DE10320944A1

DE10320944A1 - Verfahren zum Steigern der Ätzrate und der Ätztiefe in Strukturen mit hohem Aspektverhältnis

Info

Publication number: DE10320944A1
Application number: DE10320944A
Authority: DE
Inventors: Gangadhara Mathad; Siddhartha Panda; Rajiv Ranade
Original assignee: Infineon Technologies AG; International Business Machines Corp
Current assignee: Qimonda AG; International Business Machines Corp
Priority date: 2002-05-13
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2003-11-27
Also published as: US20030211686A1; US6709917B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Grabens mit hohem Aspektverhältnis in einem Halbleitersubstrat. Das Verfahren umfasst eine verringerte Bildung einer dünnen Passivierungsschicht während der Grabenätzung. Dies wird erreicht, indem in einem ersten Verfahrensschritt das Substrat, in dem der Graben ausgebildet werden soll, mit einem fluorarmen Gas bzw. einer geringen Konzentration an Fluorgas im Plasma des Ätzgases zum Ätzen des Grabens mit hohem Aspektverhältnis in Berührung gebracht wird. Darauf folgt ein zweiter Schritt, in dem die Konzentration des fluorhaltigen Gases erhöht wird, so dass ein fluorreiches Plasma entsteht, während gleichzeitig der Reaktorkammerdruck und die HF-Energie herabgesetzt werden. Vorzugsweise wird der zweite Ätzschritt in periodischen Abständen während der Grabätzung in alternierender Weise durchgeführt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft integrierte Halbleiterschaltungen und insbesondere die Herstellung integrierter Schaltungen, die Gräben mit hohen Aspektverhältnissen enthalten und vorwiegend in DRAM-Speicherzellen eingesetzt werden.
Eine Speicherzelle in einer integrierten Schaltung umfasst einen Transistor mit angeschlossenem Kondensator. Der Kondensator besteht aus zwei leitfähigen Schichten, die durch ein Dielektrikum getrennt sind. Informationen und Daten werden in der Speicherzelle in der Form von Ladungen gespeichert, die im Kondensator angesammelt werden. Mit der zunehmenden Dichte von Speicherzellen umfassenden integrierten Schaltungen wird die für den Kondensator zur Verfügung stehende Fläche kleiner und die Ladung, die der Kondensator ansammeln kann, verringert sich. Aus diesem Grund ist es zunehmend schwieriger, Informationen oder Daten aus den Speicherzellen auszulesen.
Für hochintegrierte Schaltungen, in denen für den Kondensator einer Speicherzelle nur eine begrenzte Fläche bzw. ein begrenztes Volumen zur Verfügung steht, sind drei Techniken bekannt, um die Ladung in einem festgelegten Bereich zu erhöhen, nämlich: (1) ein Verringern der Dicke des Dielektrikums, (2) die Auswahl eines Dielektrikums mit einer größeren Dielektrizitätskonstante und (3) das Erhöhen der für den Kondensator bestimmten Fläche. Lediglich Lösung (3) ist ein aussichtsreiches Verfahren, da es durch das in Lösung (1) vorgesehene Ausdünnen des Kondensator-Dielektrikums vermehrt zu Leckströmen kommt, was die Speicherzeit des Kondensators und die Zuverlässigkeit der Speicherzelle beeinträchtigen kann. Die in Lösung (2) vorgeschlagene Auswahl eines Dielektrikums mit größerer Dielektrizitätskonstante bewirkt lediglich eine geringfügige Verbesserung bei der Speicherung von Ladung, da die Dielektrizitätskonstante bei geeigneten Alternativmaterialien nur geringfügig über der Dielektrizitätskonstante des aktuell verwendeten Materials liegt. Darüber hinaus kann der Einsatz alternativer Dielektrika komplizierter und teurer ausfallen und bislang unbekannte Schwierigkeiten bei der Herstellung aufwerfen. Daher ist Lösung (3), nämlich die für den Kondensator vorgesehene Fläche zu erhöhen, am erfolgversprechendsten, wenn es darum geht, die in einer Speicherzelle gespeicherte Ladung zu erhöhen.
Ein bekanntes Verfahren zur Erhöhung der für den Kondensator zur Verfügung stehenden Fläche ist das Ausbilden von Grabenkondensatoren. Je tiefer der Graben, desto mehr Fläche steht dem Kondensator zur Verfügung. Allerdings ist die Grabentiefe aufgrund der derzeitigen Herstellungsverfahren und -werkzeuge begrenzt. Dieses Problem wird dadurch verstärkt, dass die zunehmende Dichte integrierter Schaltungen auch die Breite des Grabenkondensators verringert. Um den durch die Verringerung der Kondensatorbreite verursachten Flächenverlust auszugleichen, muss die Tiefe der Gräben bis zu dem Punkt erhöht oder geätzt werden, an dem eine Abhängigkeit vom Aspektverhältnis ergibt.
Die Abhängigkeit eines Grabenätzverfahrens vom Aspektverhältnis hat zwei Hauptursachen: (1) die mit zunehmender Tiefe abnehmende Ätzrate des Substrats, im vorliegenden Fall Silizium, aufgrund des verringerten Raumwinkels des Neutralteilchenflusses am Boden des Grabens; und (2) das unvollständige Entfernen einer dünnen Passivierungsschicht, die sich am Boden des Grabens bildet und ein weiteres Ätzen des Grabens verhindert. Diese zweite Hauptursache beruht auf der bei hohen Aspektverhältnissen abnehmenden Ionenenergie und wird durch eine starre Streuung von Ionen von den zu ätzenden Grabenwänden verursacht. Ein Ätzstopp tritt dann auf, wenn die dünne Passivierungsschicht ein weiteres Ätzen des Substrats verhindert. Bei sehr hohen Aspektverhältnissen beherrscht Faktor (2) die Verlangsamung der Substratätzrate, wodurch Lösungen des unter (1) beschriebenen Problems wirkungslos werden und das Ausbilden eines Grabens mit dem gewünschten hohen Aspektverhältnis verhindert wird.

Ein aus dem Stand der Technik bekanntes und in der US 6,127,278 beschriebenes Verfahren, um das beim Grabenätzen auftretende Problem der Abhängigkeit vom Aspektverhältnis zu lösen, besteht im Verwenden eines sequentiellen, mehrstufigen Ätzverfahrens, in dem in einem ersten Ätzschritt eine Ätzverbindung aus HBr und O₂ und in einem darauffolgenden zweiten Ätzschritt eine Verbindung aus einem fluorhaltigen Gas, HBr und O₂ als Ätzmittel verwendet wird. Der erste Ätzschritt ermöglicht das Ausbilden einer dünnen Passivierungsschicht auf den Seitenwänden und auf dem Boden eines zu ätzenden Grabens, wohingegen in einem zweiten Ätzschritt die dünne Passivierungsschicht während des Ätzens mit dem zweiten Ätzmittel von den Seitenwänden und vom Boden des Grabens entfernt wird. Allerdings enthalten die Ätzgase des ersten Ätzschritts keine fluorhaltigen Gase. Dies hat den Vorteil, dass eine Erosion der Hartmaske, die z. B. aus Siliziumdioxid besteht, verringert wird. Der Nachteil ist jedoch, dass die Grabentiefe beschränkt wird und die Notwendigkeit besteht, im zweiten Schritt ein fluorhaltiges Gas hinzuzufügen.

Mit der zunehmenden Dichte integrierter Schaltungen und insbesondere integrierter Speicherschaltungen ist es von entscheidender Bedeutung, ein einfaches Herstellungsverfahren bereitzustellen, das problemlos auf die Herstellung von Gräben mit hohen Aspektverhältnissen ausgerichtet werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Herstellung von Gräben mit hohen Aspektverhältnissen bereitzustellen, in dem eine sich auf dem Boden des zu ätzenden Grabens bildende dünne Passivierungsschicht die Grabentiefe nicht beeinträchtigt und das Ätzverfahren aufgrund seiner Einfachheit eine hohe Ausstoßrate erzielt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 bzw. 12 angegebenen Verfahren gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüche angegeben. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Ätzen von Gräben mit hohen Aspektverhältnissen bereitgestellt, bei dem auf dem Boden des zu ätzenden Grabens eine verringerte Bildung einer dünnen Passivierungsschicht stattfindet, wobei die dünne Passivierungsschicht problemlos entfernt werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren zum Ausbilden eines Grabens mit hohem Aspektverhältnis, z. B. für einen Grabenkondensator, wird eine verringerte Bildung einer dünnen Passivierungsschicht während der Grabenätzung erreicht, indem in einem ersten Verfahrensschritt das Substrat, in dem der Graben ausgebildet werden soll, mit einem fluorarmen Gas bzw. einer geringen Konzentration an Fluorgas im Plasma des Ätzgases zum Ätzen des Grabens mit hohem Aspektverhältnis in Berührung gebracht wird. Darauf folgt ein zweiter Schritt, der mindestens einen kurzen Zeitraum andauert und in dem die Konzentration des fluorhaltigen Gases erhöht wird, so dass ein fluorreiches Plasma entsteht, während gleichzeitig der Reaktorkammerdruck und die HF-Energie herabgesetzt werden, um die dünne Passivierungsschicht vom Grabenboden zu entfernen, während die dünne Passivierungsschicht im Wesentlichen jedoch auf den Grabenwänden verbleibt.

Vorzugsweise wird der zweite Ätzschritt in periodischen Abständen während der Grabenätzung in alternierender Weise durchgeführt. Insbesondere wird die dünne Passivierungsschicht für einen Zeitraum von zwei (2) bis zwölf (12) Sekunden und bei einem Reaktorkammerdruck von weniger als 100 Millitorr bzw. von 1 bis etwa 100 Millitorr und einer HF-Energie von weniger als 500 W bzw. von 200 bis etwa 500 W dem fluorreichen Ätzplasma zum Entfernen der dünnen Passivierungsschicht vom Boden des Grabens ausgesetzt.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen genauer erläutert. Es wird darauf hingewiesen, dass, wie es allgemein üblich ist, die verschiedenen Merkmale der Zeichnungen nicht maßstabsgetreu dargestellt sind, sondern die Abmessungen verschiedener Merkmale im Interesse der Klarheit entsprechend vergrößert oder verkleinert wurden. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt einer Speicherzelle einer integrierten Schaltung mit einem Feldeffekttransistor (FET) und dem erfindungsgemäßen Graben;
Fig. 2 einen Querschnitt eines herkömmlichen, zum reaktiven Ionenätzen (reactive ion etching - RIE) verwendeten Geräts, das zum Ätzen des erfindungsgemäßen Grabens eingesetzt wird; und
Fig. 3 bis 8 einen Querschnitt einer Halbleiterscheibe in verschiedenen Phasen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen des Grabens.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Als Anwendungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Graben zeigt Fig. 1 die grundlegenden Bestandteile einer Speicherzelle 10 - einen Transistor und einen Kondensator - die in und auf dem Siliziumsubstrat 11 ausgebildet wird und im Sinne der vorliegenden Ausführungsform Teil eines Speicherzellenfeldes in einem DRAM-Speicher ist. Im vorliegenden Beispiel ist die Speicherzelle ein CMOS- Feldeffekttransistor und umfasst zwei Feldeffekttransistoren (FET), von denen ein FET 12 durch eine geschweifte Klammer gekennzeichnet ist. An jeden FET ist mindestens ein Grabenkondensator angeschlossen, der mit jedem FET in Verbindung steht. In Fig. 1 ist nur ein Kondensator 13 gezeigt. Der Kondensator 13 dient als Ladungsspeicher und als Element zum Speichern von Daten in der Speicherzelle 10. Auf den Seitenwänden und dem Boden des Grabens wurde ein Isoliermaterial, beispielsweise aus Siliziumdioxid, aufgebracht. Zwischen dem Isoliermaterial befindet sich leitendes Material, beispielsweise dotiertes Polysilizium. Im oberen Abschnitt des Grabenkondensators ist ein Oxidkragen 14 in der Grabenperipherie 15 angebracht, der an einen flachen Grabenisolationsbereich (shallow trench isolation - STI) 16 angrenzt. Dieser Grabensisolationsbereich befindet sich auf der Seite des Grabens 13, gegenüber von FET 12. Im vorliegenden Beispiel umfasst der FET 12 im Siliziumsubstrat 11 angeordnet eine P-Wanne 17, einen N+-dotierten Source-Bereich 18 und einen N+-dotierten Drain-Bereich 19, die auf der gegenüberliegenden Seite bezogen auf ein Gate-Oxid 20 liegen. Das Gate-Oxid 20 ist in und auf dem Siliziumsubstrat 11 ausgebildet und befindet sich unterhalb einer Gate-Elektrode 21, die dotiertes Polysilizium und ein lichtbrechendes Metall umfasst. Die isolierenden Seitenwände 22 und 23 sind auf der Gate-Elektrode 21 ausgebildet und wurden nach der Implantation von N^--Dotierungen neben der Gate-Elektrode ausgebildet, wodurch ein LDD-Bereich 24 (lightly doped drain - niedrig dotiertes Drain) entstand. Die Seitenwände 22 und 23 stellen eine Maske zum Implantieren der N+-Dotierungen im Source- bzw. Drainbereich 18 und 19 dar. Gleichzeitig mit dem Ausbilden der Gate-Elektrode 21 wird eine leitende Schicht aus dotiertem Polysilizium und lichtbrechendem Metall oberhalb des Grabens angebracht. Die flache Grabenisolation 16 isoliert die leitende Schicht von dem Graben, wodurch eine Übertrittwortleitung 32 entsteht.
Ein tiefer liegender N+-Bereich, der auch "strap" 25 genannt wird und, wie in Fig. 1 gezeigt ist, im Drain-Bereich 19 angeordnet ist, stellt eine physikalische und elektrische Verbindung zwischen dem Grabenkondensator und dem FET her. Ein leitendes Zwischenbereich 26 befindet sich über dem Graben 13 oberhalb des Oxidkragens 14 und grenzt an den N+-Bereich oder "strap" 25 an. Um eine Schnittstelle mit anderen Speicherzellen des Speicherzellenfeldes bereitzustellen, erstreckt sich eine Bitleitung 27 oberhalb der Gate-Elektrode 21. Ein Anschluss 28 ist über einen nicht gezeigten Pfad mit der Gate- Elektrode 21 verbunden. Ein Anschluss 29 ist über einen nicht gezeigten Pfad mit Source 18 verbunden. Isolatorschichten 30und 31 trennen die Anschlüsse von den Bitleitungs- und Wortleitungskontakten. Die Wortleitung, die als Übertrittwortleitung 32 gezeigt ist, ist Teil des Speicherzellenfeldes und durch Interaktion von Bitleitung 27 und Wortleitung wird der erfindungsgemäße Kondensator beim Schreiben von Daten in die in Fig. 1 gezeigte Speicherzelle und beim Lesen von Daten aus der in Fig. 1 gezeigten Speicherzelle auf- und entladen. Die Speicherzelle kann weitere Feldeffekttransistoren (nicht gezeigt) und Gräben (nicht gezeigt) neben dem FET 12 enthalten. Darüber hinaus können zusätzliche Gräben neben dem Graben 13 ausgebildet sein.
Im Zusammenhang mit Fig. 2 wird ein Plasmareaktor zum Ätzen von Gräben mit hohen Aspektverhältnissen beschrieben. Der Plasmareaktor bzw. die RIE-Anlage 40 umfasst eine Reaktorkammer 41, die durch einen isolierten Sockel 42 und eine geerdete, leitfähige Einfassung 43 gebildet wird. Der Reaktor 40 umfasst zwei parallel angeordnete Platten 44 und 45, wobei die Platte 44 an eine Energiequelle 46 mit einem Steuergerät 47 angeschlossen ist und die Platte 45 mit der Masse verbunden ist. Sowohl zum Ätzen des Grabens als auch zum Entfernen der dünnen Passivierungsschicht liegt die Halbleiterscheibe 11 auf der Platte 44. Eine Gasquelle 49 und ein Gaszuleitungssystem 50, welches als einzelne Zuleitung gezeigt ist, jedoch aus mehreren, in der Kammer 41 angebrachten Zuleitungen bestehen kann, leiten Gas(e) in die Kammer 41, um das Plasma zu erzeugen. Die Gase können im gewünschten Mengenverhältnis gemischt und/oder ihre Konzentration kann durch eine mit der Gasquelle verbundene Steuereinheit 51 verändert werden. Zum Regulieren des Kammerdrucks ist eine Pumpe 52 über eine Zuleitung 53 an die Kammer 41 angeschlossen. Die Pumpe 52 wird über die Steuereinheit 54 gesteuert. Beim Ätzen von Gräben mit hohem Aspektverhältnis in der Halbleiterscheibe 11 fließt ein Ätzgas bzw. fließen Ätzgase bei angeschalteter HF- Energiequelle 46 über die Zuleitung 53 in die Kammer 41. Die Energiequelle 46 wird durch das Steuergerät 47 vorzugsweise auf 1500 W bei einer Frequenz von 13,56 MHz eingestellt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Energiequelle 46 beim Ätzen der Gräben über das Steuergerät 47 reguliert. Beim Ätzen beträgt der Anfangsdruck vorzugsweise etwa 200 Millitorr. Er kann jedoch bis zu 500 Millitorr betragen. Auch der Druck wird während der Grabenätzung über die Steuereinheit 54 der Pumpe 52 reguliert.
Das Ätzen der Gräben kann die Bildung von sogenanntem "schwarzen Silizium" zur Folge haben, das von auf der Oberfläche auftretenden Verschmutzungen, z. B. von Oxidrückständen verursacht wird, die als lokale Ätzmaske wirken. Ein Ätzverfahren, das die Bildung von schwarzem Silizium eliminiert bzw. minimiert, ist in der am 29. September 2000 eingereichten U. S. Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/675,433 offenbart und beansprucht. Auf diese Anmeldung wird hierin Bezug genommen.
In den Fig. 3 bis 8 ist eine Halbleiterscheibe 11 gezeigt, die in dieser Ausführungsform P-dotiert ist und eine P-Wanne 17 zur Herstellung eines CMOS-Transistors umfasst. Die Halbleiterscheibe 11 wird mit einer Hartmaske 64 versehen. Diese umfasst vorzugsweise eine SiO₂-Kontaktschicht 60, auf der eine Silizium-Nitridschicht 61 und, als oberste Schicht, eine Schicht aus BSG/TEOS (Borsilikatglas/Tetraethyloxysilikat) 62 mit einer Oberfläche 63 aufgebracht ist, wie Fig. 3 zeigt. Die Oxidschicht wurde durch thermisches Aufwachsen gebildet, während die Nitridschicht 61 und die BSG/TEOS-Schicht 62 durch ein im Stand der Technik bekanntes CVD-Verfahren abgeschieden wurden. Die BSG/TEOS-Schicht ist vorzugsweise 1 µm dick, da sie als oberste Schicht der Hartmaske während dem Ätzvorgang erodiert wird, wie in den Fig. 5 bis 8 gezeigt ist. Auf der BSG/TEOS-Schicht ist ein als Hartmaske dienender Fotolack (nicht gezeigt) aufgebracht. Dieser wird belichtet und entwickelt, wodurch eine oder mehrere Öffnungen im Fotolack zum Ausbilden der Gräben in der Halbleiterscheibe 11 entstehen. Die Hartmaske 64 wird einer anisotropischen Plasmaätzung unterworfen, wobei die RIE-Anlage 40 (Fig. 2) verwendet wird, um durch Reaktives Ionenätzen in den im Fotolack ausgebildeten Öffnung(en) der Hartmaske mithilfe der geeigneten, im Stand der Technik bekannten Plasmagase die in Fig. 4 gezeigte(n) Maskenöffnung(en) 65 auszubilden.
Nach dem Ausbilden der Maskenöffnungen werden, wie in Fig. 5 gezeigt ist, Gräben in der Halbleiterscheibe 11 ausgebildet. Hierfür wird vorzugsweise ein mehrstufiges Verfahren eingesetzt, wie es in der am 29. September 2000 eingereichten Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/675,455 beschrieben ist. Das Verfahren dieser Anmeldung wurde an die vorliegende Erfindung angepasst. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst das Ätzen des Halbleitersubstrats 11, im vorliegenden Fall Silizium, an der/den Maskenöffnung(en) mit einem Plasmagas, das ein Fluorgas und Sauerstoff zusammen mit Bromwasserstoff (HBr) enthält. Das Ätzen erfolgt anisotrop und wird mit der im Zusammenhang mit Fig. 2 erläuterten RIE-Anlage durchgeführt. Während der Grabenätzung finden auf der Oberfläche der Maske 63, auf den Seitenwänden des Grabens und auf dem Grabenboden kontinuierliche Abscheidungs- und Ätzreaktionen statt, wodurch, wie in Fig. 5 gezeigt ist, eine dünne Passivierungsschicht 67 auf der Oberfläche 63 der Maske 64, auf den Grabenwänden und auf dem Grabenboden entsteht. Es wird darauf hingewiesen, dass die BSG/TEOS-Schicht hier etwas dünner ist als die BSG/TEOS-Schicht in Fig. 4 vor dem Ätzen.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird die dünne Passivierungsschicht 67 auf dem Boden 70 des Grabens 66 in periodischen Abständen, wie in den Fig. 6 und 8 gezeigt, durch Zuleiten eines fluorreichen Plasmas und Bromwasserstoff bei geringem Druck und geringer Energie entfernt. Obwohl die dünne Passivierungsschicht 67 vom Grabenboden entfernt wird, verbleibt sie auf den Grabenwänden oder wird von dort nur in sehr geringem Maße entfernt. Dies schützt den Graben 66 vor einer seitlichen Ätzung - ein Problem, das mit abnehmenden Strukturgrößen zunehmend an Bedeutung gewinnt. Die Plasma- Gas-Mischung beim Ätzen ist vorzugsweise NF₃/HBr/O₂. Zum Entfernen der dünnen Passivierungsschicht wird der NF₃-Anteil erhöht, während die HBr-Konzentration gleich bleibt und die Sauerstoffquelle abgeschaltet wird. Der Druck wird auf unter 100 Millitorr und die HF-Energie auf 500 W verringert. Im vorliegenden Beispiel liegt das spezifische Plasma-Gas- Gemisch zum Entfernen der dünnen Passivierungsschicht im Bereich von 10NF₃ 0-50HBr. Zwar wird NF₃ bevorzugt verwendet, jedoch können auch andere fluorhaltige Verbindungen wie z. B. SiF₄ und SF₆ sowohl zur Grabenätzung als auch zum Entfernen der dünnen Passivierungsschicht eingesetzt werden. Ein erfindungsgemäßer Verfahrenszyklus umfasst ein minutenlanges Ätzen, ein sekundenlanges Entfernen der dünnen Passivierungsschicht, gefolgt von minutenlangem Ätzen. Dieser Zyklus ist in den Fig. 7, 8 und 9 dargestellt. Fig. 7 zeigt den Ätzschritt, bei dem sowohl der Graben 66 geätzt wird und sich eine dünne Passivierungsschicht 67 auf dem Boden 70 des Grabens bildet. Fig. 8 zeigt einen Arbeitsschritt zum in-situ- Entfernen der Passivierungsschicht vom Boden 70 des Grabens 66. Nach Entfernen der dünnen Passivierungsschicht 67, ist der bei höherer Ätzrate geätzte Graben tiefer und es bildet sich abermals eine dünne Passivierungsschicht.
Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Ätzverfahren, bei dem achteinhalb (8S) Minuten ohne Entfernen einer Passivierungsschicht geätzt wird, resultiert in einer Grabentiefe von 6,2 µm bei Strukturgrößen im Bereich von 0,15 µm. Fügt man diesem Verfahren aus dem Stand der Technik eine zusätzliche Ätzminute hinzu, erhält man eine Grabentiefe von 6,4 µm. Baut man jedoch vor der zusätzlichen Ätzminute einen Verfahrensschritt zum Entfernen der dünnen Passivierungsschicht mit ein, so kann eine Grabentiefe von 6,5 µm erzielt werden. Durch zwei zusätzliche Ätzminuten zu den 8S Minuten aus dem Stand der Technik wird, wiederum ohne Entfernen einer Passivierungsschicht, eine Grabentiefe von 6,6 µm erreicht. Im Vergleich dazu kann eine Grabentiefe von 6,9 µm erzielt werden, wenn zu den zwei zusätzlichen Ätzminuten der erfindungsgemäße Verfahrensschritt, bei dem die dünne Passivierungsschritt entfernt wird, mit eingebaut wird. Die Fig. 7 und 9 zeigen die durch Entfernen der dünnen Passivierungsschicht erzielte zusätzliche Grabentiefe. Die Fig. 7 und 9 zeigen außerdem die verringerte Dicke der BSG/TEOS-Schicht. Es ist wünschenswert, beim Ätzen der Gräben 66 die Silizium-Nitrid-Schicht 61 nicht zu erreichen. Daher wird der Ätzvorgang zumeist abgebrochen, nachdem 0,9 µm der anfänglich 1 µm-dicken BSG/TEOS- Schicht erodiert wurden. Wird eine BSG/TEOS-Schicht mit einer anderen Ausgangsdicke verwendet, so ist es wünschenswert, den Ätzvorgang abzubrechen, wenn die verbleibende BSG/TEOS- Schicht nur noch 0,1 µm dick ist.
Es wurde herausgefunden, dass die oben beschriebene Zugabe von Ätzzeit zum Verfahren aus dem Stand der Technik ohne das erfindungsgemäße Entfernen der dünnen Passivierungsschicht eine Ätzrate von nur 0,2 µm/min ergab, während mit dem Entfernen der dünnen Passivierungsschicht die Ätzrate auf 0,35 µm/min gesteigert werden konnte. Dies beweist, dass die Ätzrate durch die Passivierungsschicht am Grabenboden beeinträchtigt wird. Folglich ist es wünschenswert, eine Ätzrate von mindestens 0,35 µm/min festzulegen. Es wurde zudem herausgefunden, dass die Zeit, die zur in-situ-Entfernung der dünnen Passivierungsschicht aufgewandt wird, die Grabentiefe nicht erhöht: ein Erhöhen der Dauer des Entfernungsschritts von 7 auf 15 Sekunden ergab keine Vertiefung des Grabens. Darüber hinaus wird durch das Entfernen der dünnen Passivierungsschicht die Grabenöffnung nicht wesentlich erweitert, was die Annahme bestätigt, dass beim Entfernen der Passivierungsschicht vorwiegend die Passivierungsschicht am Grabenboden abgetragen wird. Die folgende Tabelle zeigt eine übersicht der Resultate der Grabenätzung aus dem Stand der Technik im Vergleich zum erfindungsgemäßen Verfahren:
Wie die obige Tabelle zeigt, ergibt sich für das erfindungsgemäße Verfahren aufgrund einer höheren Ätzrate bei gleichbleibender Ätzzeit eine tiefere Grabenätzung, obwohl nur eine kurze Zeit, nämlich 7 Sekunden, zum Entfernen der dünnen Passivierungsschicht vom Grabenboden benötigt wird, was die Durchlaufleistung bei der Grabenätzung nicht wesentlich beeinträchtigt. Indem darüber hinaus das Entfernen der dünnen Passivierungsschicht vom Grabenboden so kurz wie möglich gehalten wird, d. h. bei weniger als 15 Sekunden, wird die BSG/TEOS-Schicht 62 der Hartmaske 64 nicht erodiert. Außerdem fand man heraus, dass eine Ausdehnung des Zeitraums zum Entfernen der dünnen Passivierungsschicht, beispielsweise auf 15 Sekunden, weder die Ätzrate erhöht, noch einen tieferen Graben bewirkt. Die Tatsache, dass die dünne Passivierungsschicht 67 von den Seitenwänden des Grabens 66 nicht entfernt wird, schützt, wie in den Fig. 5 bis 8 dargestellt ist, die Seitenwände vor dem Ätzen und verhindert so eine Ausweitung des Grabens während der Ätzung. Fig. 5 zeigt, dass die dünne Passivierungsschicht 67 auf den Seitenwänden 69 und dem Grabenboden 70 liegt; nach dem Entfernen der Passivierungsschicht verbleibt die Schicht 67 jedoch auf den Seitenwänden 69, während sie vom Grabenboden 70 entfernt wird, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Der Graben wird in einem weiteren, in Fig. 7 dargestellten Ätzverfahren vertieft und dabei bildet sich abermals eine dünne Passivierungsschicht 67 auf dem Grabenboden 70. Nach einem weiteren, in Fig. 8 dargestellten Verfahrensschritt zum Entfernen der Passivierungsschicht wird die Passivierungsschicht 67 als Vorbereitung für ein weiteres, in Fig. 9 dargestelltes Ätzen zur Vertiefung des Grabens vom Grabenboden 70 entfernt. Es wird darauf hingewiesen, dass die BSG/TEOS-Schicht 62, wie in den Fig. 5 bis 8 dargestellt ist, immer dünner wird, bis sie, wie Fig. 9 zeigt, eine Dicke von 0,1 µm erreicht, bei der ein weiteres Ätzen nicht wünschenswert ist.
Die vorliegende Erfindung wurde im Zusammenhang mit bestimmten Ausführungsformen beschrieben. Der Fachmann ist jedoch in der Lage, verschiedenen Änderungen und Modifikationen vorzunehmen, ohne dabei über Sinn und Umfang der in den folgenden Ansprüchen festgelegten Erfindung hinauszugehen. Bezugszeichenliste 10 Speicherzelle
11 Siliziumsubstrat
12 Feldeffekttransistor
13 Kondensator
14 Oxidkragen
15 Grabenperipherie
16 flacher Grabenisolationsbereich (STI-Bereich)
17 P-Wanne
18 Source
19 Drain
20 Gate-Oxid
21 Gate-Elektrode
22 erste isolierende Seitenwand
23 zweite isolierende Seitenwand
24 LDD-Bereich
25 "strap"
26 Zwischenbereich
27 Bitleitung
28 Erster Anschluss
29 Zweiter Anschluss
30 Erste Isolierschicht
31 Zweite Isolierschicht
32 Übertrittswortleitung
40 RIE-Anlage
41 Reaktorkammer
42 Sockel
43 Einfassung
44 Erste Platte
45 Zweite Platte
46 Energiequelle
47 Steuergerät
49 Gasquelle
50 Gaszuleitungssystem
51 Steuereinheit der Gasquelle
52 Pumpe
53 Zuleitung
54 Steuereinheit der Pumpe
60 Siliziumoxid-Kontaktschicht
61 Nitridschicht
62 BSG/TEOS-Schicht
63 Oberfläche
64 Hartmaske
65 Maskenöffnung
66 Graben
67 Passivierungsschicht
69 Seitenwände
70 Grabenboden

Claims

1. Verfahren zum Ausbilden eines Grabens (66) in einem Halbleitersubstrat (11), umfassend:
Bereitstellen eines Halbleiters mit einer Oberfläche (63) und einer auf dieser Oberfläche (63) aufgebrachten strukturierten Maske, wobei die Maske mit einer oberen Schicht ausgebildet wird und mindestens eine Öffnung (65) umfasst, die die Oberfläche des Halbleitersubstrats (11) freilegt;
Ätzen des Halbleitersubstrats (11) im Bereich der Öffnung (65) mittels Plasmaätzung zum Ausbilden eines Grabens (66) im Substrat (11) im Bereich der Öffnung (65);
in Berührung bringen des Grabens (66) mit fluorhaltigem Plasma, wobei im Vergleich zum vorhergehenden Ätzschritt zum Ausbilden des Grabens weniger Druck und Energie aufgewandt wird, wodurch eine während des vorhergehenden Ätzens auf dem Boden (70) des Grabens (66) ausgebildete dünne Passivierungsschicht (67) entfernt wird; und
weiteres Ätzen des Halbleitersubstrats (11) an der Öffnung (65) zum Vertiefen des Grabens (66).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die dünne Passivierungsschicht (67) nach dem Entfernen der dünnen Passivierungsschicht (67) auf den Seitenwänden (69) des Grabens (66), jedoch nicht auf dem Boden (70) des Grabens (66) verbleibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei dieselbe fluorhaltige Verbindung im Plasma sowohl zum Ätzen des Grabens (66) als auch zum Entfernen der dünnen Passivierungsschicht (67) eingesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die dünne Passivierungsschicht (67) dem fluorreichen Ätzplasma zum Entfernen der dünnen Passivierungsschicht (67) für einen Zeitraum von zwei (2) bis zwölf (12) Sekunden und bei einem Reaktorkammerdruck von weniger als 100 Millitorr und einer HF-Energie von weniger als 500 W ausgesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Reaktorkammerdruck etwa 1 bis etwa 100 Millitorr und die HF-Energie etwa 200 bis 500 W beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Ätzen des Grabens (66) mit einer festgelegten Ätzrate durchgeführt ist und wobei die dünne Passivierungsschicht (67) auf dem Boden (70) des Grabens (66) die Ätzrate verringert.

7. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Ätzrate mindestens 0,35 µm/min beträgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Zeit zum Entfernen der dünnen Passivierungsschicht (67) weniger als 15 Sekunden beträgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die gewünschte Grabentiefe vor dem Abätzen der oberen Maskenschicht (62) erreicht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Plasma für den Ätzvorgang eine fluorhaltige Verbindung und Sauerstoff umfasst.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Sauerstoff im Ätzplasma nicht in dem zum Entfernen der dünnen Passivierungsschicht (67) verwendeten Plasma vorhanden ist.

12. Verfahren zum Ausbilden eines Kondensatorgrabens (66) bei der Herstellung einer Speicherzelle (10) mit einem Transistor (12) und einem Grabenkondensator (13), umfassend:
Bereitstellen eines Halbleiters mit einer Oberfläche (63) und einer auf dieser Oberfläche (63) aufgebrachten strukturierten Maske, wobei die Maske mit einer oberen Schicht ausgebildet wird und mindestens eine Öffnung (65) umfasst, die die Oberfläche (65) des Halbleitersubstrats (11) freilegt;
Ätzen des Halbleitersubstrats (11) an der Öffnung (65) mittels Plasmaätzung zum Ausbilden eines Grabens (66) im Substrat (11) an der Öffnung (65);
in Berührung bringen des Grabens (66) mit fluorhaltigem Plasma, wobei im Vergleich zum vorhergehenden Ätzschritt zum Ausbilden des Grabens weniger Druck und Energie aufgewandt wird, wodurch eine während des vorhergehenden Ätzens auf dem Boden (70) des Grabens (66) ausgebildete dünne Passivierungsschicht (67) entfernt wird;
weiteres Ätzen des Halbleitersubstrats (11) an der Öffnung (65) zum Vertiefen des Grabens (66);
Wiederholen der Schritte Entfernen der dünnen Passivierungsschicht (67) und Ätzen bis die gewünschte Tiefe des Grabens (66) erreicht ist, wobei dieser Schritt vor dem Erodieren der oberen Maskenschicht (62) ausgeführt wird;
Entfernen der dünnen Passivierungsschicht (67) von den Seitenwänden (69) und dem Boden (70) des Grabens (66);
Ausbilden einer Isolierschicht auf den Seitenwänden (69) und dem Boden (70) des Grabens (66); und
Auffüllen des Grabens (66) mit einem leitfähigen Material.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die dünne Passivierungsschicht (67) nach dem Entfernen der dünnen Passivierungsschicht (67) auf den Seitenwänden (69) des Grabens (66), jedoch nicht auf dem Boden des Grabens verbleibt.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei dieselbe fluorhaltige Verbindung im Plasma sowohl für das Ätzen des Grabens (66), als auch für das Entfernen der dünnen Passivierungsschicht (67) eingesetzt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die dünne Passivierungsschicht (67) dem fluorreichen Ätzplasma zum Entfernen der dünnen Passivierungsschicht (67) für einen Zeitraum von zwei (2) bis zwölf (12) Sekunden und bei einem Reaktorkammerdruck von weniger als 100 Millitorr und einer HF-Energie von weniger als 500 W ausgesetzt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Reaktorkammerdruck etwa 1 bis etwa 100 Millitorr und die HF-Energie etwa 200 bis 500 W beträgt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei das Ätzen des Grabens (66) mit einer festgelegten Ätzrate durchgeführt ist und wobei die dünne Passivierungsschicht (67) auf dem Boden (70) des Grabens (66) die Ätzrate verringert.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Ätzrate mindestens 0,35 µm/min beträgt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei das Plasma für den Ätzvorgang eine fluorhaltige Verbindung und Sauerstoff umfasst.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Sauerstoff im Ätzplasma nicht in dem zum Entfernen der dünnen Passivierungsschicht (67) verwendeten Plasma vorhanden ist.