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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Grabenkondensator mit Isolationskragen.
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Ein
Grabenkondensator, bei dem herstellungsbedingt eine Variation der
Stöchiometrie
einer unteren metallischen Kondensatorelektrode auftritt, ist aus
der
DE 101 09 218
A1 bzw.
DE
199 47 053 C1 bekannt.
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Gemäß der
DE 101 09 218 A1 wird
die metallische untere Kondensatorelektrode durch Silizidierung
einer Wolframschicht gebildet. Gemäß der
DE 199 47 053 C1 wird die
untere metallische Kondensatorelektrode durch thermische Nitridierung
einer Wolframschicht gebildet.
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Die
DE 100 34 003 A1 beschreibt
ein Grabenkondensator mit Isolationskragen und ein entsprechendes
Herstellungsverfahren, wobei die dielektrische Schicht durch ein
ALG- bzw. ALCVD-Verfahren
oder ein CVD-Verfahren aufgebracht wird.
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Obwohl
auf beliebige Grabenkondensatoren anwendbar, werden die vorliegende
Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik nachstehend in Bezug
auf einen in einer DRAM-Speicherzelle
verwendeten Grabenkondensator erläutert.
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Integrierte
Schaltungen (ICs) oder Chips verwenden Kondensatoren zum Zwecke
der Ladungsspeicherung. Ein Beispiel eines IC, welcher Kondensatoren
zum Speichern von Ladungen verwendet, ist ein Speicher-IC, wie z.B.
ein Chip für
einen dynamischen Schreib-/Lesespeicher mit wahlfreiem Zugriff (DRAM).
Der Ladungszustand ("0" oder "1") in dem Kondensator repräsentiert
dabei ein Datenbit.
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Ein
DRAM-Chip enthält
eine Matrix von Speicherzellen, welche in Form von Zeilen und Spalten verschaltet
sind. Üblicherweise
werden die Zeilenverbindungen als Wortleitungen und die Spaltenverbindungen
als Bitleitungen bezeichnet. Das Auslesen von Daten von den Speicherzellen
oder das Schreiben von Daten in die Speicherzellen wird durch die Aktivierung
geeigneter Wortleitungen und Bitleitungen bewerkstelligt.
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Üblicherweise
enthält
eine DRAM-Speicherzelle einen mit einem Kondensator verbundenen Transistor.
Der Transistor enthält
zwei Diffusionsbereiche, welche durch einen Kanal getrennt sind,
oberhalb dessen ein Gate angeordnet ist. Abhängig von der Richtung des Stromflusses
bezeichnet man den einen Diffusionsbereich als Drain und den anderen als
Source. Die Bezeichnungen "Drain" und "Source" werden hier hinsichtlich
der Diffusionsbereiche gegenseitig austauschbar verwendet. Die Gates
sind mit einer Wortleitung verbunden, und einer der Diffusionsbereiche
ist mit einer Bitleitung verbunden. Der andere Diffusionsbereich
ist mit dem Kondensator verbunden. Das Anlegen einer geeigneten
Spannung an das Gate schaltet den Transistor ein, ermöglicht einen
Stromfluß zwischen
den Diffusionsbereichen durch den Kanal, um so eine Verbindung zwischen dem
Kondensator und der Bitleitung zu bilden. Das Ausschalten des Transistors
trennt diese Verbindung, indem der Stromfluß durch den Kanal unterbrochen
wird.
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Das
fortlaufende Bestreben nach Verkleinerung der Speichervorrichtungen
fördert
den Entwurf von DRAMs mit größerer Dichte
und kleinerer charakteristischer Größe, d.h. kleinerer Speicherzellenfläche. Zur
Herstellung von Speicherzellen, welche eine geringeren Oberflächenbereich
besetzen, werden kleinere Komponenten, beispielsweise Kondensatoren,
verwendet. Jedoch resultiert die Verwendung kleinerer Kondensatoren
in einer erniedrigten Speicherkapazität, was wiederum die Funktionstüchtigkeit
und Verwendbarkeit der Speichervorrichtung widrig beeinflussen kann.
Beispielsweise erfordern Leseverstärker einen ausreichenden Signalpegel zum
zuverlässigen
Auslesen der Information in den Speicherzellen. Das Verhältnis der
Speicherkapazität zur
Bitleitungskapazität
ist entscheidend bei der Bestimmung des Signalpegels. Falls die
Speicherkapazität
zu gering wird, kann dieses Verhältnis
zu klein zur Erzeugung eines hinreichenden Signals sein. Ebenfalls
erfordert eine geringere Speicherkapazität eine höhere Auffrischfrequenz.
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Ein
Kondensatortyp, welcher üblicherweise in
DRAMs verwendet wird, ist ein Grabenkondensator. Ein Grabenkondensator
hat eine dreidimensionale Struktur, welche in dem Siliziumsubstrat
ausgebildet ist. Eine Erhöhung
des Volumens bzw. der Kapazität
des Grabenkondensators kann durch tieferes Ätzen in das Substrat erreicht
werden. In diesem Fall bewirkt die Steigerung der Kapazität des Grabenkondensators
keine Vergrößerung der
von der Speicherzelle belegten Oberfläche.
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Ein üblicher
Grabenkondensator enthält
einen in das Substrat geätzten
Graben. Dieser Graben wird typischerweise mit p+- oder n+-dotiertem
Polysilizium gefüllt,
welches als eine Kondensatorelektrode dient (auch als Speicherkondensator
bezeichnet). Die zweite Kondensatorelektrode ist das Substrat oder
eine "vergrabene
Platte". Ein Kondensatordielektrikum,
welches z.B. Nitrid enthält,
wird üblicherweise
zur Isolation der zwei Kondensatorelektroden verwendet.
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In
dem oberen Bereich des Grabens wird ein dielektrischer Kragen (vorzugsweise
ein Oxidbereich) erzeugt, um einen Leckstrom zu verhindern bzw.
den oberen Teil des Kondensators zu isolieren.
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Das
Kondensatordielektrikum wird in dem oberen Bereich des Grabens,
wo der Kragen zu bilden ist, üblicherweise
vor dessen Bildung entfernt, da dieser obere Teil des Kondensatordielektrikums
für nachfolgende
Prozeßschritte
hinderlich ist.
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Um
die Speicherdichte für
zukünftige
Speichertechnolgie – Generationen
weiter zu erhöhen, wird
die Strukturgröße von Generation
zu Generation verkleinert. Die immer kleiner werdende Kondensatorfläche und
die dadurch bedingte kleiner werdende Kondensatorkapazität führt zu Problemen.
Deshalb ist es eine wichtige Aufgabe, die Kondensatorkapazität trotz
kleinerer Strukturgröße mindestens
konstant zu halten. Dies kann unter anderem durch eine Erhöhung der
Flächenladungsdichte
des Speicherkondensators erreicht werden.
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Bisher
wurde dieses Problem einerseits durch eine Vergrößerung der zur Verfügung stehenden
Kondensatorfläche
bei vorgegebener Strukturgröße gelöst, beispielsweise
durch eine Aufweitung des Trenches („Wet Bottle") unterhalb des Kragens bzw.
Collars oder durch eine Aufrauhung der Oberfläche im Graben. Andererseits
wurde bisher die Flächenladungsdichte
durch eine Verringerung der Dicke des Dielektrikums erhöht. Dabei
wurden bisher als Dielektrika für
Trenchkondensatoren ausschließlich
verschiedene Kombinationen von SiO2 (Siliziumdioxid)
und Si3N4 (Siliziumnitrid)
in Verbindung mit dotierten Siliziumelektroden verwendet. Eine weitere Verringerung
der Dicke dieser Materialien ist aufgrund der dadurch auftretenden
hohen Leckströme nicht
möglich.
Aus diesem Grunde wird verstärkt
an der Einführung
neuer Dielektrika mit höherer
Dielektrizitätskonstante,
sogenannter High-k-Dielektrika, z.B. Al2O3, HfO2, etc., gearbeitet.
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Der
Serienwiderstand wurde bisher durch eine Erhöhung des Dotierungsniveaus
der inneren Grabenelektrode aus Polysilizium verringert. Eine weitere
Erhöhung
der Dotierung ist jedoch nur in sehr begrenztem Umfang möglich.
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Um
dieses Problem zu beheben, wurde bereits die Einführung einer
Metall-Isolator-Metall-Kondensatorstruktur (MIM) vorgeschlagen.
Speziell im Fall des Grabenkondensators ergeben sich dabei u.a.
folgende Probleme:
- a) Die untere Metallelektrode
verringert den Grabendurchmesser und damit die zur Verfügung stehende
Kondensatorfläche.
- b) Hat das Metall der Metallelektrode eine Austrittsarbeit größer als
n-dotiertes Silizium (etwa 4,2 eV), so entsteht eine Schottky-Barriere,
welche den notwendigen ohmschen Kontakt zwischen der Metallelektrode
und dem n-dotierten Substratsilizium der vergrabenen Platte verhindert.
Dies kann nur durch eine sehr hohe Dotierung der vergrabenen Platte
(größer 1021 cm–3) verhindert werden,
was aber aufgrund von prozesstechnischen Beschränkungen nicht möglich ist.
Derzeit werden lediglich Dotierungsniveaus bis etwa 1020 cm–3 erzielt.
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Daher
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Grabenkondensator
mit Isolationskragen zu schaffen, wobei der Serienwiderstand weiter
erniedrigt ist, ohne dass die Funktionstüchtigkeit beeinträchtigt wird.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch den in Anspruch 1 angegebenen Grabenkondensator mit
einem Isolationskragen gelöst.
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Bevorzugte
Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee liegt in der Bereitstellung
einer extrem dünnen
unteren leitenden metallischen Kondensatorelektrode, beispielsweise
mit einer Dicke von höchstens
5 nm.
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Es
ist aber sehr schwierig, homogene durchgängige Schichten dieser Dicke
herzustellen. Speziell polykristalline Schichten sind dafür nicht
geeignet. Daher wird insbesondere vorgeschlagen, ternäre oder
quarternäre
Schichtsysteme zu verwenden (z.B. TiAlN, TiSiN, TiTaN, TiHFN, TiZrN,
TiZrSiN, ...), welche auch bis zu hohen Temperaturen amorph bleiben.
Diese ternären
oder quarternären
Schichten können
z.B. durch ALD-Verfahren
abgeschieden werden. Dadurch eröffnet
sich die Möglichkeit,
die Zusammensetzung der Schichten über die Schichtdicke hinweg
beliebig zu variieren.
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Man
startet im Fall von TiTaN z.B. mit einer Ta-reichen Elektrodenschicht
auf dem Substratsilizium und erreicht damit eine Austrittsarbeit
von ca. 4,1 bis 4,2 eV, womit man eine Schottky-Barriere zum Substratsilizium
vermeiden kann bzw. so stark verringern kann, dass ein Ohm'scher Kontakt entsteht.
Im weiteren Verlauf der Abscheidung erhöht man graduell z.B. den Ti-
und N-Anteil der Schicht und erreicht damit eine gute Stabilität des Materials
im Kontakt mit der dielektrischen Schicht, z.B. Al2O3. Dieses Vorgehen kann analog mit anderen
Metallen angewandt werden. Insbesondere kommen folgende Metalle aufgrund
ihrer Austrittsarbeiten nahe 4,2 eV in Frage: Ta, Ti, V, Al, Nb,
Zr, HF.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung beträgt
die Dicke der unteren leitenden metallischen Kondensatorelektrode
höchstens
5 nm.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung besteht die dielektrische Schicht
aus Al2O3 und die
untere metallische Kondensatorelektrode aus TaTiN.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und
wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1a-h
die zum Verständnis
der Erfindung wesentlichen Verfahrensschritte zur Herstellung eines
Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Grabenkondensators;
und
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2 zeigt
eine vergrösserte
Darstellung der Schichtenfolge vom Substrat bis zur Grabenfüllung bei
der Ausführungsform
nach 1.
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Bestandteile.
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1a-h
zeigen die zum Verständnis
der Erfindung wesentlichen Verfahrensschritte zur Herstellung eines
Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Grabenkondensators.
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Bei
der vorliegenden ersten Ausführungsform
werden zunächst
auf einem Siliziumsubstrat 1 eine Padoxidsschicht 5 und
eine Padnitridschicht 10 abgeschieden. Dann wird eine weitere
(nicht dargestellte) Oxidschicht abgeschieden und diese Schichten
werden dann mittels einer ebenfalls nicht gezeigten Photolackmaske
und einem entsprechenden Ätzverfahren
zu einer sogenannten Hartmaske strukturiert. Unter Verwendung dieser
Hartmaske werden Gräben 2 mit
einer typischen Tiefe von circa 1-10 μm in das Siliziumsubstrat 1 geätzt. Danach
wird die oberste Oxidschicht entfernt, um zum in 1a dargestellten
Zustand zu gelangen.
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In
einem (nicht gezeigten) folgenden Prozessschritt erfolgt eine Ausdiffusion
des Arsen aus Arsensilikatglas (ASG) in das Siliziumsubstrat 1 in
einem Temperschritt zur Bildung einer vergrabenen Platte bzw. Buried
Plate 60, welche eine erste Kondensatorelektrode bildet.
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Gemäß 1b erfolgt
daraufhin die Abscheidung einer Metall-Isolator-Metall-Struktur,
bestehend aus einer unteren Metallelektrodenschicht 100'', einer Dielektrikumschicht 70,
z.B. aus Al2O3, und
einer oberen Metallelektrodenschicht 100'''.
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In
einem weiteren Prozessschritt wird gemäß 1c Arsendotiertes
polykristallines Silizium 80 auf der resultierenden Struktur
abgeschieden, so daß es die
Gräben 2 vollständig ausfüllt. Alternativermaßen könnte auch
Poly-Silizium-Germanium
zur Auffüllung verwendet
werden.
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In
einem darauffolgenden Prozessschritt gemäß 1d wird
das dotierte Polysilizium 80, bzw. das Poly-Silizium-Germanium bis zur
Oberseite der Buried Plate 60 zurückgeätzt.
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Zur
Erreichung des in 1e dargestellten Zustands erfolgt
dann ein isotropes Ätzen
der Metallelektrodenschichten 100'' und 100''' und
des Dielektrikums 70 mit hoher Dielektrizitätskonstante
im oberem freigelegten Bereich der Gräben 2, und zwar entweder
mit einem nasschemischen oder einem trockenchemischen Ätzverfahren.
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In
einem darauffolgenden Prozessschritt gemäß 1f wird
ein Kragenoxid 5'' im oberen Bereich
der Gräben 2 gebildet.
Dies geschieht durch eine ganzflächige
Oxidabscheidung und ein darauffolgendes anisotropes Ätzen des
Oxids, so daß das Kragenoxid 5'' an den Seitenwänden im oberen Grabenbereich
stehenbleibt.
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Wie
in 1g illustriert, wird in einem darauffolgenden
Prozessschritt erneut mit Arsen dotiertes Polysilizium 80' abgeschieden
und zurückgeätzt.
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Gemäß 1h folgt
schließlich
eine nasschemische Entfernung des Kragenoxids 5'' im oberen Grabenbereich.
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Der
Kernaspekt der vorliegenden Ausführungsform
wird nächstehend
unter Bezugnahme auf 2 erläutert, die eine vergrösserte Darstellung
der Schichtenfolge vom Substrat bis zur Grabenfüllung bei der Ausführungsform
nach 1 zeigt.
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Wie
in 2 dargestellt, wird als untere leitende metallische
Kondensatorelektrodenschicht eine ternäre Schicht aus TiTaN vorgesehen,
die von einem ersten Wert C1 der stöchiometrischen Zusammensetzung
zu einem zweiten Wert C2 der stöchiometrischen
Zusammensetzung vom Halbleitersubstrat 1 zum Kondensatordielektrikum 70 hin
variiert.
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Beim
vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist die untere leitende Elektrodenschicht 100'' Ta-reiches TaTiN mit einer Austrittsarbeit
von etwa 4,1 eV. Durch Änderung
der Gaszusammensetzung beim verwendeten ALCVD-Verfahren (atomic
layer chemical vapour deposition) wird die Schichtzusammensetzung
mit dicker werdender unterer leitender Elektrodenschicht 100'' zu Taarmem TaTiN variiert.
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Als
Dielektrikumsschicht 70 wird dann ein Dielektrikum aus
Al2O3 verwendet,
so dass einerseits an der Grenzfläche zum Substrat die Schottky-Barriere
klein gehalten ist und andererseits ein guter thermischer Kontakt
zum Dielektrikum 70 herstellbar ist. Auch eine sehr gute
thermische Stabilität
wird in dieser Grenzfläche
erzielt.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art
und Weise modifizierbar.
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Insbesondere
sind die angeführten
Materialien nur beispielhaft und durch andere Materialien mit geeigneten
Eigenschaften ersetzbar. Dasgleiche gilt für die genannten Ätzprozesse
und Abscheidungsprozesse.
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- 1
- Siliziumsubstrat
- 2
- Graben
- 5
- Padoxid
- 5''
- Isolationskragen
- 10
- Padnitrid
- 60
- Buried
Plate
- 70
- Dielektrikum
- 80,
80'
- dotiertes
Polysilizium
- 100'', 100''
- Metallelektrodenschicht