DE69315370T2

DE69315370T2 - Herstellung von rauhen Silizium-Oberflächen

Info

Publication number: DE69315370T2
Application number: DE69315370T
Authority: DE
Inventors: Mariano Anderle; Stephane Simon Dana; Michael Liehr; Gary Wayne Rubloff; Alejandro Gabriel Schrott
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1992-04-10
Filing date: 1993-03-12
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2013-03-13
Also published as: DE69315370D1; JPH0620958A; EP0567748B1; EP0567748A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Halbleitermaterialien und spezieller auf ein System und ein Verfahren zur Erzeugung von rauhen Siliciumoberflächen mit einem präzisen Steuerungsniveau, das sie zur breiten Anwendung in rechnerbezogenen Bauelementen, wie in VLSI-Chips und Magnetplatten, anpaßbar macht.

Stand der Technik

In der Halbleitertechnologie wird es mit kleiner werdenden Bauelementabmessungen zunehmend entscheidender, in der Lage zu sein, die Oberflächentopologie eines Substrates mit einer Steuerung im Nanometer-Bereich zu beeinflussen. Wenngleich dies im Prinzip unter Verwendung von Lithographie-Techniken des Standes der Technik möglich ist, sind diese Techniken in der Praxis schwierig auszunutzen. Zusätzlich zu den Problemen der Photoresist-Handhabung, der Brennweite und Tiefenschärfe sowie Proximity-Effekten leiden Nanolithographie-Methoden an geringem Durchsatz, was sie für Fertigungsanwendungen äußerst problematisch macht.
Es kann eine Anzahl möglicher Anwendungen ins Auge gefaßt werden, bei denen die oberflächenmorphologie innerhalb des räumlichen Bereichs von herkömmlicher und weiterentwickelter Lithographie vorteilhaft maßgeschneidert werden kann. In diesen Fällen können Oberflächentexturen mit einem gewissen Grad an Zufälligkeit bezüglich ihrer Position hergestellt werden. Durch Ausnutzen derartiger Möglichkeiten kann eine verbesserte Funktionalität für mikroelektronische Anwendungen erzielt werden. Drei Beispiele illustrieren diese Möglichkeiten.
Ein erstes Beispiel ist die Verwendung einer rauhen Si-Oberflächenmorphologie mit Elementabmessungen im Maßstab von ≤ 100 nm, um die Kapazitätsdichte für Kondensatoranwendungen, wie ein DRAM, zu steigern. Das Problem besteht darin, daß hohe DRAM- Integrationsniveaus (z.B. Chips mit 256 Mb oder 1 Gb) kleinere Flächen benötigen, um jedes Bit an Information zu halten, diese kleineren Flächen müssen jedoch eine höhere Kapazität pro Einheitsfläche bereitstellen. Jüngere Publikationen, wie H. WA- TANABE, N.AOTO, S. ADACHI, T. ISHIJIMA, E. IKAWA und K. TERADA "New stacked capacitor structure using hemispherical-grain polycrystalline-silicon electrodes", Appl. Phys. Lett. 58 (3), 251 (1991). (NEC Corp), M. SAKAO, N. KASAI, ,T. ISHIJIMA, E. IKAWA, H. WATANABE, K. TERADA und T. KIKKAWA "A capacitor-overbit-line (COB) cell with a hemispherical-grain storage node for 64mb DPAMS", IEDM 90-655, 27.3.1 (1990). (NEC Corp) und M. YOS- HIMARU, J. MIYANO, N. INOUE, A. SAKAMOTO, S. YOU, H. TAMURA und M. INO "Rugged surface poly-Si electrode and low temperature deposited Si&sub3;N&sub4;. for 64MBit and beyond STC DRAM cell", IEDM 90- 659, 27.4.1 (1990). (OKI Corp) offenbaren Ergebnisse über das Wachstum von rauhen Poly-Si-Oberflächen, die eine effektive Flächensteigerung (~ 2,5x) für eine gegebene Kondensatorfläche zeigen, da innerhalb einer gegebenen makroskopischen Fläche die rauhe Oberflächentextur mehr an tatsächlichem Oberflächengebiet bereitstellt. Eine rauhe Oberflächentextur ist im Vergleich zu ihren Alternativen vielversprechend, nämlich (i) dünneren Isolatorschichten (die an Tunnelströmen ebenso wie an viel schwierigeren Überlegungen hinsichtlich der Defektdichte leiden) und (ii) Isolatoren mit höherer Dielektrizitätskonstante (die grundlegend neue Materialien und Verfahren erfordern). Andererseits ist ein Hauptgesichtspunkt, daß das Temperaturfenster für das Wachstum von Poly-Si mit einer rauhen Oberflächenmorphologie in Stand der Technik sehr begrenzt war und sich lediglich über ~ 10 ºC erstreckte. Eine derartige enge Temperatursteuerung ist eine problematische Einschränkung für die Herstellbarkeit. Die Erklärung für die Ursache der rauhen Oberflächenmorphologie war das Auftreten von Wachstumstemperaturen an der Grenze zwischen den amorphen und den Poly-Si-Mikrostrukturen. Wenn diese Erklärung zutrifft, wäre ein breiteres Temperatur- Prozeßfenster unter Verwendung dieses Mechanismus unwahrscheinlich. Gesichtspunkte der Herstellbarkeit machen es jedoch wesentlich, Verfahren mit beträchtlich breiteren Temperaturfenstern zu entwickeln.
Ein zweites Beispiel in einer vergleichsweise femliegenden Anwendung ist die Verwendung von rauhen Si-Oberflächen für die Herstellung von magnetischen Plattenoberflächen mit geringer Haftreibung für Speicheranwendungen. Um die mechanische Reibung zu minimieren - insbesondere beim Start - werden Plattenoberflächen normalerweise vor der Deposition des magnetisch aktiven Dünnfilms aufgerauht, die gegenwärtig verwendeten physikalischen Techniken beinhalten jedoch metallische Substrate, die an Problemen hinsichtlich topographischer Steuerung ebenso wie Verwerfungen und Korrosion leiden. Neue Vorgehensweisen, die eine bessere Steuerung über die Morphologie und ihre Reproduzierbarkeit bereitstellen würden, insbesondere auf einem Nanometer-Maßstab, wären ein wirklicher Gewinn.
Ein drittes Beispiel ist die Ausnutzung von Quanteneffekten in Nanometer-Si-Drähten oder -Punkten, die dann das Auftreten einer signifikanten Lichtemission in Si-Strukturen erlaüben. Siehe zum Beispiel L.T. CANFIAM usilicon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers", Appl. Phys. Lett. 57 (10), 1047 (1990).
Das gemeinsame Thema in diesen drei etwas ungleichartigen Beispielen ist die Erwünschtheit eines Verfahrens zur Herstellung von Si-Oberflächen mit gesteuerter, vorhersagbarer Morphologie mit Längenmaßstäben der Rauhigkeit im Nanometer-Bereich. Derartige rauhe Si-Oberflächen wären in allen drei Fällen von wirklichem Vorteil, wenn sie in größere, lithographisch definierte mikroelektronische Strukturen eingebaut würden. Da die Vorteile dieser Anwendungen von rauhem Si keine präzise Steuerung des Ortes erfordern, wo die Elemente (z.B. Spitzen oder Täler in der Topographie) innerhalb lithographischer Abmessungen gefunden werden, können signifikante Elemente statistischer Zufälligkeit damit in Einklang gebracht werden. Dieser Faktor öffnet die Tür für einen neuen Bereich von chemischen und physikalischen Prozessen und Strukturen. Die Herstellbarkeit derartiger Strukturen würde nicht nur eine hohe Reproduzierbarkeit, sondem auch eine gute Steuerung über die Dichte und Gestalt von rauhen Elementen im Nanometer-Maßstab erfordern, ungeachtet dessen, wo sie tatsächlich auf der Oberfläche in Erscheinung treten. Es sollte klar sein, daß herkömmliche Lithographie (z.B. Elektronenstrahl) eine unmöglich lange Belichtungszeit erfordern würde, um ähnliche Elemente zu schreiben.
US-A-5 102 832 offenbart ein Verfahren zur Texturierung von polykristallinem Silicium, das die Schritte des Präparierens der Waferoberfläche vor einer Poly-Deposition mit einem Material beinhaltet, das bewirkt, daß das Poly-Si während der Deposition vorzugsweise Nukleation zeigt und Poly-Knollen auf der Waferoberfläche bildet. Polysilicium überzieht im weiteren die zuvor erzeugten Poly-Knollen während der gesamten Poly-Deposition, um dadurch zu einer stabilen, texturierten Polysilicium-Struktur zu führen. US-A-5 102 832 offenbart nicht, wie die Temperatur und der Druck des Depositionsschrittes zu regeln oder zu steuern sind.
Japanese Journal Of Applied Physics 29 (1990) Dezember, Nr 12, Teil 2, Seiten L2345 bis L2348 beschreibt "Fabrication of Storage Capacitance-Enhanced Capacitors with a Rough Electrode". Es wurden Polysilicium-Filme auf thermisch aufgewachsenem SiO&sub2; durch das LPCVD-Verfahren unter Verwendung sowohl von SiH&sub4; als auch N&sub2; bei einer Depositionstemperatur Td im Bereich von 540 ºC bis 640 ºC aufgebracht. Der Partialdruck von SiH&sub4; betrug ungefähr 0,2 Torr (26,7 Pa). Der bei 600 ºC aufgebrachte Film zeigt eine relativ glatte Oberfläche. Es werden ungefähr 40 nm hohe domartige Höcker, deren Dichte und Durchmesser mit der Depositionstemperatur anwachsen, auf der bei 560 ºC abgeschiedenen Filmoberfläche beobachtet. Der bei 580 ºC abgeschiedene Polysilicium-Film zeigt eine ziemlich rauhe Oberfläche, die aus etwa 100 nm hohen Höckern besteht. Dieses Phänomen wurde auch im Fall des Polysilicium-Films beobachtet, der auf SiO&sub2;-Filmen, Si&sub3;N&sub4;-Filmen, die durch das LPCVD-Verfahren hergestellt würden, und Silicium-Substraten aufgebracht wurde. Es wurde keine merkliche Änderung der Oberflächen-Unebenheit beobachtet, wenn der Polysilicium-Film dotiert oder getempert wurde.
Plasmaprozesse sind in der Lage, Partikel in der Gasphase zu bilden, und dies wurde - zusammen mit richtungsabhängigem Ätzen zur Strukturübertragung - als ein Mittel zur Erzeugung von zufälligen Nanostrukturen auf einer Oberfläche vorgeschlagen. Siehe zum Beispiel G. S. SELWYN, G. S. OEHRLEIN, und Z. A. WEINBERG "Controlled surface texturing of materials", IBM TDB Bd. 34, Nr. 5, Seiten 381 bis 382, Oktober 1991. Diese Vorgehensweise ergibt jedoch eine Verteilung der Partikelabmessungen, die ziemlich breit ist, was zu einer ähnlichen Verteilung der Nanostruktur-Abmessungen auf der Oberfläche führt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung und äußerst wünschenswert, eine alternative, nicht-lithographische Methode bereitzustellen, die ein Depositions- oder Atzsystem zur Herstellung von Oberflächentexturen mit zufälliger Rauhigkeit im Nanometer-Maßstab verwendet. Wenngleich die Position einzelner Elemente (z.B. Spitzen) zufällig sein kann, ist es außerdem äußerst wünschenswert, derartige Parameter dieser Elemente, wie ihre Dichte, ihre lokale Gestalt und ihre durchschnittliche Abmessung, zu steuern.
Diese Aufgaben werden in einer vorteilhaften Weise durch Anwenden der Merkmale grundlegend gelöst, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen niedergelegt sind. Weitere vorteilhafte Entwicklungen sind in den zugehörigen Unteransprüchen enthalten.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet die Herstellung von Si- Oberflächen mit rauher Morphologie auf einer Nanometer-Skala unter Verwendung von Depositions- (und in einigen Fällen Atz)Prozessen, welche die Rauhigkeitsdichte, die Längenskala der Rauhigkeit und die Morphologie steuern. Des weiteren ist die Existenz der rauhen Morphologie nicht entscheidend von der Prozeßtemperatur abhängig, wodurch ein Verfahren angeboten wird, das in der Fertigung viel leichter einsetzbar ist als Verfahren des Standes der Technik für diesen Zweck.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer rauhen Si-Oberflächentextur bereitgestellt, indem 1) ein chemischer Gasphasenabscheidungs(CVD)-Prozeß bei niedrigem Druck, d.h. typischerweise bei einem Druck im Bereich von 1 mTorr bis 5 mTorr (0,13 Pa bis 0,67 Pa) und allgemein im Bereich von etwa 0,1 mTorr bis 100 mTorr (0,013 Pa bis 13,3 Pa), und/oder 2) anfängliche Oberflächenbedingungen derart verwendet werden, daß das anfängliche Aufwachsen nukleationsgesteuert ist, z.B. unter Verwendung einer thermischen SiO&sub2;-Oberfläche, die bei einer Betriebstemperatur unterhalb von etwa 700 ºC relativ wenig mit SiH&sub4; reagiert, was Betriebstemperaturen in einem erweiterten Bereich von ≥ 100 ºC erlaubt. Es wird angenommen, daß der niedrige Druck eine übermäßige Deposition von kleinen Gasphasen- Nukleationspartikeln verhindert, die eine glatte Oberfläche anstelle der gewünschten Rauhigkeit bewirken würden. Das erzielte breite Temperaturfenster steht im Gegensatz zu dem schmalen Fenster von weniger als 10 ºC, das von Verfahren des Standes der Technik erlaubt wird.
Des weiteren beinhaltet die Erfindung verschiedene Verfahren zur Erzielung einer Oberflächen-Vorbehandlung, um die Abmessung und Dichte der anfänglichen Kristallisationskeime im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit des vorausgehenden Herstellungsprozesses zu steuern.
Außerdem beinhaltet die Erfindung ein Verfahren zur direkten und In-situ-Erzeugung einer Struktur von Punkten mit Submikrometerabmessungen auf einer Substratoberfläche derart, daß die Oberflächendichte der Punktmitten und die gesamte Oberflächengebiets bedeckung der Punkte präzise gesteuert werden kann, wobei die Merkmale des oben beschriebenen Verfahrens mit zusätzlichen Schritten zur Erzielung der gewünschten Punkte verwendet werden.
Schließlich beinhalten spezielle Anwendungen des Systems und des Verfahrens, wie oben vorgeschlagen, die Herstellung von rauhen Si-Oberflächen (1) als Elektroden für Strukturen mit hoher Kapazitätsdichte für DRAM mit hoher Dichte und (2) als Substrate für magnetische Platten mit geringer Haftreibung. In beiden Fällen werden die rauhen Si-Oberflächen durch (a) Wählen oder Herstellen einer Oberfläche, die bezüglich der Einwirkung von Silan bei Betriebstemperaturen allgemein im Bereich von etwa 450 ºC bis etwa 700 ºC und typischerweise im Bereich von 500 ºC bis 600 ºC chemisch inert ist, so daß das Aufwachsen durch Nukleation an spezifischen Defektstellen dominiert ist, und (b) selektives Aufwachsen von Si auf den einzelnen Nukleationsstellen, um die Morphologiestruktur der Nukleationsstellen in einen dickeren, rauhen Si-Film zu steigern und zu transferieren, hergestellt. Eine geeignete Auswahl von Depositionsparametern, z.B. Wachstumstemperatur, Druck und anfängliche Oberflächenbedingung, sowie von Reaktandenspezies, SiO&sub2; und Silan, stellt bevorzugte Ausführungsformen der inerten anfänglichen Oberfläche beziehungsweise des Reaktanden bereit.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figuren 1(a) bis 1(d) sind Schnittansichten einer Substratoberfläche, die eine Prozeßsequenz für die Erzeugung einer planaren Kondensatorstruktur mit hoher Kapazitätsdichte darstellen, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
Figur 2 ist eine Schnittansicht einer Oberfläche mit geringer Haftreibung auf einer magnetischen Platte mit einer rauhen Siliciumschicht, die gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wurde und zwischen dem Substrat und der magnetischen Oberflächenschicht angeordnet ist, wobei das rauhe Silicium in Form einer Reihe von zufälligen Si-Inseln vorliegt.
Figur 3 ist eine Schnittansicht einer Oberfläche mit geringer Haftreibung auf einer magnetischen Platte mit einer rauhen Siliciumschicht, die gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wurde, wobei die rauhe Siliciumschicht die Substratoberfläche vollständig bedeckt.
Figur 4 ist eine graphische Darstellung, die das zeitabhängige Aufwachsen von Si-Nukleationskeimen, die gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wurden, als Funktion der Temperatur bei einem Druck von 1,6 mTorr (0,21 Pa) darstellt und klar zeigt, daß die Oßerflächengebietsbedeckung durch Si-Punkte über diese Parameter gesteuert werden kann.
Figuren 5(a) bis 5(d) sind Schnittansichten einer Substratober fläche, die eine Prozeßsequenz für die Bildung von Si-Quantenpunkten für lichtemittierende Strukturen gemäß der Erfindung darstellen.
Figur 6 ist eine graphische Darstellung der Oberflächengebietsbedeckung durch gemäß der Erfindung aufgewachsene Nukleationskeime als Funktion der Depositionszeit bei einer Temperatur von 550 ºC für Depositionsdrücke von 1,6 mTorr und 3,2 mTorr (0,21 Pa und 0,43 Pa).

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die vorliegende Erfindung beinhaltet Systeme und Verfahren, durch die das Temperatur-Prozeßfenster für das Aufwachsen von rauhen Si-Oberflächentexturen im Vergleich zu früheren Prozessen, bei denen das Prozeßfenster auf weniger als 10 ºC begrenzt war, auf > 100 ºC erweitert wird. Die Schlüsselfaktoren für die Erzielung eines signifikant breiteren Prozeßfensters sind: (1) die Verwendung von CVD-Bedingungen mit sehr geringem Druck im Bereich von etwa 0,1 mTorr bis 100 mTorr (0,013 Pa bis 13,3 Pa), was im Gegensatz zu herkömmlicher LPCVD bei ≥ 200 mTorr (26,7 Pa) steht; und/oder (2) anfängliche Oberflächenbedingungen, die ein nukleationsgesteuertes Aufwachsen begünstigen. Die Möglichkeit, dieses viel größere Prozeßfenster zu erreichen, steigert die Machbarkeit der Herstellung von rauhen Siliciumoberflächen mit breiten Anwendungsmöglichkeiten beträchtlich.
Spezieller wurden frühere Arbeiten zum Aufwachsen von rauhen Poly-Si-Filmen unter ziemlich üblichen LPCVD-SiH&sub4;-Wachstumsbedingungen, d.h. ≥ 200 mTorr (26,7 Pa), in einem üblichen LPCVD-Reaktor mit heißer Wand ausgeführt. Die vorliegende Erfindung erreicht ein wesentlich breiteres Temperaturfenster 0 100 ºC) für das Aufwachsen von rauhem Si, indem eine ganz andere Vorgehensweise verwendet wird. Erstens werden Bedingungen mit sehr geringem Druck verwendet, z.B. 1 mTorr (0,13 Pa) unverdünntes SiH&sub4;. Ein derartiger Druckbereich ist mit herkömmlichen LPCVD-Einrichtungen und -Prozessen unerreichbar und würde somit normalerweise vom Fachmann auf dem Gebiet der Polysilicium-Deposition unter Verwendung von üblichen LPCVD- Bedingungen nicht ins Auge gefaßt werden. Es wird angenommen, daß der geringe Druck von Bedeutung ist, um eine Gasphasenreaktion zu minimieren, die zur Deposition von sehr kleinen Partikeln und folglich zur Glättung und nicht zur Aufrauhung der Wachstumsoberfläche führen könnte. Zweitens wird, zusätzlich oder alternativ, die anfängliche Oberflächenbedingung derart gewählt, daß das anfängliche Wachstum nukleationsgesteuert ist, z.B. indem eine thermische SiO&sub2;-Oberfläche verwendet wird, die in diesem Temperaturbereich relativ wenig mit SiH&sub4; reagiert. Bisher wurde die anfängliche Nukleation nicht als ein wichtiger Faktor beim Aufwachsen von rauhen Si-Oberflächen erkannt. Die Nukleation in den Anfangsstadien des Wachstums ist dahingehend von Bedeutung, daß sie letzten Endes die Topographie der rauhen Si-Filme bestimmt.
Die zwei erwähnten Faktoren legen nahe, daß das Aufwachsen von rauhen Si-Oberflächen grundlegend zwei Stufen beinhalten sollte:
Erzeugung von anfänglichen Nukleationskeimen.
Das Aufwachsen von anfänglichen Nukleationskeimen sollte mit geringer Dichte erfolgen. Durch Verwendung von Oberflächenbedingungen, die ein nukleationsgesteuertes Anfangswachstum bewirken, kann eine geringe Dichte (~ 10¹&sup0;/cm²) von Si-Nukleationskeimen auf der Oberfläche erzeugt werden. Dies ist zum Beispiel für die SiH&sub4;-Reaktion auf thermischem SiO&sub2; im Temperaturbereich von 500 ºC bis 600 ºC der Fall. Die Verwendung von sehr niedrigen Drücken im Bereich von 1 mTorr (0,13 Pa) verhindert eine Gasphasenreaktion und Partikelerzeugung, so daß keine höheren Dichten von Si- Nukleationskeimen auf der Oberfläche abgeschieden werden.
Es wird angenommen, daß die Verwendung von sehr geringen Drücken bei der Verhinderung einer übermäßigen Deposition von Gasphasen-Nukleationspartikeln auf der Oberfläche von Bedeutung ist, da eine hohe Anzahl von Mikropartikeln eine ziemlich glatte Oberfläche erzeugen würde, wie sie bei herkömmlichem LPCVD-Poly-Si üblicherweise erhalten wird (mit Ausnahme von sehr speziellen, engen Temperaturbereichen) Hier wird eine relativ geringe Dichte an Nukleationskeimen aufgebaut (~ 10¹&sup0;/cm²), um ein Rauhigkeitsmodell zu bilden; und sobald die Oberfläche ausreichend bedeckt ist, wird das Wachstum durch die Größenzunahme der Si-Nukleationskeime dominiert, welche die Rauhigkeit des anfängtichen Modells weitgehend wiedergibt.
Da Nukleation und nachfolgendes Wachstum bei sehr niedrigem Druck beide über einen breiten Temperaturbereich auftreten und gesteuert werden können, ist es möglich, ein beachtliches (~ 100 ºC) Temperatur-Prozeßfenster für das Wachstum von rauhem Si zu erhalten. Im Gegensatz dazu haben frühere Arbeiten die Erzeugung von rauhem Si lediglich über ein viel engeres Temperaturfenster entsprechend der Übergangstemperatur von amorph zu polykristallin beinhaltet - ein sehr unterschiedlicher Wachstumsmechanismus.
Wie unten beschrieben, werden unter Verwendung von Oberflächen aus thermischen SiO&sub2; vernünftige anfängliche Nukleationskeimdichten (~ 10¹&sup0;/cm²) erzielt, und man kann sich eine Anzahl von weiteren Vorgehensweisen zum Aufbau von nützlichen anfänglichen Nukleationsdichten vorstellen, wie eine noch stärker defektbehaftete Oxidschicht, wie natürliches Oxid, oder ein Zudosieren von Fremdatomen (Sauerstoff, Kohlenstoff etc.). Des weiteren wurde festgestellt, daß die Längenskala der Rauhigkeit (oder die anfängliche Nukleationskeimdichte) durch Schwankungen der Temperatur und des Drucks oder der Aufenthaltsdauer von Reaktandenspezies in dem Reaktor signifikant variiert werden kann. Dies führt zu Kompromissen, welche die Mikrostruktur/Topographie gegenüber der Wachstumsrate etc. optimieren.
Aufwachsen eines rauhen Si-Films aus anfänglichen Nukleations keimen.
Sobald Si-Nukleationskeime auf der Oberfläche vorhanden sind, spielt die Selektivität des SiH&sub4;-Wachstums eine Schlüsselrolle Die SiH&sub4;-Reaktion auf Si läuft viel schneller ab als auf SiO&sub2;, so daß, sobald ein ausreichendes Si- Oberflächengebiet durch die aufgebrachten Nukleationskeime aufgebaut wurde, die meiste nachfolgende Si-Deposition auf den Nukleationskeimen stattfindet und bewirkt, daß die Oberflächenmorphologie des Films die Struktur der anfänglichen Nukleationskeime wiedergibt. Da sehr niedrige Drücke verwendet werden, tragen Gasphasennukleation und Partikelerzeugung nicht signifikant zum Filmwachstum und zur Morphologie bei. Tatsächlich repräsentiert dann das Aufwachsen von Si aus den ursprünglichen aufgebauten Nukleationskeimen eine Strukturübertragung von einem zweidimensionalen Feld von Nukleationskeimen auf eine rauhe Topographie des endgültigen Si-Films
Wenngleich unter Verwendung von einem der zwei erwähnten Faktoren allein adäquate Resultate für einige Zwecke erzielt werden können, legen experimentelle Resultate und Beobachtungen nahe, daß rauhe Si-Oberflächen nicht über einen breiten Wachstumstemperaturbereich erzielt werden können, wenn höhere Drücke verwendet werden. Bei höheren Drücken erzeugt die Gasphasennukleation große Dichten von Si-Nukleationskeimen (Mikropartikel) auf der Oberfläche, was zu einer glatteren Morphologie (viel kleinere Körner mit viel höherer Dichte) führt. Demzufolge ist es wichtig, eine geringe anfängliche Nukleationskeimdichte und ihre morphologische Wiedergabe in dem aufgewachsenen Film sicherzustellen.
Wenngleich die Si-Oberflächenbeweglichkeit oberhalb der Übergangstemperatur von amorph zu kristallin die Oberflächenmorphologie etwas ändert (z.B. zu Facettenbildung führt), gewährleistet der große Unterschied in der Reaktionswahrscheinlichkeit für SiH&sub4; auf Si gegenüber SiO&sub2;, daß über einen breiten Wachstumstemperaturbereich hinweg rauhe Si-Oberflächen resultieren.
In jedem Fall ist es äußerst wünschenswert, eine unabhängige Steuerung der anfänglichen Nukleationskeimdichte ungeachtet der Wachstumsbedingungen zu erreichen, die zur Bestimmung der endgültigen Nukleationskeimabmessungen verwendet werden. Zu diesem Zweck kann eine verbesserte Steuerung der Nukleationskeimstellen und -dichte im ersten Schritt der Oberflächenherstellung wie folgt erzielt werden.

Oberflächenherstellung

In einer ersten Ausführungsform können Oberflächenbehandlungen verwendet werden, um die Dichte von Stellen für eine Nukleation zu bestimmen. Derartige Behandlungen können dahingehend effektiv sein, eine Nukleation aus dem Wachstumsprozeß bei sehr niedrigem Druck an jenen Stellen zu steigern durch:
(i) Depositidn von Fremdatomen (Kohlenstoff, Metall, Sau-. erstoff etc.) aus Gasphaseneinwirkung (z.B. Acetylen für eine Kohlenstoffdeposition), Flüssigkeitseinwirkung (Eintauchvorgänge) oder physikalische Gasphasenabscheidung (z.B. Aufdampfen oder Sputtern);
(ii) Erzeugung von Defekten durch Ionenimplantation, Bestrahlung mit Röntgenstrahlen, Ionenätzen/-beschuß, UV-Licht, um Oberflächenbindungen aufzubrechen, etc.;
(iii) chemische Modifikation der Oberfläche, z.B. durch Aufwachsen von unvollständigen oder defektbehafteten Schichten, wie Oxid, Verwendung von unterschiedlichen Wachstumstechniken für diese Schichten etc.; und
(iv) Aufwachsen einer vollständigen Oberflächenschicht, wie natürliches Oxid, thermisches Oxid, CVD-Nitrid, Dielektrikum durch plasmaunterstütztes CVD (PECVD) etc.
Alle derartigen Behandlungen bieten unterschiedliche Stellendichten für eine Nukleation.
In einer alternativen Ausführungsform können tatsächliche Nukleationskeime auf der Oberfläche aufgebracht werden, statt die Oberfläche zu verändern, um vorteilhafte Stellen für eine Nukleation zu bilden. Zum Beispiel kann eine Erhöhung des Drucks und/oder der Temperatur während einer kurzen Zeitspanne (vgl. die stationäre Nukleationskeim-Wachstumsbedingung) verwendet werden, um Mikropartikel oder höhere Vorproduktspezies in der Gasphase zu erzeugen, die sich dann als tatsächliche Nukleationskeime auf der Oberfläche ablagern. Dieser "Keimbildung" auf der Oberfläche folgend, können diese anfänglichen Nukleationskeime bei gesteuerten Dichten durch CVD bei sehr niedrigem Druck einem weiteren Wachstum unterzogen werden.
Im Hinblick auf die vorausgehende Steuerung der Bildung der anfänglichen Nukleationskeimdichte kann das Wachstum auf spezielle Bereiche der Oberfläche (z.B. Ionenimplantation mit einer vorhandenen Maske) wenigstens in einigen Fällen beschränkt werden, was zu der Möglichkeit einer Strukturierung der resultierenden Bereiche mit rauher Si-Topographie führt.
Bei einer tatsächlichen Ausführung wurden rauhe Si-Oberflächen durch SiH&sub4;-CVD-Wachstum von Si-Filmen mit einer Dicke von ~ 100 nm in einem ultrareinen (UHV-Basisdruck), schnellen thermischen CVD(RTCVD)-Reaktor mit kalten Wänden bei Drücken im Bereich von ~ 1 mTorr (0,13 Pa) erzeugt, in dem Gasphasennukleation gering sein sollte (siehe B. MEYERSON, J. JASINSKI, J. Appl. Phys. Bd. 61, S. 785 (1987)). Die Deposition wurde auf 20 nm dicken Filmen aus thermischem SiO&sub2; eingeleitet, was zu geringen Dichten von Nukleationszentren (~ 10¹&sup0;/cm²) führte. Weitere Details sind unten in dem Abschnitt mit dem Titel Si- Punkte mit Nanometerabmessungen beschrieben.
Rasterelektronenmikroskop (REM)-Mikroaufnahmen der resultierenden Oberflächen wurden gemacht und zeigten für Wachstumstemperaturen im Bereich von 510 ºC bis 570 ºC eine ausgeprägte Rauhigkeit. Dieser Temperaturbereich ist ≥ 6x breiter als jener zuvor für das Aufwachsen von rauhem Poly-Si an der Grenze zwischen amorphem und polykristallinem Si-Wachstum erzielte. Mit höherer Wachstumstemperatur gibt es zunehmend Anzeichen für Facetten auf den Poly-Si-"Höckern", was zeigt, daß die Rauhigkeit ziemlich unabhängig von einer mit dem Si-Kornwachstum verknüpften Oberflächendiffusion erzeugt wurde. Dies ist ein klarer Hinweis., daß es sich bei dem hier verwendeten Rauhigkeitsmechanismus nicht um den im Stand der Technik erörterten Übergang von amorph zu kristallin handelt.
Außerdem wurden vqrläufig.e Beobachtungen bei weiteren Temperaturen, z.B. ~ 480 ºC und ~ 600 ºC, gemacht, bei denen eine ziemlich ähnliche rauhe Morphologie des Si-Films festgestellt wurde, was nahelegt, daß das Temperaturfenster für das Wachstum von rauhen Si ≥ 100 ºC ist, typischerweise zwischen etwa 500 ºC und 600 ºC und irgendwo im Bereich zwischen etwa 450 ºC und 700 ºC.
Querschnitts-REM-Mikroaufnahmen legen stark nahe, daß die rauhe Oberflächenmorphologie in der vorliegenden Erfindung aus einer zusätzlichen Strukturübertragung aufgrund von Wachstum an anfänglichen Nukleationstellen auf der Oberfläche des SiO&sub2;-Substrats resultiert.
Nunmehr werden Beispiele für Anwendungen beschrieben, in denen spezielle Ausführungsformen der Erfindung vorteilhaft verwendet werden können.

DRAM-Strukturen mit hoher Kapazitätsdichte

Durch Aufwachsen eines rauhen Si-Dünnfilms, wie oben beschrieben, kann eine gesteuerte Zunahme des effektiven verfügbaren Oberflächengebiets erzielt werden. Die Verwendung dieser Oberfläche als untere Elektrode in einer Kondensatorstruktur erhöht die Kapazität für eine gegebene makroskopische Kondensatorfläche. Die Erfindung kann somit in der Chip-Fertigung auf DRAM- und/oder optoelektronischen Gebieten angewendet werden. Alternative Lösungen, wie Plasmapartikelerzeugung zur Mikromaskierung, bieten weniger Flexibilität, da Punktdichte und - abmessung durch einen einzigen Prozeß verknüpft sind (z.B. Gasphasenpartikelbildung).
Bei Anwendung in Umgebungen, in denen DRAM oder verwandte Bauelementstrukturen erforderlich sind, ist die Vorgehensweise besonders wertvoll, um aufgrund der zur Verfügung stehenden Prozeßsteuerung und des zur Verfügung stehenden Prozeßspielraums eine Herstellbarkeit bei sehr hohen Integrationsgraden (z.B. 256 Mb oder 1 Gb) zu erzielen. Zum Beispiel bietet die oben erwähnte Fähigkeit, die Nukleationskeimdichte zu steuern und die Gestalt der Nukleationskeime (z.B. Facettenbildung) maßzuschneidern, die Möglichkeit, eine Steigerung der hohen Kapazität mit kleinen Nukleationskeimen hoher Dichte (sehr feinkörnige Rauhigkeit) und kleinem Aspektverhältnis zu realisieren. Mit einer großen Anzahl von Nukleationskeimen in jeder Kapazitätszelle ist die Verteilung von Kapazitätswerten schmaler, was eine höhere Ausbeute bei hohen Integrationsgraden erlaubt.
Es ist wichtig zu erwähnen, daß gegenwärtige DRAM-Entwürfe entweder gestapelte oder Graben-Kondensatorkonfigurationen verwenden, in denen ein großer Teil der Kondensatoroberfläche tatsächlich vertikal verläuft. Da die Oxidations- und CVD-Depositionsprozesse für rauhes Si konform sind, d.h. eine Reaktion sowohl an Seitenwänden als auch auf horizontalen Oberflächen beinhalten, kann die Herstellung von rauhen Si-Oberflächen ohne weiteres in den relevanten Geometrien für hochentwickelte DRAM- Kondensaturstrukturen erreicht werden.
Demgemäß können Graben-, gestapelte oder planare Kondensatorstrukturen mit einer hohen Kapazitätsdichte hergestellt werden, indem, bezugnehmend auf Figur 1(a), die Oberfläche 2 einer Substratstruktur 1 zuerst so behandelt wird, daß sie bezüglich einer Reaktion mit Si-haltigen Spezies relativ inert gemacht wird, z.B. unter Verwendung einer darauf befindlichen Schicht aus thermischen SiO&sub2;. Als nächstes wird, wie in Figur 1(b) gezeigt, ein Si-abscheidendes Gas zur Deposition von Si-Nukleationskeimen 3 auf der Oberfläche 2 verwendet. Die Dichte der Si-Nukleationskeime 3, die auf der Substratoberfläche 2 gebildet werden, wird durch Regeln der Temperatur- und Druckbedingungen während der Deposition gesteuert. Es wurde festgestellt, daß Betriebsdrücke unter 200 mTorr (26,7 Pa) liegen können und im weiten Bereich von etwa 0,1 mTorr bis 100 mTorr (0,013 Pa bis 13,3 Pa) liegen können, wobei der bevorzugte Bereich bei etwa 1 mTorr bis 5 mTorr (0,13 Pa bis 0,67 Pa) liegt. Die Betriebstemperatur kann unterhalb von etwa 700 ºC und typischerweise im Bereich von 500 ºC bis 600 ºC und bis herunter auf etwa 450 ºC liegen.
Wie aus Figur 1(c) ersichtlich, wird dann weiteres Si auf den abgeschiedenen Nukleationskeimen 3 aufgewachsen, um einen nahezu kontinuierlichen Film 4 aus Si mit einen rauhen Oberflächentextur auf der Substratstruktur zu erzeugen. Dann wird ein dünnes konformes Dielektrikum 5 über der rauhen Si-Oberfläche des Films 4 gebildet, und schließlich wird eine obere Elektrode 6 aus Si über dem Dielektrikum 5 aufgebracht, um die Kondensatorstruktur zu vervollständigen, wie in Figur 1(d) dargestellt.
Folglich ist die Erfindung klarerweise bei der DRAM-Technologie und -Fertigung anwendbar, wo eine verbesserte Kapazitätsdichte von entscheidender treibender Kraft ist. Weitere Anwendungen in Strukturen mit hoher Kapazität können Entkopplungs-Kondensatoren in der Hochleistungs-Bipolartechnologie oder Speicherkondensatoren für die Dünnfilmtransistor-Flüssigkristallanzeigetechnologie beinhalten.

Magnetische Platten mit geringer Haftreibung

Eine besonders wertvolle Anwendung der vorliegenden Erfindung liegt in Verbindung mit der Fertigung magnetischer Platten vor. Die offenbarten Techniken sind zur Verwendung bei der Herstellung einer passiven topographischen Oberfläche mit gesteuerter Rauhigkeit auf einer Längenskala von 100 nm als Substrat für Oberflächen von dünnen Magnetplatten mit geringer Haftreibung geeignet.
Die Zuverlässigkeit der Technologie für magnetische Dünnfilmplatten ist durch die Haftreibung zwischen Kopf und Platte beim Hochlaufen beschränkt. Um die Haftreibung zu reduzieren, werden die Plattenoberflächen normalerweise vor der Deposition eines magnetisch aktiven Dünnfilms aufgerauht. Bekannte Technologien zur Erzeugung von Oberflächen mit geringer Haftreibung leiden an wenigstens zwei Unzulänglichkeiten. Erstens sind die Rauhigkeitseigenschaften auf einer Nanometer-Skala schwierig zu steuern; und zweitens wird die Rauhigkeit gegenwärtig durch physikalische Mittel (z.B. ein Funktionsband, ähnlich Sandpapier) erzeugt, die in der Anwendung auf metallische Substrate beschänkt sind. In einem derartigen Fall sind Defektdichten hoch aufgrund (i) der Erzeugung von übermäßig großen, mit einer Verwerfung von verformbaren Metallen verknüpften Oberflächen- Unebenheiten und (ii) einer mit einem galvanischen Vorgang einhergehenden Korrosion. Ein Fortschritt in der Technologie für geringe Haftreibung erfordert eine bessere Steuerung der Rauhigkeitseigenschaften und -statistik ebenso wie eine Anwendbarkeit auf isolierende, passive Substrate (z.B. Glas), wobei Vorteile hinsichtlich geringerer Kosten und höherer Zuverlässigkeit erwartet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung basiert die Bildung einer gesteuerten Rauhigkeit auf der Nukleation und dem frühen Wachstum von Si-Inseln durch chemische Gasphasenabscheidung. Wie gewünscht, kann die Oberfläche des Sübstrates vollständig oder unvollständig mit dem aufgebrachten Silicium bedeckt sein. Zwei derartige Konfigurationen sind schematisch in den Figuren 2 und 3 dargestellt, wobei die erstere eine unvollständige Bedeckung und die letztere eine vollständige Bedeckung der Substratoberfläche zeigt. Wie aus den Figuren ersichtlich, wird ein geeigetes Plattensubstrat 10 bereitgestellt, um das aufzubringende rauhe Silicium aufzunehmen. Die Deposition kann gesteuert werden, wie hierin beschrieben, um eine Reihe von zufälligen Si- Ihseln 12, wie in Figur 2, oder eine rauhe kontinuierliche Oberfläche 14, wie in Figur 3, zu erzeugen. Nach Beendigung der hierin beschriebenen Prozesse zur Bildung einer derartigen rauhen Si-Oberfläche kann eine konforme, magnetisch aktive Schicht 16 aufgebracht werden, um die gewünschte Plattenoberfläche mit geringer Haft reibung zu erzielen. Si, das bei einer Temperatur von ~ 550 ºC bei ~ 2 mTorr (0,27 Pa) SiH&sub4;-Druck auf thermischem SiO&sub2; abgeschieden wird, zeigt eine Morphologie, die als ein geeignet aufgerauhtes Substrat für die konforme magnetische Dünnfilmschicht einer Platte dienen kann. Es ist zu erwähnen, daß die Längenskala der Rauhigkeit in diesen Fällen ~ 100 nm mit einem Aspektverhältnis von ~ 1 beträgt, wie gegenwärtig für die Technologie für Platten mit geringer Haftreibung erforderlich.

Si-Punkte mit Nanometer-Abmessungen

Aus den vorausgehenden Beschreibungen ist ersichtlich, daß Si- Punkte mit Nanometer-Abmessungen durch Si-CVD mit sehr niedrigem Druck, z.B. ~ 0,1 mTorr bis 100 mTorr (0,013 Pa bis 13,3 Pa) durch eine zweistufige Abfolge gebildet werden können:
(1) Erzeugung von Nukleationskeimen mit gewünschter Dichte; und
(2) gesteuertes Aufwachsen bis zur gewünschten Bedeckung (durchschnittliche Punktabmessung oder durchschnittlicher Punktdurchmesser).
Die Struktur von Punkten kann dann, z.B. durch Ätzen, für eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen Elemente im Nanometerbereich erforderlich sind, in das Substrat transferiert werden.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Prozesse zur Definition der Punktdichte und Punktabmessung (oder Flächenbedeckung) zu separieren und jeden unabhängig zu steuern. Die bevorzugte Ausführungsform in dieser Hinsicht verwendet SiH&sub4;-CVD mit sehr niedrigem Druck für beide Schritte nacheinander innerhalb des gleichen Reaktors. Als erstes wird eine gewünschte Dichte von Nukleationskeimen auf der Oberfläche erzeugt. Als zweites wird CVD bei sehr niedrigem Druck verwendet, um diese kleinen Nukleationskeime auf die gewünschte Abmessung zu vergrößern.
In der bevorzugten Ausführungsform umfaßt diese Sequenz die folgenden Prozeduren:
Beginnend mit einer wohldefinierten Substratoberfläche (z.B. thermischen SiO&sub2;) und einer geringen Defektdichte (wenige Nukleationsstellen), wird dann eine hohe Dichte von Nukleationskeimen auf der Oberfläche erzeugt. Ein Weg, um dies zu erreichen, besteht darin, sehr kleine Partikel (oder Vorproduktmoleküle, wie Disilan) während der Silan-CVD bei erhöhtem Druck zu erzeugen, die sich dann als Nukleationskeime auf der Oberfläche ablagern. Eine zweite Vorgehensweise besteht darin, durch eine heterogene Reaktion Nukleationskeime auf der Oberfläche zu bilden und ihre Abmessung und Dichteverteilung über die Depositionsparameter (Temperatur, Druck) zu steuern. Innerhalb der zweiten Vorgehensweise können weitere Oberflächenvorbehandlungen (z.B. natürliches Oxid, Ionenbeschuß etc.) verwendet werden, um die Dichte der Nukleationsstellen in einer kontrollierten Weise zu variieren.
Sobald die gewünschte Dichte an Nukleationskeimen auf der Oberfläche aufgebaut wurde, wird eine Si-Deposition aus SiH&sub4; (oder anderen Reaktanden) ausgeführt (z.B. bei sehr niedrigem Druck), um an den Nukleationsstellen ein 3-dimensionales Wachstum von Si-Nanostrukturelementen im Nanostrukturbereich zu bewirken. Wenn sehr niedrige prücke verwendet werden, ist die Erzeugung von neuen Nukleationsstellen vernachlässigbar. Des weiteren ist, wenn die anfänglichen Nukleationskeime sehr klein sind, die Nerteilung der Abmessungen von aufgewachsenen Si-Punkten scharf, und die durchschnittliche Punktabmessung wird durch Wachstumsbedingungen (Temperatur, Zeit, aktueller Druck etc.) eng gesteuert.
Nach Erzielung der gewünschten Si-Punktdichte und -Flächenbedeckung kann richtungsabhängiges Ätzen auf Plasmabasis verwendet werden, um die Struktur in die Oberfläche zu transferieren, wie in der zuvor zitierten IBM TDB von G. S. SELWYN ET AL. und untenstehend beschrieben. Es ist zu erwähnen, daß die Herstellung dieser Nanostrukturelemente in-situ ausgeführt wird, was die Definition und Herstellung von Elementen ohne Resist-Verarbeitung einschließt.
Spezieller wurde die obige CVD-Ausführungsform auf SiH&sub4;-Basis dazu verwendet, eine wohldefinierte Dichte von Si-Nukleationskeimen auf einer Schicht aus thermischen SiO&sub2; von 20 nm unter Verwendung von schneller thermischer CVD auf Ultrahochvakuum- Basis aufzuwachsen. Rasterelektronenmikroskop (REM)-Mikroaufnahmen der resultierenden Oberflächen zeigen eine ausgeprägte Rauhigkeit in der Probe mit isolierten Nukleationskeimen bei einer Flächenbedeckung von ~ 1/2 auf der Oberfläche. Des weiteren ist das zeitabhängige Wachstum von Nukleationskeimen als Funktion der Temperatur im Bereich von 510 ºC bis 570 ºC bei einem Druck von 1,6 mTorr (0,21 Pa) in Figur 4 dargestellt, die klar zeigt, daß die Oberflächengebietsbedeckung durch Si-Punkte geeignet gesteuert werden kann.
Eine weitere Anwendung ist in den Figuren 5(a) bis 5(d) gezeigt, nämlich die Bildung von Si-Quantenpunkten für lichtemittierende Strukturen, für welche die Prozeßsequenz aus den folgenden Schritten besteht:
1. Eine Oxidschicht 41 mit einer Dicke von etwa 200 Å wird auf die Oberfläche eines Substrates 40 aufgebracht, um die in Figur 5(a) gezeigte Struktur zu bilden. Dieses Oxid kann thermisch aufgewachsen werden, wenn das Substratmaterial Silicium ist. Für andere Substratmaterialien kann die Oxidschicht durch chemische Gasphasenabscheidung auf die Oberseite des Substrates aufgebracht werden. Wenn ein anderes Material als Oxid notwendig ist, um das Substrat während der nachfolgenden, unten beschriebenen Atzschritte zu maskieren, kann eine Schicht 43 aus einem derartigen Material unterhalb der Oxidschicht 41 aufgebracht werden.
2. Punkte 42 im Submikrometerbereich, die durch Silicium- Nukleationskeime gebildet werden, werden durch chemische Gasphasenabscheidung unter Verwendung von Silangas auf der Oberfläche der Oxidschicht 41 aufgebracht, um die in Figur 5(b) gezeigte Struktur zu bilden. Es wird ein gegebener Satz von Depositionsparametern (Temperatur und Druck) gewählt, um eine gewünschte Nukleationskeimdichte beziehungsweise Nukleationskeimabmessung zu erhalten. Figur 6 ist zum Beispiel eine graphische Darstellung einer Oberflächengebietsbedeckung durch aufgewachsene Nukleationskeime als Funkti6n der Depositionszeit bei einer Temperatur von 550 ºC für Depositionsdrücke von 1,6 mTorr und 3,2 mTorr (0,21 Pa und 0,43 Pa). Aus diesen Daten und jenen von Figur 4 ist ersichtlich, daß die Flächenbedeckung aus Silicium auf der Oberfläche und daher die Abmessung der Si-Punkte durch geeignete Einstellungen von Temperatur und Druck gesteuert werden können. In dieser Hinsicht kann es vorteilhaft sein, Siliciumnitrid anstelle von Siliciumoxid aufzubringen. Die Nukleationskeimdichte und die Wachstumsrate der Nitrid-Nukleationskeime unterscheidet sich von einer Oxidoberfläche und sollte bestimmt werden. Außerdem kann die Substratoberfläche vor der Deposition der Nukleationskeime zum Beispiel durch Einwirken von Kohlenstoff oder durch lokales Ätzen bestimmter Gebiete der Oxidoberfläche in-situ behandelt werden, um den Ort dieser Nukleationskeimzentren zu steuern und/oder die Nukleationskeimdichte weiter zu modifizieren.
3. Die Struktur der Siliciumpunkte 42 kann durch selektives reaktives Ionenätzen (RIE) des nicht freiliegenden Oxids unter Verwendung der Silicium-Nukleationskeime als Maske auf die darunterliegende Oxidschicht 41 transferiert werden. Die gleiche Struktur kann dann mit einem weiteren reaktiven Ionenätzschritt durch Verwenden der Oxidstruktur als Maske und Ändern der Ätzgaszusammensetzung in das Substrat 40 transferiert werden, was zu der in Figur 5(c) gezeigten Konfiguration führt.
Wie oben erwähnt, kann, wenn statt Oxid ein anderes Material notwendig ist, um das Substratmaterial 40 während der Atzschritte zu maskieren, eine Schicht 43 aus einem derartigen Material aufgebracht werden, und ein derartiges Zwischenschicht-Atzstoppmaterial kann unter der SiO&sub2;-Schicht verwendet werden, um die Punktstruktur nach einer selektiven Entfernung des SiO&sub2; zwischen den Si-Punkten beizubehalten und die Punktstruktur dann in das Si-Substrat zu transferieren.
4. Schließlich werden das verbleibende Oxid und die Silicium- Nukleationskeime weggeätzt, wobei die in Figur 5(d) gezeigte Si-Punktstruktur (44) mit Nanometerabmessungen zurückbleibt.

Zusammenfassende Betrachtungen

Die Niederdruck-Bedingungen, die für diese Erfindung notwendig sind, sind sowohl in Ultrahochvakuum(UHV)-CVD-Reaktoren, die für Niedertemperatur-Epitaxie geeignet sind (typischerweise Chargen-Reaktoren), als auch in schnellen thermischen UHV/CVD- Einzelwafer-CVD-Reaktoren ohne weiteres erzielbar. Reaktoren beider Typen sind kommerziell erhältlich und können vom Fachmann in geeigneter Weise ausgewählt werden.
Ergebnigse wurden als das Resultat von Arbeiten erhalten, die in einem Reaktor des letzteren Typs ausgeführt wurden, und zeigten das Wachstum von rauhen Si-Oberflächen über einen breiten Temperaturbereich (~ 100 ºC) hinweg mit einer steuerbaren Nukleationskeimdichte (Korngröße) und Gestalt der Nukleationskeime. Eine deutliche Steigerung der Rauhigkeit von wenigstens 2x bis 3x wurde für das Aufwachsen sowohl auf (Bauelement-) Oberflächen aus dünnem thermischen Oxid als auch auf Oberflächen mit einem nur sehr dünnen chemischen Oxid (hergestellt durch übliche Naßreinigungsprozeduren) gezeigt. Schließlich wurde außerdem gezeigt, daß rauhe Si-Oberflächen unter Verwendung von UHV/CVD-Chargenreaktoren mit heißen Wänden aufgewachsen werden können. Da auf diese Weise bis zu 50 bis 100 Wafer gleichzeitig bearbeitet werden können, öffnet dieses Verfahren die Tür zu einer Fertigung mit hohem Durchsatz.
Da das CVD-Wachstum von Si typischerweise eine gewisse Selektivität aufweist, ist es klar, daß eine Vielzahl von Si-haltigen Reaktanden für die Deposition verwendet werden kann, wie Disilan, Dichlorsilan etc. Des weiteren ist beabsichtigt, daß weitere Oberflächenisolatoren direkt verwendet werden können, wie Aluminiumoxid oder eine Vielzahl von Glasmaterialien. Wenn gewünscht, können die Materialien des Volumensubstrats und der isölierenden Nukleationsoberfläche verschieden sein, z.B. kann das Verfahren mit einem Volumen-Glassubstrat begonnen werden, auf dem ein dünner SiO&sub2;-Film aufgebracht wird, und das rauhe Si kann dann als Nukleationskeime auf dem SiO&sub2; aufgebracht werden.
Es ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik signifikante Vorteile bei der Herstellung von rauhen Si-Oberflächen bietet. Wie oben erwähnt, unterscheidet sich der Mechanismus wesentlich von jenem, der das Wachstum bei der Übergangstemperatur von amorph zu kristallin ausnutzt, wo ernsthafte Herstellbarkeitsprobleme durch die Notwendigkeit des Arbeitens mit einem Prozeßfenster von ≥ 10 ºC entstehen.
Ein weiterer bekannter Weg zur Erzeugung von rauhem Si besteht darin, thermische Oxidation von Poly-Si zu verwenden, die an dotierten Korngrenzen beträchtlich schneller als in die Körner hinein verläuft. Diese Vorgehensweise scheint jedoch bisher nur eine Flächensteigerung von 1,34x erreicht zu haben (siehe P.C. FAZAN und A. DITALI, "Electrical characterization of textured interpoly capacitors for advanced stacked DRAMS", IEDM 90-663, 27.5.1, 1990. (Micron Technol. Corp.)). Außerdem sind für eine thermische Oxidation relativ hohe Temperaturen erforderlich, und niedrigere thermische Einwirkungen, die eine amorphe Si- Struktur aufrechterhalten, Sind nicht verwendbar, da die thermische Oxidation zwangsläufig ein Wachstum von Si-Körnern bewirkt, was zu Strukturen mit großen Körnern führt.
Eine weitere Alternative besteht darin, Plasmaerzeugung von Partikeln zu verwenden, um ein Rauhigkeitsmodell zu bilden, und jene Rauhigkeitsstruktur dann durch anisotropes selektives Ätzen, z.B. RIE (siehe IBM TDB von G. S. SELWYN ET AL, oben zitiert), in die Oberfläche zu transferieren. Diese Vorgehensweise ist jedoch aufgrund der Richtungsabhängigkeit des Plasmas auf die Erzeugung von rauhen Si lediglich auf Oberseiten beschränkt. Dies verhindert eine Deposition von rauhen Si auf Seitenwänden, was es für gegenwärtige DRAM-Entwürfe nicht benutzbar macht, die stets eine ausgedehnte Seitenwandfläche entweder in Stapel- oder Graben-Kondensatorgeometrien ausnutzen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Oberflächentexturen mit zufälliger Rauhigkeit im Nanometerbereich, das die Schritte umfaßt:

Bereitstellen eines Substrates mit einer Oberfläche;

Aufbringen von Si-Nukleationskeimen auf der Oberfläche und Steuern der Dichte und Größe der auf der Oberfläche ausgebildeten Si-Nukleationskeime durch Regeln der Temperaturund Druckbedingungen der Deposition;

selektives Aufwachsen von Si auf bestimmte Nukleationsstellen, um die Morphologiestruktur der Nukleationsstellen in eine dickere, rauhe Si-Oberflächentextur zu steigern und zu transferieren, wobei die Deposition bei einem Druck im Bereich von 0,1 mTorr bis 100 mTorr (0,013 Pa bis 13,3 Pa) stattfindet.

2. Verfahren zur Herstellung von Oberflächentexturen mit zufälliger Rauhigkeit im Nanometerbereich, das die Schritte umfaßt:

Bereitstellen eines Substrates mit einer Oberfläche, die derart konditioniert ist, daß sie bezüglich einer Reaktion mit Si-haltigen Spezies im wesentlichen inert ist;

selektives Aufwachsen von Si auf bestimmte Nukleationsstellen, um die Morphologiestruktur der Nukleationsstellen in eine dickere, rauhe Si-Oberflächentextur zu steigern und zu transferieren, wobei die Deposition bei einer Temperatur im Bereich von 450 ºC bis 700 ºC stattfindet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche derart konditioniert ist, daß sie bezüglich einer Reaktion mit Si-haltigen Spezies innerhalb eines Temperaturbereichs von 450 ºC bis 700 ºC im wesentlichen inert ist.

4. Verfahrennach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schritt der Bereitstellung eines Substrates das Bilden einer Oxidschicht auf der Oberfläche des Substrates beinhaltet.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberfläche durch die Deposition von Fremdatomen aus wenigstens einer der Techniken Gasphaseneinwirkung, Flüssigkeitseinwirkung und physikalische Gasphasenabscheidung konditioniert wird, oder

wobei die Oberfläche durch die Erzeugung von Defekten in derselben durch wenigstens eine der Techniken Ionenimplantation, Röntgenstrahleneinwirkung, Ionenätzen/-beschuß und UV-Licht konditioniert wird, um Oberflächenbindungen zu brechen, oder

wobei die Oberfläche durch die chemische Modifikation der Oberfläche durch das Aufwachsen von unvollständigen oder defektbehafteten Schichten darauf konditioniert wird, oder

wobei die Oberfläche durch das Aufwachsen einer vollständigen Oberflächenschicht konditioniert wird, die wenigstens eines von einem natürlichen Oxid, thermischen Oxid, CVD-Nitrid und plasmaunterstützten CVD (PECVD)-Dielektrikum beinhaltet.

6. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, das des weiteren den Schritt der Erzeugung einer dünnen konformen dielektrischen Schicht über der rauhen Si-Oberfläche um-

7. Verfahren nach Anspruch 6, das des weiteren den Schritt des Aufbringens einer oberen Elektrode aus Si über der dielektrischen Schicht umfaßt.

8. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, das des weiteren den Schritt des konformen Aufbringens einer Schicht aus magnetisdhem Material auf dem Siliciumsubstrat umfaßt, um eine dünne magnetische Plattenoberfläche mit geringer Haftreibung auf dem Substrat zu erzeugen.

9. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Deposition durch chemische Gasphasenabscheidung im Ultrahochvakuum (UHV-CVD) erfolgt.

10. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 9, wobei die Deposition bei einem Druck im Bereich von 1 mTorr bis 5 mTorr (0,13 Pa bis 0,67 Pa) und bei einer Temperatur im Bereich von 500 ºC bis 600 ºC stattfindet.