-
Erfindungsgebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein integrierte Schaltungen (ICs). Die Erfindung betrifft insbesondere
die verbesserte Ausbildung von tiefen Isolationsgräben.
-
Mit tiefen Isolationsgräben, die
mit einem dielektrischen Material wie etwa Oxid gefüllt sind,
werden Bauelemente einer integrierten Schaltung isoliert. Tiefe
Isolationsgräben
eignen sich insbesondere zum Isolieren von Speicherzellen, die Grabenkondensatoren
mit vertikalen Transistoren verwenden. Derartige Arten von Speicherzellen
werden beispielsweise in U. Gruening et al. "A Novel Trench DRAM Cell wich a Vertical
Access Transistor and Buried Strap (VERI BEST) for 4Gb/16Gb", International Electron
Device Meeting (IEDM '99)
Technical Digest, S. 25 bis 28, 1999, beschrieben, was zu allen Zwecken
durch Bezugnahme hier aufgenommen ist. Mehrere Speicherzellen sind
durch Wortleitungen und Bitleitungen zur Ausbildung eines Speicherfeldes
verbunden. Das Speicherfeld bildet beispielsweise einen Speicher-IC,
wie etwa DRAM-IC (dynamische Speicher mit direktem Zugriff).
-
Die Bauelemente eines IC können in
verschiedenen Konfigurationen oder Layouts angeordnet werden. Das
Layout enthält
in der Regel Bereiche mit dicht und nicht dicht gepackten von Bauelementgebieten.
Beispielsweise umfasst ein Speicher-IC aus dicht gepackten Speicherzellen
(Transistoren und Speicherknoten) im Feldgebiet und lose gepackter
Unterstützungsschaltungen
in dem Nicht-Feldgebiet. Auch die Größe von Bau elementen kann stark variieren,
was dazu führt,
dass tiefe Isolationsgräben und
dazwischen angeordnete aktive Bereiche verschiedene Breiten aufweisen.
-
1 zeigt
eine Querschnittsansicht eines Teils eines teilweise verarbeiteten
Speicher-IC. Das Substrat enthält,
wie gezeigt, Feld- und Nicht-Feldgebiete 105 und 106.
In der Regel sind schmalere und dichter gepackte tiefe Isolationsgräben 130 in
dem Feldgebiet angeordnet, um Speicherzellen zu trennen, und breitere
und wenig dicht gepackte Isolationsgräben 120 befinden sich
im Nicht-Feldgebiet. Die Isolationsgräben sind mit Siliziumoxid gefüllt.
-
Das Aspektverhältnis (d.h. Tiefe/Breite) der tiefen
Isolationsgräben
im Feldgebiet beträgt
mindestens 3:1. Die Tiefe der Gräben
beträgt
in der Regel etwa 300 bis 700 nm unter der Ebene des Siliziums. Um
Gräben
mit einem so hohen Aspektverhältnis
effektiv zu füllen,
werden Techniken der chemischen Dampfabscheidung (CVD) mit einem
Plasma hoher Dichte (HDP) verwendet, weil HDP-CVD-Techniken im Verhältnis zur
Aufwachsrate an der Seitenwand eine höhere vertikale Füllrate aufweisen,
wodurch die Fähigkeit
einen Zwischenraum zu füllen
im Vergleich zu herkömmlichen,
konformen CVD-Techniken wie etwa LPCVD (Niederdruck-CVD) oder SA-CVD
(subatmosphärische
CVD) erhöht
wird. Durch HDP-CVD-Techniken erhält man außerdem ein dichteres Oxid als
durch herkömmliche
CVD-Techniken, was
durch nachfolgende Ätzprozesse
nicht leicht beeinflusst wird.
-
Durch HDP-CVD wird eine einzigartige
Topografie der Oberfläche
erzeugt, bei der das Oxid im Winkel von den Gräben absteht. Im Wesentlichen werden
abfallende Kanten gebildet, wenn die Oxidschicht die Oberfläche des
Substrats beschich tet. Das überschüssige Material
auf der Oberfläche
des Substrats wird anschließend
durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) entfernt. Wegen der Tiefe der
tiefen Gräben
ist eine dicke Oxidabscheidung erforderlich, damit die Gräben vollständig gefüllt werden.
Die dicke Oxidabscheidung führt
zu einer gleichermaßen
dicken dielektischen Schicht über
der Oberfläche
des Substrats. Diese dicke Oxidabscheidung erschwert die Planarisierung
durch CMP sehr und führt
oftmals zu einer Wölbung 127 ("dishing") in großen Öffnungen
und einer schlechten Gleichförmigkeit
beim Entfernen von überschüssigem Oxid von
der Oberfläche
des Substrats. Schlechte Gleichförmigkeit
kann zu Schwankungen bei den Kenngrößen der Bauelemente und Kurzschlussproblemen beispielsweise
zwischen Wortleitungen oder Wortleitungen mit Bitleitungen führen. Ein
weiteres Problem im Zusammenhang mit HDP-Oxid besteht darin, dass
in tiefen Isolationsgräben
Hohlräume
entstehen können.
Wenngleich die vertikale Abscheidungsrate viel höher als die horizontale Komponente
(etwa 3:1 bis 10:1) ist, kann das große Aspektverhältnis der Isolationsgräben dazu
führen,
dass die Öffnung
an der Oberseite geschlossen wird, bevor die Gräben vollständig gefüllt sind. Dies führt zur
Entstehung von Hohlräumen
in den tiefen Isolationsgräben.
Hohlräume
in der Nähe
der Oberfläche
der Isolationsgräben gleich
neben den aktiven Bereichen sind extrem kritisch, bewirken Leckströme oder
sogar einen Kurzschluss von Wortleitungen oder Wortleitungen mit Bitleitungen,
und machen so die Isolationsgräben
unwirksam.
-
Aufgrund der obigen Erörterung
wird gewünscht,
die Herstellung von tiefen Isolationsgräben zu verbessern, wodurch
Wölbungen,
schlechte Gleichförmigkeit
und Hohlräume
vermieden werden.
-
Kurze Darstellung
der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
die Herstellung von ICs. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren
zum Ausbilden tiefer Isolationsgräben bei der Herstellung von
ICs. Ein Substrat wird mit tiefen Isolationsgräben versehen.
-
Gemäß der Erfindung werden die
Isolationsgräben
teilweise mit einem ersten dielektrischen Material gefüllt. Bei
einer Ausführungsform
wird mit einer Schicht einer Ätzmaske überschüssiges,
erstes dielektrisches Material auf der Oberfläche des Substrats entfernt.
Die Isolationsgräben
werden dann mit einem zweiten dielektrischen Material vollständig gefüllt. Überschüssiges zweites
dielektrisches Material wird von der Oberfläche des Substrats entfernt.
Indem die tiefen Isolationsgräben
in mehreren Füllschritten
gefüllt
werden, erhält
man verschiedene Vorteile wie etwa bessere Planarität und Gleichförmigkeit.
-
1 zeigt
einen Teil eines Substrats mit tiefen Gräben; und
-
2 bis 8 zeigen einen Prozess zum
Ausbilden tiefer Gräben
gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung.
-
Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung
-
Die 2 bis 8 zeigen einen Prozess zum Ausbilden
tiefer Gräben,
der in ICs gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung verwendet wird. Bei einer Ausführungsform werden mit den tiefen
Gräben bei
der Herstellung von Speicher-ICs (z.B DRAMs oder SDRAMs) Speicherzellen
isoliert, die Grabenkondensatoren mit vertikalen Transistoren verwenden.
Der Ein satz tiefer Gräben
in anderen Anwendungen oder ICs ist ebenfalls nützlich. Bei der IC-Herstellung
werden in der Regel mehrere ICs gleichzeitig auf dem Wafer ausgebildet.
Nachdem die Verarbeitung beendet ist, wird der Wafer zersägt, um die
ICs in individuelle Chips zu trennen. Die Chips werden dann gekapselt,
was zu einem Endprodukt führt,
das beispielsweise in Verbraucherprodukten wie etwa Computersystemen,
Mobiltelefonen, PDAs (personal digital assistants) und anderen Elektronikprodukten
verwendet wird.
-
Unter Bezugnahme auf 2 wird eine Querschnittsansicht eines
Teils eines teilweise verarbeiteten IC gezeigt. Wie gezeigt wird
ein Substrat 203 bereitgestellt. Das Substrat umfasst beispielsweise Silizium.
Es eignen sich auch andere Arten von Halbleitersubstraten wie etwa
Galliumarsenit, Germanium, Silzium-auf-Isolator (SOI) oder andere
Halbleitermaterialien. Das Substrat enthält bei einer Ausführungsform
eine Mehrzahl von Bauelementen, wie etwa Grabenkondensatoren von
Speicherzellen (nicht gezeigt) im Feldgebiet des Substrats. Nützlich ist
auch die Bereitstellung eines Substrats, das mit anderen Arten von
Bauelementen hergestellt ist. Die Bauelemente können je nach den Arten von
Bauelementen in verschiedenen Zwischenstadien des Prozesses ausgebildet
werden.
-
Auf der Oberfläche des Substrats wird eine Hartmaske 281 bereitgestellt.
Bei einer Ausführungsform
umfasst die Hartmaske Siliziumnitrid 284 und ein Padoxid 282.
Das Padoxid beispielsweise fördert die
Haftung zwischen dem Substrat und dem Siliziumnitrid. Die Hartmaske
ist bei einer Ausführungsform
Teil der zum Ausbilden der Grabenkondensatoren verwendeten Hartmaske.
Die zum Ausbilden von Grabenkondensatoren verwendete Hartmaske enthält in der
Regel Siliziumoxid, Si liziumnitrid und Padoxid. Während des
Prozesses der Ausbildung der Grabenkondensatoren kann das Siliziumoxid
entfernt werden. Bei einer alternativen Ausführungsform umfasst die Hartmaske
Siliziumoxid auf dem Siliziumnitrid und dem Padoxid. Es können auch
andere Arten von Hartmasken verwendet werden.
-
Die Hartmaske wird strukturiert,
damit man Öffnungen
entsprechend den Stellen erhält,
wo tiefe Isolationsgräben
ausgebildet werden sollen. Die Strukturierung der Hartmaske kann
unter Verwendung herkömmlicher
lithografischer Techniken erfolgen. Beispielsweise wird eine Fotolackschicht
auf der Oberfläche
des Substrats abgeschieden und strukturiert, indem die Lackschicht
selektiv unter Verwendung einer Maske mit Strahlung belichtet wird.
Je nach der verwendeten Lackart werden bei Positivlack die belichteten
und bei Negativlack die unbelichteten Bereiche entfernt. Die strukturierte
Lackschicht dient als Ätzmaske
zum Strukturieren der Hartmaske. Dann wird das Substrat beispielsweise
unter Verwendung von RIE-Techniken (reaktives Ionenätzen) bis auf
die Hartmaske geätzt,
wodurch Isolationsgräben ausgebildet
werden. Bei einer Ausführungsform
werden schmale und dicht gepackte Isolationsgräben 230 in einem ersten
Abschnitt 205 des Substrats und breitere und weniger dicht
gepackte Gräben 220 in einem
zweiten Abschnitt 206 ausgebildet. Der erste Abschnitt
beispielweise entspricht dem Feldgebiet, während der zweite Abschnitt
dem Hilfsgebiet eines Speicher-IC entspricht. Die Tiefe der Gräben beträgt beispielsweise
etwa 600 bis 700 nm und die Breite ist ungefähr die kritische Größe der Strukturelemente oder
kleinste lithografische Größe der Strukturelemente
F bei Isolationsgräben
im Feldgebiet. Das Aspektverhältnis
der tiefen Isolationsgräben
im Feldgebiet beträgt
bei einer Ausführungsform
mindestens 3:1.
-
Nach der Ausbildung der Gräben wird
das Substrat beispielsweise durch Ofen- oder schnelle thermische
Verarbeitungsprozesse (RTP) oxidiert. Durch den Oxidationsprozess
werden die Ecken der Gräben
abgerundet, um Leckströme
zu reduzieren und die Zuverlässigkeit
und Leistungsfähigkeit
des IC zu verbessern. Bei einer Ausführungsform wird eine schützende Liner-Schicht 286 auf
dem Substrat abgeschieden, damit die Seitenwände und der Boden der Gräben ausgekleidet
werden. Bei einer Ausführungsform
umfasst die Liner-Schicht ein Material, gegenüber dem das dielektrische Material
der Isolationsgräben
gezielt entfernt werden kann. Die Liner-Schicht umfasst bevorzugt
ein dielektrisches Material. Bei einer Ausführungsform umfasst die Liner-Schicht
Silziumnitrid. Das Siliziumnitrid wird beispielsweise durch chemische
Dampfabscheidung abgeschieden. Es eignen sich auch andere Abscheidungstechniken.
Der Nitrid-Liner sollte so dick sein, dass das oxidierte Silizium
in den aktiven Bereichen (oder die Substratoberfläche und
Seitenwände
der Gräben
im Feldgebiet) während
der Verarbeitung geschützt
ist. Der Nitrid-Liner ist in der Regel 5 bis 15 nm dick.
-
Nachdem die Isolationsgräben ausgebildet sind,
werden sie teilweise mit einem dielektrischen Material gefüllt. Bei
einer Ausführungsform
umfasst das dielektrische Material Siliziumoxid. Die Gräben werden
bevorzugt mit Oxid gefüllt,
das durch HDP-CVD abgeschieden wird. HDP-CVD-Techniken werden beispielsweise
in Conti, R., Economikos, L., Ivers, T., Knorr, A., Papasouliotis,
G., "Processing Methods
to Fill High Aspect Ratio Gaps Without Premature Contriction", DUMIC, Februar
1999 beschrieben, was für
alle Zwecke durch Bezugnahme hier aufgenommen ist. Gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung werden die Gräben
in mehreren Prozessen ge füllt.
Bei einer Ausführungsform
werden die Gräben
unter Verwendung eines ersten und zweiten Füllprozesses gefüllt. Der
erste Füllprozess
füllt die
Isolationsgräben
teilweise. Der erste Füllprozess füllt die
Gräben
bis zu etwa 30 bis 80%. Vorzugsweise sollte der erste Füllprozess
die Gräben
ohne Entstehung irgendwelcher Hohlräume teilweise füllen. Während der
teilweisen Füllung
der tiefen Gräben entsteht
an der Oberfläche
des Substrats überschüssiges Oxidmaterial.
Das überschüssige Material
umfasst, wie gezeigt, aufgrund des HDP-Prozesses eine winkelartige
Form 290. Bei einer Ausführungsform wird eine isotrope Ätzung vorgenommen,
um das auf den Seitenwänden
des Grabens über
dem Oxid durch die teilweise Füllung
ausgebildete Oxid 292 zu entfernen. Bei einer Ausführungsform
wird eine gegenüber
Oxid und Silizium selektive Nassätzung
benutzt, um das Oxid von den Seitenwänden des Grabens entfernen.
-
Unter Bezugnahme auf 3 wird eine Maskenschicht zum Nassätzen 360 auf
dem Substrat abgeschieden, um das dielektrische Material nach dem Entfernen
des überschüssigen Oxids
von den Seitenwänden
zu bedecken. Die Schicht der Ätzmaske
kleidet die Oberfläche
des Substrats und die Seitenwände
der tiefen Gräben über der
teilweisen Oxidfüllung aus.
Die Ätzmaske
umfasst ein Material, gegenüber dem
Oxid selektiv entfernt werden kann. Außerdem umfasst die Schicht
der Ätzmaske
ein Material, das selektiv zur Liner-Schicht entfernt werden kann.
Bei einer Ausführungsform
umfasst die Ätzmaske
Polysilizium. Es können
auch andere Arten von Materialien verwendet werden, gegenüber denen
das Oxid selektiv entfernt werden kann und die auch für ein Entfernen
selektiv zur Liner-Schicht geeignet sind. Die Ätzmaske sollte ausreichend
dick sein, um ein vollständiges
Entfernen des Oxidmaterials auf der Oberfläche des Substrats unter gleichzeiti gem
Schutz des Oxids in den Gräben
zu ermöglichen.
Bei einer Ausführungsform
ist die Ätzmaske
etwa 50 bis 300 Å dick.
-
Unter Bezugnahme auf 4 werden Teile der Schicht der Ätzmaske
entfernt, um das Oxid auf der Oberfläche des Substrats freizulegen.
Bei einer Ausführungsform
wird ein Polierprozess wie etwa CMP verwendet. Der CMP-Prozess kann
an jedem Punkt angehalten werden, solange das Oxid auf der Substratoberfläche freigelegt
ist. Dadurch erhält
man vorteilhafterweise ein großes
Prozessfenster.
-
Dann wird das überschüssige dielektrische Material
auf der Oberfläche
des Substrats durch eine Ätzung
entfernt, wie in 5 gezeigt.
Bei einer Ausführungsform
umfasst die Ätzung
eine gegenüber
der Ätzmaske
selektive Nassätzung.
Bei einer Ausführungsform
entfernt die Nassätzung
das Oxid selektiv zur Polysilizium-Ätzmaske. Indem die Polysilizium-Ätzmaske verwendet wird, existiert
eine große Überätzungstoleranz,
da das Grabenoxid von dem Oxid auf der Oberfläche des Substrats isoliert
ist.
-
Unter Bezugnahme auf 6 wird die Ätzmaske entfernt. Bei einer
Ausführungsform
wird die Ätzmaske
mit einer Nassätzung
selektiv zur Hartmaske 281 zum Nitrid-Liner 286 und
zum Oxid entfernt. Auch andere Arten von Ätzungen eignen sich, wie etwa
chemisches Trockenätzen
(CDE) oder reaktives Ionen-Ätzen
(RIE). Der Nitrid-Liner schützt
den aktiven Bereich vor der Ätzchemie.
Nach dem Entfernen der Ätzmaske
wird ein dielektrisches Material 746 zum vollständigen Füllen der
tiefen Isolationsgräben
in einem zweiten Füllprozess
abgeschieden, wie in 7 gezeigt.
Vorzugsweise hat es der zweite Füllprozess
wegen des durch den ersten Füllprozess bereitgestellten
Grabens mit einem kleineren Aspektverhältnis leich ter, die Zwischenräume zu füllen. Bei einer
Ausführungsform
umfasst das dielektrische Material Siliziumdioxid. Es eignen sich
auch andere Arten von dielektrischen Materialien. Die tiefen Gräben werden
bevorzugt unter Verwendung von HDP-Techniken mit Siliziumoxid gefüllt. Es
eignen sich auch andere Techniken zum Abscheiden des dielektrischen
Materials.
-
Unter Bezugnahme auf 8 wird das überschüssige Material auf der Oberfläche des
Substrats beispielsweise durch Poliertechniken wie etwa CMP entfernt.
Durch CMP erhält
man eine planare Oberfläche 802 zwischen
den tiefen Gräben
und der Hartmaske. Der Prozess wird fortgesetzt, um die Herstellung
der IC's zu beenden.
Der Prozess wird beispielsweise fortgesetzt, um notwendige Gates
von Transistoren und Verbindungen zwischen den verschiedenen Bauelementen
des IC auszubilden.
-
Indem die tiefen Isolationsgräben in mehreren
Füllschritten
gefüllt
werden, werden verschiedene Vorteile erreicht. Beispielsweise ist
der CMP-Prozess zum Entfernen des überschüssigen Oxids viel kürzer, da
nur Material aus der letzten Füllung
entfernt werden muss. Durch den kürzeren CMP-Schritt werden die
Wölbung
und Ungleichförmigkeit
reduziert, wodurch die Planarität
der resultierenden Struktur verbessert wird. Außerdem wird die letzte Füllung verbessert,
da das Aspektverhältnis
der Gräben durch
die frühere
Füllung
reduziert ist. Dadurch verbessern sich die Eigenschaften der letzten
Füllung, die
Zwischenräume
zu füllen.
-
Wenngleich die Erfindung unter Bezugnahme
auf verschiedene Ausführungsformen
eingehend gezeigt und beschrieben worden ist, erkennt der Fachmann,
dass an der vorliegenden Erfindung Modifikationen und Änderungen
vorgenommen werden kön nen,
ohne von ihrem Gedanken und Umfang abzuweichen. Der Umfang der Erfindung
sollte deshalb nicht unter Bezugnahme auf die obige Beschreibung sondern
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Ansprüche
zusammen mit ihrem vollen Umfang an Äquivalenten bestimmt werden.