DE10055711A1 - Verfahren zur Herstellung von Grabenkondensatoren - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von GrabenkondensatorenInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Grabenkondensatoren beschrieben, die Gräben mit Mesoporen aufweisen. Diese Grabenkondensatoren eignen sich sowohl für diskrete Kondensatoren wie für integrierte Halbleiterspeicher. Die Mesoporen erhöhen die Oberfläche für Elektroden für die Grabenkondensatoren und damit die Kapazität der Grabenkondensatoren signifikant. Die Mesoporen, die kleine holzwurmlochähnliche Kanäle mit Durchmessern im Bereich von 2 bis 50 nm sind, werden erfindungsgemäß auf elektrochemischem Wege hergestellt. Dieses Verfahren ermöglicht die Erzeugung von Kapazitäten mit großem Kapazität-zu-Volumen-Verhältnis. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß das Wachstum der Mesoporen spätestens dann zum Stillstand kommt, wenn die Mesoporen einen minimalen Abstand zu einer anderen Mesopore oder benachbarten Graben erreichen (Selbstpassivierung). Auf diese Weise kann selbstreguliert die Bildung von "Kurzschlüssen" zwischen zwei benachbarten Mesoporen vermieden werden. Weiterhin wird ein Halbleiterbauelement mit mindestens einem Grabenkondensator auf der Vorderseite eines Halbleitersubstrats beschrieben, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Grabenkondensatoren für sowohl diskrete Kondensatoren als
auch für integrierte Bauelemente und insbesondere für
integrierte Halbleiterspeicher.
Die zunehmende Miniaturisierung von elektronischen
Schaltungselementen führt zu der Forderung nach Kondensatoren
mit größtmöglichem Kapazität-zu-Volumen Verhältnis. Neben der
Dickenreduzierung der Dielektrikumsschichten zwischen den
beiden Kondensatorelektroden und der Erhöhung der
Dielektrizitätskonstante durch die Wahl neuer Materialien
führt insbesondere die Vergrößerung der Oberflächen der
Kondensatorelektroden in einem vorgegebenen Volumen zu einem
größeren Kapazität-zu-Volumen-Verhältnis.
Die Vergrößerung von Oberflächen bei vorgegebenem
Volumen kann z. B. durch eine Aufrauung oder durch eine
möglichst feine Strukturierung der Oberflächen eines
Substrats, auf denen die Elektroden und die
Dielektrikumsschichten aufgebracht werden, erreicht werden.
Eine inzwischen bewährte Technik für die Herstellung von
Kondensatoren mit großem Kapazität-zu-Volumen-Verhältnis ist
die Erzeugung von Kondensatoren in Gräben, die in dem
Substrat erzeugt werden und die durch eine erste Elektrode,
eine Dielektrikumsschicht und eine zweite Elektrode
beschichtet werden. Diese Technik wird sowohl für die
Herstellung von Kapazitäten in höchstintegrierten
Bauelementen, die eine Minimierung des Flächenbedarfs auf dem
Substrat bei einer vorgegebene Mindestkapazität verlangen,
als auch für die Herstellung von diskreten Kondensatoren, die
eine Maximierung der Kapazität bei einem vorgegebenen Volumen
verlangen, angewendet.
Eine Ausführung von diskreten Grabenkondensatoren ist in
der deutschen Patentanmeldung Nr. 199 40 825.4-33 mit dem Titel
"Kondensatorstruktur" beschrieben. Diese Kondensatorstruktur
weist zur Erhöhung der Kapazität eine Vielzahl von Gräben in
einem Siliziumsubstrat auf, die alle mit einer Elektrode,
einer Dielektrikumsschicht und einer zweiten Elektrode
beschichtet werden und so zusammen einen Kondensator bilden.
Fig. 1 zeigt eine Ausführung eines solchen Grabenkondensators
auf einem n-dotierten Silizumsubstrat 1-1, das Gräben 1-2 mit
einer Grabentiefe von etwa 100-250 µm und einer
Grabenlochbreite von 0.5-3 µm aufweist. Das Siliziumsubstrat
1-1 dient gleichzeitig als erste Elektrode. In die Gräben 1-2
sind weiterhin eine Isolationsschicht 1-3, die als
Dielektrikum dient, und eine zweite Elektrode 1-4 eingelassen.
Die Kontaktschicht 1-6 dient der Kontaktierung der zweiten
Elektrode 1-4. Die Kapazität des Kondensators setzt sich so
im wesentlichen aus der Summe der in jedem Graben erzeugten
Kapazität zusammen.
Im Unterschied dazu weisen die Grabenkondensatoren eines
hochintegrierten Speicherbauelements gewöhnlich einen Graben
pro Grabenkondensator auf. Zumindest eine der beiden
Elektroden muß bei dieser Vorrichtung so strukturiert sein,
daß die Elektroden von benachbarten Gräben keine elektrische
Verbindung miteinander haben. Um die in einem
Speicherkondensator einer Speicherzelle gespeicherte Ladung
reproduzierbar auslesen zu können, sollte die Kapazität des
Speicherkondensators mindestens einen Wert von etwa 30 fF
besitzen. Gleichzeitig muß die laterale Ausdehnung des
Kondensators so klein wie möglich sein.
Die Herstellung von Grabenkondensatoren für DRAM-
Halbleiterspeicher nach Stand der Technik ist in den Fig.
2a) bis 2d) schematisch beschrieben. In einem ersten Schritt
(Fig. 2a)) werden eine dünne Oxidschicht 2-2, die die
Funktion eines Pad-Oxids hat, eine Nitridschicht 2-3 und eine
weitere Oxidschicht 2-4 auf eine p-dotierte Siliziumscheibe
2-1 aufgebracht. Auf die Oxidschicht 2-4 wird weiterhin eine
Photoresistmaskenschicht 2-6 aufgebracht und
photolithographisch so strukturiert, daß die Öffnungen der
Photoresistmaske 2-6 die Position und Querschnitt der zu
ätzenden Gräben wiedergeben. Typischerweise haben die
Maskenöffnungen 2-13 dabei einen ovalen oder nahezu runden
oder quadratischen Querschnitt, so daß sie in der Praxis, von
oben gesehen, weitgehend als Löcher wahrgenommen werden.
Fig. 2a) zeigt die Struktur, nachdem der Schichtstapel aus
Pad-Oxid 2-2, Nitridschicht 2-3 und Oxidschicht 2-4 an der
strukturierten Photoresistmaske 2-6 in einem anisotropen
Ätzschritt, bevorzugt mit einem ersten Trockenätzgas 2-7,
strukturiert worden ist. Damit ist eine Hartmaske hergestellt
worden, mit deren Hilfe die Gräben in die p-dotierte
Siliziumscheibe 2-1 geätzt werden können. Die
Photoresistschicht 2-6 wird nach dieser Strukturierung
entfernt.
Das Ätzen der Gräben 2-15 erfolgt im wesentlichen
selektiv zur Oxidschicht 2-4 in einem anisotropen
Trockenätzschritt, z. B. durch einem RIE-Ätzschritt mit einem
zweiten Trockenätzgas 2-8 (Fig. 2b)). Danach wird die
Oxidschicht 2-4 wieder entfernt.
In einem weiteren Schritt werden die Innenwände der
Gräben 2-15 n-dotiert, damit sie isoliert von dem sie
umgebenden p-dotierten Gebiet als erste Elektrode 2-10
("buried plate") für die zu erzeugenden Kondensatoren dienen
können. Die n-Dotierung der Grabeninnenwände geschieht z. B.
durch die Abscheidung einer Arsensilikatglasschicht an den
Innenwänden der Gräben 2-15. Ein anschließender
Diffusionsschritt bewirkt, daß das Arsen des
Arsensilikatglases in die Seitenwand eindringt und eine n-
dotierte Schicht erzeugt, die die Gräben vollständig umgibt.
Die die Gräben umgebenden n-dotierten Schichten stellen die
erste Elektrode 2-10 (n-buried Plate) für die
Grabenkondensatoren dar. Die Arsensilikatglasschicht wird
anschließend wieder beseitigt (Fig. 2c).
Es folgen nun eine n-Implantation zum Kurzschließen
benachbarter erster Elektroden 2-10 (nicht gezeigt in Fig.
2d)), die Abscheidung eines Dielektrikums 2-11, z. B. eine
Oxid-Nitrid-Oxid (ONO)-Schicht, auf der ersten Elektrode 2-10
und die Abscheidung einer n-dotierten Polysiliziumschicht,
die als zweite Elektrode 2-12 dient. Durch einen
anschließenden Chemisch-Mechanischen (CMP) Polierschritt
bleiben das Dielektrikum 2-11 und die Polysiliziumschicht,
die die zweite Elektrode 2-12 darstellt, nur in den Gräben
zurück (Fig. 2d)). Damit ist die Herstellung der
Grabenkondensatoren weitgehend abgeschlossen.
Grabenkondensatoren für DRAMs werden derzeit
routinemäßig mit einem Grabendurchmesser an der
Substratoberfläche von etwa 300 nm und einer Tiefe von bis
zu 10 µm hergestellt, um eine ausreichende
Grabenwandoberfläche für die Elektroden bereitstellen zu
können. Die Herstellung von Gräben mit einem so hohen Tiefen-
Querschnitt-Aspektverhältnis stellt jedoch hohe Anforderungen
an den Ätzschritt und ist dementsprechend langwierig und
teuer. Ein weiteres Verkleinern der Grabendurchmesser bei
größer werdender Grabentiefe zur Vergrößerung der
Grabenwandfläche wird immer schwieriger.
Eine weitere Erhöhung der Kapazität-zu-Volumen-
Verhältnisse von diskreten oder integrierten
Grabenkondensatoren durch eine Verdichtung oder Vertiefung
von Gräben stößt schnell an technologische oder kostenmäßige
Grenzen. Als alternatives Verfahren zur Erhöhung der
Grabenwandoberfläche sind oberflächenvergrößernde Verfahren
wie die Aufrauung der Grabenwandoberfläche (siehe z. B. die
Patentschriften US 5,981,350 oder US 6,025,225) oder die
Erweiterung des Grabenquerschnitts in größerer Grabentiefe
entwickelt worden (flaschenförmige Gräben). Bei beiden
Verfahren muß jedoch darauf geachtet werden, daß die
Erweiterung der Gräben nicht zu weit durchgeführt wird, damit
die Zwischenwände zwischen benachbarten Gräben nicht zerstört
werden, da dies die Oberflächen wieder reduzieren würde. Bei
Halbleiterspeichern würde eine Zerstörung der Zwischenwände
sogar zu Kurzschlüssen zwischen benachbarten
Grabenkondensatoren führen. In diesem Fall muß daher ein
Sicherheitsabstand zwischen den Gräben eingehalten werden,
der einer größtmöglichen Erweiterung der Grabenquerschnitte
entgegensteht. Die Erhöhung der Grabenwandoberfläche ist mit
diesen Methoden daher begrenzt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, daß die
besprochenen Schwierigkeiten nicht aufweist und die
Grabenwandoberfläche signifikant auf kostengünstige Weise
erhöht, ohne daß die Gefahr einer Zerstörung der
Zwischenwände zwischen benachbarten Gräben auftritt. Für
Halbleiterspeicher soll dabei insbesondere die
Kurzschlußbildung zwischen benachbarten Grabenkondensatoren
verhindert werden.
Diese Aufgabe wird von dem Verfahren zur Herstellung von
Grabenkondensatoren nach Anspruch 1 und durch ein
Halbleiterbauelement nach Anspruch 30 gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Aspekte
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen
Patentansprüchen, der Beschreibung und den beiliegenden
Zeichnungen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung von
mindestens einem Grabenkondensator mit den folgenden
Schritten bereitgestellt:
- - ein Halbleitersubstrat mit einem oder einer Mehrzahl von Gräben auf der Vorderseite eines Halbleitersubstrats wird bereitgestellt, wobei der Graben an der Grabenwandoberfläche eine vorgegebene n- Dotierung aufweisen;
- - ein flüssiger Elektrolyt wird auf die Vorderseite des Halbleitersubstrats aufgebracht;
- - eine elektrische Spannung zwischen der Rückseite des Halbleitersubstrats und dem flüssigen Elektrolyt wird angelegt, so daß ein elektrischer Strom mit einer vorgegebenen Stromdichte fließt und Mesoporen in der Grabenwand erzeugt werden;
- - eine erste Elektrode wird in dem Graben und den dazugehörigen Mesoporen erzeugt;
- - ein Dielektrikum wird auf die erste Elektrode aufgebracht;
- - eine zweite Elektrode wird auf das Dielektrikum aufgebracht.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein
Halbleiterbauelement mit mindestens ein Grabenkondensator auf
der Vorderseite eines Halbleitersubstrats bereitgestellt,
- - wobei der Grabenkondensator mindestens einen Graben im Halbleitersubstrat mit Mesoporen in der Grabenwand aufweist;
- - wobei die Grabenwand und die Wände der Mesoporen des Grabenkondensators eine erste Elektrode aufweist oder auf der Grabenwand und auf den Wänden der Mesoporen des Grabenkondensators eine erste Elektrode aufgebracht ist;
- - wobei auf der ersten Elektrode des Grabenkondensators ein Dielektrikum aufgebracht ist.;
- - wobei auf dem Dielektrikum des Grabenkondensators eine zweite Elektrode aufgebracht ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Mesoporen in
der Grabenwand erzeugt, die bei ausreichender Zahl,
ausreichender Länge und ausreichendem Durchmesser die
Gesamtoberfläche eines Grabens und damit die Gesamtoberfläche
der Elektroden eines Grabenkondensators signifikant erhöhen.
Mesoporen sind elektrochemisch hergestellte Kanäle in
einem Halbleitersubstrat mit einem definitionsgemäßen
Porendurchmesser zwischen 2 nm und 50 nm. Die Mesoporen
entstehen bevorzugt an n-dotierten Oberflächen des
Halbleitersubstrats, die mit dem erfindungsgemäßen
Elektrolyten unter einer geeigneten Elektrischen Spannung in
Kontakt kommen. Insbesondere entstehen die Mesoporen
bevorzugt an den n-dotierten Gebieten der
Grabenwandoberflächen und wachsen als "holzwurmlochartige"
Kanäle von der Grabenwandoberfläche in das n-dotierte
Grabenwandinnere. Das Grabenwandinnere ist dabei das den
Graben unmittelbar umgebende Material des
Halbleitersubstrats.
Der oder die Gräben, an deren Grabenwandoberflächen die
Mesoporen erzeugt werden, sind auf der Vorderseite des
Halbleitersubstrats erzeugt. Die Gräben dienen der
Bereitstellung einer möglichst großen Oberfläche für die
Unterbringung von Grabenkondensatoren mit möglichst großer
Kapazität bei minimalem Flächenbedarf auf dem
Halbleitersubstrat. Erfindungsgemäß weisen die Gräben
gleichzeitig die Grabenwandoberflächen auf, an denen die
Mesoporen erzeugt werden. Um die Mesoporenbildung zu
ermöglichen, sind die Grabenwände der Gräben mit einer
vorgegebenen n-Dotierung versehen.
Die Bildung der Mesoporen geschieht auf elektrochemischem
Wege. Das erfindungsgemäße Verfahren benutzt elektrochemische
Prozesse an der Grenzfläche zwischen dem flüssigen
Elektrolyten und den n-dotierten Oberflächen des
Halbleitersubstrats dazu, daß bei Anlegen einer äußeren
elektrischen Spannung zwischen Rückseite des
Halbleitersubstrats und dem flüssigen Elektrolyten
Halbleitersubstratmaterial von n-dotierten Oberflächen an
solchen Stellen geätzt wird, die durch eine topologiebedingte
lokale Überhöhung des elektrischen Feldes ausgezeichnet
sind.
Die Erfindung nutzt dabei die Selektivität des Ätzens, die
sich bei der elektrochemischen Ätzung einstellt und die das
Ätzen an den Mesoporenspitzen bevorzugt während andere
Bereiche der Grenzfläche ungeätzt bleiben. Ohne auf diese
Erklärung festgelegt sein zu wollen, sind die Erfinder der
Ansicht, daß sich diese Selektivität aus dem elektrischen
Feldverlauf und der Ausbildung von Raumladungszonen auf den
unebenen Grenzflächen bei Anlegen der äußeren elektrischen
Spannung ergibt. Die Unebenheiten der Grenzfläche zwischen
flüssigem Elektrolyt und Halbleitersubstrat erzeugen Bereiche
unterschiedlicher Feldstärke. Spitze Vertiefungen in der
Grabenwand erzeugen z. B. ein starkes Feld, wodurch der
Ätzvorgang beschleunigt wird. Da die Raumladungszonen
gleichzeitig eine Passivierung an den Seiten der Vertiefungen
bewirken, wachsen die Vertiefungen zu "holzwurmlochartig"
verlaufenden Mesoporen. Typischerweise liegt der Durchmesser
dieser Mesoporen im Bereich zwischen 2 nm und 20 nm, wobei
der genaue Durchmesser durch n-Dotierungskonzentration und
die Stromdichte eingestellt werden kann.
Die Passivierung an den Seiten der Mesoporen durch die
Raumladungszonen bewirkt auch eine Begrenzung der
Mesoporendichte, da der kleinste Abstand zwischen zwei
Mesoporen in guter Näherung durch die Ausdehnungen der beiden
Raumladungszonen gegeben ist. Da die Ausdehung der
Raumladungszonen sowohl durch die n-Dotierungskonzentration
der Grabenwände als auch durch das elektrische Feld bestimmt
ist, kann die Dichte der Mesoporen durch diese beiden
Parameter eingestellt werden.
Die elektrische Spannung zwischen Rückseite des
Halbleitersubstrats und dem flüssigen Elektrolyt dient der
Erzeugung einer selektiven Ätzung an den Grabenwänden.
Bevorzugt wird die elektrische Spannung an der Rückseite so
angelegt, daß im Flächenbereich der zu ätzenden Mesoporen die
Rückseite auf ein homogenes elektrisches Potential gelegt
ist, d. h. die entsprechenden Rückseitenbereiche stehen
bevorzugt niederohmig in Kontakt miteinander. Dadurch erhält
man an der Rückseitenfläche eine homogene
Stromdichteverteilung senkrecht zur Rückseitenfläche. Auf
diese Weise "sehen" die Gräben in erster Ordnung die gleiche
elektrische Feldverteilung, so daß die Mesoporen an den
verschiedenen Gräben sich unter weitgehend gleichen
Bedingungen bilden können.
Weiterhin wird eine erste Elektrode jeweils in einem
Graben und den dazugehörigen Mesoporen erzeugt. Gemäß einer
ersten Ausführungsform wird die erste Elektrode auf den
Oberflächen von Graben und den dazugehörigen Mesoporen
erzeugt. Bevorzugt wird die erste Elektrode dabei als eine
leitende Schicht auf die Oberflächen von Graben und den
dazugehörigen Mesoporen aufgebracht.
In einer anderen bevorzugten Ausführung ist die erste
Elektrode durch n-dotierte Bereiche der Grabenwände gegeben.
Dabei kann die n-Dotierung der ersten Elektrode durch die
für die Mesoporenerzeugung benötigte n-Dotierung oder durch
einen zusätzlichen n-Dotierungsschritt gegeben sein.
Bevorzugt wird die n-Dotierung dabei bis in eine Tiefe
durchgeführt, so daß eine niederohmige elektrische Verbindung
zwischen den Grabenwandoberflächen benachbarter Gräben
hergestellt wird. Auf diese Weise sind die ersten Elektroden
der Grabenkondensatoren niederohmig miteinander verbunden und
können auf ein gemeinsames Potential gelegt werden. Die n-
Dotierung kann in diesem Fall als eine leitende Schicht
("Buried Plate") aufgefaßt werden.
Weiterhin wird ein Dielektrikum jeweils auf die erste
Elektrode aufgebracht. Das Dielektrikum deckt die erste
Elektrode bevorzugt in einem weiten Bereich ab, um eine große
Oberfläche für eine möglichst große Kapazität zu erhalten.
Auf das Dielektrikum wird schließlich jeweils eine zweite
Elektrode aufgebracht, die das Dielektrikum bevorzugt
ebenfalls weitgehend abdeckt.
Das Dielektrikum bestimmt durch die
Dielektrizitätskonstante seines Materials oder seiner
Materialien, durch die Fläche, mit der es die erste Elektrode
von der zweite Elektrode isoliert, sowie durch seine Dicke,
die den Abstand der ersten Elektrode von der zweiten
Elektrode definiert, die Kapazität des Grabenkondensators. Um
eine große Kapazität zu erzielen, wird daher das Dielektrikum
bevorzugt als dünne Schicht auf die erste Elektrode
aufgebracht.
Bevorzugt haben die erfindungsgemäßen Gräben einen
ovalen oder im wesentlichen runden oder quadratischen
Querschnitt auf der Vorderseite des Halbleitersubstrates.
Weiterhin haben die Gräben untereinander bevorzugt im
wesentlichen die gleiche Form, d. h. weisen bevorzugt in etwa
die gleichen Querschnitte und in etwa die gleiche Tiefe auf
(< 20%-Schwankung bzgl. der Tiefe). Bevorzugt werden die
Gräben durch einen Ätzschritt erzeugt und bevorzugt durch
eine Ätzung an einer Maske, die somit die Anordnung der
Gräben bestimmt. In einer anderen bevorzugten Ausführung
können die Gräben jedoch auch als Makroporen auf
elektrolytischem Wege erzeugt werden (näheres siehe dazu die
am gleichen Tag eingereichte Patentanmeldung "Verfahren zur
Herstellung von Grabenkondensatoren für hochintegrierte
Halbleiterspeicher").
Bevorzugt sind die Gräben in einer regelmäßigen
zweidimensionalen Struktur angeordnet. Bei
Halbleiterspeichern ergibt sich die Struktur bevorzugt aus
dem Layout der Speicherzellen, die möglichst dicht gepackt
sein sollen, wobei der Platzbedarf für
Speicherzellenkomponenten (Transistor und Graben) und für
Zuleitungen auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats zu
berücksichtigen ist. Insbesondere sind die Gräben dort
einzeln oder bevorzugt als dicht nebeneinander liegende
Grabenpaare, Grabentripletts oder andere Grabenmultipletts so
angeordnet, daß die einzelnen Gräben oder Grabenmultipletts
bevorzugt einen regelmäßigen Abstand A1 in die eine Richtung
voneinander und einen regelmäßigen Abstand A2 in eine andere
Richtung voneinander aufweisen. Bevorzugt sind die beiden
Richtungen weiterhin weitgehend senkrecht zueinander
angeordnet. Auf diese Weise kann eine große Packungsdichte
für die Grabenkondensatoren auf der Vorderseite des
Halbleitersubstrats erzielt werden.
Bevorzugt sind die Gräben mehr als zehn und bevorzugt
auch mehr als dreißig mal so tief wie der maximale
Durchmesser des jeweiligen Grabenquerschnitts an der
Halbleitersubstratoberfläche. Je tiefer der Graben, um so
größer die Grabenwandoberfläche und um so größer die Fläche
für die Erzeugung von Mesoporen bei gegebenem
Grabenquerschnitt für die Erzeugung eines Grabenkondensators.
Bevorzugt ist die Oberfläche des Halbleitersubstrats in
den Bereichen zwischen den Gräben während der angelegten
elektrischen Spannung mit einer horizontalen elektrisch
isolierenden Abdeckschicht abgedeckt. Die horizontale
elektrisch isolierende Abdeckschicht verhindert die Berührung
des flüssigen Elektrolyten mit der Oberfläche des
Halbleitersubstrats. Damit wird zum einen verhindert, daß
sich während der elektrochemischen Ätzung Mesoporen auch an
der Oberfläche des Halbleitersubstrats bilden; zum anderen
wird damit aber auch verhindert, daß insbesondere in Regionen
mit p-dotierten Oberflächen bei der elektrochemischen Ätzung
ein erhöhter Strom fließt, der die Ausbildung elektrischer
Felder zur Mesoporenbildung stört und so die Mesoporenbildung
in den Gräben behindert. Bevorzugt weist die horizontale
elektrisch isolierende Abdeckschicht eine Nitridschicht auf,
insbesondere auch eine Nitridschicht auf einer Oxidschicht.
Bevorzugt weisen die Gräben jeweils einen oberen
Grabenbereich und einen unteren Grabenbereich auf, wobei die
Grabenwandoberflächen der oberen Grabenbereiche während der
angelegten elektrischen Spannung durch vertikale elektrisch
isolierende Abdeckschichten abgedeckt sind und die
Grabenwandoberflächen der unteren Grabenbereiche frei von
Abdeckungen sind. Die vertikalen elektrisch isolierenden
Abdeckschichten verhindert eine Berührung des flüssigen
Elektrolyten mit dem Halbleitersubstrat und damit die
Erzeugung von Mesoporen im oberen Grabenbereich. Weiterhin
decken die vertikalen elektrisch isolierenden Abdeckschichten
bevorzugt p-dotierte Oberflächenbereiche ab und verhindern so
einen erhöhten Stromfluß zwischen den p-dotierten Regionen
und dem flüssigen Elektrolyt. Bevorzugt ist die vertikale
elektrisch isolierende Abdeckschicht eine Nitridschicht und
bevorzugt auch eine Nitridschicht auf einer Oxidschicht.
Bevorzugt deckt die vertikale elektrisch isolierende
Abdeckschicht die Grabenwandoberfläche bis zur Oberfläche des
Halbleitersubstrats ab, so daß in den Gräben nur die
Grabenwandoberflächen des unteren Grabenbereichs nicht
abgedeckt sind. In diesem Fall reicht der obere Grabenbereich
bis in eine Tiefe des Grabens von bevorzugt mehr als 0,5 µm,
bevorzugt weniger als 2 µm. Ein typischer Wert für die Tiefe,
in die der obere Grabenbereich in den Graben hineinreicht, ist
1 µm.
Die Erzeugung der vertikalen elektrisch isolierenden
Abdeckschichten geschieht bevorzugt in mehreren Schritten. In
einem ersten Schritt werden die Gräben mit einem
Füllmaterial, bevorzugt aus Polysilizium, bis zu der Höhe
aufgefüllt, bis zu der keine Abdeckung der
Grabenwandoberfläche erzeugt werden soll.
Diese Höhe legt die Trennlinie zwischen oberem und unterem
Grabenbereich fest. In einem zweiten Schritt wird die
Oberfläche des Halbleitersubstrats und die der Grabenwände
weitgehend konform mit einer abdeckenden Schicht, bevorzugt
einer Nitridschicht, bedeckt. Bevorzugt wird nun die n-
Dotierung durch die TEAS/TEOS-Oxidschicht der Grabenwände im
unteren Grabenbereich durch einen Annealschritt vorgenommen.
In einem weiteren Schritt werden die horizontal verlaufenden
Bereiche der abdeckenden Schicht durch einen weitgehend
anisotropen Ätzschritt entfernt, so daß nur noch die vertikal
verlaufenden Schichtbereiche übrigbleiben. Bevorzugt wird das
Füllmaterial und die übriggebliebenen TEAS/TEOS-
Oxidschichtteile anschließend wieder entfernt.
Bevorzugt sind die Grabenwände der unteren
Grabenbereiche n-dotiert. Bevorzugt ist die Dotierung der
Grabenwände der unteren Grabenbereiche und die Stromdichte
während des Anlegens der Spannung so gewählt, daß eine
vorgegebene mittlere Mesoporendichte erzeugt wird. Über
Stromdichte und Dotierung der Grabenwände wird die Ausdehnung
der passivierten Bereiche neben den Mesoporen bzw. inversen
Oberflächenspitzen und damit die mittlere Dichte der
Mesoporen an den Grabenwänden festlegt. Die n-Dotierung der
unteren Grabenbereiche wird bevorzugt durch eine Eindiffusion
von Arsen, Phosphor und/oder Antimon erreicht. In einer
bevorzugten Ausführung wird die Eindiffusion mittels einer
durch Tri-Ethyl-Arsenat (TEAS oder AsO(OC2H5)3) erzeugten
Schicht, die auf die Grabenwände gebracht wird, und mittels
eines Anneal/Drive-in-Schrittes erreicht. In einer anderen
bevorzugten Ausführung wird die Eindiffusion mittels eines
Gas-Phase-Deposition-Schrittes durchgeführt.
Bevorzugt wird die vorgegebene Stromdichte durch eine
elektrische Spannung zwischen der Rückseite des
Halbleitersubstrats und einer in dem flüssigen Elektrolyten
eingebrachten Gegenelektrode erzeugt. Bevorzugt ist die
Oberfläche der Rückseite des Halbleitersubstrats in dem
Gebiet, in dem auf der Vorderseite Mesoporen erzeugt werden
sollen, niederohmig, so daß die Rückseite in diesem Gebiet
weitgehend auf gleichem elektrischen Potential liegt. Dadurch
wird erreicht, daß der Strom in diesem Gebiet weitgehend
senkrecht und mit weitgehend gleicher Stromdichte durch die
Rückseite des Halbleitersubstrats zu den Gräben fließt.
In einer bevorzugten Ausführung geht der elektrischen
Kontaktierung der Rückseite ein Dotierungsschritt zur
Erzeugung einer Dotierungsschicht auf der Rückseite des
Halbleitersubstrats voran. Mit diesem Schritt kann auf
einfache Weise eine niederohmige Rückseitenschicht auf dem
Halbleitersubstrat erzeugt werden. Bevorzugt ist die
Dotierung eine p+-Dotierung, da bei einer p-Grunddotierung
des Halbleitersubstrats so kein sperrender pn-Übergang auf
der Rückseite erzeugt wird. Die Dotierung wird bevorzugt
durch eine p-Implantation erzeugt.
Bevorzugt wird die Dotierungsschicht auf der Rückseite des
Halbleitersubstrats nach der Erzeugung der Mesoporen wieder
entfernt, um eine Verunreinigung der Vorderseite des
Halbleitersubstrats durch das Dotierungsmaterial während
nachfolgender Prozessschritte zu vermeiden.
In einer anderen bevorzugten Ausführung wird die
elektrische Kontaktierung der Rückseite durch eine leitende
Flüssigkeit, die mit der Rückseite des Halbleitersubstrats in
Kontakt steht, hergestellt. Bevorzugt ist die leitende
Flüssigkeit ein Elektrolyt und bevorzugt Flusssäure (HF) in
einer wässrigen Lösung. Die Kontaktierung mittels einer
leitenden Flüssigkeit sorgt für einen über die Rückseite
verteilten homogenen niederohmigen Kontakt und macht damit
den Rückseiten-Implantationsschritt überflüssig. Das
Weglassen des Rückseiten-Implantationaschrittes wiederum
erspart das Aufbringen einer Schutzschicht auf der
Scheibenvorderseite, bevor die Scheibe für die rückseitige
Implantation auf ihre Vorderseite gelegt wird, sowie das
spätere Abätzen der Dotierungsschicht auf der Rückseite als
auch der Schutzschicht auf der Vorderseite nach erfolgter
Implantation. Überdies wird, bei Verwendung eines HF-haltigen
Rückseitenelektrolyten ein zusätzlicher Nassätzschritt
eingespart, welcher für die Entfernung von sich gebildetem
natürlichen Siliziumoxid auf allen offenliegenden
Siliziumflächen notwendig ist.
Bevorzugt ist der flüssige Elektrolyt auf der Vorderseite
des Halbleitersubstrats eine wässrige HF-Lösung, die einen
HF-Anteil von bevorzugt höchstens 25% und typischerweise von
3% aufweist.
Bevorzugt ist die elektrische Spannung zwischen der
Rückseite des Halbleitersubstrats und dem flüssigen
Elektrolyt so ausgelegt, daß die Stromdichte durch die
Rückseite des Halbleitersubstrats kleiner als 100 mA/cm2 und
bevorzugt kleiner als 50 mA/cm2 ist. Die Stromdichte, bzw.
die damit verknüpfte Spannung, welche über der
Raumladungszone abfällt, bestimmt zusammen mit der n-
Dotierstoffkonzentration an den Grabenwänden die
Mesoporendichte an den Grabenwänden. Die Mesoporendichte ist
durch die Ausdehnung der Raumladungszonen an den Seiten der
Mesoporen gegeben, die als Passivierungsschicht eine Mesopore
vor dem Wachsen einer benachbarten Mesopore schützen.
Bevorzugt sind n-Dotierung und Stromdichte so gewählt, daß
die die Dicke der Raumladungszonen an den Seiten der
Mesoporen bei etwa 10 nm bis 50 nm und bevorzugt 10 nm bis 30 nm
liegen. Der Mindestabstand zweier Mesoporen ist in guter
Näherung durch die Summe der Ausdehnungen der beiden
Raumladungszonen gegeben. Auf diese Weise weisen benachbarte
Mesoporen bevorzugt einen Mindestabstand von 20 nm bis 60 nm
auf.
Bevorzugt weisen die Mesoporen eines Grabens nach dem
elektrochemischen Verfahren einen Durchmesser von 2 bis 5 nm
auf. Bevorzugt werden die Mesoporen nach ihrer Erzeugung
aufgeweitet, um in den Mesoporen ausreichend Platz für die
Aufbringung von leitenden und isolierenden Schichten für die
Herstellung von Elektroden und Dielektrikum für die
Grabenkondensatoren zur Verfügung zu haben. Die Aufweitung
vergrößert Radius und Länge der Mesoporen um bevorzugt etwa
das gleiche Maß. Bei der Herstellung von Halbleiterspeichern
ist die Aufweitung bevorzugt kleiner als die
Raumladungszonenausdehnung, um zu vermeiden, daß bei der
Aufweitung Mesoporen eines ersten Grabens Mesoporen eines
benachbarten Grabens berühren ("Kurzschluß"). Bevorzugt
werden die Mesoporen für Halbleiterspeicher auf Durchmesser
von bis zu 50 nm aufgeweitet.
Die Aufweitung der Mesoporen kann auf viele
standardmäßige Methoden durchgeführt werden. Beispielsweise
kann in einer ersten bevorzugten Ausführung die Aufweitung
durch eine naßchemische Oxidation, z. B. mit H2O2, und eine
anschließende Ätzung des Oxids, z. B. mit Flußsäure,
geschehen. In einer zweiten bevorzugten Ausführung wird die
Aufweitung durch ein elektrochemisches Verfahren nach Stand
der Technik erreicht. Denkbar sind jedoch auch andere
Verfahren zur Aufweitung der Mesoporen durch Abtrag von
Wandflächenschichten der Mesoporen.
Bei Halbleiterspeichern weisen die Gräben Mesoporen mit
Längen bevorzugt größer als ein Viertel und bevorzugt größer
als die Hälfte der Grabenwanddicke zum nächstliegenden Graben
auf. Unter Grabenwanddicke ist dabei die kürzeste Entfernung
zwischen zwei Gräben von Wand zu Wand zu verstehen. Durch
eine möglichst große Mesoporenlänge wird die Oberfläche in
den Gräben und Mesoporen möglichst groß, so daß eine große
Fläche für die Aufbringung von Kondensatoren mit möglichst
großen Elektrodenflächen zur Verfügung steht. Die Gefahr beim
Erzeugen der Mesoporen, daß eine Mesopore in den
Nachbargraben oder in eine Mesopore des benachbarten Grabens
hineinwächst, was einem Kurzschluß zwischen benachbarten
Grabenkondensatoren mit sich bringen kann, besteht aufgrund
eines Selbstpassivierungsprozesses nicht. Umgekehrt erlaubt
die Selbstpassivierung, daß die Mesoporen in Richtungen, in
denen kein nächstliegender Graben angeordnet ist, weiter
wachsen können als dies in einer Richtung zum nächstliegenden
Graben möglich wäre. Durch die Selbstpassivierung kann somit
das n-dotierte Volumen zwischen Gräben unabhängig von der
Anordnung der Gräben zueinander maximal zur Mesoporenbildung
genutzt werden, ohne daß es zu Kurzschlüssen zwischen
Mesoporen kommt.
Unter Selbstpassivierungsprozess wird in diesem
Zusammenhang der Effekt verstanden, daß das Mesoporenwachstum
in der Länge selbstständig aufhört, wenn die Grabenwanddicke
von der Mesopore z. B. zu einer benachbarten Mesopore oder zu
einem benachbarten Graben oder zu einem anderen Hohlraum,
einen minimalen Wert unterschreitet. Die Selbstpassivierung
ist nach dem gegenwärtigen Verständnis durch die Dicke der
Raumladungszone gegeben, die die elektrische Spannung in der
Grenzschicht zwischen flüssigem Elektrolyt und
Halbleitersubstrat im Halbleitersubstrat erzeugt. Der
minimale Grabenwanddickenwert hängt demnach hauptsächlich von
der Dotierungskonzentration und der Stromdichte ab. Die
Selbstpassivierung liefert damit die Möglichkeit, die
Erzeugung von Mesoporen über einen beinahe unbegrenzte
Zeitraum zu betreiben, ohne daß die Gefahr eines
Kurzschlusses zwischen benachbarten Gräben oder Mesoporen
besteht. Auf diese Weise kann das Volumen im
Halbleitersubstrat unterhalb der Oberfläche des
Halbleitersubstrats für die Erzeugung für möglichst großen
Kondensatorenflächen maximal genutzt werden. Bei
Halbleiterspeichern kann auf diese Weise auch das Volumen im
Halbleitersubstrat unterhalb der den Grabenkondensatoren
benachbarten Transistoren für die Mesoporenbildung und
Kondensatorflächenbildung genutzt werden, womit eine weitere
Packungsdichtenerhöhung erzielt werden kann.
Bei Halbleiterspeichern dauert das Anlegen der
elektrischen Spannung zwischen flüssigem Elektrolyt und
Halbleitersubstrat bevorzugt länger, als die Zeit, die durch
das Verhältnis der halben Grabenwanddicke zum nächstliegenden
Graben zur mittleren Ätzrate gegeben ist. Die mittlere
Ätzrate ist dabei durch die über die Zeit gemittelte Ätzrate
gegeben. Da aufgrund der Selbstpassivierung keine Gefahr
besteht, daß eine Mesopore einen "Kurzschluß" mit einer
benachbarten Mesopore oder benachbarten Graben erzeugt, kann
der Zeitraum des elektrochemischen Prozesses, der durch die
Dauer des Anlegens der elektrischen Spannung zwischen
flüssigem Elektrolyt und Halbleitersubstrat gegeben ist,
wesentlich länger sein, als es ohne Selbstpassivierung der
Fall wäre. Ohne Selbstpassivierung müßte der elektrochemische
Prozeß kürzer sein als das Verhältnis von halber
Grabenwanddicke zum nächstliegenden Graben zur mittleren
Ätzrate, damit keine Berührung zwischen Mesoporen und
benachbarten Gräben entsteht.
Ein elektrochemischer Prozeß, der länger als das
Verhältnis von halber Grabenwanddicke zum nächstliegenden
Graben zur mittleren Ätzrate ist, bringt den Vorteil, daß die
Mesoporen in Richtungen, in denen kein nächstliegender Graben
angeordnet ist, weiter wachsen können, um das vorhandene
Volumen zur Mesoporenbildung maximal zu nutzen.
Bevorzugt ist die erste Elektrode eines Grabenkondensators
durch die n-dotierten Bereiche der Grabenwandoberfäche und
der Oberflächen der Mesoporen des Grabens gegeben. Dies
vereinfacht die Herstellung, da die n-Dotierung der Graben-
und/oder Mesogorenwände schon für die Mesoporenerzeugung
vorgegeben war. In einer ersten bevorzugten Ausführung wird
für die Fertigstellung der ersten Elektrode ein weiterer n-
Dotierungsschritt durchgeführt. Auf diese Weise kann die
Dotierungskonzentration, die für die Bildung der Mesoporen
benötigt wird, unabhängig von der Dotierungskonzentration,
die für die Erzeugung der ersten Elektrode erforderlich ist,
gewählt werden. Bevorzugt wird die n-Dotierung durch einen
Gas-Phase-Deposition-Schritt und/oder einen TEAS-, TEOS- und
anschließenden Anneal-Schritt erzeugt (TEOS steht für Tetra-
Ethyl-Ortho-Silicate).
In einer anderen bevorzugten Ausführung wird die erste
Elektrode durch Aufbringen einer leitenden Schicht auf die n-
dotierten Bereiche der Grabenwandbereiche und Oberflächen der
Mesoporen erzeugt. Die leitende Schicht ist bevorzugt ein
Metall oder Silizid, z. B. Wolfram oder Wolframsilizid. Auf
diese Weise kann die Raumladungszone, die durch den Übergang
von Dielektrikum und n-Silizium am Grabenwandbereich erzeugt
wird und die eine parasitäre Kapazität zum Grabenkondensator
bildet, eliminiert werden.
In einer zweiten bevorzugten Ausführung sind die n-
dotierten Bereiche der Grabenwandoberflächen und der
Oberflächen der Mesoporen bereits so hoch dotiert, daß kein
zweiter n-Dotierungsschritt durchgeführt werden muß. Um
jedoch der durch die hohe n-Dotierungskonzentration
unerwünscht hohen Mesoporendichte entgegenzuwirken, wird in
diesem Fall bevorzugt die Stromdichte so weit erhöht, daß der
gewünschte Mesoporendichtewert wieder zuückgewonnen wird.
Bevorzugt ist das Dielektrikum für Halbleiterspeicher eine
Oxid-Nitrid-Oxid (ONO) Schicht, eine Nitrid-Oxid (NO)
Schicht, eine Aluminium-Oxidschicht oder eine Zirkonium-
Oxidschicht. All diese Schichten sind prozeßkompatibel mit
der Herstellung von Grabenkondensatoren und ermöglichen auch
bei sehr dünnem Schichtaufbau eine im erforderlichen Maße
durchbruchsfeste elektrische Isolation der beiden Elektroden
voneinander. Für diskrete Grabenkondensatoren ist das
Dielektrikum bevorzugt auch Siliziumoxid und/oder Nitrid.
Bevorzugt deckt das Dielektrikum die gesamte n-dotierte
Mesoporenwandoberfläche eines Grabens und den überwiegenden
Teil der dazugehörigen Grabenwandoberfläche ab, da auf diese
Weise ein Grabenkondensator mit größtmöglicher Fläche erzeugt
werden kann.
Bevorzugt ist die zweite Elektrode für Halbleiterspeicher
ein leitendes Material und bevorzugt Polysilizium, Wolfram-
Silizid oder ein anderes Silizid. Für diskrete
Grabenkondensatoren ist die zweite Elektrode bevorzugt auch
Aluminium. Bevorzugt deckt die zweite Elektrode die
Dielektrikumsschicht weitgehend ab, da auf diese Weise ein
Grabenkondensator mit größtmöglicher Fläche erzeugt werden
kann. Die zweite Elektrode wird nach Aufbringung des
Dielektrikums bevorzugt durch Füllen der Gräben und/oder
Mesoporen mit einem leitenden Material erzeugt. Auf diese
Weise entstehen keine Hohlräume im Graben- und
Mesoporenbereich, die durch chemische Reaktionen (Oxidation
etc.) im Laufe der Zeit Isolationsinseln erzeugen und den
Grabenkondensator unbrauchbar machen. In einer bevorzugten
Ausführung ist das leitende Material dotiertes Polysilizium
und insbesondere bevorzugt n-dotiertes Polysilizium.
Bevorzugt wird das Polysilizium nach dem Füllen der Gräben
von der Vorderseite des Halbleitersubstrates her
zurückgeätzt, wobei der untere Grabenbereich weiterhin mit
Polysilizium gefüllt bleibt.
In einer ersten Ausführung dienen die Grabenkondensatoren
bevorzugt als diskrete Kondensator-Bauelemente. Durch die
Mesoporen ist es möglich, die Kapazität von vergleichbaren
Grabenkondensatoren ohne Mesoporen um eine Mehrfaches zu
erhöhen.
In einer zweiten Ausführung dienen die Grabenkondensatoren
mit erster Elektrode, Dielektrikum und zweiter Elektrode
bevorzugt als Speicherkondensatoren für Speicherzellen, wobei
die Speicherzellen bevorzugt mindestens einen
Auswahltransistor aufweisen. Bevorzugt wird der
Auswahltransistor an die zweiten Elektrode angeschlossen. Die
Kontaktierung der Grabenkondensatoren an die jeweiligen
Schaltungselemente, insbesondere an den jeweiligen
Auswahltransistor, und an die gewünschten Potentiale,
insbesondere an ein gemeinsames Bezugspotential, geschieht
bevorzugt in Schritten, wie sie für die Herstellung von
Halbleiterspeichern und insbesondere von DRAM-Bauelementen
üblich sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung sind die
Speicherzellen Speicherzellen für nichtflüchtige
Halbleiterspeicher, insbesondere für ferroelektrische
Speicher. In diesem Fall ist das Dielektrikum bevorzugt ein
ferroelektrisches Material, insbesondere eines aus der Gruppe
der Perowskit-Gruppe und insbesondere SrBi2Ta2O9 (SBT), Pb(Zr,
Ti)O3 (PZT), oder Bi4Ti3O12 (BTO).
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung werden auch die
Gräben durch einen elektrochemischen Prozeß erzeugt.
Bevorzugt werden die Gräben dabei auch durch ein Anlegen
einer Spannung zwischen der Rückseite des Halbleitersubstrats
und einem flüssigem Elektrolyten, der auf der Vorderseite des
Halbleitersubstrats aufgebracht ist, erzeugt. Ein bevorzugtes
Verfahren zur Erzeugung von Gräben mittels elektrochemischer
Verfahren ist in der am gleichen Tag eingereichten
Patentanmeldung "Verfahren zur Herstellung von
Grabenkondensatoren für hochintegrierte Halbleiterspeicher"
beschrieben.
In einer vorteilhaften Ausführung wird die elektrische
Kontaktierung der Rückseite für das elektrochemische
Verfahren für die Erzeugung der Gräben und der Mesoporen in
der gleichen Elektrochemischen Kammer durchgeführt wird, wenn
die Gräben ebenfalls durch eine elektrochemischen Prozeß
erzeugt werden (Makroporen). Bevorzugt, wird die Erzeugung der
Gräben und Mesoporen dann auch nur mit einem
Rückkontaktierungsschritt zur Erzeugung einer elektrischen
Verbindung zwischen der Spannungsquelle und der Rückseite der
Halbleitersubstrats durchgeführt. Auf diese Weise werden
einige Prozessierungsschritte eingespart. Eine detaillierte
Beschreibung dieses Kontaktierungsverfahrens ist in der
deutschen Patentanmeldung Nr. 901 09 039.9 unter dem
Titel "Verfahren zur großflächigen elektrischen Kontaktierung
eines Halbleiterkörpers mit Hilfe von Elektrolyten"
beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren der
Zeichnung näher dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1) einen diskreten Grabenkondensator nach Stand
der Technik;
Fig. 2a)-2e) schematische Darstellung eines Verfahren zur
Herstellung eines Grabenkondensators für
einen Halbleiterspeicher nach Stand der
Technik;
Fig. 3a)-3e) schematische Darstellung eines
erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung
einer Anordnung von Grabenkondensatoren für
einen Halbleiterspeicher;
Fig. 4) schematische Darstellung einer ersten
erfindungsgemäßen Anordnung von
Grabenkondensatoren mit Mesoporen für
Halbleiterspeicher (als Aufsicht);
Fig. 5) schematische Darstellung einer zweiten
erfindungsgemäßen Anordnung von
Grabenkondensatoren mit Mesoporen für
Halbleiterspeicher (als Aufsicht).
Fig. 1) sowie Fig. 2a) bis 2d) sind bereits weiter oben
beschrieben worden.
Fig. 3a) bis 3i) beschreiben in schematischer
Darstellung das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von
Grabenkondensatoren auf der Vorderseite einer p-dotierten
Siliziumscheibe. Das Verfahren ist bevorzugt Teil einer
Prozeßschrittfolge für die Herstellung von
Halbleiterspeichern und bevorzugt DRAM-Halbleiterspeichern.
Maße und Skalierungen der dargestellten Figuren sind, wenn
nicht anders ausdrücklich gesagt, dabei als nicht
maßstabsgetreu zu verstehen.
Fig. 3a) zeigt eine p-dotierte Siliziumscheibe 3-1 mit
einer Grunddotierung von etwa 3 × 1015 1/cm3. Bevorzugte
Kristallorientierung der Siliziumscheibe ist <100<. Auf die
Siliziumscheibe 3-1 wird zunächst eine dünne Oxidschicht, die
bevorzugt ein dünnes Pad-Oxid 3-2 ist, eine Nitridschicht 3-3
und eine BSG-Schicht 3-4 aufgebracht, die als Maskenmaterial
für die Maske zur Erzeugung der Gräben für die
Grabenkondensatoren dienen. Pad-Oxid 3-2 und Nitridschicht 3-3
entstehen bei den Herstellungsverfahren gewöhnlich auch auf
der Rückseite der Siliziumscheibe 3-1.
In einer vorteilhaften Ausführung folgt dann eine
Rückseitenimplantation durch das Pad-Oxid 3-2 und die
Nitridschicht 3-3 hindurch mit einem p-Implantat 3-5, die für
eine niederohmige und gleichmäßige p-Implantationsschicht 3-6
zur Rückseitenkontaktierung für den späteren
elektrochemischen Prozeß für die Erzeugung der Mesoporen
sorgt. Eine typische Implantationsdosis für die
Rückseitenimplantation mit Bor ist 1016 1/cm2 bei einer
Energie von etwa 120 keV. Dieser Verfahrensschritt ist in
Fig. 3a) gezeigt.
Im nächsten Schritt werden die BSG-Schicht 3-4, die
Nitridschicht 3-31 das Pad-Oxid 3-2 und möglicherweise
weitere aufliegende Schichten für die Grabenerzeugung
strukturiert. Es folgt die Erzeugung der Gräben 3-9 durch
einen anisotropen Trockenätzschritt, bevorzugt im RIE-
Ätzverfahren (Fig. 3b)). In dieser Ausführung haben die
Gräben, die in Fig. 3b) mit 3-9a, 3-9b und 3-9c einzeln
gekennzeichnet sind, einen Durchmesser von bevorzugt 200 nm
und kleiner und eine Tiefe von bevorzugt etwa 10 µm. Der
minimale Abstand zweier nächstliegender Gräben 3-9 ist in
dieser Ausführung etwa 200 nm. Daraus folgt eine minimale
Grabenwanddicke 3-8 von etwa 200 nm. Je nach Anordnung der
Gräben kann die Grabenwanddicke 3-8 in den Richtungen zu
anderen benachbarten Gräben jedoch um das mehrfache größer
sein. In diese Richtungen können die zu erzeugenden Mesoporen
daher deutlich länger sein.
Ebenfalls in Fig. 3b) zu sehen ist die durch einen
TEAS/TEOS-Schritt erzeugte TEAS/TEOS-Oxidschicht 3-10, die
nach der Erzeugung der Gräben 3-9 durch ein Low-Pressure
Chemical-Vapor-Deposition-Verfahren (LPCVD) auf die
Siliziumscheibe 2-1 aufgebracht wird. Die durch den TEAS-
Schritt erzeugte Schicht weist in dieser Ausführung bevorzugt
eine planare Dicke von etwa 15 nm und die darauf aufliegende
durch einen TEOS-Schritt erzeugte Schicht bevorzugt eine
planare Dicke von etwa 10 nm auf. Insbesondere deckt die
TEAS/TEOS-Oxidschicht 3-10 die Grabenwandoberfläche 3-11 ab.
Das Arsen aus der TEAS/TEOS-Oxidschicht 3-10 wird für die
später zu erfolgende n-Dotierung der Grabenwandoberfläche 3-11
mit Arsen benötigt.
Fig. 3c) zeigt schematisch die Siliziumscheibe 3-1,
nachdem die Gräben 3-9 mit Polysilizium 3-14 aufgefüllt und
am oberen Grabenrand, um mindestens 500 nm und bevorzugt um
etwa 1500 nm von der Grabenoberkante, bevorzugt in einem
trockenchemischen Ätzschritt, wieder zurückgeätzt worden
sind. Anschließend wird die TEAS/TEOS-Oxidschicht 3-10
naßchemisch geätzt, so daß sie nur noch im unteren Teil der
Gräben zurückbleibt. Es ergibt sich dadurch die in Fig. 3c)
gezeigte auffällige Struktur, daß das zurückgeätzte
Polysilizium 3-14 in den Gräben 3-9 über die zurückgeätzte
TEAS/TEOS-Oxidschicht 3-10 um bevorzugt etwa 100 nm
hinausragt. Das zurückgeätzte Polysilizium 3-14 dient als
Hilfsstruktur für die Erzeugung einer seitlichen elektrisch
isolierenden Abdeckschicht der Grabenwandoberflächen 3-11.
Durch das Zurückätzen des Polysiliziums 3-14 und der
TEAS/TEOS-Oxidschicht 3-10 im Graben 3-9 wird eine
Zweiteilung des Grabens 3-9 in einen oberen Grabenbereich 3-12,
an dessen Grabenwandbereich später keine Mesoporen
erzeugt werden, und in einen unteren Grabenbereich 3-13, an
dessen Grabenwandbereich Mesoporen erzeugt werden,
festgelegt. Die Unterdrückung der Mesoporenbildung im oberen
Grabenbereich 3-12 verhindert unter anderem, daß Mesoporen zu
dicht an der Oberfläche der Siliziumscheibe 3-1 entstehen und
dadurch die Funktionsweise benachbarter Strukturen an der
Oberfläche der Siliziumscheibe 3-1, z. B. von einem
Auswahltransistor, beeinträchtigt wird. Weiterhin findet
durch das Zurückätzen der TEAS/TEOS-Oxidschicht 3-10 die für
die Mesoporen erforderliche n-Dotierung nur im unteren
Grabenbereich 3-13 statt. Der obere Grabenbereich 3-12 wird
bevorzugt auch dafür benötigt, um Raum für einen Oxidkragen
bereitzustellen, der für Grabenkondensatoren mit einer
gemeinsamen ersten Elektrode ("Buried-Plate
Grabenkondensatoren") gewöhnlich benötigt wird.
Fig. 3d) zeigt die Struktur nach dem Aufbringen einer
zweiten elektrisch isolierenden Abdeckschicht 3-15a, die das
Material für die zu erzeugenden vertilkalen elektrisch
isolierenden Abdeckschichten liefert. Bevorzugt ist die
zweite elektrisch isolierende Abdeckschicht 3-15a aus Nitrid.
Aufgrund der Teilfüllung der Gräben 3-9 mit Polysilizium 3-14
und TEAS/TEOS-Oxidechicht 3-10 kann die zweite elektrisch
isolierende Abdeckschicht 3-15a nur die Grabenwandoberfläche
des oberen Grabenbereichs 3-12 abdecken. Die Schichtdicke der
zweiten elektrisch isolierenden Abdeckschicht 3-15a ist in
dieser Ausführung typischerweise 20 nm.
Nach der Abdeckung mit der zweiten Abdeckschicht 3-15a
wird bevorzugt ein Anneal-Schritt durchgeführt, durch den das
Arsen der an der Grabenwand verbliebenen TEAS/TEOS-
Oxidschicht 3-10 in die Grabenwand der unteren Grabenbereiche
3-13 eindiffundiert und aktiviert wird. Auf diese Weise
werden die Grabenwände der unteren Grabenbereiche 3-13 n-
dotiert. Die Diffusion des Arsens wird bevorzugt bis in eine
Tiefe und mit einer Dosis durchgeführt, die ausreicht, daß
das Silizium zwischen benachbarten Gräben 3-9 komplett n-
dotiert wird, so daß im Grabenbereich eine n-dotierte Schicht
3-17 geformt ist. Eine bevorzugte n-Dotierungskonzentration
ist im Bereich von 1 × 1019 1/cm3. Auf diese Weise wird der
gesamte Bereich zwischen den Wänden benachbarter Gräben als
Volumen für das Wachstum von Mesoporen zur Verfügung
gestellt. Mit Hilfe der Mesoporen kann so für jeden Graben 3-9
das zur Verfügung stehende Volumen maximal für die
Oberflächengewinnung und damit Elektrodenflächengewinnung
genutzt werden.
Fig. 3e) zeigt die Struktur nach den folgenden
Schritten. Erst werden die horizontal verlaufenden Bereiche
der zweiten elektrisch isolierenden Abdeckschicht 3-15a
durch einen anisotropen Ätzschritt entfernt, sodaß nur noch
die vertikalen elektrisch isolierenden Abdeckschichten 3-15
an den Grabenwandoberflächen in den oberen Grabenbereichen 3-12
zurückbleiben. Die vertikalen elektrisch isolierenden
Abdeckschichten 3-15 dienen der Unterdrückung der
Mesoporenbildung im oberen Grabenbereich 3-12 und der
Unterdrückung eines schädlichen Kurzschlußstromes zwischen
flüssigem Elektrolyt und p-dotierten Regionen im oberen
Grabenbereich. Dann werden das Polysilizium 3-14 und der
verbliebene Anteil der TEAS/TEOS-Oxidschicht 3-10 aus den
Gräben entfernt.
Nachdem in Ätzschritten die p-Implantationsschicht 3-6
auf der Rückseite der Siliziumscheibe 3-1 freigelegt worden
ist, kann das elektrochemische Verfahren zur Erzeugung der
Mesoporen durchgeführt werden. Dazu wird die Siliziumscheibe
3-1 nach einem HF-Dip bevorzugt in einer Elektrochemischen
Kammer 3-20 mit der Rückseite auf eine leitfähige
Kontaktschicht 3-21 aufgelegt und ggf. dort angedrückt, so
daß ein elektrischer Kontakt zwischen Siliziumscheibe 3-1 und
leitfähiger Kontaktschicht hergestellt ist. Eine Ausführung
der Elektrochemischen Kammer 3-20 ist in Fig. 3f) schematisch
dargestellt. Die leitfähige Kontaktschicht 3-21 dient der
elektrisch leitenden Verbindung zwischen Substrathalter 3-22
und Siliziumscheibe 3-1, um die Rückseite der Siliziumscheibe
3-1 auf ein definiertes Potential legen zu können.
Auf der Siliziumscheibe 3-1 ist weiterhin bevorzugt ein
Ätzbecher 3-23 aufgesetzt, der über einen O-Ring wasserdicht
mit der Siliziumscheibe 3-1 abschließt. In den Ätzbecher 3-23
wird der flüssige Elektrolyt 3-24 eingefüllt, der somit
bevorzugt nur die Vorderseite der Siliziumscheibe 3-1 bedeckt
und die Gräben auf der Vorderseite der Siliziumscheibe 3-1
füllt. In den flüssigen Elektrolyt 3-24 ist die
Gegenelektrode 3-25 eingetaucht, deren zur Siliziumscheibe 3-1
gerichteten Oberfläche weitgehend koplanar zur
Siliziumscheibe 3-1 ist und die den Bereich der
Grabenkondensatoren auf der Siliziumscheibe 3-1 weitgehend
überdeckt. Auf diese Weise wird für eine homogene Stromdichte
im Gebiet der Rückseite der Siliziumscheibe 3-1 gesorgt,
wobei die Stromrichtung bevorzugt weitgehend senkrecht zur
Rückseite der Siliziumscheibe 3-1 verläuft. Die für den
Stromfluß erforderliche Spannung wird durch eine
Spannungsquelle 3-26 zwischen Gegenelektrode 3-25 und
Substrathalter 3-22 bereitgestellt. Die Spannung an der
Gegenelektrode 3-25 ist bevorzugt negativ in Bezug zum
Substrathalter 3-22. Die Spannung wird auf einen Wert
eingestellt, für den die Stromdichte im Bereich der Rückseite
der Siliziumscheibe 3-1 im Bereich von 1 bis 100 mA/cm2
liegt. Der Strom und damit die mittlere Stromdichte wird an
einem Strommeßgerät 3-27 gemessen. Eine bevorzugte
detaillierte Ausführung der Elektrochemischen Kammer ist in
der deutschen Erstanmeldung vom 31. 5. 2000, die unter dem
Aktenzeichen 100 27 931.7 geführt wird, beschrieben.
Als flüssiger Elektrolyt dient bevorzugt eine wässrige
HF-Lösung, die einen HF-Anteil von bevorzugt höchstens 25%
und bevorzugt 3% aufweist. Die mittlere Ätzrate beträgt in
Abhängigkeit auch vom Elektrolyten in etwa 60 nm/min. Die
Dauer dieses elektrochemischen Vorgangs beträgt bevorzugt
etwa 5 Minuten. Sie dauert damit um etwa das 3-fache länger
als die Zeit, die durch das Verhältnis der halben
Grabenwanddicke zum nächstliegenden Graben 3-8 zur mittleren
Ätzrate gegeben ist. Auf diese Weise können Mesoporen mit
einer Länge, die etwa 1.5 mal so lang wie die Grabenwanddicke
zum nächstliegenden Graben ist, erzeugt werden. Diese langen
Mesoporen können jedoch nur in Richtungen wachsen, in denen
kein nächstliegender Graben angeordnet ist. Auf diese Weise
werden auch die Bereiche zwischen benachbarten Gräben zur
Bildung von Mesoporen genutzt.
Fig. 3g zeigt schematisch die Grabenanordnung nach dem
elektrochemischen Verfahren. Die geätzten Mesoporen 3-30
haben je nach Stromdichte und Dotierung einen Durchmesser
zwischen 2-20 nm und bevorzugt zwischen 2-10 nm. Ihre
maximale Länge ist durch die Länge des elektrochemischen
Verfahrens gegeben. In dieser Ausführung ist sie in etwa 1.5
mal so lang wie die Grabenwanddicke zum nächstliegenden
Graben, also etwa 300 nm. Die Selbstpassivierung hindert die
Mesoporen jedoch daran, die volle Länge zu erreichen, wenn
die Mesopore zuvor an eine andere Mesopore oder Graben näher
als etwa die doppelte Raumladungszonendicke heranwächst. Da
in dieser Ausführung die Raumladungszone an den Seiten der
Mesoporen etwa 10-30 nm beträgt, ist damit ein minimaler
Abstand 3-41 zwischen zwei Mesoporen von etwa 20-60 nm
definiert. Der minimale Abstand, den benachbarter Mesoporen
zueinander haben können, ist im wesentlichen durch die
Stromdichte zwischen 1 und 100 mA/cm2 und die n-
Dotierungskonzentration von etwa 1019 1/cm3 gegeben.
Nach der elektrochemischen Ätzung der Mesoporen wird, um
eine Verunreinigung der Vorderseite der Siliziumscheibe 3-1
durch die ggf. hochdotierte Rückseite zu verhindern,
bevorzugt die p-Implantationsschicht 3-6 auf der Rückseite
durch einseitiges Ätzen entfernt.
Um die Einbringung einer Dielektrikumsschicht und einer
zweiten Elektrodenschicht in die Mesoporen 3-30 für die
Herstellung von Kondensatoren zu erleichtern, werden die
Mesoporen 3-30 bevorzugt aufgeweitet. Die Aufweitung muß
jedoch deutlich kleiner sein als der durch die
Raumladungszone gegebene minimale Abstand zwischen zwei
Mesoporen, um zu gewährleisten, daß die Aufweitung nicht zu
"Kurzschlüssen" zwischen benachbarten Mesoporen benachbarter
Gräben führt. In der vorliegenden Ausführung werden die
aufgeweiteten Mesoporen 3-30a an jeder Seite um bevorzugt
etwa 10 nm bis 20 nm aufgeweitet, so daß der Durchmesser der
aufgeweiteten Mesoporen 3-30a auf etwa 25 nm bis 50 nm
anwächst. Die Länge der aufgeweiteten Mesoporen 3-30a steigt
entsprechend auch um 10 nm bis 20 nm an.
Die Aufweitung in dieser Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens geschieht bevorzugt durch eine
Oxidierung der Grabenoberflächen und der Oberflächen der
Mesoporen 3-30 und eine anschließende Ätzung des Oxids z. B.
mit Flußsäure. Die Oxidierung kann durch mehrere Verfahren
nach Stand der Technik erfolgen. In dieser Ausführung ist die
Oxidierung naßchemisch mit H2O2, HF und H2O ausgeführt worden.
Fig. 3h) zeigt schematisch die Struktur, nachdem die
Mesoporen durch einen Oxidations- und Oxidationsätzschritt in
Durchmesser und Länge aufgeweitet wurden. Nicht gezeigt ist
in den folgenden Figuren, daß die Mesoporen holzwurmlochartig
wachsen, d. h. daß sie im Wachstumsprozeß die Richtung ändern
und somit kurvenförmig verlaufen können. Die Mesoporen können
weiterhin unterschiedlich lang sein und einen sich ändernden
Durchmesser haben.
Aufgrund der Selbstpassivierung geraten die Mesoporen 3-30
benachbarter Gräben 3-9 nicht in Berührung, sondern weisen
einen minimalen Abstand zueinander auf. Der minimale Abstand
zwischen zwei Mesoporen wird durch die Aufweitung zwar
reduziert; er ist jedoch ausreichend, solange die Aufweitung
der Mesoporen kleiner als die Raumladungszonendicke, die die
Mesoporen passiviert, ist.
Weiterhin zeigt Fig. 3h) eine zusätzliche vergrabene n-
dotierte Schicht 3-31, die durch einen zweiten
Dotierungsschritt zur Erhöhung der n-Dotierung im unteren
Grabenbereich 3-13 erzeugt worden ist. Die zweite n-Dotierung
geschieht bevorzugt durch Gas-Phase-Deposition-Doping oder
alternativ mit einem weiteren TEAS/TEOS-Beschichtungsschritt
und einem anschließenden Anneal-Prozeß, der das n-
Dotierungsmaterial am offenen Silizium, d. h. insbesondere an
den Grabenwänden 3-9 der unteren Grabenbereiche 3-13 und an
den Wänden der aufgeweiteten Mesoporen 3-30a hineintreibt und
aktiviert. Die auf diese Weise hoch n-dotierte Schicht bildet
im Bereich der Gräben 3-9 bevorzugt eine vergrabene n-
dotierte Schicht 3-31, die zum einen bevorzugt die erste
Elektrodenschicht der Grabenkondensatoren und zum anderen
bevorzugt eine niederohmige Verbindung zwischen den ersten
Elektroden benachbarter Gräben darstellt, so daß die ersten
Elektroden auf einem gemeinsamen Potential liegen. Auf diese
Weise ist in einer vorteilhaften Weise eine "Buried Plate"
erzeugt worden.
Die folgenden Schritte sind Stand der Technik und sind
in Fig. 3i) schematisch gezeigt. Sie bestehen aus der
Abscheidung einer Nitridschicht und der Erzeugung einer
Oxidschicht, die als NO-Schicht zusammen eine dünne
Dielektrikumsschicht 3-34 auf den Oberflächen der Gräben 3-9
und aufgeweiteten Mesoporen 3-30a bildet. Es folgt das
Einbringen einer n-dotierten Polysiliziumfüllung als zweite
Elektrode 3-36 des Speicherkondensators auf die
Dielektrikumsschichten 3-34 in den Gräben und Mesoporen,
wobei das Polysilizium der zweiten Elektrode 3-36 bevorzugt
um etwa 1300 nm wieder zurückgeätzt wird, um dort Raum für
die Isolierung der Grabenkrägen zu schaffen. Anschließend
wird die Dielektrikumsschicht 3-34 und die vertikale
elektrisch isolierende Abdeckschicht 3-15 durch Flußsäure bis
zum Polysilizium wieder entfernt.
Die weiteren Schritte betreffen insbesondere die
Kontaktierungen der vergrabenen n-dotierten Schicht 3-31 und
der zweiten Elektroden 3-36 der Grabenkondensatoren mit z. B.
Auswahltransistoren und Gleichspannungspotentialen. Diese
Schritte können mit Methoden nach Stand der Technik
durchgeführt werden und werden hier nicht weiter beschrieben.
Fig. 4) zeigt eine erste schematische Darstellung einer
erfindungsgemäßen Ausführung von Grabenkondensatoren 3-40 für
Halbleiterspeicher als Aufsicht auf die Oberfläche einer
Siliziumscheibe 3-1.
Die Grabenkondensatoren 3-40 in Fig. 4) sind in einer
regelmäßigen zweidimensionalen Struktur angeordnet mit einem
Abstand A1 in eine erste Richtung und einem Abstand A2 in
eine zweite Richtung, wobei im vorliegenden Fall beide
Richtungen weitgehend senkrecht aufeinander stehen. Zu jedem
Grabenkondensator 3-40 in Fig. 4) sind die zweite Elektrode
3-36 und die Dielektrikumsschicht 3-34 eingezeichnet, die
jeweils in dem Graben 3-9 des Grabenkondensators 3-40
angeordnet sind. Schematisch sind die weitgehend radial von
den Grabenwänden wegorientierten aufgeweiteten Mesoporen 3-30a,
die durch Oxidierung und anschließende Oxidätzung
aufgeweitet worden sind, eingezeichnet. In der Wirklichkeit
sind die aufgeweiteten Mesoporen 3-30a nicht sichtbar, da sie
sich unterhalb der Oberfläche der Siliziumscheibe 3-1
befinden. Die aufgeweiteten Mesoporen 3-30a dienen der
Erhöhung der Gesamtoberfläche eines Grabens 3-9.
Dielektrikumsschicht 3-34 und zweite Elektrode 3-36 sind in
den Mesoporen aus Platzgründen nicht eingezeichnet. Die
ersten Elektroden sind in dieser bevorzugten Ausführung durch
die vergrabene n-dotierte Schicht gegeben, die ebenfalls
unterhalb der Oberfläche der Siliziuinscheibe liegt und in
Fig. 4) nicht dargestellt ist.
Die aufgeweiteten Mesoporen 3-30a eines Grabens 3-9 haben
unterschiedliche Länge aufgrund der Selbstpassivierung der
Mesoporen beim Wachsen der Mesoporen. Die Selbstpassivierung
setzt ein, sobald der minimale Abstand zwischen zwei
Mesoporen 3-41 (oder zu einem Graben) erreicht ist. Die
Mesoporen sind daher besonders lang in die Richtungen, in
denen ein benachbarter Graben weiter entfernt ist.
Durch die Wahl einer langen Zeitdauer des
elektrochemischen Prozesses wachsen auf diese Weise die
Mesoporen bevorzugt bis zu der Stelle, an der sich schon
andere Mesoporen gebildet haben. Auf diese Weise können auch
Bereiche des Volumens zwischen den Gräben für die
Mesoporenbildung genutzt werden, die anders, z. B. bei einer
radialen Erweiterung der Gräben zur Erhöhung der Oberflächen,
nicht erreicht werden könnten. Weiterhin besteht nicht die
Gefahr, daß bei Nichtbeachtung von Minimalabständen zwischen
Mesoporen verschiedener Gräben sich "Kurzschlüsse" zwischen
Mesoporen bilden, da die Selbstpassivierung das Berühren
zweier Mesoporen nicht nur verhindert, sondern sogar einen
Sicherheitsabstand garantiert. Aufgrund der Eigenschaften der
Selbstpassivierung kann daher das zur Verfügung stehende
Siliziumvolumen zwischen den Gräben zur Bildung einer
möglichst großen Oberfläche für Elektroden auf optimale Weise
genutzt werden.
Fig. 5) zeigt eine andere bevorzugte Ausführung der
erfindungsgemäßen Grabenkondensatoren. Sie unterscheidet sich
von der Ausführung von Fig. 4) vor allem durch die Anordnung
der Gräben 3-9 für die Grabenkondensatoren 3-40. In dieser
bevorzugten Ausführung sind die Gräben als Grabenpaare so
angeordnet, daß sie in die eine Richtung einen regelmäßigen
Abstand A1 und in die andere Richtung A2 einen regelmäßigen
Abstand A2 aufweisen. Durch die Anordnung von dicht
nebeneinanderliegenden Paaren wäre eine konzentrische
Aufweitung der Gräben 3-9 zur Erhöhung der
Grabenwandoberflächen nur in geringem Umfang möglich, da
sonst die Gefahr einer Berührung der Grabenpaare miteinander
besteht. Ein Großteil des Volumens zwischen den Gräben wäre
ungenutzt.
Aufgrund des erfindungsgemäßen selbstpassivierenden
Wachstums von Mesoporen 3-9 ist es jedoch möglich, mit Hilfe
der Mesoporen Grabenoberflächen auch in den entfernter
liegenden Regionen der Gräben zu erzeugen, ohne
"Kurzschlüsse" mit dem nächstliegenden Grabenpaar-Partner zu
bilden. Das Volumen des Halbleitersubstrats zwischen den
Gräben kann auf diese Weise effektiv für eine möglichst hohe
Kapazität der Grabenkondensatoroberflächen genutzt werden.
1-1
Siliziumsubstrat
1-2
Graben
1-3
Isolationsschicht
1-4
zweite Elektrode
1-6
Kontaktschicht
2-1
Siliziumscheibe
2-2
Pad-Oxid
2-3
Nitridschicht
2-4
Oxidschicht
2-5
Polysiliziumschicht
2-6
Photoresistmaskenschicht
2-7
erstes Trockenätzgas
2-8
zweites Trockenätzgas
2-10
erste Elektrode
2-11
Dielektrikum
2-12
zweite Elektrode
2-13
Maskenöffnungen
2-15
Graben
3-1
Siliziumscheibe
3-2
Pad-Oxid
3-3
Nitridschicht
3-4
BSG-Schicht
3-5
p-Implantat
3-6
p-Implantationsschicht
3-8
Grabenwanddicke
3-9
Graben
3-10
TEAS/TEOS-Oxidschicht
3-11
Grabenwandoberfläche
3-12
oberer Grabenbereich
3-13
unterer Grabenbereich
3-14
Polysilizium
3-15
vertikale elektrisch isolierende Abdeckschicht
3-15
a zweite elektrisch isolierende Abdeckschicht
3-16
horizontale elektrisch isolierende Abdeckschicht
3-17
n-dotierte Schicht
3-20
elektrochemische Kammer
3-21
leitfähige Kontaktschicht
3-22
Substrathalter
3-23
Ätzbecher
3-24
flüssiger Elektrolyt
3-25
Gegenelektrode
3-26
Spannungsquelle
3-27
Strommeßgerät
3-30
Mesoporen
3-30
a aufgeweitete Mesoporen
3-31
vergrabene n-dotierte Schicht
3-34
Dielektrikumsschicht
3-36
zweite Elektrode
3-40
Grabenkondensatoren
3-41
minimaler Abstand zwischen zwei Mesoporen
Claims (44)
1. Verfahren zur Herstellung von mindestens einem
Grabenkondensator mit den folgenden Schritten:
- - ein Halbleitersubstrat mit einem oder einer Mehrzahl von Gräben auf der Vorderseite eines Halbleitersubstrats wird bereitgestellt, wobei der Graben an der Grabenwandoberfläche eine vorgegebene n- Dotierung aufweist;
- - ein flüssiger Elektrolyt wird auf die Vorderseite des Halbleitersubstrats aufgebracht;
- - eine elektrische Spannung zwischen der Rückseite des Halbleitersubstrats und dem flüssigen Elektrolyt wird angelegt, so daß ein elektrischer Strom mit einer vorgegebenen Stromdichte fließt und Mesoporen in der Grabenwand erzeugt werden;
- - eine erste Elektrode wird in dem Graben und den dazugehörigen Mesoporen erzeugt;
- - ein Dielektrikum wird auf die erste Elektrode aufgebracht;
- - eine zweite Elektrode wird auf das Dielektrikum aufgebracht.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Gräben in einer regelmäßigen zweidimensionalen
Struktur angeordnet sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Gräben im wesentlichen die gleiche Form haben.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Querschnitt der Gräben von der Oberfläche des
Halbleitersubstrats aus gesehen oval oder im wesentlichen
rund ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Gräben mehr als zehn mal so tief sind wie der maximale
Querschnitt des jeweiligen Grabens an der Oberfläche des
Halbleitersubstrats.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Oberfläche des Halbleitersubstrats in den Bereichen
zwischen den Gräben während der angelegten elektrischen
Spannung mit einer horizontalen elektrisch isolierenden
Abdeckschicht, bevorzugt aus Nitrid, abgedeckt ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Gräben jeweils einen oberen Grabenbereich und jeweils
einen unteren Grabenbereich aufweisen, wobei die
Grabenwandoberflächen der oberen Grabenbereiche während
der angelegten elektrischen Spannung mit vertikalen
elektrisch isolierenden Abdeckschichten, bevorzugt aus
Nitrid, abgedeckt sind, und die Grabenwandoberflächen der
unteren Grabenbereiche während der angelegten elektrischen
Spannung frei von elektrisch isolierenden Abdeckschichten
sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Grabenwände der unteren Grabenbereiche n-dotiert sind.
9. Verfahren nach Anspruch 7 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Dotierung der Grabenwände der unteren Grabenbereiche
und die Stromdichte so gewählt werden, daß eine
vorgegebene mittlere Mesoporendichte erzeugt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die vorgegebene Stromdichte durch eine elektrische
Spannung zwischen der Rückseite des Halbleitersubstrats
und einer in dem flüssigen Elektrolyten eingebrachten
Gegenelektrode erzeugt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
der elektrischen Kontaktierung der Rückseite des
Halbleitersubstrats ein Dotierungsschritt zur Erzeugung
einer Dotierungsschicht auf der Rückseite des
Halbleitersubstrats vorangeht.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Dotierungsschicht auf der Rückseite des
Halbleitersubstrats nach der Erzeugung der Mesoporen
entfernt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der flüssige Elektrolyt eine wässrige HF-Lösung ist, die
einen HF-Anteil von bevorzugt höchstens 25% aufweist.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die elektrische Spannung zwischen Rückseite des
Halbleitersubstrats und flüssigem Elektrolyt so ausgelegt
ist, daß die Stromdichte durch die Rückseite des
Halbleitersubstrats kleiner als 100 mA/cm2 und bevorzugt
kleiner als 50 mA/cm2 ist.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Mesoporendurchmesser der Mesoporen eines Grabens im
Mittel größer als 5 nm ist.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Mesoporen vor dem Aufbringen des Dielektrikums
aufgeweitet werden.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Mesoporendurchmesser der Mesoporen eines Grabens im
Mittel kleiner als 50 nm ist.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Gräben Mesoporen mit einer Länge größer als ein
Viertel und bevorzugt größer als die Hälfte der
Grabenwanddicke zum nächstliegenden Graben aufweisen.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Anlegen der elektrischen Spannung zwischen flüssigem
Elektrolyt und Halbleitersubstrat länger dauert als die
Zeit, die durch das Verhältnis der halben Grabenwanddicke
zum nächstliegenden Graben zur mittleren Ätzrate gegeben
ist.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Mesoporen benachbarter Gräben sich nicht berühren.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Elektrode eines Grabenkondensators durch
die n-dotierten Bereiche der Grabenwandoberfläche und
der Oberflächen der Mesoporen des Grabens gegeben ist.
22. Verfahren nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet, daß
für die Fertigstellung der ersten Elektrode eines
Grabenkondensators ein n-Dotierungsschritt durchgeführt
wird.
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Dielektrikum des Grabenkondensators eine Oxid-Nitrid-
Oxidschicht, Nitrid-Oxidschicht, Aluminium-Oxidschicht
oder Zirkonium-Oxidschicht ist.
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zweite Elektrode eines Grabenkondensators Polysilizium
oder Wolfram-Silizit ist.
25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Grabenkondensatoren Speicherkondensatoren für
Speicherzellen sind.
26. Verfahren nach Anspruch 25,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Speicherzellen Speicherzellen von DRAM-Bauelementen
oder von ferroelektrischen Halbleiterspeicher sind.
27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Gräben durch ein elektrochemisches Verfahren erzeugt
worden sind.
28. Verfahren nach Anspruch 27,
dadurch gekennzeichnet, daß
die elektrische Kontaktierung der Rückseite für das
elektrochemische Verfahren für die Erzeugung der Gräben
und der Mesoporen in der gleichen Elektrochemischen Kammer
durchgeführt wird.
29. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Halbleitersubstrat eine p-dotierte Siliziumscheibe
ist.
30. Halbleiterbauelement mit mindestens einem
Grabenkondensator auf der Vorderseite eines
Halbleitersubstrats,
wobei der Grabenkondensator mindestens einen Graben im Halbleitersubstrat mit Mesoporen in der Grabenwand aufweist;
wobei die Grabenwand und die Wände der Mesoporen des Grabenkondensators eine erste Elektrode aufweist oder auf der Grabenwand und auf den Wänden der Mesoporen des Grabenkondensators eine erste Elektrode aufgebracht ist;
wobei auf der ersten Elektrode des Grabenkondensators ein Dielektrikum aufgebracht ist;
wobei auf dem Dielektrikum des Grabenkondensators eine zweite Elektrode aufgebracht ist.
wobei der Grabenkondensator mindestens einen Graben im Halbleitersubstrat mit Mesoporen in der Grabenwand aufweist;
wobei die Grabenwand und die Wände der Mesoporen des Grabenkondensators eine erste Elektrode aufweist oder auf der Grabenwand und auf den Wänden der Mesoporen des Grabenkondensators eine erste Elektrode aufgebracht ist;
wobei auf der ersten Elektrode des Grabenkondensators ein Dielektrikum aufgebracht ist;
wobei auf dem Dielektrikum des Grabenkondensators eine zweite Elektrode aufgebracht ist.
31. Halbleiterbauelement nach Anspruch 30,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Grabenkondensator in einer Pluralität und bevorzugt in
einer regelmäßigen zweidimensionalen Struktur angeordnet
ist.
32. Halbleiterbauelement nach Anspruch 30 bis 31,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Gräben untereinander im wesentlichen die gleiche Form
haben.
33. Halbleiterbauelement nach Anspruch 30 bis 32,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Querschnitt des Grabens von der Oberfläche des
Halbleitersubstrats aus gesehen oval oder im wesentlichen
rund ist.
34. Halbleiterbauelement nach Anspruch 30 bis 33,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Graben mehr als zehn mal so tief sind wie der maximale
Querschnitt des Grabens an der Oberfläche des
Halbleitersubstrats.
35. Halbleiterbauelement nach Anspruch 30 bis 34,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Graben einen oberen Grabenbereich und einen unteren
Grabenbereich aufweist, wobei nur der untere Grabenbereich
Mesoporen aufweist.
36. Halbleiterbauelement nach Anspruch 30 bis 35,
dadurch gekennzeichnet, daß
der mittlere Mesoporendurchmesser des Grabens jeweils
größer als 5 nm ist.
37. Halbleiterbauelement nach Anspruch 30 bis 36,
dadurch gekennzeichnet, daß
der mittlere Mesoporendurchmesser dies Grabens jeweils
kleiner als 50 nm ist.
38. Halbleiterbauelement nach Anspruch 30 bis 37,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Graben Mesoporen mit einer Länge größer als ein
Viertel und bevorzugt größer als die Hälfte der
Grabenwanddicke zum nächstliegenden Graben aufweisen.
39. Halbleiterbauelement nach Anspruch 30 bis 38,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Mesoporen benachbarter Gräben sich nicht berühren.
40. Halbleiterbauelement nach Anspruch 30 bis 39,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Dielektrikum eines Grabenkondensators eine Oxid-
Nitrid-Oxidschicht, Nitrid-Oxidschicht, Aluminium-
Oxidschicht oder Zirkonium-Oxidschicht ist.
41. Halbleiterbauelement nach Anspruch 30 bis 40,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zweite Elektrode eines Grabenkondensators Polysilizium
oder Wolfram-Silizit ist.
42. Halbleiterbauelement nach Anspruch 30 bis 41,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Halbleitersubstrat aus Silizium ist.
43. Halbleiterbauelement nach Anspruch 30 bis 42,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Grabenkondensatoren Speicherkondensatoren für
Speicherzellen sind.
44. Halbleiterbauelement nach Anspruch 43,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Speicherzellen Speicherzellen von DRAM-Bauelementen
oder ferroelektrischen Halbleiterspeichern sind.
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: QIMONDA AG, 81739 MUENCHEN, DE |
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