DE3829015C2

DE3829015C2 - Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit abgerundeten Eckabschnitten

Info

Publication number: DE3829015C2
Application number: DE3829015A
Authority: DE
Inventors: Keiji Horioka; Haruo Okano
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-08-28
Filing date: 1988-08-26
Publication date: 1996-07-11
Anticipated expiration: 2008-08-27
Also published as: KR890004411A; JP2635607B2; KR920004540B1; JPS6457623A; DE3829015A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit abgerundeten Eckabschnitten, bei welchem eine Oberfläche eines Siliciumsubstrats zu einer Form mit winkligen Eckabschnitten bearbeitet wird, und Eckabschnitte durch chemisches Trockenätzen abgerundet werden, wobei das Trockenätzen mit einer Gasmischung aus Sauerstoff und Fluor durchgeführt wird. Ein derartiges Verfahren ist aus der JP-OS 57-137472 bekannt.

Bei dem bekannten Verfahren wird der Trockenätzvorgang mit einer Gasmischung aus CF₄ und O₂ isotrop durchgeführt, so daß die Eckabschnitte des Substrats abgerundet werden. Anschließend erfolgt ein anisotroper Ätzschritt, so daß die entstehende Struktur wieder Eckabschnitte aufweist.

Aus Appl. Phys. Lett. 43 (9), 1. 11. 1983, S. 859-861, aus J. Electrochem. Soc.: Solid-State Science and Technology, Bd. 133, Nr. 7, Juli 1986, S. 1443-1448, und aus Solid State Techhnology, April 1979, S. 109-116 ist das Ätzen von Silizium mit Gasgemischen aus CH₄ + O₂ sowie das Ätzen von SiO₂ und Fotolack bekannt.

Die JP-OS 57-12533 beschreibt das Abrunden winkliger Eckabschnitte von Siliziumsubstraten durch ein isotropes Plasmaätzverfahren. Ein entsprechendes, jedoch anisotropes Plasmaätzverfahren ist aus der US 4 662 059 bekannt.

Die US 4 484 978 beschreibt ein isotropes Naßätzverfahren zum Abrunden von Ecken bei einem Siliziumsubstrat. Aus der DE 35 13 034 A1 ist das Abrunden der Eckabschnitte eines Grabens in Silizium durch Oxidation und anschließendes Naßätzen bekannt.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nachstehend deren Hintergrund näher erläutert.

In den letzten Jahren wurden Halbleiter, wie z. B. MOS dynamische Speicher mit wahlfreiem Zugriff (DRAM), immer weiter miniaturisiert, wobei man eine immer höhere Integration der Elemente entsprechend einer Maßstabsverkleinerung erreichte. Die Miniaturisierung eines MOS-Kondensators, der eines der wesentlichen Elemente eines DRAM darstellt, wurde entscheidend weiterentwickelt. Hier soll angenommen werden, daß die Dicke und die Zone des Gate-Oxidfilms eines MOS-Kondensators t_ox bzw. S beträgt und der Maßstabsfaktor α beträgt. Die Dicke und die Zone des Gate-Oxidfilms nach der Verkleinerung beträgt t_ox/α bzw. S/α². Die Kapazität des MOS-Kondensators kann ausgedrückt werden als C = εS/t_ox, wobei ε die Elektrizitätskonstante darstellt. Somit beträgt die Kapazität C′ nach der Verkleinerung C′ = C/α. Wenn die Kapazität des MOS-Kondensators auf 1/α reduziert ist, unterliegen die in dem MOS-DRAM gespeicherten Daten Fehlern, die durch unerwünschte eintretende Strahlen, wie z. B. Alphastrahlen, bewirkt werden. Wenn die Kapazität eines MOS-Kondensators abnimmt, wird weiter das Verhältnis dieser Kapazität zur Streukapazität, die unabdingbar zwischen den Bitleitungen und dem Substrat existiert, gering. Dies vermindert die Genauigkeit der Datenerfassung und verursacht fehlerhafte Arbeitsweisen des MOS- DRAM. Aus diesem Grund wird die Zone des Gate-Oxidfilms, die die Zone des MOS-Kondensators darstellt, im allgemeinen nicht auf S/α², sondern nur auf S/α reduziert. Es wurde jedoch von Generation zu Generation eine weitere Verkleinerung der Elemente gefordert. Es wird daher zunehmend schwieriger, in hohem Maße zuverlässige Halbleiter, wie z. B. DRAMs, zu schaffen.

Um die Kapazität des MOS-Kondensators zu steigern, wurde die Verwendung eines Isolierfilms mit einer großen Dielektrizitätskonstanten, wie z. B. Ta₂O₅, in Betracht gezogen. Es bedarf jedoch noch einiger Zeit, bis dieser Film praktisch verwendbar ist. Zwischenzeitlich wurde die Verwendung eines äußerst dünnen Siliziumoxidfilms mit einer Dicke von 10 nm oder weniger mit einer hohen Zuverlässigkeit in Betracht gezogen. Ein derartiger Film erfordert jedoch reines Wasser mit einer sehr hohen Reinheit oder Chemikalien und weiter einen sehr sauberen Raum. Ein derartiger Film ist somit ebenfalls noch weit von einer praktischen Anwendung entfernt.

Es wurde weiter die sogenannte Grabenkondensatortechnik in Betracht gezogen, um die Kapazität des MOS-Kondensators zu steigern. Bei dieser Technik wird ein Graben auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet, um auf diese Weise praktisch die Zone des Kondensators zu vergrößern, ohne daß die Gesamtgröße der Elemente vergrößert wird. Wenn jedoch ein Graben mit zum Substrat senkrechten Seitenwänden durch anisotropes Ätzen, wie z. B. reaktives Ionenätzen (RIE), ausgebildet wird, entstehen die folgenden Probleme. Besonders die Ecken der oberen und Bodenabschnitte des Grabens weisen einen äußerst geringen Krümmungsradius auf. Wenn der Gatefilm durch thermische Oxidation ausgebildet wird, werden somit die auf den Ecken ausgebildeten Oxidationsfilme dünner als an den flachen Abschnitten. Dieses Phänomen wird wie folgt erklärt. Im allgemeinen beträgt, wenn Silizium zur Ausbildung eines Oxidfilms oxidiert wird, das Volumen des ausgebildeten Films das 2,3fache des ursprünglichen Siliziums. Wenn die Oxidation fortschreitet, treten Druckspannungen an der Grenzfläche des Oxidfilms zwischen dem Silizium und dem Siliziumoxidfilm auf, so daß Spannungskonzentrationen darin auftreten. Entsprechend wird die Oxidation unterdrückt.

Wie oben beschrieben, werden die Oxidfilme an den Ecken des Bodens und den oberen Abschnitten des Grabens dünner als die flachen Abschnitte. Somit wird an diesen Eckabschnitten die dielektrische Durchschlagspannung vermindert. Der verdünnte Film bewirkt ebenfalls einen großen Verluststrom, der sogar in einem schwachen elektrischen Feld fließt. Wenn der Gate- Oxidfilm dicker gemacht wird, kann der Verluststrom bei der Betriebsspannung auf ein ausreichend geringes Niveau heruntergedrückt werden. Dies bewirkt jedoch, daß der Film an den flachen Abschnitten des Grabens übermäßig dicker wird. Diese Dicke hebt die Wirkung der Steigerung der Kapazität des MOS- Kondensators auf, die man durch das Ausbilden der Gräben erhalten hat, um die Oberfläche des Substrats zu vergrößern.

Weiter wurde die sogenannte geschichtete Kondensatortechnik in Betracht gezogen. Bei dieser Technik kann die Kapazität des MOS-Kondensators innerhalb eines begrenzten Raums vergrößert werden. Insbesondere wird eine Elektrode des polykristallinen Siliziums auf das Element oder die Elementisolationszone geschichtet und die Oberfläche derselben oxidiert. Darauf wird eine andere Elektrode in ähnlicher Weise auf dem geschichteten Element ausgebildet, so daß sich ein MOS-Kondensator ergibt. Ebenfalls im Falle der polykristallinen Siliziumelektroden erzeugt die Behandlung durch RIE unabdingbar winklige Ecken an den Elektroden. Wenn die polykristalline Siliziumoberfläche oxidiert wird, bleiben die winkligen Ecken wie sie sind, so daß die Oxidfilme der Ecken unabdingbar dünner werden. Dies ist ein Phänomen, das dem Fall des Einkristallsiliziums ähnlich ist. Hierdurch wird die Isolationswirkung der Ecken ebenfalls verschlechtert.

Wie oben beschrieben, wird, wenn ein Graben oder ein abgestufter Abschnitt am Halbleitersubstrat ausgebildet wird, der Krümmungsradius der Ecken am Boden oder den oberen Abschnitten des Grabens oder der abgestuften Abschnitte entscheidend vermindert. Diese winkligen Ecken verursachen bei der Herstellung der Elemente, wie z. B. MOS-DRAMs oder ähnlichem, Probleme.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung zu schaffen, dessen Einsatz dazu führt, daß die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung ent scheidend verbessert wird.

Entsprechend der Erfindung wird ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 zur Verfügung gestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Hierdurch kann die Zuverlässigkeit von Halbleitern entscheidend verbessert werden.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum chemischen Trockenätzen (CDE), die für die entsprechenden Ausführungsformen verwendet wird;

Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Ätzgeschwindigkeit des Siliziums und der Dicke des Siliziumoxyfluoridfilms, beide in bezug auf die Durchflußmenge des Sauerstoffs, zur Erklärung der Arbeitsweise des Verfahrens;

Fig. 3a bis 3c Schnittansichten zur Darstellung eines Substrats während der Behandlung in der CDE-Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 4a und 4b Schnittansichten zur Darstellung eines Substrats während der Verfahrensschritte gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5a bis 5d Schnittansichten eines Substrats während der Behandlung gemäß einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 6a bis 6g Schnittansichten zur Darstellung eines Substrats während der Herstellung eines MOS-Grabenkondensators gemäß einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 7a bis 7g Schnittansichten zur Darstellung eines Substrats während der Herstellung einer Elementisolationszone gemäß einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 8a bis 8d Schnittansichten zur Darstellung eines Substrats während der Herstellung eines geschichteten MOS-Kondensators gemäß einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 9a bis 9d Schnittansichten zur Darstellung eines Substrats bei der üblichen Herstellung von Mehrschichtleitern; und

Fig. 10a bis 10c Schnittansichten zur Darstellung eines Substrats während der Herstellung von Mehrschichtleitern gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Das Erfindungswesentliche ist darin zu sehen, daß die winkligen Ecken der Gräben und der abgestuften Abschnitte am Substrat, die unabdingbar durch das Ätzen erzeugt werden, entscheidend abgerundet werden können. Dies wird dadurch erreicht, daß man die winkligen Ecken des Substrats einer Umgebung aussetzt, die Fluor und Sauerstoff aufweist. Das Fluor wird durch die elektrische Entladung aktiviert, so daß Fluorradikale erzeugt werden. Das Überschußverhältnis des Sauerstoffs beträgt eins oder mehr in bezug auf das Fluor. Diese Aussetzung bildet Siliziumoxyfluoridschichten auf der Oberfläche des Grabens und der Abstufungen, während die Oberfläche dünn geätzt wird.

Das Ausbilden und das Ätzen des Siliziumoxyfluoridfilms an der Oberfläche des Grabens und der Abstufungen beeinflussen sich untereinander unter der Bedingung, daß die Anzahl der Sauerstoffatome größer als die der Fluoratome ist. Diese Bedingung ist so spezifisch, auch wenn die entsprechenden Elemente in unterschiedlichen Stadien, wie z. B. als Moleküle, Ionen oder Radikale, vorhanden sind. Die Ätzgeschwindigkeit kann somit durch die Anzahl der durch die Diffusion in das Siliziumoxyfluorid gelieferten Fluorradikale gesteuert werden. Somit werden vorstehende Abschnitte, die eine größere Anzahl von Fluorradikalen aufgrund der größeren festen Winkel empfangen, schneller als die flachen Abschnitte geätzt. Umgekehrt werden konkave Abschnitte langsamer als die flachen Abschnitte geätzt. Hierdurch werden die Eckabschnitte des Grabens entscheidend abgerundet.

An den auf diese Weise abgerundeten Ecken und den flachen Abschnitten des Grabens am Siliziumsubstrat oder dem polykristallinen Siliziumfilm kann eine dünne Isolierschicht, wie z. B. eine Gate-Oxidschicht, ausgebildet werden, um einen MOS- Kondensator herzustellen. In diesem Fall wird die Dicke des Isolierfilms äußerst gleichförmig. Somit wird die Konzentration von elektrischen Feldern, die üblicherweise an den Ecken des Grabens vorhanden ist, vermindert. Hierdurch wird die Isolationswirkung der Isolationsschicht entscheidend verbessert.

Gleichzeitig wird die Oberfläche des Siliziumsubstrats oder des polykristallinen Siliziumfilms geglättet. Somit wird die Dichte der Oberfläche vermindert. Als Ergebnis wird eine p-n-Übergang mit einem geringen Umkehrverluststrom an den Seitenwänden des Grabens ausgebildet. Entsprechend kann leicht eine Elementisolierung erreicht werden.

Weiter können Leiter aus Materialien, wie z. B. polykristallinem Silizium, Molybdänsilicid oder Wolfram, zu einer schrägen Form bearbeitet werden. Somit können Elemente mit Vielleiterform leicht hergestellt werden.

Bevor die einzelnen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben werden, soll eine Abwärtsstrom-Ätzvorrichtung (im folgenden als CDE, chemische Trockenätzvorrichtung) beschrieben werden. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer CDE- Vorrichtung. In Fig. 1 ist ein Reaktionsbehälter 11 mit einer Werkstückhalterung 12 versehen, auf der ein Werkstück angeordnet ist. Gaszuführleitungen 15 und 16 führen zwei Sorten von Gasen zu und sind mit dem Reaktionsbehälter 11 über eine elektrische Entladungsröhre 14 aus Quarz verbunden. Die elektrische Entladungsröhre 14 bewirkt eine Entladung des eingeführten Gases. Die Gaszuführleitungen 15 und 16 führen ein CF₄-Gas, das Fluor enthält, bzw. Sauerstoff zu. Die Gase werden entsprechend gesteuert, so daß entsprechende bestimmte Durchflußmengen aufrechterhalten werden. Gleichzeitig werden die Gase im Reaktionsbehälter 11 durch eine Auslaßleitung 13 ausgegeben. Hierdurch wird ein vorbestimmter Druck aufrechterhalten. Eine Mikrowelle mit einer Frequenz von 2,45 GHz, die durch einen Mikrowellengenerator 18 erzeugt wird, wird über eine Wellenführung 17 der elektrischen Entladungsröhre 14 zugeführt, die wiederum darin eine Nichtelektrodenentladung erzeugt. Diese elektrische Entladung bewirkt, daß das CF₄-Gas dissoziiert, um Fluorradikale zu erzeugen. Die erzeugten Fluorradikale werden zusammen mit dem Sauerstoff dem Reaktionsbehälter 11 zugeführt. Diese Gasmischung reagiert chemisch mit einem werkstückbestimmten Material, so daß ein Ätzen durchgeführt wird.

Im folgenden soll die Reaktion zwischen dem Silizium und der Gasmischung aus Fluorradikalen und Sauerstoff, die einen wesentlichen Punkt der Erfindung darstellt, beschrieben werden.

Fig. 2 ist ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Sauerstoffdurchflußmenge (bezogen auf Atmosphärendruck) und der Siliziumätzgeschwindigkeit in dem Fall, in dem die Durchflußmenge des CF₄- Gases auf 50 cm³/min bestimmt wurde. In Fig. 2 stellt die feste Linie den Fall eines Einkristallsiliziums und die gestrichelte Linie den Fall eines phosphordotierten polykristallinen Siliziums dar. In jedem Fall, in dem Sauerstoff zugefügt wird, steigt die Siliziumätzgeschwindigkeit, bis die Sauerstoffdurchflußmenge etwa 100 cm³/min erreicht. Wenn die Durchflußmenge weiter steigt, nimmt die Siliziumätzgeschwindigkeit ab. Dieses Siliziumätzen schreitet entsprechend folgender chemischer Reaktion fort:

Si + 4F → SiF₄ ↑

Der Sauerstoff reagiert mit den kohlenstoffhaltigen Radikalen, wie z. B. CF₃ und CF₂, die durch die Dissoziation des CF₄ erzeugt werden, um diese Radikale auszuschalten. Dies verhindert das Auftreten einer Rekombination der kohlenstoffhaltigen Radikale, wie z. B. CF₃ und CF₂, mit den Fluoratomen. Hierdurch nimmt die Siliziumätzgeschwindigkeit zu. Wenn die Sauerstoffdurchflußmenge mehr als 100 cm³/min dem CF₄ mit 50 cm³/min hinzugefügt wird, nimmt die Siliziumätzgeschwindigkeit ab. Um diese Erscheinung zu klären, wurde die Siliziumoberfläche mittels der Auger-Elektronenspektroskopie gemessen. Diese Messung ergab, daß eine Siliziumoxyfluoridschicht mit einer Dicke von 2-8 nm auf der Siliziumoberfläche ausgebildet wurde. Im Diagramm von Fig. 2 ist neben der Siliziumätzgeschwindigkeit die Dicke dieser Siliziumoxyfluoridschicht dargestellt. Insbesondere bei dem Vorhandensein von Fluoratomen tritt folgende Reaktion auf, wobei das Silizium mit dem Sauerstoff reagiert:

Hierdurch wird ein nichtflüchtiger Siliziumoxyfluoridfilm auf der Siliziumoberfläche abgelagert.

Um die Siliziumätzgeschwindigkeit unter diesen Bedingungen zu steigern, ist es erforderlich, daß Fluoratome in den Siliziumoxyfluoridfilm diffundieren und mit dem Silizium reagieren. Weiter ist es erforderlich, daß das gebildete SiF₄ umgekehrt aus dem Siliziumoxyfluoridfilm diffundiert und sich davon löst. An den oberen Eckabschnitten des Grabens oder den am Siliziumsubstrat ausgebildeten Abstufungen oder am polykristallinen Siliziumfilm nimmt die Siliziumätzgeschwindigkeit ab, da die festen Winkel ausreichend groß sind, um zugeführte Fluoratome aufzunehmen. Hierdurch werden die Eckabschnitte abgerundet. Im Gegensatz dazu wird die Siliziumätzgeschwindigkeit der konkaven Abschnitte geringer. Insgesamt wird somit die unebene Oberfläche geglättet.

In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen identische oder entsprechende Teile, und im folgenden soll eine erste Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 3a bis 3c beschrieben werden.

Die Fig. 3a bis 3c sind Schnittansichten, die die Schritte des Abrundens der Ecken des Grabens, der durch RIE (reaktives Ionenätzen) ausgebildet wurde, darstellen. Diese Schritte des Abrundens werden durch die Verwendung der CDE-Vorrichtung gemäß Fig. 1 durchgeführt. In Fig. 3a wurde ein SiO₂-Film 31 als Maske auf einem Siliziumsubstrat 32 ausgebildet. Weiter wurde am Substrat 32 durch RIE ein Graben 33 ausgebildet. Das so ausgebildete Substrat 32 mit dem Graben 33 wurde in eine Pufferlösung einer Mischung aus Wasserstofffluor und Ammoniumfluorid getaucht. Hierdurch wurde der SiO₂-Film 31 am Umfang der Öffnung des Grabens 33 entfernt, wie dies in Fig. 3b dargestellt ist. Darauf wurde das Substrat 32 im Reaktionsbehälter 11 der CDE-Vorrichtung gemäß Fig. 1 angeordnet und durch Ätzen behandelt, wie dies im folgenden beschrieben wird. Die Ätzbedingungen waren so, daß eine Durchflußmenge von 50 cm³/min von CF₄ und eine Durchflußmenge von 150 cm³/min von O₂ - jeweils wieder bezogen auf Atmosphärendruck - verwendet wurden, und die Behandlungzeit betrug eine Minute. Nach der Behandlung war die Form des Grabens 33 so, wie dies in Fig. 3c dargestellt ist. Insbesondere waren die beiden oberen und unteren Eckabschnitte 34 und 35 des Grabens 33 abgerundet und hatten einen Krümmungsradius in der Größenordnung von etwa 50 nm. Wie weiter in Fig. 3b dargestellt, wiesen die Seitenwände des Grabens 33 kleine Unebenheiten auf. Durch die Behandlung wurden die Seitenwände ebenfalls geglättet.

Diese Vorteile der Abrundung erhielt man nur, wenn das Überschußverhältnis von Sauerstoff in bezug auf das Fluor sich in dem folgenden Bereich bewegte. Insbesondere beim Fall eines Einkristallsiliziums betrug das Überschußverhältnis mehr als eins, während es im Fall von polykristallinem Silizium 1,2 oder mehr betrug. Wenn derartige Verhältnisse geringer als wie oben spezifiziert sind, erhielt man die genannten Vorteile nicht.

Fig. 4a ist eine Schnittansicht zur Darstellung eines Substrats 41 mit einer SiO₂-Beschichtung 42, die man durch die CDE- Vorrichtung gemäß Fig. 1 unmittelbar nach der Ausbildung des Grabens 43 durch RIE erhielt. In diesem Fall sind die Ecken der Bodenabschnitte des Grabens 43 bis zu einem gewissen Maß abgerundet. Die Rauhigkeit der Seitenwände des Grabens 43 wurde jedoch weiter im Verhältnis zum Zustand vor der Behandlung verschlechtert.

Fig. 4b ist eine Schnittansicht zur Darstellung eines Substrats 41 mit einem darin mittels RIE ausgebildeten Graben 43. Das Substrat 41 wurde in verdünntem Fluorwasserstoff vor der Behandlung mittels der CDE-Vorrichtung getaucht. Dieses Vorgehen verhindert einen natürlichen Oxidfilm auf der Innenwandfläche des Grabens 43. Entsprechend wurden der Boden und die Seitenwände des Grabens 43 geglättet, wie dies in Fig. 4b dargestellt ist. Man sieht, daß diese Behandlung das Auftreten der Rauhigkeit aufgrund der CDE-Behandlung selbst verhindert. Weiter wurde die geringe Rauhigkeit, die am Boden und den Seitenwänden des Grabens 43 unmittelbar nach dem RIE vorhanden war, ebenfalls vermindert. Nur in der Nähe der Öffnung des Grabens 43 in der Nähe der SiO₂-Maske 42 war es schwierig zu ätzen, und dieser Teil verblieb. Die Ergebnisse beruhen auf der Tatsache, daß die von der Menge der Fluorradikalen abhängige Ätzgeschwindigkeit entscheidend abnimmt, wenn der Sauerstoff zunimmt. Insbesondere wurde der Sauerstoff von der SiO₂-Maske 42 freigegeben, so daß die Ätzgeschwindigkeit lokal abnahm. Auf der Oberfläche des Grabens 43 befand sich unmittelbar nach der RIE-Behandlung der unregelmäßige natürliche Oxydfilm. Die dickeren Abschnitte des Films bzw. der Beschichtung wurden nicht vollständig geätzt. Im Gegensatz dazu wurden die dünneren Abschnitte des Films besonders geätzt, so daß die Rauhigkeit der Beschichtungsoberfläche entscheidend wurde.

Fig. 5a bis 5b sind Schnittansichten entsprechender geätzter Formen des Siliziumsubstrats 51. Die Ätzmaske des Substrats 51 bestand aus verschiedenen Materialien. Insbesondere zeigt Fig. 5a und Fig. 5b den Fall, in dem eine Ätzmaske 52 aus einem organischen Photolack bestand. Fig. 5c und 5d zeigen den Fall, in dem die Ätzmaske 53 aus SiO₂ bestand. In Fig. 5a wurde ein Öffnungsabschnitt 55 in Berührung mit der Maske 52 geätzt, ohne daß er abgerundet wurde. In diesem Fall wurde die Maske 52 am Umfang der Öffnung des Grabens 54 vorher nicht entfernt. Somit wurden bei der Behandlung mittels der CDE-Vorrichtung gemäß Fig. 1 die Ecken der Bodenabschnitte des Grabens 54 abgerundet. Der Öffnungsabschnitt 55 des Grabens 54 wurde nicht abgerundet.

In Fig. 5b wurde die Maske 52 am Umfang der Öffnung des Grabens 54 vorher entfernt. Auf diese Weise wurde bei der Behandlung mittels der CDE-Vorrichtung gemäß Fig. 1 eine Aushöhlung 56 am Öffnungsabschnitt unmittelbar unter der Maske 52 ausgebildet. Wenn daher der Öffnungsabschnitt des Grabens 54 abgerundet werden soll, muß die Maske 52 vollständig entfernt werden. In diesem Fall werden alle anderen Abschnitte als die des Grabens 54 unabdingbar geätzt. Im Gegensatz dazu wurde im Fall der SiO₂-Maske 53 gemäß Fig. 5c die Maske 53 am Umfang der Öffnung des Grabens 54 vorher nicht entfernt. Darauf wurde das Substrat 51 mittels der CDE-Vorrichtung gemäß Fig. 1 behandelt. In diesem Fall war es schwierig, den Öffnungsabschnitt 57 unmittelbar unter der Maske 53 zu ätzen, und es verblieb ein Vorsprung an den Seitenwänden des Grabens 54. In Fig. 5d wurde die Maske 53 am Umfang der Öffnung des Grabens 54 vorher entfernt. Somit wurde der obere Eckabschnitt 58 des Grabens 54 abgerundet.

Wie oben beschrieben, wurde die Ätzmaske aus sauerstoffhaltigen Materialien, wie z. B. SiO₂, auf dem Siliziumsubstrat ausgebildet. Dann wurde die Maske am Umfang der Öffnung des Grabens teilweise entfernt. Darauf wurde das Substrat mit der teilweise entfernten Maske mittels der CDE- Vorrichtung unter Verwendung von Sauerstoff und Fluor behandelt. Als Ergebnis wurde nur der Graben geätzt, und die Ecken der oberen und unteren Abschnitte des Grabens konnten abgerundet werden.

Im folgenden wird das Verfahren zur Herstellung eines Graben- MOS-Kondensators gemäß einer weiteren Ausführungsform beschrieben. Fig. 6a bis 6g zeigen Schnittansichten zur Darstellung der Herstellungsschritte des Graben-MOS-Kondensators. In Fig. 6a wurde auf einem Siliziumwafer 61 mit einem bilateralen (100) spezifischen elektrischen Widerstand von 10 Ωcm ein dicker Oxidfilm 62 ausgebildet, um eine geeignete Elementisolierung zu erhalten. Darauf wurden auf dem Wafer bzw. dem Siliziumplättchen 61 ein Oxidfilm 63 mit einer Dicke von 100 nm, ein Siliziumnitridfilm 64 mit einer Dicke von 100 nm und ein Oxidfilm 65 mit einer Dicke von 500 nm der Reihe nach aufgebracht, um Ätzmasken für den Siliziumwafer 61 zu bilden.

Im folgenden wurde, wie in Fig. 6b dargestellt, ein Graben 66 z. B. mit 3 µm Tiefe in der Wafer 61 durch RIE unter Verwendung von Chlorgas oder ähnlichem als Ätzgas ausgebildet. Diese Grabenbildung wurde mit diesen Ätzmasken 63 bis 65 in einer selbstausrichtenden Weise durchgeführt. Darauf wurde die Wafer 61 unter Verwendung einer Pufferlösung aus Fluorwasserstoff und Ammoniumfluorid behandelt, um die nicht notwendigen Teile zu entfernen.

Hierdurch wird ein natürlicher Oxidfilm auf der Innenwand des Grabens 66 und der oberen Beschichtungsmaske 65 entfernt. Gleichzeitig wurde der SiO₂-Film 63 am Umfang der Öffnung des Grabens 66 teilweise um einen Betrag von etwa 100 nm entfernt, wie dies in Fig. 6c dargestellt ist.

Darauf wurde der Siliziumwafer 61 in der CDE-Vorrichtung gemäß Fig. 1 unter folgenden Bedingungen behandelt. In den Reaktionsbehälter 11 gemäß Fig. 1 wurde CF₄-Gas mit einer Menge von 50 cm³/min und O₂-Gas mit einer Menge von 150 cm³/min eingeführt. Darauf wurde eine Mikrowellenenergie von 400 W auf die elektrische Entladungsröhre 14 aufgebracht, und dann wurde der Wafer 61 eine Minute lang behandelt. Hierdurch wurden die oberen und unteren Ecken 67a und 67b des Grabens 66 abgerundet, wie dies in Fig. 6b dargestellt ist. Weiter diffundierte Arsen in die Innenwand des Grabens 66, worauf eine n-Typ-Diffusionsschicht 68 mit einer Konzentration von 5 × 10²⁰ cm^-3 und einer Tiefe von etwa 200 nm ausgebildet wurde, wie dies in Fig. 6e dargestellt ist.

Darauf wurden die Siliziumnitridmaske 64 und die Siliziumoxydmaske 63 entfernt. Darauf wurde die Oberfläche der n-Typ- Beschichtung 68 an der Innenwand des Grabens 66 oxidiert. Auf diese Weise wurde ein Oxidfilm 69 mit einer Dicke von 15 nm darauf ausgebildet, wie dies in Fig. 6f dargestellt ist. Im folgenden wurde phosphordotiertes polykristallines Silizium 610 in den Graben 66 eingebracht, wobei die n-Typ-Schicht 68 ausgebildet wurde, wie dies in Fig. 6g dargestellt ist. Das polykristalline Silizium 610 wurde als Elektrode ausgebildet, so daß man einen Graben-MOS-Kondensator erhielt. Der so ausgebildete Graben-MOS-Kondensator ist mit dem Graben 66 versehen, der an den unteren und oberen Ecken große Krümmungsradien aufweist. Die Dicke des Gate- Oxidfilms 69 ist somit nicht dünner als an den anderen Abschnitten. Dies trägt dazu bei, die Probleme zu vermeiden, bei denen ein Verluststrom zunimmt und die Isolierwirkung des Oxidfilms 69 sich verschlechtert. Man erhält somit einen in höchstem Maße zuverlässigen Graben-MOS-Kondensator. Wenn Halbleiter, wie z. B. MOS-Typ DRAM, unter Verwendung des so ausgebildeten Graben-MOS-Kondensators hergestellt werden, werden die Eigenschaften und die Zuverlässigkeit derartiger Halbleiter entscheidend verbessert.

Nur zum Vergleich wurden die Verlustströme von zwei Arten von Graben-MOS-Kondensatoren gemessen. Der eine der Kondensatoren wies Eckabschnitte des Grabens auf, die in üblicher Weise hergestellt wurden, d. h. sie waren nicht abgerundet. Der andere Kondensator hatte abgerundete Eckabschnitte, wie dies oben beschrieben wurde. Beide Kondensatoren wiesen eine Gesamtfläche von 0,1 cm² und eine Grabenumfangslänge von 50 mm auf. An die Seiten des isolierenden Oxydfilms jedes Kondensators wurde eine Spannung von 5 V angelegt. Als Ergebnis floß im Fall des Kondensators mit üblichen winkligen Ecken im Graben ein Verluststrom von 10^-6 A, während im Fall des Kondensators mit abgerundeten Ecken ein Verluststrom von 10^-9 A floß.

Im folgenden soll eine weitere Ausführungsform beschrieben werden, bei der eine Elementisolierzone ausgebildet ist.

Fig. 7a bis 7g zeigen Schnittansichten eines Substrats während der unterschiedlichen Herstellungsschritte. In Fig. 7a ist ein Siliziumwafersubstrat 71 mit einem p-Typ spezifischen Widerstand von 10 Ωcm dargestellt, das als Ätzmaske einen SiO₂-Film aufweist. Darauf wurde in dem Wafer 71 ein Graben 73 mit 1,0 mm Breite und 0,5 µm Tiefe mittels RIE ausgebildet, wie dies in Fig. 7b gezeigt ist. Im folgenden wurde der Wafer 71 in eine Pufferlösung von Fluorwasserstoff und Ammoniumfluorid getaucht. Als Ergebnis wurde die Maske 72 am Umfang der Öffnung des Grabens 73 teilweise entfernt. Somit war ein Abschnitt 74 des Wafer 71 freigelegt. Im folgenden wurde der Wafer 71 mittels der CDE-Vorrichtung gemäß Fig. 1 1 Minute und 30 Sekunden lang behandelt. Diese Behandlung fand unter Bedingungen statt, bei denen eine Durchflußmenge von 50 cm³/min CF₄ und eine Durchflußmenge von 150 cm³/min von O₂ eingeführt wurden. Als Ergebnis waren die oberen und unteren Ecken 75a und 75b des Grabens 73 abgerundet, wie dies in Fig. 7d dargestellt ist. Im folgenden wurden B⁺-Ionen mit einer Dosierung von 5 × 10^-13 cm^-2 durch eine Beschleunigungsspannung von 30 keV in die Innenwand des Grabens 73 implantiert.

Auf diese Weise wurde an der Innenwand des Grabens 73 eine p-Typ-Umkehrverhinderungsschicht 76 ausgebildet. Hier wurden die B⁺-Ionen mit einer relativ größeren Dosis als an den anderen Abschnitten des Grabens 73 in den abgerundeten Abschnitten 77 implantiert. Auf diese Weise erhielt man eine wirksame Elementisolierung, wie dies in Fig. 7e dargestellt ist. Weiter wurde der SiO₂-Film 78 durch CVD (chemische Dampfablagerung) und durch Rückätzen in den Graben 73 eingebracht. Man erhielt eine Elementisolierzone 79, wie dies in Fig. 7f dargestellt ist. Darauf wird an einer Seite der so ausgebildeten Elementisolierzone 79, wie in Fig. 7g dargestellt, eine n^--Schicht 710 ausgebildet. Weiter wurde auf der Schicht 710 ein Oxidfilm 711 und eine polykristalline Siliziumelektrode 712 zur Bildung eines MOS-Kondensators 720 ausgebildet. An der anderen Seite der Elementisolierzone 79 wurden eine n^--Schicht 713 und eine Gate-Oxidfilm 715 ausgebildet. Im folgenden wurde auf dem Film 715 eine polykristalline Siliziumgateelektrode 714 ausgebildet. Weiter wurden an beiden Seiten des Films 715 n^--Schichten 713 ausgebildet. Diese Schichten 713 dienen als Source und Drain eines MOS- FET 730.

Wie oben beschrieben, ist bei dieser Ausführungsform die obere Ecke 77 der Elementisolierzone 79 abgerundet. Somit werden B⁺-Ionen wirksam in diese abgerundeten Ecken implantiert. Hierdurch wird ein Umkehrverluststrom in Richtung der p-n-Verbindungszone entscheidend vermindert. Weiter wird die Rauhigkeit der Ecken 77 und der Seitenwände des Grabens aufgrund der RIE-Behandlung unterdrückt, so daß sie glatt sind. Somit wurde die Oberflächenzustandsdichte vermindert. Weiter wurde somit die Bildungswirksamkeit für Minoritäts-Träger vermindert.

Wie man aus diesen Ergebnissen sieht, kann, wenn diese Ausführungsform bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen, wie z. B. einem DRAM, verwendet wird, die Haltecharakteristik des Graben- MOS-Kondensators entscheidend verbessert werden.

Im folgenden soll noch eine weitere Ausführungsform eines geschichteten Kondensatorelements unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden.

Fig. 8a bis 8d sind Schnittansichten eines Substrats bei der Herstellung dieser Ausführungsform. In Fig. 8a wird auf einem p-Typ-Siliziumsubstrat 81 ein dicker Oxidfilm 82 zur Elementisolierung ausgebildet. Andererseits wird auf dem Siliziumsubstrat 81 ein Gate-Oxidfilm 87 ausgebildet. Weiter wird auf dem Film 87 eine Gate-Siliziumelektrode 83 ausgebildet. An beiden Seiten dieser Elektrode 83 werden zwei n^--Schichten 84 ausgebildet. Diese Elemente 83, 84 und 87 bilden einen MOS-FET. Weiter wird auf dem MOS-FET ein Isolierfilm abgelagert. Darauf wird ein Kontaktloch zur Verbindung der n^--Schicht 84 und des Films 88 ausgebildet. Beispielsweise wurde ein dünner Film 89 aus phosphordotiertem polykristallinen Silizium auf der n^-- Schicht 84 und dem Isolierfilm 88 abgelagert.

Im folgenden wurde der Film 89 durch RIE geätzt (siehe Fig. 8b), wobei die geätzten Abschnitte winklige Ecken 810 aufwiesen. Weiter waren, obwohl dies nicht dargestellt ist, eine große Anzahl Korngrenzen an der Oberfläche des Films 89 vorhanden, wodurch sich eine Unebenheit ergab.

Das Substrat 81 wurde dann unter Verwendung einer ½₀ verdünnten Lösung von Fluorkohlenwasserstoff 20 Sekunden lang behandelt. Auf diese Weise wurde ein natürlicher Oxidfilm auf der Oberfläche des Films 89 entfernt. Darauf wurde das Substrat in der CDE-Vorrichtung gemäß Fig. 1 45 Sekunden unter den gleichen Bedingungen wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen behandelt, d. h. es wurde eine Gasmischung von 50 cm³/min CF₄ und 120 cm³/min O₂ bei der Behandlung verwendet. Bei dieser Behandlung wurde der Film 89 mit einer Dicke von etwa 50 nm geätzt. Hierdurch wurden die winkligen Ecken 810 des Films 89 abgerundet, und die Oberfläche wurde, wie in Fig. 8c dargestellt, geglättet. Weiter war es schwierig, die vorher geätzten Abschnitte 811, die unmittelbar auf dem Oxydfilm 88 vorhanden sind, zu ätzen. Somit ergaben sich Seitenwände mit einer schrägen Form.

Weiter wurde, wie in Fig. 8d dargestellt, die Oberfläche des phosphordotierten polykristallinen Siliziumfilms 810 oxidiert. Somit wurde ein Oxidfilm 812 mit einer Dicke von 10 nm (100 ) ausgebildet. Zusätzlich wurde eine phosphordotierte polykristalline Siliziumelektrode 813 auf dem Film 812 ausgebildet.

Auf die oben beschriebene Weise wurde ein sogenannter geschichteter MOS-Kondensator hergestellt. Die Eckabschnitte dieses Kondensators wurden durch Ätzen abgerundet, und die Oberfläche wurde im Vergleich zu üblichen Kondensatoren, die nicht abgerundet wurden, geglättet. Die Isolationswirkung des Oxidfilms dieses Kondensators wurde verbessert und der Verluststrom dieses Kondensators entscheidend vermindert.

Im folgenden soll eine weitere Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Fig. 10a bis 10c beschrieben werden, bei der vielschichtige Leiter ausgebildet werden.

Zum Vergleich werden die üblichen Herstellungsschritte eines vielschichtigen Leiters unter Bezugnahme auf die Fig. 9a bis 9d beschrieben. Die Fig. 9a bis 9d zeigen Schnittansichten eines Substrats bei den üblichen Herstellungsschritten. In Fig. 9a wird ein Isolierfilm 92 aus SiO₂ auf einem Halbleitersubstrat 91 aufgebracht. Darauf wird eine Leiterschicht 93 aus Materialien, wie z. B. phosphordotiertem polykristallinem Silizium oder Molybdänsilizid oder Wolfram, auf den Isolierfilm 92 aufgebracht.

Darauf wird die Leiterschicht 93 mittels RIE zu dem gewünschten Muster behandelt, wie dies in Fig. 9b dargestellt ist. Darauf wird ein Oxidfilm 94 auf der Oberfläche der Leiterschicht 93 durch thermische Oxidation ausgebildet, wie dies in Fig. 9c dargestellt ist.

In diesem Fall wird der Oxidationsfilm an den unteren Ecken 95 der Leiterschicht 93 dünner, so daß sie vermindert werden. Darauf wird, wie in Fig. 9d dargestellt, eine zweite Leiterschicht 96 aufgebracht, um die Leiterschicht 93 und den Oxidfilm 94 abzudecken. Hierdurch werden den oberen Ecken der Leiterschicht 93 entsprechende Abschnitte 97 dünner. Somit brechen diese Abschnitte 97 der zweiten Leiterschicht 96 leicht. Weiter treten die Abschnitte 98 der zweiten Leiterschicht 96 in die verminderten Abschnitte 95 ein. Somit können die Abschnite 98 nur schwierig durch RIE entfernt werden. Diese verbleibenden Abschnitte 98 sind Ursache für einen Verluststrom.

Fig. 10a bis 10c sind Schnittansichten eines Substrats bei der Herstellung von Mehrschichtleitern gemäß dieser Ausführungsform. Zuerst werden auf das Substrat 91 ein Isolierfilm 92 und eine Leiterschicht 93a in der gleichen Weise wie in Fig. 9b aufgebracht. Darauf wird das Substrat 91 in der CDE- Vorrichtung gemäß Fig. 1 behandelt. Die Behandlungsdauer beträgt 1 Minute unter der Bedingung, daß eine Gasmischung aus 50 cm³/min CF₄ und 120 cm³/min O₂ zum Ätzen verwendet wurde. Bei dieser Behandlung wurde die Oberfläche der Leiterschicht 93a aus polykristallinem Silizium etwa 80 nm tief ausgeätzt. Ähnlich wie bei den obigen Ausführungsformen wurde die Grenzfläche zwischen dem Film 92 und der Leiterschicht 93a praktisch nicht geätzt.

Weiter wurden die oberen Eckabschnitte der Leiterschicht 93a abgerundet, und die Seitenwände wurden abgeschrägt, wie dies in Fig. 10a dargestellt ist. Darauf wurde die Leiterschicht 93a durch Oxidation ein Oxidfilm 94a aufgebracht. Hierbei ergeben sich keine verminderten Abschnitte an der Grenzfläche zwischen den Filmen 92 und 93a, wie dies in Fig. 10b dargestellt ist. Weiter wird eine zweite Leiterschicht 96a auf den Oxidfilm 94a aufgebracht. Bei diesem Schritt wurde die Dicke der Abschnitte der zweiten Leiterschicht 96a entsprechend den oberen Ecken der Leiterschicht 93a nicht vermindert, wie dies in Fig. 10c gezeigt ist.

Wie oben beschrieben, ist es bei diesem Verfahren schwierig, wenn Mehrschichtleiter auf dem Substrat ausgebildet werden, daß ein Brechen der Leiter oder Kurzschlüsse zwischen ihnen auftreten. Somit wird die Zuverlässigkeit von Halbleitern entscheidend verbessert.

Bei dieser Ausführungsform wurde beispielhaft eine Leiterschicht aus polykristallinem Silizium beschrieben, die abgerundet wurde. Es können jedoch weiter andere Materialien, wie z. B. Molybdän und Wolfram, die mit Fluor reagieren, um flüchtige Bestandteile zu erzeugen, oder irgendein Metallsilizid als Leiterschichtmaterialien verwendet werden. Versuche haben bestätigt, daß die Leiterschichten und der Graben dieser Materialien an den Eckabschnitten abgerundet werden können. Das Abrunden wird in der CDE-Vorrichtung unter Verwendung von Sauerstoff mit einem Überschußverhältnis von mehr als eins in bezug auf Fluor durchgeführt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit abgerundeten Eckabschnitten mit folgenden Schritten:

- Bearbeiten einer Oberfläche eines Siliziumsubstrats (32) zu einer Form mit winkligen Eckabschnitten;
- Abrunden von Eckabschnitten durch chemisches Trockenätzen unter Ausbildung eines Films aus Siliziumoxifluorid auf der Oberfläche des Substrats; wobei
- das Trockenätzen mit einer Gasmischung aus Sauerstoff und Fluor durchgeführt wird, bei welcher das Verhältnis der Sauerstoffatome zu den Fluoratomen größer als Eins ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem vor der Bearbeitung der Oberfläche des Substrats eine Dotierung mit einer Verunreinigung des n- oder p- Leitfähigkeitstyps vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem bei der Bearbeitung der Oberfläche durch anisotopes Ätzen ein Graben (66) mit winkligen Ecken (67a, 67b) im Substrat (61) gebildet wird, und nach dem Trockenätzen auf der Oberfläche des Grabens (66) eine Isolierschicht (69) erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem zumindest teilweise im Graben (66) auf der Oberfläche der Isolierschicht eine Elektrode (610) ausgebildet.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei welchem ein natürlicher Oxidfilm entfernt wird, der zwischen dem Schritt der Ausbildung des Grabens (66) und dem Schritt der Ätzung der winkligen Ecken (67a, 67b) des Grabens (66) gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, bei welchem vor der Ausbildung des Grabens (54) das Substrat (51) mit einer Ätzmaske (52; 53) abgedeckt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem vor dem Trockenätzen der Ecken des Grabens (54) die Ätzmaske (52) entfernt wird, welche die Ecken abdeckt.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei welchem die Ätzmaske (52, 53) aus einem sauerstoffhaltigen Material besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem auf dem Substrat (81) ein dünner Film (89) aus polykristallinem Silizium vorgesehen ist, der Film (89) zur Ausbildung einer ersten Elektrode mit Eckabschnitten (810) geätzt wird, und die Eckabschnitte (810) durch das Trockenätzen abgerundet werden, dann die erste Elektrode mit einer Isolationsschicht (812) abgedeckt wird, und dann auf der Isolationsschicht (812) eine zweite Elektrode (813) abgelagert wird, um einen MOS-Kondensator auszubilden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem vor dem Trockenätzen der Eckabschnitte ein natürlicher Oxidfilm von dem Film entfernt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem der Film (89) aus polykristallinem Silizium vor dem Ätzen mit einer Verunreinigung des n- oder p-Leitfähigkeitstyps dotiert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem auf dem Substrat (91) eine erste Leiterschicht (93a) mit winkligen Eckabschnitten durch Ätzen eines auf dem Substrat vorgesehenen dünnen Films aus einem mit Fluor zu einem flüchtigen Bestandteil reagierenden Metall oder Metallsilizid oder aus polykristallinem Silizium ausgebildet wird, die winkligen Eckabschnitte durch das Trockenätzen bei einem Verhältnis der Sauerstoffatome zu den Fluoratomen von mindestens 1,2 abgerundet werden, dann die erste Leiterschicht (93a) mit einer Isolationsschicht (94a) abgedeckt wird, und auf der Isolationsschicht (94a) eine zweite Leiterschicht (96a) ausgebildet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem vor dem Trockenätzen der Eckabschnitte ein natürlicher Oxidfilm von dem dünnen Film entfernt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem der Film aus polykristallinem Silizium vor dem Ätzen mit einer Verunreinigung des n- oder p-Leitfähigkeitstyps dotiert wird.