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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Halbleiterbauelements, insbesondere einer Kondensatoreinrichtung
für einen Halbleiterspeicher.
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Die
US 5,580,811 A beschreibt
die Herstellung eines Kondensators für eine DRAM-Vorrichtung. Eine
Speicherelektrode wird in einer Kontaktöffnung
19 gebildet,
wobei die Kontaktöffnung
mit einem isolierenden Spacer auf ihren Seitenwänden versehen ist. Nach der
Herstellung der Speicherelektrode wird der isolierende Spacer entfernt
und nachfolgend ein dielektrischer Film und eine zweite Elektrode
aufgebracht.
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Die
US 2004/0007725 A1 beschreibt
einen Speicherkondensator mit einer doppelten Zylinderstruktur und
ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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Die
US 6,187,625 B1 beschreibt
ein Herstellungsverfahren für
einen kronenförmigen
Kondensator in einer DRAM-Vorrichtung.
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Obwohl
die Problematik der vorliegende Erfindung nachfolgend anhand einer
so genannten kronenartigen Kondensatoreinrichtung eines Halbleiterspeicher
beschrieben wird, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern
betrifft allgemein ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen.
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Ein
Halbleiterspeicher weist eine Vielzahl von Speicherzellen auf, welche
jeweils mindestens einen Kondensator und einen Transistor beinhalten. In
dem Kondensator wird eine binäre
Information als Ladungsmenge gespeichert. Ein Zugriff auf die Ladungsmenge
und damit die Information durch Auslese- und/oder Schreibeinrichtungen
des Halbleiterspeichers erfolgt über
den Transistor der Speicherzelle, welcher mittels Wort- und Bitleitungen
des Halbleiterspeichers adressiert wird. Um Halbleiterspeicher mit
einer großen
Speicherdichte und damit einer hohen Anzahl an Speicherzellen auf
einer annehmbaren Fläche
bereitzustellen, werden möglichst geringe
laterale Abmessungen der Speicherzellen, also sowohl der Transistoren
als auch der Kondensatoren, benötigt.
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Der
Betrieb der Speicherzellen erfordert eine minimale in dem Kondensator
speicherbare Ladungsmenge. Die speicherbare Ladungsmenge wird wesentlich
durch den Flächeninhalt
von Kondensatorflächen
der Kondensatoren bestimmt. Daher ist trotz der Verringerung der
lateralen Abmessungen eine Be reitstellung von ausreichend großen Kondensatorflächen zu
gewährleisten.
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Die
US-Patentschrift
US
5,652,165 A beschreibt einen solchen Kondensator mit einem
so genannten kronenförmigen
Kondensator. Der kronenförmige
Kondensator weist mindestens eine erste becherförmige Elektrode mit inneren
Oberflächen
und den inneren Oberflächen
gegenüberliegenden äußeren Oberflächen auf,
welche senkrecht zu einem Halbleitersubstrat verlaufen. Die innere
wie auch die äußere Oberfläche sind
vollständig
von einem Dielektrikum bedeckt, auf welchem die zweite Elektrode aufgebracht
ist. Damit umfasst eine Kondensatorfläche des kronenförmigen Kondensators
im Wesentlichen sowohl die innere, wie auch die äußere, senkrecht verlaufende
Oberfläche.
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Ein
allgemein bekanntes Herstellungsverfahren für den kronenförmigen Kondensator
erfordert zuerst die Bereitstellung der becherförmigen ersten Elektrode mit
freiliegenden inneren und äußeren Oberflächen. Dabei
weist die erste Elektrode zu diesem Zeitpunkt des Herstellungsverfahrens
des kronenförmigen
Kondensators nur eine geringe mechanische Stabilität auf. Insbesondere
ist dies dann der Fall, wenn die erste Elektrode eine wesentlich
größere vertikale
Abmessung als horizontale Abmessung aufweist, um wie zuvor gefordert,
bei geringem lateralen Platzbedarf eine große Kondensatorfläche bereitzustellen.
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Für die Herstellung
der ersten Elektroden werden Flüssigkeiten
verwendet, unter anderem zum Ätzen
und/oder Reinigen der ersten Elektrode. Aufgrund der Flüssigkeiten
zwischen benachbarten ersten Elektroden wirkt auf diese benachbarten
ersten Elektroden eine Kapilarkraft derart, dass obere Abschnitte
der benachbarten ersten Elektroden sich einander annähern. Da
die ersten Elektroden nur eine geringe mechanische Stabilität aufweisen,
können
sich die ersten Elektroden zueinander soweit annähern, dass sie sich auch berühren.
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Dies
ist einer von mehreren möglichen
Effekten aufgrund derer sich die ersten Elektroden einander annähern. Adhäsive Effekte,
zum Beispiel aufgrund von elektrostatischen Ladungen, verhindern, dass
sich einmal berührende
erste Elektroden wieder von einander lösen, auch wenn die Flüssigkeiten
entfernt sind und die Kapillarkraft nicht mehr wirkt. Dies führt zu einer
unerwünschten
elektrischen Kontaktierung der benachbarten ersten Elektroden und
im Betrieb der Speichereinrichtung möglicherweise zu Kurzschlüssen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren
zur Herstellung von Halbleiterbauelementen und insbesondere von
Kondensatoreinrichtungen in Halbleiterspeichereinrichtungen bereitzustellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren
zur Herstellung bereitzustellen, welches eine höhere mechanische Stabilität der ersten
Elektrode während
des Herstellungsverfahrens gewährleistet.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren bereitzustellen,
mit welchem sich Halbleiterbauelemente mit einer großen Oberfläche oder
Kapazität
herstellen lassen.
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Zumindest
eine der vorstehend genannten Aufgaben wird durch ein Verfahren
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, insbesondere einer
Kondensatoreinrichtung für
einen Halbleiterspeicher, sieht folgende Schritte vor. Nach Bereitstellen
eines Halbleitersubstrats mit einer ersten Oberfläche wird
eine formgebende Matrix auf die erste Oberfläche aufgebracht, wobei die
Matrix zur Formgebung mindestens eine durchgehende Vertiefungen
oberhalb von Kontaktbereichen im Bereich der ersten Oberfläche aufweist,
so dass die Kontaktbereiche freiliegend oder teilweise freiliegend sind.
Danach wird eine Opferschicht auf Seitenwände der durchgehenden Vertiefung
von einem der ersten Oberfläche abgewandten
oberen Abschnitt der Vertiefung aufgebracht. Einem Aufbringen einer
ersten leitfähigen Schicht
in einem unteren Abschnitt der Vertiefung und auf die Opferschicht
zum Erzeugen einer ersten Elektrode folgt ein Entfernender Opferschicht
zum Freilegen der Seitenwände
der Matrix in dem oberen Abschnitt. Abschließend wird eine dielektrische Schicht
auf die erste leitfähige
Schicht und eine zweite leitfähige
Schicht auf die dielektrische Schicht zum Bilden der zweiten Elektrode
aufgebracht.
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Ferner
sieht das erfindungsgemäße Verfahren
sieht vor, dass nach dem Aufbringen der Opferschicht und vor dem
Aufbringen der ersten leitfähigen Schicht
in dem unteren Abschnitt die Seitenwände geätzt werden, welche nicht durch
die Opferschicht bedeckt sind. Erstens ergibt sich somit vorteilhafterweise
eine Vergrößerung der
Oberfläche
und damit einer Kapazität
der nachfolgenden in der Matrix strukturierten Kondensatoreinrichtung.
Zweitens bildet sich an dem Übergang
zwischen dem oberen und dem unteren Abschnitt eine Verdickung der
ersten leitfähigen
Schicht aus, da in diesem Bereich durch das Rückätzen eine teilweise zu der
ersten Oberfläche
verlaufende Oberfläche
gebildet wird, wobei die Verdickung vorteilhafterweise die mechanische
Stabilität
der ersten Elektrode während
des Herstellungsverfahrens erhöht.
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Ein
wesentlicher Schritt der vorliegenden Erfindung ist, dass zwischen
zwei benachbarten becherförmigen
Elektroden zumindest teilweise die formgebende Matrix verbleibt.
Somit wird verhindert, dass sich die benachbarten Elektroden berühren können.
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Eine
becherförmige
Elektrode weist eine Grundfläche
und einen erhabenen Rand auf, welcher mit einem äußeren Umfang der Grundfläche verbunden
ist. Der Durchmesser der Grundfläche
ist um mindestens das Zehnfache größer als eine Dicke des Randes.
Eine Höhe
des Randes kann wesentlich größer als
der Durchmesser der Grundfläche
sein. Der Rand kann vertikal zu der Grundfläche verlaufen oder konvex oder
konkav zu einer Achse der Elektrode geneigt sein.
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In
den Unteransprüchen
finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des
im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrens.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass die durchgehende Vertiefung im Bereich des oberen
Abschnitts einen in Richtung zu der ersten Oberfläche hin
abnehmenden Querschnitt aufweist. Die Richtung ist im Wesentlichen
senkrecht zur der ersten Oberfläche.
Der Querschnitt verläuft
im Wesentlichen parallel zu der ersten Oberfläche. Ein erster Querschnitt
ist geringer, d. h. weist eine geringere Fläche auf, als ein zweiter Querschnitt,
wenn der erste Querschnitt näher
der ersten Oberfläche
verläuft
als der zweite Querschnitt.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass die Opferschicht mit einer in Richtung zu der ersten Oberfläche hin
abnehmenden Dicke aufgebracht wird. Hierbei lässt sich in einfacher Weise
sicherstellen, dass der untere Abschnitt keine Opferschicht aufweist,
indem die Dicke der Opferschicht bis zu dem unteren Abschnitt hin
auf Null abnimmt.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass die Opferschicht mittels eines Atomlagen-Abscheide
Verfahren aufgebracht wird. Dieses Verfahren ermöglicht in besonders präziser Weise
ein Dickenprofil der Opferschicht einzustellen. Insbesondere ist
es möglich
durch eine gezielte Verarmung von Reaktionsgasen des Abscheideverfahrens
in den tieferen Bereichen, also nahe oder in dem unteren Abschnitt
der durchgehenden Vertiefung, eine geringere Abscheiderate bzw.
keine Abscheidung zu erreichen. Entsprechend wird dadurch eine dünnere Opferschicht
bzw. keine Opferschicht auf der Seitenwand aufgebracht.
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Eine
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass vor dem Aufbringen der dielektrischen Schicht die
Matrix nur in dem oberen Abschnitt entfernt wird. Somit wird die äußere Oberfläche der
leitfähigen
Schicht in dem oberen Abschnitt für das Aufbringen der dielektrischen
Schicht besser zugänglich.
Gleichzeitig wird, da in dem unteren Abschnitt die Matrix nicht
entfernt wird, eine ausreichende mechanische Stabilität der leitfähigen Schicht
gewährleistet.
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Eine
besonders bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass die erste becherförmige Elektrode in einem unteren Abschnitt
eine Verbreiterung eines zur ersten Oberfläche parallelen Querschnitts
aufweist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sowie vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Figuren
der Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
In den Figuren zeigen:
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1a bis 1h verschiedene
Teilschnitte zur Illustration einer Variante des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
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Eine
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird anhand der 1a bis 1h erläutert. Zuerst
wird ein Halbleitersubstrat 11 bereitgestellt, welches
in erste A2 und zweite Abschnitte B2 unterteilt ist. In den ersten
Abschnitten A2 sind Kontaktbereiche 12 an der ersten Oberfläche 111 des
Halbleitersubstrates 11 angeordnet. In dem ersten Abschnitt A2
wie auch in dem zweiten Abschnitt B2 ist eine Matrix auf der ersten
Oberfläche 111 aufgebracht.
Diese Matrix weist durchgehende Vertiefungen 20 auf, welche
so angeordnet sind, dass die Kontaktbereiche 12 zumindest
teilweise freiliegend, also nicht vollständig durch die Matrix 16 bedeckt
sind. Seitenwände 120 der
durchgehenden Vertiefung 20 können senkrecht oder schräg zu der
ersten Oberfläche 111 ausgerichtet
sein.
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In
einem nachfolgenden Schritt werden in einem oberen Abschnitt X2
der durchgehenden Vertiefungen 20 Opferschichten 17,
vorzugsweise durch ein atomares Abscheidererfahren, beispielsweise
einen ALD-Prozers (ALD: Atomic Layer Deposition), auf die Seitenwände 120 aufgebracht.
Die Opferschichten 17 können
wiederum homogen abgeschieden werden oder eine sich zu der ersten
Oberfläche 111 hin
in Richtung 210 verjüngende
Dicke aufweisen. In dem unteren Abschnitt Y2, welcher benachbart
zu der ersten Oberfläche 111 ist,
wird keine Opferschicht 17 auf die Seitenwände 120 aufgebracht (1b).
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Die
Seitenwände 120 der
durchgehenden Vertiefung 20 werden selektiv zu der Opferschicht 17 entfernt
(1c). Dadurch wird der untere Bereich Y2 der durchgehenden
Vertiefung 20 ausgeweitet. In 1c ist
eine zurückgeätzte Seitenwand 121 in dem
unteren Abschnitt Y2 dargestellt, welche im Wesentlichen parallel
zu der ursprünglichen
Seitenwand 120 verläuft.
Dies ist jedoch nur eine von vielen möglichen Ausgestaltungen. Eine
weitere Ausgestaltung sieht vor, in dem unteren Bereich eine Seitenwand 121 mit
einer gewölbten
Oberfläche
zu erzeugen. In dem Grenzbereich 122 zwischen dem oberen
und dem unteren Abschnitt X2, Y2 ergibt sich aufgrund des Zurückätzens eine
zumindest teilweise im Wesentlichen parallel zu der ersten Oberfläche 111 verlaufende
Oberfläche.
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Ein
Vorteil der zurückgeätzten Seitenwand 121 besteht
darin, dass dadurch die Gesamtoberfläche der durchgehenden Vertiefung 20 erhöht wird. Ausgehend
von dieser vergrößerten Gesamtoberfläche wird
mit den nachfolgenden Prozessierungsschritten eine signifikant vergrößerte Kondensatorfläche der
Kondensatoreinrichtung erreicht.
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In
der durchgehenden Vertiefung 20 wird eine erste leitfähige Schicht 13 abgeschieden,
welche die erste Elektrode der Kondensatoreinrichtung erzeugt. Die
erste leitfähige
Schicht 13 wird in dem oberen Abschnitt X2 auf der Opferschicht 17 und
in dem unteren Abschnitt Y2 auf dem Kontaktbereich 12 und
auf der zurückgeätzten Seitenwand 121 abgeschieden.
In einem oberen Bereich des unteren Abschnittes Y2, also nahe der
Opferschicht 17, ergibt sich eine Verbreiterung oder Verdickung
der ersten leitfähigen
Schicht 13, da sich in diesem Bereich die zumindest teilweise
parallel zu der ersten Oberfläche 111 verlaufende
Oberfläche
der durchgehenden Vertiefung 20 befindet. Die somit entstehende
Verdickung 122 führt
zu einer höheren
Steifigkeit der ersten leitfähigen
Schicht 13 während
des Herstellungsverfahrens und damit der becherförmigen Elektrode.
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In
einem nachfolgenden Schritt wird die Opferschicht 17 entfernt.
Somit wird die äußere Oberflache 114 der
ersten leitfähigen
Schicht 13 in dem oberen Abschnitt X2 freigelegt (1e).
Die Matrix 16 kann optional in dem oberen Abschnitt X2
entfernt werden (2f). Eine dielektrische
Schicht 14 und eine zweite elektrische leitfähige Schicht 15 werden aufgebracht
(1g und 1h).
Diese Ausgestaltung zeigt, dass durch die höhere Steifigkeit aufgrund der
Verdickung 122 gewährleistet
ist, dass sich die oberen Abschnitte X2 der ersten becherförmigförmigen Elektroden
nicht berühren.
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Für die Wahl
der Materialien der Matrix, der ersten und zweiten Elektroden, sowie
der dielektrischen Schicht ergeben sich vielfältige Variationsmöglichkeiten.
Die Matrix kann unter anderem Siliziumoxid oder ein Silikatglas,
Borsilikatglas aufweisen. Die leitfähigen Schichten enthalten vorzugsweise
Titan, Titannitrid, hochdotiertes Polysilizium oder andere leitfähige Materialien.
Die dielektrischen Schichten können
Siliziumoxid, Aluminiumoxid oder dielektrische Materialien mit einer
hohen Permittivität
aufweisen.
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Neben
dem erwähnten
ALD-Verfahren und dem CVD-Verfahren sind vielfältige weitere Verfahren zum
Aufbringen der Opferschicht einsetzbar.
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Die
erste Elektrode kann becherförmig
sein oder sich aus einer Vielzahl an becherförmigen Strukturen zu einer
kronenförmigen
Elektrode zusammensetzen, wobei becherförmig zylinderförmig, trichterförmig oder
andere sich konvex von der ersten Oberfläche weg öffnende Formen umfasst.
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Innerhalb
einer becherförmigen
Elektrode können
ein oder mehrere Elektroden gleich sich mehrerer umfassender Schalen
angeordnet sein.
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- 11
- Halbleitersubstrat
- 12
- Kontaktbereiche
- 13
- erste
leitfähige
Schicht
- 14
- dielektrische
Schicht
- 15
- zweite
leitfähige
Schicht
- 16
- Matrix
- 17
- Opferschicht
- 20
- durchgehende
Vertiefung
- 120
- Seitenwand
von 20
- 121
- zurückgeätzte Seitenwand
- 122
- Verdickung
- 113,
114
- innere, äußere Oberfläche von 13
- 111
- erste
Oberfläche
- 210
- Richtung
- A2,
B2
- erste,
zweite Bereiche
- X2,
Y2
- oberer,
unterer Abschnitt