DE4430771C2 - Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für einen dynamischen Direktzugriffspeicher - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für einen dynamischen Di­ rektzugriffspeicher (auf den nachfolgend als "DRAM" Bezug genommen wird) und insbesondere die Verbesserung von sowohl der Kapazität wie der Topologie des Kondensators zusammen mit dem Verfahren.

Der neueste Trend zur starken Integration von DRAM-Speichern bringt unvermeidlich eine Verminderung der Zellenabmessung mit sich. Eine derartige Verminderung der Zellenabmessung führt jedoch zu einer Schwierigkeit, Kondensatoren mit aus­ reichender Kapazität auszubilden. Dies ist deshalb der Fall, weil die Kapazität proportional zum Oberflächenbereich des Kondensators ist. Im Fall einer DRAM-Vorrichtung, die durch einen MOS-Transistor und einen Kondensator gebildet ist, ist es insbesondere wichtig, die Zellenabmessung zu vermindern und trotzdem eine große Kapazität für den Transistor bei ho­ her Integration der DRAM-Vorrichtung zu erhalten.

Die Kapazität eines derartigen Kondensators, der auf einem verminderten Bereich oder einer verminderten Fläche ausgebil­ det ist, kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt wer­ den:

Kapazität (C) ∝ Dielektritätskonstante × Oberflächenbereich + Dicke der *Dielektrizitätsschicht.

Große Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen sind unter­ nommen worden, um die Kapazität zu vergrößern. Beispielsweise ist die Verwendung eines dielektrischen Materials bekanntge­ worden, das eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist, die Ausbildung einer dünnen Dielektrizitätsschicht, die Ausbil­ dung eines Kondensators mit einem vergrößerten Oberflächenbe­ reich. Jede dieser Techniken hat jedoch ein Problem. Obwohl verschiedene Materialien als Dielektrizitätsmaterial mit ho­ her Dielektrizitätskonstante vorgeschlagen worden sind, haben sie sich jedoch mit anderen Worten nicht als zuverlässig her­ ausgestellt, und der dünne Film hat die Eigenschaft einer Verbindungs- oder Übergangszusammenbruchspannung. Die Dicken­ verminderung der Dielektrizitätsschicht führt zu einer Be­ schädigung der Dielektrizitätsschicht, welche die Zuverläs­ sigkeit des Kondensators ernsthaft beeinträchtigt. Zur Ver­ größerung des Oberflächenbereichs des Kondensators muß ein komplexer Prozeß verwendet werden. Die Zunahme des Oberflä­ chenbereichs führt außerdem zu einer Verschlechterung des Integrationsgrades.

Vorhandene Kondensatoren umfassen allgemein eine Leitungs­ schicht, die aus einer Polysiliciumschicht besteht, und eine Dielektrizitätsschicht, die aus einem Oxidfilm, einem Nitrid­ film oder einer Kombination daraus besteht. Um den Oberflä­ chenbereich des Kondensators zu vergrößern hat die Polysi­ liciumschicht eine Mehrschichtstruktur, und Abstandhalterele­ mente haben eine Stiftgestalt, eine zylindrische Gestalt oder die Gestalt eines rechteckigen Rahmens, die sich durch die Mehrschichtstruktur erstrecken, um die Schichten der Mehr­ schichtstruktur zu verbinden.

Die Patentschrift US 5,168,073 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer DRAM-Speicherzelle, die einen Speicher- Kontaktkondensator mit einer Wolfram und TiN Speicher- Kondensatorplatte aufweist. Wenigstens ein Abschnitt der Speicher-Kondensatorplatte ist senkrecht in dem DRAM gebildet. Die TiN-Schicht wird für eine Bereichsvergrößerung der Speicher-Kondensatorplatte kontrollierbar geätzt. Dabei dient eine obere Mehrschicht als Zellplatte, wobei die Mehrschicht von der Speicher-Kondensatorplatte mittels einer dielektrischen Schicht isoliert wird.

Nachfolgend soll der stiftförmige Kondensator näher erläutert werden. Zum Herstellen des stiftförmigen Kondensators werden zunächst ein Zwischenschichtisolierfilm und eine erste Eineb­ nungsschicht mit überlegenen Fluiditätseigenschaften aufein­ anderfolgend über einem Halbleitersubstrat hergestellt, das einen Feldoxidfilm an seinem Elementisolierbereich und MOS- Feldeffekttransistor(auf den nachfolgend als "MOSFET" Bezug genommen wird)-Elemente, wie beispielsweise einen Gateoxid­ film und ein Gate an seinem aktiven Bereich, wodurch das Halbleitersubstrat eingeebnet wird. Daraufhin wird eine erste Leitungsschicht, ein erster Isolierfilm, eine zweite Lei­ tungsschicht und ein zweiter Isolierfilm aufeinanderfolgend über der ersten Einebnungsschicht ausgebildet.

Daraufhin werden sämtliche über dem Halbleitersubstrat ausge­ bildeten Schichten aufeinanderfolgend an ihren Bereichen ent­ fernt, die über einem Bereich des Halbleitersubstrats ange­ ordnet sind, der als der aktive, in Kontakt mit einem Konden­ sator zu bringende Bereich bestimmt ist, wodurch ein Kontakt­ loch bestimmt wird. Eine dritte Leitungsschicht wird als Überzug über den resultierenden Aufbau derart ausgebildet, daß das Kontaktloch ausgefüllt wird. Über der dritten Lei­ tungsschicht wird ein dritter Isolierfilm ausgebildet. Da­ durch wird ein stiftförmiger Kondensator erhalten, der einen Aufbau zum vertikalen Verbinden der Leitungsschichten mitein­ ander hat.

Obwohl dieser beschriebene Mehrschichtaufbau es dem herkömm­ lichen stiftförmigen Kondensator erlaubt, einen vergrößerten Oberflächenbereich zu haben, hat er weiterhin eine unzurei­ chende Kapazität aufgrund der hohen Integration der DRAM-Vor­ richtung, die ihn verwendet. Die DRAM-Vorrichtung erleidet dadurch eine Verschlechterung ihrer Betriebszuverlässigkeit. Da der Kondensator einen Mehrschichtenaufbau hat, tritt eine Vergrößerung der Topologie auf, wodurch aufeinanderfolgende Schichten hinsichtlich der Fähigkeit, Stufen zu überziehen, verschlechtert werden.

Bei der Herstellung des zylindrischen Kondensators wird ande­ rerseits eine Leitungsschicht über eine Einebnungsschicht des Halbleitersubstrataufbaus aufgetragen, die nach einer Ausbil­ dung eines Kontaktlochs erhalten wird, durch welches ein ak­ tiver Bereich des Halbleitersubstrats, der in Kontakt mit einem Kondensator gelangen soll, erhalten wird, um das Kon­ taktloch auszufüllen. Daraufhin wird ein Isolierfilmmuster mit einer zylindrischen Stabform auf einem Bereich der Lei­ tungsschicht gebildet.

Obwohl der zylindrische Kondensator den Vorteil einer vermin­ derten Topologie im Vergleich zu dem stiftförmigen Kondensa­ tor hat, bringt er eine Verschlechterung des Integrations­ grads aufgrund seines kleinen Oberflächenbereichs mit sich, weil er zum Erzielen einer ausreichenden Kapazität einen gro­ ßen Bereich oder eine große Fläche einnehmen sollte. Die Ka­ pazität kann natürlich durch wiederholtes Ausbilden von zy­ lindrischen Seitenwänden vergrößert werden, die in eine Mehr­ zahl konzentrischer Kreise auszuformen sind. In diesem Fall wird jedoch die Gesamtherstellung komplex.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, die beim Stand der Technik angetroffenen Probleme dadurch zu überwinden, daß ein Verfahren zur Herstellung eines DRAM-Kon­ densators geschaffen wird, der eine Kombination des stiftför­ migen Aufbaus und des zylindrischen Aufbaus hat und bei Re­ duktion seiner Topologie eine erhöhte Kapazität haben kann.

Nachfolgend wir die Erfindung anhand der Zeichnung beispiel­ haft näher erläutert.

Die Fig. 1A bis 1H zeigen Querschnittsansichten zur Ver­ deutlichung der Herstellungsschritte der Herstellung eines DRAM-Kondensators gemäß der vorliegenden Erfindung.

In den Fig. 1A bis 1H bezeichnen gleiche Bezugsziffern gleiche Teile.

In Fig. 1A ist ein MOSFET-Aufbau gezeigt, wobei ein Halblei­ tersubstrat 11 einen Feldoxidfilm 12 an seinem Elementisola­ tionsbereich und einen Gateoxidfilm 13 und ein Gate 14 an seinem aktiven Bereich hat, über dem ein Zwischenschichtiso­ lierfilm 15, eine (nicht gezeigte) Bit-Leitung und eine Ein­ ebnungsschicht 16 aufeinanderfolgend ausgebildet werden.

In der Zeichnung ist außerdem gezeigt, daß ein erster Iso­ lierfilm 17, eine Leitungsschicht 18, ein zweiter Isolierfilm 19 und eine zweite Leitungsschicht 20 über der ersten Eineb­ nungschicht 16 aufeinanderfolgend ausgebildet sind. Die zwei­ te Leitungsschicht 20, ein Film, der notwendig ist, um ein Kontaktloch durch einen nachfolgenden Ätzschritt zu bilden, dient zur Verminderung der Größe des Kontaktlochs. Wenn das Kontaktloch eine große Größe oder Abmessung hat, die aus­ reicht, um ein photoempfindliches Filmmuster zu bilden, oder wenn das photoempfindliche Filmmuster zum Öffnen des Kontakt­ lochs mit einer sehr kleinen Größe oder Abmessung ausgebildet ist, beispielsweise mit einer Größe von nicht weniger als 0,4 µm, kann die zweite Leitungsschicht 20 nicht ausgebildet wer­ den.

Daraufhin werden die über dem Halbleitersubstrat gebildeten Schichten, die zweite Leitungsschicht 20 bis zum Zwischen­ schichtisolierfilm 15 aufeinanderfolgend an ihren Bereichen entfernt, die über einem Bereich des Halbleitersubtrats lie­ gen, der als in Kontakt mit einem Kondenstator zu gelangender Atkivbereich bestimmt ist, wodurch ein Kontaktloch 21 gebil­ det wird. Eine dritte Leitungsschicht 22 ist als Schicht über dem resultierenden Aufbau derart aufgetragen, daß das Kon­ taktloch 21 ausgefüllt ist. Über der dritten Leitungsschicht werden ein dritter Isolierfilm 23 und ein vierter Isolierfilm 24 aufeinanderfolgend ausgebildet. Daraufhin wird ein pho­ toempfindliches Filmmuster 25 über einen Bereich des vierten Isolierfilms 24 ausgebildet, welcher Bereich als Kondensator zu bestimmen ist, und bedeckt das Kontaktloch 21.

Die gebildeten Isolierfilme bestehen bevorzugt aus unter­ schiedlichen Materialien in Hinsicht auf aufeinanderfolgende Ätzprozeduren. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfin­ dung ist ein Material für den zweiten Isolierfilm 19 und den dritten Isolierfilm 23 hinsichtlich des Selektionsverhält­ nisses demjenigen für den ersten Isolierfilm 17 und den vier­ ten Isolierfilm 24 überlegen, wenn ein Naßätzen oder ein HF- Dampfätzen angewandt werden. Beispielsweise bestehen der zweite Isolierfilm 19 und der dritte Isolierfilm 23 aus Phos­ phorsilicatglas (auf das nachfolgend als "PSG" Bezug genommen wird), während der erste Isolierfilm 17 und der vierte Iso­ lierfilm 23 aus einem Hoch- oder Mitteltemperaturoxid oder aus Tetraethylorthosilicat (auf das nachfolgend als "TEOS" Bezug genommen wird) bestehen. Die ersten, zweiten und drit­ ten Leitungsschichten 18, 20, 22 bestehen aus Polysilicium oder amorphem Silicium.

Unter Verwendung des photoempfindlichen Filmmuster 25 als Maske werden der vierte Isolierfilm 24, der dritte Isolier­ film 23, die dritte Leitungsschicht 22, die zweite Leitungs­ schicht 20 und der zweite Isolierfilm 19 aufeinanderfolgend an durch das photoempfindliche Filmmuster 25 nicht bedeckten Bereichen derart entfernt, daß die erste Leitungsschicht 18, wie in Figur iß gezeigt, teilweise entfernt wird. Nach dem teilweisen Entfernen der vierten, dritten und zweiten Iso­ lierfilme 24, 23, 19 wird das photoempfindliche Filmmuster 25 entfernt.

Als Ergebnis der teilweisen Entfernung werden ein viertes Isolierfilmmuster 24, ein drittes unterschnittenes Isolier­ filmmuster 23, ein drittes Leitungsschichtmuster 22, ein zweites Leitungsschichtmuster 20 und ein unterschnittenes zweites Isolierfilmmuster 19 erhalten, da die zweiten und dritten Isolierfilme 19 und 20 aus einem Material bestehen, das ein hohes Selektionsverhältnis hat.

In Fig. 1C ist ein [-förmiges Isolierabstandhalterelement 26 gezeigt, das an einer Seitenwand gebildet ist, die durch das zweite unterschnittene Isolierfilmmuster 19, das zweite Lei­ tungsschichtmuster 20, das dritte Leitungsschichtmuster 22 und das dritte unterschnittene Isolierfilmmuster 23 insgesamt gebildet ist. Das [-förmige Isolierabstandhalterelement 26 wird durch ein vorbestimmtes Material gebildet, das ein nied­ riges oder kleines Ätzselektionsverhältnis hat, beispielswei­ se einen Hoch- oder Mitteltemperaturoxidfilm oder einen TEOS- Isolierfilm, wenn die zweiten und dritten Isolierfilme aus PSG bestehen, auf der gesamten Oberfläche des Aufbaus von Fig. 1B, und daraufhin durch vollständiges Ätzen des vorbe­ stimmten Materials.

Daraufhin werden das vierte Isolierfilmmuster 24 und das dritte Isolierfilmmuster 23 weggeätzt, um wie in Fig. 1D gezeigt, das dritte Leitungsschichtmuster 22 freizulegen.

In Fig. 1E ist eine vierte Leitungsschicht 27 gezeigt, die auf der gesamten Oberfläche des resultierenden Aufbaus von Fig. 1D ausgebildet ist.

Als nächstes wird die vierte Leitungsschicht 27 einer Gesamt­ ätzung unterworfen, um ein erstes Leitungsabstandhalterele­ ment 28 an einer Seitenwand des Isolierabstandhalterelements 26 zu bilden, wie in Fig. 1F gezeigt. Dieses Gesamtätzen entfernt außerdem die Bereiche der ersten und dritten Lei­ tungsschichten 18, 22, die durch die Entfernung der vierten Leitungsschicht 27 freigelegt sind, wodurch der Kondensator freigelegt und außerdem ein zweites Leitungsabstandhalterele­ ment 29 gebildet werden, wobei ein Teil der dritten Leitungs­ schicht 22 durch das [-förmige Isolierabstandhalterelement 26 geschützt ist.

Ein anderer Ätzprozeß wird vorgenommen, um das Isolierab­ standhalterelement 26, das zweite Isolierfilmmuster 19 und den ersten Isolierfilm 17 vollständig zu entfernen, wodurch die gesamten Oberflächen der Leitungsschichten, wie in Fig. 1G gezeigt, frei liegen.

In Fig. 1H sind ein fünfter Isolierfilm 30 und eine Platten­ elektrode 31 gezeigt, die aufeinanderfolgend auf sämtlichen frei liegenden Oberflächen der frei liegenden Leitungsschich­ ten und auf der Oberfläche der Einebnungsschicht gebildet sind. Der fünfte Isolierfilm 30 besteht aus Oxid, Nitrid oder Oxid-Nitrid-Oxid und wird dazu verwendet, als Dielektrikum zu dienen.

Obwohl ein Kondensator beschrieben worden ist, der derart strukturiert ist, daß er zwei stiftförmige Leitungsschichten hat, von denen jede mit einem Leitungsabstandhalterelement beschichtet ist, kann ein Kondensator, bei dem die beiden stiftförmigen Leitungsschichten wiederholt sind, in Überein­ stimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wer­ den. Außerdem kann ein Kondensator mit drei oder mehr stift­ förmigen Leitungsschichten, von denen jede mit einem Lei­ tungsabstandhalterelement beschichtet ist, durch wiederholtes Laminieren der dritten und vierten Isolierfilme 23, 24, Ein­ lagern einer weiteren Leitungsschicht, die mit der dritten Leitungsschicht 22 verbunden ist, dazwischen, und Durchführen der darauffolgenden Ausbildungsprozesse für Isolierabstand­ halterelemente und Leitungsabstandhalterelemente erhalten werden.

Wie vorstehend beschrieben, ist das Verfahren zur Herstellung eines DRAM-Kondensators gemäß der vorliegenden Erfindung ge­ kennzeichnet durch Ausbilden von Mehrfachisolierfilmen mit unterschiedlichem Ätzselektionsverhältnis zwischen Leitungs­ schichten über dem Einebnungfilm, Unterschneiden der oberen und unteren Bereiche des Leitungsmusters unter Verwendung der Differenz des Ätzselektionsverhältnisses, wenn der Kondensa­ tor in einer Stiftstruktur ausgebildet wird, Ausbilden des Isolierabstandhalterelements derart, daß es die unter­ schnittenen Bereiche ausfüllt, Ausbilden der Leitungsabstand­ halterelemente an der Seitenwand des Isolierabstandhalterele­ ments und Ätzen der Leitungsschicht an der Innenseite des Isolierabstandhalterelements mit einer vorbestimmten Dicke, um das innenseitige Leitungsabstandhalterelement zu bilden. Der durch dieses Verfahren hergestellte Kondensator ist des­ halb so strukturiert, daß er eine Mehrzahl stiftförmiger Lei­ tungsschichten hat, wobei jede mit einem Leitungsabstandhal­ terelement beschichtet ist.

Da das vorliegende Verfahren aus der Differenz des Ätzselek­ tionsverhältnisses Vorteil zieht, verwendet es wenige Ätzmas­ ken, was die Herstellung eines DRAM-Kondensators erleichtert.

Die Zunahme eines Oberflächenbereichs durch die Leitungsab­ standhalterelemente führt außerdem zu einer Vergrößerung der Kapazität des Kondensators. Der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Kondensator hat weniger Stufen als die herkömmlichen Kondensatoren mit derselben Kapazität, so daß das Verfahren einen deutlichen Vorteil im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahren hat, einschließlich der Fähigkeit, die Stufen zu beschichten.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines DRAM-Kondensators, umfas­ send die Schritte:

• a) Ausbilden einer Einebnungsschicht (16), eines ersten Iso­ lierfilms (17), einer ersten Leitungsschicht (18) und eines zweiten Isolierfilms (19) aufeinanderfolgend über einem Halbleiter­ substrat (11) mit einem Feldoxidfilm (12), einem Gateoxidfilm (13) und einem Gate (14),
• b) Entfernen der über dem Halbleitersubstrat (11) ausgebilde­ ten Schichten, dem zweiten Isolierfilm (19) bis zum Einebnungs­ film, an ihren Bereichen, die über einem Bereich des Halb­ leitersubstrats (11) angeordnet sind, das in Kontakt mit einem Kondensator kommen soll, um ein Kontaktloch (21) zu bilden,
• c) Ausbilden einer zweiten Leitungsschicht (20), eines dritten Isolierfilms (23) und eines vierten Isolierfilms (24) aufeinander­ folgend über dem zweiten Isolierfilm (19), wobei die zweite Leitungsschicht (20) das Kontaktloch (21) ausfüllt, und wobei der vierte Isolierfilm (24) in bezug auf den dritten Isolierfilm (23) ein überlegenes Ätzselektionsverhältnis haben,
• d) aufeinanderfolgendes Entfernen des vierten Isolier­ films (24) durch Verwendung eines Photoätzprozesses derart, daß ein Bereich des Kondensators über dem Kontaktloch (21) derart belassen wird, daß ein viertes Isolierfilmmuster (24), ein drittes unterschnittenes Isolierfilmmuster (23), ein zweites Leitungs­ schichtmuster (20) und ein zweites unterschnittenes Isolierfilmmuster (19) gebildet werden,
• e) Ausbilden eines Isolierabstandhalterelements (26) an einer Seitenwand, die durch das vierte Isolierfilmmuster (24) bis zum zweiten Isolierfilmmuster (19) derart vorgesehen ist, daß die unterschnittenen Bereiche ausgefüllt werden, und Entfernen des vierten Isolierfilmmusters (24) und des dritten Film­ musters (23),
• f) Ausbilden eines ersten Leitungsabstandhalterelements (28) an einer Seitenwand des Isolierabstandhalterelements (26),
• g) Entfernen der ersten Leitungsschicht (18) an der Außenseite des ersten Leitungsabstandhalterelements (28) und der zweiten Leitungsschicht (20) an der Innenseite des Isolierabstandhal­ terelements (26) mit einer vorbestimmten Dicke derart, daß der Kondensator isoliert wird und ein zweites Leitungsabstand­ halterelement (29) an der Innenseite des ersten Leitungsab­ standhalterelements (28) gebildet wird, und
• h) Entfernen des Isolierabstandhalterelements (26) und des zweiten Leitungsschichtmusters (20) und Ausbilden eines fünften Isolierfilms (30) und einer Plattenelektrode (31) aufeinanderfolgend über der gesamten frei liegenden Oberfläche.

2. Verfahren zur Herstellung eines DRAM-Kondensators nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Schritten (a), (c) und (f) die erste Leitungsschicht (18), die zweite Leitungsschicht (20) und das erste Leitungsabstandhalterelement (28) aus Polysilicium oder amorphem Silicium gebildet sind.

3. Verfahren zur Herstellung eines DRAM-Kondensators nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ätzpufferlei­ tungsschicht zusätzlich vor dem Schritt (b) zur Ausbildung des Kontaktlochs (21) gebildet wird, um die Größe des Kontakt­ lochs zu vermindern.

4. Verfahren zur Herstellung eines DRAM-Kondensators nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Schritten (a) und (c) die zweiten und dritten Isolierfilme (19; 23) aus Polysili­ catglas und die ersten und vierten Filme aus einem Mittel- oder Hochtemperaturoxid oder mit Tetraethylorthosilicat gebildet sind.

5. Verfahren zur Herstellung eines DRAM-Kondensators nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolierabstand­ halterelement (26) und das erste Leitungsabstandhalterelement (28) durch vollständiges Ätzen der Isolierfilme und der Polysi­ liciumschichten gebildet sind.

6. Verfahren zur Herstellung eines DRAM-Kondensators nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Leitungs­ schicht (20) dicker ausgebildet ist als die erste Leitungs­ schicht (18) im Schritt (c), wodurch der zweite Abstandhalter (29) durch vollständiges Ätzen ohne die zusätzliche Ätzmaske im Schritt (g) gebildet werden kann.

7. Verfahren zur Herstellung eines DRAM-Kondensators nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtausbil­ dung der dritten und vierten Isolierfilme (23; 24) und die Ausbil­ dung des Isolierabstandhalterelements (26) und der ersten und zweiten Leitungsabstandhalterelemente (28; 29) in den Schritten (b) bis (f) zur Ausbildung mehrerer Leitungsabstandhalterele­ mente wiederholt werden.