专利名称：深沟道电容器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电容器的结构和制造方法，更详细地说，涉及作为动态随机存取存储器(DRAM)单元的存储电容器的存储电容器。
当前广泛使用的基本DRAM存储单元包括与通常是场效应晶体管(FET)的开关串联连接的存储电容器。所述晶体管的普遍形式是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，后者具有漏极(输入/输出)、源极(输入/输出)和栅极。随着DRAM的容量的增长，使用封装越来越密集的、越来越小的元件已经变得必不可少。为了保持良好的信噪比，保持比较高的存储电容器电容量已经变得很重要。在不使用过大的芯片表面积的情况下实现高电容量的电容器的普遍形式是沟道电容器，后者包括从硅芯片的顶面垂直地延伸、深入所述硅芯片的沟道。这种沟道首先镶有作为电容器介质的介质薄膜，然后填充掺杂的多晶硅。掺杂的多晶硅作为电容器的极板和存储节点，并且本身连接到MOSFET的一个输入/输出端子(漏极/源极)。硅芯片体起电容器的另一个极板的作用，并且，通常连接到供DRAM用的电压电源的一个端子。MOSFET的另一个输入/输出端子(源极/漏极)连接到DRAM的位线。存储在存储单元中的逻辑信息被以存储电容上的电荷的形式、经由位线读入存储单元或者从存储单元读出。控制MOSFET的导通的MOSFET的栅极连接到DRAM的字线。
为了增加电容量，已经有把沟道越来越深地扩展到硅芯片中、以便增加电容器的极板表面积，从而增加有效电容量的趋势。
在蚀刻沟道时产生的问题之一是淀积在芯片的顶面上、用以限定待蚀刻的面积的掩模的损坏。掩模损坏的速度取决于晶片处在蚀刻过程中的温度，并且存在对晶片不受过分损坏的、能够安全地承受的加热强度的限制。这有时叫做掩模的热量收支。
已经提出的增加电容量的一种技术是使沟道一旦突破芯片的有效上区域就扩张成瓶子状，从而在不必同等地增加所占用的芯片表面积的情况下增加极板面积。
本发明力图比以前已经做的更有效地利用所述热量收支，以便增加能够从沟道电容器获得的电容量。
我们已经发现，通过提供具有多腰部外形的沟道，有可能增加沟道电容器的电容量。
我们还发现，通过改变晶片的温度，使得在不过分损坏蚀刻掩模的情况下增加能够蚀刻的沟道的深度成为可能的。此外，这种温度变化导致增加沟道的电容量，不仅是由于增加了可以安全地形成的沟道的深度，而且由于在沟道的侧壁形成波浪式表面。这些因素中的每一个都导致电容器极板的总的表面积的增加，从而导致所提供的电容量的增加。
通常，在蚀刻期间，硅晶片被支撑在底盘或者卡盘上，在所述卡盘上铣槽，以便用来冷却所支撑的硅晶片的冷却气体可以流过该卡盘。用来实现所需要的温度变化的方便的方法是仅仅适当地改变流过底盘的、通常是氦气的冷却剂的流速，所述流速越高，冷却的效率越高。
此外，由于所蚀刻的沟道的直径既决定于蚀刻期间晶片的温度T，又决定于气体混合物中各种气体的比例、或者用于蚀刻的小室中气体混合物的压力，所以，本发明还仔细考虑蚀刻期间那些参数中任何一个参数的变化，以便获得所需要的多腰部外形。
根据广泛的工艺方面，本发明是一种在硅晶片中蚀刻垂直沟道的反应离子蚀刻工艺，该工艺包括把硅晶片支撑在蚀刻室中，包括至少一种提供适合于蚀刻的反应离子的气体和至少一种起增强在蚀刻的沟道壁上形成淀积物的作用的气体的气体混合物流过所述蚀刻室。所述工艺还包括以下步骤通过改变晶片温度、两种气体的比例和气体压力中的至少一种参数来改变作为蚀刻结果的沟道的直径，从而在晶片中产生具有多个腰部的垂直沟道。
根据最佳的工艺方面，本发明是一种硅晶片的反应离子蚀刻工艺，该工艺包括把硅晶片支撑在等离子体蚀刻室中，包括至少一种提供适合于蚀刻的反应离子的气体和至少一种起增强沟道壁涂层形成的作用的气体的气体混合物流过所述等离子体蚀刻室。所述工艺还包括以下步骤在反应离子蚀刻过程中改变硅晶片温度，从而在硅晶片中产生垂直沟道，与对于相同的热量收支、在蚀刻过程中把硅晶片保持在基本上均匀的温度下所能获得的相比，所述垂直沟道比较深并且具有较大的表面积。
根据产品方面，本发明针对具有其外形有多个腰部的特征的、用作存储单元的存储电容器的沟道电容器。所述外形通常有两个腰部。
从以下利用附图所进行的更详细的描述，将更好地理解本发明。
图1显示用于本发明的蚀刻装置的基本结构；图2显示根据本发明蚀刻的沟道的典型的横截面图；以及图3显示填充多晶硅之后的图2的沟道。
各附图没有必要按比例绘制。
现在参考图1，图中示出包括蚀刻室12的蚀刻装置10，蚀刻室12中包含在下表面的静电底盘(卡盘)14和在上表面的气体分布板16。底盘14和板16彼此基本上平行并且分别构成第一和第二电极。高频发生器17耦合在底盘14和板16之间。在把适当的气体引入蚀刻室12的情况下，蚀刻室1中发生高频辉光放电反应。蚀刻室12通常是由氧化铝制成的。
待蚀刻的、通常是硅晶片的工件18被置于并且支撑在金属的底盘(卡盘)14上。在硅晶片18的上表面18A上是掩模21，后者具有小孔21A和21B，穿过这些小孔曝露出晶片18的表面18A的将形成沟道的部分。图中仅示出用于举例说明的对应于两个沟道的两个小孔。晶片18通常是单晶，并且具有沿着晶面100切割的上表面18A。蚀刻室12中的高频辉光放电反应产生等离子体，后者产生引起蚀刻的反应离子。掩模21的厚度通常是几千埃。把该厚度增加到大大地超过此值而仍然达到诸如动态随机存取存储器(DRAMS)的集成电路技术发展水平所需要的规定是不实际的。
此外，通常，一些线圈(未示出)围绕着蚀刻室12，用于在该蚀刻室中产生垂直于与高频放电相关的电场的磁场。已知这是用来提高蚀刻反应的效率，并且一般用于图1中所示类型的反应离子蚀刻设备中。但是，在其它反应蚀刻设备的情况下它可能是不必要的。
通常由在蚀刻室12的顶部、上电极16中的入口提供气体混合物，上电极16是多孔的(未示出)，所述孔具有将从其中射出的气体分散的形式。在蚀刻室12底部的排气口(未示出)处将用过的气体排出。所述气体混合物通常包含溴化氢(HBr)、三氟化氮(NF3)和氦-氧气(He-O2)，关于混合气体，下面将更详细地说明。
底盘14备有通过通常是氦气的冷却气体的槽(未示出)。入口和出口(均未示出)用来使氦气流过板16。这种气体用来冷却晶片18的背面。冷却气体的流速用来控制硅晶片18的温度，并且还是用来控制据以蚀刻沟道以及相应地据以蚀刻沟道的外形的各向异性的速率和程度的主要机制。晶片的温度越高，蚀刻的速度越快。
众所周知，在这里所涉及的类型的反应离子蚀刻工艺中，等离子体中由高频放电产生的反应离子与硅反应，从而将硅转换成被排出的气态硅混合物。在这种气态硅混合物中的大部分正被排出的同时，它的一部分留下来，并且往往以硅混合物的形式淀积在所蚀刻的表面上。为了控制这种淀积，通常的做法是把增强这种淀积物的形成的成分包含在所述气体混合物中。这就是上述包含在说明性的气体混合物中的氦-氧气的作用。另一方面，NF3和Hbr是有效的蚀刻剂，因此抑制所述淀积。
在蚀刻室混合物富含蚀刻气体时，沟道被非常有效地并且各向同性地蚀刻，于是，蚀刻出比较宽直径的沟道。在气体混合物缺乏蚀刻种类气体时，蚀刻的效率较低并且更加各向异性，于是，蚀刻出比较窄直径的沟道。事情基本上是这样的，随着三氟化氮(主要提供蚀刻离子的气体成分)对氦-氧气(增强淀积的气体成分)的比例的提高，蚀刻变得更加各向同性，因为蚀刻主要是化学性质的。随着这比值的降低，蚀刻变得较少化学性质而更加依靠大量高垂直速度离子的物理碾磨，因此更加各向异性。
此外，蚀刻和淀积之间的平衡不但依赖于不同气体种类的比值，而且依赖于晶片的温度T。随着T的上升，出现较弱的壁淀积，导致更加各向同性的蚀刻(沟道直径的加宽)，而随着T的下降，情况正好相反。因此，处理期间T的变化为相应的沟道外形变化做好准备。本发明利用这种现象来形成具有上述优点的多腰部沟道。另一种方法是，可以通过改变上述混合物中气体种类的比值或/和改变蚀刻室压力来产生这样的外形。事实上，可以利用T、所述比值和蚀刻室压力这三种参数的任何组合来实现多腰部沟道。由于所述热量收支对蚀刻掩模的损坏尤其敏感，所以，温度的变化是最佳技术，因为，它既允许简化热量收支，又允许增加沟道的表面积。但是，本发明考虑利用这三种可能的技术中的一种或者多种。
图2显示已经由本发明的新颖的工艺、利用下文将描述的举例说明的实施例中所阐述的参数蚀刻的典型的沟道22的外形。
图3显示图2的、已经填充掺杂的多晶硅37以便完成其作为存储电容器的作用的沟道22。应当指出，通常在多晶硅填充物留有孔隙38A和38B，但是，这不影响其作为存储电容器的极板的作用。
现在回来参考图2，沟道22的外形包括穿过晶片18的上工作区的稍微渐缩的第一部分23，在所述晶片18中形成各种硅晶体管和浅氧化物绝缘沟道，后者用于限定各个存储单元。这后面是第二部分24，其中，所述锥形的端部向外开，在它们之间留下第一腰部26。可以延伸这种扩张以便形成这样的宽度，以便可靠地用来允许良好的填充和避免DRAM的类似的相邻存储电容器的干扰。这后面是部分28，其中，所述锥形再次倒转方向，于是沟道变窄，在所述锥形再次变宽以便形成最后部分32之前建立第二腰部29。已经发现，对于固定的热量收支，有可能通过流速的上下变化来实现比冷却气体的均匀流速情况下更深的沟道深度。还发现，如图2所示，沟道横截面的变化还提供所述电容器极板的更大的总表面积。这两个因素组合起来增加了沟道的电容量。
众所周知，在淀积多晶硅以便填充沟道之前，在沟道的壁上形成通常是氮化硅或氮氧化硅的绝缘层36，作为所述电容器的绝缘层。
可以看到，沟道的外形可以具有包括两个腰部的特征。从顶部开始，第一部分23的起始宽度以等于掩模的开口尺寸的形式开始。部分23的宽度逐渐减小，从而形成第一腰部26。此后，沟道在部分24处变宽并且达到甚至比其起始宽度更宽的直径。此外，在部分28，沟道再次变窄，从而形成甚至比第一腰部26更窄的第二腰部30。除了这深度之外，沟道在部分32处再次变宽，并且在其底部扩张到可以与早期达到的最大值比拟的宽度。由于晶片18的结晶性质，沟道22的横截面通常是椭圆形的。
用于实现所述外形的工艺包括具有下文所示参数的六个步骤。所述各参数包括蚀刻室中气体混合物的气体压力，它决定于所示的各种成分的流率；所施加的用于产生高频放电的、以瓦量度的高频功率；在蚀刻室中保持的、以高斯为单位的磁场；每个步骤的以秒为单位的时间；以及流过所述底盘、用于冷却晶片的后部氦气的压力。通过比较所有六个步骤中冷却氦气的压力，可以发现，所述工艺包含晶片18的温度的若干次变化。应当指出，通常在暴露于空气中的硅上形成有氧化硅(SiO2)层，在实现硅的蚀刻之前必须将它去除(穿透)。
所述各步骤的说明性的实例如下步骤1)穿透SiO2层20毫乇/HBr＝20标准立方厘米/分(sccm)，NF3＝5sccm/600瓦/15秒/6乇后部氦气压力步骤2)蚀刻1150毫乇/HBr＝110，NF3＝16
He-O2＝40/800瓦/100高斯/110秒/6乇后部氦气压力步骤3)蚀刻2150毫乇/HBr＝110，NF3＝16He-O2＝26/800瓦/100高斯/25秒/4乇后部氦气压力步骤4)蚀刻3150毫乇/HBr＝110，NF3＝16He-O2＝30/1100瓦/100高斯/145秒/2乇后部氦气压力步骤5)蚀刻4150毫乇/HBr＝110，NF3＝16He-O2＝30/1100瓦/100高斯/100秒/10乇后部氦气压力步骤6)蚀刻5150毫乇/HBr＝110，NF3＝16He-O2＝30/1100瓦/100高斯/100秒/2乇后部氦气压力应当理解，各种气体、它们的压力、被离子化的各种气体分量和抑制气体的流率以及冷气体的流率，都仅仅是说明性的，因此，可以用各种各样的替代方案。
本发明的实质是在反应离子蚀刻处理过程中以这样的方式改变硅晶片的温度，即，以既增加可以被安全地蚀刻的蚀刻深度、又提供波浪式蚀刻壁的方式利用现有的热量收支，从而，与相同的热量收支下利用均匀加热速率相比较，增加了可用的电容量。
权利要求
1.一种在硅晶片中蚀刻垂直沟道的反应离子蚀刻工艺，该工艺包括把硅晶片支撑在蚀刻室中，包括至少一种提供适合于蚀刻的反应离子的气体和至少一种起增强在蚀刻的沟道壁上形成淀积物的作用的气体的气体混合物流过所述蚀刻室，以及以下步骤通过改变晶片温度、两种气体的比例和气体压力等中的至少一种参数来改变作为蚀刻结果的沟道的直径，从而在晶片中产生具有多个腰部的垂直沟道。
2.权利要求1的工艺，其特征在于其中改变所述晶片的温度。
3.权利要求1的工艺，其特征在于其中改变两种气体的比例。
4.权利要求1的工艺，其特征在于其中改变所述蚀刻室的温度。
5.权利要求1的工艺，其特征在于其中改变所述三种列举的参数中的两种。
6.权利要求1的工艺，其特征在于其中改变所述参数中所有三种参数。
7.一种硅晶片的反应离子蚀刻工艺，该工艺包括把硅晶片支撑在等离子体蚀刻室中，包括至少一种提供适合于蚀刻的反应离子的气体和至少一种起增强沟道壁涂层形成的作用的气体的气体混合物流过所述等离子体蚀刻室，以及以下步骤在反应离子蚀刻过程中改变硅晶片温度，从而在硅晶片中产生垂直沟道，与对于相同的热量收支、在蚀刻过程中把硅晶片保持在基本上均匀的温度下所能获得的相比，所述垂直沟道比较深并且具有较大的表面积。
8.权利要求7的工艺，其特征在于其中采用首先提高所述温度、然后降低所述温度、然后再提高温度的方法来改变所述晶片的温度。
9.权利要求8的工艺，其特征在于其中采用改变流过硅晶片被支撑在其上的底盘的冷却剂的流量的方法来改变所述晶片的温度。
10.权利要求8的工艺，其特征在于其中改变所述温度，以便在所述沟道的所述垂直壁的外形中形成多个腰部。
11.权利要求9的工艺，其特征在于其中改变所述冷却剂的流量，以便在所述沟道的所述垂直壁的外形中形成多个腰部。
12.权利要求9的工艺，其特征在于所述冷却剂是氦气。
13.一种用作存储单元的存储电容器的沟道电容器，其特征在于其外形具有多个腰部。
14.权利要求13的沟道电容器，其特征在于所述外形具有两个腰部。
全文摘要
通过反应离子蚀刻工艺,以一种使其具有包含多个腰部的外形的方式,在硅晶片中蚀刻用于形成DRAM的存储电容器的垂直沟道。采用以下方法来获得这种外形:在反应离子蚀刻过程中改变硅晶片被支撑在其上的底盘中冷却剂流率,以便在该蚀刻过程中改变该硅晶片的温度。另一种方法是,通过或者改变蚀刻室中不同气体的比例,或者改变蚀刻室中总的气体压力来实现所述多腰部外形。
文档编号H01L21/334GK1241018SQ9910843
公开日2000年1月12日 申请日期1999年6月9日 优先权日1998年6月9日
发明者A·米凯利斯, R·拉纳德, B·弗里特纳 申请人:西门子公司