DE10126579A1 - Verfahren zur Herstellung eines Gatestapels in ultrahochintegrierten Halbleiterspeichern - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Gatestapels in ultrahochintegrierten Halbleiterspeichern

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Abstract

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Gatestapels insbesondere in ultrahochintegrierten Halbleiterspeichern verwendet die Kombination eines Damascenerprozesses mit einem CMP-Prozess zur Erzeugung eines Gatestapels, der aus einem Polysiliziumabschnitt (12), einem Silizidabschnitt (16) und einem darüberliegenden Deckschichtabschnitt (17) besteht. Dieser Gatestapel (1) lässt sich mit herkömmlichen Materialien herstellen und hat einen sehr geringen Schichtwiderstand < 1 Ohm/Flächeneinheit und kann selbstausrichtende Kontaktabschnitte tragen.

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung ei­ nes Gatestapels, insbesondere in ultrahochintegrierten Halb­ leiterspeichern, das mit herkömmlichen Materialien die Bil­ dung eines Gatestapels mit selbstausrichtendem Silizid- und Kontaktabschnitt und einen sehr kleinen Schichtwiderstand des Gatestapels ermöglicht.
Bei der Integration ultrahochdicht gepackter Halbleiter­ schaltungen werden Gatestapel benötigt, die einen sehr ge­ ringen Schichtwiderstand (kleiner als 5 bis 10 Ohm/Flächeneinheit) haben, um Zeitverzögerungen durch unver­ meidliche RC-Strecken zu reduzieren. Gleichzeitig benötigt man bei der DRAM-Technologie zur Herstellung kompakter Bit­ zellen die Ausbildung von selbstausrichtenden Kontaktab­ schnitten.
Bislang hat man diese Probleme durch die Verwendung von Ga­ testapeln aus Wolframsilizid zu lösen versucht. Leider haben derartige Gatestapel einen hohen Schichtwiderstand (zum Bei­ spiel etwa 25 Ohm/Flächeneinheit). Versucht man den Schicht­ widerstand durch die Verdickung der Silizidlage zu verrin­ gern, erhöht sich dadurch die Komplexität der Prozesse, weil jeder Stapelätzprozess länger dauert und der Kontaktätzpro­ zess tiefer reichen muss. Die Anwendung von Siliziden gerin­ geren Widerstandes (CoSi2 oder TiSi2) geht mit dem Problem einher, dass sich ein Stapel aus Polysilizium und Co- oder Ti-Silizid nicht ätzen lässt und dass er bei nachfolgenden Stapelprozessen eine geringe thermische Stabilität besitzt. Andersartige Gatestapelmaterialien wie z. B. WN/W sind wegen ihrer unzureichenden Stabilität bei oxidierenden Prozessbe­ dingungen begrenzt.
Es ist demgemäß Aufgabe dieser Erfindung, die obigen Proble­ me des Standes der Technik zu lösen und ein Verfahren zur Herstellung eines Gatestapels insbesondere in ultrahochinte­ grierten Halbleiterspeichern so anzugeben, dass der Gatesta­ pel einen geringen Widerstand hat, mit herkömmlichen Mate­ rialien herstellbar und kompatibel ist zu einem selbstaus­ richtenden Kontaktabschnitt.
Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.
Dadurch, dass das erfindungsgemäße Verfahren in einem we­ sentlichen Aspekt einen Damascenerprozess (entweder Nitrid, wie dargestellt, oder Oxid) zur Bildung einer dicken selbst­ ausrichtenden Silizidgatelage (entweder aus TiSi2 oder CoSi2) verwendet auf der dann eine Deckschicht entweder aus Oxid oder aus Nitrid abgeschieden werden kann, ermöglicht die Er­ findung die Ausbildung selbstausrichtender Kontakte. Der Ga­ testapel erreicht dabei einen Schichtwiderstand < 1 Ohm/Flä­ cheneinheit und kann mit üblichen Materialien hergestellt werden. Dieses Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft bei der Herstellung höchstintegrierter Halbleiterspeicher oder bei eingebetteten Speichern verwenden.
Nachstehend werden anhand der Zeichnungen Prozessschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens sowie alternative Varian­ ten davon beschrieben.
Die Fig. 1 bis 7 zeigen jeweils schematische Querschnitts­ darstellungen durch einen Halbleiterwafer zur Veranschaulichung sequentieller Verfahrensschrit­ te zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Gate­ stapels.
In Fig. 1 wird über einer Gateoxidschicht 11, die auf einem Substrat 10 liegt, entweder eine n+-Polysiliziumschicht 12 oder eine undotierte Polysiliziumschicht 12 aufgebracht. Über der Polysiliziumschicht 12 wird eine dicke Nitrid­ schicht 13 abgeschieden. Dabei ist PECVD-Nitrid aus folgen­ den Gründen zu empfehlen: hohe Abscheidungsgeschwindigkeit, ausgezeichnete Selektivität Oxid zu Nitrid, Justierbarkeit von Spannungen und leichte Abätzbarkeit durch Nassätzung.
Über der Nitridschicht 13 wird eine Fotoresistschicht 9 auf­ gebracht und mit einem Muster für die Ausbildung einer Öffnung 14 nach Belichtung und Entwicklung in der Nitrid­ schicht 13 versehen. Anschließend wird durch einen Ätz­ schritt die Nitridschicht 13 unter Verwendung der gemuster­ ten Fotoresistschicht 9 geätzt und die Fotoresistschicht 9 anschließend entfernt.
Fig. 2 zeigt, dass die durch diesen vorangehenden Ätzschritt gebildete Öffnung 14 und die Oberfläche der verbleibenden Nitridschicht 13 mit einer Titan- oder Kobaltschicht 15 be­ deckt wird. Diese Titan- oder Kobaltschicht 15 bedeckt die Seitenwand und den Boden der Öffnung 14.
Wahlweise können zusätzliche Oxidspacer verwendet werden, um noch kleinere Öffnungen 14 zu erzielen. Weiterhin kann wahl­ weise das undotierte Polysilizium 12 mit n+ und p+ Implanta­ ten dotiert werden, um einen Gatestapel mit Doppelfunktion herzustellen.
Anschließend wird gemäß Fig. 3 der Wafer bevorzugt in einem Ofen getempert. Dabei bildet sich am Boden der Öffnung 14 ein Silizidabschnitt 16, der je nachdem, ob Ti oder Co für die Schicht 15 verwendet wurde, ein TiSi2 oder ein CoSi2-Ab­ schnitt ist.
Das bei der Temperung nicht reagierende Ti oder Co der Schicht 15 wird anschließend selektiv geätzt, wobei der TiSi2 oder CoSi2-Abschnitt 16 am Boden der Öffnung 14 verbleibt.
Gemäß Fig. 4 wird dann eine dicke Deckschicht 17 entweder als Oxidschicht oder als Nitridschicht abgeschieden, die die Öffnung 14 oberhalb des Silizidabschnitts 16 ausfüllt.
Anschließend wird die Deckschicht 17 mit Ausnahme des über dem Silizidabschnitt 16 verbleibenden Abschnitts der Deck­ schicht 17 bis zur Nitridschicht 13 durch einen CMP-Prozess entfernt und anschließend die Nitridschicht 13 nassgeätzt, wobei der in der Öffnung 14 liegende Stapel aus dem Silizid­ abschnitt 16 mit dem darüberliegenden Oxid- oder Nitridab­ schnitt 17 übrigbleiben (Fig. 5). Nun wird die Polysilizium­ schicht 12 bis zur Gateoxidschicht 11 geätzt. Vor der Ätzung kann wahlweise eine Spacerwand 19 aufgebracht werden, um den Silizidabschnitt 16 vor einer Veränderung oder Beschädigung bei nachfolgenden Prozessschritten (DT, HF, . . .) zu schüt­ zen. Dieser Spacermantel 19 ist in Fig. 5 gestrichelt einge­ zeichnet.
Bei der Ätzung der Polysiliziumschicht 12 dient der Stapel aus dem Silizidabschnitt 16 und dem darüberliegendem Ab­ schnitt der Deckschicht 17 aus Oxid oder Nitrid als Hartmas­ ke, so dass der in Fig. 6 gezeigte Gatestapel aus dem Poly­ siliziumabschnitt 12, dem darüberliegenden Silizidabschnitt 16 und dem Abschnitt 17 der Deckschicht verbleibt.
Schließlich werden gemäß Fig. 7 eine Spacerwand 18 um die Peripherie des Gatestapels 1 angebracht und die sonstigen weiteren Prozessschritte ausgeführt, wobei der Spacermantel 18 einen Schutz vor Beschädigung des Gatestapels 1 bietet.
Die obige Beschreibung macht deutlich, dass mit dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren, das einen Damascenerprozess mit ei­ nem CMP-Prozess kombiniert, ein mit einer Deckschicht verse­ hener Polysilizium-Silizidgatestapel herstellbar ist, der selbstausrichtende Kontaktabschnitte tragen kann. Dieser Ga­ testapel hat einen sehr kleinen Widerstand, dessen Schicht­ widerstand < 1 Ohm/Flächeneinheit ist und kann mit herkömm­ lichen Materialien verwirklicht werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders vorteilhaft zur Herstellung ul­ trahochintegrierter Speicherbausteine oder zur Herstellung eingebetteter Speicherstrukturen verwendet werden.
Zusammengenommen gibt die Erfindung ein Verfahren an zur Herstellung eines Gatestapels, insbesondere in ultrahochin­ tegrierten Halbleiterspeichern, wobei der Gatestapel über einem mit einer Gateoxidschicht und einer darüberliegenden Polysiliziumschicht bedeckten Substratabschnitt aufgebracht wird. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch folgende Schritte
  • 1. A: über der Polysiliziumschicht wird eine dicke Nitrid­ schicht aufgebracht;
  • 2. B: in die Nitridschicht wird im betreffenden Substratab­ schnitt selektiv eine Öffnung bis zur Polysiliziumschicht geätzt; und
  • 3. C: die Nitridschicht wird einschließlich der Seitenwand und des Bodens der Öffnung mit einer Ti- oder Co-Schicht be­ deckt;
  • 4. D: durch einen Temperungsprozess wird das Ti oder Co am Bo­ den der Öffnung in einen Silizidabschnitt umgewandelt;
  • 5. E: nicht silizidiertes Ti oder Co wird entfernt;
  • 6. F: über dem gesamten Substratabschnitt wird eine dicke Deck­ schicht gebildet, die die Nitridschicht bedeckt und die Öffnung oberhalb des Silizidabschnitts ausfüllt;
  • 7. G: die Deckschicht wird bis zur Nitridschicht entfernt, wo­ bei die Deckschicht in der Öffnung erhalten bleibt;
  • 8. H: die Nitridschicht wird selektiv bis zur Polysilizium­ schicht geätzt, wobei der Gatestapel aus TiSi2 oder CoSi2 und der in der Öffnung darüberliegende Abschnitt der Deckschicht erhalten bleiben;
  • 9. I: die Polysiliziumschicht wird selektiv bis zum Gateoxid heruntergeätzt, wobei der Gatestapel als Hartmaske fun­ giert; und
  • 10. K: um die Peripherie des Gatestapels wird eine Spacerwand aufgebracht.
Bezugszeichenliste
1
Gatestapel
9
Fotoresistschicht
10
Substratabschnitt
11
Gateoxid
12
Polysiliziumschicht
13
Nitridschicht
14
Öffnung
16
Silizidabschnitt
17
Deckschicht
18
,
19
Spacermantel

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung eines Gatestapels (1), insbe­ sondere in ultrahochintegrierten Halbleiterspeichern, wobei der Gatestapel (1) über einem mit einer Gateoxidschicht (11) und einer darüberliegenden Polysiliziumschicht (12) bedeck­ ten Substratabschnitt aufgebracht wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte
  • 1. A: über der Polysiliziumschicht (12) wird eine dicke Nitrid­ schicht (13) aufgebracht;
  • 2. B: in die Nitridschicht (13) wird im betreffenden Substra­ tabschnitt (10) selektiv eine Öffnung (14) bis zur Poly­ siliziumschicht (12) geätzt; und
  • 3. C: die Nitridschicht (13) wird einschließlich der Seitenwand und des Bodens der Öffnung (14) mit einer Ti- oder Co- Schicht (15) bedeckt;
  • 4. D: durch einen Temperungsprozess wird das Ti oder Co am Bo­ den der Öffnung (14) in einen Silizidabschnitt (16) umge­ wandelt;
  • 5. E: nicht silizidiertes Ti oder Co wird entfernt;
  • 6. F: über dem gesamten Substratabschnitt (10) wird eine dicke Deckschicht (17) gebildet, die die Nitridschicht (13) be­ deckt und die Öffnung (14) oberhalb des Silizidabschnitts ausfüllt;
  • 7. G: die Deckschicht (17) wird bis zur Nitridschicht (13) ent­ fernt, wobei die Deckschicht in der Öffnung (14) erhalten bleibt;
  • 8. H: die Nitridschicht (13) wird selektiv bis zur Polysilizi­ umschicht (12) geätzt, wobei der Gatestapel (1) aus TiSi2 oder CoSi2 und der in der Öffnung (14) darüberliegende Abschnitt der Deckschicht (17) erhalten bleiben;
  • 9. I: die Polysiliziumschicht (12) wird selektiv bis zum Gateo­ xid (11) heruntergeätzt, wobei der Gatestapel (1) als Hartmaske fungiert; und
  • 10. K: um die Peripherie des Gatestapels (1) wird eine Spacer­ wand (18) aufgebracht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt F gebildete Deckschicht (17) eine Oxid­ schicht ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt F gebildete Deckschicht (17) eine Ni­ tridschicht ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt G die Deckschicht (17) durch einen CMP- Prozess entfernt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der selektive Ätzschritt in dem Schritt H ein Nassätz­ prozess ist.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt K aufgebrachte Spacerwand (18) einen Ni­ tridspacerwand ist.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperungsschritt D in einem Ofen ausgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Schritt H und dem Schritt I ein Schritt H' vorgesehen ist, der eine Spacerwand (19) zum Schutz des Si­ lizids (16) vor nachfolgenden Prozessen des Gatestapels (1) bildet.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die das Silizid (16) schützende Spacerwand (19) vor dem Schritt I entfernt wird.
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