DE10154346C2 - Ausffüllen von Substratvertiefungen mit siliziumoxidhaltigem Material durch eine HDP-Gasphasenabscheidung unter Beteiligung von H¶2¶O¶2¶ oder H¶2¶O als Reaktionsgas - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Auffüllen einer in einem Substrat enthaltenen Vertiefung mit Silizium­ oxid nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der Herstellung von Halbleiter-(DRAM-)Speicherzellen, welche einen Grabenkondensator und einen Auswahltransistor aufweisen, wird der Grabenkondensator auf einer Seite mit dem Auswahltransistor durch eine vergrabene Leitungsbrücke ("buried strap") elektrisch leitend verbunden und auf der an­ deren Seite des Grabenkondensators wird ein Isolationsgebiet (STI, "shallow trench isolation") erzeugt, durch welches der Grabenkondensator von einer benachbarten Speicherzelle elekt­ risch isoliert wird. Die Erzeugung des STI-Isolationsgebiets erfolgt durch einen Strukturierungsschritt, bei welchem ein Oberflächenabschnitt entfernt wird, der durch einen Teilab­ schnitt des zuvor erzeugten Grabenkondensators gebildet wird. Nach der Entfernung dieses Oberflächenabschnitts wird die entstandene Vertiefung durch einen Isolator, in der Regel Si­ liziumdioxid (SiO₂) aufgefüllt.

Bezüglich der Erzeugung von STI-Isolationsgebieten bei der Herstellung der genannten Speicherzellen wird beispielhaft auf die deutschen Offenlegungsschriften DE 199 41 148 A1 und DE 199 44 012 A1 verwiesen.

Die stetige Miniaturisierung mikroelektronischer und mikro­ technischer Bauelemente hat zur Folge, dass in deren Herstel­ lungsprozeß Gräben und Vertiefungen mit immer größeren As­ pektverhältnissen (= Tiefe/Durchmesser) auftreten. Im Falle der genannten STI-Isolationsgebiete werden derzeit bereits Aspektverhältnisse bis 3,5 erreicht. In zukünftigen Speicherzellen wird das STI-Isolationsgebiet nur noch eine Breite von weniger als 100 nm und ein Aspektverhältnis größer als 4, äu­ ßerstenfalls bis zu 8, aufweisen. Mit den heutigen Abscheide­ verfahren können derartige Vertiefungen jedoch nicht mehr lunkerfrei gefüllt werden. Lunker entstehen dadurch, dass sich SiO₂-Material nicht nur am Boden der Vertiefung abla­ gert, sondern ebenso an deren Seitenwänden. Dies kann bewir­ ken, dass aufgrund des hohen Aspektverhältnisses das an den Seitenwänden abgelagerte SiO₂ zusammenwächst, bevor die Ver­ tiefung von ihrem Boden her gefüllt ist. Bei einem späteren planaren Rückätzen, etwa durch einen CMP-Prozeß, können diese Lunker dann an der Oberfläche offengelegt und in unerwünsch­ ter Weise während der anschließenden Bildung des Gates des Auswahltransistors mit polykristallinem Silizium gefüllt wer­ den, wodurch Kurzschlüsse entstehen können.

Es ist bekannt, bei der Abscheidung von SiO₂ in einem HDP- CVD-Prozeß als Ausgangsgase SiH₄-, O₂- und Ar-Gas in einen HDP-Reaktor einzuleiten und in dem Reaktor in bekannter Weise ein Plasma hoher Dichte (< 10¹⁶ Ionen/m³) zu erzeugen. Wäh­ rend der Ablagerung der SiO₂-Schicht am Boden der Vertiefung wird jedoch durch die Ionen des Plasmas, hauptsächlich die Ar-Ionen, ein Teil der aufwachsenden Schicht wieder wegge­ ätzt. Es wird angenommen, dass die Deposition von SiO₂ an den Seitenwänden der Vertiefung zum weitaus größten Teil auf der Redeposition dieses bereits aufgewachsenen und weggeätzten SiO₂-Materials beruht. Durch die Ätzwirkung der Ionen kann wiederum auch das an den Seitenwänden redeponierte SiO₂ zum Teil wieder entfernt werden.

Es besteht die Annahme, dass eine gewisse Ätzwirkung von Inertgas- oder anderen Ionen des Plasmas notwendig sei, um den Wachstumsprozeß von SiO₂ aufrechtzuerhalten. Aus der Ver­ öffentlichung "Modeling of SiO₂ Deposition in High Density Plasma Reactors and Comparisons of Model Predictions with Ex­ perimental Measurements", Journal of Vacuum Science and Tech­ nology A 16 (2), März/April 1998, S. 544 ff. von E. Meeks et al. (im folgenden "Meeks" genannt) ist ein Modell über die bei der Abscheidung von SiO₂ in einem HDP-CVD-Prozeß ablau­ fenden chemischen Reaktionen bekannt. Dieses Modell geht da­ von aus, dass sich in einem Hauptreaktionsweg zunächst SiH_x an der Oberfläche der Struktur anlagert, wobei x für die Zah­ len 2 und/oder 3 steht. Anschließend werden die Was­ serstoffliganden teilweise oxidiert, so dass das Oberflächen­ molekül SiG(OH)H₂ entsteht, wobei G für ein Sauerstoffatom steht, welches zwei der Oberflächenmoleküle gemeinsam ist. Dieses Oberflächenmolekül ist chemisch inert, so dass an ihm nicht weitere SiH_x-Moleküle angelagert werden können. Durch Beschuß von Ionen aus dem Plasma, insbesondere von Ar-Ionen, erfolgt eine chemische Aktivierung, so dass eine Anlagerung weiterer SiH_x-Moleküle stattfinden kann. An diesen Hauptreak­ tionsweg knüpfen diverse Nebenreaktionswege und Umstrukturie­ rungsprozesse an, die im Bereich der Oberfläche zur endgülti­ gen Bildung von SiO₂ führen.

Dieser Annahme folgend wird in der US 6,030,881 ein HDP- Abscheideverfahren von SiO₂ zum Auffüllen von Vertiefungen mit hohem Aspektverhältnis beschrieben, bei welchem eine al­ ternierende Sequenz von zwei Verfahrensschritten mit unter­ schiedlichem Depositions-/Ätz-Verhältnis eingesetzt wird. Als erstes wird somit ein Verfahrensschritt hoher Depositionsrate und niedriger Ätzrate eingesetzt, um die Vertiefung soweit mit SiO₂ zu füllen, dass ihre Seitenwände an ihrem oberen Rand durch den beschriebenen Redepositionseffekt schon fast zusammengewachsen sind. Danach kommt der zweite Verfahrens­ schritt zum Einsatz, welcher eine niedrige Depositionsrate und eine hohe Ätzrate aufweist, um in erster Linie das an den Seitenwänden redeponierte SiO₂ mindestens teilweise wieder zu entfernen. Für die Durchführung des zweiten Verfahrens­ schritts kann beispielsweise die Zufuhr von Argon erhöht wer­ den. Anschließend kann wieder der erste Verfahrensschritt zum Einsatz kommen, um die Vertiefung weiter aufzufüllen. Die beiden Verfahrensschritte werden so oft wie erforderlich auf­ einander folgend durchgeführt, bis die Vertiefung lunkerfrei aufgefüllt ist. Da jedoch durch den zweiten Verfahrensschritt auch das am Boden der Vertiefung deponierte SiO₂ teilweise wieder entfernt wird, ist dieses Verfahren relativ langwierig und kostenintensiv.

Gemäß der US 5,872,058 sollen dagegen die Ätzeffekte in ei­ nem derartigen HDP-Abscheidungsprozeß nach Möglichkeit unter­ drückt werden, indem der Anteil des Inertgases an dem Ge­ samtfluß der Prozeßgase in den Reaktor drastisch reduziert wird. Während bei den bis dahin bekannten HDP-Prozessen die Argon-Flußrate 30-60% der Gesamtflußrate der Reaktionsgase betrug, wird vorgeschlagen, die Argon-Flußrate auf 0-13% an der Gesamtflußrate zu begrenzen. Insbesondere wird demzufolge also auch ein Ar-freier Prozeß als gangbare Möglichkeit er­ achtet. Auch in diesem Fall wird allerdings der Abschei­ dungsprozeß durch die im Plasma vorhandenen O₂-Ionen noch weiterhin durch Ätzeffekte beeinflußt, worauf in dieser Druckschrift auch explizit hingewiesen wird.

Aus der US 6,245,690 B1 ist ein Verfahren bekannt, bei wel­ chem eine Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante aus organischen Siliziumverbindungen durch ein plasmagestütztes Abscheideverfahren aufgebracht und durch eine Reaktion mit einer sauerstoffhaltigen Komponente während der Abscheidung oxidiert wird, wobei als sauerstoffhaltige Komponente unter anderem Wasser genannt wird. Mit diesem Abscheideverfahren sollen auch Vertiefungen zwischen eng benachbarten Leiterbah­ nen befüllt werden.

In der US 5,968,610 wird ebenso ein Verfahren zur Abscheidung von dielektrischem Material in Vertiefungen zwischen Verdrah­ tungsleitungen beschrieben, wobei ein Hochdichteplasma- (HDP-)Verfahren zur Anwendung kommt. Es wird hervorgehoben, daß derartige HDP-Verfahren aufgrund einer einstellbaren Ätz­ komponente für das Auffüllen von Vertiefungen besonders ge­ eignet sind.

Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Auffüllen von Vertiefungen mit siliziumoxidhaltigem Material anzugeben, mit welchem auch Vertiefungen mit hohem Aspektverhältnis lunkerfrei gefüllt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Aus­ gestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung geht zunächst davon aus, dass Ätzeffekte bei der HDP-Gasphasenabscheidung für das Schichtwachstum von si­ liziumoxidhaltigem Material im Wesentlichen nicht notwendig sind und dass demzufolge, insbesondere im Sinne einer Verhinderung der Redeposition von weggeätztem siliziumhaltigem Material an den Seitenwänden einer mit siliziumhaltigem Material aufzu­ füllenden Vertiefung, derartige Ätzeffekte nach Möglichkeit weiter reduziert werden sollten.

Wie in der bereits genannten US 5,872,058 festgestellt wurde, sind auch in einem Ar-freien Prozeß noch Ätzeffekte durch die O₂-Ionen vorhanden.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, O₂ als Sauerstoff lieferndes Reaktionsgas in einem HDP- Abscheidungsprozeß im Wesentlichen durch ein anderes Sauer­ stoff enthaltendes Reaktionsgas, nämlich H₂O₂ und/oder H₂O zu ersetzen und dieses Reaktionsgas der HDP-Reaktionskammer zu­ zuführen, so dass die Bildung von O₂-Ionen reduziert wird. Erfindungsgemäß wird also der Sauerstoff-Prekursor O₂ durch den Sauerstoff-Prekursor H₂O₂ und/oder H₂O ersetzt.

Im Idealfall wird das Reaktionsgas O₂ gänzlich durch H₂O₂ und/oder H₂O ersetzt, wobei dann entweder nur H₂O₂ oder nur H₂O oder ein Gemisch aus diesen beiden Reaktionsgasen in der Reaktionskammer gebildet wird.

Der Reaktionskammer wird in jedem Fall ein erstes silizium­ haltiges Reaktionsgas zugeführt, welches beispielsweise durch Silan (SiH₄) gebildet sein kann.

Ein Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ferner, dass eine HDP-(high density plasma)Gasphasenabscheidung durchge­ führt wird. Dieses Verfahren ist an sich im Stand der Technik bekannt. Es können hierfür zur näheren Charakterisierung bei­ spielsweise die in der DE 199 04 311 A1 enthaltenen Angaben herangezogen werden, die hiermit in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird. Ein HDP-Reaktor zur Erzeugung eines hochdichten Plasmas umfaßt demgemäß eine zentrale Kammer, in der Halbleiter- oder Isolatorsubstrate auf einem Boot sitzen, das die Substrate nicht beeinträchtigt oder irgendwelche Verunreinigungen in die Substrate einführt. Die zentrale Kammer besteht aus einem Material, das Drücken um 0,13 Pa oder weniger widerstehen kann, bei derartigen Drü­ cken minimal ausgast und zu keinen Verunreinigungen Anlaß gibt, die in das Innere der Kammer oder in die Substrate oder in einen darauf befindlichen Dünnfilm eindringen. Die zentra­ le Kammer arbeitet bei einem Betriebsdruck, der sehr viel niedriger als bei üblichen Kammern für chemische Abscheidung aus der Gasphase oder plasmagestützte chemische Abscheidung aus der Gasphase ist. Der Druck innerhalb der Kammer beträgt vorzugsweise etwa 0,67 Pa, während bei der plasmagestützten chemischen Abscheidung aus der Gasphase (PECVD) typischerwei­ se ein Druck von etwa 266 Pa verwendet wird. Die Plasmadichte innerhalb der Kammer ist viel höher als bei der normalen che­ mischen Abscheidung aus der Gasphase, selbst wenn sie plasma­ gestützt ist, und liegt vorzugsweise über 10¹⁶ Ionen/m³, vor­ zugsweise im Bereich von 10¹⁶ bis 10²² und insbesondere im Be­ reich von 10¹⁷ bis 10¹⁹ Ionen/m³. Die Plasmadichte könnte aber auch noch höher sein. Im Vergleich hierzu liegt beim typi­ schen Betriebsdruck einer Kammer zur plasmagestützten chemi­ schen Abscheidung aus der Gasphase (PECVD) die Plasmadichte im Bereich von 10¹⁴ bis 10¹⁶ Ionen/m³.

Die HDP-Abscheidung wird beim erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise bei Drücken von ca. 0,13-2,66 Pa durchgeführt und die Substrattemperatur wird in einem Bereich zwischen 200°C-750°C, vorzugsweise 600°C-750°C, geregelt.

Im Vergleich mit dem Ar-freien Prozeß wird die Ätzrate beim erfindungsgemäßen Verfahren nochmals um ca. 50% gesenkt. Nach einer vollständigen Substitution von O₂ verbleibt lediglich noch die Ätzwirkung der SiH_x ⁺-Ionen.

Da entsprechend dem eingangs beschriebenen Modell von Meeks Ätzeffekte in einem bestimmten, wenn auch geringen Ausmaß notwendig für das SiO₂-Schichtwachstum sind, ist es vorzugs­ weise vorgesehen, dass wie bei den bisher bekannten Verfahren ein Inertgas wie Argon oder Helium in geringen Mengen der Re­ aktionskammer zugeführt wird.

Gewünschtenfalls werden noch zusätzlich passivierende Stoffe bzw. atomare und/oder molekulare Teilchen bereitgestellt, die die Oberfläche der Struktur zeitweise gegen eine Anlagerung des Füllmaterials und/oder eines Prekursors des Füllmaterials passivieren können. Als ein Passivierungsgas kann beispiels­ weise Wasserstoff (H₂) der Reaktionskammer zugeführt werden.

Wie bereits in der erwähnten DE 199 04 311 A1 beschrieben wurde, ist ferner vorzugsweise ein zusätzlicher Kohlenstoff­ gehalt der in die Vertiefung eingebrachten siliziumoxidhaltigen Füllung vorgesehen, um zu niedrigeren Dielektrizitätszahlen zu gelangen. Zu diesem Zweck werden als erstes oder weiteres Reaktionsgas ein kohlenstoffhaltiges Reaktionsgas, insbeson­ dere eines oder mehrere Reaktionsgase aus der Gruppe Methan, Tetraethylorthosilikat (TEOS), Methyltrimethoxysilan (MTMS) oder Phenyltrimethoxysilan (PTMS) verwendet.

Eine weitere optionale Maßnahme betrifft insbesondere solche Prozesse wie den bereits genannten STI-Herstellungsprozess, bei denen der Substratwafer nicht von der Rückseite gekühlt werden muß. Die Wafertemperatur bei diesen Prozessen ergibt sich durch eine Aufheizung aus dem Plasma und dem Ionenstrom zum Wafer, also als Funktion des Druckes, der eingekoppelten Leistung (HF und LF) und der Partialdrücke der einfliessenden Gase einerseits und durch eine Abkühlung via Strahlung und Kühlung durch den unterliegenden Substrathalter andererseits. Beim STI-Prozeß lässt sich dabei ein Temperaturbereich von ca. 500-650°C erschliessen. Man kann jedoch bei Parameterver­ änderungen beobachten, dass sich das Auffüllverhalten mit steigender Temperatur weiter verbessert, d. h. vorzugsweise wird eine noch höhere Prozeßtemperatur als 650°C zur Verfü­ gung gestellt. Dies wird beispielsweise durch einen elekt­ risch geheizten Substrathalter erreicht, der beispielsweise über ein keramisches Heizelement auf Temperaturen über 650°C gebracht wird.

Im folgenden ist lediglich zur Illustration ein Ausführungs­ beispiel anhand der Figuren dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Zwischenstadium beim Auffüllen einer Substrat­ vertiefung;

Fig. 2 ein Endstadium beim Auffüllen der Substratvertie­ fung.

Fig. 1 zeigt ein Substrat 28 mit einem Graben 25, der sich senkrecht zur Bildebene erstreckt. Der Graben 25 kann bei­ spielsweise für ein STI-Isolationsgebiet zwischen benachbar­ ten, in dem Substrat 28 ausgebildeten Speicherzellen sein. Der Graben 25, der ein Aspektverhältnis von ca. 4 aufweist, ist bereits vom Boden 26 her mit siliziumoxidhaltigem Füllmate­ rial 30 teilweise aufgefüllt worden. Auch an den Seitenwänden 27 des Grabens 25 ist siliziumoxidhaltiges Material 30 deponiert worden. Weiterhin hat auch außerhalb des Grabens 25 eine De­ ponierung von siliziumoxidhaltigem Material 30 stattgefunden.

Wie in Fig. 2 zu sehen ist, wird infolge der weitgehenden Un­ terdrückung der Ätzeffekte mit dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren die Redeposition des siliziumhaltigen Materials an den Seitenwänden so reduziert, dass die Vertiefung 25 lunkerfrei gefüllt werden kann.

Claims (10)

1. Verfahren zum Auffüllen von in einem Substrat einer Halb­ leiter-Einrichtung enthaltenen Vertiefungen mit hohem Aspekt­ verhältnis mit einem siliziumoxidhaltigen Material, bei wel­ chem

• a) einer das Substrat enthaltenden Reaktionskammer ein erstes siliziumhaltiges Reaktionsgas sowie ein oder mehrere weite­ re Reaktionsgase zugeführt werden, und
• b) eine chemische Abscheidung aus der Gasphase durch ein Hoch­ dichteplasma/HDP-Verfahren vorgenommen wird,

dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Reaktionsgase, die H₂O₂ und/oder H₂O und im We­ sentlichen keinen Sauerstoff enthalten, so ausgewählt sind, dass bei der chemischen Abscheidung aus der Gasphase mit dem HDP-Verfahren die Ätzeffekte weitgehend unterdrückt werden, so dass die Auffüllung der Vertiefungen behindernde Redepositionen des siliziumoxidhaltigen Materials an den Seitenwänden der Vertiefungen vermieden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmadichte oberhalb von 10¹⁶ Ionen/m³ liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmadichte im Bereich von 10¹⁶ bis 10²² Ionen/m³ liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmadichte im Bereich von 10¹⁷ bis 10¹⁹ Ionen/m³ liegt.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als weiteres Reaktionsgas ein Inertgas, insbesondere Ar und/oder He, in geringer Menge, d. h. mit 0-13% einer auf den Gesamtfluss des ersten Reaktionsgases und der weiteren Reaktionsgase bezogenen Flussrate verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Reaktionsgas Silan verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes oder weiteres Reaktionsgas ein kohlenstoffhalti­ ges Reaktionsgas, insbesondere eines oder mehrere aus der Gruppe Methan, Tetraethylorthosilikat (TEOS), Methyltri­ methoxysilan (MTMS) oder Phenyltrimethoxysilan (PTMS) ver­ wendet wird.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als weiteres Reaktionsgas ein Passivierungsgas, insbesonde­ re Wasserstoff, verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat während der Abscheidung mittels einer Heiz­ quelle erhitzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizquelle durch einen elektrisch geheizten Substrat­ halter gebildet wird.