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Dokumentenidentifikation DE102004007409B4 01.06.2006
Titel Überkonformes Herstellungsverfahren für eine Halbleiterstruktur
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Haupt, Moritz, 01109 Dresden, DE;
Förster, Matthias, 01099 Dresden, DE;
Kegel, Wilhelm, 01465 Langebrück, DE;
Stadtmüller, Michael, 01109 Dresden, DE;
Dietel, Andreas, 01129 Dresden, DE;
Storbeck, Olaf, 01109 Dresden, DE;
Geidl, Jochen, 01099 Dresden, DE
Vertreter PAe Reinhard, Skuhra, Weise & Partner GbR, 80801 München
DE-Anmeldedatum 16.02.2004
DE-Aktenzeichen 102004007409
Offenlegungstag 08.09.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 01.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.06.2006
IPC-Hauptklasse H01L 21/763(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine Halbleiterstruktur.

Aus der EP 0 429 885 B1 ist ein Herstellungsverfahren für eine Halbleiterstruktur bekannt, bei dem eine Füllschicht aus dotiertem Silizium zum Auffüllen eines Grabens und Bedecken der umgebenen Struktur mittels einer CVD-Abscheidung in einem Reaktor durchgeführt wird, welche diffusionsbedingt überkonform ist. Bei diesem bekannten Verfahren wird in den Gräben eine Linerschicht aus thermischen Siliziumoxid vor der Abscheidung vorgesehen.

Die EP 0 591 082 A2 beschreibt eine überkonforme Abscheidung von einer Füllschicht aus dotiertem Silizium zum Auffüllen eines Grabens und Bedecken der umgebenen Struktur, wobei die Überkonformität dadurch erreicht wird, dass die Abscheidungsquelle kollimiert wird.

Die US 5,863,598 beschreibt ein CVD Verfahren zur Abscheidung von dotiertem Silizium auf einem Substrat, wobei die Stufenabdeckung in Abhängigkeit zum Verhältnis Silangas/Dotiergas definiert ist.

Die JP 01039019 A beschreibt eine überkonforme Siliziumabscheidung mittels einer Laserstrahl-CVD-Methode.

Die US 5,956,602 A beschreibt ein Verfahren zur Abscheidung eines Siliziumfilms, bei dem Unterbrechungen für Aufdotierungen stattfinden.

Die US 5,141,892 A beschreibt ein Verfahren zur Füllung eines 1 Grabens mit Polysilizium durch Abfixen des Abscheidens dotierter und undotierter Siliziumschichten und einem abschließenden Temperschritt.

Aus SHIM, K.-H., et al.: Low-temperature growth of in situ phosphorus-doped silicon films: two-step growth utilizing amorphous silicon buffers, in: Thin Solid Films, Vol. 369, 2000, S. 185–188 ist offenbart, ein Niedertemperatur-Abscheideverfahren von mit Phosphor in-situ dotiertem Silizium hinsichtlich der Qualität der Siliziumschicht dadurch zu verbessern, dass eine undotierte Siliziumschicht als Linerschicht verwendet wird.

Obwohl prinzipiell auf beliebige integrierte Schaltungen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in Bezug auf integrierte Speicherschaltungen mit Grabenkondensatoren in Silizium-Technologie erläutert.

Bei der Skalierung von Strukturen von integrierten Speicherschaltungen in Silizium-Technologie treten oft Gräben mit hohen Aspektverhältnissen auf, insbesondere bei Speicherschaltungen mit sogenannten tiefen Grabenkondensatoren (DT≡„deep trenches"). Typischerweise führen diese Aspektverhältnisse für Strukturen unterhalb von 100 nm teilweise zu einem Öffnungswinkel von größenordnungsmäßig 0,1°. Diese sehr steilen Profile machen es zunehmend schwieriger, die Grabenstrukturen mit leitenden Füllmaterialien, wie z.B. As-dotiertem Polysilizium, zu füllen.

Trotz ausgefeilter Abscheideverfahren gelingt es nicht, derartige Grabenstrukturen zu füllen, ohne dass Lunker (dh. Hohlräume ≡„voids") bzw. Saumnähte im Graben entstehen, wobei diese Tendenz natürlich noch verstärkt wird, wenn es auch nur zu den geringsten Profilschwankungen kommt. Alle bekannten Prozesse in LPCVD-Batchofen-Prozessen erreichen dabei ledig- lich Stufenabdeckungen, welche kleiner als 100 sind. Die Lunker wirken sich insbesondere bei nachfolgenden Recess-Schritten als nachteilhaft aus und erhöhen den Schichtwider- stand der Füllung.

2 illustriert solche Probleme, wie sie bei einem üblichen Herstellungsverfahren einer Halbleiterstruktur auftreten.

In 2 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Silizium-Halbleitersubstrat, in das mittels einer aus einer Pad-Oxid-Schicht 2 und einer darüber liegenden Pad-Nitrid-Schicht 3 bestehenden Hartmaske ein Graben 5 geätzt worden ist. Die Grabentiefe d1 beträgt typischerweise 6 &mgr;m bis 8 &mgr;m. Mittels eines LPCVD-Batch-Ofen-Prozesses ist eine Füllschicht 10 aus Arsendotiertem amorphem Silizium in den Graben eingebracht worden, welche eine Saumnaht S und einen Lunker V im Graben aufweist, wobei die Lunkertiefe d2 typischerweise 1 &mgr;m bis 1,5 &mgr;m beträgt.

3 zeigt einen exemplarischen Ansatz zur Lösung der Probleme, welche bei dem üblichen Herstellungsverfahren einer Halbleiterstruktur nach 2 auftreten.

Bei dem in 3 gezeigten exemplarischen Ansatz ist ein Taper T an der Oberseite des Grabens und an der Hartmaske vorgesehen worden, um eine V-förmige obere Öffnung des Grabens vorzusehen. Dies schafft eine Entspannung der Bedingungen für die Abscheidung der Füllschicht 10 aus amorphem Arsendotierten Silizium. Durch diese strukturelle Maßnahme lässt sich somit die Bildung des Lunkers V vermeiden. Allerdings erfordert diese strukturelle Maßnahme zusätzlich Platz, was einer zunehmenden Miniaturisierung der integrierten Bauelemente entgegensteht. Auch stört der Taper T bei Halbleiterspeichervorrichtungen mit Grabenkondensatoren die verfügbare Grabentiefe und damit die erzielbare Speicherkapazität.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für eine Halbleiterstruktur zu schaffen, das die obigen Füllprobleme beseitigt, ohne dass die Grabenstruktur modifiziert werden muss.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch das in Anspruch 1 angegebene Herstellungsverfahren gelöst.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, einen Abscheidungsprozess für die Füllschicht vorzusehen, welcher eine überkonforme Abscheidungsrate aufweist. Mit anderen Worten nimmt die Abscheidungsrate in die Tiefe des Grabens Hin zu, so dass der Graben gleichsam von unten nach oben mit der Füllschicht zuwächst. Dementsprechend kommt es nicht zur störenden Ausbildung der Lunker bzw. Hohlräume. Eine zuvor abgeschiedener Linerschicht aus undotiertem Silizium schafft eine optimierte Ausgangsposition.

Der erfindungsgemäße Abscheidungsprozess lässt sich sowohl in LPCVD-Batch-Ofen-Prozessen als auch in CVD-Einzel-Wafer-Reaktor-Prozessen realisieren.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird nach dem Abscheiden der Füllschicht ein Schritt des Abscheidens einer Deckschicht aus undotiertem Silizium zum vollständigen Auffüllen des Grabens und Bedecken der umgebenden Struktur durchgeführt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das überkonforme Abscheideverfahren ein Gasphasenabscheideverfahren in einem Batchreaktor oder einem Einzelwaferreaktor.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird das Abscheiden einer Füllschicht in mindestens zwei Schritten durchgeführt und zwischen den Schritten ein Aufdotierschritt in-situ zum Erzeugen einer zusätzlichen Aufdotierung der Füllschicht durchgeführt, wobei ein Temperschritt zum Aktivieren und Ausdiffundieren der Dotierung der Füllschicht durchgeführt wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird auf dem Halbleitersubstrat eine zum Herstellen des Grabens zuvor verwendete Hartmaske belassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1ae zeigen schematische Darstellungen aufeinanderfolgender Verfahrensstadien eines Herstellungsverfahrens einer Halbleiterstruktur als erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

2 zeigt Probleme, welche bei einem üblichen Herstellungsverfahren einer Halbleiterstruktur auftreten; und

3 zeigt einen exemplarischen Ansatz zur Lösung der Probleme, welche bei dem üblichen Herstellungsverfahren einer Halbleiterstruktur nach 2 auftreten.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Bestandteile.

1ae zeigen schematische Darstellungen aufeinanderfolgender Verfahrensstadien eines Herstellungsverfahrens einer Halbleiterstruktur als erste Ausführungsform der vorliegenden, Erfindung.

In 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Silizium-Halbleitersubstrat, in dem mittels einer aus einer Pad-Oxid-Schicht 2 und einer Pad-Nitrid-Schicht 3 bestehenden Hartmaske ein Graben 5 mit einer Tiefe d1 von typischerweise 6 &mgr;m bis 8 &mgr;m eingebracht worden ist.

In einem ersten Prozessschritt wird über der Struktur mit dem Graben 5 und der Hartmaske 2, 3 eine Liner-Schicht 10a aus amorphem, undotierten Silizium von typischerweise 10 nm bis 15 nm Dicke bei 500°C abgeschieden. Dies kann beispielsweise in einem LPCVD-Batch-Ofen geschehen. Dieser Prozessschritt soll eine Oberfläche mit geringerer Rauigkeit für die fol- genden Füllschritte erbringen.

Mit Bezug auf 1b erfolgt dann das Abscheiden einer Füllschicht l0b aus dotiertem Silizium zum Auffüllen des Grabens und Bedecken der umgebenden Hartmaskenstruktur mittels eines überkonformen Abscheideverfahrens. Dabei wächst der Graben 5 von unten nach oben so, dass die Dicke der abgeschiedenen Silizium-Schicht im unteren Bereich tU größer ist als die Dicke der abgeschiedenen Silizium-Schicht im oberen Grabenbereich to, wie in 1b durch entsprechende Pfeile angedeutet.

Die Ursache für die überkonform e Abscheiderate liegt in einem Konzentrationsgradienten des Dotierstoffs im Graben bei der hier vorliegenden Gasphasenabscheidung, wobei SiH4 als Füllstoffgas und AsH3 (oder ein alternatives n-typ Dotiergas wie z.B. PH3) als Dotierstoffgas verwendet werden.

Die Diffusion der Dotierstoffspezies nimmt nämlich mit zunehmender Grabentiefe ab, so dass das Dotierungsprofil der Füllschicht DF, das ebenfalls in 1b gezeigt ist, einen negativen Gradienten hinsichtlich fortschreitender Grabentiefe aufweist.

Falls die resultierende Dotierstoffkonzentration der Füllschicht l0b nicht ausreichend ist, kann der überkonforme Abscheidungsprozess schrittweise durchgeführt werden, wobei zwischen einzelnen Schritten ein Aufdotierschritt in situ zum Erzeugen einer zusätzlichen Aufdotierung D1 bzw. D2 in 1b durchgeführt wird.

Typische Prozessbedingungen für einen derartigen überkonformen Abscheideprozess in einem LPCVD-Batch-Reaktor und in einem CVD-Einzel-Wafer-Reaktor sind in der nachstehenden Tabelle aufgelistet.

In 1c dargestellt ist die Abhängigkeit der Konformität vom Verhältnis AsH3/SiH4.

Deutlich erkennbar ist, dass der überkonform e Bereich auf einen bestimmten Verhältnisbereich dieser Prozessgase begrenzt ist.

Weiter mit Bezug auf 1d ist der Prozesszustand gezeigt, in dem die Füllschicht l0b den Graben 5 fast vollständig aufgefüllt hat, wobei die Füllung lunkerfrei ist und nur eine Saumnaht SN im Graben dort vorliegt, wo die gegenüberliegenden aufgewachsenen Schichten zusammenstoßen.

Mit Bezug auf 1e wird dann eine amorphe, undotierte Silizium-Schicht l0c über der resultierenden Struktur abgeschieden, welche bei einem späteren chemisch-mechanischen Polierprozess planarisiert wird.

In einem abschließenden Prozessschritt erfolgt dann schließlich die Aktivierung und Ausdiffusion des Dotierstoffes in einem Hochtemperatur-Temperschritt, beispielsweise bei 1100°C in N2-Atmosphäre für eine Zeitdauer von 20 Minuten, alternativ ist die Aktivierung des Dotierstoffes durch eine im Prozessfluss vorgesehene Folge (z.B. Oxidationsschritt) von Hochtemperaturschritten zu erreichen.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.

Insbesondere ist die Erfindung prinzipiell für beliebige Grabenstrukturen anwendbar.

1Halbleitersubstrat 2Padoxidschicht 3Padnitridschicht 5Graben d1Grabentiefe d2Lunkertiefe 10aundotierte Linerschicht l0bgraduell dotierte Füllschicht l0cundotierte Deckschicht tuDicke der Füllschicht im unteren Grabenbereich toDicke der Füllschicht im unteren Grabenbereich SNSaumnaht CKonzentration dTiefe VLunker TTaper DFDotierungsprofil der Füllschicht D1, D2Zusatzdotierungen

Anspruch[de]
  1. Herstellungsverfahren für eine Halbleiterstruktur mit den Schritten:

    Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (1) mit einem Graben (5); und

    Abscheiden einer Füllschicht (10b) aus dotiertem Silizium zum Auffüllen des Grabens (5) und Bedecken der umgebenden Struktur mittels eines überkonformen Abscheideverfahrens, das eine durch einen Dotierungskonzentrationsgradienten bewirkte überkonforme Abscheiderate aufweist, wodurch der Graben (5) zumindest teilweise von unten nach oben gefüllt wird;

    wobei vor dem Abscheiden der Füllschicht (10b) ein Schritt des Abscheidens einer Linerschicht (10a) aus undotiertem Silizium zum Auskleiden der Wände und des Bodens des Grabens (5) und Bedecken der umgebenden Struktur durchgeführt wird; und wobei AsH3, SiH4 und H2 als Prozessgase verwendet werden, das Verhältnis der Masseflüsse AsH3: SiH4 zwischen 0,0781 und 0,109 liegt und die Überkonformität zwischen 120 und 150 liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abscheiden der Füllschicht (10b) ein Schritt des Abscheidens einer Deckschicht (10c) aus undotiertem Silizium zum vollständigen Auffüllen des Grabens (5) und Bedecken der umgebenden Struktur durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das überkonforme Abscheideverfahren ein Gasphasenabscheideverfahren in einem Batchreaktor oder einem Einzelwaferreaktor ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

    dadurch gekennzeichnet,

    dass das Abscheiden einer Füllschicht (10b) in mindestens zwei Schritten durchgeführt wird und zwischen den Schritten ein Aufdotierschritt in situ zum Erzeugen einer zusätzlichen Aufdotierung (D1, D2) der Füllschicht (10b) durchgeführt wird, und

    dass ein Temperschritt zum Aktivieren und Ausdiffundieren der Dotierung der Füllschicht (10b) durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Halbleitersubstrat (1) eine zum Herstellen des Grabens (5) zuvor verwendete Hartmaske (2, 3) belassen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur 530°C, der Druck 40Pa, der Gasfluss von AsH3 20–40 sccm, der Gasfluss von SiH4 0,64 slm und der Gasfluss von H2 60–70 sccm beträgt.
Es folgen 7 Blatt Zeichnungen






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