DE19526952A1 - DRAM-Zellenanordnung und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

In DRAM-Zellenanordnungen, das heißt Speicherzellenanordnun­ gen mit dynamischem, wahlfreiem Zugriff, werden fast aus­ schließlich sogenannte Eintransistor-Speicherzellen einge­ setzt. Eine Eintransistor-Speicherzelle umfaßt einen Auslese­ transistor und einen Speicherkondensator. In dem Speicherkon­ densator ist die Information in Form einer elektrischen La­ dung gespeichert, die eine logische Größe, Null oder Eins, darstellt. Durch Ansteuerung des Auslesetransistors über eine Wortleitung kann diese Information über eine Bitleitung aus­ gelesen werden. Zur sicheren Speicherung der Ladung und gleichzeitigen Unterscheidbarkeit der ausgelesenen Informati­ on muß der Speicherkondensator eine Mindestkapazität aufwei­ sen. Die untere Grenze für die Kapazität des Speicherkonden­ sators wird derzeit bei 25 fF gesehen.

Da von Speichergeneration zu Speichergeneration die Speicher­ dichte zunimmt, muß die benötigte Fläche der Eintransistor- Speicherzelle von Generation zu Generation reduziert werden. Gleichzeitig muß die Mindestkapazität des Speicherkondensa­ tors erhalten bleiben.

Bis zur 1MBit-Generation wurden sowohl der Auslesetransistor als auch der Speicherkondensator als planare Bauelemente rea­ lisiert. Ab der 4MBit-Speichergeneration wurde eine weitere Flächenreduzierung der Speicherzelle durch eine dreidimensio­ nale Anordnung von Auslesetransistor und Speicherkondensator erzielt. Eine Möglichkeit besteht darin, den Speicherkonden­ sator in einem Graben zu realisieren (siehe zum Beispiel K. Yamada et al, Proc. Intern. Electronic Devices and Materials IEDM 85, Seite 702 ff). Die Elektroden des Speicherkondensa­ tors sind in diesem Fall entlang der Oberfläche des Grabens angeordnet. Dadurch wird die effektive Fläche des Speicher­ kondensators, von der die Kapazität abhängt, gegenüber dem Platzbedarf an der Oberfläche des Substrats für den Speicher­ kondensator, der dem Querschnitt des Grabens entspricht, ver­ größert.

Eine weitere Möglichkeit, zur Vergrößerung der Speicherkapa­ zität bei gleichbleibendem oder verringertem Platzbedarf des Speicherkondensators besteht darin, den Speicherkondensator als Stapelkondensator, den sogenannten stacked capacitor, auszuführen. Dabei wird über den Wortleitungen eine Struktur aus Polysilizium, zum Beispiel eine Kronenstruktur oder ein Zylinder, gebildet, die mit dem Substrat kontaktiert wird. Diese Polysiliziumstruktur bildet den Speicherknoten. Er wird mit Kondensatordielektrikum und Kondensatorplatte versehen. Dieses Konzept hat den Vorzug, daß es weitgehend mit einem Logikprozeß kompatibel ist.

Für den Speicherkondensator wird der freie Raum oberhalb der Substratoberfläche genutzt. Dabei kann die gesamte Zellfläche von der Polysiliziumstruktur überdeckt sein, solange die Po­ lysiliziumstrukturen zu benachbarten Speicherzellen gegenein­ ander isoliert sind.

Aus EP 0 415 530 B1 ist eine Speicherzellenanordnung mit ei­ nem Stapelkondensator als Speicherkondensator bekannt. Der Stapelkondensator umfaßt eine Polysiliziumstruktur mit mehre­ ren, im wesentlichen parallel übereinander angeordneten Poly­ siliziumschichten, die über mindestens eine seitliche Stütze miteinander verbunden sind. Diese kühlrippenartig angeordne­ ten Schichten führen zu einer deutlichen Vergrößerung der Oberfläche der Polysiliziumstruktur gegenüber der Projektion der Polysiliziumstruktur auf die Substratoberfläche. Die Po­ lysiliziumstruktur wird durch alternierende Abscheidung von Polysiliziumschichten und selektiv dazu ätzbaren SiO₂- Schichten auf der Oberfläche des Substrats, Strukturierung dieser Schichten, Erzeugung von Flankenbedeckungen (spacer) aus Polysilizium an mindestens einer Flanke der Schichtstruk­ tur und selektives Herausätzen der SiO₂-Schichten gebildet.

Die Fläche für eine Speicherzelle eines DRAM in der 1GBit- Generation soll nur etwa 0,2 µm² betragen. Um auf einer der­ artigen Fläche die Mindestkapazität für den Speicherkondensa­ tor von 25 fF zu realisieren, muß, bei einem Grabenkondensa­ torkonzept, die aktive Grabentiefe mindestens 4 µm bei einer Grabenweite von 0,2 × 0,25 µm² und einem Dielektrikum mit ei­ ner oxidäquivalenten Dicke von 5 nm, betragen. Gräben mit derartigen Abmessungen sind nur in aufwendigen Ätzprozessen mit hohen Ätzzeiten realisierbar. In einem Stapelkondensator­ konzept sind diese Anforderungen an den Flächenbedarf einer Speicherzelle nur mit einer realtiv komplizierten Struktur der Polysiliziumstruktur machbar. Diese komplizierten Struk­ turen sind zusätzlich durch ihre Topologie immer schwieriger herstellbar.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine DRAM- Speicherzellenanordnung anzugeben, die als Speicherzellen Eintransistor-Speicherzellen umfaßt und die in der für die 1GBit-Generation erforderlichen Packungsdichte mit gegenüber den bekannten Lösungen reduziertem Prozeßaufwand herstellbar ist. Ferner soll ein Herstellverfahren für eine solche DRAM- Zellenanordnung angegeben werden.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch eine DRAM- Zellenanordnung gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zu deren Herstellung gemäß Anspruch 6. Weitere Ausgestaltungen der Er­ findung gehen aus den übrigen Ansprüchen hervor.

In der erfindungsgemäßen DRAM-Zellenanordnung wird der Spei­ cherkondensator in einem Graben angeordnet. Er weist eine Elektrodenstruktur mit mindestens zwei Elementen auf, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind und die miteinander verbunden sind. Dadurch wird die effektive Fläche der Elek­ trodenstruktur gegenüber der Oberfläche des Grabens vergrö­ ßert. In der erfindungsgemäßen Speicherzelle können daher bei geringeren Grabentiefen, als dies für einen Grabenkondensator gleicher Kapazität erforderlich wäre, und bei weniger kompli­ zierten Strukturen, als dies in einem Stapelkondensator glei­ cher Speicherkapazität erforderlich wäre, die gleiche Spei­ cherkapazität erzielt werden.

Vorzugsweise ist mindestens eines der Elemente als Lamel­ lenelement mit einem ringförmigen Mantelteil und einem Boden­ teil ausgebildet. Das andere der Elemente ist als Stützele­ ment ausgebildet und innerhalb des ringförmigen Mantelteils des Lamellenelementes angeordnet. Im Bereich des Bodenteils sind das Stützelement und das Lamellenelement miteinander verbunden. Bei gleichem Volumen des Grabens kann damit die Oberfläche der Elektrodenstruktur um einen Faktor von fast 2 gegenüber der Grabenoberfläche vergrößert werden.

Eine weitere Vergrößerung der effektiven Oberfläche der Elek­ trodenstruktur wird durch Verwendung mehrerer Lamellenelemen­ te und eines stabförmigen Stützelementes erzielt. Die Lamel­ lenelemente sind dabei in ihrer Größe so bemessen, daß sie ineinander geschachtelt sind und das Stützelement in ihrer Mitte angeordnet ist. Auch bei einer solchen zwiebelförmigen Anordnung der Lamellenelemente und des Stützelementes besteht mindestens im Bereich der ringförmigen Mantelteile ein Ab­ stand zwischen den jeweiligen Elementen.

Die Oberfläche der Elektrodenstruktur ist mit einem Speicher­ dielektrikum und einer darauf angeordneten Gegenelektrode versehen. Das Speicherdielektrikum bedeckt die gesamte Ober­ fläche der Elektrodenstruktur konform, so daß die Speicherka­ pazität von der Oberfläche der Elektrodenstruktur abhängt.

Die DRAM-Zellenanordnung wird vorzugsweise in einem Halblei­ tersubstrat realisiert, das mindestens im Bereich des Zellen­ feldes monokristallines Silizium aufweist. Das kann sowohl eine monokristalline Siliziumscheibe als auch ein SOI- Substrat sein. Die Elektrodenstruktur und die Gegenelektrode enthalten vorzugsweise jeweils dotiertes Polysilizium, das Speicherdielektrikum enthält SiO₂- und/oder Si₃N₄, TiO₂ oder Ta₂O₅. Im Hinblick auf eine geringe Dicke bei gleichzeitig geringer Defektdichte des Speicherdielektrikums ist es vor­ teilhaft, dieses als Dreifachschicht aus SiO₂, Si₃N₄ und SiO₂, sogenanntes ONO, zu bilden.

Zur Herstellung der Speicherzellenanordnung wird für jeden Speicherkondensator in eine Hauptfläche des Halbleiter­ substrats ein Graben geätzt. Mindestens in dem Graben wird eine Schichtenfolge abgeschieden, die jeweils alternierend eine Schicht aus einem ersten Material und eine Schicht aus einem zweiten Material umfaßt. Das erste Material ist dabei elektrisch leitfähig, das zweite Material ist selektiv zum ersten Material ätzbar. Anschließend wird in der Mitte des Grabens eine Stützstruktur aus elektrisch leitendem Material gebildet. Die Stützstruktur reicht bis zum Grabenboden. Die Schichten aus dem zweiten Material werden durch selektives Ätzen entfernt. Die Ätzung ist selektiv zu den Schichten aus dem ersten Material und der Stützstruktur. Dadurch wird eine Elektrodenstruktur, die aus den Schichten aus dem ersten Ma­ terial und der Stützstruktur zusammengesetzt ist gebildet. Die Oberfläche der Elektrodenstruktur wird mit einem Spei­ cherdielektrikum versehen, an dessen Oberfläche eine Gegene­ lektrode gebildet wird.

Die Stützstruktur in der Mitte des Grabens wird zum Beispiel durch anisotropes Rückätzen der Schichtenfolge, bei der der am Grabenboden angeordnete Teil der Schichten entfernt wird, während die entlang den Flanken des Grabens angeordneten Schichtteile ähnlich einem Spacer stehenbleiben, und an­ schließende Abscheidung einer elektrisch leitfähigen Schicht zum Beispiel aus dem ersten Material gebildet.

Die Stützstruktur steht mit allen Schichten aus dem ersten Material in Verbindung, so daß sich nach Entfernen der Schichten aus dem zweiten Material die zusammenhängende Elek­ trodenstruktur ergibt.

Für das erste Material sind alle elektrisch leitfähigen Mate­ rialien, die sich mit konformer Kantenbedeckung im Graben ab­ scheiden lassen, geeignet. Insbesondere wird für das erste Material dotiertes Polysilizium verwendet. Für das zweite Ma­ terial sind alle Materialien geeignet, die sich mit guter Se­ lektivität zum ersten Material ätzen lassen. Das können die­ lektrische Materialien wie SiO₂, Si₃N₄ oder ähnliches oder do­ tiertes oder undotiertes Polysilizium sein.

Vorzugsweise wird als erstes Material p⁺-dotiertes Polysili­ zium mit einer Dotierstoffkonzentration im Bereich von 10²⁰ cm^-3 und als zweites Material p⁻-dotiertes Polysilizium mit einer Dotierstoffkonzentration im Bereich von 10¹⁹ cm^-3 verwendet. Aus H. Seidel et al, J. Electrochem. Soc. Vol. 137 (1990) Seite 3626 ff ist bekannt, daß p⁻-dotiertes Polysili­ zium selektiv zu p⁺-dotiertem Polysilizium ätzbar ist. Zwi­ schen Polysilizium mit einer Bordotierung < 10²⁰ cm^-3 und Po­ lysilizium mit einer Bordotierung < 10¹⁹ cm^-3 werden Ätzraten­ unterschiede bis zu einem Faktor 1000 erzielt.

p⁺-dotiertes Polysilizium und p⁻-dotiertes Polysilizium kön­ nen in demselben Reaktor abgeschieden werden. Dadurch kann die Schichtenfolge ohne Anlagenwechsel nur durch Umschalten der Prozeßparameter realisiert werden. Dies bedeutet eine deutliche Prozeßvereinfachung.

Bei Einsatz einer Schichtenfolge aus p⁺-dotiertem Polysilizi­ um und p⁻-dotiertem Polysilizium liegt es im Rahmen der Er­ findung, die Stützstruktur durch eine zusätzliche Implantati­ on nach der Abscheidung der Schichtenfolge und anschließende Abscheidung einer p⁺-dotierten Schicht, die den Graben auf­ füllt, zu bilden. Da die Ionen bei der Implantation nur bis in eine bestimmte Tiefe in den Schichtaufbau eindringen, bleibt die Schichtenfolge aus p⁺-dotiertem Polysilizium und p⁻-dotiertem Polysilizium entlang den Flanken des Grabens er­ halten. In der Mitte des Grabenbodens wird dagegen ein p⁺- dotiertes Gebiet erzeugt, das mit den p⁺-dotierten Polysili­ ziumschichten des Schichtaufbaus verbunden ist. Die zuletzt abgeschiedene p⁺-dotierte Schicht, die den Graben auffüllt, wird soweit zurückgeätzt, daß die Oberfläche der p⁻-dotierten Schichten im Bereich der Flanken des Grabens freigelegt wird. Dann werden die p⁻-dotierten Schichten herausgeätzt, wobei eine Elektrodenstruktur gebildet wird, die die p⁺-dotierten Schichten des Schichtaufbaus im Bereich der Flanken des Gra­ bens, das p⁺-dotierte Gebiet am Boden des Grabens und die zuletzt abgeschiedene p⁺-dotierte Polysiliziumschicht umfaßt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren und von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Substrat, in das ein Graben geätzt ist und auf das eine Schichtenfolge abgeschieden ist.

Fig. 2 zeigt das Substrat nach anisotropem Rückätzen der Schichtenfolge, wobei der Grabenboden teilweise frei­ gelegt ist.

Fig. 3 zeigt das Substrat nach ganzflächiger Abscheidung ei­ ner p⁺-dotierten Polysiliziumschicht.

Fig. 4 zeigt das Substrat nach Rückätzen der p⁺-dotierten Polysiliziumschicht und selektivem Ätzen von p⁻- dotierten Polysiliziumschichten des Schichtaufbaus.

Fig. 5 zeigt das Substrat nach Bildung eines Speicherdielek­ trikums und einer Gegenelektrode.

Fig. 6 zeigt einen fertigen Speicherkondensator mit einem Auswahltransistor.

Fig. 7 zeigt ein Substrat, in das ein Graben geätzt ist, dessen Flanken mit isolierenden Spacern versehen sind, und auf den ein Schichtaufbau abgeschieden ist.

Fig. 8 zeigt das Substrat nach einer Implantation zur Bil­ dung eines p⁺-dotierten Gebietes am Boden des Gra­ bens.

Fig. 9 zeigt das Substrat nach Abscheidung einer p⁺- dotierten Polysiliziumschicht, die den Graben auf­ füllt.

Fig. 10 zeigt das Substrat nach Rückätzen der außerhalb des Grabens angeordneten Schichten, nach selektivem Ätzen von p⁻-dotierten Polysiliziumschichten des Schicht­ aufbaus, nach Bildung eines Speicherdielektrikums und einer Gegenelektrode.

Die Darstellungen in den Figuren sind nicht maßstabsgetreu.

Auf einer Hauptfläche 11 eines Substrats 12 aus zum Beispiel p-dotiertem, monokristallinem Silizium mit einer Dotier­ stoffkonzentration von 5 × 10¹⁵ cm^-3 wird eine Grabenmaske 13 gebildet (siehe Fig. 1). Die Grabenmaske 13 wird zum Bei­ spiel durch Abscheidung einer SiO₂-Schicht in einem TEOS- Verfahren in einer Schichtdicke von 500 nm und anschließende Strukturierung der SiO₂-Schicht gebildet.

Unter Verwendung der Grabenmaske 13 als Ätzmaske wird in ei­ nem anisotropen Ätzprozeß, zum Beispiel mit Cl₂/O₂ ein Graben 14 geätzt. Der Graben 14 weist einen Durchmesser von zum Bei­ spiel 0,2 µm und eine Tiefe von zum Beispiel 2,5 µm auf.

Durch Diffusion wird im Substrat 12 ein p⁺-dotiertes Gebiet 15 gebildet, das an den Graben 14 angrenzt. Das p⁺-dotierte Gebiet 15 weist eine Dotierstoffkonzentration von zum Bei­ spiel 1 × 10²⁰ cm^-3 auf.

Es wird ganzflächig jeweils mit konformer Kantenbedeckung ei­ ne erste p⁻-dotierte Polysiliziumschicht 16, eine erste p⁺- dotierte Polysiliziumschicht 17 und eine zweite p⁻-dotierte Polysiliziumschicht 18 abgeschieden. Die erste p⁻-dotierte Polysiliziumschicht 16 wird in einer Schichtdicke von zum Beispiel 25 nm und mit einer Dotierstoffkonzentration von zum Beispiel 1 × 10¹⁹ cm^-3 abgeschieden. Die erste p⁺-dotierte Po­ lysiliziumschicht 17 wird in einer Schichtdicke von 25 nm und mit einer Dotierstoffkonzentration von zum Beispiel 5 × 10²⁰ cm^-3 abgeschieden. Die zweite p⁻-dotierte Polysiliziumschicht 18 wird in einer Schichtdicke von zum Beispiel 25 nm und mit einer Dotierstoffkonzentration von zum Beispiel 1 × 10¹⁹ cm^-3 abgeschieden. Der Schichtaufbau bestehend aus der p⁻- dotierten Polysiliziumschicht 16, der ersten p⁺-dotierten Po­ lysiliziumschicht 17 sowie der zweiten p⁻-dotierten Polysili­ ziumschicht 18 wird durch in situ dotierte CVD-Abscheidung in ein und demselben Reaktor unter Verwendung von Si₂H₆, H₂ und B₂H₆ als Prozeßgase gebildet. Zur Abscheidung der p⁻-dotierten Polysiliziumschichten 16, 18 wird lediglich ein im Vergleich zur Abscheidung der p⁺-dotierten Polysiliziumschicht 17 ge­ ringerer Partialdruck des Dotiergases B₂H₆ eingestellt.

Durch anisotropes Rückätzen, zum Beispiel mit Cl₂/O₂ werden anschließend zur Hauptfläche 11 parallele Teile des Schicht­ aufbaus 16, 17, 18 entfernt. Dabei wird die Oberfläche der Grabenmaske 13 freigelegt. Am Boden des Grabens 14 wird die Oberfläche des p⁺-dotierten Gebietes 15 freigelegt. Bei der anisotropen Ätzung verbleiben, ähnlich wie bei einer Spacerätzung, entlang den zur Hauptfläche 11 senkrechten Flanken des Grabens 14 angeordnete Teile der p⁻-dotierten Po­ lysiliziumschichten 16, 18 und der p⁺-dotierten Polysilizium­ schicht 17 (siehe Fig. 2). Im oberen Bereich des Grabens 14 ist jeweils eine Oberfläche der p⁻-dotierten Polysilizium­ schichten 16, 18 und p⁺-dotierten Polysiliziumschicht 17 freigelegt. Die Ätzung erfolgt selbstjustiert, das heißt ohne Maske.

Es wird eine weitere p⁺-dotierte Polysiliziumschicht 20 mit im wesentlichen konformer Kantenbedeckung abgeschieden. Die p⁺-dotierte Polysiliziumschicht weist eine Dotierstoffkonzen­ tration von zum Beispiel 5 × 10²⁰ cm^-3 auf. Mit der weiteren p⁺-dotierten Polysiliziumschicht 20 wird der innere Grabenbe­ reich vollständig aufgefüllt. Die p⁺-dotierte Polysilizium­ schicht 20 wird in einer Dicke von zum Beispiel 50 nm abge­ schieden (siehe Fig. 3).

Durch Rückätzen der weiteren p⁺-dotierten Polysiliziumschicht 20 zum Beispiel mit Cl₂/O₂ werden auf der Grabenmaske 13 an­ geordnete Teile der weiteren p⁺-dotierten Polysiliziumschicht 20 entfernt. Das Rückätzen wird solange fortgesetzt, bis im oberen Bereich des Grabens 14 die Oberfläche der p⁻-dotierten Polysiliziumschichten 16, 18 freigelegt ist. Durch eine zu p⁺-dotierte Polysilizium und Silizium selektive Ätzung werden anschließend die verbleibenden Teile der ersten p⁻-dotierten Polysiliziumschicht 16 und der zweiten p⁻-dotierten Polysili­ ziumschicht 18 entfernt. Die selektive Ätzung erfolgt zum Beispiel in einer alkalischen Ätzlösung, die Ethylendiamin, Brenzcatechin, Pyrazin und Wasser enthält. Vorzugsweise liegt die Konzentration der Lösung in folgendem Bereich: 1 l Ethy­ lendiamin, 160 g Brenzcatechin, 6 g Pyrazin und 133 ml Was­ ser. Darüber hinaus kann auch KOH als Ätzlösung dienen mit Konzentrationen im Bereich von 10 bis 50 Gewichtsprozent.

Diese Atzung erfolgt selektiv zur Grabenmaske 13. Diese Ät­ zung weist in bezug auf p⁺-dotiertes Polysilizium und p⁻- dotiertes Silizium eine Selektivität von mindestens 1 : 500 auf. Daher werden bei dieser Ätzung weder die verbleibenden Teile der p⁺-dotierten Schichten 17, 20 noch die Oberfläche des p⁺-dotierten Gebietes 15 angegriffen. Nach der Ätzung verbleibt im Graben 14 eine Elektrodenstruktur 21, die zusam­ mengesetzt ist aus dem p⁺-dotierten Gebiet 15, den verblei­ benden Teilen der ersten p⁺-dotierten Polysiliziumschicht 17 sowie der weiteren p⁺-dotierten Polysiliziumschicht 20. Dabei bilden das p⁺-dotierte Gebiet 15 sowie die verbliebenen Teile der ersten p⁺-dotierten Polysiliziumschicht 17 zwei Lamel­ lenelemente, die zwiebelförmig ineinander angeordnet sind. Die verbliebenen Teile der weiteren p⁺-dotierten Polysilizi­ umschicht 20 bilden ein stabförmiges Stützelement, das inner­ halb der Lamellenelemente angeordnet ist. Im Bereich des Gra­ benbodens sind die Lamellenelemente und das Stützelement durch den dort angeordneten Teil der weiteren p⁺-dotierten Polysiliziumschicht 20 untereinander verbunden. Im Bereich der Grabenwände sind zwischen den verbliebenen Teilen der er­ sten p⁺-dotierten Polysiliziumschicht 17, der weiteren p⁺- dotierten Polysiliziumschicht 20 sowie dem p⁺-dotierten Ge­ biet 15 durch das Herausätzen der p⁻-dotierten Polysilizium­ schichten 16, 18 Abstände entstanden (siehe Fig. 5). Die zy­ lindrische Form der Polysiliziumschicht 17 sorgt für eine ausreichende mechanische Stabilität der Elektrodenschichten, so daß ein Zusammenkleben benachbarter Schichten beim Trock­ nen nach dem Ätzen vermieden wird.

Die Oberfläche der Elektrodenstruktur 21 wird anschließend mit einem Speicherdielektrikum 22 versehen. Das Speicherdie­ lektrikum 22 wird in einer Schichtdicke von zum Beispiel 7 nm erzeugt. Das Speicherdielektrikum 22 enthält SiO₂ und/oder Si₃N₄. Vorzugsweise wird das Speicherdielektrikum 22 als Mehrfachschicht mit einer ersten SiO₂-Schicht in einer Dicke von 1,5 nm, einer Si₃N₄-Schicht in einer Dicke von 5 nm und einer zweiten SiO₂-Schicht in einer Dicke von 1,5 nm gebil­ det. Zur Erzeugung einer Gegenelektrode 23 wird anschließend ganz flächig eine dotierte Polysiliziumschicht 23 abgeschie­ den, die eine im wesentlichen konforme Kantenbedeckung auf­ weist und die die Abstände zwischen dem p⁺-dotierten Gebiet 15 und den verbliebenen Teilen der ersten p⁺-dotierten Poly­ siliziumschicht 17 bzw. zwischen den Teilen der ersten p⁺- dotierten Polysiliziumschicht 17 und der weiteren p⁺- dotierten Polysiliziumschicht 20 auffüllt (siehe Fig. 5). Der aus Elektrodenstruktur 21, Speicherdielektrikum 22 und Gegenelektrode 23 gebildete Speicherkondensator weist bei ei­ ner Grabentiefe von nur 2,5 um und einem Grabendurchmesser von 0,2 um eine Kapazität von größer als 25 fF auf.

In einer DRAM-Zellenanordnung sind pro Speicherzelle ein Speicherkondensator vorgesehen. Jede Speicherzelle umfaßt darüber hinaus einen Auswahltransistor mit Source/Drain- Gebieten 24, einem Gateoxid 25 und einer Gateelektrode 26, der zum Beispiel als planarer MOS-Transistor im Bereich der Hauptfläche 11 neben dem Speicherkondensator angeordnet ist (siehe Fig. 6). Die Elektrodenstruktur 21, die den Speicher­ knoten des Speicherkondensators bildet, ist dabei mit einem der Source/Drain-Gebiete 24 verbunden. Das andere der Sour­ ce/Drain-Gebiete 24 ist mit einer Bitleitung, die Gateelek­ trode 26 mit einer Wortleitung verbunden. Die Speicherzellen sind meist in Form von Zeilen und Spalten matrixartig ange­ ordnet.

Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel wird auf einer Hauptfläche 31 eines Halbleitersubstrates 32 eine Grabenmaske 33 erzeugt. Das Halbleitersubstrat 32 besteht zum Beispiel aus einer p-dotierten monokristallinen Siliziumscheibe mit einer Dotierstoffkonzentration von 5 × 10¹⁵ cm^-3. Die Graben­ maske 33 wird zum Beispiel durch Abscheidung einer SiO₂- Schicht in einem CVD-TEOS-Verfahren in einer Schichtdicke von 500 nm und anschließende Strukturierung der SiO₂-Schicht ge­ bildet (siehe Fig. 7).

Unter Verwendung der Grabenmaske 32 als Ätzmaske wird in ei­ nem anisotropen Ätzprozeß, zum Beispiel mit Cl₂/O₂ ein Graben 34 geätzt. Der Graben 34 weist eine Tiefe von zum Beispiel 3,5 µm und einen Durchmesser von zum Beispiel 0,25 µm auf.

Durch Abscheidung einer isolierenden Schicht vorzugsweise mit im wesentlichen konformer Kantenbedeckung aus SiO₂ oder Si₃N₄ in einer Schichtdicke von zum Beispiel 10 nm und anschließen­ des anisotropes Rückätzen zum Beispiel mit CHF₃ werden an den Flanken des Grabens 34 isolierende Spacer 35 gebildet. Nach der anisotropen Ätzung zur Bildung der isolierenden Spacer 35 liegt die Oberfläche der Grabenmaske 32 sowie die Oberfläche des Halbleitersubstrats 32 im Bereich des Grabenbodens 34 frei.

Anschließend wird eine erste p⁺-dotierte Polysiliziumschicht 36, eine erste p⁻-dotierte Polysiliziumschicht 37 und eine zweite p⁺-dotierte Polysiliziumschicht 38 jeweils mit im we­ sentlichen konformer Kantenbedeckung abgeschieden. Die p⁺- dotierten Polysiliziumschichten 36, 38 werden mit einer Schichtdicke von zum Beispiel 20 nm abgeschieden. Die p⁻- dotierte Polysiliziumschicht 37 wird in einer Schichtdicke von zum Beispiel 25 nm abgeschieden. Die Dotierstoffkonzen­ tration in der ersten p⁺-dotierten Polysiliziumschicht 36 und der zweiten p⁺-dotierten Polysiliziumschicht 38 beträgt 5 × 10²⁰ cm^-3. Die Dotierstoffkonzentration in der ersten p⁻- dotierten Polysiliziumschicht 37 beträgt 1 × 10¹⁹ cm^-3. Die dotierten Polysiliziumschichten 36, 37, 38 werden durch in situ dotierte Abscheidung unter Verwendung von Si₂H_6, H₂, B₂H₆ als Prozeßgas in ein und demselben Reaktor abgeschieden. Die unterschiedlichen Dotierstoffkonzentrationen werden über eine Umschaltung der Prozeßparameter erzielt.

Es wird eine Ionenimplantation mit BF₂ bei senkrechtem Ionen­ einfall durchgeführt, bei der in waagerechten Teilen des aus den p⁺-dotierten Polysiliziumschichten 36, 38 und der p⁻- dotierten Polysiliziumschicht 37 gebildeten Schichtaufbaus p⁺-dotierte Gebiete 39 mit einer Dotierstoffkonzentration größer 10²⁰ cm^-3 gebildet werden. Die Ionenimplantation wird mit einer Dosis von zum Beispiel 5 × 10¹⁵ cm^-2 und einer Ener­ gie von 30 keV durchgeführt. Die p⁺-dotierten Gebiete 39 ent­ stehen selbstjustiert, das heißt ohne Einsatz einer Maske. Aufgrund der endlichen Reichweite der Ionen bei der Implanta­ tion bleibt die Schichtenfolge aus der ersten p⁺-dotierten Polysiliziumschicht 36, der p⁻-dotierten Polysiliziumschicht 37 und der zweiten p⁺-dotierten Polysiliziumschicht 38 im Be­ reich der Flanken des Grabens 34 erhalten (siehe Fig. 8).

Es wird eine weitere p⁺-dotierte Polysiliziumschicht 40 mit einer Dotierstoffkonzentration von 5 × 10²⁰ cm^-3 ganz flächig abgeschieden. Die weitere p⁺-dotierte Polysiliziumschicht 40 wird in einer solchen Dicke abgeschieden, daß sie den Graben 34 vollständig auffüllt. Die weitere p⁺-dotierte Polysilizi­ umschicht 40 wird mit im wesentlichen konformer Kantenbedec­ kung in einer Dicke von 50 nm abgeschieden (siehe Fig. 9).

Durch Rückätzen der weiteren p⁺-dotierten Polysiliziumschicht 40 wird die Oberfläche der Grabenmaske 33 freigelegt. Die Rückätzung wird solange fortgesetzt, bis die Oberfläche der p⁻-dotierten Polysiliziumschicht 37 im oberen Grabenbereich freigelegt ist. Die Oberfläche des Halbleitersubstrats 32 im oberen Grabenbereich ist dabei durch die isolierenden Spacer 35 geschützt.

Durch selektives Atzen in einer alkalischen Ätzlösung werden die verbliebenen Teile der p⁻-dotierten Schicht 37 entfernt. Die Ätzung erfolgt selektiv zu p⁺-dotiertem Polysilizium und zu den isolierenden Spacern 35. Dabei entsteht eine Elektro­ denstruktur 41, die die verbliebenen Teile der ersten p⁺- dotierten Polysiliziumschicht 36, der zweiten p⁺-dotierten Polysiliziumschicht 38 sowie der weiteren p⁺-dotierten Poly­ siliziumschicht 40 umfaßt. Der verbliebene Teil der ersten p⁺-dotierten Polysiliziumschicht 36 bildet ein Lamellenele­ ment, der verbliebene Teil der zweiten p⁺-dotierten Polysili­ ziumschicht 38 sowie der weiteren p⁺-dotierten Polysilizium­ schicht 40 bilden ein Stützelement, das von dem Lamellenele­ ment umgeben wird. Im Bereich des Bodens sind beide Elemente miteinander verbunden. Im Bereich der Flanken des Grabens 34 ist zwischen beiden Elementen ein Abstand angeordnet.

Auf der Oberfläche der Elektrodenstruktur 41 wird ein Spei­ cherdielektrikum 42 in einer Dicke von zum Beispiel 7 nm er­ zeugt. Das Speicherdieleketrikum 42 wird aus SiO₂ und/oder Si₃N₄ gebildet. Vorzugsweise wird es als ONO-Schicht mit ei­ ner ersten SiO₂-Schicht in einer Dicke von 1,5 nm, einer Si₃N₄-Schicht in einer Dicke von 5 nm und einer zweiten SiO₂- Schicht in einer Dicke von 1,5 nm gebildet. Auf der Oberflä­ che des Speicherdielektrikums 42 wird eine Gegenelektrode 43 gebildet. Die Gegenelektrode 43 wird zum Beispiel durch ganz­ flächige Abscheidung einer in situ dotierten Polysilizium­ schicht mit im wesentlichen konformer Kantenbedeckung in ei­ ner Schichtdicke von 50 nm hergestellt. Die Dicke der dotier­ ten Polysiliziumschicht wird so bemessen, daß der Abstand zwischen dem Stützelement und dem Lamellenelement sicher auf­ gefüllt wird.

Die Elektrodenstruktur 41 weist eine ausreichende mechanische Stabilität auf, so daß die Gefahr des sogenannten Stickings, das heißt des Zusammenkleben von zum Beispiel fünf benachbar­ ten Lamellenelementen beim Trocknen nach der alkalischen Ät­ zung gering ist. Der Speicherkondensator, der aus der Elek­ trodenstruktur 41, dem Speicherdielektrikum 42 und der Ge­ genelektrode 43 gebildet wird, ist daher mit guter Ausbeute herstellbar.

Bei einer Grabentiefe von 3,5 µm und einem Grabendurchmesser von 0,25 µm wird in dieser Ausführungsform des Speicherkon­ densators eine Kapazität von größer als 25 fF erzielt.

Claims (11)

1. DRAM-Zellenanordnung,

• - bei der in einem Halbleitersubstrat (12) ein Zellenfeld mit Speicherzellen, die jeweils mindestens einen Auswahltransi­ stor und einen Speicherkondensator umfassen, vorgesehen sind,
• - bei der der Speicherkondensator jeweils in einem Graben (14) angeordnet ist,
• - bei der der Speicherkondensator eine Elektrodenstruktur (21) mit mindestens zwei Elementen umfaßt, wobei die beiden Elemente elektrisch miteinander verbunden sind und zwischen den Elementen ein Abstand besteht,
• - bei der an der Oberfläche der Elektrodenstruktur (21) ein Speicherdielektrikum (22) und eine Gegenelektrode (23) vor­ gesehen sind.

2. DRAM-Zellenanordnung nach Anspruch 1, bei der eines der Elemente als Lamellenelement (17) mit einem ringförmigen Mantelteil und einem Bodenteil und ein anderes Element als Stützelement (20) ausgebildet wird, das mit dem Halbleitersubstrat (12) verbunden ist, das innerhalb des ringförmigen Mantelteils des Lamellenelementes (17) angeord­ net ist und das im Bereich des Bodenteils mit dem Lamel­ lenelement (17) verbunden ist.

3. DRAM-Zellenanordnung nach Anspruch 2, bei der die Elektrodenstruktur (21) ein stabförmiges Stütze­ lement (20) und mehrere Lamellenelemente (17, 15) umfaßt, wo­ bei die Weite der ringförmigen Mantelteile unterschiedlich und größer als die Dicke des stabförmigen Stützelementes ist und die Lamellenteile ineinander und das Stützelement inner­ halb des innersten Lamellenelementes angeordnet sind.

4. DRAM-Zellenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, bei der eines der Lamellenelemente als dotiertes Gebiet (15) ausgebildet ist, das im Halbleitersubstrat (12) entlang der Wand des Grabens (14) angeordnet ist.

5. DRAM-Zellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

• - bei der das Halbleitersubstrat (12) mindestens im Bereich des Zellenfeldes monokristallines Silizium enthält,
• - bei der die Elektrodenstruktur (21) und die Gegenelektrode (23) jeweils dotiertes Polysilizium enthalten,
• - bei der das Speicherdielektrikum (22) SiO₂ und/oder Si₃N₄ enthält.

6. Verfahren zur Herstellung einer DRAM-Zellenanordnung,

• - bei dem in einer Hauptfläche (11) eines Halbleitersubstra­ tes (12) ein Zellenfeld mit Speicherzellen, die jeweils mindestens einen Auswahltransistor und einen Speicherkon­ densator umfassen, gebildet wird,
• - bei dem zur Herstellung der Speicherkondensatoren in der Hauptfläche (11) Gräben (14) geätzt werden,
• - bei dem mindestens in den Gräben (14) eine Schichtenfolge abgeschieden wird, die jeweils alternierend eine Schicht aus einem ersten Material und eine Schicht aus einem zwei­ ten Material umfaßt, wobei das erste Material elektrisch leitfähig ist und das zweite Material selektiv zum ersten Material ätzbar ist,
• - bei dem in der Mitte der Gräben (14) eine Stützstruktur (20) gebildet wird, die bis zum Grabenboden reicht, wobei das zweite Material selektiv zu der Stützstruktur ätzbar ist,
• - bei dem die Schichten aus dem zweiten Material durch zu den Schichten aus dem ersten Material und der Stützstruktur se­ lektives Ätzen entfernt werden,
• - bei dem die freiliegende Oberfläche der Schichten aus dem ersten Material und der Stützstruktur mit einem Speicher­ dielektrikum versehen werden,
• - bei dem an der Oberfläche des Speicherdielektrikums (22) eine Gegenelektrode (23) gebildet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem vor der Abscheidung der Schichtenfolge (36, 37, 38) an den Flanken der Gräben (34) isolierende Spacer (35) gebil­ det werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6,

• - bei dem vor der Abscheidung der Schichtenfolge (16, 17, 18) in der Oberfläche der Gräben (14) jeweils ein dotiertes Ge­ biet (15) erzeugt wird,
• - bei dem die Schichten aus dem zweiten Material selektiv zur Oberfläche der Gräben (14) geätzt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,

• - bei dem die Schichtenfolge in den Gräben (14) durch ganz­ flächiges Abscheiden der entsprechenden Schichten erzeugt wird,
• - bei dem anschließend durch anisotropes Ätzen zur Hauptflä­ che (11) parallele Teile der Schichten (16, 17, 18) ent­ fernt werden, wobei die Oberfläche des Halbleitersubstrats (12) im Bereich des Grabenbodens freigelegt wird,
• - bei dem durch ganzflächige Abscheidung einer elektrisch leitfähigen Schicht (20), die die Gräben jeweils auffüllt, und durch anisotropes Rückätzen der elektrisch leitfähigen Schicht (20) die Stützstruktur (20) gebildet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Schichten (17) aus dem ersten Material und die elektrisch leitfähige Schicht (20) durch in situ dotierte Ab­ scheidung von p⁺-dotiertem Polysilizium mit einer Dotier­ stoffkonzentration im Bereich 1 × 10²⁰ cm^-3 und die Schich­ ten (16, 18) aus dem zweiten Material durch in situ dotierte Abscheidung von p⁻-dotiertem Polysilizium mit einer Dotier­ stoffkonzentration im Bereich 10¹⁹ cm^-3 gebildet werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,

• - bei dem die Schichten (36, 38) aus dem ersten Material durch in situ dotierte Abscheidung von p⁺-dotiertem Polysi­ lizium mit einer Dotierstoffkonzentration im Bereich 1 × 10²⁰ cm^-3 gebildet werden,
• - bei dem die Schichten (37) aus dem zweiten Material durch in situ dotierte Abscheidung von p⁻-dotiertem Polysilizium mit einer Dotierstoffkonzentration im Bereich 1 × 10¹⁹ cm^-3 gebildet werden,
• - bei dem nach dem ganzflächigen Abscheiden der Schichtenfol­ ge durch Ionenimplantation in zur Hauptfläche (31) paralle­ len Teilen der Schichtenfolge dotierte Gebiete (39) mit ei­ ner Dotierstoffkonzentration im Bereich 1 × 10²⁰ cm^-3 er­ zeugt werden, wobei die Dotierstoffkonzentrationen entlang den Flanken der Gräben (34) im wesentlichen erhalten blei­ ben,
• - bei dem durch in situ dotierte Abscheidung eine elektrisch leitfähige Schicht erzeugt wird, die die Gräben (34) auf­ füllt,
• - bei dem durch anisotropes Atzen die im Bereich der Hauptfläche (31) angeordneten Teile der elektrisch leitfä­ higen Schicht (40) und der Schichtenfolge (36, 37, 38) ent­ fernt werden, die Stützstruktur gebildet wird und die Ober­ fläche der Schichten aus den zweitem Material freigelegt wird.