DE10130936B4 - Herstellungsverfahren für ein Halbleiterbauelement mittels Atomschichtabscheidung/ALD - Google Patents
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Abstract
Herstellungsverfahren für ein Halbleiterbauelement mittels Atomschichtabscheidung/ALD mit einem Substrat (1) und einer auf oder in dem Substrat (1) vorgesehenen dielektrischen Schicht (70), wobei die dielektrische Schicht (7) durch ein ALD-Verfahren monolagenweise selbstlimitierend in Form von mindestens zwei verschiedenen Prekursoren alternierend abgeschieden wird, mit den Schritten:
a) Entfernen einer Siliziumoxidschicht von der Oberfläche des Substrats (1);
b) Vorsehen einer OH- oder H-Aktivierung der Oberfläche des Substrats (1) vor der Abscheidung einer allerersten Monolage eines ersten Prekursors bezüglich eines reaktiven Liganden des ersten Prekursors; und
c) alternierendes Abscheiden der dielektrischen Schicht (7) auf der aktivierten Oberfläche durch ein ALD-Verfahren monolagenweise selbstlimitierend in Form von mindestens zwei verschiedenen Prekursoren.
a) Entfernen einer Siliziumoxidschicht von der Oberfläche des Substrats (1);
b) Vorsehen einer OH- oder H-Aktivierung der Oberfläche des Substrats (1) vor der Abscheidung einer allerersten Monolage eines ersten Prekursors bezüglich eines reaktiven Liganden des ersten Prekursors; und
c) alternierendes Abscheiden der dielektrischen Schicht (7) auf der aktivierten Oberfläche durch ein ALD-Verfahren monolagenweise selbstlimitierend in Form von mindestens zwei verschiedenen Prekursoren.
Description
- Herstellungsverfahren für ein Halbleiterbauelement mittels Atomschichtabscheidung/ALD Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein Halbleiterbauelement mittels Atomschichtabscheidung/ALD mit einem Substrat und einem auf oder in dem Substrat vorgesehenen dielektrischen Schicht, wobei die dielektrische Schicht durch ein ALD-Verfahren (Atomic Layer Deposition/Atomschichtabscheidung) monolagenweise selbstlimitierend in Form von mindestens zwei verschiedenen Prekursoren alternierend abgeschieden wird.
- Aus der
US 6,200,893 B1 ist ein durch Radikale unterstütztes sequentielles CVD-Verfahren bekannt, wobei auf einem Substrat ein natürliches Oxid belassen wird und darauf ein zyklisches Abscheiden von RLD-Lagen durchgeführt wird. Vor jeweils zwei kompletten ALD-Lagen erfolgt eine Wasserstoff-Konditionierung/-Aktivierung. - Aus der
US 5,923,056 ist es bekannt, vor der Abscheidung einer dielektrischen Schicht, u.a. mit einem ALD-Verfahren, eine Siliziumoxidschicht mittels einer Flusssäure-(HF-)haltigen Lösung von der Oberfläche eines Substrats zu entfernen. Aus Fenner D.B., "Silicon surface passivation by hydrogen termination: A comparative study of preparation methods" in J. Appl. Phys., 1989, Vol. 66, Nr. 1, Seiten 419 bis 424, ist es ferner bekannt, mittels einer Flusssäure-haltigen Lösung eine Wasserstoff-Passivierung an einer Substrat-Oberfläche vorzunehmen. -
- Der Begriff Substrat soll im allgemeinen Sinne verstanden werden und kann daher sowohl einschichtige als auch mehrschichtige Substrate umfassen.
- Obwohl auf beliebige Halbleiterbauelemente anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zu Grunde liegende Problematik in Bezug auf Kondensatoren in Silizium-Technologie erläutert.
- In dynamischen Schreib-/Lese-Speichern (DRAMs) werden sogenannte Ein-Transistor-Zellen eingesetzt. Diese bestehen aus einem Speicherkondensator und einem Auswahltransistor der die Speicherelektrode mit der Bitleitung verbindet. Der Speicherkondensator kann als Grabenkondensator (Trench Capacitor) oder als Stapelkondensator (Stacked Capacitor) ausgebildet werden. Die hier beschriebene Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf Kondensatoren für solche DRAMs in Form von Grabenkondensatoren und Stapelkondensatoren.
- Es ist bekannt, einen solchen Kondensator, z.B. für ein DRAM (dynamischer Schreib-/Lese-Speicher) mit dem Aufbau Elektrodenschicht-Isolatorschicht-Elektrodenschicht herzustellen, wobei die Elektrodenschichten Metallschichten oder (Poly)-Siliziumschichten sein können.
- Um die Speicherdichte für zukünftige Technologie-Generationen weiter zu erhöhen, wird die Strukturgröße von Generation zu Generation verkleinert. Die immer kleiner werdende Kondensatorfläche und die dadurch bedingte kleiner werdende Kondensatorkapazität führt zu Problemen. Deshalb ist es wichtig, die Kondensatorkapazität trotz kleinerer Strukturgröße mindestens konstant zu halten. Dies kann unter anderem durch eine Erhöhung der Flächenladungsdichte des Speicherkondensators erreicht werden.
- Bisher wurde dieses Problem einerseits durch eine Vergrößerung der zur Verfügung stehenden Kondensatorfläche (bei vorgegebener Strukturgröße) gelöst. Dies kann z.B. durch die Abscheidung von Poly-Silizium mit rauher Oberfläche (Hemispherical Silicon Grains) im Trench oder auf die untere Elektrode des Stapelkondensators erreicht werden. Andererseits wurde bisher die Flächenladungsdichte durch eine Verringerung der Dicke des Dielektrikums erhöht. Dabei wurden bisher als Dielektrikum für DRAM-Kondensatoren ausschließlich verschiedener Kombinationen von SiO2 (Siliziumoxid) und Si3N4 (Siliziumnitrid) verwendet.
- Für Stapel-Kondensatoren wurden ferner einige wenige Materialen mit höherer Dielektrizitätskonstante vorgeschlagen. Explizit gehören dazu Ta2O5 und BST (Barium-Strontium-Titanat). Diese Materialen sind jedoch in direktem Kontakt mit Silizium oder Poly-Silizium bei höheren Temperaturen chemisch unstabil. Außerdem sind die Materialien selbst nur unzureichend temperaturstabil. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Nitridierung der unteren Elektrode des Kondensators gefolgt von der Abscheidung eines CVD-Siliziumnitrids, welches anschließend in einer Naßoxidation reoxidiert wird. Eine weitere Veringerung der Dicke dieser Dielektrika ist aufgrund der dadurch verursachten erhöhten Leckströme nicht möglich.
- Neuerdings sind weitere Materialen mit höherer Dielektrizitätskonstante vorgeschlagen worden, z.B. Al2O3, ZrO2, HfO2, u.ä., welche mit dem sogenannten ALD(Atomic Layer Deposition)-Verfahren monolagenweise selbstlimitierend abgeschieden werden können. Insbesondere bei Strukturen mit sehr hohen Aspektverhältnissen können diese neuen Materialien mit sehr guter Kantenabdeckung abgeschieden werden und deshalb sehr gut mit Verfahren zur Oberflächenvergrößerung (z.B. Wet Bottle, HSG) kombiniert werden.
- Beim ALD-Verfahren wird der Abscheideprozeß in mindestens zwei Einzelschritte A und B entsprechend zweier Prekursoren unterteilt, welche alternierend zur Bildung einer Strukturfolge ABABAB... ausgeführt werden, wobei jeder Einzelschritt im Idealfall zu einer selbstlimitierenden Abscheidung einer Monolage des betreffenden Prekursors führt. Die beiden Prekursoren bestehen dabei aus Molekülen, welche jeweils aus den abzuscheidenden Atomen und einem sogenannten Liganden bestehen. Die Liganden sind derart beschaffen, daß eine chemische Bindung jeweils nur zum vorhergehenden Prekursormolekül, jedoch nicht zum identischen Prekursormolekül möglich ist (siehe z.B.
GB 2 355 727 A - Ein kritischer Schritt im Rahmen des ALD-Verfahrens ist die Abscheidung der allerersten Lage direkt auf der Substratoberfläche.
- Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Herstellungsverfahren für ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art anzugeben, wobei eine Oberflächenkonditionierung mit einer ausreichenden Anzahl reaktiver Gruppen gegeben ist, welche eine chemische Bindung mit den Liganden der ersten Prekursormoleküle eingehen können.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Herstellungsverfahren gelöst.
- Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende allgemeine Idee besteht im Vorsehen einer Konditionierung Aktivierung der Oberfläche des Substrats vor der Abscheidung einer allerersten Monolage eines ersten Prekursors bezüglich eines reaktiven Liganden des ersten Prekusors.
- Die vorliegende Erfindung beschreibt insbesondere verschiedene Verfahren zur Konditionierung, Aktivierung der Substratoberfläche.
- In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Gegenstandes der Erfindung.
- Erfindungsgemäss wird zur Konditionierung eine Siliziumoxidschicht von der Oberfläche des Substrats entfernt. Eine solche Siliziumoxidschicht würde die effektive Dielektrizitätskonstante des Kondensatormaterials herabsetzen.
- Erfindungsgemäss wird eine OH- oder H-Aktivierung der Oberfläche des Substrats vorgesehen. Dies erweist sich insbesondere im Falle von Trimethylaluminium neben H2O-Prekursorgas zur Deposition von Al2O3 oder im Falle von Metallchloriden neben H2O-Prekursorgas zur Deposition von ZrO2, HfO2 u.ä. als vorteilhaft. Die Belegungsdichte der OH- oder H-Aktivierung der Oberfläche des Substrats beeinflußt dabei die Depositionsrate des Dielektrikums.
- Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfaßt die Konditionierung Aktivierung die Anwendung eines Radikal-Generators auf die Oberfläche des Substrats.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfaßt die Konditionierung, Aktivierung eine gepulste O2/H2O-H2/H2O-Plasmabehandlung.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfaßt die Konditionierung, Aktivierung eine gepulste H2-Plasmabehandlung.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfaßt die Konditionierung, Aktivierung eine gepulste NH3-Plasmabehandlung.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
a –n zeigen die wesentlichen Verfahrensschritte zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Halbleiterbauelements in Form eines Grabenkondensators, die zum Verständnis der Erfindung dienen sollen. - In den
a –n bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente. - Auf einem Siliziumsubstrat
1 werden zunächst eine Padoxidschicht5 und eine Padnitridschicht10 abgeschieden, wie ina gezeigt. Dann wird eine weitere (nicht dargestellte) Oxidschicht abgeschieden und diese Schichten werden dann mittels einer ebenfalls nicht gezeigten Photolackmaske und einem entsprechenden Ätzverfahren zu einer sogenannten Hartmaske strukturiert. Unter Verwendung dieser Hartmaske werden Gräben2 mit einer typischen Tiefe von circa 1–10 μm in das Siliziumsubstrat1 geätzt. Danach wird die oberste Oxidschicht entfernt, um zum ina dargestellten Zustand zu gelangen. - In einem folgenden Prozessschritt wird, wie in
b gezeigt, Arsensilikatglas (ASG)20 auf der resultierenden Struktur abgeschieden, so daß das ASG20 insbesondere die Gräben2 vollständig auskleidet. - In einem weiteren Prozessschritt erfolgt, wie in
c gezeigt, ein Auffüllen der resultierenden Struktur mit Photolack30 . Gemäßd erfolgt danach ein Lack-Recess eine Lackentfernung im oberen Bereich der Gräben2 . Dies geschieht zweckmäßigerweise durch isotropes trockenchemisches Ätzen. - In einem weiteren Prozessschritt gemäß
e erfolgt ein ebenfalls isotropes Ätzen des ASG20 im unmaskierten, lackfreien Bereich, und zwar vorzugsweise in einem nasschemischen Ätzprozess. Daraufhin wird der Lack30 in einem plasmagestützten und/oder nasschemischen Prozess entfernt. - Wie in
f gezeigt, wird danach ein Deckoxid5' auf der resultierenden Struktur abgeschieden. - In einem weiteren Prozessschritt gemäß
g erfolgt eine Ausdiffusion des Arsen aus dem übrig gebliebenen ASG20 in das umliegende Siliziumsubstrat1 in einem Temperschritt zur Bildung der vergrabenen Platte Buried Plate60 , welche eine erste Kondensatorelektrode bildet. Daran anschließend werden das Deckoxid5' und das übrige ASG20 zweckmäßigerweise nasschemisch entfernt. - Gemäß
h wird dann ein spezielles Dielektrikum70 mit hoher Dielektrizitätskonstante z.B. mittels eines ALD-Verfahrens (Atomic Layer Deposition) auf die resultierende Struktur abgeschieden, wobei zuvor eine Konditionierung Aktivierung Oberfläche des Substrats vor der Abscheidung einer allerersten Monolage eines ersten Prekursors durchgeführt wird. - Das Vorsehen einer möglichst Siliziumoxid-freien Siliziumoberfläche des Substrats
1 gemäß Schritt a) des Verfahrens nach dem Patentanspruch 1 kann erstens durch eine DHF-Behandlung (H2O:HF = 100:1) mit einer anschließenden Spülung in deionisiertem Wasser erfolgen (beispielsweise 9 Minuten mit 15 Liter/Min. und 5 Minuten mit 5 Liter/Min.). Alternativ kann eine DHF-Behandlung mit verkürzter Spülzeit vorgenommen werden, um durch das unvollständige Entfernen des DHF ein anschließendes Aufwachsen vom natürlichen Oxid auf dem Siliziumsubstrat zu verzögern. Eine weitere Möglichkeit bietet eine Plasmareinigung unter Verwendung von NF3, Cl2 o.ä., welche insbesondere in der ALD-Kammer integriert werden kann, um ein Handling an der Luft zu vermeiden, wodurch ebenfalls ein nachträgliches Aufwachsen des natürlichen Oxids auf der Oberfläche des Substrats1 verhindert wird. - Als weiteres Beispiel sei eine HF-Dampfreinigung in einer an das ALD-mainframe angeschlossenen Kammer erwähnt, wodurch sich ebenfalls ein anschließendes Aufwachsen eines natürlichen Oxids vermeiden lässt.
- Für die anschließende Oberflächenaktivierung gemäß dem Schritt b) des Verfahrens nach dem Patentanspruch 1 bieten sich folgende Möglichkeiten an.
- Eine erste Möglichkeit besteht in der Verwendung eines gepulsten O2/H2O-H2/H2O-Plasmas, wobei im ersten Schritt die O-Radikale der Sauerstoffbrückenbindungen aufbrechen und so eine O-terminierte Oberfläche entsteht, wohingegen im zweiten Schritt die H-Radikale mit O zu OH-Gruppen reagieren.
- Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines H2-Plasmas, wobei die H-Radikale dabei mögliche O-Brücken an der Substratoberfläche aufbrechen. Eine Variation des Kammerdrucks ermöglicht dabei die Steuerung der Radikaldichte, wodurch sich die Bildung eines Plasmaoxides vermeiden lässt.
- Noch eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung eines NH3-Plasmas, das zur Nitridierung der Oberfläche des Substrats und zur Erzeugung einer H-Terminierung führt.
- Letztlich ist die Anwendung eines beliebigen Radikalgenerators zur Erzeugung von H-, O-, OH-Radikalen möglich, um mögliche O-Brückenbindungen aufzubrechen und eine H- bzw. OH-Terminierung zu erzeugen.
- Nach dieser Oberflächenaktivierung lässt sich die ALD-Abscheidung gemäß Schritt c) des Verfahrens nach dem Patentanspruch 1 in gewohnter Form durchführen.
- Nach der Bildung des speziellen Dielektrikums
70 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem weiteren Prozessschritt gemäßi als zweite Kondensatorplatte Arsendotiertes polykristallines Silizium80 auf der resultierenden Struktur abgeschieden, so daß es die Gräben2 vollständig ausfüllt. Alternativ könnten auch Poly-Silizium-Germanium oder Poly-Silizium-Metall Schichtfolgen zur Auffüllung verwendet werden. - In einem darauffolgenden Prozessschritt gemäß
j wird das dotierte Polysilizium80 , bzw. das Poly-Silizium-Germanium oder ein Metall bis zur Oberseite der vergrabenen Platte/Buried Plate60 zurückgeätzt. - Zur Erreichung des in
k dargestellten Zustands erfolgt dann ein isotropes Ätzen des Dielektrikums70 mit hoher Dielektrizitätskonstante im oberem freigelegten Bereich der Gräben2 , und zwar entweder mit einem nasschemischen oder einem trockenchemischen Ätzverfahren. - In einem darauffolgenden Prozessschritt gemäß
l wird ein Kragenoxid5'' im oberen Bereich der Gräben2 gebildet. Dies geschieht durch eine ganzflächige Oxidabscheidung und ein darauffolgendes anisotropes Ätzen des Oxids, so daß das Kragenoxid5'' an den Seitenwänden im oberen Grabenbereich stehenbleibt. - Wie in
m illustriert, wird in einem darauffolgenden Prozessschritt erneut mit Arsen dotiertes Polysilizium80' abgeschieden und zurückgeätzt. - Gemäß
n folgt schließlich eine nasschemische Entfernung des Kragenoxids5'' im oberen Grabenbereich. - Damit ist die Ausbildung des Grabenkondensators im Wesentlichen beendet. Das Bilden der Kondensatoranschlüsse sowie die Herstellung und Verbindung mit dem zugehörigen Auswahltransistor sind im Stand der Technik wohl bekannt.
-
- 1
- Siliziumsubstrat
- 3
- aufgeweiteter Bereich
- 5
- Padoxid
- 5'
- Deckoxid
- 5''
- Kragenoxid
- 10
- Padnitrid
- 20
- ASG
- 30
- Photolack
- 60
- Vergrabene Platte/Buried Plate
- 70
- Dielektrikum
- 80, 80'
- dotiertes Polysilizium
Claims (5)
- Herstellungsverfahren für ein Halbleiterbauelement mittels Atomschichtabscheidung/ALD mit einem Substrat (
1 ) und einer auf oder in dem Substrat (1 ) vorgesehenen dielektrischen Schicht (70 ), wobei die dielektrische Schicht (7 ) durch ein ALD-Verfahren monolagenweise selbstlimitierend in Form von mindestens zwei verschiedenen Prekursoren alternierend abgeschieden wird, mit den Schritten: a) Entfernen einer Siliziumoxidschicht von der Oberfläche des Substrats (1 ); b) Vorsehen einer OH- oder H-Aktivierung der Oberfläche des Substrats (1 ) vor der Abscheidung einer allerersten Monolage eines ersten Prekursors bezüglich eines reaktiven Liganden des ersten Prekursors; und c) alternierendes Abscheiden der dielektrischen Schicht (7 ) auf der aktivierten Oberfläche durch ein ALD-Verfahren monolagenweise selbstlimitierend in Form von mindestens zwei verschiedenen Prekursoren. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Aktivierung die Anwendung eines Radikal-Generators auf die Oberfläche des Substrats (
1 ) umfaßt. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Aktivierung eine gepulste O2/H2O-H2/H2O-Plasmabehandlung umfaßt.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Aktivierung eine gepulste H2-Plasmabehandlung umfaßt.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Konditionierung eine gepulste NH3-Plasmabehandlung umfaßt.
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Title |
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