DE10107181A1

DE10107181A1 - Grabenkondensator einer Halbleiterspeicherzelle mit einem Isolationskragen und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10107181A1
Application number: DE10107181A
Authority: DE
Inventors: Moritz Haupt
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-02-15
Filing date: 2001-02-15
Publication date: 2002-09-12

Abstract

In einem Substrat (1) ist ein Graben (2) angeordnet, in dem der Grabenkondensator gebildet ist. Das Substrat (1) weist eine Substratoberfläche (15) auf, der ein oberer Bereich (13) des Grabens (2) zugewandt ist. In dem oberen Bereich (13) ist ein Isolationskragen (9) angeordnet, der einen oberen Isolationskragenbereich (16) aufweist, welcher der Substratoberfläche (15) zugewandt ist. Weiterhin weist der Isolationskragen (9) einen unteren Isolationskragenbereich (17) auf, welcher der Substratoberfläche (15) zugewandt ist. Der obere Isolationskragenbereich (16) ist mit einer ersten Isolationskragendicke (10) und der untere Isolationskragenbereich (17) ist mit einer zweiten Isolationskragendicke (11) gebildet, wobei die erste Isolationskragendicke (10) größer ist als die zweite Isolationskragendicke (11). Dies hat den Vorteil, daß der obere, dicker ausgebildete Isolationskragenbereich (16) als Schutzschicht für eine Maskenschicht (4) dient, die auf der Substratoberfläche (15) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft einen Grabenkondensator einer Halbleiterspeicherzelle mit einem Isolationskragen und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Halbleiterspeicherzellen sind beispielsweise als DRAM (Dyna mic Random Access Memory) ausgebildet, wobei jede Speicher zelle des DRAM einen Auswahltransistor und einen Speicherkon densator umfaßt. Der Auswahltransistor ist beispielsweise als Feldeffekttransistor gebildet und dient dazu, den Speicher kondensator niederohmig bzw. hochohmig - je nach Schaltzu stand des Auswahltransistors - mit einer Bitleitung zu ver binden. Der Speicherkondensator ist beispielsweise als soge nannter Stacked-Kondensator gebildet, wobei der Kondensator oberhalb der Substratoberfläche und oberhalb des Auswahltran sistors auf der Substratoberfläche gebildet ist. Als weitere Variante für den Speicherkondensator ist beispielsweise ein Grabenkondensator bekannt. Der Grabenkondensator wird übli cherweise in einem tiefen Graben mit einem typischen Durch messer von 250 nm und einer typischen Grabentiefe von 8 µm gebildet. Für zukünftige Speichergenerationen kann der Durch messer durchaus weniger als 200 nm betragen. Der Graben kann dabei in einen unteren Bereich und einen oberen Bereich ein geteilt werden, wobei sich der obere Bereich beispielsweise bis in eine Tiefe von 1 bis 1,5 µm ausgehend von der Substra toberfläche in den Graben hinein erstreckt. Üblicherweise ist im oberen Bereich des Grabens ein Isolationskragen an der Seitenwand des Grabens als rohrförmiges Gebilde angeordnet, wie beispielsweise in US 5 250 829 beschrieben.

Zur Bildung des Grabens wird beispielsweise auf der Substra toberfläche eine Maske aufgebracht und strukturiert. Mittels der strukturierten Maske wird der Graben in das Substrat geätzt. Die strukturierte Maske wird anschließend in Prozeß schritten dazu verwendet, nachfolgende Prozeßschritte bezüg lich des Grabens selbstjustiert auszuführen. Beispielsweise werden eine Reihe von Schichten abgeschieden und anschließend planarisiert.

Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Verfah ren zur Bildung des Isolationskragens in dem oberen Bereich des Grabens ist, daß bei den Ätzschritten zur Bildung des Isolationskragens ein erhöhter Abtrag der Strukturierungsmas ke auftritt, was bei nachfolgenden Prozeßschritten zu Fehlern führt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung einen Grabenkondensator mit einem verbesserten Isolationskragen und ein Verfahren zu sei ner Herstellung anzugeben.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Graben kondensator mit einem Isolationskragen umfassend:

- ein Substrat mit einer Substratoberfläche, in dem ein Gra ben angeordnet ist, der einen der Substratoberfläche zuge wandten oberen Bereich mit einer Seitenwand aufweist;
- ein Isolationskragen, der in dem oberen Bereich des Grabens an der Seitenwand des Grabens angeordnet ist und sich in dem Graben erstreckt;
- wobei der Isolationskragen einen oberen Isolationskragenbe reich aufweist, welcher der Substratoberfläche zugewandt ist und einen unteren Isolationskragenbereich aufweist, welcher der Substratoberfläche abgewandt ist, und
- wobei der obere Isolationskragenbereich eine erste Isolati onskragendicke und der untere Isolationskragenbereich eine zweite Isolationskragendicke aufweist, und die erste Isola tionskragendicke größer ist als die zweite Isolationskra gendicke.

Da der Isolationskragen in dem der Substratoberfläche zuge wandten Bereich dicker ist, führen die Ätzprozesse zur Strukturierung des Isolationskragens nicht zu einer Schädigung der strukturierten Maskenschicht. Folglich kann die Maskenschicht zur weiteren Herstellung der Speicherzelle verwendet werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die erste Isolationskragendicke mindestens 1,2 mal so groß ist, wie die zweite Isolationskragendicke. Durch diese Anord nung ist in vorteilhafter Weise gewährleistet, daß der Isola tionskragen eine ausreichende Schutzwirkung für die struktu rierte Maskenschicht darstellt.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die erste Isolationskragendicke mindestens 1,6 mal so groß ist, wie die zweite Isolationskragendicke. Diese Ausgestaltung ermöglicht einen guten Schutz der Maskenschicht, wobei der Graben gleichzeitig eine gute Öffnungsquerschnittsfläche zur Bear beitung des Grabens aufweist.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die erste Isolationskragendicke mindestens 2 mal so groß ist, wie die zweite Isolationskragendicke. Dadurch wird ein nochmals verbesserter Schutz der Maskenschicht ermöglicht.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß zwi schen der ersten Isolationskragendicke und der zweiten Isola tionskragendicke eine stufenlose Reduzierung der Dicke des Isolationskragens vorliegt. Dadurch ist gewährleistet, daß ein kontinuierlicher Übergang zwischen der ersten Isolations kragendicke und der zweiten Isolationskragendicke ermöglicht ist. Weiterhin kann die zwischen der ersten Isolationskragen dicke und der zweiten Isolationskragendicke eine gleichförmi ge, eine monotone und/oder eine stetige Reduzierung der Dicke des Isolationskragens vorliegen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß zwi schen der ersten Isolationskragendicke und der zweiten Isolationskragendicke eine lineare Reduzierung der Dicke des Iso lationskragens vorliegt.

Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Grabenkondensators mit einem Isolationskragen mit den Schritten:

- Aufbringen einer Maskenschicht auf eine Oberfläche eines Substrats;
- Strukturieren der Maskenschicht;
- Ätzen eines Grabens in das Substrat mittels der strukturie ren Maskenschicht;
- Füllen des Grabens mit einer Grabenfüllung, die bis zu ei ner Einsenktiefe in den Graben rückgeätzt wird, wobei ein oberer Bereichs des Graben und eine Seitenwand des oberen Bereichs freigelegt werden;
- Abscheiden eines Isolationskragens in dem oberen Bereich des Grabens, wobei der Isolationskragen mit einem oberen Isolationskragenbereich, welcher der Substratoberfläche zu gewandt ist, und einem unteren Isolationskragenbereich, welcher der Substratoberfläche abgewandt ist, gebildet wird;
- wobei der obere Isolationskragenbereich mit einer ersten Isolationskragendicke und der untere Bereich mit einer zweiten Isolationskragendicke gebildet werden, und
- wobei die erste Isolationskragendicke größer ausgebildet wird als die zweite Isolationskragendicke.

Vorteilhaft bei diesem Verfahren, daß der Isolationskragen in dem Bereich der strukturierten Maskenschicht mit einer größe ren Dicke gebildet wird, so daß die Maskenschicht geschützt wird und für nachfolgende Herstellungsschritte der Speicher zelle verwendet werden kann.

Ein vorteilhafter Verfahrensschritt sieht vor, daß der Isola tionskragen mittels einer Niederdruck-Chemischen-Dampfab scheidung (LPCVD: Low Pressure Chemical Vapour Deposition) mit Tetra-Ethyl-Ortho-Silikat (TEOS) als Ausgangsmaterial abgeschieden wird. Dieser Verfahrensschritt wird auch als LPCVD-TEOS: "Low Pressure Chemical Vapour Deposition-Tetra- Ethyl-Ortho-Silikat " bezeichnet. Der LPCVD-Prozeß ermöglicht eine nicht konforme Bildung des Isolationskragens, wobei die erste Isolationskragendicke größer ausgebildet werden kann als die zweite Isolationskragendicke.

Ein weiterer Verfahrensschritt sieht vor, daß die Abscheidung in einer Prozeßkammer durchgeführt wird, die zur parallelen Abscheidung auf mehr als einem Wafer geeignet ist. Dies er möglicht die parallele Bearbeitung von mehr als einer Schei be, was gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Prozes sen, die jeweils nur eine Scheibe bearbeiten, eine erhebliche Kostenreduzierung und eine Durchsatzsteigerung bedeutet.

Ein weiterer Verfahrensschritt sieht vor, daß ein Temperatur prozeßschritt bei einer Temperatur zwischen 900°C und 950°C für eine Zeitdauer zwischen 4 und 6 Minuten in sauerstoffhal tiger und chlorwasserstoffhaltiger Atmosphäre durchgeführt wird, wobei eine thermische Siliziumoxidschicht gebildet wird. Die Bildung der thermischen Siliziumoxidschicht führt ebenfalls zu einer erhöhten Ätzresistenz sowie einem verbes serten elektrischen Widerstand.

Ein weiterer Verfahrensschritt sieht vor, daß ein Temperatur prozeßschritt bei einer Temperatur zwischen 1000°C und 1100°C für eine Zeitdauer zwischen 20 Minuten und 30 Minuten in stickstoffhaltiger Atmosphäre durchgeführt wird, wobei der Isolationskragen verdichtet wird. Der Vorteil dieses Prozeß schrittes liegt darin, daß eine mittels eines CVD-Prozesses abgeschiedene Schicht verdichtet wird und somit eine erhöhte Ätzresistenz sowie einen erhöhten elektrischen Widerstand aufweist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Ge genstand der jeweiligen Unteransprüche.

Nachfolgend wir die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie len und Figuren näher erläutert.

In den Figuren zeigen:

Fig. 1 einen Graben in einem Substrat zur Bildung eines Grabenkondensators;

Fig. 2 den Graben aus Fig. 1, wobei ein Isolationskragen abgeschieden wurde;

Fig. 3 die Anordnung nach Fig. 2, wobei ein Rückätzprozeß zur Bildung des Isolationskragens durchgeführt wur de.

In Fig. 1 ist ein Substrat 1 dargestellt, in dem ein Graben 2 angeordnet ist. Das Substrat 1 weist eine Substratoberflä che 15 auf, auf der eine erste Maskenschicht 3 und eine zwei te Maskenschicht 4 angeordnet sind. In dem Graben 2 ist eine dotierte Schicht 5 und eine Grabenfüllung 6 angeordnet, die bis zu einer Einsenktiefe 7 rückgeätzt sind. Oberhalb der Einsenktiefe 7 ist der obere Bereich 13 des Grabens 2 ange ordnet. In dem oberen Bereich 13 weist der Graben 2 eine Gra benseitenwand 14 auf. Das Substrat 1 ist beispielsweise aus Silizium gebildet. Das Silizium des Substrats 1 kann bei spielsweise p- oder n-leitend sein, was durch eine Dotierung mittels Bor, Phosphor oder Arsen erreicht werden kann. Die erste Maskenschicht 3 besteht beispielsweise aus Siliziumoxid und die zweite Maskenschicht 4 aus Siliziumnitrid. Die do tierte Schicht 5 ist beispielsweise ein arsendotiertes Sili katglas. Alternativ kann diese Dotierung mittels eines Gas phasendotier-Diffusionsprozesses erreicht werden. Die Graben füllung 6 besteht beispielsweise aus polykristallinem Silizi um.

Ein Verfahren zur Herstellung der in Fig. 1 dargestellten Anordnung scheidet die erste Maskenschicht 3 und die zweite Maskenschicht 4 auf der Substratoberfläche 15 ab. Anschlie ßend werden die erste und zweite Maskenschicht 3, 4 mittels einer darüber angeordneten und strukturierten polykristalli nen Siliziumschicht (als Hartmaske) und Ätztechnik struktu riert. Die Hartmaske wird ebenfalls dazu verwendet, den Gra ben 2 in das Substrat 1 zu ätzen. Die Hartmaske wird entfernt und nachfolgend wird in den Graben 2 die n⁺-dotierte Schicht 5 konform abgeschieden und der Graben mittels der Grabenfül lung 6 aufgefüllt. Bei diesem Prozeßschritt wird die dotierte Schicht 5 und die Grabenfüllung 6 ebenfalls auf der zweiten Maskenschicht 4 angeordnet. Mittels eines nachfolgenden Planarisierungs- und Rückätzschrittes werden die dotierte Schicht 5 und die Grabenfüllung 6 bis zu einer Einsenktiefe 7 in den Graben rückgeätzt, wobei die Seitenwand 14 des oberen Bereichs 13 des Grabens 2 freigelegt wird.

Mit Bezug auf Fig. 2 wird nun ein LPCVD-TEOS (Low Pressure Chemical Vapour Deposition-Tetra-Ethyl-Ortho-Silikat) Ab scheideprozeß durchgeführt, wobei ein Isolationskragen 9 in dem oberen Bereich 13 des Grabens 2 gebildet wird. Beispiels weise ist für den LPCVD-Prozeß eine Prozeßtemperatur von 680°C bei einem Druck von 220 mTorr, einem TEOS-Fluß von 150 sccm und einem Stickstoffzufluß von 0 sccm geeignet. Hierbei wird der Isolationskragen 9 mit einem oberen Isolationskra genbereich 16 gebildet, welcher der Substratoberfläche 15 zu gewandt ist, und mit einem unteren Isolationskragenbereich 17 gebildet, welcher der Substratoberfläche 15 abgewandt ist. Der obere Isolationskragenbereich 16 weist dabei eine erste Isolationskragendicke 10 und der untere Isolationskragenbe reich 17 eine zweite Isolationskragendicke 11 auf. Weiterhin wird der Isolationskragen 9 mit einem Isolationskragenboden 12 gebildet. Aufgrund der gewählten Prozeßparameter wird die erste Isolationskragendicke 10 größer gebildet als die zweite Isolationskragendicke 11. Dies hat den Vorteil, daß die erste und die zweite Maskenschicht 3, 4 bei nachfolgenden Ätzpro zessen durch einen Teil des Isolationskragens 9 geschützt werden. Als Prozeßparameter für den LPCVD-Prozeß sind Abscheidetemperaturen zwischen 635 und 680°C bei einem Druck zwischen 100 bis 600 mTorr sowie einem TEOS-Zufluß von 100 bis 250 sccm, einem Sauerstoffzufluß von 20 bis 100 sccm und einem Stickstoffzufluß von 0 bis 10 sccm geeignet. Der Stick stoffzufluß ist beispielsweise dazu geeignet, in einem Ofen mit 150 Wafern die Schichtdickenstreuung über die ver schiedenen Wafer zu reduzieren. Beispielsweise führen die an gegebenen Prozeßparameter zu einer Abscheiderate zwischen 1 bis 3 nm pro Minute.

Nachfolgend wird ein thermischer Oxidationsprozeß bei eine Temperatur zwischen 800°C und 900°C für eine Zeitdauer zwi schen 3 und 6 Minuten in sauerstoffhaltiger Atmosphäre durch geführt, wobei ein ca. 8 nm dickes, trockenes Siliziumoxid gebildet wird. Weiterhin wird ein Temperaturschritt bei 1000°C für eine Zeitdauer zwischen 10 und 15 Minuten in stickstoffhaltiger Atmosphäre durchgeführt. Dieser Prozeß schritt dient der Verdichtung des Isolationskragens 9, wo durch dieser eine höhere Ätzresistenz sowie bessere Isolati onseigenschaften mit niedrigeren Leckströmen erhält. Zusätz lich führt der Temperaturschritt zu einer Ausdiffusion von Dotierstoff aus der dotierten Schicht 5 in das Substrat 1, wobei eine vergrabene Platte 8 um den unteren Bereich des Grabens 2 herum gebildet wird.

Mit Bezug auf Fig. 3 wird ein anisotroper Ätzschritt durch geführt, um den Isolationskragenboden 12 aus dem Graben 2 zu entfernen. Zusätzlich wird dabei der Isolationskragen 9 von der zweiten Maskenschicht 4 entfernt. Hierbei ist die erhöhte Dicke der ersten Isolationskragendicke vorteilhaft, da eine Schädigung der ersten und zweiten Maskenschicht 3, 4 vermie den wird. Nach der Entfernung des Isolationskragenbodens 12 ist die Grabenfüllung 6 freigelegt, so daß diese mit einem nachfolgenden Ätzschritt aus dem Graben 2 entfernt werden kann. 1 Substrat
2 Graben
3 erste Maskenschicht
4 zweite Maskenschicht
5 dotierte Schicht
6 Grabenfüllung
7 Einsenktiefe
8 vergrabene Platte
9 Isolationskragen
10 erste Isolationskragendicke
11 zweite Isolationskragendicke
12 Isolationskragenboden
13 oberer Bereich
14 Seitenwand
15 Substratoberfläche
16 oberer Isolationskragenbereich
17 unterer Isolationskragenbereich

Claims

1. Grabenkondensator mit einem Isolationskragen umfassend:
ein Substrat (1) mit einer Substratoberfläche (15), in dem ein Graben (2) angeordnet ist, der einen der Substratober fläche (15) zugewandten oberen Bereich (13) mit einer Sei tenwand (14) aufweist;
ein Isolationskragen (9), der in dem oberen Bereich (13) des Grabens (2) an der Seitenwand (14) des Grabens (2) an geordnet ist und sich in dem Graben (2) erstreckt;
wobei der Isolationskragen (9) einen oberen Isolationskra genbereich (16) aufweist, welcher der Substratoberfläche (15) zugewandt ist und einen unteren Isolationskragenbe reich (17) aufweist, welcher der Substratoberfläche (15) abgewandt ist, und
wobei der obere Isolationskragenbereich (16) eine erste Isolationskragendicke (10) und der untere Isolationskragen bereich (17) eine zweite Isolationskragendicke (11) auf weist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Isolationskragendicke (10) größer ist als die zwei te Isolationskragendicke (11).

2. Grabenkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Isolationskragendicke (10) mindestens 1, 2 mal so groß ist, wie die zweite Isolationskragendicke (11).

3. Grabenkondensator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Isolationskragendicke (10) mindestens 1,6 mal so groß ist, wie die zweite Isolationskragendicke (11).

4. Grabenkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Isolationskragendicke (10) mindestens 2 mal so groß ist, wie die zweite Isolationskragendicke (11).

5. Grabenkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Isolationskragendicke (10) und der zwei ten Isolationskragendicke (11) eine stufenlose Reduzierung der Dicke des Isolationskragens (9) vorliegt.

6. Grabenkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Isolationskragendicke (10) und der zwei ten Isolationskragendicke (11) eine lineare Reduzierung der Dicke des Isolationskragens (9) vorliegt.

7. Verfahren zur Herstellung eines Grabenkondensators mit einem Isolationskragen mit den Schritten:

- Aufbringen einer Maskenschicht (4) auf eine Oberfläche (15) eines Substrats (1);
- Strukturieren der Maskenschicht (4);
- Ätzen eines Grabens (2) in das Substrat (1) mittels der strukturieren Maskenschicht (4);
- Füllen des Grabens (2) mit einer Grabenfüllung (6), die bis zu einer Einsenktiefe (7) in den Graben (2) rückgeätzt wird, wobei ein oberer Bereichs (13) des Graben (2) und ei ne Seitenwand (14) des oberen Bereichs (13) freigelegt wer den;
- Abscheiden eines Isolationskragens (9) in dem oberen Be reich (13) des Grabens (2), wobei der Isolationskragen (9) mit einem oberen Isolationskragenbereich (16), welcher der Substratoberfläche (15) zugewandt ist, und einem unteren Isolationskragenbereich (17), welcher der Substratoberflä che (15) abgewandt ist, gebildet wird;
- wobei der obere Isolationskragenbereich (16) mit einer er sten Isolationskragendicke (10) und der untere Bereich (17) mit einer zweiten Isolationskragendicke (11) gebildet wer den, und
- wobei die erste Isolationskragendicke (10) größer ausgebil det wird als die zweite Isolationskragendicke (11).

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolationskragen (9) mittels einer Niederdruck-Chemi schen-Dampfabscheidung mit Tetra-Ethyl-Ortho-Silikat als Aus gangsmaterial abgeschieden wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung in einer Prozeßkammer durchgeführt wird, die zur parallelen Abscheidung auf mehr als einem Wafer geeignet ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturprozeß bei einer Temperatur zwischen 900°C und 950°C für eine Zeitdauer zwischen 4 und 6 Minuten in sauer stoffhaltiger und chlorwasserstoffhaltiger Atmosphäre durch geführt wird, wobei ein thermisches Siliziumoxid gebildet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturschritt bei einer Temperatur zwischen 1000°C und 1100°C für eine Zeitdauer zwischen 20 und 30 Minuten in stickstoffhaltiger Atmosphäre durchgeführt wird, wobei der Isolationskragen verdichtet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederdruck-Chemische-Dampfabscheideprozeß bei einer Tem peratur zwischen 635°C und 680°C, einem Druck zwischen 100 und 600 mTorr, einem Tetra-Ethyl-Ortho-Silikat-Zufluß zwi schen 100 und 250 sccm, einem Sauerstoffzufluß zwischen 20 und 100 sccm oder einem Stickstoffzufluß zwischen 0 und 10 sccm durchgeführt wird.