DE10302321A1

DE10302321A1 - Verfahren zur Herstellung eines Grabenkondensators

Info

Publication number: DE10302321A1
Application number: DE10302321A
Authority: DE
Inventors: Mathias Dr. Goldbach; Jörn Dr. Lützen
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-12-16
Filing date: 2003-01-20
Publication date: 2004-07-08

Abstract

Der Erfindung, die ein Verfahren zur Herstellung eines Grabenkondensators betrifft, bei dem in die Tiefe eines Halbleitersubstrates ein Trench geätzt, ein oberer Bereich des Trenches mit einem Collar bedeckt und unterhalb des mit dem Collar bedeckten Bereiches eine Kapazitätserzeugung vorgenommen wird, indem eine Dotierung erzeugt wird, der Trench mit einem Dielektrikum ausgekleidet und anschließend mit einem leitfähigen Material gefüllt wird, liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Herstellung eines Grabenkondensators die Kapazitätsvergrößerung und die anschließende Gasphasendotierung nur im unteren Bereich des Tenches wirksam werden zu lassen. DOLLAR A Dies wird dadurch gelöst, dass nach Ätzen des Trenches auf dessen Oberfläche eine isolierende Schicht abgeschieden wird, auf der eine Modifikationsschicht abgeschieden wird. Die Modifikationsschicht wird im oberen Bereich derart modifiziert, dass sie gegenüber dem unteren Bereich gegen die Einwirkung eines Entfernungsschrittes resistent ist. Anschließend wird mit dem Entfernungsschritt die Modifikationsschicht im unteren Bereich selektiv entfernt. Danach wird die isolierende Schicht im unteren Bereich und anschließend die verbliebene Modifikationsschicht entfernt oder in eine Oxidschicht umgewandelt. Anschließend erfolgt die Kapazitätserzeugung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Grabenkondensators, bei dem in die Tiefe eines Halbleitersubstrates ein Trench geätzt wird. In den Trench hinein wird ein Collar erzeugt, so dass ein oberer Bereich des Trenches mit dem Collar bedeckt wird. In einem unteren Bereich des Trenches, unterhalb des mit dem Collar bedeckten oberen Bereiches, wird eine Kapazitätserzeugung vorgenommen, indem eine Dotierung erzeugt wird, der Trench mit einem Dielektrikum ausgekleidet und anschließend mit einem leitfähigen Material gefüllt wird.
Dynamische Halbleiterspeicherschaltungen sind zur Realisierung ihrer Speicherfunktion mit Kondensatoren versehen. Bei der Integration dieser dynamischen Halbleiterspeicherschaltung auf Speicherchips ist es bekannt, integrierte Kondensatorstrukturen in Form von dreidimensionalen strukturierten Graben- oder Trenchkapazitäten, sogenannte DTC (deep trench capacitor = tiefer Grabenkondensator), auszuführen.
Zum Schutz des oberen Bereiches des Trenches wird der obere Bereich mit einer Schicht, einem sogenannten Collar (collar = Kragen) versehen. Im unteren Bereich wird der Trench mit einer Dotierung und anschließend mit einer Isolationsschicht als Dielektrikum versehen. Danach wird der Trench mit einem leitfähigen Material gefüllt. Damit wirkt die Dotierung als eine Platte und die Füllung als die zweite Platte eines Kondensators, der Bestandteil einer DRAM-Speicherzelle ist.
Zur Erhöhung der Kapazität des Kondensators bei der Kapazitätserzeugung wird eine Kapazitätsvergrößerung durch die Ausbildung einer Flaschenform (bottle shaping) im unteren Bereich des Trenches und/oder durch das Aufbringen von Körnern aus Polysilizium (rugged poly oder HSG = hemispherical silicon gains) vorgenommen, der eine Gasphasendotierung (GPD = gas phase doping) folgt.
Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Grabenkondensators ist beispielsweise in der DE 199 56 078 A1 beschrieben. Darin wird nach Bildung des Trenches in dem Halbleitermaterial zunächst eine Schicht abgeschieden, aus der der spätere Collar gebildet werden soll. Auf diesen wird ein Spacer aufgebaut, der während der weiteren Herstellungsschritte den Collar schützt.
Eine angestrebte Strukturbreitenverringerung bedingt auch die Verringerung der Breite der Trenches. Bei zunehmender Verringerung der Breite wirkt der Spacer hinderlich, da er, bedingt durch seine Materialeigenschaften, z.B. durch ein verstärktes Aufwachsen von HSG auf Nitrid, wenn Nitrid als Spacer Verwendung findet, den Collarbereich einengt.
Bei der Verwendung von HSG ist es erforderlich, das im Collarbereich abgeschiedene HSG zu entfernen. Dabei wird der Spacer, bedingt durch die einzusetzenden chemischen Prozesse zumindest beschädigt wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei der Herstellung eines Grabenkondensators die Kapazitätsvergrößerung und die anschließende Gasphasendotierung nur im unteren Bereich des Trenches wirksam werden zu lassen.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass nach Ätzen des Trenches auf dessen Oberfläche eine isolierende Schicht abgeschieden wird, auf der eine Modifikationsschicht abgeschieden wird. Die Modifikationsschicht wird im oberen Bereich derart modifiziert, dass sie gegenüber dem unteren Bereich gegen die Einwirkung eines Entfernungsschrittes resistent ist. Anschließend wird mit dem Entfernungsschritt die Modifikationsschicht im unteren Bereich selektiv entfernt. Danach erfolgt eine Entfernung der isolierenden Schicht im unteren Bereich. Anschließend wird die verbliebene Modifikationsschicht entfernt oder in eine Oxidschicht umgewandelt. Anschließend erfolgt die Kapazitätserzeugung.
Eine Trennung des oberen und des unteren Bereiches kann vor der Modifikation der Modifikationsschicht erfolgen, indem der untere Bereich des Trenches mit einem Resist dadurch gefüllt wird, dass zunächst der Trench vollständig mit Resist gefüllt wird, der dann im oberen Bereich entfernt wird, und der verbliebene Resist im unteren Bereich nach der Modifikation wieder entfernt wird. Der Resist im unteren Bereich verhindert dabei wirkungsvoll eine Modifikation der Modifikationsschicht im unteren Bereich.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die isolierende Schicht aus einem SiN-Liner besteht und dass die Modifikationsschicht als Liner aus amorphen Silizium (a-Si-Liner) ausgebildet und die Modifikation als Implantation ausgeführt wird. Der a-Si-Liner eignet sich dabei gut für die Implantation und der SiN-Liner gewährleistet eine deutliche Selektivität in nachfolgenden Prozessschritten.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird weiterhin dadurch ausgestaltet, dass die Implantation für jede senkrechte Trenchfläche unter einem zur Senkrechten der jeweiligen Trenchfläche spitzen Implantationswinkel ausgeführt wird. Durch die Einstellung eines Implantationswinkels wird der untere Bereich des Trenches durch die oberen Kanten des Trenches abgeschattet, so dass es bei dieser Implantation zu einer Trennung zwischen oberen und unteren Bereich kommt und die Modifikation der Modifikationsschicht nur im oberen Bereich erfolgt.
Da bei der Implantion unter diesem Implantationswinkel Reflexionen auftreten können, die unerwünschte Implantationen im unteren Bereich hervorrufen können, kommt hier die oben beschriebene Ausführungsform des Einbringens eines Resists in den unteren Bereich vorteilhaft zum Tragen. Damit wird einerseits eine scharfe Trennung zwischen oberen und unteren Bereich erreicht und andererseits eine unerwünschte Implantation durch Reflexionen im unteren Bereich verhindert.
Es ist zweckmäßig, bei einer Breite des Trenches in der Größenordnung von 100 nm einen Implantationswinkel von 4 bis 15° einzustellen. Bei diesem Implantationswinkel wird eine Trenchtiefe in der Größenordnung von 1 μm erreicht.
Günstig ist es, eine Implantationsdosis zu wählen, die größer als 5 e¹⁴ ist.
Für das erfindungsgemäße Verfahren hat sich eine Implantationsdosis 1 bis 5 e¹⁵ als zweckmäßig erwiesen.
Zur vollständigen Implantation aller Trenchflächen ist es zweckmäßig, die Implantation in einem Dual- oder Quadmode durchzuführen.
Eine Möglichkeit der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der a-Si-Liner mittels einer Bor-Implantation (B-Implantation), einer Borfluorid-Implantation (BF₂-Implantation) oder einer Indium-Implantation (In-Implantation) modifiziert und die nicht modifizierten Stellen des a-Si-Liners im unteren Bereich selektiv alkalisch geätzt werden.
Günstig ist es, dass die alkalische Ätzung mit NH₄OH vorgenommen wird.
Zweckmäßiger Weise kann der modifizierte a-Si-Liner nach dem selektiven Ätzen oxidiert werden. Dies erleichtert die weitere Prozessfolge nach dem Entfernen des SiN-Liners im unteren Bereich.
Eine andere Möglichkeit der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der a-Si-Liner mittels einer Stickstoffimplantation (N-Implantation) modifiziert und die nicht modifizierten Stellen des a-Si-Liners im unteren Bereich selektiv oxidiert werden. Der Unterschied zwischen dem N-implantierten oberen Bereich der Modifikationsschicht und dem oxidierten unteren Bereich der Modifikationsschicht ist geeignet, ein Entfernen im unteren Bereich zu realisieren.
Nach dem Entfernen des SiN-Liners im unteren Bereich erfolgt die übliche Kapazitätserzeugung. Dabei ist es zweckmäßig, dass bei der Kapazitätserzeugung eine Kapazitätsvergrößerung durch die Ausbildung einer Flaschenform (bottle shaping) im unteren Bereich des Trenches und/oder das Aufbringen von Körnern aus Polysilizium (rugged poly oder HSG = hemispherical silicon gains) vorgenommen wird. Danach erfolgt eine Gasphasendotierung (GPD = gas phase doping).
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt den Trench im Querschnitt nach mehreren Prozessschritten, nämlich

a) einen Querschnitt mit einem Trench nach dem Ätzen,
b) einen abgeschiedenen SiN-Liner,
c) einen aufgebrachten a-Si-Liner als Modifikationsschicht,
d) den Trench mit eingefülltem Resist,
e) eine schematische Darstellung einer B-Implantation,
f) den Trench nach dem Entfernen des Resist,
g) das Entfernen des nicht modifizierten a-Si-Liners,
h) eine Oxydation des a-Si-Liners und
i) Entfernen des SiN-Liners.

Gemäß Prozessschritt a) wird in die Tiefe eines Halbleitermateriales 1 ein Trench 2 geätzt. Ziel des weiteren Verfahrens ist es, in den Trench 2 hinein einen Collar 3 zu erzeugen, so dass ein oberer Bereich 4 des Trenches 2 mit dem Collar 3 bedeckt wird, wie dies nach dem Prozessschritt i) erreicht ist. In einem unteren Bereich 5 des Trenches 2, unterhalb des mit dem Collar 3 bedeckten oberen Bereiches 4, wird anschließend in nicht näher dargestellter Art und Weise eine Kapazitätserzeugung vorgenommen, indem nach einer Kapazitätserhöhung mittels einem bottle shaping, einem HSG Einbringen und einer Dotierung, der Trench 2 mit einem Dielektrikum ausgekleidet und anschließend mit einem leitfähigen Material gefüllt wird.
Nach dem Ätzen des Trenches 2 wird auf dessen Oberfläche eine isolierende Schicht in Form eines SiN-Liners 6 abgeschieden, wie dies bei dem Prozessschritt b) dargestellt ist.
Gemäß Prozessschritt c) wird auf der Oberfläche des SiN-Liners 6 eine Modifikationsschicht in Form eines a-Si-Liners 7 abgeschieden. Der a-Si-Liner 7 wird im oberen Bereich 4 mittels einer B-Implantation 8, die im Prozessschritt e) dargestellt ist, derart modifiziert, dass er gegenüber dem unteren Bereich 5 gegen die Einwirkung eines NH₄OH-Ätzschrittes resistent ist.
Die B-Implantation 8 für wird jede senkrechte Trenchfläche 9 unter einem zur Senkrechten der jeweiligen Trenchfläche 9 spitzen Implantationswinkel α ausgeführt. Durch die Einstellung eines Implantationswinkels α wird der untere Bereich 5 des Trenches 2 durch die oberen Kanten 10 des Trenches 2 abgeschattet, so dass es bei der B-Implantation 8 zu einer Trennung zwischen oberen 4 und unteren Bereich 5 kommt und die Modifikation des a-Si-Liners 7 nur im oberen Bereich 4 erfolgt.
Die Breite des Trenches 2 beträgt in diesem Beispiel 140 nm. Es soll eine Tiefe des Trenches 2 von 1,3 μm eingestellt werden. Hierzu wird ein Implantationswinkel α von 4° bis 15° eingestellt. In der Regel weist der Trench 2 in der Draufsicht eine ovale Form mit einer langen Längs- und einer kurzen Breitenerstreckung auf. Dabie wird der größte Implantationswinkel α dann gewählt, wenn die Implantation in Längserstreckung erfolgt. Beachtenswert ist bei der Wahl des Implantationswinkels α, dass der untere Bereich des Trenches 5 durch die obere Kante 10 durch die schräge B-Implantation 8 abgeschattet wird.
Es besteht grundsätzlich aber auch die Möglichkeit, bei Wahl einer geeigneten Implantationsdosis mit der B-Implantation 8 nur eine der Trenchflächen 9 zur implantieren. Durch Implantationsstreurung werden dann die anderen Flächen mit implantiert. Die B-Implantation 8 wird in mehreren Implantationsschritten für jede Trenchfläche 9 durchgeführt, wobei die Implantationsdosis 3 e¹⁵/cm² für jede Seite beträgt.
Da bei der B-Implantion unter diesem Implantationswinkel a Reflexionen auftreten können, die unerwünschte Implantationen im unteren Bereich 5 hervorrufen können, wird der untere Bereich 5 des Trenches 2 mit einem Resist 11 dadurch gefüllt wird, dass der Trench 2 zunächst vollständig mit Resist 11 gefüllt wird, der dann im oberen Bereich 4 entfernt wird, wie dies im Prozessschritt d) dargestellt ist.
Damit wird einerseits eine scharfe Trennung zwischen oberen 4 und unteren Bereich 5 erreicht und andererseits eine unerwünschte B-Implantation durch Reflexionen im unteren Bereich 5 verhindert.
Der verbliebene Resist 11 im unteren Bereich 5 wird nach der B-Implantation 8 wieder entfernt. Dies zeigt Prozessschritt f).
Anschließend wird mit einem NH₄0H-Ätzschritt der nicht B- implantierte a-Si-Liner 7 im unteren Bereich 5 selektiv entfernt, wie dies im Prozessschritt g) zu erkennen ist.
Entsprechend der Darstellung des Prozessschrittes h) wir dann der verbliebene B-implantierte a-Si-Liner 7 im oberen Bereich 4 oxidiert. Danach wird der nun frei liegende SiN Liner 6 im unteren Bereich 5 selektiv zu dem Oxid des a-Si-Liners 7 entfernt. Nach diesem Entfernungsschritt gemäß Prozessschritt i) erfolgt die übliche Kapazitätserzeugung. Dabei wird in nicht näher dargestellter weise nach einer HSG-Abscheidung das HSG im oberen Bereich 4 entfernt. Anschließend erfolgt die Gasphasendotierung. Danach gibt es zwei Möglichkeiten den Fortführung des Verfahrens: Bei der ersten Möglichkeit wird der Collar 3 entfernt und anschließend das Dielektrikum abgeschieden. Bei der zweiten Möglichkeit wird der Collar 3 nicht entfernt und bleibt somit als Collar stehen und das Dielektrikum wird abgeschieden.
Die erste Möglichkeit erweist sich als günstig, da die Öffnung des Trenches 2 im oberen Bereich 4 dabei groß gehalten wird, was das anschließende Befüllen des unteren Bereiches 5 mit Poly-Silizium als Elektrode des Grabenkondensators erleichtert.

1: Halbleitermaterial
2: Trench
3: Collar
4: oberer Bereich des Trenches
5: unterer Bereich des Trenches
6: SiN-Liner
7: a-Si-Liner
8: B-Implantation
9: senkrechte Trenchfläche
10: obere Kante
11: Resist
α: Implantationswinkel

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Grabenkondensators, bei dem in die Tiefe eines Halbleitersubstrates ein Trench geätzt wird, ein Collar in den Trench hinein erzeugt wird, so dass ein oberer Bereich des Trenches mit dem Collar bedeckt wird, und in einem unteren Bereich des Trenches, unterhalb des mit dem Collar bedeckten oberen Bereiches, eine Kapazitätserzeugung vorgenommen wird, indem eine Dotierung erzeugt wird, der Trench mit einem Dielektrikum ausgekleidet und anschließend mit einem leitfähigen Material gefüllt wird, dadurch gekennzeichnet , dass nach Ätzen des Trenches (2) auf dessen Oberfläche eine isolierende Schicht (6) abgeschieden wird, dass auf der isolierenden Schicht (6) eine Modifikationsschicht (7) abgeschieden wird, dass die Modifikationsschicht (7) im oberen Bereich (4) derart modifiziert wird, dass sie gegenüber dem unteren Bereich (5) gegen die Einwirkung eines Entfernungsschrittes resistent ist, dass anschließend mit dem Entfernungsschritt die Modifikationsschicht (7) im unteren Bereich (5) selektiv entfernt wird, dass nach einer Umwandlung der verbliebenen Modifikationsschicht (7) im oberen Bereich (4) eine Entfernung der isolierenden Schicht (6) im unteren Bereich (5) vorgenommen und anschließend die verbliebene Modifikationsschicht (7) entfernt oder in eine Oxidschicht umgewandelt wird und danach die Kapazitätserzeugung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Modifikation der Modifikationsschicht (7) der untere Bereich (5) des Trenches (2) mit einem Resist (11) dadurch gefüllt wird, dass zunächst der Trench (2) vollständig mit Resist (11) gefüllt wird, der dann im oberen Bereich (4) entfernt wird, und der verbliebene Resist (11) im unteren Bereich (5) nach der Modifikation (8) wieder entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Schicht aus einem SiN-Liner (6) besteht und dass die Modifikationsschicht als Liner aus amorphen Silizium (a-Si-Liner (7)) ausgebildet und die Modifikation als Implantation (8) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Implantation für jede senkrechte Trenchfläche (9) unter einem zur Senkrechten der jeweiligen Trenchfläche (9) spitzen Implantationswinkel (α) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Implantationswinkel (α) bei einer Breite des Trenches (2) in der Größenordnung von 100 nm und einer beabsichtigten Tiefe des Trenches (2) in der Größenordnung von 1 μm 4 bis 15° beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Implantationsdosis größer als 5 e¹⁴ ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Implantationsdosis 1 bis 5 e¹⁵ beträgt .
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Implantation in einem Dual- oder Quadmode durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der a-Si-Liner mittels einer Bor-Implantation (B-Implantation (8)), einer Borfluorid-Implantation (BF₂-Implantation) oder einer Indium-Implantation (In-Implantation) modifiziert und die nicht modifizierten Stellen des a-Si-Liners (7) im unteren Bereich (5) selektiv alkalisch geätzt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die alkalische Ätzung mit NH₄OH vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der modifizierte a-Si-Liner (7) nach dem selektiven Ätzen oxidiert wird.
verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der a-Si-Liner (7) mittels einer Stickstoffimplantation (N-Implantation) modifiziert und die nicht modifizierten Stellen des a-Si-Liners (7) im unteren Bereich (5) selektiv oxidiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Kapazitätserzeugung eine Kapazitätsvergrößerung durch das Aufbringen von Körnern aus Polysilizium (rugged poly oder HSG = hemispherical silicon gains) und/oder durch die Ausbildung einer Flaschenform (bottle shaping) im unteren Bereich des Trenches vorgenommen wird und anschließend eine Gasphasendotierung (GPD = gas phase doping) erfolgt.