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Herstellungsverfahren
für einen
Grabenkondensator mit einem Isolationskragen, der über einen vergrabenen
Kontakt einseitig mit einem Halbleitersubstrat elektrisch verbundenen
ist, insbesondere für eine
Halbleiterspeicherzelle Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren
für einen
Grabenkondensator mit einem Isolationskragen, der über einen
vergrabenen Kontakt einseitig mit einem Halbleitersubstrat elektrisch
verbundenen ist, insbesondere für
eine Halbleiterspeicherzelle.
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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 mit Grabenkondensatoren
in Silizium-Technologie
erläutert.
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Für die 90nm-
bzw. 70nm-Generation der Speicherschaltungen mit Grabenkondensatoren
in Silizium-Technologie wird es immer wichtiger, den Widerstand
im Grabenkondensator so niedrig wie möglich zu halten.
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In
letzter Zeit sind in diesem Zusammenhang Konzepte mit Grabenkondensator
mit einem Isolationskragen, der über
einen vergrabenen Kontakt einseitig mit einem Halbleitersubstrat
elektrisch verbundenen ist, entwickelt worden, die eine sehr hohe
Packungsdichte der Grabenkondensatoren erlauben.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein einfaches
und sicheres Herstellungsverfahren für einen derartigen einseitig
angeschlossenen Grabenkondensator anzugeben.
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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 es einerseits eine genaue Definition
des Anschlussgebietes bzw. des komplementären Isolationsgebietes beim
jeweiligen vergrabenen Kontakt des Grabenkondensators ermöglicht.
Andererseits ist in einer bevorzugten Ausführungsform ein vergrabener
Isolationskragen realisierbar und somit der Widerstand in diesem
Bereich des Grabens stark reduzierbar.
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Insbesondere
ermöglicht
das erfindungsgemäße Verfahren,
dass der einseitige Kontakt zusammen mit dem Isolationskragen vorbereitet
wird.
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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 werden zum teilweisen Maskieren des oberen
Grabenbereichs folgende Schritte durchgeführt:
ganzflächiges Abscheiden
der Maskierungsschicht über
der Hartmaske und dem Graben;
ganzflächiges Abscheiden einer Hilfsschicht
z.B. aus Silizium über
Maskierungsschicht;
Durchführen
einer schrägen
Implantation zum Verändern
der Ätzeigenschaften
der Hilfsschicht über
der Hartmaske und im teilweise zu maskierenden oberen Grabenbereich
im späteren
Anschlussbereichs des vergrabenen Kontakts;
Entfernen des nicht-implantierten
Teils der Hilfsschicht durch einen ersten Ätzprozess zum teilweisen Freilegen
der Maskierungsschicht; optionelles Oxidieren des nicht-entfernten
implantierten Teils der Hilfsschicht; und
Entfernen des freigelegten
Teils der Maskierungsschicht zum Freilegen des darunter befindlichen Halbleitersubstrats
im Graben.
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Gemäss einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird nach dem Entfernen des freigelegten Teils
der Maskierungsschicht zum Freilegen des darunter befindlichen Halbleitersubstrats
im Graben und vor dem Bilden des Isolationskragens auf dem Halbleitersubstrat
ein Schritt des Zurückätzens des
freigelegten Halbleitersubstrats im Graben durchgeführt. Dies
hat den Vorteil, dass durch das Verbraben des Isolationskragens
im Substrat Platz im Graben gewonnen wird.
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Gemäss einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird der nicht-entfernte implantierten
Teils der Hilfsschicht oxidiert und die oxidierte Hilfsschicht in
einem separaten Schritt entfernt.
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Gemäss einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird der nicht-entfernte implantierten
Teils der Hilfsschicht nicht oxidiert und die Hilfsschicht beim
Zurückätzens des
freigelegten Halbleitersubstrats im Graben entfernt wird.
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Gemäss einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird zum Entfernen des zuvor
gebildeten Isolationskragens auf dem Halbleitersubstrat im unteren Grabenbereich
eine nicht-konforme Hilfsschicht als Maske über der Hartmaske und dem Graben
ganzflächig
abgeschieden.
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Gemäss einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird nach dem Entfernen des Isolationskragens
auf dem Halbleitersubstrat im unteren Grabenbereich ein Prozess
zum Ausbilden von HSG UND/ODER BOTTLE-Bereichen auf dem Halbleitersubstrat
im unteren Grabenbereich durchgeführt.
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Gemäss einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird auf dem vergrabenen Kontakt
ein Isolationsbereich zum Verschließen des Grabens vorgesehen.
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Gemäss einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird zusätzlich ein teilweises Maskieren
des oberen Grabenbereichs mittels der Maskierungsschicht auf dem
Halbleitersubstrat in einem dem späteren Anschlussbereich des
vergrabenen Kontakts gegenüberliegenden
Bereich durchgeführt,
welcher eine wesentlich geringere Tiefenerstreckung in den Graben
aufweist. Diese Variante hat den besonderen Vorteil, dass der Isolationskragen
im dem späteren Anschlussbereich
des vergrabenen Kontakts gegenüberliegenden
Bereich gegenüber
der Oberfläche des
Halbleitersubstrats abgesenkt werden kann, so dass mehr Platz für einen
später
dort vorzusehenden kritischen Bitleitungskontakt zur Verfügung steht.
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Gemäss einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung werden zum teilweisen Maskieren
des oberen Grabenbereichs folgende Schritte durchgeführt werden:
ganzflächiges Abscheiden
der Maskierungsschicht über
der Hartmaske und dem Graben;
ganzflächiges Abscheiden einer Hilfsschicht
z. B. aus Silizium über
Maskierungsschicht;
Durchführen
einer ersten schrägen
Implantation zum Verändern
der Ätzeigenschaften
der Hilfsschicht über
der Hartmaske und im teilweise zu maskierenden oberen Grabenbereich
im späteren
Anschlussbereichs des vergrabenen Kontakts;
Durchführen einer
zweiten schrägen
Implantation zum Verändern
der Ätzeigenschaften
der Hilfsschicht über
der Hartmaske und im teilweise zu maskierenden oberen Grabenbereich
im dem spä teren
Anschlussbereich des vergrabenen Kontakts gegenüberliegenden Bereich;
Entfernen
des nicht-implantierten Teils der Hilfsschicht durch einen ersten Ätzprozess
zum teilweisen Freilegen der Maskierungsschicht;
Oxidieren
des nicht-entfernten implantierten Teils der Hilfsschicht; und
Entfernen
des freigelegten Teils der Maskierungsschicht zum Freilegen des
darunter befindlichen Halbleitersubstrats im Graben.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1a-j schematische Darstellungen
aufeinanderfolgender Verfahrensstadien eines Herstellungsverfahrens
als erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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2a-j schematische Darstellungen
aufeinanderfolgender Verfahrensstadien eines Herstellungsverfahrens
als zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Bestandteile.
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Bei
den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen wird aus Gründen der Übersichtlichkeit
auf eine Schilderung der Herstellung der planaren Auswahltransistoren
verzichtet und lediglich die Bildung des Grabenkondensators ausführlich erörtert. Die
Schritte der Herstellung der planaren Auswahltran sistoren sind,
falls nicht ausdrücklich
anders erwähnt,
dieselben wie beim Stand der Technik.
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1a-j sind schematische Darstellungen aufeinanderfolgender
Verfahrensstadien eines Herstellungsverfahrens als erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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In 1a bezeichnet Bezugszeichen 1 einen
Silizium-Halbleitersubstrat.
In dem Silizium-Halbleitersubstrat 1 ist mittels einer üblichen Hartmaske 5,
beispielsweise aus Siliziumnitrid, ein Graben 10 erzeugt
worden.
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Über der
Struktur mit der Hartmaske 5 und dem Graben 10 werden
darauffolgend eine Maskierungsschicht 15 aus Siliziumnitrid
mit einer Dicke von typischerweise 2–4 μm und darüber eine Hilfsschicht 20 aus
amorphen Silizium mit einer Dicke von typischerweise 5–10 μm abgeschieden.
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In
einem darauffolgenden Prozessschritt erfolgt eine schräge Implantation
I mit Bor-Ionen oder Bor-Fluorid-Ionen, um die Ätzeigenschaften der Hilfsschicht 20 über der
Hartmaske und in einem teilweise zu maskierenden oberen Grabenbereich – einem späteren Anschlussbereich
eines vergrabenen Kontakts – zu
verändern.
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Mit
Bezug auf 1b wird anschließend eine Ätzung mit
NH4OH durchgeführt, um den nicht implantierten
Teil der Hilfsschicht 20 zu entfernen. Anschließend erfolgt
ein Oxidationsschritt zum Oxidieren des nicht-entfernten implantierten
Teils der Hilfsschicht 20, um so eine oxidierte Hilfsschicht 20' zu bilden.
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In
einem darauffolgenden Prozessschritt, der in 1c illustriert ist, wird dann die nicht
durch die oxidierte Hilfsschicht 20' maskierte Maskierungsschicht 15 im
Graben entfernt und verbleibt im Graben lediglich dort, wo sie durch die
oxidierte Hilfsschicht 20' maskiert
ist, nämlich
im späteren
Anschlussbereich des vergrabenen Kontakts.
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Das
Entfernen der nicht maskierten Maskierungsschicht 15 kann
beispielsweise in heißer
Phosphorsäure
geschehen.
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Mit
Bezug auf 1d erfolgt
im Graben 10 ein Schritt des Zurückätzens des freigelegten Halbleitersubstrats 1 mittels
einer üblichen
Silizium-Ätzmischung
und dann ein Entfernen der oxidierten Hilfsschicht 20' durch einen
weiteren Ätzprozess.
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Mit
Bezug auf 1e erfolgt
dann ein Bilden eines Isolationskragens 25 aus Siliziumoxid
auf dem Halbleitersubstrat 1 in gesamten Grabenbereich
außerhalb
des teilweise durch die Maskierungsschicht 15 maskierten
oberen Grabenbereichs, wo später der
vergrabene Kontakt anzuschließen
ist.
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Mit
Bezug auf 1f wird über der
resultierenden Struktur eine Maske 30 gebildet, welche
die Oberseite der Maskierungsschicht 15 und den oberen
und mittleren Grabenbereich überdeckt.
Zur Herstellung einer derartigen Maske 30 kann ein nicht-konformer
Linerprozess angezogen werden, beispielsweise ein ALD-Prozess zur
Erzeugung eines Aluminiumoxidliners.
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Wie
in 1g gezeigt, wird
dann der Isolationskragen 25 auf dem Halbleitersubstrat 1 im
unteren Grabenbereich zum Freilegen des Halbleitersubstrats 1 unter
Verwendung der Maske 30 im mittleren und oberen Grabenbereich
entfernt.
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Anschließend erfolgt
ein üblicher HSG/BOTTLE-Bildungsprozess
im unteren Grabenbereich zur Bildung von HSG-Bereichen 40 (HSG
= hemispherical silicon grain) im flaschenförmig aufgeweiteten unteren
Grabenbereich wie im Stand der Technik bekannt, dient dieser HSG/BOTTLE-Bildungsprozess
zur Vergrößerung der
Oberfläche
im unteren Grabenbereich. Der resultierende Prozesszustand ist in 1h gezeigt.
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Mit
Bezug auf 1i wird dann
ein Kondensator-Dielektrikum 50 aus Siliziumoxid im unteren Grabenbereich
vorgesehen und anschließend
eine erste leitende Füllung 60 aus
Polysilizium im Graben bis zum Isolationskragen 25 im unteren
mittleren Grabenbereich unterhalb des maskierten oberen Grabenbereichs
vorgesehen.
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Vor
der Bildung des Kondensator-Dielektrikums aus Siliziumoxid wird
die Maskenschicht 30 aus dem nicht-konformen Liner entfernt.
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Die
Bildung dieser ersten leitenden Füllung 60 erfolgt üblicherweise
durch eine Abscheidung, gefolgt von einem chemischmechanischen Rückpolieren
und ätzchemischen
Einsenken.
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Mit
Bezug auf 1j wird dann
die Maskierungsschicht 15 entfernt und anschließend der
vergrabene Kontakt 70 oberhalb der ersten leitenden Füllung 60 durch
eine zweite leitende Füllung
gebildet, welcher im Anschlussbereich KB an das Halbleitersubstrat 1 angeschlossen
ist. Schließlich
wird noch ein Isolationsbereich 80 oberhalb des vergrabenen
Kontakts 70 zum Verschließen des Grabens vorgesehen.
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2a-j sind schematische Darstellungen aufeinanderfolgender
Verfahrensstadien eines Herstellungsverfahrens als zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Bei
der mit Bezug auf 2a-j illustrierten zweiten
Ausführungsform
wird im Unterschied zur ersten Ausführungsform zusätzlich ein
teilweises Maskieren des oberen Grabenbereichs mittels der Maskierungsschicht 15 auf
dem Halbleitersubstrat 1 in einem dem späteren Anschlussbereich
des vergrabenen Kontakts gegenüberliegenden
Bereich durchgeführt,
wobei dieser gegenüberliegende
Bereich ein wesentlich geringere Tiefenerstreckung in den Graben 10 aufweist
als der ihm gegenüberliegende
Anschlussbereich.
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Insbesondere
wird mit Bezug auf 1a zunächst eine
erste Implantation I1 in Analogie zur ersten Ausführungsform
durchgeführt,
um die Ätzeigenschaft
der Hilfsschicht 20 im teilweise zu maskierenden oberen
Grabenbereich im späteren
Anschlussbereich des vergrabenen Kontakts zu ändern.
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Anschließend wird
im Unterschied zur ersten Ausführungsform
eine zweite schräge
Implantation zum Verändern
der Ätzeigenschaften
der Hilfsschicht 20 über
der Hartmaske 5 und im teilweise zu maskierenden oberen
Grabenbereich in dem späteren
Anschlussbereich des vergrabenen Kontakts gegenüberliegenden Bereich durchgeführt.
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Der
Prozesszustand nach entfernen des nicht-implantierten Teils der
Hilfsschicht 20 und nach Oxidation des verbleibenden Teils
der Hilfsschicht 20 zur oxidierten Hilfsschicht 20'' ist in 2b dargestellt. Insbesondere in 2b ist deutlich erkennbar, dass
sich die Maskierung im späteren
Anschlussbereich auf der linken Seite wesentlich weiter in den Graben
hinein erstreckt als die Maskierung im gegenüberliegenden Bereich. Dies
hat den Hintergrund, dass es sonst nicht möglich wäre, den vergrabenen Kontakt
später
nur einseitig anzuschließen.
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Mit
Bezug auf 2c erfolgt
anschließend das
Entfernen der Maskierungsschicht 15 im nicht durch die
oxidierte Hilfsschicht 20'' maskierten
Bereich im Graben 10 durch die besagte Ätzung in heißer Phosphorsäure.
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Wie
in 2d dargestellt erfolgt
das Zurückziehen
des Siliziumsubstrats 1 im Graben durch die bekannte Siliziumätzung und
anschließend,
wie in 2e gezeigt die
Bildung des Isolationskragen aus Siliziumoxid im gesamten Grabenbereich,
der nicht durch die Maskierungsschicht 15 maskiert ist.
In diesem Zusammenhang ist es im Gegensatz zur oben beschriebenen
ersten Ausführungsform
wichtig, dass der Isolationskragen auf der im späteren Anschlussbereich gegenüberliegenden
Seite nicht ganz bis zur Oberseite des Siliziumhalbleitersubstrats 1 reicht.
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Mit
Bezug auf 2f erfolgte
die bereits beschriebene Bildung der Maske 30 auf der Oberseite und
dem oberen und mittleren Grabenbereich mittels des besagten nicht-konformen
Linerprozesses. Wie in 2g gezeigt,
wird das Siliziumoxid des Isolationskragens 25 im nicht
maskierten unteren Kragenbereich durch einen üblichen Oxidätzprozess
entfernt. Anschließend
wird die Maske 30 entfernt und, wie in 2h gezeigt, der HSG/BOTTLE-Bildungsprozess
im unteren Grabenbereich durchgeführt.
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Mit
Bezug auf 2i erfolgt
dann das Vorsehen des Kondensat-Dielektrikums 50 im unteren
Grabenbereich und das Vorsehen der ersten leitenden Füllung 60 aus
Polysilizium im unteren mittleren Grabenbereich bis unterhalb des
durch die Maskierungsschicht 15 maskierten späteren Anschlussbereichs.
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Gemäss 2j wird dann die Maskierungsschicht 15 entfernt
und der vergrabene Kontakt 70 aus einer zweiten leitenden
Füllung
auf der ersten leitenden Füllung 60 gebildet.
Beim letzteren Schritt ist darauf zu achten, dass das Einsenken
des vergrabenen Kontakts 70 bis unterhalb der Oberseite
des Isolationskragens 25 erfolgt, also in 2j bis unterhalb des Isolationskragens
auf der rechten Seite, welche dem Anschlussbereich KB gegenüberliegt.
Wäre dies
nicht der Fall, so gäbe
es einen Kurzschluss an der rechten Seite, wo das Halbleitersubstrat 1 an
den Graben 10 angrenzt.
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Im
abschließenden
Prozessschritt wird dann wie bereits beschrieben der Isolationsbereich 80 auf den
vergrabenen Kontakt 70 zum Verschließen des Grabens 10 vorgesehen.
Der wesentliche Vorteil bei dieser Ausführungsform liegt darin, dass
der Isolationskragen 25 auf der in 2j rechten Grabenseite nicht zur Oberseite
des Halbleitersubstrats reicht, so dass für einen späteren kritischen Prozess zur
Bildung eines Bitleitungskontaktes dort mehr Anschlussfläche an der
Oberseite des Halbleitersubstrats 1 zur Verfügung steht.
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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 die Auswahl der Schichtmaterialien nur beispielhaft und kann
in vielerlei Art variiert werden.