DE10147120B4

DE10147120B4 - Grabenkondensator und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE10147120B4
Application number: DE10147120A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl.-Phys. Sell; Matthias Dr. Goldbach; Jörn Dr. Lützen; Thomas Dipl.-Phys. Hecht
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Qimonda AG
Priority date: 2001-09-25
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2021-09-26
Also published as: US6674113B2; DE10147120A1; US20030080367A1

Abstract

Grabenkondensator mit folgenden Merkmalen:
einer ersten Kondensatorelektrode (24);
einer zweiten Kondensatorelektrode (16, 30, 32); und
einem zwischen den Kondensatorelektroden angeordneten Dielektrikum (23, 28),
wobei die erste Kondensatorelektrode (24) eine rohrartige Struktur aufweist, die in ein Substrat (10) ragt, und
wobei die zweite Kondensatorelektrode einen ersten Abschnitt (30, 32) aufweist, der über das Dielektrikum (28) der Innenseite der rohrartigen Struktur gegenüberliegt, und einen zweiten Abschnitt (16) aufweist, der über das Dielektrikum (23) der Außenseite der rohrartigen Struktur gegenüberliegt,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich Bereiche des ersten Abschnitts (30) der zweiten Kondensatorelektrode und der Innenseite der rohrartigen Struktur, die sich gegenüberliegen, in eine Region erstrecken, in der ein Collaroxid (14) gebildet ist, das eine größere Dicke als das Dielektrikum (23) aufweist, über das der zweite Abschnitt (32) der zweiten Kondensatorelektrode der Außenseite der rohrartigen Struktur gegenüberliegt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen neuartigen Grabenkondensator und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Aus dem Stand der Technik ist eine Anzahl von Herstellungsverfahren für Grabenkondensatoren bekannt, bei denen in ein Substrat, üblicherweise ein p-Substrat ein tiefer Graben geätzt wird und entweder während oder nach der Ätzung ein Oxidcollar gebildet wird, der den später entstehenden vertikalen parasitären Feldeffekttransistor abschaltet. Die Bottom-Elektrode eines solchen Grabenkondensators wird üblicherweise durch die Eindiffusion von As in das Substrat erzeugt. Alternativ kann als Bottom-Elektrode eine vergrabene dotierte Schicht, bei Verwendung eines p-Substrats ein n⁺-Schicht, die als sogenannte Buried Plate bezeichnet wird, verwendet werden. In dem Graben werden das Speicherdielektrikum und auf das Speicherdielektrikum die Gegenelektrode bzw. Topelektrode abgeschieden. Bei der Topelektrode handelt es sich in der Regel um ein polykristallines Halbleitermaterial, das den nach dem Abscheiden des Speicherdielektrikums verbliebenen Graben ausfüllt. Anschließend wird die Topelektrode zurückgeätzt und über einen Anschlußbereich, der üblicherweise als Buried Strap bezeichnet wird, an den zugeordneten Auswahltransistor einer DRAM-Zelle angeschlossen. Bei einer solchen Verwendung des Grabenkondensators in einer DRAM-Zelle wird in der Top-Elektrode die Ladung gespeichert.

Aus der US 5985729 ist ein Grabenkondensator bekannt, bei dem eine erste Kondensatorelektrode, die durch Abschnitte einer leitfähigen Schicht gebildet ist, eine rohrartige Struktur aufweist, die in ein Substrat ragt. Eine zweite Kondensatorelektrode besitzt einen ersten Abschnitt, der über ein Dielektrikum der Innenseite der rohrartigen Struktur gegenüber liegt und einen zweiten Abschnitt, der über das Dielektrikum der Außenseite der rohrartigen Struktur gegenüberliegt.

Die US 6251722 zeigt einen Grabenkondensator mit einer ersten Kondensatorelektrode, die eine rohrartige Struktur aufweist, und einer zweiten Kondensatorelektrode, die einen ersten Abschnitt, der über ein Dielektrikum der Innenseite der rohrartigen Struktur gegenüberliegt, und einen zweiten Abschnitt, der über das Dielektrikum der Außenseite der rohrartigen Struktur gegenüberliegt, aufweist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Grabenkondensator mit erhöhter Kapazität und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Grabenkondensators zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen Grabenkondensator nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen eines Grabenkondensators nach Anspruch 9 gelöst.

Der erfindungsgemäße Grabenkondensator, der insbesondere zur Verwendung als Speicherkondensator beispielsweise einer DRAM- Zelle geeignet ist, umfaßt somit eine obere bzw. Top-Elektrode, die aus einem rohrförmigen Gebilde besteht, das sowohl innen als auch außen ein Speicherdielektrikum und eine Gegenelektrode besitzt. Somit kann im Vergleich zu herkömmlichen Grabenkondensatoren durch die Erhöhung der Kondensatorfläche die Kapazität näherungsweise verdoppelt werden. Darüber hinaus kann die Region, in der das Collaroxid gebildet ist, für den Kondensator genutzt werden.

Der erfindungsgemäße Grabenkondensator ist bis zu Strukturgrößen von 100 nm skalierbar und gewährleistet einen niedrigen Zuleitungswiderstand. Wie beschrieben, wird durch den speziellen Aufbau die Kondensatorfläche und damit die Kapazität im Vergleich zu herkömmlichen Strukturen in etwa verdoppelt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Grabenkondensators können bis zur Erzeugung der oberen Elektrode Standardprozesse verwendet werden, wie sie bei der Herstellung herkömmlicher Grabenkondensatoren verwendet werden. Dann wird aber anstelle einer dicken oberen Elektrode, die den ganzen Graben bzw. Trench ausfüllt, nur eine relativ dünne Schicht, in der Größenordnung von 20 nm, eines gut leitenden Materials, beispielsweise Metall, abgeschieden. Nachfolgend wird eine Spacer-Ätzung durchgeführt, die diese Schicht am unteren Ende des Grabenkondensators wieder öffnet. Nach der Abscheidung eines zweiten Speicherdielektrikums und einer dünnen Schutzschicht, die später als Elektrode wirkt, wird abermals eine Spacer-Ätzung durchgeführt, so daß die untere Elektrode (Bottom-Elektrode) wieder freiliegt. Eine Abscheidung eines polykristallinen Halbleitermaterials, vorzugsweise Polysilizium, schließt nun die innere Elektrode an das Substrat, d. h. die die Bottom-Elektrode bildenden dotierten Bereiche desselben, an. Nach einem Rückätzschritt (Recess Etch) der polykristallinen Füllung wird ein Isolator aufgebracht, um die inneren, der oberen Elektrode gegenüberliegenden Gegenelektrodenabschnitte von einem nachfolgend in den rückge ätzten Abschnitt des Grabens einzubringenden leitfähigen polykristallinen Halbleitermaterials zu isolieren. Dieses einzubringende polykristalline Halbleitermaterial dient als Anschlußbereich für die Top-Elektrode in der Form eines Buried Strap. Nachfolgend können standardmäßige Prozesse zur Fertigstellung der DRAM-Zelle benutzt werden.

Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1–3 schematische Querschnittansichten unterschiedlicher Phasen eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Grabenkondensators; und

4 eine schematische Querschnittansicht, die das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Grabenkondensators nach Herstellung desselben zeigt.

Im folgenden wird nun Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen ein spezielles bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines Grabenkondensators erläutert.

Zunächst wird in einem Halbleitersubstrat 10 eines ersten Dotierungstyps, bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel einem p-Siliziumsubstrat, ein Graben 12 erzeugt, der gemäß 1 bereits einer Anzahl von Schritten unterzogen wurde. Der Graben wird vorzugsweise durch Ätzen erzeugt, wobei gleichzeitig mit der Erzeugung des Grabens oder nach der Erzeugung desselben in bekannter Weise ein vergrabener Oxidcollar 14 gebildet wird. Dieser Oxidcollar dient dazu, den später entstehenden vertikalen parasitären Feldeffekttransistor abzuschalten. Optional kann hier eine Aufweitung des Grabens, was als Botteln bezeichnet wird, erfolgen, was in den Zeichnungen jedoch nicht dargestellt ist.
Im Anschluß wird die untere Elektrode (Bottom-Elektrode) 16 durch Eindiffusion eines geeigneten n-Dotierstoffes erzeugt. Vorzugsweise kann hierbei As als Diffusionsstoff verwendet werden. Statt des Durchführens einer Eindiffusion zum Erzeugen der n⁺-Bottom-Elektrode kann ein Substrat verwendet werden, das eine vergrabene n⁺-Schicht in der Form einer Buried Plate aufweist, wobei dann eine separate Eindiffusion der Bottom-Elektrode nicht notwendig ist. Optional kann eine metallische Schicht (nicht dargestellt) auf der Bottom-Elektrode 16 erzeugt werden.
An dieser Stelle sei angemerkt, daß in den Figuren aus Gründen der Darstellbarkeit eine Unterbrechung 18 vorgesehen ist, um anzuzeigen, daß der Graben eines Grabenkondensators in der Realität eine verglichen mit der dargestellten Tiefe erhöhte Tiefe aufweist.
Auf der Oberfläche des Substrats 10 befindet sich in üblicher Form eine Oxidschicht 20, vorzugsweise eine SiO₂-Schicht. Auf der Oxidschicht 20 ist eine Nitridschicht 22 vorgesehen.
Auf die somit vorliegende Struktur wird eine Abscheidung eines ersten Speicherdielektrikums 23 durchgeführt. Auf diesem Speicherdielektrikum 23 wird dann eine leitfähige Schicht 24, bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Metallschicht, abgeschieden. Die sich nach dieser Abscheidung ergebende Struktur ist in 1 dargestellt. Die Metallschicht 24, die bei dem fertiggestellten Grabenkondensator als Top-Elektrode dient, kann beispielsweise eine Dicke von 20 nm besitzen. Als Dielektrikum 23 wird vorzugsweise eine Nitrid-Oxid-Schichtfolge (NO) oder eine Oxid-Nitrid-Oxid-Schichtfolge (ONO) abgeschieden.
Ausgehend von der Struktur, wie sie in 1 gezeigt ist, wird nun ein anisotropes Ätzen der Metallschicht 24 und des Dielektrikums 23 durchgeführt. Dadurch wird die Metallschicht 24 auf der Oberseite des Substrats und der Unterseite des Grabens, d. h. den horizontalen Flächen, entfernt, während ein solches Ätzen des Dielektrikums 23 durchgeführt wird, daß dasselbe ebenfalls an der Unterseite des Grabens entfernt ist. Am Boden des Grabens wird dann eine selektive Oxidation von Silizium zu Metall-Elektrode durchgeführt, um am Boden des Grabens 12 eine Bodenoxidschicht 26 zu erzeugen. Diese Bodenoxidschicht 26 reicht unter die Metallschicht 24, so daß dieselbe von dem dotierten Bereich 16 elektrisch isoliert ist. Die sich ergebende Struktur ist in 2 dargestellt.
Ausgehend von dieser Struktur wird nun ein zweites Dielektrikum 28, vorzugsweise wiederum eine NO- oder ONO-Schichtfolge, abgeschieden. Alternativ kommen andere Dielektrika, insbesondere auch Metalloxide wie z. B. Al₂O₃, HfO oder Ta₂O₅ in Frage Auf diesem zweiten Dielektrikum 28 wird dann eine weitere leitfähige Schicht 30 abgeschieden. Diese weitere leitfähige Schicht 30 kann eine dünne Polysiliziumschicht oder eine Metallschicht sein, wobei die Dicke derselben in einer Größenordnung von 10 nm liegen kann. Nach dem Abscheiden dieser beiden Schichten liegt der in 3 gezeigte Aufbau vor.
Die beiden letzten aufgebrachten Schichten, d. h. das zweite Dielektrikum 28 und die leitfähige Schicht 30, werden dann zusammen mit der Bodenoxidschicht 26 anisotrop geätzt, so daß am unteren Ende, d.h. am Boden des Grabens, das Substrat, d. h. der n⁺-Bereich 16 desselben freiliegt. Nach diesem Ätzen wird eine Polysiliziumschicht abgeschieden, die den restlichen Graben auffüllt. Optional kann hier eine SiN-Interface-Bildung durchgeführt werden. Diese Polysilizium-Grabenbildung ist über die vorher im Boden erzeugte Öffnung mit dem n⁺-Bereich leitfähig verbunden.
Im Anschluß erfolgt eine Rückätzung der Polysiliziumfüllung, so daß diese die in 4 gezeigte Form 32 aufweist. Dabei wird die Polysiliziumschicht beispielsweise bis zu einer Tiefe von ca. 500 nm unter die Siliziumoberfläche rückgeätzt. Im Anschluß wird die zweite Metallelektrode selektiv zu dem zweiten Dielektrikum 28 bis zu der gleichen Tiefe wie die Polysiliziumfüllung 32 rückgeätzt. Auf der rückgeätzten Polysiliziumfüllung 32 und der rückgeätzten leitfähigen Schicht 30 wird nun eine obere Oxidschicht 34 erzeugt. Diese Schicht kann entweder durch Aufoxidation oder durch HDP-Oxid-Abscheidung (HDP = High Density Plasma) gebildet werden. Diese obere Oxidschicht, das Dielektrikum 28, die Metallschicht 24 und das Dielektrikum 23 werden dann rückgeätzt, beispielsweise bis ca. 300 nm unter die Oberfläche des Substrats 10.
Im Anschluß kann ein Ätzen des Oxid-Collars im oberen Bereich beispielsweise durch einen HF-Dip erfolgen. Danach wird ein Buried Strap 36 in dem in dem Substrat 10 verbliebenen Abschnitt des Grabens wie bei dem herkömmlichen Standardprozeß zum Erzeugen von Grabenkondensatoren erzeugt. Ferner kann die in der Oxidschicht 20 und der Nitridschicht 22 verbleibende Grabenstrukturierung durch eine Oxidfüllung 38 gefüllt werden.
Die sich somit ergebende Struktur ist in 4 dargestellt, wobei ab diesem Verfahrensstadium herkömmliche Prozesse beispielsweise zur Ausbildung eines planaren oder eines vertikalen Auswahltransistors verwendet werden können, um eine DRAM-Speicherzelle herzustellen. Lediglich zur Ergänzung sei angemerkt, daß der Buried Strap 36 dabei mit dem Drain jeweiligen Auswahltransistors verbunden wird.
Der in 4 gezeigten Querschnittdarstellung des erfindungsgemäßen Grabenkondensators ist deutlich zu entnehmen, daß derselbe gegenüber bekannten Kondensatoren eine stark erhöhte Kondensatorfläche und damit höhere Kapazität aufweist. Dies ist darin begründet, daß die obere Elektrode, die durch die Metallschicht 24 gebildet ist, eine rohrförmige Gestalt aufweist, wobei der Buried Strap 36 sozusagen einen Deckel des Rohres bildet und zum Anschluß dieser Elektrode dient. Ferner umfaßt die Gegenelektrode, d. h. die Bottom-Elektrode, äußere Abschnitte, die durch die n⁺-dotierten Bereiche 16 gebildet sind, und einen inneren Abschnitt, der durch die Polysiliziumfüllung 32 und die Metallschicht 30 gebildet ist. Dieser innere Abschnitt liegt über das zweite Dielektrikum 28 der Innenseite der Elektrode 24 gegenüber. Der äußere Abschnitt 16 liegt über das erste Dielektrikum 23 der Außenseite der Elektrode 24 gegenüber.
Die oben beschriebenen Schritte zur Herstellung des erfindungsgemäßen Grabentransistors können unter Verwendung herkömmlicher Technologien zur Erzeugung integrierter bzw. hoch integrierter Schaltungen durchgeführt werden, wobei auf die einzelnen durchzuführenden lithographischen Verfahren und dergleichen hierin nicht im einzelnen eingegangen werden muß.
Der erfindungsgemäße Grabenkondensator ist nicht auf die beschriebene Struktur beschränkt, sondern vielmehr kann die obere Elektrode beispielsweise eine Mehrzahl rohrartiger Strukturen aufweisen, innerhalb und außerhalb derer jeweils Gegenelektroden angeordnet sind, so daß eine über eine Verdopplung der Kondensatorfläche hinausgehende Erhöhung derselben erreicht werden kann.

Claims

Grabenkondensator mit folgenden Merkmalen: einer ersten Kondensatorelektrode (24); einer zweiten Kondensatorelektrode (16, 30, 32); und einem zwischen den Kondensatorelektroden angeordneten Dielektrikum (23, 28), wobei die erste Kondensatorelektrode (24) eine rohrartige Struktur aufweist, die in ein Substrat (10) ragt, und wobei die zweite Kondensatorelektrode einen ersten Abschnitt (30, 32) aufweist, der über das Dielektrikum (28) der Innenseite der rohrartigen Struktur gegenüberliegt, und einen zweiten Abschnitt (16) aufweist, der über das Dielektrikum (23) der Außenseite der rohrartigen Struktur gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, daß sich Bereiche des ersten Abschnitts (30) der zweiten Kondensatorelektrode und der Innenseite der rohrartigen Struktur, die sich gegenüberliegen, in eine Region erstrecken, in der ein Collaroxid (14) gebildet ist, das eine größere Dicke als das Dielektrikum (23) aufweist, über das der zweite Abschnitt (32) der zweiten Kondensatorelektrode der Außenseite der rohrartigen Struktur gegenüberliegt.
Grabenkondensator nach Anspruch 1, der in einem Substrat (10) eines ersten Dotierungstyps gebildet ist.
Grabenkondensator nach Anspruch 2, bei dem der zweite Abschnitt (16) der zweiten Kondensatorelektrode dotierte Bereiche eines zweiten Dotierungstyps aufweist.
Grabenkondensator nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der erste Abschnitt der zweiten Kondensatorelektrode einen dotierten Bereich (32) eines zweiten Dotierungstyps aufweist.
Grabenelektrode nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der erste Abschnitt der zweiten Kondensatorelektrode eine Metallschicht (30) aufweist.
Grabenkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der zweiten Elektrode gegenüberliegende Bereiche der ersten Elektrode durch eine Metallschicht (24) gebildet sind.
Grabenkondensator nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem die erste Elektrode einen Anschlußbereich (36) aus einem dotierten Material eines zweiten Dotierungstyps aufweist.
Grabenelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Dielektrikum (23, 28) eine Nitrid-Oxid-Schichtfolge oder eine Oxid-Nitrid-Oxid-Schichtfolge oder Metalloxid aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Grabenkondensators mit folgenden Schritten: Erzeugen eines Grabens (12) in einem Substrat (10) eines ersten Dotierungstyps, wobei bereichsweise ein Abschnitt (16) eines zweiten Dotierungstyps an den Graben angrenzt; nachfolgendes Erzeugen einer ersten Dielektrikumschicht (23) zumindest auf Seitenwänden des Grabens; nachfolgendes Erzeugen einer leitfähigen Schicht (24) auf der ersten Dielektrikumschicht (23) gegenüberliegend dem Abschnitt (16) eines zweiten Dotierungstyps; nachfolgendes Erzeugen einer zweiten Dielektrikumschicht (28) auf der leitfähigen Schicht (24); und nachfolgendes Erzeugen leitfähiger Bereiche (30, 32) auf der zweiten Dielektrikumschicht (28), die über die zweite Dielektrikumschicht (28) der leitfähigen Schicht (24) gegenüberliegen und die mit dem Abschnitt (16) eines zweiten Dotierungstyps elektrisch leitfähig verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Schritt der Erzeugens leitfähiger Bereiche (30, 32) auf der zweiten Dielektrikumschicht (28) den Schritt des Aufbringens einer Metallschicht (30) auf die zweite Dielektrikumschicht (28) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem der Schritt des Erzeugens leitfähiger Bereiche (30, 32) auf der zweiten Dielektrikumschicht (28) den Schritt des Erzeugens einer polykristallinen Halbleiterschicht (32) in in dem Graben verbliebenen Leerräumen aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die auf der ersten Dielektrikumschicht (23) erzeugte leitfähige Schicht (24) eine Metallschicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, das ferner einen Schritt des Erzeugens eines Anschlußbereichs (36) aus einem polykristallinen Halbleitermaterial des zweiten Dotierungstyps, der mit der auf der ersten Dielektrikumschicht (23) erzeugten leitfähigen Schicht (24) elektrisch leitfähig verbunden ist, in einem oberen freigebliebenen Bereich des Grabens aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, das ferner einen Schritt des Strukturierens der ersten Dielektrikumschicht (23) und der auf dieselbe aufgebrachten leitfähigen Schicht (24), um den Boden des Grabens freizulegen, und einen Schritt des Erzeugens einer isolierenden Schicht (26) auf dem freigelegten Boden aufweist, derart, daß die isolierende Schicht (26) unter die erste Dielektrikumschicht (23) und die auf dieselbe aufgebrachte leitfähige Schicht (24) reicht, vor dem Schritt des Aufbringens der zweiten Dielektrikumschicht (28).
Verfahren nach Anspruch 14, das ferner einen Schritt des Strukturierens der zweiten Dielektrikumschicht (28), um die isolierende Schicht (26) freizulegen, und einen Schritt des Strukturierens der isolierenden Schicht (26) im freigelegten Bereich, um einen Bereich des Abschnitts (16) des zweiten Dotierungstyps, der an den Graben angrenzt, freizulegen, über den der auf der zweiten Dielektrikumschicht (28) zu erzeugende leitfähige Bereich (30, 32) mit dem Abschnitt (16) des zweiten Dotierungstyps verbunden wird, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, das ferner einen Schritt des Erzeugens einer isolierenden Schicht auf dem auf der zweiten Dielektrikumschicht (28) erzeugten leitfähigen Bereich (30, 32), so daß dieser Bereich von einem in dem oberen Bereich des Grabens zu erzeugenden Anschlußbereich (36) für die auf der ersten Dielektrikumschicht (23) gebildete leitfähige Schicht (24) isoliert ist.