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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Herstellungsverfahren für
ein Kontaktloch in einer Halbleiterstruktur.
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Obwohl prinzipiell auf beliebige
integrierte Schaltungen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung
sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in bezug auf integrierte
Speicherschaltungen in Silizium-Technologie erläutert.
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Bei der Herstellung integrierter
Schaltungen, insbesondere integrierter Halbleiter-Speicherschaltungen,
ist es erforderlich, verschiedene Arten von Kontakten herzustellen.
Dabei ist es wünschenswert, diese
verschiedenen Kontakte mit wenigen Lithographieebenen und Ätzschritten
herzustellen, um eine hohe Justiergenauigkeit und geringe Kosten
zu gewährleisten.
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Die Patentschrift
U.S. 6,043,116 beschreibt ein Verfahren
zur Herstellung eines selbstausgerichteten Kontaktes, wobei zur
Kontaktflächenvergrößerung zu
dotierten Gebieten zwischen zwei Gate-Stapeln mit einer obersten
Gate-Schicht und Spacern beim Ätzen
eines Kontaktloches in die Isolationsschicht mit einer Hartmaskenschicht
als Maske die Spacer selektiv zur Maske und zur obersten Gate-Schicht
entfernt werden, woraufhin neue Seitenwand-Spacer im Kontaktloch
gebildet werden. Die oberste Gate-Schicht besteht dabei vorzugsweise aus
Siliziumnitrid und der Spacer aus Siliziumoxid.
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In der Patentschrift
U.S. 5,950,104 wird ein nicht vollständiges Entfernen
von Oxid-Spacern beim Bilden eines Kontaktlochs und das nachträgliche Vorsehen
weiterer Oxid-Spacer im Kontaktloch offenbart. Eine dabei eingesetzte
Maske besteht aus Photolack.
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Die europäische Offenlegungsschrift
EP 0 869 555 A2 beschreibt
selbstausgerichtete Kontakte für
integrierte Halbleiterschaltungen und ein Verfahren zum Herstellen
derselben, wobei vorstehende bzw. geneigte bzw. vorspringende Gate-Nitrid-Kappen
und Oxid-Spacer nach einem zweistufigen Rückätzen der unterliegenden Schichten
das vorstehende Nitrid, an dessen Flanken die Spacer abgeschieden
werden, gebildet wird.
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In der amerikanischen Patentschrift
U.S. 6,091,154 wird eine
Halbleitervorrichtung mit einem selbstausgerichteten Kontakt und
ein entsprechendes Herstellungsverfahren offenbart, wobei das Verfahren
nicht selektiv zu vorhandenen Nitrid-Spacern ist.
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Das U.S.-Patent
U.S. 6,306,760 B1 beschreibt
ein Verfahren zum Bilden eines selbstausgerichteten Kontaktloches
auf einem Halbleiter-Wafer, wobei eine Siliziumdioxidschicht im
Zellenbereich zu einem ersten Spacer zurückgeätzt wird. Die Siliziumdioxid-Seitenwände am Gate
werden dabei durch einen CVD-Schritt
(chemical vapour deposition) gebildet.
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In der Patentschrift
U.S. 6,410,423 B1 wird eine
Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen
offenbart, wobei das dabei beschriebene Kontaktierungsverfahren
gegen Verfahren wie SAC und PSC abgegrenzt wird.
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Hinsichtlich des Ätzens von Siliziumdioxid-Spacern
bei der Kontaktlochherstellung beschreibt die Übersetzung der europäischen Patentschrift
DE 693 32 136 T2 ein
Halbleiterbauelement mit einem Kontakt und Verfahren zu seiner Herstellung.
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2 zeigt
ein beispielhaftes Silizium-Halbleitersubstrat 1 mit einer
nicht näher
illustrierten Speicherzellenanordnung. 6 bezeichnet ein
aktives Gebiet, beispielsweise ein gemeinsames Source-/Draingebiet
zweier Speicherzellen. GS1, GS2 sind zwei nebeneinander liegende
Gatestapel auf einer Gatedielektrikumschicht 5, welche
aus einer Polysiliziumschicht 10, einer Silizidschicht 20,
einer Siliziumnitridschicht 30, Seitenwandoxidbereichen 40 und
Siliziumnitridspacern 45 aufgebaut sind.
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55 bezeichnet eine optionale Linerschicht, welche
als Barriere gegen die Diffusion von Bor und Phosphor und als Ätzstopp
für ein
späteres
Siliziumoxidätzen
dient. Als Linerschicht 55 eignet sich z.B. Siliziumnitrid
oder Siliziumoxinitrid. 60 bezeichnet eine erste Siliziumdioxidschicht,
in die die Gatestapel GS1, GS2 eingebettet sind, und 70 eine
darüberliegende
zweite Siliziumdioxidschicht. 80 bezeichnet eine übliche Hartmaske
mit einer Öffnung
O zum Ätzen
eines Kontaktlochs CB für
einen kritischen Kontakt.
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Zwischen den beiden Gatestapeln GS1,
GS2 muss ein kritischer Kontakttyp (Bitleitungskontakt), welcher
das aktive Gebiet 60 zwischen den beiden Gatestapeln GS1,
GS2 (Wortleitungen) elektrisch kontaktiert, vorgesehen werden, da
der Abstand d der Gatestapel GS1, GS2 ein kritisches Maß hat. Üblicherweise
wird das Kontaktloch CB für
den kritischen Kontakt mit der Hartmaske 80 mit der Öffnung O
separat von anderen weniger kritischen Kontakten geätzt.
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Eine geeignete CB-Kontaktlochätzung (SAC-Ätzung =
Self Aligned Contact) zu finden, ist seit vielen Technologie-Generationen ein
zentrales Problem. Zu den wichtigsten Anforderungen gehören:
- – keine
Kurzschlüsse
zwischen Bitline und Wordline (CB-GC-Shorts) zu verursachen, bei der Ätzung also
möglichst
selektiv gegenüber
dem Siliziumnitrid zu sein;
- – CB
opens zu vermeiden, also nicht ausreichend tief geätzte Kontaktlöcher;
- – das
CD-Maß im
oberen Abschnitt des Kontaktlochs nicht aufzuweiten, da schon geringe
Aufweitungen das Risiko für
CB-CB-Shorts über
schlecht justierte Metallisierungsbahnen stark erhöhen würden.
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Typischerweise wird der Ätzprozess
durch eine Zweistufen-Ätzung bewerkstelligt.
Im ersten Schritt wird möglichst
senkrecht anisotrop bis zur Siliziumnitridschicht 30 geätzt, und
im zweiten Schritt wird möglichst
selektiv zur Siliziumnitridschicht 30 geätzt, wobei
das Profil des oberen Bereichs des Kontaktlochs möglichst
nicht auf geweitet werden sollte.
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In der zweiten Stufe der Ätzung muss
daher ein Kompromiss zwischen möglichst
hoher Selektivität
zu Siliziumnitrid und dem Vermeiden eines Ätzstopps gefunden werden. Die
Selektivität
wird dadurch erreicht, dass die Ätzchemie
so gewählt
wird, dass sich schützende
Polymere auf den Siliziumnitridoberflächen bilden. Ein Ätzstopp
kann hingegen eintreten, wenn sich zu viele Polymere bilden und das
sich nach unten hin verjüngende
Kontaktloch verschließen.
Es ist daher eine entscheidende Anforderung, einen äußerst selektiven
Prozess zu finden, der gleichzeitig nicht zu einem Ätzstopp
führt.
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Der unerwünschte Ätzangriff auf die Siliziumnitridschicht 30 wäre theoretisch
am geringsten, wenn man eine Nassätzung durchführen würde, beispielsweise
HF-basiert. Die Selektivität
zwischen Siliziumdioxid und Siliziumnitrid ist auf diese Weise maximal.
Diese Ätzung
wäre allerdings
völlig
isotrop im Siliziumdioxid, und man könnte daher das CD-Maß im oberen
Bereich des Kontaktlochs in keiner Weise halten. Außerdem würden CB-CB-Shorts
benachbarter Kontakte entstehen.
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Es wäre also erstrebenswert, einen
reaktiven Ätzprozess
zu finden, der von seiner Selektivität her einem nasschemischen Ätzprozess
nahe kommt. In den heutigen Fertigungsprozess ist ein solcher Ätzschritt
nicht integrierbar. Es würden
sich mit hoher Wahrscheinlichkeit parallel der Wortleitung CB-CB-Shorts bilden und
durch die Aufweitung des CD-Maßes
im oberen Bereich der Kontaktlöcher
KB Bitline-Bitline-Shorts.
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Von Shrink zu Shrink wird es immer
schwieriger, ein Integrationsschema zu finden, das es ermöglicht,
ein geeignetes Prozessfenster für
die Kontaktlochätzung
des selbstjustierten Bitleitungskontakts (CB-Kontakts) im Zellenfeld
von derartigen Halbleiterspeichereinrichtungen zu finden.
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Da der Pitch von Shrink zu Shrink
immer kleiner wird, nimmt auch die mögliche Kontaktlochbreite für den CB-Kontakt
ab. Wenn die Wortleitungen beispielsweise bei der 90 nm-Technologie
90 nm breit sind, dann bleiben für
das Kontaktloch CB des CB-Kontakts zwischen zwei Wortleitungen weniger als
90 nm übrig,
da von der Lochbreite noch die Dicke des Seitenwandoxides 40,
des Siliziumnitrid-Seitenwandspacers 45 und des optionalen
Liners 55 jeweils auf beiden Seiten abgezogen werden müssen.
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Die drei entsprechenden Schichtdicken
sind aus physikalischen Gründen
nicht beliebig weit shrinkbar. Beispielsweise kann der Liner 55 unterhalb
einer minimalen Dicke seine Barriereeigenschaften nicht mehr gewährleisten.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht darin, ein verbessertes Verfahren für ein Kontaktloch in einer
Halblei terstruktur anzugeben, welches auch bei sehr kleinen Strukturgrößen noch
geeignete Kontaktlöcher
gewährleisten
kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das
in Anspruch 1 angegebene Herstellungsverfahren gelöst.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
liegen insbesondere darin, dass eine Verringerung der Kurzschluss-Problematik und eine
Verringerung des Kontaktwiderstands und somit eine Verbesserung
der Ausbeute im Prozess, beispielsweise im DRAM-Fertigungsprozess,
erzielt werden kann. Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich insbesondere für weitere
Shrinkgenerationen mit z.B. 50nm oder noch geringeren minimalen
Strukturbreiten.
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In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen des in Anspruch 1 angegebenen
Herstellungsverfahrens.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird
der neue Seitenwandspacer aus Siliziumdioxid gebildet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten
Weiterbildung sind die beiden Strukturelemente ein erster und zweiter
Gatestapel sind, zwischen denen ein gemeinsamer aktiver Bereich
an der Substratoberfläche
im Substrat vorgesehen ist und die durch ein Gatedielektrikum von
der Substratoberfläche
isoliert sind.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten
Weiterbildung weist die Isolation eine erste und zweite Siliziumdioxidschicht
auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten
Weiterbildung ist die Maske eine Hartmaske.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten
Weiterbildung steht die Siliziumnitridschicht lateral über die mindestens
eine weitere Schicht vor.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten
Weiterbildung wird beim Ätzschritt
mindestens ein unterer Teil der Siliziumnitridschicht seitlich nicht
abgetragen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es zeigen:
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1a-g schematische
Darstellungen aufeinanderfolgender Verfahrensstadien eines Herstellungsverfahrens
für ein
Kontaktloch in einer Halbleiterstruktur als Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung; und
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2 eine
schematische Darstellung zur Illustration eines bekannten Herstellungsverfahrens für ein Kontaktloch
in einer Halbleiterstruktur.
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In den Figuren bezeichnen gleiche
Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Bestandteile.
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1a-g sind
schematische Darstellungen aufeinanderfolgender Verfahrensstadien
eines Herstellungsverfahrens für
ein Kontaktloch in einer Halbleiterstruktur als Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß 1a wird ein Silizium-Halbleitersubstrat 1 mit
einer (nicht näher
gezeigten) Speicherzellenanordnung bereitgestellt. Bezugszeichen 6 bezeichnet
ein aktives Gebiet, beispielsweise ein gemeinsames Source-/Drain-Gebiet
zweier Spei cherzellen. Oberhalb des aktiven Gebietes 6 befindet
sich ein Gatedielektrikum 5, beispielsweise ein Gateoxid. Auf
dem Gatedielektrikum 5 streifenförmig und parallel angeordnet
sind benachbarte Gate-Stapel GS1' und
GS2'. Diese bestehen
aus einer Polysiliziumschicht 10, einer Silizidschicht 20,
einer Siliziumnitridschicht 30 und Seitenwandoxidbereichen 40.
Die Schichten 10, 20, 30, 40 weisen
alle im wesentlichen vertikale Seiten auf. Insofern entspricht der
Aufbau dem mit Bezug auf 2 erläuterten
bekannten Aufbau.
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Ergänzend sei dazu angeführt, dass
die Siliziumnitridschicht 30 lateral um ein kleines Stück über die
Schichten 10, 20 übersteht, was eine Folge des Seitenwandoxidationsschrittes
ist, aber sich für
den weiteren Prozessverlauf bei dieses Ausführungsform positiv bemerkbar
macht.
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Im Gegensatz zum bekannten Aufbau
gemäß 2 weisen die Gate-Stapel
GS1', GS2' Siliziumdioxid-Seitenwandspacer 50 auf.
Optionalerweise kann unterhalb der Siliziumdioxid-Seitenwandspacer 50 ein
dünner
Nitridliner (vgl. 2)
vorgesehen werden (hier nicht dargestellt). Die Prozeßschritte
zur Herstellung der Siliziumdioxid-Seitenwandspacer 50 sind
im Stand der Technik bekannt und werden deshalb hier nicht näher erläutert. Zu
Vergleichszwecken sei angenommen, dass der verbleibende kritische Abstand
d derselbe sei wie in 2.
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Simulationen bezüglich der kapazitiven Kopplung
haben gezeigt, dass die bisher üblichen
Siliziumnitrid-Seitenwandspacer bei der 90nm-Technologie und bei
kleineren Technologien wegen der relativ großen Dielektrizitätskonstante
von Siliziumnitrid eine zu hohe kapazitive Kopplung zwischen Bit- und Wortleitungen
bewirken. Diese zu hohe kapazitive Kopplung führt wiederum dazu, dass beim
fertigen Produkt eventuell bestimmte Timing-Anforderungen nicht
eingehalten werden können.
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Daher weisen die Siliziumdioxid-Seitenwand-Spacer 50 neben
den nachstehend weiter erläuterten
Vorteilen zur Herstellung des Kontaktlochs CB für den CB-Kontakt auch bessere
dielektrische Eigenschaften für
diesen Anwendungszweck auf.
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Mit Bezug auf 1b werden dann die Zwischenräume zwischen
den Gate-Stapeln GS1',
GS2' durch Abscheiden
mit einer ersten Siliziumdioxidschicht 60, z.B. BPSG, aufgefüllt. Anschließend wird die
erste Siliziumdioxidschicht 60 annealt, damit durch ein
entsprechend bewirktes Zerfließen
keine Lunker darin entstehen können.
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Mit Bezug auf 1c erfolgt anschließend ein Rückpolieren und Planarisieren
der ersten Siliziumdioxidschicht 60 bis zur Oberkante der
Gate-Stapel GS1',
GS2', also bis zur
Oberseite der Siliziumnitridschicht 30.
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Im Anschluss daran wird eine zweite
Siliziumdioxidschicht 70 auf der resultierenden Struktur abgeschieden,
beispielsweise eine TEOS-Schicht. Dies ist in 1d illustriert.
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Weiter mit Bezug auf 1e wird eine Hartmaske 80 auf
der zweiten Siliziumdioxidschicht 70 abgeschieden und derart
strukturiert, dass sie eine Öffnung
O an der Stelle aufweist, an der das Kontaktloch CB für den kritischen
CB-Kontakt zu bilden ist. Aus prozesstechnischen Gründen ist
die Öffnung
O breiter als der verbleibende Zwischenraum zwischen den Gate-Stapeln GS1', GS2'. Insbesondere hat
die Öffnung
O eine derartige Breite senkrecht zur Erstreckung der Gate-Stapel-Bahnen GS1', GS2', dass die Flanken
der zu ätzenden
Kontaktlöcher
CB auf die Siliziumnitridschichten 30 der Gate-Stapel GS1', GS2' treffen.
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Im darauffolgenden Prozessschritt,
welcher in 1f illustriert
ist, erfolgt dann die Kontaktloch-Ätzung mit hoher Ätzrate von
Siliziumdioxid und gleichzeitig hoher Selektivität gegenüber der verwendeten Hartmaske 80 (beispielsweise
Polysilizium), gegenüber
der Siliziumnitridschicht 30 und gegenüber dem Silizium-Substrat 1.
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An dieser Stelle sei erwähnt, dass
es selbstverständlich
auch möglich
ist, die Hartmaske 80 durch eine Photolackmaske zu ersetzen.
Bei Verwendung einer Hartmaske 80 kann diese nach dem Kontaktloch-Ätzen gegebenenfalls
zur Verwendung bei weiteren Prozessschritten stehengelassen werden,
bei Verwendung einer Photolackmaske wird diese zweckmäßigerweise
unmittelbar nach der Kontaktloch-Ätzung entfernt.
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Im Zusammenhang mit dem Ätzschritt
sei ausdrücklich
bemerkt, dass dabei das Gatedielektrikum 5 auf der Oberseite
des aktiven Bereichs 6 entfernt wird, wie auch die zwischen
den Gate-Stapeln GS1', GS2' liegenden Seitenwandoxidbereiche 40 sowie
Siliziumdioxid-Seitenwandspacer 50.
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Die so entstandenen Kontaktlöcher CB
für die
CB-Kontakte müssen
später
mit leitfähigem
Material, beispielsweise Wolfram, gefüllt werden, um das Substrat 1 mit
der ersten Metallisierungsebene (nicht gezeigt) elektrisch zu verbinden.
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Gleichzeitig ist aber eine Isolation
zwischen diesen Bitleitungskontakten und den Gate-Stapeln GS1', GS2' (Wortleitungen)
zwingend erforderlich. Zum bis hierher beschriebenen Herstellungsstadium ist
letztere Isolation allerdings nicht gewährleistet, da die Bereiche 10, 20 an
ihren Seitenwänden
freiliegen, nachdem die Seitenwand-Oxidbereiche 40 und
der Siliziumdioxid-Seitenwandspacer 50 im Kontaktloch-Ätzschritt
entfernt wurden.
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Mit Bezug auf 1g wird diese notwendige Isolation durch
Bilden eines neuen Siliziumdioxid-Seitenwandspacers 90 hergestellt.
Die Spacerbildung geschieht in üblicher
Weise durch Abscheidung einer konformalen Schicht aus Siliziumdioxid
und Durchführung
einer bekannten anisotropen Spacerätzung, bei der das zwischenzeitlich
wieder mit Oxid bedeckte Substrat 1 am Boden des Kontaktlochs
CB freigelegt wird, um die Kontaktierung des aktiven Bereichs 6 zu
ermöglichen.
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Allerdings darf der Siliziumdioxid-Seitenwandspacer 90 bei
der Spacerätzung
an den Seitenwänden
nicht so weit geschädigt
werden, dass ein elektrischer Kontakt zwischen Bitleitung und Wortleitung
entstehen kann. Es wird daher bei der Kontaktloch-Ätzung angestrebt,
dass ein senkrechtes Profil im unteren Bereich der Siliziumnitrid-Schicht 30 beibehalten
wird. Damit bleibt gleichsam ein kleines Dach oberhalb der Schichten 10, 20 stehen,
welches verhindert, dass Kurzschlüsse bei der Spacerätzung der
Siliziumdioxid-Seitenwandspacer 90 auftreten. Ohne diesen Überstand
der Siliziumnitridschichten 30 könnte die Spacerätzung zu
Kurzschlüssen
führen.
Eine geeignete Spacer-Ätzung
führt letztlich
zu dem in 1g gezeigten
Zustand.
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Deutlich ersichtlich aus 1g im Vergleich zu 2 ist, dass der endgültige kritische
Abstand d' in 1g für den CB-Kontakt wesentlich
größer ist als
der Abstand d in 2,
wobei letzterer dem ursprünglichen
kritischen Abstand entspricht.
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Die weiteren Prozessschritte zur
Erstellung des CB-Kontakts sind bekannt und werden hier ohne weitere
Illustration lediglich der Vollständigkeit halber kursorisch
erwähnt.
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Im Anschluss an den in 1g gezeigten Prozesszustand
folgt eine übliche
nasschemische Reinigung, anschließend das Auf bringen eines Liners
aus Ti/TiN, anschließend
ein Temperschritt und letztendlich eine Abscheidung und ein Rückpolieren einer
Wolfram-Füllung.
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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 ist der Schichtaufbau
der Gatestapel hinsichtlich der Schichten 10, 20 nicht
auf den illustrierten Schichtaufbau beschränkt.
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Die Siliziumdioxid-Seitenwandspacer 50 können prinzipiell
wesentlich dicker abgeschieden werden als vergleichbare Siliziumnitrid-Seitenwandspacer,
da letztere die Größe des Kontaktlochs für den CB-Kontakt
permanent einschränken
(sie werden beim Kontaktloch-Ätzen
nicht entfernt), erstere aber nicht. Ein dickerer Seitenwandspacer
hätte erhebliche
Vorteile für
die Herstellung der Devices, insbesondere im Support-Bereich des
Chips.
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- 1
- Substrat
- GS1,
GS2; GS1', GS2'
- Gatestapel
- 6
- aktives
Gebiet (Source, Drain)
- 5
- Gatedielektrikum
- 10
- Polysilizium
- 20
- Silizid
- 30
- Siliziumnitrid
- 40
- Seitenwandoxid
des Gatestapels
- 45
- Siliziumnitrid-Seitenwandspacer
- 55
- Liner
aus Siliziumnitrid bzw. Siliziumoxinitrid
- 60
- erstes
Siliziumoxid
- 70
- zweites
Siliziumoxid
- CB
- Kontaktloch
für CB-Kontakt
(Bitleitungskontakt
- O
- Öffnung
- 80
- Maske
- 50,
90
- Siliziumoxid-Seitenwandspacer
- d,
d'
- Abstände