Beschreibung
Trench-Speicherkondensator und Verfahren zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Trench-Speicherkondensator nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
In Speicherzellen mit einem Speicherkondensator und einem Auswahltransistor, wie beispielsweise bei einem DRAM, befindet sich eine Buried Plate aus dotiertem Halbleitermaterial eines Halbleiterkörpers als Bottom- Elektrode in einem unteren Trenchbereich eines DT (DT = Deep Trench bzw. tiefer Graben) , während ein oberer Trenchbereich als Collar-Teil mit einer Isolierschicht versehen ist und hier den Speicherkondensator, nämlich speziell die Buried Plate, von dem Auswahltransistor elektrisch trennt. Dies hat zur Folge, dass die gesamte Fläche des Collar-Teiles nicht als Kondensatorfläche genutzt werden kann. Nimmt beispielsweise der Collar-Teil bei einem Speicherkondensator etwa 1,5 μm an Tiefe bei einer Gesamttiefe des D 's von etwa 8 μm ein, so bedeutet dies, dass ungefähr 20 % der Fläche des Trenches für den Speicherkondensator verloren gehen und dieser eine entsprechend geringere Kapazität hat.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Trench- Speicherkondensator zu schaffen, bei dem auch der Collar-Teil des Trenches für die Kapazität des Speicherkondensators ausgenutzt wird; außerdem soll ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Speicherkondensators angegeben werden.
Diese Aufgabe wird bei einem Trench-Speicherkondensator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Ein vorteilhaftes Verfahren zum Herstellen eines solchen Trench-Speicherkondensators ist im Patentanspruch 16 angegeben.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Trench-Speicherkondensator ist also der im oberen Trenchbereich gelegene Collar-Teil als Kondensatorfläche genutzt. Hierzu wird die Buried Plate gewissermaßen in den Collar-Teil "verlängert". Dies geschieht mit Hilfe einer Leiterschicht aus vorzugsweise amorphem oder polykristallinem Silizium. Die Leiterschicht wird dabei nach der Herstellung des Collars gebildet.
Problematisch an der Integration des Collar-Teiles in die Kapazität des Speicherkondensators durch "Verlängerung" der Buried Plate mittels der Leiterschicht sind die im oberen Trenchbereich gegebenen geometrischen Randbedingungen: mit immer kleiner werdenden Abmessungen steht auch im Collar-Teil immer weniger Platz zur Verfügung. Dieser geringe Platz wird durch die Leiterschicht - auch bei dünner Ausführung - weiter eingeschränkt, so dass sich die genannte Problematik noch verschärft.
Da aber vorzugsweise der Collar in der Seitenwand des Trenches "vergraben" wird, die dünne Leiterschicht durch Abscheidung von Silizium und dessen nachträgliche Dotierung
gebildet werden kann und für die Strukturierung der Leiterschicht eine durch ALD (ALD = Atomic Layer Deposition bzw. atomare Schichtablagerung) von beispielsweise Aluminiumoxid als Schutzschicht vorgenommen wird, lassen sich die gegebenen geometrischen Randbedingungen einhalten.
Zwischen der Dielektrikums-Schicht des Kondensators und dessen Buried-Plate kann zur Kapazitätserhöhung in vorteilhafter Weise noch eine HSG-Schicht (HSG = hemispherical grain) vorgesehen sein. Diese HSG-Schicht kann zusammen mit der Leiterschicht im Collar-Teil beispielsweise aus einer amorphen Siliziumschicht hergestellt werden.
Wesentlich an dem erfindungsgemäßen Trench-Speicherkondensa- tor ist die "Verlängerung" der Buried Plate in dem Collar- Teil, so dass auch der obere Trenchbereich als Kondensatorfläche genutzt werden kann, wodurch die Kapazität des Speicherkondensators um wenigstens ungefähr 10 bis 20 % erhöht werden kann.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert, in deren Fig. 1 bis 9 bzw. 10 bis 12 jeweils Schnittbilder durch einen Halbleiterkörper mit einem Trench in verschiedenen Verfahrensstufen zur Erläuterung eines ersten bzw. zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung gezeigt sind.
Fig. 1 zeigt einen Halbleiterkörper 1 aus beispielsweise Silizium mit Trenches 2, die einen oberen Trenchbereich 11 und einen unteren Trenchbereich 12 aufweisen und so DT ' s bilden. Im oberen Trenchbereich 11 befinden sich Collar-
Isolierschichten 4 aus beispielsweise Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid. Diese Collar-Isolierschichten sind in der Seitenwand des Trenches 2 vergraben ("buried") . Sie können
beispielsweise durch CFE (CFE = Collar Formation during Etch bzw. Collar-Erzeugung während-, des Ätzprozesses des Trenches) hergestellt sein.
Anstelle der angegebenen Materialien können auch andere
Materialien eingesetzt werden. So kann anstelle von Silizium für den Halbleiterkörper auch ein anderes geeignetes Halbleitermaterial, wie beispielsweise Siliziumcarbid, Verbindungshalbleiter usw. gewählt werden. Der Halbleiterkörper selbst kann beispielsweise p-dotiert sein.
Es sind aber auch andere Dotierungen möglich. Generell können die jeweils angegebenen Leitungstypen auch umgekehrt sein.
Die nach Trenchätzung mit Hilfe einer Ätzmaske 13 aus beispielsweise Siliziumnitrid und Collar-Bildung der Collar- Isolierschicht 4 erhaltene Anordnung ist in Fig. 1 gezeigt.
Es schließt sich sodann die Abscheidung einer dünnen, etwa 5 bis 30 nm und vorzugsweise 10 bis 20 nm dicken Leiterschicht 8 im Trench 2 und auf der Oberfläche der Anordnung von Fig. 1 an. Für diese Leiterschicht 8 wird vorzugsweise undotiertes Silizium verwendet.
Anstelle von Silizium kann für die Leiterschicht 8 gegebenenfalls auch ein anderes Material verwendet werden, wie beispielsweise Metall. Dieses andere Material sollte aber zu einer später aufzubringenden Schutzschicht 9 (vgl. Fig. 3) selektiv ätzbar sein.
Jedenfalls wird auf diese Weise schließlich die in Fig. 2 gezeigte Anordnung erhalten, in welcher die Leiterschicht 8 auf die Oberfläche der Anordnung von Fig. 1 aufgetragen ist.
Es sei angemerkt, dass sich, die den Collar-Teil bildenden Collar-Isolierschicht 4 aus beispielsweise Siliziumnitrid auch über die Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 erstreckt. Dies braucht aber nicht zwingend der Fall zu sein. Es ist ausreichend, dass diese Isolierschicht 4 im oberen Trenchbereich 11 vorhanden ist.
Es schließt sich sodann eine inkonforme Abscheidung von beispielsweise Aluminiumoxid (A1203) mittels ALD an, wobei sich die so gebildete Schutzschicht 9 bis zu einer Tiefe unterhalb der ünterkante der Collar-Isolierschicht 4 erstreckt. Für diese Abscheidung kann beispielsweise TMA (Trimethylaluminium) zusammen mit Wasser (H20) verwendet werden, wobei die Schichtdicke der Schutzschicht 9 etwa 5 bis 10 nm betragen kann. Für die Schutzschicht 9 können anstelle von Aluminiumoxid auch andere Materialien eingesetzt werden, sofern diese zu der Leiterschicht 8 selektiv ätzbar sind.
Damit liegt schließlich die in Fig. 3 gezeigte Anordnung vor, in welcher zusätzlich zur Anordnung von Fig. 2 im oberen
Trenchbereich 11 und etwas darüber hinaus bis unterhalb von der ünterkante der Collar-Isolierschicht 4 noch die Schutzschicht 9 vorhanden ist.
Optional kann sich sodann eine Temperung der Schutzschicht 9 aus insbesondere Aluminiumoxid bei etwa 600 °C bis 1200 °C, insbesondere 800°C bis 1000°C, für eine Zeitdauer von 10 bis 100 s anschließen, um so die Schutzschicht zu "verdichten" . Dieser optionale Schritt kann aber gegebenenfalls auch weggelassen werden.
Sodann folgt ein "Wet-Bottle"-Prozess (Nassätzprozess) , in welchem die Leiterschicht 8 aus vorzugsweise Silizium, welche
von der Schutzschicht 9 freiliegt, also im Wesentlichen die Leiterschicht 8 im unteren Trenchbereich 12, entfernt wird. Gegebenenfalls kann dabei auch noch das kristalline Silizium des Halbleiterkörpers 1 geätzt werden, um im unteren Trenchbereich 12 den Durchmesser des Trenches 2 zu erhöhen. Die Schutzschicht 9 verhindert ein Ätzen der Leiterschicht 8 im oberen Trenchbereich 11.
Damit liegt die in Fig. 4 gezeigte Anordnung vor, in welcher der untere Trenchbereich 12 erweitert ist und einen gegenüber dem oberen Trenchbereich 11 größeren Durchmesser hat. Diese Erweiterung ist aber nicht zwingend. Vielmehr kann der untere Trenchbereich den gleichen Durchmesser wie der obere Trenchbereich beibehalten. Das heißt, ein Ätzen des kristallinen Siliziums des Halbleiterkörpers 1 muss nicht stattfinden. In diesem Fall behält der untere Trenchbereich 12 die durch eine Strichlinie 14 angedeutete Form.
Anschließend wird die Schutzschicht 9 entfernt. Besteht diese beispielsweise aus Aluminiumoxid, so kann dies durch Ätzen mittels einer geeigneten Säure geschehen. Damit liegt die in Fig. 5 gezeigte Anordnung vor.
Anschließend wird eine Buried Plate 3 im unteren Trenchbereich 12 in die Trenchwand 5 eingebracht. Dies kann durch Gasphasendotierung geschehen. Ein geeignetes Mittel hierfür ist eine AsH3-Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 950°C. Auf diese Weise entsteht die Buried Plate 3, und gleichzeitig wird die Leiterschicht 8 aus Silizium ebenfalls mit Arsen dotiert.
Anstelle von Arsen kann auch ein anderes geeignetes Dotiermittel, wie beispielsweise Phosphor oder Antimon, für
eine n-Dotierung eingesetzt werden. Soll eine p-Dotierung vorgenommen werden, so könnte beispielsweise Bor verwendet werden.
Damit liegt die in Fig. 6 gezeigte Anordnung vor, in welcher zusätzlich zur Anordnung von Fig. 5 die Buried Plate 3 eingebracht ist und die Leiterschicht 8 aus Silizium mir Arsen dotiert ist.
Hierzu sei folgendes angemerkt: zuvor wurde die Schicht 8 bereits als Leiterschicht bezeichnet, obwohl diese aus undotiertem amorphem oder polykristallinem Silizium besteht. Erst durch die Dotierung mit Arsen (oder einem anderen geeigneten Dotierstoff) enthält die Schicht 8 tatsächlich gute Leitereigenschaften.
Die dotierte Schicht 8 wird sodann im oberen Trenchbereich zurückgeätzt, so dass sie nur im Bereich des Collars zurückbleibt. Damit entsteht die in Fig. 7 gezeigte Anordnung.
Anschließend wird ein Node- (Knoten) -Dielektrikum aus beispielsweise NO oder Aluminiumoxid abgeschieden, um so eine Dielektrikum-Schicht 6 im Innern des Trenches auf der Trenchwand 5 und auf der Oberfläche der Anordnung zu bilden. Für diese Dielektrikum-Schicht 6 kann selbstverständlich auch ein anderes geeignetes Material, wie beispielsweise Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid eingesetzt werden. Auf diese Weise wird die in Fig. 8 gezeigte Anordnung erhalten, in welcher zusätzlich zur Anordnung von Fig. 6 noch die Dielektrikum-Schicht 6 vorgesehen ist.
Es schließt sich sodann eine Abscheidung einer eine Gegenelektrode bildenden Trenchfüllung 7 im Innern der Trenches 2 und ein Rückätzen dieser Trenchfüllung im oberen Trenchbereich 11 an. Für die Trenchfüllung 7 wird vorzugsweise dotiertes polykristallines Silizium verwendet. Als Dotierstoff ist hierfür beispielsweise Arsen geeignet.
Es liegt damit die in Fig. 9 gezeigte Anordnung vor, die sich von der Anordnung der Fig. 8 durch die Trenchfüllung 7 unterscheidet.
Für die Trenchfüllung 7 kann anstelle von polykristallinem Silizium auch ein anderes geeignetes, metallisch leitenden Material eingesetzt werden. Vorzugsweise wird aber polykristallines Silizium benutzt.
Bei der in Fig. 9 gezeigten Anordnung ist die Trench-Plate 3 durch die verbleibende Leiterschicht 8 aus dotiertem Silizium bis in den oberen Trenchbereich 11 auf der Collar- * Isolierschicht 4 "verlängert". Die damit erhaltene Steigerung der Kapazität beträgt etwa 10 bis 20 % der ursprünglichen Kapazität ohne die Leiterschicht 8.
Die Anordnung von Fig. 9 zeigt so einen Speicherkondensator mit der Buried Plate 3 und der Leiterschicht 8 als Bottom- Elektrode und der Trenchfüllung 7 als Gegenelektrode. Zwischen beiden Elektroden liegt die Dielektrikum-Schicht 6. Dieser Speicherkondensator kann sodann in üblicher Weise an einen Auswahltransistor angeschlossen werden, um so schließlich eine Speicherzelle beispielsweise eines DRAMs zu bilden.
Die Fig. 10 bis 12 zeigen Schnittbilder durch einen Halbleiterkörper 1 zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist in Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 9 zusätzlich eine HSG- Schicht 18 zwischen der Dielektrikum-Schicht 6 des Kondensators und dessen Buried-Plate 3 vorgesehen. Diese HSG- Schicht 18 erhöht die "Fläche" des Kondensators und trägt damit zu einer Steigerung seiner Kapazität bei.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 10 bis 12 wird zunächst ein Trench 2 in den Halbleiterkörper 1 durch Ätzen eingebracht. Dabei wird eine Maskierschicht 13 aus beispielsweise Siliziumdioxid als Maske verwendet. Anschließend wird in einem oberen Trenchbereich 11 eine
Collar-Isolierschicht 4 aus beispielsweise Siliziumdioxid durch nicht-konforme Abscheidung erzeugt. Anstelle von Siliziumdioxid kann beispielsweise auch Aluminiumoxid verwendet werden. Sodann wird eine Schicht 18 aus amorphem Silizium im Trench 2 konform abgeschieden. Diese Schicht 18 dient als "HSG-Starter" . Im oberen Trenchbereich 11 wird eine Liner-Schicht 19 aus Siliziumnitrid und/oder Siliziumdioxid nicht-konform gebildet. Der untere Trenchbereich 12 ist von dieser Schicht 19 freigelegt. Damit liegt die in Fig. 10 gezeigte Struktur vor.
Die Schicht 18 wird anschließend in ihrem von der Schicht 19 freiliegenden unteren Trenchbereich 12 in üblicher Weise in eine HSG-Schicht 18' überführt. Dies kann beispielsweise durch Ätzen geschehen. Sodann wird die Schicht 19 abgetragen, und es wird eine Diffusion vorgenommen, um die Buried-Plate 3 des Kondensators zu erzeugen. Schließlich wird im oberen
Trenchbereich 11 die Schicht 18 durch Trockenätzen entfernt. Damit liegt dann die in Fig. 11 dargestellte Struktur vor.
Sodann wird eine Dielektrikum-Schicht 6 im Inneren des Trenches 2 auf den Oberflächen der Schicht 18, der HSG- Schicht 18' und der Buried-Plate 3 als "Knoten-Dielektrikum" gebildet. In das Innere des Trenches 2 wird anschließend eine Trenchfüllung 7 aus dotiertem polykristallinem Silizium eingebracht. Diese Trenchfüllung .7 wird in üblicher Weise behandelt und rückgeätzt, so dass schließlich die in Fig. 12 gezeigte Struktur entsteht. Deutlich ist hier zu sehen, wie die Schicht 18 mit der Buried-Plate 3 in Verbindung steht und so die Bottom-Elektrode des Kondensators in den Collar- Bereich 11 hinein verlängert.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 10 bis 12 kann anstelle des amorphen Siliziums für die Schicht 18 gegebenenfalls zusätzlich noch polykristallines Silizium oder aber eine Metallschicht als Abschirmung im Collar-Bereich 11 auf der Schutzschicht 4 vorgesehen werden.
Bezugs zeichenliste
1 Halbleiter örper
2 Trench
3 Buried Plate
4 Collar-Isolierschicht
5 Trenchwand
6 Dielektrikum-Schicht
7 Trenchfüllung
8 Leiterschicht
9 Schutzschicht
11 oberer Trenchbereich
12 unterer Trenchbereich
13 Maskierschicht
18 Amorphe Siliziumschicht
18' HSG-Schicht
19 Isolierschicht