EP0963601A1 - Verfahren zur herstellung eines siliziumkondensators - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines siliziumkondensatorsInfo
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- the perforated structures 2 begin to grow from unevenness in the main surface 11, which are present with a statistical distribution in each surface.
- These bumps can be produced using conventional photolithography, for example.
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Abstract
Zur Herstellung eines Siliziumkondensators werden in einem Siliziumsubstrat (1) Lochstrukturen (2) erzeugt, an deren Oberfläche durch Dotierung ein leitfähiges Gebiet (3) erzeugt wird und deren Oberfläche mit einer dielektrischen Schicht (4) und einer leitfähigen Schicht (5) versehen wird, ohne die Lochstrukturen (2) aufzufüllen. Um durch die Dotierung des leitfähigen Gebietes (3) bewirkte mechanische Verspannungen des Siliziumsubstrates (1) zu kompensieren, wird auf der Oberfläche der leitfähigen Schicht (5) eine konforme Hilfsschicht (6) gebildet, die unter einer kompressiven mechanischen Spannung steht.
Description
Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkondensators
Aus EP 05 28 281 A2 ist ein Siliziumkondensator bekannt. Dieser umfaßt ein n-dotiertes Siliziumsubstrat, dessen Oberfläche durch eine elektrochemische Ätzung in einem fluoridhalti- gen, sauren Elektrolyten, in dem das Substrat als Anode verschaltet ist, auf charakteristische Weise strukturiert ist. Bei der elektrochemischen Ätzung bilden sich an der Oberfläche des Substrates mehr oder weniger regelmäßig angeordnete Lochstrukturen. Die Lochstrukturen weisen ein Aspektverhältnis bis in den Bereich 1:1000 auf. Die Oberfläche der Lochstrukturen ist mit einer dielektrischen Schicht und einer leitfähigen Schicht versehen. Leitfähige Schicht, dielektrische Schicht und Siliziumsubstrat bilden einen Kondensator, in dem wegen der durch die Lochstrukturen bewirkten Oberflächenvergrößerung spezifische Kapazitäten bis zu 100 μV/mrn^ erzielt werden. Um die Leitfähigkeit des Substrats zu erhö- hen, wird vorgeschlagen, an der Oberfläche der Lochstrukturen ein n+-dotiertes Gebiet vorzusehen.
Üblicherweise werden Siliziumkondensatoren in Siliziumscheiben hergestellt. Dabei wird eine Verbiegung der Silizium- Scheiben festgestellt, die mit mechanischen Verspannungen durch das n+-dotierte Gebiet an der Oberfläche der Lochstrukturen, die bis zu 300 um dick sind, in Verbindung gebracht wird. Diese Verbiegung der Siliziumscheibe führt zu Problemen bei weiteren Prozeßschritten wie Lithographie, Scheibendün- nung und Vereinzelung, die zum Einbau des Siliziumkondensators in ein Gehäuse erforderlich sind.
In DE 44 28 195 Cl ist ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Siliziumkondensators vorgeschlagen worden. Um durch die Dotierung des dotierten Gebietes bewirkte mechanische
Verspannungen des Siliziumsubstrats zu kompensieren, wird dabei das dotierte Gebiet zusätzlich mit Germanium dotiert. Die
zusätzliche Dotierung mit Germanium führt zu einer Erhöhung der Prozeßkomplexität .
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Siliziumkondensators anzugeben, das einfacher als das bekannte ist.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den übrigen Ansprüchen hervor.
Dabei werden in einer Hauptfläche eines Siliziumsubstrates eine Vielzahl von Lochstrukturen erzeugt. Die Lochstrukturen weisen einen runden oder mehreckigen Querschnitt und im we- sentlichen zur Hauptfläche senkrechte Seitenwände auf.
Entlang der Oberfläche der Lochstrukturen wird ein mit elektrisch aktivem Dotierstoff versehenes leitfähiges Gebiet erzeugt. Das leitfähige Gebiet bildet im fertigen Siliziumkon- densator eine Kondensatorelektrode. Es wird vorzugsweise mit Phosphor oder Bor dotiert.
Auf der Oberfläche des leitfähigen Gebietes werden eine dielektrische Schicht und eine leitfähige Schicht aufgebracht, die die Lochstrukturen nicht auffüllen. Auf der Oberfläche der leitfähigen Schicht wird eine Hilfsschicht mit im wesentlichen konformer Kantenbedeckung gebildet, die unter einer kompressiven mechanischen Spannung steht . Schließlich werden die Lochstrukturen aufgefüllt.
Durch das mit Dotierstoff versehene leitfähige Gebiet, das entlang der Oberfläche der Lochstrukturen gebildet wird, kommt es zu einer konkaven Verbiegung des Siliziumsubstrats, wenn der Dotierstoff einen kleineren kovalenten Bindungsradi- us als Silizium aufweist. Dieses ist für Phosphor und Bor der Fall. Die Verwendung der Hilfsschicht, die unter einer kompressiven mechanischen Spannung steht und die mit konformer
Kantenbedeckung in den Lochstrukturen eingesetzt wird, bewirkt eine Verbiegung des Siliziumsubstrats in Richtung auf eine konvexe Form. Dadurch wird die konkave Verbiegung des Substrates, die durch das leitfähige Gebiet bewirkt wird, kompensiert. Dadurch werden Probleme bei der Fertigung des Siliziumkondensators vermieden. Die konkave Verbiegung des Siliziumsubstrats hat den Nachteil, daß in herkömmlichen Fertigungsgeräten die Substrate durch Unterdruck auf Träger gehalten werden (sogenannte Vakuumchucks ) . Eine konkave Verbie- gung des Substrats führt dazu, daß das Substrat nicht mehr angesaugt werden kann, so daß eine automatisierte Fertigung nicht möglich ist. Leicht konvex geformte Substrate können dagegen auf diesen Trägern angesaugt werden, da der Substratrand zum Abdichten gegen Atmosphärendruck neigt .
Als Hilfsschicht, die unter einer kompressiven mechanischen Spannung steht, ist insbesondere eine Schicht aus thermischem Siθ2 geeignet. Der Einbau von Sauerstoff bei der Bildung von Siθ2 durch thermische Oxidation von Silizium führt auf der Siliziumunterlage zu einer kompressiven mechanischen Spannung in der Schicht aus thermischem Siθ2. Alternativ kann eine Schicht aus undotiertem Polysilizium verwendet werden. Beim Aufwachsen einer Schicht aus Polysilizium kommt es im unteren Teil der Schicht zu einem Wachstum vieler kleiner Kristalli- te, die im Laufe der Schichtabscheidung um das weitere Wachstum konkurieren. Dadurch steht die Polysiliziumschicht unter einer kompressiven mechanischen Spannung.
Weist das Siliziumsubstrat nach der Bildung der Lochstruktu- ren, des leitfähigen Gebietes, der dielektrischen Schicht und der leitfähigen Schicht eine solche Verbiegung auf, daß zwischen der Mitte und dem Rand des Siliziumsubstrates eine Höhendifferenz von bis etwa 500 um besteht, so läßt sich diese konkave Verbiegung durch eine Hilfsschicht aus thermischem Oxid in einer Schichtdicke von 30 bis 250 nm kompensieren. Die Hilfsschicht aus thermischem Oxid steht unter einer kompressiven Spannung von etwa 10^ N/cm.2. ej_ Verwendung einer
Hilfsschicht aus Polysilizium ist eine Schichtdicke zwischen 50 nm und 100 nm erforderlich.
Es ist denkbar, mechanische Spannungen in einem Siliziumsub- strat, die durch Schichten bedingt werden, die im Vergleich zum Silizium stärker kontrahieren, durch Aufbringen einer entsprechend dicken Siliziumnitridschicht auf der Rückseite des Siliziumsubstrats zu kompensieren. Bei der Herstellung eines Siliziumkondensators hat sich jedoch gezeigt, daß der- artige Siliziumnitridschichten mit handhabbaren Dicken von etwa 1 um die konkave Verbiegung des Siliziumsubstrats nicht kompensieren können. Abschätzungen haben ergeben, daß die Dicke der Siliziumnitridschicht auf der Rückseite des Siliziumsubstrates zwischen 20 und 50 um dick sei müßte. Derartige Schichtdicken sind jedoch prozeßtechnisch nicht vertretbar.
Vorzugsweise werden die Lochstrukturen durch elektrochemisches Ätzen in einem fluoridhaltigen, sauren Elektrolyten gebildet, wobei die Hauptfläche mit dem Elektrolyten in Kontakt steht und zwischen den Elektrolyten und das Siliziumsubstrat eine Spannung so angelegt wird, daß das Siliziumsubstrat als Anode verschaltet wird. Eine der Hauptfläche gegenüberliegende Rückseite des Siliziumsubstrats wird während der elektrochemischen Ätzung beleuchtet. Dadurch lassen sich Lochstruk- turen mit Durchmessern im Bereich zwischen 0,5 um und 10 um und mit Tiefen im Bereich zwischen 50 um und 500 um bilden, wobei die Lochstrukturen jeweils ein Aspektverhältnis im Bereich zwischen 30 und 300 aufweisen. Als Aspektverhältnis wird der Quotient aus Tiefe zu Durchmesser bezeichnet . Je hö- her das Aspektverhältnis ist, desto gravierender wird die konkave Verbiegung des Siliziumsubstrates durch das leitfähige Gebiet, das sich entlang der Oberfläche der Lochstrukturen erstreckt .
Alternativ können die Lochstrukturen durch maskiertes oder unmaskiertes anisotropes Ätzen gebildet werden.
Vorzugsweise wird die dielektrische Schicht als Mehrfachschicht mit einer Schichtenfolge aus Siθ2,
und Siθ2 gebildet. Derartige Schichten, die vielfach als ONO-Schichten bezeichnet werden, können mit sehr geringen Defektdichten ge- bildet werden. Dieses ist eine wesentliche Voraussetzung zur Herstellung des Siliziumkondensators, der wegen der Oberflächenvergrößerung durch die Lochstrukturen eine große Oberfläche aufweist .
Zur Herstellung von Kontakten zu der leitfähigen Schicht und/oder dem leitfähigen Gebiet, die in dem fertigen Siliziumkondensator als Kondensatorelektroden wirken, wird vorzugsweise die Oberfläche der leitfähigen Schicht im Bereich der Hauptfläche freigelegt. Die Hilfsschicht verbleibt auf der Oberfläche der Lochstrukturen. Zur Kontaktierung des leitfähigen Gebietes wird darüber hinaus die Oberfläche des leitfähigen Gebietes im Bereich der Hauptfläche freigelegt. Auch hier verbleibt die Hilfsschicht im Bereich der Lochstrukturen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei- spiels, das in den Figuren dargestellt ist, näher erläutert.
Figur 1 zeigt einen Schnitt durch ein Siliziumsubstrat nach Bildung von Lochstrukturen, eines leitfähigen Gebietes entlang der Oberfläche der Lochstrukturen, einer dielektrischen Schicht, einer leitfähigen Schicht und einer Hilfsschicht und nach Auffüllung der Lochstrukturen.
Figur 2 zeigt den Schnitt durch das Siliziumsubstrat nach Freilegen der leitfähigen Schicht im Bereich der Hauptfläche und Freilegen der Oberfläche des leitfähigen Gebietes zur Bildung eines Kontaktes .
Ein Siliziumsubstrat 1 aus n-dotiertem, einkristallinem Silizium, das einen spezifischen Widerstand von 5 Ohm x cm auf-
weist, wird durch elektrochemisches Ätzen an einer Hauptfläche 11 mit einer Vielzahl von Lochstrukturen 2 versehen (siehe Figur 1) .
Dazu wird die Hauptfläche 11 mit einem Elektrolyten in Kontakt gebracht. Als Elektrolyt wird zum Beispiel eine 6 ge- wichtsprozentige Flußsäure (HF) verwendet. Das Siliziumsubstrat 1 wird als Anode mit einem Potential von 3 Volt beaufschlagt. Das Siliziumsubstrat 1 wird von einer der Hauptfläche 11 gegenüberliegenden Rückseite her beleuchtet. Dabei wird eine Stromdichte von 10 A/cm^ eingestellt. Bei der elektrochemischen Ätzung bewegen sich Minoritätsladungsträger in dem n-dotierten Silizium zu der mit dem Elektrolyten in Kontakt stehenden Hauptfläche 11. An der Hauptfläche 11 bildet sich eine Raumladungszone aus. Da die Feldstärke im Bereich von Vertiefungen in der Hauptfläche 11 größer ist als außerhalb davon, bewegen sich die Minoritätsladungsträger bevorzugt zu diesen Punkten. Dadurch kommt es zu einer Strukturierung der Hauptfläche 11. Je tiefer eine anfänglich kleine Unebenheit durch die Ätzung wird, desto mehr Minioritätsla- dungsträger bewegen sich dorthin und desto stärker ist der Ätzangriff an dieser Stelle.
Die Lochstrukturen 2 beginnen von Unebenheiten in der Hauptfläche 11 aus zu wachsen, die mit statistischer Verteilung in jeder Oberfläche vorhanden sind. Um eine gleichmäßige Verteilung der Lochstrukturen 2 zu erzielen, ist es vorteilhaft, die Hauptfläche 11 vor der elektrochemischen Ätzung gezielt mit Unebenheiten zu versehen, die als Keim für den Ätz- angriff bei der nachfolgenden elektrochemischen Ätzung wirken. Diese Unebenheiten können zum Beispiel mit Hilfe konventioneller Photolithographie hergestellt werden.
Nach ungefähr 180 Minuten Ätzzeit weisen die Lochstrukturen einen im wesentlichen kreisförmigen Durchmesser von 2 um bei einer Tiefe von 175 um auf.
Anschließend wird das Siliziumsubstrat 1 mit Wasser gespült.
Entlang der Oberfläche der Lochstrukturen wird ein leitfähiges Gebiet 3 erzeugt, das mit elektrisch aktivem Dotierstoff versehen ist. Als elektrisch aktiver Dotierstoff wird zum
Beispiel Phosphor mit einer Dotierstoffkonzentration zwischen 10^0 cm~3 Und 10^1 cm"3 oder Bor mit einer Dotierstoffkonzentration zwischen 10^0 cm~3 und 10^1 cm" verwendet. Dadurch weist das leitfähige Gebiet 3 eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 10~3 cm auf. Es ist dadurch geeignet als Kondensatorelektrode .
Zur Herstellung des leitfähigen Gebietes 3 wird eine Gasphasendiffusion unter Verwendung von Phosphin oder Boran bei ei- ner Temperatur von 1400° Kelvin durchgeführt. Alternativ kann das Eindiffundieren des elektrisch aktiven Dotierstoffes auch durch Abscheidung einer entsprechend dotierten Silikatglasschicht und Ausdiffusion aus der Silikatglasschicht erfolgen. Diese Silikatglasschicht muß nach der Ausdiffusion wieder entfernt werden.
Auf der Oberfläche des leitfähigen Gebietes 3 werden anschließend eine dielektrische Schicht 4 und eine leitfähige Schicht 5 aufgebracht . Die dielektrische Schicht 4 wird vor- zugsweise durch kombinierte Erzeugung von Siθ2 und Si3N4 als Mehrfachschicht mit einer Schichtenfolge Siθ2/Si3N4 Siθ2 gebildet, da dieses Material eine für einen großflächigen Kondensator ausreichend geringe Defektdichte aufweist. Die dielektrische Schicht 4 wird als Mehrfachschicht mit einer Schichtenfolge Siθ2/Si3N4 Siθ2 mit Schichtdicken von zum Beispiel 5 nm Siθ2, 20nm Si3N4 und 5 nm Siθ2 erzeugt.
Die leitfähige Schicht 5 wird zum Beispiel aus n+-dotiertem Polysilizium gebildet. Sie wird in einer Schichtdicke von zum Beispiel 400 nm gebildet. Dadurch nimmt sie etwa 20 bis 50
Prozent des verwendbaren Durchmessers der Lochstruktur 2 ein. Zur Bildung der leitfähigen Schicht 5 wird in situ dotiertes
Polysilizium abgeschieden oder undotiertes Polysilizium, das anschließend durch Diffusion dotiert wird.
Nachfolgend wird eine Hilfsschicht 6 gebildet, die unter ei- ner kompressiven mechanischen Spannung steht. Die Hilfsschicht 6 wird vorzugsweise durch thermische Oxidation bei zum Beispiel 900°C, 2000 Sekunden gebildet. Die Hilfsschicht 6 wird in einer Schichtdicke von 30 bis 250 nm, vorzugsweise 50 nm gebildet. Die Hilfsschicht 6 steht unter einer kompres- siven Spannung von etwa 10^ N/crn^ und kompensiert dadurch die durch die Dotierung im leitfähigen Gebiet 3 und gegebenenfalls die dielektrische Schicht 4 und die leitfähige Schicht
5 verursachte konkave Verbiegung des Siliziumsubstrats 1.
Zur Messung der Dicke der Hilfsschicht 6 wird üblicherweise ein n-dotiertes Referenzsubstrat verwendet, auf dessen ebener Oberfläche sich gleichzeitig eine Oxidschicht bildet. Da die Oxidationsrate an der Oberfläche der n+-dotierten leitfähigen Schicht 5 stark erhöht ist, ist die Dicke der Hilfsschicht 6 an der Oberfläche der leitfähigen Schicht 5 um einen Faktor 2 bis 4 dicker als die Dicke der Oxidschicht auf der ebenen Oberfläche des Referenzsubstrates. Die Dicke der Hilfsschicht
6 auf dem Referenzsubstrat beträgt typischerweise 10 bis 60 nm.
Alternativ wird die Hilfsschicht -6 aus undotiertem Polysilizium gebildet. In diesem Fall weist sie eine Dicke von 100 nm auf.
Anschließend wird der verbliebene Zwischenraum in den Lochstrukturen 2 durch Abscheidung einer Polysiliziu schicht 7 aufgefüllt. Die Polysiliziumschicht 7 wird in einer Schichtdicke von zum Beispiel 800 nm gebildet.
In dem Siliziumkondensator wirken die leitfähige Schicht 5 und das leitfähige Gebiet 3 als Kondensatorelektroden. Zur Bildung von Anschlüssen zu den Kondensatorelektroden ist es
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Claims
1. Verfahren zur Herstellung mindestens eines Siliziumkondensators,
- bei dem in einer Hauptfläche (11) eines Siliziumsubstrates (1) eine Vielzahl von Lochstrukturen (2) erzeugt werden,
- bei dem entlang der Oberfläche der Lochstrukturen
(2) ein mit elektrisch aktivem Dotierstoff versehenes leitfähiges
Gebiet (3) erzeugt wird,
- bei dem auf der Oberfläche des leitfähigen Gebietes
(3) eine dielektrische Schicht (4) und eine leitfähige Schicht (5) aufgebracht werden, die die Lochstrukturen (2) nicht auffüllen,
- bei dem auf der Oberfläche der leitfähigen Schicht (5) eine Hilfsschicht (6) mit im wesentlichen konformer Kantenbedek- kung gebildet wird, die unter einer kompressiven mechanischen Spannung steht,
- bei dem die Lochstrukturen (2) aufgefüllt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
eine Spannung so angelegt wird, daß das Siliziumsubstrat (1) als Anode verschaltet wird,
- bei dem eine der Hauptfläche (11) gegenüberliegende Rück- seite des Siliziumsubstrates (1) während der elektrochemischen Ätzung beleuchtet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Lochstrukturen (2) mit Durchmessern im Bereich zwischen 0,5 μm und 10 um und mit Tiefen im Bereich zwischen 50 μm und 500 μm erzeugt werden, wobei die Lochstrukturen (2) ein Aspektverhältnis im Bereich zwischen 30 und 300 aufweisen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die dielektrische Schicht (4) als Mehrfachschicht mit einer Schichtenfolge aus Siθ2 Si3N4 und Siθ2 gebildet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
- bei dem das leitfähige Gebiet (3) mit einer Dotierstoffkon- zentration zwischen 10^0 cm~ und 10^1 cm"3 Phosphor oder mit einer Dotierstoffkonzentration zwischen 10^0 cm~3 und 10^1 cm"3 Bor gebildet wird,
- bei dem die dielektrische Schicht (4) in einer Dicke zwischen 10 nm und 100 nm gebildet wird,
- bei dem die leitfähige Schicht (5) aus dotiertem Polysili- zium gebildet wird,
- bei dem die Hilfsschicht (6) durch thermische Oxidation aus Siθ2 in einer Schichtdicke zwischen 30 nm und 250 nm gebildet wird,
bei dem die Lochstrukturen (2) mit Polysilizium aufgefüllt werden .
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
- bei dem das leitfähige Gebiet (3) mit einer Dotierstoffkon- zentration zwischen 10^0 c ~3 Und 10^1 cm~3 Phosphor oder mit einer Dotierstoffkonzentration zwischen 10^0 Cm~3 und lO^1 cm~3 Bor gebildet wird,
- bei dem die dielektrische Schicht in einer Dicke zwischen 10 nm und 100 nm gebildet wird,
- bei dem die leitfähige Schicht (5) aus dotiertem Polysilizium gebildet wird,
- bei dem die Hilfsschicht aus undotiertem Polysilizium mit einer Schichtdicke zwischen 50 nm und 200 nm gebildet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem zur Bildung eines elektrischen Anschlusses zu der leitfähigen Schicht (5) im Bereich der Hauptfläche (11) die Hilfsschicht (6) von der Oberfläche der leitfähigen Schicht (5) entfernt wird, während die Hilfsschicht (6) im Bereich der Lochstrukturen (2) an der Oberfläche der leitfähigen Schicht (5) verbleibt.
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