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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
integrierten kapazitiven Struktur.
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Bekannte
Verfahren zur Herstellung integrierter kapazitiver Strukturen umfassen
das Herstellen einer Schicht mit hemisphärischen Siliziumkörnern (hemispherical
silicon grains, HSG) auf einem Siliziumsubstrat, das Herstellen
einer Dielektrikumsschicht auf der HSG-Schicht und das Herstellen
einer leitenden Schicht auf der Dielektrikumsschicht. In einer kapazitiven
Struktur, die aus diesem Herstellungsverfahren resultiert, bilden
das Halbleitersubstrat und die HSG-Schicht gemeinsam eine erste
Elektrode und die leitende Schicht bildet eine zweite Elektrode.
Das Herstellen einer HSG-Schicht und das Herstellen der Dielektrikumsschicht
auf der HSG-Schicht
anstelle des direkten Herstellens der Dielektrikumsschicht auf dem
Halbleitersubstrat führt zu
einer kapazitiven Struktur, die eine erhöhte Kapazität aufweist. Die Kapazität ist abhängig von
der Fläche
der Oberfläche
der Dielektrikumsschicht, wobei diese Fläche größer ist, wenn die Dielektrikumsschicht
auf eine HSG-Schicht aufgebracht wird, da die HSG-Schicht einen
größeren Oberflächenbereich verglichen
zu dem Oberflächenbereich
des darunter liegenden Substrats aufweist.
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Allerdings
ist bei herkömmlichen
Verfahren die Korngröße der Siliziumkörner in
der HSG-Schicht auf etwa 60 nm begrenzt. Außerdem können die Körner einander überlappen.
Dies begrenzt den Oberflächenbereich
der HSG-Schicht und daher die Kapazität der resultierenden kapazitiven
Struktur.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung
einer kapazitiven Struktur zur Verfügung zu stellen, das zu einer kapazitiven
Struktur mit höherer
Kapazität
führt.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen
einer kapazitiven Struktur, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen einer
Trägerschicht
mit einer Oberfläche;
Herstellen einer ersten Dielektrikumsschicht auf der Oberfläche; Herstellen
einer Siliziumschicht die Siliziumkörner aufweist, auf der ersten
Dielektrikumsschicht unter Verwendung eines Abscheideprozesses;
Herstellen einer zweiten Dielektrikumsschicht auf der Siliziumschicht;
Herstellen einer Schicht eines elektrisch leitenden Materials auf
der zweiten Dielektrikumsschicht. Das Verfahren umfasst außerdem:
Das Durchführen
eines Temperaturprozesses zum Aufheizen wenigstens der ersten Dielektrikumsschicht, wobei
die Temperatur und die Dauer des Temperaturprozesses so gewählt sind,
dass die erste Dielektrikumsschicht derart modifiziert wird, dass
die Siliziumschicht elektrisch mit der Trägerschicht verbunden ist.
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Beispiele
werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Zeichnungen erläutert. Diese
Zeichnungen dienen zur Erläuterung
des Grundprinzips. Daher sind nur solche Aspekte, die zum Verständnis des Grundprinzips
notwendig sind, dargestellt. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgerecht.
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Merkmale in den Zeichnungen.
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1 veranschaulicht ein erstes Beispiel
eines Verfahren zur Herstellung einer kapazitiven Struktur.
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2 veranschaulicht ein zweites Beispiel eines
Verfahrens zur Herstellung einer kapazitiven Struktur.
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3 veranschaulicht
eines Leistungshalbleiterbauelement mit einer kapazitiven Struktur,
die mittels eines Verfahrens gemäß 2 hergestellt wurde.
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Die 1A bis 1F veranschaulichen
ein erstes Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer kapazitiven
Struktur. Bezugnehmend auf 1A wird
in einem ersten Verfahrensschritt eine Trägerschicht 11 mit
einer Oberfläche 101 zur
Verfügung gestellt.
Die Trägerschicht 11 kann
eine beliebige Trägerschicht
sein, die dazu geeignet ist, eine integrierte kapazitive Struktur
herzustellen. Gemäß einem
Beispiel ist die Trägerschicht 11 eine
Halbleiterschicht, die auf ein Halbleitersubstrat 14 (in 1A in gestrichelten
Linien dargestellt) aufgebracht ist, oder die Trägerschicht 11 ist
selbst ein Halbleitersubstrat. Die Trägerschicht 11 ist
beispielsweise eine Siliziumsschicht, wobei das Siliziummaterial
ein monokristallines Silizium, ein polikristallines Silizium oder ein
amorphes Silizium sein kann. Allerdings kann die Trägerschicht
auch aus einem beliebigen anderen geeigneten Halbleitermaterial
oder einem anderen elektrisch leitenden Material bestehen.
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Bezugnehmend
auf 1B wird in einem nächsten Schritt eine erste Dielektrikumsschicht 21 auf
der Oberfläche 101 der
Trägerschicht 11 hergestellt.
Die erste Dielektrikumsschicht 21 ist beispielsweise eine
Oxidschicht oder eine Nitridschicht 21. Eine Oxidschicht
als erste Dielektrikumsschicht 21 kann beispielsweise hergestellt
werden durch Abscheiden einer Oxidschicht auf der Oberfläche 101 oder
durch Durchführen
eines Temperaturschritts, der die Oberfläche 101 oxidiert,
wodurch eine Oxidschicht entsteht. Eine Nitridschicht als erste
Dielektrikumsschicht 21 wird beispielsweise durch einen
Abscheideprozess hergestellt.
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Die
erste Dielektrikumsschicht 21 ist eher eine dünne Schicht
mit einer Dicke von beispielsweise zwischen 0,5 nm und 5 nm. Die
Dicke der ersten Dielektrikumsschicht ist insbesondere geringer
als 3 nm, oder sogar geringer als 1 nm. Wenn die erste Dielektrikumsschicht 21 eine
Oxidschicht ist, kann diese Schicht ein sogenanntes natives Oxid
umfassen, das gebildet wird, wenn die Oberfläche 101 bei Raumtemperatur
einer oxidierenden Umgebung, d. h. einer sauerstoffenthaltenden
Atmosphäre,
ausgesetzt wird.
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Die
erste Dielektrikumsschicht 21 ist eine Hilfsschicht, die
für einen
anhand von 10 erläuterten Abscheideprozess benötigt wird,
die aber nicht in der herzustellenden kapazitiven Struktur benötigt wird.
Die erste Dielektrikumsschicht 21 kann daher so dünn wie möglich hergestellt
werden.
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Bezugnehmen
auf 1C wird eine Siliziumschicht 12, die
Siliziumkörner 13 umfasst,
auf die erste Dielektrikumsschicht 21 abgeschieden. Das Abscheiden
der ersten Siliziumschicht 12 kann unter Verwendung eines
chemischen Dampfabscheideprozesses (Chemical Vapor Deposition, CVD)
erfolgen, bei dem Silizium aus einer gasförmigen Siliziumquelle, die
auch als Precursor bezeichnet wird, abgeschieden wird. Der Abscheideprozess
ist beispielsweise ein chemischer Dampfabscheideprozess bei niedrigem
Druck (Low Pressure Chemical Vapor Deposition Process, LPCVD) der
in einer herkömmlichen
Prozesskammer durchgeführt
wird, wie beispielsweise in einer Kammer, die dazu verwendet werden
kann, um Silizium epitaktisch auf eine Trägerschicht aufzuwachen, oder
wie z. B. in einer Heizröhre
(furnace tube). In dem vorliegenden Verfahren wird das Silizium
epitaktisch in Körnern
auf die erste Dielekltrikumsschicht 21 aufgewachsen. Der
Abscheideprozess gemäß dieses
Verfahrens ist ein semi-selektiver Abscheideprozess, der es ermöglicht, dass
Silizium auf die erste Dielektrikumsschicht abgeschieden wird, während bei
einem selektiven Abscheideprozess Silizium nur auf einer Siliziumschicht aber
nicht auf eine Dielektrikumsschicht abgeschieden würde. Die
Semi-Selektivität des Verfahrens
wird erreicht durch Verwenden einer gasförmigen Siliziumquelle (precursor)
die Chlor (Cl) enthält.
Diese gasförmige
Siliziumquelle ist beispielsweise, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein,
Dichlorsilan (DOS, SiH2Cl2),
Trichlorsilan (TCS, SiHCl3), oder Siliziumtetrachlorid
(SiCl4). Außer durch Verwendung einer chlorhaltigen
gas förmigen
Siliziumquelle kann die Semi-Selektivität des Abscheideprozesses auch durch
Hinzufügen
eines Ätzgases
zu der Siliziumquelle erreicht werden. Dieses Ätzgas ist beispielsweise, ohne
jedoch darauf beschränkt
zu sein, Chlorwasserstoff-(HCl)-Gas. Außer dem Precursor und dem Ätzgas wird
bei dem Abscheideprozess ein Trägergas
(carrier gas) verwendet. Das Trägergas
ist beispielsweise, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Wasserstoff (H2).
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Nachfolgend
werden Beispiele für
Prozessparameter eines semi-selektiven
Abscheideprozesses erläutert,
die geeignet sind, eine Halbleiterschicht, die Siliziumkörner aufweist,
herzustellen.
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BEISPIEL 1
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- Precursor:
- DCS (Flussrate zwischen
0,01 slpm und 1 slpm)
- Ätzgas:
- HCl (Flussrate zwischen
0 und 0,5 slpm)
- Trägergas:
- H2 (Flussrate
10–100
slpm)
- Druck:
- zwischen 1 Torr (≈ 133,322 Pa) und
100 Torr, insbesondere zwischen 5 Torr und 30 Torr.
- Abscheidezeit:
- zwischen 10 s (Sekunden)
und 600 s, insbesondere zwischen 10 s und 100 s
- Temperatur:
- zwischen 600°C und 1250°C, insbesondere
zwischen 750°C
und 1000°C.
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BEISPIEL 2
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- Precursor:
- TCS (Flussrate zwischen
0,1 slpm und 10 slpm)
- Ätzgas:
- HCl Flussrate zwischen
0 und 5 slpm)
- Trägergas:
- H2 (Flussrate
zwischen 10 slpm und 100 slpm)
- Druck:
- etwa Atmosphärendruck
(760 Torr = 1,013 bar)
- Abscheidezeit:
- zwischen 10 s (Sekunden)
und 600 s, insbesondere zwischen 10 s und 100 s
- Temperatur:
- zwischen 600°C und 1250°C, insbesondere
zwischen 750°C
und 1000°C.
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In
diesen Beispielen sind der ”Druck” und die ”Temperatur” der Druck
und die Temperatur in der Prozesskammer, in der der Abscheideprozess
durchgeführt
wird. Die ”Abscheidezeit” ist die
Zeit, für
welche der Abscheideprozess durchgeführt wird. Außerdem entspricht
die Einheit 1 slpm für
die Flussrate, die im Bereich der Vakuumtechnik allgemein verwendet
wird, 1,68875 Pa·m3/s.
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Der
semi-selektive Abscheideprozess führt zu einer Siliziumschicht 12 mit
Siliziumkörnern 13, wobei
ein durchschnittlicher Durchmesser der Siliziumkörner und ein durchschnittlicher
Abstand zwischen benachbarten Siliziumkörnern durch geeignete Wahl
der folgenden Prozessparameter während des
Abscheideprozesses eingestellt werden kann: Gasfluss der Prozessgase,
wie beispielsweise der gasförmigen
Siliziumquelle und des Ätzgases;
Temperatur während
des Abscheideprozesses; und Druck während des Abscheideprozesses.
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
sind diese Prozessparameter so gewählt, dass sie zu Siliziumkörnern mit
einem durchschnittlichen Durchmesser von mehr als 40 nm, und insbesondere
mit mehr als 70 nm, und zu einem durchschnittlichen gegenseitigen
Abstand von etwa 120 nm führen.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist
ein durchschnittlicher Durchmesser der Siliziumkörner etwa 300 nm und ein durchschnittlichen
gegenseitiger Abstand ist etwa 200 nm. Dies kann beispielsweise
unter Verwendung eines Abscheideprozesses mit folgenden Parametern
erreicht werden:
- Precursor:
- DCS (Flussrate 0,2
slpm)
- Ätzgas:
- HCl (Flussrate 0 slpm)
- Trägergas:
- H2 (Flussrate
25 slpm)
- Druck:
- 15 Torr
- Abscheidezeit:
- 60 s
- Temperatur:
- 900°C.
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In
nächsten
Verfahrensschritten, die in 1D veranschaulicht
sind, wird eine zweite Dielektrikumsschicht 31 auf den
Siliziumkörnern 13 der Siliziumschicht 12 und
auf solchen Abschnitten der ersten Dielektrikumsschicht 31,
die nicht durch die Siliziumkörner 13 bedeckt
sind, hergestellt. Die zweite Dielektrikumsschicht 31 ist
beispielsweise eine Oxidschicht, die durch einen Abscheide- oder
Oxidationsprozess hergestellt wird. Ein Oxid, das durch einen Abscheideprozess
hergestellt wird, ist beispielsweise ein Halbleiteroxid oder ein
Metalloxid, letzteres ist beispielsweise Aluminiumoxid. Ein Oxid,
das durch einen Oxidationsschritt erhalten wird, ist ein Siliziumoxid.
Allerdings kann die zweite Dielektrikumsschicht 31 auch
eine beliebige andere Dielektrikumsschicht sein, die zum Herstellen
einer kapazitiven Struktur geeignet ist, wie beispielsweise ein
Nitrid oder ein sogenanntes hochdielektrisches Dielektrikum (high-k-dielectric).
Die Dielektrikumsschicht 31 kann auch als Schichtstapel
realisiert sein, der zwei oder mehr Dielektrikumsschichten umfasst,
wobei jede dieser Schichten eines der genannten Dielektrikumsmaterialien
enthalten kann.
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Neben
anderen Parametern, wie die Dicke der zweiten Dielektrikumsschicht 31 und
die dielektrischen Eigenschaften der zweiten Dielektrikumsschicht 31,
beeinflusst die Fläche
der Oberfläche
der zweiten Dielektrikumsschicht 31 die Kapazität der herzustellenden
kapazitiven Struktur. Diese Oberflächenfläche vergrößert sich mit größer werdendem Durchmesser
der Siliziumkörner 13.
Ein Beispiel zum Erreichen einer maximalen Oberflächenfläche der
Dielektrikumsschicht wird nun für
den Fall erläutert,
bei dem die Dielektrikumsschicht 31 eine abgeschiedene Schicht
ist oder ein Schichtstapel ist, bei dem die erste Schicht eine abgeschiedene
Schicht ist: Bei einem gegebenen Durchmesser der Siliziumkörner 13 wird ein
Maximum der Oberflächenfläche dann
erreicht, wenn ein (durchschnittlicher) Abstand der Siliziumkörner 13 etwa
das Doppelte – oder
etwas mehr als das Doppelte – der
Dicke der zweiten Dielektrikumsschicht 31 beträgt. Ausgehend
von diesem Abstand, der zu einem Maximum der Oberflächenfläche führt, nimmt
die Oberflächenfläche mit
abnehmendem Abstand zwischen den einzelnen Siliziumkörnern 13 ab, und
nimmt mit zunehmendem Abstand zwischen den einzelnen Siliziumkörnern 13 ab.
Der semi-selektive Abscheideprozess,
der oben erläutert
wurde, erlaubt es, den Durchmesser der Siliziumkörner 13 und den gegenseitigen
Abstand der Siliziumkörner 13 durch geeignete
Wahl der Abscheideprozessparameter einzustellen. Unter Berücksichtigung
einer gewünschten
Dicke der zweiten Dielektrikumsschicht 31 können diese
Prozessparameter daher so gewählt
werden, dass große
Siliziumkörner 13 entstehen,
d. h. Siliziumkörner
mit einem Durchmesser von mehr als 40 nm oder sogar mehr als 60
nm, die einen gegenseitigen Abstand haben, der etwa das Doppelte
der Dicke der zweiten Dielektrikumsschicht 31 beträgt, um dadurch
eine maximale Oberflächenfläche der
zweiten Dielektrikumsschicht 31 zu erhalten, und dadurch
eine maximale Kapazität
der resultierenden kapazitiven Struktur bei einer gegebenen Oberflächenfläche der
Oberfläche 101 zu
erreichen. Der gegenseitige Abstand der Siliziumkörner beträgt insbesondere
zwischen dem 1,8-fachen und dem 2,2-fachen der zweiten Dielektrikumsschicht 31.
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Wenn
die Dielektrikumsschicht 31 eine Oxidschicht ist oder eine
Oxidschicht als erste Schicht aufweist, und wenn diese Oxidschicht
ein thermisches Oxid ist, d. h. unter Verwendung eines thermischen
Prozesses hergestellt wurde, kann der gegenseitige Abstand zwischen
benachbarten Körner
kleiner sein als die Hälfte
der Dicke der Dielektrikumsschicht 31, um eine maximale
Oberflächenfläche zu erreichen.
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Bezugnehmend
auf 1E wird eine elektrisch leitende Schicht 41 auf
der zweiten Dielektrikumsschicht 31 hergestellt. Diese
leitende Schicht 41 ist beispielsweise, ohne jedoch darauf
beschränkt
zu sein, eine dotierte polykristalline Halbleiterschicht, wie beispielsweise
n-dotiertes Polysilizium.
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Das
Verfahren umfasst außerdem
das Durchführen
eines Temperaturprozesses zum Aufheizen wenigstens der ersten Dielektrikumssschicht 21.
Die Temperatur und die Dauer des Temperaturprozesses sind so gewählt, dass
die erste Dielektrikumsschicht derart modifiziert wird, dass die
Siliziumschicht 12 bzw. die Siliziumkörner 13 elektrisch
mit der Trägerschicht 11 verbunden
werden. 1F veranschaulicht schematisch
die kapazitive Struktur nach Durchführen dieses Temperaturprozesses.
Die Siliziumschicht 12 mit den Siliziumkörnern 13 und
die Trägerschicht 11 bilden
gemeinsam eine erste Elektrode 10 der kapazitiven Struktur,
die zweite Dielektrikumsschicht 31 bildet ein Kapazitätsdielektrikum bzw.
ein Kondensatordielektrikum der kapazitiven Struktur, und die leitende
Schicht 41 bildet eine zweite Elektrode der kapazitiven
Struktur. Zum besseren Verständnis
ist das Schaltsymbol der kapazitiven Struktur in 1F ebenfalls
dargestellt.
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Bezugnehmend
auf die Darstellung in den 15 und 1F wird
der Temperaturprozess zum Modifizieren der ersten Dielektrikumsschicht 21 durchgeführt, nachdem
die leitende Schicht 41 hergestellt wurde. Dies ist allerdings
nur ein Beispiel. Das Verfahren ist nicht darauf beschränkt, diesen Temperaturprozess
nach Herstellen der leitenden Schicht durchzuführen. Dieser Temperaturprozess kann
vielmehr zu einem beliebigen Zeitpunkt durchgeführt werden, nachdem die zweite
Dielektrikumsschicht 31 hergestellt wurde. Wenn die zweite
Dielektrikumsschicht 31 unter Verwendung eines thermischen
Oxidationsprozesses hergestellt wird, kann dieser Oxidationsprozess
selbst der Temperaturprozess sein, der die erste Dielektrikumsschicht 21 modifiziert.
Während
des Temperaturprozesses können unterschiedliche
Arten von Modifikationen der ersten Dielektrikumsschicht 21 auftreten,
wobei jede dieser Modifikationen dazu führt, dass die erste Dielektrikumsschicht 21 aufgebrochen
wird, woraus eine elektrische Verbindung zwischen den Siliziumkörner 13 und
der Trägerschicht 11 resultiert.
Anhand des Beispiels einer Oxidschicht als erste Dielektrikumsschicht 21 werden
nachfolgend zwei unterschiedliche Arten möglicher Modifikationen unter
Einfluss des Temperaturprozesses erläutert. Erstens, Oxidmoleküle – d. h.
Siliziumdioxidmoleküle,
wenn die Oxidschicht eine Siliziumoxidschicht ist – agglomerieren zu
perlenartigen Strukturen in dem Zwischenschichtbereich zwischen
der Trägerschicht 11 und
der Siliziumschicht 12. Eine solche Agglomeration 21' von Oxidmolekülen ist
in 1F schematisch dargestellt. Zweitens, Oxidmoleküle der Oxidschicht 21 können sich
unter dem Einfluss der Temperatur während des Temperaturprozesses
in ihre Bestandteile zerlegen, d. h. Sauerstoff und Halbleiteratome,
wie z. B. Siliziumatome, wenn die Oxidschicht 21 eine Siliziumoxidschicht
ist. Die Sauerstoffatome, die aus dieser Zerlegung der Oxidmoleküle resultieren,
können
agglomerieren oder können
sogenannte Sauerstoffpräzipitate 21'' in der Trägerschicht 11 oder
in dem Zwischenschichtbereich zwischen der Trägerschicht 11 und
der Siliziumschicht 12 bilden. Weiterhin kann sich wenigstens
ein Teil der Sauerstoffatome in dem Siliziumkristallgitter ”auflösen”.
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Ähnliche
Mechanismen gelten für
eine Nitridschicht als erste Dielektrikumsschicht 21. Eine
dünne Schicht
mit einer Dicke von beispielsweise weniger als 1 nm kann unter Einfluss
des Temperaturprozesses ebenfalls ”aufgelöst” werden.
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Die
Temperatur des Temperaturprozesses zum Modifizieren oder Auflösen der
ersten Dielektrikumsschicht beträgt
beispielsweise zwischen 700°C und
1300°C,
insbesondere zwischen 800°C
und 1300°C,
und besonders zwischen 900°C
und 1250°C.
Die Dauer des Temperaturprozesses ist beispielsweise zwischen 5
s und 15 h, insbesondere zwischen 1 min und 300 min, und besonders
zwischen 5 min und 200 min.
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Selbst
in solchen Fällen,
bei denen die erste Dielektrikumsschicht 21 eine Dicke
besitzt, die nicht oder die nicht vollständig aufgelöst wird, so dass eine dünne Schicht
von weniger als 3 nm, insbesondere weniger als 1 nm, verbleibt,
nachdem der Temperaturprozess durchgeführt wurde, kann dennoch eine korrekte
Funktionsweise der kapazitiven Struktur sichergestellt werden. Durch
Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der ersten Elektrode 10 und
der zweiten Elektrode 41 können Ladungsträger aus
dem Substrat durch die verbleibende erste Dielektrikumsschicht 21 in
die Siliziumkörner 13 tunneln, oder
können
durch die verbleibende erste Dielektrikumsschicht 21 von
den Körnern 13 in
das Substrat tunneln. In diesem Fall sind die Siliziumschicht 12, die
die Körner 13 umfasst,
und das darunterliegende Substrat 11 miteinander über einen ”Tunnelkontakt” verbunden.
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In
dem Verfahren, das unter Bezugnahme auf 1 erläutert wurde,
wird der Schichtstapel mit der ersten Dielektrikumsschicht 21,
der Siliziumschicht 12, der zweiten Dielektrikumsschicht 31 und der
leitenden Schicht 41 auf einer planaren horizontalen Oberfläche der
Trägerschicht 11 hergestellt. Dies
ist allerdings lediglich ein Beispiel. Selbstverständlich kann
dieser Schichtstapel auf einer beliebigen Oberfläche der Trägerschicht 11, insbesondere auf
Oberflächen
von Gräben,
die in der Trägerschicht 11 ausgebildet
sind, hergestellt werden. Ein Verfahren zum Herstellen einer kapazitiven
Struktur in Gräben
einer Trägerschicht 11 wird
nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2A bis 2E erläutert.
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Bezugnehmend
auf 2A umfasst die Trägerschicht 11 wenigstens
einen (in dem Beispiel zwei) Graben 15, der sich in die
Trägerschicht 11 hineinerstreckt.
In dem Beispiel gemäß 2A erstrecken
sich diese Gräben 15 in
einer vertikalen Richtung der Trägerschicht 11.
Diese Gräben 15 können sich
allerdings auch unter einem Winkel anders als 0° bezogen auf die vertikale Richtung
in die Trägerschicht 11 hineinerstrecken.
Die Gräben 15 können unter
Verwendung eines herkömmlichen
Verfahrens zum Herstellen von Gräben
in der Trägerschicht 11 hergestellt
werden, einschließlich
eines Ätzprozesses
unter Verwendung einer Ätzmaske 50,
wie beispielsweise einer Hartmaske. Die Oberfläche der Trägerschicht 11 umfasst
nach Herstellen der Gräben 15 Seitenwände und
Böden der
Gräben 15,
und horizontale Oberflächen
oberhalb von sogenannten Mesagebieten, wobei diese Mesagebiete Halbleitergebiete
der Trägerschicht 11 sind,
die zwischen zwei benachbarten Gräben bzw. benachbart zu den
Gräben
angeordnet sind. Optional verbleibt die Ätzmaske 50 nach der
Trenchätzung
auf den Oberflächen dieser
Mesagebiete (wie in 2A in gestrichelten Linien dargestellt
ist). Die Maske 50 ist beispielsweise eine Oxid-Hartmaske.
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Die
Verfahrensschritte nach dem Herstellen der Gräben 15 in der Trägerschicht 11 entsprechen den
Verfahrensschritten, die unter Bezugnahme auf die 1A bis 1F erläutert wurden.
Bezugnehmend auf 2B umfassen diese Verfahrensschritte das
Herstellen der ersten Dielektrikumsschicht 21 auf der Oberfläche der
Trägerschicht 11.
Sofern die Ätzmaske 50 auf
den oberen Oberflächen
der Mesagebiete vorhanden ist, wird die erste Dielektrikumsschicht 21 nur
an den Seitenwänden
und an dem Boden der Gräben
hergestellt, wenn die Ätzmaske 50 eine
Oxidmaske ist und wenn die erste Dielektrikumsschicht 21 durch
thermische Oxidation hergestellt ist.
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Wenn
die erste Dielektrikumsschicht 21 durch einen Abscheideprozess
hergestellt wird, wird die Dielektrikumsschicht 21 auf
die Seitenwände
und den Boden der Gräben 15 ebenso
wie auf die Oberflächen
der Ätzmaske 50 (in 2 nicht dargestellt) abgeschieden. Bezüglich des
Herstellens der ersten Dielektrikumsschicht 21 gelten die
im Zusammenhang mit 1B gemachten Erläuterungen
entsprechend.
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Bezugnehmend
auf 2C wird die Siliziumschicht 12 mit den
Siliziumkörnern
auf der ersten Dielektrikumsschicht 21 unter Verwendung
des semi-selektiven Abscheideprozesses, der zuvor erläutert wurde,
abgeschieden. In 2C ist die Siliziumschicht 21 nur
schematisch dargestellt, die Siliziumkörner 23 sind in dieser
Figur nicht explizit dargestellt. Während dieses semi-selektiven
Abscheideprozesses können
Siliziumkörner
auch auf der Ätzmaske 50 hergestellt
werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Ätzmaske 50 aus einem
Material, wie beispielsweise einem Oxid oder einem Nitrid, besteht,
das ein Abscheiden von Siliziumkörnern
erlaubt, wenn der erläuterte
semi-selektive Abscheideprozess angewendet wird.
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Wenn
die Ätzmaske 50 auf
den oberen Oberflächen
der Mesagebiete verblieben ist, kann diese Maske 50, zusammen
mit Abschnitten der Siliziumschicht 12 und der ersten Dielektrikumsschicht 21, die
auf der Ätzmaske
hergestellt wurden, entfernt werden, bevor die zweite Dielektrikumsschicht 31 in nachfolgenden
Prozessschritten hergestellt wird. 2D veranschaulicht
schematisch die Halbleiterstruktur nach Entfernen der Schutzschicht 50 und Herstellen
der zweiten Dielektrikumsschicht 31. Die zweite Dielektrikumsschicht 31 wird
auf den oberen Oberflächen
der Mesagebiete, ebenso wie auf der Siliziumschicht 12 an
den Seitenwänden
und dem Böden
der Gräben 15 hergestellt.
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In
nächsten
Verfahrenschritten wird die leitende Schicht 41 in den
Gräben 15 und
oberhalb der oberen Oberflächen
der Mesagebiete hergestellt. Die leitende Schicht 41 kann
die Gräben
vollständig
auffüllen,
wie dies in 2E dargestellt ist, oder kann
so hergestellt werden, dass sie nur die zweite Dielektrikumsschicht 31 überdeckt,
die Gräben
aber nicht vollständig
auffüllt
(nicht dargestellt).
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A
und B in 2E zeigen Details der kapazitiven
Struktur in einem Bereich der Seitenwand eines der Gräben (Detail
A) und dem Boden eines der Gräben
(Detail B). In diesen Gebieten umfasst eine erste Elektrode 10 der
kapazitiven Struktur die Trägerschicht 11 und
die Siliziumkörner 13,
die zweite Dielektrikumsschicht 31 bildet das Dielektrikum
der kapazitiven Struktur, und die leitende Schicht 41 bildet die
zweite Elektrode der kapazitiven Struktur.
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Wenn
die Ätzmaske 50 auf
den oberen Oberflächen
der Mesagebiete verblieben ist, gibt es keine Körnerstruktur in diesem Bereich
der kapazitiven Struktur. Dies ist in 2E als
Detail C dargestellt. Im Bereich dieser oberen Oberflächen des
Mesagebiets schließt
sich die Dielektrikumsschicht 31 unmittelbar an die Trägerschicht 11 an
und trennt die Trägerschicht 11 von
der leitenden Schicht 41. Wenn die Ätzmaske 50 weggelassen
wurde, dann entspricht die Struktur in dem Gebiet der oberen Oberflächen des
Mesagebiets der Struktur am Boden des Grabens, wie dies im Detail
B dargestellt ist.
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Die
kapazitive Struktur, die zuvor erläutert wurde, kann in einem
beliebigen Halbleiterbauelement verwendet werden, in dem eine integrierte
Kondensatorstruktur benötigt
wird. Diese Halbleiterbauelemente umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein,
Speicherbauelemente, wie z. B. DRAMs.
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Bezugnehmend
auf 3 kann die kapazitive Struktur auch in einer speziellen
Art von Leistungshalbleiterbauelementen eingesetzt werden, das als
TEDFET (Trench Extendet Drain Field-Effect Transistor) bekannt ist. Ein
Beispiel eines solchen Leistungshalbleiterbauelements ist in 3 dargestellt.
Dieses Bauelement umfasst eine herkömmliche MOS-Transistorstruktur mit einer Driftzone 41, die
zwischen einer Drainzone 42 und einer Bodyzone 43 angeordnet
ist, wobei die Bodyzone 43 zwischen der Driftzone 41 und
einer Sourcezone 44 angeordnet ist. Die MOS-Transistorstruktur
umfasst außerdem
eine Gateelektrode 45, die benachbart zu der Bodyzone 43 angeordnet
ist und die von der Bodyzone 43 durch ein Gatedielektrikum 46 getrennt
ist. Die Gateelektrode 45 erstreckt sich in der Bodyzone 43 – getrennt
durch das Gatedielektrikum 46 – von der Sourcezone 44 bis
an die Driftzone 41 und dient zum Steuern eines leitenden
Kanals in der Bodyzone 43 zwischen der Sourcezone 44 und
der Driftzone 41. In dem Beispiel gemäß 3 ist die
MOS-Transistorstruktur eine vertikale Trench-Transistorstruktur,
bei der die Gateelektrode 45 in einem Graben angeordnet
ist, der sich in einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers 100,
in dem die MOS-Transistorstruktur integriert
ist, erstreckt. Dies ist allerdings lediglich ein Beispiel. Die
MOS-Transistorstruktur kann auch mit einer planaren Gateelektrode
realisiert werden.
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Außer auf
eine vertikale Transistorstruktur, bei der sich eine Driftzone in
einer vertikalen Richtung des Halbleiterkörpers erstreckt, ist das nachfolgend
erläuterte
Prinzip auch auf laterale Transistorstrukturen anwendbar.
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Die
MOS-Transistorstruktur kann eine Struktur eines n-Transistors oder
eines p-Transistors sein. Bei einer n-leitenden Transistorstruktur sind die
Sourcezone 44 und die Drainzone 42 n-dotiert,
und die Bodyzone 43 ist p-dotiert. Bei einer p-leitenden
Transistorstruktur sind die Dotierungstypen dieser Bauelementzonen
jeweils komplementär
zu den genannten Dotierungstypen.
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Außerdem kontaktiert
der Sourceanschluss S sowohl die Sourcezone 44 als auch
die Bodyzone 43, so wie dies bei herkömmlichen MOS-Transistoren der
Fall ist.
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Außer der
MOS-Transistorstruktur umfasst das Leistungshalbleiterbauelement
eine Driftsteuerzone 51, die benachbart zu der Driftzone 41 angeordnet
ist und die von der Driftzone 41 durch ein sogenanntes
Driftsteuerzonendielektrikum 61 getrennt ist. Aufgabe dieser
Driftsteuerzone 51 ist die Steuerung eines leitenden Kanals
in der Driftzone 41 entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 61,
wenn sich die MOS-Transistorstruktur
in einem Ein-Zustand befindet bzw. leitend angesteuert ist. Die
Driftsteuerzone 51 dient daher zur Reduzierung des Einschaltwiderstandes
(on-resistance) des gesamten Transistorbauelements.
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Anders
als bei herkömmlichen
MOS-Transistoren kann die Driftzone 41 bei diesem Halbleiterbauelement
(unabhängig
von der Art der MOS-Transistorstruktur) n-dotiert oder p-dotiert
sein. Wenn beispielsweise bei einer n-leitenden MOS-Transistorstruktur
die Driftzone 41 n-dotiert ist, bildet sich ein Akkumulationskanal
entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 61 aus, der durch
die Driftsteuerzone 51 gesteuert ist. Wenn bei einer n-leitenden
MOS-Transistorstruktur die Driftzone 41 p-dotiert ist,
dann bildet sich ein Inversionskanal entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 61 in
der Driftzone 41 aus, wenn sich das Bauelement im Ein-Zustand
befinden. Wie ein herkömmlicher
MOS-Transistor ist dieses Bauelement im Ein-Zustand, wenn eine Spannung
zwischen die Source- und Drainzonen 44, 42 bzw.
die Source- und Drainanschlüsse
S, D angelegt wird, und wenn ein geeigneten elektrisches Potential
an die Gateelektrode 45 angelegt wird, das einen leitenden
Kanal in der Bodyzone 43 zwischen der Sourcezone 44 und
der Driftzone 41 bewirkt. Bei einer n-leitenden MOS-Transistorstruktur
ist die zwischen Drain D und Source S anzulegende Spannung, um das
Bauelement in seinen Ein-Zustand zu überführen, eine positive Spannung
und das Gatepotential ist ein positives Potential bezogen auf das
Sourcepotential.
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Wenn
sich das Transistorbauelement in seinem Ein-Zustand befindet, werden
in der Driftsteuerzone 51 Ladungsträger benötigt, um den Akkumulations-
oder Inversionskanal entlang des Driftsteuerzonendielektrikums 61 in
der Driftzone 41 zu bewirken. In einem Transistorbauelement
mit einer n-leitenden MOS-Transistorstruktur werden p-Ladungsträger (Löcher) in
der Driftsteuerzone 51 benötigt, um diesen leitenden Kanal
zu bewirken. Diese Ladungsträger
werden in der Driftsteuerzone 51 nur dann benötigt, wenn
sich das Bauelement in seinem Ein-Zustand befindet. Wenn sich das Bauelement
in seinem sperrenden Zustand befindet, werden die Ladungsträger aus
der Driftsteuerzone 51 entfernt, und – entsprechend wie in der Driftzone 41 – bildet
sich eine Raumladungszone bzw. Verarmungszone in der Driftsteuerzone 51 aus.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die Driftsteuerzone 51 vom
selben Leitungstyp wie die Driftzone 41 oder von einem
komplementären
Leitungstyp sein kann.
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Die
Driftsteuerzone 51 ist über
ein Gleichrichterelement 54, wie beispielsweise eine Diode,
an die Drainzone 42 gekoppelt. Das Gleichrichterelement
ist so gepolt, dass ein Entladen der Driftsteuerzone 51 auf
das elektrische Potential der Drainzone 42 verhindert wird,
wenn sich das Bauelement in seinem Ein-Zustand befindet. Bei einem
n-leitenden Transistorbauelement ist ein Anodenanschluss des Gleichrichterelements 54 an
die Driftsteuerzone 51 gekoppelt, während ein Kathodenanschluss
an die Drainzone 42 angeschlossen ist. Ein zweiter Verbindungsanschluss 52,
der zwischen der Driftsteuerzone 51 und dem Gleichrichterelement 54 angeordnet ist,
ist optional und ist vom gleichen Leitungstyp wie die Driftsteuerzone 51,
aber höher
dotiert.
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Die
Ladungsträger,
die aus der Driftsteuerzone 51 entfernt werden, wenn das
Bauelement sperrt, werden in einer kapazitiven Struktur 70 gespeichert, bis
das Bauelement das nächste
mal eingeschaltet wird, wobei die kapazitive Struktur zwischen Source S
und die Driftsteuerzone 51 geschaltet ist. Bei Einschalten
des Bauelements werden die in der kapazitiven Struktur 70 gespeicherten
Ladungsträger
in die Driftsteuerzone 51 ”verschoben”.
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Die
kapazitive Struktur 70 ist eine integrierte kapazitive
Struktur die gemäß dem zuvor
erläuterten Verfahren
hergestellt wurde. Diese kapazitive Struktur 70 ist in
einer Verbindungszone 53 hergestellt, die sich an die Driftsteuerzone 41 anschließt und die
bei einem n-leitenden Bauelement p-dotiert ist. Außerdem kann sich kapazitive
Struktur 70 teilweise in die Driftsteuerzone 51 hineinerstrecken.
Die Verbindungszone 53 und die Driftsteuerzone 51 funktionieren
als Trägerschicht
oder erste Elektrode der kapazitiven Struktur.
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Zum
Bereitstellen von Ladungsträgern
in der Driftsteuerzone 51, wenn das Bauelement zum ersten
Mal eingeschaltet wird, d. h. wenn die kapazitive Struktur 70 noch
nicht geladen wurde, kann die Driftsteuerzone 51 über die
erste Verbindungszone 53 an den Gateanschluss G gekoppelt
sein. In diesem Fall werden Ladungsträger aus einer Gatetreiberschaltung
bereitgestellt, die im Betrieb des Transistorbauelements an den
Gateanschluss G gekoppelt ist. Eine Diode 55, die zwischen
den Gateanschluss G und die Verbindungszone 53 gekoppelt
ist, dient dazu, zu verhindern, dass die Driftsteuerzone 51 in Richtung
des Gateanschlusses G entladen wird.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die zuvor im Zusammenhang
mit einem Ausführungsbeispiel
erläutert
wurden, auch mit Merkmalen anderer Beispiele kombiniert werden können, auch wenn
dies zuvor nicht explizit erwähnt
wurde.