DE102005059034B4 - SOI-Isolationsgrabenstrukturen - Google Patents

Abstract

SOI-Isolationsgrabenstruktur im Kreuzungsbereich und/oder Einmündungsbereich von Isolationsgräben (14) von Halbleiterbauelementeanordnungen, welche Gebiete (12) mit unterschiedlichem Potential gegeneinander elektrisch isolieren, wobei im Zentrum des Kreuzungsbereichs und/oder im Zentrum des Einmündungsbereichs der Isolationsgräben (14) eine Mitteninsel (18) aus gleichem Material wie in unbearbeiteten Gebieten (12) vergesehen ist, die in Form, Größe und Lage so ausgebildet ist, dass die Fläche des Kreuzungsbereichs und/oder die Fläche des Einmündungsbereichs so reduziert ist, dass ein in der Breite gegenüber der Breite des Isolationsgrabens (14) verringerter Übergang von einem zum anderen Isolationsgraben (14) gegeben ist.

Description

• Isolationsgräben in SOI-Siliziumscheiben werden verwendet, um in integrierten Smart Power-Schaltkreisen unterschiedliche Bauelemente (z.B. Transistoren) oder ganze Gebiete mit unterschiedlichem Potential voneinander zu isolieren. Der Isolationsgraben kann dabei z.B. das zu isolierende Bauelement oder das zu isolierende Gebiet ringförmig umschließen; beschrieben z.B. in der Patentschrift US 5 734 192 A oder auch in der US 6.394.638 B1 . Weiterhin ist in der Patentschrift US 5 283 461 A eine Grabenstruktur angegeben, bei der die zu isolierenden Bauelemente durch ein Netz von Isolationsgräben getrennt sind, wobei es, wie in 1 gezeigt ist, zu Kreuzungspunkten (1a) und T-förmigem Zusammentreffen, d.h. Einmündungen (1b) der Isolationsgräben (10) kommt. Der Isolationsgraben (10) mit einer Weite (14) ist auf beiden Seiten durch die aktive Siliziumschicht (12) der Scheibe umgeben. An den Kreuzungs- und Einmündungspunkten entsteht eine diagonale Weite des Isolationsgrabens (16). Die diagonale Weite (16) am Kreuzungspunkt ist dabei wesentlich größer – Wurzel aus dem doppelten Quadrat der Weite (14) – als die Weite (14) des einzelnen gerade verlaufenden Isolationsgrabens.
• Den Aufbau des Isolationsgrabens (10) beschreibt z.B. US 6 524 928 B1 , siehe 2. Ausgangsmaterial ist die SOI-Scheibe bestehend aus der Trägerscheibe, dem Substrat (20), der aktiven Siliziumschicht (12) und dem vergrabenen Oxid (22), das die Trägerscheibe (20) von der für aktive Bauelemente genutzten Siliziumschicht (12) isoliert. Auf die Seitenwände des geätzten Isolationsgrabens wird zunächst eine Isolationsschicht (24), z.B. ein Dielektrikum wie Siliziumdioxid, aufgebracht. Anschließend wird der Isolationsgraben mit einem Verfüllmaterial (26), z.B. Polysilizium, verfüllt und oberflächlich eingeebnet.
• Die Abscheidung der Verfüllschicht (26) zur Auffüllung des Isolationsgrabens erfolgt z.B. durch chemisch physikalische Abscheideverfahren (CVD- oder PVD-Prozesse). Da bei der Abscheidung der Verfüllschicht der Isolationsgraben von beiden Grabenseiten her bedeckt wird, ist theoretisch eine Schichtdicke von mindestens der Hälfte der Weite (14) nötig, um den geraden Isolationsgraben ohne Kreuzungspunkte zu verfüllen. Für eine komplette Verfüllung des gesamten Isolationsgrabensystems reicht dies aber nicht aus, weil zur kompletten Verfüllung auch der Kreuzungsbereich und damit die Weite (16) berücksichtigt werden muss. Die dazu erforderliche Schichtdicke beträgt also mindestens die Hälfte der Weite (16) und ist damit wesentlich größer als die Schichtdicke, die zur Verfüllung der Grabenweite (14) nötig wäre. Eine größere Schichtdicke bedeutet aber längere Prozesszeiten und eine größere Fehlerquote und damit auch höhere Prozesskosten.
• Aus der Druckschrift US 5 072 266 A ist eine Isolationsgrabenstruktur im Kreuzungs- und Einmündungsbereich von Isolationsgräben von Halbleiterbauelementanordnungen bekannt, welche Gebiete mit Bauelementen hoher elektrischer Spannung gegenüber Nachbargebieten durch die Isolationsgräben elektrisch isolieren, wobei im Zentrum der Kreuzung und im Zentrum der Einmündung der Isolationsgräben eine Mitteninsel (black silicon) aus gleichem Material wie im Gebiet mit Bauelementen aber unbearbeitet vorhanden ist. Das Patent bezieht sich im Besonderen auf einen vertikalen MOSFET, wobei das Gate sich in einem Trench befindet (Trench-Gate). Dabei geht es nicht um Gräben mit hohem Aspektverhältnis für Trench-isolierte Smart-Power-Technologien, sondern um Power-MOSFETs mit spezieller Trench-Gate-Konstruktion, um den elektrischen Durchbruch an der Halbleiteroberfläche zu unterdrücken und eine Schädigung des Gateoxids durch Hot-Carrier-Effekte zu vermeiden. Die Trenchs sind nur 3 bis 4 μm tief. Die in 10 dargestellte Insel ("Black Silicon") sind nicht erwünscht. Hier wird nur auf ein verfahrenstechnisches Problem beim Trennätzen hingewiesen, z.B., dass Rückstände der Oxid- Trench-Maske zu ätzendes Silizium maskieren (Spalte 6, Zeilen 11–27). Es ist wünschenswert, ein Layout des Isolationsgrabens mit minimal möglicher Weite zu haben, um bereits mit geringen Schichtdicken, d.h. mit geringen Abscheidezeiten und damit mit geringen Fehlererscheinungen und Kosten, den Graben verfüllen zu können. Für einen stabilen Ätzprozess des Grabens ist jedoch andererseits ein gewisses Aspektverhältnis und damit bei gegebener Dicke der aktiven Siliziumschicht (12) eine minimale Weite des Grabens nötig. Damit kann die Forderung nach minimaler Weite nicht durch eine einfache Reduzierung der Weite (14) des Isolationsgrabens erfüllt werden.
• Ziel der Erfindung ist die lokale Reduzierung der Weite der Isolationsgräben an den Kreuzungs- und Einmündungspunkten hin auf die vorgegebene Weite des Isolationsgrabens außerhalb dieser Punkte.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine SOI-Isolationsgrabenstruktur (d.h. das Layout der SOI-Isolationsgrabenstruktur) anzugeben, die eine möglichst homogene Isolationsgrabenweite auch an Kreuzungs- und Einmündungspunkten ermöglicht, um damit mit möglichst geringem Aufwand bei der Abscheidung der Verfüllschicht den Graben lückenlos, d.h. fehlerlos verfüllen zu können.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch eine SOI-Isolationsgrabenstruktur mit den in den Ansprüchen 1 oder 3 angegebenen Merkmalen.
• Die Gegenstände der Ansprüche 1 und 3 weisen die Vorteile auf, dass eine Verringerung der Isolationsgrabenaufweitung im Kreuzungspunkt und damit eine Fehlerreduzierung erreicht wird. Es liegt im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung, dass diese auch für Kreuzungen und Einmündungen mit von 90° abweichenden Winkeln angewendet werden kann.
• Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnung erläutert.
• Es zeigen
• 3 die Draufsicht einer 90°-Kreuzung von Isolationsgräben in schematischer Darstellung, wie sie der Erfindung entspricht, und
• 4 eine weitere Variante wie in 3 jedoch ohne Mitteninsel, dafür mit sich im Kreuzungsbereich verengenden Isolationsgräben.
• Eine Verringerung der Isolationsgrabenaufweitung im Kreuzungspunkt kann erreicht werden, indem wie in 3 gezeigt, in der Mitte des Kreuzungspunktes eine Mitteninsel (18) bestehend aus der aktiven Siliziumschicht (12) mit einer Kantenlänge (32) stehen bleibt. Dadurch wird die auszufüllende Weite des Isolationsgrabens auf die Weite (30) reduziert und es können entsprechend dünnere Schichten zur Auffüllung des Grabens verwendet werden. Durch eine um 45° gegenüber dem eigentlichen Grabenverlauf gedrehte Anordnung der Mitteninsel (18) wird die größte zu verfüllende Breite des Isolationsgrabens (34) reduziert und erreicht annähernd den Wert des Abstands (30) zwischen der Ecke der Siliziumschicht (12) und der Kante der Mitteninsel (18). D.h. die diagonale Weite am Kreuzungspunkt wird durch die Anordnung der Mitteninsel (18) so reduziert, dass die Summen der diagonalen Abschnitte (34a) und (34b) annähernd dem Wert der Isolationsgrabenweite (14) entspricht. Dabei kann die Mitteninsel (18) jedoch nicht beliebig groß gestaltet werden, um Einflüsse auf die Ätzrate bei der Grabenätzung und die Erzeugung der Grabenisolationsschicht zu vermeiden.
• Durch eine entsprechende Ausführung der Kantenlänge (32) der Mitteninsel (18) kann erreicht werden, das die verbleibende maximal zu verfüllende Weite (34) etwa der halben Weite (14) des geraden Isolationsgrabens entspricht. Dadurch kann mit einer minimalen Dicke der abgeschiedenen Verfüllschicht der gesamte Isolationsgraben lückenlos verfüllt werden. Minimale Dicke bedeutet wiederum minimale Prozesszeit, verringerte elastische Spannungen und auch minimale Prozesskosten für den Verfüllschritt.
• 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für kleinere elektrische Spannungen. Dabei entfällt die Mitteninsel im Kreuzungspunkt. Der Isolationsgraben wird in der Nähe des Kreuzungspunktes in der Weite reduziert. Es entstehen Substratüberstände (36), die die Breite des Isolationsgrabens an der Stelle (38) reduzieren. Die diagonale Breite des Isolationsgrabens reduziert sich auf die Breite (40). Bei entsprechender Dimensionierung, d.h. bei einer Breite (40), die in etwa die halbe Breite (14) beträgt, kann der Isolationsgraben mit minimaler Schichtdicke verfüllt werden.

10

Isolationsgraben

12

aktive Siliziumschicht

14

Breite des einzelnen Isolationsgrabens

16

diagonale Breite des Isolationsgrabens im Schnittpunkt

18

Mitteninsel

20

Trägerscheibe/Substrat

22

vergrabenes Oxid

24

Isolationsschicht

26

Verfüllschicht

30

diagonale Breite des Isolationsgrabens zwischen der Ecke der aktiven Siliziumschicht (12) und der Mitteninsel (18)

32

Kantenlänge der Mitteninsel (18)

34

weiteste Breite zwischen der Ecke der aktiven Siliziumschicht (12) und der Mitteninsel (18)

36

Überstand der aktiven Siliziumschicht (12)

38

reduzierte Isolationsgrabenbreite

40

diagonale Breite des Isolationsgrabens

Claims (3)

1. SOI-Isolationsgrabenstruktur im Kreuzungsbereich und/oder Einmündungsbereich von Isolationsgräben (14) von Halbleiterbauelementeanordnungen, welche Gebiete (12) mit unterschiedlichem Potential gegeneinander elektrisch isolieren, wobei im Zentrum des Kreuzungsbereichs und/oder im Zentrum des Einmündungsbereichs der Isolationsgräben (14) eine Mitteninsel (18) aus gleichem Material wie in unbearbeiteten Gebieten (12) vergesehen ist, die in Form, Größe und Lage so ausgebildet ist, dass die Fläche des Kreuzungsbereichs und/oder die Fläche des Einmündungsbereichs so reduziert ist, dass ein in der Breite gegenüber der Breite des Isolationsgrabens (14) verringerter Übergang von einem zum anderen Isolationsgraben (14) gegeben ist.
2. SOI-Isolationsgrabenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitteninsel (18) eine quadratische Form hat und bezüglich ihrer geraden Kanten eine 45°-Drehung gegenüber einer Längsrichtung von Kanten der Isolationsgräben (14) aufweist.
3. SOI-Isolationsgrabenstruktur im Kreuzungsbereich und/oder Einmündungsbereich von Isolationsgräben (14) von Halbleiterbauelementeanordnungen, welche Gebiete (12) mit unterschiedlichem Potential gegeneinander elektrisch isolieren, wobei die Breiten der Isolationsgräben (14) im Kreuzungsbereich und/oder Einmündungsbereich durch Überstände (36) einer aktiven Siliziumschicht (12) reduziert sind.