DE10333777A1 - Herstellungsverfahren für einen Grabenkondensator mit einem Isolationskragen, der über einen vergrabenen Kontakt einseitig mit einem Substrat elektrisch verbunden ist, insbesondere für eine Halbleiterspeicherzelle - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren für einen Grabenkondensator mit einem Isolationskragen (10; 10a, 10b) in einem Substrat (1), der über einen vergrabenen Kontakt (15a, 15b; 70) einseitig mit dem Substrat (1) elektrisch verbunden ist, mit den Schritten: Vorsehen von einem Graben (5) in dem Substrat (1) unter Verwendung einer Hartmaske (2, 3) mit einer entsprechenden Maskenöffnung; Vorsehen von einem Kondensatordielektrikum (30) im unteren und mittleren Grabenbereich, dem Isolationskragen (10) im mittleren und oberen Grabenbereich und einer elektrisch leitenden Füllung (20) im unteren und mittleren Grabenbereich, wobei die Oberseite der elektrisch leitenden Füllung (20) im oberen Grabenbereich gegenüber der Oberseite des Substrats (1) eingesenkt ist; Vorsehen eines Siliziumnitridliners (40) über der Hartmaske (2, 3) und im Graben (5); Vorsehen eines Siliziumliners (50) über dem Siliziumnitridliner (40); Durchführen einer schrägen Implantation (I1), wodurch ein abgeschatteter Bereich (50a) des Siliziumliners (50) gegenüber dem restlichen Siliziumliner (50) durch einen Ätzprozess selektiv entfernbar gemacht wird; selektives Entfernen des abgeschatteten Bereichs (50a) des Siliziumliners (50) durch den Ätzprozess; Oxidieren des restlichen Siliziumliners (50); Durchführen einer Spacerätzung am oxidierten restlichen Siliziumliner (50'); und Abscheiden und Rückätzen einer leitenden Füllung (70) zum Bilden des vergrabenen Kontakts.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für einen Grabenkondensator mit einem Isolationskragen, der über einen vergrabenen Kontakt einseitig mit einem Substrat elektrisch verbundenen ist, insbesondere für eine Halbleiterspeicherzelle.
• 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.
• 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Halbleiterspeicherzelle mit einem Grabenkondensator und einem damit verbundenen planaren Auswahltransistor.
• In 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Silizium-Halbleitersubstrat. Vorgesehen in dem Halbleitersubstrat 1 sind Grabenkondensatoren GK1, GK2, welche Gräben G1, G2 aufweisen, deren elektrisch leitende Füllungen 20a, 20b erste Kondensatorelektroden bilden. Die leitenden Füllungen 20a, 20b sind im unteren und mittleren Grabenbereich durch ein Dielektrikum 30a, 30b gegenüber dem Halbleitersubstrat 1 isoliert, welches seinerseits die zweiten Kondensatorelektroden bildet (ggfs. in Form einer nicht gezeigten Buried Plate).
• Im mitleren und oberen Bereich der Gräben G1, G2 sind umlaufende Isolationskrägen 10a, 10b vorgesehen, oberhalb derer vergrabene Kontakte 15a, 15b angebracht sind, die mit den leitenden Füllungen 20a, 20b und dem angrenzenden Halbleitersubstrat 1 in elektrischem Kontakt stehen. Die vergrabenen Kontakte 15a, 15b sind nur einseitig an das Halbleitersubstrat 1 angeschlossen (vgl. 2a, b). Isolationsgebiete 16a, 16b isolieren die andere Substratseite gegenüber den vergrabenen Kontakten 15a, 15b bzw. isolieren die vergrabenen Kontakte 15a, 15b zur Oberseite der Gräben G1, G2 hin.
• Dies ermöglicht eine sehr hohe Packungsdichte der Grabenkondensatoren GK1, GK2 und der dazu gehörigen Auswahltransistoren, welche nunmehr erläutert werden. Dabei wird hauptsächlich Bezug genommen auf den Auswahltransistor, der zum Grabenkondensator GK2 gehört, da von benachbarten Auswahltransistoren lediglich das Drain-Gebiet D1 bzw. das Source-Gebiet S3 eingezeichnet ist. Der zum Grabenkondensator GK2 gehörige Auswahltransistor weist ein Source-Gebiet S2, ein Kanalgebiet K2 und ein Drain-Gebiet D2 auf. Das Source-Gebiet S2 ist über einen Bitleitungskontakt BLK mit einer oberhalb einer Isolationsschicht I angeordneten (nicht gezeigten) Bit-Leitung verbunden. Das Drain-Gebiet D2 ist einseitig an den vergrabenen Kontakt 15b angeschlossen. Oberhalb des Kanalgebiets K2 läuft eine Wortleitung WL2, die einen Gate-Stapel GS2 und einen diesen umgebenden Gate-Isolator GI2 aufweist. Die Wortleitung WL2 ist für den Auswahltransistor des Grabenkondensators GK2 eine aktive Wortleitung.
• Parallel benachbart zur Wortleitung WL2 verlaufen Wortleitungen WL1 bestehend aus Gate-Stapel GS1 und Gate-Isolator GI1 und Wortleitung WL3 bestehend aus Gate-Stapel GS3 und Gate-Isolator GI3, welche für den Auswahltransistor des Grabenkondensators GK2 passive Wortleitungen sind. Diese Wortleitungen WL1, WL3 dienen zur Ansteuerung von Auswahltransistoren, die in der dritten Dimension gegenüber der gezeigten Schnittdarstellung verschoben sind.
• Ersichtlich aus 1 ist die Tatsache, daß diese Art des einseitigen Anschlusses des vergrabenen Kontakts eine unmittelbare Nebeneinanderanordnung der Gräben und der benachbarten Source-Gebiete bzw. Drain-Gebiete betreffender Auswahl transistoren ermöglicht. Dadurch kann die Länge einer Speicherzelle lediglich 4F und die Breite lediglich 2F betragen, wobei F die minimale technologisch realisierbare Längeneinheit ist (vgl. 2a, b).
• 2A zeigt eine Draufsicht auf ein Speicherzellenfeld mit Speicherzellen gemäß 1 in einer ersten Anordnungsmöglichkeit.
• Bezugszeichen DT in 2A bezeichnet Gräben, welche zeilenweise mit einer Periode von 4F zueinander angeordnet sind und spaltenweise mit einer Peroode von 2F. Benachbarte Zeilen sind um 2F gegeneinander verschoben. UC in 2A bezeichnet die Fläche einer Einheitszelle, welcher 4F × 2F = 8F² beträgt. STI bezeichnet Isolationsgräben, welche in Zeilenrichtung in einem Abstand von 1F zueinander angeordnet sind und benachbarte aktive Gebiete gegeneinander isolieren. Ebenfalls mit einem Abstand von 1F zueinander verlaufen Bit-Leitungen BL in Zeilenrichtung, wohingegen die Wortleitungen in Spaltenrichtung mit einem Abstand von 1F zueinander verlaufen. Bei diesem Anordnungsbeispiel haben alle Gräben DT auf der linken Seite einen Kontaktbereich KS des vergrabenen Kontakts zum Substrat und einen Isolationsbereich IS auf der rechten Seite (Gebiete 15a, b bzw. 16a, b in 1).
• 2B zeigt eine Draufsicht auf ein Speicherzellenfeld mit Speicherzellen gemäß 1 in einer zweiten Anordnungsmöglichkeit.
• Bei dieser zweiten Anordnungsmöglichkeit haben die Zeilen von Gräben alternierende Anschlußgebiete bzw. Isolationsgebiete der vergrabenen Kontakte. So sind in der untersten Reihe von 2B die vergrabenen Kontakte jeweils auf der linken Seite mit einem Kontaktbereich KS1 und auf der rechten Seite mit einem Isolationsbereich IS1 versehen. Hingegen sind in der darüberliegenden Reihe alle Gräben DT auf der linken Seite mit jedem Isolationsbereich IS2 und auf der rechten Seite mit einem Kontaktbereich KS2 versehen. Diese Anordnung ist in Spaltenrichtung alternierend.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein einfaches und sicheres Herstellungsverfahren für einen derartigen einseitig angeschlossenen Grabenkondensator anzugeben.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Herstellungsverfahren gelöst.
• Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen insbesondere darin, dass es eine genaue Definition des Anschlussgebietes bzw. des komplementären Isolationsgebietes beim jeweiligen vergrabenen Kontakt des Grabenkondensators ermöglicht.
• In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in Anspruch 1 angegebenen Herstellungsverfahrens.
• Gemäss einer bevorzugten Weiterbildung wird nach dem Durchführen der Spacerätzung der nicht vom oxidierten restlichen Siliziumliner bedeckte Teil des Siliziumnitridliners entfernt und anschließend ein weiterer Siliziumnitridliner abgeschieden.
• Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird das Kondensatordielektrikum auch im oberen Grabenbereich unter dem Siliziumnitridliner vorgesehen und belassen.
• Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Implantation mit Borionen oder Borfluoridionen oder anderen Ionen durchgeführt, wobei der Ätzprozess eine alkalische Ätzung, insbesondere eine NH₄OH-Ätzung, ist.
• Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Isolationskragen in das Substrat eingelassen.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Halbleiterspeicherzelle mit einem Grabenkondensator und einem damit verbundenen planaren Auswahltransistor;
• 2A, B eine jeweilige Draufsicht auf ein Speicherzellenfeld mit Speicherzellen gemäß 1 in einer ersten und zweiten Anordnungsmöglichkeit; und
• 3A–F schematische Darstellungen aufeinanderfolgender Verfahrensstadien eines Herstellungsverfahrens als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Bestandteile.
• Bei den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen wird aus Gründen der Übersichtlichkeit auf eine Schilderung der Herstellung der planaren Auswahltransistoren verzichtet und lediglich die Bildung des einseitig angeschlossenen vergrabenen Kontakts des Grabenkondensators ausführlich erörtert. Die Schritte der Herstellung der planaren Auswahltransistoren sind, falls nicht ausdrücklich anders erwähnt, dieselben wie beim Stand der Technik.
• 3A–F sind schematische Darstellungen aufeinanderfolgender Verfahrensstadien eines Herstellungsverfahrens als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• In 3A bezeichnet Bezugszeichen 5 einen Graben, der im Silizium-Halbleitersubstrat 1 vorgesehen ist. Auf der Ober seite OS des Halbleitersubstrats 1 vorgesehen ist eine Hartmaske bestehend aus einer Pad-Oxid-Schicht 2 und einer Pad-Nitrid-Schicht 3. Im unteren und mittleren Bereich des Grabens 5 ist ein Dielektrikum 30 vorgesehen, das eine elektrisch leitende Füllung 20 gegenüber dem umgebenden Halbleitersubstrat 1 isoliert. Im oberen und mittleren Bereich des Grabens 5 ist ein umlaufender, ins Substrat 1 eingelassener Isolationskragen 10 vorgesehen. Ein beispielhaftes Material für den Isolationskragen 10 ist Siliziumoxid und für die elektrisch leitende Füllung 20 Polysilizium. Doch sind auch selbstverständlich andere Materialkombinationen vorstellbar.
• Nach dem Einsenken der Polysiliziumfüllung 20 bis unterhalb der Oberseite des Isolationskragens 10 wird das Kondensatordielektrikum 30 im oberenen Grabenbereich durch eine Ätzung entfernt, wobei auch ein Teil der Oberseite des Isolationskragens 10 abgetragen wird, wir in 3A deutlich erkennbar.
• Mit Bezug auf 3B wird über der resultierenden Struktur nunmehr zuerst ein Siliziumnitridliner 40 erzeugt und darauf folgend ein amorpher Siliziumliner 50 abgeschieden. Der Siliziumnitridliner 40 hat eine Dicke von typischerweise 20 nm und der amorphe Siliziumliner 50 eine Dicke von typischerweise 10 nm.
• Anschließend erfolgt eine schräge Implantation I1 von Borionen oder anderen Ionen auf den Siliziumliner 50, wobei der Bereich 50a abgeschattet bleibt. Dabei verändern sich die Ätzeigenschaften des implantierten Bereichs gegenüber dem abgeschatteten Bereich 50a derart, dass der abgeschattete Bereich 50a wesentlich schneller in NH₄OH oder anderen alkalischen Ätzmedien ätzbar ist.
• Dies wird sich gemäß 3C insofern zu Nutze gemacht, als das der abgeschattete Bereich 50a selektiv zum übrigen Siliziumliner 50 durch die NH₄OH Ätzung entfernt wird.
• Weiter mit Bezug auf 3D erfolgt dann eine Oxidation des verbleibenden Siliziumliners 50 und anschließend eine anisotrope Spacerätzung, z.B. eine Plasmaätzung, um nur noch einen oxidierten Spacerbereich 50' des ursprünglichen Liners 50 auf der späteren Isolationsseite IS zurückzulassen, wie in 3D erkennbar.
• Weiter mit Bezug auf 3E wird dann der Siliziumnitridliner 40 durch eine Ätzung überall dort entfernt, wo er nicht vom oxidierten Linerbereich 50' überdeckt ist. Anschließend wird erneut ein dünner Siliziumnitridliner 60 über der resultierenden Struktur erzeugt, um insbesondere die Kontaktstelle im späteren Kontaktbereich KS zu konditionieren.
• Schließlich erfolgt mit Bezug auf 3F eine Abscheidung und Rückätzung einer leitende Polysiliziumfüllung 70, um den vergrabenen Kontakt mit dem Kontaktbereich KS zu bilden, sowie eine anschließende Abscheidung und Rückätzung eines Isolationsdeckels 80 aus Siliziumoxid.
• Besondere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen in seiner Unempfindlichkeit gegenüber Lunkern in der Polysiliziumfüllung aufgrund der Abscheidung des Siliziumliners und in der Tatsache, dass der Implantationswinkel nur durch die kleinste kritische Dimension beeinflusst wird. Nachteile aufgrund von im oxidierten Silizium verbleibenden Borionen oder aufgrund des eingebauten dünnen Siliziumnitridliners werden nicht erwartet. Weitere Vorteile liegen in der Verfügbatkeit der ganzen Grabenöffnung nach der Spacerätzung und in der unkritischen Tiefe hinichtlich des Polyrecesses und der Implantation.
• Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
• Insbesondere ist die Auswahl der Schichtmaterialien nur beispielhaft und kann in vielerlei Art variiert werden.
• Auch ist die Erfindung nicht auf den ins Substrat eingelassenen Isolationskragen beschränkt, sondern auch für konventionelle auf die Grabenwand aufgesetzte Isolationskrägen anwendbar.
• Abhängig von der Selektivität zwischen Oxid und Kondensatordielektrikum kann das Kondensatordielektrikum gemäss 3A im Graben belassen werden.
• Neben Borionen können prinzipiell auch andere entweder nicht-dotierende oder anders dotierende Ionen bei der Implantation verwendet werden.

1

Si-Halbleitersubstrat

OS

Oberseite

2

Padoxid

3

Padnitrid

5

Graben

40

leitender Epitaxiebereich

10, 10a, 10b

Isolationskragen

20, 20a, 20b

leitende Füllung (z.B. Polysilizium)

15a, 15b

vergrabener Kontakt

16a, 16b

Isolationsbereich

G1, G2

Graben

GK1, GK2

Grabenkondensator

30, 30a, 30b

Kondensatordielektrikum

S1, S2, S3

Sourcegebiet

D1, D2

Draingebiet

K2

Kanalgebiet

WL, WL1, WL2, WL3

Wortleitung

GS1, GS2, GS3

Gatestapel

GI1, GI2, GI3

Gateisolator

I

Isolationsschicht

F

minimale Längeneinheit

BLK

Bitleitungskontakt

BL

Bitleitung

DT

Graben

AA

aktives Gebiet

STI

Isolationsgebiet (Shallow Trench Isolation)

UC

Fläche Einheitszelle

KS, KS1, KS2

Kontaktbereich

IS, IS1, IS2

Isolationsbereich

40, 60

Siliziumnitridliner

50

Siliziumliner

50a

abgschatteter Bereich

I1

Implantation

50'

oxidierter Bereich von 50

70

leitende Polysiliziumfüllung

80

Isolationsdeckel

Claims (5)

1. Herstellungsverfahren für einen Grabenkondensator mit einem Isolationskragen (10; 10a, 10b) in einem Substrat (1), der über einen vergrabenen Kontakt (15a, 15b; 70) einseitig mit dem Substrat (1) elektrisch verbundenen ist, insbesondere für eine Halbleiterspeicherzelle mit einem in dem Substrat (1) vorgesehenen und über den vergrabenen Kontakt (15a, 15b) angeschlossenen planaren Auswahltransistor, mit den Schritten: Vorsehen von einem Graben (5) in dem Substrat (1) unter Verwendung einer Hartmaske (2, 3) mit einer entsprechenden Maskenöffnung; Vorsehen von einem Kondensatordielektikum (30) im unteren und mittleren Grabenbereich, dem Isolationskragen (10) im mittleren und oberen Grabenbereich und einer elektrisch leitenden Füllung (20) im unteren und mittleren Grabenbereich, wobei die Oberseite der elektrisch leitenden Füllung (20) im oberen Grabenbereich gegenüber der Oberseite des Substrats (1) eingesenkt ist; Vorsehen eines Siliziumnitridliners (40) über der Hartmaske (2, 3) und im Graben (5); Vorsehen eines Siliziumliners (50) über dem Siliziumnitridliner (40); Durchführen einer schrägen Implantation (I1), wodurch ein abgeschatteter Bereich (50a) des Siliziumliners (50) gegenüber dem restlichen Siliziumliner (50) durch einen Ätzprozess selektiv entfernbar gemacht wird; selektives Entfernen des abgeschatteten Bereichs (50a) des Siliziumliners (50) durch den Ätzprozess; Oxidieren des restlichen Siliziumliners (50); Durchführen einer Spacerätzung am oxidierten restlichen Siliziumliner (50'); und Abscheiden und Rückätzen einer leitenden Füllung (70) zum Bilden des vergrabenen Kontakts.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Durchführen der Spacerätzung der nicht vom oxidierten restlichen Siliziumliner (50') bedeckte Teil des Siliziumnitridliners (40) entfernt wird und anschließend ein weiterer Siliziumnitridliner (60) abgeschieden wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensatordielektrikum (30) auch im oberen Grabenbereich unter dem Siliziumnitridliner (40) vorgesehen und belassen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Implantation (I1) mit Borionen oder Borfluoridionen oder anderen Ionen durchgeführt wird und der Ätzprozess eine alkalische Ätzung, insbesondere eine NH₄OH-Ätzung, ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationskragen (10) in das Substrat (1) eingelassen ist.