Um die in einem Speicherkondensator einer Speicherzelle gespeicherte Ladung reproduzierbar auslesen zu können, sollte die Kapazität des Speicherkondensators mindestens einen Wert von etwa 30 fF besitzen. Gleichzeitig muß die laterale Ausdehnung des Kondensators ständig verkleinert werden, um eine Erhöhung der Speicherdichte erzielen zu können. Diese gegenläufigen Anforderungen an den Kondensator der Speicherzellen führen zu einer immer komplexeren Strukturierung des Kondensators ("Trench-Kondensatoren", "Stack-Kondensatoren","Kronen-Kondensatoren"), um trotz kleiner werdender lateraler Ausdehnung des Kondensators eine ausreichende Kondensatorfläche bereitstellen zu können.

Die Herstellung von Grabenkondensatoren für DRAM- Halbleiterspeicher nach Stand der Technik ist in den Figuren la) bis le) schematisch beschrieben. In einem ersten Schritt (Fig. la)) werden eine dünne Oxidschicht (Pad-Oxid) 1-2, eine Nitridschicht 1-3 und eine Oxidschicht 1-4 auf eine p- dotierten Siliziumscheibe 1-1 aufgebracht. Auf die Oxidschicht 1-4 wird weiterhin eine Photoresistmaskenschicht 1-6 aufgebracht und photolithographisch so strukturiert, daß die Öffnungen der Photoresistmaske 1-6 die Position und Querschnitt der zu ätzenden Gräben wiedergeben.

Typischerweise haben die Maskenöffnungen 1-13 dabei einen ovalen oder nahezu runden Querschnitt, so daß sie in der Praxis, von oben gesehen, weitgehend als Löcher wahrgenommen werden. Fig. la) zeigt die strukturierte Photoresistmaske 1-6.

In einem weiteren Schritt (Fig. lb)) wird der Schichtstapel aus Pad-Oxid 1-2, Nitridschicht 1-3 und Oxidschicht 1-4 in einem anisotropen Ätzschritt, bevorzugt mit einem ersten Trockenätzgas 1-7, strukturiert. Damit ist eine Hartmaske hergestellt worden, an der die Gräben in die p-dotierte Siliziumscheibe 1-1 geätzt werden können.

Das Ätzen der Gräben 1-15 erfolgt im wesentlichen selektiv zur Oxidmaske 1-4 in einem anisotropen Trockenätzschritt, z. B. durch einen RIE-Ätzschritt mit einem zweiten Trockenätzgas 1-8, dargestellt in Fig. lc).

In einem weiteren Schritt werden die Innenwände der Gräben 1-15 n-dotiert, damit sie isoliert von dem sie umgebenden p-dotierten Gebiet als erste Elektrode 1-10 (buried plate") für die zu erzeugenden Kondensatoren dienen können. Die n-Dotierung der Grabeninnenwände geschieht z. B. durch die Abscheidung einer Arsenglassilikatschicht an den Innenwänden der Gräben 1-15. Ein anschließender Diffusionsschritt bewirkt, daß das Arsen des Arsensilikatglases in die Seitenwand eindringt und eine n- dotierte Schicht erzeugt, die die Gräben vollständig umgibt.

Die die Gräben umgebende n-dotierten Schichten stellen die erste Elektrode 1-10 (n-buried Plate) für die Grabenkondensatoren dar. Die Arsenglassilikatschicht wird anschließend wieder beseitigt (Fig. nid).

Es folgen nun eine n-Implantation zum Kurzschließen benachbarter erster Elektroden 1-10 (nicht gezeigt in Fig. le)), die Abscheidung eines Kondensatordielektrikums 1-11, z. B. eine Oxid-Nitrid-Oxid (ONO)-Schicht, auf der ersten Elektrode 1-10 und die Abscheidung einer n-dotierten Polysiliziumschicht, die als zweite Elektrode 1-12 dient.

Durch einen anschließenden Chemisch-Mechanischen Polierschritt (CMP) bleiben das Kondensatordielektrikum 1-11 und die Polysiliziumschicht, die die zweite Elektrode 1-12 darstellt, nur in den Gräben zurück (Fig. le)). Damit ist die Herstellung der Grabenkondensatoren weitgehend abgeschlossen.

Um eine für die minimale Kapazität der Speicherkondensatoren in höchstintegrierten Schaltungen ausreichende Elektrodenfläche bereitzustellen, werden derzeit Gräben mit einer Tiefe von etwa 6-7 Mm routinemäßig erzeugt.

Der Durchmesser solcher Gräben beträgt etwa 300 nm. Das Aspektverhältnis der Gräben, d. h. das Verhältnis von Grabentiefe zum Grabendurchmesser liegt somit bei etwa 20.

Bei noch höherer Integrationsdichte werden jedoch kleiner werdende Grabendurchmesser erforderlich, was zur Kompensation des Innenenwandflächenverlusts eine größere Grabentiefe und damit ein noch größeres Aspektverhältnis nötig macht. Hier stößt das grabenerzeugende Verfahren jedoch an wirtschaftliche Grenzen, da die Ätzrate bei Trockenätzverfahren wie dem RIE-Ätzverfahren bei wachsendem Aspektverhältnis deutlich sinkt.

Der Grund für die überproportional steigende Ätzzeit liegt darin, daß bei zunehmender Grabentiefe die Zuführung der ätzenden Gase bzw. der Abtransport der gasförmigen Ätzprodukte über die länger und schmäler werdende Grabentiefe hinweg immer langsamer abläuft ("RIE-Effekt"). Die Erzeugung von 6-7 ym tiefen Gräben bei einem Grabendurchmesser von 300 nm dauert schon jetzt mehr als 10 min. Da der RIE-Ätzprozeß ein Einzelscheibenprozeß ist, würde das Verfahren zur Erzeugung von noch tieferen und schmäleren Gräben schon in den nächsten DRAM-Generationen extrem zeitaufwendig und teuer werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Grabenkondensatoren bereitzustellen, das die aufgeführten Schwierigkeiten ganz oder teilweise umgeht. Insbesondere sollen mit diesem Verfahren Gräben mit einem Durchmesser von 500 nm und kleiner mit Aspektverhältnissen von über 20 mit hoher Ätzrate möglich werden, wobei die Kompatibilität des Herstellungsverfahrens mit bestehenden Verfahren, insbesondere mit herkömmlichen DRAM-Herstellungsverfahren, weitgehend erhalten bleiben soll.

Diese Aufgabe wird von dem Verfahren zur Erzeugung von Gräben in einer p-dotierten Siliziumschicht für die Herstellung von Kondensatoren für Halbleiterspeicher gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Erzeugung von Grabenkondensatoren in einer p-dotierten Siliziumschicht für integrierte Halbleiterspeicher mit den folgenden Schritten bereitgestellt : - eine p-dotierte Siliziumschicht mit vorgegebener Resistivität wird bereitgestellt ; - Startkeime werden auf der Vorderseite der p-dotierten Siliziumschicht erzeugt ; - ein Elektrolyt wird auf die Vorderseite der p-dotierten Siliziumschicht aufgegeben ; - eine elektrische Spannung zwischen der Rückseite der p- dotierten Siliziumschicht und dem Elektrolyten wird angelegt, so daß ein elektrischer Strom mit einer gegebenen Stromdichte in der Siliziumschicht fließt und Gräben erzeugt werden ; - eine erste Elektrode wird im Graben erzeugt ; - ein Kondensatordielektrikum wird auf die erste Elektrode aufgebracht ; - eine zweite Elektrode wird im Graben erzeugt.

Unter Gräben sind, wie eingangs erwähnt, insbesondere Gräben in der Siliziumschicht mit im wesentlichen runden Querschnitt von der Oberfläche der Siliziumschicht aus gesehen gemeint. Gräben mit weitgehend rundem Querschnitt mit Durchmessern größer als 50 nm werden in der Literatur auch als Makroporen bezeichnet. Makroporen in p-dotiertem Silizium sind erst seit wenigen Jahren bekannt und Untersuchungen darüber sind z. B. in E. K. Probst, P. A. Kohl, J.

Electrochem. Soc., Vol 141 (1994), S. 1006 sowie V. Lehmann, S.

Rönnebeck, J. Electrochem. Soc., Vol 146 (1999), S. 2968 und E. A. Ponomarev, C. Levy-Clement, Electrochem. and Solid State Lett., Vol. 1 (1998), S. 42 beschrieben. Diese Untersuchungen beziehen sich auf spezielle Makroporen-Ausführungen und sind insbesondere nicht für Anwendungen in der Mikroelektronik eingesetzt worden.

Das erfindungsgemäße Verfahren benutzt elektrochemische Prozesse zwischen dem Elektrolyten und dem p-dotierten Silizium dazu, daß Silizium unter Anwendung eines im wesentlichen senkrecht zu der Rückseite der Siliziumschicht angelegten elektrischen Feldes selektiv erst an den Startkeimen und dann bevorzugt am Boden der sich bildenden Gräben weggeätzt wird. Die Selektivität des Ätzens wird durch die durch die angelegte Spannung erhöhten Feldstärken verursacht, die erst an den Startkeimspitzen und dann am Boden der Gräben vorliegen. Da das Maß der Feldstärkenerhöhung und die Ausdehnung der Raumladungszone auch von der Resistivität der p-dotierten Siliziumschicht abhängt, ist die Resistivität mitbestimmend für die Selektivität des Ätzens und damit auch die Durchmesser der sich bildenden Gräben.

Als physikalische Ursache für die Selektivität des Ätzvorgangs vermutet man den Schottky-diodenähnlichen Übergang, den der Übergang zwischen Elektrolyt und p- dotiertem Silizium bildet. Bei auf negativem Potential liegenden Elektrolyten ist der Übergang zwischen Elektrolyt und p-dotiertem Silizium ein in Vorwärtsrichtung geschalteter Schottky-Übergang, der im Siliziumübergangsbereich bei hohen Feldern eine kleine Verarmungszonenweite und bei kleinen elektrischen Feldern eine große Verarmungszonenweite aufweist. Da der Ladungstransport zwischen nicht verarmter p- Siliziumschicht und dem Elektrolyt stark von der Verarmungszonenweite abhängt, wird auch die Ätzrate durch die elektrische Feldverteilung bestimmt. Auf diese Weise kann die Vorzugsrichtung für den Ätzprozeß und die Beobachtung, daß an den Grabenwänden ab einem Durchmessergrenzwert keine Ätzung mehr stattfindet, erklärt werden.

Die Startkeime sind möglichst spitz in die Siliziumschichtoberfläche geätzte Senken auf der Vorderseite der p-dotierten Siliziumschicht, wobei sie bevorzugt die Form von auf dem Kopf stehenden Pyramiden haben. Ein möglichst spitzer Verlauf der Startkeime in die Siliziumschicht hinein verursacht größtmögliche elektrische Feldspitzen und damit eine effektive Erzeugung von Gräben. In diesem Fall reicht es für eine Grabenbildung aus, daß die Startkeime nur wenige 10 nm von der Oberfläche in die p-dotierte Siliziumschicht hineinreichen, so daß eine Erzeugung von Startkeimen durch einfache lokale Ätzungen möglich ist.

Hat die Grabenbildung mit Hilfe des Elektrolyten und einer angelegten Spannung begonnen, findet die Ätzung bevorzugt an dem Boden des Grabens statt, da dort das höchste Feld anliegt. Während so die Gräben immer tiefer geätzt werden, wächst der Durchmesser der Gräben nur bis zu einem Grenzwert, der im wesentlichen durch die p-Dotierung des Siliziumschicht, die Art des Elektrolyten und durch die Stromdichte, mit der die Gräben erzeugt werden, abhängt.

Dadurch können von der Vorderseite der Siliziumschicht zur Rückseite hin Gräben mit im wesentlich rundem Querschnitt und einem weitgehend einheitlichen Durchmesser erzeugt werden.

Die Tiefe der Gräben hängt dabei bei gegebener Ätzrate lediglich von der Dauer der angelegten Spannung und damit der Dauer des Stromflusses ab, so daß mit diesem Verfahren Gräben mit kleinem Durchmesser und sehr großen Tiefen erzeugt werden können, was einem sehr hohen (Tiefen/Durchmesser)- Aspektverhältnis entspricht.

Nach der Herstellung der Gräben wird eine erste Elektrode im Graben erzeugt, dann ein Kondensatordielektrikum auf die erste Elektrode aufgebracht und dann eine zweite Elektode im Graben erzeugt, so daß ein Grabenkondensator erzeugt worden ist. Gräben mit sehr hohem Aspektverhältnis bieten eine große Fläche für die Erzeugung von Grabenkondensatoren ausreichender Kapazität bei minimalem Flächenverbrauch auf der Oberfläche an. Der minimale Flächenverbrauch ist Voraussetzung für die geforderte Höchstintegration für Halbleiterspeicher.

Bevorzugt ist die p-dotierte Siliziumschicht eine Siliziumscheibe oder Teil einer p-dotierten Siliziumscheibe oder ist auf einer p-dotierten Siliziumscheibe aufgebracht.

Auf diese Weise ist gewährleistet, daß die Siliziumschicht den gleichen Dotierungstypen hat wie das Silizium an der Rückkontaktierung, so daß es nicht zu pn-Übergängen kommt, die einen Stromfluß zwischen Vorderseite und Rückseite einschränken. Da für Gräben mit sehr kleinen Durchmessern eine sehr hohe p-Dotierung erforderlich ist (>10l7 1/cm3) wird die hochdotierte Siliziumschicht mit einer Dicke, die bevorzugt größer als die Grabentiefe ist, in vorteilhafter Weise epitaktisch auf eine mäßig p-dotierte Siliziumscheibe aufgewachsen.

Bevorzugt hat die p-dotierte Siliziumschicht eine Resistivität von weniger als 2 Ohm cm und bevorzugt weniger als 0,3 Ohm cm. Typische Werte sind 1, 0, 3 oder 0,1 Ohm cm.

Die Resistivität ist neben der Stromdichte und dem Elektrolytentyp der bestimmende Parameter für den Durchmesser der Gräben. 1 Ohm cm p-dotiertes Silizium erzeugt Gräben mit Durchmessern von etwa 300 nm, 0,3 Ohm cm p-dotiertes Silizium erzeugt Gräben mit Durchmessern von etwa 200 nm und 0,1 Ohm cm p-dotiertes Silizium erzeugt Gräben mit Durchmessern von etwa 100 nm, wobei die Durchmesser durch die angewendete Stromdichte beim elektrochemischen Prozeß erheblich variiert werden können. Generell wächst der Grabendurchmesser etwa mit der Wurzel aus der Resistivität der p-dotierten Siliziumschicht und im interessierenden Bereich mit der Wurzel aus der Stromdichte.

Bevorzugt werden die Startkeime mit Hilfe einer Maske auf der Vorderseite der p-dotierten Siliziumschicht angeordnet.

Da die Position der erfindungsgemäßen Gräben durch die Position der Startkeime definiert ist, definiert die Maske indirekt auch die Position der Gräben. Die Startkeime werden dabei bevorzugt durch einen Ätzschritt, der die Siliziumschicht an den geöffneten Bereichen der Maske anätzt, erzeugt. Da die Startkeime nur wenige 10 nm tief sein müssen, kann auch die Maske bevorzugt kleiner als 100 nm dick sein und bevorzugt nur ein Photoresist sein, was fertigungstechnisch die Prozeßfolge vereinfacht. Die dünne Maske erleichtert weiterhin die Erzeugung von sehr feinen Strukturen, so daß sich somit Gräben mit einer höchstauflösenden Maske erzeugen lassen.

In einer anderen vorteilhaften Ausführung ist die Maske ein strukturierter Oxidschicht-Nitridschichtstapel oder eine strukturierte Oxidschicht, da diese Masken bevorzugt später als strukturierende Masken für nachfolgende Chemical- Mechanical Polishing (CMP)-Schritte dienen können. Die Oxidschicht in der Maske hat dabei bevorzugt nur spannungsauflösende Funktion (Pad-Oxid) und kann sehr dünn sein (<10nm). Auch eine Maske aus einer dicken Oxidschicht kann später als strukturierende Maske für spätere CMP- Schritte dienen.

In einer bevorzugten Ausführung werden die Startkeime in der Siliziumschicht durch Überätzen bei Herstellung der Maske, z. B. durch eine RIE-Ätzung, erzeugt. Dadurch wird mindestens ein Prozeßschritt gespart. In einer anderen bevorzugten Ausführung werden die Startkeime durch ein alkalisches Beizen im Silizium erzeugt (Ammonia Ätzung), erzeugt. Bei diesem Prozeß wird das anisotrope Ätzverhalten von alkalischen Beizen in Silizium dazu verwendet, Startkeime zu erzeugen, die die bevorzugte Form von auf dem Kopf stehenden Pyramiden in der Oberfläche der Siliziumschicht haben.

Bevorzugt geht der elektrischen Kontaktierung der Rückseite der Siliziumscheibe ein Dotierungsschritt zur Erzeugung einer p+-Dotierungschicht voraus. Bevorzugt erfolgt dieser Dotierungsschritt durch Ionenimplantation. Der Dotierungsschritt dient dazu, beim Anlegen der elektrischen Spannung während des elektrochemischen Prozesses auf der Rückseite ein möglichst gleich hohes elektrisches Potential zu erhalten, damit die Feldlinien weitgehend senkrecht durch die Rückseite der Siliziumschicht verlaufen. Ist die Siliziumscheibe auf der Rückseite aus sehr niederohmigem Material, d. h. weniger als z. B. 1 Ohm cm, so kann dieser Schritt bevorzugt wegfallen. In einer anderen vorteilhaften Ausführung kann die Rückseite auch mit einer Metallschicht belegt werden, wobei auf einen guten ohmschen Kontakt zwischen Metall und Siliziumscheibe geachtet werden muß.

Bevorzugt wird die p+-Dotierungsschicht an der Rückseite der Siliziumscheibe nach der Erzeugung der Gräben, z. B. durch Abätzen, wieder entfernt, um Verschmutzungen der Vorderseite der Siliziumschicht durch das Dotierungsmaterial in den nachfolgenden Prozeßschritten zu verhindern.

In einer anderen vorteilhaften Ausführung wird die Rückseite der Siliziumscheibe durch eine leitende Flüssigkeit, die mit der Rückseite der Siliziumscheibe in Kontakt steht elektrisch angeschlossen. Bevorzugt ist die leitende Flüssigkeit ein zweiter Elektrolyt, insbesondere bevorzugt HF in einer wässrigen Lösung. Die elektrische Kontaktierung der Rückseite der Siliziumscheibe über eine leitende Flüssigkeit hat den Vorteil, daß eine über die Rückseite verteilte homogene und niederohmige Kontaktierung ohne einen vorangehenden p-Implantationsschritt hergestellt werden kann. Das Weglassen des p-Implantationsschrittes erspart das Aufbringen einer Schutzschicht zum Schutz gegen Verschmutzung während der Implantation und den Ätzschritt für die spätere Entfernung der p+-Dotierungsschicht auf der Rückseite. Ein bevorzugter Aufbau einer Elektrochemischen Kammer, bei der die Rückseite der Siliziumscheibe über eine leitende Flüssigkeit elektrisch kontaktiert wird, ist in der deutschen Patentanmeldung Nr. 901 09 039.9 unter dem Titel "Verfahren zur großflächigen elektrischen Kontaktierung eines Halbleiterkörpers mit Hilfe von Elektrolyten"beschrieben.

Der Elektrolyt auf der Vorderseite der p-dotierten Siliziumschicht dient bevorzugt sowohl als Ladungsträger für den Strom zwischen Siliziumschicht und Elektrolyt als auch als Träger der chemischen Stoffe, die zusammen mit den Ladungen aus der Siliziumschicht das Silizium abtragen und wegführen. Bevorzugt ist der Elektrolyt eine mit Flußsäure oder Flur versetzte organische Lösung, insbesondere Acetonitril (MeCN) oder Dimethylformamid (DMF) oder Dimethylamid (DMA), oder eine mit Flußsäure versetzte wässrige Lösung. Mit den organischen Elektrolyten lassen sich bevorzugt Gräben mit Durchmessern kleiner als 1 Mm erzeugen.

Die bevorzugte Konzentration der Flußsäure in den Lösungen beträgt etwa 1 bis 20% nach Gewicht. Der Elektrolyt bedeckt die Vorderseite der Siliziumschicht bevorzugt in dem Bereich, in dem die Gräben erzeugt werden.

Der elektrische Strom zur Erzeugung der Gräben wird durch eine elektrische Spannung erzeugt, die bevorzugt zwischen der Rückseite der p-dotierten Siliziumschicht und einer in dem Elektrolyten eingebrachten Gegenelektrode angelegt wird. Der elektrische Anschluß der p-dotierten Siliziumschicht mit der Spannungsquelle ist dabei bevorzugt durch die Kontaktierung der Rückseite der Siliziumscheibe gewährleistet.

Bevorzugt ist die Gegenelektrode so geformt und bezüglich der p-dotierten Siliziumschicht so angeordnet ist, daß bei angelegter Spannung der Strom eine weitgehend konstante Stromdichte auf der Rückseite der p-dotierten Siliziumschicht aufweist. Dies wird bevorzugt durch eine Gegenelektrode erreicht, deren der Siliziumscheibe zugewandte Oberfläche koplanar zur Siliziumscheibe ist. Bevorzugt überdeckt die Gegenelektrode dabei mindestens den Bereich der Siliziumschicht, in dem die Gräben erzeugt werden sollen. Auf diese Weise erreicht man eine weitgehend gleichmäßige Stromdichte auf der Rückseite der Siliziumschicht im Bereich der zu ätzenden Gräben und den bevorzugten, weitgehend senkrecht zur Rückseite der Siliziumscheibe verlaufenden Stromfluß. Eine bevorzugte Ausführung einer Elektrochemischen Kammer, in der der erfindungsgemäße elektrochemische Prozeß durchgeführt werden kann, ist in der deutschen Erstanmeldung vom 31.5.2000, die unter dem Aktenzeichen 10027931.7 geführt wird, beschrieben.

Bevorzugt wird die Gegenelektrode auf eine negative elektrische Spannung bezüglich der elektrischen Spannung auf der Rückseite der p-dotierten Siliziumschicht gelegt. Auf diese Weise wird die Schottky-diodenähnliche Grenzfläche zwischen Elektrolyt und p-dotierter Siliziumschicht in Vorwärtsrichtung geschaltet, so daß die Selektivität der Ätzrate bzgl. der Grabenböden und Grabenwände auftritt, die die Geometrie der sich formenden Gräben bestimmt.

Bevorzugt werden die Resistivität der Siliziumschicht und Stromdichte so gewählt, daß ein vorgegebener Durchmesser der Gräben erzeugt wird. Unter Durchmesser von Gräben ist generell der maximale Durchmesser gemeint, der sich nach Ablauf einer ausreichend langen Grabenbildungszeit TO einstellt und der nicht mehr signifikant zeitabhängig ist.

Die Grabenbildungszeit TO ist dabei im wesentlichen die Zeit, die benötigt wird, bis sich der Graben von der Größe des Startkeims zu der Größe entwickelt, bei der die Selbstpassivierung an den Grabenwänden aktiv wird. Die Selbstpassivierung der Grabenwände ist dabei im wesentlichen durch die eingangs erwähnte Selektivität bzgl. der Ätzrate an den Gräben gegeben, die von der Form der elektrischen Felder und damit von der Resistivität der Siliziumschicht und der Stromdichte im Grabenbereich abhängt. Dabei stellt sich heraus, daß der (maximale) Durchmesser der Gräben etwa mit der Wurzel der Resistivität der Siliziumschicht sinkt und im gewissen Bereich mit der Wurzel der Stromdichte wächst. Auf diese Weise kann der Durchmesser der Gräben durch eine geeignete Resistivität der Siliziumschicht und Stromdichte in weitem Rahmen frei gewählt werden. So liefert mit 1 Ohm cm p- dotiertes Silizium Gräben mit einem Durchmesser von etwa 500 nm, während 0,1 Ohm cm p-dotiertes Silizium Gräben mit einem Durchmesser von etwa 100 nm liefert.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird die Stromdichte während der Erzeugung der Gräben zeitlich variiert, so daß der Grabendurchmesser in Richtung der Grabentiefe variiert. Die Variation der Grabendurchmesser in Richtung der Grabentiefe erhöht die Grabenwandoberfläche bei vorgegebener Grabentiefe und bietet dadurch die Möglichkeit, die Kapazität der Grabenkondensatoren weiter zu erhöhen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird die Stromdichte während der Grabenerzeugung zeitlich so variiert, daß der Graben eine flaschenartige Form annimmt. Dies wird z. B. dadurch erreicht, daß in einer ersten Phase die Stromdichte klein gehalten wird, so daß sich der Graben mit kleinem Durchmesser (Flaschenhals) in die Tiefe wächst und in einer zweiten Phase die Stromdichte groß gehalten wird, so daß der Graben mit großem Durchmesser (Flaschenkörper) in die Tiefe weiterwächst. Die flaschenartige Form bietet den Vorteil einer großen Grabenwandoberfläche bei minimalem Flächenverbrauch auf der Oberfläche der Siliziumschicht. Dies ist daher von Vorteil, da für die Erzeugung von Speicherkondensatoren auf hochintegrierten Halbleiterspeichern neben den Grabenkondensatoren noch Transistoren und andere Schaltungselemente auf der Oberfläche der Siliziumschicht aufgebracht werden müssen, so daß der Flächenbedarf auf der Oberfläche der Siliziumschicht besonders kritisch ist.

Anstatt über die Einstellung der Stromdichte kann die flaschenartige Form auch durch ein geeignetes Dotierungsprofil im Grabenbereich der Siliziumscheibe erzeugt werden. Die Schichten mit hoher Dotierung erzeugen demnach Gräben mit kleinem Durchmesser (Flaschenhals), die Schichten mit niedriger Dotierung erzeugen größere Durchmesser.

Bevorzugt wird die elektrische Spannung so eingestellt, daß eine Stromdichte von 1-10 mA/cm2 auf der Rückseite der p- dotierten Siliziumschicht erzeugt wird. In diesem Bereich erfolgt die Grabenbildung auf die beschrieben Weise.

Bevorzugt weist der Strom auf der Rückseite der Siliziumschicht im Bereich der zu erzeugenden Gräben räumlich eine weitgehend konstante Stromdichte auf. Dadurch ist gewährleistet, daß die Grabenbildung in der Siliziumschicht für alle Gräben in etwa gleich verläuft.

Bevorzugt werden die Parameter für die Erzeugung der Gräben so eingestellt, daß der Durchmesser der Gräben kleiner als 300 nm und bevorzugt kleiner als etwa 100 nm ist. Für derartig kleine Grabendurchmesser müssen, um die gleiche minimale Speicherkapazität von etwa 30 fF erhalten zu können, die Gräben entsprechend tiefer gegraben werden. Bevorzugt werden die Gräben daher tiefer als 5 pm und bevorzugt mehr als etwa 10 Hm tief gemacht. Dies erfordert ein Aspektverhältnis von etwa 20,50 und mehr, was mit herkömmlicher Ätztechnik, z. B. RIE-Etching, wegen der immer kleiner werdenden Ätzrate für die Massenfertigung sehr aufwendig ist. Die Ätzrate des erfindungsgemäße Verfahren ist dagegen vom Prinzip her weitgehend unabhängig von dem Aspektverhältnis. Das erfindungsgemäße Verfahren erzeugt bevorzugt daher Aspektverhältnisse von über 20 und bevorzugt von über 50. Zudem ist die Ätzrate des erfindunggemäßen Verfahrens von Haus aus bevorzugt um etwa einen Faktor 2 bis 10 höher als bei konventionellen Ätztechniken. Die Ätzraten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind bevorzugt größer als 1 ym/min und können so hoch wie 5m/min sein, so daß selbst tiefe Gräben in wenigen Minuten erzeugt werden können.

Bevorzugt erfolgt die an die Grabenätzung anschließende Dotierung der Grabenwände durch Arsensilikatglas (ASG)- Dotierung und/oder Gas Phase Doping (GPD), das in die Gräben eingebracht wird. Ein anschließender Temperungsschritt bewirkt, daß das n-dotierende Material in die Grabenwand eindringt und aktiviert wird. Die n-Dotierung wird bevorzugt für die Erzeugung der ersten Elektrode eines Grabenkondensators durchgeführt, die bevorzugt isoliert von der p-dotierten Siliziumschicht an der Grabenwand verlaufen soll.

Bevorzugt wird die Oberfläche der Innenwände der Gräben durch Aufrauen oder durch Mesoporen vergrößert, um die Kapazität der Kondensatoren weiter zu erhöhen. Das Aufrauen kann insbesondere durch das Einwirken von Flußsäuren oder anderen Säuren auf die Innenwand erzeugt werden. Mesoporen sind dagegen kleine wurmlochähnliche Kanäle mit Durchmessern deutlich kleiner als 50 nm, die man auf elektrochemischem Wege an den Innenwänden der Gräben erzeugen kann. Bevorzugt wird dieses Verfahren in n-dotiertem Material durchgeführt, so daß die Grabeninnenwände vorher n-dotiert werden müssen.

Das Verfahren zur Erzeugung von Mesoporen bietet sich für das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren an, da die Vorbereitungen für den elektrochemischen Ätzprozeß, insbesondere die Kontaktierung der Siliziumscheibenrückseite in einer elektrochemischen Kammer, für die Erzeugung von Mesoporen übernommen werden kann. Details zur Integration von Mesoporen in den DRAM-Grabenprozeß sind in der deutschen Anmeldung"Selbstlimitierung von Mesoporenwachstum in geometrisch vordefinierten Strukturen"von M. Goldbach, A. Birner und M. Franosch offenbart.

Bevorzugt sind die Halbleiterspeicher, auf die das erfindungsgemäße Verfahren angewandt wird, dynamische Random Access Memory Chips (DRAM), ferroelektrische Halbleiterspeicher und alle hochintegrierten Halbleiterspeicher, die Informationen in Form vom Ladungszustand der Speicherkondensatoren speichern. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht für diese Bauelemente eine extrem hohe Packungsdichte von Speicherkondensatoren bei großem Kosteneinsparungspotential durch das vereinfachte Erzeugungsverfahren der Grabenkondensatoren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren der Zeichnung näher dargestellt. Es zeigen : Fig. la)-le) ein Verfahren nach Stand der Technik zur Herstellung von Gräben in einer p-dotierten Siliziumschicht für die Erzeugung von Speicherkondensatoren für einen DRAM- Halbleiterspeicher.

Fig. 2a)-2f) erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Gräben in einer p-dotierten Siliziumschicht für die Erzeugung von Speicherkondensatoren für einen DRAM- Halbleiterspeicher.

Fig. 3) Flaschenartige Grabenkondensatoren erzeugt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Das in Fig. la) bis le) gezeigte Verfahren zu Erzeugung von Gräben in p-dotiertem Silizium nach Stand der Technik ist bereits beschrieben worden.

Fig. 2a) bis 2d) beschreiben das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Gräben in p-dotiertem Silizium, das Teil der Prozeßschrittfolge für die Herstellung von DRAM- Halbleiterspeichern ist.

Fig 2a) zeigt eine p-dotierte Siliziumscheibe 2-1, die aus einer hochimplantierten Siliziumschicht 2-la mit einer bevorzugten Dotierung von etwa 3X1017 l/cm3 mit bevorzugt Bor als Dotiermittel (entsprechend 0.1 Ohm cm) und einem Siliziumsubstrat 2-lb mit einer mittleren Dotierung von etwa 1016 1/cm3 besteht. Bevorzugte Kristallorientierung der Siliziumschicht ist <100>. Die Siliziumschicht 2-la ist bevorzugt epitaktisch auf das Siliziumsubstrat 2-lb aufgebracht und hat bevorzugt eine Dicke, die größer ist als die Tiefe der zu ätzenden Gräben, bevorzugt also mehr als 10 Mm. Auf die Siliziumscheibe 2-1 wird zunächst eine Oxidschicht 2-2, die bevorzugt ein dünnes Pad-Oxid ist, und eine Nitridschicht 2-3 aufgebracht, die als Maskenmaterial für die Maske, mit der die Position der Startkeime später vorgegeben wird, dient. Gleichzeitig dient diese Maske auch als strukturierende Maske für später folgende CMP- Strukturierungen (Damascene'sche Strukturierungsverfahren).

Als Schutz der zu strukturierenden Vorderseite bei der folgenden Rückseitenimplantation wird weiterhin beispielsweise eine BSG-Schicht 2-4 auf die Vorderseite gegeben.

Alternativ kann die Oxid-Nitridmaskenschicht auch durch einen Photoresist ersetzt werden, da zur Erzeugung der Gräben die Maske lediglich zur Herstellung von Startkeimen dient, die nur wenige 10 nm tief sein müssen. Dies ist eine große Vereinfachung des Verfahrens. Zusätzlich wird durch diese Vorgehensweise eine bessere Maskenauflösung erreicht, da die Photoresistmaske dadurch weniger als 100 nm dick sein muß.

Nachteilig ist, daß bei der Benutzung einer Photoresistmaske für die Erzeugung der Startkeime für spätere Prozesse keine harte Maske für CMP-Schritte zur Verfügung steht. Ggf. muß eine solche Hartmaske dann zu einem späteren Zeitpunkt aufgebracht werden.

Nach der (beidseitigen) Aufbringung der Oxid- Nitridschicht (2-2 und 2-3) wird eine Rückseitenimplantation durch die Nitridschicht 2-3 und durch die Oxidschicht 2-2 mit einem p-Implantat 2-5 vorgenommen, die für eine niederohmige und gleichmäßige p-Implantationsschicht 2-6 zur Rückseitenkontaktierung sorgt. Eine typische Implantationsdosis für die Rückseitenimplantation mit Bor ist 1016 1/cm2 bei einer Energie von etwa 220 keV. Dieser Verfahrensschritt ist in Fig. 2a) gezeigt. Nach der Implantation wird die BSG-Schicht 2-4 wieder entfernt.

Fig. 2b) zeigt die p-dotierte Siliziumscheibe 2-1 nach der Erzeugung der Maske und der Startkeime 2-7. Die Maske aus der Oxidschicht 2-2 und der Nitridschicht 2-3 wird vorteilhaft durch einen anisotropen Trockenätzschritt mit einem dritten Trockenätzgas 2-9, bevorzugt in einem RIE- Ätzschritt, an einer drüber liegenden photolithographisch hergestellten Photoresistmaske 2-8 erzeugt. Typischer Durchmesser dieser Maskenöffnungen sind 70 nm. In einer vorteilhaften Ausführung werden die Startkeime 2-7 durch eine Überätzung in die Siliziumschicht 2-la beim Erzeugen der Maske erzeugt. Diese Vorgehensweise erspart mindestens einen Prozeßschritt.

Alternativ werden die Startkeime 2-7 nach dem Ätzen in einem von der Oxid-Nitridmaskenherstellung getrennten Vorgang erzeugt. Bevorzugt werden dabei die Startkeime 2-7 durch Ätzen mit alkalischen Beizen hergestellt. Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt in der umgekehrten Pyramidenform der Startkeime, die die im Silizium anisotrop ätzende alkalische Beize im Silizium erzeugt. Die umgekehrte Pyramidenform ist durch ihre zur Rückseite der Siliziumscheibe hin gerichtete Spitze als Startkeim besonders geeignet. Eine ausgeprägte Spitze verursacht eine deutliche elektrische Felderhöhung, so daß dort das Wachstum der Gräben (Makroporen) definiert anfängt.

Nachdem die Rückseite der Siliziumscheibe 2-1 in einem Ätzschritt von der Nitridschicht 2-3 und der Oxidschicht 2-2 befreit worden ist, wird die Siliziumscheibe 2-1 bevorzugt in einer Elektrochemischen Kammer 2-11 mit der Rückseite auf eine leitfähige Kontaktschicht 2-10 aufgelegt und ggf. dort angepreßt. Eine Ausführung der Elektrochemischen Kammer ist in Fig. 2c) schematisch dargestellt. Die leitfähige Kontaktschicht 2-10 dient dazu, eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Substrathalter 2-12 und Siliziumscheibe 2-1 herzustellen, um die Rückseite der Siliziumscheibe 2-1 auf ein definiertes Potential zu legen zu können.

Auf der Siliziumscheibe 2-1 ist weiterhin ein Ätzbecher 2-14 aufgesetzt, der über einen O-Ring wasserdicht mit der Siliziumscheibe 2-1 abschließt. In den Ätzbecher 2-14 wird der Elektrolyt 2-15 eingefüllt, der somit nur die Vorderseite der Siliziumscheibe 2-1 bedeckt. In den Elektrolyt 2-15 ist die Elektrode 2-16 eingetaucht, deren zur Siliziumscheibe 2-1 gerichteten Oberfläche weitgehend koplanar zur Siliziumscheibe 2-1 ist und die Siliziumscheibe 2-1 weitgehend überdeckt. Auf diese Weise wird für eine homogene Stromdichte im Gebiet der Rückseite der Siliziumscheibe 2-1 gesorgt, wobei die Stromrichtung weitgehend senkrecht zur Rückseite der Siliziumscheibe 2-1 verläuft. Die für den Stromfluß erforderliche Spannung wird durch eine Spannungsquelle 2-18 zwischen Elektrode 2-16 und Substrathalter 2-12 bereitgestellt. Die Spannung an der Elektrode 2-16 ist bevorzugt eine negative Spannung in Bezug zum Substrathalter. Die Spannung wird so weit aufgedreht, bis sich eine Stromdichte im Bereich von 1 bis 10 mA/cm2 einstellt. Der Strom und damit die mittlere Stromdichte wird an einem Strommeßgerät 2-19 gemessen.

Der elektrochemische Prozeß wird bevorzugt mit einer Stromdichte von etwa 1 bis 10 mA/cm2 gefahren und erzeugt damit in der Siliziumschicht Gräben mit einem Durchmesser von etwa 100 nm. Als Elektolyt wird bevorzugt ein organischer Elektrolyt, bevorzugt Acetonitril (MeCN), Dimethylformamid (DMF) oder Dimethylamid (DMA) mit einem 4%-igen Flußsäureanteil verwendet. Die Ätzrate beträgt mit diesen Elektrolyten in etwa 2 bis 5 ym/min, so daß der elektrochemische Ätzvorgang zur Erzeugung von Gräben mit 10 ßm Tiefe nach 2 bis 5 Minuten abgeschlossen ist (Fig. 2d)).

Nach der elektrochemischen Ätzung der Gräben wird, um eine Verunreinigung der Vorderseite der Siliziumscheibe 2-1 durch die ggf. hochdotierte Rückseite zu verhindern, bevorzugt die p-Implantationsschicht 2-6 auf der Rückseite durch Ätzen entfernt. Man erhält so den in Fig. 2d) dargestellten Aufbau.

Danach wird bevorzugt die Oxid-Nitrid-Maske (2-2 und 2- 3) mit einer photolithographischen Maske zurückgeätzt, um die teilweise überdeckten Gräbenöffnungen der Gräben 2-22 freizulegen und mit der Fertigstellung der Kondensatoren zu beginnen. Nachdem die Oxid-Nitridmaske (2-2 und 2-3) zurückgeätzt worden ist, wird in einer bevorzugten Ausführung eine Arsenic Silicate Glas (ASG)-Schicht in die Gräben 2-22 eingebracht. Das Arsen wird in einem Temperungsschritt in die Seitenwände der Gräben eingetrieben, so daß die Grabenwände ein n-dotiertes Gebiet, das die vergrabene Kondensatorplatte 2-24 des zu erzeugenden Speicherkondensators repräsentiert, erzeugen. Statt des ASG-Schrittes kann die n-Schicht alternativ z. B. auch durch Gas Phase Doping (GPD) geschehen.

Der aus diesen Schritten hervorgehende Aufbau ist in Fig. 2e dargestellt.

Die folgenden Schritte, d. h. Einbringung einer dünnen Kondensatordielektrikumsschicht 2-26 (bevorzugt eine ONO- Schicht) in die Gräben, Einbringen einer Polysiliziumschicht als zweite Kondensatorplatte 2-28 des Speicherkondensators auf die Kondensatordielektrikumsschicht in den Gräben sowie die Strukturierung dieser Schichten mit Hilfe eines CMP- Schrittes, führen zu dem in Fig. 2f) dargestellten Aufbau.

Diese Schritte sind Stand der Technik und werden hier nicht weiter beschrieben.

Fig. 3 zeigt einen zweiten Grabenkondensator, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt worden ist. Im Unterschied zu dem in den Fig. 2a) bis 2f) dargestellten Verfahren ist hier jedoch die Stromdichte während der Ätzung der Gräben zu einem Zeitpunkt von einem Stromdichtewert von 2 mA/cm2 auf 10 mA/cm2 erhöht worden, so daß der untere Teil des Grabens einen größeren Durchmesser hat. Der Graben bekommt durch diese Veränderung eine flaschenartige Form. Der weitere Verlauf, d. h. die konforme Aufbringung des Kondensatordielektrikums 2-26 und die Aufbringung der Polysiliziumschicht 2-28 für die zweite Elektrode ist analog zu dem in dem Fig. 2a) bis 2f) gezeigten Ablauf. Die flaschenartige Form der Grabenkondensatoren bietet eine erhöhte Grabenwandfläche und somit eine größer Kapazität bei gleichbleibendem Flächenbedarf an der Oberfläche der Siliziumschicht.

Figurenlegende 1-1 Siliziumscheibe 1-2 Pad-Oxid 1-3 Nitridschicht 1-4 Oxidschicht 1-6 Photoresistmaske 1-7 erstes Trockenätzgas 1-8 zweites Trockenätzgas 1-10 erste Elektrode 1-11 Kondensatordielektrikum 1-12 zweite Elektrode 1-13 Maskenöffnung 1-15 Graben 2-1 Siliziumscheibe 2-2 Oxidschicht 2-3 Nitridschicht 2-4 BSG-Schicht 2-5 p-Implantat 2-6 p-Implantationsschicht 2-7 Startkeim 2-8 Photoresist 2-9 drittes Trockenätzgas 2-10 leitfähige Kontaktschicht 2-11 Elektrochemische Kammer 2-12 Substrathalter 2-14 Ätzbecher 2-15 Elektrolyt 2-16 Gegenelektrode 2-18 Spannungsquelle 2-19 Strommeßgerät 2-22 Graben 2-24 erste Elektrode 2-26 Kondensatordielektrikum 2-28 zweite Elektrode