-
Die
Erfindung betrifft eine Teststruktur zum Bestimmen eines Dotierbereiches
einer äußeren Kondensatorelektrode
eines Grabenkondensator in einem Speicherzellenfeld, wobei die Grabenkondensatoren
des Speicherzellenfeldes matrixförmig
angeordnet sind.
-
Halbleiterspeicher,
insbesondere dynamische Halbleiterspeicher mit wahlfreiem Zugriff (DRAM)
setzen sich aus einer Matrix von Speicherzellen zusammen, die in
Form von Zeilen über
Wortleitungen und Spalten über
Bitleitungen verschaltet sind. Das Auslesen der Daten aus den Speicherzellen
oder das Schreiben der Daten in die Speicherzellen wird durch Aktivierung
geeigneter Wort- und Bitleitungen bewerkstelligt. Eine dynamische
Speicherzelle enthält
im Allgemeinen einen Auswahltransistor und eine Speicherkondensator,
wobei der Auswahltransistor üblicherweise
als horizontal ausgelegter Feldeffekttransistor ausgestaltet ist
und zwei Diffusionsbereiche umfasst, welche durch einen Kanal getrennt
sind, oberhalb dessen eine Steuerelektrode, ein sogenanntes Gate,
angeordnet ist. Das Gate ist wiederum mit einer Wortleitung verbunden.
Einer der Diffusionsbereiche des Auswahltransistors ist an eine Bitleitung
und der andere Diffusionsbereich an den Speicherkondensator angeschlossen.
Durch Anlegen einer geeigneten Spannung über die Wortleitung an das
Gate schaltet der Auswahltransistor durch und ermöglicht eine
Stromfluss zwischen den Diffusionsgebieten, um den Speicherkondensator über die angeschlossene
Bitleitung zu laden.
-
Zielsetzung
bei der DRAM-Speicher-Entwicklung ist es, eine möglichst hohe Ausbeute von Speicherzellen
mit guter Funktionalität
bei zusätzlich minimaler
Chipgröße zu erreichen.
Das fortlaufende Bestreben, die DRAM-Speicherzellen zu verklei nern, hat
zum Entwurf von Speicherzellen geführt, bei denen insbesondere
der Speicherkondensator die dritte Dimension nutzt. Ein dreidimensionales
Speicherkondensatorkonzept sind Grabenkondensatoren, bestehend aus
einem in das Halbleitersubstrat geätzten Graben, der mit einem
hochleitfähigen
Material gefüllt
ist, welcher als innere Kondensatorelektrode dient. Die elektrische
Verbindung zwischen dem Diffusionsgebiet des Auswahltransistors
und der inneren Kondensatorelektrode des Grabenkondensators in einer
Speicherzelle erfolgt im oberen Grabenbereich durch einen üblicherweise
als Diffusionsgebiet ausgebildeten Elektrodenanschluss, dem sogenannten
Buried Strap. Die äußere Kondensatorelektrode ist
dagegen im Allgemeinen im Substrat als Diffusionsgebiet vergraben
ausgebildet, wobei diese äußere Kondensatorelektrode über eine
weitere vergraben ausgebildete Schicht im Halbleitersubstrat, eine sogenannte
Buried Plate, ankontaktiert ist.
-
Bei
DRAM-Speichern ist insbesondere die Ansteuerlogik der einzelnen
Speicherzellen sehr zeitkritisch, d.h. die zeitliche Folge der einzelnen
an die Speicherzellen angelegten Signale zum Ein- und Auslesen muss
sehr genau abgestimmt sein. Aus diesem Grund werden bei DRAM-Speicherchips
in der Regel Computersimulationen durchgeführt, bei denen als Simulationsparameter
das Schaltverhalten der einzelnen Speicherzellen, das Speicherverhalten der
Grabenkondensatoren sowie die parasitären Kapazitäten und Widerständen berücksichtigt
werden. Die Größe des Dotierbereiches
der äußeren Kondensatorelektrode
hat dabei wesentlichen Einfluss auf das elektrische Verhalten der
Speicherzelle und damit auf die zu ladende Speicherkapazität und die
Ladungsgeschwindigkeit. Daher ist die genaue Kenntnis der Dotierausdehnung
der äußeren Kondensatorelektrode
für die
Bestimmung der Leistungsmerkmale der Speicherzellen und damit für eine mögliche Computersimulation
von entscheidender Bedeutung. Die Größe der Dotierausdehnung der äußeren Kondensatorelektrode
konnte bisher aber nur anhand aufwändiger und teurer Dotierprofilanalysen
bestimmt werden.
-
Bei
der DRAM-Speicherzellenherstellung ist es weiterhin zentrales Ziel,
die Chipgrößen möglichst klein
zu halten, um so viele Speicherchips wie möglich auf einem Wafer unterbringen
zu können.
Ein entscheidender Parameter, der den Mindestabstand zwischen benachbarten
Speicherchips festlegt, ist die laterale Ausdehnung der äußeren Kondensatorelektrode
der Grabenkondensatoren am Speicherzellenrand, da sich diese äußeren Kondensatorelektroden
nicht mit Dotierbereichen im benachbarten Speicherchip überlappen
dürfen.
-
Aus
der
DE 38 44 388 A1 sind
Grabenkondensatoren bekannt, bei denen die äußere Kondensatorelektrode mehrerer
Grabenkondensatoren über eine
Kondensatorplatte miteinander verbunden sind.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, Teststrukturen für ein Speicherzellenfeld mit
matrixförmig
angeordneten Grabenkondensator bereitzustellen, mit dem sich auf
einfache Weise eine Dotierausdehnung der äußeren Kondensatorelektrode
bestimmen lässt.
-
Diese
Aufgabe wird mit einer Teststruktur gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte
Weiterbildungen sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
-
Erfindungsgemäß weist
die Teststruktur zum Bestimmen eines Dotierbereiches einer äußeren Kondensatorelektrode
eines Grabenkondensators zwei parallele Reihen von Grabenkondensatoren
auf, wobei die äußeren Kondensatorelektroden
jeder Reihe von Grabenkondensatoren elektrisch miteinander verbunden
sind und wobei die Grundfläche
wenigstens eines Grabenkondensators jeder Reihe auf der der anderen
Reihe zugewandten Seite so verlängert ist,
dass sich die beiden Grabenkondensatoren überlappen.
-
Durch
diese erfindungsgemäße Ausgestaltung
lässt sich
auf einfache Weise durch eine Funktionserweiterung der bereits üblicherweise
im Front-End-Bereich vorgesehenen Teststrukturen exakt und zerstörungsfrei
die Dotierausdehnung der äußeren Kondensatorelektrode
durch eine einfache Messung eines Stromflusses zwischen zwei parallelen
Reihen von Grabenkondensatoren feststellen. Wenn sich nämlich die äußeren Konden satorelektroden
der beiden mit verlängerten
Grundflächen
ausgebildeten Grabenkondensatoren jeder Reihe überschneiden, tritt ein Stromfluss
zwischen den beiden Reihen auf, der sich im Rahmen einer Testmessung leicht
feststellen lässt.
Aus der Position der beiden mit verlängerten Grundflächen versehenen
Grabenkondensatoren lässt
sich dann eine exakte Aussage über
die Ausdehnung des Dotierbereiches der äußeren Kondensatorelektroden
dieser Grabenkondensatoren machen. Weiterhin kann dann festgelegt
werden, wie weit benachbarte Speicherchips mindestens beabstandet
sein müssen,
um einen Kurzschluss zwischen den äußeren Kondensatorelektroden
dieser benachbarten Speicherchips zu verhindern.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
die Grundfläche
wenigstens eines weiteren Grabenkondensators einer der beiden Reihen
auf der der anderen Reihen zugewandten Seite so verlängert, dass
die drei Grabenkondensatoren mit den verlängerten Grundflächen kammartig
verschachtelt sind, wobei der mittlere Grabenkondensator von den
beiden äußeren Grabenkondensatoren
gleich beabstandet ist. Da die Teststruktur, wie auch die reguläre Speicherzellenstruktur
in der Regel mithilfe der Planartechnik, die aus einer Abfolge von
Lithografieprozessen besteht, hergestellt wird, wird durch die Einbettung
des mittleren Grabenkondensators in eine gleich beabstandete kammartige
Struktur gewährleistet,
dass dieser mittlere Grabenkondensator bei den einzelnen Lithografieprozessen
seiner Herstellung die gleiche Umgebung auf beiden Seiten sieht und
damit der Herstellung regulärer
Speicherzellenstrukturen entspricht. Dadurch wird die Zuverlässigkeit
und Aussagekraft der Testmessung wesentlich verbessert.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist ein Teststrukturmuster mit einer Vielzahl von Teststrukturen
vorgesehen, wobei die Teststrukturen so ausgebildet sind, dass die
kammartig ineinander verschachtelten Grabenkondensatoren jeweils
unterschiedliche Abstände
voneinander ausbilden. Hierdurch besteht die Möglichkeit, hochpräzise und
genau ska liert die laterale Ausdehnung des Dotierbereiches der äußeren Kondensatorelektrode der
Grabenkondensatoren zu ermitteln.
-
Die
Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
-
1A und 1B Querschnitte
durch eine Siliziumscheibe nach verschiedenen Prozessschritten zur
Ausbildung der Grabenkondensatoren, und
-
2 eine
erfindungsgemäße Teststruktur
in der Aufsicht.
-
Die
Erfindung wird anhand einer Grabenkondensatorstruktur, wie sie im
Rahmen eines DRAM-Speicherchips verwendet wird, erläutert. Die Ausbildung
der einzelnen Strukturen des Grabenkondensators erfolgt vorzugsweise
mithilfe der Silizium-Planartechnik,
die aus einer Abfolge jeweils ganzflächig an einer Halbleiteroberfläche einer
Siliziumscheibe wirkenden Einzelprozessen besteht, wobei über geeignete
Maskierungsschritte gezielt lokale Veränderungen des Siliziumsubstrats
durchgeführt werden.
Im Rahmen der Planartechnik wird dabei gleichzeitig eine Vielzahl
von Strukturen ausgebildet.
-
Im
folgenden wird kurz ein mögliches
Verfahren zum Erzeugen von Grabenkondensatoren im Rahmen der DRAM-Speicherzellenausbildung
anhand von 1 erläutert.
-
Auf
einer von Verunreinigungen befreiten Siliziumscheibe 1,
die in der Regel bereits verschiedenen Strukturierungsprozesse (Struktur
nicht gezeigt) durchlaufen hat, wird eine Maskierungsschicht 2, zum
Beispiel eine SiO2 ⎪ Si3N4 ⎪ SiO2-Schichtenfolge abgeschieden. Anschließend wird
vorzugsweise mithilfe der bekannten Lithografietechnik die Grabenkondensatorstruktur
festgelegt. Hierzu wird eine lichtempfindliche Schicht auf die Maskierungsschicht 2 aufgebracht
und mithilfe einer Maske, die die Struktur einer Entwurfsebene der
auszubildenden Grabenkondensatoren aufweist, belichtet. Nach dem
Entwickeln, d.h. dem Entfernen des belichteten Fotolacks, wird mithilfe
einer anisotropen Ätzung
die Maskierungsschicht 2 geätzt, um die Ätzmaske
für die
anschließend
durchgeführte
Grabenätzung
zu erzeugen. Nach dem Beseitigen der verbleibenden Fotolackmaske
wird dann die Grabenätzung
durchgeführt.
Hierzu wird das Siliziumsubstrat mithilfe der strukturierten Ätzmaske
anisotrop bis zu einer Tiefe von ca. 5μm bei einer Strukturbreite von
ca. 0,5μm geätzt, so
dass Grabenkondensatoren mit einem Aspektverhältnis, d.h. mit einem Breiten-Tiefenverhältnis von
1:10 entstehen. 1A zeigt einen Querschnitt durch
die Siliziumscheibe nach der Grabenätzung. Bevorzugt ist dabei,
mindestens zwei Gräben eng
benachbart auszubilden, in die jeweils seitlich anschließend dann
die vorzugsweise planar ausgebildeten Auswahltransistoren der Speicherzellen
angeordnet werden.
-
1B zeigt
einen Querschnitt durch die Siliziumscheibe 1 in einem
späteren
Prozessstadium mit vollständig
strukturierten Grabenkondensatoren. Die Grabenkondensatoren 3 sind
dann mit einer hochdotierten Schicht, vorzugsweise Polysilizium, aufgefüllt, die
als innere Kondensatorelektrode 31 dient. Die äußere Kondensatorelektrode 32 ist
vorzugsweise durch ein hochdotiertes Diffusionsgebiet im unteren
Grabenbereich um die innere Kondensatorelektrode 31 herum
ausgebildet. Die Erzeugung dieser äußeren Kondensatorelektrode 32 kann
beispielsweise durch thermische Ausdiffusion einer hochdotierten
Schicht aus dem Graben 3 heraus erfolgen. Die äußere Kondensatorelektrode 32 wird durch
eine nachträglich
ausgeführte
Dielektrikumschicht 33 von der inneren Kondensatorelektrode 31 im
Graben getrennt. Die äußere Kondensatorelektrode 32 ist
weiterhin durch eine Kondensatorplatte 34, eine sogenannte
Buried Plate, angeschlossen, die vorzugsweise allen äußeren Kondensatorelektroden der
DRAM-Speicherzellenanordnung gemeinsam ist. Diese Kondensatorplatte 34 ist üblicherweise
im Randbereich des Speicherzellenfelds durch eine Kontaktöffnung ankontaktiert.
Im oberen Grabenbereich ist weiterhin ein Elektrodenanschluss 35,
ein sogenannter Buried Strap, vorgesehen, mit dem die innere Kondensatorelektrode 31 an
den spä ter
ausgebildeten planaren Auswahltransistor der Speicherzelle angeschlossen
werden kann. Der Bereich der Grabenkondensatoren ist darüber hinaus
mit einer Isolationsschicht 36, vorzugsweise SiO2, abgedeckt.
-
Die
Ausdehnung des Dotierbereichs der äußeren Kondensatorelektrode 32 des
Grabenkondensators beeinflusst entscheidend das elektrische Verhalten
der Speicherzelle. Seine Kenntnis ist insbesondere wichtig, wenn
eine exakte Simulation des Schaltverhaltens der Speicherzellen bzw.
des Speicherverhaltens des Grabenkondensators simuliert werden soll.
Darüber
hinaus ist die Kenntnis der lateralen Ausdehnung der Dotierung der äußeren Kondensatorelektrode
des Grabenkondensators in den Speicherzellen wichtig, um die Mindestabstände zwischen
benachbarten Speicherchips auf einem Wafer festlegen zu können. Eine
Bestimmung der Lage und Größe der Dotierung
der äußeren Kondensatorelektrode
bei Grabenkondensatoren war bisher nur nach Fertigstellung des DRAMs
im Back-End in aufwändigen
und teuren Dotierprofilanalysen möglich.
-
2 zeigt
eine erfindungsgemäße Teststruktur
zum Bestimmen des Dotierbereichs einer äußeren Kondensatorelektrode
eines Grabenkondensators im Front-End der DRAM-Herstellung. Die
Teststruktur ist vorzugsweise im Kerfbereich, d.h. im Zwischenbereich
auf einem Wafer zwischen zwei DRAM-Speicherchips ausgebildet. Die
erfindungsgemäße Teststruktur
weist, wie die Draufsicht in 2 zeigt,
wenigstens zwei Reihen von Grabenkondensatoren 301, 302 auf.
Diese beiden Reihen von Grabenkondensatoren entsprechen den regulären Grabenkondensatoren,
deren Herstellung anhand von 1A und 1B erläutert wurde.
Die Grabenkondensatoren haben dabei vorzugsweise einen rechteckigen
Querschnitt. Es sind jedoch auch beliebige andere Querschnittformen,
wie sie bei regulären DRAM-Speicherzellen
für Grabenkondensatoren
benutzt werden, möglich.
-
Die äußeren Kondensatorelektroden
jeder Reihe von Grabenkondensatoren sind jeweils über eine
Kondensatorplatte 401, 402 miteinander verbunden.
Diese Kondensatorplatten 401, 402 sind weiterhin über Leiterbahnen 501, 502 an
Kontaktflächen
(nicht gezeigt) angeschlossen, welche mit den Nadeln einer Testnadelkarte
ankontaktiert werden können.
-
Die
Grabenkondensatoren den beiden Reihen von Grabenkondensatoren 301, 302 sind
jeweils gleich beabstandet, wobei die Grabenkondensatoren der einen
Reihe vorzugsweise versetzt gegenüber der anderen Reihe angeordnet
sind. Weiterhin sind die Grundflächen
von drei Grabenkondensatoren 311, 312, 322 in
den beiden Grabenkondensatorenreihen 301, 302 verlängert, so
dass sich diese drei Grabenkondensatoren, wie die Aufsicht in 2 zeigt, überlappen.
In der Grabenkondensatorreihe 301 ist ein mittlerer Grabenkondensator 311 mit
einer verlängerten
Grundfläche
ausgebildet. In der Grabenkondensatorreihe 302 weisen zwei äußere Grabenkondensatoren 312, 322 verlängerte Grundflächen auf.
Die beiden äußeren Grabenkondensatoren 312, 322 der
Grabenkondensatorreihe 302 sind dabei so gewählt, dass
sie gleich beabstandet von dem mittleren Grabenkondensator 311 der
Grabenkondensatorreihe 301 sind. Es entsteht so, wie 2 zeigt,
ein kammartig verschachtelter Aufbau der drei Grabenkondensatoren 311, 312, 322 mit
verlängerter Grundfläche.
-
Beim
Test werden die beiden Leiterbahnen 501, 502 zu
den äußeren Kondensatorelektroden
der beiden Grabenkondensatorreihen 301, 302 über Testnadeln
ankontaktiert und durch Aufprägen
eines Stroms wird ermittelt, ob zwischen den beiden Kondensatorreihen
ein Stromfluss stattfindet. Ein solcher Stromfluss zeigt dann an,
dass ein Kurzschluss zwischen den äußeren Kondensatorelektroden
der kammartig verschachtelten, verlängerten Grabenkondensatoren 311, 312, 322 stattfindet,
dass also die Dotierbereiche dieser äußeren Kondensatorelektroden sich überlappen.
Aus der Kenntnis der Lage und Größe der Grundflächen der
sich überlappenden
Grabenkondensatoren 311, 312, 322 lässt sich
so auf einfache Weise zerstörungsfrei
die Ausdehnung der Dotierbereiche der äußeren Kondensatorelektroden der
Grabenkondensatoren ermitteln.
-
Bevorzugt
ist es weiterhin, eine Serie von Teststrukturen, wie sie in 2 gezeigt
sind, vorzusehen, bei denen der Abstand zwischen den verlängerten
Grabenkondensatoren der beiden Reihen von Grabenkondensatoren variiert
ist. Hierdurch ist es möglich,
durch eine feine Skalierung dieses Abstands eine hochexakte Bestimmung
der lateralen Ausdehnung des Dotierbereichs der äußeren Kondensatorelektrode
vorzunehmen.