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Dokumentenidentifikation DE102004006545B3 11.08.2005
Titel Verfahren zum Aufweiten eines Grabens in einer Halbleiterstruktur
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Kudelka, Stephan, 01458 Ottendorf-Okrilla, DE
Vertreter PAe Reinhard, Skuhra, Weise & Partner GbR, 80801 München
DE-Anmeldedatum 10.02.2004
DE-Aktenzeichen 102004006545
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 11.08.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.08.2005
IPC-Hauptklasse H01L 21/308
IPC-Nebenklasse H01L 21/76   H01L 21/8242   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Aufweiten eines Grabens in einer Halbleiterstruktur mit den Schritten: Bereitstellen des Grabens (50) in einem Halbleitersubstrat (100); Vorsehen von Wasserstoff-terminierten Siliziumoberflächen (150) im Graben (50); anisotropes Nassätzen der Siliziumoberflächen (150) im Graben (50) mit einem alkalischen Ätzmittel und Spülen des Grabens (50) mit einem protonenhaltigen Neutralisationsmittel zum Entfernen des alkalischen Ätzmittels. Zwischen dem Schritt des Nassätzens und dem Schritt des Spülens wird eine anodische Passivierung der geätzten Siliziumoberflächen (150) im Graben (50) durchgeführt, bei der eine Ätzstoppschicht (160) auf den geätzten Siliziumoberflächen (150) im Graben (50) gebildet wird.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufweiten eines Grabens in einer Halbleiterstruktur.

Aus der US 6,677,218 B2 ist ein Verfahren zum Aufweiten eines Grabens bekannt, bei dem eine elektrolytische Behandlung eingesetzt wird. Zur Herstellung eines Isolationskragens erfolgt eine anodische Passivierung.

Aus der US 6,559,069 B2 ist ebenfalls ein Verfahren zum eines Grabens bekannt, bei dem eine elektrolytische Behandlung eingesetzt wird, wobei eine Porenäzung innerhalb des Grabens unter Bildung von Oxid in den Poren durchgeführt wird.

Obwohl auf beliebige Halbleiterstrukturen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von Gräben für Speicherkondensatoren in Halbleiterspeichervorrichtungen erläutert.

Moderne Halbleiterspeichervorrichtungen weisen Grabenkondensatoren auf, damit die einzelnen Speicherzellen, welche aus dem Grabenkondensator und einem zugehörigen Auswahltransistor bestehen, einen möglichst geringen Platzbedarf haben.

Da die Kapazität eines Grabenkondensators direkt proportional zu seiner Oberfläche ist, werden die Gräben der Grabenkondensatoren im unteren Bereich üblicherweise durch einen Ätzprozeß aufgeweitet, was eine gewünschte Oberflächenvergrößerung zur Folge hat.

2-4 zeigen Prozessschritte eines aus der US 2001/0016398 A1 bekannten Verfahrens zum Aufweiten eines Grabens in einer Halbleiterstruktur.

In 2 bezeichnet Bezugszeichen 100 ein Silizium-Halbleitersubstrat mit einem darin vorgesehenen Graben 50. Auf der Oberfläche des Silizium-Halbleitersubstrats 100 befindet sich ein Pad-Stapel 110, bestehend aus einer unteren Pad-Oxid-Schicht 111 und einer oberen Pad-Nitrid-Schicht 112, welche als Maske zur Bildung des Grabens 50 verwendet worden sind. Im oberen Grabenbereich 154 vorgesehen ist ein Isolationskragen 120 aus Siliziumoxid, z.B. TEOS-Oxid.

Die in 2 gezeigte Halbleiterstruktur mit dem Graben 50 wird zunächst mit HF behandelt, um natürliches Oxid von den im Graben 50 freiliegenden Silizium-Oberflächen 150 zu entfernen und diese Silizium-Oberflächen 150 mit Wasserstoff zu terminieren, der auf den Silizium-Oberflächen 150 zurückbleibt.

Die HF-Behandlung wird vorzugsweise 60 bis 180 Sekunden lang in einer Lösung Wasser/HF mit einem Volumenverhältnis 200:1 durchgeführt.

In einem darauffolgenden Prozeßschritt, der in 3 illustriert ist, erfolgt zunächst eine Spülung mit H2O und daraufhin ein anisotropes Naßätzen mit alkalischer NH4OH-Lösung, beispielsweise in einer wäßrigen Lösung mit einer Verdünnung von 100:1.

Dabei wird der Graben 50 im unteren Bereich 155, der unterhalb des Isolationskragens 120 liegt, aufgeweitet. Nicht dargestellt in der schematischen Zeichnung von 3 ist die Tatsache, daß die Aufweitung abhängig von der Kristall-Orientierung des Silizium-Halbleitersubstrats 100 anisotrop hinsichtlich bestimmter Kristallebenen erfolgt.

Weiter mit Bezug auf 4 wird nach Erzielen einer gewünschten Aufweitung das NH4OH aus dem Graben 50 durch eine Spülung mit H2O entfernt.

Bei der H2O-Spülung ergeben sich jedoch insofern Probleme, als daß gelöstes SiO2 als Kieselgel durch die negative pH-Verschiebung der Wasserspülung ausfällt und Komplexe bildet, die wesentlich langsamer ausdiffundieren können, als Protonen der Wasserspülung eindiffundieren können. Mit anderen Worten behindern diese ausgefällten Komplexe ein rasches Spülen des Grabens 50, was dazu führt, daß die Ätzung im unteren Grabenbereich, wo nur langsam neue Protonen zugeführt werden können, unkontrolliert voranschreitet, bis die Komplexe ausdiffundiert sind.

Nachstehend werden die Mechanismen der NH4OH-Ätzung und der anschliessenden Wasserspülung durch die entsprechenden chemischen Formeln wiedergegeben.

  • a) NH4OH-Ätzung des Siliziums 4 OH + Si → SiO2(OH)22– aq. + 2 H+ + 4e (alkalisch stabilisiertes SiO2) 4 e- + 4 H2O → 4 OH- + 2H2
  • b) Wasserspülung: negative pH-Verschiebung → Protonierung von Kieselgel → Destabilisierung SiO2(OH)22– + 2 H+ → Si(OH)4 → Si(OH)3 – O – Si (OH)3 + H2O (Kondensierung)

Ein typischer Wert des Diffusionskoeffizienten für die Protonen ist 12 × 10–9 m2s–1 und des Diffusionskoeffizienten für SiOx 0,5 × 10–9 m2s–1.

Mögliche Lösungsansätze für dieses Problem könnten nachgeschaltete HF-Ätzungen vorsehen, die gelöstes SiO2 wieder in Lösung bringen. Der Nachteil besteht in dem Verbrauch von SiO2, also auch in einem Angriff auf den Isolationskragen 120. Durch eine Verdünnung der Ätzlösung, beispielsweise 400:1 anstelle von 100:1, wird die Ätzrate nicht signifikant heruntergesetzt. Bei tieferen Temperaturen sinkt zwar die Ätzrate, doch die Löslichkeit von SiO2 sinkt ebenfalls.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Aufweiten eines Grabens in einer Halbleiterstruktur zu schaffen, bei dem der Ätzvorgang besser kontrollierbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren zum Aufweiten eines Grabens in einer Halbleiterstruktur gelöst.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, dass zwischen dem Schritt des Nassätzens und dem Schritt des Spülens eine anodische Passivierung der geätzten Siliziumoberflächen im Graben durchgeführt wird. Dies hat den Vorteil, dass der Ätzvorgang beim Ausspülen des alkalischen Ätzmittels nicht unkontrolliert im unteren Grabenbereich fortschreiten kann.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, den Ätzprozeß zu stoppen, ohne den pH-Wert der Ätzchemie zu ändern. Das durch NH3 stabilisierte SiO2 kann durch verhältnismässig rasche Diffusion aus dem Graben entfernt werden. Erst danach erfolgt die Spülung mit H2O.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit eine Entkopplung des Ätzprozesses von der Konzentration der reaktiven Spezies durch Stoppen der Ätzung mittels eines anodischen Strompulses, der eine Oxid-Passivierung der Silizium-Oberflächen bewirkt.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aufweiten eines Grabens in einer Halbleiterstruktur.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das alkalische Ätzmittel NH4OH.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist Neutralistionsmittel H2O.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Ätzstoppschicht eine Siliziumoxidschicht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgt das Vorsehen von Wasserstoff-terminierten Siliziumoberflächen im Graben durch eine HF-Behandlung.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Graben ein Aspektverhältnis von mindestens 5:1 auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird der Graben im unteren Bereich aufgeweitet wird und im oberen Bereich durch einen Isolationskragen zum Schutz gegen die Aufweitung maskiert.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung gehört der Graben zu einem Grabenkondensator einer Halbleiterspeichervorrichtung.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Ätzstoppschicht nach Spülen des Grabens entfernt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die anodische Passivierung durch einen Strompuls gebildet, der wesentlich kürzer als die Ätzzeit ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es illustrieren:

1 einen Prozessschritt eines Verfahrens zum Aufweiten eines Grabens in einer Halbleiterstruktur bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

24 Prozessschritte eines bekannten Verfahrens zum Aufweiten eines Grabens in einer Halbleiterstruktur.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Bestandteile.

Die nachstehend geschilderte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beginnt mit den bereits oben beschriebenen Prozeßschritten gemäß 2 und 3.

Im Gegensatz zum oben eingehend erläuterten bekannten Prozeß wird beim erfindungsgemäßen Prozeß nach dem Aufweiten des Grabens 50 durch die alkalische NH4OH-Ätzung eine anodische Passivierung der freiliegenden Silizium-Oberflächen mittels einer SiO2-Schicht 160 vorgenommen. Danach können das alkalisch stabilisierte SiO2 durch Diffusion aus dem Graben 50 gelangen, bevor es zu einer negativen pH-Wertverschiebung durch das Spülen mit Wasser kommt.

Die anodische Passivierung wird beispielsweise dadurch erreicht, daß der betreffende Wafer in einem Einzel-Wafer-Reaktor behandelt wird und an ihn ein elektrisches Potential angelegt wird, das einerseits durch einen Rückseitenkontakt und andererseits durch eine in die Ätzlösung eingetauchte Inert-Elektrode anlegbar ist.

Typischerweise dauert der beschriebene erfindungsgemäße Ätzvorgang 3 bis 4 Minuten, wobei die Stoppzeit durch den anodischen Stromimplus nur wenige Sekunden beträgt.

Somit läßt sich eine gleichmäßige Silizium-Ätzfront im gesamten Graben 50 erzielen.

Die durch die anodische Passivierung vorgesehene Siliziumoxid-Schicht 160 auf den geätzten Oberflächen 150 kann später, falls erwünscht, in einem kurzen HF-Spülschritt nach der Wasserspülung entfernt werden.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.

Obwohl bei der oben beschriebenen Ausführungsform der untere Grabenbereich 155, der durch das erfindungsgemäße Verfahren aufgeweitet wird, die Substratdotierung aufweist, ist es selbstverständlich möglich, vor dem Verfahren zum Aufweiten eine Burried Plate im Substrat durch Eindiffundieren einer entsprechenden Dotierungsschicht vorzusehen.

Auch ist die Erfindung nicht nur auf eine NH4OH-Ätzung anwendbar, sondern auf jegliche alkalische Ätzung, bei der beim Spülen entsprechende Komplexe ausgefällt werden.

Schließlich müssen die aufzuweitenden Gräben keine Gräben für Grabenkondensatoren sein, sondern können prinzipiell beliebige Gräben in einer Halbleiterstruktur sein, welche mikroelektronischen oder mikromechanischen Zwecken dienen.

100Silizium-Halbleitersubstrat 50Graben 120Isolationskragen 110Padstapel 111Padoxid 112Padnitrid 154oberer Grabenbereich 155unterer Grabenbereich 160Ätzstoppschicht

Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Aufweiten eines Grabens in einer Halbleiterstruktur mit den Schritten:

    Bereitstellen des Grabens (50) in einem Halbleitersubstrat (100);

    Vorsehen von Wasserstoff-terminierten Siliziumoberflächen (150) im Graben (50);

    anisotropes Nassätzen der Siliziumoberflächen (150) im Graben (50) mit einem alkalischen Ätzmittel; und

    Spülen des Grabens (50) mit eine protonenhaltigen Neutralistionsmittel zum Entfernen des alkalischen Ätzmittels;

    dadurch gekennzeichnet, dass

    zwischen dem Schritt des Nassätzens und dem Schritt des Spülens eine anodische Passivierung der geätzten Siliziumoberflächen (150) im Graben (50) durchgeführt wird, bei der eine Ätzstoppschicht (160) auf den geätzten Siliziumoberflächen (150) im Graben (50) gebildet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das alkalische Ätzmittel NH4OH ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Neutralistionsmittel H2O ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzstoppschicht (160) eine Siliziumoxidschicht ist.
  5. Verfahren nach einem der vorherghenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsehen von Wasserstoff-terminierten Siliziumoberflächen (150) im Graben (50) durch eine HF-Behandlung erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Graben (50) ein Aspektverhältnis von mindestens 5:1 aufweist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Graben (50) im unteren Bereich (155) auf geweitet wird und im oberen Bereich (154) durch einen Isolationskragen (120) zum Schutz gegen die Aufweitung maskiert ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Graben (50) zu einem Grabenkondensator einer Halbleiterspeichervorrichtung gehört.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzstoppschicht (160) nach Spülen des Grabens (50) entfernt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Passivierung durch einen Strompuls gebildet wird, der wesentlich kürzer als die Ätzzeit ist.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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