DE19947053C1

DE19947053C1 - Grabenkondensator zu Ladungsspeicherung und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE19947053C1
Application number: DE19947053A
Authority: DE
Inventors: Martin Schrems; Dirk Drescher; Helmut Wurzer; Wolfram Karcher
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2001-05-23
Anticipated expiration: 2019-10-01
Also published as: US6781180B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung umfaßt einen Grabenkondensator (16) zur Verwendung in einer Halbleiter-Speicherzelle (100). Der Grabenkondensator (160) ist in einem Substrat (101) gebildet und besteht aus einem Graben (108) mit einem oberen Bereich (109) und einem unteren Bereich (111); einem Isolationskragen (168), der in dem oberen Bereich (109) des Grabens (108) gebildet ist; einer vergrabenen Wanne (170), die von dem unterem Bereich (111) des Grabens (108) durchsetzt ist; einer dielektrischen Schicht (164) als Kondensator-Dielektrikum, die aus Wolframoxid gebildet ist; einer leitenden Grabenfüllung (161), welche in den Graben (108) gefüllt ist und aus Silizium oder einem wolframhaltigen Material wie Wolfram, Wolframsilizid oder Wolframnitrid gebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Grabenkondensator und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Integrierte Schaltungen (ICs) oder Chips enthalten Kondensa toren zum Zwecke der Ladungsspeicherung, wie zum Beispiel ein dynamischer Schreib-/Lesespeicher mit wahlfreiem Zugriff (DRAM). Der Ladungszustand in dem Kondensator repräsentiert dabei ein Datenbit.

Zur Erhaltung beziehungsweise Steigerung der internationalen Wettbewerbsfähigkeit ist es notwendig, die Kosten, die zur Realisierung einer bestimmten elektronischen Funktion aufzu wenden sind, ständig zu senken und somit die Produktivität kontinuierlich zu steigern. Die stetige Produktivitätssteige rung wird durch fortschreitende Strukturverkleinerung er reicht. Dazu ist es erforderlich eine immer größere Anzahl von Funktionen auf derselben Chipfläche zu realisieren. Damit einher geht eine kontinuierliche Verkleinerung der Einzel funktionen auf dem Chip, so daß auch die zur Ladungsspeiche rung verwendeten Kondensatoren einer stetigen Reduzierung ih rer Abmessungen unterliegen.

Die fortschreitende Strukturverkleinerung der Kondensatoren bringt es jedoch mit sich, daß die Kapazität der Kondensato ren abnimmt. Eine Reihe von Anwendungen, wie zum Beispiel DRAM-Speicher, benötigen eine Mindestspeicherkapazität der Speicherkondensatoren. Daher ist es erforderlich, die Spei cherkapazität der Speicherkondensatoren trotz reduzierter Strukturmaße zu erhalten oder sogar zu steigern. Wird, wie heute allgemein üblich, Siliziumoxid als Kondensator- Dielektrikum verwendet, so müßte die Schichtdicke des Spei cherdielektrikums bei zukünftigen Technologien auf wenige Atomlagen reduziert werden. Es ist jedoch sehr schwierig, derartig dünne Siliziumoxidschichten mit ausreichender Genau igkeit und reproduzierbar herzustellen, denn die Schwankung der Schichtdicke um eine Atomlage bedeutet eine Schwankung um mehr als 10%. Darüberhinaus ist es sehr schwierig, die Leck ströme zwischen zwei Kondensatorelektroden, die durch ein we nige Atomlagen dickes Speicherdielektrikum getrennt sind, ausreichend zu unterdrücken, da durch den Effekt des quanten mechanischen Tunnelns die Ladungsträger, die durch das dünne Speicherdielektrikum erzeugte Potentialbarriere durchtunneln können.

Aus dem Stand der Technik sind bereits Kondensatoren bekannt, bei denen die Speicherkapazität mit Materialien wie Tanta loxid (TaO₂) mit einem ε_r = 20, sowie Barium-Strontium- Titanat (BST, (Ba, Sr) TiO₃) mit einem ε_r bis 1000 oder Blei- Zirkonat-Titanat (PZT, Pb (Zr, Ti) O₃) erhöht ist. Allerdings sind für die Verwendung von BST-, PZT- oder SBT-Schichten komplizierte und aufwendige Abscheideverfahren, sowie schwie rig zu prozessierende Barrierenschichten aus Platin (Pt), Ru tenium (Ru) oder Ruteniumoxid (RuO₂) notwendig.

Die Vergrößerung der Dielektrizitätskonstante ε_r durch die Verwendung von TaO₂ (ε_r = 20), ist im Vergleich zu NO oder ONO-Schichten, die bereits eine Dielektrizitätskonstante von ε_r = 6 bis 8 aufweisen, relativ gering. Bei der Verwendung von BST, PZT oder SBT liegt die Dielektrizitätskonstante zwar wesentlich darüber, allerdings wird die Kapazität der Konden satoren durch die notwendigen Barriereschichten zu Silizium- und Polysiliziumschichten, die als Elektroden dienen, be schränkt.

Bei BST, PZT und SBT hat sich herausgestellt, daß diese Mate rialien zu den chemisch nur schwer oder nicht ätzbaren Mate rialien gehören, bei denen der Ätzabtrag, auch bei der Ver wendung reaktiver Gase, überwiegend oder fast ausschließlich auf dem physikalischen Anteil der Ätzung beruht. Wegen der geringen oder fehlenden chemischen Komponente der Ätzung, liegt der Ätzabtrag der zu strukturierenden Schicht in der selben Größenordnung, wie der Ätzabtrag der Maske beziehungs weise der Unterlage (Ätzstopp). Daher ist die Ätzselektivität zur Ätzmaske beziehungsweise zur Unterlage im allgemeinen klein, was zur Folge hat, daß durch die Erosion von Masken mit geneigten Flanken und die unvermeidliche Facettenbildung (Abschrägung, Tapierung) auf den Masken nur eine geringe Maß haltigkeit der Strukturierung gewährleistet werden kann. Die Facettenbildung schränkt somit die kleinsten bei der Struktu rierung erzielbaren Strukturgrößen, sowie die erzielbare Steilheit der Profilflanken bei den zu strukturierenden Schichten ein.

Bedingt durch eine mangelnde thermische Stabilität können BST-Schichten darüberhinaus nicht für Prozesse verwendet wer den, die Hochtemperaturschritte nach der Bildung der BST- Schicht vorsehen, wie dies zum Beispiel bei der Herstellung von DRAM-Speichern mit Deep-Trench-Kondensatoren der Fall ist.

In der US 5 189 503 ist ein integrierter Kondensator gezeigt, dessen dielektrische Schicht Wolframoxid umfaßt. Der Konden sator ist als sogenannter Stacked Capacitor auf dem Halblei tersubstrat angeordnet.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen Grabenkondensator zu schaffen, der eine hohe Speicher kapazität im Verhältnis zu seinen geometrischen Abmessungen aufweist und eine ausreichende Temperaturstabilität für Pro zeßschritte aufweist, die nach seiner Bildung durchgeführt werden.

Erfindungsgemäß wird dieser Aufgabe durch den in Anspruch 1 angegebenen Grabenkondensator gelöst. Weiterhin wird die ge stellte Aufgabe durch das in Anspruch 7 angegebene Verfahren gelöst.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Un teransprüche.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht in der Verwendung von Wolframoxid (WOx) als Kondensatordie lektrikum. Da Wolframoxid Dielektrizitätskonstanten ε_r größer als 50 und auch größer als 300 aufweist, wird die Kapazität des Grabenkondensators unter Beibehaltung der geometrischen Abmessungen um annähernd 2 Größenordnungen (Faktor 100) ge steigert, wenn Wolframoxid anstelle von Siliziumoxid verwen det wird. Der erfindungsgemäße Grabenkondensator besitzt dar überhinaus den Vorteil, daß die in der Halbleitertechnik ein gesetzten Anlagen ebenfalls für die Erzeugung von Wolfra moxidschichten eingesetzt werden können. Speziell angepaßte und damit teure Anlagen, wie sie für die Herstellung von BST, PZT oder SBT-Schichten erforderlich sind, müssen nicht ver wendet werden. Das zur Erzeugung von Wolframoxidschichten eingesetzte Wolfram diffundiert nur sehr wenig in Silizium, so daß sich bei dem erfindungsgemäßen Grabenkondensator ein geringeres Konterminationsrisiko ergibt. Die Anwendung von Wolframoxid als Kondensatordielektrikum ist jedoch nicht auf die Siliziumtechnologie beschränkt, sondern kann auch in Zu sammenhang mit anderen Halbleitern wie beispielsweise Galliu marsenid (GaAs) verwendet werden. Auch außerhalb der Halblei tertechnologie kann Wolframoxid als Kondensatordielektrikum eingesetzt werden, wie zum Beispiel in diskreten Bauelementen für die Niederspannungs- und Hochspannungstechnik. Weiterhin besitzt Wolframoxid eine ausgesprochen gute Temperaturstabi lität bis Temperaturen über 1100°C. Dadurch kann Wolframoxid in Speicherzellen mit einem Grabenkondensator als Speicher dielektrikum verwendet werden, bei denen ein Transistor nach der Herstellung des Grabenkondensators gebildet wird, denn die Prozessierung eines Transistors erfordert zum Beispiel Temperaturschritte zum ausheilen von Source- und Drain- Gebieten, die über 1000°C liegen.

Die fortschreitende Strukturverkleinerung hat zudem zur Fol ge, daß der Schichtwiderstand von Kondensatorelektroden, be dingt durch die abnehmende Schichtdicke, stetig zunimmt. Da her besteht in einer vorteilhaften Ausführung zumindest eine der Kondensatorelektroden aus Wolfram oder einem wolframhal tigen Material. Dadurch wird der Widerstand der Kondensatore lektroden herabgesetzt und die Zeit, die zum Laden und Entla den des Grabenkondensators notwendig ist, in vorteilhafter weise verkürzt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung be steht das wolframhaltige Material aus Wolframsilizid, Wolf ramnitrid oder aus reinem Wolfram.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung be sitzt die dielektrische Schicht, die das Kondensatordielek trikum bildet, eine Dielektrizitätskonstante ε_r < 50.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist eine Barriereschicht aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Oxini trid, Wolframnitrid, Titannitrid oder Tantalnitrid gebildet, die sich zwischen der Wolframoxidschicht, die das Kondensa tordielektrikum bildet, und der vergrabenen Platte des Kon densators, die aus dotiertem Silizium besteht, befindet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung be findet sich in dem Graben zusätzlich ein vertikaler Transi stor, der als Auswahltransistor für die Speicherzelle dient.

In einer vorteilhaften Ausprägung des Herstellungsverfahrens wird die dielektrische Schicht durch Abscheiden einer wolf ramhaltigen Schicht gebildet, die anschließend in sauerstoff haltiger Atmosphäre thermisch oxidiert wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Verfahrens wird die Oxidation der wolframhalti gen Schicht bei 200° bis 600°C in Sauerstoff-, Wasser-, N₂O und/oder NO-haltiger Atmosphäre durchgeführt.

Eine weitere vorteilhafte Ausprägung des Herstellungsverfah rens bildet die dielektrische Schicht durch reaktives Aufstäuben (reakives Sputtern) von Wolfram in sauerstoffhaltiger Atmosphäre. Dabei wird Wolfram zu Wolframoxid umgewandelt, bevor die dielektrische Schicht gebildet wird.

Eine weitere vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsge mäßen Herstellungsverfahrens führt eine Wärmebehandlung der dielektrischen Schicht 2 bei Temperaturen zwischen 550° bis 1100°C durch, so daß die dielektrische Schicht, die aus Wolframoxid besteht, eine Dielektrizitätskonstante ε_r < 50 herausbildet.

In einem weiteren vorteilhaften Herstellungsverfahren wird das wolframhaltige Material, aus dem die leitende Grabenfül lung besteht oder eine wolframhaltige Schicht gebildet ist, mit einem CVD-Verfahren hergestellt. Darüberhinaus kann es sich bei dem CVD-Verfahren um eine selektive CVD-Abscheidung handeln, bei der Wolfram selektiv gegenüber Siliziumoxid und Siliziumnitrid auf Silizium abgeschieden wird. Die selektive CVD-Abscheidung kann zum Beispiel mit Wolframhexalfluorid (WF₆) als Ausgangsmaterial bei 200° bis 600°C durchgeführt werden.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und nachfolgend näher erläutert.

In den Figuren zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Grabenkondensa tors gemäß der vorliegenden Erfindung, ent sprechend einer ersten Ausführungsform des er findungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Graben kondensators gemäß der vorliegenden Erfindung, entsprechend einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Graben kondensators gemäß der vorliegenden Erfindung, entsprechend einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 3a ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Graben kondensators gemäß der vorliegenden Erfindung, entsprechend einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Graben kondensators gemäß der vorliegenden Erfindung, entsprechend einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 5 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Grabenkonden sators nach einer der Fig. 1 bis 4;

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines Grabenkon densators gemäß der vorliegenden Erfindung zur Herstellung eines Grabenkondensators nach Fig. 1 oder 4;

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform eines Grabenkon densators gemäß der vorliegenden Erfindung zur Herstellung eines Grabenkondensators nach Fig. 2;

Fig. 8 eine weitere Ausführungsform eines Grabenkon densators gemäß der vorliegenden Erfindung zur Herstellung eines Grabenkondensators nach Fig. 3.

Fig. 9 eine weitere Ausführungsform eines Grabenkon densators gemäß der vorliegenden Erfindung zur Herstellung eines Grabenkondensators nach Fig. 3.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente.

Mit Bezug auf Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform der vor liegenden Erfindung gezeigt. Die dargestellte Speicherzelle 100 besteht aus einem Grabenkondensator 160 und einem Transi stor 110. 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 160 weist einen Graben 108 mit einem oberen Bereich 109 und einem unteren Bereich 111 auf. In dem oberen Bereich 109 des Grabens 108 befindet sich ein Isolati onskragen 168. Der untere Bereich des Grabens durchdringt die vergrabene Wanne 170 zumindest teilweise. Um den unteren Be reich 111 des Grabens 108 ist eine vergrabene Platte 165 an geordnet, welche die äußere Kondensatorelektrode bildet. Die vergrabenen Platten 165 der benachbarten Speicherzellen wer den durch die vergrabene Wanne 170 elektrisch miteinander verbunden.

Der untere Bereich 111 des Grabens 108 ist mit einer dielek trischen Schicht 164 verkleidet, welche das Speicherdielek trikum des Grabenkondensators 160 bildet. Die dielektrische Schicht 164 besteht in der vorliegenden Erfindung aus Wolframoxid.

Der Graben 108 ist mit einer leitenden Grabenfüllung 161 auf gefüllt, welche die innere Kondensatorelektrode des Graben kondensators 164 bildet.

Der Transistor 110 besteht aus einem Source-Gebiet 114 und einem Drain-Gebiet 113, welches mit einem randlosen Kontakt 183 verbunden ist. Weiterhin besteht der Transistor 110 aus einem Kanal 117, der durch ein Gate 112 gesteuert wird. Das Gate 112 ist mit einer Wortleitung 120 verbunden. Der randlo se Kontakt 183 ist mit einer Bitleitung 185 verbunden, die oberhalb einer dielektrischen Schicht 189 verläuft.

Oberhalb der leitenden Grabenfüllung 161 befindet sich eine leitende vergrabene Brücke 162, die mit Hilfe eines vergrabe nen Kontaktes 250 mit dem Source-Gebiet 114 des Transistors 110 verbunden ist.

Oberhalb einer Grabenisolierung 180 verläuft in dieser Vari ante eine passierende Wortleitung 120' (Passing Word Line), die durch die Grabenisolierung 180 von der Grabenfüllung 161 isoliert wird.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Grabenkondensators 160 gezeigt, die sich von der in Fig. 1 dargestellten Variante dadurch unterscheidet, daß die dielek trische Schicht 164 nicht auf den unteren Bereich 111 des Grabens 108 beschränkt ist, sondern die dielektrische Schicht 164 sich zusätzlich in dem oberen Bereich 109 des Grabens 108 auf dem Isolationskragen 168 befindet.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Grabenkondensators dargestellt. Die in Fig. 3 dargestellte Variante des Grabenkondensators 160 unterscheidet sich von der in Fig. 2 dargestellten Variante durch eine zusätzliche Barrierenschicht 167, die sich in dem Graben 108 zwischen der dielektrischen Schicht 164 und der vergrabenen Platte 165 be ziehungsweise zwischen der dielektrischen Schicht 164 und dem Isolationskragen 168 befindet.

In Fig. 3a ist eine Variante des Grabenkondensators 160 aus in Fig. 3 dargestellt. Fig. 3a unterscheidet sich von Fig. 3 durch einen Oxidbereich 167', der für den Fall einer lei tenden Barrierenschicht 167 zur Isolation zwischen Leitender Grabenfüllung 161 und Barrierenschicht 167 zwischen dem Isolationskragen 168, der dielektrischen Schicht 164, der Bar rierenschicht 167 und der leitenden vergrabenen Brücke 162 angeordnet ist.

In Fig. 4 ist eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Grabenkondensators 160 gezeigt, die sich von der in Fig. 1 gezeigten Variante dadurch unterscheidet, daß in dem Graben 108 oberhalb des Isolationskragens 168 ein vertikaler Transi stor 220 angeordnet ist.

Mit Bezug auf Fig. 5 wird ein Substrat 101 zur Herstellung des erfindungsgemäßen Grabenkondensators 160 bereitgestellt. Bei der vorliegenden Variante besteht das Substrat 101 aus Silizium und ist leicht mit p-Typ Dotierstoffen dotiert, wie zum Beispiel Bor. In das Substrat 101 wird in geeigneter Tie fe eine n-dotierte vergrabene Wanne 170 gebildet. Zur Dotie rung der vergrabenen Wanne 170 kann Phosphor oder Arsen als Dotierstoff verwendet werden. Die vergrabene Wanne 170 kann zum Beispiel durch Implantation erzeugt werden. Sie dient zur Isolation der p-Wanne von dem Substrat 101 und bildet zusätz lich eine leitende Verbindung zwischen den vergrabenen Plat ten 165 der benachbarten Grabenkondensatoren. Alternativ kann die vergrabene Wanne 170 durch epitaktisch aufgewachsene, do tierte Siliziumschichten oder durch eine Kombination von Kri stallwachstum (Epitaxie) und Implantation gebildet werden. Diese Technik ist in dem US-Patent 5,250,829 von Bronner et al. beschrieben.

Ein Schichtstapel 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 kann optional eine Hartmaskenschicht 106 vorgesehen werden, welche aus Tetra-Ethyl-Ortho-Silikat (TEOS) oder anderen Materiali en, wie zum Beispiel Bor-Silikat-Glas (BSG) bestehen kann. Zusätzlich kann eine Antireflektionsbeschichtung (ARC) verwendet werden, um die lithographische Auflösung zu verbes sern.

Die Hartmaskenschicht 106 wird unter Verwendung üblicher pho tolithographischer Techniken strukturiert, um einen Bereich 102 zu definieren, in dem Graben 108 zu bilden ist. Anschlie ßend wird die Hartmaskenschicht 106 als Ätzmaske für einen reaktiven Ionenätzschritt verwendet, der den 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 1100° C gewährleistet und selektiv gegenüber Nitrid und/oder Oxid entfernbar ist, wie zum Beispiel Polysilizium, amorphes Sili zium oder andere geeignete Materialien. In dieser Prozeßvari ante besteht die Isolationskragen-Opferschicht 152 aus Poly silizium. Die Polysilizium-Opferschicht wird bis zur Unter seite des zu bildenden Isolationskragens 168 in den Graben 108 eingesenkt. Das Entfernen der Opferschicht kann zum Bei spiel durch Planarisieren mit chemisch-mechanischen Polieren (CMP) oder chemischem Trockenätzen (CDE) oder einem selekti ven Ionenätzen durchgeführt werden. Anschließend wird durch selektives Ionenätzen die Isolationskragen-Opferschicht 152 in den Graben 108 eingesenkt. Die Verwendung einer chemischen Trockenätzung zum Einsenken der Isolationskragen-Opferschicht in den Graben 108 ist ebenfalls möglich.

Anschließend wird eine dielektrische Schicht auf den Wafer abgeschieden, welche den Schichtstapel 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. Anschlie ßend wird die dielektrische Schicht beispielsweise durch re aktives Ionenätzen (RIE) oder mit CDE geätzt, um den Isolati onskragen 168 zu bilden. Die chemischen Mittel für das reaktive Ionenätzen werden derart gewählt, daß das Oxid des Iso lationskragens 168 selektiv gegenüber dem Polysilizium der Isolationskragen-Opferschicht 152 und dem Nitrid der Hartmas kenschicht 106 geätzt wird.

Anschließend wird die Isolationskragen-Opferschicht 152 aus dem unteren Bereich des Grabens 108 entfernt. Dies wird vor zugsweise durch CDE-Ätzung erreicht, wobei die dünne natürli che Oxidschicht als CDE-Ätzstopp dient. Alternativermaßen kann eine Naßätzung, beispielsweise unter Verwendung KOH oder HF-NHO₃ und CH₃OOH Mischung ebenfalls beim Entfernen der Iso lationskragen-Opferschicht 152 verwendet werden. Nach Entfer nung der Isolationskragen-Opferschicht 152 wird die dünne na türliche Oxidschicht mittels Ätzdampf entfernt und eine ver grabene Platte 165 mit n-Typ Dotierstoff, wie zum Beispiel Arsen oder Phosphor als äußere Kondensatorelektrode gebildet. Der Isolationskragen 168 dient dabei als Dotiermaske, welche die Dotierung auf den unteren Bereich 111 des Grabens 108 be schränkt. Zur Bildung der vergrabenen Platte 165 kann eine Gasphasendotierung, eine Plasmadotierung oder eine Plasmaim mersionsionenimplantation (PII) verwendet werden. Diese Tech niken sind beispielsweise im Ransom et al., J. Electrochemi cal. SOC, Band 141, Nr. 5 (1994), S. 1378 ff.; US-Patent 5, 344,381 und US-Patent 4,937,205 beschrieben. Eine Ionenim plantation unter Verwendung des Isolationskragens 168 als Do tiermaske ist ebenfalls möglich. Alternativermaßen kann die vergrabene Platte 165 unter Verwendung eines dotierten Sili katglases, wie zum Beispiel ASG, als Dotierstoffquelle, ge bildet werden. Diese Variante ist beispielsweise in Becker et al., J. Electrochemical. SOC., Band 136 (1989), S. 3033 ff. beschrieben. Wird dotiertes Silikatglas zur Dotierung verwen det, so wird es nach der Bildung der vergrabenen Platte 165 entfernt.

Mit Bezug auf Fig. 6 wird eine dielektrische Schicht 164 ge bildet, welche aus Wolframoxid besteht. Zur Bildung der Wolf ramoxidschicht kann zum Beispiel eine Wolframschicht abgeschieden werden, die anschließend oxidiert wird. Zur Abschei dung der Wolframschicht wird zum Beispiel eine selektive Wolframabscheidung verwendet, welche eine Wolframkeimschicht in dem unteren Bereich 111 des Grabens 108 auf den freigeleg ten Siliziumflächen bildet. Die Wolframkeimschicht kann zum Beispiel mit einem CVD-Prozeß gebildet werden, der WF₆ + SiH₄ bei 500 Pa und 470°C aufwächst. Die Wolframkeimschicht bil det sich selektiv auf den freigelegten Siliziumoberflächen. In einem zweiten Schritt wird die Wolframvolumenschicht auf gewachsen, die mit einem CVD-Prozeß mit den Ausgangssubstan zen WF₆ + H₂ bei 10⁴ Pa und 470°C gebildet wird. Die Wolframvo lumenschicht wird dabei selektiv auf der Wolframkeimschicht gebildet. Bei einem anschließenden Oxidationsprozeß wird die gebildete Wolframschicht oxidiert und es entsteht eine Wolf ramoxidschicht, welche die dielektrische Schicht 164 dar stellt.

In dem anschließenden Prozeßschritt wird die leitende Graben füllung 161 gebildet. Dazu wird zum Beispiel mit einem CVD- Verfahren ein dotiertes, amorphes Silizium in den Graben 108 und auf die Substratoberfläche abgeschieden. Die leitende Grabenfüllung 161 kann auch aus Wolfram, Wolframnitrid oder Wolframsilizid gebildet werden. Wird die leitende Grabenfül lung 161 aus Wolfram gebildet, so kann ein CVD-Prozeß mit den Ausgangsstoffen WF₆ + H₂ bei 10⁴ Pa und 470°C verwendet werden. Zur Herstellung der leitenden Grabenfüllung 161 aus Wolfram nitrid kann zum Beispiel eine Wolframschicht mit dem oben ge nannten Verfahren erzeugt werden, die anschließend thermisch nitridiert wird. Hierbei ist auch die abwechselnd schrittwei se Abscheidung dünner Wolframschichten und Nitridierung die ser dünnen Wolframschichten möglich, bis die gesamte leitende Grabenfüllung 161 aus Wolframnitrid gebildet ist. Alternativ ist die Bildung von Wolframnitrid mit einem CVD- Wolframnitridverfahren möglich, welches aus 4WF₆ + N₂ + 12H₂ das gewünschte 4W₂N + 24 (HF) bei 350° bis 400°C bildet. Wird die leitende Grabenfüllung 161 aus Wolframsilizid gebildet, so kann ein CVD-Verfahren mit den Ausgangsstoffen WF₆ + SiH₂Cl₂ verwendet werden.

Mit Bezug auf Fig. 7 wird das Verfahren zur Herstellung ei nes Grabenkondensators gemäß Fig. 3 beschrieben. Dazu werden die Prozeßschritte wie sie in Zusammenhang mit Fig. 5 erläu tert worden sind, durchgeführt. Im Anschluß an das in Fig. 5 gezeigte Prozeßstadium wird die dielektrische Schicht 164 aus Wolframoxid gebildet. Im Unterschied zu dem in Fig. 6 ge zeigten Herstellungsverfahren wird in Fig. 7 die dielektri sche Schicht nicht nur in dem unteren Bereich 111 des Grabens 108 gebildet, sondern auch in dem oberen Bereich 109 des Gra bens 108, in dem sich der Isolationskragen 168 befindet. Zur Bildung der Wolframoxidschicht kann zum Beispiel eine Wolf ramschicht abgeschieden werden, die anschließend oxidiert wird. Zur Bildung der Wolframschicht wird in diesem Fall kei ne selektive Wolframabscheidung verwendet, sondern zum Bei spiel ein CVD-Wolframabscheidungsprozeß, der die Ausgangs stoffe WF₆ + H₂ bei 470°C und 10⁴ Pa zur Bildung einer Wolf ramschicht verwendet. Bei einem anschließenden Oxidationspro zeß wird die gebildete Wolframschicht oxidiert und es ent steht eine Wolframoxidschicht, welche die dielektrische Schicht 164 bildet.

In dem anschließenden Prozeßschritt wird die leitenden Gra benfüllung 161 gebildet, wie es in Zusammenhang mit Fig. 6 bereits beschrieben wurde.

Mit Fig. 8 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Graben kondensators gemäß Fig. 3 dargestellt. Anschließend an das Prozeßstadium aus Fig. 5 wird zunächst eine Barrierenschicht 167 in dem Graben 108 gebildet. Die Barrierenschicht 167 be steht zum Beispiel aus Wolframnitrid. Zur Bildung der Barrie renschicht 167 aus Wolframnitrid kann zum Beispiel eine Wolf ramschicht in dem Graben 108 abgeschieden werden, die an schließend nitridiert wird. Zur Abscheidung einer Wolfram schicht eignen sich die oben genannten CVD- Wolframabscheidungsprozesse. Die abgeschiedene Wolframschicht wird in einem weiteren Prozeßschritt unter Stickstoffatmo sphäre nitridiert. Eine weitere Methode, eine Wolframnitrid schicht zu erzeugen besteht in der direkten CVD-Abscheidung einer Wolframnitridschicht. Dazu kann zum Beispiel ein CVD- Verfahren mit den Ausgangsmaterialien 4WF₆ + N₂ + 12H₂ bei einer Temperatur von 350° bis 400°C verwendet werden. Die Schichtdicke der so erzeugten Wolframnitridschicht kann in einem Bereich von wenigen Nanometern bis hin zu mehreren Mi krometern erzeugt werden. In dem anschließenden Prozeßschritt wird die dielektrische Schicht 164 aus Wolframoxid gebildet. Dazu wird eine Wolframschicht mit einem CVD-Verfahren abge schieden und in einem anschließenden Oxidationsprozeß in Wolframoxid verwandelt. Eine weitere Methode, die Barrieren schicht 167 und die dielektrische Schicht 164 herzustellen, besteht in der Abscheidung einer Wolframschicht mit Hilfe ei nes CVD-Wolframabscheideverfahrens. Anschließend wird die Wolframschicht thermisch nitridiert, so daß sich die Barrie renschicht 167 bildet. In einem weiteren thermischen Prozeß wird die gebildete Barrierenschicht 167 oxidiert, so daß ein Teil der Barrierenschicht 167 in die dielektrische Schicht 164, welche aus Wolframoxid besteht, umgewandelt wird. Die leitende Grabenfüllung 161 wird wie in Zusammenhang mit Fig. 6 beschrieben gebildet.

Eine Verfahrensvariante, bei der die Barrierenschicht aus ei nem leitenden Material gebildet wird, wird nun anhand von Fig. 3a beschrieben. Nach der Einsenkung der leitenden Graben füllung 161, der dielektrischen Schicht 164 und der Barrie renschicht 167 in den Graben 108 wird eine thermische Oxida tion durchgeführt. Dabei wird das leitende Material, aus dem die Barrierenschicht 167 besteht, lokal an seiner freigeleg ten Oberfläche oxidiert, so daß die isolierende Oxidbereich 167' entsteht. Als Materialien für die leitende Barriere kön nen zum Beispiel Wolframnitrid, Titannitrid und/oder Tantal nitrid verwendet werden, die mit der Oxidation in Wolframoxid , Titanoxid bzw. Tantaloxid umgewandelt werden. Da auch die leitende Grabenfüllung 161 an ihrer Oberfläche oxidiert, wird diese Oxidschicht mittels gepufferter HF oder verdünnter HF selektiv zu dem Oxidbereich 167' entfernt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 9 dargestellt. In dieser Anordnung befindet sich zwischen der dielektrischen Schicht 164 und der leitenden Garbenfüllung 161 eine weitere Barrierenschicht 167". Die weitere Barrie renschicht 167" bildet eine kontrollierte Grenzfläche zwi schen der dielektrischen Schicht 164 und der leitenden Gra benfüllung 161, wodurch die Bildung von kleinen Löchern (wormholes) in der Grenzfläche verhindert wird. Darüber hin aus wird die effektive Dielektrizitätskonstante des Graben kondensators vergrößert, da die weitere Barrierenschicht 167" wohldefiniert und kontrollierte ausgebildet wird. Zu sätzlich verhindert die weitere Barrierenschicht 167" die Diffusion von Material und damit die Vermischung von leiten der Grabenfüllung 161 und dielektrischer Schicht 164. Die weitere Barrierenschicht 167" kann beispielsweise aus Sili ziumnitrid, Siliziumoxid oder Siliziumoxynitrid gebildet wer den. Darüber hinaus können auch leitende Materialien wie Wolframnitrid und/oder Titannitrid zur Bildung der weiteren Barrierenschicht 167" verwendet werden.

Ein Verfahren zur Herstellung der weiteren Barrierenschicht 167" bildet die weitere Barrierenschicht nach der Bildung der dielektrischen Schicht 164. Dazu wird in einem CVD-Prozeß beispielsweise eine Siliziumschicht abgeschieden und reoxi diert und/oder renitridiert. Eine andere Verfahrensvariante sieht die CVD-Abscheidung einer Metallschicht aus Titan, oder Wolfram vor. Anschließend wir die Metallschicht mit einem Temperaturschritt in stickstoffhaltiger Atmosphäre nitri diert.

Bezugszeichenliste

100

Speicherzelle

101

Substrat

102

Grenzflächenschicht

104

Unterbau-Oxidschicht

105

Unterbau-Stoppschicht

106

Hartmaskenschicht

107

Unterbaustapel

108

Graben

109

oberer Bereich des Grabens

110

Transistor

111

unterer Bereich des Grabens

112

Gate

113

Drain-Gebiet

114

Source-Gebiet

115

untere Begrenzung des Source-Gebiets

114

117

Kanal des Transistors

120

Wortleitung

120

' passierende Wortleitung

125

Kondensatordiffusionsbereich

151

natürliche Oxidschicht

152

Isolationskragen-Opferschicht

160

Grabenkondensator

161

leitende Grabenfüllung als innere Kondensatorelektrode

162

leitende vergrabene Brücke

164

dielektrische Schicht

165

vergrabene Platte

166

leitendes Material

167

Barrierenschicht

167

' Oxidbereich

167

" weitere Barrierenschicht

168

Isolationskragen

169

wolframhaltige Schicht

170

vergrabene Wanne

180

Isolationsgraben (STI)

181

Isolationsbereich der Isolationsgraben

182

Unterkante

183

randloser Kontakt zur Bitleitung

185

Bitleitung

189

dielektrische Schicht

200

erste Grenzfläche

201

zweite Grenzfläche

220

vertikaler Transistor

250

vergrabener Kontakt

251

ungenutzter vergrabener Kontakt

310

leitende Schicht als äußere Kondensatorelektrode

311

oberer Bereich der leitenden Schicht

310

320

vergrabener Isolationssteg

321

isolierende Schicht

330

vergrabene Opferschicht

340

Isolationsschicht

350

Source-Drain-Gebiet

360

Gate-Oxid

370

Gate-Material

400

Substratoberfläche

410

seitlicher Isolationssteg

420

leitende Kontaktschicht

430

Grabendeckeldielektrikum

435

Isolationsgrabenverkleidung

436

Isolationsgrabenzwischenschicht

440

Isolationsgrabenfüllung

445

Opfer-Gate-Oxid

500

Grabenfüllungsbreite

501

Bereich des Grabens

510

Antireflektionsbeschichtung

520

Photolackschicht

Claims

1. Grabenkondensator:

- mit einem Graben (108), der in einem Substrat (101) gebil det ist und einen oberen Bereich (109) und einen unteren Bereich (111) aufweist;
- mit einem Isolationskragen (168), der in dem oberen Be reich (109) des Grabens (108) gebildet ist;
- mit einer vergrabenen Wanne (170), die in dem Substrat (101) gebildet ist und die von dem unteren Bereich (111) des Grabens (108) zumindest teilweise durchsetzt ist;
- mit einer dielektrischen Schicht (164) als Kondensatordie lektrikum, zur Verkleidung des unteren Bereichs (111) des Grabens (108) und
- mit einer leitenden Grabenfüllung (161), welche in den Graben (108) gefüllt ist, bei dem
- die dielektrische Schicht (164) aus Wolframoxid gebildet ist.

2. Grabenkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Grabenfüllung (161) aus einem wolframhalti gen Material besteht.

3. Grabenkondensator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (164) ein ε_r < 50 aufweist.

4. Grabenkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Barrierenschicht (167) zwischen der dielektrischen Schicht (164) und dem Substrat (101) angeordnet ist.

5. Grabenkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Barrierenschicht (167") zwischen der die lektrischen Schicht (164) und der leitenden Grabenfüllung (161) angeordnet ist.

6. Grabenkondensator nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Barrierenschicht (167) und/oder die weitere Barrie renschicht (167") aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Oxyni trid, Wolframnitrid, Titannitrid oder Tantalnitrid gebildet ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Grabenkondensators mit den Schritten:

- Einbringen einer Wanne (170) in ein Substrat (101);
- Bilden eines Grabens (108) bestehend aus einem oberen Be reich (109) und einem unteren Bereich (111) in dem Sub strat (101);
- Bilden eines Isolationskragens (168) in dem oberen Bereich (109) des Grabens (108)
- Bilden einer dielektrischen Schicht (164) aus Wolframoxid als Kondensatordielektrikum zur Verkleidung des unteren Bereichs (111) des Grabens (108) und
- Füllen des Grabens (108) mit einer leitenden Grabenfüllung (161) als innere Kondensatorelektrode.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (164) durch Oxidation einer wolframhaltigen Schicht (169) gebildet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die wolframhaltige Schicht (169) aus Wolframnitrid, Wolf ramsilizid oder reinem Wolfram gebildet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidation der wolframhaltigen Schicht (169) bei Tem peraturen zwischen 200°C und 600°C in O₂, H₂O, N₂O oder NO- haltiger Atmosphäre durchgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (164) durch reaktives Aufstäu ben von Wolfram in sauerstoffhaltiger Atmosphäre gebildet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, 1 dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (164) bei Temperaturen zwischen 550°C und 1100°C einer Wärmebehandlung unterzogen wird, so daß die dielektrische Schicht (164) eine Dielektrizitätskon stante ε_r < 50 erhält.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Grabenfüllung (161) aus einem wolframhalti gen Material gebildet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10 und 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der wolframhaltigen Schicht (169) ein selek tives CVD-Verfahren mit Wolframhexafluorid als eines der Ausgangsmaterialien bei 200° bis 400°C durchgeführt wird.