DE19944012B4

DE19944012B4 - Grabenkondensator mit Kondensatorelektroden und entsprechendes Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE19944012B4
Application number: DE19944012A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Schrems
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Qimonda AG
Priority date: 1999-09-14
Filing date: 1999-09-14
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2019-09-15
Also published as: WO2001020681A1; DE19944012A1; US20020125521A1; TW492187B; US6608341B2

Abstract

Grabenkondensator, umfassend:
– einen Graben (108), der einen oberen Bereich (109) und einen unteren Bereich (110) aufweist und in einem Halbleitersubstrat (101) gebildet ist;
– einen Isolationskragen (168), der in dem oberen Bereich (109) an einer Grabenwand des Grabens (108) gebildet ist;
– eine vergrabene Schicht (170), durch die sich zumindest teilweise der untere Bereich (110) des Grabens (108) erstreckt;
– eine dielektrische Schicht (164), die in dem unteren Bereich (110) an einer Grabenwand des Grabens (108) und in dem Bereich des Isolationskragens (168) angeordnet ist;
– eine in den Graben (108) gefüllte leitende Grabenfüllung (161) als innere Kondensatorelektrode;
– eine leitende Schicht (310) als äußere Kondensatorelektrode, die in dem unteren Bereich (110) des Grabens (108) zwischen dem Halbleitersubstrat (101) und der dielektrischen Schicht (164) und in dem Bereich des Isolationskragens (168) zwischen dem Isolationskragen (168) und der dielektrischen Schicht (164) angeordnet ist, wobei...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Grabenkondensator und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
Obwohl auf beliebige Grabenkondensatoren anwendbar, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf einen in einer DRAM-Speicherzelle verwendeten Grabenkondensator erläutert. Zu Diskussionszwecken wird die Erfindung hinsichtlich der Bildung einer einzelnen Speicherzelle beschrieben.
Integrierte Schaltungen (ICs) oder Chips enthalten Kondensatoren zum Zwecke der Ladungsspeicherung, wie zum Beispiel ein dynamischer Schreib-/Lesespeicher mit wahlfreiem Zugriff (DRAM). Der Ladungszustand in dem Kondensator repräsentiert dabei ein Datenbit.
Ein DRAM-Chip enthält eine Matrix von Speicherzellen, welche in Form von Zeilen und Spalten angeordnet sind und von Wortleitungen und Bitleitungen angesteuert werden. Das Auslesen von Daten aus den Speicherzellen, oder das Schreiben von Daten in die Speicherzellen, wird durch die Aktivierung geeigneter Wortleitungen und Bitleitungen bewerkstelligt.
Üblicherweise enthält eine DRAM-Speicherzelle einen mit einem Kondensator verbundenen Transistor. Der Transistor enthält zwei Diffusionsbereiche, welche durch einen Kanal getrennt sind, der von einem Gate gesteuert wird. Abhängig von der Richtung des Stromflusses wird ein Diffusionsbereich als Drain-Gebiet und der andere als Source-Gebiet bezeichnet. Ei ner der Diffusionsbereiche ist mit einer Bitleitung, der andere Diffusionsbereich ist mit dem Kondensator und das Gate ist mit einer Wortleitung verbunden. Durch Anlegen geeigneter Spannungen an das Gate wird der Transistor so gesteuert, daß ein Stromfluß zwischen den Diffusionsbereichen durch den Kanal ein- und ausgeschaltet wird.
Die in dem Kondensator gespeicherte Ladung baut sich mit der Zeit aufgrund von Leckströmen ab. Bevor sich die Ladung auf einen unbestimmbaren Pegel unterhalb eines Schwellwerts abgebaut hat, muß der Speicherkondensator aufgefrischt werden. Aus diesem Grund werden diese Speicherzellen als dynamisches RAM (DRAM) bezeichnet.

In der US 5 867 420 A ist ein Grabenkondensator gezeigt, der einen oberen mit einem Isolationskragen gebildeten Bereich sowie einen unteren Bereich aufweist. Eine vergrabene Wanne ist vom Grabenkondensator durchsetzt. Eine leitende Grabenfüllung dient als innere Kondensatorelektrode. Das Dielektrikum ist im unteren Bereich des Grabens sowie auf dem Isolationskragen gebildet.

Darüber hinaus ist in der US 5 336 912 A ein Grabenkondensator mit ähnlichen Merkmalen gezeigt, der darüber hinaus eine leitende Schicht aufweist, die als äußere Kondensatorelektrode im unteren Bereich des Grabens zwischen dem Substrat und der dielektrischen Schicht und im Bereich des Isolationskragens zwischen dem Isolationskragen und der dielektrischen Schicht angeordnet ist. Die leitende Schicht ist aus Polysilizium gebildet.

Das zentrale Problem bei den bekannten DRAM-Varianten ist die Erzeugung einer ausreichend großen Kapazität des Grabenkondensators. Diese Problematik verschärft sich in Zukunft durch die fortschreitende Miniaturisierung von Halbleiterbauelemen ten. Die kontinuierliche Erhöhung der Integrationsdichte bedeutet, daß die pro Speicherzelle zur Verfügung stehende Fläche und damit die Kapazität des Grabenkondensators immer weiter abnimmt. Eine zu geringe Kapazität des Grabenkondensators kann die Funktionstüchtigkeit und Verwendbarkeit der Speichervorrichtung widrig beeinflussen, da eine zu geringe Ladungsmenge auf ihm gespeichert wird.

Beispielsweise erfordern Leseverstärker einen ausreichenden Signalpegel für ein zuverlässiges Auslesen der in den Speicherzellen befindlichen Information. Das Verhältnis der Speicherkapazität zu der Bitleitungskapazität ist entscheidend bei der Bestimmung des Signalpegels. Falls die Speicherkapa zität zu gering ist, kann dieses Verhältnis zu klein zur Erzeugung eines hinreichenden Signals sein.

Ebenfalls erfordert eine geringere Speicherkapazität eine höhere Auffrischfrequenz, denn die in dem Grabenkondensator gespeicherte Ladungsmenge ist durch seine Kapazität begrenzt und nimmt zusätzlich durch Leckströme ab. Wird eine Mindestladungsmenge in dem Speicherkondensator unterschritten, so ist es nicht mehr möglich die in ihm gespeicherte Information mit den angeschlossenen Leseverstärkern auslesen, die Information geht verloren und es kommt zu Lesefehlern.

Zur Vermeidung von Lesefehlern bietet sich die Reduktion der Leckströme an. Zum einen kann der Leckstrom durch einen Transistor, zum anderen kann der Leckstrom durch ein Kondensatordielektrikum und als letztes der Leckstrom von einer vergrabenen Brücke bzw. einem vergrabenen Kontakt zu einer vergrabenen Platte reduziert werden. Durch diese Maßnahmen kann eine unerwünscht verringerte Haltezeit (retention time) verlängert werden.

Üblicherweise wird ein Grabenkondensator in DRAMs verwendet. Ein Grabenkondensator hat eine dreidimensionale Struktur, welche in einem Siliziumsubstrat ausgebildet ist. Eine Erhöhung des Volumens und damit der Kapazität des Grabenkondensators kann durch tieferes Ätzen in das Substrat erreicht werden. In diesem Fall bewirkt die Steigerung der Kapazität des Grabenkondensators keine Vergrößerung der von der Speicherzelle belegten Oberfläche. Dieses Verfahren ist aber auch beschränkt, da die erzielbare Ätztiefe des Grabenkondensators von dem Grabendurchmesser abhängt, so daß nur bestimmte, endliche Aspektverhältnisse erzielbar sind.

Bei fortschreitender Erhöhung der Integrationsdichte nimmt die pro Speicherzelle zur Verfügung stehende Substratoberfläche immer weiter ab. Die damit verbundene Reduktion des Grabendurchmessers führt zwangsläufig zu einer Verringerung der Grabenkondensatorkapazität. Ist die Grabenkondensatorkapazität von vornherein so gering bemessen, daß die speicherbare Ladung nicht zum einwandfreien Auslesen mit den nachgeschalteten Leseverstärkern ausreicht, so hat dies Lesefehler zur Folge.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen verbesserten Grabenkondensator zu schaffen, welcher bei gleichem Grabendurchmesser und gleicher Grabentiefe eine erhöhte Kapazität aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Angabe eines Herstellungsverfahrens zur Herstellung eines solchen Grabenkondensators.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den in Anspruch 1 angegebenen Grabenkondensator gelöst.

Weiterhin wird die gestellte Aufgabe durch das in Anspruch 10 angegebene Verfahren gelöst.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht in der Verwendung einer leitenden Schicht 310 als äußere Kondensatorelektrode, wobei die leitende Schicht 310 aus einem Metall oder einem Metallsilizid oder einem Metallnitrid besteht. In herkömmlichen Grabenkondensatoren ist die Kondensatorfläche auf den unteren Bereich 110 des Grabens 108 beschränkt, der unterhalb des Isolationskragens 168 liegt. Durch Verwendung der leitenden Schicht 310 in dem unteren Bereich 110 des Grabens 108 und auf dem Isolationskra gen 168 wird die zur Verfügung stehende Fläche und damit die zur Verfügung stehende Kapazität erhöht.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird eine vergrabene Platte 165 in dem Substrat 101 um den unteren Bereich 110 des Grabens 108 gebildet, wodurch der elektrische Kontakt zwischen der vergrabenen Wanne 170 und der leitenden Schicht 310 verbessert wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird der Grabenkondensator 160 unterhalb der Oberfläche des Substrats 101 in dem Bereich der vergrabenen Brücke 162 dotiert, so daß der vergrabene Kontakt 250 entsteht und vorteilhafterweise die vergrabene Brücke, beziehungsweise die Grabenfüllung 161 elektrisch mit dem Source-Gebiet 114 des Transistors 111 verbindet. Die Dotierung in dem Bereich des vergrabenen Kontakts 250 kann zum Beispiel durch Implantation, Plasmadotierung und/oder Gasphasendotierung oder ein anderes geeignetes Verfahren eingebracht werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird auf der leitenden Grabenfüllung 161, welche die innere Kondensatorelektrode bildet, eine leitende vergrabene Brücke 162 gebildet. Der Vorteil dieses Vorgehens liegt in der Größeren Flexibilität bei der Erzeugung des vergrabenen Kontaktes 250.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Grabenkondensators 160 sieht die Bildung eines Isolationssteges 320 zur Isolation des oberen Bereichs 311 der leitenden Schicht 310 vor. Der Isolationssteg 320 hat die Aufgabe einen Ladungstransport von der leitenden Schicht 310 zu den elektrisch miteinander verbundenen Merkmalen der leitenden Grabenfüllung 161, der leitenden vergrabenen Brücke 162 und dem vergrabenen Kontakt 250 zu verhindern. Dadurch wird die Spei cherzeit (retention time) der Speicherzelle in vorteilhafter Weise verlängert und unerwünschte Bitfehler aufgrund von Leckströmen werden verhindert. In einer speziellen Ausführung besteht der Isolationssteg 320 aus einem Oxid, Nitrid oder Oxinitrid.

Bei der leitenden Schicht 310 kann es sich bei dem verwendeten Metall um Titan, Wolfram, Molybdän oder Kobalt handeln. Bei dem verwendeten Silizid kann es sich um Titansilizid, Wolframsilizid, Molybdänsilizid oder Kobaltsilizid und bei dem verwendeten Nitrid um Titannitrid oder Wolframnitrid handeln.

Eine vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bildet nach dem Isolationskragen 168 eine vergrabene Platte 165 in dem Substrat 101, in der Umgebung des unteren Bereichs 110 des Grabens 108, so daß die vergrabene Platte 165 die vergrabene Wanne 170 kontaktiert.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bildet einen Isolationssteg 320 in dem oberen Bereich des Isolationskragens 168. Durch den Isolationssteg 320 werden Leckströme verhindert, welche den Grabenkondensator entladen könnten.

Einbringen von Dotierstoff zur Bildung des vergrabenen Kontakts 250 reduziert bei einer weiteren Verfahrensvariante den Anschlußwiderstand des Grabenkondensators in vorteilhafter Weise.

Eine Ausprägung des Herstellungsverfahrens bildet zusätzlich eine leitende vergrabenen Brücke 162 in dem Graben 108. Bilden der vergrabene Brücke 162 erhöht die Prozeßflexibilität, da der Dotierstoff zur Herstellung des vergrabenen Kontakts 250 nach Rückätzung der Grabenfüllung 161 von dem Inneren des Grabens durch die vertikale Grenzfläche 201 eingebracht werden kann. Anschließend wird zur Herstellung des elektrischen Anschlusses die leitfähige Brücke 162 gebildet.

Der erfindungsgemäße Grabenkondensator bzw. das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren weisen gegenüber den bekannten Lösungsansätzen den Vorteil auf, das die Kapazität des Grabenkondensators erhöht wird. Insbesondere sind die Ausfälle aufgrund von zu geringer Ladungsmenge reduziert und gleichzeitig die Prozeßausbeute erhöht.

Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, den Durchmesser des Grabens 108 bei fortschreitender Miniaturisierung zu verkleinern, da durch den erfindungsgemäßen Grabenkondensator bzw. das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren die Kapazitätsreduzierung kompensiert wird, die aus der Verkleinerung der pro Speicherzelle zur Verfügung stehenden Fläche herrührt.

Die leitende Schicht 310 kann mit CVD, PECVD oder LPCVD Verfahren abgeschieden werden. Weiterhin kann die leitende Schicht 310 bei den genannten Verfahren aus einem Metall hergestellt werden. Geeignete Metalle sind zum Beispiel Titan oder Wolfram.

Auch die Abscheidung von Siliziden wie zum Beispiel Wolframsilizid, Titansilizid, Molybdänsilizid oder Kobaltsilizid ist mit den genannten Verfahren möglich. Zur Bildung eines Silizids kann das Metall und das Silizium in getrennten Schritten abgeschieden werden und anschließend bei einer für das Materialsystem geeigneten Temperatur Siliziert werden. Geeignete Temperaturen liegen dazu zwischen 600°C und 1100°C.

Auch die Verwendung eines Nitrids, wie zum Beispiel Titannitrid oder Wolframnitrid ist möglich. Das Nitrid kann zum einen durch die bekannten Verfahren direkt abgeschieden werden um die Leitende Schicht zu bilden. Andererseits ist auch eine nachträgliche Nitrierung der abgeschiedenen Schicht, bei geeigneten Temperaturen und Prozeßgasen möglich.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen leitenden Schicht 310 ist ihre Wirkung als Haftschicht und Barrierenschicht für das verwendete Speicherdielektrikum.

Die in den vorhergehenden Abschnitten genannten Verfahren, zur Herstellung der leitenden Schicht 310, können auch zur Bildung der leitenden Grabenfüllung 161 verwendet werden.

Es können alle Materialien zur Bildung der leitenden Schicht 310 und zur Bildung der leitenden Grabenfüllung 161 verwendet werden, die ausreichend temperaturstabil und leitfähig sind.

Zusätzlich wird die abgeschiedene vergrabene Platte durch einen Isolationssteg 320 in dem Bereich der vergrabenen Brücke gegen die leitende Grabenfüllung 161, gegen die leitende vergrabene Brücke 162 und gegen den vergrabenen Kontakt 250 isoliert. Der vergrabene Isolationssteg 320, besteht aus isolie rendem Material, wie zum Beispiel Oxid, Nitrid oder Oxinitrid.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und nachfolgend näher erläutert.
In den Figuren zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer DRAM-Speicherzelle gemäß der vorliegenden Erfindung entsprechend einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2a–i eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der DRAM-Speicherzelle nach 1;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer DRAM-Speicherzelle gemäß der vorliegenden Erfindung entsprechend einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4a–b eine weitere Ausführungsform einer DRAM-Speicherzelle gemäß der vorliegenden Erfindung zur Herstellung der DRAM-Speicherzelle nach 3;
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer DRAM-Speicherzelle gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem vertikalen Transistor;
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente.
Mit Bezug auf 1 ist eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die dargestellte Speicherzelle 100 besteht aus einem Grabenkondensator 160 und einem Transistor 111. Der Grabenkondensator 160 wird in einem Substrat 101 gebildet. In dem Substrat 101 ist eine vergrabene Wanne 170 eingebracht, die zum Beispiel aus Dotierstoff besteht. Der Grabenkondensator weist einen Graben 108 mit einen oberen Bereich 109 und einen unteren Bereich 110 auf. In dem oberen Bereich 109 des Grabens 108 befindet sich ein Isolationskragen 168. Der untere Bereich des Grabens durchdringt die vergrabene Wanne 170. Optional kann um den unteren Bereich 110 des Grabens 108 eine vergrabene Platte 165 angeordnet sein. Ist dies der Fall, so werden die vergrabenen Platten 165 der benachbarten Speicherzellen durch die vergrabene Wanne 170 miteinander verbunden.
Der untere Bereich 110 des Grabens 108 und der Isolationskragen 168 sind mit der leitenden Schicht 310 verkleidet, welche die äußere Kondensatorelektrode bildet.
Die leitende Schicht 310 ist mit einer dielektrischen Schicht 164 verkleidet, welche das Speicherdielektrikum bildet. Die dielektrische Schicht 164 kann aus Schichten bzw. Schichtstapeln hergestellt werden, die aus Oxid, Nitrid oder Oxinitrid bestehen. Es können auch Speicherdielektrika verwendet werden, die eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen, wie zum Beispiel Tantaloxid, Titanoxid, Wolframoxid und jedes andere geeignete Dielektrikum.
Der Graben 108 ist mit einer leitenden Grabenfüllung 161 aufgefüllt, welche die innere Kondensatorelektrode bildet.
Auf der Grabenfüllung 161 befindet sich die leitende vergrabene Brücke 162 und bildet mit der Grabenfüllung 161 die Grenzfläche 200. Weiterhin befindet sich ein vergrabener Kontakt 250 in dem Bereich der vergrabenen Brücke 162. Der vergrabene Kontakt 250 besteht aus Dotierstoff, der in das Substrat 101 eingebracht ist.
Die leitende Schicht 310 ist in ihrem oberen Bereich 311 mit einem Isolationssteg 320 verkleidet, so daß kein Strom von der Leitenden Schicht 310 zu der Grabenfüllung 161, zu der leitenden Brücke 162 oder zu dem vergrabenen Kontakt 250 fließen kann.
Mit einer Grabenisolierung 180 (STI) wird der Grabenkondensator 160 von benachbarten Grabenkondensatoren isoliert.
Ein Transistor 111 besteht aus Drain-Gebiet 113 und Source-Gebiet 114, wobei das Source-Gebiet 114 an den vergrabenen Kontakt 250 angeschlossen ist, und das Drain-Gebiet 113 mit einem Bitleitungskontakt 183 verbunden ist, der seinerseits an die Bitleitung 185 angeschlossen ist. Weiterhin besteht der Transistor 111 aus einem Kanal 117, der durch ein Gate 112 gesteuert wird. Das Gate 112 ist mit einer Wortleitung 120 verbunden. Oberhalb der Grabenisolierung 180 verläuft in dieser Variante eine passierende Wortleitung 120' (passing wordline), die durch die Grabenisolierung 180 von der Grabenfüllung 161 bzw. der vergrabenen Brücke 162 isoliert wird.
Mit Bezug auf 2a wird das Substrat 101 bereitgestellt, auf dem die DRAM-Speicherzelle herzustellen ist. Bei der vorliegenden Variante ist das Substrat 101 leicht mit p-Typ Dotierstoffen dotiert, wie zum Beispiel Bor. In das Substrat 101 wird in geeigneter Tiefe eine n-dotierte, vergrabene Wanne 170 gebildet. Zur Dotierung der vergrabenen Wanne 170 kann Phosphor oder Arsen als Dotierstoff verwendet werden. Die vergrabene Wanne 170 kann zum Beispiel durch Implantation er zeugt werden. Sie dient zur Isolation der p-Wanne von dem Substrat 101 und bildet ebenfalls eine leitende Verbindung zwischen den leitenden Schichten 310 der benachbarten Grabenkondensatoren, bzw. den vergrabenen Platten 165, falls vorhanden. Alternativermaßen kann die vergrabene Wanne 170 durch epitaktisch aufgewachsene, dotierte Siliziumschichten oder durch eine Kombination von Kristallwachstum (epitaxy) und Implantation gebildet werden. Diese Technik ist in dem US-Patent 5,250,829 von Bronner et al. beschrieben.
Ein Unterbaustapel 107 wird auf der Oberfläche des Substrats 101 gebildet und umfaßt beispielsweise eine Unterbau-Oxidschicht 104 und eine Unterbau-Stoppschicht 105, welche als Politur oder Ätzstopp verwendet werden kann und beispielsweise aus Nitrid besteht. Oberhalb der Unterbau-Stoppschicht 105 ist eine Hartmaskenschicht 106 vorgesehen, welche aus Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate (TEOS) oder anderen Materialien wie zum Beispiel Borsilikatglas (BSG) bestehen kann. Zusätzlich kann eine Antireflexionsbeschichtung (ARC) verwendet werden, um die lithographische Auflösung zu verbessern.
Die Hartmaskenschicht 106 wird unter Verwendung üblicher photolithographischer Techniken strukturiert um einen Bereich 102 zu definieren, in dem der Graben zu bilden ist. Dazu wird zunächst die Hartmaskenschicht 106 strukturiert, die anschließend als Ätzmaske für einen reaktiven Ionenätzschritt (RIE) verwendet wird, der einen tiefen Graben 108 bildet.
In dem Graben 108 wird eine natürliche Oxidschicht gebildet, die in späteren Ätzschritten als Ätzstopp dient. Anschließend wird der Graben mit einer Isolationskragen-Opferschicht 152 gefüllt, die eine ausreichende Temperaturstabilität bis zu 1100 °C gewährleistet und selektiv gegenüber Nitrid oder Oxid entfernbar ist, wie zum Beispiel Polysilizium, amorphes Silizium oder andere geeignete Materialien. In dieser Prozeßvariante besteht die Opferschicht 152 aus Polysilizium.
Wie in 2b gezeigt, wird die Polysilizium-Opferschicht 152 bis zur Unterseite des zu bildenden Isolationskragens 168 entfernt. Das Entfernen der Opferschicht 152 kann zum Beispiel durch Planarisieren mit chemisch-mechanischem Polieren (CMP) oder chemischem Trockenätzen (CDE) oder einem selektiven Ionenätzen durchgeführt werden. Anschließend wird durch reaktives Ionenätzen die Opferschicht 152 in den Graben 108 eingesenkt. Die Verwendung einer chemischen Trockenätzung zum Absenken des Polysiliziums 152 in dem Graben 108 ist ebenfalls möglich.
Anschließend wird eine dielektrische Schicht auf den Wafer abgeschieden, welche den Unterbaustapel 107 und die Seitenwände des Grabens 108 in seinem oberen Bereich 109 bedeckt. Die dielektrische Schicht wird zur Bildung des Isolationskragens 168 verwendet und besteht beispielsweise aus Oxid. Anschließend wird die dielektrische Schicht beispielsweise durch reaktives Ionenätzen geätzt, um den Isolationskragen 168 zu bilden. Die chemischen Mittel für das reaktive Ionenätzen werden derart gewählt, daß das Oxid selektiv gegenüber dem Polysilizium 152 und dem Nitrid 106 geätzt wird.
Mit Bezug auf 2c wird die Polysilizium-Opferschicht 152 aus dem unteren Bereich des Grabens 108 entfernt. Dies wird vorzugsweise durch CDE erreicht, wobei die dünne natürliche Oxidschicht 151 als CDE-Ätzstopp dient. Alternativermaßen kann eine Naßätzung, beispielsweise unter Verwendung von KOH oder einer HF, HNO₃ und CH₃COOH Mischung ebenfalls beim Entfernen der Polysilizium-Opferschicht 152 verwendet werden.
Nach Entfernung der Opferschicht 152 kann optioneller Weise eine vergrabene Platte 165 mit n-Typ-Dotierstoffen, wie zum Beispiel Arsen oder Phosphor als Kondensatorelektrode gebildet werden. Der Isolationskragen 168 dient dabei als Dotiermaske, welche die Dotierung auf den unteren Bereich des Grabens beschränkt. Zur Bildung der vergrabenen Platte 165 kann eine Gasphasendotierung, eine Plasmadotierung oder eine Plasmaimmersions-Ionenimplantation (PIII) verwendet werden. Diese Techniken sind beispielsweise in Ransom et al., J. Electrochemical. Soc., Band 141, Nr. 5 (1994), S. 1378 ff.; US-Patent 5,344,381 und US-Patent 4,937,205 beschrieben. Eine Ionenimplantation unter Verwendung des Isolationskragens 168 als Dotiermaske ist ebenfalls möglich. Alternativermaßen kann die vergrabene Platte 165 unter Verwendung eines dotierten Silikatglases, wie zum Beispiel ASG, als Dotierstoffquelle, gebildet werden. Diese Variante ist beispielsweise in Becker et al., J. Electrochemical. Soc., Band 136 (1989), S. 3033 ff. beschrieben. Wird dotiertes Silikatglas zur Dotierung verwendet, so wird diese Schicht nach der Bildung der vergrabenen Platte entfernt.
Mit Bezug auf 2d wird eine eventuell in dem unteren Bereich 110 des Grabens 108 vorhandene dielektrische Schicht, die aus einem natürlich gewachsenen Siliziumoxid bestehen kann, zum Beispiel mit HF-Dampf entfernt. Anschließend wird eine leitende Schicht 310 auf den Wafer abgeschieden, welche die Oberfläche des Unterbaustapels 107 und das innere des Grabens 108 bedeckt. Die leitende Schicht 310 dient als äußere Kondensatorelektrode. Nachfolgend wird eine dielektrische Schicht 164 auf den Wafer abgeschieden, welche die leitende Schicht 310 sowohl auf der Oberfläche des Unterbaustapels 107 als auch in dem Inneren des Grabens 108 bedeckt. Die dielektrische Schicht 164 dient als Speicherdielektrikum, zum Separieren der Kondensatorelektroden. Bei einer Variante besteht die dielektrische Schicht 164 aus einem Oxid, einem Nitrid, einem Oxinitrid oder einem Schichtstapel aus Oxid- und Nitridschichten. Auch Materialien mit einer hohen Dielektrizitätskonstante, wie zum Beispiel Tantaloxid (Ta₂O₅), Titanoxid, Wolframoxid können verwendet werden.
Die leitende Grabenfüllung 161, die beispielsweise aus dotiertem Polysilizium oder amorphem Silizium bestehen kann, wird zum Füllen des Grabens 108 und zum Bedecken des Unterbaustapels 107 abgeschieden. Hierzu können beispielsweise CVD oder andere bekannte Techniken verwendet werden.
Mit Bezug auf 2e wird die leitende Grabenfüllung 161 beispielsweise in einem CDE-Schritt, in einem RIE-Schritt, in einem chemischen Trockenätzschritt oder in einem kombinierten CMP-RIE-Schritt, unter Verwendung geeigneter Chemikalien, planarisiert und anschließend eingesenkt.
Gemäß 2f wird die dielektrische Schicht 164 oberhalb der Grabenfüllung 161 mit einer geeigneten Ätzung, die selektiv gegen die Grabenfüllung 161 ist, entfernt. Anschließend wird auch die leitende Schicht 310 oberhalb der Grabenfüllung 161 mit einer geeigneten Ätzung, die selektiv gegenüber der dielektrischen Schicht 164 und der leitenden Grabenfüllung 161 ist, entfernt.
Zum Ätzen können sowohl selektive Trockenätzprozesse verwendet werden, welche die Materialien nacheinander entfernen, als auch kombinierte Trockenätz- und Naßätzprozesse, bei denen einzelne Schichten, wie zum Beispiel die dielektrische Schicht 164, mit einem Naßätzprozeß selektiv entfernt werden.
Die Hartmaskenschicht 106 wird ebenfalls entfernt. Dies kann bereits zu einem früheren Zeitpunkt in dem Prozeßablauf, aber erst nach Bildung des tiefen Grabens 108 durchgeführt werden. Der Isolationskragen 168 und die dielektrische Schicht 164 sind ebenfalls leicht in den Graben 108 eingesenkt.
Wie in 2g gezeigt, wird anschließend die Grabenfüllung 161 beispielsweise mit einem CDE-Schritt oder einem RIE-Schritt unter Verwendung geeigneter Chemikalien eingesenkt. Danach wird die dielektrische Schicht 164 oberhalb der Grenzfläche 200 mit einer geeigneten Ätzung entfernt, die selektiv gegen die Grabenfüllung 161 ist. Auch die leitende Schicht 310 wird oberhalb der Grenzfläche 200 mit einer geeigneten Ätzung entfernt, die selektiv gegenüber der dielektrischen Schicht 164 und der leitenden Grabenfüllung 161 ist.
Nachfolgend wird eine isolierende Schicht 321, aus welcher der Isolationssteg 320 gebildet wird, konform auf der Unterbau-Stoppschicht und in dem Graben 108 abgeschieden.
Mit Bezug auf 2h wird mit einem anisotropen Ätzschritt die isolierende Schicht 321 so bearbeitet, daß sich der vergrabene Isolationssteg 320 herausgebildet.
Die vergrabene Opferschicht 330, die beispielsweise aus Polysilizium oder amorphem Silizium bestehen kann, wird zum Füllen des Grabens 108 und zum Bedecken der Unterbau-Stoppschicht 105 abgeschieden. Hierzu können beispielsweise CVD oder andere bekannte Techniken verwendet werden.
Wie in 2i gezeigt wird ein anisotroper Ätzschritt zum Einsenken der Opferschicht 330, des Isolationsstegs 320 und des Isolationskragens 168 in den Graben 108 vorgenommen, was zum Beispiel durch einen CDE-Schritt oder einen RIE-Schritt unter Verwendung geeigneter Chemikalien durchgeführt werden kann. Anschließend wird die vergrabene Opferschicht 330 voll ständig aus dem Graben 108 entfernt. Dies kann zum Beispiel mit einem Naßätzprozeß durchgeführt werden. Anschließend wird in dem Graben 108 die vergrabene Brücke 162 gebildet, die durch einen Ätzschritt in den Graben 108 eingesenkt wird.
Die weiteren Schritte, die zu der in 1 gezeigten Speicherzelle führen, sind nicht in einzelnen Figuren gezeigt, da sie nach dem bekannten Stand der Technik ausgeführt werden. Der nicht aktive Bereich der Zelle wird entfernt und durch den Grabenisolierung 180 ersetzt. Anschließend werden die Fotolack- und ARC-Schichten entfernt, um zu gewährleisten, daß keine Fotolack- oder ARC-Rückstände zurückbleiben.
Die Unterbau-Stoppschicht 105 wird ebenfalls entfernt, was beispielsweise durch eine naßchemische Ätzung geschieht. Die naßchemische Ätzung ist selektiv gegenüber Oxid. Die Unterbau-Oxidschicht 104 wird durch eine naßchemische Ätzung entfernt, welche selektiv gegenüber Silizium ist.
Damit ist das Verfahren zur Herstellung des Grabenkondensators abgeschlossen und die nachfolgenden Prozeßschritte dienen dazu, den Transistor 111 nach dem bestehenden Stand der Technik herzustellen, wie er in der US-Patentschrift 5,867,420 beschrieben wird.
In 3 ist eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Grabenkondensators 160 gezeigt, die sich von der in 1 dargestellten Variante in der Ausführung des Isolationsstegs 320 unterscheidet. In 3 bedeckt der Isolationssteg 320 nicht nur die Leitende Schicht 310 in ihrem oberen Bereich 311, sondern auch den Isolationskragen 168.
In 4a wird die Herstellung der Variante des Grabenkondensators nach 3 dargestellt, die sich an das Prozeßstadium aus 2e anschließt. Zunächst werden die Grabenfüllung 161, die dielektrische Schicht 164, die leitende Schicht 310 und der Isolationskragen 168 auf die Höhe der Grenzfläche 200 in den Graben 108 eingesenkt, indem sie nacheinander in der genannten Reihenfolge selektiv geätzt werden. Es ist auch ein anisotroper Ätzschritt, welcher die Grabenfüllung 161, die dielektrische Schicht 164, die leitende Schicht 310 und den Isolationskragen 168 gleichzeitig entfernt möglich, wie zum Beispiel ein RIE-Ätzschritt, bei dem die Hartmaskenschicht 106 als Ätzmaske dient.
Anschließend wird die Hartmaskenschicht 106 entfernt und eine isolierende Schicht 321, aus welcher der Isolationssteg 320 gebildet wird, konform auf der Unterbau-Stoppschicht 105 und in dem Graben 108 abgeschieden.
Mit Bezug auf 4b wird mit einem anisotropen Ätzschritt die isolierende Schicht 321 so bearbeitet, daß sich der vergrabene Isolationssteg 320 herausgebildet. Anschließend wird die vergrabene Brücke 162 gebildet, die ebenfalls durch einen Ätzschritt in den Graben eingesenkt wird.
Die nachfolgenden Bearbeitungsschritte werden durchgeführt, wie sie bereits zu 2a–i beschrieben worden sind.
Wie in 1 dargestellt ist die abgeschiedene vergrabene Platte 310 elektrisch an die vergrabene Wanne 170 angeschlossen. Dazu kann es erforderlich sein, vor dem Abscheiden der vergrabenen Platte 310 die Seitenwand des Grabens 108 in dem Bereich der vergrabenen Platte 170 von elektrisch isolierenden Materialien zu reinigen. Bei den zu entfernenden Materialien kann es sich um Prozeßrückstände, Nitride oder Oxide handeln, wie zum Beispiel natürliches Siliziumoxid, wie es in 2a mit der natürlichen Oxidschicht 151 dargestellt ist.
Mit Bezug auf 1 und 3 ist der Isolationssteg 320 so angebracht, daß keine Leckströme von der leitenden Schicht 310, welche die äußere Kondensatorelektrode bildet, zu der Grabenfüllung 161, welche die innere Kondensatorelektrode bildet, zu der vergrabenen Brücke 162 oder zu dem vergrabenen Kontakt 250 fließen können. Der Isolationssteg 320 besteht aus einem Isolierenden Material wie zum Beispiel Oxid, Nitrid oder Oxinitrid. Hier ist auch jedes andere Material verwendbar, daß ausreichende Isolationseigenschaften und Temperaturbeständigkeit aufweist. Dabei kann es sich um abgeschiedene Materialien handeln, die zur Verbesserung ihrer Isolationseigenschaften mit einem Temperaturschritt bearbeitet werden. Bei dem Temperaturschritt sind Prozeßgase verwendbar, welche die Isolationseigenschaften des Isolationsstegs 320 in vorteilhafter Weise verbessern. Dazu können zum Beispiel Prozeßgase wie Ar, N₂, O₂, H₂O, N₂O, NO oder NH₃ verwendet werden.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer DRAM-Speicherzelle gemäß der vorliegenden Erfindung entsprechend einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die in 5 gezeigte Variante besitzt allerdings im Gegensatz zu der in 1 und 3 gezeigten Speicherzelle einen vertikalen Transistor. Der vertikale Transistor aus 5 wird genau wie der planare Transistor aus 1 und 3, erst nach der Fertigstellung des Grabenkondensators 160 prozessiert. Der Unterschied in 5 besteht darin, daß oberhalb des Isolationskragens 168 genügend Platz für die Herstellung des vertikalen Transistors vorgesehen werden muß. Dabei sieht die in 5 gezeigte Ausführungsform keine vergrabene Wanne 170 vor. Allerdings kann die in 5 gezeigte Ausfüh rungsform auch mit einer vergrabenen Wanne 170 versehen werden.
Zur Herstellung des in 5 gezeigten vertikalen Transistors wird zunächst die vergrabene Brücke 250 die gleichzeitig das untere Source-Gebiet des vertikalen Transistors bildet, durch Einbringen von Dotierstoff mit einem geeigneten Verfahren, wie zum Beispiel Implantation, Gasphasendotierung oder plasmaunterstützte Dotierung eingebracht. Anschließend wird die vergrabene Brücke 162 in dem Bereich des unteren Source-Gebiets des vertikalen Transistors abgeschieden.
Nun wird eine Isolationsschicht 340 so hergestellt, daß sie die vergrabene Brücke 162 und den vergrabenen Kontakt 250 gegen ein Gate-Material 370 des vertikalen Transistors isoliert.
Es wird ein Gate-Oxid 360 zur Isolation des Kanals 117 gegen das Gate-Oxid 360 des vertikalen Transistors gebildet und das Gate-Material 370 abgeschieden. Weiterhin wird ein oberes Drain-Gebiet 350 des vertikalen Transistors dotiert, das mit einem Bitleitungskontakt 183 verbunden ist.

Claims

Grabenkondensator, umfassend: – einen Graben (108), der einen oberen Bereich (109) und einen unteren Bereich (110) aufweist und in einem Halbleitersubstrat (101) gebildet ist; – einen Isolationskragen (168), der in dem oberen Bereich (109) an einer Grabenwand des Grabens (108) gebildet ist; – eine vergrabene Schicht (170), durch die sich zumindest teilweise der untere Bereich (110) des Grabens (108) erstreckt; – eine dielektrische Schicht (164), die in dem unteren Bereich (110) an einer Grabenwand des Grabens (108) und in dem Bereich des Isolationskragens (168) angeordnet ist; – eine in den Graben (108) gefüllte leitende Grabenfüllung (161) als innere Kondensatorelektrode; – eine leitende Schicht (310) als äußere Kondensatorelektrode, die in dem unteren Bereich (110) des Grabens (108) zwischen dem Halbleitersubstrat (101) und der dielektrischen Schicht (164) und in dem Bereich des Isolationskragens (168) zwischen dem Isolationskragen (168) und der dielektrischen Schicht (164) angeordnet ist, wobei – die leitende Schicht (310) aus einem Metall oder einem Metallsilizid oder einem Metallnitrid besteht.
Grabenkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine vergrabene Platte (165) in dem Halbleitersubstrat (101) um den unteren Bereich (110) des Grabens (108) gebildet ist.
Grabenkondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Isolationssteg (320) so gebildet ist, daß mindestens ein oberer Bereich (311) der leitenden Schicht (310) verkleidet wird.
Grabenkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der leitenden Grabenfüllung (161) eine leitende vergrabene Brücke (162) gebildet ist.
Grabenkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolationssteg (320) einen Ladungstransport von der leitenden Schicht (310) zu der leitenden Grabenfüllung (161) verhindert.
Grabenkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolationssteg (320) einen Ladungstransport von der leitenden Schicht (310) zu der leitenden Brücke (162) verhindert.
Grabenkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolationssteg (320) einen Ladungstransport von der leitenden Schicht (310) zu einem vergrabenen Kontakt (250) verhindert.
Grabenkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Isolationssteg (320) um eine Oxid-, Nitrid- oder Oxinitrid-Schicht handelt.
Grabenkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht (310) eines der nachfolgend genannten Materialien umfaßt: Titan, Wolfram, Molybdän, Kobalt, Titansilizid, Wolframsilizid, Molybdänsilizid, Kobaltsilizid, Titannitrid, Wolframnitrid.
Verfahren zur Herstellung eines Grabenkondensators nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit den Schritten – Einbringen einer vergrabenen Schicht (170) in ein Halbleitersubstrat (101); – Bilden eines Grabens (108) mit einem oberen Bereich (109) und einem unteren Bereich (110) in dem Halbleitersubstrat (101); – Bilden eines Isolationskragens (168) in dem oberen Bereich (109) an einer Grabenwand des Grabens (108); – Bilden einer leitenden, aus einem Metall oder einem Metallsilizid oder einem Metallnitrid bestehenden Schicht (310) als äußere Kondensatorelektrode zur Verkleidung des unteren Bereichs (110) des Grabens (108) und des Isolationskragens (168); – Bilden einer dielektrischen Schicht (164) auf der leitenden Schicht (310) im unteren Bereich (110) des Grabens (108) und im Bereich des Isolationskragens (168); – Füllen des Grabens (108) mit einer leitenden Grabenfüllung (161) als innere Kondensatorelektrode; – Entfernen der leitenden Grabenfüllung (161), der leitenden Schicht (310) und der dielektrischen Schicht (164) bis auf die Höhe des Isolationskragens; – konformes Abscheiden einer Isolationsschicht (321); – Entfernen der Isolationsschicht (321) über der leitenden Grabenfüllung (161) und – Entfernen der Isolationsschicht (321), so daß das Halbleitersubstrat (101) im oberen Bereich (109) des Grabens (108) freigelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Bilden einer vergrabenen Platte (165) in dem Halbleitersubstrat (101) in der Umgebung des unteren Bereichs (110) des Grabens (108) und zwar vor dem Bilden der leitenden Schicht (310), so daß die vergrabene Platte (165) die vergrabene Wanne (170) kontaktiert.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch Bilden einer leitenden vergrabenen Brücke (162) auf der leitenden Grabenfüllung (161) zu einem vergrabenen Kontakt (250).
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Grabenfüllung (161), die dielektrische Schicht (164) und die leitende Schicht (310) bis unterhalb des oberen Endes des Isolationskragens (168) entfernt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Grabenfüllung (161), die dielektrische Schicht (164) und die leitende Schicht (310) nur bis zum oberen Ende des Isolationskragens (168) entfernt werden.