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Dokumentenidentifikation DE102005044142B3 01.03.2007
Titel Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Füllung in einem Graben eines Halbleitersubstrats und Grabenkondensator
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Rongen, Stefan, 01099 Dresden, DE;
Wurster, Kai, 01099 Dresden, DE;
Orth, Andreas, Dr., 01097 Dresden, DE;
Haupt, Moritz, 01109 Dresden, DE
Vertreter Epping Hermann Fischer, Patentanwaltsgesellschaft mbH, 80339 München
DE-Anmeldedatum 15.09.2005
DE-Aktenzeichen 102005044142
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 01.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.03.2007
IPC-Hauptklasse H01L 21/822(2006.01)A, F, I, 20050915, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 27/08(2006.01)A, L, I, 20050915, B, H, DE   
Zusammenfassung Ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Füllung in einem Graben, welcher in einem Halbleitersubstrat oder in einer Schicht auf dem Halbleitersubstrat gebildet ist, umfasst die Schritte: Bereitstellen des Halbleitersubstrats mit dem Graben; Abscheiden der Stoffe amorphes oder polykristallines Silizium, Arsen und Phosphor zur Bildung der elektrisch leitenden Füllung in dem Graben.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Füllung in einem Graben, welcher in einem Halbleitersubstrat oder in einer Schicht auf dem Halbleitersubstrat gebildet ist. Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen, insbesondere gemäß dem Verfahren hergestellten, Grabenkondensator.

Bei der Halbleiterherstellung werden Gräben in Halbleitersubstraten oder in auf diesen angeordneten Schichten gebildet, um elektrisch leitfähige Strukturen auf der einen Seite oder Isolationsgebiete auf der anderen Seite zu stellen. Im ersten Fall werden die Gräben nach deren Bildung – oftmals mittels eines Ätzschrittes – mit einer elektrisch leitfähigen Füllung versehen, um so zum Beispiel Leiterbahnen, Kontaktstöpsel oder Kondensatorelektroden zu bilden. Insbesondere bei solchen im monokristallinen Halbleitersubstrat (Silizium) hergestellten Gräben wird anstatt eines Metalls zumeist eine amorphe oder polykristalline Siliziumschicht abgeschieden, das zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit dotiert ist.

Die Abscheidung von dotiertem, amorphem oder polykristallinem Silizium als elektrisch leitfähige Füllung wird insbesondere auch im Fall von Grabenkondensatoren angewendet. Grabenkondensatoren umfassen tief in das Halbleitersubstrat geätzte Gräben mit sehr hohem Aspektverhältnis, das sich als Quotient aus Höhe bzw. Tiefe und Breite des Grabens berechnen lässt.

Der Graben des Grabenkondensators ist üblicherweise an der Innenwand mit einem dünnen Kondensatordielektrikum versehen. Dies besteht klassisch etwa aus einer Schichtabfolge von Oxid, Nitrid und nochmals Oxid (ONO). Andere dielektrische Materialien sind auch möglich. Ein unterer Bereich des Grabens ist in dem Halbleitersubstrat von einem vergrabenen dotierten Gebiet umgeben, welches eine erste Kondensatorelektrode bildet. Die elektrisch leitfähige Füllung innerhalb des Grabens bildet die zweite Kondensatorelektrode.

In einem dynamischen Speicher mit wahlfreiem Schreib- oder Lesezugriff (DRAM, dynamic random access memory) wird die Speicherung über einen an den Grabenkondensator angeschlossenen Auswahltransistor bewerkstelligt. Dieser wird über eine Wortleitung angesteuert, sodass in die elektrisch leitende Füllung im Graben des Grabenkondensators elektrische Ladungen von einer Bitleitung eingeschrieben oder in diese ausgelesen werden können.

Ist eine Dotierung mit Donatoren vorgesehen (n-Dotierung), wird in der Regel ein Element der fünften Hauptgruppe im Periodensystem der Elemente zur Abscheidung des Poly-Siliziums hinzugegeben. Bekannt ist beispielsweise die n-Dotierung des amorphen oder polykristallinen Siliziums entweder mit Arsen oder mit Phosphor. Im Fall von Arsen wird in einem LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) oder einem CVD-Reaktor (Chemical Vapor Deposition) in Teilschritten jeweils zunächst das amorphe oder polykristalline Silizium auf das Substrat abgeschieden, wonach in einem jeweils zweiten Schritt eine kurze Abscheidung von Arsen zur Bildung von Monolagen auf der Oberfläche der amorphen oder polykristallinen Siliziumschicht erfolgt. Die Schritte können wiederholt werden. Es entsteht dadurch ein digitales Dotierprofil, das erst durch thermische Nachprozessierung in ein homogenes Dotierprofil überführt wird, sodass die Arsen-Atome in das Poly-Siliziumgitter eingebaut werden.

Die alternierenden Abscheideschritte im LPCVD oder dem CVD-Reaktor sind im Vergleich zu einem einheitlichen, simultanen Abscheideschritt etwas zeitaufwändig. Die Simultanabscheidung von Arsen mit dem Poly-Silizium hat sich jedoch bei den hohen Aspektverhältnissen und der nicht unerheblichen Dotierstoffverarmung (elektrische Aktivierung nur bei 10 % bis 50 %) im Fall von Arsen in den Kondensatorgräben als schwierig erwiesen. Andererseits wirft auch das digitale Dotierprofil gemäß dem sequentiellen Abscheideverfahren Probleme dahingehend auf, dass, falls die Abscheidedicke der amorphen- oder polykristallinen Siliziumschicht ungenau gegenüber der Grabenbreite bestimmt ist, die jeweils letzten Schritte der Abscheidung von Arsen nicht mehr durchführbar sind. Aufgrund dessen kann der Grad der Dotierung in der elektrisch leitenden Füllung erheblich von vorgegebenen Zielwerten abweichen.

Demgegenüber bietet Phosphor als alternativer Dotierstoff den Vorteil, dass ein simultanes Abscheiden mit amorphem- oder polykristallinem Silizium auch bei hohen Aspektverhältnissen in den Gräben möglich ist. Des Weiteren ist bei Phosphor auch der Grad der elektrischen Aktivierung im Vergleich zu Arsen wesentlich höher. Die Abscheidung besitzt daher eine höhere Effizienz gemessen am abgeschiedenen Materialvolumen. Bei der gleichen Anzahl abgeschiedener Atome ist damit eine verbesserte Leitfähigkeit erreichbar.

Dass jedoch bei der derzeit durchgeführten Halbleiterherstellung, insbesondere von Speicherbausteinen, mit wahlfreiem Schreib-/Lesezugriff die elektrisch leitfähige Füllung der Grabenkondensatoren nicht ausschließlich unter Dotierung mit Phosphor durchgeführt wird, liegt daran, dass bei mit Phosphor durchgeführter, amorpher oder polykristalliner Siliziumabscheidung eine Wanderung von beispielsweise mit Luft gefüllten Löchern in der Grabenfüllung zu den Grabenwänden hin auftritt, die nicht verhindert werden kann. Die Bildung solcher Löcher (Voids) ist kaum vermeidbar und findet in dem Aufwachsprozess, der an den Grabenwänden beginnt, etwa längs der Mittelachse eines von oben gesehen runden oder ovalen Grabens statt. In der Mitte treffen die aufwachsenden Schichten aufeinander. Solche Voids können grundsätzlich auch bei Arsen-dotiertem Silizium auftreten. Dort allerdings unterdrückt das Arsen die Void-Diffusion wesentlich effizienter als Phosphor.

Gewöhnlich stören diese Löcher in der Mitte des Grabens wenig, da der Querschnitt des Grabens einen relativ geringen ohmschen Widerstandswert aufweist. Bei der thermischen Nachprozessierung jedoch können diese Löcher zu den Grabenwänden hin wandern, welches bei der Dotierung mit Phosphor auch dann eintritt, wenn die Nachprozessierung bei sehr niedrigen Temperaturen durchgeführt wird. Befinden sich die Löcher dann erstmal an den Grabenwänden, so treten dort zum einen sehr hohe Feldspitzen auf, wo die elektrisch leitende Füllung an den Rändern der Löcher auf das Kondensatordielektrikum trifft. Zum anderen wird die effektive Kondensatorfläche an den Grabeninnenwänden zum vergrabenen dotierten Gebiet hin durch die Löcher verringert.

In der US 5,652,165 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Stapelkondensators beschrieben. Vor der Bildung der Kondensatorelektroden werden auf dem Substrat Transistoren hergestellt, deren Source-/Drain-Gebiete durch Kontaktöffnungen zugänglich gemacht werden, die in einer Isolationsschicht gebildet werden. Auf die Isolationsschicht und in die Kontaktöffnungen wird eine Schicht aus Polysilizium abgeschieden, das in situ mit Arsen und Phosphor dotiert wird.

In der EP 1 493 712 A2 ist ein Herstellungsverfahren für MEMS-Bauelemente beschrieben, bei dem amorphes Silizium zur Bildung einer elektrisch leitfähigen Schichtstruktur abgeschieden wird. Durch Dotieren mit Arsen und Phosphor werden in den Schichten Druckspannungen und Zugspannungen erzeugt, die sich bis zu einem gewissen Grad kompensieren.

In der US 2002/0086481 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung tiefer Grabenkondensatoren beschrieben. Die Innenwände des Grabens werden mit einer dielektrischen Schicht ausgekleidet, die das Kondensatordielektrikum bildet. Eine Kondensatorelektrode wird im Inneren des Grabens durch dotiertes Polysilizium gebildet. In einem oberen Bereich des Grabens wird eine dotierte Polysiliziumschicht angeordnet, für die eine Implantation von Arsen und/oder Phosphor angegeben ist.

In der US 2004/0084149 A1 ist eine Vorrichtung zur Bildung siliziumhaltiger Filme auf einem Substrat beschrieben. Zu einem Beispiel ist angegeben, dass der siliziumhaltige Film vorzugsweise amorph ist und einen oder mehrere weitere Elemente, unter anderem Arsen und Phosphor enthalten kann. Ein weiteres Beispiel betrifft HSG-Siliziumfilme (hemispherical silicon grain).

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren für die Herstellung elektrisch leitender Füllung in Gräben anzubieten, welches insbesondere auch die für die Zukunft zu erwartende weitere Verringerung der Strukturgrößen berücksichtigt. Es ist des Weiteren eine Aufgabe, einen Grabenkondensator mit verbesserter Qualität anzubieten.

Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Füllung in einem Graben mit den Merkmalen des Anspruches 1 beziehungsweise mit dem Grabenkondensator mit den Merkmalen des Anspruches 8.

Das Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Füllung in einem Graben, welcher in einem Halbleitersubstrat oder in einer Schicht auf dem Halbleitersubstrat gebildet ist, umfasst die Schritte

Bereitstellen des Halbleitersubstrats mit dem Graben und Abscheiden der Stoffe amorphes oder polykristallines Silizium, Arsen und Phosphor zur Bildung der elektrisch leitenden Füllung in dem Graben, wobei

das Abscheiden von amorphem oder polykristallinem Silizium und das Abscheiden von Phosphor simultan durchgeführt werden, das Abscheiden von Arsen zeitlich separat von der Abscheidung von amorphem oder polykristallinem Silizium und Phosphor durchgeführt wird und

das Abscheiden von Arsen die Bildung wenigstens einer Monolage von Arsenatomen auf einer durch das amorphe oder polykristalline Silizium und den Phosphor gebildeten Oberfläche umfasst.

Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch einen Grabenkondensator in einem Halbleitersubstrat, umfassend einen Graben, der in einem Halbleitersubstrat gebildet ist, eine erste als elektrisch leitende Füllung ausgebildete Kondensatorelektrode, die in wenigstens einem unteren Abschnitt des Grabens abgeschieden ist, wobei die elektrisch leitende Füllung umfasst:

  • a) eine amorphe oder polykristalline Siliziumschicht,
  • b) Phosphor und
  • c) Arsen,


wobei in der Grabenfüllung der Phosphor homogen und das Arsen inhomogen zwischen dem amorphen oder polykristallinen Silizium verteilt ist;

ein als dielektrische Schicht an einer Innenwand des Grabens ausgebildetes Kondensatordielektrikum und

eine zweite als vergrabenes dotiertes Gebiet in dem Halbleitersubstrat an der Innenwand des Grabens ausgebildete Kondensatorelektrode.

Es wird ein Halbleitersubstrat, etwa ein Halbleiterwafer bereitgestellt, in dem bzw. auf dem in einer Schicht ein Graben gebildet ist. Bei dem Graben kann es sich um eine beliebig geformte Vertiefung in dem Substrat bzw. in der Schicht auf dem Substrat handeln. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um den Graben eines Grabenkondensators. Dieser wird typischerweise mit sehr hohen Aspektverhältnissen von größer als 10 : 1 oder 50 : 1 gebildet. Beispielsweise kann ein Graben eine Tiefe von 7 &mgr;m bei einer Breite von 90 nm besitzen. Es gibt derzeit das Bestreben, diese Aspektverhältnisse noch weiter zu vergrößern. Dies wird insbesondere mit dem Übergang zur 70 nm-Technologie der Fall sein. Diese Ausführungsform wird im Folgenden noch näher zu erläutern sein.

Bei den Gräben kann es sich aber auch um solche von tiefen Leiterbahnen handeln. In diesem Fall besitzen die Gräben eine geringe Breite, jedoch eine erheblich größere Länge. Auch bei solchen Gräben kann von großen Aspektverhältnissen die Rede sein.

Des Weiteren kommen als Gräben auch Kontaktlöcher in Betracht, welche zum Beispiel verschiedene Metallisierungsebenen einer Schaltung miteinander verbinden. Ein Einsatz von amorphem oder polykristallinem Silizium als Grabenfüllung (Kontaktlochfüllung) kommt besonders dann in Betracht, wenn mit dem Kontaktstöpsel eine Leiterbahn- und Metallisierungsebene mit dotierten Gebieten auf dem monokristallinen Substrat zu verbinden ist. Ein Beispiel ist die Verbindung von Bitleitungen mit Source-/Drain-Gebieten eines Auswahltransistors in einer Speicherzelle mit wahlfreiem Schreib-/Lesezugriff.

Es ist weiter vorgesehen, die elektrisch leitende Füllung in dem Graben aus amorphem oder polykristallinem Silizium, dotiert sowohl mit Arsen als auch mit Phosphor einzurichten. Es werden jeweils Abscheideschritte durchgeführt, die simultan oder auch getrennt durchgeführt werden können. Es wurde dabei der überraschende Effekt festgestellt, dass bei einer Kombination der beiden Dotierstoffe, deren Abscheidung an sich einen höheren Aufwand erfordert und damit normalerweise nicht angestrebt worden wäre, die genannten Vorteile und Vorzüge der jeweiligen Materialeigenschaften erhalten bleiben. Die Nachteile der einzelnen Stoffe werden dagegen durch die Vorteile des jeweils anderen Stoffs kompensiert.

So wurde beispielsweise festgestellt, dass bei der Dotierung mit Arsen die durch die gleichzeitige Dotierung mit Phosphor zu erwartende Migration der Löcher, die unvermeidlich in der Poly-Siliziumfüllung entstehen, zu den Grabenwänden hin unterdrückt wird. Die Verarmung elektrisch aktiver Arsenatome in der elektrisch leitenden Füllung wird andererseits vollständig durch die erhöhte elektrische Aktivierung der Phosphoratome kompensiert.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch die Kombination von Arsen und Phosphor als gemeinsame Dotierstoffe für eine elektrisch leitende Füllung aus Poly-Silizium die Zuverlässigkeit der Funktion – insbesondere eines Grabenkondensators – sowie die elektrischen Eigenschaften bezüglich Leitfähigkeit mitunter erheblich verbessern können.

Phosphor liefert zudem auf Grund der höheren Rate an Aktivierung auch den größeren Beitrag zur elektrischen Leitfähigkeit. Wenn Arsen zeitlich getrennt vom Poly-Silizium abgeschieden wird, entsteht dadurch ein digitales Dotierprofil mit der Konsequenz einer nicht ausreichenden As-Dotierung, wenn die letzte Monolage nicht mehr wie erwünscht in den Graben gerät, weil dieser verfüllt ist. Dieser Effekt spielt dann aber wegen der Dominanz des Beitrags von Phosphor nur noch eine untergeordnete Rolle.

Ein besonderer Vorteil entsteht dadurch, dass die Abscheidung jeweils von amorphem oder polykristallinem Silizium, Phosphor und Arsen gemeinsam in einem (LP-)CVD-Reaktor durchgeführt werden kann. Eine Ausgestaltung der Erfindung zufolge werden amorphes oder polykristallines Silizium und Phosphor simultan abgeschieden, welches beispielsweise durch Zugabe von Phosphingas (PH3) zu dem die amorphe- oder Polykristalline Siliziumschicht bildenden Gas erfolgen kann (SiH4).

Anschließend werden in dem gleichen (LP)CVD-Reaktor die Abscheideparameter wie etwa die Temperatur, der Druck, etc. variiert, um nun Arsingas (AsH3) einzuleiten, sodass eine Monolage oder mehrere Monolagen von Arsen auf der nach der ersten Abscheidung entstandenen Oberfläche des mit Phosphor dotierten amorphen oder polykristallinen Siliziums gebildet wird bzw. gebildet werden. Danach kann wieder auf die ursprünglichen Geräteparameter zurückgeschwenkt werden, um nun wieder eine amorphe oder polykristalline Siliziumschicht mit einer Phosphordotierung abzuscheiden. Es ist also keine Entnahme der Halbleiterwafer aus dem Reaktor notwendig.

Ausgestaltungen bezüglich des Grabenkondensators sehen vor, auch die üblicherweise in einem oberen Teil des Grabens nachträglich eingebrachte Grabenfüllung mit einer Dotierung aus Phosphor und Arsen zu versehen. Dies bietet den Vorteil einer durchgängigen Leitfähigkeit über die gesamte Tiefe des Grabenkondensators. Hintergrund ist, dass üblicherweise zunächst in dem größeren unteren Bereich des Grabens die Kondensatorelektrode anhand der elektrisch leitenden Füllung gebildet wird. Diese ist durch das Kondensatordielektrikum (NO, ONO oder Al2O3, etc.) von dem vergrabenen dotierten Gebiet als zweiter Kondensatorelektrode getrennt.

Der obere Teil des Grabens wird dann durch einen Rückätzprozess von der so eingebrachten Füllung befreit, um einen Isolationskragen in dem oberen Bereich einzubringen, welcher in einem dichten Speicherzellenfeld den betrachteten Kondensatorgraben von einem benachbarten isoliert. Anschließend wird erneut eine elektrisch leitende Füllung in den oberen Bereich eingebracht, welche durch weitere Schritte mit Source- bzw. Drain-Gebieten eines Auswahltransistors verbunden wird.

Dieser obere Bereich stellt vor seiner (zweiten) Verfüllung mit elektrisch leitendem Material wiederum einen Graben mit nunmehr moderatem Aspektverhältnis dar. Eine weitere Ausführungsform sieht daher vor, alternativ zur vorherigen Ausführungsform hier nun gerade für diese zweite Verfüllung amorphes oder polykristallines Silizium dotiert entweder nur mit Phosphor oder nur mit Arsen einzurichten. Auf Grund des geringen Aspektverhältnisses wirkt sich hier der Zeitvorteil stärker aus. Die Migration von Löchern stellt dagegen aufgrund des nicht vorhandenen Kondensatordielektrikums im oberen Bereich nur noch ein geringes Problem dar. Es kommt insbesondere Phosphor als Dotierstoff in Betracht.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass im Falle von Grabenkondensatoren aufgrund der verminderten Migration der Löcher zu den Grabenwänden hin ein wesentliches größeres thermisches Budget für die Nachprozessierung zur Verfügung steht. Weil die Herstellung der elektrisch leitenden Grabenfüllung in einem relativ frühen Stadium der Herstellung eines Speicherbausteins durchgeführt wird, eröffnet sich somit für eine Vielzahl von Nachfolgeprozessen die Möglichkeit, auch bei höheren Temperaturen kritische Strukturbreiten herstellen zu können.

Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert werden. Darin zeigen:

18 in Querschnittsprofilen Schritte der Herstellung einer elektrisch leitenden Füllung in einem Grabenkondensator gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

910 eine Darstellung des Problems der Migration von Löchern (Voids) gemäß dem Stand der Technik.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer elektrisch leitenden Grabenfüllung ist anhand einer Abfolge von Schritten in Querschnittsprofilen in den 18 gezeigt. Die Querschnittsprofile zeigen die Bildung eines Grabens mit elektrisch leitender Füllung betreffend einen Grabenkondensator.

1 zeigt das bereitgestellte Halbleitersubstrat 10 (monokristallines Silizium), in dem ein Graben 18 (Deep Trench) gebildet ist. Der Graben 18 wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel in dem Siliziumsubstrat 10 anhand einer Ätzmaske umfassend eine Schicht 12 aus Siliziumnitrid geätzt. Die Schicht 12 wird dabei in einem fotolithografischen Prozess mit Belichtung einer Resistschicht und anschließendem Entwicklungsprozess am Ort des zu erstellenden Grabens geöffnet. Die Schicht 12 aus Siliziumnitrid liegt üblicherweise auf einer Oxidationsschicht 14 auf dem Halbleitersubstrat 10 auf. Ein vergrabenes dotiertes Gebiet 16 wird in einem unteren Bereich des Grabens 18 gebildet, in dem vorab eine Glasschicht mit einem Dotierstoff in dem Graben 18 abgeschieden und anschließend dieser Dotierstoff ausdiffundiert wird. Es kann sich dabei um Borsilikatglas oder Arsenglas, etc. handeln.

2 zeigt den Zustand, nachdem die Glasschicht entfernt und eine so genannte NOLA-Schicht 20 (NOLA: „Non-conformal Liner by ALD") abgeschieden wurde. Die NOLA-Abscheidung ist beispielweise in der Veröffentlichung EP 1,525,610 A1 von Infineon Technologies AG, München beschrieben. Auf die in der Veröffentlichung dargestellten Details wird im vorliegenden Dokument Bezug genommen. Die NOLA-Abscheidung beeinhaltet eine CVD- bzw. ALD- (Atomic Layer Deposition) Abscheidung unter Verwendung der Prozessgase TMA und H2O. Das Prozessergebnis ist die Ausbildung einer Al2O3-Schicht im oberen Teil des Grabens. Typischerweise sind die Schichten im Bereich von 5–12 nm dick. Die NOLA-Schicht 20 reicht nur in den oberen Bereich des Grabens hinein, der untere Teil des Grabens 18 liegt an seinen Seitenwänden frei von jeglicher Schicht vor.

Der NOLA-Prozess dient zur Aufweitung des unteren Bereichs des Grabens 18. Die Aufweitung bewirkt eine Vergrößerung des Durchmessers und damit der Oberfläche innerhalb des Grabens. Die Kapazität des Kondensators wird damit vorteilhafterweise vergrößert. Als weitere unterstützende Maßnahme (nicht in 2 dargestellt) kann die Oberfläche an den Seitenwänden innerhalb des Grabens 18 durch Bildung einer HSG-Schicht (Hemispherical Silicon Grain) vergrößert werden. Diese Maßnahmen werden insbesondere dann getroffen, wenn auf Grund der Strukturverkleinerung die Grabenbreite im oberen Bereich nur noch 90 nm, oder insbesondere nur noch 70 nm betragen. Eine Vergrößerung der Tiefe des Grabenkondensators zur Oberflächenvergrößerung mit einer Vergrößerung des Aspektverhältnisses ist bei diesen Technologiestufen nur noch begrenzt möglich.

3 zeigt das Ergebnis des Ätzprozesses in dem Siliziumsubstrat an den Grabeninnenwänden, bei dem der Graben des Grabenkondensators eine Flaschenform (Bottle-shaped) erhält.

4 zeigt den Zustand nach Entfernung der NOLA-Schicht 20.

Wie in 5 dargestellt ist, wird anschließend eine Schicht eines dünnen Dielektrikums 22 als Kondensatordielektrikum aufgebracht. Bei den hier betrachteten Technologiestufen, insbesondere 70 nm, wird Al2O3 verwendet.

Nach diesen Verfahrensschritten wird das Halbleitersubstrat nunmehr einem (LP-)CVD-Reaktor zugeführt. Wie in 6 dargestellt ist, wird darin in einem ersten Abscheideschritt amorphes Silizium mit einer Schichtdicke von etwa 20 nm in dem Graben 18 abgeschieden. Diese Schicht kann dotiert oder undotiert ausgeführt werden. Im Anwendungsbeispiel ist sie mit Phosphor dotiert. Der Graben 18 ist somit noch nicht vollständig verfüllt. Im nächsten Schritt findet nun die Belegung dieser dotierten Schicht mit AsH3 statt, typische Belegungszeiten sind 30–60 Minuten. Im nächsten Schritt werden simultan die Gase SiH4 und Phosphingas (PH3) zur Abscheidung von dotiertem amorphem oder polykristallinem Silizium zugeführt. Dann kann die zweite Arsenbelegung genauso wie oben beschrieben stattfinden. Abschliessend wird der Kondensatorgraben vollständig mit einer mit Phosphor dotierten amorphen oder polykristallinen Siliziumschicht aufgefüllt wie in 7 als Schicht 30b dargestellt. Die Prozessparameter für diese Abscheidung umfassen im wesentlichen Temperatur, Druck und Gasflüsse. Der jeweils nutzbare Bereich von Parameterwerten erstreckt sich gemäß diesem Beispiel für die einzelnen Parameter:

Temperatur: 500–650°C

Druck: 0.5–600 Torr entsprechend 66,661 Pa–79993,4 Pa

SiH4: 100–500 sccm

AsH4 bzw. PH3: 30–300 sccm

H2: 0.5–20 slm

Die angegebenen Prozessparameter beziehen sich sowohl auf Anlagen mit Batch-Verarbeitung, welche typischerweise in einem LPCVD (LowPressureCVD) Modus betrieben werden, als auch CVD- Verfahren in einer Einzelscheibenanlage, die bis in den subatmosphärischen Druckbereich arbeiten können.

Die in dem ersten und zweiten Abscheideschritt aufgewachsene Schicht 24 von Poly-Silizium ist somit homogen mit Phosphor dotiert. Ein erster Anteil 30a der elektrisch leitenden Grabenfüllung ist fertig gestellt, welche eine Oberfläche 26 aufweist.

Nach Erreichen der genannten Schichtdicke der Schicht 24 wird die Zuführung der Gase zur Abscheidung von Poly-Silizium und Phosphor gestoppt, und ein Wechsel der Geräteparameter vorgenommen. Es wird nun Arsingas (AsH3) zugeführt, sodass sich eine Monolage, oder mehrere Monolagen, Arsen auf der Oberfläche 26 ablagern (Bezugszeichen 28).

Wie in 7 gezeigt ist, wird anschließend wieder zurückgewechselt auf die Abscheidung von Poly-Silizium dotiert mit Phosphor. Die weitere Dotierung mit Arsen kann wie oben angegeben entsprechend durchgeführt werden, es ist jedoch auch grundsätzlich möglich auf diese zusätzliche Arsen-Dotierung zu verzichten. Dies hängt ab von den Schichtdicken, mit denen jeweils die Abscheideschritte für das Poly-Silizium mit dem Phosphor vorgenommen werden im Verhältnis zur Grabenbreite, hier 70 nm. Der Graben 18 ist nunmehr verfüllt und die Monolagen mit dem Arsen befinden sich gleich einem digitalen Dotierprofil inmitten der mit Phosphor dotierten amorphen- oder polykristallinen Siliziumschicht.

8 beschreibt den Zustand nach einer Rückätzung der leitenden Grabenfüllung in dem Graben 18 bis oberhalb des vergrabenen Dotiergebietes 16. Bei diesem moderat thermischen Prozess findet bereits der Einbau der Arsenatome in das Poly-Siliziumgitter statt. Eine vollständig homogene Verteilung und Ladungsträgeraktivierung wird allerdings erst in nachfolgenden Hochtemperaturschritten erreicht. Die elektrisch leitende Grabenfüllung 30 umfasst nunmehr die in den Teilschritten entstandenen Füllungen 30a, 30b sowie die Monolagen 28. Wie erwähnt, können durch Berücksichtigung kleinerer Schichtdicken für die Poly-Siliziumabscheidung weitaus mehr Teilfüllungen 30a, 30b alternierend mit Monolagen 28 eingerichtet werden.

Der Grabenkondensator 34 umfassend eine erste Kondensatorelektrode als vergrabenes Dotiergebiet 16, ein Kondensatordielektrikum als dielektrische Schicht 22 sowie eine zweite Kondensatorelektrode als elektrisch leitende Grabenfüllung 30 ist somit gebildet.

Ein Anschluss des Grabenkondensators an einen Auswahltransistor wird ermöglicht durch weiteres konformes Abscheiden einer isolierenden Schicht zur Bildung eines Isolationskragens (Collar). Dieser kann alternierend mit einer weiteren elektrisch leitenden Grabenfüllung aus amorphem bzw. polykristallinem Silizium dotiert mit Phosphor und Arsen oder mit einer solchen dotiert entweder mit Phosphor oder Arsen aufgefüllt werden. Weitere Einzelheiten des Grabenanschlusses richten sich danach, ob ein planarer oder ein vertikaler Auswahltransistor angestrebt ist.

Die Ausbildung der Auswahltransistoren und ihre Positionierung erfolgt wiederum gemäß dem Stand der Technik. Die Bildung des erfindungsgemäßen Grabenkondensators ist auf keine der speziellen Ausführungsformen von vertikalen oder planaren Auswahltransistoren beschränkt, sondern vielmehr allgemein anwendbar. Einen besonders vorteilhaften Effekt erzielt das erfindungsgemäße Verfahren angewandt auf Grabenkondensatoren mit Breiten von 70 nm oder weniger. Bei den hohen Aspektverhältnissen wurde herausgefunden, dass das digitale Dotierprofil des Arsens weitaus weniger homogenisiert wird und als Unsicherheitsfaktor immer stärker zu Buche schlägt. Da die Schichtdicken des Poly-Siliziums nicht beliebig klein gewählt werden können, kann es daher umso leichter dazu kommen, dass eine digitale "Stufe" für das Arsen möglicherweise nicht zur Anwendung kommt und der Dotiergrad daher erheblich unterschritten wird. Durch die Kombination mit Phosphor wird dies ausgeglichen.

Gleichzeitig wird die Migration von Löchern auf Grund des Zusatzes von Phosphor durch das Arsen wirkungsvoll verhindert, welches gerade im Fall der Oberflächenvergrößerung zum Beispiel durch NOLA oder HSG stärker zu Buche schlagen würde, denn die Löcher belegen bei gleicher Größe einen größeren Oberflächenanteil, insbesondere bei der HSG-Anwendung.

Das Problem der Void-Migration ist in den 9 und 10 gezeigt. Eine Schicht Poly-Siliziums 30', welche gemäß dem Stand der Technik nur mit Phosphor dotiert ist, ist dabei in dem Graben 18 abgeschieden worden. Entlang der Längsachse des Grabens 18 bildet sich ein unregelmäßiges Loch 32 dort, wo die aufwachsenden Schichten sich treffen, und die Löcher nicht mehr verfüllt werden können. 10 zeigt den Zustand nach Anwendung eines nachfolgenden thermischen Anneal- und/oder Oxidationsprozesses, strukturverändernder Plasmaätzung oder einer späteren Aluminiumabscheidung. Die unregelmäßige Lochstruktur 32 teilt sich und wandert als Vielzahl von Löchern 33 (Voids) in Richtung auf die Grabeninnenwand des Grabens 18 hin. Dort lagern sie sich an das Kondensatordielektrikum 22 an. Die Oberfläche des Dielektrikums wird dadurch nachteilhaft verringert, während gleichzeitig an den Kanten der Voids 33 solche die Funktion des Grabenkondensators beeinträchtigende Feldspitzen entstehen. Wie erwähnt, werden durch das erfindungsgemäße Verfahren und dem erfindungsgemäßen Grabenkondensator die in den 9 und 10 gezeigten Wirkungen behoben oder zumindest vermindert.

10
Halbleitersubstrat
12
Siliziumnitrid
14
Oxidationsschicht
16
vergrabenes Dotiergebiet
18
Graben
20
NOLA-Schicht
22
dielektrische Schicht, Al2O3
24
amorphe oder polykristalline Siliziumschicht
26
Oberfläche
28
Monolage(n) von Arsen
30a, b
Teilfüllungen des Grabens mit amorphem und Polykristalline Silizium, dotiert mit Phosphor
30
elektrisch leitende Grabenfüllung, dotiert mit Phosphor und Arsen
30'
elektrisch leitende Grabenfüllung, dotiert ausschließlich mit Phosphor
32
Lochstruktur nach Abscheidung von amorphen- oder Polykristallinem-Silizium
33
Löcher, Voids, migriert an Grabeninnenwand


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Füllung (30) in einem Graben (18), welcher in einem Halbleitersubstrat (10) oder in einer Schicht auf dem Halbleitersubstrat gebildet ist, umfassend die Schritte:

– Bereitstellen des Halbleitersubstrats (10) mit dem Graben (18) und

– Abscheiden der Stoffe amorphes oder polykristallines Silizium, Arsen und Phosphor zur Bildung der elektrisch leitenden Füllung (30) in dem Graben (18), wobei

– das Abscheiden von amorphem oder polykristallinem Silizium und das Abscheiden von Phosphor simultan durchgeführt werden,

– das Abscheiden von Arsen zeitlich separat von der Abscheidung von amorphem oder polykristallinem Silizium und Phosphor durchgeführt wird und

– das Abscheiden von Arsen die Bildung wenigstens einer Monolage (28) von Arsenatomen auf einer durch das amorphe oder polykristalline Silizium und den Phosphor gebildeten Oberfläche umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Graben (18) mit einem Aspektverhältnis einer Tiefe zu einer Breite von mehr als 10 : 1 gebildet wird. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Graben (18) mit einem Aspektverhältnis einer Tiefe zu einer Breite von mehr als 50 : 1 gebildet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Graben mit einer Breite von weniger als 75 nm ausgebildet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem vor dem Abscheiden von amorphem oder polykristallinem Silizium und Phosphor eine dielektrische Schicht (22) in dem Graben (18) zur Bildung eines Kondensatordielektrikums abgeschieden wird, so dass die elektrisch leitende Füllung (30) in dem Graben (18) nach der Abscheidung eine Kondensatorelektrode in einem Grabenkondensator bildet. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem nach dem Abscheiden von Arsen ein thermischer Prozessschritt an dem Halbleitersubstrat (10) ausgeführt wird, so dass Arsenatome in das amorphe oder polykristalline Silizium ausdiffundieren. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Schritte simultanes Abscheiden von amorphem oder polykristallinem Silizium und Phosphor sowie Abscheiden von Arsen in alternierender Weise wenigstens einmal wiederholt werden. Grabenkondensator in einem Halbleitersubstrat mit

– einem Graben (18) in dem Halbleitersubstrat (10),

– einer ersten Kondensatorelektrode, die durch ein vergrabenes dotiertes Gebiet (16) in dem Halbleitersubstrat an der Innenwand des Grabens (18) ausgebildet ist,

– einem Kondensatordielektrikum, das durch eine dielektrische Schicht (22) an einer Innenwand des Grabens (18) ausgebildet ist, und

– einer zumindest in einem unteren Abschnitt des Grabens (18) angeordneten zweiten Kondensatorelektrode, die durch eine elektrisch leitende Grabenfüllung (30) aus a) amorphem oder polykristallinem Silizium, b) Phosphor und c) Arsen ausgebildet ist, wobei

in der Grabenfüllung (30) der Phosphor homogen und das Arsen inhomogen zwischen dem amorphen oder polykristallinen Silizium verteilt ist.
Grabenkondensator nach Anspruch 8, bei dem ein oberer Abschnitt des Grabens (18) durch einen Isolationskragen von dem Halbleitersubstrat (10) isoliert ist. Grabenkondensator nach Anspruch 9, bei dem in dem oberen Abschnitt des Grabens (18), seitlich von dem Isolationskragen umschlossen, eine elektrisch leitende Grabenfüllung (30) eingebracht ist, die a) amorphes oder polykristallines Silizium und b) Phosphor umfasst. Grabenkondensator nach Anspruch 9, bei dem in dem oberen Abschnitt des Grabens (18), seitlich von dem Isolationskragen umschlossen, eine elektrisch leitende Grabenfüllung (30) eingebracht ist, die a) amorphes oder polykristallines Silizium und b) Arsen umfasst. Grabenkondensator nach Anspruch 9, bei dem in dem oberen Abschnitt des Grabens (18), seitlich von dem Isolationskragen umschlossen, eine elektrisch leitende Grabenfüllung (30) eingebracht ist, die a) amorphes oder polykristallines Silizium, b) Phosphor und c) Arsen umfasst. Grabenkondensator nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem der Graben (18) eine Innenwand aufweist, die mit einer HSG-(Hemispherical Silicon Grain)-Struktur zur Oberflächenvergrößerung versehen ist.






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