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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für einen
einseitig angeschlossenen Grabenkondensator.
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Aus
der
DE 199 23 262
C1 , der
DE
36 42 234 A1 , der U.S. 6,498,061 B2 und der
DE 199 54 867 C1 sind verschiedene
Verfahren zur Herstellung von Grabenkondensatoren bekannt, bei denen
eine Kondensatorelektrode über
einen vergrabenen Kontakt auf einer Grabenseite angeschlossen ist.
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Obwohl
prinzipiell auf beliebige integrierte Schaltungen mit Grabenkondensator
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, implantiert
Teil 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, implantiert
Teil der Hilfsschicht nicht oxidiert und die Hilfsschicht beim Zurückätzens des
freigelegten Halbleitersubstrats im Graben entfernt.
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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 Bereichen und/oder einer flaschenförmigen Ausweitung 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 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 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 und Flaschen-Bildungsprozess
im unteren Grabenbereich zur Bildung von HSG-Bereichen 40 (HSG = hemispherical
silicon grain) im flaschenförmig
aufgeweiteten unteren Grabenbereich. Der resultierende Prozesszustand
ist in 1h gezeigt. Wie im Stand der
Technik bekannt, dient dieser HSG/Flaschen-Bildungsprozess zur Vergrößerung der
Oberfläche
im unteren Grabenbereich.
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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 chemisch-mechanischen 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 eine 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/Flaschen-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.
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- 1
- Silizium-Halbleitersubstrat
- 5
- Siliziumnitrid-Hartmaske
- 10
- Graben
- 15
- Siliziumnitrid-Linerschicht
- 20
- Linerschicht
aus amorphem Silizium
- I;
I1, I2
- Implantation
- 20', 20''
- oxidierte
Linerschicht aus amorphem Silizium
- 25
- Isolationskragen
aus Siliziumoxid
- 30
- nicht-konformer
ALD-Liner
- 40
- HSG/BOTTLE-Bereich
- 50
- Kondensator-Dielektrikum
aus Siliziumoxid
- 60
- erste
leitende Polysiliziumfüllung
- 70
- vergrabener
Kontakt aus weiterer leitender Po
-
- lysiliziumfüllung
- KB
- Anschlussbereich
- 80
- Isolationsbereich