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Dokumentenidentifikation DE102006019902A1 08.11.2007
Titel Verfahren zur Bestimmung eines Flächeninhalts einer Oberfläche eines Grabens sowie Verwendung zur Herstellung eines Grabenkondensators
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Bloess, Harald, 01445 Radebeul, DE
Vertreter Epping Hermann Fischer, Patentanwaltsgesellschaft mbH, 80339 München
DE-Anmeldedatum 28.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006019902
Offenlegungstag 08.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.11.2007
IPC-Hauptklasse H01L 21/66(2006.01)A, F, I, 20060428, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 21/762(2006.01)A, L, I, 20060428, B, H, DE   H01L 21/8242(2006.01)A, L, I, 20060428, B, H, DE   G01B 7/32(2006.01)A, L, I, 20060428, B, H, DE   
Zusammenfassung Ein Verfahren zur Bestimmung eines Flächeninhalts einer Oberfläche einer Wandung (31, 31) eines einer Vielzahl von in einem Substrat (2) ausgebildeten Gräben (3), umfasst ein Benetzen der Oberfläche der Wandung mit einer wässrigen leitfähigen Flüssigkeit (6), ein Anschließen einer ersten Elektrode (7) an das Substrat (2), ein Einbringen einer zweiten Elektrode (8) und Einbringen einer dritten Elektrode (9) in die wässrige leitfähige Flüssigkeit (6), wobei die dritte Elektrode (9) einen hohen Innenwiderstand aufweist. Ein Anlegen einer Spannung (Ua) zwischen der ersten Elektrode (7) und der zweiten Elektrode (8), dabei gleichzeitig Messen einer zwischen der ersten Elektrode (7) und der dritten Elektrode (9) anliegenden Spannung (Um) und Messen eines Stroms (I) zwischen der ersten Elektrode (7) und der zweiten Elektrode (8).

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Flächeninhalts einer Oberfläche einer Wandung eines in einem leitfähigen Substrat ausgebildeten Grabens sowie eine Verwendung des Verfahrens bei einem Verfahren zur Herstellung eines Grabenkondensators. Die Wandung des Grabens kann Abschnitte des leitfähigen Substrats oder eine in dem Graben ausgebildete leitfähige Schicht umfassen. Die Erfindung betrifft insbesondere dynamische Direktzugriffsspeicher mit dem Grabenkondensator oder einem Stapelkondensator.

Eine Speicherzelle eines dynamischen Direktzugriffsspeichers (Dynamic Random Access Memory, DRAM) umfasst typischerweise einen Auswahltransistor, beispielsweise einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), und einen Kondensator. In dem Kondensator ist eine Information in Form von elektrischer Ladung gespeichert, die einen logischen Wert, 0 oder 1, repräsentiert. Der Kondensator umfasst eine erste Kondensatorplatte, eine zweite Kondensatorplatte und eine zwischen den beiden Kondensatorplatten angeordnete Dielektrikumsschicht. Eine Kondensatorplatte des Kondensators ist an ein Source/Drain-Gebiet des MOSFET gekoppelt. Durch eine Ansteuerung eines Gates des MOSFET mittels einer Wortleitung kann der Kondensator geladen bzw. entladen und der Ladungszustand des Kondensators über eine Bitleitung ausgelesen werden.

Zur Unterscheidung der logischen Wert 0 und 1 muss der Kondensator eine Mindestkapazität aufweisen, um trotz parasitärer Kapazitäten und Leckströme eine ausreichende elektrische Ladung zu erhalten, bevor er aufgefrischt wird.

Die Kapazität des Kondensators ist im Wesentlichen durch die Dielektrizitätskonstante der Dielektrikumsschicht, den Abstand der beiden Kondensatorplatten und durch den Flächeninhalt der Oberfläche der Kondensatorplatten bestimmt.

Da bei der Herstellung von Speicherzellen eine erhöhte Packungsdichte der Speicherzellen, d.h. zunehmender Anzahl von Speicherzellen pro Fläche auf einem Substrat, angestrebt wird, müssen die lateralen Abmessungen der Speicherzelle bei gleich bleibender Kapazität reduziert werden.

Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Packungsdichte der Speicherzellen besteht in der Ausbildung des Kondensators als Grabenkondensator, bei dem Seitenwände und ein Boden eines Grabens oder eine daran angeordnete leitfähige Schicht als erste Kondensatorplatte oder untere Elektrode des Grabenkondensators dient. Ein typisches Material für die untere Elektrode eines Grabenkondensators ist dotiertes Silizium. An der unteren Elektrode ist eine Dielektrikumsschicht angeordnet, die bevorzugt eine hohe Dielektrizitätskonstate aufweist, um eine hohe Kapazität des Grabenkondensators zu erhalten. Ein leitfähiges Material, beispielsweise dotiertes Polysilizium, füllt den Graben und bildet die zweite Kondensatorplatte oder obere Elektrode des Grabenkondensators.

Mit zunehmender Packungsdichte der Speicherzellen wird ein Aspektverhältnis, d. h. das Verhältnis der Tiefe zu der Breite des Grabens, immer mehr erhöht, um den Anforderungen bezüglich der Mindestkapazität zu genügen. Heutige Grabenkondensatoren weisen beispielsweise ein Aspektverhältnis von 80 bis 120 auf.

Zur weiteren Erhöhung der Kapazität eines Grabenkondensators können bei gleichem Aspektverhältnis die Flächeninhalte der Oberflächen der Elektroden des Grabenkondensators erhöht werden. Dies kann beispielsweise durch Ausbildung der unteren Elektrode als eine Siliziumschicht mit einer rauen Oberfläche, die Erhebungen und Vertiefungen aufweist, erzielt werden. Die Siliziumschicht mit einer rauen Oberfläche kann beispielsweise durch Ausbilden einer dotierten Siliziumschicht auf dem Boden und auf Seitenwänden des Grabens und anschließendem Durchführen eines thermischen Prozesses bei einer hohen Temperatur unter Verwendung eines geeigneten Prozessgases gebildet werden.

Zur Verringerung der Kosten für den Herstellungsprozess eines DRAM ist es vorteilhaft, bei der Herstellung eines Grabenkondensators mit einem hohen Aspektverhältnis bereits unmittelbar nach der Ausbildung der unteren Elektrode zu überprüfen, ob die untere Elektrode die Anforderungen bezüglich des Flächeninhalts der Oberfläche erfüllt um die erforderliche Kapazität zu erzielen. Stellt sich beispielsweise bei der Überprüfung heraus, dass die untere Elektrode die Anforderungen bezüglich des Flächeninhalts der Oberfläche nicht erfüllt, so kann die ausgebildete untere Elektrode entfernt, und der Ausbildungsprozess der unteren Elektrode wiederholt werden.

Eine Möglichkeit zur Bestimmung des Flächeninhalts der unteren Elektrode basiert auf einer Adsorptionsmethode. Bei der Adsorptionsmethode wird ein mit Gräben versehenes Substrat, in denen jeweilige untere Elektroden jeweiliger Grabenkondensatoren ausgebildet sind, einer Fremdgasatmosphäre ausgesetzt, wodurch das Fremdgas auf den unteren Elektroden adsorbiert wird. Dann wird das Substrat auf eine tiefe Temperatur, beispielsweise der Temperatur, bei der Stickstoff flüssig wird, abgekühlt. Aufgrund der tiefen Temperatur erfolgt eine Immobilisierung des Fremdgases. Anschließend wird das Substrat in eine Atmosphäre eines anderen Gases gebracht und erwärmt. Dadurch wird das Fremdgas freigesetzt. Mittels einer Messung der Konzentration des Fremdgases in der Atmosphäre des anderen Gases kann auf den Flächeninhalt der unteren Elektrode rückgeschlossen werden. Diese Methode ist jedoch infolge des Abkühlens des Substrats zum einen sehr zeitaufwändig und zum anderen wird das Substrat einem sehr großen thermischen Stress ausgesetzt.

Es besteht daher die Anforderung, ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung eines Flächeninhalts einer Oberfläche einer Wandung mindestens eines in einem leitfähigen Substrat ausgebildeten Grabens anzugeben.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht ein Verfahren zur Bestimmung eines Flächeninhalts einer Oberfläche einer Wandung mindestens eines einer Vielzahl von in einem leitfähigen Substrat ausgebildeten Gräben vor.

Das Verfahren umfasst ein Benetzen der Oberfläche der Wandung mit einer wässrigen leitfähigen Flüssigkeit, ein Anschließen einer ersten Elektrode an das Substrat, ein Einbringen einer zweiten Elektrode und ein Einbringen einer dritten Elektrode in die wässrige leitfähige Flüssigkeit, wobei die dritte Elektrode einen hohen Innenwiderstand aufweist.

Dann wird eine Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angelegt, gleichzeitig wird eine zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode anliegende Spannung und ein Stromfluss zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode gemessen.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung sieht eine Verwendung des Verfahrens zur Bestimmung eines Flächeninhalts einer Oberfläche einer Wandung mindestens eines einer Vielzahl von in einem leitfähigen Substrat ausgebildeten Gräben vor. Die Verwendung des Verfahrens umfasst ein Ausbilden einer Vielzahl von Gräben in einem leitfähigen Substrat. Das Verfahren umfasst ferner ein erfindungsgemäßes Bestimmen eines Flächeninhalts einer Oberfläche einer Wandung mindestens eines der Vielzahl von in dem leitfähigen Schicht ausgebildeten Gräben, ein Ausbilden einer Dielektrikumsschicht auf der Wandung und ein Füllen der Gräben mit einem leitfähigen Material.

Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Zeichnungen näher erläutert werden. Darin zeigen:

1 eine Anordnung zur Bestimmung eines Flächeninhalts einer Oberfläche einer Wandung mindestens eines einer Vielzahl von in einem leitfähigen Substrat ausgebildeten Gräben,

2 schematisch eine vergrößerte Detailansicht eines unteren Abschnitts eines in 1 dargestellten Grabens,

3 ein Diagramm, in dem eine zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode aus 1 angelegte, sich zeitlich ändernde Spannung gegen eine Zeit aufgetragen ist,

4 ein Diagramm, in dem bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Messkurven aufgetragen sind,

5 ein Flussdiagramm, das eine Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Verfahren zur Herstellung eines Grabenkondensators illustriert, und

6 beispielhaft einen nach dem mit Bezug auf 5 beschriebenen Verfahren hergestellten Grabenkondensator.

Anhand von 1 wird nun ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Bestimmung eines Flächeninhalts einer Oberfläche einer Wandung mindestens eines in einem leitfähigen Substrat ausgebildeten Grabens erläutert.

Die Oberfläche der Wandung des Grabens umfasst beispielsweise Oberflächen bei einem Ausbilden eines Grabens in einem leitfähigen Substrat freigelegter Abschnitte, wie etwa Seitenwände und Boden des Grabens, des leitfähigen Substrats. Die Oberfläche der Wandung des Grabens kann aber auch eine Oberfläche einer leitfähigen Schicht, die nach dem Ausbilden des Grabens auf den freigelegten Abschnitten des Grabens ausgebildet wird, umfassen.

Erfindungsgemäß besteht die Wandung des Grabens aus einem leitfähigen Material. Das leitfähige Material der Wandung kann insbesondere bei der Herstellung eines Grabenkondensators ausgebildet werden und nach Fertigstellung des Grabenkondensators als untere Elektrode des Grabenkondensators dienen.

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf einer elektrochemischen Oxidation des leitfähigen Materials der Wandung. Die elektrochemische Oxidation des leitfähigen Materials der Wandung erfolgt bei Kontakt des leitfähigen Materials der Wandung mit einer wässrigen leitfähigen Flüssigkeit und gleichzeitigem Anlegen einer Spannung zwischen dem leitfähigen Substrat und der wässrigen leitfähigen Flüssigkeit.

In 1 ist schematisch eine Querschnittsansicht eines leitfähigen Substrats 2 dargestellt. Das leitfähige Substrat 2 weist eine erste Hauptfläche 4 und eine zweite Hauptfläche 5 auf. In dem leitfähigen Substrat 2 ist eine Vielzahl von Gräben 3 ausgebildet, die sich ausgehend von der ersten Hauptfläche 4 des Substrats 2 in das Substrat 2 erstrecken. Das leitfähige Substrat 2 umfasst bevorzugt ein Siliziumsubstrat, kann jedoch auch ein anderes geeignetes leitfähiges Substrat umfassen. Jeder der Vielzahl von Gräben 3 weist eine Seitenwand 31 und einen Boden 32 auf. Bei einer Ausführungsform der Erfindung bilden Seitenwände 31 und Böden 32 jeweiliger Gräben 3 zusammen jeweilige Wandungen 31, 32 der Gräben 3. Oberflächen 41 der Seitenwände 31 und Oberflächen 42 der Böden 32 jeweiliger Gräben 3 bilden zusammen die Oberfläche 41, 42 der Wandungen 31, 31.

Die Gräben 3 werden typischerweise mittels Photolithographie und anschließendem Ätzen des Substrats 2 erzeugt. Dabei wird eine Hartmaske auf der ersten Hauptfläche 4 des leitfähigen Substrats 2 und eine Photolackschicht auf der Hartmaske ausgebildet. Dann werden mittels Photolithographie und anschließendem Entwickeln des Photolacks Bereiche der Hartmaske freigelegt. Die Hartmaske wird dann selektiv gegenüber dem Photolack geätzt, wodurch entsprechende Bereiche der ersten Hauptfläche 4 des leitfähigen Substrats 2 freigelegt werden. Der Photolack wird dann entfernt, und das leitfähige Substrat 2 selektiv gegenüber der Hartmaske geätzt, um die Gräben 3 mit jeweiligen Seitenwänden 31 und Böden 32 zu erzeugen. Anschließend wird die Hartmaske entfernt.

Die Gräben 3 weisen eine in lateraler Richtung X gemessene Breite B auf. Die Gräben 3 können einen unteren Abschnitt und einen oberen Abschnitt aufweisen (nicht gezeigt in 1), wobei die in lateraler Richtung X gemessene Breite B des unteren Abschnitts des Grabens größer ist als die in lateraler Richtung X gemessene Breite B des oberen Abschnitts.

Die Gräben 3 weisen des Weiteren eine Tiefe T auf, die durch den Abstand der ersten Hauptfläche 4 des leitfähigen Substrats 2 von dem Boden 32 der Gräben bestimmt ist und entlang der in der 1 dargestellten Richtung Y gemessen wird.

Ein Aspektverhältnis der Gräben 3 ist durch das Verhältnis der Tiefe T zu der Breite B bestimmt. Gemäß der vorliegenden Erfindung weisen die Gräben 3 ein hohes Aspektverhältnis auf. Das Aspektverhältnis kann insbesondere 80, 100 oder 120 betragen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist auf den Seitenwänden 31 und auf dem Boden 32 mindestens eines der Gräben 3 eine leitfähige Schicht 1 mit einer Oberfläche 21 angeordnet, wobei die leitfähige Schicht 1 als untere Elektrode eines Grabenkondensators dienen kann. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung bildet die leitfähige Schicht 1 die Wandung 1des Grabens 3 und die Oberfläche 21 der leitfähigen Schicht 1 bildet die Oberfläche 21 der Wandung 1 des Grabens.

Die leitfähige Schicht 1 kann eine Siliziumschicht umfassen, die Dotierstoffe wie etwa Arsen zur Erhöhung der Leitfähigkeit aufweisen kann. Die leitfähige Schicht 1 kann jedoch auch andere leitfähige Schichten umfassen, die in Kontakt mit einer wässrigen leitfähigen Flüssigkeit oxidiert werden. Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann die leitfähige Schicht 1 eine Titannitridschicht umfassen.

Zur Vergrößerung eines Flächeninhalts der Oberfläche 21 der leitfähigen Schicht 1 kann die leitfähige Schicht 1 eine raue Oberfläche aufweisen. Die leitfähige Schicht 1 kann insbesondere Erhebungen und Vertiefungen aufweisen. Der Flächeninhalt einer Oberfläche einer mit Erhebungen und Vertiefungen versehenen leitfähigen Schicht 1 ist größer als der einer Oberfläche einer glatten leitfähigen Schicht 1, die in einem Graben mit demselben Aspektverhältnis ausgebildet ist.

Bei einer Ausführungsform, bei der die leitfähige Schicht 1 eine Siliziumschicht umfasst, kann die Ausbildung der leitfähigen Schicht 1 ein Abscheiden einer Siliziumschicht und anschließendes Dotieren der Siliziumschicht mit Dotierstoffen, wie etwa Arsen umfassen. Zur Vergrößerung des Flächeninhalts der Oberfläche der Siliziumschicht kann die Siliziumschicht einem thermischen Prozess bei hoher Temperatur und niedrigem Druck unterzogen werden, wodurch Erhebungen der Siliziumschicht ausgebildet werden. Es können aber auch andere Verfahren zur Ausbildung der leitfähigen Schicht 1 mit Erhebungen und Vertiefungen verwendet werden.

Bei der Herstellung eines Grabenkondensators ist es vorteilhaft, bereits unmittelbar nach Ausbildung der unteren Elektrode den Flächeninhalt der Oberfläche der unteren Elektrode mittels eines nicht-destruktiven und schnellen Verfahrens zu bestimmen, um zu gewährleisten, dass die ausgebildete untere Elektrode gewissen Anforderungen bezüglich des Flächeninhalts ihrer Oberfläche erfüllt. Der Flächeninhalt der Oberfläche der unteren Elektrode bestimmt im Wesentlichen die Kapazität des im weiteren Prozessverlauf ausgebildeten Grabenkondensators und beeinflusst daher dessen Funktionalität.

Gemäß der vorliegenden Erfindung basiert die Bestimmung des Flächeninhalts der Oberfläche 21 , 41, 41 der Wandung 1, 31, 32 mindestens eines der Gräben 3 auf einer elektrochemischen Oxidation des leitfähigen Materials der Wandung 1, 31, 32 des Grabens 3. Dabei wird die Wandung 1, 31, 32 mit einer wässrigen leitfähigen Flüssigkeit 6 benetzt und eine Spannung zwischen der wässrigen leitfähigen Flüssigkeit 6 und dem leitfähigen Material der Wandung 1, 31, 32 angelegt. Das leitfähige Material der Wandung 1, 31, 32 reagiert mit dem Wasser der wässrigen leitfähigen Flüssigkeit 6 und es bildet sich eine passivierende Oxidschicht auf der Wandung 1, 31, 32. Infolge der Ausbildung der Oxidschicht steigt der Widerstand zwischen dem leitfähigen Material der Wandung 1, 31, 32 und der wässrigen leitfähigen Flüssigkeit 6.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Bestimmung des Flächeninhalts der Oberfläche 21, 41, 42 der Wandung 1, 31, 32 wird die Oberfläche 21, 41, 42 der Wandung 1, 31, 32 mit einer wässrigen leitfähigen Flüssigkeit 6 benetzt, beispielsweise durch Füllen der Gräben 3 mit der wässrigen leitfähigen Flüssigkeit 6.

Dazu kann auf der ersten Hauptfläche 4 des Substrats 2 ein Behälter 10 angeordnet werden. Der Behälter 10 kann über ein Ventil 16 an eine Kapillare 14 gekoppelt sein. Die Kapillare 14 wird auf einen zu analysierenden Bereich der ersten Hauptfläche 4 des Substrats 2 aufgesetzt. Die Kapillare 14 kann eine Dichtung 15 aufweisen, mittels derer der zu analysierende Bereich des Substrats 2 begrenzt wird.

Die Kapillare 14 kann beispielsweise über einer Öffnung eines Grabens 3 oder über Öffnungen mehrerer der Gräben 3 angeordnet werden. Der Behälter 10 ist mit einer wässrigen leitfähigen Flüssigkeit 6 gefüllt. Die wässrige leitfähige Flüssigkeit 6 kann beispielsweise ein Elektrolyt umfassen um einen Innenwiderstand der wässrigen leitfähigen Flüssigkeit 6 zu reduzieren.

Zur Verminderung einer Oberflächenspannung der leitfähigen Flüssigkeit 6 kann die leitfähige Flüssigkeit 6 einen Alkohol, wie etwa Ethanol, umfassen. Eine niedrige Oberflächenspannung der wässrigen leitfähigen Flüssigkeit 6 ist vorteilhaft, um eine vollständige Benetzung der Wandung 1, 31, 32 der Gräben 3 zu erzielen.

Die Bestimmung des Flächeninhalts der Oberfläche 21, 41, 42 der Wandung 1, 31, 32 wird mit einer in der Technik bekannten Dreielektrodenmethode durchgeführt. Eine erste Elektrode 7 wird an das Substrat 2 angeschlossen. Mit Bezug auf 1 wird die erste Elektrode 7 an der zweiten Hauptfläche 5 des Substrats 2 angeschlossen. Die erste Elektrode 7 kann aber auch an anderen Stellen an das Substrat 2 angeschlossen werden.

Eine zweite Elektrode 8 und eine dritte Elektrode 9 werden in Kontakt mit der wässrigen leitfähigen Flüssigkeit 6 gebracht, wobei die dritte Elektrode 9 bevorzugt einen hohen Innenwiderstand aufweist. Die erste Elektrode 7 und die zweite Elektrode 8 werden jeweils an Anschlüsse einer Spannungsquelle 11 gekoppelt. Außerdem wird ein Strommessgerät 12 in Reihe mit der Spannungsquelle 11 zwischen die erste Elektrode 7 und die zweite Elektrode 8 gekoppelt.

Zur Messung einer zwischen der ersten Elektrode 7 und der dritten Elektrode 9 anliegenden Spannung werden die erste Elektrode 7 und die dritte Elektrode 9 an Anschlüsse eines Spannungsmessgeräts 13 gekoppelt.

Nun wird eine festgelegte Anzahl von Gräben 3 mit der wässrigen leitfähigen Flüssigkeit 6 durch Öffnen des Ventils 16 gefüllt, wobei die festgelegte Anzahl durch die lateralen Abmessungen der Kapillare 14 und die spezifische Anordnung der Kapillare 14 auf dem leitfähigen Substrat 2 bestimmt ist. Die festgelegte Anzahl von Gräben 3 kann einen der Gräben 3 oder mehrere der Vielzahl von Gräben 3 umfassen.

Sofern die Oberfläche 21, 41, 42 des leitfähigen Materials der Wandung 1, 31, 32 nicht bereits aufgrund eines Kontakts mit der Umgebungsluft eine dünne Oxidschicht (natürliches Oxid) aufweist, reagiert das leitfähige Material der Wandung 1, 31, 32 mit dem Wasser der wässrigen leitfähigen Flüssigkeit 6. Diese Reaktion ist jedoch selbst limitierend, d. h. die Reaktion stoppt nachdem sich eine dünne Oxidschicht von etwa 1 nm ausgebildet hat. Die Oxidschicht wirkt als Barriere für das Wasser der wässrigen leitfähigen Flüssigkeit 6 und verhindert, dass Wasser in Kontakt mit der unter der Oxidschicht befindlichen Wandung 1, 31, 32 kommt. Dadurch wird eine weitere Oxidation der Wandung 1, 31, 32 unterbunden.

Mittels der Spannungsquelle 11 wird dann eine Spannung zwischen der ersten Elektrode 7 und der zweiten Elektrode 8 angelegt. Aufgrund der angelegten Spannung können in der wässrigen leitfähigen Flüssigkeit 6 befindliche Sauerstoffionen durch die ausgebildete dünne Oxidschicht zu dem leitfähigen Material der Wandung 1, 31, 32 gelangen. Dies hat zur Folge, dass das leitfähige Material der Wandung 1, 31, 32 weiter oxidiert wird, wodurch eine Zunahme der Schichtdicke der Oxidschicht erfolgt.

Bei der Reaktion des leitfähigen Materials der Wandung 1, 31, 32 mit den Sauerstoffionen der wässrigen leitfähigen Flüssigkeit 6 werden Elektronen freigesetzt, die aufgrund der zwischen der ersten Elektrode 7 und der zweiten Elektrode 8 angelegten Spannung in der wässrigen leitfähigen Flüssigkeit 6 zu der zweiten Elektrode 8 gelangen. Dort reagieren die Elektronen mit Wasser unter Bildung von Wasserstoff, der entweicht.

Somit erfolgt ein Stromfluss zwischen der ersten Elektrode 7 und der zweiten Elektrode 8, der mittels des Strommessgeräts 12 gemessen wird. Aufgrund des Stromflusses zwischen der ersten Elektrode 7 und der zweiten Elektrode 8 kann die zwischen der ersten Elektrode 7 und der zweiten Elektrode 8 anliegende Spannung nicht gemessen werden. Daher wird der Spannungsabfall zwischen der dritten Elektrode 9, die in die wässrige leitfähige Flüssigkeit 6 eingebracht ist, und der ersten Elektrode 7 mittels des Spannungsmessgeräts 13 gemessen.

Bei Anlegen einer konstanten niedrigen Spannung zwischen der ersten Elektrode 7 und der zweiten Elektrode 8 bildet sich an der Wandung 1, 31, 32 nach kurzer Zeit eine Oxidschicht mit einer Dicke, die ein Vordringen der in der wässrigen leitfähigen Flüssigkeit 6 befindlichen Sauerstoffionen zu dem leitfähigen Material der Wandung 1, 31, 32 unterbindet. Damit wird eine weitere Oxidation dem unter der Oxidschicht befindlichen leitfähigen Material der Wandung 1, 31, 32 verhindert, so dass der Stromfluss zwischen der ersten Elektrode 7 und der zweiten Elektrode 8 zum Erliegen kommt.

Daher wird für einen festgelegten Zeitraum eine sich zeitlich ändernde Spannung zwischen der ersten Elektrode 7 und der zweiten Elektrode 8 angelegt. Die zeitliche Änderung der zwischen der ersten Elektrode 7 und der zweiten Elektrode 8 angelegten Spannung kann dabei bevorzugt so ausgelegt werden, dass während des festgelegten Zeitraums ein messbarer Strom zwischen der ersten Elektrode 7 und der zweiten Elektrode 8 fließt. Das Verhalten des zwischen der ersten Elektrode 7 und der zweiten Elektrode 8 gemessenen Stroms gegenüber der zwischen der ersten Elektrode 7 und der dritten Elektrode 9 gemessenen Spannung ist charakteristisch für den Flächeninhalt der Oberfläche 21, 41, 42 der Wandung 1, 31, 32 und der zwischen der ersten Elektrode 7 und der zweiten Elektrode 8 angelegten sich zeitlich ändernden Spannung.

Anhand einer Referenzmessung an einer leitfähigen Schicht, von deren Oberfläche der Flächeninhalt bekannt ist, und die dieselben physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise Schichtzusammensetzung, etc. wie das zu untersuchende leitfähige Material der Wandung 1, 31, 32 aufweist, kann man den Flächeninhalt der Oberfläche 21, 41, 42 der Wandung bzw. der Wandungen 1, 31, 32 der in dem leitfähigen Substrat 2 ausgebildeten Gräben 3 bestimmen.

Werden Wandungen 1, 31, 32 mehrerer der Gräben 3 bei der Messung benetzt, so kann auf einen durchschnittlichen Flächeninhalt der einzelnen Wandungen der in dem leitfähigen Substrat 2 ausgebildeten Gräben 3 rückgeschlossen werden, indem der anhand der Referenzmessung bestimmte Flächeninhalt durch die Anzahl der Gräben geteilt wird, die mit der wässrigen leitfähigen Flüssigkeit 6 benetzt wurden.

Nach Beendigung der Bestimmung des Flächeninhalts der Oberfläche 21, 41, 42 der Wandung 1, 31, 32 wird die wässrige leitfähige Flüssigkeit 6 aus den Gräben 3 entfernt. Die ausgebildete Oxidschicht kann mittels Flusssäure entfernt werden. Anschließend kann zur Herstellung eines Grabenkondensators eine Dielektrikumsschicht auf den Wandungen 1, 31, 32 ausgebildet werden, und die Gräben mit einem leitfähigen Material, wie etwa dotiertes Polysilizium gefüllt werden, wobei das leitfähige Material als obere Elektrode des Grabenkondensator dient.

Üblicherweise wird bei dem Verfahren zur Bestimmung des Flächeninhalts der Oberfläche 21, 41, 42 der Wandung 1, 31, 32 eine sich zeitlich linear ändernde Spannung zwischen der ersten Elektrode 7 und der zweiten Elektrode 8 angelegt.

2 zeigt schematisch eine vergrößerte Detailansicht eines unteren Abschnitts des in 1 dargestellten Grabens. Auf dem Boden 32 und den Seitenwänden 31 des Grabens 3 ist die leitfähige Schicht 1 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform weist die leitfähige Schicht 1 Erhebungen 51 auf, wodurch die Oberfläche der leitfähigen Schicht 1 im Vergleich zu einer glatten Schicht erhöht ist. Auf der Oberfläche 21 der leitfähigen Schicht 1 ist eine Oxidschicht 40 angeordnet, die sich, wie mit Bezug auf 1 beschrieben, bei der Bestimmung des Flächeninhalts der Oberfläche 21, 41, 42 der Wandung 1, 31, 32, die bei dieser Ausführungsform der Erfindung von der leitfähigen Schicht 1 gebildet wird, bildet. Bei einer Ausführungsform, bei der die leitfähige Schicht 1 eine Siliziumschicht ist, umfasst die Oxidschicht 40 eine Siliziumoxidschicht.

Mit Bezug auf 3 wird die sich zeitlich linear ändernde Spannung Ua zwischen der ersten Elektrode 7 (nicht gezeigt in 3) und der zweiten Elektrode 8 (nicht gezeigt in 3) ausgehend von einem ersten Spannungswert Ua0 beim Zeitpunkt T0 zeitlich linear bis zum Zeitpunkt T1 auf einen ersten Wert Ua1 erhöht und danach zeitlich linear bis zum Zeitpunkt T2 wieder auf den Ausgangswert Ua1 zurückgeführt, wobei der Betrag der zeitlichen Änderung der Spannung dUa/dt konstant ist.

Der erste Spannungswert Ua0 kann beispielsweise 0 Volt betragen und der zweite Spannungswert Ua1 kann beispielsweise 2 Volt betragen.

In 4 ist für mehrere Messungen M1 bis M5 an unterschiedlichen Proben die Abhängigkeit des zwischen der ersten Elektrode 7 (nicht gezeigt in 4) und der zweiten Elektrode 8 (nicht gezeigt in 4) fließenden Stroms I, normiert als Stromdichte J, gegen die zwischen der ersten Elektrode 7 und der dritten Elektrode 9 gemessenen Spannung Um aufgetragen, wobei die Spannung Ua zwischen der ersten Elektrode 7 (nicht gezeigt in 4) und der zweiten Elektrode 8 (nicht gezeigt in 4) entsprechend dem in 3 dargestellten zeitlichen Verlauf mit einer betragsmäßig zeitlich konstanten Änderung ausgehendem von dem ersten Spannungswert Ua0 bis zu jeweiligen zweiten Spannungswerten Ua1 erhöht und dann von dem jeweiligen zweiten Spannungswert Ua1 bis zum ersten Spannungswert Ua0 erniedrigt wurde.

Bei allen Messungen betrug der erste Spannungswert Ua0 0 Volt. Bei Messung M1 betrug der zweite Spannungswert Ua1 2 Volt, bei Messung M2 betrug der zweite Spannungswert Ua1 3 Volt, bei Messung M3 betrug der zweite Spannungswert Ua1 4 Volt, bei Messung M4 betrug der zweite Spannungswert Ua1 5 Volt und bei Messung M5 betrug der zweite Spannungswert Ua5 10 Volt.

In den dargestellten Messkurven geben jeweilige erste Abschnitte M1a bis M5a der Messkurven M1 bis M5 den Zeitraum an, in dem die Spannung Ua ausgehend von Ua0 auf Ua1 erhöht wurde. Jeweilige zweite Abschnitte M1b bis M5b der Messkurven M1 bis M5 geben den Zeitraum an, in dem die Spannung ausgehend von Ua1 auf Ua0 erniedrigt wurde.

Wie aus 4 ersichtlich ist, decken sich die Messkurven der unterschiedlichen Messungen M1 bis M5 für gleiche Abschnitte der gemessenen Spannung Um.

Ab einer Spannung Um von etwa 1 Volt bis zu einer Spannung Um von etwa 3 Volt, ist die gemessene Stromdichte J für jeweilige erste Abschnitte M1a bis M5a der Messkurven M1 bis M5 annähernd bei einem Wert von J1 konstant. Da in den Abschnitten M1a bis M5a der Messkurven M1 bis M5 die Spannung zwischen der ersten Elektrode 7 und der zweiten Elektrode 8 zeitlich linear erhöht wird, steigt somit in diesen Abschnitten M1a bis M5a der Messkurven M1 bis M5 der Widerstand zwischen der ersten Elektrode 7 und der zweiten Elektrode 8 während des Erhöhens der Spannung Ua an. Dies ist auf die Reaktion des leitfähigen Materials der Wandung 1, 31, 32 mit den Sauerstoffionen der wässrigen leitfähigen Flüssigkeit 6 zurückzuführen, bei der sich eine Oxidschicht mit zeitlich zunehmender Dicke an der Oberfläche 21, 41, 42 des leitfähigen Materials der Wandung 1, 31, 32 ausbildet.

Ab einer Spannung Um von etwa 3 Volt steigt die Stromdichte J mit steigender Spannung Um an. Dies ist auf eine Elektrolyse des Wassers der wässrigen leitfähigen Flüssigkeit 6 an der zweiten Elektrode 8 zurückzuführen, bei der weitere Elektronen freigesetzt werden, die zu dem Stromzufluss zwischen der ersten Elektrode 7 und der zweiten Elektrode 8 beitragen. Der Betrag J2 der Stromdichte J ist auf die Sauerstoffbildung zurückzuführen.

Da bei der Elektrolyse des Wassers gasförmiger Sauerstoff freigesetzt wird, wählt man für die Bestimmung des Flächeninhalts der Oberfläche 21, 41, 42 der Wandung 1, 31, 32 bevorzugt einen Bereich der Spannung Um, in dem die Sauerstoffentwicklung nicht auftritt, da sich der gasförmige Sauerstoff in den Gräben festsetzten kann und somit die Messung nachteilig beeinflusst.

Unter Bezugnahme auf 5 wird eine Verwendung des Verfahrens zur Bestimmung eines Flächeninhalts einer Oberfläche 21, 41, 42 einer Wandung 1, 31, 32 mindestens eines in einem leitfähigen Substrat ausgebildeten Grabens bei einem Verfahren zur Herstellung eines Grabenkondensators illustriert.

Mit Bezug auf Block 100 wird eine Vielzahl von Gräben in einem Substrat ausgebildet. Bei einer Ausführungsform der Erfindung können Wandungen 1, 31, 32 der in dem leitfähigen Substrat ausgebildeten Gräben von Abschnitten des leitfähigen Substrats ausgebildet sein. Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann dann mit Bezug auf Block 200 eine leitfähige Schicht auf Seitenwänden und auf den Böden der in dem leitfähigen Substrat ausgebildeten Gräben ausgebildet werden, wobei Wandungen der Gräben von der leitfähigen Schicht gebildet sind.

Mit Bezug auf Block 300 wird eine Oberfläche der Wandung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt. Nach der Bestimmung der Oberfläche der Wandung kann eine auf der Wandung ausgebildete Oxidschicht mittels Flusssäure entfernt werden.

Mit Bezug auf Block 400 wird auf der Wandung eine Dielektrikumsschicht ausgebildet. Das Ausbilden der Dielektrikumsschicht kann beispielsweise das Ausbilden einer Siliziumoxynitridschicht oder das Ausbilden einer Dielektrikumsschicht mit einer hohen Dielektrizitätskonstate umfassen. Die hohe Dielektrizitätskonstante kann beispielsweise einen Wert von 20 oder höher aufweisen.

Mit Bezug auf Block 500 werden die Gräben mit einem leitfähigen Material gefüllt, wobei das leitfähige Material beispielsweise Polysilizium umfassen kann. Das leitfähige Material kann Dotierstoffe, wie etwa Arsen zur Erhöhung der Leitfähigkeit des leitfähigen Materials aufweisen.

6 zeigt beispielhaft einen nach dem mit Bezug auf 5 beschriebenen Verfahren hergestellten Grabenkondensator 1000. Der Grabenkondensator 1000 umfasst einen in einem Substrat 2 ausgebildeten Graben 3. Auf Seitenwänden und einem Boden des Grabens 3 ist eine leitfähige Schicht 1 ausgebildet, die als untere Elektrode des Grabenkondensators dient.

Auf der leitfähigen Schicht 1 ist eine Dielektrikumsschicht 1001 ausgebildet. In dem Graben 3 ist ferner eine Füllung 1002 ausgebildet, die als obere Elektrode des Grabenkondensators 1000 dient.


Anspruch[de]
Verfahren zur Bestimmung eines Flächeninhalts einer Oberfläche (21, 41, 42) einer Wandung (1, 31, 32) mindestens eines einer Vielzahl von in einem leitfähigen Substrat (2) ausgebildeten Gräben (3), umfassend:

– Benetzen der Oberfläche (21, 41, 42) der Wandung (1, 31, 32) mit einer wässrigen leitfähigen Flüssigkeit (6);

– Anschließen einer ersten Elektrode (7) an das Substrat (2);

– Einbringen einer zweiten Elektrode (8) und Einbringen einer dritten Elektrode (9) in die wässrige leitfähige Flüssigkeit (6), wobei die dritte Elektrode (9) einen hohen Innenwiderstand aufweist;

– Anlegen einer Spannung (Ua) zwischen der ersten Elektrode (7) und der zweiten Elektrode (8), gleichzeitig Messen einer zwischen der ersten Elektrode (7) und der dritten Elektrode (9) anliegenden Spannung (Um) und Messen eines Stroms (I) zwischen der ersten Elektrode (7) und der zweiten Elektrode (8).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wandung (1, 31, 32) des mindestens einen der Vielzahl von Gräben (3) freigelegte Abschnitte (31, 32) des leitfähigen Substrats (2) umfasst. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die freigelegten Abschnitte des leitfähigen Substrats (2) mindestens eine Seitenwand (31) und einen Boden (32) des mindestens einen in dem leitfähigen Substrat (2) ausgebildeten Grabens (3) umfassen. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wandung (1, 31, 32) des mindestens einen der Vielzahl von Gräben (3) eine in dem einen der Vielzahl von Gräben (3) ausgebildete leitfähige Schicht (1) umfasst. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem Oberflächen von Wandungen (1, 31, 32) mehrerer der Vielzahl von in dem leitfähigen Substrat (2) ausgebildeten Gräben (3) mit der leitfähigen Flüssigkeit benetzt werden. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Wandungen (1, 31, 32) der mehreren der Vielzahl von in dem leitfähigen Substrat (2) ausgebildeten Gräben (3) jeweilige in den mehreren der Vielzahl von Gräben (3) ausgebildete leitfähige Schichten (1) umfassen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem eine sich zeitlich ändernde Spannung (Ua) zwischen der ersten Elektrode (7) und der zweiten Elektrode (8) angelegt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, des Weiteren umfassend ein Vergleichen der Abhängigkeit des gemessenen Stroms (I) von der zwischen der ersten Elektrode (7) und der dritten Elektrode (9) anliegenden Spannung (Um) mit Referenzwerten. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem

– sich die Vielzahl von Gräben (3) ausgehend von einer Hauptfläche (4) des Substrats (2) in das Substrat (2) erstrecken;

– das Benetzen der Oberfläche (21, 41, 42) der Wandung (1, 31, 32) oder der Wandungen (1, 31, 32) ein Aufsetzen einer Kapillare (14), die mit der wässrigen leitfähigen Flüssigkeit (6) gefüllt ist, auf einem Bereich der Hauptfläche (4) des Substrats (2) beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Kapillare (14) eine Dichtung (15) aufweist, wobei die Dichtung (15) bewirkt, dass lediglich die Oberfläche (21, 41, 42) der Wandung (1, 31, 32) oder der Wandungen (1, 31, 32) mit der wässrigen leitfähigen Flüssigkeit (6) benetzt wird. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die Kapillare (14) über ein Ventil (16) an einen Behälter (10) gekoppelt ist, der mit der wässrigen leitfähigen Flüssigkeit (6) gefüllt ist und das Benetzen der Oberfläche der Wandung (1, 31, 32) oder der Wandungen (1, 31, 32) ein Öffnen des Ventils (16) beinhaltet. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die wässrige leitfähige Flüssigkeit (6) ein Elektrolyt umfasst. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Elektrolyt Tetramethylammoniumhydroxid umfasst. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die wässrige leitfähige Flüssigkeit (6) Alkohol umfasst. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der Alkohol Ethanol umfasst. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem die Vielzahl von Gräben (3) eine Breite (B), die durch eine laterale Abmessung der Gräben (3) bestimmt ist, und eine Tiefe (T) aufweisen und bei dem ein Verhältnis der Tiefe (T) zu der Breite (B) größer als 80 ist. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem ein Verhältnis der Tiefe (T) zu der Breite (B) größer als 120 ist. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, bei dem die Tiefe (T) durch einen Abstand eines Bodens (32) eines Grabens (3) von der Hauptfläche (4) des Substrats (2) bestimmt ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 18, bei dem die leitfähige Schicht (1) eine Siliziumschicht umfasst. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 19, bei dem leitfähige Schicht (1) eine Titannitridschicht umfasst. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 20, bei dem die leitfähige Schicht (1) Erhebungen (51) aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei dem das Substrat (2) ein Siliziumsubstrat umfasst. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 22, bei dem die sich zeitlich ändernde Spannung sich zeitlich linear von einem ersten Wert bis zu einem zweiten Wert ändert und sich zeitlich linear von dem zweiten Wert bis zu dem ersten Wert ändert. Verfahren nach Anspruch 23, bei dem der erste Wert 0 Volt beträgt und der zweite Wert 2 Volt beträgt. Verwendung des Verfahrens zur Bestimmung eines Flächeninhalts einer Oberfläche (1, 31, 32) einer Wandung (1, 31, 32) mindestens eines einer Vielzahl von in einem leitfähigen Substrat ausgebildeten Gräben nach einem der Ansprüche 1 bis 24 bei einem Verfahren zur Herstellung mindestens eines Grabenkondensators, umfassend:

– Ausbilden einer Vielzahl von Gräben (3) in einem leitfähigen Substrat (2);

– Bestimmen eines Flächeninhalts einer Oberfläche (21, 41, 42) einer Wandung (1, 31, 32) mindestens eines der Vielzahl von in dem leitfähigen Substrat (2) ausgebildeten Gräben (3) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 24;

– Ausbilden einer Dielektrikumsschicht auf der Wandung (1, 31, 32);

– Füllen der Gräben (3) mit einem leitfähigen Material.
Verwendung des Verfahrens zur Bestimmung eines Flächeninhalts einer Oberfläche einer Wandung (1, 31, 32) mindestens eines einer Vielzahl von in einem leitfähigen Substrat ausgebildeten Gräben nach Anspruch 25, ferner umfassend:

– Ausbilden einer leitfähigen Schicht (1) in der Vielzahl von Gräben (3) vor dem Bestimmen des Flächeninhalts der Oberfläche der Wandung (1, 31, 32) des mindestens einen der Vielzahl von in dem leitfähigen Substrat (2) ausgebildeten Gräben (3).
Verwendung des Verfahrens zur Bestimmung eines Flächeninhalts einer Oberfläche einer Wandung (1, 31, 32) mindestens eines einer Vielzahl von in einem leitfähigen Substrat ausgebildeten Gräben nach Anspruch 25 oder 26, bei dem das Ausbilden der Dielektrikumsschicht ein Ausbilden einer Siliziumoxynitridschicht umfasst. Verwendung des Verfahrens zur Bestimmung eines Flächeninhalts einer Oberfläche einer Wandung (1, 31, 32) mindestens eines einer Vielzahl von in einem leitfähigen Substrat ausgebildeten Gräben nach einem der Ansprüche 25 bis 27, bei dem das Füllen der Gräben (3) mit einem leitfähigen Material ein Füllen der Gräben (3) mit Polysilizium umfasst. Verwendung des Verfahrens zur Bestimmung eines Flächeninhalts einer Oberfläche einer Wandung (1, 31, 32) mindestens eines einer Vielzahl von in einem leitfähigen Substrat ausgebildeten Gräben nach einem der Ansprüche 25 bis 28, bei dem das leitfähige Material Dotierstoffe umfasst. Verwendung des Verfahrens zur Bestimmung eines Flächeninhalts einer Oberfläche einer Wandung (1, 31, 32) mindestens eines einer Vielzahl von in einem leitfähigen Substrat ausgebildeten Gräben nach Anspruch 29, bei dem die Dotierstoffe Arsen umfassen.






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