DE10014920C1

DE10014920C1 - Verfahren zur Herstellung eines Grabenkondensators

Info

Publication number: DE10014920C1
Application number: DE10014920A
Authority: DE
Inventors: Moritz Haupt; Jens-Uwe Sachse; Gustav Beckmann; Alexandra Lamprecht; Dietmar Ottenwaelder; Anke Krasemann; Martin Schrems
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Qimonda AG
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2001-07-26
Anticipated expiration: 2020-03-18
Also published as: US6528384B2; US20010055846A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Grabenkondensators, bei dem eine vergrabene Platte (165) mit einer Niederdruck-Gasphasendotierung ausgebildet wird. Auf diese Weise ergibt sich eine erhebliche Prozesskosteneinsparung bei verbesserten Kondensatoreigenschaften.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Grabenkondensators und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung eines Grabenkondensators in einer Halbleiter-Speicherzelle einer integrierten Schaltung.

Integrierte Schaltungen mit einer derartigen Halbleiter-Spei cherzelle sind beispielsweise Speicher mit wahlweisem Spei cherzugriff (RAM, random access memory), dynamische Speicher (DRAM, dynamic random access memory), synchrone dynamische Speicher (SDRAM, synchroneous DRAM), statische Speicher (SRAM, static random access memory), Nur-Lese-Speicher (ROM, read only memory) oder andere Speicher-Schaltungen wie z. B. programmierbare Logikfelder (PLA, programmable logic array), anwenderspezifische integrierte Schaltungen (ASIC, applicati on specific IC) und dergleichen.

Zur Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung wird nach folgend ein herkömmliches Verfahren zur Herstellung eines Grabenkondensators in einer dynamischen Halbleiter- Speicherzelle eines dynamischen Speichers DRAM beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen herkömmlichen Grabenkondensator, wie er insbesondere in einer DRAM-Halbleiter-Speicherzelle verwendet wird, und beispielsweise aus der Druckschrift US 5,945,704 bekannt ist. Eine derartige DRAM-Halbleiter-Speicherzelle be steht im wesentlichen aus einem Kondensator 160, der in einem Substrat 101 ausgebildet ist. Das Substrat 101 ist beispiels weise mit p-Dotierstoffen wie z. B. Bor (B) leicht dotiert. Ein Graben wird üblicherweise mit Polysilizium 161 gefüllt, welches mit beispielsweise Arsen (As) oder Phosphor (P) stark n⁺-dotiert ist. Eine mit beispielsweise Arsen (As) dotierte vergrabene Platte 165 befindet sich im Substrat 101 an einem unteren Bereich des Grabens. Üblicherweise wird das Arsen (As) bzw. der Dotierstoff von einer Dotierstoffquelle wie z. B. einem Arsensilicatglas ASG, welches an den Seitenwänden des Grabens ausgebildet wird, in das Siliziumsubstrat 101 diffundiert. Das Polysilizium 161 und die vergrabene Platte 165 dienen hierbei als Elektroden des Kondensators, wobei ei ne dielektrische Schicht 164 die Elektroden des Kondensators trennt.

Die DRAM-Halbleiter-Speicherzelle gemäß Fig. 1 besitzt dar über hinaus einen Feldeffekttransistor 110. Der Transistor besitzt ein Gate 112 und Diffusionsgebiete 113 und 114. Die Diffusionsgebiete, die durch einen Kanal 117 voneinander beabstandet sind, werden üblicherweise durch Implantation von Dotierstoffen wie z. B. Phosphor (P) ausgebildet. Ein Kontakt- Diffusionsgebiet 125 verbindet hierbei den Kondensator 160 mit dem Transistor 110.

Ein Isolationskragen 168 wird an einem oberen Abschnitt bzw. oberen Bereich des Grabens ausgebildet. Der Isolationskragen 168 verhindert hierbei einen Leckstrom vom Kontakt- Diffusionsgebiet 125 zur vergrabenen Platte 165. Ein derarti ger Leckstrom ist insbesondere in Speicherschaltungen uner wünscht, da er die Ladungshaltezeit bzw. Retentionszeit einer Halbleiter-Speicherzelle verringert.

Gemäß Fig. 1 besitzt die herkömmliche Halbleiter-Speicher zelle mit Grabenkondensator ferner eine vergrabene Wanne bzw. Schicht 170, wobei die Spitzenkonzentration der Dotierstoffe in der vergrabenen n-Wanne in etwa am unteren Ende des Isolationskragens 168 liegt. Die vergrabene Wanne bzw. Schicht 170 dient im wesentlichen einer Verbindung der vergrabenen Plat ten 165 von einer Vielzahl von benachbarten DRAM-Halbleiter- Speicherzellen bzw. Kondensatoren 160 im Halbleiter-Substrat 101.

Eine Aktivierung des Transistors 110 durch Anlegen einer ge eigneten Spannung an das Gate 112 ermöglicht im wesentlichen einen Zugriff auf den Grabenkondensator, wobei üblicherweise das Gate 112 mit einer Wortleitung 120 und das Diffusionsge biet 113 mit einer Bitleitung 185 im DRAM-Feld verbunden ist. Die Bitleitung 185 ist hierbei vom Diffusionsgebiet 113 durch eine dielektrische Isolierschicht 189 getrennt und über einen Kontakt 183 elektrisch verbunden.

Ferner wird zur Isolierung einer jeweiligen Halbleiter-Spei cherzelle mit dazugehörigem Grabenkondensator von angrenzen den Zellen eine flache Grabenisolation (STI, shallow trench isolation) 180 an der Oberfläche des Halbleiter-Substrats 101 ausgebildet. Gemäß Fig. 1 kann beispielsweise die Wortlei tung 120 oberhalb des Grabens und durch die flache Grabeniso lation (STI) isoliert ausgebildet werden, wodurch man eine sogenannte gefaltete Bitleitungs-Architektur erhält.

Auf diese Weise erhält man eine Halbleiter-Speicherzelle, die einen minimalen Platzbedarf aufweist und somit für hochinteg rierte Schaltungen optimal geeignet ist.

Gemäß der Druckschrift US 5,945,704 werden eine Vielzahl von Verfahren insbesondere zur Ausbildung der vergrabenen Platte 165 verwendet. Neben einer Ionenimplantation von Arsen oder Phosphor, einer Plasmadotierung oder einer Plasmaimersions- Ionenimplantation ist darüber hinaus eine Gasphasendotierung mit AsH₃ oder PH₃ bekannt.

Nachteilig ist jedoch insbesondere bei der herkömmlichen Gas phasendotierung, die üblicherweise bei einem Druck von mehre ren 13,3 kPascal durchgeführt wird, dass das Silizium zu fließen beginnt, wodurch sich eine Verformung der Silizium strukturen ergibt und darüber hinaus der Isolationskragen keine ausreichende Barriere für die Diffusion gegen die Do tierstoffe darstellt. Andererseits bedeutet die Verwendung einer Ionenimplantation, einer Plasmadotierung, einer Plas maimersions-Ionenimplantation oder einer Dotierquelle im Gra ben eine wesentliche Verkomplizierung eines Herstellungspro zesses, wodurch sich sowohl die Herstellungskosten erhöhen als auch die Ausbeute verringert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Grabenkondensators zu schaffen, das auf besonders einfache und kostengünstige Weise eine hohe Ausbeu te ermöglicht.

Insbesondere durch das Ausbilden der vergrabenen Platte mit einer Niederdruck-Gasphasendotierung kann eine Durchdiffusion von Dotierstoffen (z. B. Arsen oder Phosphor) durch den Isola tionskragen insbesondere im Vergleich zur herkömmlichen Gas phasendotierung zuverlässig verhindert werden, wodurch ein Leckstrom stark verringert bzw. eine Ladungshaltezeit wesent lich verbessert wird. Gleichzeitig erhält man wesentlich hö here Dotierstoffkonzentrationen in dem unteren Bereich des Grabens, wodurch sich aufgrund einer reduzierten Raumladungs zone die Kondensatorkapazität wesentlich verbessern lässt. Insbesondere für weitere Technologie-"shrinks" erhält man da durch einen Grabenkondensator mit ausreichender Kapazität.

Vorzugsweise wird die vergrabene Platte bei einem Druck von 66,6 bis 200 Pascal und einer Temperatur von 750 bis 1050 Grad Celsius mit AsH₃ oder PH₃ in einem Trägergas aus H₂ oder He ausgebildet. Insbesondere gegenüber einem ASG-Abscheide prozess zum Ausbilden der vergrabenen Platte mit nachfolgen dem Hochtemperaturschritt zur Ausdiffusion der Dotierstoffe erhält man eine weitere Kosteneinsparung aufgrund der Verein fachung des Prozesses. Darüber hinaus ist das Gefahrenpoten tial bei einem derartigen geringen Druck und Temperatur ge genüber einer herkömmlichen Gasphasendotierung wesentlich verringert.

Ferner erfolgt das Ausbilden der dielektrischen Schicht im wesentlichen bei einer gleichen Temperatur und einem gleichen Druck wie das Ausbilden der vergrabenen Platte. Die die lektrische Schicht kann hierbei durch eine Vornitridierung und eine Hauptnitridierung ausgebildet werden, wobei eine In tegration der Schritte zum Nitridieren bzw. Ausbilden der dielektrischen Schicht und zum Ausbilden der vergrabenen Platte innerhalb eines Prozessschrittes möglich ist und fer ner die Verwendung einer Anlage bzw. des gleichen Systems zu einer weiteren erheblichen Prozesskosteneinsparung führt. Ferner können auch kommerziell erhältliche Hochtemperaturre aktoren ohne zusätzliche spezielle Modifikation für das Her stellungsverfahren verwendet werden. Darüber hinaus ergibt sich eine wesentliche Prozesskostenreduzierung aus der erheb lichen Einsparung von Dotierstoffen wie z. B. AsH₃ oder PH₃.

In den weiteren Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispie len unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte Schnittansicht einer Halbleiter-Speicherzelle mit Grabenkon densator gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine vereinfachte Schnittansicht einer Halbleiter-Speicherzelle mit Grabenkon densator gemäß einem ersten erfindungsge mäßen Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 eine vereinfachte Schnittansicht einer Halbleiter-Speicherzelle mit Grabenkon densator gemäß einem zweiten erfindungs gemäßen Ausführungsbeispiel; und

Fig. 4a bis 4g vereinfachte Schnittansichten zur Veran schaulichung von jeweiligen Verfahrens schritten zur Ausbildung eines Grabenkon densators gemäß dem ersten Ausführungs beispiel.

Fig. 2 und 3 zeigen eine vereinfachte Schnittansicht einer Halbleiter-Speicherzelle mit einem Grabenkondensator gemäß einem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 gleiche oder ähnliche Elemente bzw. Schichten darstellen und zur Vermeidung von Wiederholun gen nachfolgend auf ihre detaillierte Beschreibung verzichtet wird.

Gemäß Fig. 2 besteht ein Grabenkondensator 160 wiederum aus einem tiefen Graben, der in einem Halbleiter-Substrat 101 ausgebildet ist und an seinem oberen Bereich einen Isolati onskragen 168 aufweist. In seinem unteren Bereich bzw. Ab schnitt besitzt der Graben eine vergrabene Platte 165, die wiederum als erste Kondensatorelektrode wirkt und über eine dielektrische Schicht 164 von einem leitenden Füllmaterial 161, das als zweite Kondensatorplatte wirkt, getrennt ist. Die vergrabene Platte 165 wird hierbei mittels einer Nieder druck-Gasphasendotierung ausgebildet, wodurch man jederzeit eine ausreichende Kantenbedeckung erhält und im gesamten Re aktorvolumen keine Verarmungseffekte auftreten.

In gleicher Weise zeigt die Fig. 3 eine vereinfachte Schnittansicht einer Halbleiter-Speicherzelle mit einem Gra benkondensator gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei der untere Bereich des Grabens zur Erhöhung einer Kondensa torkapazität erweitert ist. Insbesondere bei der Verwendung einer derartigen Erweiterung des Grabens ermöglicht die er findungsgemäße Niederdruck-Gasphasendotierung ein besonders einfaches Ausbilden der vergrabenen Platte 165, da die Do tierstoffe immer gleich weit in das Halbleiter-Substrat 101 eindiffundieren. Insbesondere bei einer derartigen Erweite rung des Grabens in seinem unteren Bereich ergeben sich kei nerlei Probleme bei der Kantenabdeckung, wobei auch keine Verarmungseffekte im gesamten Reaktorvolumen auftreten. Bei zukünftigen Technologieshrinks und weiter verkleinerten Strukturgrößen ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Grabenkondensators somit einen vereinfach ten und äußerst kostengünstigen Prozess.

Nachfolgend wird das Verfahren zur Herstellung des Grabenkon densators 160 gemäß Fig. 2 im Einzelnen beschrieben.

Fig. 4A bis 4G zeigen vereinfachte Schnittansichten von jeweiligen Verfahrensschritten zur Herstellung der Halblei ter-Speicherzelle gemäß Fig. 2.

Gemäß Fig. 4A wird zunächst das Halbleiter-Substrat 101 be reitgestellt, in dem die DRAM-Halbleiter-Speicherzelle ausge bildet wird. Die Hauptoberfläche des Substrats 101 ist hier bei nicht kritisch und kann eine beliebige geeignete Orien tierung wie z. B. (100), (110) oder (111) aufweisen. Im vor liegenden ersten Ausführungsbeispiel ist das Substrat 101 leicht dotiert mit p-Dotierstoffen, wie z. B. B. Die Konzent ration des B beträgt ca. 1 bis 2 × 10¹⁶ cm^-3.

Das Substrat 101 enthält die n-dotierte vergrabene Wanne bzw. Schicht 170. Die vergrabene Wanne 170 weist P oder As als Do tierstoff auf. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ei ne Maske strukturiert, um die vergrabenen Wannenbereiche zu definieren. n-Dotierstoffe werden dann in die vergrabenen Wannenbereiche des Substrats 101 implantiert. Die vergrabene Wanne 170 dient zur Isolation einer p-Wanne vom Substrat 101 und bildet darüber hinaus eine leitende Brücke zwischen den vergrabenen Platten 165 der Grabenkondensatoren 160. Die Kon zentration und Energie der Implantation beträgt ca. < 1 × 10¹³ cm^-2 bei ca. 1,5 MeV. Alternativ wird die vergrabene Wan ne 170 durch Implantieren und darauffolgendes Aufwachsenlas sen einer Epitaxie-Siliziumschicht oberhalb der Substratober fläche gebildet.

Ein Unterbaustapel 107 wird an der Oberfläche des Substrats 101 ausgebildet. Der Unterbaustapel 107 umfasst beispielswei se eine Unterbau-Oxidschicht 104 und eine Unterbau-Stopp schicht 105. Die Unterbau-Stoppschicht 105, welche als Politur oder Ätzstopp für nachfolgende Prozesse wirkt, weist vor zugsweise Nitrid auf. Oberhalb der Unterbau-Stoppschicht 105 ist beispielsweise eine nicht dargestellte Hartmaskenschicht vorgesehen. Diese Hartmaskenschicht umfasst z. B. TEOS. Ande re Materialien, wie z. B. BSG sind ebenfalls als Hartmasken schicht verwendbar, wobei zusätzlich eine nicht dargestellte Antireflexionsbeschichtung (ARC) verwendet werden kann, um die lithographische Auflösung zu verbessern.

Die Hartmaskenschicht wird unter Verwendung üblicher photoli thographischer Techniken strukturiert, um den Bereich 102 zu definieren, in dem ein Graben 108 zu bilden ist. Diese Schritte enthalten die Abscheidung einer Fotolackschicht und das selektive Belichten derselben mit dem erwünschten Muster. Anschließend wird der Fotolack entwickelt und entweder die belichteten oder die unbelichteten Bereiche entfernt (Posi tiv- oder Negativlack). Die belichteten Bereiche des Unter baustapels 107 werden dann bis zur Oberfläche des Substrats 101 geätzt, wobei vorzugsweise ein reaktives Ionenätzen (RIE) den tiefen Graben 108 ausbildet.

Eine Polysilizium-Halbleiterschicht 152 wird dann über dem Wafer abgeschieden, um den Graben 108 zu füllen. Amorphes Si lizium ist wie weitere Materialtypen, welche eine Temperatur stabilität bis zu ca. 1100 Grad Celsius aufweisen und selek tiv gegenüber Nitrid oder Oxid entfernbar sind, ebenfalls verwendbar. Das Polysilizium 152 wird als Opferschicht be zeichnet, da es später entfernt wird. Üblicherweise wird vor her eine Barrierenschicht 151 als natürliches Oxid gebildet, welches die Grabenseitenwände auskleidet, bevor der Graben 108 mit dem Polysilizium 152 gefüllt wird. Die als Ätzstopp schicht dienende Oxidschicht bzw. Barrierenschicht 151 ist vorzugsweise 5 bis 50 nm dick und kann durch Abscheidung oder thermisch ausgebildet werden.

Gemäß Fig. 4B wird das Polysilizium 152 in einem nachfolgen den Verfahrensschritt bis zu einem unteren Bereich des Gra bens 108 entfernt. Das Entfernen des Polysiliziums 152 bein haltet beispielsweise das Planarisieren mittels chemisch mechanischen Polierens (CMP), ein chemisches Trockenätzen (CDE) oder ein reaktives Ionenätzen (RIE) zum Bilden einer koplanaren Oberfläche mit der Oberseite des Polysiliziums in dem Graben 108 und an der Oberseite des Unterbaustapels 107. Ein reaktives Ionenätzen wird dann durchgeführt, um das Poly silizium 152 in dem Graben 108 einzusenken. Die Verwendung einer chemischen Trockenätzung zum Absenken des Polysiliziums 152 im Graben 108 ist ebenfalls möglich. Vorzugsweise wird jedoch das Polysilizium 152 planarisiert und durch chemisches Trockenätzen (CDE) oder reaktives Ionenätzen (RIE) in einem einzelnen Schritt eingesenkt. Die Einsenkung beträgt typi scherweise ca. 0,5 bis 2 µm von der Substratoberfläche. Wenn als Oxidschicht bzw. Barrierenschicht 151 ein thermisches O xid (SiO₂) und/oder ein abgeschiedenes Oxid verwendet wird, so kann die Barrierenschicht im oberen Bereich des Grabens 108 erhalten bleiben.

Anschließend wird eine dielektrische Schicht über den gesam ten Wafer abgeschieden, welche den Unterbaustapel 107 und die Grabenseitenwände bedeckt. Die dielektrische Schicht wird hierbei zur Bildung des Isolationskragens 168 verwendet. Die dielektrische Schicht besteht beispielsweise aus einem Oxid. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die dielektrische Schicht durch Aufwachsen einer Schicht aus thermischem Oxid und darauffolgendes Abscheiden einer Oxidschicht durch chemi sche Dampfphasenabscheidung (CVD), wie z. B. plasmaunterstützte CVD (PECVD) oder Niederdruck-CVD (LPCVD), unter Ver wendung von TEOS gebildet. Das CVD-Oxid kann durch einen Tem perschritt verdichtet werden. Die Oxidschicht ist hinreichend dick, um einen vertikalen Leckstrom zu vermeiden, nämlich 10 bis 50 nm. Alternativ kann die dielektrische Schicht jedoch auch eine Schicht aus thermischem Oxid aufweisen.

Alternativ kann jedoch die dielektrische Schicht auch aus CVD-Oxid gebildet werden. Nach der Bildung des CVD-Oxids kann ein Temperschritt zur Verdichtung des Oxids durchgeführt wer den. Der Temperschritt wird beispielsweise in Ar, N₂, O₂, H₂O, N₂O, NO oder NH₂-Atmosphäre durchgeführt. Eine oxidierende Atmosphäre, wie z. B. O₂ oder H₂O kann zur Bildung einer ther mischen Oxidschicht unter der CVD-Oxid verwendet werden. Sau erstoff aus der Atmosphäre diffundiert dann durch das CVD- Oxid zum Bilden einer thermischen Oxidschicht auf der Sub stratoberfläche. Dies ermöglicht vorteilhafterweise die Bil dung eines thermischen Oxids, falls erwünscht, ohne das Be dürfnis eines thermischen Oxidationsschritts vor der Abschei dung des CVD-Oxids. Typischerweise wird der Temperschritt bei einer Temperatur von etwa 1000 bis 1100 Grad Celsius und etwa 0,5 bis 3 Stunden lang durchgeführt.

Anschließend wird gemäß Fig. 4B die dielektrische Schicht beispielsweise durch reaktives Ionenätzen geätzt, um den Iso lationskragen 168 zu bilden. Die chemischen Mittel für das reaktive Ionenätzen werden derart gewählt, dass das Oxid se lektiv gegenüber dem Polysilizium 152 und dem Nitrid geätzt wird. Das reaktive Ionenätzen entfernt die dielektrische Schicht von der Oberfläche des Unterbaustapels 107 und dem Boden der Öffnung. Die dielektrische Schicht bleibt auf der Siliziumseitenwand, wodurch der Isolationskragen 168 gebildet wird. Wie in Fig. 4B abgebildet, ist der obere Bereich des Isolationskragens 168 leicht erodiert und bildet einen abge schrägten oberen Abschnitt.

Gemäß Fig. 4C wird die Polysilizium-Opferschicht 152 an schließend auch im unteren Bereich des Grabens 108 entfernt. Das Entfernen der Polysilizium-Opferschicht 152 wird vorzugs weise durch CDE erreicht. Die (in Fig. 4C nicht dargestell te) dünne natürliche Oxidschicht 151 liegt dann typischerwei se auf den freigelegten Grabenseitenwänden vor. Diese dünne natürliche Oxidschicht 151 kann ausreichen, um als CDE Ätz stopp zu dienen. Ein CDE-Ätzschritt, beispielsweise unter Verwendung von NF3 + Cl2 als Chemikalien kann Silizium oder Polysilizium mit relativer hoher Selektivität gegenüber dem Oxid ätzen, was eine Entfernung des Polysiliziums unter Ver wendung der dünnen natürlichen Oxidschicht 151 als Ätzstopp ermöglicht. Beispielsweise wurde eine Selektivität von etwa 4000 : 1 für das Entfernen des Polysiliziums vom dem Graben 108 unter Verwendung des natürlichen Oxids 151 als Ätzstopp schicht ermittelt.

Alternativ kann ein CDE-Schritt mit hohem Cl₂-Gehalt verwen det werden, um die Selektivität der Silizium- bzw. Polysili ziumätzung gegenüber dem Oxid zu erhöhen. Eine Strömungsrate von etwa 12 sccm resultiert dann in einer effektiven Oxidätz rate von Null, während die Polysiliziumätzrate in der Größen ordnung von etwa 2 µm/min liegt. Dies ermöglicht, dass die natürliche Oxidschicht 151 als effizienter Ätzstopp für die Entfernung der Opfer-Polysiliziumschicht dient. Typischerwei se beträgt die Dicke des natürlichen Oxids 151 etwa 0,5 bis 1 nm.

Ferner kann eine Nassätzung, beispielsweise unter Verwendung von KOH oder HF : HNO₃: CH₃COOH ebenfalls beim Entfernen des Polysiliziums verwendet werden. Die Verwendung von KOH kann je doch zu einer K-Kontamination auf der Grabenseitenwand füh ren, was einen zusätzlichen Reinigungsschritt erfordern kann. Eine reaktive Ionenätzung ist ebenfalls möglich beim Entfer nen des Polysiliziums, da sie anisotrop wirkt. Geeignete Che mikalien für die reaktive Ionenätzung zur Beseitigung des Po lysiliziums enthalten SF₆/NF₃/HBr. Andere geeignete Chemika lien, welche Polysilizium selektiv gegenüber Oxid oder Nitrid ätzen, sind beispielsweise NF₃/HBr oder CF₄/O₂ oder CF₄/O₂/Cl₂.

Die Selektivität der reaktiven Ionenätzung hinsichtlich Poly silizium gegenüber Oxid oder Nitrid beträgt etwa weniger als 100 : 1 auf planaren Oberflächen, steigt jedoch auf mehr als etwa 2000 : 1 auf vertikalen Oberflächen, und zwar aufgrund der vorzugsweise vertikalen Richtung der Bewegungen der Ionen während der reaktiven Ionenätzung. Aufgrund der hohen Selek tivität des Polysiliziums gegenüber Oxid oder Nitrid auf den vertikalen Oberflächen wird nur der obere Bereich des Isola tionskragens 168 erodiert. Jedoch ist dies kein Problem, da der Isolationskragen 168 nicht unterhalb der Oberfläche des Substrats 101 erodiert wird.

Nach Entfernen des Polysiliziums 152 wird nunmehr die vergra bene Platte 165 mit vorzugsweise n-Dotierstoffen wie z. B. As oder P als zweite Kondensatorelektrode ausgebildet. Im Gegen satz zu den herkömmlichen Dotierverfahren wird gemäß der vor liegenden Erfindung nunmehr eine Niederdruck-Gasphasendotie rung verwendet, wobei bei einem Druck von ca. 66,6 bis 200 Pascal und einer Temperatur von ca. 750 bis 1050 Grad Celsius unter Verwendung von PH₃ oder AsH₃ als Dotiergas und H₂ oder He als Trägergas die vergrabene Platte 165 selbstjustierend zum Isolationskragen 168 und unmittelbar abhängig von der Form des unteren Bereichs des Graben 108 ausgebildet wird.

Vorzugsweise wird in derselben Anlage bzw. einem kommerziell erhältlichen Hochtemperaturreaktor ohne spezielle Modifikati on nach einer Reinigung mittels einem H₂-"prebake" bei ca. 950 Grad Celsius und einem Druck von ca. 133 Pascal für unge fähr 30 Minuten durchgeführt. In gleicher Weise kann jedoch auch eine UHV-Vakuumausheilung zum Reinigen bzw. Glätten ei ner Oberfläche durchgeführt werden. Die eigentliche Nieder druck-Gasphasendotierung wird nunmehr vorzugsweise in der gleichen Anlage bei einem Druck von 66,6 bis 200 Pascal und einer Temperatur von 750 bis 1050 Grad Celsius durchgeführt, wobei AsH₃ oder PH₃ in einem Trägergas aus H₂ oder He verwen det wird.

Im Gegensatz zur herkömmlichen Gasphasendotierung entsteht bei der erfindungsgemäßen Niederdruck-Gasphasendotierung kei nerlei Verformung bzw. kein Verfließen der Siliziumstruktu ren, weshalb insbesondere für zukünftige Technologie- "shrinks" ausreichend kleine Strukturen verwendet werden kön nen. Ferner hat sich entgegen der bisherigen Meinung der Fachwelt überraschenderweise herausgestellt, dass die erfin dungsgemäße Niederdruck-Gasphasendotierung problemlos die für die vergrabene Platte 165 notwendigen Dotierstoffkonzentrati onen ermöglicht. Ferner hat sich herausgestellt, dass der I solationskragen 168 bei der erfindungsgemäßen Niederdruck- Gasphasendotierung als brauchbare Diffusionsbarriere wirkt und die vergrabene Platte 165 somit nur im eigentlich er wünschten unteren Bereich des Grabens 108 ausgebildet wird. Insbesondere bei Verwendung von Arsen erhält man eine derart hohe Arsenkonzentration im unteren Bereich des Grabens 108, dass sich die Kapazität des Grabenkondensators aufgrund einer reduzierten Raumladungszone weiter verringert und somit zu sätzliche Shrinks ermöglicht sind.

Gemäß Fig. 4D wird anschließend eine Speicherdielektrikums schicht 164 auf dem Wafer abgeschieden, welche die Oberfläche des Unterbaustapels 107 und das Innere des Grabens 108 be deckt. Die Speicherdielektrikumsschicht 164 dient hierbei als Speicherdielektrikum zum Trennen der Kondensatorplatten bzw. der vergrabenen Platte 165 von einer nachfolgend im Graben 108 eingefügten Füllschicht 161. In einem bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im gleichen Niederdruck-Vertikalofen (LPCVD) zunächst eine Vornitridie rung bei ca. 950 Grad Celsius und einem Druck von ca. 800 Pascal durchgeführt. Anschließend kann wiederum unter Verwen dung der gleichen Anlage vorzugsweise eine Hauptnitridierung durchgeführt werden, wobei unter Verwendung von Dichlorosilan (SiCl₂H₂) oder SiH₄ und NH₃ bei einer Temperatur von ca. 700 bis 800 Grad Celsius und einem Druck von 26,6 bis 46,6 Pascal eine ca. 3 bis 6 nm dicke Siliziumnitrid (Si₃N₄)-Schicht im Graben 108 ausgebildet wird. Alternativ kann für die Spei cherdielektrikumsschicht 164 auch ein anderes Speicherdie lektrikum verwendet werden, wie z. B. Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante (z. B. TiO₂, WO_x, . . .), wobei auch eine Kombination mit geeigneten Metallelektroden möglich ist (SIS, semiconductor-insulator-semiconductor; MIS, metal- insulator-semiconductor; MIM, metal-insulator-metal).

Aufgrund der integrierten Ausbildung der dielektrischen Schicht 164 und der vergrabenen Platte 165 in ein und dersel ben Anlage erhält man eine weitere erhebliche Prozesskosten einsparung. Ferner ergibt sich eine wesentliche Prozesskos tenreduzierung insbesondere gegenüber einer herkömmlichen Gasphasendotierung aufgrund der erheblichen Einsparung von AsH₃ bzw. PH₃. Eine weitere Kosteneinsparung bzw. Vereinfa chung des Prozesses ergibt sich insbesondere durch die Einsparung des Hochtemperaturschrittes, wie er beispielsweise zur Ausdiffusion von Dotierstoffen bei einer ASG-Abscheidung notwendig ist.

Alternativ zur vorstehend beschriebenen Nitridierung mittels Vornitridierung und Hauptnitridierung in der gleichen Anlage bzw. im gleichen Niederdruck-Vertikalofen kann die dielektri sche Schicht 164 auch auf jede weitere Art und Weise ausge bildet werden. Insbesondere ist hierbei die Ausbildung von dielektrischen Schichten mit hoher relativer Dielektrizi tätskonstante (z. B. Ta₂O₅, TiC₂, WO_x, Al₂O₃, . . .) von Bedeu tung, da sich dadurch eine weitere Kapazitätssteigerung im Grabenkondensator ergibt.

Anschließend wird gemäß Fig. 4D die weitere Polysilizium schicht 161 auf der Oberfläche des Wafers zum Füllen des Gra bens 108 und zum Bedecken des Unterbaustapels 107 abgeschie den, wobei vorzugsweise ein CVD-Verfahren verwendet wird. An stelle der leitenden Polysiliziumschicht 161 kann jedoch auch jede weitere elektrisch leitende Schicht konform abgeschieden werden, wodurch der Graben 108 aufgefüllt wird. Das dotierte Polysilizium 161 dient hierbei als zweite Kondensatorelektro de und kann alternativ auch aus amorphem Silizium bestehen, welches beispielsweise insitu oder sequentiell dotiert wird.

Gemäß Fig. 4E wird die leitende Polysiliziumschicht 161 bei spielsweise durch einen CDE-Schritt oder durch einen RIE- Schritt nachfolgend unter Verwendung von geeigneten Chemika lien wie z. B. NF₃/El₃ oder NF₃/HBr oder SF₆ abgesenkt. Dies schützt in vorteilhafter Weise das Unterbau-Oxid 105 während der nachfolgenden Nassätzprozesse. Die Polysiliziumschicht 161 kann jedoch auch bis zur Tiefe der vergrabenen Platte 165 eingesenkt werden, falls eine Unterätzung kein Problem dar stellt.

Gemäß Fig. 4F wird die restliche dielektrische Schicht 164 oberhalb der Polysiliziumschicht 161 mit einer Nassätzung entfernt, wobei vorzugsweise DHF und HF/Glyzerol verwendet wird. Alternativ ist hierzu auch die Durchführung eines CDE- Schrittes möglich.

Gemäß Fig. 4G wird in einem nachfolgenden Verfahrensschritt eine vergrabene Brücke 162 gebildet. Die Bildung der vergra benen Brücke 162 wird beispielsweise durch eine Ätzung zum Einsenken des dotierten Polysiliziums 161 in den Graben 108 erreicht. Üblicherweise wird hierzu eine reaktive Ionenätzung verwendet. Der nicht aktive Bereich der Zelle wird dann durch eine übliche photolithographische Technik definiert und an schließend anisotrop geätzt, wobei vorzugsweise reaktives Io nenätzen verwendet wird. Der nicht aktive Bereich ist hierbei der Bereich, in dem nachfolgend der STI-Graben 180 ausgebil det wird.

Auf diese Weise erhält man ein Verfahren zur Herstellung ei nes Grabenkondensators, welches auf besonders einfache und kostengünstige Art und Weise insbesondere die Ausbildung ei ner vergrabenen Platte ermöglicht. Probleme mit einer Kanten abdeckung, wie sie beispielsweise bei einer ASG-Abscheidung auftreten können, sind hierbei grundsätzlich ausgeschlossen.

Gemäß Fig. 3 kann eine Breite bzw. ein Durchmesser des unte ren Bereichs des Grabens 108 auch größer als die Breite bzw. der Durchmesser eines oberen Bereichs des Grabens sein. Eine derartige Erhöhung der Breite verbessert die Kapazität des Grabenkondensators. Zum Erzielen einer derartigen Struktur wird beispielsweise die in Fig. 4B beschriebene Polysilizi um-Opferschicht 152 durch CDE beseitigt, wobei vorzugsweise NF₃/Cl₂ verwendet wird. Weitere Chemikalien zum selektiven Ätzen von Silizium sind ebenfalls verwendbar. Zusätzlich ist eine reaktive Ionenätzung unter Verwendung von SF₆, NF₃/HBr oder eine Nassätzung unter Verwendung von KOH anwendbar. Der untere Teil des Grabens 108 wird hierbei beispielsweise durch eine CDE-Ätzung aufgeweitet. Das Ätzmittel für die CDE-Ätzung ist derart ausgewählt, dass es ebenfalls den (in Fig. 4B nicht dargestellten) dünnen natürlichen Oxidfilm 151 auf den Grabenseitenwänden entfernt. Dies kann durch Reduzieren der Strömungsrate von Cl₂ erzielt werden, um die Selektivität der Ätzung gegenüber dem Oxid zu erniedrigen, oder durch Änderung der Chemikalien.

Die Nassätzung oder die CDE ist hierbei derart gesteuert, dass sie das Opfer-Polysilizium bzw. die Opferschicht 152 vollständig entfernt und die Aufweitung derart begrenzt, dass sie sich nicht in benachbarte Gräben erstreckt oder diese kontaktiert. Die Aufweitung des unteren Bereichs des Grabens 108 beträgt ca. 50% des minimalen Abstands zwischen benach barten Gräben, und vorzugsweise weniger als 20 bis 30% des minimalen Abstands zwischen benachbarten Gräben. Da der Ab stand zwischen benachbarten Gräben typischerweise zur minima len Dimension gehört, sollte die Aufweitung auf weniger als 50% der minimalen Dimension bzw. Strukturbreite begrenzt sein. Dies liefert beispielsweise einen Graben mit Flaschen gestalt, dessen unterer Durchmesser weniger als die doppelte minimale Strukturbereite beträgt. Vorzugsweise beträgt die Aufweitung des Grabens etwa 20 bis 40% der minimalen Dimen sion bzw. Strukturbreite.

Nach Entfernen des Opfer-Polysiliziums 152 und der Ätzstopp schicht 151 wird die vergrabene Platte 165 wiederum aus der vorstehend beschriebenen Niederdruck-Gasphasendotierung aus gebildet. Auf eine wiederholte Beschreibung wird daher nach folgend verzichtet.

Auf diese Weise erhält man eine Erweiterung des Grabens 108 in seinem unteren Bereich, wodurch man einen Grabenkondensa tor mit erhöhter Kapazität bei verringerten Herstellungskos ten erhält.

Die Isolationskrägen 168 wirken bei Verwendung der erfin dungsgemäßen Niederdruck-Gasphasendotierung als hervorragende Diffusionsbarrieren wirken. Eine Ausdiffusion von Dotierstof fen zum Ausbilden der vergrabenen Platte 165 erfolgt demzu folge nur in unteren Bereichen des Grabens.

Die vorliegende Erfindung wurde insbesondere anhand einer DRAM-Halbleiter-Speicherzelle beschrieben. Sie ist jedoch nicht darauf beschränkt und umfasst vielmehr alle weiteren integrierten Schaltungen, in denen ein Grabenkondensator mit erhöhter Kapazität, verbesserten Ladungseigenschaften und mit verringerten Herstellungskosten auszubilden ist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Grabenkondensators mit den Schritten:

a) Ausbilden eines Grabens (108) in einem Substrat (101);
b) Füllen eines unteren Bereichs des Grabens (108) mit ei nem ersten Füllmaterial (152);
c) Ausbilden eines Isolationskragens (168) in einem oberen Bereich des Grabens (108);
d) Entfernen des ersten Füllmaterials (152) aus dem unteren Bereich des Grabens (108);
e) Ausbilden einer vergrabenen Platte (165) im Substrat (101) in der Umgebung des unteren Bereichs des Grabens (108) als erste Kondensatorplatte;
f) Ausbilden einer dielektrischen Schicht (164) zur Ver kleidung des unteren Bereichs des Grabens (108) und der In nenseite des Isolationskragens (168) als Kondensatordielek trikum; und
g) Füllen des Grabens (108) mit einem leitenden zweiten Füllmaterial (161) als zweite Kondensatorplatte,

dadurch gekennzeichnet, dass das Aus bilden der vergrabenen Platte (165) in Schritt e) mit einer Niederdruck-Gasphasendotierung erfolgt.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aus bilden der vergrabenen Platte (165) in Schritt e) bei einem Druck von 66,6 bis 200 Pascal erfolgt.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aus bilden der vergrabenen Platte (165) in Schritt e) in einem Temperaturbereich von 750 bis 1050 Grad Celsius erfolgt.

4. Verfähren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aus bilden der vergrabenen Platte (165) in Schritt e) unter Ver wendung von AsH₃ oder PH₃ als Dotiergas und H₂ oder He als Trägergas erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aus bilden der dielektrischen Schicht (164) gemäß Schritt f) im wesentlichen bei einem gleichen Druck und einer gleichen Tem peratur wie das Ausbilden der vergrabenen Platte (165) in Schritt e) erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aus bilden der dielektrischen Schicht (164)

1. eine Vornitridierung und
2. eine Hauptnitridierung aufweist.

7. Verfahren nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vor nitridierung gemäß Schritt f1) bei einer Temperatur von ca. 950 Grad Celsius und einem Druck von ca. 800 Pascal aus NH₃ erfolgt.

8. Verfahren nach Patentanspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupt nitridierung bei einer Temperatur von ca. 700 bis 800 Grad Celsius und einem Druck von 26,6 bis 46,6 Pascal aus SiCl₂H₂ oder SiH₄ und NH₃ erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilden der vergrabenen Platte (165) selbstjustierend zum Isolations kragen (168) erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch den Schritt des Aus bildens einer Brücke (162) oberhalb des Isolationskragens (168) auf dem leitenden zweiten Füllmaterial (161) aus einem dritten leitenden Füllmaterial zum Bilden eines vergrabenen Kontakts mit dem Substrat (101).

11. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch den Schritt des Aus bildens einer Ätzstoppschicht (151) auf den Grabenwänden un ter dem ersten Füllmaterial (152).

12. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch den Schritt des Er weiterns des unteren Bereichs des Grabens (108) gegenüber dem oberen Bereich des Grabens (108) zum Bilden einer Flaschen form.