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GEBIET DER
VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Herstellung integrierter
Schaltungen und betrifft insbesondere die Herstellung eines Kontakts, der
eine Verbindung zu einem vergrabenen leitenden Gebiet herstellt,
das in einem Halbleitersubstrat gebildet ist.
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BESCHREIBUNG
DES STANDS DER TECHNIK
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In
modernen integrierten Schaltungen sind typischerweise eine sehr
große
Anzahl einzelner Schaltungselemente, etwa Transistoren, Widerstände, Kondensatoren
und dergleichen auf einer begrenzten Chipfläche ausgebildet, wobei die
Strukturgrößen der
einzelnen Schaltungselemente für
gewöhnlich
bei jeder neuen Schaltungsgeneration abnimmt, um damit die Funktionalität der Schaltung durch
Verbessern des Leistungsverhaltens der einzelnen Schaltungselemente
und durch Erhöhen
der Anzahl der Schaltungselemente, die auf einem spezifizierten
Chipbereich bereitgestellt werden, zu verbessern. Das Vergrößern der
Anzahl der Schaltungselemente pro Einheitsfläche zieht für gewöhnlich einen noch größeren Anstieg
der Anzahl der elektrischen Verbindungen nach sich, die die einzelnen Schaltungselemente
entsprechend den Entwurtserfordernissen elektrisch verbinden.
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Zusätzlich zu
dotierten Halbleiterleitungen, die als zusätzliche Schichten vorgesehen
sind, und Metallleitungen, die in Form sogenannter Metallisierungsschichten
vorgesehen sind, können
typischerweise sogenannte vergrabene Leitungen, d. h. vergrabene
Zonen oder Gebiete, die in dem Halbleitersubstrat unter dessen Oberfläche ausgebildet
sind, als Verbindungen zwischen Schaltungselementen und/oder Schaltungsgebieten
verwendet werden, ohne die Herstellung zusätzlicher Schichten über der Substratschicht,
die die Schaltungselemente beinhaltet, zu erfordern. Diese vergrabenen
Leitungen müssen
jedoch so kontaktiert werden, um diesen entsprechende Spannungen
oder Signale zuzuführen,
wobei eine photolithographische Technik für gewöhnlich angewendet wird, die
das Justieren einer entsprechenden Abbildungsmaske zu den vergrabenen
Leitungen, die in dem Halbleitersubstrat gebildet sind, erfordert.
Nach der Belichtung und der Entwicklung des Photolacks, der während des Photolithographieschrittes
verwendet wird, wird die entsprechende Lackmaske dann benutzt, um
eine Öffnung
zu der vergrabenen Leitung mittels beispielsweise anisotroper Ätzverfahren
zu bilden. Anschließend
wird die Öffnung
mit einem geeigneten Material, etwa einem hochschmelzenden Metall,
gefüllt,
um damit einen Kontakt mit geringem Widerstand zu der vergrabenen
Leitung zu bilden. Der dazugehörige
Photolithographieschritt, für
welchen eine präzise
Justierung zum Erzielen einer optimalen Leitfähigkeit zwischen dem Kontaktmaterial
und der vergrabenen Leitung erforderlich ist, ist jedoch zeitaufwendig
und damit kostenintensiv.
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Die
Patentschrift
US 4 256 514 offenbart
ein Verfahren zum Bilden von Gräben
in Siliziumsubstraten. In einer Ausführungsform wird ein Diffusionsbereich
oder ein implantierter Bereich unter einem Graben gebildet. In einer
weiteren Ausführungsform
wird eine Öffnung
geätzt
und mit einem leitenden Material gefüllt, um einen Substratkontakt
zu bilden. Ein zusätzlicher
dielektrischer Isolationsgraben kann gleichzeitig gebildet werden,
um monokristalline Bereiche zu isolieren. Das Problem des Kontaktierens von
vergrabenen leitenden Gebieten mit geringen Abmessungen, wie vergrabenen
Leitungen, die vor dem Bilden der Gräben gebildet wurden, wird durch die
Lehre der Patentschrift
US 4
256 514 nicht gelöst.
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Die
Patentschrift
US 6 091 154 offenbart
ein Halbleiterbauteil mit Feldeffekttransistoren, einer Verdrahtungsschicht
und selbstausrichtenden Kontakten. Ein enges Kontaktloch wird geätzt, um
Kontakte zu bilden, die die Elektroden der Feldeffekttransistoren
kontaktieren und ein weites Kontaktloch wird geätzt, um die Verdrahtungsschicht
zu kontaktieren. Das Problem des effektiven Kontaktierens von vergrabenen
leitenden Gebieten wird durch die Lehre der Patentschrift
US 6 091 154 nicht gelöst.
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Die
Patentschrift
US 6 096 612 offenbart Feldeffekttransistoren,
die durch Grabenisolationsstrukturen getrennt sind. Seitenwandabstandselemente
oder Doppelseitenwandabstandselemente können verwendet werden, um die
Breite der Grabenisolationsstruktur zu reduzieren. Das Problem des Kontaktierens
von vergrabenen leitenden Gebieten wird durch die Lehre dieser Patentschrift
nicht gelöst.
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Es
besteht daher ein Bedarf für
eine Technik, die es ermöglicht,
einen Kontakt herzustellen, der eine Verbindung zu einer vergrabenen
Leitung mit einer minimalen Anzahl an zusätzlichen Prozessschritten und
einem hohen Maß an
Kompatibilität
zu bestehenden Prozessschemata herstellt.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf dem Konzept, dass ein Kontakt im
Wesentlichen zur selben Zeit und unter Verwendung zumindest teilweise der
gleichen Prozessschritte hergestellt werden kann, wie sie typischerweise
zur Herstellung von Flachgrabenisolationsstrukturen angewendet werden
können,
die häufig
in technisch weit entwickelten integrierten Schaltungen eingebaut
sind. Durch Integrierung des Herstellungsprozesses für den Kontakt zu
einem vergrabenen Gebiet in das Prozessschema, das für die Ausbildung
der Flachgrabenisolationsstrukturen entworfen ist, kann die Anzahl
der zusätzlichen
erforderlichen Schritte im Vergleich zu dem konventionellen Ansatz
deutlich reduziert werden. Ferner kann die Herstellung des Kontaktes
als ein selbstjustierender Prozess gestaltet sein, wodurch die Notwendigkeit
für einen
zusätzlichen
Justierschritt entfällt.
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Die
Aufgabe wird insbesondere durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch
1 gelöst.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert
und gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung deutlicher
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird;
es zeigen:
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1a bis 1f schematisch Querschnittsansichten
einer Halbleiterstruktur während
diverser Schritte zur Herstellung eines Kontakts zu einem vergrabenen
Gebiet, wobei gleichzeitig eine Grabenisolationsstruktur gebildet
wird.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist,
wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den
Zeichnungen dargestellt sind, sollte es selbstverständlich sein,
dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen
nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen
anschaulichen offenbarten Ausführungsformen
einzuschränken,
sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich
beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar,
deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist.
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Bekanntlich
werden in technisch fortschrittlichen integrierten Schaltungen sogenannte
Grabenisolationsstrukturen häufig
angewendet, um benachbarte Schaltungselemente elektrisch voneinander
zu isolieren. Die Herstellung dieser Grabenisolationsstrukturen
erfordert Photolithographie-, Abscheide- und anisotrope Ätztechniken
in mehr oder weniger technisch weit entwickelter Form, abhängig von
den Entwurfserfordernissen, d. h. abhängig von den dimensionalen
Beschränkungen
der zu bildenden Isolationsgräben.
Basierend auf den Erkenntnissen der Erfinder kann diese Prozesssequenz
vorteilhafter Weise genutzt werden, um gleichzeitig Isolationsgräben und
Kontaktgräben
zu bilden, wodurch lediglich eine geänderte Photolithographiemaske
erforderlich ist, die den zusätzlichen
Kontaktgräben
Rechnung trägt,
deren Abmessungen so gestaltet sind, um die gewünschte hohe Leitfähigkeit
bereitzustellen. Die laterale Abmessung des Kontaktgrabens, d. h.
die Grabenbreite, übertrifft
deutlich die entsprechende Abmessung des Isolationsgrabens, so dass
keine weiteren Probleme bei der photolithographischen Darstellung
des Kontaktgrabens auftreten, wenn eine entsprechende photolithographische
Technik für
die Herstellung des Isolationsgrabens, der eine kritischere Größe aufweist,
ausgewählt
ist. Somit kann die Komplexität
des photolithographischen Schrittes, der für äußerst größenreduzierte Strukturelemente
von fortschrittlichen Isolationsstrukturen als ein kritischer Schritt
zu betrachten ist, auf Grund der zusätzlichen Herstellung der Kontaktgräben nicht
erhöht.
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Der
Vorgang des Auffüllens
der Isolationsgräben
mit einem isolierenden Material kann in ähnlicher Weise wie in einem
konventionellen Prozess durchgeführt
werden, wobei die konforme Abscheidung des isolierenden Materials
lediglich die effektive Breite der Kontaktgräben verringert, ohne diese
auf Grund der unterschiedlichen Breiten der Isolationsgräben und
der Kontaktgräben
zu füllen.
Anschließend
können
diese Kontaktgräben
mit reduzierter Breite mit einem leitenden Material gefüllt werden, um
somit einen elektrischen Kontakt zu einem vergrabenen leitenden
Gebiet bereitzustellen, das zuvor, während und nach der Grabenbildung
hergestellt werden kann.
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Mit
Bezug zu den 1a bis 1f werden weitere anschauliche
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung nunmehr in detaillierterer Weise beschrieben.
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In 1a umfasst eine Halbleiterstruktur 100 ein
Substrat 101, beispielsweise ein Siliziumsubstrat, ein
SOI(Silizium auf Isolator)Substrat mit einer darauf gebildeten Halbleiterschicht,
oder ein anderes geeignetes Substrat mit einem darauf gebildeten halbleitendem
Material, das zur Herstellung von Schaltungselementen für eine integrierte Schaltung geeignet
ist. Es sollte beachtet werden, dass im Folgenden von einem Siliziumsubstrat
gesprochen wird, da die Mehrzahl integrierter Schaltungen, die gegenwärtig auf
dem Markt verfügbar
ist; Bauelemente auf Siliziumbasis sind, wobei jedoch die vorliegende
Erfindung auf ein beliebiges Halbleiterbauelement anwendbar ist,
das die Ausbildung von Grabenisolationsstrukturen zur Isolation
von Schaltungselementen erfordert.
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In
dem Substrat 101 ist ein vergrabenes leitendes Gebiet 102 gebildet,
das eine Form und Abmessungen aufweist, wie sie zum Bereitstellen
der gewünschten
Leitfähigkeit
erforderlich sind. Beispielsweise kann das vergrabene Gebiet 102 eine Dotierstoffkonzentration
aufweisen, etwa Dotierstoffe, die eine N-artige Leitfähigkeit
verleihen, wenn das Substrat 101 eine P-artige Leitfähigkeit
aufweist, in einer Konzentration, die ausreicht, um die intrinsische
Leitfähigkeit
in gewünschter
Weise zu vergrößern. Eine
Tiefe, an der das vergrabene Gebiet 102 liegt, wird so
gewählt,
um den Entwurfserfordernissen für
die Herstellung der Grabenisolationsstrukturen zu entsprechen, wie
dies mit Bezug zu 1b beschrieben
wird.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung der Halbleiterstruktur 100,
wie sie in 1a gezeigt ist,
kann die folgenden Schritte aufweisen. Nach Herstellung einer Lackmaske
(nicht gezeigt), wobei möglicherweise
zuvor beliebige Opferschichten hergestellt werden können, etwa
als eine Oxidschicht, wird eine Implantationssequenz mit einer speziellen
Art von Dotierstoffen, einer vordefinierten Beschleunigungsenergie
und einer geeigneten Dosis für
eine vorbestimmte Dauer so ausgeführt, um eine gewünschte Dotierstoffkonzentration
und ein gewünschtes
Profil bei der gewünschten
Tiefe und Lage innerhalb des Substrats 101 zu erhalten.
Es sollte beachtet werden, dass 'die
Form des vergrabenen Gebiets 102 entsprechend den Entwurfserfordernissen ausgebildet
werden kann und dass dieses beispielsweise als eine Leitung gestaltet
werden kann, die eine Verbindung mit Schaltungselementen und/oder Chipbereichen
herstellt, die im und auf dem Substrat 101 zu bilden sind.
Geeignete Implantationsparameter können experimentell oder durch
gut bekannte eindimensionale Simulationstechniken ermittelt werden.
Danach kann die Lackmaske entfernt werden und ein Ausheizzyklus
kann ausgeführt
werden, um die Dotierstoffatome in dem vergrabenen Gebiet 102 zu
aktivieren. Das vergrabene Gebiet 102 kann vor der Herstellung
beliebiger anderer Implantationsgebiete, etwa Potenzialtopfgebiete
von Transistorelementen, ausgeführt
werden und folglich muss der Ausheizzyklus nicht notwendigerweise
zu dem thermischen Budget der noch zu bildenden Leitungselemente
beitragen. Wie zuvor dargelegt ist, muss das vergrabene Gebiet 102 nicht
notwendigerweise in dieser Phase des Herstellungsprozesses gebildet werden,
sondern kann in einem späteren
Abschnitt gebildet werden, wie dies im weiteren detaillierter beschrieben
wird.
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1b zeigt schematisch die
Halbleiterstruktur 100 mit einem Isolationsgraben 103 mit
einer Ausdehnung 104 in lateraler Richtung, d. h. in 1b die horizontale Richtung,
die in Übereinstimmung
mit den Entwurtserfordernissen gewählt ist. Die laterale Abmessung 104,
die hierin auch als Grabenbreite bezeichnet wird, kann von einigen
Mikrometern bis ungefähr
0.1 Mikrometer oder sogar darunter für äußerst weit entwickelte integrierte
Schaltungen reichen. Eine Tiefe 107 des Isolationsgrabens 103 kann im
Bereich von ungefähr
0.2 bis 1 Mikrometer liegen, wobei in künftigen Bauteilgenerationen
mit noch weiter reduzierten Strukturgrößen die Tiefe 107 sogar auf
ungefähr
0.2 bis 0.1 Mikrometer und sogar darunter reduziert werden kann. Über und
teilweise in dem vergrabenen Gebiet 102 ist ein Kontaktgraben 105 mit
einer Grabenbreite 106 ausgebildet, die deutlich größer als
die Grabenbreite 104 des Isolationsgrabens 103 ist.
In einer Ausführungsform
kann die Grabenbreite 106 so gewählt werden, dass diese im Wesentlichen
der lateralen Abmessung des vergrabenen Gebiets 102 entspricht.
In anderen Ausführungsformen
kann die Grabenbreite 106 größer als die laterale Abmessung
des vergrabenen Gebiets 102 sein, wodurch die Problematik
der Überlagerungsgenauigkeit
deutlich entspannt wird, wenn das vergrabene Gebiet 102 vor
dem Kontaktgraben 105 gebildet wird. Ferner stellen die
Abmessungen des vergrabenen Gebiets 102 sowie die des Kontaktgrabens 105 typischerweise
keine kritischen Parameter dar und können ausreichend groß gewählt werden,
so dass ein Überlapp
des Kontaktgrabens 105 und des vergrabenen Gebiets 102 mit
einer gewünschten Größe erreicht
wird, selbst wenn die Justiergenauigkeit in dem Photolithographieprozess
zur Herstellung der Grabenisolationsstruktur den höchsten Prozessschwankungen
unterliegt, die bei der Herstelldung des Isolationsgrabens 103 akzeptabel
sind.
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In
anderen Fällen
kann die laterale Abmessung des vergrabenen Gebiets 102 deutlich
größer als
die Grabenbreite 106 sein, insbesondere, wenn eine hohe
Leitfähigkeit
des vergrabenen Gebiets 102 wünschenswert ist und eine ausreichend
große Querschnittsfläche erfordert,
um die notwendige hohe Leitfähigkeit
bei einer vernünftigen
Dotierstoffkonzentration bereitzustellen. Abhängig von der Art des in dem
Kontaktgraben 105 einzufüllenden leitenden Materials
kann dann die Grabenbreite 106 entsprechend so dimensioniert
werden, um die Erfordernisse für
einen Kontakt mit geringem Widerstand zu erfüllen. Beispielsweise kann für ein sehr
leitfähiges Metall
die Grabenbreite 106 deutlich kleiner gewählt werden
als beispielsweise für
ein dotiertes Polysilizium, das in dem Kontaktgraben 105 einzufüllen ist.
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Es
sollte erwähnt
werden, dass unabhängig von
dem tatsächlich
gewählten
Abmessungen des Kontaktgrabens 105 die Breite 106 so
gewählt
ist, um die Breite 104 des Isolationsgrabens 103 zu übersteigen,
um eine minimale effektive Grabenbreite bei einem nachfolgenden
Prozess für
das Füllen
des Isolationsgrabens 103 beizubehalten.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung der Gräben 103 und 105 kann
gut bekannte Isolationsgrabenstrukturprozesssequenzen beinhalten,
etwa das Herstellen einer Lackmaske und das anisotrope Ätzen der
Gräben 103 und 105 bis
die erforderliche Tiefe 107 erreicht ist. Da eine Ätzrate für das Material
des Substrats 101 genau bekannt sein kann, kann die Tiefe 107 durch
Einstellen einer Ätzzeit
gesteuert werden, um so die gewünschte
Tiefe 107 zu erreichen. Die Ausdehnung des vergrabenen Gebiets 102 kann
so gewählt
werden, dass diese deutlich über
den Toleranzen der gut etablierten Ätzverfahren liegt, so dass
der Ätzprozess
zuverlässig innerhalb
des vergrabenen Gebiets 102 beendet wird.
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In
anderen Ausführungsformen
kann das stark dotierte vergrabene Gebiet 102 Dotierstoffatome
in die Ätzatmosphäre freisetzen,
wenn der Ätzvorgang
das vergrabene Gebiet 102 erreicht, so dass ein entsprechendes
Signal durch eine spektroskopische Analyse der Ätzatmosphäre erzeugt wird. Das Auftreten
eines derartigen repräsentativen
Signals kann dann verwendet werden, um einen Endpunkt des anisotropen Ätzprozesses
zu bestimmen.
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Anschließend können beliebige
Prozesse entsprechend den konventionellen Isolationsstrukturherstellungsprozessen
ausgeführt
werden, etwa das Eckenabrunden der Gräben durch beispielsweise Wachsen
eines thermischen Oxids innerhalb der Gräben. Der Einfachheit halber
sind diese Prozesse in 1b nicht
gezeigt.
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1c zeigt schematisch die
Halbleiterstruktur 100 mit einer isolierenden Materialschicht 108,
die über
und in den Gräben 103 und 105 gebildet
ist, wobei der Isolationsgraben 103 im Wesentlichen vollständig mit
dem isolierenden Material gefüllt ist.
Die isolierende Schicht 108 kann aus einem Schichtstapel
mit beispielsweise einer dünnen
Siliziumnitridschicht gefolgt von einer großvolumigen Siliziumdioxidschicht
aufgebaut sein. Andere Materialstapel mit mindestens einem dielektrischen
Material, um somit die isolierenden Eigenschaften der isolierenden
Schicht 108 in dem Isolationsgraben 103 sicherzustellen,
können
ebenso verwendet werden. Die isolierende Schicht 108 kann
durch gut etablierte Abscheideverfahren, etwa das plasmaverstärkte chemische
Dampfabscheiden (CVD) gebildet werden, das eine im Wesentlichen
konforme Abscheidung des Materials ermöglicht und ferner ein ausreichendes
Füllvermögen zeigt,
um ein gewünschtes Maß an Füllung in
dem Isolationsgraben 103 zu erzeugen. Es sollte beachtet
werden, dass der Isolationsgraben 103 nicht notwendigerweise
vollständig mit
dem Material der Schicht 108 gefüllt sein muss, sondern das
kleine Hohlräume
oder Säume
in dem Graben 103 zurückbleiben
können.
Auf Grund der deutlich größeren lateralen
Abmessungen des Kontaktgrabens 105 im Vergleich zu dem
Isolationskörpern 103 verringert
in jedem Falle die äußerst konforme
Abscheidung die laterale Abmessung des Grabens 105 entsprechend
einer Dicke der Schicht 108, lässt aber einen inneren Raumbereich
in dem Graben zurück,
der als eine Breite 106A bezeichnet ist.
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Die
Abscheideparameter zum zuverlässigen Füllen – in dem
oben erläuterten
Sinne – des
Isolationsgrabens 103 können
in einfacher Weise im Voraus ermittelt werden, so dass die laterale
Abmessung, d. h. die anfängliche
Breite 106 (1b)
auf der Grundlage dieser Abscheideparameter so ausgewählt werden
kann, um eine erforderliche effektive Breite 106A zu erreichen,
die im Wesentlichen die Querschnittsfläche und damit in Verbindung
mit der Art des verwendeten leitenden Materials die elektrische
Leitfähigkeit
des in dem Graben 105 zu bildenden Kontakts bestimmt.
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In
einer erläuternden
Ausführungsform,
die zu einem besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung beitragen soll, aber selbst nicht Gegenstand der
Erfindung ist, kann die Struktur 100 im Wesentlichen so
hergestellt werden, wie dies mit Bezug zu den 1b und 1c beschrieben
ist, wobei jedoch das vergrabene Gebiet 102 noch nicht
gebildet ist. Um die erforderliche Dotierstoffkonzentration unterhalb des
Kontaktgrabens 105 zur Herstellung des vergrabenen Gebiets 102 zu
erzeugen, kann ein Implantationsschritt mit einer Energie und Dosis
ausgeführt werden,
die es ermöglichen,
Dotierstoffatome in das Substrat 101 durch die Schicht 108 hindurch
einzubringen. Dies kann vorteilhaft sein, wenn ein dotiertes Gebiet
in einer selbstjustierenden Weise herzustellen ist, das im Wesentlichen
eine Form und Abmessung entsprechend dem Kontaktgraben 105 aufweist.
Ferner kann in anderen erläuternden
Ausführungsformen,
die ebenfalls nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind,
die Implantation so ausgeführt werden,
dass die eindringenden Ionen im Wesentlichen an der Unterseite des, Grabens 105 konzentriert
sind, d. h. im Wesentlichen noch innerhalb der isolierenden Schicht 108 liegen,
wobei in einem anschließenden
Ausheizzyklus die Dotierstoffe in das Substrat 101 eindiffundieren.
Auf diese Weise werden Kristallschäden an dem Substrat beim Herstellen des
vergrabenen Gebiets 102 minimiert.
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Es
sollte beachtet werden, dass typischerweise auf Grund der Abscheidedynamik
eine Dicke der Schicht 108 an der Unterseite des Kontaktgrabens 105 geringfügig kleiner
als eine Dicke der Schicht 108 an horizontalen Oberflächenbereichen des
Substrats 101 sein kann, so dass implantationsverursachte
Schäden
der horizontalen Oberflächenbereiche
des Substrats 101 in einem akzeptablen Bereich gehalten
werden können,
da die Spitzenkonzentration der Dotierstoffe über dem horizontalen Oberflächenbereich
angeordnet werden kann, wohingegen die Spitzenkonzentration in dem
Kontaktgraben 105 bereits innerhalb des Substrats 101 liegen
kann.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann während
des Abscheidens der Schicht 108 ein Dotierstoffmaterial – vorzugsweise
während
einer abschließenden
Phase des Abscheideprozesses – der Abscheideatmosphäre in Form
eines geeigneten Vorstufengases während eines CVD-Prozesses zugesetzt
werden, um einen stark dotierten Oberflächenbereich der Schicht 108 zu
erhalten, wobei ein Teil dieser Dotierstoffe in das Substrat 101 unter
dem Kontaktgraben 105 getrieben werden kann. Die Dotierstoffdiffusion
muss nicht notwendigerweise deutlich die Isolationseigenschaften
des Isolationsgrabens 103 nachteilig beeinflussen, da die
Dotierstoffe der Abscheideatmosphäre während einer Zeit zugesetzt
werden können,
wenn der Graben 103 bereits im Wesentlichen mit dem isolierenden
Material gefüllt ist.
In einer weiteren Ausführungsform
kann das Abscheiden eines dotieren dielektrischen Materials während einer
späten
Phase des Abscheideprozesses und eine nachfolgende Implantation
mit geringer Energie ausgeführt
werden, wobei vorzugsweise die Implantation so gestaltet ist, um
ein Eindringen in horizontale Oberflächenbereiche des Substrats 101 von Dotierstoffionen
zu vermeiden, die ansonsten nachfolgende Prozessschritte bei der
Herstellung von Schaltungselementen, etwa von Transistoren, beeinflussen
könnten.
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Unabhängig davon,
ob das vergrabene Gebiet 102 vor oder nach der Herstellung
der Gräben 103 und 105 gebildet
wird, wird die Materialschicht 108 dann teilweise mittels
eines anisotropen Ätzprozesses
entfernt, wobei – abhängig von
der Art des in der Schicht 108 vorliegenden Materials – ein erster anisotroper
Schritt den Großteil
des Materials der Schicht 108 entfernen kann, und wobei
eine darunter liegende Teilschicht, etwa die Siliziumnitridschicht, die
zuvor beschrieben ist, als eine Ätzstopschicht
wirken kann. In einer weiteren Ausführungsform wird der anisotrope Ätzprozess
mit reaktiven Vorstufengasen mit einer vordefinierten Ätzselektivität zwischen
dem isolierenden Material der Schicht 108 und dem Substrat 101 ausgeführt. Wenn
beispielsweise die Schicht 108 Siliziumdioxid und das Substrat
Silizium aufweist, können
zumindest in jenen Bereichen, in denen die Gräben 103, 105 gebildet
sind, entsprechende gut bekannte selektive Ätzschemata eingesetzt werden.
Es können
jedoch auch andere Schemata in Abhängigkeit von den Prozesserfordernissen und
den verwendeten Materialien angewendet werden.
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1d zeigt schematisch die
Halbleiterstruktur 100 nach Abschluss des anisotropen Ätzprozesses
zum teilweisen Entfernen der isolierenden Schicht 108.
Auf Grund des vorhergehenden anisotropen Ätzprozesses sind Seitenwandabstandselemente 109 an
Seitenwänden
des Grabens 105 gebildet, wobei die effektive Breite des
Grabens 105 in der Nähe
der Unterseite etwas größer im Vergleich
zur Breite 106A auf Grund des Materialabtrags während des
anisotropen Ätzprozesses
sein kann. Die tatsächliche
Grabenbreite kann entlang der Tiefenrichtung des Grabens 105 variieren
und kann durch die Breite an der Unterseite, die durch 106B in 1d gekennzeichnet ist, spezifiziert
werden. Auf Oberflächenbereichen 110 des
Substrats 101 ist die isolierende Schicht 108 im
Wesentlichen vollständig
entfernt, wobei eine Ätzstopschicht,
etwa die Siliziumnitridschicht, durch einen nasschemischen Ätzprozess entfernt
worden sein kann, so dass insbesondere die Unterseite des Kontaktgrabens 105 im
Wesentlichen frei von isolierendem Material ist. In einer Ausführungsform
kann ein flacher Implantationsprozess dann ausgeführt werden,
um eine höhere
Leitfähigkeit
an der Grenzfläche
zwischen dem Kontaktgraben 105 und dem darunter liegenden
vergrabenen Gebiet 102 bereitzustellen. Der flache Implantationsprozess
kann so gestaltet sein, um eine Eindringtiefe zu ergeben, die im
Wesentlichen auf die Ausdehnung des vergrabenen Gebiets 102 entlang
der Tiefenrichtung beschränkt
ist. Auf diese Weise wird das Eindringen von Dotierstoffionen durch
die Oberflächenbereiche 110 ebenso
auf einen ähnlichen
Bereich eingeschränkt
und muss nicht nachteilig weitere Prozessschritte bei der Herstellung
von Schaltungselementen beeinflussen, oder kann in einfacher Weise durch
nachfolgende Implantationszyklen kompensiert werden, die während der
Herstellung der Schaltungselemente ausgeführt werden. In einigen Fällen kann
es als geeignet erachtet werden, eine Lackmaske zu bilden, die im
Wesentlichen die Oberflächenbereiche 110 bedeckt,
während
der Kontaktgraben 105 freigelegt ist. Da die Abmessungen
des Kontaktgrabens 105 verhältnismäßig groß im Vergleich zu jenen kritischer
Schaltungselemente sind, führen Überlagerungs-
oder Justierprobleme in einem entsprechenden nichtkritischen Photolithographieschritt
nicht zu einer unnötigen
Komplexität
des Gesamtvorganges.
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In
einer Ausführungsform
kann eine Plasmabehandlung ausgeführt werden, wobei die Plasmaumgebung
ein Dotierstoffmaterial enthält,
das dann – durch
Anlegen einer relativ geringen Vorspannung zwischen der Plasmaumgebung
und dem Substrat 101 – in
Oberflächenbereiche
eingebaut werden kann, um damit einen geringeren Kontaktwiderstand an
der Unterseite des Kontaktgrabens 105 zu erhalten.
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In
einer weiteren erläuternden
Ausführungsform,
die nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, kann das vergrabene
Gebiet 102 in diesem Stadium des Prozesses beispielsweise
durch geeignetes Gestalten eines Implantationsprozesses gebildet
werden, um die erforderliche Dotierstoffkonzentration unter dem
Graben 105 bereitzustellen. Auf diese Weise wird das vergrabene
Gebiet 102 in einer selbstjustierenden Weise erhalten.
Wie zuvor dargestellt ist, kann, wenn die in die Oberflächenbereiche 110 implantierten
Dotierstoffe die Herstellung anderer Schaltungselemente als negativ
beeinflussend erachtet werden, eine Lackmaske vor der Implantation gebildet
werden, wobei die Photolithographie unkritisch ist, wie dies zuvor
erläutert
ist.
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1e zeigt schematisch die
Halbleiterstruktur 100 mit einer Schicht leitenden Materials 112,
die über
dem Substrat 101 und insbesondere innerhalb des Kontaktgrabens 105 gebildet
ist. Die Schicht 112 kann ein beliebiges geeignetes leitfähiges Material
aufweisen und kann vorteilhafterweise ein Material aufweisen, das
thermisch bei hohen Temperaturen, die möglicherweise während nachfolgender
Prozessschritte, die zur Herstellung der Schaltungselemente erforderlich
sind, erzeugt werden, stabil ist. Beispielsweise können hochschmelzende
Metalle, wie Wolfram, Kobalt, Titan, Tantal und dergleichen verwendet
werden. In anderen Ausführungsformen
kann die Schicht 112 im Wesentlichen aus dotiertem Polysilizium
aufgebaut sein. Wie zuvor erläutert
ist, können
die Abmessungen des vergrabenen Gebiets 102 und des Kontaktgrabens 105 im
Voraus auf der Grundlage der elektrischen Eigenschaften des Materials
bzw. der Materialien, die die Schicht 112 bilden, ausgewählt werden.
Folglich sind in Ausführungsformen,
die relativ kleine Abmessungen für
den Kontaktgraben 105 erfordern, äußerst leitfähige hochschmelzende Metalle,
etwa Wolfram, vorteilhaft, wohingegen hoch dotiertes Polysilizium, das
eine ausgezeichnete thermische Stabilität zeigt, verwendet werden kann,
wenn größere Abmessungen
des Kontaktgrabens 105 kein Problem darstellen.
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In
einer Ausführungsform
kann die Schicht 112 mindestens eine Teilschicht 111 aufweisen,
die aus einem Material aufgebaut ist, das als eine Diffusionsbarriere
und/oder eine Haftschicht für
den Hauptanteil des Materials der Schicht 112 dient. Beispielsweise
kann die Barrierenschicht 111 Titan und/oder Titannitrid
aufweisen, die in ausreichender Weise ein Herausdiffundieren von
Metallatomen, etwa von Wolfram-Atomen, in darunter liegenden Materialgebiete
verhindert. Beliebige andere gut etablierte Abscheideschemata, wie
sie beispielsweise bei der Kontaktherstellung für Schaltungselemente, etwa
von Transistoren, eingesetzt werden, können ebenso angewendet werden,
um ein erforderliches Verhalten des herzustellenden Kontaktes und/oder eine
gewünschte
Kompatibilität
zu weiteren Prozessschritten zu erreichen.
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Die
Schicht 112 kann durch etablierte Abscheideverfahren, etwa
CVD- und/oder physikalische Dampfabscheidung (PVD), das zum Abscheiden
eines Metalls vorteilhaft sein kann, abgeschieden werden. Wenn dotiertes
Polysilizium für
die Schicht 112 verwendet wird, kann ein plasmaunterstützter CVD-Prozess
angewendet werden, wobei Dotierstoffe während des Abscheidevorganges
zugesetzt werden, oder in die abgeschiedene Schicht 112 durch
einen anschließenden
Implantationsschritt eingebaut werden können. Es sollte betont werden,
dass die Schicht 112 vorzugsweise mit einem ausreichenden Maß an „Überfüllung" abgeschieden wird,
um den Kontaktgraben 105 vollständig zu füllen.
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1f zeigt schematisch die
Halbleiterstruktur 100, wobei der Hauptteil der Schicht 112 entfernt ist,
wodurch ein Kontakt 113 gebildet wird, der mit leitendem
Material gefüllt
ist. Das überschüssige Material
der Schicht 112 kann durch chemisch-mechanisches Polieren
(CMP) entfernt werden, wobei in einer Ausführungsform ein gewisses Maß an „Nachpolieren" ausgeführt wird,
um die Schicht 112 an den Oberflächenbereichen 110 zuverlässig zu
entfernen.
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In
anderen Ausführungsformen
kann es als geeignet erachtet werden, den CMP-Prozess an den Oberflächenbereichen 110 oder
unmittelbar vor dem Erreichen der Oberfläche zu stoppen und Materialreste,
die von Prozessungleichförmigkeiten
des CMP-Prozesses herrühren,
durch einen nachfolgenden Reinigungsprozess zu entfernen, wobei
eine nasschemische und/oder eine Plasmabehandlung beteiligt ist,
wobei ein gewisses Maß an
Selektivität des
Reinigungsprozesses in Bezug auf die Schicht 112 und das
Substrat 101 helfen können,
im Wesentlichen die Unversehrtheit der Oberflächenbereiche 110 zu
bewahren. In einer weiteren Ausführungsform kann
die Barrierenschicht 111 so gestaltet sein, um zusätzlich oder
alternativ als eine CMP-Stopschicht zu dienen, um damit den CMP-Prozess
deutlich zu verlangsamen, wenn die Schicht 112 an gewissen Oberflächenbereichen 110 entfernt
ist. Die Reste können
dann durch Ätzen
oder durch einen speziell gestalteten CMP-Prozess entfernt werden.
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In
anderen Ausführungsformen
kann das Entfernen einer dünnen
Oberflächenschicht
des Substrats 101 während
des CMP-Prozesses und/oder des Reinigungsprozesses absichtlich durchgeführt werden,
um damit zumindest teilweise dotierte Bereiche des Oberflächenbereiches 110 zu
entfernen.
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Somit
wird eine planare Oberfläche
des Substrats 101 erhalten mit elektrisch isolierenden
Isolationsgräben 103 und
den Kontakten 113, die ein thermisch stabiles Material
aufweisen, so dass die weitere Bearbeitung des Substrats gemäß standardmäßigen Prozessrezepten
weitergeführt
werden kann.
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Weitere
Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden
dem Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese
Beschreibung als lediglich anschaulich und für die Zwecke gedacht, dem Fachmann
die allgemeine Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung
zu vermitteln. Selbstverständlich
sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung
als die gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
zu betrachten.