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DE4227227B4 - Verfahren zur Herstellung eines Lochkondensators für DRAM-Zellen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Lochkondensators für DRAM-Zellen Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Lochkondensators für DRAM-Zellen, mit folgenden Schritten:
a) Aufbringen einer Isolierschicht (25, 26), die einen unteren Oxidfilm (26) aufweist und Öffnen eines Loches für einen vergrabenen Kontakt (71) nach einem Ausbilden eines MOS-Transistors auf einem Halbleitersubstrat,
b) Aufbringen einer in-situ dotierten nicht-kristallinen Siliziumschicht, einer nichtdotierten nicht-kristallinen Siliziumschicht (28) und einer hemisphärischen Polysiliziumschicht (29) mit mehreren Vorsprüngen mit einer Gesamtdicke von 150 nm oder mehr,
c) Aufbringen und darauffolgendes derartiges Rückätzen eines oberen Oxidfilmes (30), bis Spitzen der hemisphärischen Polysiliziumvorsprünge (29) freiliegen,
d) Ätzen der Polysiliziumschichten, wobei die verbleibenden Bereiche des in den Tälern zwischen den hemisphärischen Polysiliziumvorsprüngen (29) verbleibenden oberen Oxidfilmes (30) als Maske verwendet werden, um mehrere Löcher von den Spitzen der Vorsprünge bis zum unteren Oxidfilm (26) der Isolierschicht auszubilden,
e) Entfernen des oberen Oxidfilmes (30), Strukturieren einer unteren Elektrode (32) des Kondensators und Ätzen des unteren Oxidfilmes (26), und...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators für DRAM-Zellen (DRAM = Dynamic Random Access Memory).
  • Bekannte DRAM-Speicherzellen zum Speichern von Daten bzw. Informationen weisen einen Stapelkondensator oder einen Grabenkondensator auf. Im Falle des Stapelkondensators muß bei der Herstellung des Kondensators bzw. der Herstellung der Zelle eine hohe Stapelstruktur auf engem Raume aufgebaut werden, um eine Kapazität zu erhalten, die für eine Zelle bzw. eine Vorrichtung genügend hoher (Speicher-)Dichte geeignet ist. Der Schritt des Abdeckens erfolgt daher oftmals nicht zufriedenstellend. Dagegen taucht im Falle des Grabenkondensators das Problem auf, daß die Isolation zwischen verschiedenen Gräben ungenügend ist oder wird. Schließlich sind die Verfahren zur Herstellung dieser Kondensatoren auch oftmals relativ kompliziert.
  • Nachfolgend soll kurz ein bekanntes Verfahren zur Herstellung einer Stapelkondensator-Zelle beschrieben werden.
  • Wie in 2A gezeigt, wird zunächst ein Verfahren zur Herstellung eines MOS-Transistors durchgeführt. Dies geschieht mittels Ausbildens einer Feldoxidschicht 2 zum Isolieren aktiver Abschnitte, sowie durch Ausbilden einer Gate-Elektrode 3 und eines Source-/Drain-Abschnittes 4 auf einem Halbleitersubstrat 1. Daraufhin wird eine isolierende Schicht 5 aufgebracht.
  • Als nächstes wird eine Polysiliziumschicht 6 auf der gesamten Oberfläche des Wafers aufgebracht, die als untere Elektrode des Stapelkondensators dient. Als nächstes wird ein vergrabenes Kontaktloch 71 durch Anwendung eines Photolithographie-Verfahrens ausgebildet (Photoätzprozeß), wobei – wie in 2B gezeigt – ein Photolack 7 verwendet wird.
  • Als nächstes wird der Photolack 7 entfernt und eine Polisiliziumschicht 8 aufgebracht, die als weiterer Teil des unteren Knotens (bzw. als "untere" Speicherelektrode) des Stapelkondensators dient (Anm.: Begriffe wie "unten" und "oben" dienen der Einfachheit der gesamten Beschreibung und sind nicht einschränkend zu verstehen). Dann wird ein Kontakt 10 gebildet, und die untere Speicherelektrode (im Angelsächsischen auch als "storage node" bezeichnet) des Stapelkondensators wird durch Anwendung eines photolithographischen Verfahrens und eines Ätzverfahrens unter Verwendung eines Photolackes 9, wie in 2C gezeigt, ausstrukturiert bzw. gemustert.
  • Daraufhin wird der Photolack entfernt und ein hoch dielektrisches Material 11 aufgeschichtet (O-N-O, N-O oder dergleichen). Dann wird ein Polysilizium auf der gesamten Oberfläche des Wafers aufgebracht und es wird eine Platten-(Deckel-)Elektrode 12 (obere Elektrode) des Stapelkondensators gebildet.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Technik reicht die Kapazität des Stapelkondensators für eine DRAM-Zelle hoher Dichte (z.B. 64 MByte) nicht aus. Es besteht zwar prinzipiell die Möglichkeit, eine feinere Struktur oder eine zylindrische Struktur zum Vergrößern der Kapazität zu verwenden, dabei wird jedoch das Ergebnis des Abdeckschrittes verschlechtert. Dadurch ergeben sich Schwierigkeiten im Ausführen des nächsten Schrittes bzw. der nächsten Schritte.
  • Die DE 42 22 584 A1 offenbart einen Halbleiterbaustein mit Transistoren, versenkten Begleitungen und Kondensatorknotenkontakten. Zunächst wird zur Bildung eines Kondensators eine Polysiliziumschicht aufgebracht. Diese Schicht wird so abgeätzt, daß sie in den Kondensatorzonen teilweise erhalten bleibt. Dann wird eine Nitridschicht auf den Baustein aufgebracht. Auf deren Oberseite wird hierauf eine Oxidschicht aufgebracht. Diese Oxidschicht wird dann abgeätzt, um die über der Polysiliziumschicht liegenden Teile der Nitridschicht freizulegen. Die freiliegenden Teile der Nitridschicht werden dann entfernt, um auf der nun freiliegenden Polysiliziumschicht eine aus halbkugelförmigen Bereichen bestehende Polysiliziumschicht so aufzubringen, daß sie abwechselnde Erhöhungen und Vertiefungen aufweist. Die Vertiefungen werden dann mit einer Isolierschicht ausgeführt, wobei die Spitzen aller Erhöhungen unbedeckt bleiben. Danach werden die freiliegenden erhöhten Teile der aus halbkugelförmigen Teilchen bestehenden Schicht bis auf eine vorgegebene Tiefe abgeätzt, wobei die in den Vertiefungen vorhandene Oxidschicht als Maske verwendet wird. Dann wird auf der gesamten oberen Fläche nacheinander eine dielektrische Schicht und eine Belegungsschicht aus Polysilizium aufgebracht. Die untere Polysiliziumschicht dient als erste Kondensatorelektrode, die dielektrische Schicht als Kondensatordielektrikum und die obere Belegungsschicht als zweite Kondensatorelektrode.
    •
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines Kondensators mit höherer Kapazität pro Fläche zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Lochkondensators nach Anspruch 1 gelöst.
  • Zusammenfassend wird durch die Erfindung ein (Loch-)Kondensator für eine DRAM-Zelle geschaffen, dessen Kapazität durch Löcher in der Oberfläche einer der Elektroden vergrössert wird. Damit ist der Kondensator für eine Zelle hoher Dichte – beispielsweise eine 64 M DRAM-Zelle – geeignet.
  • Der Lochkondensator weist im wesentlichen folgendes auf: eine untere Elektrode mit mehreren Löchern und Vorsprüngen, eine die Oberfläche der unteren Elektrode bedeckende dielektrische Lage und eine über der dielektrischen Schicht entsprechend der unteren Elektrode aufgebrachte obere Elektrode.
  • Die hemisphärische Polysiliziumschicht wird vorteilhafterweise bei einem anliegenden Druck von 0,1 Torr bis 1 Torr (1Torr = 1,33322 mbar) und einer Temperatur von 570–580°C unter einer Atmosphäre von SiH4 oder Si2H6-Gas gebildet.
  • Bevorzugt ist die Dicke der unteren Elektrode des Kondensators größer ist als der Durchmesser der Löcher.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Dabei werden auch weitere Vorteile und Möglichkeiten der Erfindung deutlich. Es zeigt:
  • 1 ein Verfahren zur Herstellung eines Lochkondensators für DRAM-Zellen, und
  • 2 das Verfahren zur Herstellung der bekannten Speicherzelle,
  • In der nachfolgenden Beschreibung werden lediglich grundlegende Schritte des Herstellungsverfahrens näher erläutert bzw. extra erwähnt. So werden die verschiedenen – dem Fachmann geläufigen – Wasch-, Reinigungs-, Härt-, Ausheil- usw. Verfahren nicht näher erläutert. Dies dient der Klarheit und dem Verständnis der Erfindung. Derartige Schritte werden lediglich dann erwähnt, wenn sie für das Verständnis der Erfindung von Bedeutung sind.
  • Bei der Erfindung werden auch bekannte IC-Herstelltechnologien, so wie beispielsweise Ausgangsmaterial-Verfahren, Abbildungsverfahren, Aufbring- und Aufwachsverfahren, Ätz- und Maskenverfahren, ein selektives Diffundieren, das Siliziumgate-Verfahren, Ionenimplantationsverfahren, usw. als Herstellungsverfahren verwendet.
    •
  • Mit Hilfe der bekannten Techniken zur Herstellung von Halbleitern wird zunächst, wie in 1A gezeigt, ein Transistor mit einem Source-/Drain-Abschnitt 24 und einer Gateelektrode 23 in einem aktiven Abschnitt eines Halbleiter-Wafers ausgebildet. Dann wird zur Isolation des "Stapel-Loch-"Kondensators gegen die bereits gebildeten leitenden Lagen eine Isolierschicht – hier mehrlagig – gebildet. Die Isolierschicht weist hier einen Nitridfilm 25 und einen unteren Oxidfilm (HTO-Film) 26 (High Temperature Oxid) auf. Es ist auch möglich einen Oxidfilm, einen Nitridfilm und einen unteren Oxidfilm in der vorstehenden Reihenfolge aufzubringen. Daraufhin wird der Wafer auf seiner gesamten Oberfläche mit einem Photolack 27 überzogen und ein Kontaktloch 71 wird an einer Stelle geöffnet, an der ein vergrabener Kontakt durch Anwendung eines photolithographischen Verfahrens und eines Ätzverfahrens gebildet werden soll.
  • Als nächstes wird der Photolack 27 entfernt und an seiner Stelle ein am Einsatzort dotierter (in-situ doped) nicht-kristalliner Siliziumfilm, sowie ein nicht dotierter nicht-kristalliner Siliziumfilm 28 und eine hemisphärische Polysiliziumlage auf der gesamten Oberfläche des Wafers mit einer Gesamtdicke von 150 nm oder mehr aufgebracht.
  • Bei diesem Schritt wird die hemisphärische Polisiliziumlage durch Anwendung eines Druckes von 0,1 – 1 Torr bei einer Temperatur von 570 – 585 °C unter einer Atmosphäre von SiH4 oder Si2H6 Gas ausgebildet. Diese Bedingungen dienen dazu, die Schicht mit einer unter-hemisphärischen Oberfläche mit vielen dom- bzw. kuppelförmigen Vorsprüngen auszubilden.
  • Als nächstes wird ein oberer Oxidfilm 30 durch Aufbringen eines Hochtemperaturoxides HTO (oder eines HLD, LTO oder dergleichen) ausgebildet. Dann wird das Hochtemperaturoxid 30 derart zurückgebildet, daß die Spitzen der hemisphärischen Vorsprünge noch derart freiliegen, wie in 1B gezeigt.
  • Danach werden die Polysiliziumschichten des am Einsatzort dotierten nicht-kristallinen Siliziumfilmes, sowie der nichtdotierte nicht-kristalline Siliziumfilm 28 und die hemisphärische Polisiliziumschicht geätzt, wobei die verbleibenden Abschnitte des oberen Oxidfilmes, die auf den Tälern hemisphärischen Polisiliziums verbleiben, als Maske verwendet werden. Dies dient zum Ausbilden mehrerer bzw. vieler Lochperforationen von den Spitzen der Vorsprünge bis zum unteren Oxidfilm 26 (siehe 1C).
  • Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahrensschritt werden die Polysiliziumschichten, aus denen die untere Elektrode (Speicherelektrode) des Kondensators gebildet werden soll, in ihrer Gesamtheit dicker ausgelegt als der Durchmesser der Löcher.
  • Beim nächsten Schritt wird der obere – auf den Tälern des hemisphärischen Polysiliziums verbliebene -Oxidfilm 30 entfernt. Dann wird ein Photoätzverfahren ausgeführt, um eine untere Elektrode 32 des Kondensators zu bilden, während der untere Oxidfilm 26, der unter der unteren Elektrode 32 angeordnet ist, ebenfalls entfernt wird (siehe 1D).
  • Durch das vorstehend beschriebene Verfahren wird die untere Elektrode des Kondensators, d.h. die Speicherelektrode 32 des Lochkondensators, gebildet. Die Speicherelektrode 32 ist in 1E in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Der zurückgesetzte oder tieferliegende Abschnitt der unteren Elektrode, unter dem ein Kontakt mit dem Source/Drain durch Auffüllen des Kontaktloches gebildet ist, ist nicht mit Löchern versehen. Die hemisphärische Oberfläche verbleibt hier wie sie ist.
  • Dann wird eine dielektrische Schicht 33 (O-N-O, N-O, Ta2O5 oder dergleichen) aufgebracht (bzw. beschichtet) – und zwar auf der gesamten freiliegenden Oberfläche der unteren Elektrode 32 des Kondensators. Dann wird eine obere Elektrode 34 des Kondensators mittels eines Polysiliziums gebildet, was den Lochkondensator vervollständigt. Der Rest des Verfahrens wird analog zur Herstellung der bekannten DRAM-Zelle durchgeführt.
  • Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren bildet sich ein Lochkondensator mit einer großen Anzahl von Vorsprüngen (Domen) und Löchern zwischen den zwei Elektroden, was die Fläche der einander gegenüberliegenden Oberflächen vergrößert bzw. maximiert. Dadurch vergößert sich die Kapazität des Lochkondensators drastisch.

Claims (4)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Lochkondensators für DRAM-Zellen, mit folgenden Schritten: a) Aufbringen einer Isolierschicht (25, 26), die einen unteren Oxidfilm (26) aufweist und Öffnen eines Loches für einen vergrabenen Kontakt (71) nach einem Ausbilden eines MOS-Transistors auf einem Halbleitersubstrat, b) Aufbringen einer in-situ dotierten nicht-kristallinen Siliziumschicht, einer nichtdotierten nicht-kristallinen Siliziumschicht (28) und einer hemisphärischen Polysiliziumschicht (29) mit mehreren Vorsprüngen mit einer Gesamtdicke von 150 nm oder mehr, c) Aufbringen und darauffolgendes derartiges Rückätzen eines oberen Oxidfilmes (30), bis Spitzen der hemisphärischen Polysiliziumvorsprünge (29) freiliegen, d) Ätzen der Polysiliziumschichten, wobei die verbleibenden Bereiche des in den Tälern zwischen den hemisphärischen Polysiliziumvorsprüngen (29) verbleibenden oberen Oxidfilmes (30) als Maske verwendet werden, um mehrere Löcher von den Spitzen der Vorsprünge bis zum unteren Oxidfilm (26) der Isolierschicht auszubilden, e) Entfernen des oberen Oxidfilmes (30), Strukturieren einer unteren Elektrode (32) des Kondensators und Ätzen des unteren Oxidfilmes (26), und f) Beschichten der Oberfläche der unteren Elektrode (32) mit einer dielektrischen Lage (33), sowie Ausbilden einer der unteren Elektrode angepaßten oberen Elektrode (34) über der dielektrischen Lage (33).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hemisphärische Polysiliziumschicht (29) bei einem Druck von 0,1333 mbar bis 1,333 mbar und bei einer Temperatur von 570–580°C unter einer Atmosphäre von SiH4 oder Si2H6-Gas gebildet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der unteren Elektrode (32) des Kondensators größer ist als der Durchmesser der Löcher.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht aus einem Nitridfilm (25) und dem unteren Oxidfilm (26) besteht.
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