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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.
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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.
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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.
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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 Polysilizium-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.
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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-Verfahrens
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
erforde rlich, 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-Abscheidung 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.
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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-Dampfphasenabscheidung (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.
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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.
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1A bis
1C sind Ablaufdiagramme, die ein früheres Verfahren
zum Ausbilden von HSG zeigen, wie es beispielsweise ähnlich aus
der
US 5,366,917 bekannt
ist. Mit Bezug auf
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
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 (SiH
4) oder Disilan (Si
2H
6), wird in diese
gespeist, und dann werden Keimkristalle
5a auf der Oberfläche des
Speicherknotens aus amorphem Silizium
4a usgebildet.
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Mit
Bezug auf 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 1C gezeigt.
Das so ausgebildete HSG-Silizium 5 besitzt eine bestimmte
Kristallorientierung und ein Teil des Speicherknotens aus amorphem
Silizium 4 ist kristallisiert.
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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 1B und 1C ersichtlich ist. Obwohl in 1C nicht dargestellt, werden
unter dem HSG-Silizium 5 einige mit einer kleinen Größe im Vergleich zur
gewünschten
Größe, beispielsweise
ohne Verengungsbereich, ausgebildet.
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2 stellt im Querschnitt
einen Teil eines Halbleitersubstrats dar, das bereits mehreren Prozeßschritten
gemäß einem
Verfahren des Standes der Technik unterzogen wurde. In 2 wurde ein Speicherknoten 4 auf
einem Halbleitersubstrat 1 und auf einer Isolationszwischenschicht 2 ausgebildet. Das
HSG-Silizium 5 wurde
auf der Oberfläche
des Speicherknotens 4 durch das vorstehend erwähnte, in 1A bis 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. SC1 (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.
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Wie
früher
beschrieben, wird der Verengungsbereich des HSG-Siliziums 5 während seines Ausbildungsprozesses
dünn, was
innerhalb des gestrichelten Rechtecks von 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.
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Daher
bestand ein Bedarf für
ein Verfahren zur vollständigen
Kristallisation von HSG-Silizium, insbesondere des mit dem darunterliegenden
Speicherknoten verbundenen Teils. Dies wird bei der oben bereits
erwähnten
US 5,366,917 dadurch erreicht,
daß der
Temperprozeß bei
nicht zu hoher Temperatur bei längerer
Ausheilzeit durchgeführt wird.
Die Umwandlung des a-Si:H auch auf der Oberfläche des Speicherknotens wird
dort bei einer Temperatur von 580 bis 750°C und ggf. anschließender Temperaturerhöhung durchgeführt.
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Die
EP 0 731 491 A2 offenbart
Verfahren zur Ausbildung halbkugliger oder kugliger Si-Pilzköpfe auf
amorphem Silizium zur Erhöhung
der Speicherkapazität
von DRAM-Zellenkondensatoren.
Gemäß eines
Ausführungsbeispiels
wird dotiertes a-Si:H auf einem Oberflächen-oxidierten Siliziumsubstrat
abgeschieden. Bei einem ersten Temperprozeß werden Mikrokristalle auf
der Oberfläche
der Kondensatorelektrode ausgebildet und in einem zweiten Temperprozeß unter
Sauerstoffatmosphäre
wird durch Einbau von Sauerstoff an der Oberfläche eine Si-Atom-Oberflächenmigration
unterdrückt.
Trotz dieser Unterdrückung
der Migration wachsen die Kristallite weiter.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines DRAM-Zellenkondensators
mit HSG-Silizium auf seiner Oberfläche bereitzustellen, bei dem
das HSG-Silizium stabilisiert wird.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Gemäß Anspruch
1 wird die obige Aufgabe durch den Teilschritt Abscheiden einer
Isolationszwischenschicht auf einem Halbleitersubstrat gelöst.
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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.
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Aus
diesem Grund wird ein Prozeßschritt ausgeführt, um
die Übergangsschicht
und die Oberflächenschicht
des Speicherknotens zu stabilisieren. Bei diesem Schritt wird eine
Isolationsschicht auf der Siliziumoberfläche abgeschieden 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.
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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 der Isolationsschicht auf der Oberfläche des Speicherknotens. Als
Ergebnis können
stabile Zelleneigenschaften und eine stabile Ausbeute des DRAM-Zellenkondensators
erhalten werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung unter Bezugnahme
auf den Stand der Technik näher
erläutert.
Es zeigen:
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1A bis 1C Ablaufdiagramme,
die die Prozeßschritte
eines früheren
Verfahrens zum Ausbilden von HSG-Silizium
zeigen;
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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;
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3A bis 3D Querschnittsansichten, die
die Prozeßschritte
eines Verfahrens zum Ausbilden von HSG-Silizium zeigen;
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4A bis 4E Ablaufdiagramme,
die die Prozeßschritte
eines Verfahrens zum Ausbilden eines DRAM-Zellenkondensators mit HSG-Silizium auf
seiner Oberfläche
gemäß einer
Ausführungsform die
zur Erläuterung
der Erfindung dienen, diese aber nicht wiedergibt;
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5 eine
vergrößerte Ansicht
eines Teils mit der Bezugsziffer 90 in 4D;
und
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6A bis 6F Ablaufdiagramme,
die die Prozeßschritte
eines Verfahrens zum Ausbilden eines DRAM-Zellenkondensators mit HSG-Silizium auf
seiner Oberfläche
gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung zeigen.
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Es
wird nun das Verfahren zur Herstellung eines DRAM-Zellenkondensators
im einzelnen erläutert.
Der Prozeß zum
Ausbilden der Feldoxidschicht und die Feldeffekttransistor-Struktur, wie derzeit
bei der Herstellung von DRAM-Zellen praktiziert, werden weggelassen,
um die Erfindung besser zu verstehen.
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3A bis 3D sind
Querschnittsansichten, die die Prozeßschritte eines Verfahrens
zum Ausbilden von HSG-Silizium
gemäß der Erfindung zeigen.
Mit Bezug auf 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.
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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.
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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.
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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.
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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 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-Abscheidungsverfahren
verwendet werden, um SiH4- oder Si2H6-Moleküle in die amorphe
Siliziumschicht 30 bei einer Bestrahlungstemperatur von
etwa 600°C
einzustrahlen.
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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.
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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 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.
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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 3B gezeigt,
und eine fortgesetzte Wanderung verursacht einen Verengungsteil 70 des
HSG-Siliziums 60a, der zerbrechlich und sehr dünn ist,
wie in 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 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.
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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 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 Stickstoff- 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.
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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.
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(Erste beschriebene Ausführungsform)
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Die
erste beschriebene Ausführungsform
betrifft nicht die Erfindung und zeigt allgemein das Ausbilden eines
DRAM-Zellenkondensators
unter Verwendung des vorstehend beschriebenen HSG-Siliziums wird
nun im einzelnen mit Bezug auf die folgenden 4A bis 4E beschrieben.
Dieselben Teile, die die gleiche Funktion wie in 3A bis 3D gezeigt
haben, sind mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. 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 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.
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Mit
Bezug auf 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.
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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 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.
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Mit
Bezug auf 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 Verfahrenszeit 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.
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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.
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Die
nächste
Prozeßsequenz
ist für
diese Erfindung entscheidend. Mit Bezug auf 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.
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Nach
der Hochtemperaturausheilung wird ein Reinigungsprozeß in SC1
(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.
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(Zweite
beschriebene Ausführungsform)
Die Ausführungsform
der Erfindung wird nun mit Bezug auf 6A bis 6F beschrieben
und dieselben Teile, die die gleiche Funktion wie in 4A bis 4E gezeigt
aufweisen, sind mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Der
signifikante Unterschied zur ersten Ausführungsform besteht darin, daß eine Isolationsschicht 95 (in 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 6A bis 6D dargestellt)
wie bei der ersten Ausführungsform
für das
bessere Verständnis
dieser Ausführungsform
weggelassen.
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Mit
Bezug auf 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.
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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.