DE10046021B4

DE10046021B4 - Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren auf Halbleitersubstraten in einer Einrichtung zur Bildung von Dünnfilmen

Info

Publication number: DE10046021B4
Application number: DE10046021A
Authority: DE
Inventors: Chang-Seok Kang; Doo-Sup Hwang; Cha-Young Yoo; Young-Wook Park; Hong-Bae Park
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 2000-09-18
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2020-09-19
Also published as: US6806183B2; US20030096472A1; KR20010027867A; KR100363081B1; DE10046021A1; JP2001148377A; TW515027B

Abstract

Verfahren zur Bildung eines Kondensators auf einem Substrat, mit folgenden Schritten:
Bilden einer unteren Elektrode (121) auf dem Substrat (101);
Bilden einer amorphen dielektrischen Teilschicht auf der unteren Elektrode (121) mittels MOCVD;
Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandeln der dielektrischen Teilschicht;
wobei der Schritt der Bildung der dielektrischen Teilschicht und der Schritt der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der dielektrischen Teilschicht wiederholt durchgeführt werden, so dass eine durchgehende dielektrische Schicht (123) gebildet wird, und danach das Verfahren weiter zum Kristallisieren der dielektrischen Schicht (123) eine Kristallisations-Wärmebehandlung aufweist;
und Bilden einer oberen Elektrode (125) auf der einer Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung unterzogenen dielektrischen Schicht (123).

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren auf Substraten und, insbesondere, Verfahren zur Verwendung einer Einrichtung mit Mehrfachkammern zur Erzeugung von Dünnfilmen auf Halbleitersubstraten zum Herstellen von Kondensatoren auf Halbleitersubstraten.
Hintergrund der Erfindung
Aus der US 5,910,218 A ist ein Verfahren zum Bilden eines dielektrischen Films auf einem Substrat bekannt, bei dem zunächst der dielektrische Film abgeschieden wird und dieser Film anschließend in einer Atmosphäre eines Sauerstoffplasmas oder unter Einfluss von UV-Licht in einer Ozonatmosphäre getempert wird.
Aus der EP 0 821 415 A2 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Kondensators mit einer dielektrischen Schicht bekannt, wobei die dielektrische Schicht aus mehreren Schichten besteht, die jeweils durch Abscheiden einer amorphen Schicht und einem Sol-Gel-Verfahren und anschließendem Tempern gebildet werden.
Aus der US 5,164,808 A ist das Oxidieren einer unteren Platinelektrode einer Kondensatorstruktur in einem Sauerstoffplasma bekannt.
Aus der JP 10-233489 A ist die Herstellung eines Kondensators bekannt, wobei zunächst eine untere Elektrode, eine dielektrische Schicht und dann eine obere Elektro de auf ein Substrat abgeschieden werden und anschließend diese Struktur einem Sauerstoffplasma ausgesetzt wird.
In der Druckschrift JP 11-177057 A ist die Herstellung eines Kondensators mit einer unteren Elektrode, einer dielektrischen Schicht und einer oberen Elektrode beschrieben, wobei die dielektrische Schicht durch wiederholtes Aufbringen und Sauerstoffradikal-Plasma-Wärmebehandlung von Teilschichten hergestellt wird.
Bei der Steigerung der Gerätedichte auf Halbleitersubstraten, welche zu hochintegrierten Halbleitergeräten führt, kann es wünschenswert sein, die Kapazität in einem begrenzten Zellenbereich zu erhöhen. Verschiedene Methoden wurden vorgeschlagen, beispielsweise eine Verringerung der Dicke der dielektrischen Schicht, eine Erhöhung der effektiven Oberflächengröße der Elektroden, und/oder die Verwendung von dielektrischen Schichten mit großen Dielektrizitätskonstanten, beispielsweise die Verwendung von Schichten aus ferroelektrischen Materialien. Ist hier von dielektrischen Schichten mit großen Dielektrizitätskonstanten einschließlich ferroelektrischen Filmen die Rede, so werden diese als Hochdielektrikumsschichten bezeichnet.
Ein ferroelektrisches Material, beispielsweise PbZrTiO₃ (PZT) oder BaSrTiO₃ (BST) kann als Hochdielektrikumsschicht verwendet werden. Abweichend von einer Siliziumoxidschicht, einer Siliziumnitridschicht oder einer Tantaloxidschicht kann das ferroelektrische Material eine spontane Polarisationserscheinung aufweisen. Das ferroelektrische Material hat auch typischerweise eine Dielektrizitätskonstante zwischen mehreren hundert und mehreren tausend. Da die äquivalente Oxiddicke der Hochdielektrikumsschicht gleich oder kleiner als 1 nm ist, wenngleich die Hochdielektrikumsschicht bis zu einer Dicke von 50 nm gebildet ist, so ist es daher möglich, die Kapazität beträchtlich zu vergrößern, wenn für einen Kondensator die Hochdielektrikumsschicht eingesetzt wird.
Wenn ein Kondensator eines hochintegrierten Halbleiterleitergerätes erzeugt wird, so besitzt die Hochdielektrikumsschicht, beispielsweise aus BST oder PZT vorzugswei se eine hohe Dielektrizitätskonstante und eine ausgezeichnete Stufenüberdeckung. Der resultierende Kondensator hat insbesondere hervorragende Leckstromeigenschaften. Um dies zu erreichen verwendet man zur Bildung der Hochdielektrikumsschicht typischerweise ein metallorganisches chemisches Dampfablagerungsverfahren (MOCVD).
Wenn jedoch die Hochdielektrikumsschicht, beispielsweise die BST-Schicht, die durch das MOCVD-Verfahren gebildet wird, an dem Kondensator angebracht wird, wird die Hochdielektrikumsschicht typischerweise bei einer hohen Temperatur von mehr als etwa 500°C erzeugt, um die Leckstromeigenschaften des Kondensators zu verbessern. Während die Leckstromeigenschaften des resultierenden Kondensators gut sein können, kann die Stufenüberdeckung einer Hochdielektrikumsschicht, die bei der hohen Temperatur gebildet wird, kleiner als etwa 50% sein, was im allgemeinen als schlecht angesehen wird. Wenn die Stufenüberdeckung der Hochdielektrikumsschicht schlecht ist, so läßt sich die Hochdielektrikumsschicht nicht so gut in hochintegrierten Halbleitergeräten einsetzen, bei welchen ein Abstand zwischen Speicherelektroden (den unteren Elektroden des Kondensators) verhältnismäßig klein ist. Ferner kann dann, wenn die Hochdielektrikumsschicht bei der hohen Temperatur von mehr als etwa 500°C gebildet wird, eine Sperrmetallschicht oxidiert werden.
Zur Lösung der obigen Probleme kann die Hochdielektrikumsschicht bei einer niedrigen Temperatur von weniger als etwa 500°C abgelagert werden, bei der die Stufenüberdeckung der Hochdielektrikumsschicht gut ist. Wenn aber die Hochdielektrikumsschicht bei der niedrigen Temperatur abgelagert wird, kann eine Nach-Wärmebehandlung oder -Vergütung erforderlich sein, da die Hochdielektrikumsschicht als eine amorphe Schicht mit einer Dielektrizitätskonstanten von weniger als etwa 50 abgelagert wird. Zusätzlich können sich die Leckstromeigenschaften des Kondensators verschlechtern, da Verunreinigungen in der Dielektrikumsschicht verbleiben können. Diese Verunreinigungen können beispielsweise eine Kohlenstoffkomponente haben, die durch eine organische Metallquelle erzeugt wird, welche als Ausgangsmaterial oder Rohmaterial der Hochdielektrikumsschicht verwendet wird.
Zur Beseitigung der Verunreinigungen, welche in der Hochdielektrikumsschicht verbleiben können, kann nach dem Ablagern der Hochdielektrikumsschicht bei der niedrigen Temperatur von weniger als etwa 500°C ein Verfahren zur Kristallisations-Wärmebehandlung der Hochdielektrikumsschicht bei einer hohen Temperatur von über etwa 600°C vorgesehen werden. Wenn aber die Hochdielektrikumsschicht einer Kristallisations-Wärmebehandlung bei der hohen Temperatur von über etwa 600°C unterzogen wird, so können die Elektrode des Kondensators des Halbleitergerätes und die Sperrmetallschicht oxidiert werden und die Hochdielektrikumsschicht kann verschlechtert werden. Außerdem kann es vorkommen, daß die bleibenden Verunreinigungen nicht entfernt werden können, selbst wenn die Hochdielektrikumsschicht, welche bei der niedrigen Temperatur von weniger als etwa 500°C abgelagert worden ist, bei der hohen Temperatur von mehr als etwa 600°C einer Kristallisations-Wärmebehandlung unterzogen wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der Nachteile der oben kurz beschriebenen bekannten Verfahren bzw. Einrichtungen, insbesondere die Beseitigung der Nachteile einer Dielektrikumsschichtablagerung bei hoher Temperatur bzw. einer Dieelektrikumsablagerung bei niederer Temperatur mit nachfolgender Kristallisations-Wärmebehandlung bei hoher Temperatur.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Verfahren für eine Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung oder Plasma-Wärmebehandlung verschiedener Schichten (beispielsweise einer unteren Elektrode, einer Dielektrikumsschicht oder einer oberen Elektrode) eines mikroelektronischen Kondensators auf einem Substrat angegeben. Durch die Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der unteren Elektrode des Kondensators kann die Leckstromeigenschaft des Kondensators so verbes sert werden, dass der Leckstrom beispielsweise um einen Faktor von 100 oder mehr vermindert. Die Menge von Verunreinigungen an der unteren Elektrode kann vermindert werden. Eine Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der dielektrischen Schicht des Kondensators kann die Leckstromeigenschaften des Kondensators verbessern und kann die Menge von Verunreinigungen in der Dielektrikumsschicht reduzieren. Durch Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung der oberen Elektrode können die Leckstromeigenschaften des Kondensators verbessert werden und die Anzahl von Sauerstoff-Leerstellen, welche in der Dielektrikumsschicht gebildet werden, kann reduziert werden.
Durch Verfahren nach der vorliegenden Erfindung können Kondensatoren erzeugt werden, welche verbesserte Leckstromeigenschaften aufweisen. Verunreinigungen und Defekte in einer Schicht oder in mehreren Schichten des Kondensators können ebenfalls vermindert werden, während die verbesserten Leckstromeigenschaften beibehalten werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, das einen Vergleich des Leckstroms eines Kondensators mit Ozon-wärmebehandelter Hochdielektrikumsschicht gegenüber dem Leckstrom eines Kondensators zeigt, der ohne eine Ozon-Wärmebehandlung gebildet worden ist.
2 ist ein Diagramm, das einen Vergleich des Leckstroms eines Kondensators mit einer Plasma-wärmebehandelten Hochdielektrikumsschicht gegenüber dem Leckstrom eines Kondensators zeigt, der ohne Plasma-Wärmebehandlung hergestellt worden ist.
3 ist ein Diagramm, das einen Vergleich der Verteilung von verbleibenden Kohlenstoffverunreinigungen in einer Ozon-wärmebehandelten Hochdie lektrikumsschicht gegenüber dem Pegel solcher Verunreinigungen in einer Hochdielektrikumsschicht zeigt, welche nicht Ozon-wärmebehandelt wurde.
4 ist ein Diagramm, das einen Vergleich des Leckstroms eines Kondensators mit einer Ozon-wärmebehandelten unteren Elektrode gegenüber dem Leckstrom eines Kondensators zeigt, der ohne die Ozon-Wärmebehandlung gefertigt worden ist.
5 ist ein Diagramm, das einen Vergleich des Leckstroms eines Kondensators mit in einer Sauerstoffatmosphäre abgelagerter oberer Elektrode gegenüber dem Leckstrom eines Kondensators zeigt, der ohne diese Ablagerungstechnik erzeugt worden ist.
6 ist eine schematische Abbildung einer Einrichtung zur Bildung eines Dünnfilms in Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Multifunktionskammer in Strömungsverbindung mit einer Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlungseinheit.
7 ist eine schematische Abbildung der Multifunktionskammer gemäß 6 mit einem Ozongenerator als Sauerstoffradikal-Wärmebehandlungseinheit.
8 ist eine schematische Abbildung, welche die Multifunktionskammer von
6 erläutert und einen Plasmagenerator als Plasma-Wärmevergütungseinheit enthält.
9 ist eine schematische Abbildung zur Erläuterung von einer Einrichtung zur Erzeugung eins Dünnfilms in Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ähnlich der 6 mit einer Elektroden-Ablagerungskammer.
10 ist eine schematische Abbildung der Elektroden-Ablagerungskammer von 9.
11 ist eine schematische Abbildung einer Einrichtung zur Erzeugung eines Dünnfilms in Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ähnlich der nach 9 mit einer Kristallisations-Wärmebehandlungskammer.
12 ist eine schematische Abbildung zur Erläuterung einer Einrichtung zur Erzeugung eines Dünnfilms in Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Dielektrikumsschicht-Ablagerungskammer in Strömungsverbindung mit einer Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlungseinheit und einer Elektroden-Ablagerungskammer.
13 ist eine schematische Abbildung einer Einrichtung zur Erzeugung eines Dünnfilms in Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ähnlich der von 12 mit einer Kristallisations-Wärmebehandlungskammer.
14 ist eine schematische Abbildung einer Einrichtung zur Erzeugung eines Dünnfilms in Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ähnlich der von 12 mit einer Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlungskammer, welche so ausgebildet ist, daß mit ihr eine Vorbehandlung einer unteren Elektrode durchgeführt werden kann.
15 ist eine schematische Abbildung einer Einrichtung zur Erzeugung eines Dünnfilms in Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Dielektrikumsschicht-Ablagerungskammer, einer Elektroden-Ablagerungskammer und einer Kristallisations-Wärmebehandlungskammer in Strömungsverbindung mit einer Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlungseinheit.
16 ist eine schematische Abbildung einer Einrichtung zur Erzeugung eines Dünnfilms in Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ähnlich der nach 13 mit einer Kühlkammer.
17 ist eine schematische Abbildung der Einrichtung zur Erzeugung eines Dünnfilms in Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Dielektrikumsschicht-Ablagerungskammer, einer Elektroden-Ablagerungskammer und einer Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlungskammer zur Nachbehandlung einer Dielektrikumsschicht und/oder einer oberen Elektrode, in Strömungsverbindung mit einer Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlungseinheit.
18 ist eine schematische Abbildung einer Einrichtung zur Erzeugung eines Dünnfilms in Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ähnlich der nach 17 mit einer Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlungskammer, die so ausgebildet ist, daß eine untere Elektrode vorbehandelt werden kann.
19 ist eine schematische Abbildung einer Einrichtung zur Erzeugung eines Dünnfilms in Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ähnlich der nach 17 mit einer Kristallisations-Wärmebehandlungskammer.
20 ist eine schematische Abbildung einer Einrichtung zur Erzeugung eines Dünnfilms in Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ähnlich der nach 19 mit einer Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlungskammer, welche so ausgebildet ist, daß eine untere Elektrode vorbehandelt werden kann, so wie mit einer Vorheizkammer und einer Kühlkammer.
21 ist ein Flußdiagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung eines Kondensators auf einem Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Schritte der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung einer unteren Elektrode, des Ablagerns einer Dielektrikumsschicht und einer Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der Dielektrikumsschicht in einer einzigen Kammer durchgeführt werden und wobei die vorgenannten Schritte und der Schritt des Ablagerns einer oberen Elektrode in-situ durchgeführt werden.
22 ist ein Flußdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung eines Kondensators auf einem Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung ähnlich dem Ausführungsbeispiel von 21, wobei eine Kristallisations-Wärmebehandlung in-situ durchgeführt wird.
23 ist ein Flußdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Kondensators auf einem Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung ähnlich dem Ausführungsbeispiel von 21, jedoch ohne die Durchführung einer Kristallisations-Wärmebehandlung.
24 ist ein Flußdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Kondensators auf einem Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Schritte der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung einer dielektrischen Schicht und die Durchführung der Kristallisations-Wärmebehandlung in einer Multifunktionskammer durchge führt werden und wobei die vorgenannten Schritte und die Schritte der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung einer unteren Elektrode, des Ablagerns einer dielektrischen Schicht und des Ablagerns einer oberen Elektrode in-situ durchgeführt werden.
25 ist ein Flußdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung eines Kondensators auf einem Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung ähnlich dem Ausführungsbeispiel von 24, jedoch mit der Ausnahme, daß die untere Elektrode nicht einer Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung unterzogen wird.
26 ist ein Flußdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung eines Kondensators auf einem Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung ähnlich dem Ausführungsbeispiel von 22, jedoch mit der Ausnahme, daß die untere Elektrode keine Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung erfährt und das Substrat vor der Ablagerung des Dielektrikums vorerhitzt wird und nach der Kristallisations-Wärmebehandlung gekühlt wird.
27 ist ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Kondensators auf einem Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung ähnlich dem Ausführungsbeispiel von 22, wobei die untere Elektrode in-situ gebildet wird.
28 ist ein Flußdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung eines Kondensators auf einem Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung ähnlich dem Ausführungsbeispiel von 23, jedoch mit der Ausnahme, daß die untere Elektrode keiner Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung unterzogen wird und die obere Elektrode eine Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung erfährt.
29 ist ein Flußdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung eines Kondensators auf einem Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung ähnlich dem Ausführungsbeispiel von 28, wobei eine zweite obere Elektrode auf der ersten, einer Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung unterzogen Elektrode gebildet wird.
30 ist ein Seitenquerschnitt eines Kondensators, der unter Einsatz des Ausführungsbeispiels gemäß 28 auf einem Substrat gebildet ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung wird nun vollständiger unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und erläutert sind. In den Zeichnungen sind die Dicken der Schichten und Bereiche aus Deutlichkeitsgründen übertrieben dargestellt. Gleiche Bezugszahlen beziehen sich durchgehend auf gleiche Teile. Es versteht sich, daß dann, wenn ein Teil, beispielsweise eine Schicht, ein Bereich oder ein Substrat als auf einem anderen Teil befindlich bezeichnet wird, jenes Teil entweder unmittelbar auf dem anderen Element angeordnet sein kann oder dazwischen liegende Teile auch vorhanden sind. Wenn im Gegensatz hierzu ein Element als unmittelbar auf einem anderen Element befindlich angegeben wird, so sind keine dazwischen liegenden Teile vorhanden. Wird hier von „in-situ" gesprochen, so bedeutet dies die Durchführung verschiedener Maßnahmen ohne Aussetzen des Werkstückes gegenüber einer Umgebung, welche zu seiner Verunreinigung führen könnte, beispielsweise Luft.
Gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist es nun möglich, Dünnfilme in Kondensatoren auf Substraten herzustellen, vorzugsweise auf Halbleitersubstraten, derart, daß die Dünnfilme einen niedrigeren Verunreinigungspegel aufweisen und die Kondensatoren verbesserte elektrische Eigenschaften haben (beispielsweise eine verbesserte Leckstromcharakteristik). In der hier verwendeten Bedeutung sind Kondensatoren Geräte mit einer unteren Elektrode auf dem Substrat, einer die lektrischen Schicht auf der unteren Elektrode, sowie einer oberen Elektrode auf der dielektrischen Schicht. Die dielektrische Schicht ist vorzugsweise eine Hochdielektrikumsschicht, beispielsweise Ta₂O₅, Al₂O₃, TiO₂, Y₂O₃, SrTiO₃ (STO), BaTiO₃, SrTiO₃, PbZrTiO₃ (PZT), SrBi₂Ta₂O₉ (SBT), PbZrO₃, LaZrO₃, PbTiO₃, LaTiO₃, und Bi₄Ti₃O₁₂. Nachfolgend aber dient eine BST-Schicht mit einer Perovskite-Struktur als ein Beispiel für die Hochdielektrikumsschicht.
Verfahren gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können die Menge von Verunreinigungen, beispielsweise Kohlenstoff und Kohlendioxide, welche in der unteren Elektrode oder in der Dielektrikumsschicht verbleiben könnten, herabsetzen, wenn die untere Elektrode eine Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung erfährt oder die Hochdielektrikumsschicht einer Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung unterzogen wird. Auch kann eine Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung der oberen Elektrode die Bildung von Sauerstoff-Leerstellen in der Hochdielektrikumsschicht begrenzen. Der Leckstrom des Kondensators kann durch eine Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der unteren Elektrode, eine Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der Dielektrikumsschicht, oder eine Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung der oberen Elektrode vermindert werden. Zusätzlich zu den Verfahren zur Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung dünner Filme sehen Ausführungsbeispiele der Erfindung vor, dassdie Absorption von Verunreinigungen auf oder in das Werkstück begrenzt wird, indem eine Mehrzahl von Schritten in-situ in derselben Kammer durchgeführt wird, beispielsweise die Bildung einer unteren Elektrode, die Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der unteren Elektrode, die Bildung einer Dielektrikumsschicht, die Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der Dielektrikumsschicht, die Bildung einer oberen Elektrode und/oder die Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung der oberen Schicht.
Es sei nun im einzelnen auf 1 Bezug genommen. Das Diagramm zeigt einen Vergleich des Leckstroms eines Kondensators mit einer Hochdielektrikumsschicht, die einer Ozon-Wärmebehandlung unterzogen worden ist, gegenüber dem Leckstrom eines Kondensators, der ohne eine solche Ozon-Wärmebehandlung hergestellt worden ist. 1 zeigt die Leckstromcharakteristik des Kondensators mit folgendem Aufbau: Eine Platinschicht (als untere Elektrode), darauf eine BST-Schicht (als Hochdielektrikumsschicht) und darauf eine Platinschicht (als obere Elektrode). Die BST-Schicht wurde in einem amorphen Zustand bis zu einer Dicke von 15 nm auf der unteren Elektroden-Platinschicht gebildet, was bei 240°C erfolgte. In 1 bezeichnen die Bezugssymbole a und b einen Fall, in welchem die BST-Schicht eine Ozon-Wärmebehandlung erfuhr bzw. einen Fall, in dem die BST-Schicht keine Oxon-Wärmebehandlung erfahren hat.
Wie aus 1 zu ersehen, ermöglicht die Ozon-Wärmebehandlung das Anlegen einer größeren Spannung an den Kondensator für einen gegebenen Leckstromwert. Demgemäß ist der Leckstrom bei gewünschten Spannungen niedriger (d. h., die Leckstromcharakteristik des Kondensators ist verbessert), wenn die Ozon-Wärmebehandlung durchgeführt wird, gegenüber den Verhältnissen, bei denen die Ozon-Wärmebehandlung nicht durchgeführt wird. Die verbesserten Leckstromeigenschaften können auf einer Abnahme des Pegels der Verunreinigung in der BST-Schicht beruhen, wenn die Ozon-Wärmebehandlung nach der Bildung der Hochdielektrikumsschicht durchgerührt wird.
Es sei nun 2 betrachtet. Das Diagramm zeigt einen Vergleich des Leckstroms eines Kondensators mit einer Hochdielektrikumsschicht, welche eine Plasma-Wärmebehandlung erfahren hat, gegenüber dem Leckstrom eines Kondensators, der ohne eine solche Plasma-Wärmebehandlung hergestellt worden ist. 2 zeigt die Leckstromeigenschaft des Kondensators mit folgendem Aufbau: eine Platinschicht (als untere Elektrode), darauf eine BST-Schicht (als Hochdielektrikumsschicht), darauf eine Platinschicht (als obere Elektrode). Die BST-Schicht wurde im amorphen Zustand bis zu einer Dicke von 22 nm auf der unteren Elektroden-Platinschicht erzeugt, was bei 420°C geschah. In 2 bezeichnen die Bezugssymbole a und b einen Fall, in welchem die Plasma-Wärmebehandlung in einer N₂O Plasmagasatmosphäre durchgeführt wurde, nachdem die BST-Schicht gebildet war, bzw. einen Fall, in dem die Plasma-Wärmebehandlung nicht durchgeführt wurde.
Wie aus 2 ersichtlich gestattet das genannte Durchführen der Plasma-Wärmebehandlung das Anlegen einer größeren Spannung an den Kondensator für einen gegebenen Leckstromwert. Der Leckstrom bei gewünschten Spannungen ist daher niedriger (d. h., die Leckstromeigenschaft des Kondensators ist verbessert), wenn die Plasma-Wärmebehandlung durchgeführt wird, als wenn die Plasma-Wärmebehandlung nicht durchgeführt wird. Die verbesserten Leckstromeigenschaften können auf eine Abnahme des Pegels der Verunreinigungen in der BST-Schicht beruhen, wenn die Plasma-Wärmebehandlung nach Bildung der Hochdielektrikumsschicht durchgeführt wird.

Das Diagramm von 3 zeigt einen Vergleich der Verteilung von verbleibenden Kohlenstoff-Verunreinigungen in einer Hochdielektrikumsschicht, die eine Ozon-Wärmebehandlung erfahren hat, gegenüber dem Pegel solcher Verunreinigungen in einer Hochdielektrikumsschicht, die nicht einer Ozon-Wärmebehandlung unterzogen wurde. Verunreinigungen, beispielsweise Kohlenstoff, können in der BST-Schicht verbleiben, die in amorphem Zustand bei einer niedrigen Temperatur gleich oder weniger als 500°C abgelagert wurde. Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt auf, wie Kohlenstoff-Verunreinigungen für verschiedene Wärmebehandlungsbedingungen verteilt sind. Die Kohlenstoffverteilung wurde unter Verwendung einer Flugzeit-Sekundärionenmassen-Spektroskopie (TOF-SIMS) einer BST-Schicht mit einer Dicke von 15 nm im amorphen Zustand gemessen. Tabelle 1

Probe	Ablagerungsdicke und Temperatur der BST-Schicht	Wärmebehandlungsbedingungen nach Ablagerung der BST-Schicht
a	15 nm/420°C	nicht wärmebehandelt
b	15 nm/420°C	N₂+O₂(5%) wärmebehandelt bei 650°C für 30 Minuten
c	15 nm/420°C	Ozon-wärmebehandelt bei 350°C
d	15 nm/420°C	Ozon-wärmebehandelt bei 350°C und N₂+O₂(5%) wärmebehandelt bei 650°C für 30 Minuten

Wie in 3 gezeigt ist, ist die Menge von Kohlenstoff, die bei einer Ozon-Wärmebehandlung unterzogenen Proben c und d detektiert wurde, kleiner als die Menge von Kohlenstoff, die bei anderen, nicht einer Ozon-Wärmebehandlung unterzogenen Proben detektiert wurde. Da weniger Kohlenstoff in der einer Ozon-Wärmebehandlung unterzogenen Dielektrikumsschicht verbleibt, wird die Leckstromeigenschaft von Kondensatoren, die mit einer solchen Schicht gebildet werden, verbessert.
Der Leckstrom kann durch Vermindern der Verunreinigungen, beispielsweise CO₂ und C, vermindert werden, welche in der unteren Elektrode absorbiert werden, da der Leckstrom des Kondensators des Halbleitergerätes, der aus der unteren Elektrode der Hochdielektrikumsschicht und der oberen Elektrode gebildet ist, durch eine Schottky-Sperre unterdrückt werden, die durch den Unterschied zwischen der Austrittsarbeit der Elektrode und der Austrittsarbeit der Hochdielektrikumsschicht erzeugt wird.
Es sei nun 4 behandelt. Das Diagramm zeigt einen Vergleich des Leckstroms eines Kondensators mit einer Ozon-wärmebehandelten unteren Elektrode gegenüber dem Leckstrom eines Kondensators, der ohne eine solche Ozon-Wärmebehandlung gebildet worden ist. 4 zeigt die Leckstromeigenschaft des Kondensators mit folgender Struktur: eine Ru-Schicht (als untere Elektrode), eine BST-Schicht (als Hochdielektrikumsschicht), eine Ru-Schicht (als obere Elektrode). In 4 bezeichnen die Bezugssymbole a und b einen Fall, in welchem die untere Elektrode Ozon-wärmebehandelt ist, bzw. einen Fall, in welchem die untere Elektrode keine Ozon-Wärmebehandlung erfahren hat. Die untere Elektrode wird bei einer Temperatur von 350°C mit Gas, das eine Ozondichte von 10% hat, für 5 Minuten wärmebehandelt.
Wie in 4 gezeigt, ist der Leckstrom 1 × 10^–5 A/cm² bei 1,0 V, wenn die untere Elektrode mit Ozon eine Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung erfahren hat, und der Leckstrom beträgt 5 × 10^–3 A/cm² bei 1,0 V, wenn die untere Elektrode nicht mit Ozonsauerstoffradikal-wärmebehandelt worden ist. Die Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung der unteren Elektrode bewirkt somit eine Verringerung des Leckstroms beispielsweise um einen Faktor von etwa 100. Diese Verbesserung der Leckstromeigenschaften kann durch eine Herabsetzung des Pegels der Verunreinigungen an der Sauerstoffradikal-wärmebehandelten unteren Elektrode verursacht sein.
Das Diagramm von 5 zeigt einen Vergleich des Leckstroms eines Kondensators mit einer oberen Elektrode, die in einer Sauerstoffatmosphäre abgelagert worden ist, gegenüber dem Leckstrom in einem Kondensator, der ohne diese Ablagerung gefertigt worden ist. Wenn eine thermische Behandlung zur Kristallisation durchgeführt wird und die obere Elektrode gleichzeitig in einer reduzierenden Atmosphäre bei hoher Temperatur gebildet wird, beispielsweise in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur gleich oder über 650°C, so kann der Leckstrom des resultierenden Kondensators zunehmen, da Sauerstoffleerstellen leicht in der BST-Schicht gebildet werden, was dem Platin der oberen Elektrode ein Wandern ermöglicht. Gemäß Ausfüh rungsformen der vorliegenden Erfindung wird während der Bildung der oberen Elektrode Sauerstoff zugefügt, wodurch die elektrischen Eigenschaften des Kondensators verbessert werden können.
5 zeigt die Leckstromcharakteristik eines Kondensators mit folgendem Aufbau: eine Platinschicht (als untere Elektrode), eine BST-Schicht (als Hochdielektrikumsschicht), eine Platinschicht (als obere Elektrode). Die Bezugssymbole a und b bezeichnen einen Fall, in welchem Sauerstoff zugefügt wird, wenn die obere Elektrode in der reduzierenden Atmosphäre abgelagert wird, d. h., in einer N₂-Atmosphäre (bei einer Temperatur von 650°C), um die BST-Schicht zu kristallisieren, bzw. für den Fall, in welchem Sauerstoff nicht zugegeben wird.
Wie man aus 5 erkennt, ist der Leckstrom, wenn kein Sauerstoff zugegeben wird, 5 × 10^–3 A/cm² bei 1,0 V. Wenn jedoch Sauerstoff zugegeben wird, so trägt der Leckstrom 2 × 10^–6 A/cm² bei 1,0 V. Demgemäß kann die Zugabe von Sauerstoff gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung den Leckstrom beispielsweise um einen Faktor von 1000 vermindern. Der Leckstrom kann vermindert werden, wenn Sauerstoff während der Ablagerung der oberen Elektrode zugegeben wird, da das Platin der oberen Elektrode zu PtO wird. Der in der oberen Elektrode enthaltene Sauerstoff kann daher die Bildung von Sauerstoffleerstellen und die Wanderung von Platin der oberen Elektrode während der N₂-Wärmebehandlung verhindern.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen der Erfindung ist es möglich, eine obere Platinoxyd-Elektrode leichter herzustellen und stark mit der Hochdielektrikumsschicht zu kombinieren, wenn die obere Elektrode abgelagert und einer Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung unterzogen wird, als wenn während der Bildung der oberen Elektrode Sauerstoff zugefügt wird. Wenn insbesondere die obere Elektrode als Dünnfilm abgelagert und einer Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung unterzogen wird, so ist es möglich, die Temperatur zu erniedrigen, bei welcher die BST-Schicht kristallisiert wird und die Eigenschaften einer Trennfläche zwischen der BST-Schicht und der oberen Elektrode zu verbessern. Wird die obere Elektrode in der reduzierenden Atmosphäre wärmebe handelt, so kann die Wanderung von Platin von der oberen Elektrode weg verhindert werden.
Unter Bezugnahme auf 6 seien nun Ausführungsbeispiele einer Einrichtung zur Erzeugung eines Dünnfilms mit einer Multifunktionskammer in Strömungsverbindung mit einer Wärmebehandlungseinheit zum Durchführen eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die im folgenden beschriebenen Einrichtungen können Dünnfilme von Kondensatoren an hoch integrierten Halbleitergeräten auf Halbleitersubstraten nach Verfahren gemäß der Erfindung erzeugen. Diese Dünnfilme können die unteren Elektroden, dielektrische Schichten und obere Elektroden der Kondensatoren auf dem Halbleitersubstrat enthalten. Die Einrichtung enthält eine Beschickungs-Schleusenkammer 5 mit einer Kassette 3, welche mit einem Halbleiterwafer 1 oder mit mehreren Halbleiterwafern (dem Halbleitersubstrat) beschickt ist. Die Beschickungs-Schleusenkammer 5 hat Verbindung zu einer Transferkammer 9. Die Transferkammer 9 kann dazu verwendet werden, den Halbleiterwafer 1 von einer ersten Kammer innerhalb der Einrichtung zu einer zweiten Kammer innerhalb der Einrichtung zu übertragen. Während die Transferkammer 9, wie in 6 dargestellt ist, mit Roboterarmen 7 zur Beschickung und zur Entnahme des Halbleiterwafers 1 ausgerüstet ist, versteht es sich, daß vielerlei Mittel zum Beschicken und Entladen des Halbleiterwafers 1 eingesetzt werden können.
Wie in 6 dargestellt, ist die Transferkammer 9 mit einer Multifunktionskammer verbunden, die an eine Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlungseinheit 13 angeschlossen ist. Die Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlungseinheit 13 kann ein Sauerstoffradikalgenerator (beispielsweise ein Ozongenerator) oder ein Plasmagenerator sein. Die Multifunktionskammer 11 kann eine Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung einer unteren Elektrode, eine Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung einer Hochdielektrikumsschicht, oder eine Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung einer oberen Elektrode unter Verwendung von Sauerstoffradikalen oder Plasma vornehmen, welche von der Sauerstoffradikal oder Plasma-Wärmebehandlungseinheit 13 bereitgestellt werden. Die Multifunktionskammer kann auch zur Ablagerung der Dielektrikumsschicht dienen. Durch Vornahme mehrfacher Operationen oder Maßnahmen in der Multifunktionskammer 11 ist es möglich, die Zeitdauer zu verringern, die für das Beschicken und Entladen des Halbleiterwafers, für das Vorheizen und das Kühlen des Halbleiterwafers und zur Bewegung der Halbleiterwafer zu einzelnen Kammern hin erforderlich ist. Demgemäß kann mit einer derartigen Einrichtung ein Anteil der Kosten, die bei der Herstellung von Halbleitergeräten aufzuwenden sind, herabgesetzt werden. Beispielsweise können mit einer derartigen Einrichtung die Anlagekosten verringert werden und die Reinraumwirksamkeit kann unter Verwendung nur einer einzigen Transferkammer gefördert werden.
Die Multifunktionskammer 11, welche mit einer Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlungseinheit 13 verbunden ist, und welche die Wärmebehandlung vornimmt, sowie der Ozongenerator oder der Plasmagenerator werden nachfolgend im Einzelnen unter Bezugnahme auf die 7 und 8 beschrieben. Zwar zeigt 7 eine Multifunktionskammer, welche die Durchführung der Ozon-Wärmebehandlung ermöglicht, und 8 zeigt eine Multifunktionskammer, in welche die Durchführung einer Plasma-Wärmebehandlung erfolgt, doch versteht es sich, daß die Multifunktionskammern zum Durchführen eines Verfahrens gemäß der Erfindung auch so ausgebildet sein können, daß sie sowohl die Durchführung der Ozon-Wärmebehandlung als auch der Plasma-Wärmebehandlung ermöglichen.
Man wende sich nun 7 zu. Ausführungsformen der Multifunktionskammer, welche mit einer Wärmebehandlungseinheit nach 6 verbunden ist, die einen Ozongenerator als Sauerstoffradikal-Wärmebehandlungseinheit aufweist, zum Durchführen eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, seien nun beschrieben. Die Multifunktionskammer 11 enthält eine Trägerplatte 28, die einen Halbleiterwafer 27 (ein Halbleitersubstrat) abstützt. Der Halbleiterwafer 27 wird in die Multifunktionskammer über einen Einlaß 24 eingegeben. Ein Heizer 29 zur Steuerung der Temperatur des Halbleiterwafer zwischen 300 und 700°C befindet sich unter der Trägerplatte im unteren Teil der Multifunktionskammer 11. Der Heizer 29 hat vorzugsweise die Gestalt einer Lampe, welche rasch die Temperatur erhöhen und senken kann, wenn die Ablagerungs tmperatur der Hochdielektrikumsschicht von der Temperatur bei der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der unteren Elektrode und/oder von der Temperatur der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der Hochdielektrikumsschicht verschieden ist. Eine Quellenmaterial-Verteilungseinrichtung 25 findet sich oberhalb der Trägerplatte 28. Die Quellen-Verteilungseinrichtung 25, vorzugsweise ein Brausenkopf, befindet sich in Strömungsverbindung mit einer Quellenmaterial-Zuliefereinrichtung 18, welche Quellengas zur Bildung einer Dielektrikumsschicht liefert.
Wie in 7 gezeigt ist, enthält die Quellenmaterial-Zuliefereinrichtung 18 eine organische Quelle 17, eine Strömungssteuereinrichtung 19, einen Verdampfer 21 und eine Transfergasquelle 21. Die organische Quelle 17 liefert eine organische Quellenmateriallösung. Wie der Fachmann erkennt, kann die organische Quellenmateriallösung verschiedene Dielektrische Quellenmaterialien, beispielsweise Ba(tetra methyl heptadionat [THD)₂-Lösung, Sr(THD)₂-Lösung und Ti(THD)₂(O-i-C₃H₇)₂-Lösung, enthalten. Verschiedene Lösungsmittel können zum Lösen des organischen Quellenmaterials dienen, unter anderem, jedoch nicht darauf beschränkt, Tetra-hydrofuran (THF), n-Butylacetat, Azeton und Alkohol. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform dient eine BST-Schicht als Hochdielektrikumsschicht. Wenn jedoch eine Ta₂O₅-Schicht als Hochdielektrikumsschicht verwendet wird, so kann als Quellenmaterial Ta(U-C₂H₅)₅ als Quellenmaterial dienen.
Wie in 7 gezeigt, befindet sich die organische Quelle 17 in Strömungsverbindung mit der Strömungssteuereinrichtung 19, die vorzugsweise eine Flüssigkeits-Massendurchstrom-Steuereinheit (LMFC) ist. Die Strömungssteuereinheit 19 befindet sich in Strömungsverbindung mit dem Verdampfer 21, der das flüssige organische Quellenmaterial verdampft. Eine Transfergasquelle 23 befindet sich in Strömungsverbindung mit dem Verdampfer 21. Die Transfergasquelle 23 liefert ein Transfergas, beispielsweise Argon, daß sich mit dem verdampften Quellenmaterial vermischt, um Quellenmaterialdampf zu bilden und welches das organische Quellenmaterial von dem Verdampfer 21 zu der Quellenmaterial-Verteilungseinrichtung 25 überträgt. Während die Einrichtung gemäß 7 nur einen Verdampfer 21 zeigt, versteht es sich, daß ein Verdampfer, zwei Verdampfer oder drei Verdampfer eingesetzt werden können. Die Quellenmaterial-Verteilungseinrichtung 25 verteilt den Quellenmaterialdampf in die Multifunktionskammer 11 hinein. Vorzugsweise wird der Quellenmaterialdampf gleichförmig verteilt. Eine Oxidationsgasquelle 22, die so ausgebildet ist, daß sie Oxidationsgas liefert, das mit dem Quellenmaterialdampf reagiert, um die Hochdielektrikumsschicht zu bilden, ist mit der Multifunktionskammer verbunden.
Ein Ozongenerator 15, der als Sauerstoffradikal-Wärmebehandlungseinheit dient, ist mit der Multifunktionskammer 11 verbunden, um in einer Atmosphäre, welche ein Sauerstoffradikal enthält, einen Ozon-Wärmebehandlungsprozeß durchzuführen. Der Ozongenerator 15 erzeugt Ozon unter Verwendung einer Gasmischung aus Sauerstoff und Stickstoff als Eingangsgas. Die Strömungsrate des Eingangsgases liegt vorzugsweise zwischen 1000 sccm (Standard-Kubikzentimeter je Minute) und 10 slm (Standardliter je Minute). Das Eingangsgas hat vorzugsweise eine Stickstoffkonzentration zwischen 1 und 30%. Die Ozondichte des resultierenden Ozongases liegt vorzugsweise zwischen 0,1 und 10 vol%. Die Ozon-Wärmebehandlung wird durchgeführt, indem man das erzeugte Ozon in die Multifunktionskammer 11 einströmen läßt. Verbrauchtes Ozongas wird durch einen Ozonabscheider 31, eine Pumpe 33 und eine Gasreinigungseinrichtung 35 entfernt, welche am Auslassende der Multifunktionskammer 11 angeordnet sind, und schließlich wird das verbrauchte Gas nach außen abgelassen. Die Pumpe 33 steuert vorzugsweise den Druck in der Multifunktionskammer 11 auf Werte im Bereich zwischen 13,33 und 1333 Pa.
Eine Ultraviolettlampe (UV-Lampe) (nicht dargestellt) kann zusätzlich oberhalb des Halbleiterwafers, beispielsweise am unteren Ende des Brausekopfes, installiert sein. Die ultravioletten Strahlen können die Wirksamkeit des Ozon-Wärmebehandlungsprozesses verbessern. Eine Reinigungsgasquelle 37, die so ausgebildet ist, daß sie ein Reinigungsgas, beispielsweise ClF₃ zur Reinigung der äußeren Wände der Multifunktionskammer 11 liefert, ist an die Multifunktionskammer 11 angeschlossen.
Bezugnehmend nunmehr auf 8 sei eine Multifunktionskammer, die an einen Plasmagenerator angeschlossen ist, beschrieben. Die Multifunktionskammer 11 ist zur Bildung einer Dielektrikumsschicht, wie oben unter Bezugnahme unter 7 beschrieben wurde, geeignet, verwendet jedoch einen Plasmagenerator anstelle eines Ozongenerators als Wärmebehandlungseinheit.
Wie in 8 dargestellt enthält der Plasmagenerator 42 eine Wellenleitung 43, Magnetspulen 45 sowie eine Plasmagasquelle 47. Ein Gas, nämlich O₂, NH₃, Ar, N₂, oder N₂O, fließt von der Plasmagasquelle 47 weg, und Plasma von O₂, NH₃, Ar, N₂ oder N₂O wird zwischen den Magnetspulen 45 erzeugt. Das erzeugte Plasma tritt in die Multifunktionskammer 11 ein. Der Plasmagenerator 42 erzeugt vorzugsweise ECR-Plasma unter Verwendung von Mikrowellenenergie mit einer Frequenz von 2,54 GHz. Der Plasmagenerator kann jedoch auch RF-Plasma (Hochfrequenz-Plasma) bei 13,56 MHz erzeugen.
Anhand von 9 seien nun Ausführungsbeispiele einer Einrichtung zur Erzeugung eines Dünnfilms zum Durchführen eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ähnlich der Ausführungsformen nach 6 beschrieben, wobei jene Ausführungsformen eine Elektroden-Ablagerungskammer aufweisen. Die Einrichtung enthält eine Elektroden-Ablagerungskammer 51, die mit der Transferkammer 9 verbunden ist. Die Elektroden-Ablagerungskammer 51 kann dazu dienen, eine untere Elektrode auf dem Halbleitersubstrat zu bilden, sowie einen obere Elektrode auf der Dielektrikumsschicht zu bilden. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann somit die obere Elektrode in-situ abgelagert werden, ohne daß der Halbleiterwafer nach der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der Hochdielektrikumsschicht der Luft ausgesetzt wird. Die Einrichtung kann so eingesetzt werden, daß in ihr die Verfahrensschritte von der Bildung der unteren Elektrode bis zur Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung der oberen Elektrode in-situ geführt werden. Die Elektroden-Ablagerungskammer sei nachfolgend genauer unter Bezugnahme auf 10 beschrieben.
10 ist eine schematische Abbildung einer Ausführungsform der Elektroden-Ablagerungskammer 51 von 9. Die Elektroden-Ablagerungskammer 51 enthält eine Trägerplatte 64, die einen Halbleiterwafer 65 (ein Halbleitersubstrat) abstützt. Der Halbleiterwafer 65 wird in die Elektroden-Ablagerungskammer über einen Eingang 63 eingegeben. Ein Heizer 67 zur Steuerung der Temperatur des Halbleiterwafers zwischen 300 und 600°C befindet sich unter der Trägerplatte im unteren Bereich der Ablagerungskammer 51. Eine Quellenmaterial-Verteilungseinrichtung 61, vorzugsweise ein Brausekopf, befindet sich in Strömungsverbindung mit einer Quellenmaterial-Liefereinrichtung 54, die ein Quellengas zur Bildung einer Elektrode liefert.
Wie man aus 10 erkennt, enthält die Quellenmaterial-Liefereinrichtung 54 eine organische Quelle 53, eine Strömungsteuereinrichtung 55, einen Verdampfer 57 und eine Transfergasquelle 59. Die organische Quelle 53 liefert eine organische Quellenmateriallösung. Die organische Quellenmateriallösung kann vielerlei Elektroden-Quellenmaterialien enthalten, beispielsweise bi-Ethylcyclopentadienyl)-Ruthenium [Ru(EtCp)₂]-Lösung und Ru(THD)₃-Lösung. Verschiedene Lösungsmittel können dazu verwendet werden, daß organische Quellenmaterial zu lösen, unter anderem, jedoch nicht darauf beschränkt, Tetra-Hydrofuran (THF), n-Butylacetat, Aceton und Alkohol. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine Ru-Schicht zur Erzeugung der Elektrode verwendet. Es kann jedoch auch eine Schicht aus einem Metall der Pt-Gruppe, ein Oxid eines Pt-Gruppenmetalls, ein Metall-Nitrid und ein temperaturfestes Metall in der Elektroden-Ablagerungskammer gemäß der Vorliegenden Erfindung abgelagert werden.
Wie in 10 dargestellt ist, befindet sich die organische Quelle in Strömungsverbindung mit einer Strömungssteuereinheit 55, welche vorzugsweise eine Flüssigkeits-Massendurchstrom-Steuereinrichtung (LMFC) ist. Die Strömungssteuereinrichtung 55 ist in Strömungsverbindung mit einem Verdampfer 57, der das flüssige organische Quellenmaterial verdampft. Eine Transfergasquelle 59 ist in Strömungsverbindung mit dem Verdampfer 57. Die Transfergasquelle 59 liefert ein Transfergas, beispieisweise Ar, das sich mit dem verdampften Quellenmaterial vermischt, um einen Quellenmate rialdampf zu bilden, und überträgt das organische Quellenmaterial von dem Verdampfer 59 zu der Quellenmaterial-Verteilungseinrichtung 61. Während die Einrichtung nach 10 einen Verdampfer 57 zeigt, versteht es sich, daß ein Verdampfer, zwei Verdampfer oder drei Verdampfer verwendet werden können. Die Quellenmaterial-Verteilungseinrichtung 61 verteilt den Quellenmaterialdampf in die Elektroden-Ablagerungskammer 51 hinein. Vorzugsweise wird das verdampfte Quellenmaterial gleichförmig verteilt. Die Elektroden-Ablagerungskammer enthält eine Pumpe zur Steuerung des Druckes in der Elektroden-Ablagerungskammer 51 auf Werte zwischen 13,33 und 1333 Pa. Eine Reinigungsgasquelle 70 ist mit der Elektroden-Ablagerungskammer 51 verbunden und liefert ein Reinigungsgas, beispielsweise ClF₃, mittels welchem Quellenmaterial entfernt werden kann, daß sich an der Wand der Elektroden-Ablagerungskammer 51 abgesetzt hat.
Unter Bezugnahme auf 11 sei nun eine Einrichtung zur Erzeugung eines Dünnfilms zum Durchführen eines Verfahrens gemäß der Erfindung ähnlich der Ausführungsform nach 9 beschrieben, wobei die Einrichtung eine Kristallisations-Wärmebehandlungskammer aufweist. Eine Kristallisations-Wärmebehandlungskammer 71 zur Wärmebehandlung und zur Kristallisation der in amorphem Zustand abgelagerten Dielektrikumsschicht bei einer Temperatur gleich oder über der Kristallisationstemperatur ist mit der Transferkammer 9 verbunden. Die Kristallisations-Wärmebehandlungskammer 71 ist vorzugsweise ein rasch arbeitender Wärmebehandlungsofen, in welchem die Temperatur rasch ansteigt und wieder abfällt, oder eine Ofentype in Gestalt eines Heißwandofens für einen einzelne Wafer. Die Kristallisations-Wärmebehandlungskammer 21 steuert die Temperatur des Halbleitersubstrates auf Werte zwischen 300 und 900°C und den Druck auf Werte zwischen 13,33 und 101325 Pa und stellt die Atmosphäre so ein, daß es sich entweder um eine oxidierende Atmosphäre oder eine nichtoxidierende Atmosphäre handelt. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist es möglich, die Kristallisations-Wärmebehandlung in-situ vor oder nach der Ablagerung der oberen Elektrode durchzuführen, wodurch der Pegel an Verunreinigungen und der Leckstrom, wie oben erwähnt, herabgesetzt werden können.
Anhand von 12 seien nun Ausführungsformen einer Einrichtung zur Erzeugung eines Dünnfilms zum Durchführen eines Verfahrens gemäß der Erfindung mit einer Elektroden-Ablagerungskammer und einer Dielektrikumsschicht-Ablagerungskammer in Strömungsverbindung mit einer Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlungseinheit beschrieben. Eine Dielektrikumsschicht-Ablagerungskammer 73 ist mit der Transferkammer 9 verbunden und hat Strömungsverbindung mit der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlungseinheit 13. Die Dielektrikumsschicht-Ablagerungskammer 73 besitzt einen Aufbau ähnlich demjenigen der Multifunktionskammer 11, wie er oben beschrieben wurde, und kann zur Ablagerung einer Hochdielektrikumsschicht, zur Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung einer Hochdielektrikumsschicht, und/oder zur Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung einer oberen Elektrode verwendet werden. Demgemäß ist es möglich, die obere Elektrode in-situ abzulagern, ohne daß der Halbleiterwafer nach der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der Hochdielektrikumsschicht der Luft ausgesetzt wird, um Verfahrensschritte von der Bildung der unteren Elektrode bis zur Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung der oberen Elektrode in-situ durchzuführen.
Die 13, 14 und 16 zeigen Ausführungsformen nach 12, jedoch mit weiteren Kammern. Gemäß 13 enthält die Ausführungsform der Einrichtung ferner eine Kristallisations-Wärmebehandlungskammer 71, die mit der Transferkammer 9 verbunden ist. Die Kristallisations-Wärmebehandlungskammer 71 ist ähnlich oder gleich der Kristallisationskammer, wie sie oben unter Bezugnahme unter 11 beschrieben wurde, steuert aber die Temperatur des Substrates auf Werte zwischen 400 und 900°C. Die Ausführungsform noch 14 enthält einen Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlungskammer, die so ausgebildet ist, daß sie eine Vorbehandlung der unteren Elektrode 77 vornehmen kann, und welche mit der Transferkammer 9 verbunden ist. Die Ausführungsform nach 16 enthält weiterhin eine Kristallisations-Wärmebehandlungskammer 21, wie sie unter Bezugnahme auf 11 beschrieben wurde, sowie eine Kühlkammer 79, wobei beide Kammern mit der Transferkammer 9 verbunden sind. Die Kühlkammer 79 kühlt den Halbleiterwafer 1 nach seiner Behand lung, bevor er in die Kassette 3 eintritt. Eine Vorheizkammer, wie sie unten unter Bezugnahme auf 20 beschrieben wird, kann auch hier vorgesehen sein.
Anhand von 15 sei nun eine Ausführungsform einer Einrichtung zur Erzeugung eines Dünnfilms zum Durchführen eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei die Einrichtung eine Dielektrikumsschicht-Ablagerungskammer, eine Elektroden-Ablagerungskammer und eine Kristallisations-Wärmebehandlungskammer aufweist, die mit einer Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlungseinheit verbunden ist. Die Ausführungsform nach 15 ist ähnlich derjenigen von 13, jedoch mit der Ausnahme, das die Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlungseinheit 13 mit der Kristallisationskammer 71 verbunden ist und nicht Verbindung zu der Dielektrikumsschicht-Ablagerungskammer 73 hat. Die Ausführungsform nach 15 ist somit in der Lage, eine Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung der oberen Elektrode und eine Kristallisations-Wärmebehandlung in einer Kammer durchzuführen und kann die obere Elektrode in-situ ablagern, ohne daß der Halbleiterwafer 1 der Luft ausgesetzt wird. Außerdem ist es möglich, Verfahrensschritte von der Erzeugung der unteren Elektrode bis zur Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung der oberen Elektrode in-situ durchzuführen.
Unter Bezugnahme auf 17 sei eine weitere Ausführungsform einer Einrichtung zur Erzeugung eines Dünnfilms zum Durchführen eines Verfahrens gemäß der Erfindung beschrieben. Diese Einrichtung ist ähnlich der Ausführungsform von 15, jedoch mit der Ausnahme, daß sie eine Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlungskammer zur Nachbehandlung einer Dielektrikumsschicht anstelle der Kristallisations-Wärmebehandlungskammer, in Strömungsverbindung mit der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlungseinheit aufweist. Die Transferkammer 9 ist mit der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlungskammer zur Nachbehandlung einer Dielektrikumsschicht 91 verbunden, die mit der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlungseinheit 13 Verbindung hat. Die Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlungskammer zur Nachbehandlung einer Dielektrikumsschicht 81 kann auch so ausgebildet sein, daß sie eine Nachbehandlung, vorzugsweise durch Ozon-Wärmebehandlung einer oberen Elektrodevornehmen kann. Durch Verwendung der Einrichtung gemäß der Ausführungsform nach 17 ist es daher möglich, die Hochdielektrikumsschicht in-situ abzulagern und einer Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung zu unterziehen und Verfahrensschritte von der Bildung der unteren Elektrode bis zur Bildung der oberen Elektrode in-situ durchzuführen, wodurch der Leckstrom des Kondensators vermindert werden kann.
Die 18 bis 20 zeigen Einrichtungen zum Durchführen eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ähnlich denjenigen von 17 mit jeweils zusätzlichen Kammern. Die Ausführungsform nach 18 enthält weiter eine Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlungskammer, die so ausgebildet ist, daß eine Vorbehandlung einer unteren Elektrode 77 vorgenommen werden kann, wobei die Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlungskammer mit der Transferkammer 9 verbunden ist und so ausgebildet ist, daß eine Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der unteren Elektrode nach ihrer Erzeugung vorgenommen werden kann. Die Ausführungsformen nach 19 enthalten weiterhin eine Kristallisations-Wärmebehandlungskammer 71, wie sie oben unter Bezugnahme auf 11 beschrieben wurde. In 20 sind Ausführungsformen gezeigt, die weiter eine Kristallisations-Wärmebehandlungskammer 71, eine Elektroden-Vorbehandlungskammer 77, eine Vorheizkammer 83 und eine Kühlkammer 79 aufweisen. Die Vorheizkammer 83 steigert die Temperatur des Substrates etwa auf die Temperatur, bei welcher die Dielektrikumsschicht abgelagert wird, bevor die Ablagerung der Dielektrikumsschicht erfolgt. Das Vorheizen des Substrates kann die Zeit herabsetzen, die zur Stabilisierung der Temperatur des Substrates erforderlich ist.
Anhand der 21 bis 29 seien nun erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren auf Substraten unter Einsatz der Einrichtungen beschrieben, wie sie oben erläutert wurden. In den folgenden Ausführungsbeispielen bezeichnet das Bezugssymbol a Verfahrensschritte, die in einer Kammer der Einrichtung zur Erzeugung von Dünnfilmen durchgeführt werden können, während das Bezugssymbol b Verfahrensschritte bezeichnet, welche in-situ durch die Einrichtung zur Erzeugung des Dünnfilms ausgeführt werden können.
Bezugnehmend auf 21 seien nun Ausführungsbeispiele eines Verfahrens zur Herstellung eines Kondensators auf einem Halbleitersubstrat gemäß der Erfindung beschrieben, wobei die Schritte der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung einer unteren Elektrode, die Ablagerung von Dielektrikumsschichten und die Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der Dielektrikumsschichten in einer einzigen Kammer durchgeführt werden, und wobei die vorgenannten Schritte und der Schritt der Ablagerung einer oberen Elektrode in-situ durchgeführt werden. Die untere Elektrode des Kondensators wird auf Halbleitersubstrat (dem Halbleiterwafer) 101 erzeugt. Die untere Elektrode wird vorzugsweise bis zu einer Dicke zwischen 5 bis 1000 nm gebildet. Ein Metall der Platingruppe, ein Oxid eines Platingruppenmetalls, beispielsweise RuO₂, IrO₂, BaRuO₃ und SrRuO₃, ein Metallnitrid oder ein hitzebeständiges Metall dient vorzugsweise als Material für die untere Elektrode. Die untere Elektrode wird vorzugsweise aus dem Metall der Platingruppe, beispielsweise Pt, Ru oder Ir durch ein Sputter-Verfahren, durch eine metallorganische chemische Dampfablagerung (MOCVD) oder durch ein Elektro-Plattier-Verfahren aufgebracht.
Das Halbleitersubstrat mit der darauf gebildeten unteren Elektrode wird in eine Einrichtung eingebracht. Die Durchführung der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der unteren Elektrode 103 erfolgt vorzugsweise, indem das Halbleitersubstrat, auf dem die untere Elektrode gebildet ist, in eine Multifunktionskammer eingebracht wird, die eine Atmosphäre enthält, die ein Sauerstoffradikal (beispielsweise Ozon) oder ein Plasma aufweist. Wenn die untere Elektrode eine Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung durch Ozon-Wärmebehandlung erfahren soll, wird die untere Elektrode vorzugsweise einer Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung in der Ozon-Atmosphäre für 5 Minuten unter Bedingungen unterzogen, bei denen die Temperatur des Substrates zwischen Raumtemperatur und 700°C und insbesondere zwischen 300 und 450°C beträgt, und wobei die Dichte des Ozons zwischen 01, und 10 vol% liegt. Die Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung der unteren Elektrode durch Ozon-Wärmebehandlung kann weiter die Maßnahme der Bestrahlung der unteren Elektrode mit Ultraviolett-Strahlung (UV) umfassen. Wenn die untere Elektrode eine Plasma-Wärmebehandlung erfährt, wird die untere Elektrode vorzugsweise dieser Plasma-Wärmebehandlung in einer ECR- oder RF-Plasma-Atmosphäre von N₂O, O₂, NH₃, Ar oder N₂ unter Bedingungen unterzogen, bei denen die Temperatur des Substrates zwischen Raumtemperatur und 500°C beträgt und der Druck in der Kammer, in welcher die Plasma-Wärmebehandlung erfolgt, zwischen 13,33 und 1333 Paliegt. Besonders bevorzugt erfolgt die Plasma-Wärmebehandlung der unteren Elektrode während einer Zeit zwischen einer Minute und 10 Minuten unter Verwendung eines ECR-Plasmas aus N₂O-Gas unter einer Bedingung, bei der die Temperatur des Substrates 200°C beträgt.
Der Verfahrensschritt der Ablagerung einer Dielektrikumsschicht 105 auf der unteren Elektrode wird durch ein MOCVD-Ablagerungsverfahren ausgeführt unter Verwendung einer organischen Materialquelle, welche Ba(THD)₂, Sr(THD)₂ und Ti(THD)₂ sowie ein Oxidationsgas enthält, das eine Gasmischung aus O₂ und N₂O ist, unter Bedingungen, bei denen die Temperatur des Substrates zwischen 400 und 600°C liegt, und der Druck in der Kammer zwischen 133,3 und 1333 Pa beträgt. Dabei wird die Dielektrikumsschicht im amorphen Zustand abgeschieden. Besonders bevorzugt ist die Ablagerung einer Hochdielektrikumsschicht, beispielsweise einer BST-Schicht. Die Dielektrikumsschicht wird vorzugsweise bis zu eine Dicke von 10 bis 50 nm abgelagert.
Ein Verfahrensschritt der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der dielektrischen Schicht 107 wird in der Multifunktionskammer durchgeführt.
Die dielektrische Schicht wird einer Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung in einer Atmosphäre unterzogen, welche ein Sauerstoffradikal oder ein Plasmagas enthält, wie dies oben für die Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der unteren Elektrode beschrieben wurde. Um die Effektivität der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der dielektrischen Schicht zu verbessern, werden erfindungsgemäß die Verfahrensschritte der Ablagerung und der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der dielektrischen Schicht n-mal wiederholt werden. Die Dicke der Hochdielektrikumsschicht, die in einem Arbeitszyklus abgelagert wird, beträgt vorzugsweise zwischen 2 bis 20 nm.
Das einer Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung unterzogene Halbleitersubstrat wird an eine Elektroden-Ablagerungskammer übergeben. Eine obere Elektrode wird im Ablagerungsschritt 109 auf der durch eine Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung vergüteten dielektrischen Schicht abgelagert. Die obere Elektrode hat vorzugsweise eine Dicke zwischen 5 bis 300 nm). Die obere Elektrode wird vorzugsweise unter Verwendung eines Materials gebildet, welches dasselbe wie dasjenige der unteren Elektrode ist und welches durch ein physikalisches Ablagerungsverfahren, beispielsweise durch Sputtern oder durch ein Metalloxid-Dampfablagerungsverfahren (MOCVD) abgelagert wird. Beispielsweise wird die Ru-Schicht durch das MOCVD-Verfahren unter Verwendung von Ru(EtCp)₂ als Quellenmaterial unter den Bedingungen abgelagert, bei welchen die Temperatur des Substrates zwischen 150 und 500°C beträgt und der Druck in der Elektroden-Ablagerungskammer 13,33 bis 1333 Pa ist.
Das Halbleitersubstrat, auf welchem die obere Elektrode abgelagert worden ist, wird aus der Einrichtung zur einer Kristallisations-Wärmebehandlungskammer transportiert und in dem Schritt 111 einer Kristallisations-Wärmebehandlung unterzogen. Vorzugsweise erfährt die BST-Schicht eine Kristallisations-Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 500 und 800°C in einer oxidierenden oder nichtoxidierenden Atmosphäre unter Bedingungen, bei denen der Druck in der Kammer zwischen 13,33 und 1333 Pa beträgt. Wird Ru als Material für die Elektrode des Kondensators mit einer BST-Schicht verwendet, so wird sauerstoffenthaltendes Ru oxidiert. Die Kristallisations-Wärmebehandlung erfolgt vorzugsweise in einer Atmosphäre, in welcher eine geringe Menge Sauerstoff enthalten ist, oder in einer nichtoxidierenden Atmosphäre. Wenn Platin als Elektrodenmaterial des Kondensators mit BST-Schicht verwendet wird, so erfolgt die Kristallisations-Wärmebehandlung vorzugsweise unter Verwendung eines Gasgemisches aus O₂ und N₂ mit einem Gehalt zwischen 1 und 10% Sauerstoff.
Die Kristallisations-Wärmebehandlung wird vorzugsweise in einer Zeit zwischen 30 Sekunden und 30 Minuten bei einer Wärmebehandlungstemperatur von 750°C durchgeführt. Es kann länger dauern, die Kristallisations-Wärmebehandlung bei einem Kondensator mit einer Platinelektrode durchzuführen, als bei einem Kondensator mit einer Ru-Elektrode, wenn die Temperatur, bei welcher die Wärmebehandlung erfolgt, niedriger ist. Ein rascher thermischer Vergütungsprozeß (RTA) wird vorzugsweise eingesetzt, um das Maß zu verringern, zu welchem eine Wärmebehandlung während der Bildung des Kondensators die Eigenschaften anderer Geräte beeinflußt. In anderen, in 22 erläuterten Ausführungsbeispielen wird der Verfahrensschritt der Durchführung der Kristallisations-Wärmebehandlung in-situ durchgeführt, während bei wiederum anderen Ausführungsformen gemäß 23 die Kristallisations-Wärmebehandlung nicht durchgeführt wird. In der Ausführungsform nach 27 werden die Verfahrensschritte der Erzeugung einer unteren Elektrode und der Durchführung der Kristallisations-Wärmebehandlung in-situ durchgeführt.
Die Ausführungsform gemäß 24 ist ähnlich derjenigen, wie sie oben unter Bezugnahme auf 21 beschrieben wurde, jedoch mit der Ausnahme, daß die Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der unteren Elektrode im Schritt 103 und die Ablagerung der Dielektrikumsschicht in Schritt 105 in jeweils gesonderten Kammern der Einrichtung durchgeführt werden und die Verfahrensschritte der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der Dielektrikumsschicht (Schritt 107) und die Durchführung der Kristallisations-Wärmebehandlung (Schritt 111) in einer einzigen Kammer ausgeführt werden, wobei die Kristallisations-Wärmebehandlung im Schritt 111 durchgeführt wird, bevor die Ablagerung der oberen Elektrode im Schritt 109 erfolgt. 25 zeigt eine Ausführungsform ähnlich derjenigen von 24, jedoch mit der Ausnahme, daß die untere Elektrode nicht einer Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung unterzogen wird.
Die Ausführungsform nach 26 ist ähnlich derjenigen von 22, jedoch mit der Ausnahme, daß die untere Elektrode keine Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung erfährt und die Verfahrensschritte der Vorheizung des Substrates (Schritt 113) vor der Ablagerung der dielektrischen Schicht (Schritt 105) und das Kühlen des Substrates (Schritt 115) nach der Kristallisations-Wärmebehandlung 111 ausgeführt werden. Der Schritt des Vorheizens steigert vorzugsweise die Temperatur des Substrates auf die Prozeßtemperatur des nächsten Verfahrensschrittes. Die Vorheizmaßnahme wird vorzugsweise in einem Zeitraum von 5 Minuten ergriffen. Der Kühlschritt kühlt vorzugsweise das Substrat innerhalb von 5 Minuten auf Raumtemperatur zurück. Die Verfahrensschritte von der Vorheizung des Substrates bis zur Kühlung des Substrates werden in-situ ausgeführt und die Verfahrensschritte des Ablagerns der Dielektrikumsschicht und der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der Dielektrikumsschicht werden in einer einzigen Kammer ausgeführt.
Das Ausführungsbeispiel nach 28 ist ähnlich demjenigen gemäß 23, jedoch mit der Ausnahme, daß die untere Elektrode keine Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung erfährt und daß ein Verfahrensschritt der Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung der oberen Elektrode (Schritt 117) vorgesehen ist. Die obere Elektrode wird in der Multifunktionskammer der Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung unterzogen. Die Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung der oberen Elektrode geschieht vorzugsweise in einer Atmosphäre, welche das Sauerstoffradikal (beispielsweise Ozon) enthält, für eine Zeitdauer zwischen etwa 30 Sekunden und 30 Minuten unter Bedingungen, bei denen die Temperatur des Substrates zwischen 200 und 600°C liegt und die Dichte des Ozons zwischen 0,1 und 10 Vol% beträgt. Die Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung der oberen Elektrode kann unter Bestrahlung des Substrates mit UV-Strahlen erfolgen, wodurch ebenfalls die Verminderung des Leckstroms des Kondensators unterstützt wird.
Die Ausführungsform nach 29 ist ähnlich derjenigen von 28, jedoch mit der Ausnahme, daß der Schritt der Ablagerung der oberen Elektrode unter Durchführung mehrfacher Schritte geschieht. Eine erste obere Elektrode wird im Schritt 119 abgela gert, wie zuvor unter Bezugnahme auf 28 angegeben. Die erste obere Elektrode wird vorzugsweise bis zu einer Dicke zwischen 5 bis 100 nm gebildet, so daß Sauerstoffradikale durch die erste obere Elektrode hindurch gelangen können. Dann wird die erste obere Elektrode im Schritt 121 einer Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung unter den selben Bedingungen unterzogen, wie sie zuvor unter Bezugnahme auf 28 angegeben wurden. Eine zweite obere Elektrode wird dann in dem Schritt 123 auf der ersten Elektrode, welche einer Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung unterzogen worden ist, abgelagert. Die zweite Elektrode hat vorzugsweise eine Dicke zwischen 5 bis 300 nm. Das Ablagern der oberen Elektrode in mehreren Schritten mit dazwischen vorgenommenen Sauerstoffradikal-Wärmebehandlungsschritten kann die Verminderung des Leckstroms des Kondensators unterstützen, während gleichzeitig die Dicke der gesamten oberen Elektrode vergrößert wird.
Es sei nun auf 30 Bezug genommen und ein Seitenquerschnitt eines Kondensators betrachtet, der auf einem Halbleitersubstrat unter Einsatz des Ausführungsbeispiels des Verfahrens gemäß 28 gebildet worden ist.
Ein Transistor mit einem Source-Bereich 105, einem Drain-Bereich 107 und einer Gate-Elektrode 111, durch welche eine Gate-Oxidschicht 109 zwischengelagert wird, wird in dem aktiven Bereich eines Halbleitersubstrats 101 gebildet, der durch eine Feld-Isolationsschicht 103 umgrenzt ist. Eine Bit-Leitung 113 ist auf dem Drain-Bereich 107 gebildet. Eine untere Elektrode 121, die mit dem Source-Bereich 105 über einen Kontaktstopfen 117 Verbindung hat und eine Metallsperrschicht 119, die in einer Kontaktöffnung der Dielektrikumszwischenschicht 115 gebildet ist, sind in dem Source-Bereich 105 hergestellt. Die untere Elektrode 121 ist vorzugsweise aus einem Metall der Platingruppe, einem Oxid eines Platingruppenmetalls, einem Metallnitrid, oder einem hitzebeständigen Metall bis zu einer Dicke zwischen 5 bis 1000 nm durch ein Sputterverfahren, ein MOCVD-Verfahren oder durch Elektroplatierung gebildet. Wie in 30 dargestellt, sind eine dielektrische Schicht 123 und eine obere Elektrode 125 auf der unteren Elektrode 121 hergestellt. Die dielektrische Schicht 123 ist vorzugsweise als Hochdielektrikumsschicht ausgebildet, welche Materialien der oben angegebenen Art enthält, beispielsweise also BST, Ta₂O₅, Al₂O₃, TiO₂, Y₂O₃, SrTiO₃ (STO), PbZrTiO₃ (PZT), SrBi₂Ta₂O₉ (SBT), PbZrO₃, LaZrO₃, PbTiO₃ LaTiO₃ und Bi₄Ti₃O₁₂. Die obere Elektrode 125 besteht vorzugsweise aus demselben Material wie die untere Elektrode 121 und ist durch dasselbe Verfahren aufgebracht wie das Verfahren bei der Aufbringung der unteren Elektrode 121.
Der Leckstrom des Kondensators kann durch Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung der gesamten Oberfläche der oberen Elektrode in einer Atmosphäre herabgesetzt werden, welche ein Sauerstoffradikal 127 (beispielsweise Ozon) enthält. Wie oben unter Bezugnahme auf 29 beschrieben kann die Dicke der oberen Elektrode dadurch vergrößert werden, daß eine zweite obere Elektrode auf der einer Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung unterzogenen ersten oberen Elektrode 125 gebildet wird.
Durch die hier angegebenen Ausführungsformen der Erfindung ist es möglich, den Leckstrom durch Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der unteren Elektrode nach ihrer Herstellung und/oder durch Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der Dielektrikumsschicht nach ihrer Aufbringung zu verringern. Die Verminderung des Leckstroms kann auf einer Verminderung des Pegels von Verunreinigungen in oder an den verschiedenen Schichten des Kondensators beruhen. Eine Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung (beispielsweise mit Ozon) der oberen Elektrode nach ihrer Bildung erweist sich als wirksam zur Verminderung des Leckstroms des Kondensators, wobei die Verminderung auf einer Verminderung der Anzahl von Sauerstoff-Leerstellen in der Hochdielektrikumsschicht beruhen kann. Die Einrichtung zur Erzeugung eines Dünnfilms nach Verfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Absorption von Verunreinigungen an der unteren Elektrode oder der Hochdielektrikumsschicht vermindern oder verhindern, indem das Aussetzen des Substrates gegenüber Luft während der Herstellungsschritte vermieden oder vermindert wird. Demgemäß kann bei Verfahren gemäß Ausführungsformen der Erfindung der Leckstrom des Kondensators herabsetzt werden.

Claims

Verfahren zur Bildung eines Kondensators auf einem Substrat, mit folgenden Schritten: Bilden einer unteren Elektrode (121) auf dem Substrat (101); Bilden einer amorphen dielektrischen Teilschicht auf der unteren Elektrode (121) mittels MOCVD; Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandeln der dielektrischen Teilschicht; wobei der Schritt der Bildung der dielektrischen Teilschicht und der Schritt der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der dielektrischen Teilschicht wiederholt durchgeführt werden, so dass eine durchgehende dielektrische Schicht (123) gebildet wird, und danach das Verfahren weiter zum Kristallisieren der dielektrischen Schicht (123) eine Kristallisations-Wärmebehandlung aufweist; und Bilden einer oberen Elektrode (125) auf der einer Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung unterzogenen dielektrischen Schicht (123).
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Schritte des Bildens der dielektrischen Teilschichten und der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der dielektrischen Teilschichten in derselben Kammer (11) durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der dielektrischen Teilschicht den Schritt des Ausset zens der dielektrischen Teilschicht gegenüber einer Atmosphäre umfaßt, die ein Sauerstoffradikal enthält.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem der Schritt der Sauerstoffradikal-Wärmebehandlung der dielektrischen Teilschicht weiter den Schritt der Aufrechterhaltung der Temperatur der dielektrischen Teilschicht auf einem Wert zwischen Raumtemperatur und einer Temperatur von gleich oder kleiner als 500 Grad Celsius während des Schrittes des Aussetzens der dielektrischen Teilschicht gegenüber einer sauerstoffradikalhaltigen Atmosphäre umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorstufe für das Sauerstoffradikal Ozon ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der dielektrischen Teilschicht den Schritt des Aussetzens der dielektrischen Teilschicht gegenüber einer Atmosphäre umfaßt, die ein Plasmagas enthält, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus O₂, NH₃, Ar, N₂ und N₂O besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt der Plasma-Wärmebehandlungen der dielektrischen Teilschicht weiter den Schritt der Aufrechterhaltung der Temperatur der dielektrischen Teilschicht auf einem Wert zwischen Raumtemperatur und einer Temperatur von gleich oder kleiner als 500 Grad Celsius während des Schrittes des Aussetzens der dielektrischen Teilschicht gegenüber dem Plasma enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die dielektrische Schicht (123) aus einem Material besteht, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Ta₂O₅, Al₂O₃, TiO₂, Y₂O₃, SrTiO₃, BaTiO₃, SrTiO₃, PbZrTiO₃, SrBi₂Ta₂O₉, PbZrO₃, LaZrO₃, PbTiO₃, LaTiO₃ und Bi₄Ti₃O₁₂ besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter den Schritt der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der unteren Elektrode (121) enthält.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem die Schritte der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der unteren Elektrode (121), der Ablagerung der dielektrischen Teilschichten und der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der dielektrischen Teilschichten in derselben Kammer (11) durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der unteren Elektrode (121), der Bildung der dielektrischen Teilschichten, der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der dielektrischen Teilschichten, und der Bildung der oberen Elektrode (125) in-situ mittels einer einzigen Einrichtung zur Erzeugung eines Dünnfilms durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Kristallisations-Wärmebehandlung der dielektrischen Schicht (123) nach Bildung der oberen Elektrode (125) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der unteren Elektrode (121), der Bildung der dielektrischen Teilschichten, der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der dielektrischen Teilschichten, der Bildung der oberen Elektrode (125) und der Kristallisationswärmebehandlung der dielektrischen Schicht (123) in-situ mittels einer einzigen Einrichtung zur Erzeugung eines Dünnfilms durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Schritte der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der dielektrischen Teilschichten und der Kristallisations-Wärmebehandlung der dielektrischen Schicht (123) in derselben Kammer (11) durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Schritte der Bildung der dielektrischen Teilschichten, der Sauerstoffradikal- oder Plasma-Wärmebehandlung der dielektrischen Teilschichten, der Kristallisations-Wärmebehandlung der dielektrischen Schicht (123) und der Bildung der oberen Elektrode (125) in-situ mittels einer einzigen Einrichtung zur Erzeugung eines Dünnfilms durchgeführt werden.