DE102005044142B3 - Production of electroconductive filling in trench in a semiconductor substrate or layer and a trench capacitor fills trench with silicon and phosphorus and deposits an arsenic monolayer - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Füllung in einem Graben, welcher in einem Halbleitersubstrat oder in einer Schicht auf dem Halbleitersubstrat gebildet ist. Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen, insbesondere gemäß dem Verfahren hergestellten, Grabenkondensator.The The invention relates to a method for producing an electrical conductive filling in a trench, which in a semiconductor substrate or in a Layer is formed on the semiconductor substrate. The invention relates about that in addition, in particular according to the method produced, trench capacitor.
Bei der Halbleiterherstellung werden Gräben in Halbleitersubstraten oder in auf diesen angeordneten Schichten gebildet, um elektrisch leitfähige Strukturen auf der einen Seite oder Isolationsgebiete auf der anderen Seite zu stellen. Im ersten Fall werden die Gräben nach deren Bildung – oftmals mittels eines Ätzschrittes – mit einer elektrisch leitfähigen Füllung versehen, um so zum Beispiel Leiterbahnen, Kontaktstöpsel oder Kondensatorelektroden zu bilden. Insbesondere bei solchen im monokristallinen Halbleitersubstrat (Silizium) hergestellten Gräben wird anstatt eines Metalls zumeist eine amorphe oder polykristalline Siliziumschicht abgeschieden, das zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit dotiert ist.at Semiconductor manufacturing becomes trenches in semiconductor substrates or in layers formed thereon to be electrically conductive conductive Structures on the one hand or isolation areas on the other Page to ask. In the first case, the trenches after their formation - often by means of an etching step - with a electrically conductive filling provided, for example, conductor tracks, contact plugs or To form capacitor electrodes. Especially with those in the monocrystalline semiconductor substrate (Silicon) produced trenches instead of a metal mostly an amorphous or polycrystalline Silicon layer deposited, which improves the electrical conductivity is doped.
Die Abscheidung von dotiertem, amorphem oder polykristallinem Silizium als elektrisch leitfähige Füllung wird insbesondere auch im Fall von Grabenkondensatoren angewendet. Grabenkondensatoren umfassen tief in das Halbleitersubstrat geätzte Gräben mit sehr hohem Aspektverhältnis, das sich als Quotient aus Höhe bzw. Tiefe und Breite des Grabens berechnen lässt.The Deposition of doped, amorphous or polycrystalline silicon as an electrically conductive filling especially applied in the case of trench capacitors. Trench capacitors include deeply etched into the semiconductor substrate with very high aspect ratio, the as a quotient of height or calculate the depth and width of the trench.
Der Graben des Grabenkondensators ist üblicherweise an der Innenwand mit einem dünnen Kondensatordielektrikum versehen. Dies besteht klassisch etwa aus einer Schichtabfolge von Oxid, Nitrid und nochmals Oxid (ONO). Andere dielektrische Materialien sind auch möglich. Ein unterer Bereich des Grabens ist in dem Halbleitersubstrat von einem vergrabenen dotierten Gebiet umgeben, welches eine erste Kondensatorelektrode bildet. Die elektrisch leitfähige Füllung innerhalb des Grabens bildet die zweite Kondensatorelektrode.Of the Trenching of the trench capacitor is usually on the inner wall with a thin capacitor dielectric Mistake. This classically consists of a layer sequence of Oxide, nitride and again oxide (ONO). Other dielectric materials are also possible. A lower portion of the trench is in the semiconductor substrate of surrounded by a buried doped region, which comprises a first capacitor electrode forms. The electrically conductive filling inside the trench forms the second capacitor electrode.
In einem dynamischen Speicher mit wahlfreiem Schreib- oder Lesezugriff (DRAM, dynamic random access memory) wird die Speicherung über einen an den Grabenkondensator angeschlossenen Auswahltransistor bewerkstelligt. Dieser wird über eine Wortleitung angesteuert, sodass in die elektrisch leitende Füllung im Graben des Grabenkondensators elektrische Ladungen von einer Bitleitung eingeschrieben oder in diese ausgelesen werden können.In a dynamic memory with random read or write access (DRAM, dynamic random access memory) will store over one accomplished selection transistor connected to the trench capacitor. This one is about one Controlled word line, so that in the electrically conductive filling in Digging the trench capacitor electrical charges from a bit line can be written or read in this.
Ist eine Dotierung mit Donatoren vorgesehen (n-Dotierung), wird in der Regel ein Element der fünften Hauptgruppe im Periodensystem der Elemente zur Abscheidung des Poly-Siliziums hinzugegeben. Bekannt ist beispielsweise die n-Dotierung des amorphen oder polykristallinen Siliziums entweder mit Arsen oder mit Phosphor. Im Fall von Arsen wird in einem LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) oder einem CVD-Reaktor (Chemical Vapor Deposition) in Teilschritten jeweils zunächst das amorphe oder polykristalline Silizium auf das Substrat abgeschieden, wonach in einem jeweils zweiten Schritt eine kurze Abscheidung von Arsen zur Bildung von Monolagen auf der Oberfläche der amorphen oder polykristallinen Siliziumschicht erfolgt. Die Schritte können wiederholt werden. Es entsteht dadurch ein digitales Dotierprofil, das erst durch thermische Nachprozessierung in ein homogenes Dotierprofil überführt wird, sodass die Arsen-Atome in das Poly-Siliziumgitter eingebaut werden.is a doping with donors provided (n-doping), is in the Usually an element of the fifth Main group in the periodic table of elements for the deposition of poly-silicon added. For example, the n-doping of the amorphous is known or polycrystalline silicon either with arsenic or with phosphorus. In the case of arsenic, LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) or a CVD reactor (Chemical Vapor Deposition) in Each step first the amorphous or polycrystalline silicon deposited on the substrate, then, in a second step, a short separation of Arsenic to form monolayers on the surface of amorphous or polycrystalline Silicon layer takes place. The steps can be repeated. It this results in a digital doping profile, which is only achieved by thermal post-processing is converted into a homogeneous doping profile, so that the arsenic atoms are incorporated into the poly-silicon lattice.
Die alternierenden Abscheideschritte im LPCVD oder dem CVD-Reaktor sind im Vergleich zu einem einheitlichen, simultanen Abscheideschritt etwas zeitaufwändig. Die Simultanabscheidung von Arsen mit dem Poly-Silizium hat sich jedoch bei den hohen Aspektverhältnissen und der nicht unerheblichen Dotierstoffverarmung (elektrische Aktivierung nur bei 10 % bis 50 %) im Fall von Arsen in den Kondensatorgräben als schwierig erwiesen. Andererseits wirft auch das digitale Dotierprofil gemäß dem sequentiellen Abscheideverfahren Probleme dahingehend auf, dass, falls die Abscheidedicke der amorphen- oder polykristallinen Siliziumschicht ungenau gegenüber der Grabenbreite bestimmt ist, die jeweils letzten Schritte der Abscheidung von Arsen nicht mehr durchführbar sind. Aufgrund dessen kann der Grad der Dotierung in der elektrisch leitenden Füllung erheblich von vorgegebenen Zielwerten abweichen.The Alternating deposition steps in the LPCVD or the CVD reactor are in comparison somewhat time-consuming for a uniform, simultaneous separation step. The However, simultaneous deposition of arsenic with the poly-silicon has become in the high aspect ratios and the not insignificant dopant depletion (electrical activation only at 10% to 50%) in the case of arsenic in the condenser trenches as difficult to prove. On the other hand, the digital doping profile also throws according to the sequential Abscheidide problems in that, if the Abscheidedicke the amorphous or polycrystalline silicon layer inaccurate against the Trench width is determined, each time the last steps of the deposition by arsenic no longer feasible are. Due to this, the degree of doping in the electrical conductive filling deviate significantly from given target values.
Demgegenüber bietet Phosphor als alternativer Dotierstoff den Vorteil, dass ein simultanes Abscheiden mit amorphem- oder polykristallinem Silizium auch bei hohen Aspektverhältnissen in den Gräben möglich ist. Des Weiteren ist bei Phosphor auch der Grad der elektrischen Aktivierung im Vergleich zu Arsen wesentlich höher. Die Abscheidung besitzt daher eine höhere Effizienz gemessen am abgeschiedenen Materialvolumen. Bei der gleichen Anzahl abgeschiedener Atome ist damit eine verbesserte Leitfähigkeit erreichbar.On the other hand offers Phosphorus as an alternative dopant has the advantage that a simultaneous Depositing with amorphous or polycrystalline silicon also at high aspect ratios in the trenches possible is. Furthermore, in phosphorus, the degree of electrical Activation compared to arsenic much higher. The deposit has therefore a higher one Efficiency measured on the deposited material volume. At the same Number of deposited atoms is thus an improved conductivity reachable.
Dass jedoch bei der derzeit durchgeführten Halbleiterherstellung, insbesondere von Speicherbausteinen, mit wahlfreiem Schreib-/Lesezugriff die elektrisch leitfähige Füllung der Grabenkondensatoren nicht ausschließlich unter Dotierung mit Phosphor durchgeführt wird, liegt daran, dass bei mit Phosphor durchgeführter, amorpher oder polykristalliner Siliziumabscheidung eine Wanderung von beispielsweise mit Luft gefüllten Löchern in der Grabenfüllung zu den Grabenwänden hin auftritt, die nicht verhindert werden kann. Die Bildung solcher Löcher (Voids) ist kaum vermeidbar und findet in dem Aufwachsprozess, der an den Grabenwänden beginnt, etwa längs der Mittelachse eines von oben gesehen runden oder ovalen Grabens statt. In der Mitte treffen die aufwachsenden Schichten aufeinander. Solche Voids können grundsätzlich auch bei Arsen-dotiertem Silizium auftreten. Dort allerdings unterdrückt das Arsen die Void-Diffusion wesentlich effizienter als Phosphor.However, that in the current semiconductor production, in particular of memory modules, with random read / write access, the electrically conductive filling of the trench capacitors is not performed exclusively with phosphorus doping, is because when carried out with phosphorus, amorphous or polycrystalline silicon deposition, a migration of, for example holes filled with air in the ditch filling occurs to the trench walls, which can not be prevented. The formation of such holes (voids) is hardly avoidable and takes place in the growth process, which begins at the trench walls, approximately along the central axis of a seen from above round or oval trench. In the middle, the growing layers meet. In principle, such voids can also occur with arsenic-doped silicon. There, however, arsenic suppresses void diffusion much more efficiently than phosphorus.
Gewöhnlich stören diese Löcher in der Mitte des Grabens wenig, da der Querschnitt des Grabens einen relativ geringen ohmschen Widerstandswert aufweist. Bei der thermischen Nachprozessierung jedoch können diese Löcher zu den Grabenwänden hin wandern, welches bei der Dotierung mit Phosphor auch dann eintritt, wenn die Nachprozessierung bei sehr niedrigen Temperaturen durchgeführt wird. Befinden sich die Löcher dann erstmal an den Grabenwänden, so treten dort zum einen sehr hohe Feldspitzen auf, wo die elektrisch leitende Füllung an den Rändern der Löcher auf das Kondensatordielektrikum trifft. Zum anderen wird die effektive Kondensatorfläche an den Grabeninnenwänden zum vergrabenen dotierten Gebiet hin durch die Löcher verringert.Usually these disturb holes in the middle of the trench little because the cross section of the trench one having relatively low ohmic resistance. At the thermal However, post-processing can these holes to the moat walls migrate, which also occurs when doping with phosphorus, if the post-processing is carried out at very low temperatures. Are the holes then first at the moat walls, so occur there on the one hand very high field peaks, where the electric conductive filling on the edges the holes encounters the capacitor dielectric. Second, the effective capacitor area at the Grabeninnenwänden reduced to the buried doped region through the holes.
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In der US 2002/0086481 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung tiefer Grabenkondensatoren beschrieben. Die Innenwände des Grabens werden mit einer dielektrischen Schicht ausgekleidet, die das Kondensatordielektrikum bildet. Eine Kondensatorelektrode wird im Inneren des Grabens durch dotiertes Polysilizium gebildet. In einem oberen Bereich des Grabens wird eine dotierte Polysiliziumschicht angeordnet, für die eine Implantation von Arsen und/oder Phosphor angegeben ist.In US 2002/0086481 A1 is a method for producing deeper Trench capacitors described. The inner walls of the ditch are covered with a lined dielectric layer, which is the capacitor dielectric forms. A capacitor electrode passes through inside the trench doped polysilicon formed. In an upper area of the ditch a doped polysilicon layer is arranged, for which a Implantation of arsenic and / or phosphorus is indicated.
In der US 2004/0084149 A1 ist eine Vorrichtung zur Bildung siliziumhaltiger Filme auf einem Substrat beschrieben. Zu einem Beispiel ist angegeben, dass der siliziumhaltige Film vorzugsweise amorph ist und einen oder mehrere weitere Elemente, unter anderem Arsen und Phosphor enthalten kann. Ein weiteres Beispiel betrifft HSG-Siliziumfilme (hemispherical silicon grain).In US 2004/0084149 A1 is an apparatus for forming silicon-containing Described films on a substrate. An example is given that the silicon-containing film is preferably amorphous and a or several other elements, including arsenic and phosphorus may contain. Another example relates to HSG silicon films (hemispherical silicon grain).
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren für die Herstellung elektrisch leitender Füllung in Gräben anzubieten, welches insbesondere auch die für die Zukunft zu erwartende weitere Verringerung der Struktur größen berücksichtigt. Es ist des Weiteren eine Aufgabe, einen Grabenkondensator mit verbesserter Qualität anzubieten.It An object of the present invention is an improved method for the To provide electrically conductive filling in trenches, which in particular also for the future expected further reduction of the structure sizes. It is a further object to provide a trench capacitor with improved To offer quality.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Füllung in einem Graben mit den Merkmalen des Anspruches 1 beziehungsweise mit dem Grabenkondensator mit den Merkmalen des Anspruches 8.The Task is solved by the method for producing an electrically conductive filling in one Trench with the features of claim 1 or with the Trench capacitor with the features of claim 8.
Das
Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Füllung in
einem Graben, welcher in einem Halbleitersubstrat oder in einer
Schicht auf dem Halbleitersubstrat gebildet ist, umfasst die Schritte
Bereitstellen
des Halbleitersubstrats mit dem Graben und Abscheiden der Stoffe
amorphes oder polykristallines Silizium, Arsen und Phosphor zur
Bildung der elektrisch leitenden Füllung in dem Graben, wobei
das
Abscheiden von amorphem oder polykristallinem Silizium und das Abscheiden
von Phosphor simultan durchgeführt
werden, das Abscheiden von Arsen zeitlich separat von der Abscheidung
von amorphem oder polykristallinem Silizium und Phosphor durchgeführt wird
und
das Abscheiden von Arsen die Bildung wenigstens einer Monolage
von Arsenatomen auf einer durch das amorphe oder polykristalline
Silizium und den Phosphor gebildeten Oberfläche umfasst.The method for producing an electrically conductive filling in a trench, which is formed in a semiconductor substrate or in a layer on the semiconductor substrate, comprises the steps
Providing the semiconductor substrate with the trench and depositing the substances amorphous or polycrystalline silicon, arsenic and phosphorus to form the electrically conductive filling in the trench, wherein
the deposition of amorphous or polycrystalline silicon and the deposition of phosphorus are carried out simultaneously, the deposition of arsenic is carried out separately from the deposition of amorphous or polycrystalline silicon and phosphorus, and
depositing arsenic comprises forming at least one monolayer of arsenic atoms on a surface formed by the amorphous or polycrystalline silicon and the phosphorus.
Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch einen Grabenkondensator in einem Halbleitersubstrat, umfassend einen Graben, der in einem Halbleitersubstrat gebildet ist, eine erste als elektrisch leitende Füllung ausgebildete Kondensatorelektrode, die in wenigstens einem unteren Abschnitt des Grabens abgeschieden ist, wobei die elektrisch leitende Füllung umfasst:
- a) eine amorphe oder polykristalline Siliziumschicht,
- b) Phosphor und
- c) Arsen,
wobei in der Grabenfüllung der Phosphor homogen und das Arsen inhomogen zwischen dem amorphen oder polykristallinen Silizium verteilt ist;
ein als dielektrische Schicht an einer Innenwand des Grabens ausgebildetes Kondensatordielektrikum und
eine zweite als vergrabenes dotiertes Gebiet in dem Halbleitersubstrat an der Innenwand des Grabens ausgebildete Kondensatorelektrode.The object is also achieved by a trench capacitor in a semiconductor substrate, comprising a trench formed in a semiconductor substrate, a first capacitor electrode formed as an electrically conductive filling, which is deposited in at least one lower portion of the trench, wherein the electrically conductive filling comprises:
- a) an amorphous or polycrystalline silicon layer,
- b) phosphorus and
- c) arsenic,
wherein in the trench filling the phosphor is homogeneous and the arsenic is inhomogeneously distributed between the amorphous or polycrystalline silicon;
a capacitor dielectric formed as a dielectric layer on an inner wall of the trench; and
a second buried doped region in the semiconductor substrate formed on the inner wall of the trench capacitor electrode.
Es wird ein Halbleitersubstrat, etwa ein Halbleiterwafer bereitgestellt, in dem bzw. auf dem in einer Schicht ein Graben gebildet ist. Bei dem Graben kann es sich um eine beliebig geformte Vertiefung in dem Substrat bzw. in der Schicht auf dem Substrat handeln. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um den Graben eines Grabenkondensators. Dieser wird typischerweise mit sehr hohen Aspektverhältnissen von größer als 10 : 1 oder 50 : 1 gebildet. Beispielsweise kann ein Graben eine Tiefe von 7 μm bei einer Breite von 90 nm besitzen. Es gibt derzeit das Bestreben, diese Aspektverhältnisse noch weiter zu vergrößern. Dies wird insbesondere mit dem Übergang zur 70 nm-Technologie der Fall sein. Diese Ausführungsform wird im Folgenden noch näher zu erläutern sein.It For example, a semiconductor substrate, such as a semiconductor wafer, is provided. in which or in which a trench is formed in a layer. at the trench may be an arbitrarily shaped depression in the Substrate or act in the layer on the substrate. According to one embodiment the invention is the trench of a trench capacitor. This is typically done with very high aspect ratios from bigger than 10: 1 or 50: 1 formed. For example, digging can be a depth of 7 μm at a width of 90 nm. There is currently a desire these aspect ratios even further to enlarge. This especially with the transition be the case for 70 nm technology. This embodiment will be below closer to explain be.
Bei den Gräben kann es sich aber auch um solche von tiefen Leiterbahnen handeln. In diesem Fall besitzen die Gräben eine geringe Breite, jedoch eine erheblich größere Länge. Auch bei solchen Gräben kann von großen Aspektverhältnissen die Rede sein.at the trenches but it can also be those of deep tracks. In this case own the trenches a small width, but a considerably longer length. Even with such ditches can of big ones aspect ratios be the talk.
Des Weiteren kommen als Gräben auch Kontaktlöcher in Betracht, welche zum Beispiel verschiedene Metallisierungsebenen einer Schaltung miteinander verbinden. Ein Einsatz von amorphem oder polykristallinem Silizium als Grabenfüllung (Kontaktlochfüllung) kommt besonders dann in Betracht, wenn mit dem Kontaktstöpsel eine Leiterbahn- und Metallisierungsebene mit dotierten Gebieten auf dem monokristallinen Substrat zu verbinden ist. Ein Beispiel ist die Verbindung von Bitleitungen mit Source-/Drain-Gebieten eines Auswahltransis tors in einer Speicherzelle mit wahlfreiem Schreib-/Lesezugriff.Of Others come as trenches also contact holes considering, for example, different metallization levels connect a circuit with each other. A use of amorphous or Polycrystalline silicon as trench filling (contact hole filling) comes especially when considered with the contact plug one Track and metallization level with doped areas on the is to connect monocrystalline substrate. An example is the Connection of bit lines to source / drain regions of a selection transistor in a memory cell with random read / write access.
Es ist weiter vorgesehen, die elektrisch leitende Füllung in dem Graben aus amorphem oder polykristallinem Silizium, dotiert sowohl mit Arsen als auch mit Phosphor einzurichten. Es werden jeweils Abscheideschritte durchgeführt, die simultan oder auch getrennt durchgeführt werden können. Es wurde dabei der überraschende Effekt festgestellt, dass bei einer Kombination der beiden Dotierstoffe, deren Abscheidung an sich einen höheren Aufwand erfordert und damit normalerweise nicht angestrebt worden wäre, die genannten Vorteile und Vorzüge der jeweiligen Materialeigenschaften erhalten bleiben. Die Nachteile der einzelnen Stoffe werden dagegen durch die Vorteile des jeweils anderen Stoffs kompensiert.It is further provided, the electrically conductive filling in the trench of amorphous or polycrystalline silicon doped with both arsenic and to set up with phosphorus. Separation steps are carried out in each case can be performed simultaneously or separately. It was the surprising Found that in a combination of the two dopants, the separation of which requires a greater effort in itself and would not normally have been sought, the benefits mentioned and benefits the respective material properties are retained. The disadvantages By contrast, the individual substances are replaced by the benefits of each other substance compensated.
So wurde beispielsweise festgestellt, dass bei der Dotierung mit Arsen die durch die gleichzeitige Dotierung mit Phosphor zu erwartende Migration der Löcher, die unvermeidlich in der Poly-Siliziumfüllung entstehen, zu den Grabenwänden hin unterdrückt wird. Die Verarmung elektrisch aktiver Arsenatome in der elektrisch leitenden Füllung wird andererseits vollständig durch die erhöhte elektrische Aktivierung der Phosphoratome kompensiert.So For example, it was found that when doping with arsenic those expected by the simultaneous doping with phosphorus Migration of the holes, which inevitably arise in the poly-silicon filling, towards the trench walls repressed becomes. The depletion of electrically active arsenic atoms in the electric conductive filling on the other hand becomes complete through the increased compensated for electrical activation of the phosphorus atoms.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch die Kombination von Arsen und Phosphor als gemeinsame Dotierstoffe für eine elektrisch leitende Füllung aus Poly-Silizium die Zuverlässigkeit der Funktion – insbesondere eines Grabenkondensators – sowie die elektrischen Eigenschaften bezüglich Leitfähigkeit mitunter erheblich verbessern können.In summary let yourself say that by combining arsenic and phosphorus as common Dopants for an electrically conductive filling Poly-silicon reliability the function - in particular a trench capacitor - as well the electrical properties in terms of conductivity sometimes considerably can improve.
Phosphor liefert zudem auf Grund der höheren Rate an Aktivierung auch den größeren Beitrag zur elektrischen Leitfähigkeit. Wenn Arsen zeitlich getrennt vom Poly-Silizium abgeschieden wird, entsteht dadurch ein digitales Dotierprofil mit der Konsequenz einer nicht ausreichenden As-Dotierung, wenn die letzte Monolage nicht mehr wie erwünscht in den Graben gerät, weil dieser verfüllt ist. Dieser Effekt spielt dann aber wegen der Dominanz des Beitrags von Phosphor nur noch eine untergeordnete Rolle.phosphorus also delivers because of the higher Rate of activation also makes the bigger contribution to electrical conductivity. When arsenic is separated from poly-silicon in time, This creates a digital doping profile with the consequence of a insufficient As doping, if not the last monolayer more as desired into the ditch, because this is filled is. This effect then plays but because of the dominance of the contribution of Phosphorus only a minor role.
Ein besonderer Vorteil entsteht dadurch, dass die Abscheidung jeweils von amorphem oder polykristallinem Silizium, Phosphor und Arsen gemeinsam in einem (LP-)CVD-Reaktor durchgeführt werden kann. Eine Ausgestaltung der Erfindung zufolge werden amorphes oder polykristallines Silizium und Phosphor simultan abgeschieden, welches beispielsweise durch Zugabe von Phosphingas (PH3) zu dem die amorphe- oder Polykristalline Siliziumschicht bildenden Gas erfolgen kann (SiH4).A particular advantage arises from the fact that the deposition of each of amorphous or polycrystalline silicon, phosphorus and arsenic can be carried out together in a (LP) CVD reactor. According to one embodiment of the invention, amorphous or polycrystalline silicon and phosphorus are deposited simultaneously, which can be done, for example, by adding phosphine gas (PH 3 ) to the gas forming the amorphous or polycrystalline silicon layer (SiH 4 ).
Anschließend werden in dem gleichen (LP)CVD-Reaktor die Abscheideparameter wie etwa die Temperatur, der Druck, etc. variiert, um nun Arsingas (AsH3) einzuleiten, sodass eine Monolage oder mehrere Monolagen von Arsen auf der nach der ersten Abscheidung entstandenen Oberfläche des mit Phosphor dotierten amorphen oder polykristallinen Siliziums gebildet wird bzw. gebildet werden. Danach kann wieder auf die ursprünglichen Geräteparameter zurückgeschwenkt werden, um nun wieder eine amorphe oder polykristalline Siliziumschicht mit einer Phosphordotierung abzuscheiden. Es ist also keine Entnahme der Halbleiterwafer aus dem Reaktor notwendig.Subsequently, in the same (LP) CVD reactor, the deposition parameters such as temperature, pressure, etc. are varied to initiate arsine (AsH 3 ) to produce one or more monolayers of arsenic on the surface formed after the first deposition of the phosphorus doped amorphous or polycrystalline silicon is formed or formed. Thereafter, it is possible to return to the original device parameters in order to again deposit an amorphous or polycrystalline silicon layer with a phosphorus doping. So it is not necessary to remove the semiconductor wafer from the reactor.
Ausgestaltungen bezüglich des Grabenkondensators sehen vor, auch die üblicherweise in einem oberen Teil des Grabens nach träglich eingebrachte Grabenfüllung mit einer Dotierung aus Phosphor und Arsen zu versehen. Dies bietet den Vorteil einer durchgängigen Leitfähigkeit über die gesamte Tiefe des Grabenkondensators. Hintergrund ist, dass üblicherweise zunächst in dem größeren unteren Bereich des Grabens die Kondensatorelektrode anhand der elektrisch leitenden Füllung gebildet wird. Diese ist durch das Kondensatordielektrikum (NO, ONO oder Al2O3, etc.) von dem vergrabenen dotierten Gebiet als zweiter Kondensatorelektrode getrennt.Embodiments with regard to the trench capacitor also provide those which are usually introduced later in an upper part of the trench Trench filling to be provided with a doping of phosphorus and arsenic. This offers the advantage of a continuous conductivity over the entire depth of the trench capacitor. The background is that usually first in the larger lower region of the trench, the capacitor electrode is formed on the basis of the electrically conductive filling. This is separated from the buried doped region as the second capacitor electrode by the capacitor dielectric (NO, ONO or Al 2 O 3 , etc.).
Der obere Teil des Grabens wird dann durch einen Rückätzprozess von der so eingebrachten Füllung befreit, um einen Isolationskragen in dem oberen Bereich einzubringen, welcher in einem dichten Speicherzellenfeld den betrachteten Kondensatorgraben von einem benachbarten isoliert. Anschließend wird erneut eine elektrisch leitende Füllung in den oberen Bereich eingebracht, welche durch weitere Schritte mit Source- bzw. Drain-Gebieten eines Auswahltransistors verbunden wird.Of the The upper part of the trench is then inserted by an etch back process filling freed to bring in an insulation collar in the upper area, which in a dense memory cell array the considered capacitor trench isolated from a neighboring one. Subsequently, an electric again conductive filling introduced into the upper area, which by further steps connected to source and drain regions of a selection transistor becomes.
Dieser obere Bereich stellt vor seiner (zweiten) Verfüllung mit elektrisch leitendem Material wiederum einen Graben mit nunmehr moderatem Aspektverhältnis dar. Eine weitere Ausführungsform sieht daher vor, alternativ zur vorherigen Ausführungsform hier nun gerade für diese zweite Verfüllung amorphes oder polykristallines Silizium dotiert entweder nur mit Phosphor oder nur mit Arsen einzurichten. Auf Grund des geringen Aspektverhältnisses wirkt sich hier der Zeitvorteil stärker aus. Die Migration von Löchern stellt dagegen aufgrund des nicht vorhandenen Kondensatordielektrikums im oberen Bereich nur noch ein geringes Problem dar. Es kommt insbesondere Phosphor als Dotierstoff in Betracht.This upper area presents before its (second) backfilling with electrically conductive Material in turn a trench with now moderate aspect ratio. Another embodiment sees Therefore, before, as an alternative to the previous embodiment here now for this second backfilling amorphous or polycrystalline silicon doped with either phosphor alone or only with arsenic. Due to the low aspect ratio the time advantage has a stronger effect here. The migration of holes provides in contrast, due to the non-existent capacitor dielectric in the upper area only a small problem dar. It comes in particular Phosphorus as a dopant into consideration.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass im Falle von Grabenkondensatoren aufgrund der verminderten Migration der Löcher zu den Grabenwänden hin ein wesentliches größeres thermisches Budget für die Nachprozessierung zur Verfügung steht. Weil die Herstellung der elektrisch leitenden Grabenfüllung in einem relativ frühen Stadium der Herstellung eines Speicherbausteins durchgeführt wird, eröffnet sich somit für eine Vielzahl von Nachfolgeprozessen die Möglichkeit, auch bei höheren Temperaturen kritische Strukturbreiten herstellen zu können.One Another advantage of the invention is that in the case of trench capacitors due to the reduced migration of the holes to the trench walls an essential larger thermal Budget for the post-processing available stands. Because the production of the electrically conductive trench filling in a relatively early one Stage of manufacturing a memory chip is performed open thus for a variety of succession processes the possibility, even at higher temperatures to be able to produce critical structure widths.
Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert werden. Darin zeigen:The Invention will now be described with reference to an embodiment with the aid of a Drawing closer explained become. Show:
Ein
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung einer elektrisch leitenden Grabenfüllung ist
anhand einer Abfolge von Schritten in Querschnittsprofilen in den
Der
NOLA-Prozess dient zur Aufweitung des unteren Bereichs des Grabens
Wie
in
Nach
diesen Verfahrensschritten wird das Halbleitersubstrat nunmehr einem
(LP-)CVD-Reaktor zugeführt.
Wie in
Temperatur: 500–650°C
Druck: 0.5–600 Torr
entsprechend 66,661 Pa–79993,4
Pa
SiH4: 100–500 sccm
AsH4 bzw.
PH3: 30–300
sccm
H2: 0.5–20 slmAfter these process steps, the semiconductor substrate is now fed to a (LP) CVD reactor. As in
Temperature: 500-650 ° C
Pressure: 0.5-600 Torr corresponding to 66.661 Pa-79993.4 Pa
SiH 4 : 100-500 sccm
AsH 4 and PH3: 30-300 sccm
H 2 : 0.5-20 slm
Die angegebenen Prozessparameter beziehen sich sowohl auf Anlagen mit Batch-Verarbeitung, welche typischerweise in einem LPCVD (LowPressureCVD) Modus betrieben werden, als auch CVD- Verfahren in einer Einzelscheibenanlage, die bis in den subatmosphärischen Druckbereich arbeiten können.The specified process parameters are related to systems Batch processing, typically in a LPCVD (LowPressure CVD) Mode as well as CVD processes in a single-disk system, to the subatmospheric Pressure range can work.
Die
in dem ersten und zweiten Abscheideschritt aufgewachsene Schicht
Nach
Erreichen der genannten Schichtdicke der Schicht
Wie
in
Der
Grabenkondensator
Ein Anschluss des Grabenkondensators an einen Auswahltransistor wird ermöglicht durch weiteres konformes Abscheiden einer isolierenden Schicht zur Bildung eines Isolationskragens (Collar). Dieser kann alternierend mit einer weiteren elektrisch leitenden Grabenfüllung aus amorphem bzw. polykristallinem Silizium dotiert mit Phosphor und Arsen oder mit einer solchen dotiert entweder mit Phosphor oder Arsen aufgefüllt werden. Weitere Einzelheiten des Grabenanschlusses richten sich danach, ob ein planarer oder ein vertikaler Auswahltransistor angestrebt ist.Connection of the trench capacitor to a selection transistor is made possible by further conformally depositing an insulating layer to form an isolation collar. This can be alternately doped with another electrically conductive trench filling made of amorphous or polycrystalline silicon with phosphorus and arsenic or with one doped with either phosphorus or arsenic. Further details of the trench connection depend on whether a planar or a vertical selection transistor is desired.
Die Ausbildung der Auswahltransistoren und ihre Positionierung erfolgt wiederum gemäß dem Stand der Technik. Die Bildung des erfindungsgemäßen Grabenkondensators ist auf keine der speziellen Ausführungsformen von vertikalen oder planaren Auswahltransistoren beschränkt, sondern vielmehr allgemein anwendbar. Einen besonders vorteilhaften Effekt erzielt das erfindungsgemäße Verfahren angewandt auf Grabenkondensatoren mit Breiten von 70 nm oder weniger. Bei den hohen Aspektverhältnissen wurde herausgefunden, dass das digitale Dotierprofil des Arsens weitaus weniger homogenisiert wird und als Unsicherheitsfaktor immer stärker zu Buche schlägt. Da die Schichtdicken des Poly-Siliziums nicht beliebig klein gewählt werden können, kann es daher umso leichter dazu kommen, dass eine digitale "Stufe" für das Arsen möglicherweise nicht zur Anwendung kommt und der Dotiergrad daher erheblich unterschritten wird. Durch die Kombination mit Phosphor wird dies ausgeglichen.The Training the selection transistors and their positioning is done again according to the state of the technique. The formation of the trench capacitor according to the invention is to none of the specific embodiments but limited by vertical or planar selection transistors rather generally applicable. A particularly advantageous effect achieves the method according to the invention applied to trench capacitors with widths of 70 nm or less. At the high aspect ratios became found that the digital doping profile of arsenic far out is less homogenized and more and more as an uncertainty factor Beech beats. Since the layer thicknesses of the poly-silicon are not chosen arbitrarily small can, Therefore, it may be easier to create a digital "stage" for arsenic possibly is not used and therefore the degree of doping considerably undercut becomes. This is compensated by the combination with phosphorus.
Gleichzeitig wird die Migration von Löchern auf Grund des Zusatzes von Phosphor durch das Arsen wirkungsvoll verhindert, welches gerade im Fall der Oberflächenvergrößerung zum Beispiel durch NOLA oder HSG stärker zu Buche schlagen würde, denn die Löcher belegen bei gleicher Größe einen größeren Oberflächenanteil, insbesondere bei der HSG-Anwendung.simultaneously is the migration of holes on Reason of the addition of phosphorus by the arsenic effectively prevents which especially in the case of surface enlargement, for example by NOLA or HSG stronger would hit, because the holes occupy a larger surface area at the same size, especially with the HSG application.
Das
Problem der Void-Migration ist in den
- 1010
- HalbleitersubstratSemiconductor substrate
- 1212
- Siliziumnitridsilicon nitride
- 1414
- Oxidationsschichtoxidation layer
- 1616
- vergrabenes Dotiergebietburied doping
- 1818
- Grabendig
- 2020
- NOLA-SchichtNOLA layer
- 2222
- dielektrische Schicht, Al2O3 dielectric layer, Al 2 O 3
- 2424
- amorphe oder polykristalline Siliziumschichtamorphous or polycrystalline silicon layer
- 2626
- Oberflächesurface
- 2828
- Monolage(n) von ArsenMonolayer (n) from arsenic
- 30a, b30a, b
- Teilfüllungen des Grabens mit amorphem und Polykristalline Silizium, dotiert mit Phosphorpart fillings trenching with amorphous and polycrystalline silicon doped with phosphorus
- 3030
- elektrisch leitende Grabenfüllung, dotiert mit Phosphor und Arsenelectrical conductive trench filling, doped with phosphorus and arsenic
- 30'30 '
- elektrisch leitende Grabenfüllung, dotiert ausschließlich mit Phosphorelectrical conductive trench filling, endowed exclusively with phosphorus
- 3232
- Lochstruktur nach Abscheidung von amorphen- oder Polykristallinem-Siliziumhole structure after deposition of amorphous or polycrystalline silicon
- 3333
- Löcher, Voids, migriert an GrabeninnenwandHoles, voids, migrated to trench inner wall
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-
2005
- 2005-09-15 DE DE102005044142A patent/DE102005044142B3/en not_active Expired - Fee Related
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