DE102004039663B3 - Herstellungsverfahren für einen Grabenkondensator mit einem Isolationskragen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren für einen Grabenkondensator mit einem Isolationskragen (10) in einem Siliziumsubstrat (1) mit den Schritten: Vorsehen eines Grabens (5) in dem Siliziumsubstrat (1); Vorsehen des Isolationskragens (10) im oberen Grabenbereich bis zur Oberseite des Siliziumsubstrats (1); Abscheiden einer Schicht (12) aus einem Metalloxid im Graben (5); Durchführen einer thermischen Behandlung zum selektiven Reduzieren der Schicht (12), wobei ein unterhalb des Isolationskragens (10) über dem Siliziumsubstrat (1) liegender Bereich der Schicht (12) reduziert wird und in eine erste Kondensatorelektrodenschicht (15) aus einem entsprechenden Metallsilizid überführt wird und wobei ein über dem Isolationskragen (10) liegender Bereich der Schicht (12) nicht reduziert wird; selektives Entfernen des über dem Isolationskragen (10) liegenden nicht reduzierten Bereichs der Schicht (12); Vorsehen einer Kondensatordielektrikumschicht (18) im Graben (5) über der ersten Kondensatorelektrodenschicht (15) und Vorsehen einer zweiten Kondensatorelektrodenschicht (20) im Graben (5) über der Kondensatordielektrikumschicht (18).

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für einen Grabenkondensator mit einem Isolationskragen.
• Obwohl prinzipiell auf beliebige integrierte Schaltungen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in bezug auf integrierte Speicherschaltungen in Silizium-Technologie erläutert.
• Obwohl auf beliebige Grabenkondensatoren mit Isolationskragen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik anhand eines Grabenkondensators mit Isolationskragen zur Verwendung in einer Halbleiterspeicherzelle erörtert.
• Früher wurde in Grabenkondensatoren das dotierte kristalline Silizium des Substrats als untere Kondensatorelektrodenschicht genutzt. In jüngerer Zeit wurde vorgeschlagen, eine metallische untere Kondensatorelektrodenschicht als separate Schicht im Graben zu verwenden. In diesem Zusammenhang bieten sich insbesondere folgende Integrationsvarianten an:
• a) Abscheiden einer dünnen metallischen Kondensatorelektrodenschicht im Graben und nachfolgende Strukturierung mittels Lithographie/Ätzung,
• b) Salizid-Prozess, d.h. Abscheiden einer metallischen Kondensatorelektrodenschicht im Graben, welche aus einem elementaren Metall, wie z.B. W, Ti, ..., besteht, und anschließende Silizidierung. Dieser Prozess kann selbstjustiert zum Isolationskragen aus Siliziumoxid durchgeführt werden und ist beispielsweise in der Wo 02/069345 A2 beschrieben.
• Als problematisch bei der Erzeugung einer unteren metallischen Kondensatorelektrodenschicht für einen Grabenkondensator hat sich die Tatsache herausgestellt, dass die untere metallische Kondensatorelektrodenschicht einerseits sehr dünn sein muss, um die Fläche des Grabenkondensators nicht stark zu verringern, und man andererseits zur Integration konventionelle Lithographie- und Ätzprozesse benötigt, welche den Verfahrensablauf komplizieren und welche strukturelle Beschränkungen aufweisen.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Herstellungsverfahren für einen Grabenkondensator mit einem Isolationskragen anzugeben, der eine dünne untere metallische Elektrode aufweist.
• Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Herstellungsverfahren gelöst.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, eine selbstjustierte Erzeugung einer unteren metallischen Kondensatorelektrodenschicht dadurch zu realisieren, dass zunächst ein Metalloxid im Graben vorgesehen wird, welches durch eine anschließende thermische Behandlung dort reduziert wird, wo es über dem Siliziumsubstrat liegt und dabei in eine Metallsilizid-Kondensatorelektrodenschicht überführt wird. Der Prozess läuft nur in den Bereichen ab, in denen das Metalloxid in Kontakt mit dem Substratsilizium ist. Im Bereich des Isolationskragens bzw. auf der Oberfläche der umgebenden Struktur kommt es zu keiner Umwandlung, weshalb das Metalloxid dort später wieder selektiv entfernt werden kann.
• Das erfindungsgemäße Verfahren weist zunächst den Vorteil auf, dass die Kapazität aufgrund der metallischen Elektrodenstruktur vergrößert ist. Eine Kombination mit oberflächenvergrößernden Maßnahmen, wie z.B. HSG, Mesoporen-Ätzen, ..., ist möglich. Aufgrund der Abwesenheit von Lithographie /Ätzprozessen bedingt das erfindungsgemäße Verfahren nur einen geringen zusätzlichen Prozessaufwand zum bekannten Prozess. Die Bildung der unteren Kondensatorelektrodenschicht aus Metallsilizid erfolgt dabei selbstjustiert zum Isolationskragen. Eine Herstellung dünner und homogener metallischer Schichten im Graben ist möglich, d.h. das erfindungsgemäße Verfahren ist skalierbar.
• Weiterhin ist eine konforme Abscheidung von Schichten aus Metalloxid in Grabenstrukturen mit hohem Aspektverhältnis wesentlich einfacher realisierbar, beispielsweise mittels des ALD-Verfahrens (ALD = atomic layer deposition), als die Abscheidung von elementaren Metallen, wie z.B. in der WO 02/069345 A2 beschrieben.
• In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Erfindungsgegenstandes.
• Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung besteht die Metalloxidschicht aus HfO₂.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung besteht die Metalloxidschicht aus einem Seltenerd-Oxid.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung besteht die Metalloxidschicht aus einem der folgenden Materialien: Ta₂O₅, TiO₂, ZrO₂, CoO, Ni₂O₃, IrO₂, RuO₂.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung besteht die Kondensatordielektrikumschicht aus Al₂O₃.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung besteht die Kondensatordielektrikumschicht aus einem Seltenerd-Oxid oder HfO₂ oder Mischungen dieser Oxide mit Al₂O₃.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung besteht die zweite Kondensatorelektrodenschicht aus Si oder TiN.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung findet die thermische Behandlung im Temperaturbereich 400 bis 1100°C unter Wasserstoffatmosphäre statt.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Metalloxidschicht mittels des ALD-Verfahrens abgeschieden.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Kondensatordielektrikumschicht mittels des ALD- oder CVD-Verfahrens abgeschieden.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die zweite Kondensatorelektrodenschicht mittels des ALD- oder CVD-Verfahrens abgeschieden.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
• 1a–d zeigen schematische Schnittdarstellungen eines Herstellungsverfahrens für einen Grabenkondensator mit einem Isolationskragen gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Bestandteile.
• In 1a bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Silizium-Halbleitersubstrat, an dessen Oberseite OS eine Padoxid-Schicht 2 und eine Padnitrid-Schicht 3 vorgesehen sind. Im oberen Bereich des Grabens 5 bis zur Oberseite der Padnitrid-Schicht 3 reichend vorgesehen ist ein Isolationskragen 10 aus Siliziumoxid.
• Durch eine konforme Abscheidung eines Metalloxids, wie z.B. HfO₂, mittels des ALD-Verfahrens (ALD = atomic layer deposi tion) wird im Graben und auf der Oberseite der umgebenden Struktur eine Schicht 12 aus dem Metalloxid vorgesehen, was zum Prozesszustand gemäß 1a führt.
• Weiter mit Bezug auf 1b erfolgt dann eine thermische Behandlung zum selektiven Reduzieren der Schicht 12 aus Metalloxid bei Temperaturen zwischen 400°C und 1100°C und zweckmäßigerweise in H₂-Atmosphäre. Dabei wird ein unterhalb des Isolationskragens 10 über dem Siliziumsubstrat 1 liegender Bereich der Schicht 12 aus Metalloxid reduziert und in einer ersten Kondensatorelektrodenschicht 15 aus einem entsprechenden Metallsilizid überführt. Ein über dem Isolationskragen 10 und der umgebenden Padnitrid-Schicht 3 liegender Bereich der Schicht 12 aus Metalloxid wird hingegen nicht reduziert.
• In einem darauffolgenden Prozessschritt, der in 1c illustriert ist, wird das nicht reduzierte Metalloxid in den Bereichen, in denen keine Reaktion stattgefunden hat, selektiv zu Siliziumoxid und Siliziumnitrid nasschemisch entfernt.
• Anschließend wird gemäß 1d eine Kondensatordielektrikumsschicht 18 über der ersten Kondensatorelektrodenschicht 15 in dem Graben vorgesehen, wonach eine zweite Kondensatorelektrodenschicht 20 im Graben 5 über der Kondensatordielektrikumsschicht 18 vorgesehen wird.
• Die Kondensatordielektrikumsschicht 18 kann beispielsweise aus Al₂O₃, HfO₂, oder einem ähnlichen Material bestehen und mittels des ALD- oder CVD-Verfahrens abgeschieden werden. Die obere Kondensatorelektrodenschicht 20 kann beispielsweise aus Silizium oder TiN bestehen und ebenfalls mittels des ALD- oder CVD-Verfahrens vorgesehen werden.
• Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
• Insbesondere ist die Auswahl der Schichtmaterialien nur beispielhaft und kann in vielerlei Art variiert werden.
• Obwohl für die obige Ausführungsform HfO₂ oder ein Seltenerd-Oxide für die Schicht 12 bevorzugt werden, kommen insbesondere auch folgende andere Materialien bevorzugt in Frage: Ta₂O₅ → TaSi, ZrO₂ → ZrSi, TiO₂ → TiSi, CoO → CoSi, Ni₂O₃ → NiSi, IrO₂ → IrSi, RuO₂ → RuSi, u.ä..

1

Si-Halbleitersubstrat

OS

Oberseite von 1

2

Padoxid

3

Padnitrid

5

Graben

10

Isolationskragen

12

Schicht aus Metalloxid

15

erste Kondensatorelektrodenschicht aus Metall

silizid

18

Kondensatordielektrikumschicht

20

zweite Kondensatorelektrodenschicht aus Metall

Claims (11)

1. Herstellungsverfahren für einen Grabenkondensator mit einem Isolationskragen (10) in einem Siliziumsubstrat (1) mit den Schritten: Vorsehen eines Grabens (5) in dem Siliziumsubstrat (1); Vorsehen des Isolationskragens (10) im oberen Grabenbereich bis zur Oberseite des Siliziumsubstrats (1); Abscheiden einer Schicht (12) aus einem Metalloxid im Graben (5); Durchführen einer thermischen Behandlung zum selektiven Reduzieren der Schicht (12), wobei ein unterhalb des Isolationskragens (10) über dem Siliziumsubstrat (1) liegender Bereich der Schicht (12) reduziert wird und in eine erste Kondensatorelektrodenschicht (15) aus einem entsprechenden Metallsilizid überführt wird und wobei ein über dem Isolationskragen (10) liegender Bereich der Schicht (12) nicht reduziert wird; selektives Entfernen des über dem Isolationskragen (10) liegenden nicht reduzierten Bereichs der Schicht (12); Vorsehen einer Kondensatordielektrikumschicht (18) im Graben (5) über der ersten Kondensatorelektrodenschicht (15); und Vorsehen einer zweiten Kondensatorelektrodenschicht (20) im Graben (5) über der Kondensatordielektrikumschicht (18).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (12) aus HfO₂ besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (12) aus einem Seltenerd-Oxid besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (12) aus einem der folgenden Materialien besteht: Ta₂O₅, ZrO₂, TiO₂, CoO, Ni₂O₃, IrO₂, RuO₂.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatordielektrikumschicht (18) aus Al₂O₃ besteht.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatordielektrikumschicht (18) aus einem Seltenerd-Oxid, HfO₂, oder einer Mischung dieser Oxide mit Al₂O₃ besteht.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kondensatorelektrodenschicht (20) aus Si oder TiN besteht.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung im Temperaturbereich 400 bis 1100°C unter Wasserstoffatmosphäre stattfindet.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (12) mittels des ALD-Verfahrens abgeschieden wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatordielektrikumschicht (18) mittels des ALD- oder CVD-Verfahrens abgeschieden wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kondensatorelektrodenschicht (20) mittels des ALD- oder CVD-Verfahrens abgeschieden wird.