DE10136400A1 - Grabenkondensator einer Halbleiter-Speicherzelle mit einer ein Metallkarbid enthaltenden oberen Kondensatorelektrode - Google Patents

Grabenkondensator einer Halbleiter-Speicherzelle mit einer ein Metallkarbid enthaltenden oberen Kondensatorelektrode

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Abstract

Es wird mindestens eine Teilschicht der oberen Kondensatorelektrode (20) durch ein Metallkarbid, vorzugsweise durch ein Übergangsmetallkarbid, gebildet. In einer Ausführungsart wird die Metallkarbidschicht dadurch gebildet, daß eine alternierende Folge von metallhaltigen (13, 15) und kohlenstoffhaltigen Schichten (14, 16) aufeinander abgeschieden und anschließend einer Temperaturbehandlung derart unterzogen werden, daß sie sich untereinander vermischen. Die Strukturierung der Schichtenfolge (13-16) kann vor der Karbidbildung durchgeführt werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Grabenkondensator zur Verwendung in einer Halbleiter-Speicherzelle und ein Verfahren zu seiner Herstellung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
  • In Speicherzellenanordnungen mit dynamischem wahlfreien Zugriff werden fast ausschließlich sogenannte Eintransistor- Speicherzellen eingesetzt. Eine Eintransistor-Speicherzelle umfaßt einen Auslesetransistor und einen Speicherkondensator. In dem Speicherkondensator ist die Information in Form einer elektrischen Ladung gespeichert, die eine logische Größe, 0 oder 1, darstellt. Durch Ansteuerung des Auslesetransistors über eine Wortleitung kann diese Information über eine Bitleitung ausgelesen werden. Zur sicheren Speicherung der Ladung und gleichzeitigen Unterscheidbarkeit der ausgelesenen Information muß der Speicherkondensator eine Mindestkapazität aufweisen. Die untere Grenze für die Kapazität des Speicherkondensators wird derzeit bei 25 fF gesehen.
  • Da von Speichergeneration zu Speichergeneration die Speicherdichte zunimmt, muß die benötigte Fläche der Eintransistor- Speicherzelle von Generation zu Generation reduziert werden. Gleichzeitig muß die Mindestkapazität des Speicherkondensators erhalten bleiben.
  • Bis zur 1-Mbit-Generation wurden sowohl der Auslesetransistor als auch der Speicherkondensator als planare Bauelemente realisiert. Ab der 4-Mbit-Speichergeneration wurde eine weitere Flächenreduzierung der Speicherzelle durch eine dreidimensionale Anordnung von Auslesetransistor und Speicherkondensator erzielt. Eine Möglichkeit besteht darin, den Kondensator in einem Graben zu realisieren (siehe z. B. K. Yamada et al., Proc. Intern. Electronic Devices and Materials IEDM 85, S. 702 ff). Als Elektroden des Speicherkondensators wirken in diesem Fall ein an die Wand des Grabens angrenzendes Diffusionsgebiet sowie eine dotierte Polysiliziumfüllung, die sich im Graben befindet. Die Elektroden des Speicherkondensators sind somit entlang der Oberfläche des Grabens angeordnet. Dadurch wird die effektive Fläche des Speicherkondensators von der die Kapazität abhängt, gegenüber dem Platzbedarf für den Speicherkondensator an der Oberfläche des Substrats, der dem Querschnitt des Grabens entspricht, vergrößert. Wenngleich der Vergrößerung der Tiefe des Grabens aus technologischen Gründen Grenzen gesetzt sind, läßt sich die Packungsdichte durch Reduktion des Querschnitts des Grabens weiter erhöhen.
  • Eine Schwierigkeit des abnehmenden Grabenquerschnitts liegt jedoch in dem zunehmenden elektrischen Widerstand der Grabenfüllung und der damit einhergehenden Zunahme der Auslesezeit des DRAM-Speicherzelle. Um bei weiterer Reduzierung des Grabenquerschnitts eine hohe Auslesegeschwindigkeit zu gewährleisten, müssen daher Materialien mit niedrigerem spezifischem Widerstand als Elektroden des Grabenkondensators gewählt werden. Bei den gegenwärtigen Grabenkondensatoren besteht die Grabenfüllung aus dotiertem polykristallinem Silizium, so daß bei weiterer Miniaturisierung ein hoher Serienwiderstand der Grabenfüllung resultiert.
  • Es hat bereits verschiedene Vorschläge gegeben, in den Graben auf das Speicherdielektrikum ein Metall oder eine Schichtenfolge abzuscheiden, die eine metallhaltige Schicht enthält. Ein generelles Problem stellt hierbei das hohe Aspektverhältnis des Kondensatorgrabens dar, in den eine Schichtfolge nach Möglichkeit in der Weise abgeschieden werden muß, daß sie mit dem darunter Speicherdielektrikum einen guten und dauerhaften mechanischen und elektrischen Kontakt bildet und innerhalb der Kondensatorelektrode keine Leerräume ("voids") entstehen. Ein weiteres Problem liegt darin, daß viele Metalle keine besonders hohe thermische Widerstandsfähigkeit aufweisen.
  • In der EP 0 981 158 A2 wird die Herstellung einer DRAM-Speicherzelle beschrieben, die einen Grabenkondensator und einen mit diesem über eine Drahtbrücke ("buried strap") verbundenen Auswahltransistor enthält. Der Grabenkondensator weist eine an eine Wand des Grabens angrenzende untere Kondensatorelektrode, ein Kondensatordielektrikum und eine obere Kondensatorelektrode auf. Der Grabenkondensator wird hergestellt, indem zunächst die obere Kondensatorelektrode im unteren Grabenbereich gebildet wird, worauf ein Isolationskragen im oberen Grabenbereich abgeschieden und anschließend die obere Kondensatorelektrode fertiggestellt wird. Bezüglich der die obere Kondensatorelektrode bildenden Grabenfüllung wird explizit erwähnt, daß diese sowohl im unteren Bereich des Grabens als auch im oberen Bereich des Isolationskragens durch ein Metall gebildet sein kann. In jedem Fall wird jedoch die Grabenfüllung im Bereich des Isolationskragens in einem Arbeitsgang und somit aus demselben Material wie die Drahtbrücke geformt. Wenn also in den Isolationskragen ein Metall abgeformt wird, so wird notwendigerweise auch die Drahtbrücke aus Metall geformt. Es besteht dabei jedoch die Möglichkeit, daß der Auswahltransistor durch die Kontaktierung mit einem hochleitfähigen Material am Drain-Gebiet negativ beeinflusst wird. Über die Art des zu verwendenden Metalls werden zudem keine Angaben gemacht.
  • Aus der US-A-5,905,279 ist eine Speicherzelle mit einem in einem Graben angeordneten Speicherkondensator und einem Auswahltransistor bekannt, bei dem der Speicherkondensator eine an eine Wand des Grabens angrenzende untere Kondensatorelektrode, ein Kondensatordielektrikum und eine obere Kondensatorelektrode aufweist und die obere Kondensatorelektrode einen Schichtstapel aus Polysilizium, einer metallhaltigen, elektrisch leitfähigen Schicht, insbesondere aus WSi, TiSi, W, Ti oder TiN, sowie Polysilizium umfaßt. Der Grabenkondensator wird hergestellt, indem zunächst die obere Kondensatorelektrode im unteren Grabenbereich gebildet wird. Sodann wird ein Isolationskragen im oberen Grabenbereich abgeschieden und anschließend wird die obere Kondensatorelektrode fertiggestellt. Alternativ wird das Verfahren auf einem SOI-Substrat, welches keinen Isolationskragen aufweist, durchgeführt, wobei die obere Kondensatorelektrode, die aus einer unteren Polysiliziumschicht und einer Wolframsilizidfüllung besteht, in einem einstufigen Abscheideverfahren hergestellt wird, bei dem die einzelnen Schichten in dem Graben vollständig abgeschieden werden. Zwar sind die hierin angegebenen Metalle wie beispielsweise Wolfram, Titan oder deren Silizide sehr temperaturbeständig. Die mit diesem Verfahren theoretisch erreichbare Verringerung des Serienwiderstands der oberen Kondensatorelektrode kann jedoch nicht als befriedigend angesehen werden.
  • Die WO 01/29280 offenbart ein Verfahren zur Abscheidung von dünnen Metallkarbidschichten durch alternierende Abscheidung einer Übergangsmetallschicht und einer Kohlenstoffschicht mit Schichtdicken auf atomarer Ebene (ALD, atomic layer deposition) auf einem Substrat. Durch Umordnungsprozesse auf dem beheizten Substrat entsteht dabei in-situ eine Metallkarbidschicht.
  • In der US-A-5,680,292 wird ebenfalls unter anderem ein Verfahren zur Bildung von Wolfram- oder Molybdänkarbidschichten beschrieben, bei welchem zunächst eine entsprechende Metalloxidschicht abgeschieden wird und diese Schicht dann bei erhöhter Temperatur in einer sauerstoffreduzierenden Umgebung einer Kohlenstoffbehandlung ausgesetzt wird.
  • Es ist eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Grabenkondensator und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, wodurch es möglich wird, den Grabenkondensator mit einem verringerten Serienwiderstand und einer hohen Temperaturfestigkeit auszubilden. Es ist eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Metallkarbidschicht anzugeben, durch welches die Formgebung oder Strukturierung der Metallkarbidschicht vereinfacht werden kann.
  • Die erstgenannte Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die zweitgenannte Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 6 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die die obere Kondensatorelektrode bildende Grabenfüllung des Grabenkondensators mindestens zum Teil aus einem Metallkarbid herzustellen.
  • Insbesondere die Karbide der Übergangsmetalle aus den Nebengruppen IV, V und VI des Periodensystems, also insbesondere die Metalle Mo, W, Ta, Ti, Zr, Hf, V, Nb weisen eine Reihe von Vorteilen auf, durch sie sich für die obere Kondensatorelektrode des Grabenkondensators einer Halbleiter-Speicherzelle anbieten. Sie zeichnen sich neben ihrer mechanischen Härte und chemischen Widerstandsfähigkeit auch durch hohe thermische Stabilität (Schmelzpunkt > 2500°C) und hohe elektrische Leitfähigkeit (spez. Widerstand < 70 µΩ.cm) aus. Vor allem die beiden letzteren Eigenschaften sind generell für die Anwendung als Elektrodenmaterialien in der Halbleiterfertigungstechnik von großem Interesse.
  • Die Grabenfüllung kann zur Gänze oder lediglich teilweise durch das Metallkarbid gebildet sein. Vor und/oder nach der Bildung des Metallkarbidabschnitts der Grabenfüllung können somit zusätzlich andere leitfähige Materialien wie polykristallines Silizium oder auch andere metallhaltige Materialien in den Graben abgeschieden werden.
  • Das Metallkarbid kann direkt durch ein CVD-Verfahren, im Falle von Wolframkarbid beispielsweise durch Verwendung einer WF6/C3H8/H2-Mischung (im Verhältnis 1 : 15 : 16) bei einer Temperatur von 1170 K im CVD-Reaktor in den Graben abgeschieden werden. Ein Problem bei der Herstellung von Elektroden aus homogenem Metallkarbidmaterial stellt jedoch deren Strukturierung dar. Die chemische Widerstandsfähigkeit dieser Substanzen bedingt einen hohen Anteil der physikalischen Komponenten bei den in Frage kommenden Trockenätzverfahren. Dadurch liegt jedoch der Ätzabtrag der Karbidschichten in derselben Größenordnung wie der Ätzabtrag der bei der Ätzung verwendeten Maske. Des weiteren kann es zu verstärkten Redepositionen auf der Maske, dem Substrat oder an der Anlage kommen.
  • Daher bezieht sich ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung generell auf ein Verfahren zur Herstellung einer Metallkarbidschicht, bei welchem in einem ersten Verfahrensschritt der Herstellung eine alternierende Folge aus mindestens einer metallhaltigen Schicht und mindestens einer kohlenstoffhaltigen Schicht auf einem Substrat abgeschieden und in einem späteren zweiten Verfahrensschritt ein Temperaturbehandlungsschritt in der Weise durchgeführt wird, daß die Schichtenfolge durchmischt und in eine im wesentlichen homogene Metallkarbidschicht umgewandelt wird. Das Substrat kann dabei das Dielektrikum eines Kondensators wie eines Grabenkondensators sein.
  • Die Abscheidung der metall- und der kohlenstoffhaltigen Schichten kann durch konventionelle CVD-Prozesse erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich insbesondere auf den Fall, daß die metall- und kohlenstoffhaltigen Schichten jeweils aus einem Elementmetall wie Wolfram (W) bzw. aus Kohlenstoff (C) gebildet sind.
  • Dieses Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt ermöglicht eine relativ einfache Strukturierung der Metallkarbidschicht in der Weise, indem die Strukturierung durch Ätzen oder dergleichen vor der Bildung der Metallkarbidschicht, also vor dem Temperaturbehandlungsschritt durchgeführt wird. Somit können nämlich Ätzverfahren zur Anwendung kommen, durch die die metallhaltige Schicht und die kohlenstoffhaltige Schicht für sich genommen geätzt werden können. Da diese Schichten im allgemeinen leichter zu ätzen sind als die fertiggestellte Metallkarbidschicht, ist dieses Verfahren in der Praxis einfacher durchzuführen. Es muß lediglich darauf geachtet werden, daß die Ätzraten der metallhaltigen und der kohlenstoffhaltigen Schicht im wesentlichen gleich sein sollten. Insbesondere sollte das Verhältnis der Ätzabtragsraten der metallhaltigen Schicht zu der kohlenstoffhaltigen Schicht in Bereich zwischen 0,7 und 1,3 liegen. Geeignete Ätzmedien sind beispielsweise NF3 oder SF6 oder Mischungen davon.
  • Der Temperaturbehandlungsschritt kann in einer nichtoxidierenden Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden, wobei sich als Schutzgase besonders Argon oder Mischungen aus Argon und Wasserstoff eignen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn dem Schutzgas ein Kohlenwasserstoff, insbesondere ein einfacher Kohlenwasserstoff wie beispielsweise Propan, hinzugefügt wird, um die Ausdiffusion von Kohlenstoff aus den Schichten unter Bildung flüchtiger Kohlenwasserstoffe in der H2 -Atmosphäre zu verhindern. Hierfür ist ein Kohlenwasserstoff-Anteil von 1% ausreichend.
  • Die Temperaturbehandlung erfolgt vorzugsweise bei Temperaturen in einem Bereich zwischen 600° und 1200°C. Die Behandlungszeiten liegen bei RTP-Anlagen zwischen 30 und 120 Sekunden und bei konventionellen Ofenprozessen zwischen 15 Minuten und 2 Stunden.
  • Es kann ferner vorgesehen sein, daß eine Metallkarbidschicht mit einem gewünschten stöchiometrischen Verhältnis zwischen dem Metall und dem Kohlenstoff gebildet werden soll, beispielsweise in der Form WC, W2C, W3C oder WC1-X. In diesem Fall werden die metallhaltigen Schichten und die kohlenstoffhaltigen Schichten in einem derartigen Dicken- bzw. Mengenverhältnis zueinander abgeschieden, so daß sich nach der Durchmischung die gewünschte stöchiometrische Zusammensetzung der zu bildenden Metallkarbidschicht ergibt.
  • Das Verfahren zur Herstellung einer Metallkarbidschicht gemäß dem zweiten Aspekt stellt nicht zuletzt aufgrund der einfacheren Strukturierbarkeit eine bevorzugte Ausführungsart bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Grabenkondensators dar. Bei einem solchen Verfahren muß nämlich in der Regel mindestens ein Strukturierungs- bzw. Ätzschritt durchgeführt werden, mit dem die Grabenfüllung der oberen Kondensatorelektrode nach ihrer Abscheidung zum Teil, d. h. bis unterhalb der Oberfläche des Halbleitersubstrats wieder zurückgeätzt wird. Hier ist es bei den hohen Aspektverhältnissen von Vorteil, wenn der Ätzschritt auf keine größeren Probleme stößt und im wesentlichen auf konventionelle Weise und unter Verwendung eines konventionellen Ätzmediums durchgeführt werden kann.
  • Im folgenden werden drei Ausführungsvarianten der Herstellung eines Grabenkondensators für eine Halbleiter-Speicherzelle anhand der Zeichnungen näher erläutert. Bei diesen Varianten wird jeweils mindestens ein Teil der oberen Kondensatorelektrode durch eine Metallkarbidschicht gebildet. Es zeigen im einzelnen:
  • Fig. 1-8 die einzelnen Verfahrensschritte bei der Herstellung eines Grabenkondensators, wobei vor der Abscheidung des Dielektrikums und der Füllung des Grabens ein Isolationskragen geformt wird;
  • Fig. 9-14 die einzelnen Verfahrensschritte bei der Herstellung eines Grabenkondensators, wobei die Bildung des Isolationskragens nach der Bildung des Dielektrikums und der Füllung des Grabens erfolgt;
  • Fig. 15-19 die einzelnen Verfahrensschritte bei der Herstellung eines Grabenkondensators, wobei als ein Teil der oberen Kondensatorelektrode eine polykristalline Siliziumschicht auf dem Dielektrikum abgeschieden wird.
  • Zunächst wird anhand der Fig. 1 bis 8 eine erste Ausführungsart nach einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Grabenkondensators dargestellt.
  • Gemäß Fig. 1 werden auf einer Hauptfläche eines Siliziumsubstrats 1 eine 5 nm dicke SiO2-Schicht 3 und eine 200 nm dicke Si3N4-Schicht 4 aufgebracht. Darauf wird eine 1000 nm dicke BSG-Schicht (nicht dargestellt) als Hartmaskenmaterial aufgebracht. Unter Verwendung einer photolithographisch erzeugten Maske (nicht dargestellt) werden die BSG-Schicht, die Si3N4-Schicht 4 und die SiO2-Schicht 3 in einem Plasma-Ätzprozeß mit CF4/CHF3 strukturiert, so daß eine Hartmaske gebildet wird. Nach Entfernung der photolithographisch erzeugten Maske werden unter Verwendung der Hartmaske als Ätzmaske in einem weiteren Plasma-Ätzprozeß mit HBr/NF3 Gräben 5 in die Hauptfläche geätzt. Nachfolgend wird durch eine nasse Ätzung mit H2SO4/HF die BSG-Schicht entfernt.
  • Die Gräben 5 weisen beispielsweise eine Tiefe von 5 µm, eine Weite von 100 nm × 250 nm und einen gegenseitigen Abstand von 100 nm auf.
  • Anschließend wird in an sich bekannter Weise in einem oberen Abschnitt des Grabens 5 ein Isolationskragen oder Collar 9 gebildet, wie es beispielsweise in der DE 199 44 012 A1 (Fig. 2B, C) beschrieben ist. Der Grund hierfür ist wie folgt. Im Bereich des Isolationskragens 9 bildet sich zwischen der noch zu erzeugenden elektrisch leitenden Grabenfüllung und dem Substrat 1 und den im Substrat 1 ausgebildeten dotierten Regionen ein parasitärer Transistor aus, dessen Gateoxid ohne Vorhandensein des Isolationskragens 9 lediglich durch das Dielektrikum 12 gebildet werden würde. Der die Gateoxidschicht bildende Isolationskragen 9 wird in einer Dicke geformt, durch die der parasitäre Transistor effektiv abgeschaltet wird.
  • Nachfolgend wird in bekannter Weise durch Dotierung ein leitfähiges Gebiet 10 gebildet, welches als untere Kondensatorelektrode dient. Alternativ hierzu kann auch eine leitfähige Schicht in den Graben 5 abgeschieden werden. Dann wird der Graben 5 in bekannter Weise mit dem Dielektrikum 12 (Oxid- oder Nitridschicht oder Schichtenfolge davon) ausgekleidet.
  • Gemäß Fig. 2 wird dann mittels eines CVD-Verfahrens eine erste dünne Metallschicht 13 abgeschieden, deren Dicke zwischen 2 und 100 nm betragen kann. Im vorliegenden Fall, d. h. für einen Graben 5 mit den oben angegebenen Dimensionen sind Schichtdicken zwischen 5 und 20 nm besonders vorteilhaft. Falls das abzuscheidende Metall Wolfram (W) ist, kann die Abscheidung z. B. in einer Einzelscheibenanlage ("Centura", Fa. Applied Materials) bei Temperaturen zwischen 400°C bis 500°C und Drücken zwischen 20 und 60 Torr erfolgen. Die Wolframbildung erfolgt durch Reduktion von WF6 mit H2, wobei als Trägergas Argon verwendet wird.
  • Gemäß Fig. 3 wird anschließend eine erste dünne Kohlenstoffschicht 14 mittels eines CVD-Verfahrens auf der Metallschicht 13 abgeschieden. Auch hier kann die Dicke zwischen 2 und 100 nm liegen, wobei Schichtdicken zwischen 5 und 20 nm bevorzugt sind. Die Kohlenstoffschicht 14 kann mit plasmaunterstützter CVD in entsprechenden CVD-Reaktoren erzeugt werden, wobei diverse Kohlenwasserstoffe wie Methan, Ethan oder Propan als Prekursoren eingesetzt werden können.
  • Gemäß der Fig. 4 und 5 werden dann zunächst eine zweite Metallschicht 15 und dann eine zweite Kohlenstoffschicht 16 abgeschieden. Bei der Abscheidung der Kohlenstoffschicht 16 kommt es zur Auffüllung des Grabens 5, wobei es im unteren Grabenabschnitt unterhalb des Collarbereichs zur Bildung von Leerräumen ("voids") (nicht dargestellt) kommen kann.
  • Gemäß Fig. 6 wird die aus den Schichten 13 bis 16 bestehende Schichtenfolge durch einen Trockenätzschritt derart strukturiert, daß ihre Oberfläche gegenüber der Hauptoberfläche des Siliziumsubstrats 1 zurückversetzt ist. Die Ätzung des Schichtstapels kann mit fluor- und/oder sauerstoffhaltigen, aber kohlenstofffreien Gasen erfolgen. Geeignete Ätzmedien sind im Falle von Wolfram als Metall z. B. NF3 und/oder SF6, durch die Wolfram und Kohlenstoff mit im wesentlichen gleichen Ätzabtragsraten geätzt werden können.
  • Nachdem die Strukturierung der Grabenfüllung nunmehr durch ein konventionelles Ätzverfahren durchgeführt worden ist, kann anschließend gemäß Fig. 7 die Karbidbildung erfolgen. Zur Karbidbildung wird der Wafer in einer nichtoxidierenden Atmosphäre getempert. Die Temperung erfolgt bei Temperaturen zwischen 600°C und 1200°C, die Zeitdauer der Behandlung liegt im Falle eines RTP-Prozesses zwischen 30 und 120 Sekunden, im Falle eines konventionellen Ofenprozesses zwischen 15 Minuten und 2 Stunden. Als inerte Schutzgase sind besonders Argon oder Mischungen von Argon und Wasserstoff geeignet. Zusätzlich kann ein einfacher Kohlenwasserstoff wie Propan in einer Menge von 1% hinzugefügt werden, um die Verarmung der Schichten an Kohlenstoff infolge der Bildung flüchtiger Kohlenwasserstoffe in der H2-Atmosphäre zu verhindern. Aus der Schichtenfolge wird somit eine obere Kondensatorelektrode 20 gebildet, die bei der hier dargestellten Ausführungsart gänzlich aus Metallkarbid besteht.
  • In der Fig. 8 ist schließlich noch dargestellt, wie der Isolationskragen 9 und das Dielektrikum 12 im oberen Grabenbereich selektiv zu dem Metallkarbid zurückgeätzt werden. Die anschließende Fertigstellung einer Speicherzelle durch Ausbildung eines Auswahltransistors in dem Siliziumsubstrat 1 und dessen elektrische Kontaktierung mit der oberen Kondensatorelektrode 20 ist an sich im Stand der Technik bekannt, weshalb an dieser Stelle beispielhaft auf die US-A-5,905,279 verwiesen wird.
  • Im folgenden wird anhand der Fig. 9 bis 14 eine zweite Ausführungsart nach einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Grabenkondensators beschrieben.
  • Die Prozeßführung erfolgt dabei zunächst wie in Fig. 1 und der zugehörigen Beschreibung erläutert. Wie ebenfalls zu Fig. 1 oben erläutert wurde, werden in dem Siliziumsubstrat 1 Gräben 5 geformt. Anschließend wird die untere Kondensatorelektrode 10 gebildet und darauffolgend die Schicht 4 entfernt und das Dielektrikum 12 abgeschieden. Das Ergebnis dieser Prozeßschritte ist in Fig. 9 dargestellt.
  • Dann werden gemäß Fig. 10 alternierend Metall- und Kohlenstoffschichten 13 bis 16 wie bei der ersten Ausführungsart abgeschieden, bis der Graben 5 gefüllt ist.
  • Gemäß Fig. 11 wird dann ein Trockenätzschritt ausgeführt, um die Oberfläche der Schichtenfolge gegenüber der Oberfläche des Substrats 1 zurückversetzen.
  • Anschließend wird gemäß Fig. 12 die Karbidbildung auf die bereits beschriebene Weise durch einen Temperaturbehandlungsschritt durchgeführt, so daß zunächst ein unterer Abschnitt 20.1 einer oberen Kondensatorelektrode 20 gebildet wird. Dieser untere Abschnitt 20.1 besteht bei dieser Ausführungsart zur Gänze aus Metallkarbid.
  • Gemäß Fig. 13 wird dann eine Schutzschicht 17, beispielsweise aus Poly-Silizium aus Si3N4 auf dem unteren Abschnitt 20.1 der oberen Kondensatorelektrode 20 abgeschieden, um das Metallkarbid vor einer Oxidation während der nachfolgenden Bildung des Isolationskragens 9 zu schützen.
  • Gemäß Fig. 14 wird dann der Isolationskragen 9 gebildet und die Schutzschicht 17 mit Ausnahme des Bereichs zwischen Isolationskragen 9 und der unteren Grabenfüllung der oberen Kondensatorelektrode 20 entfernt. Bei der anschließenden Fertigstellung des Bauelements wird der Bereich innerhalb des Isolationskragens 9 zur Bildung eines oberen Abschnitts der oberen Kondensatorelektrode 20 mit weiterem leitfähigem Material gefüllt, wobei gewünschtenfalls erneut das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines weiteren Metallkarbidabschnitts der oberen Kondensatorelektrode 20 angewendet werden kann. Es kann jedoch ebenso der Abschnitt innerhalb des Isolationskragens 9 mit einem anderen metallhaltigen Material oder mit polykristallinem Silizium gefüllt werden.
  • Anschließend wird der Isolationskragen 9 selektiv gegenüber der oberen Grabenfüllung zurückgeätzt, wie es bereits im Zusammenhang mit Fig. 8 erläutert. Die anschließende Fertigstellung einer Speicherzelle durch Ausbildung eines Auswahltransistors in dem Siliziumsubstrat 1 und dessen elektrische Kontaktierung mit der oberen Kondensatorelektrode 20 ist an sich im Stand der Technik bekannt, wobei erneut auf die US-A- 5,905,279 verwiesen wird.
  • Alternativ zu der vorbeschriebenen Ausführungsart kann auch auf der noch unbehandelten, zurückgeätzten Schichtenfolge zunächst die Schutzschicht 17 aufgebracht werden, anschließend der Isolationskragen 9 gebildet werden, die Schutzschicht 17 partiell entfernt und danach erst die Karbidbildung durch den Temperaturbehandlungsschritt durchgeführt werden. Bei dieser Reihenfolge könnte auch vor der Karbidbildung noch der Abschnitt innerhalb des Isolationskragens 9 in der bereits beschriebenen Weise mit einer weiteren Metall-/Kohlenstoff- Schichtenfolge befüllt und danach erst die Temperaturbehandlung durchgeführt werden.
  • Bei beiden beschriebenen Ausführungsarten wird auf das Speicherdielektrikum 12 direkt die Metall-/Kohlenstoff-Schichtenfolge 13 bis 16 abgeschieden. Es ist jedoch ebenso möglich, auf das Speicherdielektrikum 12 zuerst eine Schicht polykristallinen Siliziums, beispielsweise mit einer Schichtdicke zwischen 2 und 50 nm, abzuscheiden und auf dieser dann erst die Schichtenfolge aufzubringen. Beim Strukturieren bzw. Rückätzen kann dann beispielsweise in einem ersten Ätzschritt zunächst die Metall-/Kohlenstoff-Schichtenfolge zurückgeätzt und erst anschließend in einem zweiten Ätzschritt die polykristalline Siliziumschicht zurückgeätzt werden.
  • Es ist auch nicht zwingend erforderlich, mit der Schichtenfolge den Graben 5 aufzufüllen. Vielmehr kann der Graben 5 mit der Schichtenfolge partiell gefüllt und mit anderen Materialien wie polykristallinem Silizium oder anderem metallhaltigen Material aufgefüllt werden.

Claims (15)

1. Grabenkondensator zur Verwendung in einer Halbleiter-Speicherzelle, mit
einem in einem Substrat (1) ausgebildeten Graben (5);
einer unteren Kondensatorelektrode (10), welche im unteren Grabenbereich an einer Wand des Grabens (5) angrenzt,
einem Speicherdielektrikum (12), welches in dem Graben (5) an die untere Kondensatorelektrode (10) angrenzt, und
einer als Grabenfüllung ausgebildeten und an das Speicherdielektrikum (12) angrenzenden oberen Kondensatorelektrode (20),
dadurch gekennzeichnet, dass
die obere Kondensatorelektrode (20) mindestens teilweise durch ein Metallkarbid gebildet ist.
2. Grabenkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Metallkarbid mindestens ein Übergangsmetall aus den Nebengruppen IV, V oder VI des Periodensystems enthalten ist.
3. Grabenkondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallkarbid Wolframkarbid ist.
4. Grabenkondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Kondensatorelektrode (20) eine an das Speicherdielektrikum (12) angrenzende Schicht aus gegebenenfalls dotiertem polykristallinem Silizium aufweist.
5. Halbleiter-Speicherzelle mit
einem Substrat (1), in welches ein Grabenkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, und
ein mit diesem elektrisch verbundener Auswahltransistor geformt sind.
6. Verfahren zur Herstellung einer Metallkarbidschicht, bei welchem
eine alternierende Folge aus mindestens einer metallhaltigen Schicht (13, 15) und mindestens einer kohlenstoffhaltigen Schicht (14, 16) auf ein Substrat (12) abgeschieden werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
nach Abscheidung der Schichtenfolge (13-16) ein Temperaturbehandlungsschritt derart durchgeführt wird, daß die Schichtenfolge (13-16) durchmischt und in eine im wesentlichen homogene Metallkarbidschicht (20) umgewandelt wird.
7. Verfahren zur Herstellung eines Grabenkondensators zur Verwendung in einer Halbleiter-Speicherzelle, mit den Schritten:
Ausbilden eines Grabens (5) in einem Substrat (1),
Bereitstellen einer unteren Kondensatorelektrode (10), welche im unteren Grabenbereich an einer Wand des Grabens (5) angrenzt,
Bereitstellen eines in dem Graben (5) an die untere Kondensatorelektrode (10) angrenzenden Speicherdielektrikums (12),
Bereitstellen einer als Grabenfüllung ausgebildeten und an das Speicherdielektrikum (12) angrenzenden oberen Kondensatorelektrode (20),
dadurch gekennzeichnet, dass
die obere Kondensatorelektrode mindestens teilweise durch ein Metallkarbid gebildet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Kondensatorelektrode (20) eine Metallkarbidschicht enthält, welche durch ein Verfahren nach Anspruch 6 hergestellt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Schichten (13-16) der alternierenden Folge solange abgeschieden werden, bis der Graben (5) ausgefüllt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine polykristalline, gegebenenfalls dotierte Siliziumschicht als ein Teil der oberen Kondensatorelektrode auf dem Speicherdielektrikum (12) abgeschieden wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtenfolge (13-16) vor der Umwandlung in die Metallkarbidschicht strukturiert, insbesondere durch Ätzen in eine gewünschte Form gebracht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ätzmedium gewählt wird, bei welchem das Verhältnis der Ätzabtragsraten von Metall zu Kohlenstoff im wesentlichen gleich ist, insbesondere im Bereich zwischen 0,7 und 1, 3 liegt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzmedium NF3 oder SF6 oder eine Mischung davon ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturbehandlungsschritt in einer nichtoxidierenden Schutzgasatmosphäre unter Zusatz eines Kohlenwasserstoffs wie Propan durchgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltigen Schichten (13, 15) und die kohlenstoffhaltigen Schichten (14, 16) in einem Mengenverhältnis zueinander abgeschieden werden, wie es der stöchiometrischen Zusammensetzung der zu bildenden Metallkarbidschicht entspricht.
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