DE10331528A1 - DRAM semiconductor memory cell and method for its production - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine DRAM-Halbleiterspeicherzelle sowie ein Verfahren zu deren Herstellung, wobei in einem Substrat (100) ein Grabenkondensator (160) mit einem Graben (ET), einem Kondensatordielektrikum (161) und einer Grabenfüllschicht (162) ausgebildet ist. An der Oberfläche der Grabenfüllschicht (162) befindet sich zur Realisierung eines Auswahltransistors (AT) ein Nanoelement (NE), an dessen Seitenwänden ein Gatedielektrikum (GD) ausgebildet ist. Im mittleren Bereich des Nanoelements (NE) befindet sich zum Ansteuern des Auswahltransistors (AT) eine Steuerschicht (G) auf dem Gatedielektrikum (GD), wobei ein oberer Bereich des Nanoelements (NE) über eine Anschlussschicht (S) elektrisch verbunden ist. Auf diese Weise erhält man eine flächenoptimierte und hochintegrationsfähige DRAM-Halbleiterspeicherzelle bei vereinfachtem Prozessablauf.The invention relates to a DRAM semiconductor memory cell and to a method for the production thereof, wherein a trench capacitor (160) with a trench (ET), a capacitor dielectric (161) and a trench fill layer (162) is formed in a substrate (100). For the realization of a selection transistor (AT), a nanoelement (NE), on whose side walls a gate dielectric (GD) is formed, is located on the surface of the trench filling layer (162). In the central region of the nanoelement (NE) is for controlling the selection transistor (AT) a control layer (G) on the gate dielectric (GD), wherein an upper portion of the nano-element (NE) via a connection layer (S) is electrically connected. In this way, one obtains a surface-optimized and highly integrated DRAM semiconductor memory cell with a simplified process flow.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine DRAM-Halbleiterspeicherzelle sowie ein Verfahren zu deren Herstellung und insbesondere auf eine flächenoptimierte DRAM-Halbleiterspeicherzelle mit Grabenkondensator sowie ein zugehöriges Herstellungsverfahren.The The present invention relates to a DRAM semiconductor memory cell and a process for their preparation and in particular to a surface-optimized DRAM semiconductor memory cell with trench capacitor and an associated manufacturing method.
DRAM-Halbleiterspeicherzellen werden insbesondere zur Realisierung von dynamischen Speichern bzw. sogenannten DRAMs (Dynamic Random Access Memory) verwendet.DRAM semiconductor memory cell be especially for the realization of dynamic storage or so-called DRAMs (Dynamic Random Access Memory).
Die
DRAM-Halbleiterspeicherzelle gemäß
Ein
Isolationskragen bzw. Collar C wird an einem oberen Abschnitt bzw.
oberen Bereich des Grabens ausgebildet. Der Isolationskragen C verhindert hierbei
einen Leckstrom durch einen vertikalen parasitären Transistor vom Kontakt-Diffusionsgebiet
BS zur vergrabenen Platte
Gemäß
Eine
Aktivierung des Auswahltransistors AT durch Anlegen einer geeigneten
Spannung an das Gate G ermöglicht
im Wesentlichen einen Zugriff auf den Grabenkondensator
Ferner
wird zur Isolierung einer jeweiligen Halbleiterspeicherzelle mit
zugehörigem
Grabenkondensator von angrenzenden Zellen eine flache Grabenisolation
STI (Shallow Trench Isolation) an der Oberfläche des Halbleitersubstrats
Diese herkömmliche DRAM-Halbleiterspeicherzelle weist jedoch eine Vielzahl von Nachteilen auf. Einerseits benötigen die für den Grabenkondensator verwendeten Prozessschritte und Materialien eine außerordentlich hohe Temperaturstabilität, da der Grabenkondensator vor der flachen Grabenisolation STI ausgebildet werden muss, welche wiederum durch einen Hochtemperaturprozess realisiert wird. Die Verwendung von verbesserten neuen Materialien im Grabenkondensator, wie z.B. das Dielektrikum oder die Elektrodenmaterialien, ist daher stark beschränkt oder nicht möglich. Ferner stellt insbesondere das Verfahren zur Herstellung des Isolationskragens bzw. Collars ein sehr kompliziertes Herstellungsverfahren dar, da der Isolationskragen ziemlich dick, d.h. ca. 30 Nanometer innerhalb der Gräben ausgebildet werden muss, die einen zunehmend kleineren Durchmesser aufweisen. Die zunehmend kleineren Durchmesser begrenzen jedoch die Grabenherstellung während beispielsweise einem reaktiven Trockenätzverfahren. Der zusätzliche Isolationskragen verringert demzufolge den Grabendurchmesser auf sehr kleine Öffnungen, wodurch sich wiederum sehr hohe ohmsche Serienwiderstände zwischen dem Grabenkondensator und dem Auswahltransistor bzw. dem Kontakt-Diffusionsgebiet BS ergeben.However, this conventional DRAM semiconductor memory cell has a variety of disadvantages. On the one hand, the process steps and materials used for the trench capacitor require an extremely high temperature stability, since the trench capacitor must be formed before the shallow trench isolation STI, which in turn is realized by a high-temperature process. The use of improved new materials in the trench capacitor, such as the dielectric or the electrode materials, is therefore very limited or not possible. Furthermore, in particular, the process for producing the isolation collar or Collars is a very complicated manufacturing process, since the insulation collar must be made rather thick, ie about 30 nanometers inside the trenches, which becomes increasingly small have smaller diameter. However, the increasingly smaller diameters limit trenching during, for example, a reactive dry etch process. The additional insulation collar consequently reduces the trench diameter to very small openings, which in turn results in very high ohmic series resistances between the trench capacitor and the selection transistor or the contact diffusion region BS.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde eine DRAM-Halbleiterspeicherzelle sowie ein zugehöriges Herstellungsverfahren zu schaffen, welches bei einfacher Herstellung eine weitergehende Integration und Flächenoptimierung ermöglicht.Of the The invention is therefore based on the object of a DRAM semiconductor memory cell and an associated To provide a manufacturing process, which in simple production enables further integration and area optimization.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich der DRAM-Halbleiterspeicherzelle durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Maßnahmen des Patentanspruchs 9 gelöst.According to the invention this Task with respect to the DRAM semiconductor memory cell by the features of claim 1 and in terms of the method through the measures of claim 9 solved.
Insbesondere durch die Verwendung eines in einem Substrat ausgebildeten Grabens mit einem bis zur Substratoberfläche reichenden Kondensator-Dielektrikum und einer elektrisch leitenden Grabenfüllschicht, die den Graben bis zur Substratoberfläche auffüllt, einer ersten Isolierschicht, die an der Substratoberfläche ausgebildet ist und eine Öffnung zur Grabenfüllschicht aufweist, einem Nanoelement, das in der Öffnung auf der Grabenfüllschicht ausgebildet ist und über die erste Isolierschicht hinausragt, einem an den hinausragenden Seitenwänden des Nanoelements ausgebildeten Gatedielektrikum, einer auf dem Gatedielektrikum ausgebildeten Steuerschicht und einer elektrisch leitenden Anschlussschicht zum Anschließen eines oberen Bereichs des Nanoelements kann eine zur Verfügung stehende Baustein-Fläche wesentlich besser genutzt werden, wodurch sich erhöhte Integrationsdichten ergeben.Especially by the use of a trench formed in a substrate with one to the substrate surface reaching capacitor dielectric and an electrically conductive trench filling, which fills the trench up to the substrate surface, a first insulating layer, at the substrate surface is formed and an opening to trench filling having a nanoelement in the opening on the trench filling layer is educated and over the first insulating layer protrudes, one on the protruding sidewalls of the nanoelement formed gate dielectric, one on the gate dielectric formed control layer and an electrically conductive connection layer to connect An upper area of the nanoelement may have an available building block area substantially be better utilized, resulting in increased integration densities.
Insbesondere werden nunmehr jedoch keine flachen Grabenisolationen zum Isolieren von benachbarten DRAM-Halbleiterspeicherzellen benötigt, wobei ferner der aufwändige Prozess zur Herstellung des Isolationskragens entfällt. Neben der Flächenoptimierung ergeben sich dadurch verbesserte Grabenkapazitäten und somit Ladungshaltezeiten bei vereinfachten Herstellungsprozessen.Especially Now, however, shallow trench isolations do not become insulated required by adjacent DRAM semiconductor memory cells, wherein Furthermore, the elaborate Process for the production of the insulation collar deleted. Next the area optimization This results in improved trench capacities and thus charge retention times in simplified manufacturing processes.
Vorzugsweise weist das Nanoelement einen Einkristall-Nanodraht auf, wodurch sich ein Auswahltransistor besonders einfach und platzsparend realisieren lässt.Preferably the nanoelement has a single crystal nanowire, resulting in realize a selection transistor very simple and space-saving leaves.
Zwischen dem Nanoelement und der Grabenfüllschicht ist vorzugsweise eine Nanoelement-Keimschicht bestehend aus Gold oder einem silizierfähigen Material ausgebildet, wodurch man hervorragende Anschlusswiderstände und Leitfähigkeits-Eigenschaften selbstjustierend erhält.Between the nanoelement and the trench filling layer is preferably a nanoelement seed layer consisting of gold or a silicable one Material formed, which gives excellent connection resistance and Conductive properties self-adjusting receives.
Hinsichtlich des Verfahrens wird vorzugsweise zunächst ein Graben in einem Substrat ausgebildet, welches zumindest eine erste Isolierschicht an seiner Oberfläche aufweist, anschließend wird ein Kondensatordielektrikum an der Grabenoberfläche sowie eine elektrisch leitende Grabenfüllschicht an der Oberfläche des Kondensatordieletrikums zum Auffüllen des Grabens ausgebildet und anschließend das Nanoelement an der Oberfläche der Grabenfüllschicht derart ausgebildet, dass es über die erste Isolierschicht hinaus ragt. Zur Realisierung des Auswahltransistors mittels des Nanoelements werden anschließend ein Gatedielektrikum an den über die erste Isolierschicht hinausragenden Seitenwänden des Nanoelements und eine darüber liegende Steuerschicht zumindest im mittleren Bereich des Nanoelements ausgebildet und zur Realisierung eines Anschlusses eine Anschlussschicht in einem oberen Bereich des Nanoelements ausgebildet. Auf diese Weise können erstmals neuartige Materialien in einem temperaturschonenden Verfahren zum Einsatz kommen, wobei darüber hinaus insbesondere das Verfahren zur Herstellung des Grabenkondensators wesentlich vereinfacht ist.Regarding of the method is preferably first a trench in a substrate formed, which at least a first insulating layer on its surface subsequently becomes a capacitor dielectric at the trench surface as well an electrically conductive trench filling layer on the surface of the Kondensatordieletrikums formed to fill the trench and then that Nanoelement on the surface the trench filling layer designed so that it over the first insulating layer protrudes. For the realization of the selection transistor By means of the nanoelement, a gate dielectric is then applied the over the first insulating layer protruding side walls of the nanoelement and a about that lying control layer at least in the middle region of the nanoelement designed and for the realization of a connection a connection layer formed in an upper region of the nanoelement. In this way can first novel materials in a temperature-saving process Be used, and above In addition, in particular, the process for producing the trench capacitor essential is simplified.
Vorzugsweise wird ein Steuerschicht-Graben unter Verwendung einer zweiten Maskenschicht bis zur Oberfläche der ersten Isolierschicht zum Freilegen eines mittleren und oberen Bereichs des Nanoelements ausgebildet, wodurch man besonders einfach eine Matrixstruktur für jeweilige Wort- und Bitleitungen zur Ansteuerung erhält. Preferably For example, a control layer trench is created using a second mask layer to the surface the first insulating layer for exposing a middle and upper Formed area of the nanoelement, which makes it particularly easy a matrix structure for receives respective word and bit lines for control.
Insbesondere die Anschlussschicht kann hierbei unter Verwendung eines sogenannten Damascene-Verfahrens mittels einer dritten Maskenschicht und daran ausgebildeter Spacer zur Realisierung einer benötigten Strukturfeinheit und -qualität realisiert werden.Especially the connection layer can in this case using a so-called Damascene method using a third mask layer and it trained spacer for the realization of a required structural fineness and quality realized become.
In den weiteren Ansprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet.In the further claims Further advantageous embodiments of the invention are characterized.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.The Invention will now be described with reference to an embodiment with reference closer to the drawing described.
Es zeigen:It demonstrate:
Gemäß
Obwohl
im vorliegenden Ausführungsbeispiel
vorzugsweise ein Halbleitermaterial und insbesondere Silizium als
Substrat
Gemäß
Sowohl das Grabenätzen als auch die Erweiterung des Grabens wird unter Verwendung der Grabenmaske bzw. ersten Maske M1 durchgeführt. Darüber hinaus können weitere Verfahren zur Oberflächenvergrößerung des Grabens T bzw. des erweiterten Grabens ET durchgeführt werden, wie beispielsweise sogenannte HSG-Verfahren (Hemispherical Grains), wobei durch eine Aufrauung bzw. Ausbildung von Körnern an der Grabenoberfläche eine weitere wesentliche Oberflächenvergrößerung und somit Kapazitätserhöhung realisiert wird.Either the trench etching as well as the extension of the trench is using the trench mask or first mask M1 performed. About that can out Further methods for surface enlargement of the Trench T and the extended trench ET are performed, such as so-called HSG methods (Hemispherical Grains), wherein a roughening or formation of grains on the trench surface a further significant surface enlargement and thus realized capacity increase becomes.
Anschließend wird
gemäß
Insbesondere
bei Verwendung eines elektrisch leitenden Substrats, wie z.B. eines
dotierten Halbleitermaterials oder eines metallischen Materials,
erhält
man dadurch bereits den gewünschten Grabenkondensator
mit einer aus der Grabenfüllschicht
Gemäß
Anschließend erfolgt
das Ausbilden eines sogenannten Nanoelements NE im Wesentlichen
an der Oberfläche
der Grabenfüllschicht
Insbesondere
bei Verwendung eines silizierfähigen
Materials erhält
man hierbei einen selbstjustierenden Prozess, bei dem eine hochleitfähige Keimschicht
an den frei liegenden Bereichen der aus Polysilizium bestehenden
Grabenfüllschicht
Auf dieser Nanoelement-Keimschicht SL erfolgt nunmehr das Ausbilden des Nanoelements NE, wobei vorzugsweise ein Ein- Kristall-Nanodraht als Nanoelement NE auf der Keimschicht SL aufgewachsen wird. Die Dicke des Nanodrahts füllt hierbei die Öffnung der ersten sowie eventuell vorhandenen zweiten Isolierschicht I1 und I2 vollständig aus, wobei die Öffnungen einen Durchmesser von bis zu 400 nm aufweisen können. Beim Aufwachsen des Ein-Kristall-Nanodrahts können zusätzlich Dotier-Modulationsverfahren durch Hinzufügen von Dotiergasen durchgeführt werden, wodurch man ein optimiertes Nanoelement erhält. Nanoelemente sind dem Fachmann ausreichend bekannt, weshalb an dieser Stelle lediglich auf die Literaturstellen C.M. Lieber: „Nanowire Super Lattices", Nanoletters, 2002, 2(2), 81 – 82; Y. CUI et al.: „High Performance Silicon Nanowire Field Effect Transistors", Nanoletters, 2003; ASAP Artikel; und Y. CUI et al.: "Diameter-controlled synthesis of single-crystal silicon nanowires", Applied Physics Letters Vol. 78, Nr. 159, April 2001, Seiten 2214 bis 2216 verwiesen wird.On This nanoelement seed layer SL is now forming of the nanoelement NE, wherein preferably a single crystal nanowire as a nanoelement NE grown on the seed layer SL. The thickness of the nanowire fills this the opening the first and possibly present second insulating layer I1 and I2 completely out, with the openings may have a diameter of up to 400 nm. When growing the single-crystal nanowire can additionally Doping modulation methods are performed by adding doping gases, whereby one receives an optimized nanoelement. Nanoelements are the expert sufficiently known, which is why at this point only on References C.M. Dear: "Nanowire Super Lattices ", Nanoletters, 2002, 2 (2), 81-82; Y. CUI et al .: "High Performance Silicon Nanowire Field Effect Transistor ", Nanoletters, 2003; ASAP article; and Y. CUI et al .: "Diameter-controlled synthesis of single-crystal silicon nanowires ", Applied Physics Letters Vol. 78, No. 159, April 2001, pages 2214 to 2216 is referenced.
Gemäß
Auf diese Weise kann das Nanoelement bzw. der Nanodraht NE vollständig eingebettet und seine Höhe auf eine fest vorbestimmte Höhe eingestellt werden.On In this way, the nanoelement or the nanowire NE can be completely embedded and his height to a fixed predetermined height be set.
Obwohl
bisher im Wesentlichen Schnittansichten entlang eines Schnitts A-A
gemäß
Gemäß
Nach
diesem Schritt zum Freilegen des Nanoelements NE bzw. zum Ausbilden
eines Steuerschicht-Grabens GT wird gemäß
Anschließend wird zumindest in einem mittleren Bereich, d.h. dem Kanalbereich, des Nanoelements NE an der Oberfläche des Gatedielektrikums GD eine elektrisch leitende Steuerschicht G ausgebildet. Vorzugsweise wird hierbei ein hochdotiertes Halbleitermaterial wie beispielsweise hochdotiertes Polysilizium und/oder ein Gatemetall als Steuerschicht G ganzflächig abgeschieden und bis zum mittleren Bereich des Nanoelements NE zurückgeätzt. Der mittlere Bereich stellt hierbei einen Kanalbereich eines durch das Nanoelement realisierten Feldeffekttransistors dar.Subsequently, at least in a middle region, ie the channel region, of the nanoelement NE at the surface of the gate dielectric GD an electrically conductive control layer G is formed. Preferably, a highly doped semiconductor material such as highly doped polysilicon and / or a gate metal is deposited over the entire area as a control layer G and etched back to the central region of the nanoelement NE. The central region in this case represents a channel region of a field-effect transistor realized by the nanoelement.
Gemäß
Abschließend wird eine Anschlussschicht S in einem oberen Bereich des Nanoelements NE zum elektrischen Anschließen des Nanoelements NE ausgebildet und strukturiert.Finally, it will a terminal layer S in an upper portion of the nanoelement NE for electrical connection of the nanoelement NE is formed and structured.
Gemäß
Gemäß
Auf
diese Weise erhält
man eine DRAM-Halbleiterspeicherzelle, deren Grabenkondensator
Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Silizium-Halbleitermaterials als Substrat beschrieben. Sie ist jedoch nicht darauf beschränkt und umfasst in gleicher Weise auch andere Substrate. In gleicher Weise ist die Erfindung auch nicht auf die beschriebenen weiteren Materialien beschränkt, sondern umfasst in gleicher Weise auch alternative Materialien, die im Wesentlichen eine gleiche Wirkung aufweisen.The The invention has been described above with reference to a silicon semiconductor material described as a substrate. However, it is not limited to and includes in the same way other substrates. In the same way is the Invention not on the described other materials limited, but equally includes alternative materials, which have substantially the same effect.
- 100100
- Substratsubstratum
- 161161
- Kondensatordielektrikumcapacitor
- 162162
- Grabenfüllschichttrench filling
- 163163
- vergrabene Platteburied plate
- 170170
- vergrabene Wanneburied tub
- CC
- Isolationskrageninsulation collar
- STISTI
- flache Grabenisolierungarea grave insulation
- SS
- Sourcegebietsource region
- DD
- Draingebietdrain region
- CHCH
- Kanalgebietchannel region
- BSBS
- Kontakt-DiffusionsgebietContact diffusion region
- GDDG
- Gatedielektrikumgate dielectric
- GG
- Steuerschichtcontrol layer
- KK
- KontaktContact
- I, I1, I2I, I1, I2
- Isolierschichten insulating
- WLWL
- Wortleitungwordline
- BLBL
- Bitleitungbit
- ATAT
- Auswahltransistorselection transistor
- M1, M2, M3M1, M2, M3
- Maskenschichten mask layers
- HSHS
- Hilfsschichtauxiliary layer
- TT
- Grabendig
- ETET
- erweiterter Grabenextended dig
- SLSL
- Nanoelement-KeimschichtNano element seed layer
- NENE
- NanoelementNano element
- GTGT
- Steuerschicht-GrabenControl layer trench
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