DE102008023622B4 - Verfahren zum Herstellen einer DRAM-Vorrichtung mit einer dielektrischen Gate-Schicht mit mehreren Dicken - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Herstellen einer DRAM-Vorrichtung (1), umfassend: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (102) mit einem Speicherfeldbereich (100) und einem Unterstützungsschaltkreisbereich (200), wobei ein erstes vertieftes Gate (121) innerhalb des Speicherfeldbereichs (100) angeordnet wird und ein zweites vertieftes Gate (221) innerhalb des Unterstützungsschaltkreisbereichs (200) angeordnet wird; und Bereitstellen einer ersten dielektrischen Gate-Schicht (125), die zwischen dem ersten vertieften Gate (121) und dem Halbleitersubstrat (102) ausgebildet wird, wobei die erste dielektrische Gate-Schicht (125) eine einheitliche Dicke aufweist;wobei eine zweite dielektrische Gate-Schicht (225) zwischen dem zweiten vertieften Gate (221) und dem Halbleitersubstrat (102) ausgebildet wird, wobei die zweite dielektrische Gate-Schicht (225) unterschiedliche Dicken aufweist, die bei Ausbildung der ersten dielektrischen Gate-Schicht (125) und der zweiten dielektrischen Gate-Schicht (225) in einem Vorgang aufgrund eines Neigungswinkel-Ionenimplantierungsvorgangs derart, dass die Seitenwand des ersten vertieften Gate-Grabens nicht beeinträchtigt wird, bevor die dielektrischen Schichten gebildet werden, mit unterschiedlichen Wachstumsraten ausgebildet werden.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Transistorvorrichtung mit einer dielektrischen Schicht mit mehreren Dicken gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. DRAM-Vorrichtungen, die ein Halbleitersubstrat mit einem Speicherfeldbereich und einem Unterstützungsschaltkreisbereich aufweisen, wobei ein erstes vertieftes Gate innerhalb des Speicherfeldbereichs angeordnet ist und ein zweites vertieftes Gate innerhalb des Unterstützungsschaltkreisbereichs angeordnet ist, und wobei das erste und das zweite vertiefte Gate im Halbleitersubstrat eingelegt sind, und eine erste dielektrische Gate-Schicht zwischen dem ersten vertieften Gate und dem Halbleitersubstrat und eine zweite dielektrische Gate-Schicht zwischen dem zweiten vertieften Gate und dem Halbleitersubstrat angeordnet sind, und deren Herstellungsverfahren, sind aus der
US 2004/0224476 A1 DE 10 2006 034 772 A1 bekannt.US 5 640 034 A beschreibt einen Graben-DMOS-Transistor, bei dem das Gate von einem Dielektrikum unterschiedlicher Dicke umgeben ist. - DRAM-Zellen werden typischerweise mit relativ hohen Spannungen betrieben. Um die Leistung der DRAM-Zellen aufrechtzuerhalten, ist die Betriebssicherheit der dielektrischen Gate-Schicht der Hochspannungs-MOS-Transistorvorrichtungen, die im Unterstützungsschaltkreis des DRAM angeordnet sind, sehr wichtig.
- Um das störende Problem der Borpenetration zu lösen, das typischerweise in einer P+-Gate-MOS-Transistorvorrichtung auftritt, wird derzeit eine bekannte abgekoppelte Plasmanitridierungs- oder DPN-Technik eingesetzt, um Stickstoff in die dielektrische Gate-Schicht in der DRAM-Unterstützungsschaltung einzuleiten. Jedoch verschlechtert die Einleitung einer hohen Konzentration von Stickstoffatomen in die dielektrische Gate-Schicht der Hochspannungs-N+-Gate-MOS-Transistoren die Betriebssicherheit der dielektrischen Gate-Schicht.
- Angesichts dessen besteht eine starke Nachfrage in der Industrie, eine Lösung bereitzustellen, wenn es um einen Kompromiss zwischen der Leistungsfähigkeit der P+-Gate-MOS-Transistorvorrichtungen des DRAM-Unterstützungsschaltkreises und der Betriebssicherheit der dielektrischen Gate-Schicht der Hochspannungs-N+-Gate-MOS-Transistorvorrichtungen geht.
- Vor diesem Hintergrund zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer NMOS-Transistorvorrichtung in dem DRAM-Unterstützungsschaltkreis bereitzustellen, das nicht nur die Leistungsfähigkeit der Niederspannungs-P+-Gate-MOS-Transistorvorrichtung des DRAM-Unterstützungsschaltkreises verbessert, sondern auch die Betriebssicherheit der dielektrischen Gate-Schicht der Hochspannungs-N+-Gate-MOS-Transistorvorrichtungen erhöht.
- Dieses Ziel wird durch ein Verfahren zum Herstellen einer DRAM-Vorrichtung gemäß Anspruch 1 erreicht. Die abhängigen Ansprüche betreffen entsprechende Weiterentwicklungen und Verbesserungen.
- Nachfolgend wird die Erfindung weiter anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, in denen:
-
1 ein schematisches Querschnittsdiagramm ist, das einen Bereich einer DRAM-Vorrichtung zeigt, die gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung hergestellt ist, -
2 und3 schematische Querschnittsdiagramme sind, die das erfindungsgemäße Verfahren zum Ausbilden der asymmetrischen dielektrischen Gate-Schicht225 der Hochspannungs-MOS-Transistorvorrichtung20 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung zeigen. -
1 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, das einen Bereich einer DRAM-Vorrichtung1 zeigt, die gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung hergestellt ist. Wie in1 gezeigt, umfasst die DRAM-Vorrichtung1 einen Speicherfeldbereich100 und einen Unterstützungsschaltkreisbereich200 . Eine Vielzahl von Speicherzellen10 sind in dem Speicherfeldbereich100 vorgesehen und jede der Speicherzellen10 besteht aus einer erweiterten U-förmigen Vorrichtung12 und einem Deep-Trench-Kondensator14 (deep trench = tiefer Graben). - Der Einfachheit halber ist nur eine Speicherzelle
10 in1 dargestellt. Die vorgenannte erweiterte U-förmige Vorrichtung12 ist auch als RCAT (Recess Channel Array Transistor – Feldtransistor mit vertieftem Kanal) oder MOS-Transistor-Vorrichtung mit vertieftem Gate bekannt. - Die erweiterte U-förmige Vorrichtung
12 umfasst ein vertieftes Gate121 , einen Source-Dotierbereich123 , einen Drain-Dotierbereich124 und eine dielektrische Gate-Schicht125 , wobei das vertiefte Gate121 in einen Gate-Graben122 eingelegt ist, der in eine vorbestimmten Tiefe eines Halbleitersubstrats102 geätzt ist. Das vertiefte Gate121 kann Polysilizium, Metalle oder eine beliebige Kombination daraus enthalten. Die dielektrische Gate-Schicht125 kann Siliziumoxid (SiO2) enthalten. - Der Gate-Graben
122 umfasst eine vertikale Seitenwand122a und einen U-förmigen Boden122b . Der U-förmige Kanal126 der erweiterten U-förmigen Vorrichtung12 liegt direkt am U-förmigen Boden122b . - Der Deep-Trench-Kondensator
14 umfasst eine dotierte Polysiliziumschicht141 und eine dielektrische Seitenwand-Kondensatorschicht142 wie z. B. eine dielektrische Oxid-Nitrid-Oxid-Struktur (ONO). Die dotierten Polysiliziumschichten141 dienen als oberste Elektrode des Deep-Trench-Kondensators14 . - Der Einfachheit halber ist nur der obere Bereich des Deep-Trench-Kondensators
14 schematisch in1 gezeigt, während der untere Bereich des Deep-Trench-Kondensators einschließlich der verdeckten Platte (Kondensatorbodenplatte) nicht gezeigt ist. - Ein sog. SSBS-Prozess (Single-Sided Buried Strap – einseitig verdeckter Streifen) wird durchgeführt, um einen einseitig verdeckten Streifen
143 in dem oberen Bereich des Deep-Trench-Kondensators14 auszubilden. Nachfolgend wird eine Grabenoberseiten-Isolierschicht, wie eine TTO-Schicht (Trench Top Oxide-Schicht)144 ausgebildet. Die TTO-Schicht144 kann aus Siliziumoxid bestehen, das durch hochdichte plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidungsverfahren abgeschieden wird. - Der vorgenannte SSBS-Prozess umfasst allgemein die Schritte: Zurückätzen der dielektrischen Seitenwandkondensatorschicht
142 und des dotierten Polysiliziums (oder des sog. Poy-2)141 auf eine erste Tiefe; Auffüllen der Vertiefung mit einer weiteren Schicht aus Polysilizium (oder sog. Poy-3); Zurückätzen des Poy-3 auf eine zweite Tiefe; Ausbilden eines asymmetrischen Abstandshalters auf der inneren Seitenwand der Vertiefung; Wegätzen des Poy-3 und des Poy-2, die nicht vom asymmetrischen Abstandshalter bedeckt sind; Füllen der Vertiefung mit einer TTO-Isolierschicht; und chemisch-mechanisches Polieren der TTO-Isolierschicht, um die TTO-Schicht144 auszubilden. - Wie in
1 gezeigt, ist der Drain-Dotierbereich124 der erweiterten U-förmigen Vorrichtung12 mit einem Ausgangsdiffusionsbereich145 gekoppelt, der benachbart zu dem einseitig verdeckten Streifen143 des Deep-Trench-Kondensators14 liegt. Der leitfähige Stecker130 , der Source-Dotierbereich123 der erweiterten U-förmigen Vorrichtung12 , der eingeschaltete U-förmige Kanal126 , der Drain-Dotierbereich124 und der Ausgangsdiffusionsbereich145 bilden einen leitfähigen Pfad zwischen der Bitleitung und der obersten Elektrode des Deep-Trench-Kondensators14 . Elektronen oder elektrischer Strom fließen durch den vorgenannten leitfähigen Pfad, um eine Datenspeicherung oder einen Datenzugriff zu erzielen. - Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung hat der Gate-Graben
122 der erweiterten U-förmigen Vorrichtung12 , die zur Aufnahme des vertieften Gates121 verwendet wird, eine Tiefe d1 im Bereich zwischen 150 nm und 250 nm (1500 Å und 2500 Å) und eine Breite w1 im Bereich zwischen 20 nm und 60 nm (200 Å und 600 Å) (1 Å (Ångström) = 100 pm = 10–10 m (Meter)). - Gemäß dem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten DRAM sind zumindest eine Hochspannungs-MOS-Transistorvorrichtung
20 und ein Niederspannungs-MOS-Transistorvorrichtung30 in dem Unterstützungsschaltkreisbereich200 des Halbleitersubstrats102 angeordnet. Eine flache Grabenisolierstruktur (STI-Struktur)104 kann zwischen der Hochspannungs-MOS-Transistorvorrichtung20 und der Niederspannungs-MOS-Transistorvorrichtung30 ausgebildet sein, um die Hochspannungs-MOS-Transistorvorrichtung20 von der Niederspannungs-MOS-Transistorvorrichtung30 zu isolieren. - Die Hochspannungs-MOS-Transistorvorrichtung
20 umfasst ein vertieftes Gate221 , einen Source-Dotierbereich223 , einen Drain-Dotierbereich224 und eine dielektrische Gate-Schicht225 . Das vertiefte Gate221 ist in einen Gate-Graben222 eingelegt, der in eine vorbestimmte Tiefe eines Halbleitersubstrats102 geätzt ist. Das vertiefte Gate221 kann Polysilizium, Metalle oder jede beliebige Kombination daraus enthalten. Die dielektrische Gate-Schicht225 kann Siliziumoxid (SiO2) enthalten. - Gemäß dem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten DRAM ist die Hochspannungs-MOS-Transistorvorrichtung
20 ein NMOS-Transistor und das vertiefte Gate221 ist ein N+-dotiertes Polysiliziumgate. Der Source-Dotierbereich223 kann ferner einen stark dotierten N+-Dotier-Oberflächenbereich223a umfassen und der Drain-Dotierbereich224 kann ferner einen stark dotierten N+-Dotier-Oberflächenbereich224a umfassen. - Der Gate-Graben
222 ist in zwei Bereiche unterteilt: eine vertikale Seitenwand222a und einen U-förmigen Boden222b . Der U-förmige Kanal226 der Hochspannungs-MOS-Tranistorvorrichtung20 liegt direkt am U-förmigen Boden222b . Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung hat der Gate-Graben222 , der zum Aufnehmen des vertieften Gates221 verwendet wird, eine Tiefe d2, die gleich der Tiefe d1 ist, wobei d2 zwischen 150 nm und 250 nm (1500 Å und 2500 Å) liegt, während der Gate-Graben222 eine Breite w2 im Bereich zwischen 130 nm und 160 nm (1300 Å und 1600 Å) aufweist, was viel breiter als w1 ist. - Ein relevantes Merkmal dieser Erfindung ist, dass die Gate-Struktur der Hochspannungs-MOS-Transistorvorrichtung
20 in dem Unterstützungsschaltkreisbereich200 und die Gate-Struktur der erweiterten U-förmigen Vorrichtung12 in dem Speicherfeldbereich100 beide in das Halbleitersubstrat102 eingelegt sind. Dadurch sind die Herstellungsvorgänge der Nochspannungs-MOS-Transistorvorrichtung20 und der erweiterten U-förmigen Vorrichtung12 kompatibel. - Ein weiteres relevantes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass die dielektrische Gate-Schicht
225 der Hochspannungs-MOS-Transistorvorrichtung20 unterschiedliche und variable Dicken aufweist, wodurch sie eine asymmetrische dielektrische Gate-Schichtstruktur darstellt, wobei die dickere dielektrische Gate-Schicht225a zwischen dem vertieften Gate221 und dem Drain-Dotierbereich224 der Hochspannungs-MOS-Transistorvorrichtung20 angeordnet ist, während die dünnere dielektrische Gate-Schicht225b zwischen dem vertieften Gate221 und dem Source-Dotierbereich223 liegt. - Die dielektrische Gate-Schicht
225b erstreckt sich von der vertikalen Seitenwand222a des Gate-Grabens222 angrenzend an den Source-Dotierbereich223 hinab zum U-förmigen Boden222b . Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung hat die dielektrische Gate-Schicht225a eine Dicke im Bereich zwischen 15 nm und 30 nm (150 Å und 300 Å) und die dielektrische Gate-Schicht 225b hat eine Dicke im Bereich zwischen 2 nm und 6 nm (20 Å und 60 Å). - Gemäß dem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten DRAM ist die Niederspannungs-MOS-Transistorvorrichtung
30 ein Planarkanal-PMOS-Transistor mit einem Gate321 , einem P+-Source-Dotierbereich323 , einem P+-Drain-Dotierbereich324 und einer dielektrischen Gate-Schicht325 . Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ist das Gate321 ein P+-dotiertes Polysilizium-Gate. Ein Abstandshalter330 kann auf der Seitenwand des Gates321 ausgebildet sein. Der P+-Source-Dotierbereich323 kann ferner einen leicht dotierten Drain-Bereich (LDD-Bereich)323a umfassen und der P+-Drain-Dotierbereich324 kann ferner einen LDD-Bereich324a umfassen. Ein Planarkanal326 ist zwischen den LDD-Bereichen323a und324a definiert. -
2 und3 sind schematische Querschnittsdiagramme, die das erfindungsgemäße Verfahren zum Ausbilden der asymmetrischen dielektrischen Gate-Schicht225 der Hochspannungs-MOS-Transistorvorrichtung20 in Übereinstimmung mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung zeigen, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Bereiche, Schichten oder Strukturen bezeichnen. Wie in2 gezeigt, sind eine dielektrische Unterbauschicht402 und eine Nitrid-Unterlagenschicht404 auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats102 vorgesehen. Nachfolgend werden ein herkömmlicher Lithographieprozess und ein herkömmlicher Ätzprozess durchgeführt, um einen Gate-Graben122 in dem Speicherfeldbereich100 bzw. einen Gate-Graben222 in dem Unterstützungsschaltkreisbereich200 auszubilden. Der Gate-Graben122 umfasst eine vertikale Seitenwand122a und einen U-förmigen Boden122b und der Gate-Graben222 umfasst eine vertikale Seitenwand222a und einen U-förmigen Boden222b . - Die Tiefe des Gate-Grabens
122 und die Tiefe des Gate-Grabens222 sind im Wesentlichen gleich. Jedoch hat der Gate-Graben eine Breite w2, die viel breiter als die Breite (w1) des Gate-Grabens122 ist. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung liegt w2 zwischen 130 nm und 160 nm (1300 Å und 1600 Å) und w1 liegt zwischen 20 nm und 60 nm (200 Å und 600 Å). - Nachfolgend wird ein Neigungswinkel-Ionenimplantierungsvorgang durchgeführt, um vorab ausgewählte Dotiersubstanzen, wie Fluor, in eine einzelne Seite der vertikalen Seitenwand
222a des Gate-Grabens222 in einem vorbestimmten Winkel θ zu implantieren. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung können die vorgenannten Dotiersubstanzen während des Neigungswinkel-Ionenimplantierungsvorgangs in einem kleinen Bereich des U-förmigen Bodens222b implantiert werden. - Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung kann der o. g. vorbestimmte Winkel θ des Neigungswinkel-Ionenimplantierungsvorgangs zwischen 0 Grad und 30 Grad liegen, vorzugsweise zwischen 10 Grad und 15 Grad. Die vorgenanten Dotiersubstanzen können im nachfolgenden Oxidationsvorgang der dielektrischen Gate-Schicht den Unterschied der Wachstumsraten der dielektrischen Gate-Schicht zwischen einem dotierten Bereich und einem nicht-dotierten Bereich verursachen.
- Die vorgenannten Dotiersubstanzen, die im Neigungswinkel-Ionenimplantierungsvorgang verwendet werden, beeinträchtigen die vertikale Seitenwand
122a und den U-förmigen Boden122b des Gate-Grabens122 , insbesondere den U-förmigen Boden122b , nicht, da die Breite des Gate-Grabens112 in dem Speicherfeldbereich100 viel geringer ist, als die des Gate-Grabens222 in dem Unterstützungsschaltkreisbereich200 . - Wie in
3 gezeigt, wird nach dem Neigungswinkel-Ionenimplantierungsvorgang ein thermischer Oxidationsvorgang, wie ein Brennvorgang, durchgeführt, um eine dielektrische Gate-Schicht125 innerhalb des Gate-Grabens122 und eine dielektrische Gate-Schicht225 innerhalb des Gate-Grabens222 auszubilden. Die mit Fluor dotierte Einzelseite der vertikalen Seitenwand222a des Gate-Grabens222 weist eine schnellere Wachstumsrate der dielektrischen Schicht auf, als der nicht-dotierte Bereich innerhalb des Gate-Grabens222 . Deshalb wird eine dickere dielektrische Gate-Schicht225a ausgebildet. - Die dielektrische Gate-Schicht
225 der Hochspannungs-MOS-Transistorvorrichtung20 weist mindestens zwei unterschiedliche Dicken auf, wodurch sie eine asymmetrische dielektrische Gate-Schichtstruktur darstellt. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung hat die dielektrische Gate-Schicht225a eine Dicke im Bereich zwischen 15 nm und 30 nm (150 Å und 300 Å) und die dielektrische Gate-Schicht225b hat eine Dicke im Bereich zwischen 2 nm und 6 nm (20 Å und 60 Å). - Wie oben erwähnt, beeinträchtigt der Neigungswinkel-Ionenimplantierungsvorgang die Transistorprozesse innerhalb des Speicherfeldbereichs
100 nicht, da die im Neigungswinkel-Ionenimplantierungsvorgang verwendeten Dotiersubstanzen nicht in die vertikale Seitenwand122a und den U-förmigen Boden122b des Gate-Grabens122 , insbesondere den U-förmigen Boden122b des Gate-Grabens122 , implantiert werden. - Zusammenfassend offenbart die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer in einem Unterstützungsschaltkreis eines DRAM eingesetzte Transistorvorrichtung, die, ein Halbleitersubstrat mit einem Gate-Graben, ein vertieftes Gate, das in dem Gate-Graben eingelegt ist, einen Source-Dotierbereich, der an einer Seite des vertieften Gates angeordnet ist, einen Drain-Dotierbereich, der an der anderen Seite des vertieften Gates angeordnet ist, und eine dielektrische Gate-Schicht zwischen dem vertieften Gate und dem Halbleitersubstrat umfasst. Die dielektrische Gate-Schicht weist mindestens zwei Dicken auf, welche die Hochspannungs-Transistorvorrichtung asymmetrisch gestalten. Die dickere dielektrische Gate-Schicht liegt zwischen dem vertieften Gate und dem Drain-Dotierbereich, während die dünnere dielektrische Gate-Schicht zwischen dem vertieften Gate und dem Source-Dotierbereich liegt.
Claims (5)
- Verfahren zum Herstellen einer DRAM-Vorrichtung (
1 ), umfassend: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (102 ) mit einem Speicherfeldbereich (100 ) und einem Unterstützungsschaltkreisbereich (200 ), wobei ein erstes vertieftes Gate (121 ) innerhalb des Speicherfeldbereichs (100 ) angeordnet wird und ein zweites vertieftes Gate (221 ) innerhalb des Unterstützungsschaltkreisbereichs (200 ) angeordnet wird; und Bereitstellen einer ersten dielektrischen Gate-Schicht (125 ), die zwischen dem ersten vertieften Gate (121 ) und dem Halbleitersubstrat (102 ) ausgebildet wird, wobei die erste dielektrische Gate-Schicht (125 ) eine einheitliche Dicke aufweist; wobei eine zweite dielektrische Gate-Schicht (225 ) zwischen dem zweiten vertieften Gate (221 ) und dem Halbleitersubstrat (102 ) ausgebildet wird, wobei die zweite dielektrische Gate-Schicht (225 ) unterschiedliche Dicken aufweist, die bei Ausbildung der ersten dielektrischen Gate-Schicht (125 ) und der zweiten dielektrischen Gate-Schicht (225 ) in einem Vorgang aufgrund eines Neigungswinkel-Ionenimplantierungsvorgangs derart, dass die Seitenwand des ersten vertieften Gate-Grabens nicht beeinträchtigt wird, bevor die dielektrischen Schichten gebildet werden, mit unterschiedlichen Wachstumsraten ausgebildet werden. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste und das zweite vertiefte Gate (
121 ,221 ) N+-dotierte Polysilizium-Gates sind. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei sowohl das erste als auch das zweite vertiefte Gate (
121 ,221 ) Polysilizium umfasst. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei sowohl das erste als auch das zweite vertiefte Gate (
121 ,221 ) Metalle umfasst. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei sowohl das erste als auch das zweite vertiefte Gate (
121 ,221 ) eine Kombination aus Polysilizium und Metallen umfasst.
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