WO2002073657A2

WO2002073657A2 - Halbleiterspeicherzelle mit grabenkondensator und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: WO2002073657A2
Application number: PCT/DE2002/000788
Authority: WO
Inventors: Wolfgang Gustin; Ulrike GRÜNING VON SCHWERIN; Dietmar Temmler; Martin Schrems; Stefan Rongen; Rudolf Strasser
Original assignee: Infineon Technologies Ag
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2002-03-05
Publication date: 2002-09-19
Also published as: US20040157389A1; EP1366517A2; KR100631092B1; US6828192B2; JP2004523918A; WO2002073657A3; KR20030088449A; TW554520B

Abstract

Es wird ein Grabenkondensator in einem Graben (30) gebildet, der in einem Substrat (20) angeordnet ist. Der Graben (30) ist mit einer leitfähigen Grabenfüllung (50) als innere Kondensatorelektrode gefüllt. Auf der Seitenwand des Grabens (30) auf dem Substrat (20) wird eine epitaktische Schicht (75) aufgewachsen. Zwischen der leitfähigen Grabenfüllung (50) mit der zweiten Zwischenschicht (65) und der epitaktisch aufgewachsenen Schicht (75) ist ein vergrabener Kontakt (60) angeordnet. In der epitaktisch aufgewachsenen Schicht (75) ist eine Dotierstoffausdiffusion (80) angeordnet, die aus dem vergrabenen Kontakt (60) heraus gebildet wird. Durch die epitaktisch aufgewachsene Schicht (75) ist die Dotierstoffausdiffusion (80) weiter von einem neben dem Graben angeordneten Auswahltransistor (10) entfernt, wodurch Kurzkanaleffekte in dem Auswahltransistor (10) vermieden werden können.

Description

Beschreibung

Halbleiterspeicherzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft eine Halbleiterspeicherzelle und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Die Halbleiterspeicherzelle umfaßt dabei einen Auswahltransistor und einen Grabenkondensator, der in einem Graben gebildet ist.

Speicherbauelemente, wie zum Beispiel DRAMs (Dynamic Random Access Memories) bestehen aus einem Zellenfeld und einer An- steuerungsperipherie, wobei in dem Zellenfeld einzelne Speicherzellen angeordnet sind.

Ein DRAM-Chip enthält eine Matrix von Speicherzellen, die 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 besteht unter anderem aus zwei Diffusionsgebieten, welche durch einen Kanal voneinander getrennt sind, der von einem Gate gesteuert wird. Ein Diffusionsgebiet wird als Drain-Gebiet und das andere Diffusionsgebiet als Source-Gebiet bezeichnet.

Eines der Diffusionsgebiete ist mit einer Bitleitung, das an- dere Diffusionsgebiet mit dem Kondensator und das Gate mit einer Wortleitung verbunden. Durch Anlegen geeigneter Spannungen an das Gate wird der Transistor so gesteuert, daß ein Stromfluß zwischen den Diffusionsgebieten durch den Kanal ein- und ausgeschaltet wird. Durch die fortschreitende Miniaturisierung von Speicherbauelementen wird die Integrationsdichte kontinuierlich erhöht. Die kontinuierliche Erhöhung der Integrationsdichte bedeutet, daß die pro Speicherzelle zur Verfügung stehende Fläche immer weiter abnimmt. Wird der Auswahltransistor beispielsweise als planarer Transistor gebildet, so nimmt folglich der laterale Abstand zwischen Auswahltransistor und Grabenkondensator immer weiter ab. Das führt zu einer Minderung der Sperrfähigkeit des Auswahltransistors, der bei abnehmender Kanallänge aufgrund des Kurzkanaleffekts ohnehin schlechter sperrt. Die erhöhten Leckströme entladen den Grabenkondensator vorzeitig, wodurch die in dem Grabenkondensator und der Speicherzelle gespeicherte Information verlorengeht.

Die Kurzkanaleffekte werden durch die Ausdiffusion eines vergrabenen Kontakts (Buried Strap) verstärkt . Der Buried Strap ist üblicherweise in dem Grabenkondensator oberhalb der leitenden Grabenfüllung angeordnet und dient dazu, die leitende Grabenfüllung elektrisch mit einem Dotiergebiet des Transi- stors zu verbinden. Dabei wird üblicherweise eine Ausdiffusion von Dotierstoff aus dem Buried Strap in das Substrat und das angrenzende Dotiergebiet des Auswahltransistors durchgeführt, wodurch der elektrische Kontakt gebildet wird. Nachteilig an einem konventionellen Buried Strap (Vergrabenen Kontakt) ist, daß er die auftretenden Kurzkanaleffekte verstärkt .

Ein weiteres aus dem Stand der Technik bekanntes Problem besteht darin, daß das Dotiergebiet des Auswahltransistors üb- licherweise in einkristallinem Silizium zu bilden ist, um Leckströme durch den Auswahltransistor zu vermeiden. Da der Buried Strap üblicherweise aus polykristallinem Silizium gebildet ist, welches an das einkristalline Silizium des Dotiergebiets des Auswahltransistors angrenzt, werden bei er- höhten Temperaturen KristallverSetzungen ausgehend von der

Grenzfläche zwischen Polysilizium und einkristallinem Silizi- um in dem einkristallinem Silizium gebildet, die zu Leckströmen durch den Auswahltransistor führen können.

Nachteilig an einem epitaktisch aufgewachsenen Vergrabenen Kontakt ist, daß Kristallversetzungen am Übergang zwischen der einkristallin epitaktisch aufgewachsenen Silizium und einem polykristallin aufgewachsenen Silizium gebildet werden. Diese Defektbildung führt zu erhöhten Leckströmen in dem Auswahltransistor. Während des weiteren Herstellungsprozesses des DRAM gleiten die Versetzungen und können den Auswahltransistor kurzschließen.

Herstellungsverfahren für DRAM-Speicherzellen mit Grabenkondensator und Auswahltransistor sind beispielsweise in den Pa- tenten US 5,360,758, US 5,670,805 sowie US 5,827,765 und U. Gruening et al . "A Novel Trench DRAM Cell with a Vertical Access Transistor and Buried Strap for 4 Gb/16Gb", IEDM, 1999 angegeben.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Speicher mit Grabenkondensator und ein Herstellungsverfahren dafür anzugeben, die ein verbessertes Dotierprofil des vergrabenen Kontakts und eine Vermeidung von Kristalldefekten im Auswahltransistor ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bezüglich des Halbleiterspeichers gelöst durch einen Halbleiterspeicher mit einem Grabenkondensator und einem Auswahltransistor umfassend:

- ein Substrat, das eine Substratoberfläche aufweist und in dem ein Graben angeordnet ist, der einen oberen Bereich aufweist,

- einen Isolationskragen, der in dem oberen Bereich auf der Seitenwand des Grabens angeordnet ist,

- eine leitfähige Grabenfüllung, die in dem Graben angeordnet ist, eine sich in den Graben erstreckende epitaktisch aufgewachsene Schicht, die auf der Seitenwand des Grabens angeordnet ist, einen vergrabenen Kontakt, der in dem Graben angeordnet ist und die epitaktisch aufgewachsene Schicht elektrisch mit der leitfähigen Grabenfüllung verbindet, und eine erste Zwischenschicht, die zwischen der epitaktisch aufgewachsenen Schicht und dem vergrabenen Kontakt angeordnet ist.

Ein Vorteil der epitaktisch aufgewachsenen Schicht besteht darin, daß der aus dem vergrabenen Kontakt (Buried Strap) ausdiffundierte Dotierstoff in der epitaktisch aufgewachsenen Schicht eine niedrigere Diffusionslänge aufweist als in dem angrenzendem Bulk-Silizium, in dem der Auswahltransistor gebildet ist. Dies führt dazu, daß der aus dem Buried Strap ausdiffundierte Dotierstoff nicht bis in den Kanal des Auswahltransistors hinein diffundiert, wodurch eine Verstärkung des Kurzkanaleffekts im Auswahltransistor verhindert wird. Die erste Zwischenschicht weist den Vorteil auf, daß Kristallversetzungen, die im Buried Strap gebildet sind, nicht in das einkristalline Substrat hineinwachsen, in dem der Auswahltransistor angeordnet ist. Dadurch werden Kristalldefekte am Dotiergebiet des Transistors vermieden, wodurch ein ver- besserter Transistor mit niedrigen Leckströmen erreicht werden kann.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die epitaktisch aufgewachsene Schicht in Richtung zur Substratoberfläche oberhalb des Isolationskragens auf der Seitenwand des Grabens angeordnet ist. Dadurch wird eine das Dotierstoffprofil der Ausdiffusion oberhalb des Isolationskragens verbessert.

Üblicherweise ist ein Kondensatordielektrikum in dem Graben zwischen der leitfähigen Grabenfüllung und dem Substrat angeordnet .

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da er üblicherweise aus dem vergrabenen Kontakt heraus in das Substrat eindiffundiert wird.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Grabenisolation eine Isolationsschicht aufweist, die auf dem vergrabenen Kontakt und auf der Facette angeordnet ist . Die auf dem vergrabenen Kontakt und auf der Facette angeordnete Isolationsschicht weist den Vorteil auf, daß bei einem planaren Auswahltransistor eine von dem Grabenkondensator isolierte Passing Word- line auf der Grabenisolation angeordnet werden kann. Bei einer Speicherzelle mit vertikalem Auswahltransistor verläuft eine aktive Wortleitung zu Ansteuerung des Zelltransistors oberhalb des Grabens .

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Isolationskragen aus zwei Schichten besteht, die selektiv zueinander ätzbar sind.

Bezüglich des Verfahrens wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterspeichers mit einem Grabenkondensator und einem Auswahltransistor mit den Schritten:

- Bereitstellen eines Substrats, das eine Substratoberfläche aufweist und in dem ein Graben angeordnet ist, der einen oberen Bereich aufweist, wobei ein Isolationskragen in dem oberen Bereich auf der Seitenwand des Grabens angeordnet ist;

- Bilden einer leitfähigen Grabenfüllung in dem Graben, wobei die leitfähige Grabenfüllung anschließend in den Graben eingesenkt wird;

- Freilegen des Substrats an der Seitenwand des Grabens oberhalb der leitfähigen Grabenfüllung;

- Aufwachsen einer epitaktischen Schicht auf der freigelegten Seitenwand des Grabens; - Bilden einer ersten Zwischenschicht auf der epitaktisch aufgewachsenen Schicht ; > ) to t P¹ P¹

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Figur 9 die Anordnung aus Figur 8 für eine Speicherzelle mit planarem Auswahltransistor, wobei zusätzlich eine Grabenisolation gebildet wurde,

Figur 10 die Anordnung aus Figur 8 für eine Speicherzelle mit vertikalem Auswahltransistor,

Figur 11 REM-Aufnahme einer Speicherzelle gemäß Stand der Technik,

Figur 12 REM-Aufnahme einer erfindungsgemäßen Speicherzelle,

Figuren 13 bis 17 eine Variante zu dem in den Figuren 2 bis

6 dargestellten Prozeßablauf,

Figuren 18 bis 20 eine Variante zu dem in den Figuren 2 bis

6 dargestellten Prozeßablauf und

Figuren 21 und 22 Verfahrensschritte zum Auffüllen eines Ringspalts zwischen der epitaktischen Schicht und dem Isolationskragen.

In Figur 1 ist eine Speicherzelle 5 dargestellt, die einen Auswahltransistor 10 und einen Grabenkondensator 15 umfaßt . Der Auswahltransistor 10 und der Grabenkondensator 15 sind dabei in einem Substrat 20 gebildet, das eine Substratoberfläche 25 aufweist. In dem Substrat 20 ist ein Graben 30 angeordnet, in dem der Grabenkondensator 15 gebildet ist. Der Graben 30 weist einen oberen Bereich 31 auf.

In dem Graben 30 ist ein Kondensatordielektrikum 35 angeordnet. Um den Graben 30 herum ist in dem Substrat 20 eine vergrabene Platte 40 als äußere Kondensatorelektrode angeordnet. Die vergrabene Platte 40 wird mit einer vergrabenen Wanne 45 kontaktiert. Sowohl die vergrabene Platte 40 als auch die vergrabene Wanne 45 sind mittels Dotierstoff in dem Substrat LO LO to to P¹ P¹

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Wird beispielsweise ein planarer Transistor in späteren Verfahrensschritten neben dem Grabenkondensator angeordnet, so wird die erste Einsenktiefe 110 etwa 100 nm unterhalb der Substratoberfläche 25 gebildet. Wird ein vertikaler Transistor in dem Grabenkondensator angeordnet, so wird die erste Einsenktiefe 110 etwa 350 nm tief, ausgehend von der Substratoberfläche 25, in den Graben 30 eingesenkt.

Für die Speicherzelle mit planarem Auswahltransistor ist eine Passing-Wordline auf der Grabenisolation (STI) angeordnet und die Active-Wordline verläuft neben dem Graben, um dort den planaren Auswahltransistor anzusteuern. Dies ist mit Bezug auf Figur 9 näher beschrieben.

Für einen vertikalen Auswahltransistor wird die Active- Wordline oberhalb des Grabens angeordnet, um ein in dem Graben angeordnetes Gate zu kontaktieren und anzusteuern. Die Passing-Wordline ist in diesem Fall neben dem Graben angeord- net .

Mit Bezug auf Figur 3 wird anschließend die dielektrische Schicht 35 entfernt. Dies kann beispielsweise naßchemisch bewerkstelligt werden, wobei beispielsweise Flußsäure verwendet werden kann, die mit Ethylenglycol gepuffert ist (HF/EG) , verwendet werden kann, um eine dielektrische Schicht zu entfernen, die aus einem Oxinitrid besteht.

Mit Bezug auf Figur 4 wird die leitende Grabenfüllung 50 auf eine zweite Einsenktiefe 115 in den Graben 30 eingesenkt. Dabei wird ein Teil der dielektrischen Schicht 35 freigelegt.

Mit Bezug auf Figur 5 wird anschließend der Isolationskragen 55 von der Seitenwand des Grabens 30 entfernt. Dabei bleibt der Isolationskragen 55 dort an der Seitenwand des Grabens 30 bestehen, wo er durch die dielektrische Schicht 35 vor einem LO LO to to P> P¹

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Bezugszeichenliste

5 Speicherzelle

10 Auswahltransistor 15 Grabenkondensator

20 Substrat

25 Substratoberfläche

30 Graben

31 oberer Bereich 35 Kondensatordielektrikum bzw. dielektrische Schicht

40 vergrabene Platte 45 vergrabene Wanne

50 leitfähige Grabenfüllung

55 Isolationskragen 60 vergrabener Kontakt

70 erste Zwischenschicht

75 epitaktisch aufgewachsene Schicht

80 Dotierstoffausdiffusion

85 erstes Dotiergebiet 90 zweites Dotiergebiet

95 Gate

100 Grabenisolation

105 Unterkante

110 erste Einsenktiefe 115 zweite Einsenktiefe

120 dritte Einsenktiefe

125 Facette

130 Isolationsschicht

135 vierte Einsenktiefe 140 Gate-Kontakt

145 Gate-Oxid

150 Dotiergebiet

Claims

Patentansprüche

1. Halbleiterspeicher (5) mit einem Grabenkondensator (15) und einem Auswahltransistor (10) , umfassend: - ein Substrat (20) , das eine Substratoberfläche (25) aufweist und in dem ein Graben (30) angeordnet ist, der einen oberen Bereich (31) aufweist,

- einen Isolationskragen (55) , der in dem oberen Bereich (31) auf der Seitenwand des Grabens (30) angeordnet ist, - eine leitfähige Grabenfüllung (50) , die in dem Graben (30) angeordnet ist,

- eine sich in den Graben (30) erstreckende epitaktisch aufgewachsene Schicht (75) , die auf der Seitenwand des Grabens (30) angeordnet ist, - einen vergrabenen Kontakt (60) , der in dem Graben (30) angeordnet ist und die epitaktisch aufgewachsene Schicht (75) elektrisch mit der leitfähigen Grabenfüllung (50) verbindet , und

- eine erste Zwischenschicht (70) , die zwischen der epitak- tisch aufgewachsenen Schicht (75) und dem vergrabenen Kontakt (60) angeordnet ist.

2. Halbleiterspeicher nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die epitaktisch aufgewachsene Schicht (75) in Richtung zur Substratoberfläche (25) oberhalb des Isolationskragens (55) auf der Seitenwand des Grabens (30) angeordnet ist.

3. Halbleiterspeicher nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein Kondensatordielektrikum (35) in dem Graben (30) zwischen der leitfähigen Grabenfüllung (50) und dem Substrat (20) angeordnet ist.

4. Halbleiterspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die epitaktisch aufgewachsene Schicht (75) eine Facette (125) aufweist, die einen Winkel von ca. 45 Grad gegenüber der Substratoberfläche (25) aufweist.

5. Halbleiterspeicher nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß sich die Facette (125) am unteren Ende der epitaktisch aufgewachsenen Schicht (75) oberhalb des Isolationskragens (55) befindet .

6. Halbleiterspeicher nach Anspruch 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in einem von der Facette (125) und der Oberkante des Isolationskragens (55) gebildeten Ringspalt (160) eine Barriere- Schicht (170) eingebracht ist, die eine Diffusion von Dotierstoffen zur Seitenwand des Grabens (30) verhindert.

7. Halbleiterspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß Dotierstoff in der epitaktisch aufgewachsenen Schicht (75) und dem angrenzenden Substrat (20) eingebracht ist, um einen leitfähigen elektrischen Anschluß an den vergrabenen Kontakt (60) zu bilden.

8. Halbleiterspeicher nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Grabenisolation (100) eine Isolationsschicht (130) aufweist, die auf dem vergrabenen Kontakt (60) und auf der epi- taktisch aufgewachsenen Schicht (75) angeordnet ist.

9. Halbleiterspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Isolationskragen (55) aus zwei Schichten besteht, die selektiv zueinander ätzbar sind.

10. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterspeichers (5) mit einem Grabenkondensator (15) und einem Auswahl ransistor

(10) mit den Schritten:

- Bereitstellen eines Substrats (20) , das eine Substratober- fläche (25) aufweist und in dem ein Graben (30) angeordnet ist, der einen oberen Bereich (31) aufweist, wobei ein Isolationskragen (55) in dem oberen Bereich (31) auf der Seitenwand des Grabens (30) angeordnet ist,

- Bilden einer leitfähigen Grabenfüllung (50) in dem Graben (30) , wobei die leitfähige Grabenfüllung (50) anschließend in den Graben (30) eingesenkt wird,

- Freilegen des Substrats (20) an der Seitenwand des Grabens (30) oberhalb der leitfähigen Grabenfüllung (50),

- Aufwachsen einer epitaktischen Schicht (75) auf der freige- legten Seitenwand des Grabens (30) ,

- Bilden einer ersten Zwischenschicht (70) auf der epitaktisch aufgewachsenen Schicht (75) ,

- Einbringen von Dotierstoff in die epitaktisch aufgewachsene Schicht (75) und - Bilden des Grabenkondensators (15) und des Auswahltransistors (10) .

11. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Substrat (20) an der Seitenwand des Grabens (30) freigelegt wird, indem ein oberer Teil des Isolationskragens (55) entfernt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß nach dem Bereitstellen des Substrats (20) eine dielektrische Schicht (35) eines Kondensatordielektikums auf den Isolationskragen (55) abgeschieden wird, bevor die leitfähige Grabenfüllung (50) gebildet wird, und daß die leitfähige Graben- füllung (50) zunächst bis zu einer ersten Einsenktiefe (110) in den Graben (30) eingesenkt, danach die dielektrische Schicht (35) oberhalb der ersten Einsenktiefe (110) von dem Isolationskragen (55) entfernt und dann die leitfähige Grabenfüllung (50) bis zu einer zweiten Einsenktiefe (115) in den Graben (30) eingesenkt wird, bevor das Substrat (20) oberhalb der leitfähigen Grabenfüllung (50) freigelegt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein Substrat (20) bereitgestellt wird, das in einem unteren Bereich des Grabens (30) bereits ein Kondensatorelektrikum aufweist, welches vor Ausbildung des Isolationskragens (55) eingebracht wurde, und daß die dielektrische Schicht (35) erst nach Ausbildung des Isolationskragens (55) auf dem Isolationskragen (55) abgeschieden wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die leitfähige Grabenfüllung (50) zunächst bis zu einer ersten Einsenktiefe (110) in den Graben (30) eingesenkt, danach die dielektrische Schicht (35) oberhalb der ersten Einsenktiefe (110) von dem Isolationskragen (55) entfernt und dann die leitfähige Grabenfüllung (50) bis zu einer zweiten Einsenktiefe (115) in den Graben (30) eingesenkt wird, bevor das Substrats (20) oberhalb der leitfähigen Grabenfüllung (50) freigelegt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10, 11 oder 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die leitfähige Grabenfüllung (50) zunächst bis zu einer er- sten Einsenktiefe (110) in den Graben (30) eingesenkt wird, dann das Substrat (20) an der Seitenwand des Grabens (30) freigelegt wird und danach eine dielektrische Schicht (35) direkt auf die freigelegte Seitenwand des Grabens (30) abgeschieden wird, und daß anschließend die leitfähige Grabenfül- lung (50) bis zu einer zweiten Einsenktiefe (115) in den Graben (30) eingesenkt und die dielektrische Schicht (35) von der Seitenwand des Grabens (30) entfernt wird, bevor die epitaktische Schicht (75) aufgewachsen wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Grabenisolation (100) in dem Substrat (20) und in dem Graben (30) gebildet wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die epitaktisch aufgewachsene Schicht (75) so aufgewachsen wird, daß eine Facette (125) mit einem Winkel von ca. 45 Grad gegenüber der Substratoberfläche (25) gebildet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in eine von der Facette (125) und der Oberkante des Isolationskragens (55) gebildeten Ringspalt (160) am Rand des offenen Grabens (30) eine Barriereschicht (170) zur Vermeidung von Dotierstoffdiffusionen in die Seitenwand des Grabens (30) eingebracht wird, indem ein für Dotierstoffe undurchlässiges Material (180) isotrop in den Graben (30) abgeschieden und danach anisotrop in Richtung senkrecht zur Substratoberfläche (25) rückgeätzt wird.