EP1449246A2 - Isolationsgraben fur eine integrierte schaltung und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Isolationsgraben fur eine integrierte schaltung und verfahren zu dessen herstellung

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Publication number
EP1449246A2
EP1449246A2 EP02799043A EP02799043A EP1449246A2 EP 1449246 A2 EP1449246 A2 EP 1449246A2 EP 02799043 A EP02799043 A EP 02799043A EP 02799043 A EP02799043 A EP 02799043A EP 1449246 A2 EP1449246 A2 EP 1449246A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
trench
isolation
isolation trench
medium
insulation medium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02799043A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Schrems
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Osram AG
Original Assignee
Austriamicrosystems AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Austriamicrosystems AG filed Critical Austriamicrosystems AG
Publication of EP1449246A2 publication Critical patent/EP1449246A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H10W10/01—Manufacture or treatment
    • H10W10/021—Manufacture or treatment of air gaps
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D84/00—Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers
    • H10D84/01—Manufacture or treatment
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    • H10D84/0126—Integrating together multiple components covered by H10D12/00 or H10D30/00, e.g. integrating multiple IGBTs the components including insulated gates, e.g. IGFETs
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    • H—ELECTRICITY
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    • H10W10/014—Manufacture or treatment of isolation regions comprising dielectric materials using trench refilling with dielectric materials, e.g. shallow trench isolations
    • H10W10/0145—Manufacture or treatment of isolation regions comprising dielectric materials using trench refilling with dielectric materials, e.g. shallow trench isolations of trenches having shapes other than rectangular or V-shape
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    • H10W10/10—Isolation regions comprising dielectric materials
    • H10W10/17—Isolation regions comprising dielectric materials formed using trench refilling with dielectric materials, e.g. shallow trench isolations
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    • H10W10/00—Isolation regions in semiconductor bodies between components of integrated devices
    • H10W10/20—Air gaps

Definitions

  • the invention relates to an isolation trench for an integrated circuit according to the preamble of patent claim 1 or 6 and a manufacturing method therefor according to the preamble of patent claim 18 or 27.
  • an isolation trench of the type mentioned serves for the electrical isolation of adjacent integrated structures. These can be, for example, transistors, diodes, resistors or capacitors as well as combinations of these components. Likewise, in the case of integrated memory and / or logic components, individual circuit parts are isolated from one another by isolation trenches. Isolation trenches can be used in a variety of circuit technologies such as CMOS, NMOS, PMOS, BiCMOS and bipolar technology. Isolation trenches are also used in discrete circuits, hybrid circuits and high-voltage circuits.
  • an isolation trench should have the lowest possible leakage current.
  • the smallest possible lateral expansion of the isolation trench is also advantageous.
  • simple production with little technical effort is desirable.
  • the capacitance formed by the isolation trench between the structures to be isolated is to be kept as small as possible. This is particularly important for tightly packed structures and high-frequency applications in order to avoid capacitive coupling of neighboring structures.
  • the capacity depends, among other things, on the shape and filling of the isolation trench.
  • Two basic forms have developed for isolation trenches of the type mentioned.
  • the so-called shallow trench isolation (STI) the isolation trench has a trench depth that is significantly less than the trench width.
  • the depth of shallow isolation trenches is approximately 0.5 ⁇ m, the width can be up to approximately 8 ⁇ m or more.
  • the space requirement for shallow isolation trenches is therefore comparatively high. This can be disadvantageous, in particular for integrated circuits with a high degree of integration.
  • DTI deep trench isolation
  • a deep isolation trench typically has a depth between 4 ⁇ m and 8 ⁇ m and a trench width of, for example, 0.5 ⁇ m.
  • the lateral area requirement is significantly lower, whereby the electrical properties are comparable.
  • deep isolation trenches are more difficult to manufacture. Longer etching times for the formation of the trench also lead to higher production costs.
  • isolation trenches are also known, which are composed of both basic shapes.
  • a method for producing such an isolation trench is described in US Pat. No. 6,214,696 B1.
  • the isolation trench is formed as a flat isolation trench with an additional depression in the manner of a deep isolation trench.
  • an isolation trench is filled with an isolation medium.
  • the selection of suitable materials for this is considerably restricted by the requirements for their mechanical, thermal and chemical stability.
  • Silicon oxide is often used as the insulation medium.
  • the relative dielectric constant of silicon oxide is comparatively large and is about 3.9. It is an object of the present invention to provide an improved isolation trench for an integrated circuit. In particular, it is an object of the invention to develop an isolation trench with improved dielectric properties. Furthermore, a manufacturing method for such an isolation trench is to be specified.
  • an isolation trench for an integrated circuit which is filled with an isolation medium with a low relative dielectric constant and which is closed on the top side with a cover such that the isolation medium is completely encapsulated.
  • Insulation media with a low dielectric constant k are also referred to in short as "low k materials" in semiconductor technology. In the present invention, this is to be understood in particular as a material whose relative dielectric constant is smaller than the relative dielectric constant of silicon dioxide (SiO 2 ).
  • insulation media with a dielectric constant are preferred in the invention, the value of which is less than 3.9, in particular less than or equal to 3.0.
  • the information relates to the static dielectric constant.
  • insulation media with a pre- partially low dielectric constant k are usually used, the use of which would otherwise result in technical difficulties or would not be possible.
  • insulation media with a pre- partially low dielectric constant k are usually used as an insulation layer between the metallization levels. In the case of isolation trenches, this is often not possible due to the temperature load that occurs and subsequent process steps.
  • the specification of the relative dielectric constant k is to be understood as a guideline.
  • the isolation trench can also be filled with air.
  • the threshold voltage V t of a parasitic transistor possibly formed by the isolation trench and adjacent doping regions advantageously decreases in the invention.
  • the threshold voltage V t decreases proportionally with the dielectric constant of the insulation medium. As a result, this leads to significantly lower leakage currents in the invention.
  • the depth of the isolation trench and thus the manufacturing outlay can be reduced. Compared to a conventional deep isolation trench with a depth of approximately 4 ⁇ m, the invention enables isolation trenches with a depth between 2 ⁇ m and 1.3 ⁇ m with the same or even improved dielectric properties and the same or a smaller trench width.
  • the isolation trench preferably has a first region with an first trench width and a second region with a second, smaller trench width, the first region bordering on the surface of the substrate in which the isolation trench is formed, and the second region, viewed from the substrate surface, is arranged downstream of the first region.
  • the first region can be formed as a second region in the manner of a conventional flat isolation trench with an additional depression in the form of a deep isolation trench.
  • the second region and, if appropriate, also part of the first region are preferably filled with the insulation medium and the cover is formed in the first region.
  • the isolation trench is bottle-shaped.
  • the isolation trench is formed in a substrate with a substrate surface and has a first area bordering the substrate surface and a second area downstream of the first area, the trench width of the isolation trench in the first area being smaller than the trench width in the second area ,
  • the distance between the second area and the substrate surface is preferably between 10 nm and 10 ⁇ m. At distances below lOnm, the risk of mechanical damage increases due to insufficient structural thicknesses. On the other hand, as the distance increases, the manufacturing effort increases due to longer etching times, so that distances below 1 ⁇ m are advantageous.
  • the isolation trench is preferably at least partially filled with an isolation medium.
  • the materials already mentioned with a low relative dielectric constant and in particular air are suitable as the insulation medium.
  • the isolation graph ben can be closed with a cover as in the first embodiment.
  • the cover encapsulating the insulation medium is preferably formed from an oxide compound, for example a silicon oxide. To increase the strength and tightness of the encapsulation, it is advisable to compress the cover.
  • the cover of the isolation trench it is often necessary for the cover of the isolation trench to have a flat surface.
  • the cover can be planarized in a suitable manner in the invention.
  • the isolation trench can also be filled with a silicon oxide as the isolation medium, since an advantageous low capacitance between the structures to be isolated is achieved due to the special shape.
  • side and / or bottom surfaces of the isolation trench can be covered with a silicon oxide
  • Silicon oxide layer can be covered, wherein the silicon oxide can be deposited by means of a CVD (chemical vapor deposition) process.
  • CVD chemical vapor deposition
  • the silicon oxide layer is preferably shaped or made so thick that it closes the isolation trench in the first region, the "bottle neck". Compression or planarization of the silicon oxide layer closing the isolation trench can also be expedient here. It is advantageous if the silicon oxide layer does not completely fill the second area, so that a further insulation medium is encapsulated in the second area by the silicon oxide layer or a cavity is created in this area. All types of gases, in particular air or a vacuum, are suitable as a further insulation medium.
  • side surfaces and / or bottom surfaces of the isolation trench are preferably at least partially covered with an intermediate layer.
  • the intermediate layer serves in particular to compensate for imperfections which arise during the formation of the isolation trench at the interface with the substrate and which can adversely affect the isolation effect.
  • the intermediate layer is preferably designed as a silicon oxide layer, for example as a thermal oxide layer.
  • At least one barrier layer is arranged between the walls of the isolation trench and the isolation medium.
  • the barrier layer serves as a diffusion barrier, for example to prevent diffusion of the insulation medium or its components into the substrate.
  • a silicon nitride or a silicon oxynitride, if appropriate also a silicon oxide, is particularly suitable as the material for the barrier layer.
  • a method according to the invention for producing an isolation trench of the first embodiment comprises the steps of providing a substrate, forming a depression in the substrate, filling the depression with an isolation medium with a low relative dielectric constant and applying a cover to the isolation medium so that the
  • Isolation medium is completely encapsulated.
  • the materials already mentioned with a low relative dielectric constant are again suitable as the insulation medium.
  • thermally or chemically unstable materials can also be used due to the complete encapsulation.
  • the depression is preferably formed in two stages, with a first trench-shaped recess with a first trench width first in the substrate and subsequently a second trench-shaped recess within the first trench-shaped recess Recess is formed with a second, smaller trench width.
  • a method according to the invention for producing an isolation trench of the second embodiment comprises the steps of providing a substrate, forming a depression with a first region and a downstream second region, the first region bordering on the substrate surface, and widening the depression in the second region laterally Direction.
  • the isolation trench can then be filled with an isolation medium.
  • isolation trench can then optionally be closed, so that the isolation medium is completely encapsulated.
  • this is not absolutely necessary in the second embodiment of the invention, since the trench can already be sealed in the region of the bottle neck with the introduction of an insulation material, for example a sufficiently thick silicon oxide layer.
  • an isolation trench of the second embodiment can also be formed without a cover or closure during the invention.
  • the depression can be formed, for example, by means of an etching process.
  • an etchant with an isotropically ablative component such as, for example, potassium hydroxide or ammonium hydroxide in a wet etching process or sulfur hexafluoride in a dry etching process can be used.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a first exemplary embodiment of an isolation trench according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of a second exemplary embodiment of an isolation trench according to the invention
  • Figure 3a to 3e is a schematic representation of a first embodiment of an inventive
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of a third exemplary embodiment of an isolation trench according to the invention
  • FIG. 5a and 5b show a schematic sectional view of two variants of a fourth exemplary embodiment of an isolation trench according to the invention
  • Figure 6a to 6d is a schematic representation of a second
  • Figure 7 is a schematic representation of a third
  • Figure 8 is a schematic sectional view of a fifth embodiment of an isolation trench according to the invention.
  • the isolation trench shown in Figure 1 corresponds to the first embodiment of the invention.
  • the isolation trench 1 serves for the electrical isolation of integrated structures 20a, 20b, such as, for example, transistors, diodes, resistors, capacitors or the like, which are formed in or on a common substrate 2, preferably a silicon substrate.
  • the isolation trench is formed in the manner of a flat isolation trench in a first region 4 in the vicinity of the substrate surface 2. Seen from the substrate surface, this first area 4 is followed by a second area 5 in the form of a recess 6 starting from the first area 4.
  • the trench width x 2 of the depression shown in section is smaller than the trench width Xi of the isolation trench in the first region 4.
  • the side surfaces 8 and the bottom surface 9 of the isolation trench 1 are covered with an intermediate layer 10.
  • a dielectric that is resistant to high temperatures in the range between 900 ° C. and 1200 ° C. is preferably used for the intermediate layer 10. Silicon-based oxide, oxynitride or nitride layers are particularly suitable for this.
  • the intermediate layer 10 is formed as a thermal oxide layer with a thickness between 5 nm and 10 nm.
  • the isolation trench 1 is filled with an isolation medium 7 with a low dielectric constant k.
  • the materials already mentioned, SiCOH, polytetrafluoroethylene and xerogels or photoresists are particularly suitable as the insulation medium.
  • the filling with the insulation medium 7 extends into the first region 4 of the insulation trench and forms an interface 11 which is set back somewhat in the direction of the bottom surface 8 of the insulation trench 1 with respect to the substrate surface 3.
  • a cover 12 is applied to this interface 11, so that the insulation medium 7 is completely is encapsulated.
  • This cover 12 is preferably formed from a silicon oxide.
  • the embodiment of an isolation trench shown in FIG. 2 essentially corresponds in shape and choice of material to the embodiment shown in FIG.
  • a barrier layer 13 is formed between the intermediate layer 10 and the insulation medium 7.
  • This barrier layer 13 essentially serves as a diffusion barrier.
  • the barrier layer 13 is preferably designed as a silicon nitride layer or as a silicon oxynitride layer with a thickness between 5 nm and 10 nm.
  • a second barrier layer 14 is arranged between the cover 12 and the insulation medium 7.
  • This layer is preferably also formed as a silicon nitride layer or as a silicon oxynitride layer.
  • a double encapsulation of the insulation medium is achieved by the barrier layers 13 and 14, the insulation medium 7 being directly enclosed by the barrier layers 13 and 14 and the barrier layers 13 and 14 in turn being enveloped by the intermediate layer 10 and the cover 12.
  • Diffusion of the insulation medium 7 or of components of the insulation medium 7 into the substrate 2 is avoided by the encapsulation by means of the barrier layers 13 and 14. Diffusion of carbon atoms into the substrate could have a disadvantageous effect, in particular in the case of organic insulation media.
  • FIGS. 3a to 3d show a method for producing an isolation trench of the first embodiment using four intermediate steps.
  • Figure 3e shows a variant of the manufacturing process.
  • a flat isolation trench 15 is formed in a substrate 2 in a manner known per se, FIG. 3a.
  • the transition substrate serves, for example, a silicon substrate with an integrated circuit (not shown).
  • the substrate surface is covered with a cover layer 21, for example a nitride layer, and a mask layer 17 arranged thereon.
  • the mask layer 17 can be structured using a conventional photolithography method. In regions not covered by the mask layer, the shallow isolation trench 15 is then etched into the substrate.
  • the side faces of the shallow isolation trench are subsequently covered with a spacer 19, for example a silicon oxide spacer.
  • a depression 18 is formed in the shallow isolation trench 15.
  • the depression 18 essentially corresponds to a deep isolation trench and can be produced, for example etched, by means of a conventional manufacturing method suitable for this.
  • the spacers 19 serve as protection for the already formed flat isolation trench 15 and at the same time as a mask, since the
  • Recess 18 is etched only in the areas of the shallow isolation trench 15 that are not covered with the spacer.
  • the shape of the isolation trench 1 present after the formation of the depression 18 thus corresponds to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the flat isolation trench 15 corresponding to the first area 4 and the depression 18 to the second area 5.
  • the spacers 19 are subsequently removed and the side surfaces 9 and the bottom surfaces 8 of the isolation trench are covered with a preferably closed intermediate layer 10, FIG. 3c.
  • a silicon oxide layer is suitable for this, which can be thermally grown, for example, with a thickness between 5 nm and 10 nm.
  • the insulation material 7 forms an interface 11 lying slightly below the substrate surface 2.
  • the insulation trench is preferably first completely filled with the insulation material 7 and subsequently the insulation material 7 is removed down to below the substrate surface.
  • a cover 12 is deposited on the insulation medium 7 or on its interface 11, so that the insulation medium is completely encapsulated, FIG. 3d.
  • a silicon oxide layer which can be deposited, for example, by means of a CVD method, is particularly suitable as cover 12. Such a silicon oxide layer can be densified to further improve the encapsulation.
  • a CMP (chemical mechanical polishing) or RIE (reactive ion etching) method is suitable, for example, for planarizing the cover 12.
  • the cover 12 is removed as far as the cover layer 21, a flat surface of the cover 12 being formed which is flush with the surface of the cover layer 21.
  • the cover layer 21 is subsequently removed.
  • FIG. 3e A variant of the production process is shown in FIG. 3e.
  • the intermediate step shown in FIG. 3e follows the intermediate step shown in FIG. 3c.
  • a first barrier layer 13 covering the intermediate layer is applied here.
  • a silicon nitride or silicon oxynitride layer can be deposited using an LPCVD process (Low Pressure Chemical Vapor Deposition).
  • the thickness of the barrier layer is preferably between 5 nm and 10 nm.
  • the isolation trench is filled with the isolation medium.
  • a second barrier layer 14 is then deposited on the insulation medium 7 and optionally on the substrate surface.
  • a nitride or oxynitride layer is also suitable for this, it being advantageous to apply the second barrier layer 14 at the lowest possible temperature, preferably below 400 ° C., in order to avoid decomposition of the insulation medium before it is encapsulated.
  • the second barrier layer 14 is therefore preferably deposited by means of a CVD (chemical vapor deposition), PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) or JVD (jet vapor deposition) method.
  • a JVD process is particularly suitable for deposition at room temperature.
  • the isolation trench is closed with the cover 12 and, if necessary, the cover 12 is compressed and / or planarized.
  • the isolation trench 1 thus formed essentially corresponds to the exemplary embodiment shown in FIG. 2.
  • FIG. 4 shows a third exemplary embodiment of an isolation trench.
  • this isolation trench 1 corresponds to the second embodiment of the invention.
  • the isolation trench 1 has a first region 4 bordering the substrate surface 3 and a downstream second region 5, the trench width x 4 in the second region 5 being larger than the trench width x 3 in the first region 4.
  • the entire trench depth y is preferably between 1 ⁇ m and 2 ⁇ m. So the depth of this iso- lationsgraben 1 greater than the typical depth of 0.5 ⁇ m of a shallow isolation trench, but much smaller than the depth of a deep isolation trench, which is usually between 4 ⁇ m and 8 ⁇ m.
  • the side and bottom surfaces 8, 9 of the isolation trench are covered in layers with an isolation medium 7a.
  • This can be, for example, a silicon oxide layer deposited by means of a CVD process.
  • This layer 10 is preferably made so thick that it extends in the first area 4 (the "bottle neck") in each case up to the center line 15 of the isolation trench 1 and thus forms a seal for the isolation trench 1.
  • An air volume is preferably encapsulated as a further insulation medium 7b in the second region of the isolation trench 1. Furthermore, other gaseous media or one of the insulation media with a low dielectric constant already mentioned can also be used.
  • 5a and 5b show two variants of a further exemplary embodiment of a bottle-shaped isolation trench, corresponding to the second embodiment of the invention.
  • the isolation trench 1 is surrounded by a p + -doped layer 16, especially in the second region 5.
  • This p + -doped layer 16 serves to reduce leakage currents.
  • positive charges can arise on the walls of the isolation trench, which increase the leakage current. This can be prevented or at least the leakage current reduced by the formation of the p + -doped layer 16.
  • the p + -doped layer 16 can be formed during the formation of the isolation trench by appropriate doping from the interior of the isolation trench, for example by means of gas phase doping with Diboran, PLAD (plasma enhanced doping) or BSG (Boron Silicate Glass).
  • the insulation trench 1 is preferably closed by the application of a sufficiently thick layer of a first insulation material 7a to the trench walls, FIG. 5a.
  • a cavity is formed by the insulation layer 7a, in which a further insulation medium 7b, preferably a gas such as air, is enclosed.
  • the isolation trench can also be closed by means of a separate cover 12, preferably based on a silicon oxide, FIG. 5b.
  • FIGS. 6a, 6b and 6c schematically show a production method for a bottle-shaped isolation trench, according to the second embodiment of the invention, using three intermediate steps.
  • the first steps of the production process correspond to the process already described in connection with FIGS. 3a and 3b and essentially comprise the formation of a flat isolation trench 15 and a recess 18 formed therein, FIG. 6a.
  • the side surfaces of the shallow isolation trench 15 are in turn covered with a spacer 19.
  • the flat isolation trench 15 forms the first area 4 of the bottle-shaped isolation trench to be formed, to which the depression 18 is arranged as a second area 5.
  • the depression is widened laterally, so that after the widening, the trench width x 4 in the second region 5 is greater than the trench width x 3 in the first region 4.
  • the isolation trench in the second region 5 is preferably widened by etching the recess with an isotropically attacking etchant such as, for example, potassium hydroxide, ammonium hydroxide or sulfur hexafluoride.
  • the bottle-shaped isolation trench formed in this way is subsequently provided with a thin intermediate layer 10, for example a thermal silicon oxide layer.
  • a thin intermediate layer 10 for example a thermal silicon oxide layer.
  • a p + -doped layer enveloping the isolation trench can optionally be formed beforehand by means of a suitable dopant (not shown).
  • the isolation trench is then filled with an isolation medium and closed, FIG. 6c.
  • a silicon oxide can be used as the insulation medium 7a, which is deposited on the intermediate layer 10 by means of a CVD method.
  • This silicon oxide layer 7a is preferably so thick that it closes the isolation trench in the first region 4.
  • An air volume is particularly preferably encapsulated in the second region 5 as a further insulation medium 7b.
  • a different insulation medium can be used instead of the silicon oxide or the insulation trench can be filled with air only. It is expedient to close the isolation trench with a separate cover for encapsulating the isolation medium.
  • planarization of the layer or cover closing the isolation trench can, as already described, be carried out by removing the layer or cover up to the protective layer 21 and subsequently removing the cover layer.
  • FIG. 7 shows a variant for producing a bottle-shaped isolation trench.
  • An RIE method is suitable for this, for example.
  • an isotropically etching component is added, so that as the etching progresses, the isolation trench 1 widens laterally in a second region 5 downstream of the first region.
  • an isolation trench 1 is formed in the substrate in accordance with the second embodiment, which, as already described, can be further configured, filled and sealed.
  • a dielectric in particular a silicon oxide, nitride or oxynitride, is preferably used as the material for the protective layer 22.
  • Combination can be applied. First, a shallow isolation trench is formed, then deepened, so that part of the bottle neck is first formed, and only then is the isolation trench widened.
  • FIG. 8 A corresponding isolation trench is shown in FIG. 8.
  • an intermediate area forming the bottle neck is formed between the widened area 5 and the flat isolation trench on the top side, which represents the narrowest point of the isolation trench in cross section.
  • the isolation trench shown in FIG. 6c represents in this regard is a special case in which this intermediate area was not formed.
  • the isolation trench is lined with an isolation medium 7a, for example a silicon oxide, which at the same time closes the isolation trench in the intermediate area.
  • a further insulation medium 7b preferably a gas-filled cavity or a vacuum, can be enclosed.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Isolationsgraben (1) für eine integrierte Schaltung, der in einem Substrat (2) gebildet und mit einem Isolationsmedium (7) mit einer geringen relativen Dielektrizitätskonstante gefüllt ist. Oberseitig ist der Isolationsgraben (1) mit einer Abdeckung (12) derart verschlossen, dass das Isolationsmedium (7) vollständig eingekapselt ist. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf einen flaschenförmigen Isolationsgraben sowie ein Herstellungsverfahren für einen Isolationsgraben.

Description

Isolationsgraben für eine integrierte Schaltung und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Isolationsgraben für eine integrierte Schaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 6 sowie ein Herstellungsverfahren hierfür nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 18 bzw. 27.
Ein Isolationsgraben der genannten Art dient bei einer integrierten Schaltung zur elektrischen Isolation benachbart angeordneter integrierter Strukturen. Dies können beispielsweise Transistoren, Dioden, Widerstände oder Kondensatoren sowie Kombinationen dieser Bauelemente sein. Ebenso werden bei integrierten Speicher- und/oder Logikbauelementen einzelne Schaltungsteile durch Isolationsgräben voneinander isoliert. Isolationsgräben können dabei bei einer Vielzahl von Schaltungstechnologien wie zum Beispiel CMOS, NMOS, PMOS, BiCMOS sowie Bipolartechnologie verwendet werden. Auch in diskreten Schaltkreisen, Hybridschaltkreisen und Hochspannungsschaltkreisen finden Isolationsgräben Anwendung.
Allgemein sollte ein Isolationsgraben einen möglichst niedri- gen Leckstrom aufweisen. Für Schaltungen mit einer hohen Integrationsdichte ist weiterhin eine möglichst geringe laterale Ausdehnung des Isolationsgrabens vorteilhaft. Schließlich ist eine einfache Herstellung mit geringem technischem Aufwand wünschenswert .
Dabei ist zu berücksichtigen, dass die durch den Isolationsgraben gebildete Kapazität zwischen den zu isolierenden Strukturen möglichst klein zu halten ist. Dies ist insbesondere für dicht gepackte Strukturen und hochfrequente Anwen- düngen von Bedeutung, um eine kapazitive Kopplung benachbarter Strukturen zu vermeiden. Die Kapazität hängt unter anderem von der Form und der Füllung des Isolationsgrabens ab. Für Isolationsgräben der genannten Art haben sich zwei Grundformen entwickelt. Bei der ersten Grundform, dem sogenannten flachen Isolationsgraben (STI, Shallow Trench Isolation), weist der Isolationsgraben eine Grabentiefe auf, die deutlich geringer ist als die Grabenbreite. Typischerweise beträgt die Tiefe flacher Isolationsgräben etwa 0,5μm, die Breite kann bis zu etwa 8μm oder mehr betragen. Der Flächenbedarf für flache Isolationsgräben ist damit vergleichsweise hoch. Insbesondere für integrierte Schaltkreise mit hohem Integrati- onsgrad kann dies nachteilig sein.
Bei der zweiten Grundform, dem sogenannten tiefen Isolationsgraben (DTI, Deep Trench Isolation), ist die Tiefe des Isolationsgrabens größer als die Grabenbreite. So weist ein tiefer Isolationsgraben typischerweise eine Tiefe zwischen 4μm und 8μm und eine Grabenbreite von beispielsweise 0 , 5μm auf. Gegenüber einem flachen Isolationsgraben ist der laterale Flächenbedarf deutlich geringer, wobei die elektrischen Eigenschaften vergleichbar sind. Allerdings sind tiefe Isolations- graben schwieriger zu fertigen. Längere Ätzzeiten zur Ausbildung des Grabens führen zudem zu höheren Herstellungskosten.
Neben diesen Grundformen sind auch Isolationsgräben bekannt, die sich aus beiden Grundformen zusammensetzen. In US 6,214,696 Bl ist ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Isolationsgrabens beschrieben. Der Isolationgraben wird als flacher Isolationsgraben mit einer zusätzlichen Vertiefung nach Art eines tiefen Isolationsgrabens ausgebildet.
In der Regel ist ein Isolationsgraben mit einem Isolationsmedium gefüllt. Die Auswahl geeigneter Materialien hierfür wird allerdings durch die Anforderungen an deren mechanische, thermische und chemische Stabilität erheblich eingeschränkt. Oftmals wird als Isolationsmedium ein Siliziumoxid verwendet. Die relative Dielektrizitätskonstante von Siliziumoxid ist aber vergleichsweise groß und beträgt etwa 3,9. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Isolationsgraben für eine integrierte Schaltung zu schaffen. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, einen Isolationsgraben mit verbesserten dielektrischen Eigenschaften zu ent- wickeln. Weiterhin soll ein Herstellungsverfahren für einen solchen Isolationsgraben angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch einen Isolationsgraben nach Patentanspruch 1, einen Isolationsgraben nach Patentanspruch 6, ein Verfahren nach Patentanspruch 18 sowie ein Verfahren nach Patentanspruch 23 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgese- hen, einen Isolationsgraben für eine integrierte Schaltung zu bilden, der mit einem Isolationsmedium mit einer geringen relativen Dielektrizitätskonstante gefüllt ist und der oberseitig mit einer Abdeckung derart verschlossen ist, dass das Isolationsmedium vollständig eingekapselt ist.
Isolationsmedien mit einer geringen Dielektrizitätskonstante k werden in der Halbleitertechnologie auch kurz als "low k materials" bezeichnet. Bei der vorliegenden Erfindung ist darunter insbesondere ein Material zu verstehen, dessen rela- tive Dielektrizitätskonstante kleiner als die relative Dielektrizitätskonstante von Siliziumdioxid (Si02)ist.
Allgemein werden bei der Erfindung Isolationsmedien mit einer Dielektrizitätskonstante bevorzugt, deren Wert kleiner als 3,9, insbesondere kleiner oder gleich als 3,0 ist. Die Angaben beziehen sich jeweils auf die statische Dielektrizitätskonstante .
Aufgrund der vollständigen Einkapselung des Isolationsmediums werden die Anforderungen an das Isolationsmedium, insbesondere hinsichtlich mechanischer, thermischer und chemischer Stabilität, gesenkt, so dass Isolationsmedien mit einer vor- teilhaft geringen Dielektrizitätskonstante k eingesetzt werden können, deren Verwendung ansonsten technische Schwierigkeiten mit sich brächte oder nicht möglich wäre. Üblicherweise werden derartige Materialien als Isolationsschicht zwi- sehen Metallisierungsebenen verwendet. Bei Isolationsgräben ist dies oftmals aufgrund der auftretenden Temperaturbelastung und nachfolgender Prozessschritte nicht möglich.
Bevorzugt ist bei der Erfindung der Isolationsgraben zumin- dest teilweise mit SiCOH, k=2..3 , Polytetrafluorethylen, k=2 , einem Xerogel, k=1..2, oder einem Photoresist, k=1..2 gefüllt. Die Angabe der relativen Dielektrizitätskonstante k ist dabei jeweils als Richtwert zu verstehen.
Weitergehend kann der Isolationsgraben auch mit Luft gefüllt sein. Dieses Isolationsmedium zeichnet sich durch seine besonders niedrige Dielektrizitätskonstante k=l,0 aus.
Aufgrund der niedrigen Dielektrizitätskonstante sinkt bei der Erfindung vorteilhafterweise die SchwellSpannung Vt eines gegebenenfalls durch den Isolationsgraben und angrenzende Dotierbereiche gebildeten parasitäten Transistors. Die Schwell - Spannung Vt nimmt proportional mit der Dielektrizitätskonstante des Isolationsmediums ab. Dies führt in der Folge zu deutlich geringeren Leckströmen bei der Erfindung. Alternativ kann auch unter Beibehaltung der mit herkömmlichen Isolationgräben erreichbaren Leckströme bzw. SchwellSpannungen die Tiefe des Isolationsgrabens und damit der Herstellungsaufwand verringert werden. Gegenüber einem herkömmlichen tiefen Iso- lationsgraben mit einer Tiefe von etwa 4μm ermöglicht die Erfindung Isolationsgräben mit einer Tiefe zwischen 2μm und l,3μm bei gleichen oder sogar verbesserten dielektrischen Eigenschaften sowie derselben oder einer kleineren Grabenbreite .
Vorzugsweise weist bei der ersten Ausführungsform der Erfindung der Isolationsgraben einen ersten Bereich mit einer er- sten Grabenbreite und einen zweiten Bereich mit einer zweiten, kleineren Grabenbreite auf, wobei der erste Bereich an die Oberfläche des Substrats, in dem der Isolationsgraben gebildet ist, grenzt, und der zweite Bereich von der Substrat - Oberfläche aus gesehen dem ersten Bereich nachgeordnet ist. Hierbei kann der erste Bereich nach Art eines herkömmlichen flachen Isolationsgrabens mit einer zusätzlichen Vertiefung in Form eines tiefen Isolationsgrabens als zweitem Bereich gebildet sein. Bevorzugt ist der zweite Bereich und gegebe- nenfalls auch ein Teil des ersten Bereichs mit dem Isolationsmedium gefüllt und die Abdeckung im ersten Bereich ausgebildet.
Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist vorgese- hen, den Isolationsgraben flaschenförmig zu bilden.
Hierbei ist der Isolationsgraben in einem Substrat mit einer Substratoberfläche gebildet und weist einen an die Substrat- Oberfläche grenzenden ersten Bereich und einen dem ersten Be- reich nachgeordneten zweiten Bereich auf, wobei die Grabenbreite des Isolationsgrabens im ersten Bereich kleiner als die Grabenbreite im zweiten Bereich ist.
Der Abstand zwischen zweitem Bereich und Substatoberflache liegt vorzugsweise zwischen lOnm und lμ . Bei Abständen unter lOnm steigt die Gefahr einer mechanischen Beschädigung aufgrund zu geringer Strukturdicken. Mit größer werdendem Abstand erhöht sich andererseits der Herstellungsaufwand durch längere Ätzzeiten, so dass Abstände unter lμm vorteilhaft sind.
Bevorzugt ist auch bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung der Isolationsgraben zumindest teilweise mit einem Isolationsmedium gefüllt. Als Isolationsmedium eignen sich die bereits genannten Materialien mit geringer relativer Dielektrizitätskonstante und insbesondere Luft. Der Isolationsgra- ben kann dabei wie bei der ersten Ausführungsform mit einer Abdeckung verschlossen sein.
Bei beiden Ausführungsformen der Erfindung ist die das Isola- tionsmedium einkapselnde Abdeckung bevorzugt aus einer Oxidverbindung, beispielsweise einem Siliziumoxid gebildet. Zur Erhöhung der Festigkeit und der Dichtheit der Einkapselung ist eine Verdichtung der Abdeckung zweckmäßig.
Weiterhin ist es oftmals erforderlich, dass die Abdeckung des Isolationsgrabens eine ebene Oberfläche aufweist. Hierzu kann bei der Erfindung die Abdeckung in geeigneter Weise planari- siert sein.
Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung kann der Isolationsgraben auch mit einem Siliziumoxid als Isolationsmedium gefüllt sein, da schon aufgrund der besonderen Formgebung eine vorteilhaft niedrige Kapazität zwischen den zu isolierenden Strukturen erreicht wird. Beispielsweise können Sei- ten- und/oder Bodenflächen des Isolationsgrabens mit einer
Siliziumoxidschicht bedeckt sein, wobei das Siliziumoxid mittels eines CVD-Verfahrens (chemical vapor deposition) abgeschieden sein kann.
Die Siliziumoxidschicht ist bevorzugt so geformt bzw. so dick ausgeführt, dass sie im ersten Bereich, dem "Flaschenhals", den Isolationsgraben verschließt. Auch hier kann eine Verdichtung oder Planarisierung der den Isolationsgraben verschließenden Siliziumoxidschicht zweckmäßig sein. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Siliziumoxidschicht den zweiten Bereich nicht vollständig ausfüllt, so dass ein weiteres Isolationsmedium im zweiten Bereich von der Siliziumoxidschicht eingekapselt wird bzw. ein Hohlraum in diesem Bereich entsteht. Als weiteres Isolationsmedium eignen sich beispiels- weise alle Arten von Gasen, insbesondere Luft oder ein Vakuum. Vorzugsweise sind Seitenflächen und/oder Bodenflächen des Isolationsgrabens bei der Erfindung zumindest teilweise mit einer Zwischenschicht bedeckt. Die Zwischenschicht dient insbesondere der Kompensation von Störstellen, die bei der Ausbildung des Isolationsgrabens an der Grenzfläche zum Substrat entstehen und die Isolationswirkung nachteilig beeinflussen können. Bevorzugt ist die Zwischenschicht als Siliziumoxidschicht, zum Beispiel als thermische Oxidschicht, ausgebildet.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zwischen den Wänden des Isolationsgrabens und dem Isolationsmedium mindestens eine Barriereschicht angeordnet. Die Barriereschicht dient als Diffusionssperre, um beispielsweise eine Diffusion des Isolationsmediums oder seiner Bestandteile in das Substrat zu verhindern. Als Material für die Barriere- Schicht eignet sich insbesondere ein Siliziumnitrid oder ein Siliziumoxynitrid, gegebenfalls auch ein Siliziumoxid.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Isolationsgrabens der ersten Ausführungsform umfaßt die Schritte Bereitstellen eines Substrats, Bilden einer Vertiefung in dem Substrat, Füllen der Vertiefung mit einem Isolationsmedium mit geringer relativer Dielektrizitätskonstante und Aufbrin- gen einer Abdeckung auf das Isolationsmedium, so dass das
Isolationsmedium vollständig eingekapselt ist. Als Isolationsmedium sind wiederum die bereits genannten Materialien mit geringer relativer Dielektrizitätskonstante geeignet. Insbesondere können auch thermisch oder chemisch instabile Mate- rialien aufgrund der vollständigen Einkapselung verwendet werden .
Vorzugsweise wird die Vertiefung zweistufig gebildet, wobei zunächst in dem Substrat eine erste grabenförmige Ausnehmung mit einer ersten Grabenbreite und nachfolgend innerhalb der ersten grabenförmigen Ausnehmung eine zweite grabenförmige Ausnehmung mit einer zweiten, kleineren Grabenbreite gebildet wird.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Isola- tionsgrabens der zweiten Ausführungsform umfaßt die Schritte Bereitstellen eines Substrats, Bilden einer Vertiefung mit einem ersten Bereich und einem nachgeordneten zweiten Bereich, wobei der erste Bereich an die Substratoberfläche grenzt, und Verbreitern der Vertiefung im zweiten Bereich in lateraler Richtung. Nachfolgend kann der Isolationsgraben mit einem Isolationsmedium gefüllt werden.
Optional kann dann der Isolationsgrabens verschlossen werden, so dass das Isolationsmedium vollständig eingekapselt ist. Dies ist jedoch bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung nicht zwingend erforderlich, da bereits mit dem Einbringen eines Isolationsmaterials, beispielsweise einer hinreichend dicken Siliziumoxidschicht, ein Verschluß des Grabens im Bereich des Flaschenhalses erfolgen kann. In der allgemeinsten Form kann ein Isolationsgraben der zweiten Ausführungsform bei der Erindung auch ohne Abdeckung bzw. Verschluß gebildet werden.
Die Vertiefung kann zum Beispiel mittels eines Ätzverfahrens gebildet werden. Zur lateralen Verbreiterung der Vertiefung kann dabei ein Ätzmittel mit einer isotrop abtragenden Komponente wie beispielsweise Kaliumhydroxid oder Ammoniumhydroxid bei einem Nassätzverfahren oder Schwefelhexafluorid bei einem Trockenätzverfahren verwendet werden.
Weitere Merkmale, Vorzüge und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend erläuterten Ausführungsbei- spielen im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 7.
Es zeigen Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Isolationsgrabens,
Figur 2 eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Isolationsgrabens,
Figur 3a bis 3e eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Herstellungsverfahrens ,
Figur 4 eine schematische Schnittansicht eines dritten AusführungsbeiSpiels eines erfindungsge- mäßen Isolationsgrabens,
Figur 5a und 5b eine schematische Schnittansicht zweier Varianten eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Isolationsgrabens,
Figur 6a bis 6d eine schematische Darstellung eines zweiten
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ,
Figur 7 eine schematische Darstellung eines dritten
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens und
Figur 8 eine schematische Schnittansicht eines fünf- ten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Isolationsgrabens.
Gleiche oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Der in Figur 1 dargestellte Isolationsgraben entspricht der ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Isolationsgraben 1 dient der elektrischen Isolation von integrierten Strukturen 20a, 20b wie beispielsweise Transistoren, Dioden, Widerständen, Kondensatoren oder dergleichen, die in oder auf einem gemeinsamen Substrat 2, vorzugsweise einem Siliziumsubstrat, ausbildet sind.
In einem ersten Bereich 4 in der Nähe der Substratoberfläche 2 ist der Isolationsgraben nach Art eines flachen Isolationsgrabens gebildet. Diesem ersten Bereich 4 ist von der Sub- stratoberflache aus gesehen ein zweiter Bereich 5 in Form einer von dem ersten Bereich 4 ausgehenden Vertiefung 6 nachgeordnet. Die im Schnitt dargestellte Grabenbreite x2 der Vertiefung ist kleiner als die Grabenbreite Xi des Isolationsgrabens im ersten Bereich 4.
Die Seitenflächen 8 und die Bodenfläche 9 des Isolationsgrabens 1 sind mit einer Zwischenschicht 10 bedeckt. Bevorzugt wird für die Zwischenschicht 10 ein gegenüber hohen Temperaturen im Bereich zwischen 900°C und 1200°C beständiges Dielektrikum verwendet. Hierfür eignen sich insbesondere auf Siliziumbasis hergestellte Oxid-, Oxynitrid- oder Nitridschichten. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Zwischenschicht 10 als thermische Oxidschicht mit einer Dicke zwischen 5nm und lOnm gebildet.
In dem von der Zwischenschicht ausgekleideten Bereich ist der Isolationsgraben 1 mit einem Isolationsmedium 7 mit niedriger Dielektrizitätskonstante k gefüllt. Als Isolationsmedium eignen sich insbesondere die bereits genannten Materialien Si- COH, Polytetrafluorethylen sowie Xerogele oder Photoresists. Die Füllung mit dem Isolationsmedium 7 reicht bis in den ersten Bereich 4 des Isolationsgrabens und bildet eine Grenzfläche 11, die gegenüber der Substratoberfläche 3 etwas in Richtung der Bodenfläche 8 des Isolationsgrabens 1 zurückge- setzt ist. Auf diese Grenzfläche 11 ist eine Abdeckung 12 aufgebracht, so dass das Isolationsmedium 7 vollständig ein- gekapselt ist. Vorzugsweise ist diese Abdeckung 12 aus einem Siliziumoxid gebildet.
Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Isola- tionsgrabens entspricht in der Formgebung und Materialwahl im wesentlichen dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist zwischen der Zwischenschicht 10 und dem Isolationsmedium 7 eine Barriereschicht 13 ausgebildet. Diese Barriereschicht 13 dient im wesentlichen als Diffusi- onssperre. Vorzugsweise ist die Barriereschicht 13 als Siliziumnitridschicht oder als Siliziumoxynitridschicht mit einer Dicke zwischen 5nm und lOnm ausgebildet.
Weiterhin ist eine zweite Barriereschicht 14 zwischen der Ab- deckung 12 und dem Isolationsmedium 7 angeordnet. Bevorzugt ist diese Schicht ebenfalls als Siliziumnitridschicht oder als Siliziumoxynitridschicht ausgebildet. Durch die Barriereschichten 13 und 14 wird eine zweifache Einkapselung des Isolationsmediums erreicht, wobei das Isolationsmedium 7 unmit- telbar von den Barriereschichten 13 und 14 eingeschlossen ist und die Barriereschichten 13 und 14 wiederum von der Zwischenschicht 10 und der Abdeckung 12 umhüllt sind.
Durch die Einkapselung mittels der Barriereschichten 13 und 14 wird eine Diffusion des Isolationsmediums 7 oder von Komponenten des Isolationsmediums 7 in das Substrat 2 vermieden. Insbesondere bei organischen Isolationsmedien könnte sich eine Diffusion von C-Atomen in das Substrat nachteilig auswirken.
In Figur 3a bis 3d ist ein Verfahren zur Herstellung eines Isolationsgrabens der ersten Ausführungsform anhand von vier Zwischenschritten dargestellt . Figur 3e zeigt eine Variante des Herstellungsverfahrens.
Zunächst wird in einem Substrat 2 in an sich bekannter Weise ein flacher Isolationsgraben 15 gebildet, Figur 3a. Als Aus- gangsubstrat dient zum Beispiel ein Siliziumsubstrat mit einer integrierten Schaltung (nicht dargestellt) . Die Substratoberfläche ist mit einer Deckschicht 21, beispielsweise einer Nitridschicht, und einer darauf angeordneten Maskenschicht 17 bedeckt. Die Maskenschicht 17 kann mittels eines herkömmlichen Photolithographieverfahrens strukturiert werden. In nicht von der Maskenschicht bedeckten Bereichen wird dann der flache Isolationsgraben 15 in das Substrat geätzt.
Die Seitenflächen des flachen Isolationsgrabens werden nachfolgend jeweils mit einem Spacer 19, beispielsweise einem Si- liziumoxidspacer bedeckt.
In einem nächsten Schritt, Figur 3b, wird in dem flachen Iso- lationsgraben 15 eine Vertiefung 18 gebildet. Die Vertiefung 18 entspricht im wesentlichen einem tiefen Isolationsgraben und kann mittels eines hierfür geeigneten herkömmlichen Herstellungsverfahrens erzeugt, beispielsweise geätzt werden. Die Spacer 19 dienen als Schutz für den bereits gebildeten flachen Isolationsgraben 15 und zugleich als Maske, da die
Vertiefung 18 nur in den Bereichen des flachen Isolationsgrabens 15 geätzt wird, die nicht mit dem Spacer bedeckt sind.
Die nach der Bildung der Vertiefung 18 vorliegende Form des Isolationsgrabens 1 entspricht somit der in Figur 1 bzw. 2 gezeigten Ausführung, wobei der flache Isolationsgraben 15 dem ersten Bereich 4 und die Vertiefung 18 dem zweiten Bereich 5 entspricht.
Nachfolgend werden die Spacer 19 entfernt und die Seitenflächen 9 und die Bodenflächen 8 des Isolationsgrabens mit einer vorzugsweise geschlossenen Zwischenschicht 10 bedeckt, Figur 3c. Hierfür eignet sich wie bereits beschrieben eine Siliziumoxidschicht, die beispielsweise thermisch mit einer Dicke zwischen 5nm und lOnm aufgewachsen werden kann. In den so mit einer Zwischenschicht ausgekleideten Isolationsgraben 1 wird nun ein Isolationsmaterial 7, beispielsweise ein Material mit einer vorteilhaft niedrigen Dielektrizitätskonstante wie SiCOH, Polytetrafluorethylen, ein Xerogel oder ein Photoresist eingebracht. Das Isolationsmaterial 7 bildet dabei eine etwas unterhalb der Substratoberfläche 2 liegende Grenzfläche 11. Dazu wird vorzugsweise der Isolationsgraben zunächst vollständig mit dem Isolationsmaterial 7 gefüllt und nachfolgend das Isolationsmaterial 7 bis unter die Substrat- Oberfläche abgetragen.
Abschließend wird eine Abdeckung 12 auf dem Isolationsmedium 7 bzw. auf dessen Grenzfläche 11 abgeschieden, so dass das Isolationsmedium vollständig eingekapselt ist, Figur 3d. Als Abdeckung 12 eignet sich besonders eine Siliziumoxidschicht, die beispielsweise mittels eines CVD-Verfahrens abgeschieden werden kann. Zur weiteren Verbesserung der Einkapselung kann eine solche Siliziumoxidschicht verdichtet werden.
Zur Planarisierung der Abdeckung 12 eignet sich beispielsweise ein CMP- (chemical mechanical polishing) oder RIE- (reaktive ion etching) Verfahren. Dazu wird die Abdeckung 12 bis zu der Deckschicht 21 abgetragen, wobei eine ebene, mit der Oberfläche der Deckschicht 21 bündige Oberfläche der Abdek- kung 12 entsteht. Nachfolgend wird die Deckschicht 21 entfernt .
In Figur 3e ist eine Variante des Herstellungsverfahrens gezeigt. Der in Figur 3e dargestellte Zwischenschritt schließt sich an den in Figur 3c gezeigten Zwischenschritt an.
Hier wird vor der Füllung des mit der Zwischenschicht 10 ausgekleideten Isolationsgrabens 1 mit dem Isolationsmedium 7 eine die Zwischenschicht bedeckende erste Barriereschicht 13 aufgebracht. Hierfür kann beispielsweise eine Siliziumnitridoder Siliziumoxynitridschicht mittels eines LPCVD-Verfahrens (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) abgeschieden werden. Die Dicke der Barriereschicht liegt vorzugsweise zwischen 5nm und lOnm.
Nachfolgend wird wie bereits beschrieben der Isolationsgraben mit dem Isolationsmedium gefüllt.
Vor der Aufbringung der Abdeckung wird nun eine zweite Barriereschicht 14 auf dem Isolationsmedium 7 und gegebenenfalls auf der Substratoberfläche abgeschieden. Hierfür eignet sich ebenfalls eine Nitrid- oder Oxynitridschicht, wobei es vorteilhaft ist, die zweite Barriereschicht 14 bei einer möglichst geringen Temperatur, vorzugsweise unter 400°C, aufzubringen, um eine Zersetzung des Isolationsmediums vor dessen Einkapselung zu vermeiden. Die zweite Barriereschicht 14 wird daher vorzugsweise mittels eines CVD- (chemical vapor deposition) , PECVD- (plasma enhanced chemical vapor deposition) oder JVD-Verfahrens (Jet Vapor Deposition) abgeschieden. Ein JVD-Verfahren eignet sich insbesondere zur Abscheidung bei Raumtemperatur.
Abschließend wird wie bereits beschrieben der Isolationsgraben mit der Abdeckung 12 verschlossen und gegebenenfalls die Abdeckung 12 verdichtet und/oder planarisiert . Der so gebildete Isolationsgraben 1 entspricht im wesentlichen dem in Fi- gur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel.
In Figur 4 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines Isolationsgrabens gezeigt. Im Unterschied zu den in Figur 1 und 2 gezeigten Isolationsgräben entspricht dieser Isolationsgraben 1 der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Dementsprechend weist der Isolationsgraben 1 einen an die Substratoberfläche 3 grenzenden ersten Bereich 4 und einen nachgeordneten zweiten Bereich 5 auf, wobei die Grabenbreite x4 in dem zweiten Bereich 5 größer als die Grabenbreite x3 in dem ersten Bereich 4 ist. Die gesamte Grabentiefe y liegt bevorzugt zwischen lμm und 2μm. Damit ist die Tiefe dieses Iso- lationsgraben 1 größer als die typische Tiefe von 0,5μm eines flachen Isolationsgrabens, aber wesentlich kleiner als die Tiefe eines tiefen Isolationsgrabens, die in der Regel zwischen 4μm und 8μm liegt.
Die Seiten- und Bodenflächen 8,9 des Isolationsgraben sind schichtartig mit einem Isolationsmedium 7a bedeckt. Dies kann beispielsweise eine mittels eines CVD-Verfahrens abgeschiedene Siliziumoxidschicht sein. Vorzugsweise ist diese Schicht 10 so dick ausgeführt, dass sie sich im ersten Bereich 4 (dem "Flaschenhals") jeweils bis zur Mittellinie 15 des Isolationsgrabens 1 ersteckt und so ein Verschluß des Isolationsgrabens 1 entsteht.
Als weiteres Isolationsmedium 7b ist im zweiten Bereich des Isolationsgrabens 1 vorzugsweise ein Luftvolumen eingekapselt. Weitergehend können auch andere gasförmige Medien oder eines der bereits genannten Isolationsmedien mit niedriger Dielektrizitätskonstante verwendet werden.
In Figur 5a und 5b sind zwei Varianten eines weiteren Ausführungsbeispiels eines flaschenförmigen Isolationsgrabens, entsprechend der zweiten Ausführungsform der Erfindung, gezeigt.
Gegenüber dem in Figur 4 gezeigten Beispiel ist hier der Isolationsgraben 1 vor allem im zweiten Bereich 5 von einer p+- dotierten Schicht 16 umgeben. Diese p+-dotierte Schicht 16 dient der Reduktion von Leckströmen. Insbesondere bei der Ausbildung tiefer Isolationsgräben oder der Vertiefung bzw. Aufweitung des Isolationsgrabens im zweiten Bereich 5 mittels eines RIE-Verfahrens können an den Wänden des Isolationsgrabens positive Ladungen entstehen, die den Leckstrom vergrößern. Durch die Ausbildung der p+-dotierten Schicht 16 kann dies verhindert oder zumindest der Leckstrom reduziert wer- den. Die p+-dotiert Schicht 16 kann bei der Ausbildung des Isolationsgrabens durch entsprechende Dotierung aus dem Innenraum des Isolationsgrabens heraus, beispielsweise mittels Gasphasendotierung mit Diboran, PLAD (plasma enhanced doping) oder BSG (Boron Silicate Glass) erfolgen.
Vorzugsweise ist der Isolationsgraben 1 wie bei dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel durch die Aufbringung einer hinreichend dicken Schicht eines ersten Isolationsmaterials 7a auf die Grabenwände verschlossen, Figur 5a. Dabei wird von der Isolationsschicht 7a ein Hohlraum gebildet, in dem ein weiteres Isolationsmedium 7b, bevorzugt ein Gas wie beispielsweise Luft, eingeschlossen ist.
Alternativ kann der Isolationsgraben auch mittels einer gesonderten Abdeckung 12, vorzugsweise auf der Basis eines Siliziumoxids, verschlossen sein, Figur 5b.
In den Figuren 6a, 6b und 6c ist schematisch ein Herstel- lungsverfahren für einen flaschenförmigen Isolationsgraben, entsprechend der zweiten Ausführungsform der Erfindung, anhand von drei Zwischenschritten gezeigt .
Die ersten Schritte des Herstellungsverfahrens entsprechen dem bereits im Zusammenhang mit Figur 3a und 3b beschriebenen Verfahren und umfassen im wesentlichen die Ausbildung eines flachen Isolationsgrabens 15 und einer darin ausgeformten Vertiefung 18, Figur 6a. Die Seitenflächen des flachen Isolationsgrabens 15 sind wiederum mit einem Spacer 19 bedeckt. Dabei bildet der flache Isolationsgraben 15 den ersten Bereich 4 des zu bildenden flaschenförmigen Isolationsgrabens, dem die Vertiefung 18 als zweiter Bereich 5 nachgeordnet ist.
Im nächsten Schritt, Figur 6b, wird die Vertiefung lateral verbreitert, so dass nach der Verbreiterung die Grabenbreite x4 im zweiten Bereich 5 größer als die Grabenbreite x3 im ersten Bereich 4 ist . Verzugsweise wird der Isolationsgraben im zweiten Bereich 5 durch Nachätzen der Vertiefung mit einem isotrop angreifenden Ätzmittel wie zum Beispiel Kaliumhydroxid, Ammoniumhydroxid oder Schwefelhexafluorid verbreitert .
Der so gebildete flaschenförmige Isolationsgraben wird nachfolgend mit einer dünnen Zwischenschicht 10, beispielsweise einer thermischen Siliziumoxidschicht, versehen. Zuvor kann optional wie bereits beschrieben eine den Isolationgraben um- hüllende p+-dotierte Schicht mittels eines geeigneten Dotiermittels gebildet werden (nicht dargestellt) .
Anschließend wird der Isolationsgraben mit einem Isolationsmedium gefüllt und verschlossen, Figur 6c. Als Isolationsme- dium 7a kann beispielsweise ein Siliziumoxid verwendet werden, das mittels eines CVD-Verfahrens auf der Zwischenschicht 10 abgeschieden wird. Diese Siliziumoxidschicht 7a ist bevorzugt so dick, dass sie den Isolationsgraben im ersten Bereich 4 verschließt. Besonders bevorzugt wird dabei in dem zweiten Bereich 5 ein Luftvolumen als weiteres Isolationsmedium 7b eingekapselt .
Alternativ kann statt des Siliziumoxids ein anderes Isolationsmedium verwendet oder der Isolationsgraben nur mit Luft gefüllt sein. Hierbei ist es zweckmäßig, den Isolationsgraben zur Einkapselung des Isolationsmediums mit einer gesonderten Abdeckung zu verschließen.
Die Planarisierung der den Isolationsgraben verschließenden Schicht bzw. Abdeckung kann wie bereits beschrieben durch Abtragen der Schicht bzw. Abdeckung bis zur Dechschicht 21 und nachfolgender Entfernung der Deckschicht erfolgen.
In Figur 7 ist eine Variante zur Herstellung eines flaschen- förmigen Isolationsgrabens dargestellt. Zunächst wird in einem Substrat 2 mittels eines Ätzverfahrens, das im wesentlichen einen Abtrag in zur zur Substratoberfläche 3 senkrechter Richtung bewirkt, ein erster Bereich 4 des Isolationsgrabens ausgeformt. Hierfür eignet sich beispielsweise eine RIE-Ver- fahren.
Sobald die gewünschte Tiefe erreicht ist, wird eine isotrop ätzende Komponente hinzugegeben, so dass mit fortschreitender Ätzdauer eine laterale Verbreiterung des Isolationsgrabens 1 in einem dem ersten Bereich nachgeordneten zweiten Bereich 5 stattfindet. Nach Abschluß des Ätzverfahrens ist in dem Sub- strat ein Isolationsgraben 1 entsprechend der zweiten Ausführungsform ausgeformt, der wie bereits beschrieben weiter ausgestaltet, gefüllt und verschlossen werden kann.
Bei diesem Verfahren ist es zweckmäßig, vor der Verbreiterung des Isolationsgrabens 1 die Seitenflächen 9 des Isolations- grabens im ersten Bereich 4 zumindest teilweise mit einer Schutzschicht 22 zu versehen. Mittels dieser kragenförmigen Schutzschicht 22 kann eine Verbreiterung des Isolationsgrabens 1 im ersten Bereich 4 verhindert werden.
Als Material für die Schutzschicht 22 wird vorzugsweise ein Dielektrikum, insbesondere ein Siliziumoxid, -nitrid oder oxynitrid verwendet .
Die in Figur 6 und 7 beschriebenen Verfahren können auch in
Kombination angewandt werden. Dabei wird zunächst ein flacher Isolationsgraben gebildet, nachfolgend vertieft, so dass zunächst ein Teil des Flaschenhalses ausgebildet wird, und erst danach der Isolationsgraben verbreitert.
Ein entsprechender Isolationsgraben ist in Figur 8 dargestellt. Im Unterschied zu dem in Figur 6c gezeigten Isolationsgraben ist zwischen dem verbreiterten Bereich 5 und dem oberseitigen flachen Isolationsgraben ein den Flaschenhals bildender Zwischenbereich ausgeformt, der im Querschnitt die schmälste Stelle des Isolationsgrabens darstellt. Der im Figur 6c gezeigte Isolationsgraben stellt in dieser Hinsicht einen Spezialfall dar, bei dem dieser Zwischenbereich nicht gebildet wurde. Der Isolationsgraben ist wie bereits beschrieben mit einem Isolationsmedium 7a, beispielsweise einem Siliziumoxid, ausgekleidet, das zugleich den Isolationgraben im Zwischenbereich verschließt. Wiederum kann dabei ein weiteres Isolationsmedium 7b, vorzugsweise ein gasgefüllter Hohlraum oder ein Vakuum, umschlossen sein.
Die Erläuterung der Erfindung ist anhand der beschriebenen Ausführungsbeispiele ist selbstverständlich nicht als Beschränkung hierauf zu verstehen.

Claims

Patentansprüche
1. Isolationsgraben (1) für eine integrierte Schaltung, der in einem Substrat (2) mit einer Substratoberfläche (3) gebildet und mit einem Isolationsmedium (7) gefüllt ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Isolationsmedium (7) eine geringe relative Dielektrizitätskonstante aufweist, und der Isolationsgraben (1) mit einer Abdeckung (12) derart verschlossen ist, dass das Isolati- onsmedium (7) vollständig eingekapselt ist.
2. Isolationsgraben (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Isolationsgraben (1) einen an die Substratoberfläche (3) grenzenden ersten Bereich (4) aufweist, dem zweiter Bereich (5) nachgeordnet ist, wobei der Isolationsgraben (1) im ersten Bereich (4) eine erste Grabenbreite und im zweiten Bereich (5) eine zweite Grabenbreite aufweist und die erste Grabenbreite größer als die zweite Grabenbreite ist.
3. Isolationsgraben (1) nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Abdeckung (12) innerhalb des ersten Bereichs (4) gebildet ist .
4. Isolationsgraben (1) nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Isolationsmedium (7) vorwiegend oder ausschließlich im zweiten Bereich (5) angeordnet ist.
5. Isolationsgraben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Abdeckung (12) aus einem Siliziumoxid gebildet ist.
6. Isolationsgraben (1) für eine integrierte Schaltung, der in einem Substrat (2) mit einer Substratoberfläche (3) gebildet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Isolationsgraben (1) einen an die Substratoberfläche (3) grenzenden ersten Bereich (4) und einen dem ersten Bereich (4) nachgeordneten zweiten Bereich (5) aufweist, wobei der Isolationsgraben (1) im ersten Bereich (4) eine erste Grabenbreite und im zweiten Bereich (5) eine zweite Grabenbreite aufweist und die erste Grabenbreite kleiner als die zweite Grabenbreite ist.
7. Isolationsgraben (1) nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Isolationsgraben (1) zumindest teilweise mit einem Isolationsmedium (7) gefüllt ist.
8. Isolationsgraben (1) nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Isolationsmedium (7) ein Siliziumoxid ist.
9. Isolationsgraben (1) nach Anspruch 7 oder 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Isolationsgraben (1) zumindest teilweise mit Luft als Isolationsmedium (7) gefüllt ist.
10. Isolationsgraben (1) nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Isolationsmedium (7) eine geringe relative Dielektrizitätskonstante aufweist.
11. Isolationsgraben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Isolationsmedium (7) eine relative Dielektrizitätskonstante aufweist, deren Wert kleiner als 3,9, insbesondere kleiner als 3,0 ist.
12. Isolationsgraben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Isolationsmedium (7) SiCOH, Luft, Polytetrafluorethylen, ein Xerogel und/oder ein Photoresist enthält.
13. Isolationsgraben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Isolationsgraben (1) Seitenflächen (9) und wenigstens eine Bodenfläche (8) aufweist, die zumindest teilweise mit einer Zwischenschicht (10) bedeckt sind.
14. Isolationsgraben (1) nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Zwischenschicht (10) eine Siliziumoxidschicht, insbesondere aus thermischem Siliziumoxid ist.
15. Isolationsgraben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Isolationsgraben (1) Seitenflächen (9) und wenigstens eine Bodenfläche (8) aufweist, wobei zwischen dem Isolationsmedium (7) und den Seitenflächen (9) und/oder der Bodenflächen (8) zumindest teilweise eine Barriereschicht (13,14) ausgebildet ist .
16. Isolationsgraben (1) nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Barriereschicht (13,14) eine Siliziumnitridschicht oder eine Siliziumoxynitridschicht ist.
17. Isolationsgraben (1) nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Barriereschicht (13,14) eine Siliziumoxidschicht ist.
18. Verfahren zur Herstellung eines Isolationsgrabens (1) für eine integrierte Schaltung, der in einem Substrat (2) mit einer Substratoberfläche (3) gebildet und mit einem Isolationsmedium (7) gefüllt ist, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die Schritte a) Bereitstellen des Substrats (2) für die integrierte Schaltung oder mit der integrierten Schaltung, b) Bilden einer Vertiefung in dem Substrat (2) ; c) Füllen der Vertiefung mit einem Isolationsmedium (7) mit einer geringen relativen Dielektrizitätskonstante; d) Aufbringen einer Abdeckung (12) auf das Isolationsmedium
(7) , derart, dass das Isolationmedium (7) vollständig eingekapselt ist.
19. Verfahren nach Anspruch 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in Schritt b) die Vertiefung gebildet wird durch die Schritte
- Ausbilden einer ersten grabenförmigen Ausnehmung (15) in dem Substrat (2) mit einer ersten Grabenbreite;
- Ausbilden einer zweiten grabenförmigen Ausnehmung (18) innerhalb der ersten Ausnehmung (15) mit einer zweiten Grabenbreite, wobei erste Grabenbreite größer als die zweite Grabenbreite ist.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Vertiefung bzw. die Ausnehmungen durch Ätzen ausgebildet werden.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Isolationsmedium (7) eine Dielektrizitätskonstant aufweist, deren Wert kleiner als 3,9, insbesondere kleiner als 3,0 ist.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Isolationsmedium (7) SiCOH, Polytetrafluorethylen, Luft, ein Xerogel oder ein Photoresist enthält.
23. Verfahren einem der Ansprüche 18 bis 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Abdeckung (12) aus einem Siliziumoxid gebildet wird.
24. Verfahren einem der Ansprüche 18 bis 23, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Abdeckung (12) mittels eines CVD-Verfahrens aufgebracht wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Abdeckung (12) nach dem Aufbringen auf das Isolationsmedium (7) verdichtet wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Abdeckung (12) nach dem Aufbringen auf das Isolationsmedium (7) planarisiert wird.
27. Verfahren zur Herstellung eines Isolationsgrabens (1) für eine integrierte Schaltung, der in einem Substrat (2) mit einer Substratoberfläche (3) gebildet ist, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die Schritte a) Bereitstellen des Substrats (2) für die integrierte Schal- tung oder mit der integrierten Schaltung, b) Bilden einer Vertiefung mit einem ersten Bereich (4) und einem zweiten Bereich (5) , wobei der erste Bereich (4) an die Substratoberfläche (3) grenzt und der zweite Bereich
(5) dem ersten Bereich (4) nachgeordnet ist, c) Verbreitern der Vertiefung in dem zweiten Bereich (5) in lateraler Richtung.
28. Verfahren nach Anspruch 27, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Verfahren fortgeführt wird mit dem Schritt d) Füllen der Vertiefung mit einem Isolationsmedium (7) .
29. Verfahren nach Anspruch 27, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Isolationsmedium (7) SiCOH, Polytetrafluorethylen, Luft, ein Xerogel, ein Photoresist und/oder ein Siliziumoxid ent- hält .
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 29, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in Schritt b) die Vertiefung durch Ätzen gebildet wird.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 30, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in Schritt c) die Vertiefung durch Ätzen mit einem Ätzmittel, das eine isotrop abtragende Komponente enthält, verbreitert wird.
32. Verfahren nach Anspruch 31, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Ätzmittel Kaliumhydroxid, Ammoniumhydroxid oder Schwefel - hexafluorid enthält.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26 und 28 bis 32, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass vor dem Füllen der Vertiefung mit dem Isolationsmedium (7) Seitenflächen (9) und/oder Bodenflächen (8) der Vertiefung zumindest teilweise mit einer Zwischenschicht (10) versehen werden .
34. Verfahren nach Anspruch 33, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Zwischenschicht (10) eine insbesondere thermisch gebildete Siliziumoxidschicht ist.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26 und 28 bis 32, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zwischen dem Isolationsmedium (7) und Seitenflächen (9) und/oder Bodenflächen (8) der Vertiefung und dem Isolationsmedium (7) zumindest teilweise wenigstens eine Barriereschicht (13,14) ausgebildet wird.
36. Verfahren nach Anspruch 35, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Barriereschicht (13,14) ein Siliziumoxid, ein Siliziumnitrid oder ein Siliziumoxynitrid enthält.
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