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    • 专利摘要:
    Die vorliegende Erfindung schafft einen Grabenkondensator, insbesondere zur Verwendung in einer Halbleiter-Speicherzelle, mit einem Graben (2), der in einem Halbleitersubstrat (1) gebildet ist; einem Isolationskragen (5'') im oberen Bereich des Grabens (2); einer im Graben (2) auf dem Halbleitersubstrat (1) befindlichen unteren leitenden metallischen Kondensatorelektrode (100''); einer im Graben (2) befindlichen oberen leitenden Kondensatorelektrode (100''', 80, 80'); einer zwischen der ersten und zweiten Kondensatorelektrode befindlichen dielektrischen Schicht (70) als Kondensatordielektrikum; wobei die untere leitende metallische Kondensatorelektrode (100'') eine vom Halbleitersubstrat (1) zur dielektrischen Schicht (70) hin von einem ersten Wert (C1) zu einem zweiten Wert (C2) variierende stöchimetrische Zusammensetzung aufweist. Die Erfindung schafft ebenfalls ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
    公开号:DE102004019090A1
    申请号:DE200410019090
    申请日:2004-04-20
    公开日:2005-11-24
    发明作者:Harald Seidl
    申请人:Infineon Technologies AG；
    IPC主号:H01L21-822
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft einen Grabenkondensator, insbesonderezur Verwendung in einer Halbleiter-Speicherzelle, und ein entsprechendesHerstellungsverfahren.
    [0002] Obwohlauf beliebige Grabenkondensatoren anwendbar, werden die vorliegendeErfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik nachstehend in Bezugauf einen in einer DRAM-Speicherzelleverwendeten Grabenkondensator erläutert.
    [0003] IntegrierteSchaltungen (ICs) oder Chips verwenden Kondensatoren zum Zweckeder Ladungsspeicherung. Ein Beispiel eines IC, welcher Kondensatorenzum Speichern von Ladungen verwendet, ist ein Speicher-IC, wie z.B.ein Chip füreinen dynamischen Schreib-/Lesespeicher mit wahlfreiem Zugriff (DRAM).Der Ladungszustand ("0" oder "1") in dem Kondensator repräsentiertdabei ein Datenbit.
    [0004] EinDRAM-Chip enthälteine Matrix von Speicherzellen, welche in Form von Zeilen und Spalten verschaltetsind. Üblicherweisewerden die Zeilenverbindungen als Wortleitungen und die Spaltenverbindungenals Bitleitungen bezeichnet. Das Auslesen von Daten von den Speicherzellenoder das Schreiben von Daten in die Speicherzellen wird durch die Aktivierunggeeigneter Wortleitungen und Bitleitungen bewerkstelligt.
    [0005] Üblicherweiseenthälteine DRAM-Speicherzelle einen mit einem Kondensator verbundenen Transistor.Der Transistor enthältzwei Diffusionsbereiche, welche durch einen Kanal getrennt sind,oberhalb dessen ein Gate angeordnet ist. Abhängig von der Richtung des Stromflussesbezeichnet man den einen Diffusionsbereich als Drain und den anderen alsSource. Die Bezeichnungen "Drain" und "Source" werden hier hinsichtlichder Diffusionsbereiche gegenseitig austauschbar verwendet. Die Gatessind mit einer Wortleitung verbunden, und einer der Diffusionsbereicheist mit einer Bitleitung verbunden. Der andere Diffusionsbereichist mit dem Kondensator verbunden. Das Anlegen einer geeignetenSpannung an das Gate schaltet den Transistor ein, ermöglicht einenStromfluß zwischenden Diffusionsbereichen durch den Kanal, um so eine Verbindung zwischen demKondensator und der Bitleitung zu bilden. Das Ausschalten des Transistorstrennt diese Verbindung, indem der Stromfluß durch den Kanal unterbrochenwird.
    [0006] Dasfortlaufende Bestreben nach Verkleinerung der Speichervorrichtungenfördertden Entwurf von DRAMs mit größerer Dichteund kleinerer charakteristischer Größe, d.h. kleinerer Speicherzellenfläche. ZurHerstellung von Speicherzellen, welche eine geringeren Oberflächenbereichbesetzen, werden kleinere Komponenten, beispielsweise Kondensatoren,verwendet. Jedoch resultiert die Verwendung kleinerer Kondensatorenin einer erniedrigten Speicherkapazität, was wiederum die Funktionstüchtigkeitund Verwendbarkeit der Speichervorrichtung widrig beeinflussen kann.Beispielsweise erfordern Leseverstärker einen ausreichenden Signalpegel zumzuverlässigenAuslesen der Information in den Speicherzellen. Das Verhältnis derSpeicherkapazität zurBitleitungskapazitätist entscheidend bei der Bestimmung des Signalpegels. Falls dieSpeicherkapazitätzu gering wird, kann dieses Verhältniszu klein zur Erzeugung eines hinreichenden Signals sein. Ebenfallserfordert eine geringere Speicherkapazität eine höhere Auffrischfrequenz.
    [0007] EinKondensatortyp, welcher üblicherweise inDRAMs verwendet wird, ist ein Grabenkondensator. Ein Grabenkondensatorhat eine dreidimensionale Struktur, welche in dem Siliziumsubstratausgebildet ist. Eine Erhöhungdes Volumens bzw. der Kapazitätdes Grabenkondensators kann durch tieferes Ätzen in das Substrat erreichtwerden. In diesem Fall bewirkt die Steigerung der Kapazität des Grabenkondensatorskeine Vergrößerung dervon der Speicherzelle belegten Oberfläche.
    [0008] Ein üblicherGrabenkondensator enthälteinen in das Substrat geätztenGraben. Dieser Graben wird typischerweise mit p+- oder n+-dotiertemPolysilizium gefüllt,welches als eine Kondensatorelektrode dient (auch als Speicherkondensatorbezeichnet). Die zweite Kondensatorelektrode ist das Substrat odereine "vergrabenePlatte". Ein Kondensatordielektrikum,welches z.B. Nitrid enthält,wird üblicherweisezur Isolation der zwei Kondensatorelektroden verwendet.
    [0009] Indem oberen Bereich des Grabens wird ein dielektrischer Kragen (vorzugsweiseein Oxidbereich) erzeugt, um einen Leckstrom zu verhindern bzw.den oberen Teil des Kondensators zu isolieren.
    [0010] DasKondensatordielektrikum wird in dem oberen Bereich des Grabens,wo der Kragen zu bilden ist, üblicherweisevor dessen Bildung entfernt, da dieser obere Teil des Kondensatordielektrikumsfür nachfolgendeProzeßschrittehinderlich ist.
    [0011] Umdie Speicherdichte fürzukünftigeSpeichertechnolgie – Generationenweiter zu erhöhen, wirddie Strukturgröße von Generationzu Generation verkleinert. Die immer kleiner werdende Kondensatorfläche unddie dadurch bedingte kleiner werdende Kondensatorkapazität führt zu Problemen.Deshalb ist es eine wichtige Aufgabe, die Kondensatorkapazität trotzkleinerer Strukturgröße mindestenskonstant zu halten. Dies kann unter anderem durch eine Erhöhung derFlächenladungsdichtedes Speicherkondensators erreicht werden.
    [0012] Bisherwurde dieses Problem einerseits durch eine Vergrößerung der zur Verfügung stehendenKondensatorflächebei vorgegebener Strukturgröße gelöst, beispielsweisedurch eine Aufweitung des Trenches („Wet Bottle") unterhalb des Kragens bzw.Collars oder durch eine Aufrauhung der Oberfläche im Graben. Andererseitswurde bisher die Flächenladungsdichtedurch eine Verringerung der Dicke des Dielektrikums erhöht. Dabeiwurden bisher als Dielektrika fürTrenchkondensatoren ausschließlichverschiedene Kombinationen von SiO2 (Siliziumdioxid)und Si3N4 (Siliziumnitrid)in Verbindung mit dotierten Siliziumelektroden verwendet. Eine weitere Verringerungder Dicke dieser Materialien ist aufgrund der dadurch auftretendenhohen Leckströme nichtmöglich.Aus diesem Grunde wird verstärktan der Einführungneuer Dielektrika mit höhererDielektrizitätskonstante,sogenannter High-k-Dielektrika, z.B. Al2O3, HfO2, etc ., gearbeitet.
    [0013] DerSerienwiderstand wurde bisher durch eine Erhöhung des Dotierungsniveausder inneren Grabenelektrode aus Polysilizium verringert. Eine weitereErhöhungder Dotierung ist jedoch nur in sehr begrenztem Umfang möglich.
    [0014] Umdieses Problem zu beheben, wurde bereits die Einführung einerMetall-Isolator-Metall-Kondensatorstruktur (MIM) vorgeschlagen.Speziell im Fall des Grabenkondensators ergeben sich dabei u.a.folgende Probleme: a) Die untere Metallelektrodeverringert den Grabendurchmesser und damit die zur Verfügung stehendeKondensatorfläche. b) Hat das Metall der Metallelektrode eine Austrittsarbeit größer alsn-dotiertes Silizium (etwa 9,2 eV), so entsteht eine Schottky-Barriere,welche den notwendigen ohmschen Kontakt zwischen der Metallelektrodeund dem n-dotierten Substratsilizium der vergrabenen Platte verhindert.Dies kann nur durch eine sehr hohe Dotierung der vergrabenen Platte(größer 1021 cm-3) verhindertwerden, was aber aufgrund von prozesstechnischen Beschränkungennicht möglich ist.Derzeit werden lediglich Dotierungsniveaus bis etwa 1020 cm-3 erzielt.
    [0015] Daherist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Grabenkondensatormit Isolationskragen und ein entsprechendes Herstellungsverfahrenzu schaffen, wobei der Serienwiderstand weiter erniedrigt ist, ohnedass die Funktionstüchtigkeitbeeinträchtigtwird.
    [0016] Erfindungsgemäß wird dieseAufgabe durch den in Anspruch 1 angegebenen Grabenkondensator miteinem Isolationskragen gelöst.Weiterhin wird diese Aufgabe durch das in Anspruch 6 angegebene Verfahrengelöst.
    [0017] BevorzugteWeiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
    [0018] Dieder vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee liegt in der Bereitstellungeiner extrem dünnenunteren leitenden metallischen Kondensatorelektrode, beispielsweisemit einer Dicke von höchstens5 nm.
    [0019] Esist aber sehr schwierig, homogene durchgängige Schichten dieser Dickeherzustellen. Speziell polykristalline Schichten sind dafür nichtgeeignet. Daher wird insbesondere vorgeschlagen, ternäre oderquarternäreSchichtsysteme zu verwenden (z.B. TiAlN, TiSiN, TiTaN, TiHFN, TiZrN,TiZrSiN,...), welche auch bis zu hohen Temperaturen amorph bleiben.Diese ternärenoder quarternärenSchichten könnenz.B. durch ALD-Verfahrenabgeschieden werden. Dadurch eröffnetsich die Möglichkeit,die Zusammensetzung der Schichten über die Schichtdicke hinwegbeliebig zu variieren.
    [0020] Manstartet im Fall von TiTaN z.B. mit einer Ta-reichen Elektrodenschichtauf dem Substratsilizium und erreicht damit eine Austrittsarbeitvon ca. 4,1 bis 4,2 eV, womit man eine Schottky-Barriere zum Substratsiliziumvermeiden kann bzw. so stark verringern kann, dass ein Ohm'scher Kontakt entsteht.Im weiteren Verlauf der Abscheidung erhöht man graduell z.B. den Ti-und N-Anteil der Schicht und erreicht damit eine gute Stabilität des Materialsim Kontakt mit der dielektrischen Schicht, z.B. Al2O3. Dieses Vorgehen kann analog mit anderenMetallen angewandt werden. Insbesondere kommen folgende Metalle aufgrundihrer Austrittsarbeiten nahe 4,2 eV in Frage: Ta, Ti, V, Al, Nb,Zr, HF.
    [0021] Gemäß einerbevorzugten Weiterbildung beträgtdie Dicke der unteren leitenden metallischen Kondensatorelektrodehöchstens5 nm.
    [0022] Gemäß einerweiteren bevorzugten Weiterbildung besteht die untere leitende metallischeKondensatorelektrode aus einem ternären oder quaternären Material,wobei der erste Wert einen hohen Anteil eines der Metalle Ta, Ti,V, Al, Nb, Zr, HF angibt und der zweite Wert einen niedrigen Wert.
    [0023] Gemäß einerweiteren bevorzugten Weiterbildung gibt der zweite Wert eine gutethermische Stabilitätdes ternärenoder quaternärenMaterials zur dielektrischen Schicht an.
    [0024] Gemäß einerweiteren bevorzugten Weiterbildung besteht die dielektrische Schichtaus Al2O3, gibtder zweite Wert Taarmes TaTiN an und gibt der erste Wert Ta-reichesTaTiN an.
    [0025] EinAusführungsbeispielder vorliegenden Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt undwerden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
    [0026] 1a-1h diezum Verständnisder Erfindung wesentlichen Verfahrensschritte zur Herstellung einesAusführungsbeispielsdes erfindungsgemäßen Grabenkondensators;und
    [0027] 2 zeigteine vergrösserteDarstellung der Schichtenfolge vom Substrat bis zur Grabenfüllung beider Ausführungsformnach 1.
    [0028] Inden Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleicheBestandteile.
    [0029] 1a-1h zeigendie zum Verständnis derErfindung wesentlichen Verfahrensschritte zur Herstellung einesAusführungsbeispielsdes erfindungsgemäßen Grabenkondensators.
    [0030] Beider vorliegenden ersten Ausführungsformwerden zunächstauf einem Siliziumsubstrat 1 eine Padoxidsschicht 5 undeine Padnitridschicht 10 abgeschieden. Dann wird eine weitere(nicht dargestellte) Oxidschicht abgeschieden und diese Schichtenwerden dann mittels einer ebenfalls nicht gezeigten Photolackmaskeund einem entsprechenden Ätzverfahrenzu einer sogenannten Hartmaske strukturiert. Unter Verwendung dieserHartmaske werden Gräben 2 miteiner typischen Tiefe von circa 1-10 μm in das Siliziumsubstrat 1 geätzt. Danachwird die oberste Oxidschicht entfernt, um zum in 1a dargestelltenZustand zu gelangen.
    [0031] Ineinem (nicht gezeigten) folgenden Prozessschritt erfolgt eine Ausdiffusiondes Arsen aus Arsensilikatglas (ASG) in das Siliziumsubstrat 1 ineinem Temperschritt zur Bildung einer vergrabenen Platte bzw. BuriedPlate 60, welche eine erste Kondensatorelektrode bildet.
    [0032] Gemäß 1b erfolgtdaraufhin die Abscheidung einer Metall-Isolator-Metall-Struktur,bestehend aus einer unteren Metallelektrodenschicht 100'', einer Dielektrikumschicht 70,z.B. aus Al2O3, undeiner oberen Metallelektrodenschicht 100'''.
    [0033] Ineinem weiteren Prozessschritt wird gemäß 1c Arsendotiertespolykristallines Silizium 80 auf der resultierenden Strukturabgeschieden, so daß es dieGräben 2 vollständig ausfüllt. Alternativermaßen könnte auchPoly-Silizium-Germaniumzur Auffüllung verwendetwerden.
    [0034] Ineinem darauffolgenden Prozessschritt gemäß 1d wirddas dotierte Polysilizium 80, bzw. das Poly-Silizium-Germanium bis zurOberseite der Buried Plate 60 zurückgeätzt.
    [0035] ZurErreichung des in 1e dargestellten Zustands erfolgtdann ein isotropes Ätzender Metallelektrodenschichten 100'' und 100''' unddes Dielektrikums 70 mit hoher Dielektrizitätskonstanteim oberem freigelegten Bereich der Gräben 2, und zwar entwedermit einem nasschemischen oder einem trockenchemischen Ätzverfahren.
    [0036] Ineinem darauffolgenden Prozessschritt gemäß 1f wirdein Kragenoxid 5'' im oberen Bereichder Gräben 2 gebildet.Dies geschieht durch eine ganzflächigeOxidabscheidung und ein darauffolgendes anisotropes Ätzen desOxids, so daß das Kragenoxid 5'' an den Seitenwänden im oberen Grabenbereichstehenbleibt.
    [0037] Wiein 1g illustriert, wird in einem darauffolgendenProzessschritt erneut mit Arsen dotiertes Polysilizium 80' abgeschiedenund zurückgeätzt.
    [0038] Gemäß 1h folgtschließlicheine nasschemische Entfernung des Kragenoxids 5'' im oberen Grabenbereich.
    [0039] DerKernaspekt der vorliegenden Ausführungsformwird nächstehendunter Bezugnahme auf 2 erläutert, die eine vergrösserte Darstellungder Schichtenfolge vom Substrat bis zur Grabenfüllung bei der Ausführungsformnach 1 zeigt.
    [0040] Wiein 2 dargestellt, wird als untere leitende metallischeKondensatorelektrodenschicht eine ternäre Schicht aus TiTaN vorgesehen,die von einem ersten Wert C1 der stöchiometrischen Zusammensetzungzu einem zweiten Wert C2 der stöchiometrischenZusammensetzung vom Halbleitersubstrat 1 zum Kondensatordielektrikum 70 hinvariiert.
    [0041] Beimvorliegenden Ausführungsbeispielist die untere leitende Elektrodenschicht 100'' Ta-reiches TaTiN mit einer Austrittsarbeitvon etwa 4,1 eV. Durch Änderungder Gaszusammensetzung beim verwendeten ALCVD-Verfahren (atomiclayer chemical vapour deposition) wird die Schichtzusammensetzungmit dicker werdender unterer leitender Elektrodenschicht 100'' zu Taarmem TaTiN variiert.
    [0042] AlsDielektrikumsschicht 70 wird dann ein Dielektrikum ausAl2O3 verwendet,so dass einerseits an der Grenzfläche zum Substrat die Schottky-Barriereklein gehalten ist und andererseits ein guter thermischer Kontaktzum Dielektrikum 70 herstellbar ist. Auch eine sehr gutethermische Stabilitätwird in dieser Grenzflächeerzielt.
    [0043] Obwohldie vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispielsbeschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Artund Weise modifizierbar.
    [0044] Insbesonderesind die angeführtenMaterialien nur beispielhaft und durch andere Materialien mit geeignetenEigenschaften ersetzbar. Dasgleiche gilt für die genannten Ätzprozesseund Abscheidungsprozesse.
    1 Siliziumsubstrat 2 Graben 5 Padoxid 5'' Isolationskragen 10 Padnitrid 60 BuriedPlate 70 Dielektrikum 80,80' dotiertesPolysilizium 100'', 100''' Metallelektrodenschicht
    权利要求:
    Claims (11)
    [1] Grabenkondensator, insbesondere zur Verwendungin einer Halbleiter-Speicherzelle, mit: einem Graben (2),der in einem Halbleitersubstrat (1) gebildet ist; einemIsolationskragen (5'') im oberenBereich des Grabens (2); einer im Graben (2)auf dem Halbleitersubstrat (1) befindlichen unteren leitendenmetallischen Kondensatorelektrode (100''); einerim Graben (2) befindlichen oberen leitenden Kondensatorelektrode(100''', 80, 80'); einerzwischen der ersten und zweiten Kondensatorelektrode befindlichendielektrischen Schicht (70) als Kondensatordielektrikum; wobei dieuntere leitende metallischen Kondensatorelektrode (100'') eine vom Halbleitersubstrat (1)zur dielektrischen Schicht (70) hin von einem ersten Wert(C1) zu einem zweiten Wert (C2) variierende stöchimetrische Zusammensetzungaufweist.
    [2] Grabenkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß dieDicke der unteren leitenden metallischen Kondensatorelektrode (100'') höchstens 5 nm beträgt.
    [3] Grabenkondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurchgekennzeichnet, daß dieuntere leitende metallische Kondensatorelektrode (100'') aus einem ternären oderquaternärenMaterial besteht und der erste Wert (C1) einen hohen Anteil einesder Metalle Ta, Ti, V, Al, Nb, Zr, HF angibt und der zweite Wert (C2)einen niedrigen Wert.
    [4] Grabenkondensator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,daß derzweite Wert (C2) eine gute thermische Stabilität des ternären oder quaternären Materialszur dielektrischen Schicht (70) angibt.
    [5] Grabenkondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, daß diedielektrische Schicht (4) aus Al2O3 besteht, der zweite Wert (C2) Ta-armesTaTiN angibt und der erste Wert (C1) Ta-reiches TaTiN angibt.
    [6] Herstellungsverfahren für einen Grabenkondensator,insbesondere zur Verwendung in einer Halbleiter-Speicherzelle, mitden Schritten: Vorsehen eines Grabens (2), der ineinem Halbleitersubstrat (1) gebildet ist; Vorseheneines Isolationskragens (5'') im oberenBereich des Grabens (2); Vorsehen einer im Graben(2) auf dem Halbleitersubstrat (1) befindlichenunteren leitenden metallischen Kondensatorelektrode (100''); Vorsehen einer im Graben(2) befindlichen oberen leitenden Kondensatorelektrode(100''', 80, 80'); Vorseheneiner zwischen der ersten und zweiten Kondensatorelektrode befindlichendielektrischen Schicht (70) als Kondensatordielektrikum; wobei dieuntere leitende metallischen Kondensatorelektrode (100'') derart vorgesehen wird, dasssie eine vom Halbleitersubstrat (1) zur dielektrischenSchicht (70) hin von einem ersten Wert (C1) zu einem zweiten Wert(C2) variierende stöchimetrischeZusammensetzung aufweist.
    [7] Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,daß dieDicke der unteren leitenden metallischen Kondensatorelektrode (100'') höchstens 5 nm beträgt.
    [8] Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,daß dieuntere leitende metallische Kondensatorelektrode (100'') aus einem ternären oderquaternärenMaterial besteht und der erste Wert (C1) einen hohen Anteil einesder Metalle Ta, Ti, V, Al, Nb, Zr, HF angibt und der zweite Wert(C2) einen niedrigen Wert.
    [9] Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,daß derzweite Wert (C2) eine gute thtermische Stabilität des ternären oder quaternären Materialszur dielektrischen Schicht (70) angibt.
    [10] Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis9, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischeSchicht (4) aus Al2O3 besteht,der zweite Wert (C2) Ta-armes TaTiN angibt und der erste Wert (C1)Ta-reiches TaTiN angibt.
    [11] Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis10, dadurch gekennzeichnet, daß dieuntere leitende metallischen Kondensatorelektrode (100'') durch ein ALD-Verfahren vorgesehenwird.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-11-24| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2006-11-02| 8364| No opposition during term of opposition|
    2010-02-18| 8339| Ceased/non-payment of the annual fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    DE200410019090|DE102004019090B4|2004-04-20|2004-04-20|Grabenkondensator mit Isolationskragen|DE200410019090| DE102004019090B4|2004-04-20|2004-04-20|Grabenkondensator mit Isolationskragen|
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