DE102004028679A1

DE102004028679A1 - Isolationsgrabenanordnung

Info

Publication number: DE102004028679A1
Application number: DE102004028679A
Authority: DE
Inventors: Mark Isler; Jens-Uwe Dr. Sachse; Christoph Dr. Ludwig; Ricardo Mikalo; Pascal Deconinck; Jan-Malte Fischer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Qimonda AG
Priority date: 2004-06-14
Filing date: 2004-06-14
Publication date: 2006-01-05
Also published as: US20050275059A1

Abstract

Isolationsgrabenanordnung, die benachbarte Halbleiterstrukturen (1), (2) trennt, wobei ein Isolationsgraben (3) derart ausgebildet ist, dass er von einer Substratoberfläche in das Substratvolumen (0) eindringt und zumindest eine isolierende (20) und zumindest eine leitende Substanz (21) aufweist und die leitfähige Substanz (21) mit dem Substrat (0) über eine elektrisch leitende Verbindung (22) elektrisch leitend verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Isolationsgrabenanordnung und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Isolationsgrabenanordnung.

Unter Grabenisolation (STI = Shallow Trench Isolation) versteht man die seitliche Isolation benachbarter Transistoren oder anderer aktiver Gebiete durch Gräben, die ins monokristalline Silizium geätzt und mit isolierendem Material aufgefüllt sind. Eine solche Isolation ist vor allem bei Bauelementen mit hoher Transistorendichte, wie z. B. Speicher, erforderlich, da durch die geringen Abstände das Übersprechen zwischen den Bauelementen zunimmt. Insbesondere bei Strukturweiten von unter 180 nm setzt sich die Grabenisolation gegenüber der weit verbreiteten LOCOS (Local Oxidation Of Silicon) Methode zur Isolation, von aktiven Halbleiter-Bauelementen durch, da sie besser skalierbar ist und gleichzeitig weniger Chipfläche beansprucht.

In 1 ist ein Querschnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten Graben zur Isolation benachbarter Halbleiterstrukturen dargestellt. In ein Substrat 0 ist ein Graben 3 geätzt. Rechts vom Graben 3 ist ein Teil des aktiven Gebiets eines ersten Transistors 1 zu sehen. Dieses ist durch den Graben 3 von dem aktiven Gebiet eines zweiten Transistors 2 isoliert. Der Graben 3 ist mit einer durch thermische Oxidation erzeugte Silizium-Oxidschicht 4 (SiO₂) bedeckt und mit einem isolierenden Oxid 5, wie z. B. Silizium-Oxid aufgefüllt. Über den aktiven Gebieten 1, 2 und dem aufgefüllten Graben 3 ist noch ein Gate-Oxid 6 angeordnet. Darüber befin det sich eine Gate-Elektrode, zur Ansteuerung und Auswahl der Transistoren, die zur Vereinfachung hier nicht dargestellt ist.

Mit der zunehmenden Verkleinerung von Speicherzellen spielen Randeffekte, also Effekte, die an den Übergängen (Rändern) zwischen den aktiven Gebieten und den Gräben auftreten, eine immer größere Rolle. Waren diese Randeffekte bei großen Weiten der aktiven Gebieten von z. B. 1 μm für das Gesamtverhalten der Zelle noch vernachlässigbar, so macht sich der Einfluss bei kleinen aktiven Weiten von ca. 100 nm weitaus stärker bemerkbar.

2 zeigt einen weiteren Querschnitt durch einen Graben 3, der das aktive Gebiet eines ersten Transistors 1 von dem aktiven Gebiet eines zweiten Transistors 2 isoliert. Zusätzlich sind die Äquipotenziallinien 10 gezeigt, wie sie in einem Graben 3 und an den Kanten 7 der aktiven Strukturen 1, 2 bei einer Gate-Spannung von 9,5 V auftreten. Deutlich sichtbar ist die Feldverzerrung an den oberen Kanten 7 des Grabens und das tiefe Eindringen des Feldes in den Graben 3.

Durch das Eindringen des elektrischen Feldes an den Kanten 7 in die aktiven Gebiete 1, 2 erniedrigt sich dort lokal die Einsatzspannung der Transistoren. Die Transistoren leiten an diesen Stellen eher als in der Mitte der aktiven Gebiete. Da sich die Einsatzspannung V_th eines Transistors aus dem Integral der lokalen Einsatzspannungen über das gesamte aktive Gebiet des Transistors zusammensetzt, führt die Feldinhomogenität an den Kanten der aktiven Gebiete zu einer Erniedrigung der Einsatzspannung V_th des Transistors.

Bei großen Weiten der aktiven Gebiete (z. B. 1 μm) sind die Bereiche, an denen Randeffekte auftreten, im Vergleich zum Rest des aktiven Gebiets vernachlässigbar klein. Sie liefern damit auch nur einen geringen Beitrag zur Einsatzspannung V_th des Transistors und können in der Regel vernachlässigt werden. Bei kleinen Weiten der aktiven Gebiete, wie etwa unter 100 nm, stellen die Bereiche, an denen Randeffekte auftreten, jedoch einen signifikanten Teil der gesamten aktiven Fläche dar. Der Abfall der Einsatzspannung an den Randgebieten beeinflusst die Einsatzspannung V_th der Transistoren in stärkerem Maße als das bei großen aktiven Weiten der Fall ist. Diese Abnahme der Einsatzspannung V_th mit dem Abnehmen der aktiven Weiten wird als „Weiten-Roll-Off" bezeichnet.

Das inhomogene elektrische Feld führt neben einer Verringerung der Einsatzspannung V_th bei Speicherzellen zu einer inhomogenen Injektion von Ladungsträgern in die Speicherschicht unter dem Steuer-Gate. Da somit am Rand der aktiven Gebiete bereits Ladungsträger injiziert werden, in der Mitte der aktiven Gebiete jedoch noch nicht, ist ein homogenes Programmieren und Löschen von Zellen nicht mehr möglich. Diese durch die Randeffekte verursachte Inhomogenität der Ladungsinjektion führt besonders beim Speichern und Löschen von Zellen, die mit hohen Programmierspannungen von ca. 9 bis 10 V betrieben werden, wie z. B. NROM- oder Floating-Gate-Zellen, zu Problemen.

Über die Einsatzspannung V_th wirkt sich die Feldverzerrung in den Randgebieten auf fast alle wesentlichen elektrischen Eigenschaften der Transistoren aus. Die Abhängigkeit der Einsatzspannung von der Weite des aktiven. Gebiets wird mit zunehmender Verkleinerung der aktiven Weiten immer wichtiger, da prozessbedingte Variationen der Weiten der aktiven Gebiete unmittelbar zu Schwankungen der Einsatzspannung V_th und damit zu Streuungen in den elektrischen Eigenschaften führen. Gerade bei Anordnungen mit sehr vielen Zellen, wie z. B. einem 1 GBit Speicher, sind jedoch große Schwankungen der elektrischen Eigenschaften zwischen einzelnen Zellen unerwünscht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Anordnung und ein Verfahren zur Isolation benachbarter Halbleiterstrukturen durch einen Graben anzugeben, mit denen die Schwankungen der Einsatzspannung V_th und anderer elektrischen Größen insbesondere bei aktiven Halbleiterstrukturen mit geringer aktiver Weite minimiert werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Isolationsgraben sowohl isolierende als auch leitfähige Substanzen aufweist.

Dadurch, dass die Schwankungen der Einsatzspannungen V_th reduziert werden, kann die Fertigung der Halbleiterstrukturen vorteilhafterweise mit größeren Toleranzen erfolgen, was den Einsatz von preiswerten Fertigungstechniken ermöglicht. Alternativ können durch die Erfindung kleinere Strukturen mit der gleichen Fertigungstoleranz produziert werden, was zu einer Erhöhung der Speicherdichte führt. Bleiben Fertigungstoleranzen und Strukturen gleich, so ermöglicht die Erfindung durch die geringeren Schwankungen eine höhere Ausbeute. Weiter ermöglicht es die Erfindung, das elektrische Feld über dem Graben und den aktiven Gebieten zu homogenisieren, wodurch eine homogene Ladungsinjektion erreicht wird.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die isolierende Substanz in Form einer Schicht, die die Grabenwände bedeckt, ausgebildet. Derartige Schichten lassen sich leicht mit den gängigen Fertigungstechnologien erzeugen und weisen ausgezeichnete Isolationseigenschaften auf.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung bedeckt die isolierende Substanz zusätzlich zu den Grabenwänden auch noch den Grabenboden in Form von Schichten.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der mit der isolierenden Substanz ausgekleidete Graben mit einer leitfähigen Substanz aufgefüllt. Auf diese Weise ist eine Isolation von benachbarten Halbleiterstrukturen möglich, ohne dass jedoch elektrische Felder tief in den Graben eindringen können. Dies führt zu einem homogenen Feldverlauf mit den damit verbundenen Vorteilen.

Vorteilhafterweise weist die leitfähige Substanz ein definiertes Potenzial auf. Dadurch wird erreicht, dass elektrische Felder in der leitfähigen Substanz sich an die Feldverteilung in den aktiven Gebieten angleichen. Gleichzeitig wird eine Aufladung durch Influenz vermieden.

Gemäß einer Weiterbildung entspricht dem definierten Potenzial der leitfähigen Substanz das Massepotential. Dadurch wird erreicht, dass die Einsatzspannung gleichförmig über den Graben und die aktiven Gebiete verteilt ist.

Vorteilhafterweise ist die leitfähige Substanz elektrisch leitend mit dem Substrat verbunden. Dies kann über eine Aussparung der Isolationsschicht am Grabenboden erfolgen. Auf diese Weise sind keine zusätzlichen Kontakte und Anschlüsse notwendig.

Günstigerweise besteht die leitfähige Substanz aus leitfähigem Poly-Silizium. Dieses kann entsprechend dotiert sein. Mit Hilfe von gängigen Fertigungsverfahren lassen sich damit weitgehend konforme Abscheidungen auch in engen Gräben realisieren.

Vorteilhafterweise ist die isolierende Substanz eine Oxidschicht. Solche Schichten lassen sich auf einfache Weise herstellen.

In einer bevorzugten Weiterbildung sind die Halbleiterstrukturen aktive Bauelemente, wie z.B. Transistoren oder Speicherzellen.

Bevorzugterweise wird im Substrat zwischen den Halbleiterstrukturen ein Graben geformt, der Graben mit einer isolierenden Substanz, wie z. B. einer Oxidschicht ausgekleidet und mit einer leitfähigen Substanz, wie z. B. leitfähigem Poly-Silizium aufgefüllt.

Vorteilhafterweise wird im Substrat zwischen den Halbleiterstrukturen ein Graben geformt, die Grabenwände mit einer isolierenden Substanz, wie z. B. einer Oxidschicht bedeckt und der Graben mit einer leitfähigen Substanz, wie z. B. leitfähigem Poly-Silizium aufgefüllt, wobei die leitfähige Substanz am Boden des Grabens elektrisch leitend mit dem Substrat verbunden wird.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Anordnung zur Isolation benachbarter Halbleiterstrukturen durch einen Graben nach dem Stand der Technik,
2 Äquipotenziale im Graben und in den aktiven Gebieten bei einer Anordnung zur Isolation benachbarter Halbleiterstrukturen durch einen Graben nach dem Stand der Technik,
3 eine Anordnung zur Isolation benachbarter Halbleiterstrukturen durch einen Graben, bei der der Graben isolierende und leitfähigen Substanzen in einem Substrat aufweist,
4 einen Ausschnitt aus 3 mit Angabe der Verteilung des elektrischen Feldes.
Ein Ausführungsbeispiel einer Grabenanordnung wird nun anhand von 3 beschrieben. Ähnlich wie in 1 und 2 ist ein Querschnitt durch ein Substrat 0 gezeigt, in welchem das aktive Gebiet eines ersten Transistors 1 mit Hilfe eines Grabens 3 von dem aktiven Gebiet eines zweiten Transistors 2 getrennt ist. Der Graben 3 ist zur Isolation der aktiven Gebiete der benachbarten Transistoren 1, 2 mit einer relativ dünnen Oxidschicht 20 ausgekleidet.
Um zu verhindern, dass das elektrische Feld wie in 2 gezeigt in den Graben hineingreift und eine inhomogene elektrische Feldverteilung insbesondere an den Kanten 7 erzeugt, ist der Graben 3 – im Gegensatz zum Stand der Technik – nicht mit isolierendem Oxid sondern mit einer leitfähigen Substanz 21, wie z. B. leitfähigem Poly-Silizium aufgefüllt. Dadurch, dass der Graben 3 mit einer leitfähigen Substanz 21 gefüllt ist, kann sich dort das elektrische Feld nicht ausbreiten. Durch die isolierende Substanz 20, z. B. einer Oxidschicht bleiben trotz der leitenden Substanz 21 die aktiven Gebiete der Transistoren 1, 2 von einander elektrisch isoliert.
Um weiter zu verhindern, dass sich die leitfähige Substanz 21 durch Influenz auflädt, wird eine leitende Verbindung dieser Substanz mit einem definierten Potenzial hergestellt. Beispielsweise kann die leitfähige Substanz 21 mit dem Substrat 0 elektrisch leitend verbunden werden. Für diesen Zweck ist eine leitfähige Verbindung 22 des Grabenmaterials 21 mit dem Substrat 0 vorgesehen. Der Graben 3 ist dann im Gegensatz zum Stand der Technik an Teilen des Bodens nicht mit der Oxidschicht 20 ausgekleidet. Alternativ kann der ganze Boden des Grabens 3 frei von Oxid sein. Dies kann z. B. durch Wegätzen der Oxidschicht 20 am Boden des Grabens 3 erreicht werden. Die leitfähige Substanz 21 kann auch auf andere, beliebige Potenziale gelegt sein. Anstelle der leitenden Verbindung 22 kann auch eine Verbindung über ein anderes gängiges Verfahren, wie z. B. Bonden, erfolgen. Durch die Verbindung 22 der leitenden Substanz 21 mit dem Substrat 0, einer Art Massekontakt, erspart man sich jedoch zusätzliche Kontakte, die dann auch noch mit aufwändigen Verfahren angeschlossen werden müssen.
Durch die leitfähige Substanz 21 im Graben und der elektrischen Verbindung 22 dieser Substanz mit dem Substrat 0 erreicht man eine Angleichung der Feldverteilung über dem Graben und der Feldverteilung über den aktiven Gebieten. Die resultierende homogenisierte Feldverteilung ist in 4 dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Gegenstände bezeichnen. Der Übersicht halber ist nur die rechte Hälfte von 3 gezeigt. Deutlich ist zu erkennen, dass der Betrag des elektrischen Feldes 30 weitgehend konstant ist. An den Kanten 7 des aktiven Gebiets 1 wird somit eine Reduzierung der Einsatzspannung V_th verhindert. Die Einsatzspannung V_th der Transistoren fällt dadurch bei geringen aktiven Weiten weniger stark ab. Als Folge wirken sich fertigungsbedingte Schwankungen in der aktiven Breite weniger stark auf die Einsatzspannung V_th der Transistoren aus. Durch die Homogenisierung des Feldes lassen sich höhere Ausbeuten bzw. Speicherdichten erreichen.
Für Zellen eines Flash-Speichers, wie z. B. NROM- oder Floating-Gate-Zellen, wird durch das homogene Feld 30 eine gleichmäßige Ladungsinjektion in Weitenrichtung der Zelle gewährleistet. Dadurch verbessert sich das Programmier- und Löschverhalten der Zelle, möglicherweise wird sogar das Retentionsverhalten verbessert.

0: Substrat
1: aktives Gebiet eines ersten Transistors
2: aktives Gebiet eines zweiten Transistors
3: Graben
4: Oxidschicht
5: elektrisch isolierende Grabenfüllung
6: Gate-Oxid
7: Kante zwischen Graben und aktivem Gebiet
10: Äquipotenziallinien
20: Oxidschicht
21: elektrisch leitende Grabenfüllung
22: elektrisch leitende Verbindung
30: elektrische Feldlinien

Claims

Isolationsgrabenanordnung, die benachbarte Halbleiterstrukturen trennt, wobei ein Isolationsgraben derart ausgebildet ist, dass er von einer Substratoberfläche in das Substratvolumen eindringt und zumindest eine isolierende (20) und zumindest eine leitende Substanzen (21) aufweist.
Isolationsgrabenanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Substanz (20) in Form von Schichten die Grabenwände bedeckt.
Isolationsgrabenanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Substanz (20) in Form von elektrisch isolierenden Schichten die Grabenwänden und den Grabenboden bedeckt.
Isolationsgrabenanordnung nach Patentanspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der isolierenden Substanz (20) ausgekleidete Graben (3) mit einer leitenden Substanz (21) aufgefüllt ist.
Isolationsgrabenanordnung nach einem der vorhergegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Substanz (21) mit einem definierten Potential verbunden ist.
Isolationsgrabenanordnung nach Patentanspruch 5; dadurch gekennzeichnet, dass dem definierten Potential das Massepotential entspricht.
Isolationsgrabenanordnung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Substanz (21) mit dem Substrat (0) über eine leitende Verbindung (22) elektrisch leitend. verbunden ist.
Isolationsgrabenanordnung nach einem der vorhergegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Substanz (21) aus leitfähigem Polysilizium besteht.
Isolationsgrabenanordnung nach einem der obigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Substanz (20) eine Oxidschicht ist.
Isolationsgrabenanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterstrukturen aktive Bauelemente sind.
Verfahren zur Herstellung einer Isolationsgrabenanordnung bei dem im Substrat (0) zwischen benachbarten Halbleiterstrukturen (1), (2) ein Graben (3) geformt wird, der Graben (3) mit einer isolierenden Substanz (20) zumindest teilweise ausgekleidet und mit einer leitfähigen Substanz (21) aufgefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Grabenwände mit einer isolierenden Substanz (20) bedeckt und der Graben (3) mit einer leitfähigen Substanz (21) aufgefüllt wird, und wobei die leitfähige Substanz (21) am Boden des Grabens über eine elektrisch leitende Verbindung (22) elektrisch leitend mit dem Substrat (0) verbunden wird.