DE19929605A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kondensators unter Verwendung von Silizium mit halbkugelförmigen Körnchen - Google Patents

Abstract

Es wird ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Kondensators unter Verwendung einer HSG-Schicht offenbart, welche eine erhöhte Kapazität, stabile Zelleneigenschaften und eine stabile Ausbeute ohne Brücke zwischen den Speicherknoten des Kondensators bereitstellen kann. Das Verfahren stellt eine stabilisierte kristalline Phase an den Oberflächen des Speicherknotens (27a) mit der HSG-Schicht (80) auf seiner Oberfläche bereit. Die stabilisierte kristalline Phase kann das HSG stark abstützen und dadurch verhindern, daß das HSG während des Reinigungsschritts von den Oberflächen des Speicherknotens (27a) abgetrennt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators mit Silizium mit halbkugelförmigen Körnchen auf seiner Oberfläche.

Um hochintegrierte DRAM-Bauelemente zu erhalten, muß die Speicherzellengröße verringert werden. Eine verringerte Zellengröße führt jedoch zu einer verringerten Kapazität des Kondensators. In DRAM-Zellen werden im Kondensator gespeicherte Ladungen ständig abgeleitet. Daher ist eine periodische Auffrischoperation erforderlich, um die Ladungen im Kondensator auf einem Pegel zu halten, der gelesen werden kann. Wie gut bekannt ist, ist die Häufigkeit der Auffrischoperation invers proportional zur Kapazität des Kondensators. Während dieser Auffrischoperation ist eine Lese- und Schreiboperation unmöglich. Folglich sind DRAM-Bauelemente mit hoher Kapazität erforderlich, um mit dem neuen Trend des hohen Integrationsgrades und der hohen Arbeitsgeschwindigkeit Schritt zu halten.

Mit der neuen Steigerung der Integrationsdichte eines DRAM neigen eine Zellengröße bzw. eine von einem Kondensator der DRAM-Zelle zu belegende Fläche zur Verringerung. Die verringerte Zellengröße führt jedoch zu einer verringerten Kapazität des Kondensators. Um eine Kapazität auf einem brauchbaren Wert zu halten, wurde ein Stapelkondensator oder ein Grabenstapelkondensator verwendet, da er eine große Kondensatorfläche darin bereitstellen kann und in der Lage ist, die Interferenz zwischen den DRAM-Zellen zu verringern.

Da sowohl die äußeren als auch die inneren Oberflächen als effektive Kondensatorfläche genutzt werden können, eignet sich die zylindrische Struktur vorteilhaft für den dreidimensionalen Stapelkondensator und eignet sich besonders für eine integrierte Speicherzelle wie z. B. DRAM-Zellen. In letzter Zeit wurden neue Technologien entwickelt zur Erhöhung des effektiven Oberflächeninhalts durch Modifizieren der Oberflächenmorphologie der Polysili­ zium-Speicherelektrode selbst durch Eingravieren oder Steuern der Keimbildungs- und der Wachstumsbedingung von Polysilizium. Eine Schicht mit halbkugelförmigen Körnchen (HSG) kann über einem Speicherknoten abgeschieden werden, um den Oberflächeninhalt und die Kapazität zu erhöhen.

Es wurden eine Vielzahl von Verfahren verwendet, um HSG-Silizium zur Verwendung in einem Speicherknoten eines Kondensators in einem Halbleiterbauelement herzustellen. Ein Verfahren besteht darin, HSG durch chemische Niederdruck-Dampfphasenabscheidung (LPCVD) aus Silangas (SiH₄) auszubilden. Ein Kondensator mit einer HSG-Schicht auf seiner Oberfläche infolge eines einfachen LPCVD-Ver­ fahrens weist eine etwa 1,8mal größere Kapazität pro Substratflächeneinheit auf als ein zweidimensionaler Kondensator. Es ist jedoch schwierig, eine zuverlässige Gleichmäßigkeit in der Größe und Dichte des HSG zu erhalten, und dadurch ist eine sorgfältige Abscheidungssteuerung erforderlich, um die gewünschte Kapazität mit voller Reproduzierbarkeit bei Massenproduktionen zu erhalten. Insbesondere ist es erforderlich, die Substrattemperatur mit einer Genauigkeit von etwa ±3°C auf der Zielabscheidungstemperatur zu halten. Beispielsweise genügen Temperaturen, die nur geringfügig höher sind als die Zielsubstrattemperatur für die LPCVD-Ab­ scheidung für HSG, um beträchtliche Beweglichkeitsgrade für die Siliziumatome an der Wachstumsoberfläche zu ermöglichen, wodurch eine Oberflächenrekonstruktion während der LPCVD-Abscheidung von HSG ermöglicht wird. Das Erhöhen der Substrat-Abscheidungstemperatur um nur einen kleinen Betrag über die minimale Temperatur für LPCVD-Wachstum führt aufgrund der erhöhten Beweglichkeit der Atome während der Abscheidung eher zur Planarisierung der Oberfläche als zum Wachstum von unabhängigen Kristalliten.

Ein weiteres Verfahren besteht darin, ein Plasmaabscheidungsverfahren zu verwenden. Gut bekannte und allgemein praktizierte Beispiele solcher Plasmaverfahren umfassen Hochfrequenzzerstäubung (HF-Zerstäubung), Gleichstrom (DC)-Zerstäubung, chemische Elektronenzyklotronresonanz-Dampfphasenabscheldung (ECR-CVD), plasmagestützte chemische Dampfphasenabscheidung (PECVD) und chemische Hochfrequenz-Dampfphasenabscheidung (HF-CVD). Dieses Plasmaabscheidungsverfahren besitzt einen breiteren Abscheidungstemperaturbereich für die HSG-Schicht. Das US-Patent Nr. 5 753 559 mit dem Titel "METHOD FOR GROWING HEMISPHERICAL GRAIN SILICON" bildete eine HSG-Schicht mit einem breiteren Temperaturbereich von etwa 200°C bis 500°C aus.

Noch ein weiteres Verfahren ist das Verfahren der Molekularstrahlabscheidung (MBD), das eine HSG-Schicht durch Impfen mit HSG-Keimen auf einer amorphen Siliziumschicht durch MBD und dann Ausheilen in Ultrahochvakuum ausbildet, so daß die amorphe Siliziumschicht in eine Schicht aus Silizium mit HSG-Polysilizium auf ihrer Oberfläche umgewandelt wird.

Fig. 1A bis 1C sind Ablaufdiagramme, die ein früheres Verfahren zum Ausbilden von HSG zeigen. Mit Bezug auf Fig. 1A wird eine amorphe Siliziumschicht 4 auf einem Halbleitersubstrat (oder einer Isolationszwischenschicht) ausgebildet. Für eine einfache und klare Erläuterung ist das Halbleitersubstrat (oder die Isolationszwischenschicht) in Fig. 1A nicht gezeigt. Die amorphe Siliziumschicht 4 wird durch Abscheiden einer n-dotierten Siliziumschicht bei einer vorbestimmten Temperatur, um amorphes Silizium auszubilden, ausgebildet. Nach dem Ausbilden der amorphen Siliziumschicht 4 wird eine herkömmliche Photolithographie ausgeführt, um eine Speicherknotenstruktur aus amorphem Silizium auszubilden. Der Wafer wird in eine Reaktionskammer eingeführt und Siliziumquellengas, wie z. B. Silan (SiH₄) oder Disilan (Si₂H₆), wird in diese gespeist, und dann werden Keimkristalle 5a auf der Oberfläche des Speicherknotens aus amorphem Silizium 4 ausgebildet.

Mit Bezug auf Fig. 1B wird nach dem Sperren der Zufuhr des Siliziumquellengases eine Hochtemperaturausheilung ausgeführt. Infolge dieser Ausheilung wandern die Siliziumatome der amorphen Siliziumschicht 4 in die Keimkristalle 5a und folglich wachsen die Keimkristalle 5a. Fortgeführtes Ausheilen für eine vorbestimmte Zeit läßt die Keimkristalle 5a wachsen, und somit wird eine gewünschte Größe von Silizium 5 mit halbkugelförmigen Körnchen (HSG) ausgebildet, wie in Fig. 1C gezeigt. Das so ausgebildete HSG-Silizium 5 besitzt eine bestimmte Kristallorientierung und ein Teil des Speicherknotens aus amorphem Silizium 4 ist kristallisiert.

Da die Siliziumatome des amorphen Siliziums rund um die Keimkristalle 5a in die Keimkristalle 5a wandern, wird jedoch ein Verengungsbereich des HSG-Siliziums 5 immer dünner, was beim Vergleich mit Fig. 1B und Fig. 1c ersichtlich ist. Obwohl in Fig. 1C nicht dargestellt, werden unter dem HSG-Silizium 5 einige mit einer kleinen Größe im Vergleich zur gewünschten Größe, beispielsweise ohne Verengungsbereich, ausgebildet.

Fig. 2 stellt im Querschnitt einen Teil eines Halbleitersubstrats dar, das bereits mehreren Prozeßschritten gemäß einem Verfahren des Standes der Technik unterzogen wurde. In Fig. 2 wurde ein Speicherknoten 4 auf einem Halbleitersubstrat 1 und auf einer Isolationszwischenschicht 2 ausgebildet. Das HSG-Si­ lizium 5 wurde auf der Oberfläche des Speicherknotens 4 durch das vorstehend erwähnte, in Fig. 1A bis Fig. 1C dargestellte Verfahren ausgebildet. Wie auf dem Fachgebiet gut bekannt ist, wird nach dem Ausbilden des HSG-Siliziums 5 ein Reinigungsprozeß auf dem Wafer ausgeführt. Der Wafer wird nämlich vor der Ausbildung einer dielektrischen Schicht eines Kondensators unter Verwendung einer SC1-, HF- oder einer verdünnten LAL-Lösung von einer Eigenoxidschicht gereinigt. SCl (Spezialreinigung-1) ist eine gemischte Lösung, die NH₄OH, H₂O₂ und DI-(entionisiertes)-Wasser enthält, und LAL ist eine gemischte Lösung, die NH₄OH und HF enthält.

Wie früher beschrieben, wird der Verengungsbereich des HSG-Siliziums 5 während seines Ausbildungsprozesses dünn, was innerhalb des gestrichelten Rechtecks von Fig. 2 dargestellt ist. Noch weniger befindet sich der Verengungsbereich nicht in der Phase der vollständigen Kristallisation. Wie auf dem Fachgebiet gut bekannt ist, wird amorphes Silizium im Vergleich zu kristallinem Silizium durch eine Reinigungslösung (insbesondere SC1) leicht geätzt. Folglich ist der Verengungsbereich des HSG-Siliziums 5 durch den vorstehend erwähnten Reinigungsprozeß einem Angriff ausgesetzt und wird folglich von dem darunterliegenden Speicherknoten abgesondert, was eine Brücke zwischen benachbarten Speicherknoten verursacht.

Daher bestand ein Bedarf für ein Verfahren zur vollständigen Kristallisation von HSG-Silizium, insbesondere des mit dem darunterliegenden Speicherknoten verbundenen Teils.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines DRAM-Zellenkondensators mit HSG-Silizium auf seiner Oberfläche bereitzustellen, welches verhindern kann, daß das HSG-Silizium von dem Speicherknoten abgesondert wird, und dadurch eine Brücke zwischen den Speicherknoten während des Reinigungsprozesses verhindern kann.

Ein Schlüsselmerkmal der Erfindung besteht darin, den zerbrechlichen Teil des HSG-Siliziums (z. B. den Verengungsbereich des HSG-Siliziums) und den Oberflächenbereich des Speicherknotens unter Verwendung einer Hochtemperaturausheilung nach der Ausbildung des HSG-Siliziums zu stabilisieren (insbesondere zu kristallisieren).

Die obige Aufgabe kann gemäß der Erfindung durch Ausbilden einer Isolationszwischenschicht auf einem Halbleitersubstrat realisiert werden. Ein Kontaktloch wird in der Isolationszwischenschicht zum aktiven Bereich des Halbleitersubstrats geöffnet. Eine leitfähige Schicht, vorzugsweise eine amorphe Siliziumschicht, wird in dem Kontaktloch und auf der Isolationszwischenschicht bei einer optimalen Temperatur ausgebildet. Die amorphe Siliziumschicht kann dotiert oder undotiert sein. Die Dotierung kann Störstellen vom n-Typ, wie z. B. Phosphor, verwenden. Falls undotiertes amorphes Silizium abgeschieden wird, werden nach der Ausbildung von HSG-Silizium auf seiner Oberfläche Ionenstörstellen mit sorgfältiger Steuerung in dieses implantiert, um das HSG-Silizium nicht zu beschädigen. Die amorphe Siliziumschicht wird dann zu einer gewünschten Anordnungsstruktur, d. h. einem Speicherknoten, strukturiert. Danach wird die Eigenoxidschicht von der Oberfläche der strukturierten amorphen Schicht durch eine Vielzahl von Verfahren, einschließlich Eintauchen in HF, Ätzen durch Aufschleudern von HF, Reinigen mit HF-Dampf oder H₂-Plasma-Reinigung, gereinigt.

Keimkristallzentren (d. h. Keimbildungszentren) werden auf der gereinigten amorphen Siliziumschicht ausgebildet. Eine anschließende Ausheilung bewirkt, daß die Kristallite von den Keimkristallstellen aus wachsen, so daß die amorphe Siliziumschicht in eine Schicht aus Silizium mit HSG (halbkugelförmigen Körnchen) auf ihrer Oberfläche umgewandelt wird. Der so ausgebildete Speicherknoten mit HSG-Silizium ist in einen kristallinen Bereich des HSG-Körpers und einen amorphen Übergangsbereich des HSG-Verengungsteils, der mit dem Volumenbereich des amorphen/kristallinen Teils der amorphen Siliziumschicht verbunden ist, aufgeteilt. Wie auf dem Fachgebiet gut bekannt ist, besitzen der Übergangsteil und der Volumenbereich eine unvollständige Gitterstruktur, d. h. die während des nachfolgenden Reinigungsprozesses zerbrechlich ist.

Aus diesem Grund wird ein Prozeßschritt ausgeführt, um die Übergangsschicht und die Oberflächenschicht des Speicherknotens zu stabilisieren. Dieser entscheidende Schritt kann durch eine Hochtemperaturausheilung in Stickstoff- oder Argonatmosphäre nach der Ausbildung einer Eigenoxidschicht durch Vakuumunterbrechung oder durch eine Hochtemperaturausheilung in Sauerstoffatmosphäre ausgeführt werden. Alternativ kann eine Isolationsschicht auf der Siliziumoberfläche abgeschieden werden und dann wird eine Hochtemperaturausheilung ausgeführt. Die so ausgebildete Oxidschicht oder Isolationsschicht verhindert eine Siliziumatomwanderung in der Siliziumschicht und verhindert dadurch, daß sich der Verengungsteil des HSG-Siliziums verdünnt.

Gemäß dieser Erfindung kann unter Verwendung des HSG-Siliziums auf den Oberflächen des Speicherknotens eine erhöhte Kapazität erhalten werden, und zwar durch den Prozeß der Nachausheilung nach der Ausbildung des HSG-Siliziums auf der Oberfläche des Speicherknotens ohne Brücken zwischen benachbarten Speicherknoten. Als Ergebnis können stabile Zelleneigenschaften und eine stabile Ausbeute des DRAM-Zellenkondensators erhalten werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung unter Bezugnahme auf den Stand der Technik näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A bis Fig. 1C Ablaufdiagramme, die die Prozeßschritte eines früheren Verfahrens zum Ausbilden von HSG-Silizium zeigen;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines DRAM-Zellenkondensators mit HSG-Silizium auf seiner Oberfläche gemäß einem Verfahren des Standes der Technik für den Zweck, sich dessen Problemen zuzuwenden;

Fig. 3A bis Fig. 3D Querschnittsansichten, die die Prozeßschritte eines Verfahrens zum Ausbilden von HSG-Silizium gemäß der Erfindung zeigen;

Fig. 4A bis Fig. 4E Ablaufdiagramme, die die Prozeßschritte eines Verfahrens zum Ausbilden eines DRAM-Zellenkondensators mit HSG-Silizium auf seiner Oberfläche gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigen;

Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht eines Teils mit der Bezugsziffer 90 in Fig. 4D; und

Fig. 6A bis Fig. 6F Ablaufdiagramme, die die Prozeßschritte eines Verfahrens zum Ausbilden eines DRAM-Zellenkondensators mit HSG-Silizium auf seiner Oberfläche gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigen.

Es wird nun das Verfahren zur Herstellung eines DRAM-Zellenkondensators im einzelnen erläutert. Der Prozeß zum Ausbilden der Feldoxidschicht und die Feldeffekttran­ sistor-Struktur, wie derzeit bei der Herstellung von DRAM-Zellen praktiziert, werden weggelassen, um die Erfindung besser zu verstehen.

Nachstehend wird die erfindungsgemäße Idee dieser Erfindung mit Bezug auf Fig. 3A bis Fig. 3D beschrieben. Fig. 3A bis Fig. 3D sind Querschnittsansichten, die die Prozeßschritte eines Verfahrens zum Ausbilden von HSG-Silizium gemäß der Erfindung zeigen. Mit Bezug auf Fig. 3A wurden eine Isolationszwischenschicht 20 und eine leitfähige Schicht, wie z. B. eine amorphe Siliziumschicht, über einem Halbleitersubstrat 10 ausgebildet. Diese amorphe Siliziumschicht 30 kann mit Störstellen vom n-Typ, wie z. B. Phosphor, dotiert sein oder kann undotiert sein. Falls undotiertes amorphes Silizium abgeschieden wird, müssen nach der Ausbildung des HSG-Siliziums auf seiner Oberfläche Ionenstörstellen mit sorgfältiger Steuerung in dieses implantiert werden, um das HSG-Silizium nicht zu beschädigen.

Andererseits wird im Fall von n-dotiertem Silizium die Abscheidungstemperatur von Silizium zur Ausbildung von amorphem Silizium beispielsweise im Bereich zwischen 510°C und 530°C eingestellt, und die Störstellenkonzentration beträgt etwa 1×10²⁰ bis 2×10²⁰ Atome/cm³. Wie auf dem Fachgebiet gut bekannt ist, ist es schwierig, auf einer polykristallinen Siliziumschicht im Vergleich zu einer amorphen Siliziumschicht gleichmäßiges HSG-Silizium auszubilden. Dies liegt daran, daß sich Silizium eher in das polykristalline Silizium konzentriert als in Mikrokristallitkeime, die während des Kristallkeimwachstums ausgebildet werden.

Die Anwesenheit einer dünnen Schicht aus Eigenoxid könnte die Keimbildung des unabhängigen Kristallitwachstums behindern. Die Eigenoxidschicht behindert nämlich die Wanderung der Siliziumatome während des Keimbildungs- und Wachstumsschritts. Obwohl Wachstum von HSG-Silizium auftritt, kommt es dennoch zu einer Erhöhung des Widerstandes zwischen dem HSG-Silizium und der darunterliegenden amorphen Siliziumschicht 30. Folglich wird die Oberfläche der darunterliegenden amorphen Siliziumschicht 30 vor dem Beginn des HSG-Siliziumwachstums vorzugsweise gereinigt, um einen niedrigeren Widerstand zu gewährleisten.

Die Eigenoxidschicht wird von der Oberfläche der amorphen Schicht 30 durch eine Vielzahl von Verfahren, einschließlich Eintauchen in HF, Ätzen durch Aufschleudern von HF, Reinigen mit HF-Dampf oder H₂-Plasma-Reinigung, gereinigt. Vorzugsweise wird die Oberfläche der darunterliegenden amorphen Siliziumschicht 30 infolge des Reinigungsvorgangs hydriert, da die hydrierte Oberfläche zum Schutz der Oberfläche der amorphen Siliziumschicht 30 vor Reoxidation dient.

Die Ausbildung von HSG-Silizium wird als nächstes erläutert. Nachdem die Oberfläche der darunterliegenden amorphen Siliziumschicht 30 vorbereitet ist, werden Kristallkeime 40 auf der amorphen Siliziumschicht 30 durch ein beliebiges bekanntes Verfahren erzeugt, wie in Fig. 3A gezeigt. Beispielsweise werden die Kristallkeime durch ein LPCVD-Verfahren unter Verwendung von SiH₄ (Silan)-, SiH₂Cl₂ (Dichlorsilan)- oder Si₂H₆-Gas unter einem Druck von etwa 1×10^-4 bis 1×10^-5 Torr und bei einer Temperatur von etwa 600°C erzeugt. Alternativ kann ein Molekularstrahl-Ab­ scheidungsverfahren verwendet werden, um SiH₄- oder Si₂H₆-Mo­ leküle in die amorphe Siliziumschicht 30 bei einer Bestrahlungstemperatur von etwa 600°C einzustrahlen.

Nach der Ausbildung der Kristallkeime 40 wird ein Ausheilungsprozeß in Hochvakuumumgebung von etwa 1×10^-6 bis 1×10^-10 Torr, vorzugsweise etwa 1×10^-7 Torr, bei im wesentlichen der gleichen Temperatur wie die Kristallkeimbildung, d. h. etwa 600°C, um den Durchsatz zu erhöhen, ausgeführt. Eine solche Ausheilung läßt die Kristallite von den Kristallkeimen 40 aus wachsen, so daß die amorphe Siliziumschicht 30 in eine Schicht aus Silizium mit HSG-Silizium auf ihrer Oberfläche umgewandelt wird. Mit anderen Worten, die Ausheilung läßt Siliziumatome rund um die amorphe Siliziumschicht 30 in die Kristallkeime 40 wandern, um dadurch ein erstes aufgewachsenes HSG-Silizium 60 auszubilden. Hierbei wird die Ausheilungstemperatur so eingestellt, daß keine thermische Keimbildung verursacht wird.

Wie auf dem Fachgebiet gut bekannt ist, hängt die mittlere Korngröße und Dichte des Kristallkorns von der Zeitdauer der Keimbildung und der anschließenden Ausheilungsschritte ab. Eine längere Keimbildung führt zu stärkerer Siliziumatomwanderung und folglich wächst das erste aufgewachsene HSG-Silizium 60 weiter (zweites Wachstum), um das gewünschte HSG-Silizium 60a auszubilden, wie in Fig. 3C gezeigt. Die Korndichte nimmt mit steigender Abscheidungstemperatur des Siliziumsubstrats 10 zu. Im Fall der Molekularstrahlabscheidung nimmt die Dichte mit steigender Flußdichte des Siliziummolekularstrahls zu.

Wie vorstehend beschrieben, konzentrieren sich die Siliziumatome in die Kristallkeime durch Oberflächendiffusion, was während der Ausheilung zu einem halbkugelförmigen Kristallkorn (HSG-Silizium) führt. Zu diesem Zeitpunkt sind die Hauptquelle der Siliziumatomwanderung nicht Siliziumatome innerhalb des Volumens (Siliziumatome an einer tieferen Stelle der amorphen Siliziumschicht 30), sondern Siliziumatome auf der Oberfläche der amorphen Siliziumschicht 30, die eine hohe Energie besitzen und im Vergleich zu den Siliziumatomen im Volumen weniger stabil sind. Dies liegt daran, daß die Bindungskraft zwischen den Atomen in der Oberfläche der amorphen Siliziumschicht 30 niedriger ist als jene im Volumen. Eine solche Siliziumatomwanderung verursacht anfänglich eine Vertiefung 50 um das HSG-Silizium 60, wie in Fig. 3B gezeigt, und eine fortgesetzte Wanderung verursacht einen Verengungsteil 70 des HSG-Siliziums 60a, der zerbrechlich und sehr dünn ist, wie in Fig. 3C gezeigt. Wie im Hintergrund der Erfindung beschrieben, ist die dünne Verengung einem Angriff ausgesetzt und wird während des anschließenden Reinigungsprozesses geätzt. Ferner kann die amorphe Siliziumschicht 30 mit HSG-Silizium 60a, das innerhalb der gestrichelten Linie von Fig. 3C dargestellt ist, gemäß den Kristalleigenschaften in drei Teile eingeteilt werden, d. h. einen Kristallbereich (Cr) aus HSG-Silizium 60a, eine Oberflächenschicht mit einem Übergangsbereich (Tr) und den Volumenbereich (Br) der amorphen Siliziumschicht 30, und die Oberflächenschicht einschließlich des Übergangsbereichs (d. h. des Verengungsteils 70 des HSG-Siliziums) weist viele Gitterfehler auf, die während der vorstehend erwähnten Siliziumatomwanderung entstehen. Wie auf dem Fachgebiet gut bekannt ist, wird amorphes Silizium im Vergleich zu polykristallinem Silizium leicht geätzt.

Um die Gitterfehler des Oberflächenbereichs einschließlich des Verengungsteils 70 zu entfernen, d. h. einen Teil der Oberflächenschicht einschließlich des Übergangsbereichs zu kristallisieren, wird daher eine Hochtemperaturausheilung, die ein entscheidendes Merkmal dieser Erfindung darstellt, vor dem Reinigungsprozeß ausgeführt. Aufgrund dieser Ausheilung vor dem Reinigungsprozeß zum Entfernen der Eigenoxidschicht wird das HSG-Silizium nicht abgesondert und dadurch werden Brücken zwischen benachbarten Speicherknoten vermieden, was beim Verfahren des Standes der Technik auftritt, was in Fig. 2 gezeigt ist. Die Kristallisation des Übergangsbereichs und der Oberflächenschicht (d. h. die Entfernung der Fehler im Übergangsbereich und in der Oberflächenschicht und die Kristallisation der Oberflächenschicht der amorphen Siliziumschicht) kann bei hoher Temperatur in Stick­ stoff- oder Argonatmosphäre nach der Ausbildung einer Eigenoxidschicht infolge Vakuumunterbrechung ausgeführt werden oder kann bei hoher Temperatur in Sauerstoffatmosphäre ausgeführt werden. Die Eigenoxidschicht infolge der Vakuumunterbrechung dient zum Schutz vor der Wanderung von Siliziumatomen. Insbesondere stellt eine Ausheilung in Sauerstoffatmosphäre eine dünne Oxidschicht auf der Oberfläche des HSG-Siliziums und der amorphen Siliziumschicht bereit, wodurch vor der Wanderung von Siliziumatomen geschützt wird, und schützt folglich den Verengungsteil 70 des HSG-Siliziums vor dem Dünnwerden. Alternativ kann eine Isolationsschicht durch ein beliebiges geeignetes Verfahren vor dem Reinigungsprozeß für denselben Zweck wie die vorstehend erwähnte Oxidschicht abgeschieden werden.

Das vorstehend erwähnte HSG-Ausbildungsverfahren (wobei die Ausheilung nach der Ausbildung des HSG-Siliziums und vor den Reinigungsschritten ausgeführt wird) kann auf ein beliebiges verwandtes Gebiet anwendbar sein, welches HSG-Silizium verwendet, um die Kapazität zu erhöhen.

(Erste Ausführungsform)

Die erste Ausführungsform der Erfindung zum Ausbilden eines DRAM-Zellenkondensators unter Verwendung des vorstehend beschriebenen HSG-Siliziums wird nun im einzelnen mit Bezug auf die folgenden Fig. 4A bis Fig. 4E beschrieben. Dieselben Teile, die die gleiche Funktion wie in Fig. 3A bis Fig. 3D gezeigt haben, sind mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Fig. 4A stellt im Querschnitt einen Teil eines Halbleitersubstrats 10 dar, das bereits mehreren Prozeßschritten gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung unterzogen wurde. Mit Bezug auf Fig. 4A wird eine Isolationszwischenschicht 20, die vorzugsweise aus einer Oxidschicht hergestellt wird, über dem Halbleitersubstrat 10 durch ein herkömmliches Verfahren ausgebildet. Wie auf dem Fachgebiet gut bekannt ist, werden eine Feldoxidschicht, ein Transfergate-Transistor und seine Komponenten und eine Bitleitung über dem Halbleitersubstrat ausgebildet, sind jedoch für ein besseres Verständnis der Erfindung in den folgenden Zeichnungen nicht dargestellt. Die Isolationszwischenschicht 20 wird dann geätzt, um Kontaktlöcher 25 darin auszubilden, die bis zu den aktiven Bauelementbereichen (nicht dargestellt) des Halbleitersubstrats 10 reichen. Eine leitfähige Schicht 27 für einen Speicherknoten, wie z. B. eine mit Störstellen vom n-Typ, wie z. B. Phosphor, dotierte Siliziumschicht, wird bei einer optimalen Temperatur abgeschieden, um eine amorphe Siliziumschicht 27 auszubilden. Alternativ wird eine undotierte Siliziumschicht abgeschieden und ein Dotierungsprozeß wird in vorbestimmten Prozeßschritten, d. h. nach der Ausbildung von HSG-Silizium, darauf ausgeführt. Der Dotierungsprozeß kann eine Ionenimplantation umfassen und die Dotierungsbedingung wird genau gesteuert, um das bereits ausgebildete HSG-Silizium nicht zu beschädigen. Auf jeden Fall beträgt die Endkonzentration der Störstellen etwa 1×10²⁰ bis 2×10²⁰ Atome/cm³. Anstelle der Ionenimplantation kann eine Wärmebehandlung in einer Störstellenumgebung für den Dotierungsprozeß verwendet werden.

Mit Bezug auf Fig. 4B wird die amorphe Siliziumschicht 27 strukturiert, um einen Speicherknoten 27a auszubilden. Nach der Ausbildung des Speicherknotens 27a wird eine Eigenoxidschicht von der Oberfläche der amorphen Schicht 30 durch eine Vielzahl von Verfahren, einschließlich Eintauchen in HF, Ätzen durch Aufschleudern von HF, Reinigen mit HF-Dampf oder H₂-Plasma-Reinigung, gereinigt. Vorzugsweise wird die Oberfläche der darunterliegenden amorphen Siliziumschicht 30 infolge des Reinigungsvorgangs hydriert, da die hydrierte Oberfläche zum Schutz der Oberfläche der amorphen Siliziumschicht 30 vor Reoxidation dient.

Die Ausbildung des HSG-Siliziums wird als nächstes erläutert. Auf dem Speicherknoten 27a wird eine Impfung mit Kristallkeimen 40 durch ein LPCVD-Verfahren unter einem Druck von etwa 1×10^-4 bis 1×10^-5 Torr bei einer Temperatur von etwa 600°C in SiH₄- oder Si₂H₆-Umgebung ausgeführt, wie in Fig. 4C dargestellt. Wie-auf dem Fachgebiet gut bekannt ist, nimmt die Dichte der Kristallkeime mit zunehmender Substrat-Abscheidungstemperatur und mit zunehmendem Druck des Silizium enthaltenden Gases zu.

Mit Bezug auf Fig. 4D wird nach der Ausbildung der Kristallkeime 40 eine Ausheilung bei einer vorbestimmten Temperatur, vorzugsweise derselben Temperatur wie bei der Impfung mit Kristallkeimen, ausgeführt. Diese Ausheilung läßt die Kristallkeime 40 wachsen, so daß HSG-Silizium 80 mit gleichmäßiger Dichte und Korngröße entsteht. Die Dichte und Korngröße des HSG-Siliziums 80 hängt von verschiedenen Faktoren ab, insbesondere der Verfahrens zeit der Impfung mit Kristallkeimen und des Ausheilungsprozesses. Die Korndichte des HSG-Siliziums 80 nimmt mit steigender Impfzeit zu und die Korngröße des HSG-Siliziums nimmt mit steigender Ausheilungszeit zu. Das Wachstum des HSG entsteht aus der Wanderung von peripheren Siliziumatomen aus dem amorphen Silizium in die Kristallkeime 40. Eine fortgesetzte Wanderung von Atomen für eine vorbestimmte Korngröße verursacht eine Vertiefung um das HSG-Silizium 80, und diese Vertiefung macht den Verbindungsteil (d. h. den Verengungsteil 70 des HSG-Siliziums) zwischen dem Speicherknoten 27a und dem HSG-Silizium 80 dünn und zerbrechlich. Ferner wird ein Übergangsbereich, der sowohl eine kristalline Struktur als auch eine amorphe Struktur aufweist, im Verengungsteil ausgebildet und folglich weist der Verengungsteil viele Gitterfehler auf.

Fig. 5 zeigt schematisch den Speicherknoten 27a mit HSG-Silizium 80, der gemäß den Kristalleigenschaften von Silizium in viele Teile unterteilt werden kann. Einen amorphen Volumenbereich 101, eine amorphe Oberflächenschicht 102, einen amorphen/kristallinen Übergangsbereich 103 (Verengungsteil) und einen kristallinen Bereich 104. Wie auf dem Fachgebiet gut bekannt ist, wird amorphes Silizium im Vergleich zu kristallinem Silizium durch eine Reinigungslösung leicht geätzt. Die Oberflächenschicht 102 und der Übergangsbereich 103 (dünner Verengungsteil) sind infolge ihrer unvollständigen Kristallphase einem Angriff durch den anschließenden Reinigungsprozeß ausgesetzt. Folglich kann das HSG-Silizium 80 vom Speicherknoten 27a abgesondert werden und dadurch wird eine Brücke zwischen den Speicherknoten verursacht. Daher ist es erforderlich, die Gitterfehler im Verengungsteil zu entfernen und denselben zu stabilisieren.

Die nächste Prozeßsequenz ist für diese Erfindung entscheidend. Mit Bezug auf Fig. 4E wird eine Kristallisationsausheilung ausgeführt, um die Oberflächenschicht oder den Speicherknoten 27a einschließlich des zerbrechlichen und dünnen Verengungsteils 70 des HSG-Siliziums 80 zu kristallisieren. Diese Kristallisationsausheilung wird bei einer Temperatur oberhalb von 600°C, beispielsweise bei etwa 600°C bis 650°C, ausgeführt. Um vor einer unerwünschten möglichen Wanderung von Siliziumatomen während dieses Ausheilungsprozesses zu schützen, kann auf der Siliziumoberfläche eine Oxidschicht ausgebildet werden. Zu diesem Zweck wird eine Vakuumunterbrechung durchgeführt, um ein Eigenoxid auszubilden, und dann wird eine Wärmebehandlung in Argon- oder Stickstoffgasatmosphäre ausgeführt. Eine weitere Möglichkeit ist eine Wärmebehandlung in Sauerstoffatmosphäre, die gleichzeitig eine dünne Oxidschicht auf der Siliziumoberfläche ausbildet. Wie vorstehend beschrieben, dienen diese Oxidschichten zum Schutz vor der Wanderung von Siliziumatomen während des Ausheilungsprozesses, wodurch der Verengungsteil 70 des HSG-Siliziums 80 vor dem Dünnwerden geschützt wird.

Nach der Hochtemperaturausheilung wird ein Reinigungsprozeß in SCl (Spezialreinigung-1)-, verdünnter HF- oder LAL-Lösung ausgeführt. Infolge der vorstehend erwähnten Hochtemperaturausheilung wird das HSG-Silizium 80 während dieses Reinigungsprozesses nicht vom Speicherknoten 27a abgesondert, wodurch eine Brücke zwischen den Speicherknoten vermieden wird.

(Zweite Ausführungsform)

Die zweite Ausführungsform der Erfindung wird nun mit Bezug auf Fig. 6A bis Fig. 6F beschrieben und dieselben Teile, die die gleiche Funktion wie in Fig. 4A bis Fig. 4E gezeigt aufweisen, sind mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Der signifikante Unterschied zur ersten Ausführungsform besteht darin, daß eine Isolationsschicht 95 (in Fig. 6E gezeigt) auf dem Speicherknoten 27a und auf dem HSG-Silizium 80 durch ein Abscheidungsverfahren vor dem Ausheilungsprozeß zur Kristallisation des Übergangsbereichs 103 und der Oberflächenschicht 102 ausgebildet wird. Daher werden dieselben Prozeßsequenzen (in Fig. 6A bis Fig. 6D dargestellt) wie bei der ersten Ausführungsform für das bessere Verständnis dieser Ausführungsform weggelassen.

Mit Bezug auf Fig. 6E wird nach der Ausbildung des HSG-Siliziums 80 auf der Oberfläche des Speicherknotens 27a die Isolationsschicht 95 auf der Oberfläche des Speicherknotens 27a und auf dem HSG-Silizium 80 ausgebildet. Diese Isolationsschicht 95 schützt vor einer unerwünschten möglichen Wanderung der Siliziumatome während der anschließenden Hochtemperaturausheilung. Dieser Prozeß zur Ausbildung der Isolationsschicht 95 wird in derselben Bearbeitungskammer ausgeführt wie die Hochtemperaturausheilung und folglich wird eine einfache Bearbeitung vorgesehen.

Die Isolationsschicht 95 kann eine Oxidschicht, eine Siliziumnitridschicht, Ta₂O₅ oder TiO₂ umfassen, die durch ein Abscheidungsverfahren ausgebildet werden. Wenn die Isolationsschicht aus einer Siliziumnitridschicht ausgebildet wird, wird der Schritt der Ausbildung einer dielektrischen Schicht eines Kondensators übergangen. Nach der Ausbildung der Isolationsschicht 95 wird die Hochtemperaturausheilung wie bei der ersten Ausführungsform ausgeführt.

Obwohl diese Erfindung insbesondere mit Bezug auf deren bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, wird es für Fachleute selbstverständlich sein, daß verschiedene Änderungen in der Form und den Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und Schutzbereich dieser Erfindung abzuweichen.

Claims (14)

1. Verfahren zum Ausbilden eines DRAM-Zellenkondensators mit den Schritten:
Ausbilden einer Isolationszwischenschicht (20) auf einem Halbleitersubstrat (10);
Ausbilden eines Kontaktlochs (25) in der Isolationszwischenschicht (20) bis zu dem Halbleitersubstrat (10)
Ausbilden einer leitfähigen Schicht (27) in dem Kontaktloch (25) und auf der Isolationszwischenschicht (20);
Strukturieren der leitfähigen Schicht (27) und Ausbilden eines Speicherknotens (27a);
Ausbilden einer HSG-Schicht (80) auf einer Oberfläche des Speicherknotens (27a), wobei die HSG-Schicht einen Verengungsteil (103) aufweist, der mit dem Speicherknoten (27a) verbunden ist; und
Stabilisieren der kristallinen Phase des Verengungsteils (103) der HSG-Schicht (80) und eines Oberflächenbereichs des Speicherknotens (27a)

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Stabilisierung der kristallinen Phase durch einen thermischen Ausheilungsprozeß in einer Sauerstoffatmosphäre ausgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der thermische Ausheilungsprozeß bei einer Temperatur oberhalb 600°C ausgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, welches vor dem Schritt der Stabilisierung der kristallinen Phase ferner das Ausbilden einer Isolationsschicht (95) auf der HSG-Schicht (80) und dem Oberflächenbereich des Speicherknotens (27a) umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Isolationsschicht (95) eine Eigenoxidschicht ist, welche durch Vakuumunterbrechung ausgebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Isolationsschicht (95) aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus einer Oxidschicht, einer Nitridschicht, einer Ta₂O₅-Schicht und einer TiO₂-Schicht besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Isolationsschicht (95) eine Eigenoxidschicht ist und der Schritt der Stabilisierung der kristallinen Phase in Argon (Ar)- oder Stickstoff (N₂)-Gasatmosphäre ausgeführt wird.

8. Verfahren zum Ausbilden eines DRAM-Zellenkondensators mit den Schritten:
Ausbilden einer Isolationszwischenschicht (20) auf einem Halbleitersubstrat (10);
Ausbilden eines Kontaktlochs (25) in der Isolationszwischenschicht (20) bis zu dem Halbleitersubstrat (10),
Ausbilden einer amorphen Siliziumschicht (27) in dem Kontaktloch (25) und auf der Isolationszwischenschicht (20);
Strukturieren der amorphen Siliziumschicht (27), um einen Speicherknoten (27a) aus amorphem Silizium auszubilden;
Ausbilden einer HSG-Schicht (80) auf einer Oberfläche des Speicherknotens (27a) aus amorphem Silizium, wobei der Speicherknoten aus amorphem Silizium mit der HSG-Schicht aus einem amorphen Siliziumvolumen, einer Oberflächenschicht aus amorphem Silizium, einem Übergangsbereich der HSG-Schicht, welcher der amorphen Oberflächenschicht gegenüberliegt, und einem kristallinen Bereich der HSG-Schicht besteht; und
Kristallisieren der amorphen Oberflächenschicht des Speicherknotens (27a) aus amorphem Silizium und des Übergangsbereichs der HSG-Schicht (80).

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt der Stabilisierung durch einen thermischen Ausheilungsprozeß in einer Sauerstoffatmosphäre ausgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der thermische Ausheilungsprozeß bei einer Temperatur oberhalb 600°C ausgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, welches vor dem Schritt der Stabilisierung ferner das Ausbilden einer Isolationsschicht (95) auf der HSG-Schicht und der Oberfläche des Speicherknotens umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Isolationsschicht (95) eine Eigenoxidschicht ist, welche durch Vakuumunterbrechung ausgebildet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Isolationsschicht (95) aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus einer Oxidschicht, einer Nitridschicht, Ta₂O₅ und TiO₂ besteht.

14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Isolationsschicht (95) eine Eigenoxidschicht ist und der Schritt der Stabilisierung in Argon (Ar)- oder Stickstoff (N₂)-Gasatmosphäre ausgeführt wird.