DE69632768T2 - Anwendung von dünnen kristallinen Si3N4-Strukturen in Flachgräbenisolationsstrukturen - Google Patents

Anwendung von dünnen kristallinen Si3N4-Strukturen in Flachgräbenisolationsstrukturen Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft allgemein die Herstellung integrierter Submikron-Schaltkreise und insbesondere das Aufbringen dünner Filme aus Siliziumnitrid (Si3N4) in STI-Strukturen (shallow trench), wie beispielsweise O2-Sperrschichten.
  • Beschreibung des technischen Hintergrunds
  • Einer der wichtigsten Parameter, welche die Funktionsfähigkeit und Ausbeute integrierter Schaltkreise aus Silizium beeinflussen, ist das Ausmaß an Spannung, die sich bei der Verarbeitung der Vorrichtung im Siliziumsubstrat entwickelt. Spannungen, welche die mechanische Umformfestigkeit von Silizium (Si) übersteigen, führen zu Si-Kristalldefekten (z. B. Verschiebungen und Stapelfehler), welche die Leistung und Ausbeute der Vorrichtungen beeinträchtigen. Eine vorherrschende Quelle für Spannung tritt während des Verfahrens zur Isolation elektrischer Vorrichtungen auf. Shallow trench isolation (STI) wird für bei 0,5 μm oder darunter gestaltete Features verwendet. Dieses Verfahren umfasst:
    • – Ätzen eines "flachen" Grabens (d. h. 0,5 μm oder kleiner),
    • – Aufwachsen eines dünnen Oxids unmittelbar nach dem Ätzen,
    • – Füllen des Grabens mit einem Dielektrikum (d. h. abgeschiedenem Oxid)
    • – "Verdichten" des Dielektrikums durch Oxidation des Dielektrikums oder unter Verwendung von Hochtemperaturtempern in inerter Umgebung und
    • – Ebnen des Dielektrikums.
  • Weil die Abmessungsgrößen der Vorrichtungen weiter schrumpfen und Spannung sich umgekehrt proportional zur Fläche verhält, ist es sehr wichtig, dass die Spannung während des Isolationsverfahrens so weit wie möglich verringert wird.
  • Ein Dynamic-Random-Access-Memory-Chip (DRAM) mit 256 Megabyte (MB) verwendet ein Array von "tiefen" Gräben (als Kondensatoren) und STI zur Isolation der verschiedenen Transistoren im Kondensator-Array. Man hat festgestellt, dass zur Beseitigung von Si-Kristallfehlern im Graben-Kondensator-Array die im Substrat aufwachsende Menge Oxid beschränkt werden muss. Das zurzeit zum "Blocken" von Sauerstoff (O2) im Si-Substrat eingesetzte Verfahren besteht aus der Verwendung eines dünnen Films (< 5 nm) aus Siliziumnitrid (Si3N4), der mittels chemischer Niederdruck-Dampfabscheidung (LPCVD) unmittelbar nach dem Aufwachsen eines dünnen Oxids in der STI abgeschieden wird. Die Dicke des Si3N4-Films wird als 5 nm oder weniger angegeben. Der Grund für diese Dickenbeschränkung ist der Befund, dass dieser Film in heißen Phosphorsäurebädern (z. B. zur Entfernung von Pad-Si3N4) sowie in Fluorwasserstoffsäurebädern (zur Entfernung thermisch aufgewachsener Oxide) beständig ist. Man hat für dickere LPCVD-Si3N4-Filme, die als Si3N4-Auskleidungen in STI-Gräben verwendet werden, gezeigt, dass sie in hießen Phosphorsäuren leicht geätzt werden.
  • Ein Problem in Verbindung mit der dünnen Si3N4-Auskleidung ist ihre Neigung zum Einfangen von elektrischer Ladung. Man hat beobachtet, dass das Ladungseinfangverhalten (Grenzschicht und Masse) der Si3N4-Auskleidung den STI-Bindungskriechverlust (N-Well zu N-Well) in den Sense-Verstärkern (d. h. der "Hilfsschaltung") der DRAMs verstärkt und somit zu hohen Standby-Strömen führt. Neuere Daten zeigen deutlich, dass die Si3N4-Auskleidung die Schwellenspannungen (Vt) senkt und den Verbindungskriechverlust um mehrere Größenordnungen verstärkt.
  • Zur Bestimmung der Menge Ladung, die von der Si3N4-Auskleidung eingefangen wird, wurden experimentelle Blanket-Wafer-Chargen verarbeitet, umfassend (1) thermisch aufgewachsenes Oxid (SiO2 – 10 nm), LPCVD-Si3N4 (4 nm) und (3) 10 nm SiO2/4 nm LPCVD-Si3N4. Einfache Metall-Isolator-Halbleiter-Sturkturen (MIS) wurden mittels Abscheiden von Aluminium durch eine Punktmaske auf Isolierfilme) hergestellt. C-V-Messungen (Nieder- und Hochfrequenz) wurden durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass (1) der dünne Si3N4-Film allein um etwa zwei Größenordnungen mehr ladungseinfangende Zustände enthält als das Oxid (d. h. 1012 gegenüber 1010) und (2) die Kombination von Oxid und Si3N4 die Dichte ladungseinfangender Zustände nur geringfügig senkt (z. B. ~5 × 1011 gegenüber 1010). Es wäre am besten, wenn man einem dünnen Si3N4-Film entwickeln oder abscheiden würde, der keine Ladung fängt und trotzdem gegenüber heißer Phosphorsäure und Fluorwasserstoffsäure beständig ist.
  • US 5472904 offenbart ein Verfahren zum Isolieren aktiver Bereiche von Halbleitervorrichtungen, wobei eine Oxidschicht durch Oxidieren des freigelegten Substrats nach selektivem Ätzen einer dünnen Nitridschicht hergestellt wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Daher ist eine Aufgabe der Erfindung die Bereitstellung eines dünnen Si3N4-Films mit einer kleineren Dichte an Einfangzentren als wie-abgeschiedenes LPCVD-Si3N4, der als O2-Sperrfilm äußerst wirksam und trotzdem gegenüber heißer Phosphorsäure und Fluorwasserstoffsäure beständig ist.
  • Erfindungsgemäß werden dünne Filme aus kristallinem Si3N4 in STI-Strukturen als O2-Sperrfilme aufgebracht. Das kristalline Si3N4 enthält eine kleinere Dichte an Einfangzentren, ist beständiger gegenüber Ätzen mit heißer Phosphorsäure und Fluorwasserstoffsäure als wie-abgeschiedenes LPCVD-Si3N4 und als O2-Sperrfilm äußerst wirksam. Die Tatsache, dass kristallines Si3N4 eine kleinere Dichte an Einfangzentren enthält, verringert und verhindert in einigen Fällen völlig den parasitischen Transistor, der durch den bei der gegenwärtigen STI-Technologie verwendeten LPCVD-Si3N4-Film hervorgerufen wird. Im Gegensatz zu den bei der gegenwärtigen Technologie angegebenen Dickenbeschränkungen erlaubt die Erfindung zudem, dass ein größerer Dickenbereich von kristallinem Si3N4 (z. B. 5 nm bis 10 nm) als O2-Sperrfilme in STI-Gräben verwendet wird. Dies eröffnet ein größeres Verarbeitungsfenster für die Kontrollierbarkeit der Dicke bei der Herstellung.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die obigen und weitere Aufgaben, Aspekte und Vorteile werden aus der folgenden eingehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnungen besser verstanden. Es zeigt/zeigen:
  • 1A, 1B und 1C das Verfahren zur Herstellung dünner Filme aus kristallinem Si3N4 in STI-Strukturen und
  • 2A und 2B eine Hellfeld-Transmissionselektronenmikroskop-Aufnahme (TEM) von kristallinem Si3N4 bzw. ein Elektronenbeugungsmuster der TEM.
  • Eingehende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
  • Siehe die Zeichnungen und insbesondere die 1A, 1B und 1C: Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Filmen aus kristallisiertem Si3N4 in STI-Gräben ist dargestellt. Siehe 1: Nach Ätzen eines flachen Grabens lässt man ein dünnes thermisches Oxid (üblicherweise 10 nm dick) aufwachsen, so dass Ätzschäden entfernt werden. Siehe 1B: Danach wird ein dünner Si3N4-Film (5 bis 10 nm) oben auf der thermisch aufgewachsenen Oxidschicht in dem STI-Graben abgeschieden. Siehe 1C: Dieser Si3N4-Film (LPCVD-Si3N4) wird dann üblicherweise bei Temperaturen von 720°C bis 780°C und als solcher gewöhnlich in amorphem Zustand abgeschieden. Unmittelbar nach der Abscheidung wird ein thermisches Hochtemperatur-Schnelltempern in reinem Stickstoff (RTN) oder Ammoniak (NH4) durchgeführt. Die Kristallisation von LPCVD-Si3N4 beginnt bei 1050°C und für Temperzeiträume in der Größenordnung von 60 Sekunden. Tempera turen über 1050°C und/oder Temperzeiten über 60 Sekunden bewirken weitere Kristallisation und weiteres Kornwachstum des LPCVD-Si3N4-Films. Zudem können dickere LPCVD-Si3N4-Filme (bis zu 10 nm) bei Temperaturen unter 1100°C kristallisiert werden. Dies kann im Hinblick auf die Beschränkung der Durchbiegung von Wafern und die Bildung von Sprunglinien an den Waferrändern beim RTN-Verfahren von entscheidender Bedeutung sein.
  • Die übliche Morphologie von kristallinem Si3N4 ist in den 2A und 2B gezeigt. Diese Figuren zeigen eine Hellfeld-Transmissionselektronenmikroskop-Aufnahme (TEM) und das entsprechende Elektronenbeugungsmuster für ein Isolatorpaar aus 10 nm SiO2/4 nm Si3N4, das bei 1100°C getempert wurde. Bei 1100°C stellt sich der Si3N4-Film als größtenteils kristallin heraus. Bei 1050°C liegt der größere Teil des Films amorph vor; es werden jedoch kleine Kristallite von Si3N4 beobachtet. Elektronenbeugungsanalyse von Proben, die bei 1050°C und 1100°C getempert wurden, zeigt, dass der kristalline Si3N4-Film die hexagonale (α)-Si3N4-Niedertemperaturphase ist.
  • Kristallisierte Filme aus LPCVD-Si3N4 haben verglichen mit wie-abgeschiedenen LPCVD-Si3N4-Filmen viel kleinere Störstellendichten. Ergebnisse von L-V-Messungen von Isolatorpaaren aus 10 nm SiO2/4 nm Si3N4, die mittels RTN-Tempern bei hoher Temperatur (1050°C bis 1150°C) kristallisiert wurden zeigen, dass die Störstellendichte mindestens um eine Größenordnung abgenommen hat. Zudem zeigen die kristallisierten LPCVD-Si3N4-Filme eine bessere Ätzbeständigkeit gegenüber heißer Phosphorsäure und Fluorwasserstoffsäure. Untersuchungen der Ätzrate zeigen, dass kristallisierte LPCVD-Si3N4-Filme eine um mindestens 45% kleinere Ätzrate in heißer Phosphorsäure aufweisen als wie-abgeschiedenes Si3N4 und eine um bis zu 30% kleinere Ätzrate in reiner Fluorwasserstoffsäure.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Herstellung eines dünnen Films aus einer Schicht kristallinen Siliziumnitrids (Si3N4) in einer STI-Struktur (shallow trench isolation) eines integrierten Schaltkreises, umfassend die Schritte: Abscheiden durch chemische Niederdruck-Dampfabscheidung (LPCVD) einer 5 bis 10 nm dicken Si3N4-Schicht in einer STI-Struktur bei einer Temperatur zwischen 720°C und 780°C und unmittelbar nach dem Abscheiden des Si3N4-Films Durchführen eines thermischen Schnelltemperns für etwa 60 Sekunden zwischen 1050°C und 1150°C, wobei die Si3N4-Schicht aus dem amorphen in den kristallinen Zustand umgewandelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die STI-Struktur hergestellt ist mit den Schritten: Ätzen eines flachen Grabens von 0,5 μm oder weniger in ein Siliziumsubstrat und Aufwachsen eines dünnen thermischen Oxids in dem geätzten Graben bis auf eine Dicke von etwa 10 nm, wobei Ätzschäden behoben werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Tempertemperatur 1100°C oder weniger beträgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das thermische Schnelltempern in reinem Stickstoff erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das thermische Schnelltempern in Ammoniak erfolgt.
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