DE10032795C2 - Herstellungsverfahren für ein Halbleiterbauelement mit einem Graben - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements nach den Schritten: Vorsehen eines Grabens (15) in einem Substrat (1); Abscheiden einer Linerschicht (8) auf der resultierenden Struktur durch einen nicht-konformen Abscheidungsprozess, so dass die Dicken (d¶L¶·1·, d¶L¶·3·) der Linerschicht (8) an den Grabenwänden und auf dem Grabenboden wesentlich geringer sind als die Dicke (d¶L¶·1·) der Linerschicht (8) auf der Substratoberfläche; Vorsehen einer Schicht (10) aus einem Isolationsmaterial auf der resultierenden Struktur durch einen konformen Abscheidungsprozess und anisotropes Ätzen der Schicht (10) aus dem Isolationsmaterial zum Entfernen der Schicht (10) von einem Bereich des Grabenbodens. Die Erfindung schafft ebenfalls ein entsprechendes Halbleiterbauelement.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein Halbleiterbauelement mit einem Graben.

Aus der DE 198 27 686 A1 sind ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements und einer Halbleiterstruktur be­ kannt, wobei in einem Graben unter einer Schicht aus Isolati­ onsmaterial eine Linerschicht aus dem Isolationsmaterial vor­ gesehen wird, welche durch ein Plasmaverfahren aufgebracht worden ist.

Der Begriff Substrat soll im allgemeinen Sinne verstanden werden und kann daher sowohl einschichtige als auch mehrschichtige Substrate umfassen.

Obwohl auf beliebige Halbleiterbauelemente anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zu Grunde liegende Problematik in Bezug auf einen Grabenkondensator mit einem Isolationskragen erläutert.

Fig. 4-5 zeigen eine schematische Darstellung der wesentlichen Verfahrensschritte zur Herstellung eines bekannten Halbleiterbauelements.

In Fig. 4 bezeichnen 1 ein Halbleitersubstrat aus Silizium, auf dessen Oberfläche eine Nitridschicht 5 mit einer Dicke d_N vorgesehen ist, welche als Hartmaskenschicht für die Ätzung des Grabens 15 dient. Als Hartmaske dient eine wesentlich dickere Oxidschicht, die zu diesem Zeitpunkt schon wieder entfernt ist.

Bei dem bekannten Grabenkondensatorprozess ist es erforderlich, eine Oxidschicht 10 an den vertikalen Grabenwänden vorzusehen. Dazu wird üblicherweise eine verhältnismäßig konforme Abscheidung beispielsweise mit Ozon- TEOS-Oxid oder kurz Ozon-Teos (d. h. Oxid, das mit Ozon und TEOS erzeugt wird) durchgeführt, was zu der in Fig. 4 gezeigten Struktur führt.

Wie Fig. 4 entnehmbar, ist die Abscheidung zwar konform, jedoch oberflächenselektiv. Das heißt, dass das Ozon-TEOS auf verschiedenen Oberflächen verschieden schnell aufwächst, wobei sich auf Siliziumnitrid ein langsameres Schichtwachstum zu einer Dicke d₀ ² als auf Siliziumdioxid ergibt, welches wiederum ein Wachstum erbringt, das langsamer ist als das jenige auf dem Siliziumsubstrat (Schichtdicke d₀ ¹).

In diesem Fall, wie auch in anderen Fällen, ist jedoch auf der Substratoberfläche, hier auf der Nitridschicht 5, eine größere Schichtdicke als am Grabenboden gewünscht. Da sich aber das Nitrid an der Substratoberfläche und Silizium oder Siliziumdioxid am Grabenboden befindet, ist dies nicht möglich.

Dies ist im Zusammenhang mit den folgenden Prozessschritten zu sehen, welche in Fig. 5 dargestellt sind. Gemäß Fig. 5 wird nämlich die Ozon-TEOS-Schicht 10 durch einen anisotropen Ätzschritt vom Grabenboden entfernt. Dies ist aber in diesem Falle nicht möglich, ohne die Oberfläche der Nitridschicht 5 anzugreifen, was zu einer reduzierten Dicke D_N' der Nitritschicht 5 führt.

Dieser Stand der Technik ermöglicht also nicht, dass auf den erhabenen waagerechten Flächen das Ozon-TEOS 10 dick abgeschieden wird, um entsprechende Oxidreste am Grabenboden durch anisotropes Ätzen sicher entfernen zu können, ohne die Strukturen auf der Substratoberseite anzugreifen.

Somit war man bisher gezwungen, beim Ätzen einen hohen Nitridverlust in Kauf zu nehmen. Die Ätzung erfolgte teilweise auch selektiv, wobei auf der Nitridschicht 5 entweder ein Polymer oder ein Oxid abgeschieden wurde. Dadurch kann zwar länger überätzt werden, ohne die Nitridschicht 5 zu schmälern, jedoch wird die Oberseite der Seitenwand beim Überätzen ebenfalls herunter geätzt, und weiterhin muss das Polymer bzw. das Oxid in einem weiteren Schritt wieder entfernt werden.

Ebenfalls möglich ist eine Ofenabscheidung des Siliziumdioxids, welche nicht oberflächenselektiv ist. Die Schichtdicke auf der Struktur lässt sich aber nicht unabhängig von der an der Seitenwand einstellen. Ofenabscheidungen belasten außerdem das verfügbare Temperaturbudget. Weiterhin erzeugen Ofenabscheidungen, die derart einstellt sind, dass sie auf der Oberfläche mehr als in den Gräben abscheiden, auf den Seitenwänden von oben nach unten abfallende Oxidschichtdicken.

Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe liegt darin, für die Ätzung optimale Schichtdickenverhältnisse zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Herstellungsverfahren gelöst.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine dünne Isolationsschicht, z. B. SiO₂, am Boden, eine dickere Isolationsschicht an der Seitenwand und eine nochmals dickere Isolationsschicht auf der Substratoberseite zu schaffen. Die Ätzung lässt sich dadurch, ggf. durch Einsatz eines Endpunktes, so gestalten, dass beim Ätzende der Boden zwischen den Strukturen restefrei geätzt wurde, und trotzdem die Oberseite der Strukturen nicht angegriffen wird. Vertikale Oberflächen haben auf ihrer gesamten Länge weitgehend gleichbleibende Isolationsschichtdicken und reichen nach dem Ätzen bis zur Oberfläche der Strukturen.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende allgemeine Idee besteht darin, dass eine geeignete Linerschicht vorzusehen, welche es ermöglicht, das Dickenwachstum der Isolationsschicht geeignet zu kontrollieren. Die Abscheidung des Liners erfolgt zweckmäßigerweise bei hohem Druck, vorzugsweise zwischen 15 und 35 Torr, was ermöglicht, dass die Abscheidung stark nicht-konform ist, so dass sich auf der Substratoberfläche eine wesentlich dickere Isolationsschicht als auf den Grabenwänden und am Grabenboden bildet, dabei ist es durch Variation der Abscheidezeit des Liners und der Isolationsschicht möglich, das Verhältnis zwischen den Schichten auf horizontalen und vertikalen Oberflächen in weiten Bereichen von einander unabhängig einzustellen.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in Anspruch 1 angegebenen Herstellungsverfahrens.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das Substrat ein Siliziumsubstrat und das Isolationsmaterial Siliziumdioxid.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Schicht aus dem Isolationsmaterial durch einen Ozon-TEOS- Prozess aufgebracht worden. Die gewünschten Dickenverhältnisse lassen sich einfach durch einen vor dem Ozon-TEOS-Prozess abgeschiedenen Plasmaoxid-Liner erreichen. Die Linerabscheidung kann in situ in der gleichen Prozesskammer erfolgen, in der auch das Ozon-TEOS abgeschieden wird. Dies ist beim bekannten Prozess ohnehin zweckmäßig, da die Kammer nach der Ozon-TEOS-Abscheidung mit Plasma gereinigt wird (d. h. ohne Wafer).

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist auf der Substratoberseite eine Nitridschicht vorgesehen, welche zumindest bereichsweise von der Linerschicht abgedeckt ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Linerschicht zumindest berichsweise vom Grabenboden entfernt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Fig. 1-3 zeigen eine schematische Darstellung der wesentlichen Verfahrensschritte zur Herstellung eines Halbleiterbauelements als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 4-5 zeigen eine schematische Darstellung der wesentlichen Verfahrensschritte zur Herstellung eines bekannten Halbleiterbauelements.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente.

Fig. 1-3 zeigen eine schematische Darstellung der wesentlichen Verfahrensschritte zur Herstellung eines Halbleiterbauelements als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Wie in Fig. 1 gezeigt, wird auf die mit der Nitridschicht 5 versehene Grabenstruktur durch einen anisotropen Plasmaprozess bei einem Druck von beispielsweise 25 Torr eine Oxid-Linerschicht 8 derart abgeschieden, dass die Schichtdicke d_L ¹ der Linerschicht 8 am Grabenboden und an den Grabenseitenwänden wesentlich geringer ist als die Schichtdicke d_L ² an der Substratoberfläche auf der Nitridschicht 5.

Dies wird dadurch erreicht, dass die Plasmaabscheidung gerichtet ist und auf Grund ihrer Nicht-Konformität den Grabenboden bzw. die Grabenseitenwände fast nicht bedeckt. Dazu sei bemerkt, dass der Dickenunterschied zwischen der Linerschicht 8 und der Nitridschicht 5 aus Anschaulichkeitsgründen nicht skalentreu wiedergegeben ist. In Wirklichkeit ist größenordnungsmäßig die Schichtdicke d_L ² der Linerschicht 8 typischerweise 25 nm, die Schichtdicke d_L ¹ der Linerschicht 8 and der Grabenwand typischerweise 2,5 nm und die Schichtdicke d_L ³ der Linerschicht 8 am Grabenboden typischerweise 15 nm. Dagegen ist die Schichtdicke der Nitridschicht typischerweise im Bereich 200 nm.

In einen weiteren Prozessschritt wird gemäß Fig. 2 die Ozon- TEOS-Abscheidung in der selben Prozesskammer in situ vorgenommen und eine Ozon-TEOS-Schicht 10 mit im Wesentlichen gleicher Schichtdicke d₀ ³ von typischerweise 20 bis 40 nm auf der Substratoberfläche, den Grabenseitenwänden und den Grabenboden abgeschieden.

Im darauffolgenden Prozessschritt, der in Fig. 3 veranschaulicht ist, wird dann durch einen bekannten anisotropen Ätzprozess der Grabenboden frei gelegt, d. h. dort die Linerschicht 8 und die Ozon-TEOS-Schicht 10 entfernt. Damit wird die Schichtdicke der Linerschicht an der Substratoberfläche von d_L ² auf d_L ^2' reduziert. Dies führt dazu, dass die Nitridschicht 5 durch den Ätzprozess nicht angegriffen wird, da eine Restschichtdicke der Linerschicht 8 auf der Nitridschicht 5 zurückbleibt. Eine andere Möglichkeit wäre eine Endpunkterkennung beim Erreichen der Nitridsschicht 5.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.

Insbesondere ist man bei dem Substrat nicht auf ein Siliziumsubstrat beschränkt, sondern kann entsprechende andere Halbleitermaterialien bzw. Materialien-Sandwiches als Substrat verwenden.

Während die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines Grabens (Deep Trench) mit einem Isolationskragen beim DRAM- bzw. embedded DRAM-Prozess beschrieben wurde, ist die Erfindung darauf nicht beschränkt. Insbesondere kann die Erfindung auch angewendet werden für Spacer-Abscheidungen zur Definition von Implantationsgebieten sowie Inlay- Abscheidungen zur Modifikation von Strukturbreiten.

Claims (5)

1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit den Schritten:
Vorsehen eines Grabens (15) in einem Substrat (1);
Abscheiden einer ersten Schicht (8) auf der resultierenden Struktur durch einen nicht-konformen Abscheidungsprozeß, so dass die Dicken (d_L ¹, d_L ³) der ersten Schicht (8) an den Grabenwänden und auf dem Grabenboden wesentlich geringer sind als die Dicke (d_L ²) der ersten Schicht (8) auf der Substratoberfläche;
Vorsehen einer zweiten Schicht (10) aus einem Isolationsmaterial auf der resultierenden Struktur durch einen konformen Abscheidungsprozeß, so dass die Dicke (d₀ ³) der Schicht (10) an den Grabenwänden und auf dem Grabenboden im wesentlichen gleich ist; und
anisotropes Ätzen der zweiten Schicht (10) aus dem Isolationsmaterial zum Entfernen der zweiten Schicht (10) von einem Bereich des Grabenbodens.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Substratoberfläche eine Nitridschicht (5) unter der ersten Schicht (8) vorgesehen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (8) durch ein Plasmaverfahren aufgebracht wird, wobei der Druck vorzugsweise im Bereich zwischen 15 und 35 Torr liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) ein Siliziumsubstrat ist, das Isolationsmaterial Siliziumdioxid ist; und dass die zweite Schicht (10) aus dem Isolationsmaterial durch einen Ozon-TEOS- Prozeß aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (8) und die zweite Schicht (10) aus dem Isolationsmaterial in situ in einer Abscheidekammer aufgebracht werden.