DE69836943T2 - Planarisierung von einer nicht-konformen Vorrichtungsschicht in Halbleiterherstellung - Google Patents

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Description

  • Das Gebiet der vorliegenden Erfindung betrifft die Halbleiterproduktion und insbesondere das Erreichen einer planaren Oberfläche mittels Abscheidung einer nicht-konformen Schicht.
  • Bei der Bauelementproduktion werden eine Isolations-, eine Halbleiter- und eine Leiterschicht auf einem Substrat ausgebildet. Die Schichten werden strukturiert, so dass Strukturelemente und Zwischenräume entstehen. Die Mindestabmessung oder Strukturelementgröße (F) der Strukturelemente und Zwischenräume richtet sich nach dem Auflösungsvermögen der lithografischen Systeme. Die Strukturelemente und Zwischenräume werden so strukturiert, dass Bauelemente entstehen, wie zum Beispiel Transistoren, Kondensatoren und Widerstände. Diese Bauelemente werden dann miteinander verbunden, um eine gewünschte elektrische Funktion zu erreichen, wodurch ein integrierter Schaltkreis (Integrated Circuit – IC) entsteht.
  • Bei hochentwickelten IC-Designs haben verschiedene Bauelemente verschiedene Anforderungen, um Bauelementstrukturen von verschiedenen Größen herzustellen. Infolge dessen hat die Bauelementschicht Strukturelemente und Zwischenräume von variierenden Größen, wodurch eine komplexe Topografie entsteht. Ein dielektrisches Material, wie zum Beispiel Oxid, wird zum Ausfüllen der Räume zwischen den Strukturelementen verwendet. Solches Material wird in der Regel mittels verschiedener bekannter chemischer Dampfabscheidungsverfahren abgeschieden. Das abgeschiedene Oxidmaterial bildet eine konforme Schicht über der darunterliegenden Bauelementschicht. Somit umfasst das abgeschiedene Oxidmaterial eine Topografie, die die Topografie der darunterliegenden Schicht widerspiegelt, wodurch die nicht-planare Oberfläche reproduziert wird. Die nicht-planare Oberfläche wird dann zum Beispiel mittels chemisch-mechanischem Polieren planarisiert, so dass eine planare Oberfläche entsteht. Eine planare Oberfläche ist erwünscht, weil sie die Ausbildung weitere Bauelementschichten gestattet, um darüber weitere Bauelementstrukturen auszubilden, wodurch die Bauelementdichte erhöht wird.
  • In dem Maße, wie in hochentwickelten IC-Designs die Größe von Strukturelementen abnimmt, werden die Räume zwischen den Strukturelementen kleiner, was zu Strukturelementen mit einem hohen Seitenverhältnis führt. Kleine Strukturelemente mit hohem Seitenverhältnis machen es schwer, die Zwischenräume mit herkömmlichen CVD-Techniken auszufüllen. Um das Lückenfüllen kleinerer Zwischenräume zu erleichtern, ist die chemische Hochdruck-Dampfabscheidung im Plasma (HDP-CVD) von Oxid verwendet worden.
  • HDP-CVD-Oxid erzeugt eine nicht-konforme Schicht. Die nicht-konforme Schicht hat eine nicht-planare Oberfläche, die nicht die Topografie der darunterliegenden Schicht widerspiegelt. Die Dicke der Nichtkonformität ist größer über breiten Bauelementstrukturen und dünner über den schmaleren Bauelementstrukturen. Eine solche Topografie bereitet herkömmlichen Planarisierungsregimes Probleme bei der Herstellung einer planaren Oberfläche. Insbesondere kommt es zu einer übermäßigen Erosion der schmaleren Bauelementstrukturen, weil es eine größere Menge von abgeschiedenem Material über den breiteren Bauelementstrukturen gibt als über den schmaleren Bauelementstrukturen. Diese übermäßige Erosion beeinträchtigt den Betrieb oder die Funktion der schmaleren Bauelemente, wodurch der Produktionsertrag sinkt, EP-A-0 341 898 lehrt ein Verfahren zum Planarisieren einer nicht-konformen Schicht, die über und zwischen schmalen Strukturelementen, die durch schmale Zwischenräume voneinander getrennt sind, und über und zwischen breiten Strukturelementen, die durch breite Zwischenräume getrennt sind, abgeschieden ist, wobei entweder (a) die nicht-konforme Schicht eine geringere Dicke über den breiteren Strukturelementen hat als über den schmaleren Strukturelementen oder (b) die nicht-konforme Schicht über den breiteren Strukturelementen und über den schmaleren Strukturelementen die gleiche Dicke hat.
  • Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Planarisieren einer nicht-konformen Schicht nach Anspruch 1 bereitgestellt.
  • Die Erfindung betrifft die Produktion integrierter Schaltkreise. Insbesondere stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer planaren Oberfläche über einer nicht-konformen Schicht bereit, insbesondere einer Schicht, die über einer komplexen Topografie abgeschieden wurde, die schmale Strukturelemente mit schmalen Lücken und breite Strukturelemente und breiten Lücken umfasst. Das Verfahren beinhaltet das Abscheiden einer nicht-konformen Bauelementschicht über der Oberfläche des Substrats zum Ausfüllen der schmalen und breiten Zwischenräume, wobei die nicht-konforme Bauelementschicht eine Dicke über den breiten Strukturelementen hat, die größer ist als die Dicke über den schmalen Strukturelementen. Eine konforme Schicht wird über der nicht-konformen Schicht abgeschieden, wobei die Topografie der darunterliegenden nicht-konformen Schicht in der Oberfläche der konformen Schicht widergespiegelt wird. Die Oberfläche des Substrats wird dann planarisiert, wobei die nicht-konforme Schicht als eine Stoppschicht dient. Die Planarisierung erzeugt eine planare Oberfläche zwischen der konformen Schicht und der nicht-konformen Schicht, wobei die nicht-konforme Schicht über den breiten Strukturelementen freigelegt wird. Die Oberfläche wird selektiv zu der konformen Schicht so geätzt, dass im Wesentlichen die nicht-konforme Schicht über den breiten Strukturelementen abgetragen wird, mit Ausnahme kleiner Abschnitte an den Rändern der breiten Strukturelemente, die durch die konforme Schicht geschützt sind. Die konforme Schicht wird dann mittels einer Ätzung abgetragen, wobei nach dem Ätzen die nicht-konforme Schicht über der Oberfläche der schmalen Strukturelemente und kleine Abschnitte am Rand der breiten Strukturelemente zurückbleiben. Eine Polierung wie zum Beispiel CMP erzeugt eine planare Oberfläche mit der Oberfläche der breiten und schmalen Strukturelemente. Die Polierung erzeugt eine im Wesentlichen planare Oberfläche mit verringerter Grübchenbildung in den breiten Zwischenräumen, weil die nicht-konforme Schicht über den breiten Strukturelementen im Wesentlichen abgetragen wurde.
  • Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung, und um zu zeigen, wie die vorliegende Erfindung in die Praxis umgesetzt werden kann, wird nun – lediglich beispielhaft – auf die begleitenden Zeichnungen eingegangen, in denen Folgendes zu sehen ist:
  • 1a-1g zeigen eine veranschaulichende Ausführungsform der Erfindung zum Herstellen einer planaren Oberfläche auf einer nicht-konformen Schicht.
  • Die vorliegende Erfindung schafft eine planare Oberfläche nach dem Ausbilden einer nicht-konformen Schicht ohne übermäßige Erosion einiger Bauelementstrukturen. Um das Verstehen der Erfindung zu erleichtern, wird sie im Kontext des Ausbildens einer Flachgrabenisolierung (Shallow Trench Isolation – STI) zum Isolieren von Bauelementen eines IC beschrieben. Jedoch ist die Erfindung bedeutend weiter gefasst und findet Anwendung beim Verringern übermäßiger Erosion eines beliebigen Abschnitts des Polierprozesses.
  • 1a-1g zeigen einen Prozess zum Herstellen einer planaren Oberfläche gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Wenden wir uns 1a zu, wo ein Querschnitt durch einen Abschnitt eines IC gezeigt ist. Zu solchen ICs gehören Direktzugriffsspeicher (Random Access Memory – RAM), dynamische Direktzugriffsspeicher (Dynamic Random Access Memory – DRAM), synchrone DRAM (Synchronous DRAM – SDRAM) und Nur-Lese-Speicher (Read Only Memory – ROM). Zu weiteren ICs, die hergestellt werden, gehörten anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (Application Specific Integrated Circuits – ASIC) oder beliebige Logikschaltkreise. In der Regel werden mehrere ICs parallel auf dem Wafer hergestellt. Nachdem die Bearbeitung beendet ist, wird der Wafer zertrennt, um die ICs in einzelne Chips aufzutrennen. Die Chips werden dann verkapselt, so dass ein Endprodukt entsteht, das zum Beispiel in Konsumgütern wie zum Beispiel Computersystemen, Zelltelefonen, Persönlichen Digitalen Assistenten (PDAs) und anderen elektronischen Produkten verwendet wird. Jedoch wird die Erfindung zum Erleichtern des Verständnisses im Kontext der Herstellung eines IC beschrieben. Des Weiteren kann sich der IC auf einer beliebigen Verarbeitungsstufe befinden.
  • Für die Herstellung des IC wird ein Substrat 101 bereitgestellt. Das Substrat umfasst zum Beispiel einen Silizium-Wafer. Andere Halbleitersubstrate wie zum Beispiel Galliumarsenid, Germanium, Silizium auf Isolator (Silicon an Insulator – SOI) oder weitere Halbleitermaterialien sind ebenfalls brauchbar. Das Substrat kann zum Beispiel geringfügig oder stark mit Dotanden einer zuvor festgelegten Leitfähigkeit dotiert sein, um die erwünschten elektrischen Eigenschaften zu erreichen.
  • Wie gezeigt, sind Bauelementstrukturen, wie zum Beispiel Mesas 110 und 112, die durch Zwischenräume 115 und 130 voneinander getrennt sind, auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet. Obgleich die Bauelementstrukturen, wie gezeigt, zum Beispiel in dem Siliziumsubstrat ausgebildet sind, kann das Substrat selbst übereinandergestapelte Bauelementschichten umfassen. Für die Zwecke der Besprechung werden solche Bauelementstrukturen im vorliegenden Text allgemein als ein Substrat bezeichnet.
  • In einer veranschaulichenden Ausführungsform stellen die Zwischenräume flache Gräben zum Ausbilden von STIs dar. Die STIs trennen aktive Bauelementregionen, die durch die Mesas dargestellt sind, auf denen Bauelemente ausgebildet sind. In einem integrierten Schaltkreis haben die einzelnen Bauelemente im Allgemeinen verschiedene Größen. Folglich haben auch die aktiven Regionen verschiedene Größen. Wie gezeigt, sind die aktiven Regionen 110 von der schmalen Art, und die aktive Region 112 ist von der breiteren Art. Des Weiteren können infolge der unterschiedlichen Größen der aktiven Bereiche die flachen Gräben von der relativ schmalen Art 115 oder der breiteren Art 130 sein. Die tatsächliche Größe der aktiven Bereiche und der flachen Gräben ist nicht maßgeblich. Da es wünschenswert ist, integrierte Schaltkreisstrukturen mit hoher Bauteildichte herzustellen, entspricht die schmale Art in der Regel ungefähr der kleinsten Strukturelementgröße (F) oder dem Grundmaß, während die breitere Art ungefähr einem größeren Wert als der kleinsten Strukturelementgröße entspricht. Die Oberflächengeometrie des Substrats 101 enthält somit aktive Bereiche 110 und 112 von nahezu konstanter Höhe. Die Breiten der aktiven Bereiche sind wie die Gräben, die sie trennen, unterschiedlich.
  • Auf den Mesas ist eine Stoppschicht 140 angeordnet. Die Stoppschicht ist zum Beispiel die Hartmaskenschicht, die zum Strukturieren der Strukturelemente verwendet wird. Die Stoppschicht dient auch als ein Polier- oder Ätzstopp für nachfolgende Prozesse. Die Stoppschicht umfasst ein Material, zu dem das Material, das zum Füllen der STIs verwendet wird, selektiv abgetragen werden kann. In einer Ausführungsform umfasst die Stoppschicht Nitrid. Außerdem ist eine dünne Oxidschicht zwischen dem Siliziumsubstrat und der Nitridschicht angeordnet, um die Adhäsion zwischen den Bauelementschichten zu verbessern.
  • Die Ausbildung der Gräben und Mesas wird mittels herkömmlicher lithografischer und Ätztechniken erreicht. Die beinhaltet das Abscheiden einer Schicht aus Photoresist auf der Oberfläche der Nitridschicht, die das Substrat bedeckt. Eine Belichtungsquelle, die zum Beispiel tiefe ultraviolette (DUV) Strahlung erzeugt, beleuchtet eine Maske, die die gewünschte Struktur enthält. Die Beleuchtung erzeugt ein Bild der Maske, das auf die Substratoberfläche projiziert oder gedruckt wird, wobei die Photoresistschicht selektiv DUV-bestrahlt wird. Je nachdem, ob ein positiver oder ein negativer Resist verwendet wird, werden entweder die belichteten oder die unbelichteten Abschnitte der Resistschicht während der Entwicklung entfernt, um selektiv Regionen des darunterliegenden Substrats freizulegen, die den Flachgrabenregionen entsprechen. Die belichteten Regionen werden dann zum Beispiel mittels reaktiver Innenätzung (Reactive Ion Etching – RIE) geätzt, um die Mesas 110 und 112 und die Zwischenräume 115 und 130 entstehen zu lassen.
  • Wenden wir uns 1b zu, wo eine nicht-konforme Schicht 160 auf der Oberfläche des Substrate ausgebildet ist. Infolge der Nichtkonformität der Schicht 160 hat sie eine größere Dicke über der Oberfläche des breiteren aktiven Bereichs 112 als über den schmalen aktiven Bereichen 110, Das heißt, die Topografie der darunterliegenden Schicht wird nicht in der abgeschiedenen Schicht 160 widergespiegelt.
  • In einer Ausführungsform umfasst die nicht-konforme Schicht Oxid, das durch plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung (Plasma-Enhanced Chemical Vapour Deposition – PECVD) mittels einer Hochdruckplasmaquelle (HDP-CVD) abgeschieden wurde. Solche HDP-CVD-Techniken zum Beispiel arbeiten mit einer induktiv gekoppelten Plasmaquelle. HDP-CVD-Techniken sind in Francombe, "Physics of Thin Film", Academic Press (1994), beschrieben.
  • Das mittels HDP-CVD abgeschiedene Oxid füllt die Gräben hinreichend ohne Hohlräume aus. Zu weiteren nicht-konformen Schichten, die eine gute Lückenfüllung ohne Hohlräume bieten, gehören jene, die mittels Techniken des elektronenzyklotron- und helikonwellenerregten Plasmas gebildet werden. Solche Techniken sind ebenfalls in Francombe, "Physics of Thin Film", Academic Press (1994), beschrieben.
  • Wie gezeigt, hat die HDP-CVD-Oxidschicht eine Dicke, die ausreicht, um die flachen Gräben zu füllen. Das Ausfüllen der flachen Gräben beschichtet auch die Oberfläche des Substrats. Wie zu sehen ist, erzeugt die HDP-CVD-Technik eine eindeutig erkennbare Füllform in der Anordnung. Über den aktiven Bereichen ragt das HDP-CVD-Oxid in einem Winkel von den flachen Gräben hervor, wodurch im Wesentlichen schräge Ränder entstehen, wenn die Oxidschicht die Oberfläche des Substrats überzieht. Zur Veranschaulichung bilden die schrägen Ränder kleine dreieckige Strukturen 163 über den schmalen aktiven Bereichen 110. Die Oxidschicht 160 über dem breiten aktiven Bereich 112 umfasst im Wesentlichen komplementäre schräge Ränder 165 und 166 mit einem planaren mittigen Abschnitt 168. Die Oxidschicht in dieser Region ist dicker als die dreieckigen Strukturen 163. Die eindeutig erkennbaren dreieckigen Strukturen, die über den aktiven Regionen ausgebildet sind, sind die Folge eines in-situ-Sputterns, zu dem es während des HDP-CVD-Prozesses kommt.
  • Es darf jedoch nicht vergessen werden, dass die Ausbildung von Dreiecken 16 nicht maßgebend ist und nur zur Veranschaulichung gezeigt ist. Ob die Oxidschicht Dreiecke über den aktiven Bereichen bildet, d. h. ob die beiden komplementären schrägen Ränder miteinander verschmelzen, richtet sich nach der Breite der aktiven Bereiche und der Dicke der Oxidschicht. Zum Beispiel kann es sein, dass einige schmale aktive Bereiche nicht schmal genug sind, als dass die komplementären Ränder verschmelzen könnten. Somit wäre eine Gestalt der Oxidschicht eine dreieckige Gestalt ähnlich der, die sich über den breiten aktiven Bereichen befindet, nur mit einem schmaleren planaren mittigen Abschnitt.
  • Vorteilhafterweise ermöglicht das HDP-CVD-Oxid eine gute Lückenfüllung und ist ausreichend dicht, um eine hinreichende Nassätzselektivität für anschließende Prozessschritte zu gestatten. Somit erfordern HDP-CVD-Oxide keine Überbefüllung von etwa dem 1 ½-fachen der Stufe, wie es bei Nicht-HDP-CVD-Oxiden erforderlich ist. Dadurch, dass man weniger Material abscheiden muss, braucht auch weniger abgetragen zu werden. Das führt zu einem höheren Produktionsdurchsatz.
  • Wenden wir uns 1c zu, wo eine Opfer-Bauelementschicht 170 über der Schicht 160 ausgebildet ist. Die Opferschicht umfasst ein Material, das selektiv zu der nicht-konformen Schicht 160 abgetragen werden kann. In einer Ausführungsform umfasst die Opferschicht Polysilizium (Poly). Das Poly wird über der Oberfläche zum Beispiel durch CVD abgeschieden. Wie gezeigt, erzeugt die CVD eine konforme Polyschicht über der nicht-konformen Schicht 160. Das Poly ist ausreichend dick, damit die Oberseite des Poly in den tieferliegenden Regionen 171 über der Oberseite der nicht-konformen Schicht in der höchsten Region 175 liegt.
  • Wenden wir uns 1d zu, wo die Polyschicht mittels CMP selektiv zum Oxid planarisiert ist. Die CMP-Polierung greift zuerst den erhöhten Abschnitt des Poly an und trägt Material von dort ab. In dem Maße, wie immer mehr Material von der erhöhten Region abgetragen wird, wird die Oberfläche des Poly zunehmend planarer. Das CMP wird fortgesetzt, bis die Oberfläche der Oxidschicht 160 in der erhöhten Region freiliegt, wodurch eine planare Oberseite 179 entsteht. Wie gezeigt, enthält die planare Oberseite Poly- und Oxidregionen.
  • Wenden wir uns 1e zu, wo eine anisotrope Ätzung, die zu Poly und Nitrid selektiv ist, ausgeführt wird, um das belichtete Oxidmaterial zu entfernen. Bei der Ätzung handelt es sich zum Beispiel um eine reaktive Innenätzung (Reactive Ion Etch – RIE). Die Nitridschicht 140 auf der Oberfläche der Mesa dient als Ätzstopp. Somit wird das Oxid abgetragen, und die Nitridschicht wird freigelegt. Die Abschnitte 181 des Oxids, die durch das Poly geschützt werden, bleiben aufgrund der Tatsache erhalten, dass die RIE anisotrop ist.
  • In 1f ist das Poly zum Beispiel durch eine Trockenätzung im Anschluss an die RIE abgetragen. Dadurch liegt die nicht-konforme Schicht zusammen mit der Nitridschicht 140 über der breiten aktiven Region 112 frei. Außerdem bleibt der Oxidzaun 180 nahe der Ätzung der breiten aktiven Region erhalten. Wie zu sehen ist, ist die relative Menge an Oxidmaterial, die in der Region über dem schmalen aktiven Bereich abzutragen ist, ungefähr die gleiche wie über der breiten aktiven Region. Obgleich die Zäune 181 relativ höher sind als die Dreiecke 163, werden die Zäune durch die CMP mühelos entfernt, weil sie recht dünn sind. Dadurch wird es möglich, dass die CMP die Oberfläche der nicht-konformen Schicht 160 unter Nutzung des Nitrids 140 als Polierstopp planarisiert, ohne die schmalen aktiven Bereiche 110 übermäßig zu erodieren, wie in 1f gezeigt.
  • Nach der Herstellung der planaren Oberfläche wird die Nitridschicht von der Oberfläche der Mesas entfernt. Das Entfernen des Nitrids erfolgt zum Beispiel mittels einer Nassätzung selektiv zum Silizium. Dadurch entsteht eine planare Oberfläche, wobei sich auf den Mesas das Oxid befindet, womit die Ausbildung der STIs beendet ist.
  • Nach der Herstellung einer hoch-planarisierten Oberflächenstruktur, die STI-Regionen enthält, die eine Bauelementisolierung ermöglichen, kann der IC dann gemäß der bekannten IC-Technologie weiterverarbeitet werden.
  • Obgleich die Erfindung anhand verschiedener Ausführungsformen konkret gezeigt und beschrieben wurde, leuchtet dem Fachmann ein, dass an der vorliegenden Erfindung Modifizierungen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne dass von ihrem Geltungsbereich abgewichen wird. Zum Beispiel wurden die veranschaulichenden Ausführungsformen der Erfindung mit konkreten Materialen für die Isolier- und Dielektrikumschichten beschrieben. Des Weiteren können die Abmessungen der Öffnungen für bestimmte Anwendungen verändert werden. Der Geltungsbereich der Erfindung ist deshalb nicht anhand der obigen Beschreibung zu bestimmen, sondern anhand der angehängten Ansprüche und des gesamten Umfangs ihrer Äquivalente.

Claims (1)

  1. Verfahren zum Planarisieren einer nicht-konformen Schicht im Rahmen der Produktion von integrierten Schaltkreisen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines Substrats (101), wobei die Oberfläche des Substrats (101) erste Strukturelemente (110), die durch erste Zwischenräume (115) getrennt sind, und zweite Strukturelemente (112), die durch zweite Zwischenräume (130) getrennt sind, enthält, wobei die ersten Strukturelemente (110) schmaler sind als die zweiten Strukturelemente (112) und die ersten Zwischenräume (115) schmaler sind als die zweiten Zwischenräume (130); Abscheiden einer nicht-konformen Bauelementschicht (160) über der Oberfläche des Substrats (101) zum Ausfüllen der ersten und zweiten Zwischenräume (115, 130), wobei die nicht-konforme Bauelementschicht (160) über den zweiten Strukturelementen eine Dicke hat, die größer ist als die Dicke über den ersten Strukturelementen (110); Abscheiden einer konformen Schicht (170) über der nicht-konformen Schicht (160), wobei die Topografie der darunterliegenden nicht-konformen Schicht (160) in der Oberfläche der konformen Schicht (170) widergespiegelt wird, und wobei die konforme Schicht (170) genügend dick ist, damit die Oberseite der konformen Schicht (170) in der höchsten Region über der Oberseite der nicht-konformen Schicht (160) liegt; Planarisieren der konformen Schicht (170), wobei die nicht-konforme Schicht (160) als eine Stoppschicht dient, wobei durch das Planarisieren eine planare Oberfläche zwischen der konformen Schicht (170) und der nicht-konformen Schicht (160) entsteht, wobei die nicht-konforme Schicht (160) über den zweiten Strukturelementen frei liegen; Ätzen der nicht-konformen Schicht (160) selektiv zu der konformen Schicht (170), wobei das Ätzen die nicht-konforme Schicht (160) über den zweiten Strukturelementen (112) abträgt, mit Ausnahme kleiner Abschnitte (181) an den Rändern der zweiten Strukturelemente (112), die durch die konforme Schicht (170) geschützt sind; Ätzen zum Abtragen der konformen Schicht (170), wobei nach dem Ätzen die nicht-konforme Schicht (160) über der Oberfläche der ersten Strukturelemente (110) und kleine Abschnitte (181) am Rand der zweiten Strukturelemente (112) zurückbleiben; und Polieren zum Erzeugen einer planaren Oberfläche mit der Oberfläche der zweiten und ersten Strukturelemente (112, 110), wobei das Polieren zu einer planaren Oberfläche mit verringerter Grübchenbildung in den zweiten Zwischenräumen (130) infolge des Abtragens der nicht-konformen Schicht (160) über den zweiten Strukturelementen (112) führt.
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