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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung integrierter Schaltungselemente
und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines verbesserten
vergrabenen Streifens bzw. einer Brücke in Tiefgraben-DRAM-Elementen
bei der Herstellung integrierter Schaltungen.
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Bei
der Herstellung integrierter Schaltungselemente wird ein vergrabener
Streifen zur Herstellung dynamischer Direktzugriffsspeicher-(DRAM) Elemente
auf Basis eines tiefen Grabens bzw. eines Tiefgrabens (DT) verwendet.
Der vergrabene Streifen ist ein entscheidender Teil des Integrationsschrittes,
wobei ein Speicherknotenkondensator mit einem Arrayschalttransistor
verbunden wird, indem ein Diffusionsübergang gebildet wird. Daher
sind das Steuern der Diffusionslänge
und des Widerstandes des vergrabenen Streifens Schlüsselpunkte
für eine
intakte Verbindung zwischen den Arrayelementen und den Kondensatoren.
Die Diffusionslänge ändert sich mit
der Breite des vergrabenen Streifens, die von der Überlagerung
des aktiven Gebietes und des tiefen Grabens abhängt. Um die Diffusion in dem
vergrabenen Streifen und damit die Verbindung durch den Übergang
zwischen dem Transistor und dem Speicherknotenpunkt zu steuern,
muss die Breite des vergrabenen Streifens unabhängig von einer Fehljustierung
des aktiven Gebiets zu dem tiefen Graben eingestellt werden. Ein
vollständig
selbstjustierter Prozess in der Breitenrichtung des aktiven Gebiets
führt zu
einem Kurzschluss zwischen dem aktiven Gebiet und dem Tiefgrabenelement
entlang der Breitenrichtung des aktiven Gebiets.
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In
einer Reihe von Patenten sind die Aspekte bei der DRAM-Herstellung
angesprochen. US-Patent 6,211,006 von Tsai et al. zeigt einen Grabenkondensator.
Die US-Patente 6,124,206 von Flietner et al. und 6,291,286 von Hsiao
zeigen das Herstellen von Tiefgrabenkondensatoren. US-Patent 6,080,618
von Bergrier et al. offenbart die Herstellung eines vergrabenen
Streifens mit geringer Dickenabweichung. Die US-Patente 6,037,194
von Bronner et al. und 6,083,787 von Lee zeigen DRAM-Elemente mit
tiefen Gräben
und vergrabenen Streifen. Die US-Patente 6,236,079 von Nitayama
et al. und 6,294,112 von Chakravarti et al. zeigen Speicherzellen
mit Tiefgrabenkondensatoren. Das US-Patent 5,985,768 von Speranza et al.
beschreibt ein DRAM-Element. Die US-Patente 6,008,104 von Schrems,
6,200,873 von Schrems et al., 6,140,175 von Kleinhenz et al., 6,130,145
von Ilg et al., 5,981,332 von Mandelman et al., 6,180,975 von Radens
et al. und 6,204,112 und 5,909,044 beide von Chakravarti et al.
zeigen (Buried Strap-) BEST-DRAM-Prozesse.
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Die
US 6,040,213 offenbart ein
Verfahren zur Herstellung eines Grabenkondensatorelements mit einem
vergrabenen Streifen. Der vergrabene Steifen wird durch Tempern
eines in den Graben gefüllten Leiters,
eines dielektrischen Materials, welches den Leiter von der Innenwand
des Grabens trennt, und eines diffundierfähigen Materials, welches teilweise
in einem Bereich, in dem das dielektrische Material zum Teil entfernt
wurde, eingeführt
ist, gebildet.
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Die
US 6,066,527 offenbart ein
Verfahren zum Rückätzen eines
Füllmaterials
für einen
vergrabenen Streifen für
einen Tiefgrabenkondensator. Genauer werden zwei Füllmaterialen
verwendet, wobei das zweite Material auf dem ersten und durch eine Abdeckschicht
von diesem getrennt ausgebildet wird und zum Ausbilden des vergrabenen
Streifens zurückgeätzt wird.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein wirksames
und äußerst herstellungsbezogenes
Verfahren zur Bildung von BEST-DRAM-Elementen bei der Herstellung
integrierter Schaltungen bereitzustellen.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
zur Bildung eines verbesserten vergrabenen Streifens bei der DRAM-Elementherstellung
bereitzustellen.
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Eine
noch weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin,
ein Verfahren zur Bildung eines verbesserten vergrabenen Streifens
bei der DRAM-Elementherstellung bereitzustellen, wobei das aktive
Gebiet nur in der Längsrichtung
des aktiven Gebiets zu dem tiefen Graben selbstjustiert ist.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Herstellungsverfahren
für den vergraben
Streifen bereitzustellen, wobei das aktive Gebiet nur in der Längsrichtung
des aktiven Gebiets zu dem tiefen Graben selbstjustiert ist, wobei
ein Schema mit differenzierten Maskenöffnungen und ein Siliziumätzschema
mit geringer Selektivität
mit einem dickeren Siliziumnitridrahmen angewendet wird.
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Ein
noch weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin,
ein verbessertes Herstellungsverfahren für einen vergrabenen Streifen
bereitzustellen, wobei ein selektives hemisphärisches Körnungs-(HSG) und Plasmadotierverfahren
zusammen mit einer differentiellen Ätzung mit einem Siliziumnitridrahmen
angewendet wird.
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Eine
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Herstellungsverfahren
für einen
vergrabenen Streifen mit einer kritischen Dimension von 0,25 μm oder weniger
bei der Herstellung eines integrierten DRAM-Schaltungselements bereitzustellen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein verbessertes Herstellungsverfahren für eine Flachgrabenisolation
bei der Herstellung eines integrierten Tiefgraben-DRAM-Schaltungselements
zur Verfügung
gestellt mit den Schritten:
Bereitstellen einer Ätzstoppschicht
auf einem Substrat und Strukturieren der Ätzstoppschicht;
Ätzen zweier
nebeneinander liegender tiefer Gräben in das Substrat, wo dieses
nicht durch die Ätzstoppschicht
bedeckt ist;
Bilden eines Kondensators in dem tiefen Graben;
Bilder
eines vergrabenen Streifens, der den Kondensator und einen Auslesetransistor
verbinden soll, über
dem Kondensator;
Abscheiden einer Zwischenschicht auf der Ätzstoppschicht
und auf dem vergrabenen Streifen, wobei die Zwischenschicht aus
dem gleichen Material wie die Ätzstoppschicht
gebildet ist, dergestalt, dass Abstandselemente an den inneren Seitenwänden der Ätzstoppschicht
gebildet werden;
Abscheiden eine Hartmaskenschicht auf der
Zwischenschicht;
Ätzen
der Hartmaskenschicht, um in einem späteren Verfahrensschritt eine Öffnung zwischen
den beiden Gräben
bereitstellen zu können,
wobei die Zwischenschicht während
des Ätzens
als ein Ätzstopp
dient, so dass der Ätzprozess
auf der Höhe
der Zwischenschicht stoppt;
Wegätzen der Zwischenschicht und
der Ätzstoppschicht
dort, wo diese nicht von der Hartmaskenschicht bedeckt sind, um
einen selbstjustierten Ätzstopprahmen über dem
vergrabenen Streifen bereitzustellen;
anschließendes Ätzen des
Substrats und der tiefen Gräben,
dort, wo diese durch die Hartmaskenschicht und den Ätzstopprahmen
freigelegt sind, um die Öffnung
für einen
Isolationsgraben zu bilden;
Entfernen der Hartmaskenschicht;
und
Füllen
des Isolationsgrabens mit einer dielektrischen Schicht, um die Flachgrabenisolation
in dem Tiefgraben-DRAM-Element fertig zu stellen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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In
den begleitenden Zeichnungen, die einen wesentlichen Teil dieser
Beschreibung ausmachen, zeigen:
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1 eine
Querschnittsdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform des BEST-DRAM-Elements der
vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen BEST-DRAM-Elements;
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3 bis 6 und 9 bis 13 Querschnittsdarstellungen
einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
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7 eine
Querschnittsdarstellung des selbstjustierten flachen Grabens der
vorliegenden Erfindung;
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8 eine
Querschnittsansicht des Problems, das durch die vorliegende Erfindung
gelöst wird.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Erfindungsgemäß wird eine
dicke Siliziumnitridzwischenschicht nach der Bildung des vergrabenen
Streifens abgeschieden. Diese Zwischenschicht trägt dazu bei, ein Schablonenfenster
zu bilden, wobei das Ätzen
längs der
Breitenrichtung des aktiven Gebiets nicht behindert wird.
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Insbesondere
unter Bezugnahme zur 1 ist ein Halbleitersubstrat 10 gezeigt.
Ein Tiefgrabenkondensator 54 ist teilweise unter einer
Flachgrabenisolation 76 liegend gebildet worden. Ein vergrabener
Streifen 60 bildet einen Diffusionsübergang 86. Es sind
Gateelektroden 84 dargestellt. 2 zeigt eine
Draufsicht des erfindungsgemäßen BEST-DRAM-Elements.
Es sind die Längs-
und Breitenrichtung des aktiven Gebiets gezeigt. 1 stellt die
Ansicht entlang 1-1 aus 2 dar.
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Nun
wird mit Bezug zu den 3 bis 13 der
erfindungsgemäße Prozess
zur Herstellung des BEST-DRAM-Elements beschrieben. Insbesondere auf 3 Bezug
nehmend ist ein Teil eines Halbleitersubstrats 10 gezeigt.
Eine Anschlussflächensiliziumnitridschicht 14 ist über dem
Substrat gebildet. Die Siliziumnitridschicht besitzt eine Dicke
von ungefähr 30
bis 50 nm. Eine dicke Oxidmaske (nicht gezeigt) ist über der
Anschlussflächensiliziumnitridschicht
abgeschieden. Die dicke Oxidmaske wird als eine Hartmaske zum Ätzen tiefer
Gräben
in das Substrat verwendet. Es wird eine Maske für den tiefen Graben mittels
herkömmlicher
fotolithografischer Verfahren gebildet.
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Die
tiefen Gräben
werden mit einer Opferschicht gefüllt, die abgetragen wird, so
dass diese lediglich in dem unteren Teil der tiefen Gräben zurückbleibt.
Anschließend
wird eine dielektrische Randschicht 20 in konformer Weise
in den oberen Bereich der tiefen Gräben abgeschieden, und der untere
Teil des Randoxids wird mittels einer richtungsabhängigen Oxidätzung entfernt,
wobei beispielsweise eine reaktive Ionenätzung (RIE) angewendet wird.
Die Operschicht wird entfernt, wobei der Rand 20 an den Seitenwänden der
tiefen Gräben
zurückbleibt.
Es wird eine Dotierung einer vergrabenen Platte – nicht gezeigt – in das
Silizium um den Graben herum ausgeführt. Es wird eine dielektrische
Kondensatorschicht 52 in dem unteren Teil der tiefen Gräben aufgewachsen
oder abgeschieden.
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Anschließend wird
eine Siliziumschicht 54 in den tiefen Gräben abgeschieden
und entsprechend zu der Siliziumnitridschicht eingeebnet, wie dies
in 3 gezeigt ist. Die Siliziumschicht 54 kann
ein Polysilizium oder vorzugsweise amorphes Silizium sein. Die Siliziumschicht 54 kann
in-situ-dotiert sein oder implantiert werden, vorzugsweise unter
Anwendung eines Plasmadotierungsverfahrens. Die amorphe Siliziumschicht 54 in
den Gräben
wird abgetragen durch einen RIE-Vorgang oder eine chemische stromabwärtige Ätzung (CDE).
Die Abtragtiefe kann optimiert werden, um die optimale Dicke des
vergrabenen Streifens bereitzustellen. Die Vertiefung sollte bei
ungefähr
100 bis 150 nm von der Siliziumnitridoberseitenfläche liegen,
sollte aber nicht mehr als 200 nm betragen.
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Der
Rand 20 wird unter Anwendung eines Nassvorganges geätzt, um
eine Randeinkerbung zwischen ungefähr 30 und 50 nm unterhalb der
Tiefe der Vertiefung zu bilden. So dann wird eine vergrabene Streifenschicht 60 über der
Siliziumschicht 54 gebildet. Vorzugsweise wird eine selektive
HSG-Polysiliziumherstellung angewendet, um den vergrabenen Streifen 60 zu
bilden. Die dotierte Polysiliziumschicht wird in die Vertiefung
abgeschieden, um den vergrabenen Streifen zu bilden. Die Dicke des
vergrabenen Streifens sollte die Tiefe der Vertiefung 2 nicht übersteigen,
so dass ausreichend Platz bereitsteht, der in einem späteren STI-Oxidabscheideschritt
mit Oxid gefüllt
wird.
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Es
wird nun eine dicke Siliziumnitridzwischenschicht 88 über der
Anschlussflächensiliziumnitridschicht 14 und
den vergrabenen Streifen 60 abgeschieden. Vorzugsweise
besitzt die dicke Siliziumnitridschicht eine Dicke von ungefähr 30 bis
50 nm, abhängig
von der Art der Gateelektroden – planar oder
vertikal – die
zu bilden sind. Die dicke Siliziumnitridschicht kann anisotrop zurückgeätzt werden,
um Siliziumnitridabstandselemente 90 an den inneren Seitenwänden des
tiefen Grabens zurückzulassen, wie
dies in 3 gezeigt ist. Die Siliziumnitridschicht 14 und
die Abstandselemente 90 bilden ein Schablonenfenster oder
Rahmen.
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Es
wird ein Hartmaskenmaterial, etwa Borosilicatglas (BSG) oder Borophosphorsilicatglas (BPSG) 96 über der
dicken Siliziumnitridschicht oder den Abstandselementen 90 abgeschieden.
Dieses Material muss eine Selektivität zu Siliziumnitrid und Polysilizium
aufweisen und muss ferner in einem Nassätzvorgang eine Selektivität zu thermischem Oxid
aufweisen. Die Hartmaskendicke wird so gewählt, dass eine Planarität ohne Ausbildung
einer Einkerbung über
den tiefen Gräben
erzielt wird und eine ausreichende Maskierung während der Oxid- und der wesentlichen
Siliziumätzschritte
erreicht wird. Die Hartmaskendicke sollte im Bereich liegen von
ungefähr
150 bis 300 nm, abhängig
von dem Ätzschritt
nach dem Siliziumnitrid.
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Eine
antireflektierende Beschichtung 98, vorzugsweise organisch,
wird über
der Hartmaskenschicht aufgetragen und es wird eine Fotolackmaske 100 mit Öffnungen 102 im
Arraygebiet 104 und in dem Supportgebiet/der Peripherie
gebildet. Die Öffnungen
in der Maske dienen für
zu bildende Flachgräbenisolationsgebiete.
Die dicke Siliziumnitridschicht 90 verbessert ferner die
Marke für
die Justierung des tiefen Grabens zu dem aktiven Gebiet während der
Fotolithografie durch Doppelreflexion der mehreren darunter liegenden
Schichten.
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Gemäß 4 werden
die ARC-Schicht 98 und die BSG-Hartmaske 96 dort
geätzt,
wo diese nicht durch die Fotolackmaske bedeckt sind. Dies wird vorzugsweise
mittels einer Plasmaätzung
mit einer geeigneten Selektivität
des BSG mit Bezug zu dem Fotolack von mehr als 3:1 und mit Bezug
zu dem Siliziumnitrid mit mehr als 4:1 durchgeführt, wodurch ein Anhalten an
der Oberseite der Siliziumnitridschicht sowohl im Arraygebiet als
auch im Trägergebiet
erreicht wird. C4F8-
und C5F9-Gaschemie
zusammen mit CO, Ar und O2 Gasmischungen
sind für
diesen Oxidätzschritt
geeignet. Das Ätzen
wird an der Siliziumnitridzwischenschicht 90 anhalten.
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Die
Fotolackmaske und die ARC-Schicht werden in-situ entfernt oder in
einer separaten Strip-Anlage, wie dies in 4 gezeigt
ist. Es wird nun der Siliziumnitridätzschritt durchgeführt. Die
Siliziumnitridschichten 90, 88 und 14,
die in den Hartmaskenöffnungen
freigelegt sind, werden weggeätzt, wodurch
ein Ätzschablonenfenster
zurückbleibt,
das nicht so stark von der Fotolacköffnungsgröße beeinflusst ist. Dies ist
eine sogenannte selbstjustierte Ätzung.
Wichtig dabei ist, dass der Siliziumnitridätzprozess selektiv in Bezug
auf das Oxid ist, da das BSG-Oxid als eine Hartmaske für die späteren der
Siliziumnitridätzung
nachgeschalteten Schritte ist; d.h., dem Siliziumätzschritt.
Es ist wünschenswert,
diese Selektivität
des Siliziumnitrids zu dem Oxid bei mehr als 2,5:1 zu halten. Eine
Wasserstoff enthaltende Carbonfluorid-Chemie, etwa CHF3,
CH3F oder CH2F2 ist in einer Mischung mit anderen Gasen,
etwa CO, Ar und O2 geeignet. Die Ergebnisse
der Siliziumnitridätzung
sind in 5 gezeigt. Zu beachten ist,
dass, obwohl die Öffnung
in der BSG-Schicht aufgrund der Maskenfehljustierung nicht zentrisch
war, die in dem Siliziumnitridrahmen hergestellte Öffnung zwischen den
beiden tiefen Gräben
zentrisch ist.
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Wie
in 6 gezeigt ist, wird nun das Silizium dort geätzt, wo
dieses durch das Siliziumnitridschablonenfenster freigelegt ist.
In dem Supprtgebiet wird das Siliziumsubstrat bis zu einer Tiefe
von mehr als ungefähr
250 nm geätzt.
In dem Arraygebiet wird der Graben durch Teile des vergrabenen Streifens 60,
der tiefen Gräben 54 und
des Randes 20 sowie des Siliziumsubstrats 10 durchgeätzt. Diese Ätzung kann
im Vergleich zur vorhergehenden Ätzung
in einer separaten Kammer oder in der gleichen Kammer ausgeführt werden.
Die Gesamtselektivität
des Siliziums mit Bezug zu dem Oxid wird auf ungefähr 1,5:1 bis
2:1 eingestellt. Im Falle einer hohen Selektivität des Siliziums zu dem Oxid
(größer als
1,5:1) kann ein Teil des Randoxids 20 zurückbleiben
und in den Gra ben 102 hineinragen. Dieser Rest kann durch
eine selektive Oxidätzung
in-situ oder durch einen Nassprozess entfernt werden. Ein Mehrfachätz- und
Sputter-Prozess kann ebenso angewendet werden, um eine gesteuerte
Silizium-zu-Oxid-Ätzselektivität zu erreichen.
Es ist wichtig, die Ätzselektivität des Siliziums
zum Oxid voreinzustellen, dass diese 2:1 nicht überschreitet. Wenn die Selektivität 2:1 überschreitet,
wird ein vollständig
selbstjustiertes Merkmal ausgebildet, wodurch ein Kurzschluss entlang
der Breitenrichtung des aktiven Gebiets verursacht wird.
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Während dieses
gemeinsamen Ätzschrittes dient
die benachbart zu dem Siliziumnitridrahmen gebildete BSG-Abstufung 98 in
den tiefen Gräben
als eine Hartmaske während
der Siliziumätzung.
Daher ist es wichtig, die Absatzhöhe dick genug zu halten, so
dass diese während
des gesamten Siliziumätzvorganges
bewahrt bleibt, was durch Beginnen mit einer dicken BSG-Schicht
oder durch Erhöhung
der Ätzselektivität erreicht
werden kann.
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7 zeigt
den resultierenden Graben 102 mit einer Überlagerung
der Maske 100. Diese Figur zeigt, dass die Anwendung des
erfindungsgemäßen selbstjustierten
Schemas einen zentrisch liegenden Graben 102 zur Folge
hat, selbst wenn die Maske 100 fehljustiert ist.
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8 zeigt
den Graben 103, der aus einem herkömmlichen nichtselbstjustierten
Schema hervorgeht. Der Graben 103 wird dort in das Silizium
geätzt, wo
das Silizium nicht durch die Maske 100 abgedeckt ist. Da
die Maske 100 fehljustiert ist, ist der Graben 103 ebenso
fehljustiert.
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Es
ist wichtig, die Länge
des aktiven Array und den Abstand zwischen den aktiven Gebieten
in der Längsrichtung
so zu gestalten, dass eine ausreichende Abdeckung über dem
Siliziumnitridrahmen unter dem Fotolack stattfindet, so dass die
Maske für das
aktive Gebiet den vergrabenen Streifenbereich während des Ätzprozesses bedeckt.
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Gemäß 9 wird
die BSG-Hartmaske 96 mittels einer Nassätzung entfernt, die selektiv
zu Silizium und zum thermischen Oxid ist; d.h. dem Randoxid 20.
Der Siliziumnitridrahmen wird durch einen weiteren Nassprozess zurückgenommen,
um das Siliziumnitrid über
den tiefen Gräben
zu entfernen, wie in 9 gezeigt ist.
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Der
Prozessablauf schreitet dann wie im Stand der Technik weiter. Wie
in 10 dargestellt ist, werden die Gräben 102 und 104 mit
einer dielektrischen Schicht, etwa einem Oxid, gefüllt, um
Flachgrabenisolations- (STI) Gebiete 112 und 114 zu
bilden. Beispielsweise werden die STI-Gebiete mit einem Oxid unter
Anwendung einer chemischen Dampfabscheidung mit hochdichtem Plasma (HDP-CVD)
gefüllt.
Das Oxid wird eingeebnet mit beispielsweise chemisch-mechanischer
Polierung (CMP), um die STI-Gebiete fertig zu stellen, wie dies in 10 gezeigt
ist.
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Anschließend wird
die Siliziumnitridschicht 14 mittels beispielsweise eines
Nassätzverfahrens entfernt,
wie in 11 gezeigt ist. Es wird nun
eine Gateoxidschicht 80 auf der Substratoberfläche in dem
aktiven Gebiet aufgewachsen, wie in 12 gezeigt
ist. Gateelektroden 84 werden entsprechend dem konventionellen
Verfahren gebildet. Es wird ein Diffusionsübergangsbereich 86 durch
Ausdiffundierung aus dem vergrabenen Streifen 60 während thermischer
Vorsgänge
gebildet. Der Diffusionsübergangsbereich 86 liefert
eine Verbindung zwischen dem Tiefgrabenkondensator 54 und
dem Transistor. Somit ist das BEST-DRAM-Element fertiggestellt. Der
differentielle Prozess mit Siliziumnitridrahmen ist unempfindlich
für eine
Fehljustierung der Maske des aktiven Gebiets in Bezug auf das Tiefgrabengebiet.
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13 zeigt
ein fertiggestelltes BEST-DRAM-Element mit dem HSG vergrabenen Streifen 60 mit
darüber
liegender Siliziumnitriddeckschicht 64 zusammen mit dem
differentiellen Ätzvorgang
mit dem Siliziumnitridrahmen der vorliegenden Erfindung. Dieser
Prozess ist ebenso unempfindlich für eine Maskenfehljustierung.
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Der
erfindungsgemäße Prozess
liefert eine differentielle bzw. unterschiedliche Ätzung mit
einem Siliziumnitridrahmen, um Fehljustierungsprobleme zwischen
dem aktiven Gebiet und dem tiefen Graben zu vermeiden. Es wird ein
Flachgrabenisolationsgebiet in selbstjustierender Weise mit Bezug
zu dem aktiven Gebiet nur in der Längsrichtung gebildet.
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Obwohl
die Erfindung insbesondere im Hinblick auf die bevorzugten Ausführungsformen
gezeigt und beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich für den Fachmann,
dass diverse Änderungen
in Form und Details durchgeführt
werden können,
ohne vom Grundgedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.