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    • 专利摘要:
    Dievorliegende Erfindung betrifft eine in einem Substrat ausgebildeteGrabenisolationsstruktur. Auf der Oberfläche des Substrats wird mindestenseine Öffnungausgebildet und eine Haftschicht wird mindestens auf der Bodenfläche undauf den Seitenwändender Öffnungenaufgebracht. Eine dotierte Oxidschicht wird mindestens in die Öffnung eingebracht,und das Substrat wird ausgeheilt, um den Rückfluss der dotierten Oxidschichtzu bewirken. Nur ein Teil der dotierten Oxidschicht in der Öffnung wirdin der Näheder Substratoberflächeentfernt. Auf dem verbleibenden Bereich der dotierten Oxidschichtwird eine Deckschicht aufgebracht.
    公开号:DE102004013928A1
    申请号:DE200410013928
    申请日:2004-03-22
    公开日:2004-10-28
    发明作者:Michael Bethel Belyansky；Oleg Gluschenkov；Andreas Austin Knorr；Christopher Parks
    申请人:Infineon Technologies AG；International Business Machines Corp；
    IPC主号:H01L21-762
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft Halbleiterbauelemente in integriertenSchaltungen und insbesondere Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementenin integrierten Schaltungen, die Isolationsgräben für Transistoren mit geringenLeckströmenumfassen.
    [0002] VerschiedeneIsolationsverfahren wurden zur elektrischen Isolierung von einemoder mehreren in einem Substrat ausgebildeten Halbleiterbauelementenvon anderen Bauelementen eingesetzt. Zu diesen Verfahren gehören unteranderem die Isolierung des p-n-Übergangs,sowie die lokale Oxidation von Silizium (LOCOS). Aufgrund der zunehmenden Verkleinerungder Strukturgrößen beineueren Generationen von Halbleiterbauelementen und steigender Anzahlvon Bauelementen, sind diese bekannten Verfahren oft ungeeignetund ihre kontrollierte Realisierung wird zunehmend schwieriger.Zur Isolation solcher kleinerer und immer höher integrierter Halbleiterbauelementewird in der Regel eine Grabenisolation eingesetzt, bei der ein Grabenin einem Halbleitersubstrat ausgebildet wird und den Bereich umgibt,der elektrisch isoliert werden soll, und der mit einem isolierendenMaterial aufgefülltwird.
    [0003] EineKategorie von Transistoren mit extrem geringen Leckströmen, sogenannteDurchgangstransistoren, wird in Speicherzellenfeldern mit DRAM-Speicherzellen(dynamic random access memory – dynamischerHalbleiterspeicher mit wahlfreiem Zugriff) zum Zugriff auf die gespeicherteLadung eingesetzt. Bei verringerter Speicherzellengröße und verminderterBetriebsspannung bewegt sich die in einer Speicherzelle gespeicherteLadung im Bereich von etwa 10.000 bis 100.000 Elementarladungen bzw.von 6 bis 60 fC. Um einen großenAnteil einer solch geringen Ladung für einen sinnvollen Zeitraum (inder Regel einige hundert Millisekunden) halten zu können, sollteder Leckstrom in jeder Speicherzelle weniger als 10 fC betragen.In einem System mit solch extrem geringen Leckströmen können verschiedeneIsolationsverfahren den Leckstrom beeinflussen.
    [0004] Umeinen Isolationsgraben auszubilden, werden in der Regel eine odermehrere Ätzmaskenschichtenauf einem Halbleitersubstrat aufgebracht. Anschließend wirdeine dünnePhotoresistschicht auf der Ätzmaskenschichtaufgetragen und strukturiert. Dann werden ausgewählte Bereiche der Ätzmaskenschichtentfernt und Bereiche des Halbleitersubstrats freigelegt. Die freiliegendenBereiche des Halbleitersubstrats werden dann auf eine gewünschte Tiefe geätzt, undder Graben wird mit einem Isoliermaterial aufgefüllt. Jedes außerhalboder auf der Grabenöffnungaufgebrachte Isoliermaterial kann anschließend entfernt werden. Zudemkann dann das Ätzmaskenmaterialentfernt werden; es kann aber auch bereits vor dem Einbringen desIsoliermaterials entfernt werden.
    [0005] Mitzunehmender Verkleinerung der Strukturen von Halbleiterbauelementenverkleinert sich auch die Breite der Isolationsgräben. DieTiefe der Isolationsgräbenwird durch die Tiefe der verschiedenen, in den Substraten ausgebildetenBauelemente und durch den Mindestumfang der Isolationsgräben, der für eine effektiveIsolation zwischen den Bauelementen erforderlich ist, festgelegt.Folglich kann die Grabentiefe erhöht werden, um beispielsweisezwischen den Bauelementen einen konstanten Grabenumfang aufrechtzu erhalten. Das Verhältnisder Grabentiefe zur Grabenweite, das sogenannte Aspektverhältnis, wirdebenfalls erhöht.Darüberhinaus macht die dreidimensionale Integration der Bauelemente nochtiefere Isolationsgräbenerforderlich, was zu noch höherenAspektverhältnissenführt.Beispielsweise kann eine DRAM-Speicherzelle einen vertikalen Zugriffstransistorumfassen, der auf einen Speicherkondensator gestapelt ist. Der Isolationsgrabenfür einesolche vertikale Transistor-DRAM-Zelle muss tief genug sein, umden unteren Übergangdes vertikalen Durchgangstransistors zu isolieren. Bei einer mittels einerHalbleitertech nologie mit Mindeststrukturgrößen von 100 nm hergestelltenvertikalen DRAM-Speicherzelle beträgt das Aspektverhältnis derIsolationsgräbenbeispielsweise etwa 10 : 1. Wird ein Isoliermaterial, wie z.B. hochdichtesPlasmaoxid in einen Graben mit einem solchen Aspektverhältnis eingebracht,bilden sich in dem Isolationsmaterial im Graben häufig Hohlräume undRisse. Die Hohlräume können sichgänzlichunterhalb der Oberflächedes Halbleitersubstrats befinden, so dass die Isoliereigenschaftendes Isolationsgrabens und des Isolationsmaterials verschlechtertwerden. Die Hohlräume können sichalternativ bis zur Oberflächedes Halbleitersubstrats erstrecken, so dass bei anschließender Planarisierungdes Bauelements ein Riss in dem Isoliermaterial entsteht, der anschließend miteiner dünnenPolysiliziumschicht oder einem anderen leitenden Material aufgefüllt werdenkann, das zu Kurzschlüssenzwischen den Bauelementen führt.
    [0006] Folglichbesteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Grabenisolationsverfahren zurVerfügungzu stellen, bei dem der Graben mit einem Isoliermaterial in einerWeise aufgefülltwird, die die Bildung von Hohlräumenund Rissen verhindert.
    [0007] Alternativkönnendotierte Oxide, wie z.B. Borphosphorsilikatglas (BPSG) zum Auffüllen der Isolationsgräben verwendetwerden. Da solche dotierten Oxide bei hohen Temperaturen weicherwerden und verfließen,könnendie hoch aspektierten Gräbenmit einen dotierten Oxid aufgefülltund anschließendeinem Aufheizverfahren bei hohen Temperaturen unterworfen werden,bei dem das dotierte Oxid verfließt und das die Hohlräume undRisse, die sich beim Einbringen des dotierten Oxids in den Grabenbilden, eliminiert. Die Verwendung solch dotierter Oxide hat jedochden Nachteil, dass im Oxid enthaltene Dotierstoffe, wie z.B. Bor,Arsen oder Phosphor, währenddes Aufheizens und anderer nachfolgender Hochtemperatur-Bearbeitungsschritteaus dem dotierten Oxid in den Bauelementbereich diffundieren unddie Eigenschaften der Bauelemen te verändern können. Darüber hinaus haben solche dotiertenOxide den Nachteil einer hohen Ätzrate,wenn sie nasschemischen Lösungsmitteln,wie z.B. Säuren,ausgesetzt werden, und könnendaher nicht auf einfach steuerbare oder wiederholbare Weise geätzt werden.
    [0008] Eineweitere bekannte Alternative wird im US-Patent Nr. 6,143,626 vonYabu et al. unter dem Titel „MethodOf Manufacturing A Semiconductor Device Using A Trench IsolationTechnique" beschrieben.In einem Halbleitersubstrat wird ein Graben ausgebildet, und einedarunter liegende dünneIsolierschicht, die aus einem Hochtemperaturoxid (HTO) besteht,wird auf dem Substrat ausgebildet. Anschließend wird eine verfließbare dünne Schichtaufgetragen, die dicker als etwa die Hälfte der Grabentiefe ist undsodann durch eine Wärmebehandlungverfließt, zumHohlräumezu verhindern. Die dünneverfließbareSchicht wird dann zurückgeätzt, sodass nur ein kleiner Teil der dünnenSchicht auf dem Boden des Grabens verbleibt. In einem nächsten Schrittwird eine dünneSiliziumdioxidschicht aufgetragen, deren Dicke über die Grabentiefe hinausgehtund so eine dünneIsolationsschicht bildet, die den Graben ausfüllt. Wird in diesem Zusammenhangein dotiertes Oxid als dünneverfließbareSchicht verwendet, muss die HTO-Diffusionsbarriere dick genug sein,um ein Eindringen von Dotierstoffen in den Bauelementbereich zuvermeiden. Beispielsweise umfasst eine typische Wärmebehandlungbei der Herstellung von Transistoren Hochtemperaturverfahren zumAktivieren von Dotierstoffen, die bei 950°C bis 1050°C durchgeführt werden. Die HTO-Schichtmuss mindestens 40 bis 60 nm dick sein, um das Eindringen von Dotierstoffenaus dem Oxid in das Siliziumsubstrat im Wesentlichen zu vermeiden.Da aktuelle Herstellungsverfahren aus dem Stand der Technik Isolationsgräben verwenden,die nur 100 nm breit sind, ist ein umfassender Schutz vor dem Eindringenvon Dotierungstoffen nicht praktikabel, wenn das verfließbare Materialein hoch dotiertes Oxid ist. Aus diesem Grund eignet sich das Verfahrennicht fürGräbenmit immer kleineren Strukturgrößen (von etwa120 nm oder weniger) und hohen Aspektverhältnissen (von etwa 5 oder mehr).
    [0009] Darüber hinausgehen mit den Isolationsmaterialien und ihren entsprechenden Abscheidungsverfahrenbestimmte Erfordernisse fürdie Verwendung in Systemen mit extrem geringen Leckströmen, wiebeispielsweise DRAM-Speicherzellenfelder, einher. Die im Zusammenhangmit Verunreinigung, sowie Struktur- und Oberflächendefekten in den Transistorübergängen auftretendenelektrischen Leckströmemüssenvermindert werden, um die Speichereigenschaften zu verbessern. Ungesättigte Oberflächenbindungenund damit einhergehende Elektronenfallen mit einem Energieniveauin der Mitte des Siliziumbandabstandes an einer Silizium/Isolationsgraben-Grenzewerden in der Regel durch Aufwachsen eines qualitativ hochwertigenthermischen Siliziumoxids vermindert. Die thermische Oxidation von Siliziumist im Stand der Technik währendder letzten dreißigJahre zum Herstellen von nahezu perfekten Siliziumoxid/Silizium-Grenzflächen eingesetztworden. Bei einem typischen thermisch aufgewachsenen Siliziumoxidbeträgtdie Zustandsdichte der Energiefallen mit einem Energieniveau inder Mitte des Siliziumbandabstands an der Grenzfläche in etwa oderweniger als 1E11 cm–2eV–1 (undin der Regel etwa 3E10 cm–2eV–1)auf einer <100>-Siliziumkri-stallebene.Bei Anwendungen mit extrem geringen Leckströmen ist eine Zustandsdichteder Energiefallen mit einem Energieniveau in der Mitte des Siliziumbandabstandsan der Oberflächevon etwa 5E11 cm–2eV–1 höchst wünschenswert.
    [0010] Einbekanntes dotiertes Oxid, nämlich BPSG,weist Ionengettereigenschaften auf. Das bedeutet, dass beweglicheMetallionen (z.B. K+, Na+) in die BPSG-Schicht diffundieren undschnell chemische Bindungen mit den Phosphoratomen innerhalb derGlasmatrix eingehen. Aus diesem Grund kann ein BPSG-Material, das sichim Bereich einer Transistor-Sperrschichtfläche befindet, metallische Verunreinigungenaus der Übergangsschichtaufnehmen und dadurch Transistorlecks verrin gern. Das einzige Erfordernisfür eineffektives Ionengettern durch BPSG ist die Fähigkeit der Ionen, in die BPSG-Schichtzu diffundieren. Ein solches Erfordernis wird dann erfüllt, wenndie beweglichen Ionen auf keine wirkliche Diffusionsbarriere zwischender BPSG-Schicht und dem aktiven Gebiet des Transistors stoßen.
    [0011] Daherist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Grabenisolationsmaterialienzur Verfügungzu stellen, die einerseits die Bildung von Hohlräumen und Rissen vermeiden,und bei denen andererseits weder eine Diffusion von Dotierungen auftritt,noch hohe Nassätzratenvorliegen oder der Sperrstrom des Transistors verringert wird.
    [0012] DieseAufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und 16, sowiedurch eine Grabenisolationsstruktur gemäß Anspruch 17 und 26 gelöst. BevorzugteWeiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
    [0013] Dievorliegende Erfindung stellt einen Isolationsgraben zur Verfügung, indem ein verfließendes dotiertesOxidmaterial zum Auffüllendes Grabens unter Vermeidung von Hohlräumen eingesetzt wird, einedünne Haftschichtzum Beschichten von Seitenwändenund Bodenflächedes Grabens verwendet wird und als effektive Diffusionsbarrierefür Oxiddotierungendient, währendsie gleichzeitig bewegliche Ionen diffundieren lässt und bei dem eine dünne Deckschichtverwendet wird, um das dotierte Oxid vor Nassätzverfahren zu schützen undgleichzeitig als Diffusionsbarriere zu dienen. Darüber hinaus weistdie dünneHaftschicht angemessene Grenzflächenqualitäten auf(wie durch die Grenzflächen-Zustandsdichtebei Energieniveaus in der Mitte des Siliziumbandabstands bestimmtwurde), die mit Anwendungen mit extrem geringen Leckströmen kompatibel sind.
    [0014] Gemäß einerAusführungsformder vorliegenden Erfindung wird eine Grabenisolationsstruktur ineinem Substrat ausgebildet. In der Substratoberfläche wirdmindestens eine Öffnungeinge bracht, und eine Haftschicht wird mindestens auf der Bodenfläche undden Seitenwändender Öffnungausgebildet. Eine dotierte Oxidschicht wird mindestens in die Öffnung eingebrachtund das Substrat wird aufgeheizt, um die dotierte Oxidschicht innerhalbder Öffnungzu verfließen.Von der dotierten Oxidschicht in der Öffnung wird lediglich ein Teilin der Näheder Substratoberflächeentfernt, und eine Deckschicht wird in die Öffnung auf einem verbleibendenTeil der dotierten Oxidschicht aufgebracht.
    [0015] Gemäß einerweiteren Ausführungsformder vorliegenden Erfindung wird eine Grabenisolationsstruktur ineinem Substrat ausgebildet. In der Substratoberfläche wirdmindestens eine Öffnungausgebildet, die ein Aspektverhältnisder Tiefe zur Breite des Grabens von mindestens 5 : 1 aufweist.Eine dünne,qualitativ hochwertige Siliziumoxidschicht, die etwa 10 nm oderweniger umfasst, wird thermisch zumindest auf den Seitenwänden der Öffnung aufgewachsen.Eine Siliziumnitrid-(SiN)-Haftschichtwird mindestens auf einer Bodenfläche und Seitenwänden der Öffnungenaufgebracht und umfasst eine Dicke von mindestens 6 nm und höchstens20 nm. Eine dotierte Oxidschicht wird in die Öffnung eingebracht, und dasSubstrat wird bei einer Temperatur von mindestens 800°C für mindestens10 Minuten aufgeheizt, um die dotierte Oxidschicht in der Öffnung zu verfließen. Vonder dotierten Oxidschicht in der Öffnung wird ein etwa 50 nmumfassender Anteil in der Näheder Substratoberflächeentfernt. Eine durch hochdichtes Plasma (HDP) abgeschiedene Oxidschichtwird in die Öffnungauf dem verbleibenden Teil der dotierten Oxidschicht aufgebracht.
    [0016] Gemäß einerweiteren Ausführungsformder vorliegenden Erfindung befindet sich eine Grabenisolationsstrukturin einem Substrat. In der Substratoberfläche ist mindestens eine Öffnung ausgebildet, dieein Aspektverhältnisder Tiefe zur Breite von mindestens 5 : 1 umfasst. Eine dünne, qualitativhochwertige Siliziumoxidschicht, die etwa 10 nm oder weniger umfasst,wird thermisch mindestens auf den Seitenwänden der Öffnung aufgewachsen. Eine Siliziumnitrid-(SiN)-Haftschichtbefindet sich mindestens auf einer Bodenfläche und Seitenwänden der Öffnung undumfasst eine Dicke von mindestens 6 nm und höchstens 20 nm. In der Öffnung befindetsich eine verflossene, dotierte Oxidschicht, die die Öffnung mitAusnahme eines etwa 50 nm dicken Bereichs in der Nähe der Substratoberfläche im Wesentlichenausfüllt.Eine durch hochdichtes Plasma (HDP) abgeschiedene Oxidschicht wirdin der Öffnungauf der dotierten Oxidschicht aufgebracht.
    [0017] DieErfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Eszeigen:
    [0018] 1 eine Querschnittsdarstellungeines Bereichs eines Halbleitersubstrats, das eine gemäß einerAusführungsformder vorliegenden Erfindung ausgebildete Grabenisolationsstrukturumfasst;
    [0019] 2A bis 2F Querschnittsdarstellungen von Verfahrensschrittenzum Ausbilden von Grabenisolationsstrukturen in einem Bereich einesHalbleitersubstrats gemäß eineserfindungsgemäßen Verfahrens;
    [0020] 3 ein durch Sekundärionen-Massenspektrographie(SIMS) erstelltes Tiefenprofil von Phosphor-(P)- und Bor-(B)-Konzentrationen ineinem kristallinen Siliziumsubstrat nach dem Aufheizen einer Borphosphorsilikatglas-(BPSG)-Schichtbei 1050°Cfür 30Sekunden, wobei die BPSG-Schicht vom Substrat durch eine 2 nm dickeSiN-Schicht getrennt ist;
    [0021] 4 ein SIMS-Tiefenprofilvon Phosphor-(P)- und Bor-(B)-Konzentrationenin einem kristallinen Siliziumsubstrat nach dem Aufheizen einer BPSG-Schichtbei 1050°Cfür 30Sekunden, wobei die BPSG-Schicht vom Substrat durch eine 4 nm dickeSiN-Schicht getrennt ist;
    [0022] 5 ein SIMS-Tiefenprofilvon Phosphor-(P)- und Bor-(B)-Konzentrationenin einem kristallinen Siliziumsubstrat nach dem Aufheizen einer BPSG-Schichtbei 1050°Cfür 30Sekunden, wobei die BPSG-Schicht vom Substrat durch eine 6 nm dickeSiN-Schicht getrennt ist;
    [0023] 6 ein SIMS-Tiefenprofilvon Phosphor-(P)- und Bor-(B)-Konzentrationenin einem kristallinen Siliziumsubstrat nach dem Aufheizen einer BPSG-Schichtbei 1050°Cfür 30Sekunden, wobei die BPSG-Schicht vom Substrat durch eine 8 nm dickeSiN-Schicht getrennt ist; und
    [0024] 7 ein SIMS-Tiefenprofilvon Phosphor-(P)- und Bor-(B)-Konzentrationenin einem kristallinen Siliziumsubstrat mit einer durch hochdichtes Plasmaaufgebrauchten Oxid-Deckschichtnach dem Aufheizen einer BPSG-Schicht bei 800°C für 10 Minuten und 1050°C für 90 Sekunden,wobei die BPSG-Schichtmit der HDP-Oxid-Deckschicht bedeckt ist.
    [0025] 1 zeigt einen Querschniteines Substratbereichs, in dem eine Grabenstruktur gemäß der vorliegendenErfindung ausgebildet wurde. In einem Halbleitersubstrat 100 wirdein Graben 102 mit einem Aspektverhältnis von mindestens 5 : 1ausgebildet. Die Bodenflächeund die Seitenwändedes Grabens 102 ist, abgesehen vom obersten Grabenbereich,mit einer dünnenHaftschicht 104 beschichtet, die in der Regel eine qualitativhochwertige Siliziumoxidschicht (SiO2) miteiner Dicke von etwa 10 nm ist, die mit einer 6 bis 20 nm dickenSiliziumnitridschicht (SiN) bedeckt ist.
    [0026] Dasan das Substrat 100 angrenzend ausgebildete qualitativhochwertige Siliziumoxid sorgt für niedrigeLeckströme(d.h. geringe Fallenbildung) von in der Regel weniger als etwa 50fA/μm2. Um einen solch geringen Leckstrom zu erhalten,ist eine gute Schnittstelle zwischen dem Substrat 100 undder Haftschicht 104 erforderlich. Die Grenzflächenqualität wird durchMessung der Grenzflächen-Zustandsdichteder Energieni veaus in der Mitte des Siliziumbandabstands, was einHinweis auf die Anzahl von Ladungsfallen und/oder auf ungesättigte Bindungen ander Grenzflächeist. Eine Energiezustandsdichte von weniger als 5E11 cm–2eV–1 wirdbei Energieniveaus in der Mitte des Bandabstands einer Grenzfläche zwischeneinem Siliziumsubstrat 100 und einer Haftschicht 104 bevorzugt.
    [0027] Esist bekannt, das thermisches Siliziumoxid bei einem kristallinenSiliziumsubstrat eine hochqualitative Grenzfläche zur Verfügung stellt.Bei einem typischen, thermisch aufgewachsenen Siliziumoxid beträgt die Grenzflächendichtevon Ladungsträgerfallen miteinem Energieniveau in der Mitte des Siliziumbandabstands in etwaoder höchstens1E11 cm–2eV–1 undliegt in der Regel bei etwa 1E10 cm–2eV–1 für die kristallographische <100>-Ebene des Siliziums.Die andere kristallographische Siliziumebene <110> liegt inder Regel in den Isolationsstrukturen vor und hat eine geringfügig höhere Grenzflächen-Zustandsdichte,und zwar um einen Faktor von zwei bis drei. Folglich sorgt die thermischeSiliziumoxidschicht in der Haftschicht 104 für eine qualitativhochwertige Schnittstelle. Außerdemsorgt der SiN-Anteil der Haftschicht 104 für eine wirksameDiffusionsbarriere.
    [0028] DerBodenbereich des Grabens 102 wird ebenfalls mit einem verflossenen,dotierten Oxidmaterial 106, das weder Hohlräume nochRisse aufweist, aufgefüllt.Das dotierte Oxid ist in der Regel Borphosphorsilikatglas, obwohlauch andere dotierte Oxide, wie beispielsweise Phosphorsilikatglas (PSG),Borsilikatglas (BSG), mit Arsen dotierten Siliziumdioxid oder mitIonen implantiertes Siliziumdioxid verwendet werden können. Deroberste Grabenbereich in der Näheder Oberflächedes Halbleitersubstrats 100 wird mit einer Deckschicht 108 aufdem dotierten Oxid aufgefüllt,beispielsweise mit einer 50 nm dicken Schicht eines durch hochdichtesPlasma (HDP) aufgebrachten Oxids. Die Haftschicht 104 und dieDeckschicht 108 dienen als Diffusionsbarrieren, um dieDiffusion von Dotierstoffen, wie z.B. Bor, Phosphor oder Arsen,aus dem dotierten Oxid währendeines Verfließensoder währendanderen thermischen Verfahren zu verhindern. Darüber hinaus wird die Haftschicht 104 soausgewählt,um eine effiziente Diffusion von beweglichen Metallionen durch dieHaftschicht 104 zu ermöglichen.Die Deckschicht 108 schütztdarüberhinaus das dotierte Oxid währendnachfolgender Verfahrensschritte bei der Nassätzung.
    [0029] Die 2A bis 2F zeigen eine Abfolge von Verfahrensschrittenzum Herstellen einer erfindungsgemäßen Grabenstruktur. Zunächst wird,wie in 2A gezeigt ist,mindestens ein Graben 202 geätzt, in der Regel mit einemAspektverhältnisder Tiefe zur Breite von mindestens 5 : 1. Beispielsweise können 100nm breite Gräbenmit einer Tiefe von etwa 600 nm geätzt werden. Im Sinne einerklareren Darstellung sind drei Gräben gezeigt, die voneinanderdurch einen Abstand getrennt sind, der den Grabenbreiten entspricht.Das erfindungsgemäße Verfahreneignet sich jedoch auch füreinzelne Gräben oderfür Gräben mitanderer Beabstandung. Die Breite der in einem einzelnen SubstratgeätztenGräben kannin Abhängigkeitvon den spezifischen Bauelementefunktionen stark variieren.
    [0030] DieGräben 202 können inbekannter Weise in dem Substrat 200 ausgebildet werden.In der Regel werden zuerst eine oder mehrere Ätzmaskenschichten auf der Substratoberfläche 200 aufgebracht,wie z.B. eine dünneSiliziumdioxidschicht, gefolgt von einer dickeren Siliziumnitridschicht.Wahlweise könnenauf der Siliziumnitridschicht auch eine Hartmaskenschicht bzw. -schichtenaufgebracht werden. Solch eine Hartmaskenschicht bzw. solche Hartmaskenschichtenkönnenverschiedene dotierte Oxide wie z.B. BPSG, BSG, PSG, FSG, o.ä. enthalten, und/oderamorphe Siliziumschichten. Oberhalb der Hartmaskenschichten kannwahlweise eine Antireflexionsbeschichtung aufgetragen werden, umeinen nachfolgenden, hochauflösendenLithographieschritt durch Verändernder reflexiven Eigenschaften des gesamten Schichtstapels zu unterstützen.
    [0031] Anschließend wirdeine Photoresistschicht auf der Ätzmaskenschichtbzw. den Ätzmaskenschichtenaufgebracht, belichtet und in bekannter Weise entwickelt, um Öffnungenin der Ätzmaskenschichtbzw. den Ätzmaskenschichtenauszubilden. Vor der Belichtung kann wahlweise eine weitere Antireflexionsbeschichtungauf der Photoresistschicht aufgebracht werden. Eine solche, obenauf liegende Antireflexionsbeschichtung kann den hoch auflösenden Lithographieschrittweiter unterstützen.Zur besseren Bestimmung und Übertragungder verschiedenen, fein ausgebildeten Strukturen kann eine mehrfacheBelichtung eingesetzt werden. Die belichteten Bereiche der Ätzmaskenschichtenwerden anschließendgeätzt,und die Photoresistschicht kann entfernt werden. Die Vielzahl einanderunähnlicherMaskenschichten ermöglichteine größere Flexibilität beim Wechselder Ätzchemieund beim Verbessern der Selektivität für jeden Ätzprozess in Bezug auf diedarunter liegenden Schichten.
    [0032] Anschließend werdendie Bereiche des Halbleitersubstrats, die durch die Öffnungenin der Ätzmaskenschichtbzw. den Ätzmaskenschichten freigelegtwerden, geätzt,um Gräben 202 auszubilden.Manche oder alle Ätzmaskenschichtenkönnen dannentfernt werden. In einer Ausführungsformwird eine dotierte Oxid-Hartmaskenschicht entfernt. Die SiN-Kontaktschichtverbleibt jedoch, bis die Strukturen gänzlich durch chemisch-mechanisches Polieren planarisiertwurden.
    [0033] Dannwird, wie in 2B gezeigtist, eine dünneSchicht thermisch aufgewachsenen Siliziumoxids auf den Grabenwänden ausgebildet.Vor dem Aufwachsen des Oxids wird die Halbleiterscheibenoberfläche (einschließlich derGrabenwände)vorzugsweise gereinigt, um alle organischen und metallischen Verunreinigungenzu entfernen. Die Reinigung vor der Oxidation kann eine sauerstoffhaltigePlasmabehandlung (z.B. mit molekularem Sauerstoff oder Ozon) zumEntfernen aller organischen Polymere und/oder eine RCA-Reinigungsabfolgenach industriellem Standard zum Entfernen der ionischen und organi schenVerunreinigungen umfassen. Die Oberfläche der Halbleiterscheibe kannauch chemisch oxidiert werden, um die Oberfläche mit einer 1 bis 2 nm dickenOxidschicht zu versiegeln. Das chemisch aufgebrachte Oxid verhinderteine Verunreinigung der Oberflächewährenddes Transports der Halbleiterscheibe in eine Oxidationsanlage.
    [0034] DieOxidationsanlage kann entweder ein mit Losen beschickbarer Reaktor,z.B. ein Oxidationsofen, oder eine Anlage zum Verarbeiten einzelner Halbleiterscheiben,wie z.B. eine RTP-Anlage(rapid thermal processor – Anlagefür schnellethermische Verfahren) sein. Das Oxid wird thermisch durch Erhitzender Halbleiterscheibe in der Gegenwart eines sauerstoffhaltigenGases, wie z.B. O3, O2,N2O oder NO, bei einer Temperatur, die inder Regel zwischen 500°Cund 1100°Cliegt, aufgewachsen. Es kann auch eine Radikalen-unterstützte thermischeOxidation eingesetzt werden, bei der Sauerstoffradikale zunächst durchein Anregungsverfahren aus einem sauerstoffhaltigen Gas erzeugtwerden. Die Radikalen-unterstützteOxidation kann bei einer Temperatur, die zwischen Raumtemperatur(ca. 25°C)und 1100°Cliegt, durchgeführtwerden. Verfahrenszeit, Verfahrenstemperatur und der Teildruck desHauptoxidierstoffs werden so gewählt,dass eine Oxidschicht von etwa 2 bis 10 nm aufgewachsen wird. Dahöhere Oxidationstemperatureneine geringere Zustandsdichte an der Schnittstelle zur Folge haben,werden Oxidationstemperaturen von über 800°C bevorzugt.
    [0035] Auchdie nachfolgende Abkühlungsgeschwindigkeitder Halbleiterscheibe kann die Zustandsdichte an der Grenzfläche ebenfallsbeeinträchtigen.Eine geringere Abkühlungsratehat in der Regel eine geringere Zustandsdichte an der Grenzfläche zurFolge, so dass eine Abkühlungsratevon höchstens5°C/Minutebevorzugt wird.
    [0036] Beieiner Radikalen-unterstütztenOxidation hat die Abkühlungsratejedoch weniger Auswirkungen auf die Zustandsdichte an der Grenzfläche, wodurcheine hohe Abkühlungsrateverwen det werden kann, ohne dass dies zu Beeinträchtigungen der Oxidqualität führt. Beispielsweisekann eine in-situ erzeugte Dampfmischung (ISSG-Verfahren) zum Herstellenvon Sauerstoffradikalen in einer RTP-Anlage verwendet werden, wobeieine mehrstufige chemische Reaktion zwischen molekularem Wasserstoff undSauerstoff bei vermindertem Druck eingesetzt wird. Bei einer Abkühlrate von10 bis 50°C/Sekunde entstehtim ISSG-Verfahren ein Oxid mit einer Zustandsdichte an der Schnittstelle,die vergleichbar ist mit einer Halbleiterscheibe, die in einem typischen Ofenverfahrenbearbeitet wurden.
    [0037] NachfolgendeVerfahrensschritte könnendie Qualitätdes Oxids an der Grenzflächeebenfalls verändern.Beispielsweise kann das kleine Wasserstoffatom die ungesättigtenBindungen an der Grenzflächebinden. Währendeiner standardmäßigen Aufheizungmit Forming-Gas gegen Ende des Herstellungsverfahrens diffundierendie kleinen Wasserstoffmoleküleschnell bei relativ geringen Aufheiztemperaturen (in der Regel bei400 bis 500°C)durch eine relativ dicke Schicht von Verbindungselementen, um die Oxidschnittstellenzu reparieren. Außerdemkann ein Aufheizen mit Forming-Gas oder Wasserstoff die Qualität des Oxidsan der Grenzflächeverbessern. Darüberhinaus ist bekannt, dass Aufheizschritte bei hohen Temperaturendie Qualitätder Oxidgrenzflächeverbessern. Bei Temperaturen, die über 950°C liegen, wird die Oxidschichtzähflüssig undlindert mechanische Beanspruchungen, wodurch die Anzahl von freienBindungen und feststehenden Ladungen, die durch die Beanspruchungan oder im Bereich der Grenzflächeverursacht werden, verringert wird.
    [0038] AndereschützendeVerfahrensschritte könnendie Qualitätder Oxidgrenzflächebeeinträchtigen.Beispielsweise erhöhteine großeAnhäufung vonStickstoff an der Grenzflächedie Zustandsdichte an der Grenzfläche. Folglich sollte die Anzahlan Stickstoffatomen an der Grenzfläche vorzugsweise weniger alsetwa 25% der Sauerstoffatome an der Grenzfläche betragen.
    [0039] Gemäß der vorliegendenErfindung ist die Oxidschicht mit einer abgeschiedenen Siliziumnitridschichtbedeckt. Die Mindestdicke des Oxids wird dann durch das SiN-Abscheidungsverfahrenbestimmt. Das Oxid sollte dick genug sein, um eine übermäßige Stickstoffanhäufung ander Silizium/Siliziumoxid-Grenzfläche zu verhindern.Abhängigvon der Abscheidungstemperatur des Siliziumnitrids und des spezifischenStickstoffvorprodukts beträgtdie Mindestdicke des Oxids zwischen 2 nm und 5 nm. Die maximaleOxiddicke ist in der Regel beschränkt, um einen unerwünschtenAnstieg des Aspektverhältnissesdes Grabens zu verhindern. Beispielsweise erhöht eine 10 nm dicke Haftschichtdas Aspektverhältniseines 100 nm breiten Grabens um 20%.
    [0040] Einedünne Siliziumnitrid-Haftschicht 204, diein der Regel etwa 6 bis 20 nm dick ist, wird auf den Seitenwänden undder Bodenflächeder Gräben 202,sowie auch auf der Oberflächedes Halbleitersubstrats 200 unter Verwendung eines CVD-Verfahrensoder anderer Verfahren aufgebracht. In einer Ausführungsformwird die Siliziumnitrid-Haftschicht durch ein LPCVD-Verfahren ineinem Ofen aufgebracht. Der bevorzugte Temperaturbereich für das LPCVD-Verfahrenliegt zwischen 600°Cund 800°C unddas bevorzugte chemische Vorprodukt für das LPCVD-Verfahren sindDCS (Dichlorsilan) und Ammoniak (NH3) beieinem bevorzugten Reaktordruck von weniger als 1 Torr. Ein LPCVD-Verfahren bei einerniedrigeren Temperatur kann eine weniger dichte dünne Siliziumnitridschichtzur Folge haben, die einen hohen Wasserstoff- und/oder Siliziumanteilenthält.Solche Wasserstoff- oder Silizium-reichen dünnen Schichten sind schlechteDiffusionsbarrieren. Darüberhinaus kann, wie oben beschrieben, eine höhere Abscheidungstemperatureine großeStickstoffanhäufungan der Grenzflächebewirken.
    [0041] Auchandere Verfahrensbedingungen und Reaktoren eignen sich. Beispielsweisekann aus einer atomaren Niedertemperaturschicht oder durch gepulsteCVD-Reaktoren eine qualitativ hochwertige, dünne Siliziumnitridschicht beiTemperaturen von unter 500°Caufwachsen.
    [0042] DerOxid-Nitrid-Stapel kann wahlweise aufgeheizt werden, um sowohl dieQualitätder Oxidgrenzfläche,als auch die Eignung des Siliziumnitrids als effiziente Diffusionsbarrierezu verbessern. Eine solche Aufheizung kann in einer neutralen Umgebung(z.B. N2 oder Ar) oder in einer stickstoffhaltigen Umgebung(z.B. NH3 oder atomarer Stickstoff) durchgeführt werden.Die bevorzugte Aufheiztemperatur liegt im Bereich zwischen 900°C und 1100°C, und die bevorzugteAufheizzeit variiert zwischen einer Sekunde und einer Stunde.
    [0043] Ineinem nächstenSchritt wird, wie in 2C gezeigtist, eine dotierte Oxidschicht 206 aufgebracht, die dieGräben 202 ausfüllt undaußerdemdie Substratoberflächeabdeckt. Die dotierte Oxidschicht umfasst in der Regel eine Mindestdicke,die der Hälfteder Grabenbreite entspricht. In der Regel wird eine BPSG-Schichtunter Verwendung eines CVD-Verfahren oder anderer bekannter Verfahrenaufgebracht, obwohl andere verfließbare Schichten, wie z.B. BSG odermit Ionen implantiertes Glas verwendet werden können. Das verfließbare Materialkann mit einem Material zum Gettern von beweglichen Ionen vermischtund/oder beschichtet sein, wie z.B. PSG, Arsen-basiertes Glas oder mit Ionen implantiertesGlas. BPSG ist beispielsweise eine Mischung aus verfließbarem Material(BSG) und einem Ionen-Getter-Material (PSG). Die Bormenge im BPSGbestimmt seine Verfließungseigenschaften,währenddie Phosphormenge die Ionen-Getter-Eigenschaften bestimmt. Die Bor- bzw. Phosphorkonzentrationin dem dotierten Oxid kann unabhängigangepasst werden. Die bevorzugte Borkonzentration im BPSG reichtvon 1 bis 10 Gewichtsprozent, währenddie bevorzugte Phosphorkonzentration zwischen 0,1 bis 10 Gewichtsprozentliegt. Die Gesamtkonzentration der Dotierung wird in der Regel unter10 Gewichtsprozent gehalten.
    [0044] Aufgrunddes hohen Aspektverhältnissesder Gräbentreten oft Hohlräume 207 inder dotierten Oxidschicht 206 innerhalb der Gräben 202 auf.Um diese Hohlräumezu entfernen, wird das Substrat bei einer Temperatur von mindestens800°C aufgeheizt, um,wie 2D zeigt, ein Verfließen derdotierten Oxidschicht 206 zu ermöglichen. Der Verfließungsschrittwird vorzugsweise bei einer Temperatur von 900°C für etwa zehn Minuten oder länger eineinem mit Losen beschickbaren Ofen oder alternativ bei einer Temperaturvon 1000°Cfür etwaeine Minute in einem RTP-Reaktor für einzelne Halbleiterscheiben durchgeführt.
    [0045] Anschließend wirdein Nassätzschrittdurchgeführt,wie in 2E dargestelltist. Bei der Nassätzungwerden der Teil der dotierten Oxidschicht 206 und die Haftschicht 204 aufdem Substrat 200 entfernt. Darüber hinaus entfernt die Nassätzung einen kleinenBereich der dotierten Oxidschicht und die Haftschicht vom oberstenBereich der Gräben 202.In der Regel wird ein etwa 50 bis 100 nm dicker Bereich des dotiertenOxids vom oberen Teil des Grabens entfernt. Alternativ kann aucheine Trockenätzung odereine Kombination aus chemisch-mechanischem Polieren(CMP) gefolgt von entweder einer Trocken- oder Nassätzung eingesetztwerden.
    [0046] Isolationsgräben, diemit einem Material mit hohem Dehnungskoeffizienten aufgefüllt sind,sind alles andere als wünschenswert,da sie der Grund zahlreicher Lageveränderungen sind, was zum Auftretenvon Leckströmenbeiträgt.Folglich weist die verbleibende dünne BPSG-Schicht vorteilhafterweiseeinen relativ geringen Dehnungskoeffizienten von weniger als +1Gdyne/cm2 auf, im Gegensatz zum wesentlichhöherenDehnungskoeffizienten des häufigerverwendeten, aufgeschleuderten Glases, das in der Regel eine Dehnungsbeanspruchungvon +2 bis +5 Gdyne/cm2 nach einer Hochtemperatur-Aufheizungaufweist.
    [0047] Wiein 2F dargestellt, wirdanschließend eineDeckschicht 208 aufgebracht, um den Teil des Grabens, ausdem das dotierte Oxid entfernt wurde, aufzufüllen. Die Deckschicht 208 istin der Regel eine 50 bis 100 nm dicke Schicht aus HDP-Oxid, obwohl andereOxidmaterialien, wie beispielsweise TEOS, durch ein thermischesVerfahren oder CVD-Verfahren aufgebracht werden können. DickereSchichten sind, abhängigvon der Ausgangsdicke des dotierten Oxids, der Grabentiefe und derim Substrat vorhandenen Bandbreite der Grabenabmessungen ebenfallsnützlich.HDP-Oxid wird aufgrund seiner Druckbeanspruchung von etwa –1 bis –2 Gdyne/cm2, die die mäßige Dehnungsbeanspruchungder dotierten Oxidschicht ausgleicht, bevorzugt. Folglich ist der Dehnungskoeffizientdes Grabenschichtmaterials insgesamt verringert, wodurch die Wahrscheinlichkeiteiner Verlagerung in dem Substrat 100 sinkt.
    [0048] Inder Regel wird die Deckschicht sowohl in den Gräben 202, als auchauf der Oberflächedes Substrats 200 aufgebracht; anschließend wird der Bereich der Deckschicht,der sich oberhalb der Substratoberfläche befindet und oberhalb derGrabenöffnungenaufgebracht ist, durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) oderandere Planarisierungsverfahren entfernt. Anschließend kanndie Ätzmaskenschicht,in der Regel SiN, durch Nassätzenentfernt werden.
    [0049] Hochgeschwindigkeits-Logiktransistoren werdenin der Regel in dem Substrat nach der Ausbildung der Isolationsstrukturhergestellt und erfordern mindestens einen Hochtemperaturschrittzum Aktivieren der Dotierung, die die Transistorbereiche bestimmen.Ein typischer Dotierungs-Aktivierschritt wird ein einem RTP-Reaktorbei einer Temperatur von 950°Cbis 1050°Cfür 1 bis30 Sekunden durchgeführt.Andere Hochtemperaturschritte können nachder Verfahrensabfolge zur Herstellung des Isolationsbereichs ebenfallserforderlich sein, wie z.B. thermische Oxidationsverfahren, Aufheizvorgänge zumVerfließen,Aufheizvorgängezur Silizidbildung, sowie Hochtemperatur-CVD-Abscheidungsverfahren.Daher muss eine Isolations struktur mit solchen Hochtemperaturverfahrenkompatibel sein. Die Oxiddotierungen im unteren Bereich der Isolationsstruktur sollteninnerhalb der Struktur enthalten sein, und ein Eindringen der Oxiddotierungendurch die Haftschicht 104 in das Substrat 100 solltedie nützlichen Strukturendes Substrats 100 nicht beeinträchtigen.
    [0050] Beispielsweisesollten die Oxiddotierungen den Dotiertyp der Wanne, in der sichdie Isolationsstruktur befindet, nicht verändern. Eine Dotierwanne kannzwar ein ungleichmäßiges, dreidimensionales Dotierprofilaufweisen, jedoch ist die Mindestdotierkonzentration im Bereichder Isolationsstruktur äußerst ausschlaggebend.Eine typische Mindestdotierkonzentration im Hintergrund einer Wannereicht von etwa 5E17 cm–3 bis etwa 1E18 cm–3.Deshalb sollte die Konzentration der n-leitenden Dotierungen (z.B. P oder As),die von der dotierten Oxidschicht in eine P-Wanne eindringen, aufetwa 3E17 cm–3 beschränkt sein.Ein ähnlichesKriterium kann fürp-leitende Dotierungen (z.B. B), die von der dotierten Oxidschicht ineine N-Wanne eindringen, aufgestellt werden. Bei einer CMOS-Schaltung, bei der üblicherweisedie gleiche Isolationsstruktur sowohl für die P-Wannen, als auch für die N-Wannenverwendet wird, sollte die Konzentration der Oxiddotierungen, diewährend Hochtemperaturverfahrenin ein Substrat eindringen, den Konzentrationswert von 3E17 cm–3 nicht überschreiten.
    [0051] Ineiner DRAM-basierten Schaltung, in der zwei Arten von Isolationsstruktureneingesetzt werden können,nämlicheine in dem DRAM-Speicherzellenfeld und eine im CMOS-Logikschaltkreis,könnendie Kriterien zur Beschränkungder Oxiddotierungen von Dotierung zu Dotierung variieren. Eine solcheSituation tritt in einer vertikalen Transistor-DRAM-Speicherzelleauf, bei der sich ein vertikaler Durchgangstransistor in der Regelin der P-Wanne befindet. Die Grenze für n-leitende Dotierung (z.B. P, As) liegt,wie oben beschrieben, bei 3E17 cm–3.Allerdings kann die p-leitende Dotierung (z.B.
    [0052] B)die Hintergrundkonzentration der Dotierung in der Wanne ohne Wechseldes Wannentyps steigern. Aus diesem Grund ist das Bedürfnis nach einerBeschränkungfür einep-leitende Dotierung wesentlich geringer, so dass die Konzentrationder p-leitendenDotierung, die währendder Hochtemperaturschritte in die P-Wanne eindringen, einen Konzentrationswertvon 3E18 cm–3 nicht überschreiten sollten.Dieser Konzentrationswert liegt etwas höher als eine typische Hintergrundkonzentrationder Dotierung in der P-Wanne. Das weniger strenge Kriterium für P-Wannenist wichtig, weil Bor, eine typische, p-leitende Dotierung, vielschneller diffundiert als die typische, n-leitende Dotierung Arsen oder Phosphor.
    [0053] DieKriterien füreine Dotierungsbeschränkungkönnenauch als Dotierdosis niedergelegt werden, die in das Substrat eindringt.Die Dotierung wird als Dotierungsmenge beschrieben, die durch eine Flächeneinheitder Diffusionsbarriere in das Substrat diffundiert und mittels einerflächendeckendenWaferdotierung (eindimensional) gemessen wird. In der Regel entsprichteine Dosis von etwa 1E11 cm–2 in etwa einem Konzentrationslimitvon 3E17 cm–3,wobei eine Dosis von etwa 1E12 cm–2 inetwa dem Konzentrationslimit von 3E18 cm–3 entspricht.Folglich könnendie entsprechenden Beschränkungskriterien unterBezugnahme auf die Dotierungsdosen 1E11 cm–2 und1E12 cm–2 festgelegtwerden.
    [0054] Die 3 bis 6 zeigen Tiefenprofile von Phosphor-(P)und Bor-(B)-Konzentrationen in einem kristallinen Siliziumsubstratnach Aufheizen einer BPSG-Schicht bei 1050°C für 30 Sekunden, wobei die BPSG-Schichtvon dem Substrat durch eine SiN-Schicht getrennt ist, die 2 nm,4 nm, 6 nm bzw. 8 nm dick sein kann. Die Tiefenprofile wurden mittels Sekundärionen-Massenspektrographie(SIMS) erstellt. Vor dem Messen der SIMS-Profile werden die BPSG-Schichtund die dünneSiN-Barriere vonder bearbeiteten Halbleiterscheibe entfernt. Außerdem entsteht auf der Oberfläche derProbe aufgrund des Kontakts mit Feuchtigkeit eine dünne Schichtnatürlichen Oxids(~ 1 nm), welche relativ großeBormengen anhäufenkann. Aufgrunddessen sollte eine große gemessene Oberflächenkonzentrationan Bor das Produkt eines Vorbereitungsverfahrens für die Halbleiterscheibesein. Aus diesem Grund ist das Kriterium der Dotierungsdosis einebevorzugte Möglichkeit, dieStärkeder Barrieren festzustellen.
    [0055] 5 zeigt, dass die 6 nm dickeSiN-Barriere eine unzureichende Barriere für einen Aktivierungsschrittbei 1050°Cfür 30Sekunden ist, während 6 zeigt, dass eine 8 nmdicke SiN-Barriere fürdie N-Wanne ausreichend ist. Hierbei tritt eine Wärmebilanzvon 1050°Cfür 30Sekunden im schlimmsten Fall auf, während eine typische Wärmebilanzbei der Aktivierung der Sperrschicht in etwa bei oder unter 1000°C und 30Sekunden liegt. Die Stärkeder Diffusionsbarriere hängtexponential von der Temperatur ab. Folglich werden die Anforderungenan die Dicke der Diffusionsbarriere bei einem Temperaturabfall von50°C für eine typischeAktivierungsenergie von 3 eV um etwa 40% entspannt. Dem Kriteriumzum Schutz der N-Wannekann daher durch eine 5 nm dicke SiN-Barriere genüge getanwerden.
    [0056] 7 zeigt ein SIMS-Tiefenprofilfür Phosphor(P) und Bor (B) in einer Deckschicht aus HDP-Oxid nach aufeinanderfolgendenAufheizvorgängenbei 800°Cfür 10Minuten und 1050°Cfür 90 Sekundenan einer BPSG-Schicht, die mit einer 400 nm dicken HDP-Deckschichtbedeckt ist. Die Eindringtiefe der Dotierungen in die HDP-Deckschicht gehtbei einer solch extremen Wärmebilanznicht über100 nm hinaus. Der Dotierwert in den verbleibenden 300 nm der Deckschichtliegt unterhalb der ermittelbaren Messgrenze. Folglich reicht eine100 nm dicke HDP-Deckschicht aus, um ein Eindringen von Dotierungenbis zur Oberflächedes Isolationsgrabens hin erfolgreich zu blockieren.
    [0057] DieFähigkeitbeweglicher Ionen, frei durch eine Nitridbarriere 204 zudiffundieren und sich in der BPSG-Schicht 206 anzuhäufen oderzu gettern wird in einem weiteren Experiment, dass in Tabelle 1dargestellt ist, gezeigt. Hierbei ist eine dicke BPSG-Getterschichtvon einer Quellschicht fürbewegliche Ionen durch eine Siliziumnitridschicht mit einer Dicke vonentweder 5 nm oder 12 nm getrennt. Die hier verwendete Quelle beweglicherIonen ist eine Schicht abgeschiedenen Siliziumoxids, der zuvor einemverunreinigten Photoresist ausgesetzt war, um die typischen Mengenan Natrium- und Kaliumionenverunreinigungen, die in verunreinigtemOxid vorliegen, zu simulieren, nämlichetwa 1E11 cm–2 bis4E10 cm–2, obwohldie Art und Weise, in der die Verunreinigung eingebracht wird, nichtwesentlich ist. Die Proben werden dann einer typischen Aufheizabfolgezur Aktivierung der Übergangsschichtbei einer Temperatur von höchstens1000°C unterworfen.Bei einer Kontrollprobe wurde bei der obersten abgeschiedenen Oxidschichtkeine Verunreinigung eingebracht, und eine etwa 300 nm dicke BPSG-Schichtwurde zudem zwischen der 12 nm dicken SiN-Barriere und dem aufgebrachtenOxid hinzugefügt.Die Kontrollprobe wird außerdemeiner standardmäßigen Aufheizabfolgeunterworfen. Die Verteilung von Natrium und Kalium wird dann mithilfeder SIMS-Technik analysiert.
    [0058] InTabelle 1 ist das Auftreten von Verunreinigungen in Atomeinheitenpro Flächeneinheitin jeder der drei Schichten gezeigt, nämlich (1) in einer Verunreinigungsquelle(d.h. in dem aufgebrachten, verunreinigten Oxid), (2) in einer Diffusionsbarriereund (3) in einer BPSG-Getterschicht. Wie oben im Zusammenhang mitder Kontrollprobe festgehalten wurde, enthält die Barriere sowohl einedünne SiN-Schicht,als auch eine oben liegende BPSG-Schicht. Die typische Abfolge derAufheizvorgängeumfasst ein Aufheizen zur Aktivierung der Übergangsschicht bei 1000°C für mehrereZehn-Sekunden-Einheitenund ein Aufheizen im Ofen zur Verfließung/Oxidationsaufheizung bei600 bis 800°Cfür mehrereZehn-Minuten-Einheiten.Bei einer 5 nm dicken SiN-Barriere werden alle Ionen durch die BPSG-Schichtgegettert und hinterlassen die Verunreinigungsquelle nahezu ionenlos.Bei einer 12 nm dicken SiN-Barriere verbleiben die meisten Ionenin der Ausgangsquelle. Daher ist eine 5 nm dicke SiN-Schicht transparentgegenüberden beweglichen Ionen, währendeine 12 nm dicke SiN-Schichtdas Ionen-Gettern durch die BPSG-Schicht verhindert. Folglich kanndie Dicke der Siliziumnitrid-Haftschicht 204 so gewählt werden,dass das Eindringen der Oxiddotierungen in die Transistorwanne imWesentlichen blockiert wird, währenddie diffundierenden beweglichen Ionen gleichzeitig auf wenig Widerstand stoßen.
    [0059] Daherhat die erfindungsgemäße Grabenstrukturden Vorteil, dass der Graben mit einem Material ausgefüllt ist,dass verfließtwerden kann, so dass darin auftretende Hohlräume und Risse abgesehen voneiner dünnenHaftschicht auf den Seitenwändenund der Bodenflächedes Grabens und einer dünnenDeckschicht auf dem Graben entfernt werden. Ein weiterer Vorteilbesteht darin, dass die Haftschicht und die Deckschicht die Diffusionvon Dotierungen aus dem dotierten Oxidmaterial in das Substrat undden darin ausgebildeten Bauelementen während des Verfließens oderanderen thermischen Verfahren verhindern. Darüber hinaus ist vorteilhaft, dassdie Deckschicht die dotierte Oxidschicht während des nachfolgenden Nassätzens vorBeschädigungenbewahrt.
    权利要求:
    Claims (26)
    [1] Verfahren zum Ausbilden einer Grabenisolationsstrukturin einem Substrat, umfassend: Ausbilden von mindestens einer Öffnung ineiner Oberflächedes Substrats; Aufbringen einer Haftschicht mindestens aufder Bodenflächeund auf den Seitenwändender Öffnung; Aufbringeneiner Schicht aus dotiertem Oxidmaterial mindestens in der Öffnung; Aufheizendes Substrats, um ein Verfließender dotierten Oxidschicht in der Öffnung zu bewirken; Entfernenvon nur einem Teil der dotierten Oxidschicht in der Öffnung inder Näheder Substratoberfläche;und Aufbringen einer Deckschicht auf der verbleibenden dotiertenOxidschicht in der Öffnung.
    [2] Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat einHalbleitermaterial umfasst.
    [3] Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schrittzum Ausbilden einer Öffnungdas Ausbilden einer Maskierungsschicht auf der Substratoberfläche, dasStrukturieren und Ätzender Maskierungsschicht zum Freilegen von Substratbereichen und das Ätzen derfreiliegenden Substratbereiche zum Ausbilden der Öffnung imSubstrat umfasst.
    [4] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Aspektverhältnis derTiefe zur Breite der Öffnungin dem Substrat mindestens 5 : 1 beträgt.
    [5] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Haftschichteine Siliziumnitridschicht (SiN) umfasst.
    [6] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Haftschichteine Dicke von mindestens 6 nm aufweist.
    [7] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die dotierteOxidschicht aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Bor-Phosphor-Silikatglas (BPSG),aus Borsilikatglas (BSG), aus Phosphorsilikatglas (PSG), aus Arsen-dotiertem Glas oderaus einem Oxid mit implantierten Ionen besteht.
    [8] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei in dem Aufbringungsschritteine dotierte Oxidschicht aufgebracht wird, deren Dicke mindestens dasDoppelte der Grabentiefe beträgt.
    [9] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Aufheizschrittdas Wiedererhitzen des Substrats bei einer Temperatur von mindestens 800°C für mindestens10 Minuten umfasst.
    [10] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Schrittzum Entfernen des oberen Teils der dotierten Oxidschicht das Nassätzen desSubstrats zum Entfernen des oberen Bereichs der dotierten Oxidschichtin der Öffnungumfasst.
    [11] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Schrittzum Entfernen des oberen Teils der dotierten Oxidschicht das Entferneneines weiteren Bereichs der dotierten Oxidschicht auf der Substratoberfläche umfasst.
    [12] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Schrittzum Entfernen des oberen Teils der dotierten O xidschicht das Entferneneines Bereichs der Haftschicht in der Substratöffnung umfasst.
    [13] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Schrittzum Entfernen des oberen Teils der dotierten Oxidschicht das Entferneneines Bereichs der Haftschicht auf der Substratoberfläche umfasst.
    [14] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Schrittzum Aufbringen der Deckschicht das Aufbringen einer Oxidschichtmit hochdichtem Plasma (HDP) umfasst.
    [15] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, das weiterhindas Entfernen eines Teils der Deckschicht auf der Substratoberfläche umfasst.
    [16] Verfahren zum Ausbilden einer Grabenisolationsstrukturin einem Substrat, umfassend: Ausbilden von mindestens einer Öffnung ineiner Oberflächedes Substrats, wobei die Substratöffnung ein Aspektverhältnis derTiefe zur Breite von mindestens 5 : 1 aufweist; Aufbringeneiner Siliziumnitrid-(SiN)-Haftschicht mindestens auf der Bodenfläche undauf den Seitenwändender Öffnung,wobei die SiN-Haftschicht eine Dicke von mindestens 6 nm aufweist; Einbringeneiner Schicht aus dotiertem Oxidmaterial in die Öffnung; Aufheizen desSubstrats bei einer Temperatur von mindestens 800°C für mindestens10 Minuten, um ein Verfließender dotierten Oxidschicht in der Öffnung zu bewirken; Entferneneines ca. 50 nm dicken Bereichs der dotierten Oxidschicht in der Öffnung inder Näheder Substratoberfläche;und Aufbringen einer Oxidschicht durch hochdichtes Plasma (HDP)auf der verbleibenden dotierten Oxidschicht in der Öffnung.
    [17] Grabenisolationsstruktur in einem Substrat, umfassend: mindestenseine in einer Oberflächedes Substrats ausgebildete Öffnung; einein die Öffnungeingebrachte dotierte Oxidschicht, die die Öffnung im Wesentlichen ausfüllt, mit Ausnahmeeines Bereichs in der Näheder Substratoberfläche;und eine in der Öffnungauf der dotierten Oxidschicht ausgebildete Deckschicht.
    [18] Grabenisolationsstruktur nach Anspruch 17, wobeidas Substrat ein Halbleitermaterial umfasst.
    [19] Grabenisolationsstruktur nach Anspruch 17 oder 18,wobei die Öffnungein Aspektverhältnisder Tiefe zur Breite von mindestens 5 : 1 aufweist.
    [20] Grabenisolationsstruktur nach Anspruch 17 bis 19,weiter umfassend eine zwischen der dotierten Oxidschicht und derBodenflächeund den Seitenwändender Öffnungaufgebrachten Haftschicht.
    [21] Grabenisolationsstruktur nach Anspruch 20, wobeidie Haftschicht eine Siliziumnitridschicht (SiN) mit einer Dickevon mindestens 6 nm umfasst.
    [22] Grabenisolationsstruktur nach einem der Ansprüche 17 bis21, wobei die dotierte Oxidschicht aus der Gruppe ausgewählt wird,die aus Bor-Phosphor-Silikatglas (BPSG), aus Borsilikatglas (BSG), ausPhosphorsilikatglas (PSG), aus Arsen-dotiertem Glas oder aus einemOxid mit implantierten Ionen besteht.
    [23] Grabenisolationsstruktur nach einem der Ansprüche 17 bis22, wobei die dotierte Oxidschicht eine Ausgangsdicke aufweist,die mindestens das Doppelte der Grabentiefe beträgt.
    [24] Grabenisolationsstruktur nach einem der Ansprüche 17 bis23, wobei die dotierte Oxidschicht eine verflossene dotierte Oxidschichtumfasst.
    [25] Grabenisolationsstruktur nach Anspruch 17 bis 24,wobei die Deckschicht eine durch hochdichtes Plasma aufgebrachteOxidschicht umfasst.
    [26] In einem Substrat ausgebildete Grabenisolationsstruktur,umfassend: mindestens eine in einer Oberfläche des Substrats ausgebildete Öffnung,wobei die Substratöffnungein Aspektverhältnisder Tiefe zur Breite von mindestens 5 : 1 aufweist; eine mindestensauf der Bodenflächeund auf den Seitenwändender Öffnungaufgebrachte Siliziumnitrid-(SiN)-Haftschicht, wobei die SiN-Haftschichteine Dicke von mindestens 6 nm aufweist; eine in die Öffnung eingebrachte,verflossene dotierte Oxidschicht, die die Öffnung im Wesentlichen ausfüllt, mitAusnahme eines etwa 50 nm dicken Bereichs in der Nähe der Substratoberfläche; und einedurch hochdichtes Plasma (HDP) auf der dotierten Oxidschicht inder Öffnungaufgebrachte Oxidschicht.
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