DE10216614B4

DE10216614B4 - Verfahren zur Verstärkung einer dielektrischen Schicht auf einem Halbleitersubstrat an Fehlstellen und Anordnung mit einer verstärkten dielektrischen Schicht

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Publication number: DE10216614B4
Application number: DE10216614A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Hecht; Albert Dr. Birner; Harald Seidl; Uwe Dr. Schröder; Stefan Jakschik; Martin Dr. Gutsche
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2002-04-15
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2022-04-16
Also published as: US20030224584A1; DE10216614A1; US7176514B2

Abstract

Verfahren zur Verstärkung einer dünnen dielektrischen Schicht (2) auf einem Halbleitersubstrat (1) an ihren Fehlstellen (3), bei dem
(a) das Halbleitersubstrat (1) aus Silizium als leitfähiges und zu einem nichtleitfähigen Substratfolgematerial oxidierbares Substratmaterial bereitgestellt,
(b) die dielektrische Schicht (2) aus einem nicht mit dem Substratfolgematerial identischen Dielektrikumsmaterial aufgebracht,
(c) das mit der dielektrischen Schicht (2) versehene Halbleitersubstrat (1) in eine mit einem Elektrolyt (9) gefüllte elektrochemische Zelle (5 )' mit zwei Elektroden (6, 7) verbracht,
(d) die erste Elektrode (6).mit dem Halbleitersubstrat (1) verbunden und die zweite Elektrode (7) in Kontakt mit dem Elektrolyt (9) gebracht,
(e) zwischen den beiden Elektroden (6, 7) ein elektrisches Potential erzeugt,
(f) in einem elektrochemischen Prozess ein Stromfluß (11) zwischen dem Elektrolyt (9) und dem Halbleitersubstrat (1) gesteuert wird, der sich durch die dielektrische Schicht (2) bevorzugt im Bereich von Fehlstellen (3) der dielektrischen Schicht (2) einstellt und...

Description

Verfahren zur Verstärkung einer dielektrischen Schicht auf einem Halbleitersubstrat an Fehlstellen und Anordnung mit einer verstärkten dielektrischen Schicht.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verstärkung einer dünnen dielektrischen Schicht auf einem Halbleitersubstrat an ihren Fehlstellen und eine Anordnung mit einer an Fehlstellen verstärkten dielektrischen Schicht.
In der Halbleiterprozesstechnologie werden dielektrische Materialien (im Folgenden auch Dielektrika) zur Isolation von Schaltungsteilen, als dielektrische Schicht zwischen Elektroden von Kondensatoren, sowie als Isolatorschicht zwischen einer Gate-Elektrode und einer steuerbaren Halbleiterstrecke von Feldeffekttransistoren verwendet. Zur Isolation von Schaltungsteilen bzw. Leiterbahnen werden dabei Dielektrika mit einer niedrigen Permittivität bevorzugt, um eine kapazitive Kopplung von Signalen zwischen Schaltungsteilen und/oder die Kapazität einer elektrisch leitfähigen Verbindung zu verringern. Für den Einsatz in Feldeffekttransistoren und Kondensatoren werden Dielektrika mit einer hohen Permittivität bevorzugt, um bei sonst gleichen Abmessungen eines Kondensators größere Kapazitätswerte zu realisieren.
Insbesondere bei der Herstellung von DRAMs (dynamic random access memories) mit mehreren Millionen aus jeweils einem Transistor und einem Kondensator bestehenden Speicherzellen sind mit steigenden Speichergrößen Speicherzellen mit kleineren Abmessungen gefordert. Da wiederum der Platzbedarf einer Speicherzelle überwiegend durch den Platzbedarf des Kondensators bestimmt wird, der Platzbedarf des Kondensators propor tional der Kapazität des Kondensators ist und für einen sicheren Betrieb der Speicherzelle die Kapazität des Kondensators einen Mindestwert nicht unterschreiten darf, ergibt sich die Notwendigkeit, eine zwischen den beiden Elektroden des Kondensators befindliche dielektrische Schicht mit möglichst geringer Schichtdicke und aus einem Material möglichst hoher Permittivität vorzusehen.
Der Kondensator einer Speicherzelle wird also weiter in seiner Größe reduziert, wobei die Kapazität des Kondensators groß genug bleibt, um eine ausreichend große Ladung während eines Betriebs der Speicherzelle zu speichern. Um den Platzbedarf einer Speicherzelle auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats zu reduzieren, werden die Kondensatoren in bekannter Weise, beispielsweise in Gräben (Trenches) des Halbleitersubstrats oder auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (stacked capacitor) angeordnet. Parallel zur Entwicklung neuer Layout-Designs für Speicherzellen wird weiter nach Lösungen gesucht, die physikalische Größe des Kondensators bei ausreichender verbleibender Kapazität zu verringern. Die Kapazität eines Kondensators wird dabei durch die Flächen seiner Elektroden, den Abstand der Elektroden zueinander und die Permittivität des Materials einer zwischen den beiden Elektroden befindlichen dielektrischen Schicht bestimmt.
Üblicherweise wird die dielektrische Schicht als Oxid- oder Nitridschicht oder als mehrschichtige Schicht aus Oxid- und Nitridschichten ausgeprägt. Nitrid- beziehungsweise Oxidschichten weisen eine ausreichend hohe Permittivität aus und können mit den in der Halbleiterprozesstechnologie üblichen Verfahren als sehr dünne Schichten (kleiner 10 nm) abgeschieden werden. Entweder direkt bei der Abscheidung selbst oder aufgrund thermomechanischer Belastungen in nachfolgenden Prozessschritten entstehen in der Nitridschicht Fehlstellen. Wird nun in einem Betriebszustand der Speicherzelle ein Potential zwischen den beiden Elektroden der Speicherzelle an gelegt, so findet entlang vor Strukturfehlern in der dielektrischen Schicht ein Transport von Ladungsträgern, in der Regel Elektronen oder Löchern, statt. Es fließt ein unerwünschter Leckstrom zwischen den beiden Elektroden. Dabei wird der Speicherkondensator mindestens teilweise entladen und der Dateninhalt der Speicherzelle mindestens erschwert detektierbar. An Schwachstellen der dielektrischen Schicht kann in Folge einer Feldüberhöhung die dielektrische Schicht durchschlagen werden, worauf in der Folge über so erzeugte Fehlstellen ein weiterer Anteil des Leckstroms zwischen den. beiden Elektroden des Kondensators fließt. Um die Ausbildung solcher Fehlstellen zu unterdrücken, werden dielektrische Schichten nach ihrer Abscheidung einer thermischen Alterung unterworfen, im Verlauf derer sich aus potentiellen Schwachstellen Fehlstellen entwickeln, die in einem nachfolgenden Oxidationsschritt ausgeheilt werden. Dabei werden Fehlstellen (pin holes) in einer Siliziumnitridschicht durch Inkorporation von Sauerstoff in die Siliziumnitridschicht und die damit einher gehende Verdichtung und/oder Verstärkung der Siliziumnitridschicht gefüllt. Im zugrunde liegenden thermischen Alterungsschritt wird das Substrat mit der dielektrischen Schicht für etwa 20 bis 90 Minuten in einer Sauerstoffatmosphäre auf eine Temperatur von 700 bis 850 Grad Celsius erhitzt.

In der Patentschrift US 6,340,613 (De Boer) wird etwa ein Verfahren beschrieben, mit dem eine dielektrische Schicht aus Siliziumnitrid mit einer Schichtdicke kleiner 5 nm mit Hilfe zweier schneller Temperaturschritte (rapid thermal process) in oxidierender Umgebung nachbehandelt wird. Durch die Nachbehandlung wird die Anzahl von Fehlstellen in der dielektrischen Schicht verringert.

Aus der US 6,143,627 ist ein Verfahren, zur lokalen elektrochemischen Oxidation von Silizium auf ausgewählten Bereiche, eines Siliziumsubstrats bekannt. Fehlstellen in der elektrochemisch aufgewachsenen Siliziumoxidschicht werden durch örtliches, tröpfchenweises Aufbringen eines Elektrolyts in einem nachfolgenden elektrochemischen Prozess ausgeheilt.

Die US 5,208,189 beschreibt ein Verfahren zum Ausheilen von Fehlstellen einer dünnen dielektrischen Schicht. Die Fehlstellen in einem Halbleiterbauelement werden durch eine unvollständig abgeschiedene, fragmentarische Schicht aus einem zweiten Dielektrikumsmaterial aufgefüllt. Das zweite Dielektrikumsmaterial wird per Gasphasenabscheidung aufgebracht. In einer Nukleationsphase beginnt dabei das zweite Dielektrikumsmaterial aus energetischen Gründen bevorzugt an Fehlstellen in der dünnen dielektrischen Schicht anzuwachsen.

Der US 5,236,573 ist ein weiteres Verfahren zur Ausheilung einer Isolatorschicht, bzw. eines Dielektrikums durch anodische Oxidation eines der Isolatorschicht bzw. dem Dielektrikum unterliegenden leitfähigen Materials zu entnehmen.

Das Verfahren der US 5,236,573 bezieht sich dabei auf MIM (Metal-Insulator-Metal)-Einrichtungen zur Adressierung von Bildelementen in einem LCD (Liquid Crystal Display). Eine solche MIM-Einrichtung besteht aus einer auf einem Substrat angeordneten ersten leitfähigen Schicht, auf die eine dünne dielektrische Schicht aufgebracht ist. Auf der dielektrischen Schicht ist eine zweite leitfähige Schicht vorgesehen. Um Kurzschlüsse zwischen den beiden leitfähigen Schichten zu vermeiden, wird die dielektrische Schicht vor dem Aufbringen der zweiten leitfähigen Schicht einem Ausheilprozess unterzogen. Als Materialien der ersten leitfähigen Schicht werden Metalle wie Tantal, Aluminium, Niob, Titan, Molybdän und Hafnium genannt.

Ein Verfahren für das Zersägen eines Halbleiterwafers in einem Elektrolyt, bei dem die durch das Sägen freigelagten Siliziumkanten des Halbleiterwafers umgehend elektrochemisch oxidiert werden, ist aus der EP 0 996 147 A1 bekannt.

Die DE 22 18 186 A1 beschreibt einen heterogenen Elektrolytkondensator. Beim heterogenen Elektrolytkondensator wird das Dielektrikumsmaterial im Gegensatz zu einem homogenen Elektrolytkondensator nicht aus dem Anodenmaterial gebildet. Statt dessen wird auf das leitfähige Anodenmaterial, typischerweise Aluminium, ein Titan- oder Tantaloxid mit im Vergleich zu Aluminiumoxid hoher Dielektrizitätszahl aufgebracht. Fehler in der dielektrischen Schicht des Elektrolytkondensators werden durch das Material ausgefüllt, das aus der Oxidation des Anodenmaterials hervorgeht.

Als weitere dielektrische Materialien sind etwa Ta₂O₅, TiO₂, HfO₂, ZrO₂ und Al₂O₃ bekannt . So weist beispielsweise Ta₂O₅ eine Permittivität auf, die etwa dreimal höher ist als die von Si₃N₄. Der Einsatz solcher Materialien als Dielektrikum wird gegenwärtig noch durch deren mangelnde Stabilität und durch Diffusionsprozesse eingeschränkt. Beispielsweise neigt das Tantal einer Tantalpentoxid-Schicht dazu, aus der dielektrischen Schicht auszudiffundieren, wobei sich in der Folge die Permittivität der dielektrischen Schicht verringert. Des Weiteren diffundieren aus den angrenzenden Elektrodenflächen etwa deren Dotierstoffe in das Dielektrikum hinein. Solche Diffusionsprozesse werden gegenwärtig durch zusätzliche Diffusionsbarrierenschichten unterbunden.

So beschreibt etwa die Patentschrift US 6,198,124 (Sandhu, et al.) ein Verfahren zur Herstellung einer dielektrischen Schicht aus Ta₂O₅. Dabei wird nach Abscheiden der dielektrischen Schicht eine überwiegend amorphe Diffusionsbarrierenschicht abgeschieden. In der EP 1 078 998 A2 sind dielektrische Schichten mit Perovskitstruktur sowie Verfahren zu deren Herstellung beschrieben.

Bei der Realisierung sehr dünner dielektrischer Schichten, bzw. von dielektrischen Schichten aus Materialien mit erhöhter oder hoher Permittivität ergeben sich also zunächst pro- zessbedingt Einschränkungen. Zu deren Überwindung sind bereits Lösungsmöglichkeiten vorgeschlagen, etwa Zwischenschichten, die als Diffusions- bzw. Reaktionsbarrieren wirken.

Ein weiterer Effekt sehr dünner dielektrischer Schichten bzw. von dielektrischen Schichten aus Materialien mit erhöhter oder hoher Permittivität sind Schwachstellen, bzw. Fehlstellen. Fehlstellen (pin holes) sind dabei etwa Einlagerungen aus einem anderen Material als dem der dielektrischen Schicht. Diese Einlagerungen entstehen zum einen direkt bei der Abscheidung der dielektrischen Schicht. Zum anderen kann die dielektrische Schicht nach dem Abscheiden Vertiefungen, Risse u.ä. aufweisen, die bei einer anschließenden Ausbildung einer aufliegenden Elektrode aus einem leitfähigen Material mit diesem gefüllt werden. Schwachstellen im Dielektrikum sind zunächst nicht durchgängige Löcher oder Brücken in der dielektrischen Schicht, die sich im weiteren Prozessverlauf oder nach Anlegen eines elektrischen Potenzials zu Fehlstellen ausprägen.

Insbesondere sind Fehl- und Schwachstellen bei ganz oder teilweise auskristallisierten dielektrischen Schichten auch Grenzflächen, an denen Kristallite der dielektrischen Schicht aneinander grenzen (im Folgenden auch Korngrenzen).

Prozessbedingt steigt die Wahrscheinlichkeit von pin holes bei Abnahme der Schichtdicke der dielektrischen Schicht exponentiell an. Beim Einsatz von oxidischen Dielektrika hoher Permittivität, die in einem ersten Prozessschritt abgeschieden werden und in einem zweiten Prozessschritt einem Kristallisationsprozess unterworfen werden, bilden die Kristallisationsbereiche begrenzende Korngrenzen Einschnürungen der dielektrischen Schicht, die in einem Betriebszustand der Speicherzelle als bevorzugte Pfade für einen Ladungsträgertransport zwischen den beiden Elektroden (Leckstrompfad) wirken. Für dünne dielektrische Schichten, die nach Abscheidung einem Kristallisationsprozess unterworfen werden, sind Leckstrompfade bisher absehbar eine die Anwendbarkeit beschränkende Eigenschaft.

Etwa dem Einsatz von Al₂O₃, das weder aktiv noch passiv in nennenswertem Umfang an Diffusionsprozessen beteiligt ist, steht bisher ein vergleichsweise hoher Leckstrom in sehr dünnen Schichten entgegen.

Schließlich scheiden bekannte Verfahren zur Ausheilung dielektrischer Schichten, etwa die Inkorporation von Sauerstoff in die dielektrische Schicht, bei sehr dünnen Schichten wegen der hohen thermischen Belastung aus, bzw. sind bei oxidischen Dielektrika hoher Permittivität wegen deren niedriger thermischer Belastbarkeit nicht sinnvoll. Weiterhin führt eine thermische Oxidation zu einer ganzflächigen Oxidation des unterliegenden Substrats und damit zu einer nachteiligen Verringerung der Kapazität der Anordnung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem eine dielektrische Schicht an Fehlstellen einfach, schonend und zuverlässig verstärkt wird. Die Aufgabe umfasst ferner eine Anordnung mit verstärkter dielektrischer Schicht.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Verstärkung einer dünnen dielektrischen Schicht auf einem Halbleitersubstrat gelöst, bei dem

(a) das Halbleitersubstrat aus Silizium als leitfähiges und zu einem nichtleitfähigen Substratfolgematerial oxidierbares Substratmaterial bereitgestellt,
(b) die dielektrische Schicht aus einem nicht mit dem Substratfolgematerial identischen Dielektrikumsmaterial aufgebracht,
(c) das mit der dielektrischen Schicht versehene Halbleitersubstrat in eine mit einem Elektrolyt gefüllte elektrochemische Zelle mit zwei Elektroden verbracht,
(d) die erste Elektrode mit dem Halbleitersubstrat verbunden und die zweite Elektrode in Kontakt mit dem Elektrolyt gebracht,
(e) zwischen den beiden Elektroden ein elektrisches Potential erzeugt,
(f) in einem elektrochemischen Prozess ein Stromfluß zwischen dem Elektrolyt und dem Halbleitersubstrat gesteuert wird, der sich durch die dielektrische Schicht bevorzugt im Bereich von Fehlstellen der dielektrischen Schicht einstellt und
(g) durch eine elektrochemische Reaktion das Substratmaterial bevorzugt in an die Fehlstellen anschließenden Bereichen in das Substratfolgematerial umgesetzt wird, womit elektrisch isolierende Verstärkungsbereiche gebildet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit der dielektrischen Schicht in fehlerfreien Abschnitten einerseits und im Bereich von Fehlstellen andererseits. Ein Ladungs- bzw. Ionenfluss findet nur im Bereich von Fehlstellen statt, so dass ein an die dielektrische Schicht anschließendes Substrat ausschließlich im Bereich der Fehlstellen oxidiert wird. Die dielektrische Schicht wird selektiv im Bereich von Fehlstellen durch Umwandlung des leitfähigen Substratmaterials in ein dielektrisches Substratfolgematerial verstärkt. Durch die Oxidation des Substrats nimmt der elektrische Widerstand an den Fehlstellen zu, so dass der Ladungs- bzw. Ionentransport schließlich zum Erliegen kommt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in der Weise durchgeführt, dass zunächst auf einem leitfähigen Substrat, aus zum Beispiel dotiertem Silizium, durch Gasphasenabscheidung (CVD, chemical vapor deposition ALD, atomic layer deposition oder PVD physical vapor deposition) mindestens abschnittsweise eine dielektrische Schicht aufgebracht wird. Danach wird in einer elektrochemischen Zelle das Substrat mit der ersten Elektrode (Anode) der elektrochemischen Zelle verbunden. Die zweite Elektrode (Kathode) der elektrochemischen Zelle ist dem beschichteten Substrat gegenüber angeordnet. Die Zelle ist mit einem Elektrolyt gefüllt. Durch Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden der elektrochemischen Zelle kommt ein Ionentransport durch die Fehlstellen der dielektrischen Schicht zustande. Das Substratmaterial wird in an Fehlstellen der dielektrischen Schicht angrenzenden Abschnitten oxidiert. Wird das Substratmaterial so gewählt, dass das Oxidationsprodukt elektrisch isolierend ist, so wird die dielektrische Schicht in diesen Abschnitten in das darunterliegende Substrat verstärkt. Dieses Verfahren ist selbstjustierend, da nur im Bereich von Fehlstellen ein Oxid in der Substratschicht gebildet wird.

Das Verfahren ist auch im günstigen Fall selbstlimitierend, da mit zunehmender Oxidation des Substratmaterials an den bevorzugten Leckstrompfaden der Gesamtstrom durch die dielektrische Schicht geringer wird. Das Verfahren kann also abgebrochen werden, sobald eine Stromstärke zwischen den beiden Elektroden der elektrochemischen Zelle einen Mindestwert unterschreitet, der einem maximal zulässigen Gesamtleckstrom der dielektrischen Schicht entspricht.

Dieses Verfahren ist weitgehend unabhängig vom Material der dielektrischen Schicht, sofern ein Elektrolyt gewählt wird, gegen den das Dielektrikumsmaterial eine ausreichende Ätzresistenz aufweist. Das Verfahren ist ferner zur Verstärkung dielektrischer Schichten beliebiger Schichtdicke geeignet.

Insbesondere wenn die dielektrische Schicht als zunächst amorphe Schicht etwa durch Gasphasenabscheidung (ALD, CVD, PVD) abgeschieden wird und in einem zweiten Schritt, etwa durch Erhitzen, einem Kristallisationsprozess unterzogen wird, führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einer deutlich erniedrigten Leckstromdichte. Bei einem Kristallisationsvorgang wachsen in der dielektrischen Schicht, ausgehend von verschiedenen Kristallisationskeimen, Kristallite an. In der auskristallisierten dielektrischen Schicht bilden aneinandergrenzende Oberflächen benachbarter Kristallite Korngrenzen. Korngrenzen bilden bei sehr dünnen Schichten bevorzugt Schwach- oder Fehlstellen. Auf diese Weise erzeugte dielektrische Schichten neigen also zu einer hohen Leckstromdichte, so dass das erfindungsgemäße Verfahren hier zu einer wesentlichen Verbesserung der Isolationseigenschaften einer dielektrischen Schicht beiträgt.

In besonders bevorzugter Weise wird die dielektrische Schicht von der elektrochemischen Behandlung mit Wärme thermisch vorbehandelt. Dabei wird ein durch eine Zeitdauer und eine Temperatur Warmebehandlung definiertes thermisches Budget so gewählt, dass es ein folgendes, prozesstechnisch notwendiges thermisches Budget mindestens erreicht, besser aber übersteigt. Damit werden in hohem Maße Schwachstellen der dielektrischen Schicht zu Fehlstellen erweitert und damit die Leckstromdichte der dielektrischen Schicht deutlich erhöht. Wird nun eine derart thermisch vorbehandelte dielektrische Schicht gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verstärkt, so werden dadurch im hohen Maße auch Fehlstellen, die sich ansonsten erst in folgenden prozesstechnischen Schritten bilden würden, quasi im Vorgriff erzeugt und verstärkt.

Als Substratmaterial wird dazu Silizium, das durch eine elektrochemische Reaktion in ein elektrisch isolierendes Substratfolgematerial umgesetzt wird, entweder mit amorpher oder kristalliner Struktur, dotiert oder undotiert, bereitgestellt. Silizium wird durch elektrochemische Oxidation in elektrisch nichtleitendes Siliziumdioxid SiO₂ umgesetzt. Dessen Permittivität ist zwar relativ gering, jedoch wirkt die Vielzahl von an den Fehlstellen gebildeten Kapazitäten mit einem SiO₂-Dielektrikum als parallele Kapazität zur eigentlichen, mit dem Dielektrikumsmaterial gebildeten Kapazität. Bei der Parallelschaltung von Kapazitäten ergibt sich die Gesamtkapazität aus der Summe der Teilkapazitäten, so dass die geringe Permittivität des gebildeten Siliziumoxids die Gesamtkapazität nicht wesentlich beeimflusst. Voraussetzung dafür ist, dass der elektrochemische Prozess in einer Weise gesteuert wird, dass die sich im Substrat ausbildenden nichtleitfähigen Bereiche aus dem Substratfolgematerial in ihrer Ausdehnung auf die Größenordnung der Schichtdicke der dielektrischen Schicht beschränkt bleiben. Insbesondere wird dabei verhindert, dass die Bereiche aus dem Substratfolgematerial entlang einer Grenzschicht (Interface) zwischen dem Substrat einerseits und der dielektrischen Schicht andererseits expandieren und so abschnittsweise eine Zwischenschicht zwischen dem Substrat und der dielektrischen Schicht bilden, die die eigentliche Kapazität der Struktur entsprechend ihrer Gesamtausdehnung und -dicke verringert.

Die dielektrische Schicht kann dabei in allen Überlegungen eine einzelne dielektrische Schicht aus einem einzigen Dielektrikumsmaterial oder eine aus mehreren Teilschichten gebildete Dielektrikumsschicht aus mehreren Dielektrikumsmaterialien sein.

Ein mögliches Material ist dabei Siliziumnitrid Si₃N₄ da die zur Prozessierung solcher Schichten notwendige Prozesstechnologie besonders zuverlässige und reproduzierbare Ergebnisse liefert. Weitere geeignete Dielektrikumsmaterialien sind solche mit erhöhter Permittivität wie Al₂O₃ und solche mit hoher Permittivität wie TiO₂, Ta₂O₅, Nb₂O₃, Y₂O₃, ZrO₂, HfO₂, (Ta₂O₅)₉(TiO₂) ₁ , (Hf, Zr)O₂, BaTiO₃, und (Ba,Sr)TiO₃. Dabei sind auch Kombinationen der genannten Dielektrikumsmaterialien innerhalb jeder der Teilschichten möglich. Insbesondere bei Materialien, die nach einer Abscheidung einem Kristallisationsprozess unterzogen werden, ist eine Nachbehandlung zur Verringerung der Leckstromdichte erforderlich.

Als Elektrolyten sind insbesondere wässrige H₂SO₄-Säure und wässrige HCl-Säure geeignet. Diese Elektrolyte greifen die genannten dielektrischen Materialien nicht an und stellen gleichzeitig einen ausreichend großen Ionentransport sicher. Typische Konzentrationswerte liegen etwa zwischen 10^–4 bis etwa 1 mol.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der elektrochemische Prozess in der elektro chemischen Zelle galvanostatisch gesteuert. Dabei wird der Elektrodenstrom während des elektrochemischen Prozesses weitgehend konstant gehalten und die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden mit zunehmender Prozessdauer erhöht. Die Oxidation findet also während des Prozesses mit einer nahezu gleichen Rate statt. Auf diese Weise wird quantitativ besonders viel Substratmaterial in das isolierende Substratfolgematerial umgesetzt. Um die Fehlstellen der dielektrischen Schicht bilden sich im Substrat besonders große oxidierte Abschnitte, wodurch Fehlstellen besonders nachhaltig verstärkt werden. Dieses Verfahren wird von der Durchschlagfestigkeit der dielektrischen Schicht bzw. der bereits im Substrat ausgeprägten Strukturen in seiner Anwendbarkeit begrenzt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der elektrochemische Prozess in der elektrochemischen Zelle potentiostatisch gesteuert. Dabei wird die Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden der elektrochemischen Zelle während des elektrochemischen Prozesses weitgehend konstant gehalten. Der Oxidationsprozess im Substratmaterial verlangsamt sich mit zunehmender Prozessdauer. Auf diese Weise lässt sich die Expansion der Abschnitte des Substratfolgematerials beschränken, wodurch eine mit dem Verstärkungsprozess einher gehende Verringerung der Kapazität steuerbar ist.

Durch einen Wechsel zwischen potentio- und galvanostatischer Steuerung des elektrochemischen Prozesses lässt sich die Ausprägung der Bereiche aus dem Substratfolgematerial an die Erfordernisse anpassen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann prinzipiell jede dielektrische Schicht in ihrem Leckstromverhalten verbessert werden die auf einem Halbleiter substrat aus einem Substratmaterial angeordnet ist, das sich elektrochemisch in ein elektrisch nicht leitfähiges Substratfolgematerial umwandeln lässt. In bevorzugter Weise wird das erfindungsgemäße Verfahren bei der Bildung einer dielektrischen Schicht zwischen zwei Elektroden eines Kondensators vorgesehen. Insbesondere bei Kondensatoren ist die Leckstromdichte eine die Funktion bestimmende Eigenschaft. Ferner werden dielektrische Schichten von Kondensatoren, zur Erhöhung deren Kapazität im besonderen als sehr dünne Schichten ausgelegt, sodass fertigungstechnisch mit hohen Leckstromdichten zu rechnen ist. Bei der Formung von Kondensatoren auf Halbleitersubstraten kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren also in besonders hohem Maße die Funktionalität von Kondensatoren verbessert werden.

Die Verwendung von Dielektrika hoher Permittivität wird auch als Isolatorschicht (insulator) von MISFET-Strukturen (metal insulator semiconductor field effect transistor) beziehungsweise als Oxidschicht von MOSFET-Strukturen (metal oxide semiconductor field effect transistor) forciert. Bei solchen Strukturen erhöht das erfindungsgemäße Verfahren die Anzahl möglicher Materialien für die Isolatorschicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Anwendung Halbleitersubstratoberflächen auf planaren, wie auch auf strukturierten geeignet. In bevorzugter Weise kommen die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Anwendung auf dielektrische Schichten, die auf einem stark strukturierten Halbleitersubstrat angeordnet sind, zu tragen. Zum einen weisen stark strukturierte Halbleitersubstrate eine deutlich größere Oberfläche auf, so dass die Wahrscheinlichkeit von Fehlstellen steigt, zum anderen führt die kompliziertere Oberflächenstruktur zu einer höheren Zahl von Fehlstellen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also eine dielektrische Schicht mit sehr geringer Leckstromdichte erzeugt. Gegenstand der Erfindung ist daher auch eine Anordnung aus einem leitfähigen und zu einem nicht leitfähigen Substratfolgematerial oxidierbaren Substratmaterial bestehenden und einer angrenzenden dielektrischen Schicht aus einem Dielektrikumsmaterial, wobei die dielelektrische Schicht elektrisch leitende Fehlstellen aufweist und bei der in an die Fehlstellen der dielektrischen Schicht angrenzenden Bereichen des Substrats das Substratmaterial in das Substratfolgematerial umgewandelt ist und Verstärkungsbereiche bildet.

Dabei ist als Substratmaterial insbesondere Silizium geeignet. Sowohl in seiner amorphen, wie auch in seiner kristallinen Form, sowohl dotiert, als auch undotiert, bildet Silizium durch elektrochemische Oxidation als Substratfolgematerial Siliziumdioxid, dass ein sehr guter elektrischer Isolator ist.

Die dielektrische Schicht kann dabei aus einer einzigen dielektrischen Teilschicht aus einem Dielektrikumsmaterial oder einer Mehrzahl von Teilschichten aus verschiedenen Dielektrikumsmaterialien bestehen. Als Dielektrikumsmaterialien sind insbesondere Si₃N₄ wegen einer bekannten und ausgereiften Prozesstechnologie, sowie Al₂O₃, Ta₂O₅, Nb₂O₃, Y₂O₃, TiO₂, (Ta₂O₅) ₉ (TiO₂) ₁ , ZrO₂, HfO₂, (Hf, Zr)O₂, BaTiO₃ und (Ba,Sr)TiO₃ geeignet. Dabei sind auch Kombinationen der genannten Dielektrikumsmaterialien innerhalb jeder der Teilschichten möglich.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weisen die durch das Substratfolgematerial gebildeten Verstärkungsbereiche eine Ausprägung bezüglich ihres Gefüges und ihrer Ausdehnung auf, die aus einem galvanostatisch gesteuerten elektrochemischen Prozess hervorgegangen ist. Dadurch sind den Fehlstellen der dielektrischen Schicht besonders stark ausgeprägte Verstärkungsbereiche aus dem Substratfolgematerial benachbart.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung weisen die Verstärkungsbereiche eine durch einen potentiostatisch gesteuerten elektrochemischen Prozess generierte Ausprägung hinsichtlich ihres Gefüges und ihrer Ausdehnung auf. Derart erzeugte Verstärkungsbereiche beeinflussen die kapazitiven Eigenschaften der Anordnung in besonders geringem Umfang.

In besonders bevorzugter Weise wird die dielektrische Schicht zwischen zwei Elektroden eines Kondensators vorgesehen. Dabei ist die erste Elektrode des Kondensators mit dem Substrat identisch. Die mit dem Substratfolgematerial ausgeheilten Fehlstellen wirken dabei, eine nur geringfügige Ausdehnung der Verstärkungsbereiche entlang der durch die dielektrische Schicht und dem Substrat gebildeten Grenzfläche vorausgesetzt, als eine Mehrzahl von Einzelkapazitäten, die der Gesamtkapazität der Anordnung parallel geschalten sind. Abschnitte des Kondensators mit verstärkten Fehlstellen weisen aufgrund der niedrigeren Permittivität des Siliziumdioxids eine niedrigere Kapazität auf als flächengleiche Abschnitte ohne Fehlstellen, wirken jedoch als parallel geschaltete Kondensatoren. Die Gesamtkapazität ergibt sich aus der Summe der Teilkapazitäten. Da die Fehlstellen nur jeweils Bruchteile der Gesamtkondensatorfläche bilden, wird auch die Gesamtkapazität nicht nennenswert reduziert. Dies ist insbesondere vorteilhaft gegenüber Lösungen, bei denen zur Reduzierung der Leckstromdichte zusätzliche Schichten, etwa zwischen dem Substrat und der dielektrischen Schicht, angeordnet sind. Das Material dieser zusätzlichen Schicht ist in der Regel ein Material niedriger Permittivität. Eine zusätzliche Schicht wirkt schaltungstechnisch als seriell geschaltene Kapazität. In diesem Fall bestimmt die kleinere Kapazität, also die Schicht mit der niedrigeren Permittivität, die Gesamtkapazität der Anordnung.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen werden für einander entspre chende Komponenten gleiche Bezugszeichen verwendet. Es zeigen:

1 Eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer elektrochemischen Zelle,
2 Eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens in zwei Phasen,
3 Ein schematischer Querschnitt durch einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Anordnung.
In 1 ist in einer elektrochemischen Zelle 5 ein Substrat 1 angeordnet. Beim Substrat 1 handelt es sich dabei um einen mit tiefen Gräben (deep treches) 13 strukturierten Halbleiterwafer (DT-Wafer). Auf dem Substrat 1 ist eine dünne dielektrische Schicht 2 angeordnet. Die dielektrische Schicht 2 weist Fehlstellen (pin holes) 3 auf. Das Substrat 1 ist direkt mit der positiven Elektrode (Anode) 6 der elektrochemischen Zelle 5 verbunden. Die negative Elektrode (Kathode) 7 der elektrochemischen Zelle 5 ragt frei in eine mit einem Elektrolyt 9 gefüllte Kammer 14. Wird nun zwischen den beiden Elektroden 6, 7 der elektrochemischen Zelle 5 eine Potentialdifferenz angelegt, so kommt es, solange die Fehlstellen 3 der dielektrischen Schicht 2 durchlässig sind, zu einem Ionentransport zwischen der Kathode 7 und dem Substrat 1. Das Substrat 1 ist dabei aus einem Substratmaterial aufgebaut. An durch die Fehlstellen 3 der dielektrischen Schicht 2 gegenüber dem Elektrolyt 5 exponierten Stellen wird das Substratmaterial in ein Substratfolgematerial umgewandelt. Das Substratfolgematerial bildet elektrisch isolierende Verstärkungsbereiche 4. Diese Verstärkungsbereiche 4 bilden sich ausschließlich in Bereichen angrenzend an Fehlstellen 3 der dielektrischen Schicht 2. Damit ist das Verfahren selbstjustierend. Durch das Anwachsen der Verstärkungsbereiche 4 sinkt der Ionenfluss zwischen den beiden Elektroden 6, 7 bei einer gleichbleibenden Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden 6, 7 allmählich ab und kommt Idealerweise zum Erliegen, sobald alle Fehlstellen 3 durch Verstärkungsbereiche 4 nachträglich elektrisch isoliert sind. Mögliche Elektrolyte sind etwa wässrige H₂SO₄-Säure mit zum Beispiel 0,01 mol oder wässrige HCl-Säure um Beispiel 0,01 mol. Die Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden liegt im Bereich 0 bis 100 Volt.
In den Figuren 2a und 2b sind zwei schematische Querschnitte durch eine dielektrische Schicht 2 mit einer Fehlstelle 3 jeweils vor der Anwendung und nach der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
In 2a ist eine dielektrische Schicht 2 auf einem Substrat 1 angeordnet. Die dielektrische Schicht 2 weist eine Fehlstelle 3 auf. Zusätzlich ist im Substrat die Begrenzung einer Raumladungszone 12 dargestellt, die sich parallel zur Substratoberfläche erstreckt. In einer elektrochemischen Zelle findet nun ein Ionentransport 11 in der gezeichneten Richtung statt, der zu einer Oxidation im Substrat 1 führt.
Das Ergebnis dieses Prozesse ist in 2b dargestellt. In einem Bereich des Substrats 1, der an die Fehlstelle 3 der dielektrischen Schicht 2 angrenzt, wurde ein Verstärkungsbereich 4 aus einem elektrisch nicht leitenden Substratfolgematerial gebildet. Die Raumladungszone 12. im Substrat weist auf Höhe des Verstärkungsbereichs 4 eine Einbuchtung in eine der dielektrischen Schicht 2 abgewandten Richtung auf.
In 3a ist ein schematischer Querschnitt durch einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Anordnung, wie bereits aus 2b bekannt, gezeigt. Dabei ist die 3a ein Ausschnitt aus der 3b.
3b stellt einen Ausschnitt aus einem DT-Wafer 10 mit einer Mehrzahl von Gräben (Trenches) 13 im Substrat 1 dar. Auf der Innenseite der Trenches 13 ist eine dielektrische Schicht 2 abgeschieden. Werden die Trenches zu Kondensatoren ausgeprägt, bildet das Substrat 1 eine allen Trench-Kondensatoren gemeinsame erste Elektrode. Die jeweils zweite Elektrode wird durch Füllen des Trenches 13 mit einem leitfähigen Material, etwa dotiertem Silizium, gebildet. Strichliert dargestellt ist die Begrenzung einer Raumladungszone 12, die sich etwa im Betrieb des fertig ausgeprägten Trench-Kondensators bildet. Es wird ersichtlich, dass sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Fehlstellen in Gräben mit hohem Aspektverhältnis verstärken lassen.

1: Substrat
2: dielektrische Schicht
3: Fehlstelle (pin hole)
4: Verstärkungsbereich
5: elektrochemische Zelle
6: Anode
7: Kathode
8: Spannungs-/Stromquelle
9: Elektrolyt
10: Wafer
11: Ionentransport
12: Raumladungszone
13: Trench (Graben)
14: Kammer

Claims

Verfahren zur Verstärkung einer dünnen dielektrischen Schicht (2) auf einem Halbleitersubstrat (1) an ihren Fehlstellen (3), bei dem (a) das Halbleitersubstrat (1) aus Silizium als leitfähiges und zu einem nichtleitfähigen Substratfolgematerial oxidierbares Substratmaterial bereitgestellt, (b) die dielektrische Schicht (2) aus einem nicht mit dem Substratfolgematerial identischen Dielektrikumsmaterial aufgebracht, (c) das mit der dielektrischen Schicht (2) versehene Halbleitersubstrat (1) in eine mit einem Elektrolyt (9) gefüllte elektrochemische Zelle (5 )' mit zwei Elektroden (6, 7) verbracht, (d) die erste Elektrode (6).mit dem Halbleitersubstrat (1) verbunden und die zweite Elektrode (7) in Kontakt mit dem Elektrolyt (9) gebracht, (e) zwischen den beiden Elektroden (6, 7) ein elektrisches Potential erzeugt, (f) in einem elektrochemischen Prozess ein Stromfluß (11) zwischen dem Elektrolyt (9) und dem Halbleitersubstrat (1) gesteuert wird, der sich durch die dielektrische Schicht (2) bevorzugt im Bereich von Fehlstellen (3) der dielektrischen Schicht (2) einstellt und (g) durch eine elektrochemische Reaktion das Substratmaterial (1) bevorzugt in an die Fehlstellen (3) anschließenden Bereichen in das Substratfolgematerial umgesetzt wird, womit elektrisch isolierende Verstärkungsbereiche (4) gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (2) nach dem Aufbringen und vor der elektrochemischen Behandlung wärmebehandelt und dadurch die Ladungsträgerdurchlässigkeit einer Mehrzahl von Schwach- und Fehlstellen (3) in der dielektrischen Schicht (2) vergrößert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Substratmaterial amorphes oder mindestens teilweise kristallines, dotiertes und/oder undotiertes Silizium vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (2) aus mindestens einer dielektrischen Teilschicht besteht, wobei jede Teilschicht mindestens aus einem Dielektrikumsmaterial gebildet wird und die Dielektrikumsmaterialien aus einer Gruppe gewählt werden, die Si3N₄, Al₂O₃, Ta₂O₅, Nb₂O₃, Y₂O₃, TiO₂, (Ta₂O₅)₉ (TiO₂)₁, ZrO₂. HfO₂, (Hf,Zr)O₂, BaTiO₃, und (Ba,Sr) TiO₃ umfasst .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrolyt (9) wässrige H₂SO₄-Säure oder HCl-Säure vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrochemische Prozess in der elektrochemischen Zelle (5) galvanostatisch gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dasss der elektrochemische Prozess in der elektrochemischen Zelle (5) potentiostatisch gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dasss die dielektrische Schicht (2) zwischen den beiden Elektroden eines Kondensators vorgesehen wird, wobei eine erste Elektrode mit dem Halbleitersubstrat (1) identisch ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (2) mindestens abschnittsweise auf der Innenseite von Gräben (13) im Halbleitersubstrat (1) vorgesehen wird.
Anordnung mit einem im Wesentlichen aus Silizium als einem leitfähigen und zu einem nicht leitfähigen Substratfolgematerial oxidierbaren Substratmaterial bestehenden Halbleitersubstrat (1) und einer angrenzenden dielektrischen Schicht (2) aus einem nicht mit dem Substratfolgematerial identischen dielektrischen Material, wobei die dielektrische Schicht (2) elektrisch leitende Fehlstellen (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in an die Fehlstellen (3) der dielektrischen Schicht (2) angrenzenden Abschnitten das Substrat (1) Verstärkungsbereiche (4) aus dem Substratfolgematerial aufweist.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Substratmaterial amorphes oder mindestens teilweise kristallines, dotiertes oder undotiertes Silizium ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (2) aus mindestens einer dielektrischen Teilschicht besteht, jede Teilschicht aus mindestens einem Dielektrikumsmaterial gebildet ist und die Dielektrikumsmaterialien aus einer Gruppe gewählt sind, die die folgendenden Verbindungen umfasst: Si₃N₉, Al₂O₃, Ta₂O₅, Nb₂O₃, Y₂O₃, TiO₂, (Ta₂O₅)₉ (TiO₂)₁, ZrO₂, HfO₂, (Hf,Zr)O₂, BaTiO₃ und (Ba,Sr) TiO₃.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsbereiche (4) im Halbleitersubstrat (1) eine aus einem galvanostatisch gesteuerten elektrochemischen Prozess resultierende Ausprägung aufweisen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsbereiche (4) im Halbleitersubstrat (1) eine aus einem potentiostatisch gesteuerten elektrochemischen Prozess resultierende Ausprägung aufweisen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (2) zwischen den beiden Elektroden eines Kondensators angeordnet ist, wobei die erste Elektrode mit dem Halbleitersubstrat (1) identisch ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (2) zwischen einer Gate-Elektrode und einer Kanalstrecke eines MISFETs angeordnet ist, die das Halbleitersubstrat (1) bildet.