DE19938481B4

DE19938481B4 - Neue Technologie zur Bildung eines flaschenförmigen Tiefgrabens

Info

Publication number: DE19938481B4
Application number: DE19938481A
Authority: DE
Inventors: Len Mei
Original assignee: Siemens AG; Mosel Vitelic Inc; Promos Technologies Inc
Current assignee: Qimonda AG; Mosel Vitelic Inc; Promos Technologies Inc
Priority date: 1998-12-19
Filing date: 1999-08-13
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2019-08-14
Also published as: TW399287B; JP2000223563A; DE19938481A1; JP3561447B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit einem länglichen Graben, das die folgenden Schritte umfaßt:
(a) Bilden eines länglichen Grabens (130) in ein Substrat (100), wobei der längliche Graben (130) eine Seitenwand aufweist, welche den Graben innerhalb des Substrates bildet;
(b) Bilden einer ersten dielektrischen Füllschicht (160) unter Verwendung eines ersten dielektrischen Materials, um den Tiefgraben zu füllen;
(c) Ätzen der ersten dielektrischen Füllschicht bis zu einer vorbestimmten Tiefe (160'), um einen oberen Bereich der Seitenwand oberhalb der vorbestimmten Tiefe freizulegen;
(d) Bilden einer Seitenwand-Beabstandung (180) unter Verwendung eines zweiten dielektrischen Materials, welches eine wesentlich geringere Ätzrate aufweist als das erste dielektrische Material;
(e) Entfernen des ersten dielektrischen Materials (160), um den unteren Bereich der Seitenwand freizulegen, wobei die Seitenwand-Beabstandung durch selektives Ätzen verbleibt;
(f) Verwenden der Seitenwand-Beabstandung (180) als Maske, um den unteren Bereich der Seitenwand einer Oxidationsreaktion so auszusetzen, dass der untere Bereich...

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung verbesserter Submikron- und/oder Tief-Submikron-Halbleiterbauelemente, welche mindestens einen Tiefgrabenkondensator aufweisen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Vergrößerung des Durchmessers oder, allgemeiner ausgedrückt, des Umfanges oder der Querschnittsfläche des Tiefgrabens, so daß die Oberfläche und dadurch die Kapazität des Kondensators, welcher um die Seitenwand des Tiefgrabens ausgebildet ist, vergrößert wird. Die vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft für die Herstellung von DRAMs (dynamischen Random-Access-Speicherzellen) oder anderen Halbleiterbauelementen, welche unter Anwendung der 0,20-μm-, der 0,18-μm- oder sogar von Technologien für noch kleinere Abmessungen, welche sich gegenwärtig in der Entwicklung befinden, hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann wegen des Vorteiles, daß es in der Lage ist, einen vergrößerten Durchmesser mit Präzision und verbesserter Flexibilität herzustellen, auf zwei weitere Generationen von DRAMs mit jeweiligen Grenzdimensionen von 0,15 und 0,13 μm ausgedehnt werden.
Hintergrund der Erfindung
Kondensatoren, von denen jeder im allgemeinen eine dielektrische Schicht zwischen einem Paar von leitenden Schichten aufweist, sind eines der grundlegendsten Bauelemente der Elektronik. Dasselbe trifft auch für die Mikroelektronik zu. Weil der Trend bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen dahin geht, die Dichte der Schaltungskomponenten, welche pro Flächeneinheit dicht zueinander angeordnet werden können, ständig zu erhöhen, besteht ein großer Bedarf, Technologien zu entwickeln, welche die Fläche, die durch die einzelnen Schaltungskomponenten eingenommen wird, vermindern. In diesem Zusammenhang wurden Tiefgrabentechnologien entwickelt, welche Strukturen, insbesondere für großflächige Kondensatoren zur Folge hatten, die in bezug zur Ebene der Substratfläche vertikal angeordnet sind. Die Kondensatoren können auch in einer kronenartig gestapelten Struktur ausgebildet sein, welche in der Richtung ausgerichtet ist, die im wesentlichen parallel zur Ebene der Substratfläche verläuft.
Der Kapazitätswert, den ein gegebener Kondensator aufweist, wird durch die folgende allgemein bekannte Beziehung bestimmt:
in welcher C die Kapazität, K die relative Dielektrizitätskonstante des Isolators, A die Überlappungsfläche der leitenden Platten und t die Dicke der dielektrischen Schicht ist.
Ein Tiefgrabenkondensator umfaßt in typischer Weise eine dielektrische Schicht, die an den Seitenwänden eines Tiefgrabens gebildet wird, welcher in einer hochdotierten eingebetteten Platte (welche die erste leitende Platte darstellt) gebildet ist und von dieser umgeben ist, sowie eine hochdotierte Polyfüllung (welche die zweite leitende Platte bildet), die den Tiefgraben ausfüllt. Wie durch die vorstehende Beziehung angegeben ist, wird die Kapazität des Tiefgrabenkondensators durch die gesamte Seitenwandfläche des Tiefgrabens bestimmt, welche wiederum durch den Durchmesser, oder genauer den Umfang des Tiefgrabens bestimmt wird.
Mit der Hinwendung zur Tief-Submikrontechnik bei der Herstellungstechnologie für Halbleiter muß zunehmend festgestellt werden, daß die gegenwärtige Technologie zur Herstellung von Tiefgrabenkondensatoren unzulänglich ist. Für Tief-Submikron-Halbleiterbauelemente kann der Tiefgraben ein Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis von 35:1 oder sogar größer aufweisen. Mit der gegenwärtigen Technologie nimmt der Durchmesser (oder die Breite bzw. der Umfang) des Grabens allgemein mit der Tiefe ab, wie dies in 1 erkennbar ist. Eine solche sich verjüngende Querschnittsfläche verursacht eine beträchtliche Verminderung der Gesamt-Seitenwandfläche des Grabens und demzufolge der Kapazität, welche der Tiefgrabenkondensator besitzt. Es wird erwartet, daß dieses Problem noch mehr an Bedeutung gewinnt, wenn man zur nächsten Generation der ULSI-Herstellungstechnologie mit einer Grenzdimension von 0,15 μm oder sogar noch kleiner gelangt.

In dem Artikel mit dem Titel „0,228 μm Trench Cell Technologies with Bottle-Shaped Capacitor for 1Gbit DRAMs" von T. Ozaki, et.al., IEDM, 95, S. 661-664 (1995), dessen Inhalt hiermit durch Verweis eingefügt ist, beschreiben die Autoren ein Verfahren, um den Durchmesser eines Tiefgrabens zu erhöhen. Das dort beschriebene Verfahren umfaßt die Schritte: (1) Bildung eines 80 nm Oxidkragens im oberen Bereich des Grabens durch selektive Oxidation; (2) Durchführung eines Kondensatorprozesses, welcher die Entfernung der Oxidationsmaske, die Entfernung der ursprünglichen Oxide usw. umfaßt, wobei sich während dieses Prozesses die Dicke des Oxidkragens auf 50 nm vermindert; und (3) in-situ wird phosphordotiertes Polysilizium abgeschieden sowie Phosphor-Dotierung in die Seitenwand des Grabens im Kondensatorbereich (Plattenelektrode) durch eine Ofen-Glühtechnologie ausgeführt. Der Oxidkragen verhindert die Dotierung von Phosphor in dem oberen Bereich des Grabens; er sorgt außerdem für eine elektrische Isolation zwischen der Plattenelektrode und dem Übertragungstransistor. Das Polysilizium wird durch chemisches Trockenätzen entfernt, und gleichzeitig wird der Durchmesser des Grabens unterhalb des Oxidkragens ver größert. Die Autoren berichten, daß der Grabendurchmesser bis zu 30 % vergrößert wird, wodurch ein „flaschenförmiger" Tiefgraben geschaffen wird.

Eines der Nachteile dieser Technologie und aller Technologien, die von dieser abgeleitet sind, besteht darin, daß die Vergrößerung des Durchmessers durch die unterschiedlichen Ätzgeschwindigkeiten im phosphordotierten Polysilizium und im Silizium bestimmt wird. In typischer Weise ist die Ätzgeschwindigkeit im phosphordotierten Polysilizium im Verhältnis zum undotierten Silizium nur um den Faktor zwei erhöht. Dies wird weiterhin durch den Umstand kompliziert, daß während des Glühprozesses die Phosphorionen seitlich in den Siliziumabschnitt eindringen, wodurch die Selektivität der Ätzung weiter vermindert wird und es schwierig ist, eine scharfe Grenze zu erhalten. Damit besitzt das Verfahren von Ozaki et. al. nicht genügend Genauigkeit, um bei Technologien mit kleinen Abmessungen angewendet zu werden.

Ein weiterer bedeutender Nachteil des Verfahrens von Ozaki et. al. besteht darin, daß es einen relativ dicken (anfänglich 800 Å) Oxidkragen erfordert, um den Halsbereich des Tiefgrabens während der Phosphordotierung und dem nachfolgenden Ätzprozeß zu schützen. Nach dem Ätzprozeß zur Vergrößerung des unteren Bereiches des Tiefgrabens bleibt der Oxidkragen erhalten. Weil der relativ dicke Oxidkragen beim Verfahren nach Ozaki et. al. sich in die Seitenwand des Tiefgrabens ausdehnt, begrenzt er weiterhin die Dimension, bis zu welchem der Tiefgraben in seiner Größe verringert werden kann.

Die Technologie, welche von Ozaki et. al. erfunden und in dem zuvor erwähnten Artikel beschrieben wurde, ist in US-Patent 5 849 638 enthalten, welches ein Verfahren beschreibt, um die Seitenwandfläche eines Tiefgrabens weiter zu vergrößern. Das in dem Patent 5 849 638 beschriebene Verfahren, dessen Inhalt durch Verweis eingefügt ist, umfaßt folgende Schritte: (1) Öffnung einer Tiefgrabenmaske mit einem Winkel für den ersten Graben; (2) Ätzen eines Grabens unter Verwendung des RIBE-Verfahrens (reaktives Ionenstrahl-Ätzen), wobei der Wafer 1 bis 16 Grad von der Achse der Ionenquelle abgewinkelt angeordnet ist; (3) Öffnung der Tiefgrabenmaske mit einem Winkel für den zweiten Graben; (4) Ätzen des Grabens unter Anwendung des RIBE-Verfahrens, wobei der Wafer 1 bis 15 Grad in der entgegengesetzten Richtung orientiert ist; (5) Bildung eines Oxidkragens; und (6) nach unten gerichtete chemische Ätzung (CDE), um isotropisch die Größe des Grabens zu erhöhen. Die Schritte (5) bis (6) sind dem von Ozaki et. al. beschriebenen Verfahren entnommen und diesem identisch, welches die Schritte zur Bildung eines Oxidkragens und das Ätzen der gesamten Seitenwand des Grabens, die nicht durch den Oxidkragen abgedeckt ist, umfasst. Wiederum kann, wie oben diskutiert, bei der Technik nach Ozaki et. al, das im Patent '638 beschriebene Verfahren für die Anwendung zur Herstellung von Tiefgräben im Submikronbereich keine ausreichende Präzision bereitstellen.

Andere Dokumente zum Stand der Technik beschreiben ebenfalls Anwendungen zur Herstellung von Tiefgrabenkondensatoren für Halbleiter. Diese umfassen die US-Patente 5,064,777, 5,168,336, 5,310,289, 5,658,816, 5,525,531, 5,536,675, 5,614,431, 5,627,092, 5,646,063, 5,656,535, 5,674,769, 5,807,761, 5,828,094, 5,831,301, 5,837,575 sowie DE 41 03 105 A1 usw. Keines dieser Patente beschreibt oder schlägt ein Verfahren vor, welches zur selektiven Vergrößerung der Seitenwandfläche eines Tiefgrabens mit einer solchen Präzision, welche für Tiefgrabenanwendungen im Submikronbereich benötigt wird, verwendet werden könnte.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von Tiefgrabenkondensatoren mit einer vergrößerten Seitenwandfläche im Tief-Submikronbereich, so dass diese eine Kapazität von 40 pF oder mehr erreichen, sowie von Halbleitern, die durch einen Prozess hergestellt werden, welcher dieses Verfahren umfasst. Insbesondere besteht die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur Vergrößerung der Seitenwandfläche eines Tiefgrabens zu entwickeln, welches gegenüber den Verfahren des Standes der Technik, die von den unterschiedlichen Ätzgeschwindigkeiten in dotiertem und nichtdotiertem Silizium bestimmt wurden, eine wesentlich erhöhte Genauigkeit besitzt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Vergrößerung der Seitenwandfläche optimal und höchst effektiv gesteuert werden, und zwar in einem unteren Bereich der Seitenwand, wo eine sich nach hinten verjüngende Grabendurchmesser-Verteilung vorliegt, und zwar aufgrund der wesentlich reduzierten Grabenöffnung in einem Tief-Submikron-Halbleiterbauelement und des großen Seitenverhältnisses (d. h. Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis) des vertikal orientieren Grabens.

Mit anderen Worten, die vorliegende Erfindung beabsichtigt das Problem zu lösen, welches bei der Bildung vertikal angeordneter Kondensatoren, die in typischer Weise bei der Herstellung von DRAMs vorgesehen sind, auftritt, und welches darin besteht, dass oft eine beträchtliche Ungleichheit des Grabendurchmessers zwischen dem oberen Bereich und dem unteren Bereich des Tiefgrabens zu beobachten ist. Eine solche Ungleichheit macht sich in Halbleiterbauelementen im Tief-Submikronbereich mehr bemerkbar, weil sich der Grabendurchmesser von der Ober- zur Unterseite des Grabens in größerem Maße verjüngt.

Dieses Problem und die oben geschilderte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1. Vorteilhaft Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Anders als bei dem von Ozaki et. al. beschriebenen Verfahren, bei welchem die Oberflächenvergrößerung durch unterschiedliche Ätzgeschwindigkeiten zwischen dotiertem Polysilizium und undotiertem Silizium erreicht wurde, ermöglicht die vorliegende Erfindung eine sprunghafte Vergrößerung der Grabenbreite in einer optimalen Position zur Oberfläche des Substrates. Mit dem Verfahren von Ozaki et. al. konnte nur eine begrenzte Vergrößerung der Seitenwandfläche erreicht werden, welche typischerweise weniger als 30 % betrug. Das Verfahren von Ozaki et. al. machte es notwendig, daß ein relativ dicker Oxidkragen in die Seitenwand eingebracht wurde, damit die Bildung von in-situ mit Phosphor dotiertem Polysilizium unterhalb der Siliziumseitenwand, die durch den Oxidkragen geschützt war, ermöglicht wurde. Mit der vorliegenden Erfindung kann eine Vergrößerung der Seitenwandfläche von 50 % und mehr erreicht werden, und es ist kein solcher Oxidkragen erforderlich. Weiterhin ermöglicht die vorliegende Erfindung die Bildung eines flaschenförmigen Tiefgrabens mit wesentlich verbesserter und genauer definierter Grenze.

Zusammenfassend ist beim Verfahren nach der vorliegenden Erfindung keine Phosphor-Diffusion erforderlich. Und teilweise kann infolge dessen die Oberflächenvergrößerung in optimaler Weise bestimmt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Profil der Seitenwand verändert. Der obere Bereich der Seitenwand bleibt unbeeinflußt, während der untere Bereich, welcher einen wesentlich kleineren Durchmesser aufweist, bis zu 100 % oder mehr vergrößert werden kann. Das Fehlen des Oxidkragens in der Seitenwand beim Schritt zur Bildung einer selektiv ätzbaren Penetration bei der Bildung des erfindungsgemäßen flaschenförmigen Tiefgrabens beseitigt auch die Notwendigkeit, irgendeine Seitenwandfläche opfern zu müssen, um eine Vergrößerung in anderen Bereichen des Grabens vornehmen zu können.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren sehr nützlich ist zur Herstellung eines Kondensators des Tiefgrabentyps (d. h. eines vertikal angeordneten Kondensators), kann es vorteilhaft auch für andere Anwendungen eingesetzt werden.

Wenn es in den Prozeß zur Herstellung von Tiefgrabenkondensatoren integriert ist, kann das erfindungsgemäße Verfahren in typischer Weise die folgenden Schritte umfassen:

(1) Bildung eines Tiefgrabens in einem aktiven (d. h. leitenden) Bereich eines Substrates; die vorliegende Erfindung ist höchst effektiv bei Betrachtung des relativen Nutzens, welcher erreicht werden kann, wenn der Graben einen Durchmesser oder eine Breite von weniger als 0,25 μm und ein Längenverhältnis von mehr als 30 besitzt.
(2) Füllung des Tiefgrabens mit einem dielektrischen Material, typischerweise einem Oxid.
(3) Ätzen des dielektrischen Materials bis zu einer vorbestimmten Tiefe.
(4) Bildung einer dünnen Oxidationsschicht, in typischer Weise unter Verwendung eines thermischen Oxidationsverfahrens, an der Wand des Grabens auf dem dielektrischen Material und an der oberen Fläche um den Tiefgraben herum zum Zwecke des Spannungsabbaus.
(5) Bildung einer Nitridschicht, welche die dünne Oxidschicht abdeckt. Die dünne Oxidschicht gewährleistet die notwendige Adhäsion zwischen der Nitridschicht und der Siliziumseitenwand.
(6) Anwendung eines anisotropen Ätzverfahrens, um eine Nitrid-Seitenwand-Beabstandung von der Nitridschicht zu bilden.
(7) Entfernung des dielektrischen Materials durch selektives Naßätzen, um die Seitenwand des Grabens unterhalb der Nitrid-Seitenwand-Beabstandung freizusetzen.
(8) Verwendung der Nitrid-Seitenwand-Beabstandung als Maske, wobei der Bereich des Substrates hinter der Seitenwand des Grabens unterhalb der Nitrid-Seitenwand-Beabstandung bis zu einer vorbestimmten Eindringung thermisch oxidiert wird.
(9) Entfernung der oxidierten Silizium-Seitenwand und der Nitrid-Seitenwand-Beabstandung, entweder gleichzeitig oder voneinander getrennt.

Es kann ratsam sein, die Nitrid-Seitenwand, welche sich als ausgezeichnete Barriere gegen Verluste erwiesen hat, in dem Tiefgraben zu belassen. Einer der Hauptvorteile der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ein hochselektives Ätzsystem (1000 zu 1) zwischen dem Oxid und dem Silizium angewendet werden kann, wodurch eine scharfe Grenze (d. h. seitlich betrachtet, beim Eindringen in die Seitenwand des Tiefgrabens) gebildet werden kann. Dieser Vorteil ermöglicht es, daß das erfindungsgemäße Verfahren für die Bildung von flaschenförmigen Tiefgräben im Submikronbereich mit viel besserer Genauigkeit angewendet werden kann.

Nach weiteren Reinigungsschritten kann eine dielektrische Schicht auf der Seitenwandfläche abgeschieden werden, worauf die Abscheidung einer hochdotierten Polysilizium-Füllschicht folgt. Dies schließt dann das Verfahren zur Herstellung eines Tiefgrabenkondensators ab.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung soll unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, welche eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, näher beschrieben werden, wobei:

1 eine erläuternde Darstellung ist, welche einen vertikalen Querschnitt durch einen bekannten Tiefgraben zeigt, welcher eine Tiefgrabenöffnung von 0,2 μm und eine Länge von 7,5 μm aufweist.

2 eine erläuternde Darstellung ist, welche den ersten Schritt des Verfahrens nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei welchem ein Fülloxid abgeschieden wird, um eine Oxid-Füllschicht zu bilden, welche den Graben ausfüllt.

3 eine erläuternde Darstellung ist, welche zeigt, daß die Oxid-Füllschicht, welche den Graben füllte, bis zu einer vorbestimmten Tiefe weggeätzt ist.

4 eine erläuternde Darstellung ist, welche zeigt, daß eine Oxid-Polsterschicht an der Seitenwand des Tiefgrabens gebildet wird.

5 eine erläuternde Darstellung ist, welche zeigt, daß eine Nitridschicht auf der Oberfläche der Oxid-Posterschicht bis zu einer Tiefe oberhalb der Oxid-Füllschicht gebildet wird.

6 eine erläuternde Darstellung ist, welche zeigt, daß eine Nitrid-Seitenwand-Beabstandung aus der Nitridschicht durch anisotropes Ätzen gebildet wird.

7 eine erläuternde Darstellung ist, welche zeigt, daß die Oxid-Füllschicht unter Anwendung eines selektiven Ätzverfahrens, welches die Nitrid-Seitenwand-Beabstandung innerhalb des Grabens beläßt, weggeätzt wird.

8 eine erläuternde Darstellung ist, welche zeigt, daß unter Verwendung der Nitrid-Seitenwand-Beabstandung als Maske der Bereich des Substrates unterhalb der Nitrid-Seitenwand-Beabstandung bis zu einer vorbestimmten Dicke thermisch oxidiert ist.

9 eine erläuternde Darstellung ist, welche zeigt, daß nach der Entfernung der Nitrid-Seitenwand-Beabstandung und des thermisch oxidierten Substrates ein flaschenförmiger Tiefgraben gebildet ist, welcher eine sprunghafte Erweiterung der Seitenwandfläche unterhalb der vorbestimmten Tiefe umfaßt, und welcher keinen Oxidkragen aufweist, der in die Seitenwand des Grabens eingebracht ist.

10 eine erläuternde Darstellung ist, welche eine weitere bevorzugte Ausführungsform des verbesserten Tiefgrabens zeigt, in welcher die Nitrid-Seitenwand-Beabstandung nicht entfernt wurde und im oberen Bereich des Tiefgrabens verbleibt. Diese Ausführungsform verbessert die Verhinderung von Stromverlusten aus dem Tiefgrabenkondensator.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Tiefgräben mit einer vergrößerten Seitenwandfläche. Eine der naheliegendsten An wendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Herstellung von verbesserten vertikal angeordneten Kondensatoren in Halbleiterbauelementen, z. B. in DRAMs, welche eine Grenzdimension von 0,20 μm oder kleiner und ein Länge-zu-Breite-Seitenverhältnis von 35 oder größer aufweisen. Unter diesen Bedingungen kann der Durchmesser des Grabens in dessen unterem Bereich beträchtlich vermindert werden, welcher oft auf 50 % oder weniger der Abmessung der Tiefgrabenöffnung abfällt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Grabendurchmesser im unteren Bereich mit einem Faktor von 2 oder mehr vergrößert werden, wobei der Grabendurchmesser an der Oberseite im wesentlichen unverändert bleibt. Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert keinen Schritt zur Diffusion von Phosphor und den dadurch notwendigen relativ dicken Oxidkragens, und es ermöglicht eine große Flexibilität bei der Auswahl der ätzbaren Verbindung mit optimaler Ätzselektivität und Ätzfähigkeit.

Somit enthält der Tiefgraben, der unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden, folgende Merkmale:

(a) einen länglichen Graben, welcher in ein Substrat eingebracht ist, wobei der längliche Graben eine Öffnung mit einer Breite (oder Grenzdimension) von 0,25 μm oder kleiner und ein Längen-Breiten-Verhältnis von 25 oder größer aufweist;
(b) der längliche Graben besitzt eine Seitenwand, welche in einen oberen Bereich und einen unteren Bereich mit einer bestimmten Tiefe unterteilt ist;
(c) eine im wesentlichen sprunghafte Erweiterung der Grabenbreite im Bereich der vorbestimmten Tiefe, am Übergang der Seitenwand vom unteren Bereich in den oberen Bereich; und
(d) der obere Bereich der Seitenwand weist keinen Oxidkragen auf.

Der Effekt der Seitenwand-Vergrößerung ist am größten, wenn der längliche Graben eine Öffnung mit einer Breite von 0,20 μm oder weniger und ein Längen-Breiten-Verhältnis von 35 oder größer aufweist. Vorzugsweise ist die vorbestimmte Tiefe, welche den oberen Bereich vom unteren Bereich der Seitenwand trennt, etwa 1,0 μm von der Substratoberfläche entfernt, und der untere Bereich der Seitenwand in der Nähe des Trennungspunktes wird so hergestellt, daß er eine Breite aufweist, die mindestens 30 % oder noch bevorzugter 50 % größer ist als die Breite des benachbarten oberen Bereiches.

Die Grabenöffnung kann einen Kreis, ein Rechteck, eine Ellipse oder irgendeine unregelmäßige Geometrie umfassen. Bei einem Rechteck bezieht sich der Begriff „Breite" auf die kurze Seite, und bei einer Ellipse bezieht sich der Ausdruck Durchmesser auf die kürzere Achse. Weil die Grabenöffnung jede beliebige Geometrie aufweisen kann, werden die Begriffe Durchmesser und Breite in dieser Beschreibung gegeneinander austauschbar verwendet; ihre wirkliche Bedeutung sollte jedoch an die tatsächliche Geometrie der Grabenöffnung angepaßt werden. Kurz gesagt, wenn geschrieben wird, daß sich eine Breite oder ein Durchmesser vergrößert, bedeutet dies im allgemeinen, daß der betreffende Umfang vergrößert wird.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein flaschenförmiger Tiefgraben im wesentlichen in folgender Weise hergestellt werden:

(1) Bilden eines Tiefgraben in einem Substrat;
(2) Füllen des Tiefgraben mit einem ersten dielektrischen Material, vorzugsweise einem Oxid, um eine erste dielektrische Füllschicht zu bilden;
(3) Ätzen der ersten dielektrischen Füllschicht bis zu einer vorbestimmten Tiefe;
(4) Bilden einer Seitenwand-Beabstandung aus einem zweiten dielektrischen Material, welche sich von der Grabenöffnung bis zu der vorbestimmten Tiefe erstreckt;
(5) Entfernen der ersten dielektrischen Füllschicht durch ein selektives Ätzverfahren;
(6) Verwenden der Seitenwand-Beabstandung als Schutzmaske, selektives Wegätzen oder chemisches Verändern des Substrates (so daß es nachfolgend weggeätzt werden kann) hinter der Seitenwand des Tiefgrabens bis zu einer zweiten vorbestimmten Tiefe;
(7) Entfernen des chemisch veränderten Substrates durch Ätzen, wenn es nicht bereits weggeätzt ist; und
(8) Entfernen der Seitenwand-Beabstandung ebenfalls durch Ätzen, um die gesamte Seitenwandfläche freizulegen.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Seitenwand-Beabstandung unter Anwendung eines Verfahrens gebildet werden, welches die folgenden Schritte umfaßt:

(a) Bilden einer dünnen dielektrischen Polsterschicht an der Seitenwand des Grabens oberhalb der ersten dielektrischen Füllschicht und auf der oberen Fläche um den Graben herum;
(b) Bilden einer zweiten dielektrischen Schicht, welche die dielektrische Polsterschicht abdeckt; und
(c) Anwenden eines anisotropen Ätzverfahrens, um eine Seitenwand-Beabstandung von der zweiten dielektrischen Schicht zu bilden.

Um einen vertikal verlängerten Kondensator zu bilden, wird ein Tiefgraben in einen aktiven Bereich des Substrates eingebracht. Nach Durchführung der ersten Schritte und einer weiteren Reinigung kann eine dielektrische Schicht auf der Seitenwandfläche abgeschieden werden, worauf die Abscheidung einer hochdotierten Polysiliziumschicht folgt. Dies bringt dann das Verfahren zur Herstellung eines Tiefgrabenkondensators zum Abschluß.

Die vorliegende Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele näher beschrieben werden. Es wird darauf hingewiesen, daß die folgende Beschreibung der Beispiele einschließlich der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung zum Zwecke der Darstellung und Erläuterung erfolgt, und daß es nicht beabsichtigt ist, die Erfindung ausschließlich auf die speziell beschriebene
Beispiel 1
Die 1 bis 9 zeigen schematisch die Hauptschritte zur Bildung eines Tiefgrabens mit vergrößerter Seitenwandfläche entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Zeichnungen sollen im weiteren detaillierter beschrieben werden.
1 zeigt, daß ein Tiefgraben 130 unter Anwendung eines isotropen Trockenätzverfahrens in einem Substrat 100 gebildet wird, welcher außerdem an seiner Oberseite eine sehr dünne Oxid-Polsterschicht 120, welche eine Dicke von etwa 5 nm aufweist und eine relativ dicke Nitridschicht 140, welche eine Dicke von etwa 200 nm aufweist, enthält. Gemeinsam bilden die Oxid-Polsterschicht 120 und die Nitridschicht 140 eine Polsterschicht 110. Im Beispiel 1 hat der Graben eine Grabenöffnung von 0,2 μm und eine Länge von 7,5 μm. Die Grabenbreite verjüngt sich von 0,2 μm an der Oberseite auf etwa 0,1 μm an der Unterseite infolge der Einschränkungen der gegenwärtig verfügbaren anisotropen Technologie, wenn diese auf die kleine Grabenöffnung sowie auf das große Längen-Breiten-Verhältnis einwirkt, welches bei der Herstellung von Tief-Submikron-Halbleiterbauelementen anzutreffen ist. Die Oxidschicht kann eine Siliziumoxidschicht sein, welche durch thermisches Oxidwachstum entsteht. Die Nitridschicht kann eine SiN-Schicht sein, die durch chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD) unter Verwendung von SiH2Cl2 und NH3 als Reaktanten gebildet wird. Die Nitridschicht kann als Ätzmaske beim nachfolgenden Oxid-Ätzverfahren verwendet werden. Der Graben kann unter Anwendung eines anisotropen Trockenätzverfahrens gebildet werden, z. B. unter Verwendung eines Fluorkohlenstoffgases, z. B. von CHF3 als Hauptätzkomponente in einem reaktiven Ionenätzverfahren (RIE).
2 zeigt, daß ein Fülloxid auf der Waferfläche abgelagert wird, um den Graben zu füllen und eine Oxid-Füllschicht 160 zu bilden. Die Oxid-Füllschicht wird bis zu einer vorbestimmten Tiefe 160' unter Anwendung eines Oxid-Naßätz- oder Trockenätzschrittes geätzt. Diese Tiefe bestimmt die Grenze des erfindungsgemäß herzustellenden flaschenförmigen Grabens. Bei diesem Schritt sollte das Fülloxid so gewählt werden, daß es eine hohe Ätzfähigkeit im Vergleich zu einer Nitrid-Seitenwand-Beabstandung, welche danach unter Anwendung eines selektiven Ätzmittels gebildet wird, aufweist. Die Oxid-Füllschicht kann eine Siliziumoxidschicht sein, welche unter Anwendung eines chemischen Plasma-Gasphasenabscheidungsverfahrens mit hoher Dichte (HDPCVD) gebildet wird. Die Siliziumoxid-Füllschicht kann unter Anwendung gepufferter Fluorwasserstoffsäure in einem Naßätzverfahren zurückgeätzt werden. Die Fluorwasserstoffsäure reagiert sehr schnell mit Siliziumoxid, während sie das Substrat auf Siliziumbasis unbeeinflußt läßt.
In 4 ist dargestellt, wie eine dünne vertikale Oxid-Polsterschicht 120' von etwa 5 nm an der Seitenwand des Tiefgrabens unterhalb der vorbestimmten Tiefe 160' (d. h. oberhalb der Oxid-Füllschicht 160) durch (thermische) Oxidation gebildet wird. Danach wird eine Nitridschicht 180 von etwa 20 nm Dicke auf der Fläche der Oxid-Polsterschicht und auf der Oberseite der Oxid-Füllschicht gebildet, wie dies in 5 dargestellt ist. Es wird darauf hingewiesen, daß die Bildung der dünnen vertikalen Polsterschicht 120' wahlweise erfolgt; ihr Hauptzweck besteht darin, die endgültige Entfernung der Nitridschicht 180 von der Seitenwand des Grabens zu erleichtern und die Haftung zwischen der Nitridschicht und der Silizium-Seitenwand zu verbessern. Die dünne vertikale Polsterschicht 120' unterscheidet sich strukturell und funktionell von denn Oxidkragen, welcher in dem Kondensator nach Ozaki et. al. beschrieben wurde. Letzterer hat eine Dicke von 50 bis 70 nm und verbleibt nach Fertigstellung des flaschenförmigen Grabens in der Seitenwand. Die Oxid-Polsterschicht kann durch thermische Oxidbildung aufgebracht werden. Die Nitridschicht kann eine SiN-Schicht sein, welche durch chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD) unter Verwendung von SiH2Cl2 und NH3 als Reaktanten gebildet wird.
6 zeigt, daß eine Nitrid-Seitenwand-Beabstandung 180' aus der Nitridschicht 180 durch anisotrope Ätzung, typischerweise unter Anwendung eines Trockenätzverfahrens, gebildet wird. Wegen der unterschiedlichen chemischen Merkmale und somit der Ätzbarkeit der Nitrid-Seitenwand-Beabstandung 180' und der Oxid-Füllschicht 160, kann die Oxid-Füllschicht 160 danach selektiv weggeätzt werden, wodurch es möglich ist, die Seitenwandfläche 150 unterhalb der Nitrid-Seitenwand-Beabstandung 180' wieder freizulegen. Dies ist in 7 dargestellt. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß das Vorhandensein der dicken Nitridschicht 140 eine größere Flexibilität bezüglich der Länge der Seitenwand-Beabstandung 180 ermöglicht. Mit anderen Worten kann die Seitenwand-Beabstandung 180' durch die vorliegende Erfindung so gestaltet sein, daß sie eine sehr kurze Länge aufweist und dennoch fest mit der Grabenfläche verbunden ist. Dies ermöglicht es, die Grabenbreite über eine größere Länge zu erweitern. Die Oxid-Füllschicht kann unter Anwen dung von gepufferter Fluorwasserstoffsäure, die eine sehr hohe Ätzselektivität zwischen Nitrid und Siliziumoxid aufweist, geätzt werden.
Um den Durchmesser des Tiefgrabens unterhalb der vorbestimmten Tiefe zu vergrößern, wird der Bereich des Substrates hinter der Seitenwand im unteren Bereich in diesem Beispiel chemisch so verändert, daß er gut geätzt werden kann. 8 ist eine erläuternde Darstellung, welche zeigt, daß durch Nutzung der Nitrid-Seitenwand-Beabstandung als Maske der Bereich des Substrates unterhalb der Nitrid-Seitenwand-Beabstandung thermisch bis zu einer vorbestimmten Dicke von etwa 100 nm von der unbeeinflußten Seitenwandfläche oxidiert werden kann. Oxid wird nicht in Bereichen wachsen, die durch die Nitrid-Seitenwand-Beabstandung bedeckt sind. Die Dicke der oxidierten Zone in dem Substrat wird durch das Ausmaß bestimmt, mit welchem der Flächenbereich (d. h. der Umfang) des unteren Grabens vergrößert werden soll. Das oxidierte Substrat und die Nitrid-Seitenwand-Beabstandung kann durch ein Ätzmittel gleichzeitig oder getrennt entfernt werden, wodurch es möglich ist, einen flaschenförmigen Tiefgraben zu bilden. Dies ist in 9 dargestellt. In diesem Beispiel wird die oxidierte Zone im unteren Bereich des Tiefgrabens zuerst durch einen Naßschritt entfernt, dem ein Naßschritt zur Entfernung des Nitrides folgt. Die Nitrid-Seitenwand-Beabstandung kann durch Anwendung von heißer Phosphorsäure entfernt werden. Wie 9 zeigt, weist der Tiefgraben mit vergrößerter Seitenwandfläche keinen Oxidkragen auf, welcher in die Seitenwand des Grabens eingeformt ist, und die Seitenwand zeigt außerdem eine sprunghafte Vergrößerung ihres Durchmessers. Das Ausmaß der Durchmesservergrößerung beträgt etwa die Hälfte der Dicke der oxidierten Seitenwand oder etwa 50 nm.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Nitrid-Seitenwand-Beabstandung 180' nicht entfernt und verbleibt im oberen Bereich des Tiefgrabens, und nur das Oxid 170 wird durch gepufferte Fluorwasserstoffsäure entfernt. Dies ist in 10 dargestellt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß sie Verluste aus dem Kondensator verhindert.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit einem länglichen Graben, das die folgenden Schritte umfaßt: (a) Bilden eines länglichen Grabens (130) in ein Substrat (100), wobei der längliche Graben (130) eine Seitenwand aufweist, welche den Graben innerhalb des Substrates bildet; (b) Bilden einer ersten dielektrischen Füllschicht (160) unter Verwendung eines ersten dielektrischen Materials, um den Tiefgraben zu füllen; (c) Ätzen der ersten dielektrischen Füllschicht bis zu einer vorbestimmten Tiefe (160'), um einen oberen Bereich der Seitenwand oberhalb der vorbestimmten Tiefe freizulegen; (d) Bilden einer Seitenwand-Beabstandung (180) unter Verwendung eines zweiten dielektrischen Materials, welches eine wesentlich geringere Ätzrate aufweist als das erste dielektrische Material; (e) Entfernen des ersten dielektrischen Materials (160), um den unteren Bereich der Seitenwand freizulegen, wobei die Seitenwand-Beabstandung durch selektives Ätzen verbleibt; (f) Verwenden der Seitenwand-Beabstandung (180) als Maske, um den unteren Bereich der Seitenwand einer Oxidationsreaktion so auszusetzen, dass der untere Bereich der Seitenwand nachfolgend weggeätzt werden kann, während der obere Bereich durch die Seitenwand-Beabstandung geschützt ist; und (g) Entfernen des oxidierten unteren Bereiches (170) der Seitenwand, um einen flaschenförmigen Tiefgraben zu bilden, welcher eine vergrößerte Seitenwandfläche im unteren Bereich aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit einem länglichen Graben nach Anspruch 1, bei welchem das erste dielektrische Material (130) ein Oxid ist, so daß die erste dielektrische Füllschicht eine Oxid-Füllschicht wird, und das zweite dielektrische Material (180) ein Nitrid ist, und die Oxidationsreaktion eine thermische Oxidationsreaktion ist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit einem länglichen Graben nach Anspruch 2, bei welchem die Seitenwand-Beabstandung (180) durch Anwendung eines Verfahrens gebildet wird, welches die folgenden Schritte umfaßt: (a) Anwenden eines chemischen Gasphasenabscheidungsverfahrens, um eine Nitridschicht auf dem oberen Bereich der Seitenwandfläche und auf der Oberseite der Oxid-Füllschicht abzuscheiden; und (b) Anwenden eines anisotropen Ätzverfahrens, um die Seitenwand-Beabstandung aus der Nitridschicht zu bilden.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit einem länglichen Graben nach Anspruch 3, bei welchem das Verfahren zum Bilden der Seitenwand-Beabstandung (180) weiterhin den Schritt zum Bilden einer dünnen Oxidschicht (120') auf dem oberen Bereich der Seitenwandfläche und auf der Oberseite der Oxid-Füllschicht vor dem Schritt der Abscheidung der Nitridschicht umfaßt.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit einem länglichen Graben nach Anspruch 1, bei welchem (a) der längliche Graben (130) in einem aktiven Bereich des Substrates (100) gebildet wird; und (b) das Verfahren weiterhin die Schritte umfaßt: (i) Bilden einer dielektrischen Schicht auf der Seitenwandfläche; und (ii) Abscheiden einer leitenden Füllschicht, welche den länglichen Graben so ausfüllt, daß der Graben als Kondensator wirken kann.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit einem länglichen Graben nach Anspruch 1, welches weiterhin den Schritt des Entfernens der Seitenwand-Beabstandung (180) umfaßt.