HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft einen Isolator zum elektrischen
Isolieren von Halbleiter-Bauelementen, Komponenten einer
integrierten Halbleiterschaltung voneinander.
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Die Speicherkapazität höchstintegrierter Schaltkreise, wie
durch DRAMs (dynamische Direktzugriffsspeicher) SRAMs
(statische Direktzugriffspeicher) usw. repräsentiert, hat sich
in den letzten drei Jahren vervierfacht. DRAMs, wie sie
derzeitig hauptsächlich hergestellt werden, sind solche von
256 kb und 1 Mb. DRAMs von 4 Mb und 16 Mb, wie sie in der
nahen Zukunft hauptsächlich hergestellt werden sollen,
werden derzeit untersucht. Es kann leicht vorhergesagt werden,
daß DRAMs sich so entwickeln, daß sie Speicherkapazitäten
von 64 Mb und dann von 256 Mb aufweisen.
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Eine derartige Zunahme der Packungsdichte auf der begrenzten
Chipfläche wurde durch Verringern der Größe von Halbleiter-
Bauelementen erzielt, die eine Schaltung oder Schaltungen
aufbauen. Z.B. beträgt die Minimalgröße von für einen 1-Mb-
DRAM verwendeten MOS-Transistoren derzeit höchstens 1 µm,
und die Größe wird sicher kleiner als 0,5 µm und dann 0,25
µm werden. Zusätzlich zur verringerten Größe von Halbleiter-
Bauelementen betreffen Isolierbereiche, die zwischen den
Halbleiter-Bauelementen auf einem Chip liegen, ebenfalls die
Realisierung einer Zunahme der Packungsdichte. Genauer
gesagt, ist eine Verkleinerung der isolierenden Gebiete
unabdingbar, um einen Zuwachs der Packungsdichte zu erzielen,
und die Isolierungsbreite muß kleiner als 1 µm, bis sogar
höchstens 0,5 µm werden.
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Allgemein gesagt, bestehen die isolierenden Gebiete aus
Siliziumdioxid, das mittels eines selektiven
Oxidationsverfahrens auf die folgende Weise hergestellt wird. Unmaskierte
Gebiete eines ein Siliziumsubstrat bedeckenden
Siliziumnitridfilms werden abgeätzt und dann wird die freigelegte
Oberfläche des Siliziumsubstrats selektiv oxidiert, wodurch
das als Isolator dienende Siliziumoxid ausgebildet wird.
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Beim selektiven Oxidationsverfahren haben sich jedoch die
folgenden Schwierigkeiten gezeigt, wenn die Gebiete mit
Halbleiter-Bauelementen und die dazwischenliegenden
isolierenden Gebiete kleiner werden. Zunächst schreitet die
Oxidation des Siliziumsubstrats während des Prozesses der
selektiven Oxidation sogar in mit dem Siliziumnitridfilm bedeckte
Gebiete fort, und im Ergebnis breitet sich ein als
Vogelschnabel bezeichneter Siliziumdioxidfilm aus. Daher besteht
eine Grenze hinsichtlich einer Verringerung der isolierenden
Gebiete. Zweitens ist eine lange Zeit für den
Oxidationsprozeß erforderlich. Daher leidet das Siliziumsubstrat unter
Spannungen und wird fehlerhaft. Im Ergebnis verschlechtern
sich die Eigenschaften der auf dem Substrat hergestellten
Halbleiter-Bauelemente.
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Als Alternativverfahren zum selektiven Oxidationsverfahren
mit den vorstehend genannten Schwierigkeiten wurde ein
Grabenauffüll-Isolationsverfahren vorgeschlagen. Dieses neue
Verfahren besteht darin, daß rechteckige Gräben in einem
Siliziumsubstrat ausgebildet werden und die Gräben mit einer
Siliziumoxidschicht oder anderen Schichten aufgefüllt
werden. Gemäß diesem Verfahren sind nur die Grabengebiete
isolierende Gebiete, die als Isolatoren dienen. Daher ist eine
Verkleinerung der isolierenden Gebiete möglich. Außerdem ist
eine Verschlechterung der Substrateigenschaften verhindert,
da dieses Verfahren -keinen sich über lange Zeit
erstreckenden Wärmeprozeß aufweist.
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Das Grabenauffüllverfahren ist ein Isolierverfahren, das für
die Herstellung integrierter Halbleiterschaltungen mit
hoher Packungsdichte geeignet ist. Jedoch weist dieses
Verfahren die folgenden Schwierigkeiten auf.
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Fig. 9 ist eine schematische Schnittansicht, die ein durch
das vorstehend beschriebene herkömmliche
Grabenauffüllverfahren ausgebildetes isolierendes Gebiet zeigt. In Fig. 9
bezeichnet die Bezugszahl 20 ein Siliziumsubstrat, in dem
ein Graben 21 durch ein reaktives Ionenätz(RIE)-Verfahren
ausgebildet ist. Die Bezugszahl 22 bezeichnet eine
Siliziumdioxidschicht, die den Graben 21 auffüllt. Die
Siliziumoxidschicht 22 wird zunächst durch ein CVD(chemische
Dampfniederschlagung)-Verfahren aufgewachsen und dann so bearbeitet,
daß der in Fig. 9 dargestellte Zustand erlangt wird.
Nachteiligerweise entsteht in der Oberfläche der
Siliziumdioxidschicht im Graben 21 aus dem folgenden Grund eine sehr
kleine Senke 23. Die Siliziumdioxidschicht 22 zum Auffüllen des
Grabens 21 wächst nicht nur am Boden des Grabens 21, sondern
mit beinahe derselben Geschwindigkeit auch an dessen Seiten.
Demgemäß stoßen in einem engen Graben mit der Breite "a" und
der Tiefe "b", die die Beziehung
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b > a/2
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einhalten, die Siliziumdioxidschichten 22, die von den
entgegengesetzten Seiten des Grabens 21 ausgehend wachsen, in
der Mitte des Grabens 21 aneinander und es entsteht ein
Übergang 24 mit der Tiefe (b-a/2). Die Vereinigung der
Siliziumoxidschichten 22 am Übergang 24 ist so schwach, daß das
Siliziumdioxid während eines Spülprozesses unter Verwendung
verdünnter Fluorwasserstoffsäure, wobei es sich um einen
unabdingbaren Prozeß beim
Siliziumhalbleiter-Herstellungsprozeß handelt, leicht geätzt wird, wodurch die kleine Senke
entsteht.
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Im allgemeinen folgen die Herstellung eines Gateisolierfilms
und eine Metallisierung für eine Gateelektrodenverdrahtung
für einen MOS-Transistor der Herstellung der isolierenden
Gebiete. Wenn dabei in den isolierenden Gebieten kleine
Senken existieren, erfolgt ein Durchtrennen der Verdrahtung.
Außerdem treten Kurzschlüsse auf, wenn Verdrahtungsmaterial
in der kleinen Senke zurückbleibt.
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IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 23, No. 11, April
1981, Seiten 4.917 bis 4.919 offenbart einen durch das
Grabenauffüllverfahren hergestellten Isolator. Die kleinen
Senken werden dadurch beseitigt, daß in der Mitte der Gräben
kleine Schlitze ausgebildet werden. Danach wird eine
Siliziumnitridschicht abgeschieden. Wenn die Schlitze zu breit
sind, als daß sie durch das Siliziumnitrid wieder aufgefüllt
werden könnten, kann die Wiederauffüllung dadurch
abgeschlossen werden, daß Polysilizium abgeschieden wird,
gefolgt von einer Oxidation.
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Jedoch kann der Siliziumnitridfilm im isolierenden Gebiet
die Entstehung eines Vogelschnabels bei den
Oxidationsschritten des Bauelement-Herstellprozesses nach der
Fertigstellung des isolierenden Gebiets aus den folgenden Gründen
nicht verhindern.
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Um ein Halbleiter-Bauelement in einem aktiven Bereich her
zustellen, muß das Silizium aktiven Bereich freigelegt werden.
Daher wird der Siliziumnitridfilm auf der Substratoberfläche
im aktiven Bereich entfernt. Im Ergebnis verbleibt der
Siliziumnitridfilm nur innerhalb der Schlitze, und das
CVD-Siliziumoxid wird freigelegt. Im allgemeinen folgen beim
Herstellprozeß von Halbleiter-Bauelementen dem Herstellprozeß
für das isolierende Gebiet viele andere Oxidationsschritte.
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Während derartigen Oxidationsschritten diffundiert
Sauerstoff in das Siliziumoxid, und es werden sogar die
bauelementseitigen Seitenwände der Gräben oxidiert, was zu einer
Querausweitung des isolierenden Gebiets führt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher eine Hauptaufgabe der Erfindung, einen Isolator
zum Isolieren von Halbleiter-Bauelementen in einer
integrierten Schaltung zu schaffen, der sich für die Anwendung
bei VLSI-Schaltungen eignet, wobei die dem herkömmlichen
Grabenauffüllverfahren innewohnenden Schwierigkeiten
überwunden sind.
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Die vorstehende Aufgabe ist durch ein Bauelement mit den
Merkmalen des beigefügten Anspruchs gelöst.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird aus der folgenden detaillierten
Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, die nur zur
Veranschaulichung vorliegen und demgemäß für die Erfindung nicht
beschränkend sind, vollständiger zu verstehen sein.
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Fig. 1 bis 8 veranschaulichen einen Herstellprozeß eines
Isolators als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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Fig. 9 ist eine erläuternde Darstellung zum Veranschaulichen
von Problemen, wie sie dem bekannten
Grabenauffüllungs-Isolierverfahren innewohnen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEI-
SPIELS
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Es wird nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß den
Fig. 1 bis 8 beschrieben, in denen ein Herstellprozeßablauf
für einen Isolator gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel schematisch veranschaulicht ist. Bei diesem
Ausführungsbeispiel wird Elektronenstrahl-Lithographie verwendet.
Selbstverständlich können für die Lithographie andere
Technologien verwendet werden.
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In Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 2 ein Resistmuster, das
durch Elektronenstrahl-Lithographie hergestellt wurde. Ein
p-Siliziumsubstrat 1 wird durch ein RIE-Verfahren in
vertikaler Richtung bearbeitet, wobei das Resistmuster 2 als
Maske verwendet wird, so daß ein Graben 3 in das Substrat 1
eingeätzt wird. Anschließend werden unter Verwendung des
Resistmusters 2 als Maske Borionen durch eine
Ionenimplantationstechnologie schräg in den Graben 3 gestrahlt. Auf diese
Weise werden p&spplus;-Bereiche 4 am Boden und den Seiten des
Grabens 3 ausgebildet. Dieser Graben 3, der bei diesem
Ausführungsbeispiel eine Breite von 0,4 µm und eine Tiefe von 0,6
µm aufweist, begrenzt den Isolator.
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Danach wird, nach dem Entfernen des Resists, die Oberfläche
des Substrats thermisch oxidiert, so daß eine
Siliziumdioxidschicht 5 mit 10-50 nm an den Wänden des Grabens 3
aufwächst. Anschließend wird Siliziumnitrid durch ein
CVD-Verfahren bei verringertem Druck abgeschieden, um eine
Siliziumnitridschicht 6 in der Größenordnung von 30-50 nm
herzustellen. Dann wird eine weitere Siliziumdioxidschicht 7 in
der Größenordnung von 0,6-1,0 µm durch ein CVD-Verfahren
auf der Siliziumnitridschicht 6 abgeschieden. Zum Auffüllen
des Grabens 3 reicht eine dünnere Siliziumdioxidschicht aus,
wobei ein breiter Graben eine Siliziumdioxidschicht mit
einer Dicke erfordert, die größer als die Tiefe des Grabens
ist, die die minimale Dicke darstellt. Um eine glattere
Oberfläche zu erhalten, ist es bevorzugt, die
Siliziumdioxidschicht 7 so dick wie möglich herzustellen.
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Danach wird ein Resist (nicht dargestellt) durch ein
Schleuderverfahren so auf die Siliziumdioxidschicht 7 aufgebracht,
daß eine gleichmäßige Oberfläche erhalten wird. Danach
werden der Resist und die Siliziumdioxidschicht 7 durch eine
RIE-Technik mit derselben Geschwindigkeit geätzt, bis die
Siliziumnitridschicht 6 freiliegt. Demgemäß ist die in Fig.
3 dargestellte Konfiguration erhalten. Danach wird der
verbliebene dünne Siliziumdioxidfilm auf der
Siliziumnitridschicht 6 in einer verdünnten Fluorwasserstoffsäure-Lösung
entfernt. Dabei entsteht an der Oberfläche der
Siliziumdioxidschicht 7 in der Mitte des Grabens 3 eine kleine Senke 8,
wie in Fig. 4 dargestellt. Diese Senke 8 wird mit einer
polykristallinen Siliziumschicht 9 aufgefüllt, die unter
Verwendung eines CVD-Prozesses mit verringertem Druck in der
Größenordnung von 1.000-3.000 Å (10 Å = 1 nm)
abgeschieden wird, wie in Fig. 5 dargestellt. Anschließend wird ein
Ätzvorgang ausgeführt, um die polykristalline
Siliziumschicht 9 zu entfernen, bis die Siliziumnitridschicht 6
freiliegt, wie in Fig. 6 dargestellt. Im Ergebnis verbleibt
das polykristalline Silizium 9 als Füllung in der engen
Senke 8. Dann wird das polykristalline Silizium 9 an seiner
Oberfläche thermisch oxidiert, damit eine
Siliziumdioxidschicht 10 in der Größenordnung von 1.000-3.000 Å erhalten
wird, wie in den Fig. 7a und 7b dargestellt. Dabei wird
keine Quererstreckung des isolierenden Gebiets beobachtet, wie
sie bei einem selektiven Oxidationsprozeß beobachtet würde,
da die Oberfläche des Siliziumsubstrats 1 und die Wände des
Grabens 3 mit der Siliziumnitridschicht 6 bedeckt sind.
Einige Oxidationsbedingungen bewirken, daß das polykristalline
Silizium 9 am Boden der kleinen Senke 8 zurückbleibt. Da
jedoch das verbleibende polykristalline Silizium 9 durch die
dicke Siliziumdioxidschicht 7 eingeschlossen ist, führt es
zu keinem Kurzschluß oder arbeitet als potentialungebundenes
Gate, wodurch die Eigenschaften peripherer Bauelemente nie
beeinflußt werden.
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Schließlich werden die Beseitigung der Siliziumnitridschicht
6 vom Siliziumsubstrat 1 unter Verwendung der RIE-Technik
und dann die Beseitigung der Siliziumdioxidschicht 5 in
verdünnter Fluorwasserstoffsäure-Lösung ausgeführt, wie in den
Fig. 8a und 8b dargestellt. Auf diese Weise wird die
Herstellung des Isolators abgeschlossen.
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Anschließend werden in das Siliziumsubstrat 1 Bauelemente
wie MOS-Transistoren eingebaut und die Herstellung einer
integrierten Schaltung oder integrierter Schaltungen mit den
durch die Isolatoren mit dem oben angegebenen Aufbau
isolierten eingebauten Bauelemente wird abgeschlossen.
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Tatsächlich wurden MOS-Transistoren (nicht dargestellt) mit
einer Kanallänge von 0,5 µm hergestellt, die durch
Isolatoren mit der geringen Breite von 0,4 µm, die gemäß den obigen
Prozessen hergestellt wurden, isoliert waren. Es erfolgten
Messungen an den Transistoren. Das Meßergebnis zeigte, daß
die Transistoren bessere Eigenschaften hatten, d. h., daß
z. B. die Leckströme im Vergleich mit denen bei Transistoren
mit denselben Abmessungen, die jedoch über durch das
selektive Oxidationsverfahren hergestellte isolierende Gebiete
isoliert waren, kleiner waren. Außerdem war hinsichtlich
eines Lecks zwischen Bauelementen, wie durch den parasitären
MOS-Transistor-Effekt hervorgerufen, die Schwellenspannung
für Lecks ausreichend hoch, konkurrierend mit dem Fall bei
Transistoren, die über durch das selektive
Oxidationsverfahren hergestellte isolierende Gebiete isoliert sind.
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Zusätzlich zu den obigen Vorteilen hatten die Isolatoren
beim vorliegenden Ausführungsbeispiel, bei denen eine in der
Mitte des Grabens 5 auf der Siliziumoxidschicht 7
ausgebildete kleine Senke 8 mit Silizium 9 aufgefüllt war, das
seinerseits zum Herstellen der Siliziumdioxidschicht 10
thermisch oxidiert war, die folgenden guten Wirkungen.
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Erstens wurden keine weiteren kleinen Senken mittels
Behandlungen durch verdünnte Fluorwasserstoffsäure nach der
Fertigstellung der Isolatoren erzeugt. Im Ergebnis waren
Unterbrechungen der Verdrahtung über den Isolatoren und
Kurzschlüsse verhindert, wodurch die Ausbeute und die
Zuverlässigkeit der integrierten Halbleiterschaltungen stark
verbessert war.
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Zweitens wurde, da die über dem Graben 3 ausgebildete
Siliziumdioxidschicht 10 durch thermische Oxidation des
Siliziums 9 in der Senke erhalten wurde, diese
Siliziumdioxidschicht 10 nur sehr wenig reduziert und mit vergleichweise
glatter Oberfläche selbst dann aufrechterhalten, wenn der
Wafer den Herstellungsprozeß einer integrierten
Halbleiterschaltung durchlief. Dies, da das thermisch oxidierte
Silizium größere Beständigkeit gegen eine Fluorwasserstoffsäure-
Lösung als durch das CVD-Verfahren abgeschiedenes
Siliziumdioxid aufweist. Die Beibehaltung einer glatten Oberfläche
des Isolators verhinderte eine Unterbrechung der Verdrahtung
und ermöglichte einen schnellen Bauelemente-Herstellprozeß
und verbesserte Produktivität.
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Nachdem die Erfindung auf diese Weise beschrieben wurde, ist
es ersichtlich, daß sie auf viele Arten variiert werden
kann. Derartige Variationen sollen nicht als Abweichung vom
Grundgedanken und Schutzbereich der Erfindung angesehen
werden, und alle derartige Modifizierungen, die dem Fachmann
ersichtlich sind, sollen im Schutzbereich des folgenden
Anspruchs enthalten sein.