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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Halbleitervorrichtungsentwurf
und eine -herstellung und insbesondere auf die Grabenisolation derartiger
Vorrichtungen.
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Beschreibung
der verwandten Technik
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In
der Halbleiterindustrie besteht ein fortdauernder Trend hin zu dem
Erhöhen
der Anzahl von Komponenten, die in einem Bereich einer integrierten Schaltung
gebildet sind. Dieser Trend führt
zu ULSI-Vorrichtungen (ULSI = Ultra Large Scale Integration). Dieser
Trend bringt die Halbleiterindustrie zum Untersuchen von neuen Materialien
und Prozessen zum Herstellen von integrierten Schaltungen mit Merkmalen
mit Submikronengröße, so dass
mehr Vorrichtungen in demselben Bereich einer integrierten Schaltung
gebildet werden können.
Dies gilt insbesondere für
die Herstellung von integrierten Schaltungen (IC; IC = integrated
circuit) aus Metalloxidhalbleiter (MOS; MOS = Metal Oxide Semiconductor) oder
Komplementär-Metalloxid-Halbleiter
(CMOS; CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor).
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Solche
ICs bestehen allgemein aus einem Array aus aktiven Vorrichtungen,
wie z. B. Transistoren oder Kondensatoren. Üblicherweise ist jeder der Kondensatoren
und Transistoren durch eine Isolationsstruktur abgetrennt, die angepasst
ist, um benachbarte aktive Vorrichtungen elektrisch voneinander
zu isolieren. Da sich die Vorrichtungsdichte erhöht hat, wurden die Gesamtabmessungen
der Kondensatoren, Transistoren und der Isolationsstrukturen auf
einem Chip durch die Hersteller reduziert, um die begrenzten Raumanforderun gen
zu erfüllen.
Ferner werden diese Vorrichtungen in größerer Nähe zueinander platziert, um
die Vorrichtungsdichte zu erhöhen.
Diese Situation stellt eine spezielle Herausforderung für die Isolationsstrukturen
dar, da diese Vorrichtung kleiner sein müssen und trotzdem die notwendige
Isolation bereitstellen müssen.
Tatsächlich
hängt die
Integrität
und die Zuverlässigkeit
von jeder aktiven Vorrichtung bedeutend von der Fähigkeit
ab, jede aktive Vorrichtung elektrisch von benachbarten aktiven
Vorrichtungen zu isolieren, da Leckströme aus benachbarten Vorrichtungen
zu einem Ausfall führen
können.
Somit, trotz der sich verringernden Abmessungen der Isolationsstrukturen, muss
jede Isolationsstruktur trotzdem den erforderlichen Isolationsgrad
beibehalten, um Leckströme
zwischen den individuellen aktiven Vorrichtungen zu vermeiden.
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Aktive
Vorrichtungen auf einem Chip sind allgemein durch die Regionen voneinander
beabstandet, die als Feldregionen bekannt sind, in denen die Isolationsstrukturen
gebildet sind. Tatsächlich
wird die Isolation zwischen den aktiven Vorrichtungen durch Zwischenpositionieren
der Isolationsstruktur zwischen denselben erreicht, die üblicherweise
eine Feldvorrichtung genannt wird, um eine Parasitärleitung
zu unterbrechen. Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass eine
Differenz bei dem Potenzial zwischen benachbarten aktiven Vorrichtungen
induziert, dass sich Ladungsträger
zwischen den zwei aktiven Vorrichtungen bewegen. Die Differenz des
Potenzials wird als die Schwellenspannung bezeichnet, die erforderlich
ist, um diese Parasitärleitung
zu erzeugen.
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Bei
vielen Anwendungen wird die Isolationsstruktur, die zum Verhindern
der Parasitärleitung
verwendet wird, aus einem im Allgemeinen nicht leitfähigen Oxidmaterial
gebildet, wie z. B. Siliziumoxid. Vorzugsweise erhöht das Vorhandensein
der Isolationsstruktur die Schwellenspannung, die notwendig ist, um
eine Parasitärleitung
zu einem Punkt zu erzeugen, wo die Differenz bei dem Potenzial zwischen
benachbarten aktiven Vorrichtungen nie die Schwellenspannung erreicht.
Diese Schwellenspannung wird in dem Kontext von Isolationsstrukturen
allgemein als die Feldschwelle bezeichnet. Mit diesen Typen von Isolationsstrukturen
ist die Schwellenspannung, die aus der Bildung der Isolationsstruktur
resultiert, im richtigen Verhältnis
zu der Dicke der Isolationsstruktur. Somit, je dicker die Struktur,
desto größer die Schwellenspannung,
die zu weniger Parasitärleitung während der
Operation einer aktiven Vorrichtung führt.
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Der
Klarheit halber kann der Mechanismus der Parasitärleitung zwischen aktiven Vorrichtungen als
eine Parasitärvorrichtung
betrachtet werden, die zwischen aktiven Vorrichtungen eingerichtet
ist. Die Parasitärvorrichtung
ist in der Operation analog zu einem Feldeffekttransistor. Folglich
erhöht
die Isolationsstruktur, die als ein Gate in einem Feldeffekttransistor
wirkt, die Schwellenspannung der Parasitärvorrichtungen, die spontan
zwischen den aktiven Vorrichtungen existiert, und verhindert eine
unabsichtliche elektrische Kopplung zwischen den aktiven Vorrichtungen.
Das Ziel bei einem Isolationsschema ist, diese Feldschwellenspannung
so hoch wie möglich zu
machen, ohne die Charakteristika von benachbarten Vorrichtungen
nachteilhaft zu beeinflussen. In der Halbleiterindustrie wird dies
herkömmlicher
Weise durch Bilden von dicken Isolationsstrukturen in den Feldregionen
durchgeführt.
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Solche
Isolationsstrukturen werden herkömmlicher
Weise unter Verwendung von Prozessen gebildet, wie z. B. LOCOS (für LOCalized
Oxidation of Silicon; lokalisierte Oxidation von Silizium) oder Grabenisolation.
Bei dem LOCOS-Prozess werden dicke Isolationsstrukturen, die als
Feldoxidregionen bekannt sind, durch Oxidieren der Regionen zwischen
benachbarten aktiven Vorrichtungen gebildet. Obwohl die hohe Feldschwelle,
die durch ein solch dickes Feldoxid bereitgestellt wird, die aktiven
Vorrichtungen effektiv isoliert, verhindert der LOCOS-Prozess einige
Nachteile, die dem Wesen des Oxidationsprozesses zugeordnet sind.
Zum Beispiel verbrauchen dicke Isolationsstrukturen, die durch Oxidation
gebildet werden, eine beträchtlichen
Bereichsmenge des Chips, was die Menge des Bereichs einschränkt, die
für aktive
Vorrichtungen verfügbar
ist, und dadurch die Dichte des aktiven Bereichs einschränkt. Ferner
besteht während
des Oxidationsprozesses ein laterales Übergreifen in die aktiven Bereiche
des Chips. Dieses laterale Übergreifen
ist als Vogelschnabel-Übergreifen
bekannt und schränkt
die Größe der aktiven
Bereiche des Chips und die Dichte der aktiven Vorrichtung weiter
ein. Dieses Vogelschnabel-Übergreifen
bleibt ein bedeutendes Problem, sogar wenn Vorrichtungsabmessungen
und Isolationsstrukturabmessungen verringert werden, um eine größere Dichte
der aktiven Vorrichtung unterzubringen.
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Eine
Alternative für
den LOCOS-Prozess ist als Grabenisolation bekannt. Beispiele von
Vorrichtungen, die eine Grabenisolation verwenden, sind in der US-A-5
179 038 (Kinney Wayne I et al), der EP-A-0 220 108 (Thompson components
Mostec Corp), der US-A-4 470 062 (Muramatsu Akira), der
JP 62 131539 A (Fujitsu
Ltd.) und der
JP 01
138730 A (Fujitsu Ltd.) offenbart. Vorteilhafterweise erfahren Grabenisolationsprozesse
kein laterales Vogelschnabel-Übergreifen
und einen daraus resultierenden Verlust von aktivem Bereich. Die
Grabenisolation umfasst allgemein das Ätzen eines Grabens in das Substrat
zwischen den aktiven Bereichen und das Füllen des Grabens mit einem
Isolator, wie z. B. Siliziumoxid. Um hohe Feldschwellenspannungen
bereitzustellen und die Bildung eines leitfähigen Kanals zwischen benachbarten
aktiven Vorrichtungen zu vermeiden, muss der Graben eine ausreichende
Tiefe und Breite aufweisen.
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Das
Abwärtsskalieren
von Grabenabmessungen jedoch, um höhere Dichten von aktiven Vorrichtungen
auf einer integrierten Schaltung unterzubringen, beeinflusst die
Feldschwellenspannung nachteilhaft und kann zu einer Parasitärleitung
zwischen den aktiven Vorrichtungen führen. Folglich, während Grabenisolationstechniken
allgemein keine lateralen Übergriffsprobleme
aufweisen, die LOCOS-Isolationsstrukturen zugeordnet sind, müssen die
Grabenisolationsstrukturen trotzdem relativ große Minimalabmessungen aufweisen,
um eine angemessene Isolation zwischen benachbarten aktiven Vorrichtungen
beizubehalten, was eine bedeutende Erhöhung der Vorrichtungsdichte
auf einer integrierten Schaltung verhindert.
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Eine
Lösung
für dieses
Problem ist die Verwendung eines Kanalstoppimplantats zum Dotieren von
Seitenwänden
des Grabens, um die Bildung eines leitfähigen Kanals zwischen den aktiven
Vorrichtungen weiter einzuschränken.
Kanalstoppimplantate sind üblicherweise
von demselben Dotierungstyp wie der Dotierungstyp des Substrats,
aber Kanalstoppimplantate werden in höheren Dotierungskonzentrationen
implantiert, um die Kanalbildung effektiv einzuschränken. Das
Dotieren von Grabenwänden
ist jedoch ein aufwändiger
und technisch schwieriger Prozess, und das dotierte Implantat weist
häufig
eine Tendenz auf, in aktive Vorrichtungsregionen zu diffundieren,
was zu unerwünschten Änderungen
bei den Vorrichtungscharakteristika führt.
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Die
US 5179038 beschreibt eine
Grabenisolationsstruktur mit hoch dotiertem Polysilizium in einem
Graben, der mit dem Substrat verbunden ist.
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Die
EP 220108 offenbart Isolationsgräben, die
mit p++-Polysilizium
in einem p-Typ-Substrat gefüllt
sind.
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Die
US 4,470,062 beschreibt
eine Vorrichtung mit einem Polysiliziumgraben, der mit Masse verbunden
ist, auf einem p-Typ-Substrat.
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Ein
anderes alternatives Grabenisolationsverfahren füllt den Graben mit Polysilizium.
Bei diesem Verfahren kann die Vorrichtungsisolation durch Anwenden
einer niedrigen Vorspannung an das Polysilizium erreicht werden,
um eine Kanalbildung zwischen den aktiven Vorrichtungen zu vermeiden.
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Da
die Grabenabmessungen jedoch reduziert werden, kann die Feldschwellenspannung
dieser Isolationsstrukturen nicht angemessen hoch genug sein, um
eine Kanalbildung zu vermeiden. Ferner, wie in dem Fall von mit
Siliziumoxid gefüllten Gräben, können Polysilizium-gefüllte Gräben trotzdem
Seitenwand-Kanalstopp-Implantationsstoffe erfordern.
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Somit
besteht bei Halbleiter-Integrierte-Schaltung-Techniken ein Bedarf
nach Isolationsstrukturen, die hohe Feldschwellenspannungen und verbesserte
Isolationscharakteristika aufweisen, um eine Isolation zwischen
benachbarten aktiven Vorrichtungen bei Anwendungen mit höherer Dichte
von aktiven Vorrichtungen bereitzustellen. Zu diesem Zweck besteht
ein Bedarf nach Isolationsstrukturen, die eine Kanalbildung zwischen
benachbarten Vorrichtungen reduzieren, die aber keine zeitaufwendigen
Dotierungsprozesse erfordern, um angemessene Isolationsstrukturen
zu erreichen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Der
zuvor genannte Bedarf wird durch den Prozess und die Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch
1 und 12 erfüllt,
die sich auf die Herstellung einer selektiv dotierten Grabenisolationsvorrichtung
bezieht. Bei einem Aspekt besteht die vorliegende Erfindung aus
einer Isolationsstruktur, die in einem Substrat gebildet ist, aus
einem Halbleitermaterial, das eine erste Austrittsarbeit aufweist, wobei
die Isolationsstruktur einen Graben aufweist, der in dem Substrat
gebildet ist, mit einer Isolationsschicht, die auf den Grabenoberflächen positioniert ist,
und einem Material, das eine zweite Austrittsarbeit aufweist, die
höher ist
als die erste Austrittsarbeit, das innerhalb des Grabens auf der
frei liegenden Oberfläche
der Isolationsschicht positioniert ist. Bei einem Aspekt ist das
Isolationsmaterial von demselben Dotiermitteltyp wie das Substrat,
weist aber eine höhere
Dotiermittelkonzentration auf. Das Isolationsmaterial ist aus einem
Material ge bildet, das vorgespannt werden kann, um die Schwellenspannung der
Isolationsstruktur zu erhöhen.
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Bei
einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bilden
einer Isolationsstruktur geschaffen. Das Verfahren weist das Bilden
eines Grabens in einem Substrat mit einer ersten Austrittsarbeit,
das Aufbringen einer Isolation oder einer Isolierungsschicht auf
den inneren Oberflächen
des Grabens und dann das Positionieren eines Materials mit einer
zweiten Austrittsarbeit, die höher
ist als die erste Austrittsarbeit, auf den Innenoberflächen der Isolation
oder Isolierungsmaterials auf. Das Isolationsmaterial kann vorgespannt
werden. Bei einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist ein Graben in einer Feldregion eines
p-Typ-Substrats gebildet, und eine dünne Schicht eines Feldoxids
ist auf den Grabenseitenwänden
und dem Boden gebildet. Der mit Oxid abgedeckte Graben wird dann
mit einem Material gefüllt,
das einen Austrittsarbeitswert aufweist, der höher ist als der Austrittsarbeitswert
des p-Typ-Substrats.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist das Material ein hoch dotiertes p+-Polysiliziummaterial. Die
höhere
Austrittsarbeit des p+-Polysiliziummaterials erzeugt eine hohe Flachbandspannung,
die hohe Schwellenspannungen erzeugt. Diese hohe Schwellenspannung
der Grabenisolationsvorrichtung verhindert Stromlecks zwischen den
aktiven Vorrichtungen, die durch die Grabenisolationsvorrichtung
dieser Erfindung getrennt sind. Ferner kann diese Schwellenspannung
vorteilhaft gesteuert werden, durch Variieren der Vorspannung an
dem Gate-Material. Ferner diffundieren bei diesem Ausführungsbeispiel
die Dotiermittelatome aus dem Polysilizium durch die Isolationsschicht,
wodurch eine höher
dotierte Kanalstoppregion benachbart zu der Schnittstelle zwischen
dem Substrat und der Isolationsregion gebildet wird, ohne die Verwendung
von Kanalimplantaten oder Seitenwandimplantaten zu erfordern.
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Diese
und andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbin dung mit den beiliegenden Zeichnungen
besser offensichtlich.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Ansicht eines Siliziumsubstrats mit einer Maskenstruktur,
die auf der oberen Oberfläche
gebildet ist;
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2 ist
eine schematische Ansicht der Struktur, die in 1 gezeigt
ist, wobei eine Schicht eines Fotoresistmaterials oben auf der Maskenstruktur
gebildet wurde;
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3 ist
eine schematische Ansicht der Struktur, die in 2 gezeigt
ist, wobei die Maskenstruktur und das Siliziumsubstrat geätzt wurden,
um einen Graben in dem Substrat zu bilden;
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4 ist
eine schematische Ansicht der Struktur, die in 3 gezeigt
ist, wobei das Fotoresistmaterial von der Maskenstruktur abgestreift
wurde und eine Siliziumoxidschicht auf den freiliegenden Oberflächen des
Grabens und der Maskenstruktur gebildet ist;
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5 ist
eine schematische Ansicht der Struktur, die in 4 gezeigt
ist, wobei eine p+-Siliziumschicht selektiv auf der Siliziumoxidschicht
aufgebracht wurde, um den Graben zu füllen;
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6 ist
eine schematische Ansicht der Struktur, die in 5 gezeigt
ist, wobei die p+-Polysiliziumschicht planarisiert wurde;
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7 ist
eine schematische Ansicht der Struktur, die in 6 gezeigt
ist, wobei eine gattergesteuer te Maskenstruktur entfernt wurde und
das p+-Polysiliziummaterial
weiter planarisiert wurde, um eine gattergesteuerte Grabenisolationsvorrichtung zu
bilden;
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8 ist
eine schematische Ansicht der Struktur, die in 7 gezeigt
ist, wobei Transistoren benachbart zu der gattergesteuerten Grabenisolationsvorrichtung
gebildet wurden; und
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9A–9C zeigen
Kurven I-V, die Leckströme
von drei separaten exemplarischen Grabenisolationsvorrichtungen
vergleichen.
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Detaillierte
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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Es
wird nun Bezug auf die Zeichnungen genommen, in denen gleiche Bezugszeichen
sich durchgehend auf gleiche Teile beziehen. 1 stellt ein
Halbleitersubstrat 100 dar, wo eine Maskenstruktur 102 auf
einer oberen Oberfläche 104 des
Substrats 100 gebildet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist
das Halbleitersubstrat 100 vorzugsweise ein p-Typ-Siliziumsubstrat
auf, und die Maskenstruktur 102 kann aus einer Siliziumoxidschicht 106 und
einer Nitridschicht 108 aufgebaut sein. Die Siliziumoxidschicht 106,
die häufig
als Padoxidschicht bezeichnet wird, kann durch Oxidation der oberen
Oberfläche 104 unter
Verwendung von einer einer Anzahl von bekannten Nass- oder Trocken-Oxidationstechniken gebildet
werden, um eine Siliziumoxidschicht mit einer Dicke im Bereich von
ungefähr
30–300
Angström aufwachsen
zu lassen. Die Nitridschicht 108 kann auf der Padoxidschicht 106 unter
Verwendung eines bekannten Aufbringungsverfahrens gebildet werden, vorzugsweise
eines chemischen Dampfaufbringungsprozesses (CVD-Prozess; CVD =
Chemical Vapor Deposition). Die Nitridschicht kann vorzugsweise
auf eine Dicke von ungefähr
1000–2500 Å (10 Å = 1 nm)
aufgebracht werden.
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Wie
in 2 gezeigt ist, wird nach der Aufbringung der Nitridschicht 108 eine
Resistschicht 110 auf der Nitridschicht 108 durch
herkömmliche
Resistbildungstechniken gebildet. Nachfolgend, wie in 3 dargestellt
ist, wird ein Graben 112 in dem Substrat 100 gebildet,
durch Bemustern und Definieren der Resistschicht 110, und
nachfolgendes Ätzen der
Maskierungsstruktur 102 und des Substrats 100, um
den Graben 112 innerhalb des Substrats 100 zu bilden.
Das Bemustern und die Definition der Resistschicht 110 kann
unter Verwendung von in der Technik bekannten, herkömmlichen
fotolithografischen Techniken durchgeführt werden.
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Insbesondere
kann ein selektiver Ätzprozess anfänglich verwendet
werden, um eine Öffnung 114 zu ätzen, die
Seitenwände 116 aufweist,
durch die Maskenstruktur 102. Der Graben 112 wird
dann in das Substrat durch die Öffnung 114 geätzt. Das Ätzen des
Substrat 100 wird fortgesetzt, bis ein Boden 118 des
Grabens 112 horizontal in einer ausgewählten Tiefe innerhalb des Substrats 100 gebildet
ist, während
Seitenwände 120 des
Grabens 112 sich im Wesentlichen abwärts von der Schnittstelle zwischen dem
Substrat 100 und der Maskenstruktur 102 erstrecken.
Das Ätzen
der Maskenstruktur 102 und des Substrats 100 kann
unter Verwendung einer Trockenätztechnik
durchgeführt
werden, wie z. B. einer reaktiven Ionenätztechnik (RIE-Technik; RIE
= Reactive Ion Etching), auf eine Weise, die auf dem Gebiet der
Halbleiterverarbeitung bekannt ist, so dass der Graben 112 mit
im Allgemeinen vertikalen Seitenwänden 120 gebildet
wird.
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Wie
in 4 dargestellt ist, wird die Resistschicht 110 dann
von der Oberseite der Nitridschicht 108 entfernt. Nachfolgend
kann eine Schicht 122 eines ersten Materials auf dem Boden 118 und
den Seitenwänden 120 des
Grabens 112 sowie den Seitenwänden 116 und der Oberseite
der Nitrid schicht 108 gebildet werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel
weist die erste Materialschicht 122 eine Isolationsmaterialschicht
auf und ist vorzugsweise eine Siliziumoxidschicht. Wie nachfolgend
hierin weiter beschrieben wird, bildet die Siliziumoxidschicht 122 die Feldoxidschicht
der gattergesteuerten Grabenisolationsvorrichtung des Ausführungsbeispiels.
Die Siliziumoxidschicht 122 kann entweder unter Verwendung einer
bekannten Aufbringungs- oder einer bekannten Oxidations-Technik
in einem Dickebereich von ungefähr
500–500 Å gebildet
werden, abhängig
von der Technik und der Chipbetriebsspannung.
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Wie
in 4 dargestellt ist, ist ein zweites Material 124 auf
der Feldoxidschicht 122 aufgebracht, um den Graben 112 und
die Öffnung 114 zu füllen und
die obere Oberfläche
der Nitridschicht 108 abzudecken. Wie ferner hierin nachfolgend
beschrieben wird, ist das zweite Material 124 mit dem Kontaktelement
oder dem Gate der Feldisolationsvorrichtung dieses Ausführungsbeispiels
verbunden.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
weist das zweite Material 124 ein Material mit einem Austrittsarbeitswert
auf, der höher
ist als der Austrittsarbeitswert des Materials, das das Substrat 100 bildet (p-Typ-Störstellen-dotiertes
Silizium). Wie Fachleuten auf dem Gebiet der Halbleitertechnik bekannt
ist, ist die Austrittsarbeit ein spezifischer Materialparameter,
der als eine Schwellenenergie definiert werden kann, die erforderlich
ist, um ein Elektron aus einem Material zu entfernen. Bei einem
Ausführungsbeispiel
kann das zweite Material 124 ein selektiv stark mit p-Typ
Störstellen
dotiertes Polysiliziummaterial (p+-Polymaterial) aufweisen, das
einen Austrittsarbeitswert von ungefähr 5,2 Elektronenvolt hat. Bei
diesem Ausführungsbeispiel
weist das p+-Polymaterial mit p-Typ-Störstellen dotiertes Polysilizium auf,
vorzugsweise Bor mit einem bevorzugten Dotierungskonzentrationsbereich
von ungefähr
1019 – 1021 Atome cm3. Das
zweite Material 124 wird in Verbindung mit einem p-Typ-Siliziumsubstrat 100 mit
einer Dotierungskonzentrati on von ungefähr 1014 – 1015 Atome cm3 und
einer Austrittsarbeit von ungefähr
4,9 Elektronenvolt verwendet. n+-Poly weist einen Austrittsarbeitswert
von 4,17 Elektronenvolt auf.
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Wie
in 6-7 dargestellt ist, sobald das
zweite Material 124 auf der Feldoxidschicht 122 aufgebracht
ist, wird das zweite Material 124 dann abwärts zu der
Ebene eines Abschnitts der Oxidschicht 122 planarisiert,
die auf der Nitridschicht 108 ist. Ein Prozess des chemisch
mechanischen Polierens (CMP) kann vorzugsweise verwendet werden, um
das zweite Material 124 zu planarisieren. Alternativ kann
jedoch ein Trockenätzprozess
ebenfalls verwendet werden, um diese zweite Materialschicht zu entfernen.
Wie in 7 gezeigt ist, wird die zweite Materialschicht 124 dann
weiter abwärts
zu der Ebene der ersten Oberfläche 104 des
Substrats 100 planarisiert, wodurch vorzugsweise die Nitridschicht 108 und
das Padoxid 106 entfernt werden, um die benachbarten aktiven
Bereiche 126a, 126b und ein Ausführungsbeispiel
einer Feldisolationsvorrichtung 127 freizulegen, das zwischen
denselben positioniert ist. Die Feldisolationsvorrichtung 127 weist
die Feldoxidschicht 122 und das zweite Material 124 auf.
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Als
eine Alternative zum Verwenden von CMP zum Entfernen des Maskierungsstapels 108 und
des Padoxids 106 kann das zweite Material selektiv trocken
geätzt
werden, abwärts
zu der Ebene der aktiven Bereiche 126a, 126b,
während
die verbleibenden Abschnitte der Maskenstruktur 108 die darunter
liegenden aktiven Bereiche 105 davor schützen, geätzt zu werden.
Nachdem dieses Ätzen abgeschlossen
ist, werden die Maskenstruktur 108 und die freiliegenden
Abschnitte der Feldoxidschicht 122 unter Verwendung von
geeigneten Trocken- oder Nass-Ätzprozessen
entfernt.
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Somit
führt der
Prozess zu der Bildung der Isolationsstruktur 127 mit der
Oxidschicht 122 auf jeder der Innenoberflächen des
Grabens 112 und dem zweiten Material 124, das
in nerhalb der Oxidschichten 122 positioniert ist. Wie oben
erörtert
wurde, weist das p+-Polymaterial ein Material mit hoher Austrittsarbeit
im Vergleich zu dem Material des Substrats 100 auf, während das
n+-Polymaterial ein Material mit niedriger Austrittsarbeit im Vergleich
zu dem Material des Substrats 100 aufweist. Somit ist die Feldisolationsvorrichtung 127 aus
einem Isolationsmaterial aufgebaut, das in einem Graben positioniert ist,
um zwischen den zwei Materialien positioniert zu sein (z. B. p+-Poly
und dem Substrat), die deutlich unterschiedliche Austrittsarbeit
aufweisen.
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Es
ist bekannt, dass für
eine MOS-Gatestruktur die Austrittsarbeitsdifferenz zwischen einem Metall
(oder Polysilizium) und einem Halbleiter, die beide durch eine Oxidzwischenschicht
verbunden sind, um eine Metall-Oxid-Halbleiter-Struktur zu bilden, allgemein
als die Flachbandspannung dieser Struktur definiert ist. Die Flachbandspannung
ist ein bekanntes Konzept für
Fachleute auf dem Gebiet der Halbleitertechnik. Es ist ferner in
der Technik bekannt, dass bei einer MOS-Gatestruktur die Schwellenspannung
eine starke Funktion einer Flachbandspannung ist. Eine deutlich
unterschiedliche Austrittsarbeit zwischen dem p+-Poly und dem p-dotierten Substrat führt zu einer
größeren Schwellenspannung
als der einer negativ unterschiedlichen Austrittsarbeit.
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Folglich
wird darauf hingewiesen, dass die Feldisolationsvorrichtung 127 eine
erhöhte
Feldschwellenspannung aufweist, als Ergebnis des Verwendens von
Materialien, um die Isolationsstruktur zu bilden, die eine positive
Austrittsarbeitsdifferenz von dem Material aufweisen, das das Substrat
bildet. Wie vorangehend erwähnt
wurde, ist die Feldschwellenspannung die Spannung, bei der ein unbeabsichtigter
Stromfluss (Leck) zwischen den aktiven Vorrichtungen auftreten kann.
Somit, je höher
die Feldschwellenspannung, desto weniger wahrscheinlich ist ein
Leckstrom zwischen benachbarten aktiven Vorrichtungen. Bei diesem
Ausführungs beispiel
erhöht
die resultierende hohe Austrittsarbeitsdifferenz zwischen dem p-dotierten
Substrat 100 und dem p+-Polymaterial
die Feldschwellenspannung der Isolationsstruktur auf vorteilhafte
Weise, wodurch Mängel
zwischen den benachbarten Vorrichtungen verhindert werden.
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Ferner,
wie in 5 dargestellt ist, diffundiert ein Dotierungsimplantat
in dem hoch dotierten zweiten Material 124 durch die Feldoxidschicht 122,
um eine Region 125 mit vielen Dotiermittel-Störstellen
an der Schnittstelle zwischen dem Substrat 100 und der Feldoxidschicht 122 zu
erzeugen. Diese dotiermittelreiche Region 125 wirkt ähnlich zu
einer Kanalstoppregion, die die Feldschwellenspannung weiter erhöht und ein
Leck über
die Isolationsvorrichtung 127 verhindert. Wie erörtert wurde
verbessert eine Kanalstoppregion die Feldschwellenspannung weiter
und vermeidet eine Parasitärleitung.
Somit führt
der Prozess des bevorzugten Ausführungsbeispiels
zu der Erzeugung von Kanalstoppimplantaten benachbart zu den Seitenwänden der
Isolationsvorrichtung 127, ohne die Verwendung von aufwändigen und
teueren Kanalstoppimplantattechniken zu erfordern. Folglich kann
die Feldisolationsvorrichtung 127 dieses Ausführungsbeispiels
eine Feldschwellenspannung von zumindest 10 Volt aufweisen.
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Wie
in 8 dargestellt ist, kann nach der Bildung der Feldisolationsvorrichtung 127 ein
Paar von exemplarischen Transistoren (MOSFETs), nämlich der
erste Transistor 128 und der zweite Transistor 130,
auf jeder Seite der Feldisolationsvorrichtung 127 gebildet
werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Kontaktelement 131 mit
dem zweiten Material 124 der Feldvorrichtung 127 so
verbunden, dass eine Vorspannung an das zweite Material 124 angelegt
werden kann. Das Kontaktelement kann jedoch durch eine herkömmliche
Gatestruktur (nicht gezeigt) ersetzt werden, die allgemein eine Schicht
eines Gateoxids aufweist, die auf dem zweiten Material aufgebracht
ist, und eine Polysiliziumschicht, die auf der Gateoxidschicht aufgebracht
ist. Wie in 8 gezeigt ist, weist der erste
Transistor 128 eine Gateoxidschicht 132a auf,
die zwischen einer Gateelektrode 132a und einer Kanalregion 136a angeordnet
ist. Der Transistor 128 weist ferner Source- und Drain-Regionen 138a und 140a auf,
die als dotierte diffundierte Regionen gebildet sein können, auf
die Weise, die in 8 gezeigt ist. Auf ähnliche Weise
weist der zweite Transistor 130 eine Gateoxidschicht 132b,
eine Gateelektrode 132b, eine Kanalregion 136b sowie
Source- und Drain-Regionen 138b und 140b auf.
Die Transistoren 128 und 130 werden unter Verwendung
von Verfahren gebildet, die in der Halbleitervorrichtungs-Herstellungstechnik bekannt
sind.
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Wie
oben erklärt
wurde, wenn p+-Poly als das zweite Material 124 verwendet
wird, bringt auf Grund der positiven Austrittsarbeitsdifferenz zwischen
den p+-Polymaterial und dem p-Typ-Substrat 100 und der
resultierenden hohen Flachbandspannung die Feldisolationsvorrichtung 127 höhere Schwellenspannungen
ein und verhindert somit Stromlecks zwischen den Transistoren 128 und 130. Ferner
kann diese Schwellenspannung vorteilhaft gesteuert werden, durch
Variieren der Vorspannung an dem zweiten Material 124.
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Laut
Experiment weisen dotierte Polysilizium-Isolationsstrukturen bessere
Leckcharakteristika im Vergleich zu jenen einer Siliziumoxid-Isolationsvorrichtung
(SiO2-Isolationsvorrichtung) der bekannten
Technik auf, wenn diese Vorrichtungen an einem Isolationsschema
getestet werden, das ähnlich
zu dem in 8 ist. Zum Beispiel sind 9A–9C Strom-Spannungs-Charakteristika
für drei NMOS-Grabenisolationsvorrichtungen
mit einer Grabentiefe von 0,3 μm,
einer Verbindungstiefe von 0,2 μm
und Vbs = –1 V (Volumen-zu-Substrat-Spannung), einer
Grabenbreite von 1 μm
und einer gegebenen Grabenlänge,
die jeder Vorrichtung gemeinsam ist (0,2 μm in diesem Fall). Die Isolationsstrukturen
können
als ein Transistor geformt sein, wobei die Isolationsvorrichtung
ein Gate bildet und die zwei aktiven Bereiche ein Drain und eine
Source bilden. Unter ruhigen Bedin gungen (Vgs =
0 V und Vds = 10 V) werden die resultierenden
Durchgreifstromlecks (Stromlecks von der Grabenisolationstestvorrichtung)
auf Strom-Spannungs-Kurven angezeigt, die in (9A–9B)
gezeigt sind. Wie durch die Kurve 142 in 9A gezeigt
ist, entspricht für
die mit Siliziumoxid gefüllte
Grabenisolationsvorrichtung der bekannten Technik (d. h. der Graben
ist in das Substrat geätzt
und mit SiO2 gefüllt), der Durchgreifleckstrom 4,3
E – 10
Ampere/Grabenbreite (Mikrometer) unter den oben gegebenen Bedingungen.
Dieses unerwünscht
hohe Leck liegt an dem abweichenden Oberflächenpotenzial entlang der SiO2-Substratschnittstellenregion, so dass,
wenn die Vorrichtung bei 0 V vorgespannt wird, das Potenzial auf
dieser Schnittstelle oder dem Kanal nicht immer 0 V ist. Bei solchen
Vorrichtungen, in der Nähe
der Drain-Region, ist dieses Oberflächenpotenzial im Allgemeinen höher als
Null, wodurch ein Leckstrom von der Drainseite verursacht wird.
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Wie
durch die Kurve 144 in 9B gezeigt wird,
ist für
eine n+-Poly-gefüllte
Grabenvorrichtung dieser Leckstrom ungefähr um drei Größenordnungen
abwärts
reduziert zu 4,1 E – 13
Ampere μm (Strom/Graben-Breite).
Wie oben erwähnt
wurde, kann eine n+-Poly-gefüllte
Grabenvorrichtung mit demselben Prozess gebildet werden, der zum
Bilden einer p+-Poly-gefüllten Vorrichtung
verwendet wird (d. h., es liegt eine SiO2-Schicht
zwischen dem n+-Poly und dem Substrat vor). Abweichend jedoch von
dem SiO2-gefüllten Graben, wenn das n+-Poly bei
0 Volt vorgespannt ist, ist das Potenzial entlang der SiO2-Substratschnittstellenregion oder dem Kanal
annähernd
0 Volt. Dies wiederum reduziert die Leckströme bedeutend.
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Wie
in 9C durch die Kurve 146 gezeigt ist, ist
für die
Grabenisolationsvorrichtung, die einen p+-Poly-gefüllten Graben
umfasst, dieser Leckstrom zumindest 5 oder mehr Größenordnungen
niedriger als das Stromleck, das bei der bekannten Grabenoxidvorrichtung
aufgetreten ist, bis hinunter zu ungefähr 6,5 E – 15 Ampere μm (Strom/Graben-Breite).
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Diese
Ergebnisse werden als repräsentativ für die Isolationsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung genommen, und hierin dargestellte Ergebnisse demonstrieren
weiter die verbesserten Isolationscharakteristika der Feldisolationsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung.
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Obwohl
die eindeutigen Aspekte des bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung
mit einer n-Kanal-Metalloxidhalbleiter-IC-Technik (NMOS-IC-Technik)
offenbart wurden, können
dieselben erfinderischen Aspekte ebenfalls an die p-Kanal-Metalloxidhalbleiter-Technik
(PMOS-Technik), die komplementäre
Metalloxidhalbleiter-Technik (CMOS-Technik) und Metalloxidhalbleiter-Speichertechniken
(MOS-Speichertechniken) angewendet werden, ohne von dem Wesen der
vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Obwohl
die vorangehende Erfindung im Hinblick auf bestimmte bevorzugte
Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, werden andere Ausführungsbeispiele für Fachleute
auf dem Gebiet unter Betrachtung der hierigen Offenbarung offensichtlich. Dementsprechend
soll die vorliegende Erfindung nicht durch die Wiedergabe der bevorzugten
Ausführungsbeispiele
eingeschränkt
sein, sondern soll statt dessen ausschließlich durch Bezugnahme auf
die beiliegenden Ansprüche
definiert sein.