DE69228117T2

DE69228117T2 - Verfahren zum Verhindern des "Bird's beak" während der selektiven Oxidation von elektronischen Halbleiteranordnungen

Info

Publication number: DE69228117T2
Application number: DE69228117T
Authority: DE
Inventors: Cirino I-95032 Belpasso Rapisarda (Ct)
Original assignee: CORIMME Consorzio per Ricerca Sulla Microelettronica nel Mezzogiorno
Current assignee: CORIMME Consorzio per Ricerca Sulla Microelettronica nel Mezzogiorno
Priority date: 1992-09-23
Filing date: 1992-09-23
Publication date: 1999-05-20
Anticipated expiration: 2012-09-24
Also published as: EP0589124B1; JPH06295954A; US5504034A; EP0589124A1; DE69228117D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Eliminieren des sogenannten "Vogelschnabels" (bird's beak) bei selektiven Oxidationen von elektronischen Halbleitervorrichtungen.
Im spezielleren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren, das bei Halbleitervorrichtungen zur Anwendung kommt, die ein Halbleitersubstrat aufweisen, das von einer Oxidschicht bedeckt ist, die wiederum von einer ersten Nitridschicht bedeckt ist und bei dem wenigstens eine Vertiefung zum Aufwachsen eines Isolierbereichs in diesem geöffnet wird.
Wie allgemein bekannt ist, wird die als LOCOS bekannte Technologie der lokalen Oxidation von Silizium intensiv verwendet, um Isolierbereiche zwischen Halbleitervorrichtungen oder Elementen von einer Vorrichtung zu schaffen, z. B. um Feldoxidbereiche zu erzeugen.
Eine typische Abfolge von bei der LOCOS-Technik verwendeten Vorgängen ist in den Fig. 1, 2 und 3 der Begleitzeichnungen dargestellt.
Eine Oxidschicht 2 wird durch Aufwachsen auf einem Substrat 1 aus Halbleitersilizium gebildet. Das Oxid 2 wird dann mit einer Nitridschicht 3 bedeckt, und ein anschließender fototechnischer Schritt führt zur Definition der aktiven Bereiche der Vorrichtung.
Durch einen Diffusionsvorgang erfolgt das Aufwachsen des Siliziumoxids in der in Fig. 2 gezeigten Konfiguration. Die sich anschließend an das Entfernen des Nitrids ergebende Struktur ist in Fig. 3 gezeigt.
Bei der vorstehend umrissenen LOCOS-Technologie bleibt unweigerlich eine sogenannte "Vogelschnabel"-Struktur zurück, deren Länge ungefähr 85% der Dicke des aufgewachsenen Oxids beträgt.
Dies führt zu einem Verlust an aktiver Fläche, die für die Herstellung der Vorrichtung verfügbar ist.
Die Konstruktionsbemühungen, die auf die Reduzierung der Größe der Vorrichtung, d. h. der belegten Halbleiterfläche, abzielen, werden somit durch das störende Vorhandensein des "Vogelschnabels" fast vollständig zunichte gemacht.
Zur Milderung dieses ernsthaften Nachteils hat der Stand der Technik in den letzten Jahren eine Reihe von Versuchen vorgeschlagen, die auf die Reduzierung der Größe des "Vogelschnabels" abzielen.
Es ist z. B. allgemein anerkannt, daß eine Reduzierung der Länge des "Vogelschnabels" auch von der Fähigkeit des Nitrids abhängig ist, die Siliziumfläche dicht zu verschließen und ein Diffundieren von Sauerstoff durch die Nitrid-/Siliziumoxid-Grenzfläche zu verhindern.
Diesbezüglich kann auf einen Artikel verwiesen werden "Sealed-interface local oxidation technology", IEEE Trans. Electron Devices, Band ED-29, Seiten 644-561, April 1982.
Zur Reduzierung der Größe des "Vogelschnabels" könnte man auf den Gedanken kommen, die Siliziumoberfläche einem Nitrierungsvorgang auszusetzen, jedoch wäre ein solcher Lösungsversuch nicht praktikabel, da dabei Defekte auf Grund von Wärmebelastungen eingebracht werden.
Ein zweiter Stand der Technik ist unter der Abkürzung SWAMI (Sidewall Masked Isolation Technology oder seitenwandmaskierte Isolationstechnologie) bekannt, und diese ist z. B. in einem Artikel "The SWAMI - a defect-free and near-zero bird's beak local oxidation process and its application in VLSI technology", IEDM Tech. Dig. 1982, Seiten 224-227. Diese Technik ist zwar auf Grund mehrerer Gesichtspunkte von Vorteil, jedoch ist diese Technik auch mit Problemen der Seitenwandprofil-Steuerung sowie der Ätztiefe behaftet. Ferner kann eine Beschädigung der Siliziumfläche während des Siliziuminsel-Ätzvorgangs hervorgerufen werden.
Zur Überwindung von derartigen Problemen ist das FUROX- (FUlly Recessed Oxide) Verfahren vorgeschlagen worden, wie es beschrieben ist in "A new fully recessed-oxide field isolation technology for scaled VLSI Circuit fabrication", IEEE Electron Device Letters, Band EDL-7, Nr. 2, Februar 1986, Seiten 124-126.
Das letztgenannte Verfahren beinhaltet wenigstens zwei separate Oxidationsschritte, von denen der erste immer noch zur Entstehung eines "Vogelschnabels" beträchtlicher Größe führt.
Ein weiterer Versuch ist z. B. in dem IBM Technical Disclousure Bulletin, Band 24, Nr. 9, im Hinblick auf ein "Verfahren zum Bilden von vertieften Oxidisolations- Inseln" offenbart, das eine wichtige Lehre liefert.
Dieses Dokument befaßt sich mit der Möglichkeit, die Bildung des sogenannten "Vogelschnabels" beim Aufwachsen von Oxidisolationsbereichen in einem Halbleiterkörper teilweise zu verhindern, indem kleine, mit Nitrid gefüllte Hinterschneidungen in einer Oxidschicht verwendet werden.
Dieser Halbleiterkörper wird dadurch gebildet, daß man eine erste Oxidschicht auf ein Halbleitersubst rat aufwachsen läßt und man diese erste Schicht mit einer ersten Nitridschicht bedeckt.
Nach einem herkömmlichen fotolitografischen Schritt, in dem eine vorbestimmte Fläche zum Aufwachsen des vertieften Oxids definiert wird, wird ein selektiver Ätzschritt durchgeführt, um die Hinterschneidungen zu erzeugen.
Es ist eine Aufbringung einer zweiten Nitridschicht erforderlich, um die Hinterschneidungen zu füllen.
Die Dicke der zweiten Nitridschicht kann geringfügig größer als die Hälfte der Dicke der Oxidschicht sein.
Der Halbleiterkörper wird dann einem vertikalen Reaktionsionen-Ätzschritt unterzogen, um Bereiche der zweiten Nitridschicht mit Ausnahme der Hinterschneidungen wegzuätzen.
Anschließend wird eine Vertiefung in dem Halbleiterkörper durch einen herkömmlichen Silizium-Ätzvorgang gebildet, und darin kann das Aufwachsen des Vertiefungsoxids erfolgen.
Die mit Nitrid gefüllten Hinterschneidungen ermöglichen keine Migration von Sauerstoff, und somit kommt es zur Bildung des "Vogelschnabels".
Eine weitere Lösung ist in der Europäischen Patentanmeldung Nr. EP-A-0 052 948 offenbart, die ein Oxidiso lationsverfahren betrifft, das eine spezielle Lehre hinsichtlich der Steuerung der Oxidationsphase in einer in einem Halbleiterkörper ausgebildeten Aufnahme enthält, indem Seitenwände teilweise mit Nitrid bedeckt sind und eine doppelte Nitridschicht überhangartig über die Aufnahme ragt.
Die dort enthaltene Lösung verwendet einen anisotropen Ätzvorgang zum exakten Definieren, welche Teile der Seitenwände durch Nitrid geschützt werden müssen.
Dies ist dennoch nicht einfach durchführbar, da dann, wenn das anisotrope Ätzen nicht gut gesteuert wird, dies auch zur Zerstörung der Überhangschicht führen kann, die von wesentlicher Bedeutung ist, um das Wachsen des "Vogelschnabels" auszuschließen.
In der Patentanmeldung NL-A-8 601 415 ist die Möglichkeit aufgezeigt, das Wachsen des "Vogelschnabels" mittels einer ähnlichen Struktur auszuschließen, wie sie in dem IBM Bulletin Band 24 Nr. 9 offenbart ist, in dem Hinterschneidungen in der Oxidschicht gebildet werden und diese mit Nitrid gefüllt werden.
Die zum Auffüllen der Hinterschneidungen verwendete Nitridschicht wird durch isotropes Naßätzen entfernt, das unter Verwendung von Orthophosphorsäure durchgeführt wird.
Bei dieser Anmeldung wird dem Problem der Schaffung einer planaren Struktur keine Aufmerksamkeit geschenkt, so daß keine Art von Aufnahme oder Vertiefung in dem Bereich gebildet wird, in dem das Vertiefungsoxid aufwachsen muß.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende technische Aufgabe besteht in der Schaffung eines Verfahrens zum Eliminieren des sogenannten "Vogelschnabels" bei lokalen Oxidationen, wobei die Einschränkungen derzeitiger Lösungswege auf der Basis von Techniken gemäß dem Stand der Technik überwunden werden.
Der Lösungsgedanke, auf dem die vorliegende Erfindung basiert, besteht lediglich darin, zu vermeiden, daß in der Aufnahme oder in der Vertiefungsaufnahme, in der das Aufwachsen des Oxids erfolgen soll, ein vollständiges Entfernen der zweiten Nitridschicht erfolgt, so daß die Vertiefungen davon ausgenommen sind, die durch den Nitridbereich verschlossen bleiben.
Dies ermöglicht ein Aufwachsen des Oxids in der Aufnahme oder in der Vertiefungsaufnahme unter Vermeidung von Spannungen in den aktiven Bereichen der Halbleitervorrichtung, die durch Isolationsbereiche oder Seitenwandoxidbereiche abgegrenzt sind.
Auf Grund dieses Lösungsgedankens wird die technische Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, wie es vorstehend angegeben und in Anspruch 1 definiert ist.
Die Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele desselben deutlicher, die als Beispiel und nicht als Begrenzung unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen erfolgt.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 bis 3 jeweilige Ansichten unter schematischer Darstellung der Ausführung einer lokalen Oxidation an einer Halbleitervorrichtung;
Fig. 4 bis 8 schematische Darstellungen einer exemplarischen Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere bei nicht-planaren Strukturen; und
Fig. 9 bis 13 schematische Darstellungen eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungsansichten werden die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens, die darin in schematischer Form dargestellt sind, unter Durchlaufung aufeinander folgender Veränderungen bei der Morphologie einer monolithischen Halbleitervorrichtung veranschaulicht.
Die Vorrichtung weist ein Substrat 1 aus monokristallinem Silizium auf, auf dem eine Schicht 2 aus thermischem Siliziumoxid durch Aufwachsen gebildet ist. Das Oxid 2 ist von einer ersten Schicht 3 aus Siliziumnitrid bedeckt.
Unter Verwendung herkömmlicher Techniken wird eine Vertiefung 7 durch die Schichten 2 und 3 hindurch in das Substrat 1 hinein geöffnet. Diese Vertiefung 7 soll einen Isolierbereich, wie z. B. einen Feldoxidbereich, bilden.
Im folgenden wird ein Beispiel für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
In Fig. 4 ist eine Halbleitervorrichtung gezeigt, die das Substrat 1, die Schicht 2 aus thermischem Oxid sowie die erste obere Schicht 3 aus Nitrid aufweist.
Die Vorrichtung ist ebenfalls mit einer Vertiefung 11 ausgebildet.
Genauer gesagt ist diese Vertiefung 11 ebenfalls in das Substrat eingebracht, um einen Sitz bzw. eine Aufnahme 12 zum Aufnehmen eines Isolierbereichs 4 zu bilden, der aus Feldoxid besteht.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht eine selektive Naßätzung vor, bei der verdünnte Fluorwasserstoffsäure verwendet wird. Dieser Ätzvorgang führt lediglich dazu, daß sich das thermische Oxid 2 in seitlicher Richtung von der Vertiefung 11 eingräbt, wie dies in. Fig. 5 gezeigt ist.
Der Ätzvorgang ist nur in dem von dem Nitrid 3 nicht geschützten Vertiefungsbereich wirksam und bildet einander gegenüberliegende Vertiefungen 6 und 8 an den Seiten der Vertiefung 11. Die Eingrabtiefe ist von der Ätzdauer abhängig.
Der nächste Schritt besteht in der Aufbringung einer zweiten Schicht 5 aus Siliziumnitrid. Diese zweite Nitridschicht weist eine Dicke auf, die geringfügig größer ist als die Hälfte der Dicke der Schicht 2 aus thermischem Oxid.
Das Nitrid der Schicht 5 dringt auch in die Vertiefungen 6 und 8 ein und verschließt diese.
Ein anschließender Ätzschritt, z. B. durch Ätzen mit Orthophosphorsäure, ermöglicht ein Entfernen der Nitridschicht 5 mit Ausnahme aus den Vertiefungen 6 und 8, die durch Rückstände 9 und 10 verschlossen bleiben.
An diesem Punkt erfolgt das Aufwachsen des Feldoxids 4 in der Aufnahme 12.
Das Vorhandensein von Nitridverschlüssen ist wirksam, um der Bildung des sogenannten "Vogelschnabels" während des Aufwachsens des Feldoxids 4 entgegenzuwirken.
Tatsächlich wurde durch Versuche festgestellt, daß das Profil des in der Aufnahme 12 aufgewachsenen Feldoxids 4 frei ist von dem eindringenden "Vogelschnabel", wie dies aus Fig. 8 erkennbar ist.
Zuletzt wird jetzt noch ein zweites Beispiel für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
Dieses Beispiel bezieht sich speziell auf eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, das darauf gerichtet ist, die Bildung von Seitenwandoxid in einer Graben-Struktur zu ermöglichen.
Zu diesem Zweck wird ein Halbleitersubstrat 1 wie bei den vorausgehenden Ausführungsbeispielen vorgesehen, das mit einer Schicht 2 aus thermischem Oxid bedeckt ist, die wiederum von einer ersten Schicht 3 aus Nitrid bedeckt ist.
Das Halbleitermaterial wird mit einer tiefen Aussparung 13 oder einer sogenannten Grabenvertiefung (Fig. 9) ausgebildet, so daß eine Aufnahme 15 gebildet ist, in der das sogenannte Seitenwandoxid aufgenommen wird.
Ein erster selektiver Naßätzschritt unter Verwendung von verdünnter Fluorwasserstoffsäure führt dazu, daß sich nur das thermische Oxid 2 in seitlicher Richtung der Vertiefung 13 eingräbt, wie dies in Fig. 10 gezeigt ist.
Der Ätzvorgang ist nur in den von dem Nitrid 3 nicht geschützten, unbedeckten Bereich wirksam und bildet einander gegenüberliegend angeordnete Vertiefungen 6 und 8 an den Seiten der Vertiefung 13. Die Eingrabtiefe ist dabei von der Dauer des zur Anwendung kommenden Ätzvorgangs abhängig.
Der nächste Schritt in dem Verfahren besteht in der Aufbringung einer zweiten Schicht 5 aus Siliziumnitrid. Diese zweite Schicht aus Nitrid ist in ihrer Dicke etwas größer als die Hälfte der Dicke der Schicht 2 aus thermischem Oxid.
Die Nitridschicht 5 wird isotrop über die Seitenwände der Vertiefung 13 aufgebracht und dringt auch in die Vertiefungen 6 und 8 ein und verschließt diese.
Ähnlich wie bei den vorausgehenden Ausführungsbeispielen ermöglicht ein anschließender Ätzschritt ein Entfernen der Nitridschicht 5 mit Ausnahme aus den Vertiefungen 6 und 8, die durch Rückstände 9 und 10 verschlossen bleiben. An diesem Zeitpunkt erfolgt das Aufwachsen des Seitenwandoxids 14 auf den Innenwänden der Aufnahme 15.
Aus dem in Fig. 13 gezeigten Beispiel ist zu erkennen, daß das aus dem erfindungsgemäßen Verfahren resultierende Profil des Seitenwandoxids keinen "Vogelschnabel" zeigt.
Es versteht sich, daß die Halbleiterstruktur durch die Hinzufügung von aktiven Bereichen innerhalb des von dem Seitenwandoxid begrenzten Bereichs vervollständigt werden kann.
Die Hauptvorteile, die sich durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung ergeben, beinhalten die Möglichkeit, das Integrationsausmaß von elektronischen Halbleitervorrichtungen zu steigern.

Claims

1. Verfahren zum Eliminieren des "Vogelschnabels" bei der Bildung von vertieften Oxidbereichen durch selektive Oxidation in einem Halbleiterkörper, der ein Halbleitersubstrat (1) aufweist, das von einer Oxidschicht (2) und einer auf der Oxidschicht (2) ausgebildeten ersten Nitridschicht (3) bedeckt ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

- Öffnen einer Vertiefung (11) oder einer Graben- Vertiefung (13) durch die Nitridschicht (3) und die Oxidschicht (2) hindurch mittels eines ersten Ätzschrittes zum Bilden einer vertieften Aufnahme oder eines Grabens (12, 13) in dem Halbleitersubstrat (1) zum Aufwachsen eines Isolierbereichs (4), der Feldoxid beinhaltet, in der Aufnahme oder zum Aufwachsen eines Seitenwandoxidbereichs (14) in dem Graben (15),

- selektives Naßätzen der Oxidschicht (2) zum Entfernen derselben um die Seiten der Aufnahme (12) oder des Grabens (13) zwischen dem Substrat (1) und der ersten Nitridschicht (3), um dadurch periphere Vertiefungen (6, 8) oder Hinterschneidungen zwischen dem Substrat (1) und der ersten Nitridschicht (3) zu bilden;

- Aufbringen einer zweiten Nitridschicht (5), die sich in das Innere der Aufnahme (12) oder des Grabens (13) hineinerstreckt und die Hinterschneidungen (6, 8) mit Nitrid verschließt, wobei die Dicke der zweiten Nitridschicht (5) geringfügig größer ist als die Hälfte der Dicke der Oxidschicht (2); und

- anschließendes Ätzen der zweiten Nitridschicht (5) zum Entfernen derselben mit Ausnahme der Hinterschneidungen (6, 8), die durch Nitridbereiche (9, 10) verschlossen bleiben; und

- Aufwachsen von Oxid in der Aufnahme (12) oder dem Graben (13) zur Bildung des Isolierbereichs (4), der eine Feldoxidkontaktierung beinhaltet, oder von jeweiligen Seitenwandoxidbereichen (14) in Anlage an den Nitridbereichen (9, 10), die die Vertiefungen (6, 8) verschließen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der anschließende Ätzschritt unter Verwendung von Orthophosphorsäure durchgeführt wird.