Die vorliegende Erfindung betrifft ein Isolierverfahren für
eine Halbleitervorrichtung, und insbesondere ein selektives
Oxidationsverfahren für ein Puffer-Polysilicium, bei dem es
sich um ein verbessertes Verfahren zur lokalen Oxidation von
Silicium (LOCOS) handelt.
Da die Integration von Halbleitervorrichtungen zunimmt,
nimmt die Größe eines einzelnen, auf einem Halbleitersub
strat ausgebildeten Elements ab, und die Größe eines Iso
lierbereichs, der das einzelne Element elektrisch isoliert,
nimmt ebenfalls schrittweise bis auf ein Sub-Mikrometer-
Niveau ab. Wenn bei einer derartigen hochintegrierten Halb
leitervorrichtung ein Isolierbereich unter Anwendung eines
LOCOS-Verfahrens zur Ausbildung eines halb ausgenommenen
Feldoxidfilms ausgebildet wird, tritt ein großer Vogelschna
bel (vogelschnabelförmiger Hohlraum) auf, so daß die Isola
tion der Vorrichtung in dem feinen Muster unmöglich ist. Um
dieses Problem zu lösen, ist ein selektives Polysiliciumoxi
dations (SEPOX) -Verfahren vorgeschlagen worden.
Die Fig. 1 und 2 zeigen Querschnittsansichten zur Erläute
rung eines herkömmlichen SEPOX-Verfahrens.
Gemäß Fig. 1 werden nach dem Ausbilden eines dünnen Oxid-
Pad-Films 2 auf einem Halbleitersubstrat 1 durch einen Wär
meoxidationsprozeß eine Polysiliciumpufferschicht 3 und ein
Siliciumnitridfilm 4 aufeinanderfolgend auf dem Oxid-Pad-
Film 2 ausgebildet. Daraufhin wird ein vorbestimmter Bereich
des Siliciumnitridfilms 4 durch einen lithographischen Pro
zeß geätzt, wodurch eine (nicht gezeigte) Öffnung ausgebil
det wird, die einen Isolierbereich festlegt. Daraufhin wer
den die Polysiliciumpufferschicht 3 und der Oberflächenbe
reich des Halbleitersubstrats l, die durch die Öffnung frei
gelegt sind, selektiv oxidiert, wodurch ein Feldoxidfilm 5
ausgebildet wird.
Gemäß Fig. 2 werden das Siliciumnitrid 4 und die Polysilici
umpufferschicht 3 entfernt, wodurch der Prozeß zum Ausbilden
des Isolierbereichs beendet ist.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen SEPOX-Verfahren werden
die auf das Substrat 1 ausgeübte Spannung und die resultie
rende Größe des Vogelschnabels vermindert, weil Oxidations
spannungen aufgrund einer Volumenvergrößerung auf die Poly
siliciumpufferschicht 3 ausgeübt werden, wenn der Feldoxid
film 5 gebildet wird. Beim derartigen SEPOX-Verfahren treten
jedoch Vogelschnäbel an zwei Stellen auf, wenn die Größe des
aktiven Bereichs auf das Sub-Miktrometer-Niveau oder darun
ter vermindert wird. Demnach tritt zwischen dem Oxid-Pad-
Film 2 und dem Halbleitersubstrat 1 ein Vogelschnabel auf
("a" in Fig. 1, wobei auf diesen Vogelschnabel als bodensei
tiger Vogelschnabel Bezug genommen wird), so daß die Größe
des aktiven Bereichs vermindert wird. Ein weiterer Vogel
schnabel tritt zwischen dem Siliciumnitrid 4 und der Polysi
liciumpufferschicht 3 auf ("b" in Fig. 2, wobei auf diesen
Vogelschnabel nachfolgend als oben liegender Vogelschnabel
Bezug genommen wird).
Die Erzeugung des bodenseitigen Vogelschnabels (a) wird un
terdrückt, wenn die Dicke des Oxid-Pad-Films 2 vermindert
und die Dicke der Pufferschicht 3 erhöht wird. Die Erzeugung
des oben liegenden Vogelschnabels (b) kann nicht unterdrückt
werden, obwohl die Dicken der vorstehend genannten Schichten
erhöht sind. Wenn der oben liegende Vogelschnabel (b) in
ausgeprägter Form auftritt, wie in Fig. 2 gezeigt, verbleibt
die Polysiliciumschicht 3 zwischen dem oben liegenden Vogel
schnabel (b), obwohl der Siliciumnitridfilm 4 und die Poly
siliciumpufferschicht 3 entfernt werden, nachdem der Feld
oxidfilm 5 ausgebildet ist (siehe "P" in Fig. 2). Der Feld
oxidfilm 5 verliert daraufhin die Eigenschaften eines Iso
lierbereichs.
Zum Lösen der vorstehend genannten Probleme des SEPOX-Ver
fahrens ist im U.S. Patent Nr. 4 459 325 ein Verfahren be
schrieben, bei dem eine verbliebene Polysiliciumpuffer
schicht oxidiert wird, nachdem der Feldoxidfilm ausgebildet
worden ist. Durch das vorstehend genannte Verfahren kann
jedoch der oben liegende Vogelschnabel zwischen dem Silicum
nitridfilm und der Polysiliciumpufferschicht nicht vollstän
dig unterdrückt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb dar
in, ein Isolierverfahren für eine Halbleitervorrichtung zu
schaffen, durch das der durch das SEPOX-Verfahren erzeugte,
oben liegende Vogelschnabel vollständig unterdrückt werden
kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die Schaffung
eines Isolierverfahrens für eine Halbleitervorrichtung vor,
umfassend die Schritte:
- - Ausbilden eines ersten Oxidfilms auf einem Halbleiter
substrat,
- - Ausbilden eines Siliciumfilms auf dem ersten Oxidfilm,
- - Ausbilden eines Oxidationsblockierfilms auf dem Silici
umfilm,
- - Durchführen eines Wärmebehandlungsprozesses auf der
resultierenden Struktur, auf der der Oxidations-Bloc
kierfilm ausgebildet ist, unter einer hohen Temperatur
und in einer Stickstoffatmosphäre,
- - selektives Ätzen des Oxidationsblockierfilms zur Aus
bildung einer Öffnung,
- - Durchführen eines Wärmeoxidationsprozesses zur Ausbil
dung eines thermischen Oxidationsfilms in der Öffnung
und
- - Entfernen des Oxidationsblockierfilms.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird die Hochtemperaturwärmebehandlung vorteilhaf
terweise in der Stickstoffatmosphäre für etwa 8 Stunden bei
einer hohen Temperatur von etwa 1150°C durchgeführt. Polysi
licium oder amorphes Silicium wird als Material zur Ausbil
dung des Siliciumfilms verwendet.
Vorteilhafterweise kann die Hochtemperaturwärmebehandlung in
der Stickstoffatmosphäre durchgeführt werden, nachdem die
Öffnung in dem Oxidationsblockierfilm ausgebildet worden
ist.
Zur Beschleunigung der Verbindungsreaktion zwischen dem
Siliciumfilm und dem Oxidationsblockierfilm kann ein Schritt
zum Implantieren von Stickstoffionen auf der gesamten Ober
fläche der resultierenden Struktur nach der Ausbildung des
Oxidationsblockierfilms mit umfaßt sein.
Ein Schritt zum Nitrifizieren eines nativen Oxidfilms, der
auf dem Siliciumfilm unter Verwendung einer Reaktion mit
NHx-Gas bei einer Temperatur von 850°C in einer Nitridfilm-
Niederschlagskammer erzeugt wird, kann vor dem Schritt zur
Ausbildung des Oxidationsblockierfilms mit umfaßt sein.
Da eine Grenzfläche zwischen dem Siliciumfilm und dem Oxida
tionsblockierfilm erfindungsgemäß aufgrund der Hochtempera
turbehandlung stabilisiert wird, die durchgeführt wird,
nachdem der Oxidationsblockierfilm ausgebildet ist, wird die
Erzeugung eines oben liegenden Vogelschnabels vollständig
unterdrückt, wenn der als Isolierbereich dienende thermische
Oxidfilm ausgebildet ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung bei
spielhaft näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 und 2 Querschnittsansichten zur Erläuterung eines
herkömmlichen SEPOX-Verfahrens;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung hergestellten Iso
lierbereichs;
Fig. 4 bis 7 Querschnittsansichten zur Erläuterung des
erfindungsgemäßen Isolierverfahrens und
Fig. 8 bis 14 Querschnittsansichten zur Erläuterung des
erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines
CMOS.
Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines in Übereinstim
mung mit der vorliegenden Erfindung hergestellten Isolierbe
reichs.
Im Vergleich zu dem in Fig. 2 gezeigten Isolierbereich zeigt
Fig. 3, daß die Größe eines bodenseitigen Vogelschnabels c,
der zwischen einem ersten Oxidfilm 24 und einem auf einem
Halbleitersubstrat 10 ausgebildeten Siliciumfilm 26 vermin
dert ist. Außerdem ist die Erzeugung eines oben liegenden
Vogelschnabels zwischen dem Siliciumfilm 26 und einem oxida
tionsblockierenden Film 28 weitgehend unterdrückt.
Die Fig. 4 bis 7 sind Querschnittsansichten zur Erläuterung
eines erfindungsgemäßen Isolierverfahrens.
Fig. 4 zeigt einen Schritt zur Ausbildung eines Silicium
films 26 und eines Oxidationsblockierfilms 28. Nach dem
Ausbilden eines ersten Oxidfilms 24 einer Dicke von etwa
240Å auf einem Halbleitersubstrat 10 durch einen Wärmeoxida
tionsprozeß, wird der Siliciumfilm 26, der als Pufferschicht
zur Verminderung einer Spannung aufgrund einer Volumenaus
dehnung dient, die hervorgerufen wird, wenn ein Feldoxidfilm
in einem nachfolgenden Prozeß ausgebildet wird, auf dem
ersten Oxidfilm 24 ausgebildet. Ein Material mit einer ähn
lichen physikalischen Eigenschaft wie diejenige des das
Halbleitersubstrat 10 bildenden Materials, beispielsweise
Polysilicium oder amorphes Silicium wird als den Silicium
film 26 bildendes Material verwendet. Der Siliciumfilm 26
wird mit einer Dicke von etwa 1000Å durch ein chemisches
Niederdruckdampfniederschlags (LPCVD) -Verfahren ausgebildet.
Außerdem kann entweder ein mit Verunreinigungen dotierter
Siliciumfilm oder ein undotierter Siliciumfilm als Silici
umfilm 26 verwendet werden. Der erste Oxidfilm 24 und der
Siliciumfilm 26 werden so ausgebildet, daß eine Spannung
gelockert wird, wenn ein Feldoxid in einem nachfolgenden
oxidationsschritt ausgebildet wird, und diese Filme werden
so ausgebildet, daß sie eine ausreichende Dicke zum Ausfüh
ren der Rolle als Ätzblockierschicht haben. Vorzugsweise
sind der erste Oxidfilm 24 mit einer Dicke von 110 bis 500Å
und der Siliciumfilm 26 mit einer Dicke von 500 bis 2000Å
ausgebildet.
Wenn der Siliciumfilm 26 der Luft ausgesetzt wird, wird ein
natives oder natürliches Oxid aufgewachsen, so daß ein
(nicht gezeigter) nativer Oxidfilm, dessen Dicke 10 bis 100Å
beträgt, auf der Oberfläche des Siliciumfilms 26 vorhanden
ist. Da die Diffusionsgeschwindigkeit eines Oxidationsmit
tels (Sauerstoff) größer ist als in Polysilicium oder in
Siliciumnitrit wird in einem derartigen nativen Oxidfilm das
Vorhandensein des nativen Oxidfilms zu einem Faktor, der die
Größe des oben liegenden Vogelschnabels ("d" in Fig. 3) er
höht. Deshalb wird der native Oxidfilm, der auf dem Silici
umfilm 26 vorhanden ist, unter der Verwendung einer Reaktion
mit NHx-Gas nitrifiziert, indem bei einer Temperatur von
850°C in der Nitridniederschlagkammer ein Wärmbehandlungs
prozeß so ausgeführt wird, daß das native Oxid in einen
Siliciumoxynitridfilm mit einer Siliciumoxynitrid(SiNO)-
Struktur umgewandelt wird. In dem Siliciumoxynitridfilm ist
die Diffusionsgeschwindigkeit des Oxidationsmittels ähnlich
derjenigen in dem Siliciumnitridfilm. Wie vorstehend er
wähnt, wird der native Oxidfilm in den Siliciumoxynitridfilm
so umgewandelt, daß die Diffusionsgeschwindigkeit des Oxida
tionsmittels vermindert wird, wodurch die Erzeugung des oben
liegenden Vogelschnabels unterdrückt wird.
Daraufhin wird auf dem Siliciumfilm 26 ein Siliciumnitrid
mit einer Dicke von etwa 1500Å durch ein LPCVD-Verfahren
niedergeschlagen, wodurch ein Oxidationsblockierfilm 28
gebildet wird. Der Oxidationsblockierfilm 28 sollte bis zu
einer Dicke ausgebildet werden, welche den Vogelschnabel
minimieren, und welche die Spannung lockern kann, und vor
zugsweise sollte dieser Film auf eine Dicke von 1000 bis
3900Å ausgebildet werden. Daraufhin wird auf den resultie
renden Film ein acht Stunden dauernder Wärmebehandlungspro
zeß ausgeübt, wobei ein Oxidationsblockierfilm 28 bei einer
hohen Temperatur von 1150°C in einer Stickstoffatmosphäre
ausgebildet wird. Wenn der Wärmebehandlungsprozeß wie vor
stehend ausgeführt durchgeführt wird, wird eine Grenzschicht
zwischen dem Oxidationsblockierfilm 28 und dem Siliciumfilm
26 stabilisiert, und die Korngröße des Siliciumfilms 26 wird
erhöht. Dadurch wird das Phänomen einer Voraboxidation be
seitigt, das entlang der Korngrenze in einem nachfolgenden
Oxidationsschritt auftritt, so daß die Grenzfläche, an der
der Siliciumfilm 26 oxidiert wird, eine klare Definition
erfährt. Deshalb wird die Erzeugung des in Fig. 3 gezeigten,
oben liegenden Vogelschnabels d vollständig unterdrückt. Um
eine Bindungsreaktion zwischen dem Siliciumfilm 26 und dem
Oxidationsblockierfilm 28 zusätzlich zu aktivieren, können
Stickstoffionen andererseits auf der gesamten Oberfläche der
resultierenden Struktur implantiert werden, nachdem der
Oxidationsblockierfilm 28 ausgebildet ist. Zu diesem Zeit
punkt sollte in der Grenzfläche zwischen dem Oxidations
blockierfilm 28 und dem Siliciumfilm 26 eine Höchstmenge der
Stickstoffionen vorhanden sein.
Fig. 5 zeigt einen Schritt zur Ausbildung einer Öffnung h.
Nach dem Überziehen des Oxidationsblockierfilms 28 mit einem
Photoresist- oder einem Photoschutzlack, wird der Photore
sist belichtet und entwickelt, wodurch auf dem aktiven Be
reich ein (nicht gezeigtes) Photoresistmuster gebildet wird.
Daraufhin wird der Oxidationsblockierfilm 28 durch ein reak
tives Ionenätz(RIE)-Verfahren unter Verwendung des Photore
sistmusters als Ätzmaske geätzt, wodurch die Öffnung h ge
bildet wird. Die Öffnung h legt einen Isolierbereich fest
und legt einen Bereich des Siliciumfilms 26 frei. Daraufhin
wird das Photoresistmuster entfernt.
Fig. 6 zeigt einen Schritt zur Ausbildung eines Feldoxid
films 30. Durch Ausführen eines Wärmeoxidationsprozesses auf
der resultierenden Struktur, in der die Öffnung ausgebildet
ist, werden der Bereich des Siliciumfilms, der durch die
Öffnung freigelegt ist, und die Oberfläche des Halbleiter
substrats des Öffnungsbereichs selektiv oxidiert. Dadurch
wird der Oxidationsfilm 30 mit einer Dicke von etwa 4000 Å
ausgebildet.
Fig. 7 zeigt einen Schritt zur Vervollständigung eines Pro
zesses zum Ausbilden des Isolierbereichs durch Entfernen der
Oxidationsblockierschicht 28 und des Siliciumfilms 26.
In Übereinstimmung mit dem vorstehend beschriebenen erfin
dungsgemäßen Isolierverfahren tritt das Phänomen, bei dem
der Siliciumfilm verbleibt, wenn der Prozeß zum Ausbilden
des Isolierbereichs vervollständigt ist, nicht auf, da die
Erzeugung des oben liegenden Vogelschnabels d zwischen dein
Oxidationsblockierfilm und dem Siliciumfilm vollständig
unterdrückt wird (wie in Fig. 3 gezeigt). Die Isolations
eigenschaften können deshalb dadurch sichergestellt werden.
Die Ionenimplantation zur Ausbildung einer Kanalstopschicht,
die die elektrische Isolierung zwischen den Elementen er
höht, kann ausgeführt werden, nachdem die Öffnung von Fig. 5
ausgebildet worden ist, oder nachdem der Feldoxidfilm von
Fig. 6 gebildet ist.
Außerdem kann der Schritt zum Ausführen einer Hochtempera
turwärmebehandlung in der Stickstoffatmosphäre, wie anhand
von Fig. 4 beschrieben, durchgeführt werden, nachdem die
Öffnung von Fig. 5 ausgebildet worden ist.
Die Fig. 8 bis 14 zeigen Querschnittsansichten zur Erläute
rung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines
CMOS.
Nach dem Ausbilden eines Oxid-Trag- oder Oxid-Pad-Films 12
mit einer Dicke von etwa 200Å auf dem Halbleitersubstrat 10
eines ersten Leitfähigkeitstyps, z. B. eines P-Typs, durch
einen Wärmeoxidationsprozeß, wird ein Nitridfilm 14 mit
einer Dicke von etwa 2000Å auf dem Oxid-Pad-Film 12 durch
ein LPCVD-Verfahren ausgebildet, wie in Fig. 8 geneigt.
Wie in Fig. 9 gezeigt, wird nach dem Beschichten des Nitrid
films 14 mit einem Photoresist der Photoresist belichtet und
entwickelt, wodurch ein (nicht gezeigtes) Photoresistmuster
zur Bildung einer N-Quelle einer zweiten Leitfähigkeit aus
gebildet wird. Daraufhin wird der Nitridfilm 14 durch ein
RIE-Verfahren unter Verwendung des Photoresistmusters als
Ätzmaske geätzt, wodurch ein Nitridfilmmuster 14a gebildet
wird. Daraufhin werden Verunreinigungsionen vom N-Typ auf
der gesamten Oberfläche der resultierenden Struktur implan
tiert, in der das Nitridfilmmuster 14a ausgebildet ist.
Wie in Fig. 10 gezeigt, wird die Oberfläche des Halbleiter
substrats 10, die durch das Nitridfilmmuster 14a belichtet
wird, durch einen Wärmeoxidationsprozeß oxidiert, wodurch
eine Oxidschicht 20 ausgebildet wird. Daraufhin werden,
nachdem das Nitridfilmmuster 14a entfernt worden ist, Ver
unreinigungsionen vom P-Typ auf die gesamte Oberfläche des
Halbleitersubstrats 10 implantiert, in dem die Oxidschicht
20 ausgebildet ist.
Wie in Fig. 11 gezeigt, wird auf der gesamten Oberfläche des
Halbleitersubstrats 10 ein acht Stunden dauernder Wärmebe
handlungsprozeß durchgeführt, wodurch eine N-Quelle 18 und
eine P-Quelle (nicht gezeigt) ausgebildet werden. Daraufhin
wird nach dem Entfernen der Oxidschicht 20 ein erster Oxid
film 24 mit einer Dicke von etwa 240Å durch einen Wärmeoxi
dationsprozeß auf dem Halbleitersubstrat 10 ausgebildet, in
dem die N-Quelle und die P-Quelle ausgebildet sind. Darauf
hin werden ein Siliciumfilm 26 und ein Oxidationsblockier
film 28 auf dem ersten Oxidfilm 24 bis zu einer Dicke von
jeweils 1000Å und 1500Å durch ein LPCVD-Verfahren ausgebil
det.
Wie in Fig. 12 gezeigt, wird auf der resultierenden Struk
tur, in der der Oxidationsblockierfilm 28 ausgebildet ist,
ein Wärmebehandlungsprozeß für 8 Stunden bei einer Tempera
tur von 1150°C in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt.
Daraufhin wird nach Beschichten des Oxidationsblockierfilms
28 mit einem Photoresist der Photoresist belichtet und ent
wickelt, wodurch auf einem aktiven Bereich ein (nicht ge
zeigtes) Photoresistmuster ausgebildet wird. Daraufhin wird
der Oxidationsblockierfilm 28 durch ein RIE-Verfahren unter
Verwendung des Photoresistmusters als Ätzmaske geätzt, wo
durch eine Öffnung h ausgebildet wird.
Wie in Fig. 13 gezeigt, werden ein Bereich des durch die
Öffnung freigelegten Siliciumfilms 26 und die Oberfläche des
Halbleitersubstrats des Öffnungsbereichs durch einen Wärme
oxidationsprozeß selektiv oxidiert, wodurch ein Feldoxidfilm
30 ausgebildet wird.
Wie in Fig. 14 gezeigt, werden der Oxidationsblockierfilm 28
und der Siliciumfilm 26 entfernt, wodurch der Prozeß zur
Ausbildung eines Isolierbereichs in einem Doppelquellenpro
zeß vervollständigt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Grenzschicht zwi
schen dem Siliciumfilm und dem Oxidationsblockierfilm durch
einen Hochtemperaturbehandlungsprozeß stabilisiert, der
durchgeführt wird, nachdem der Oxidationsblockierfilm ausge
bildet ist. Außerdem wird gemäß dem vorstehend genannten
Hochtemperatur-Wärmebehandlungsprozeß die Korngröße des
Siliciumfilms erhöht, so daß das Phänomen einer Voraboxida
tion, das entlang der Korngrenze während des Feldoxidations
prozesses auftritt, unterdrückt wird. Dadurch wird die
Grenzfläche, wo der Siliciumfilm 26 oxidiert wird, klar
definiert.
Deshalb wird der oben gelegene Vogelschnabel zwischen dein
Oxidationsblockierfilm und dem Siliciumfilm, der beim her
kömmlichen SEPOX-Verfahren auftritt, vollständig unter
drückt, so daß die Größe des Isolierbereichs auf. Ein Sub-
Mikrometer-Niveau abgesenkt werden kann. Außerdem werden
stabile oder dauerhafte Isoliereigenschaften sichergestellt.
Dem Fachmann erschließen sich aus der vorstehenden Beschrei
bung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine
Vielzahl von Änderungen und Modifikationen, ohne daß vom
Kern und Umfang der Erfindung abgewichen wird.