DE19856805B4 - Trench isolation structure and method of making the same - Google Patents

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Abstract

Grabenisolierstruktur in einem Siliziumsubstrat (20) mit einem ausgekleideten Graben (23), aufweisend eine Isolierschicht (27a) innerhalb des ausgekleideten Grabens (23), die einen Hohlraum (28a) vollständig abschließt, und ein Gas (26) innerhalb des Hohlraums (28a), dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (27a) imwesentlichen aus SiO2 und das Gas (26) im wesentlichen aus CO2 besteht.A trench isolation structure in a silicon substrate (20) having a lined trench (23) comprising an insulating layer (27a) within the lined trench (23) that completely closes a cavity (28a) and a gas (26) within the cavity (28a). , characterized in that the insulating layer (27a) consists essentially of SiO 2 and the gas (26) consists essentially of CO 2 .

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Grabenisolierstruktur in einem Siliziumsubstrat gemäß den Oberbegriffen der nebengeordneten Patentansprüche 1, 2 und 3 sowie auf ein Verfahren zum Herstellen einer Grabenisolierstruktur in einem Siliziumsubstrat gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.The This invention relates to a trench isolation structure in a silicon substrate according to the preambles the independent claims 1, 2 and 3 and to a method of manufacturing a trench isolation structure in a silicon substrate according to the preamble of claim 6.

Aus der EP 0 735 580 A1 sind bereits bekannt: eine Grabenisolierstruktur in einem Siliziumsubstrat mit einem ausgekleideten Graben, aufweisend eine Isolierschicht innerhalb des ausgekleideten Grabens, die einen Hohlraum vollständig abschließt, und eine Gas innerhalb des Hohlraums; eine Grabenisolierstruktur in einem Siliziumsubstrat mit einem durch einen ersten angepaßten Isolierfilm ausgekleideten Graben, aufweisend eine Isolierschicht innerhalb des ausgekleideten Grabens, die einen Hohlraum einschließt, und ein Gas innerhalb des Hohlraums; sowie eine Grabenisolierstruktur in einem Siliziumsubstrat mit einem durch einen ersten angepaßten Isolierfilm ausgekleideten Graben, aufweisend eine Isolierschicht, die den ausgekleideten Graben abdeckt, um dadurch einen Hohlraum zu bilden, und ein Gas innerhalb des Hohlraums.From the EP 0 735 580 A1 Already known: a trench isolation structure in a silicon substrate having a lined trench, comprising an insulating layer within the lined trench that completely closes a cavity, and a gas within the cavity; a trench isolation structure in a silicon substrate having a trench lined by a first matched insulating film, having an insulating layer within the lined trench enclosing a cavity, and a gas within the cavity; and a trench isolation structure in a silicon substrate having a trench lined by a first matched insulating film, comprising an insulating layer covering the lined trench to thereby form a cavity, and a gas within the cavity.

Ferner ist aus der US 5,447,884 ein Verfahren zum Herstellen einer Grabenisolierstruktur in einem Siliziumsubstrat bekannt, mit folgenden Schritten: Einätzen eines Grabens mit Flächen in das Substrat und Abscheiden eines ersten angepaßten Isolierfilms auf den Flächen des Grabens, um dadurch einen ausgekleideten Graben herzustellen.Furthermore, from the US 5,447,884 discloses a method of manufacturing a trench isolation structure in a silicon substrate, comprising the steps of: etching a trench with areas in the substrate and depositing a first matched insulating film on the areas of the trench to thereby form a lined trench.

Es wurden verschiedene Isolierstrukturen zum Verhindern des Auftretens parasitärer elektrischer Verbindungen zwischen benachbarten Bauteilen in auf Siliziumsubstraten hergestellten integrierten Schaltungen vorgeschlagen. Insbesondere werden mit weiter Verbreitung LOCOS (Local Oxidation of Silicon = örtliche Oxidation von Silizium)-Isolierstrukturen verwendet, da sie gut definiert sind, einfach zu realisieren sind und gegen Verunreinigung unempfindlich sind. Jedoch haben LOCOS-Isolierstrukturen die Grenze ihrer Wirksamkeit erreicht, seit Bauteilgeometrien die Submikrometergröße er reicht haben, da die sogenannte Vogelschnabelstruktur herkömmlicher LOCOS-Feldoxide nicht hinnehmbare große Übergriffe der Feldbereiche des Substrats in die aktiven Bereiche desselben hervorruft und die Oberflächentopographie dieser LOCOS-Feldoxide nicht angemessen ist, was Ebenheitserfordernisse bei Lithographie im Submikrometer-Maßstab betrifft.It Various insulating structures have been proposed for preventing occurrence parasitic electrical connections between adjacent components in on Silicon substrates produced integrated circuits proposed. In particular, LOCOS (Local Oxidation of Silicon = local Oxidation of silicon) insulating structures used as they are good are defined, easy to implement and insensitive to contamination are. However, LOCOS insulating structures have the limit of their effectiveness achieved since component geometries have reached the submicron size, because the so-called birdbeak structure of conventional LOCOS field oxides is not acceptable big attacks the field regions of the substrate into the active regions thereof causes and the surface topography this LOCOS field oxide is not adequate, which requires evenness requirements Submicron-scale lithography is concerned.

Fortschrittliche LOCOS-Prozesse, die die Entstehung der Vogelschnabelstruktur unterdrücken oder ganz beseitigen, wurden dazu entwickelt, Isolierstrukturen für sowohl 64- als auch 256-MBit-DRAM-Arrays herzustellen. Jedoch haben sich Feldoxide sogar fortschrittlicher LOCOS-Prozesse zu groß erwiesen, als dass sie bei GBit-DRAM-Arrays, die Speicherzellen mit Gatelängen unter 0,2 μm erfordern, genutzt werden könnten. Um die bei LOCOS-Feldoxiden bestehenden Beschränkungen zu überwinden, wurden bereits in größerem Umfang Grabenisolierstrukturen verwendet, hauptsächlich, da Gräben mit vertikalen Seitenwänden beträchtlich schmaler als LOCOS-Feldoxide derselben Tiefe hergestellt werden können und da die Tiefe derartiger Gräben leichter als die Breite von LOCOS-Feldoxiden kontrolliert werden kann.progressive LOCOS processes that suppress the formation of the bird's beak structure or Eliminate all, have been developed to provide insulation structures for both 64- and 256-Mbit DRAM arrays. However, they have Field oxides of even advanced LOCOS processes proved too large as for GBit DRAM arrays, the memory cells with gate lengths below Require 0.2 μm, could be used. In order to overcome the limitations of LOCOS field oxides, it has already been used in larger extent trench isolation structures used, mainly, there trenches with vertical side walls considerably narrower as LOCOS field oxides the depth and depth of such trenches are easier as the width of LOCOS field oxides can be controlled.

Prozessschritte eines typischen Verfahrens zum Herstellen einer herkömmlichen Grabenisolierstruktur in einem Siliziumsubstrat werden unmittelbar nachfolgend unter Bezugnahme auf die idealisierten Schnittansichten der 1A–1D beschrieben. Nachdem ein dünnes Kissenoxid thermisch auf ein Siliziumsubstrat 10 aufgewachsen wurde oder durch CVD auf diesem abgeschieden wurde, und nachdem Siliziumnitrid (Si3N4) auf dem Kissenoxid abgeschieden wurde, werden das Oxid und das Nitrid durch herkömmliche Photolithographie und Ätzprozessschritte strukturiert, um einen Oxidfilm 11 bzw. einen Nitridfilm 12 auszubilden, die gemeinsam aktive (Bauteil-) Bereiche des Substrats maskieren. Aktive Bereiche sind definitionsgemäß solche Bereiche des Substrats, die durch den Oxid- und den Nitridfilm maskiert sind, während die Feldbereiche die nicht derartig maskierten Bereiche des Substrats sind. Dann werden in den Feld(Isolier)bereichen des Substrats 10 Gräben 13 selektiv und anisotrop durch Trockenätzen eingebracht, wie es in 1A dargestellt ist. Wie es 1B zeigt, wird auf dem Nitridfilm und auf den Wänden und dem Boden der Gräben 13 ein angepasster Oxidfilm 14 abgeschieden. Die die Gräben 13 auskleidenden Gebiete des Oxidfilms 14 dienen dazu, Beschädigungen zu reparieren, wie sie das Substrat beim Ätzen der Gräben erlitt. Wie es in 1C dargestellt ist, wird durch CVD eine Schicht aus amorphem SiO2 (auch als Quarz, undotiertes Silikatglas oder Silikatglas bekannt) 15 auf dem angepassten Oxidfilm 14 und innerhalb jedes Grabens 13 abgeschieden. Zum Wiederauffüllen der Gräben können verschiedene andere Dielektrika, einschließlich CVD-Polysilizium, verwendet werden. Wie es in 1D dargestellt ist, wird die Silikatglasschicht 15 rückgeätzt, bis Silikatglas nur innerhalb der ausgekleideten Gräben verblieben ist, um so die Herstellung der Grabenisolierstrukturen 19 zu vollenden. Jede Grabenisolierstruktur besteht aus einer Oxidgrabenauskleidung 14a innerhalb jedes Grabens 13 und einer Silikatglasstruktur 15a innerhalb jeder der Grabenauskleidungen 14a.Process steps of a typical process for fabricating a conventional trench isolation structure in a silicon substrate will be described immediately below with reference to the idealized sectional views of FIGS 1A - 1D described. After a thin pad oxide thermally strikes a silicon substrate 10 grown or deposited on top of it by CVD, and after silicon nitride (Si 3 N 4 ) has been deposited on the pad oxide, the oxide and nitride are patterned by conventional photolithography and etching process steps to form an oxide film 11 or a nitride film 12 form, which together mask active (component) areas of the substrate. By definition, active regions are those regions of the substrate which are masked by the oxide and nitride films while the field regions are the non-masked regions of the substrate. Then in the field (insulating) areas of the substrate 10 trenches 13 introduced selectively and anisotropically by dry etching, as in 1A is shown. Like it 1B shows is on the nitride film and on the walls and the bottom of the trenches 13 a matched oxide film 14 deposited. The trenches 13 lining areas of the oxide film 14 serve to repair damage suffered by the substrate during trench etching. As it is in 1C is shown by CVD a layer of amorphous SiO 2 (also known as quartz, undoped silicate glass or silicate glass) 15 on the matched oxide film 14 and within each trench 13 deposited. To replenish the trenches, various other dielectrics, including CVD polysilicon, may be used. As it is in 1D is shown, the silicate glass layer 15 etched back until silicate glass remained only within the lined trenches, thus making the trench isolation structures 19 to complete. Each trench isolation structure consists of an oxide trench lining 14a within each trench 13 and a silicate glass structure 15a inside each of the trench linings 14a ,

Obwohl Grabenisolierstrukturen, insbesondere diejenigen, die in tiefen, schmalen Gräben ausgebildet sind, viele der Beschränkungen hinsichtlich LOCOS-Feldoxiden überwinden, zeigen Verfahren zum Herstellen solcher Strukturen, wie typischerweise das oben beschriebene Verfahren, Nachteile. Bei zunehmendem Seitenverhältnis (d. h. Verhältnis aus Tiefe zu Breite) werden die Gräben, unabhängig von ihrer Breite, immer unvollständiger erzeugt und aufgefüllt. Z. B. müssen Seitenwandprofile der Gräben genau kontrolliert werden, um die Entstehung von Hohlräumen zu vermeiden, wenn die Gräben mit Silikatglas oder einem anderen festen Dielektrikum wie der aufgefüllt werden. Darüber hinaus wird unabhängig vom Seitenverhältnis die Entstehung von Hohlräumen umso wahrscheinlicher, je schmaler die Gräben unterhalb von ungefähr 2 μm werden.Although trench isolation structures, especially those made in deep, narrow trenches In overcoming many of the limitations of LOCOS field oxides, methods for making such structures, such as the method described above, have disadvantages. As the aspect ratio increases (that is, the depth to width ratio), the trenches are increasingly incomplete, and filled, regardless of their width. For example, sidewall profiles of the trenches must be closely controlled to prevent the formation of voids when the trenches are filled with silicate glass or other solid dielectric such as. In addition, regardless of the aspect ratio, the narrower the trenches become, the more likely the formation of voids becomes below about 2 μm.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Grabenisolierstruktur zu schaffen, bei der keine Probleme entstehen, wie sie bei bekannten Strukturen durch Hohlräume bedingt sind, die beim Wiederauffüllen von Gräben mit festen Dielektrika erzeugt werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Struktur zu schaffen.Of the Invention is based on the object, a Grabenisolierstruktur to create, where no problems arise, as with known Structures through cavities conditional upon refilling trenches with solid dielectrics be generated. The invention is further based on the object to provide a method of manufacturing such a structure.

Die beigefügten unabhängigen Ansprüche 1 bis 3 geben erfindungsgemäße Grabenisolierstrukturen an. Der beigefügte Anspruch 6 gibt ein Verfahren zum Herstellen einer Grabenisolierstruktur an. Die Herstellung dieser Struktur beginnt mit dem Abscheiden des ersten angepassten Isolierfilms auf der Oberfläche des Grabens. Dann wird innerhalb des ausgekleideten Grabens eine Schicht aus amorphem Kohlenstoff abgeschieden, auf die eine Isolierschicht aufgebracht wird. Durch Tempern des Substrats in oxidierener Umgebung wird der feste, amorphe Kohlenstoff innerhalb des Hohlraums in Kohlendioxidgas umgesetzt. Ein Einebnen der Isolierschicht auf das Niveau des Substrats schließt die Herstellung der Grabenisolierschicht ab.The attached independent claims 1 to 3 give Grabenisolierstrukturen invention at. The attached Claim 6 gives a method of manufacturing a trench isolation structure at. The preparation of this structure begins with the deposition of the first matched insulating film on the surface of the trench. Then it will be within the lined trench a layer of amorphous carbon deposited, on which an insulating layer is applied. By Annealing the substrate in an oxidized environment becomes the solid, amorphous Carbon within the cavity is converted into carbon dioxide gas. Leveling the insulating layer to the level of the substrate completes the fabrication the trench insulating layer.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass keine der Figuren maßstabsgetreu gezeichnet ist. Wie es auf dem Gebiet der Wiedergabe integrierter Schaltungen üblich ist, sind die Dicken und Querabmessungen der verschiedenen Strukturen so dargestellt, dass die Strukturen deutlich erkennbar sind.The Invention will now be illustrated by figures embodiments described in more detail. It should be noted that none of the figures are to scale is drawn. As it is integrated in the field of playback Circuits usual is, the thicknesses and transverse dimensions of the different structures shown so that the structures are clearly visible.

1A–1D sind idealisierte Schnittansichten zum Veranschaulichen von Prozessschritten eines typischen Verfahrens zum Herstellen herkömmlicher Grabenisolierstrukturen in einem Siliziumsubstrat; 1A - 1D Figure 11 are idealized cross-sectional views illustrating process steps of a typical process for making conventional trench isolation structures in a silicon substrate;

2A–2C sind idealisierte Schnittansichten erfindungsgemäßer Grabenisolierstrukturen in einem Siliziumsubstrat; und 2A - 2C Figure 11 are idealized sectional views of trench isolation structures according to the invention in a silicon substrate; and

3A–3K sind idealisierte Schnittansichten zum Veranschaulichen von Prozessschritten eines Verfahrens zum Herstellen der Grabenisolierstrukturen gemäß den 2A–2C. 3A - 3K are idealized sectional views illustrating process steps of a method of manufacturing the trench isolation structures according to FIGS 2A - 2C ,

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Grabenisolierstruktur, wie es in 2A dargestellt ist, umfasst diese Grabenisolierstruktur 29a in einem Siliziumsubstrat 20 mit einem Graben 23 das Folgende: einen ersten angepassten Isolierfilm 24 (vorzugsweise ein Siliziumnitridfilm mit einer Dicke nicht über 100 nm), der den Graben auskleidet und dadurch einen ausgekleideten Graben bildet; einen zweiten angepassten Isolierfilm 25a (vorzugsweise ein Film aus undotiertem Polysilizium oder ein Siliziumdioxidfilm mit einer Dicke nicht über 100 nm) auf dem ersten angepassten Isolierfilm 24; eine Isolierschicht 27a (vorzugsweise eine Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke nicht über 50 nm), die den ausgekleideten Graben abdeckt und so einen Hohlraum 28a bildet; und ein Gas 26 (Kohlendioxidgas) innerhalb des Hohlraums 28a. Prozessschritte zur Bauteilherstellung, die sich an die Herstellung der soeben beschriebenen Struktur anschließen, sind dann deutlich vereinfacht, wenn die Isolierschicht 27a und damit die erfindungsgemäßen Grabenisolierstrukturen auf das Substrat eingeebnet ist (d. h., dass die Oberfläche der Isolierschicht 27a im Wesentlichen koplanar mit der Oberseite des ursprünglichen Substrats ist), wie es in 2A dargestellt ist.According to a first exemplary embodiment of the trench insulating structure according to the invention, as shown in FIG 2A , this trench isolating structure comprises 29a in a silicon substrate 20 with a ditch 23 the following: a first matched insulating film 24 (preferably, a silicon nitride film not more than 100 nm in thickness) lining the trench thereby forming a lined trench; a second matched insulating film 25a (preferably a film of undoped polysilicon or a silicon dioxide film having a thickness of not more than 100 nm) on the first matched insulating film 24 ; an insulating layer 27a (Preferably, a silicon dioxide layer with a thickness of not more than 50 nm), which covers the lined trench and so a cavity 28a forms; and a gas 26 (Carbon dioxide gas) within the cavity 28a , Process steps for component production, which follow the production of the structure just described, are then significantly simplified if the insulating layer 27a and thus the grave insulating structures according to the invention is flattened onto the substrate (ie, that the surface of the insulating layer 27a is essentially coplanar with the top of the original substrate), as it is in 2A is shown.

Jedes der Elemente des soeben beschriebenen Ausführungsbeispiels der Erfindung entspricht einem Strukturelement, das in einem einzelnen Prozessschritt des unten im Detail beschriebenen Herstellverfahrens hergestellt wird.each the elements of the embodiment of the invention just described corresponds to a structural element that is in a single process step of the manufacturing process described in detail below becomes.

Wie es in der idealisierten Schnittansicht der 2B dargestellt ist, kann ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung als Graben 23 beschrieben werden, der in ein Siliziumsubstrat 20 eingeätzt wurde und mit einem ersten angepassten Isolierfilm 24 (vorzugsweise einem Siliziumnitridfilm mit einer Dicke nicht über 100 nm) ausgekleidet ist, wobei eine Isolierschicht 27b (vorzugsweise eine Siliziumdioxidschicht) mit einem Hohlraum 26a den ausgekleideten Graben auffüllt, und wobei ein Gas 26 (Kohlendioxidgas) den Hohlraum 26a auffüllt. Die eben genannte Isolierschicht 27b, die nicht in einem einzelnen Prozessschritt des unten im Detail beschriebenen Herstellverfahrens hergestellt wird, kann als Kombination aus einem zweiten angepassten, aus Siliziumdioxid bestehenden Isolierfilm 25a und einer ebenfalls aus Siliziumdioxid bestehenden Isolierschicht 27a angesehen werden, die jeweils in einem einzelnen Prozessschritt des unten im Detail beschriebenen Herstellverfahrens hergestellt werden.As it is in the idealized sectional view of the 2 B may be another embodiment of the invention as a trench 23 described in a silicon substrate 20 was etched and with a first matched insulating film 24 (preferably a silicon nitride film having a thickness of not more than 100 nm), wherein an insulating layer 27b (preferably a silicon dioxide layer) with a cavity 26a filling up the lined trench, and being a gas 26 (Carbon dioxide gas) the cavity 26a fills. The above-mentioned insulating layer 27b , which is not manufactured in a single process step of the manufacturing process described in detail below, may be a combination of a second matched silicon dioxide insulating film 25a and an insulating layer also made of silicon dioxide 27a be viewed, each in a single Process step of the manufacturing process described in detail below.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Grabenisolierschicht, wie es in 2C dargestellt ist, weist eine Grabenisolierstruktur 29c in einem Siliziumsubstrat 20 mit einem Graben 23 Folgendes auf: einen ersten angepassten Isolierfilm 24 (vorzugsweise eine Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke nicht über 50 nm), die den ausgekleideten Graben abdeckt und so einen Hohlraum 26c bildet; und ein Gas 26 (Kohlendioxidgas) innerhalb des Hohlraums 28c. Hinsichtlich des letzten oben genannten Ausführungsbeispiels sind nachfolgende Prozessschritte zum Herstel len von Bauteilen in den aktiven Bereichen des Substrats vereinfachte wenn die Isolierschicht 27c auf das Substrat eingeebnet ist, wie es in 2C dargestellt ist.According to a further embodiment of a trench insulating layer according to the invention, as shown in FIG 2C has a trench insulating structure 29c in a silicon substrate 20 with a ditch 23 The following: a first matched insulating film 24 (Preferably, a silicon dioxide layer with a thickness of not more than 50 nm), which covers the lined trench and so a cavity 26c forms; and a gas 26 (Carbon dioxide gas) within the cavity 28c , With regard to the last-mentioned embodiment, subsequent process steps for manufacturing components in the active regions of the substrate are simplified when the insulating layer 27c Leveled to the substrate, as it is in 2C is shown.

Nun werden Prozessschritte eines Verfahrens zum Herstellen der in den 2A–2C dargestellten Grabenisolierstrukturen unter Bezugnahme auf die idealisierten Schnittansichten der 3A–3K beschrieben.Now, process steps of a method for manufacturing in the 2A - 2C illustrated Trbenisolierstrukturen with reference to the idealized sectional views of 3A - 3K described.

Nachdem ein dünnes Polsteroxid mit einer Dicke von 20–60 nm thermisch auf ein Siliziumsubstrat 30 aufgewachsen oder auf diesem durch CVD abgeschieden wurde, wird darauf durch CVD eine Siliziumnitridschicht (Si3N4) mit einer Dicke von 100–200 nm abgeschieden.After a thin pad oxide with a thickness of 20-60 nm thermally on a silicon substrate 30 grown or deposited thereon by CVD, a silicon nitride layer (Si 3 N 4 ) having a thickness of 100-200 nm is deposited thereon by CVD.

Das Kissenoxid und das Nitrid werden durch wohlbekannte Photolithographie- und Ätzprozessschritte strukturiert, um einen Oxidfilm 31 bzw. einen Nitridfilm 32 auszubilden, die zusammen aktive Bereiche des Substrats maskieren. Dann werden Gräben 33 selektiv und anisotrop durch Trockenätzen (vorzugsweise mittels reaktiven Ionenätzens) in den Feldbereichen des Substrats 30 hergestellt, wie es in 3A dargestellt ist. Wie es in 3B dargestellt ist, wird auf dem Nitridfilm 32 und den Flächen (d. h. den Wänden und dem Boden) jedes der Gräben 33 ein erster angepasster Isolierfilm 34, vorzugsweise ein Siliziumnitridfilm mit einer Dicke über 100 nm, hergestellt (vorzugsweise durch Hochtemperatur-Niederdruck-CVD), um dadurch jeden der Gräben auszukleiden. Ein Nitridfilm ist als Grabenauskleidung bevorzugt, da Siliziumnitrid für sowohl Wasserdampf als auch molekularen Sauerstoff im Wesentlichen undurchlässig ist, während Hochtemperatur-Niederdruck-CVD als Abscheidungsverfahren bevorzugt ist, um Anpassung zu erzielen. Wie es in 3C dargestellt ist, wird auf dem ersten angepassten Isolierfilm 34 ein zweiter angepasster Isolierfilm 35, vorzugsweise ein Film aus undotiertem Polysilizium oder ein Siliziumdioxidfilm mit einer Dicke nicht über 100 nm, abgeschieden, vorzugsweise erneut durch Hochtemperatur-Niederdruck-CVD, um Anpassung zu gewährleisten. Alternativ würde das Weglassen der Abscheidung des zweiten angepassten Isolierfilms 35 aus der vorliegenden Abfolge schließlich die in 2C dargestellte Grabenisolierstruktur statt derjenigen ergeben, die in den 2A und 2B dargestellt sind. Wie es in 3D dargestellt ist, wird auf dem Substrat und innerhalb jedes der ausgekleideten Gräben eine Schicht 3G aus amorphem Kohlenstoff abgeschieden (vorzugsweise durch Sputtern). Wie es in 3E dargestellt ist, wird die Schicht 3G aus amorphem Kohlenstoff rückgeätzt, was vorzugsweise durch reaktives Ionenätzen erfolgt, bis Kohlenstoff nur innerhalb der Gräben verblieben ist, um dadurch innerhalb jedem der Gräben eine Schicht 36a aus geätztem Kohlenstoff auszubilden. Wie es in 3F dargestellt ist, wird durch Sputtern oder CVD eine dünne, durchlässige Isolierschicht 37 (vorzugsweise eine Schicht aus Siliziumdioxid) auf dem Substrat abgeschieden, um die Gräben zu überdecken. Jede geätzte Kohlenstoffschicht 36a ist so vollständig in einem Raum 38 eingeschlossen, der von oben durch einen Bereich der durchlässigen Isolierschicht 37 begrenzt ist sowie auf der Seite und von unten durch Bereiche des zweiten angepassten Isolierfilms 35 begrenzt ist. Wenn die Abscheidung der zweiten angepassten Isolierschicht 35 nicht in der Prozessabfolge vorhanden wäre, wäre jede Schicht 36a aus geätztem Kohlenstoff von oben durch einen Bereich der durchlässigen Isolierschicht 37 begrenzt und an der Seite und von unten durch Bereiche des ersten angepassten Isolierfilms 37 begrenzt. Wenn der Wafer bei einer Temperatur von mindestens 400°C (vorzugsweise zwischen 400°C und 450°C) im Ofen in oxidierender Umgebung getempert wird, diffundieren die oxidierenden Spezies (O2 bei einem Trockenoxidationsprozess; H2O bei einem Nassoxidationsprozess) durch die durchlässige Isolierschicht hindurch Re agieren mit dem Kohlenstoff der Schicht 36a aus geätztem Kohlenstoff, um Kohlendioxidgas (CO2) 36b zu erzeugen (3G). Der Endpunkt der Oxidationsreaktion innerhalb des Raums 38 (d. h. der Punkt, zu dem sicher angenommen werden kann, dass der Kohlenstoff der Schicht 36a aus geätztem, amorphem Kohlenstoff vollständig in gasförmiges Kohlendioxid umgesetzt ist) wird durch Oxidwachstum auf einem Teststreifen auf dem Substrat überwacht. Alternativ kann das Tempern im Ofen ausgeführt werden, nachdem die Isolierschicht 37 auf den Gräben auf das Substrat eingeebnet wurde.The pad oxide and the nitride are patterned by well-known photolithography and etching process steps to form an oxide film 31 or a nitride film 32 form, which together mask active areas of the substrate. Then ditches 33 selectively and anisotropically by dry etching (preferably by reactive ion etching) in the field regions of the substrate 30 made as it is in 3A is shown. As it is in 3B is shown on the nitride film 32 and the surfaces (ie walls and floor) of each of the trenches 33 a first matched insulating film 34 , preferably a silicon nitride film having a thickness above 100 nm, prepared (preferably by high-temperature low-pressure CVD) to thereby line each of the trenches. A nitride film is preferred as a trench liner because silicon nitride is substantially impermeable to both water vapor and molecular oxygen, while high temperature low pressure CVD is preferred as a deposition process to achieve conformance. As it is in 3C is shown on the first matched insulating film 34 a second matched insulating film 35 , preferably a film of undoped polysilicon or a silicon dioxide film having a thickness of not more than 100 nm, deposited, preferably again by high temperature low pressure CVD, to ensure matching. Alternatively, omitting the deposition of the second matched insulating film 35 from the present sequence finally the in 2C shown trench isolation structure instead of those in the 2A and 2 B are shown. As it is in 3D is shown on the substrate and within each of the lined trenches a layer 3G deposited from amorphous carbon (preferably by sputtering). As it is in 3E is shown, the layer 3G etched back from amorphous carbon, preferably by reactive ion etching, until carbon is left only within the trenches to thereby form a layer within each of the trenches 36a of etched carbon. As it is in 3F is shown, by sputtering or CVD a thin, permeable insulating layer 37 (preferably a layer of silicon dioxide) deposited on the substrate to cover the trenches. Each etched carbon layer 36a is so complete in a room 38 enclosed by the top through a portion of the permeable insulating layer 37 is limited as well as on the side and from below by areas of the second matched insulating film 35 is limited. If the deposition of the second matched insulating layer 35 would not be present in the process sequence, every layer would be 36a etched carbon from above through a portion of the permeable insulating layer 37 bounded and side and bottom by areas of the first matched insulating film 37 limited. When the wafer is annealed in an oxidizing environment at a temperature of at least 400 ° C (preferably between 400 ° C and 450 ° C) in the furnace, the oxidizing species (O 2 in a dry oxidation process; H 2 O in a wet oxidation process) diffuses through the Permeable insulating layer Re react with the carbon of the layer 36a etched carbon to carbon dioxide gas (CO 2 ) 36b to create ( 3G ). The endpoint of the oxidation reaction within the room 38 (ie the point at which it can be safely assumed that the carbon of the layer 36a etched, amorphous carbon is fully converted to gaseous carbon dioxide) is monitored by oxide growth on a test strip on the substrate. Alternatively, the annealing may be carried out in the oven after the insulating layer 37 was leveled on the trenches on the substrate.

Als durchlässige Isolierschicht 37, die die Gräben abdeckt, ist eine Schicht aus Siliziumdioxid bevorzugt, da O2, H2O und CO2 alle durch Siliziumdioxid hindurchdiffundieren, wenn auch das erste schneller diffundiert als die letzteren beiden. Die Dicke, oder genauer gesagt, die Dünnheit der durchlässigen Isolierschicht 37 wird hauptsächlich dadurch bestimmt, dass es erwünscht ist, die Diffusionstransportzeit von CO2 und entweder O2 oder H2O durch die Schicht zu minimieren. Wenn in der Prozessabfolge die Abscheidung des zweiten angepassten Isolierfilms 35 enthalten ist, ist es bevorzugt, dass die durchlässige Isolierschicht 37 und der zweite angepasste Isolierfilm 35 beide aus demselben Material bestehen, um die Anzahl aufeinanderfolgender Prozessschritte zu minimieren und um die Anhaftung der durchlässigen Isolierschicht 37 am zweiten angepassten Isolierfilm 35 zu maximieren. Diejenigen Bereiche des ersten angepassten Isolierfilms 34, die den Graben auskleiden, verhindern, dass O2, H2O und CO2 während des Temperns aus den Hohlräumen 38 in das Substrat 30 diffundieren. Überschüssiges Kohlendioxidgas entweicht durch Rückdiffusion durch die durchlässige Isolierschicht 37 aus den Hohlräumen 38 in die Umgebung. Nachdem eine Photoresistbeschichtung durch Aufschleudern auf den Wafer aufgebracht wurde, wird mittels wohlbekannter Belichtungs- und Entwicklungsprozessschritte ein Photoresist muster PR hergestellt, das die durchlässige Isolierschicht 37 über den Gräben 33 maskiert, wie es in 3H dargestellt ist.As a permeable insulating layer 37 covering the trenches, a layer of silicon dioxide is preferred because O 2 , H 2 O and CO 2 all diffuse through silicon dioxide, although the first one diffuses faster than the latter two. The thickness, or more precisely, the thinness of the permeable insulating layer 37 is primarily determined by the desire to minimize the diffusion transport time of CO 2 and either O 2 or H 2 O through the layer. If in the process sequence the deposition of the second matched insulation films 35 is included, it is preferred that the permeable insulating layer 37 and the second matched insulating film 35 both are made of the same material to minimize the number of consecutive process steps and the adhesion of the permeable insulating layer 37 on the second matched insulating film 35 to maximize. Those areas of the first matched insulating film 34 , which line the trench, prevent O 2 , H 2 O and CO 2 from being heated out of the cavities during annealing 38 in the substrate 30 diffuse. Excess carbon dioxide gas escapes by back diffusion through the permeable insulating layer 37 from the cavities 38 in the nearby areas. After a photoresist coating has been spin-coated onto the wafer, a photoresist pattern PR comprising the transmissive insulating layer is prepared by well-known exposure and development processing steps 37 over the trenches 33 masked as it is in 3H is shown.

Unter Maskierung durch das Photoresistmuster PR werden die durchlässige Isolierschicht 37 und der zweite angepasste Isolierfilm 35 auf jeder Seite jedes Grabens selektiv und anisotrop trockengeätzt, um dadurch eine geätzte durchlässige Isolierschicht 37a und einen geätzten zweiten angepassten Isolierfilm 35b über jedem der Gräben auszubilden, wie es in 3I dargestellt ist. (Die durchlässige Isolierschicht 37 und der zweite angepasste Isolierfilm 35 können mittels eines einzelnen Ätzsystems geätzt werden, wenn beide aus Siliziumdioxid bestehen. Wenn sie beide keine Oxide sind, sind unter Umständen verschiedene Ätzsysteme zum sequentiellen Ätzen der beiden erforderlich, was eine Zunahme der Prozesskomplexität zur Folge hat.) Wie es in 3J dargestellt ist, werden der erste angepasste Isolierfilm 34 und der Nitridfilm 32 selektiv und isotrop auf jeder Seite von jedem der Gräben 33 nassgeätzt, um dadurch geätzte erste angepasste Isolierfilme 34a zu bilden, die die Gräben auskleiden. (Der erste angepasste Isolierfilm 34 und der Nitridfilm 32 können durch ein einzelnes Ätzsystem geätzt werden, wenn beide aus Siliziumnitrid bestehen. Wenn beide Filme keine Nitride sind, sind unter Umständen verschiedene Ätzsysteme erforderlich, um diese Filme sequentiell zu ätzen.) Nachdem das Photoresistmuster PR abgezogen wurde, werden der Polsteroxidfilm 31, der geätzte zweite angepasste Isolierfilm 35b und die geätzte durchlässige Isolierschicht 37a außerhalb von jedem der Gräben 33 durch entweder reaktives Ionenätzen oder Nassätzen mit HF oder NH4F entfernt, um dadurch die Grabenisolierstrukturen auf das Substrat einzuebnen, wie es in 3K dargestellt ist. (Der Polsteroxidfilm 31, der geätzte zweite angepasste Film 35b und die geätzte durchlässige Isolierschicht 37a können durch ein einzelnes Ätzsystem geätzt werden, wenn alle drei aus Siliziumdioxid bestehen, was ein wesentliches Argument zugunsten der Vorgehensweise ist, alle drei aus Siliziumdioxid herzustellen.)Under masking by the photoresist pattern PR, the permeable insulating layer 37 and the second matched insulating film 35 on each side of each trench, selectively and anisotropically dry etched to thereby form an etched transmissive insulating layer 37a and an etched second matched insulating film 35b over each of the trenches, as it is in 3I is shown. (The permeable insulation layer 37 and the second matched insulating film 35 can be etched by a single etching system if both are made of silicon dioxide. If both are not oxides, different etching systems may be required to sequentially etch the two, resulting in an increase in process complexity 3J is shown, the first matched insulating film 34 and the nitride film 32 selective and isotropic on each side of each of the trenches 33 wet etched thereby to etch first matched insulating films 34a to form the trenches lining. (The first matched insulating film 34 and the nitride film 32 can be etched by a single etch system when both are silicon nitride. If both films are not nitrides, different etching systems may be required to sequentially etch these films.) After the photoresist pattern PR has been stripped off, the cushion oxide film becomes 31 , the etched second matched insulating film 35b and the etched transmissive insulating layer 37a outside each of the trenches 33 by either reactive ion etching or wet etching with HF or NH 4 F to thereby level the trench isolating structures on the substrate as shown in FIG 3K is shown. (The cushion oxide film 31 , the etched second adapted movie 35b and the etched transmissive insulating layer 37a can be etched by a single etch system, with all three made of silicon dioxide, which is a key argument in favor of the process of making all three of silicon dioxide.)

So wird durch das Ätzen die Herstellung der erfindungsgemäßen Grabenisolierstrukturen abgeschlossen, von denen jede Folgendes aufweist: einen ersten angepassten Isolierfilm 34b, der einen Graben 33 in einem Halbleitersubstrat 30 auskleidet und dadurch einen ausgekleideten Graben bildet; einen zweiten angepassten Isolierfilm 35c auf dem ersten angepassten Isolierfilm 34b; eine durchlässige Isolierschicht 37b, die den ausgekleideten Graben abdeckt und dadurch einen Hohlraum 38 bildet; und Kohlendioxidgas 36b innerhalb des Hohlraums 38. Wenn in der Prozessabfolge die Abscheidung eines zweiten angepassten Isolierfilms nicht enthalten ist, würde durch das Ätzen die Herstellung von Grabenisolierstrukturen abgeschlossen, von denen jede Folgendes aufweist: einen ersten angepassten Isolierfilm 34b, der einen Graben 33 in einem Halbleitersubstrat 30 auskleidet und dadurch einen ausgekleideten Graben bildet; eine durchlässige Isolierschicht 37b, die den ausgekleideten Graben abdeckt und dadurch einen Hohlraum 38 bildet; und Kohlendioxidgas 36b innerhalb des Hohlraums 38.Thus, the etching completes the fabrication of the trench isolation structures of the invention, each comprising: a first matched insulating film 34b who dig a ditch 33 in a semiconductor substrate 30 and thereby forms a lined trench; a second matched insulating film 35c on the first matched insulating film 34b ; a permeable insulating layer 37b which covers the lined trench and thereby a cavity 38 forms; and carbon dioxide gas 36b inside the cavity 38 , If the deposition does not include the deposition of a second matched insulating film in the process sequence, the etching would complete the fabrication of trench isolation structures, each comprising: a first matched insulating film 34b who dig a ditch 33 in a semiconductor substrate 30 and thereby forms a lined trench; a permeable insulating layer 37b which covers the lined trench and thereby a cavity 38 forms; and carbon dioxide gas 36b inside the cavity 38 ,

Die erfindungsgemäßen Grabenisolierstrukturen, wie sie in den 2A–2C dargestellt sind, zeigen wesentliche Vorteile gegenüber bekannten Grabenisolierstrukturen, die typischerweise die in 1D dargestellte Struktur aufweisen. Die Kopplung über parasitäre Kapazitäten zwischen dem Substrat und Verbindungsleiterbahnen über den Isolierstrukturen ist zwei bis fünf Mal geringer als dann, wenn das Dielektrikum in den Gräben Siliziumdioxid statt Kohlendioxidgas wäre, da die relative Dielektrizitätskonstante von Gas 1 ist, während diejenige von Siliziumdioxid 2–5 ist (der genaue Wert hängt von der Art der Herstellung des Dielektrikums ab). Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen derartiger Strukturen minimiert den Einfluss vieler Probleme in Zusammenhang mit dem Herstellen von Gräben, und es weicht allen Probleme in Zusammenhang mit dem Wiederfüllen der Gräben mit einem festen Dielektrikum aus.The Grabenisolierstrukturen invention, as shown in the 2A - 2C show significant advantages over known Grabenisolierstrukturen, which typically those in 1D have shown structure. The coupling across parasitic capacitances between the substrate and interconnect lines over the isolation structures is two to five times less than if the dielectric in the trenches were silicon dioxide rather than carbon dioxide gas, since the relative dielectric constant of gas 1 while that of silicon dioxide 2 - 5 (the exact value depends on the way the dielectric is made). The method of making such structures according to the invention minimizes the impact of many problems associated with trenching, and avoids any problems associated with refilling the trenches with a solid dielectric.

Claims (9)

Grabenisolierstruktur in einem Siliziumsubstrat (20) mit einem ausgekleideten Graben (23), aufweisend eine Isolierschicht (27a) innerhalb des ausgekleideten Grabens (23), die einen Hohlraum (28a) vollständig abschließt, und ein Gas (26) innerhalb des Hohlraums (28a), dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (27a) imwesentlichen aus SiO2 und das Gas (26) im wesentlichen aus CO2 besteht.Trench isolation structure in a silicon substrate ( 20 ) with a lined trench ( 23 ), comprising an insulating layer ( 27a ) within the lined trench ( 23 ), which has a cavity ( 28a ) and a gas ( 26 ) within the cavity ( 28a ), characterized in that the insulating layer ( 27a ) essentially of SiO 2 and the gas ( 26 ) consists essentially of CO 2 . Grabenisolierstruktur in einem Siliziumsubstrat (20) mit einem durch einen ersten angepaßten Isolierfilm (24) ausgekleideten Graben (23), aufweisend eine Isolierschicht (27b) innerhalb des ausgekleideten Grabens (23), die einen Hohlraum (28a) einschließt, und ein Gas (26) innerhalb des Hohlraums (28a), dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (27b) im wesentlichen aus SiO2 und das Gas (26) im wesentlichen aus CO2 besteht.Trench isolation structure in a silicon substrate ( 20 ) with a first matched insulating film ( 24 ) lined trench ( 23 ), comprising an insulating layer ( 27b ) within the lining trench ( 23 ), which has a cavity ( 28a ) and a gas ( 26 ) within the cavity ( 28a ), characterized in that the insulating layer ( 27b ) essentially of SiO 2 and the gas ( 26 ) consists essentially of CO 2 . Grabenisolierstruktur in einem Siliziumsubstrat (20) mit einem durch einen ersten angepaßten Isolierfilm (24) ausgekleideten Graben (23), aufweisend eine Isolierschicht (27c), die den ausgekleideten Graben (23) abdeckt, um dadurch einen Hohlraum (28c) zu bilden, und ein Gas (26) innerhalb des Hohlraums (28c), dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (27c) im wesentlichen aus SiO2 und das Gas (26) im wesentlichen aus CO2 besteht.Trench isolation structure in a silicon substrate ( 20 ) with a first matched insulating film ( 24 ) lined trench ( 23 ), comprising an insulating layer ( 27c ) lining the lined trench ( 23 ), thereby forming a cavity ( 28c ), and a gas ( 26 ) within the cavity ( 28c ), characterized in that the insulating layer ( 27c ) essentially of SiO 2 and the gas ( 26 ) consists essentially of CO 2 . Grabenisolierstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (27a, 27b, 27c) bis auf das Substrat (20) eingeebnet ist.Grabenisolierstruktur according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the insulating layer ( 27a . 27b . 27c ) down to the substrate ( 20 ) is leveled. Grabenisolierstruktur nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste angepaßte Isolierfilm (24) im wesentlichen aus Si3N4 besteht.Trench insulating structure according to one of Claims 2 to 4, characterized in that the first matched insulating film ( 24 ) consists essentially of Si 3 N 4 . Verfahren zum Herstellen einer Grabenisolierstruktur in einem Siliziumsubstrat (30) mit den folgenden Schritten: – Einätzen eines Grabens (33) mit Flächen in das Substrat und – Abscheiden eines ersten angepaßten Isolierfilms (34) auf den Flächen des Grabens (33), um dadurch einen ausgekleideten Graben herzustellen; gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Herstellen einer Kohlenstoffschicht (36a) innerhalb des ausgekleideten Grabens; – Abscheiden einer Isolierschicht (37) auf der Kohlenstoffschicht (36a), um dadurch einen durch die Kohlenstoffschicht (36a) gefüllten Raum zu bilden; und – Tempern des Substrats (30) in oxidierender Umgebung, um innerhalb des Raums Kohlendioxidgas (36b) zu erzeugen, um dadurch die Grabenisolierstruktur fertigzustellen.Method for producing a trench insulating structure in a silicon substrate ( 30 ) comprising the following steps: - inserting a trench ( 33 ) with surfaces in the substrate and - deposition of a first matched insulating film ( 34 ) on the surfaces of the trench ( 33 ) to thereby produce a lined trench; characterized by the following steps: - producing a carbon layer ( 36a ) within the lined trench; - deposition of an insulating layer ( 37 ) on the carbon layer ( 36a ), thereby penetrating through the carbon layer ( 36a ) to form filled space; and - annealing the substrate ( 30 ) in an oxidizing environment, within the space carbon dioxide gas ( 36b ) to thereby complete the trench isolation structure. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (37) auf das Substrat (30) eingeebnet wird.Method according to claim 6, characterized in that the insulating layer ( 37 ) on the substrate ( 30 ) is leveled. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem ersten angepaßten Isolierfilm (34) ein zweiter angepaßter Isolierfilm (35) hergestellt wird.Method according to one of claims 6 or 7, characterized in that on the first matched insulating film ( 34 ) a second matched insulating film ( 35 ) will be produced. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste angepaßte Isolierfilm (34) im wesentlichen aus Si3N4 besteht, die Isolierschicht (37) im wesentlichen aus SiO2 besteht und das Gas (36b) im wesentlichen aus CO2 besteht.Method according to one of Claims 6 to 8, characterized in that the first matched insulating film ( 34 ) consists essentially of Si 3 N 4 , the insulating layer ( 37 ) consists essentially of SiO 2 and the gas ( 36b ) consists essentially of CO 2 .
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