DE3884151T2

DE3884151T2 - Verfahren zur herstellung eines halbleiterfeldoxids.

Info

Publication number: DE3884151T2
Application number: DE88905313T
Authority: DE
Inventors: Steven Lee
Original assignee: NCR International Inc
Current assignee: SK Hynix Inc; NCR International Inc
Priority date: 1987-06-15
Filing date: 1988-05-31
Publication date: 1994-04-07
Anticipated expiration: 2008-06-01
Also published as: EP0318555B1; EP0318555A1; WO1988010510A1; JPH01503827A; DE3884151D1; JP2747563B2

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen von Feldoxidgebieten in eineTn Halbleitersubstrat.

Stand der Technik

Die Herstellung einer integrierten Schaltung beginnt üblicherweise mit der Bearbeitung des Halbleitersubstrats bzw. -scheibe, um den Oberflächenbereich in erste Gebiete, in denen aktive Einrichtungen und im Substrat eingebettete Verbindungen ausgebildet werden sollen, und in zweite dielektrische Gebiete zu unterteilen, die die ersten aktiven Gebiete elektrisch trennen. Das dielektrische Feldoxidmaterial stellt routinemäßig Siliziumdioxid dar. Obwohl verschiedene Techniken zum Herstellen von Feldoxid entwickelt und beschrieben wurden, bleibt bei der Halbleiterindustrie die als lokale Oxidation von Silizium (LOCOS) allgemein bekannte Technik, weit verbreitet, wenn nicht sogar dominierend. In der Praxis der LOCOS-Technik werden die aktiven Gebiete des Siliziumsubstrats mittels einer Siliziumnitridschicht maskiert, während die Feldoxidgebiete zur Ausbildung eines dielektrischen Feldgebietes thermisch oxidiert werden. Obwohl im Grunde einfach und effizient, zeigt das LOCOS-Verfahren Unzulänglichkeiten mit verringerter Ausbeute und Leistungsfähigkeit beim Halbleiterchip-Endprodukt.
Der am häufigsten begegnete Mangel bei den Verfahren des Standes der Technik ist allgemein als Vogelkopf- oder Vogelschnabel-Problem bekannt, bei dem sich das Feldoxid unter die als Maske dienende Nitridschicht erstreckt und somit etwas von dem nutzbaren aktiven Bereich aufbraucht.
Eine Anzahl von Verfahren wurden vorgeschlagen, um das Vogelkopf- und Vogelschnabel-Problem zu entschärfen. Beispielsweise offenbart das U.S. Patent Nr. 4,563,227 ein Verfahren, bei dem in einem Halbleitersubstrat eine Oxidschicht und auf der Oxidschicht eine Nitridschicht ausgebildet wird. Anschließend wird durch anisotropes Ätzen eine Vertiefung bzw. Nut durch die ausgebildeten Schichten hindurch ausgebildet, die sich in das Substrat erstreckt. Die Oxidschicht wird dann von der Seite geätzt. Eine weitere Oxidschicht läßt man auf der Oberfläche der Vertiefung aufwachsen und ein weiterer Siliziumnitridfilm wird durch chemische Abscheidung aus der Gasphase (CVD) über der gesamten Oberfläche ausgebildet. Unter Verwendung einer anisotropen Trockenätzung wird der weitere Siliziumnitridfilm von den horizontalen Flächen einschließlich der Bodenfläche der Vertiefung bzw. Nut entfernt, jedoch an den Seitenwänden der Nut belassen. Daraufhin findet eine Oxidation statt, um die Nut auszufüllen und eine relativ ebene Oberfläche ohne Ausbildung eines Vogelkopfes und eines Vogelschnabels infolge des dicken und stabilen Siliziumnitridfilms in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Oxidf ilm und dem Substrat vorzusehen.
Das bekannte Verfahren weist jedoch die Nachteile auf, daß eine Versetzung infolge mechanischer Spannungen an den Kanten bzw. Flanken der aktiven Gebieten auftreten kann und daß in dem Feldoxid Kerben oder Nuten mit ausreichender Größe ausgebildet werden können, die Reste von nachfolgend abgeschiedenen leitenden Materialien aufnehmen.
Das Dokument Japanese Journal of Applied Physics, Band 20, Ergänzung 20-1, 1981, Proceedings of the 12th Conference on solid State Devices, 1980, (Tokio, JP), K. Minegishi et al.: "A new self-aligned framed mask method for selective oxidation", Seiten 55 - 61 offenbart die Herstellung von Isolationsoxidgebieten in einem Halbleitersubstrat, wobei die Anfangsschritte die Ausbildung einer 20 - 200 nm dicken Siliziumoxid-Pufferschicht mit anschließender Ausbildung einer 50 - 200 nm dicken Siliziumnitridschicht einschließen. Diese Filme werden dann konventionell geätzt und mit einer 50 - 300 nm dicken Siliziumnitridschicht abgedeckt. Die zweite Siliziumnitridschicht wird dann anisotrop geätzt, um einen Nitridrahmen zu belassen, der die konventionell geätzten Gebiete umgibt, woraufhin sich das Feldoxidwachstum anschließt.

Darstellung der Erfindung

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der angegebenen Art vorzusehen, bei dem das Vogelkopf- und Vogelschnabel-Problem gemildert wird und das die vorerwähnten Nachteile ohne übermäßige Verfahrenskomplexität entschärft.
Demzufolge wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren der angegebenen Art vorgesehen, das die Schritte: Ausbilden einer Pufferoxidschicht über den aktiven Gebieten des Substrats und Ausbilden einer ersten Siliziumnitridschicht über der Pufferoxidschicht bis zu einer Dicke von 100 nm oder darüber einschließt und gekennzeichnet ist durch die Schritte: anisotropes Ätzen in Gegenwart eine Fotolackmaske durch die erste Nitridschicht und die Pufferoxidschicht hindurch und in das Substrat hinein zur Festlegung von Feldoxidgebieten mit im wesentlichen vertikalen Seitenwänden; Ausbilden einer zweiten gleichmäßigen Siliziumnitridschicht über dem strukturierten Aufbau des Substrats und der Schichten bis zu einer nominellen Dicke von 10 - 13 nm; anisotropes Ätzen der horizontalen Flächen der zweiten Siliziumnitridschicht, um ausgewählte horizontale Flächen des Substrats freizulegen, während das zweite Siliziumnitrid an den im wesentlichen vertikalen Seitenwänden beibehalten wird; Oxidieren des freigelegten Substrats und des zweiten Siliziumnitrids, um somit eine Oxidation zusammen mit einem Biegen und Anheben des zurückbehaltenen Seitenwand-Siliziumnitrids zu verwirklichen; Fortführen der Oxidation des Substrats, bis die Oberseite der Fläche des oxidierten Substrats dem Niveau der Pufferoxidschicht angeglichen ist; und Entfernen von etwaigem restlichem Siliziumnitrid.
Somit werden durch das erfindungsgemäße Verfahren Herstellungskonzepte selektiv verfeinert und kombiniert, um die Ausbildung eines Vogelschnabels zu unterdrücken, eine relativ ebene Abschlußfläche vorzusehen, durch mechanische Spannungen induzierte Versetzungen an den Kanten des aktiven Siliziums zu unterdrücken und die Ausbildung von Kerben an den Kanten des aktiven Siliziums zu verhindern. Diese Verwirklichungen werden durch Hinzufügung von nur einem Schritt der chemischen Niederdruck-Dampfphasenabscheidung von Nitrid und einem anisotropen Ätzschritt über die Schritte hinaus erzielt, die zum Ausführen des klassischen LOCOS-Verfahrens verwendet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun beispielsweise mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, bei denen:
Fig. 1 - 3 schematische Querschnittsdarstellungen eines Substrats eines integrierten Schaltkreises bei verschiedenen Stadien des Herstellungsvorganges vor dem Feldoxidwachstum sind;
Fig. 4A - 4C schematisch im Querschnitt die fortlaufenden Stadien des Feldoxidwachstums bei erfindungsgemäßer Ausführung verdeutlichen; und
Fig. 5 schematisch im Querschnitt eine IC-Mehrschichtstruktur von aktiven Gebieten verdeutlicht, die durch ein Feldoxidgebiet getrennt sind.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Im allgemeinen macht das erf indungsgemäße Verfahren Gebrauch von einer ersten relativ dicken Pufferoxidschicht unter einer ersten relativ dicken Nitridschicht, einer zweiten sehr dünnen gleichmäßig abgeschiedenen Nitridschicht ohne darunterliegendem Pufferoxid, einer Anpassung des Wachstums des siliziumoxids aus der Substratvertiefung an den Oxidationsbedarf der dünnen zweiten Nitridschicht und einer Zeit- und Lageübereinstimmung der vertikalen Ausbreitung des Feldoxids mit dem Niveau des ersten Pufferoxids. Gemäß einer bevorzugten Technik der Erfindung werden die aktiven Gebiete eines Siliziumsubstrats mit einer Siliziumdioxid-Pufferschicht bis zu einer Dicke im Bereich von 50 nm oder mehr und einer ersten LPCVD-Siliziumnitridschicht bis zu einer nominellen Dicke von 100 nm oder inehr, z. B. 200 nm, abgedeckt. Die Struktur wird dann fotolithographisch bearbeitet, um die Fotolackmaskenstrukturen über den aktiven Gebieten zu erhalten. Durch reaktives Ionenätzen (RIE) oder eine andere anisotrope Ätzung wird dann sukzessive die nichtmaskierte Nitridschicht, die darunterliegende Pufferoxidschicht und das Siliziumsubstrat bis auf eine nominelle Tiefe der Vertiefung von 120 nm entfernt, um Grabengebiete mit im wesentlichen vertikalen Seitenwänden zu erzeugen. Die Ausbildung einer dünnen LPCVD-Siliziumnitridschicht folgt, die bis auf eine nominelle Dicke von 13 nm oder weniger gleichmäßig abgeschieden wird. Als nächstes folgt eine anisotrope Ätzung, um das Siliziumnitrid von den horizontalen Flächen zu entfernen, wobei etwa 12 nm oder weniger von dem Material der zweiten Siliziumnitridschicht an den vertikalen Seitenwänden verbleibt. Man läßt dann das Feldoxid vom Substrat aus wachsen, bis das Heben/Biegen und Oxidieren der dünnen Seitenwand aus Siliziumnitrid in einer vollständigen Vereinigung des gewachsenen Feldoxids mit dem Pufferoxid resultiert.
Die Aufmerksamkeit wird nun auf den Querschnitt in Fig. 1 der Zeichnungen gerichtet, wo ein bevorzugtes Verfahren der Erfindung gezeigt wird, bei dem zuerst mit der Ausbildung eines aus Siliziumdioxid bestehenden dielektrischen Feldoxidbereichs in einem monokristallinen Siliziumsubstrat 1 begonnen wird. Zur Herstellung der Struktur in Fig. 1 wird das Siliziumsubstrat zuerst thermisch oxidiert, um eine Pufferoxidschicht 2 für den Ausgleich von mechanischen Spannungen infolge unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten mit einer nominellen Dicke von wenigstens 50 nm auszubilden. Die Pufferoxidschicht 2 führt vorliegend zwei etwas unterschiedliche Funktionen aus, wobei die erste den Abbau einer Scherbeananspruchung entsprechend üblicher Praxis und die zweite den Abbau einer durch Dehnung induzierten Druckspannung betrifft, und zwar auf eine später beschriebene Art und Weise.
Wie weiterhin in Fig. 1 gezeigt, wird dann das auf dem Substrat 1 angeordnete Pufferoxid 2 mit einer Siliziumnitrid- I-Schicht 3 vorzugsweise bis zu einer nominellen Dicke von 200 nm durch eine chemische Niederdruck-Dampfphasenabscheidung (LPCVD) abgedeckt. Anschließend wird ein Fotolack aufgetragen und fotolithographisch bearbeitet, um eine Fotolack-(FL)-Maskenstruktur 4 zu erhalten, die die Nitrid-I- Schicht 3 bei der Öffnung 6 freisetzt, die dem Feldoxid- Ausbildungsgebiet zwischen aktiven Gebieten 5 im Substrat 1 gewöhnlich entspricht.
Um das in Fig. 2 gezeigte Herstellungstadium zu erreichen, wird die Struktur in Fig. 1 unter Verwendung einer konventionellen reaktiven Ionenätzung (RIE) anisotrop geätzt, um die vom Fotolack 4 nichtmaskierte Nitrid-I-Schicht, das zugeordnete Segment der Pufferoxidschicht 2 und dann einen entsprechenden Abschnitt des Substrats 1 zu entfernen, um eine etwa 120 nm tiefe Vertiefung in das Substrat 1 einzubringen. Nach dem Ablösen des Fotolacks 4 wird das Substrat 1 gleichmäßig mit einer LPCVD-Siliziumnitrid-II-Schicht 7 bis zu einer nominellen Dicke von 10 - 13 nm beschichtet.
Die Struktur in Fig. 2 wird dann einer weiteren anisotropen Ätzung unterworfen, wobei diese Ätzung dazu dient, wenigstens 13 nm des Siliziumnitrids von den frei zugänglichen, horizontalen Flächen zu entfernen. Als Folge einer derartigen anisotropen Ätzung wird, wie in Fig. 3 gezeigt, die Bodenfläche 8 der Vertiefung an der Stelle 6 im Siliziumsubstrat 1 bloßgelegt, während die Siliziumnitrid-II-Schicht 9 an den Seitenwänden beibehalten, jedoch um nominell 1 nm dünner gemacht wird.
Es ist zu bemerken, daß kein Pufferoxid unter dem Seitenwandnitrid 9 liegt, so daß demzufolge die Bewegung von Sauerstoffspezien längs der Unterseite der Seitenwandnitridschicht 9 während des thermischen Feldoxidwachstums verhindert wird. Verständlicherweise werden auch die Sauerstoffspezien an einem direkten Zugriff zur Pufferoxidschicht durch die Seitenwandnitridschicht 9 während der Anfangsstadien des Feldoxidwachstums gehindert. Die Dimensionen der Seitenwandnitridschicht 9 sind relativ kritisch, und zwar nicht nur beim Steuern der Oxidationseffekte, sondern auch beim Vermeiden einer Beschädigung längs der Seitenwände 11 des Siliziumsubstrats infolge von mechanischen Spannungen, die durch verschiedene Ausdehnungskoeffizienten induziert werden. Das Seitenwandnitrid 9 ist nämlich mit l2 nm ausreichend dünn, um einer Beschädigung infolge mechanischer Spannungen eher zu unterliegen, als diese in bezug auf das Siliziumsubstrat 1 hervorzurufen. Die Seitenwand 11 wird mit einer Geschwindigkeit oxidiert, die geeignet ist, das Biegen und Heben mit dem Siliziumdioxidwachstum zu fördern, und ist noch ausreichend dick, um den Zugriff oxidierender Spezien zum Pufferoxidgebiet bis zu dem speziell gewünschten Zeitpunkt zu unterbinden.
Die Fig. 4A - 4C zeigen die Struktur bei verschiedenen Stadien des Feldoxidwachstums, und zwar unter Verwendung einer bevorzugten Feldoxidationsumgebung von H&sub2; + O&sub2; bei einer nominellen Temperatur von etwa 900 ºC für eine nominelle Zeit von 750 Minuten. Während das Feldoxidwachstum zu der in Fig. 4 gezeigten Struktur fortschreitet, wird die vorerwähnte Seitenwandnitridschicht 9 gänzlich angehoben und gebogen. Während dieser Zeit werden mechanische Spannungen in den Seitenwandgebieten 12 des Siliziumsubstrats 1 durch Anwesenheit des dünnen Seitenwandnitrids zu Beginn der Oxidation und dessen weiterer Verdünnung infolge der Oberflächenumwandlung in ein Oxid während der Oxidation abgebaut. Bei dem in Fig. 4B gezeigten Stadium der Oxidation würden die Nitridschichten 13 auf etwa 3 nm oder weniger verdünnt sein.
Fig. 4B verdeutlicht auch, daß das Anheben des restlichen Seitenwandsiliziumnitrids 13 das relativ dicke Pufferoxid 2 nahe dem Ende der Oxidation freisetzt. Das Pufferoxid 2 dient dann als Weg zum Abbau von durch Volumenzunahme bedingten mechanischen Spannungen im Feldoxid 14 nahe den Siliziumsubstratecken 16; Ecken, die sonst wahrscheinlich spannungsinduzierte Versetzungen unterliegen würden. Während das Feldoxidwachstum in dem in Fig. 4C gezeigten Endstadium fortschreitet, öffnet die Umwandlung des restlichen Seitenwandsiliziumnitrids 13 zu einem Oxid einen relativ kurzen Weg für die Sauerstoffspezien, um die siliziumsubstratecken 16 zu erreichen. Das Ergebnis ist eine angehobene Oxidationsgeschwindigkeit an den Siliziumsubstratecken 16, so daß Ecken 17 mit relativ großem Radius, weicher Kontur und verringerten örtlichen mechanischen Spannungen erzeugt werden. Außerdem sieht die relativ dicke Pufferoxidschicht 2 einen nachgebenden Weg für den Abbau von örtlichen mechanischen Spannungen vor, wobei dieser Weg die vertikal gerichtete Bewegung und den Spannungsabbau im Gebiet 18 unterstützt. Ferner unterdrückt das relativ begrenzte Wachstum des Feldoxids 19 über den Bereichen 21 der unteren Ecken der Nitridschicht 22 infolge der Maskierung durch die Seitenwandnitridschicht 13 (Fig. 4B) im wesentlichen die Ausbildung von Kerben oder Nuten im Feldoxid an den Kanten der aktiven Gebiete 5.
Als Folge der ausgeglichenen Wechselwirkung zwischen dem Heben und Biegen der Seitenwandnitridschicht, der Umwandlung des Seitenwandnitrids in ein Oxid, dem Abbau von mechanischen Spannungen durch das Pufferoxid, der betonten Umwandlung des Siliziumsubstrats an der Kante des aktiven Gebiets nahe dem Ende des Oxidationsschrittes und dem in mehreren Richtungen erfolgenden Abbau von mechanischen Spannungen an den relativ runden Kanten der aktiven Gebiete wird nicht nur das Vogelschnabel-Problem im wesentlichen unterdrückt, sondern das aktive Gebiet erfährt auch keine durch mechanische Spannungen induzierte Versetzungen und die Struktur des Feldoxids enthält auch keine schädlichen Kerben oder Nuten. Die gewünschten Merkmale werden zudem durch Hinzufügung von nur zwei unkritischen Herstellungsschritten erhalten, nämlich über eine wohlüberlegte Verfeinerung der Dimensionen und Arbeitsvorgänge.
Fig. 5 zeigt eine repräsentative Endstruktur eines integrierten Schaltkreises, die sich nach dem Entfernen des Maskierungsnitrids 22 (Fig. 4C) und einer das Pufferoxid 2 einschließenden Oxidschicht mit anschließendem selektiven Ausbilden von exemplarischen CMOS-Feldeffekttransistoren, wie z. B. des p-Kanal-Bauelements bei 23 und des n-Kanal-Bauelements bei 24 ergibt.

Claims

1. Ein Verfahren zum Ausbilden von Feldoxidgebieten zwischen aktiven Gebieten (5) in einem Halbleitersubstrat (1), mit den Schritten: Ausbilden einer Pufferoxidschicht (2) über den aktiven Gebieten (5) des Substrats und Ausbilden einer ersten Siliziumnitridschicht (3) über der Pufferoxidschicht (2) bis zu einer Dicke von 100 nm oder mehr, gekennzeichnet durch die Schritte: anisotropes Ätzen in Gegenwart eine Fotolackmaske (4) durch die erste Nitridschicht (3) und die Pufferoxidschicht (2) hindurch und in das Substrat (1) hinein zum Festlegen von Feldoxidgebieten (6) mit im wesentlichen vertikalen Seitenwänden (11); Ausbilden einer zweiten gleichmäßigen siliziumnitridschicht (7) über dem strukturierten Aufbau des Substrats und der Schichten bis zu einer nominellen Dicke von 10 - 13 nm; anisotropes Ätzen der horizontalen Flächen der zweiten Siliziumnitridschicht (7), um ausgewählte horizontale Flächen des Substrats freizulegen, während das zweite Siliziumnitrid (9) an den im wesentlichen vertikalen Seitenwänden (11) beibehalten wird; Oxidieren des freigelegten Substrats (1) und des zweiten Siliziumnitrids (9), um somit eine Oxidation zusaminen mit einem Biegen und Anheben des zurückbehaltenen seitenwand-Siliziumnitrids (9) zu verwirklichen; Fortführen der Oxidation des Substrats (1), bis die Oberseite der oxidierten Substratfläche dem Niveau der Pufferoxidschicht (2) angeglichen ist; und Entfernen von etwaigein restlichem Siliziumnitrid.

2. Das Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die anisotrope Ätzung zur Festlegung der Feldoxidgebiete (6) sich in das Halbleitersubstrat (1) bis zu einer Tiefe erstreckt, die zahlenmäßig größer als das Maß der Dicke der Pufferoxidschicht (2) ist.

3. Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Tiefe etwa 120 nm beträgt.

4. Das Verfahren nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Dicke des Siliziumnitrids (9), das an den im wesentlichen vertikalen Seitenwänden (11) beibehalten ist, nach der anisotropen Ätzung der horizontalen Flächen nominell im Bereich von 9 - 12 nm liegt.

5. Das Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Substrat (1) Silizium ist und das Seitenwand-Siliziumnitrid (9) in Siliziumdioxid umgewandelt wird, wenn das vom Substrat (1) gebildete Oxid das Niveau der Pufferoxidschicht (2) erreicht.