werden. Während dieses Schritts wird auch das CVD-Oxid 56 entfernt, und das Nitrid 54 dient als ein Polierstopp-Indikator. Die Grabenfüllung aus Polysilicium kann durch einen geeigneten Ätzschritt, wie RIE, unterhalb der Oberfläche des Substrates 50 vertieft werden, gefolgt von einem Schritt, bei dem dieselbe einer thermischen Oxidation bei einer geeigneten Temperatur unterzogen wird, um die Oberseite des Grabens zu passivieren. Die thermische Oxidation wandelt den oberen Teil der Grabenfüllung aus Polysilicium 70' in Polysiliciumoxid 74 um, während der Rest des Substrats durch die oxidationsbeständige Maske aus Nitrid 54 geschützt ist. Das Nitrid 54 wird durch einen Naßätzvorgang unter Verwendung zum Beispiel von heißer Phosphorsäure entfernt. Die Maske 52 aus thermischem Oxid wird als nächstes entweder durch einen Naßätz- oder Trockenätzvorgang entfernt. Während des Schritts zur Entfernung des Oxids 52 werden auch ein Oberflächenbereich des Polysiliciumoxids 74 und ein oberer Bereich des Grabenseitenwandoxids 68' bis zu einem gewissen Ausmaß entfernt. Da das Seitenwand-Polysiliciumoxid 68' jedoch eine hohe Ätzbeständigkeit (gleich jener des thermischen Oxides 52) aufweist, findet keine Erosion des Oxides 68' statt (während der Naßätzschritte), wie es beim Stand der Technik typisch war. Die in Fig. 8 gezeigte, resultierende Struktur besteht aus einem mit p&spplus;-dotiertem Polysilicium 70' gefüllten Graben 58 mit einer Abdeckung 74 aus Polysiliciumoxid und einem Seitenwand-Polysiliciumoxid 68' hoher Integrität. Um einen elektrischen Kontakt mit dem Substrat 50 herzustellen, wird die Oxidabdeckung 74 unter Verwendung herkömmlicher Lithographie- und Atzvorgänge selektiv geöffnet, und eine Metallisierung in Kontakt mit der p&spplus;-Polysiliciumfüllung 70' wird gebildet.
Eine Ausführungsform des Fertigungsverfahrens der vorliegenden Erfindung zur Bildung eines Isolationsgrabens mit einem Seitenwandoxid hoher Integrität ist in den Fig. 9 bis 11 dargestellt. Insbesondere wird, bezugnehmend auf Fig. 9, nach der Bildung des Barrierenoxides 60 auf den vertikalen und horizontalen Oberflächen des Grabens 58 analog zu jenem in Verbindung mit der Bildung der Struktur von Fig. 3 beschriebenen eine dünne (typischerweise mit einer Dicke von 50 nm bis 150 nm) Siliciumnitridschicht 80 aufgebracht. Das Nitrid 80 dient später während der Entfernung des Polysiliciums als ein Ätzstopp. Nach der Bildung des Nitrids 80 wird eine undotierte Polysiliciumschicht 82 aufgebracht. Der Prozeß zur Bildung des Polysiliciums 82 und die Eigenschaften desselben sind jenen der Polysiliciumschicht 66, die in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben wurde, ziemlich ähnlich.
Sich nunmehr der Struktur von Fig. 10 zuwendend, werden die mit der horizontalen Oberfläche 62 des Grabens 58 korrespondierende Polysiliciumschicht 82 und jene, die über dem horizontalen Bereich des Nitrids 80 liegt, durch vertikales RIE entfernt. CF&sub4;- RIE ist bevorzugt. Die in Fig. 10 gezeigte, resultierende Struktur besitzt Polysiliciumseitenwände 82', die lediglich mit den vertikalen Oberflächen 60 des Grabens 58 korrespondieren. Als nächstes wird das Polysilicium 82' durch thermische Oxidation in Dampf bei einer Temperatur von 900 ºC bis 1100 ºC vollständig in Seitenwände 84 aus Polysiliciumoxid umgewandelt, wie in Fig. 11 gezeigt. Während der thermischen Umwandlung des Polysiliciums 82' in Polysiliciumoxid 84 findet die Volumenausdehnung des Polysiliciums in einer einzigen Richtung statt, d.h. senkrecht zu den vertikalen Oberflächen 60 des Grabens 58, so daß die durch das Oxid 84 auf dem Substrat 50 (insbesondere den Ecken des Grabens) erzeugte mechanische Spannung minimal ist. Eine Minimierung dieser mechanischen Spannung überträgt sich auf eine Minimierung der Bildung und/oder Ausbreitung kristalliner Defekte, wie Versetzungen in dem Siliciummaterial 50. Somit werden durch Bilden der (Poly-)Siliciumquelle ausschließlich auf der vertikalen Oberfläche des Grabens in einer genau zugeschnittenen Weise und Erhalten einer Oxidschicht aus der Siliciumquelle zahlreiche Vorteile erreicht. Ein Grabenseitenwandoxid 84 wird genau dort erzielt, wo es gewünscht ist. Das Oxid 84 besitzt eine Ätzrate, die zu jener des thermisch aufgewachsenen Oxides paßt, und die Konformität von CVD-Oxid. Kristalline Defekte in dem Siliciumsubstrat werden trotz der Bildung eines dicken Grabenseitenwandoxides 84 auf einem Minimum gehalten.
Nach der Bildung des Polysiliciumoxids 84, wie in Fig. 11 gezeigt, werden, wenn ein Substratkontakt gewünscht ist, das mit dern Grabenboden 64 korrespondierende Oxid 64 und Nitrid 80 durch RIE entfernt. Der Rest des Prozesses einschließlich Füllen des Grabens, Planarisierung und Entfernung von überschüssigem Material entspricht jenem, das hierin oben in Verbindung mit den Fig. 6 bis 8 beschrieben wurde.
Ein Experiment mit geteilten Partien, das die Durchbruchsfrequenz eines durch einen thermischen Oxidationsprozeß des Standes der Technik gebildeten Grabenseitenwandoxids mit jener eines Oxids vergleicht, das durch den vorliegenden Polysilicium-Oxidationsprozeß gebildet wurde, zeigte signifikante Resultate. Die Dicke des Seitenwandoxids war in beiden Fällen die gleiche, ungefähr 300 nm. Unter Verwendung einer Partie von Wafern wurde das Polysiliciumseitenwandoxid durch Aufwachsen einer 50 nm dikken Oxidbarriere in den durch RIE definierten Siliciumgräben; Aufbringen einer etwa 120 nm dicken Polysiliciumschicht und Oxidieren des Polysiliciums in Polysiliciumoxid erzeugt. Bei der zweiten Partie von wafern wurde das thermische Oxid durch eine direkte thermische Oxidation der durch RIE definierten Gräben erzeugt. Ätzen der Seitenwände, Füllen der Gräben mit p&spplus;-Polysilicium und Planarisieren waren beiden Waferpartien gemeinsam. Eine Messung der Durchbruchspannung auf dem Seitenwandoxid zeigte, daß die Seitenwandstrukturen aus Polysiliciumoxid im allgemeinen eine signifikant geringere Ausfallrate als jene der Seitenwandstrukturen aus thermischem Oxid aufweisen.
Somit wurde gemäß der Erfindung ein Verfahren zum Aufwachsen eines thermischen Oxides hoher Integrität auf einer nicht oxidierbaren Oberfläche bereitgestellt, das den oben dargelegten Aufgaben und Vorteilen vollständig genügt.
Wenngleich die Erfindung in Verbindung mit einer speziellen, bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, ist es offensichtlich, daß für den Fachmann in Anbetracht der vorstehenden Beschreibung viele Alternativen, Modifikationen und Variationen ersichtlich sind. Wenngleich die Erfindung in Verbindung mit dem Füllen von Gräben mit Polysilicium beschrieben wurde, ist sie ohne weiteres auf die Bildung von epitaxial gefüllten Gräben anpaßbar.

Claims

1. Verfahren zur Bildung eines Isolationsgrabens (58) in einem p-leitenden Halbleitersubstrat (50), das umfaßt:

a) Bereitstellen des p-leitenden Halbleitersubstrats (50), das mit einer Isolatorschicht (52, 54, 56) bedeckt ist;

b) Erzeugen des Gräbens (58) mit im wesentlichen vertikalen Oberflächen (60) und einer im wesentlichen horizontalen Oberfläche (62) in dem Substrat durch Ätzen einer Öffnung in die Isolatorschicht, gefolgt von einem Ätzen des darunterliegenden Substrates entsprechend der Öffnung;

c) thermisches Oxidieren des Grabens, um eine dünne Grabenzwischenlage (64) aus Oxid auf den Oberflächen zu bilden;

d) Aufbringen einer Schicht aus Siliciumnitrid (80) auf der Grabenzwischenlage aus Oxid;

e) Aufbringen einer konformen Schicht aus Polysilicium (82) auf den Oberflächen des Grabens und auf der isolatorschicht;

f) Entfernen des Polysiliciums von der horizontalen Oberfläche;

g) thermisches Oxidieren, um das Polysilicium vollständig in eine Polysiliciumoxidschicht (84) umzuwandeln;

h) Entfernen der Oxidzwischenlage (64) und der Siliciumnitridschicht (80) von der dem Grabenboden entsprechenden horizontalen Oberfläche durch RIE, um das Halbleitersubstrat freizulegen; und

i) Aufbringen einer Schicht aus dotiertem Polysilicium (70) mit einer hohen Konzentration eines p-leitenden Dotierstoffes durch chemische Gasphasenabscheidung bei einer hohen Temperatur im Bereich von 900 ºC bis 1000 ºC, um eine dicke dotierte Polysiliciumschicht oben auf dem Isolator zu erzeugen und um gleichzeitig den Graben zu füllen und einen hoch p&spplus;-dotierten Kanalstopp (72) am Boden des Grabens durch die Diffusion des Dotierstoffes von dem dotierten Polysilicium (70) in das freigelegte Substrat zu bilden.

2. Verfahren wie in Anspruch 1, Schritt b), wobei der Schritt des Ätzens einer Öffnung in den Isolator durch Naßätzen erzielt wird.

3. Verfahren wie in Anspruch 1, wobei der Schritt i) der Deposition von dotiertem Polysilicium durch chemische Gasphasenabscheidung bei niedrigem Druck erzielt wird.

4. Verfahren wie in Anspruch 1, das des weiteren umfaßt:

j) Ätzen, um die dicke dotierte Polysiliciumschicht (70) oberhalb des Substratniveaus zu entfernen, und Vertiefen des dotierten Polysiliciums, das den Graben füllt, wobei die Nitridschicht (80) als Ätzmaske verwendet wird;

k) thermisches Oxidieren des oberen Teils des vertieften Polysiliciums, das den Graben füllt, um eine Abdeckung (74) aus Polysiliciumoxid zu bilden; und

l) Entfernen der Isolatorschicht (52, 54, 56) durch Naßätzen, während die Schicht (84) aus Polysiliciumoxid auf den Grabenwänden nahe der Substratoberfläche intakt gehalten wird.