DE3832450A1 - Method for forming field-oxide regions in a silicon substrate - Google Patents

Method for forming field-oxide regions in a silicon substrate

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Abstract

A method for forming a field-oxide region in a silicon substrate contains the steps of: depositing a layer of silicon dioxide with a thickness of 13 to 14 nm and subjecting the deposited layer to a thermal nitration by exposing to a radiation source in a nitrating atmosphere, for example ammonia, in order to form a gradually produced oxynitride layer. An oxidation mask consisting of a LPCVD nitride layer is next deposited, after which the field oxide region is produced by selective etching into the substrate surface and oxidation. The method provides substantial elimination of a "birds-mouth" join, while voltage insulation is sustained for the masking silicon nitride. In a second embodiment, an original oxide layer having at thickness of from 1 to 3 nm is subjected to a fast thermal nitration and a composite masking layer is deposited thereon by means of LPCVD techniques.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bilden von Feldoxidbereichen in einem Siliziumsubstrat.The invention relates to a method for forming Field oxide areas in a silicon substrate.

Das bekannte LOCOS-Verfahren (lokale Oxidation von Silizium) zum Bilden teilweise vertiefter Feldoxidbereiche in einem Siliziumsubstrat unter Ausnutzung der lokalen Oxidationstechnologie verwendet eine verhältnismäßig dicke Siliziumnitridschicht als Oxidationsmaske zusammen mit einer verhältnismäßig dünnen Schicht eines sogenannten Puffer- oder Anschlußfeldoxid zwischen dem Silizium und dem Nitrid. Das Pufferoxid dient dazu, die Beanspruchungen zu verringern, die sonst an der Schnittstelle zwischen dem Siliziumsubstrat und der Siliziumnitridschicht auftreten. Derartige Beanspruchungen, insbesondere Spannungen können sich auf Grund von Differenzen im Wärmeausdehnungskoeffizienten ergeben und haben die Neigung, in den aktiven Bereichen des Siliziumsubstrats Kristalldefekte zu erzeugen.The well-known LOCOS process (local oxidation of silicon) for Form partially deepened field oxide areas in one Silicon substrate using the local Oxidation technology uses a relatively thick one Silicon nitride layer as an oxidation mask together with a relatively thin layer of a so-called buffer or Terminal field oxide between the silicon and the nitride. The Buffer oxide serves to reduce the stress that otherwise at the interface between the silicon substrate and the Silicon nitride layer occur. Such strains, in particular, tensions can arise due to differences in the Thermal expansion coefficients result and have the tendency in crystal defects to the active areas of the silicon substrate produce.

Ein Nachteil im Zusammenhang mit dem bekannten lokalen Oxidationsverfahren ist das sogenannte "Vogelschnabel"-System, das heißt das Eingreifen der Feldoxidschichten in unter der maskierenden Siliziumnitridschicht liegende Bereiche, wodurch die aktive Vorrichtungsfläche und damit die Vorrichtungsdichte beschränkt wird, die erzielbar ist.A disadvantage in connection with the well-known local The oxidation process is the so-called "bird's beak" system means the intervention of the field oxide layers in under the masking silicon nitride layer lying areas, whereby the active device area and thus the device density is limited, which is achievable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zum Bilden von Feldoxidbereichen in einem Siliziumsubstrat anzugeben, bei dem sowohl eine "Vogelschnabel"-Bildung als auch die Bildung von Substratkristalldefekten minimiert wird.The invention has for its object a simple method for forming field oxide areas in a silicon substrate specify where both a "bird's beak" formation as well the formation of substrate crystal defects is minimized.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs 1.This object is achieved according to the invention by the features of the characterizing part of patent claim 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bewirkt das rasche thermische Ausglühen mittels einer Strahlungsquelle in einer nitrierenden Umgebung eine rasche thermische Nitrierung einer dünne Siliziumdioxidschicht, die über dem Siliziumsubstrat liegt. Die Kürze und Größe des Hochtemperaturzyklus erzeugt einen vorübergehenden Temperaturgradienten in dem Siliziumdioxid und damit einen Oxid/Oxidnitrid-Zusammensetzungsgradienten in den nitrierten Siliziumdioxidschichten während Rückverteilungseffekte des Substratdotanden minimiert werden. Die Umwandlung der dünnen Puffersiliziumdioxidschicht in eine zusammengesetzte Schicht puffert die Differenz im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Siliziumnitridmaskenschicht und dem Siliziumsubstrat, während der Pfand für die sauerstoffartige Diffusion während der nachfolgenden Feldoxidaufwachsvorgänge im wesentlichen eliminiert wird.In the method according to the invention, this causes rapid thermal Annealing using a radiation source in a nitriding Environment a rapid thermal nitriding of a thin Silicon dioxide layer, which lies over the silicon substrate. The The shortness and size of the high temperature cycle creates one transient temperature gradients in the silicon dioxide and  thus an oxide / oxide nitride composition gradient in the nitrided silicon dioxide layers during redistribution effects of the substrate dopant can be minimized. The conversion of the thin Buffer silicon dioxide layer in a composite layer buffers the difference in the coefficient of thermal expansion between the silicon nitride mask layer and the silicon substrate while the deposit for oxygen-like diffusion during the subsequent field oxide growth processes essentially eliminated becomes.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Preferred developments of the method according to the invention are characterized in the subclaims.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigenFurther features and advantages of the invention result from the the following description of two exemplary embodiments Reference to the drawing. Show it

Fig. 1A-5A schematische Querschnittansichten durch ein Siliziumsubstrat unter Veranschaulichung der Verfahrensstufen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und Fig. 1A-5A are schematic cross sectional views through a silicon substrate illustrating the process steps according to a first embodiment of the invention, and

Fig. 1B-5B schematische Querschnittansichten durch ein Siliziumsubstrat zur Veranschaulichung der Verfahrensstufen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. FIG. 1B-5B are schematic cross-sectional views through a silicon substrate illustrating the process steps according to a second embodiment of the invention.

Es wird nun auf die Folge von Verfahrensschritten Bezug genommen, die mit Fig. 1A beginnt. Dort ist ein monokristallines Siliziumsubstrat 1 gezeigt, auf dem vorzugsweise durch Wärmeoxidation eine verhältnismäßig dünne, nominal 13 bis 15 nm dicke Siliziumdioxidschicht 2 aufgebracht ist. Die dünne Oxidschicht 2 ist die übliche Anschlußfeld- oder Pufferschicht, die die Oberfläche 3 des Siliziumsubstrats 1 von Spannungen isoliert, die sonst durch die Siliziumnitridschicht 4 (Fig. 3A) verursacht werden. Es ist allgemein anerkannt, daß die direkte Ausbildung einer Siliziumnitridschicht 4 durch chemische Niederdruckdampfablagerung (LPCVD) auf der Oberfläche 3 des Siliziumsubstrats 1 zu Substratversetzungen an der Oberfläche 3 in einem Ausmaß führt, das die Funktionsfähigkeit von in dem Siliziumsubstrat an diesen Stellen gebildeten aktiven Vorrichtungen reduziert. Einen wesentlichen Beitrag zu derartigen Spannungen geht auf die Differenz im Wärmeausdehnungskoeffizienten zurück. Andererseits ist aber auch erkannt worden, daß die Einfügung eines Pufferoxids 2 zwischen der Nitridschicht und der Substratoberfläche zu einer Diffusion von Sauerstoffen längs des Oxids in Bereiche unter der maskierenden LPCVD-Nitridschicht in einer Weise und einem Ausmaß führt, die ein Entstehen eines "Vogelschnabels" bewirken mit einem Eingriffsverhältnis in einem Bereich von 0,3 bis 0,4.Reference is now made to the sequence of method steps, which begins with FIG. 1A. A monocrystalline silicon substrate 1 is shown there, on which a relatively thin, nominally 13 to 15 nm thick silicon dioxide layer 2 is preferably applied by heat oxidation. The thin oxide layer 2 is the usual connection field or buffer layer, which isolates the surface 3 of the silicon substrate 1 from voltages which would otherwise be caused by the silicon nitride layer 4 ( FIG. 3A). It is generally accepted that the direct formation of a silicon nitride layer 4 by low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) on the surface 3 of the silicon substrate 1 leads to substrate dislocations on the surface 3 to an extent that reduces the functionality of active devices formed in the silicon substrate at these locations . A significant contribution to such stresses is due to the difference in the coefficient of thermal expansion. On the other hand, however, it has also been recognized that the insertion of a buffer oxide 2 between the nitride layer and the substrate surface leads to diffusion of oxygen along the oxide into regions under the masking LPCVD nitride layer in a manner and to an extent which results in the formation of a "bird's beak". effect with an engagement ratio in a range from 0.3 to 0.4.

Im gesamten Verfahren folgt als nächstes der in Fig. 2A veranschaulichte Schritt, der eine Einleitung eines raschen thermischen Glühens in einer Ammoniakumgebung beinhaltet, was allgemein als rasche thermische Nitrierung bezeichnet sei und dazu dient, die Pufferoxidschicht 2 in eine Oxidnitridschicht 6 umzuwandeln. Die kurze Dauer der thermischen Nitrierung erzeugt einen Temperaturgradienten durch das Pufferoxid 2 und das Siliziumsubstrat 1, wodurch eine Graduierung der Oxid- und Oxinitridzusammensetzung in der Schicht 6 erreicht wird.In the entire method next follows that illustrated in Fig. 2A step involving an introduction of a rapid thermal anneal in an ammonia environment, which is generally referred to as rapid thermal nitridation referred to and serves to convert the buffer oxide layer 2 in an oxynitride layer. 6 The short duration of the thermal nitriding creates a temperature gradient through the buffer oxide 2 and the silicon substrate 1 , as a result of which the oxide and oxynitride composition in the layer 6 is graded.

Über die Dicke des Oxids 2 gesehen, wird die Stickstoffkonzentration an der Grenzfläche am höchsten sein, wo die Oxidschicht 2 mit dem Siliziumsubstrat 1 zusammentrifft. Der Stickstoff wird auf diese Grenzflächen durch die in dem Oxid 2 induzierten Verbindungsdifferenzspannungen gegettert, die den für den Stickstoff vorhandenen Atompegelraum erhöhen. Dickere Schichten des Oxids 2 würden normalerweise höhere Stickstoffkonzentrationen sowohl an der Grenzfläche mit dem Siliziumsubstrat 1 als auch an der äußeren Fläche 5 aufweisen. Die dünnere Oxidschicht 2 mit Oxid in der Dicke von 10 nm oder weniger würde nach der hier beschriebenen raschen thermischen Nitrierung verhältnismäßig homogen sein.Seen across the thickness of the oxide 2 , the nitrogen concentration will be highest at the interface where the oxide layer 2 meets the silicon substrate 1 . The nitrogen is gettered to these interfaces by the compound differential voltages induced in the oxide 2 , which increase the atomic level space available for the nitrogen. Thicker layers of oxide 2 would normally have higher nitrogen concentrations both at the interface with the silicon substrate 1 and at the outer surface 5 . The thinner oxide layer 2 with oxide in the thickness of 10 nm or less would be relatively homogeneous after the rapid thermal nitriding described here.

Die rasche thermische Nitrierung wird vorzugsweise durchgeführt unter Verwendung einer Strahlungsenergiequelle in Form einer Wolframhalogenlampe, die angeordnet und betrieben wird, um eine Temperatur von etwa 1150°C an der Oberfläche 5 für 180 s zu erzeugen. Die Umgebung während des thermischen Zyklus ist eine reine Ammoniakatmosphäre bei atmosphärischem Druck.The rapid thermal nitriding is preferably carried out using a radiation energy source in the form of a tungsten halogen lamp which is arranged and operated to produce a temperature of approximately 1150 ° C. on the surface 5 for 180 s. The environment during the thermal cycle is a pure ammonia atmosphere at atmospheric pressure.

Eine derartige rasche thermische Nitrierung wandelt die Pufferoxidschicht 2 in ein graduelles oder abgestuftes Oxinitrid 6 um, ohne daß das Siliziumsubstrat 1 für eine längere Zeit einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird.Such rapid thermal nitriding converts the buffer oxide layer 2 into a gradual or graded oxynitride 6 without the silicon substrate 1 being exposed to an elevated temperature for a long time.

Nach der raschen thermischen Nitrierung gemäß Fig. 2A wird die Oxinitridschicht 6 mit einer LPCVD-Siliziumnitridschicht 4 bedeckt, die bis zu einer Dicke von 100 nm abgelagert wird. Hiernach wird die in Fig. 3A dargestellte Struktur fotografisch verarbeitet, um ein Muster von maskierendem Fotoresistmaterial zu bilden, und nachfolgend einer anisotropen Ätzung unterworfen, um selektiv die belichtete Fläche des LPCVD-Nitrids 4, der Oxinitridschicht 6 und nominal 30 nm des Siliziumsubstrats 1 zu entfernen. Die Ätzung des Substrats 1 erzeugt eine Vertiefung 8 (Fig. 4A). Der Ätzvorgang wird vorzugsweise unter Verwendung einer gleichzeitigen reaktiven Ionenätzung durchgeführt, um die Bildung von im wesentlichen senkrechten Wänden in der so gebildeten Vertiefung zu gewährleisten. Beispielsweise kann die Ätzung durchgeführt werden mittels einer hochfrequent erregten Plasmaätzanordnung bei einem Druck von etwa 25 mTorr unter Verwendung CHF3/O2-Gas.After the rapid thermal nitriding according to FIG. 2A, the oxynitride layer 6 is covered with an LPCVD silicon nitride layer 4 , which is deposited to a thickness of 100 nm. Thereafter, the structure shown in FIG. 3A is photographically processed to form a pattern of masking photoresist material and subsequently subjected to anisotropic etching in order to selectively increase the exposed area of the LPCVD nitride 4 , the oxynitride layer 6 and nominally 30 nm of the silicon substrate 1 remove. The etching of the substrate 1 creates a depression 8 ( FIG. 4A). The etching process is preferably carried out using a simultaneous reactive ion etching in order to ensure the formation of essentially vertical walls in the depression formed in this way. For example, the etching can be carried out using a high-frequency excited plasma etching arrangement at a pressure of approximately 25 mTorr using CHF 3 / O 2 gas.

Es folgt nun das Aufwachsen des Feldoxids, vorzugsweise in einer feuchten Sauerstoffumgebung bei einer Temperatur von etwa 950°C für eine Zeit von etwa 450 Minuten. Nach dem üblichen Abstreifen des LPCVD-Nitrids 4 und der Oxinitridschicht 6 unter Verwendung von kochender H3PO4-Säure oder RIE-Plasmaätzung in CHF3/O2 oder einer feuchten Ätzung mit 10 : 1 NH4F : HF ergibt sich ein Aussehen des Feldoxids 9 (Fig. 5A), das sowohl relativ eben ist als auch keine größeren "Vogelschnabel"-Eigenschaften aufweist. Die Dicke des so gebildeten Feldoxids ist nominal 700 nm, während für die Verfahrensfolge "A" der Eingriff, nämlich das Verhältnis zwischen der Vogelschnabellänge und der Feldoxiddicke als nominal 0,1 festgestellt wurde. Die Pufferschichtisolation bzw. die Pufferwirkung des Oxinitrids 6 gewährleistet, wie bereits früher bemerkt, daß aktive Bereichsflächen 11 des Substrats 1 frei bleiben von Versetzungen in einem Ausmaß, das nun erforderlich ist für aktive Feldeffekt- oder polare Vorrichtungen mit ausgezeichneter Wirkungsweise im Submikrometerbereich.The field oxide then grows, preferably in a moist oxygen environment at a temperature of about 950 ° C. for a time of about 450 minutes. After the usual stripping of the LPCVD nitride 4 and the oxynitride layer 6 using boiling H 3 PO 4 acid or RIE plasma etching in CHF 3 / O 2 or a wet etching with 10: 1 NH 4 F: HF, an appearance is obtained of field oxide 9 ( Fig. 5A), which is both relatively flat and has no major "bird's beak" properties. The thickness of the field oxide thus formed is nominally 700 nm, while for procedure sequence "A" the intervention, namely the ratio between the length of the bird's beak and the field oxide thickness, was found to be nominally 0.1. The buffer layer insulation or the buffering action of the oxynitride 6 , as noted earlier, ensures that active area surfaces 11 of the substrate 1 remain free of dislocations to the extent that is now required for active field effect or polar devices with excellent effectiveness in the submicron range.

Zu beachten ist, daß die außerordentlichen Verbesserungen in der "Vogelschnabel"-Unterdrückung erreicht wurden durch Einfügen eines einzigen Verfahrensschrittes, der äußerst gut in die Herstellungsverfahrensfolge paßt und aktualisiert wird durch eine ausgewählte Kombination von raschen thermischen Nitrierungsbedingungen.It should be noted that the extraordinary improvements in the "Bird's beak" suppression was achieved by inserting a only process step that is extremely good in the Manufacturing process sequence fits and is updated by a selected combination of rapid thermal Nitriding conditions.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Folge der mit "B" markierten Figuren dargestellt. Die Herstellung beginnt gemäß Fig. 1B mit einem Siliziumsubstrat 1, auf dem sich eine sehr dünne gediegene, jungfräuliche Siliziumdioxidschicht 21 befindet. Diese Oxidschicht 21 ist nominal 1 bis 3 nm dick und kann, wie der Name sagt, eine natürlich gebildete Schicht sein oder durch kurze Oxidation des Siliziumsubstrats 1 erzeugt sein. Es wird nun gemäß Fig. 2B ein rasches thermisches Ausglühen in einer Stickstoff- oder Ammoniakatmosphäre durchgeführt, um das ursprüngliche Oxid 21 in eine dünne Oxinitridschicht 22 zu verwandeln.Another embodiment of the method according to the invention is shown in the sequence of the figures marked with "B". The preparation begins in Fig. 1B with a silicon substrate 1 on which a very thin dignified, virgin silicon dioxide layer 21 is located. This oxide layer 21 is nominally 1 to 3 nm thick and, as the name suggests, can be a naturally formed layer or can be produced by brief oxidation of the silicon substrate 1 . It is now shown in FIG. 2B, a rapid thermal annealing carried out in a nitrogen or ammonia atmosphere, to transform the native oxide 21 in a thin oxynitride layer 22nd

Die rasche thermische Nitrierung wird vorzugsweise unter Verwendung einer Wolframhalogenlampe durchgeführt, die derart betrieben wird, daß auf der Oberfläche des Oxids 21 eine Temperatur von etwa 1150°C für die Dauer von etwa 40 s erzeugt wird, während die Kammer einem Stickstoff- oder Ammoniakgasfluß von etwa 1,41 pro Minute bei atmosphärischem Druck ausgesetzt wird. Die Oxinitridschicht 22 bleibt bei ihrer ursprünglichen Dicke von 1 bis 3 nm.The rapid thermal nitriding is preferably carried out using a tungsten halogen lamp which is operated such that a temperature of approximately 1150 ° C. is generated on the surface of the oxide 21 for a period of approximately 40 seconds while the chamber is subject to a nitrogen or ammonia gas flow about 1.41 per minute at atmospheric pressure. The oxynitride layer 22 remains at its original thickness of 1 to 3 nm.

Der raschen thermischen Nitrierung folgt die Herstellung gemäß der allgemeinen Folge von Verfahrensschritten in dem SILO-Verfahren mit der Bildung einer LPCVD-Siliziumnitridschicht 23 bis zu einer nominalen Dicke von 15 bis 18 nm, einer nächstfolgenden Bildung einer Plasma-CVD- oder Niedertemperatur-Oxidschicht 24 (LTO) bis zu einer nominalen Dicke von 35 bis 40 nm und einer abschließenden Bildung einer Schicht von LPCVD-Siliziumnitrid 26 bis zu einer Dicke von 100 nm.Rapid thermal nitriding is followed by production according to the general sequence of process steps in the SILO process with the formation of an LPCVD silicon nitride layer 23 to a nominal thickness of 15 to 18 nm, a subsequent formation of a plasma CVD or low-temperature oxide layer 24 (LTO) to a nominal thickness of 35 to 40 nm and a final formation of a layer of LPCVD silicon nitride 26 to a thickness of 100 nm.

Diese kombinierte Struktur gemäß Fig. 3B wird als nächstes einer fotolithografischen Verarbeitung unterworfen unter Verwendung von Fotoresistmaterial und einer vorzugsweisen reaktiven Ionenätzung, in einer Weise wie dies zuvor beschrieben wurde, um Feldoxidbereiche des Siliziumsubstrats 1 freizulegen, wie dies allgemein in Fig. 4B veranschaulicht ist. Man beachte, daß in dem Siliziumsubstrat 1 wiederum eine Vertiefung ausgebildet wird bis zu einer nominalen Tiefe von 30 nm unter der Oberfläche 3 des Siliziumsubstrats 1. Wie es charakteristisch für eine reaktive Ionenätzung ist, ergeben sich wiederum im wesentlichen vertikale Wände der aufeinanderfolgenden Schichten 22, 23, 24 und 25 sowie 27 des Siliziumsubstrats 1.This combined structure of FIG. 3B is next subjected to photolithographic processing using photoresist material and preferably reactive ion etching in a manner as previously described to expose field oxide regions of the silicon substrate 1 , as is generally illustrated in FIG. 4B. Note that a recess is again formed in the silicon substrate 1 to a nominal depth of 30 nm below the surface 3 of the silicon substrate 1 . As is characteristic of a reactive ion etching, essentially vertical walls of the successive layers 22 , 23 , 24 and 25 and 27 of the silicon substrate 1 again result .

Das Siliziumsubstrat 1 gemäß Fig. 1B wird als nächstes einer Oxidation in einer feuchten Sauerstoffumgebung bei einer Temperatur von etwa 950°C für eine Dauer von etwa 450 Minuten ausgesetzt, um einen Feldoxidbereich 28 (Fig. 5B) mit einer nominalen Dicke von etwa 700 nm zu bilden. Die mehrfachen und verhältnismäßig dicken Schichten von LPCVD-Nitrid 23 und 26 sind ausreichend starr, um ein Ablösen der zusammengesetzten Maskierungsschicht während der Oxidation zu unterdrücken und weiterhin irgendwelche "Vogelschnabel"-Effekte zu begrenzen, wie dies in Fig. 5B veranschaulicht ist. Das wirksame Fehlen des "Vogelschnabels" ist wiederum äußerst wesentlich für die deutliche Unterdrückung irgendwelcher Sauerstoffdiffusionen längs der Pufferoxinitridschicht 22 (Fig. 4B).The silicon substrate 1 of FIG. 1B is next subjected to oxidation in a humid oxygen environment at a temperature of about 950 ° C. for a period of about 450 minutes around a field oxide region 28 ( FIG. 5B) with a nominal thickness of about 700 nm to build. The multiple and relatively thick layers of LPCVD nitride 23 and 26 are sufficiently rigid to suppress detachment of the composite masking layer during oxidation and to further limit any "bird's beak" effects, as illustrated in Figure 5B. The effective absence of the "bird's beak" is in turn extremely important for the significant suppression of any oxygen diffusion along the buffer oxynitride layer 22 ( FIG. 4B).

Fig. 5B veranschaulicht den Querschnitt des entsprechenden Feldoxidbereichs 28, worauf ein übliches Abstreifen der Maskenschichten 22, 23, 24 und 26 zur Freilegung von Flächen 29, nämlich der aktiven Bereiche des Siliziumsubstrats 1 folgt. FIG. 5B illustrates the cross-section of the respective field oxide region 28, followed by a conventional stripping the mask layers 22, 23, 24 and 26 follows to expose surfaces 29, namely, the active regions of the silicon substrate 1.

Auf Grund der Pufferwirkung der dünnen Oxinitridschicht 22 wird eine Beschädigung der Siliziumsubstratfläche 29 vermieden. Die sehr dünne Oxinitridschicht 22 ist ausreichend stark, um Differenzen im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der LPCVD- Nitridschicht 23 und dem Siliziumsubstrat 1 zu entkoppeln. Die dicke LPCVD-Nitridschicht 26 wird in gleicher Weise durch die Oxidschicht 24 gepuffert. Der Eingriff des Feldoxids in den aktiven Bereich ist für diese Verfahrensschrittfolge wirksam vernachlässigbar; ein Vergleich zeigt jedoch, daß das Feldoxid 28 weniger eben ist als das Feldoxid 9 des ersten Ausführungsbeispiels (Fig. 5A) mit dem relativ steilen Anstieg des Feldoxids 28 unmittelbar in der Nähe der Oberfläche 29 des aktiven Bereichs.Due to the buffer effect of the thin oxynitride layer 22 , damage to the silicon substrate surface 29 is avoided. The very thin oxynitride layer 22 is sufficiently thick to decouple differences in the coefficient of thermal expansion between the LPCVD nitride layer 23 and the silicon substrate 1 . The thick LPCVD nitride layer 26 is buffered by the oxide layer 24 in the same way. The intervention of the field oxide in the active area is effectively negligible for this sequence of process steps; however, a comparison shows that field oxide 28 is less flat than field oxide 9 of the first embodiment ( FIG. 5A) with the relatively steep increase in field oxide 28 immediately near surface 29 of the active area.

Zu beachten ist wiederum die außerordentliche Unterdrückung des "Vogelschnabels".Again, the extraordinary suppression of the "Bird's beak".

Die Temperatur- und Zeitbedingungen für die rasche thermische Nitrierung mit Strahlungsenergie sind in der Praxis nicht beschränkt auf diejenigen Werte, die im Zusammenhang mit den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen angegeben wurden. Beispielsweise kann in Betracht gezogen werden, daß für außerordentlich dünne Oxide kurze Zeitintervalle, die sich 10 s nähern, mit Oberflächentemperaturen, die sich 1250°C nähern gearbeitet wird. Bei dem entgegengesetzten Extrem ist es möglich für verhältnismäßig dicke Pufferoxidschichten Temperaturen im Bereich von 900°C für bis zu 30 Minuten zu verwenden. Die genaue Kombination von Bedingungen sollten unter Berücksichtigung dessen gewählt werden, daß eine Strahlungsenergiequelle mit hoher Intensität und kurzer Dauer auf die Oberfläche der Oxidschichten 3 bzw. 21 gerichtet wird, mit der Absicht einen Übergangstemperaturgradienten mit einem zugeordneten Spannungsgradienten zu erzeugen, der die Nitrierung des freigelegten Oxids erleichtert. Diese Bedingungen stehen im deutlichen Gegensatz zu der Ofennitrierung für mehrere Stunden, wobei der allmähliche Temperaturanstieg und Temperaturabfall bereits sich über zwei bis drei Stunden erstreckt. Eine übliche Ofenbehandlung des Substrats leitet auch an unerwünschter Oxidation, abgesehen von der zuvor erforderlichen Reinigung der Kammer, auf Grund der verhältnismäßig langen Temperaturanstiegszeit, der niedrigeren Temperatur, bei der die Oxidation verglichen mit der Nitrierung beginnt und der Sauerstoffanteile, die zwangsläufig aus dem Wasser vorhanden sind und zuvor von dem Siliziumsubstrat absorbiert werden.In practice, the temperature and time conditions for the rapid thermal nitriding with radiation energy are not restricted to those values which were specified in connection with the exemplary embodiments described above. For example, it can be considered that for extremely thin oxides, short time intervals approaching 10 s are used with surface temperatures approaching 1250 ° C. At the opposite extreme, it is possible to use temperatures in the range of 900 ° C for up to 30 minutes for relatively thick buffer oxide layers. The exact combination of conditions should be chosen taking into account that a high intensity, short duration radiation energy source is aimed at the surface of oxide layers 3 and 21 , respectively, with the intention of creating a transition temperature gradient with an associated voltage gradient which will cause the nitriding of the exposed Oxide relieved. These conditions are in sharp contrast to furnace nitriding for several hours, with the gradual rise and fall in temperature spanning two to three hours. A common oven treatment of the substrate also leads to undesirable oxidation, apart from the previously required cleaning of the chamber, due to the relatively long temperature rise time, the lower temperature at which the oxidation starts compared to the nitriding and the oxygen content that is inevitably present in the water and are previously absorbed by the silicon substrate.

Der Fachmann erkennt zweifellos, daß eine rasche thermische Nitrierung von dünnen Siliziumdioxidpufferschichten zur Unterdrückung einer seitlichen Diffusion von Sauerstoffanteilen während der Feldoxidbildung mit gleichzeitiger Pufferung vergleichbar mit dem ursprünglichen Siliziumdioxid bei einer Vielzahl von Halbleiterherstellungsverfahren anwendbar ist, die Siliziumsubstrate verwenden, einschließlich polykristalliner oder amorpher Formen von Silizium.Those skilled in the art will no doubt recognize that rapid thermal Nitriding thin silicon dioxide buffer layers for Suppression of lateral diffusion of oxygen components during field oxide formation with simultaneous buffering comparable to the original silicon dioxide at one Variety of semiconductor manufacturing processes is applicable, the Use silicon substrates, including polycrystalline or amorphous forms of silicon.

Claims (7)

1. Verfahren zum Bilden eines Feldoxidbereichs in einem Siliziumsubstrat, gekennzeichnet durch die Schritte:
  • - Bilden einer Siliziumdioxidschicht (2, 21) auf dem Siliziumsubstrat (1);
  • - Unterwerfen der Siliziumdioxidschicht (2, 21) einer Nitrierungsatmosphäre, während die Siliziumdioxidschicht (2, 21) einer Quelle von strahlender Energie mit einer Intensität ausgesetzt wird, die zu Nitrierung des Siliziumdioxids und zur Erzeugung eines thermischen Übergangsgradienten durch die Siliziumdioxidschicht geeignet ist;
  • - Bilden einer Oxidationsmaskierungsschicht (4; 23, 24, 26) mit mindestens einer Schicht aus Siliziumnitrid (4; 23, 24) über der nitrierten Siliziumdioxidschicht (6; 22);
  • - Ätzen der Oxidationsmaskierungsschicht (4; 23, 24, 26) und der nitrierten Siliziumdioxidschicht (6; 22), um selektiv Bereiche des Siliziumsubstrats (1) freizulegen; und
  • - Oxidieren des freigelegten Siliziumsubstrats in Gegenwart der Oxidationsmaskierungsschicht (4; 23, 24, 26), um einen Feldoxidbereich (9; 28) zu bilden.
1. A method for forming a field oxide region in a silicon substrate, characterized by the steps:
  • - Forming a silicon dioxide layer ( 2 , 21 ) on the silicon substrate ( 1 );
  • - subjecting the silicon dioxide layer ( 2 , 21 ) to a nitriding atmosphere while exposing the silicon dioxide layer ( 2 , 21 ) to a source of radiant energy with an intensity suitable for nitriding the silicon dioxide and for generating a thermal transition gradient through the silicon dioxide layer;
  • - Forming an oxidation masking layer ( 4 ; 23 , 24 , 26 ) with at least one layer of silicon nitride ( 4 ; 23 , 24 ) over the nitrided silicon dioxide layer ( 6 ; 22 );
  • - etching the oxidation masking layer ( 4 ; 23 , 24 , 26 ) and the nitrided silicon dioxide layer ( 6 ; 22 ) in order to selectively expose regions of the silicon substrate ( 1 ); and
  • - Oxidizing the exposed silicon substrate in the presence of the oxidation masking layer ( 4 ; 23 , 24 , 26 ) to form a field oxide region ( 9 ; 28 ).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle von Strahlungsenergie eine Siliziumdioxidoberflächen-Temperatur im Bereich von etwa 900°C bis etwa 1250°C erzeugt.2. The method according to claim 1, characterized in that the Source of radiation energy a Silicon dioxide surface temperature in the range of about 900 ° C to about 1250 ° C generated. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Bestrahlung mit der Quelle von Strahlungsenergie im Bereich von etwa 10 bis etwa 1800 Sekunden liegt.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the duration of the irradiation with the source of Radiant energy in the range of about 10 to about 1800 Seconds. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitrierungsumgebung ein Ammoniak­ oder Stickstoffgas ist. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that the nitriding environment is an ammonia or is nitrogen gas.   5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzen zur Bildung einer Vertiefung (18; 27) in dem Siliziumsubstrat (1) fortgesetzt wird.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the etching to form a recess ( 18 ; 27 ) in the silicon substrate ( 1 ) is continued. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidationsmaskierungsschicht aus einer einzigen Schicht von Siliziumnitrid (4) besteht.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the oxidation masking layer consists of a single layer of silicon nitride ( 4 ). 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidationsmaskierungsschicht aus einer ersten Siliziumnitridschicht (23), einer Schicht aus Siliziumdioxid (24) und einer zweiten Siliziumnitridschicht (26) besteht.7. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the oxidation masking layer consists of a first silicon nitride layer ( 23 ), a layer of silicon dioxide ( 24 ) and a second silicon nitride layer ( 26 ).
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