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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine Halbleiterstruktur.
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Mit
der ständigen
Skalierung von Halbleiterbauelementen nimmt in der Regel auch das
Aspektverhältnis
(Tiefe/Breite) der auf Substraten ausgebildeten Graben- und Reliefstrukturen
darin zu. Bei einem Strukturniveau von < 100 nm werden dabei zum Teil Öffnungswinkel
um 0,1° erreicht.
Die geringen Öffnungswinkel
machen es zunehmend schwieriger, diese extrem steilen Profile zu
füllen.
Obwohl hochkonforme Abscheideverfahren (nahe 100 %) für die verschiedensten
leitenden oder isolierenden Füllschichten
speziell entwickelt worden sind, kommt es durch geringste fertigungsbedingte
Profilschwankungen zum Auftreten von nicht ideal geschlossenen Schließfugen (Voids)
entlang der Mittelachse solcher gefüllter Graben- und Reliefstrukturen.
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Die
besonderen Nachteile solcher Voids sind darin zu sehen, dass diese
den geometrischen Querschnitt leitfähiger Füllungen unkontrolliert verringern und
dadurch deren elektrischen Widerstand erhöhen oder andere Parameter nachteilig
beeinflussen. So werden Speicherkondensatoren für DRAM-Zellen beispielsweise
durch Deep-Trench-Ätzen,
dielektrischer Beschichtung der Grabenwände und anschließender Füllung des
Trenches mit einem leitfähigen Material
hergestellt. Voids in dieser leitfähigen Füllung erhöhen deren Widerstand unkontrolliert.
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Für den häufig auftretenden
Fall, dass Füllungen
von Gräben
bzw. Reliefs aus funktionellen Gründen oberflächlich planarisiert oder (teilweise) rückgeätzt werden
müssen
(Recess Ätzen),
führen Voids
in der Füllung
in Abhängigkeit
von ihrer Größe zu lokalen
Schwankungen in der Planarisierungs- bzw. Recess-Ätzrate.
Das führt
zu nicht kontrollierbaren Schwan kungen für die Tiefenlage und das Profil der
planarisierten bzw. Recess-Flächen.
In der Regel wird dabei der Voidbereich in Breite und Tiefe deutlich
vergrößert. Das
hat unter Umständen
Auswirkungen auf die weitere Prozessierung und die Parameter dieser
Anordnungen, indem ein nicht reproduzierbares (V-förmiges)
Relief der Planarisierungs- bzw. Recess-Oberfläche der Primärfüllung in
einer folgenden Schichtabscheidung reproduziert wird. Falls dann
die Folgeschicht mittels anisotroper RIE-Ätzung (reaktives Ionenätzen) auf
der Recess-Oberfläche wieder
entfernt werden soll, gelingt das nicht vollständig. Die Ursache hierfür liegt
darin, dass das Schichtmaterial der Folgeschicht bis tief in den
Voidbereich hinein abgelagert worden ist. Das führt dann zu elektrischen Kurzschlüssen (bei
isolierter Füllschicht
und leitfähiger
Folgeschicht) bzw. zu Unterbrechungen im Strompfad (bei leitfähiger Füllschicht
und isolierender Folgeschicht und kann zusätzlich als Partikel- und Kontaminationsquelle
bei der weiteren Prozessierung wirken.
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Die
Entstehung dieser Voids wurde bisher durch ein ausreichend V-förmiges Profil
der Graben- bzw. Reliefstrukturen vermieden. Bei einer hochkonformen
Abscheidung der Füllschicht
wächst
diese an ihrer Nahtstelle dadurch von unten nach oben voidfrei zu.
Durch die weitere Skalierung der Strukturen kann der Flächenbedarf
für die
Wandneigung der Graben- bzw. Reliefstrukturen nicht mehr aufgebracht
werden. Die reproduzierbare Einstellung sehr steiler Flanken der
Graben- bzw. Reliefstrukturen ist extrem problematisch, wodurch
diese Methode zunehmend versagt.
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Eine
andere praktisch erprobte Möglichkeit, das
Void unabhängig
vom Profil der Graben- oder Reliefstrukturen nachträglich zu
schließen,
besteht in der Anwendung einer zusätzlichen, dünnen konformen Abscheidung
(Divot fill) aus dem gleichen Materialtyp (leitfähig oder isolierend) wie die
primäre
Füllschicht
und anschließendes
(nasschemisches) Entfernen der auf der Substratoberfläche und
an den Seitenwänden
der Reliefstruktur abgeschiedenen Divot-Fillschicht.
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Dabei
ist von Nachteil, dass die vor dem Divot-Fill erfolgenden Recess-Ätzungen
nicht verbessert werden. Vor allem aber ist das Prozessfenster der
Recess-Ätzung
des Divot-Fill sehr klein. Entweder bleiben danach Reste auf der
Substratoberfläche und
den Wänden
der Graben- oder Reliefstrukturen, oder das Void wird wieder vollständig oder
zumindest teilweise geöffnet.
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Aus
der
DE 102 25 941
A1 ist ein Verfahren zur Füllung von in einem Halbleitersubstrat
ausgebildeten Graben- und Reliefstrukturen bekannt, wobei die Graben-
und Reliefstrukturen in einem ersten Abscheideprozess mit einer
ersten primären
Füllschicht mit
hoher Konformität
und minimaler Rauhigkeit beschichtet werden, nachfolgend eine bis
in eine vorgegebene Tiefe der Grabenstruktur gehende V-Ätzung zur
Erzeugung eines V-Profiles vorgenommen wird und dann eine zweite
primäre
Füllschicht
mit hoher Konformität
und minimaler Rauhigkeit abgeschieden wird, bis die Graben- und
Reliefstruktur vollständig geschlossen
ist.
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Insbesondere
offenbart die
DE 102
25 941 A1 , dass das V-Ätzen
durch plasmachemisches Ätzen
erfolgt, wobei die Ätzrate
des so eingestellt wird, dass diese in die Tiefe der Graben- und
Reliefstruktur gegenüber
der Ätzrate
an der Oberfläche
des Halbleitersubstrates deutlich abnimmt.
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Ein
dort angegebenes Beispiel betrifft die Verhinderung von Voids in
STI-Füllungen
(shallow trench isolation), wobei die erste und zweite Füllschicht
aus SiO2 sind.
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In
der Praxis hat sich herausgestellt, dass es Probleme bei der Umsetzung
des aus der
DE 102
25 941 A1 bekannten Verfahrens gibt, da mit fortschreitendem
V-Ätzen
die Kanten an der Oberseite der Grabenstruktur verrunden, nachdem
die erste Füllschicht
von der Oberseite entfernt worden ist. Auch ergeben sich Probleme,
das gewünschte
V-Profil zu erreichen.
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Daher
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren
für eine
Halbleiterstruktur zu schaffen, das verbesserte V-Profile ergibt und
mit dem die Kantenverrundung an der Oberseite der Grabenstruktur
vermieden werden kann.
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Erfindungsgemäss wird
dieses Problem durch das in Anspruch 1 angegebene Herstellungsverfahren
gelöst.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin,
eine spezielle Ätzgaszusammensetzung
bzw. – konditionierung
im V-Ätzschritt
zu verwenden.
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Vorteilhafterweise
resultiert diese spezielle Ätzgaszusammensetzung
in verbesserten V-Profilen und vermeidet eine Kantenverrundung an
der Oberseite der Grabenstruktur aufgrund hoher Selektivität des V-Ätzschrittes
von einem als Füllschicht
verwendeten Siliziumoxid gegenüber
einer Oberflächenschicht
aus Siliziumnitrid.
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In
den Unteransprüchen
finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des
jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.
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Gemäss einer
bevorzugten Weiterbildung beträgt
der Anteil des Inertgases der Ätzgasmischung
das 20- bis 200-fache des gemeinsamen Anteils von C5F8 und O2.
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Gemäss einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Inertgas Ar.
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Gemäss einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung liegt der Druck im V-Plasmaätzschritt
zwischen 20 und 50 mTorr.
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Gemäss einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung liegt die Leistung im V-Plasmaätzschritt
zwischen 3 und 500 Watt.
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Gemäss einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird, nachdem die Linerschicht
bis unter die Oberseite der Siliziumnitridschicht zurückgezogen ist,
eine Füllschicht
in dem Graben vorgesehen, welche den Graben lunkerfrei füllt.
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Gemäss einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Füllschicht aus Siliziumoxid.
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Gemäss einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Linerschicht und/oder
die Füllschicht aus
TEOS- oder HDP-Oxid.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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1a–e zeigen
schematische Darstellungen aufeinanderfolgender Verfahrensstadien
eines Herstellungsverfahrens einer Halbleiterstruktur als Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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2 zeigt
eine schematische Darstellung der Ätzraten von Oxid und Nitrid
in Abhängigkeit
von der Ätzgaszusammensetzung.
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Bestandteile.
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1a–e zeigen
schematische Darstellungen aufeinanderfolgender Verfahrensstadien
eines Herstellungsverfahrens einer Halbleiterstruktur als erste
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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In 1A bezeichnet
Bezugszeichen 1 ein Silizium-Halbleitersubstrat, in dem mittels einer
aus einer (nicht ge zeigten) Pad-Oxidschicht und einer darüberliegenden
Pad-Nitridschicht 3 bestehenden Hartmaske
Gräben 5 mit
einer Tiefe von typischerweise 6 μm
bis 8 μm
eingebracht worden sind.
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In
einem ersten Prozessschritt gemäss 1B wird über der
Struktur mit den Gräben 5 und der
oben liegenden Pad-Nitridschicht 3 eine
Linerschicht 10 aus TEOS konform abgeschieden. Dieser Prozessschritt
soll eine Oberfläche
mit geringerer Rauhigkeit für
die folgenden Füllschritte
erbringen. Wichtig ist dabei auch, dass die Linerschicht 10 die Gräben 5 nicht
vollständig
verschließt,
sondern einen verhältnismäßig tiefreichenden
Spalt SP auflässt.
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Mit
Bezug auf 1C erfolgt dann dann ein V-Plasmaätzschritt,
bei dem als Ätzgase
C5F8, O2 und Ar
verwendet werden. Das Verhältnis
V von C5F8 zu O2 beträgt
ungefähr
3. Das Inertgas Argon wird zur Verdünnung um ca. einen Faktor 50
verwendet. Die Plasmaleistung beträgt 500 Watt und der Druck 30 mbar.
Die Flüsse
betragen 450 sccm (Ar), 6 sccm (C5F8) und 2 sccm (O2).
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In 1C ist
die anfängliche
Phase des V-Plasmaätzschritts
gezeigt, in der die Ätzung
die Pad-Nitridschicht 3 noch nicht erreicht hat.
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Weiter
mit Bezug auf 1D ist das abschließende Resultat
des V-Plasmaätzschritts
gezeigt. Die Linerschicht 10 aus TEOS ist V-förmig bis in
den Graben 5 hinein unter die Oberseite der Pad-Nitrid-Schicht 3 zurückgezogen.
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Dabei
wurden bei dem V-Plasmaätzschritt gemäß dieser
Ausführungsform
die Kanten K an der Oberseite der Padnitridschicht 3 nicht
verrundet, da die Ätzgaszusammensetzung
bzw. -Konditionierung eine Selektivität von ca. 20 der Oxidätzung gegenüber der
Nitridätzung
mit sich bringt. Die Ätzraten
liegen dabei bei ca. 0,77 nm pro Sekunde für das Oxid und bei 0,04 nm
pro Sekunde für
das Nitrid.
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Die
Ursache für
die V-Form bei dieser Ätzung liegt
in einer erhöhten
Polymerabscheidung im unteren Grabenbereich verursacht durch die
Winkelverteilung der gestreuten Inertgasionen.
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Schließlich erfolgt
mit Bezug auf 1E ein Reinigungsschritt zur
Entfernung von Polymerresten in den Gräben 5 und danach lunkerfreies
Auffüllen der
Gräben 5 mittels
einer Füllschicht 20,
welche im vorliegenden Beispiel auch aus TEOS besteht.
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Optionalerweise
kann die Füllschicht 20 aus TEOS
anschließend
durch einen CMP-Schritt (Chemisch Mechanisches Polieren) bis zur
Oberseite der Padnitridschicht 3 zurückpoliert werden. Weiterhin möglich ist
auch ein Annealen der Füllschicht 20 entweder
vor oder nach dem optionalen CMP-Schritt.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung der Ätzraten von Oxid und Nitrid
in Abhängigkeit
von der Ätzgaszusammensetzung
beim V-Plasmaätzschritt,
wobei die Ätzraten
ER in nm/s angegeben sind.
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Deutlich
erkennbar ist, dass die Ätzrate
ER vom Oxid, welche durch die quadratischen Symbole angegeben ist,
stets wesentlich höher
ist als die Ätzrate
vom Nitrid, welche durch die runden Symbole angegeben ist.
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Die Ätzrate ER
vom Oxid liegt bei einem Verhältnis
V = 1 von C5F8 zu
O2 bei ca. 1,8 nm/s und sinkt bis zu einem
Verhältnis
von V = 3 auf ca. 0,9 nm/s ab, wonach sie auch bei größer werdenden
Verhältnissen
V bis zu etwa 7 auf diesem Wert verbleibt.
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Die Ätzrate von
Nitrid liegt beim Verhältnis
V = 1 bei ca. 0,3 nm/s und sinkt bis zu einem Verhältnis von
V = 3 auf 0,04 nm/s ab. Bei einem größer werdenden Verhältnis bis
zu einem Wert von V = 7 steigt die Ätzrate von Nitrid wieder auf
den Wert von ca. 0,3 nm/s an.
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Versuche
haben ergeben, dass die Selektivität bei einem Verhältnis von
V = 3 am größten ist, nämlich 20:1
beträgt.
Aber auch Verhältnisse
bis zu einem Wert von 2,5 einerseits und von 3,5 andererseits liefern
noch gute Werte der Selektivität,
welche größer als
10 sind. Mithin hat sich der mit VB bezeichnete Zusammensetzungsbereich
als für
die erfindungsgemäße V-Plasmaätzung besonders
bevorzugt herausgestellt.
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Bei
kleineren Verhältnissen
wird die Ätzrate vom
Oxid zu hoch, und bei größer werdenden
Verhältnissen
wird die Polymerabscheidung im unteren Grabenbereich, welche für das V-Profil verantwortlich
ist zu stark.
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Bei
den weiteren Parametern hat sich herausgestellt, dass eine Verdünnung der Ätzgase durch
ein Inertgas, hier Argon, um einen Faktor 50 sehr gute Ergebnisse
liefert. Allerdings liefern auch Verdünnungen zwischen 20 und 200
noch akzeptable Werte. Die Größe des Ätzgasflusses
ist unkritisch. Hingegen sollte die Leistung des Plasmareaktors
gering sein und zwischen 300 und 500 Watt liegen und auch der Druck
in einem moderaten Bereich zwischen 20 und 50 mbar liegen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art
und Weise modifizierbar.
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Insbesondere
ist die Erfindung prinzipiell für beliebige
Graben- bzw. Reliefstrukturen anwendbar.
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Obwohl
bei der oben geschilderten Ausführungsform
die Füllschicht 20 ebenfalls
aus TEOS bestand, ist dies nicht unbedingt notwendig. Auch ist als Material
für die
Linerschicht bzw. Füllschicht
prinzipiell jegliches Siliziumoxid verwend bar, und nicht nur TEOS,
also insbesondere auch HDP-Oxid bzw. anderes CVD-Oxid.
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- 1
- Halbleitersubstrat
- 3
- Padnitridschicht
- 5
- Graben
- 10
- Linerschicht
- 20
- Füllschicht
- K
- Kante
- B1
- Ätzbereich
- B2
- Abscheidungsbereich
- VB
- bevorzugter Ätzbereich