DE102005004596B4 - Verfahren zur Herstellung von verrundeten Polysiliziumelektroden auf Halbleiterbauelementen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von verrundeten Polysiliziumelektroden auf Halbleiterbauelementen Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von Polysiliziumelektroden auf Halbleiterbauelementen, bei dem eine Polysiliziumschicht (3) auf einer Oberseite eines Substrates (1) aufgebracht wird, eine Hilfsschicht (4) auf die Polysiliziumschicht (3) aufgebracht wird, eine Schicht aus Fotolack auf die Hilfsschicht (4) aufgebracht und zu einer Lackmaske (5) strukturiert wird, die Hilfsschicht (4) entsprechend den seitlichen Abmessungen der Lackmaske (5) strukturiert wird, die Hilfsschicht (4) vor dem Ätzen der Polysiliziumschicht (3) mit seitlichen Aushöhlungen (6), versehen wird und unter Verwendung der strukturierten Hilfsschicht (4) eine Ätzung durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzung unter Verwendung der Lackmaske (5) und der strukturierten Hilfsschicht (4) durchgeführt wird und die Polysiliziumschicht (3) zu einer Polysiliziumelektrode (8) mit gerundeten Kanten (7) geätzt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem optimierte Polysiliziumstrukturen, insbesondere für Gate-Elektroden von Speicherzellen, hergestellt werden können.
  • Bei vielen Halbleiterbauelementen werden auf einer Oberseite Leiterbahnen oder Elektroden aus Polysilizium strukturiert. Dazu wird eine Polysiliziumschicht ganzflächig aufgebracht und anschließend unter Verwendung einer Maske insbesondere mittels Fotolack und Fotolithographie, strukturiert. Im Bereich der Maskenöffnungen wird das Polysilizium durch Ätzen entfernt, was zum Beispiel mittels RIE (reactive ion etching) geschehen kann. Auf diese Weise werden die Gate-Elektroden von Transistorstrukturen hergestellt, die auch für Speicherzellen von Halbleiterspeicherbauelementen verwendet werden. EEPROM-Bauelemente verfügen über so genannte Floating-Gate-Elektroden, die zwischen einer Kontroll-Gate-Elektrode über dem Kanalbereich des Transistors angeordnet und ringsum elektrisch isoliert sind. Beim Programmieren werden auf diesen Floating-Gate-Elektroden Ladungsträger gesammelt.
  • Bei dem üblichen Herstellungsverfahren werden derartige Elektroden in Polysilizium mit ziemlich scharfen, zumindest näherungsweise rechtwinkligen Kanten hergestellt. Nachteilig dabei ist, dass das elektrische Feld an Kanten und Spitzen von Leiteroberflächen besonders hohe Werte annimmt, sodass dort Bedingungen für einen Durchbruch und eine Entladung durch das elektrisch isolierende Material hindurch vorhanden sind. Dieser Umstand beeinträchtigt eine Vielzahl von Anwendungen der Halbleiterbauelemente. Es ist daher wünschenswert, über ein einfaches Verfahren zu verfügen, mit dem die Elektrodenstrukturen ohne allzu scharfe Kanten oder Ecken ausgebildet werden können. Eine Möglichkeit, das zu erreichen, ist die Reoxidation der Polysiliziumoberflächen bei hoher Oxidationstemperatur. Abgerundete Kanten lassen sich mit diesem Verfahren aber nur herstellen, solange die Abmessungen der hergestellten Strukturen über einer bestimmten Grenze liegen. Die anwendbaren Temperaturen sind nämlich abhängig von der Strukturbreite begrenzt, sodass bei sehr kleinen Strukturen mit den Oxidationsschritten keine verrundeten Kanten hergestellt werden können und sogar die Schärfe der Kanten noch stärker ausgeprägt wird.
  • Die übliche Maskentechnik zur Strukturierung von Halbleiterschichten bedient sich der Fotolithographie, mit der ein aufgebrachter Fotolack den herzustellenden Strukturen entsprechend belichtet und dann entwickelt wird. Je nach Art des Fotolacks werden die belichteten Anteile oder die unbelichteten Anteile nach dem Entwickeln entfernt. Zur Verbesserung der optischen Verhältnisse bei der Fotolithographie wird unter dem Fotolack eine Antireflexschicht vorgesehen. Die Antireflexschichten sind üblicherweise sehr dünn im Verhältnis zu den Lackschichten. Ein handelsübliches Material, das als BARC (bottom antireflective coating) verwendet wird, ist BARC WIDE-15TM der Firma Brewer Science.
  • In der US 5 804 088 A ist ein Verfahren einer Zwischenschichtlithographie beschrieben, bei dem eine Polysiliziumschicht, eine BARC-Schicht und eine Fotolackschicht übereinander aufgebracht werden. Mittels eines isotropen Ätzschrittes wird die BARC-Schicht unter der Fotolackschicht seitlich teilweise entfernt, so dass schmalere Anteile der BARC-Schicht stehen bleiben. Dann wird die Fotolackschicht entfernt, und die Polysiliziumschicht wird unter Verwendung der verbliebenen Anteile der BARC-Schicht anisotrop geätzt. Dieses Verfahren liegt dem Oberbegriff des Anspruches 1 zugrunde.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Polysiliziumelektroden mit ausreichend verrundeten Kanten anzugeben, das auch für sehr kleine Strukturabmessungen geeignet ist.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Bei diesem Verfahren wird auf eine zu strukturierende Polysiliziumschicht eine Hilfsschicht aufgebracht, die vorzugsweise aus einem für eine Antireflexschicht geeigneten Material ist. Darauf wird eine Lackmaske aufgebracht, und die Hilfsschicht wird seitlich mit Aushöhlungen versehen, sodass in einem nachfolgenden Ätzschritt zur vorgesehenen Strukturierung der Polysiliziumschicht verrundete Kanten hergestellt werden. Der Ätzschritt erfolgt im Wesentlichen anisotrop in einer Richtung senkrecht zur Oberseite des Bauelementes, wobei die Lackmaske den Ätzangriff abschirmt. In den schmalen Bereichen der seitlichen Aushöhlungen der unter der Lackmaske vorhandenen Hilfsschicht sind auch die oberen Kanten des Polysiliziums, wenn auch in geringerem Umfang, dem Ätzangriff ausgesetzt. Infolgedessen wird an diesen Stellen das Polysilizium so weit abgetragen, dass die oberen Kanten der hergestellten Polysiliziumelektroden nicht scharfkantig oder eckig, sondern mit Verrundungen ausgebildet werden. Daraus resultiert eine wesentlich bessere Betriebseigenschaft (Performance) der so hergestellten Bauelemente, was insbesondere bei den eingangs erwähnten Halbleiterspeicherbauelementen mit Floating-Gate-Elektroden zum Tragen kommt.
  • Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines löslichen Materials als Hilfsschicht. Die seitlichen Aushöhlungen können in diesem Fall durch Aufbringen eines geeigneten Lösungsmittels, das insbesondere Wasser sein kann, hergestellt werden. Der beschriebene zusätzliche Verfahrensschritt lässt sich ohne wesentlichen Aufwand in das übliche Herstellungsverfahren integrieren, sodass nach dem Entwickeln und Strukturieren der Fotolackschicht zur Fotolackmaske der Verfahrensschritt zur seitlichen Aushöhlung der Hilfsschicht problemlos eingeschoben werden kann.
  • Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des Verfahrens anhand der beigefügten Figuren.
  • Die 1 zeigt im Querschnitt ein Zwischenprodukt des Verfahrens nach dem Herstellen der Fotolackmaske und der seitlichen Aushöhlungen der Hilfsschicht.
  • Die 2 zeigt einen Querschnitt gemäß der 1 nach dem Ätzen der Polysiliziumelektrode mit verrundeten Kanten.
  • Die 1 zeigt im Querschnitt ein Substrat 1, zum Beispiel einen Halbleiterkörper, mit einer darauf aufgebrachten Basisschicht 2 und der zu strukturierenden Polysiliziumschicht 3. Die Basisschicht 2 ist nicht wesentlich. Es kann sich dabei zum Beispiel um eine dielektrische Schicht handeln, die bei der Herstellung von Transistorstrukturen als Gate-Dielektrikum, insbesondere als Gate-Oxid vorgesehen ist. Es kann aber auch eine der üblichen Padoxid oder Padnitridschichten sein. Zur Strukturierung der Polysiliziumschicht 3 werden auf der Oberseite die Hilfsschicht 4 und eine Fotolackschicht aufgebracht, die fotolithographisch zu der eingezeichneten Lackmaske 5 strukturiert wird. Das Material der Hilfsschicht 4 ist vorzugsweise löslich, insbesondere wasserlöslich. An den Seiten der entsprechend der Lackmaske 5 strukturierten Hilfsschicht 4 werden die in der 1 eingezeichneten seitlichen Aushöhlungen 6 angebracht, die insbesondere bei einer Hilfsschicht 4 aus einem löslichen Material in der dargestellten konkaven Form ausgebildet werden.
  • Die Hilfsschicht 4 ist vorzugsweise aus einem für Antireflexschichten geeigneten Material, insbesondere aus dem eingangs angegebenen BARC WIDE-15TM. Sie ist erfindungsgemäß höchstens 120 nm dick und vorzugsweise, insbesondere bei Verwendung von WIDE-15TM, 70 nm bis 80 nm dick. Zur Herstellung von Polysiliziumelektroden für die Anwendung als Floating-Gate-Elektroden ist die Polysiliziumschicht 3 typisch 100 nm bis 400 nm dick. Die Polysiliziumelektrode wird hierfür streifenförmig hergestellt; in der 1 ist die Längsrichtung senkrecht zur Zeichenebene.
  • Ein typisches und bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die Herstellung der Hilfsschicht 4 ist bei Verwendung von WIDE-15TM eine Schichtdicke von 110 nm, eine erste Hotplatetemperatur, die einer Anwendung der Hilfsschicht als Antireflexschicht entspricht, von 100°C (60 Sekunden lang) und eine zweite Hotplatetemperatur von 172°C bis 178°C (60 Sekunden lang).
  • Mit der Hotplatetemperatur wird die Löslichkeit des Materials bestimmt; je höher die Temperatur ist, desto geringer ist die Löslichkeit. Die Entwicklungszeit beträgt vorzugsweise etwa 60 Sekunden.
  • Die 2 zeigt den Querschnitt entsprechend der 1 nach dem Ätzprozess, mit dem die Polysiliziumschicht zu der Polysiliziumelektrode 8 strukturiert wird. Es ist in der 2 deutlich erkennbar, dass infolge der seitlichen Aushöhlungen der Hilfsschicht 4 ein Ätzangriff an den oberen Kanten der hergestellten Polysiliziumelektrode 8 stattgefunden hat, wodurch die gerundeten Kanten 7 ausgebildet worden sind.
  • Als Ätzprozess ist grundsätzlich ein nasschemischer Ätzprozess, ein Trockenätzverfahren oder ein thermischer Prozess möglich. Bevorzugt ist RIE, bei dem ein chemischer Angriff des Ätzmittels an denjenigen Stellen der Hilfsschicht 4 erfolgt, an denen die Hilfsschicht 4 wegen der vorhandenen seitlichen Aushöhlungen 6 die Polysiliziumschicht 3 nur dünn oder gar nicht mehr bedeckt. Dieser Ätzangriff ist ausreichend, um die gewünschte Kantenverrundung herzustellen.
  • Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens ist, dass sich nur ein weiterer Prozessschritt an die Fotolithographie und Strukturierung der Lackmaske anschließt, um die seitlichen Aushöhlungen in der Hilfsschicht 4 herzustellen, ohne dass der nachfolgende Ätzschritt gegenüber einem Standardprozess modifiziert werden muss. Man erhält auf diese Weise eine exakte Strukturierung der Polysiliziumelektrode 8 mit den vorgesehenen und durch die Lackmaske 5 definierten Abmessungen, wobei zusätzlich die gewünschte Verrundung der Kanten ohne Veränderung der seitlichen Abmessungen der Polysiliziumelektrode 8 erreicht wird. Eine Basisschicht 2, falls wie in den Figuren dargestellt vorhanden, kann als Ätzstoppschicht beim Ätzen der Polysiliziumschicht 3 fungieren.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Substrat
    2
    Basisschicht
    3
    Polysiliziumschicht
    4
    Hilfsschicht
    5
    Lackmaske
    6
    seitliche Aushöhlung
    7
    gerundete Kante
    8
    Polysiliziumelektrode

Claims (7)

  1. Verfahren zur Herstellung von Polysiliziumelektroden auf Halbleiterbauelementen, bei dem eine Polysiliziumschicht (3) auf einer Oberseite eines Substrates (1) aufgebracht wird, eine Hilfsschicht (4) auf die Polysiliziumschicht (3) aufgebracht wird, eine Schicht aus Fotolack auf die Hilfsschicht (4) aufgebracht und zu einer Lackmaske (5) strukturiert wird, die Hilfsschicht (4) entsprechend den seitlichen Abmessungen der Lackmaske (5) strukturiert wird, die Hilfsschicht (4) vor dem Ätzen der Polysiliziumschicht (3) mit seitlichen Aushöhlungen (6), versehen wird und unter Verwendung der strukturierten Hilfsschicht (4) eine Ätzung durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzung unter Verwendung der Lackmaske (5) und der strukturierten Hilfsschicht (4) durchgeführt wird und die Polysiliziumschicht (3) zu einer Polysiliziumelektrode (8) mit gerundeten Kanten (7) geätzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hilfsschicht (4) ein lösliches Material ist und die seitlichen Aushöhlungen (6) mit einem für dieses Material vorgesehenen Lösungsmittel selektiv zu der Lackmaske (5) und der Polysiliziumschicht (3) hergestellt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als Hilfsschicht (4) ein Material einer für eine Fotolithographie vorgesehenen Antireflexschicht verwendet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem als Hilfsschicht (4) BARC WIDE-15TM verwendet wird und eine Hotplatetemperatur von 172°C bis 178°C eingestellt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Hilfsschicht (4) höchstens 120 nm dick hergestellt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Hilfsschicht (4) 70 nm bis 80 nm dick hergestellt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Polysiliziumschicht (3) 100 nm bis 400 nm dick hergestellt wird.
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