DE102004016963A1

DE102004016963A1 - Adhäsionsschicht für Pt auf SiO2

Info

Publication number: DE102004016963A1
Application number: DE102004016963A
Authority: DE
Inventors: Michael L. Wise; Young Limb; Kwong Hon Wong; Jenny Dr. Lian; Nicolas Dr. Nagel
Original assignee: Infineon Technologies AG; International Business Machines Corp
Current assignee: Qimonda AG; International Business Machines Corp
Priority date: 2003-04-07
Filing date: 2004-04-06
Publication date: 2004-11-18
Also published as: US7270884B2; US20040197576A1; US20040197984A1

Abstract

Si, Al, Al plus TiN sowie IrO¶2¶ werden als Adhäsionsschichten verwendet, um ein Ablösen von Edelmetall-Elektroden, wie Pt, von einem Siliziumdioxid-(SiO¶2¶)-Substrat in Kondensatorstrukturen von Speicherbauelementen zu verhindern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Speicherbauelemente für integrierte Schaltkreise (IC) und insbesondere das Einbeziehen einer oder mehrerer dünner Schichten, wie Si, Al, IrO₂ oder Al plus TiN, als Adhäsionsschicht zwischen einer Edelmetallschicht wie Pt und einer Siliziumdioxid-Schicht (SiO₂-Schicht) zur Bildung der Elektrode für Anwendungen von dynamischen Speichern für wahlfreien Zugriff (DRAM) mit hoher Dielektrizitätskonstante (hohem k) und von Speichern für wahlfreien Zugriff mit Ferroelektrikum (FRAM).

Kondensatoren mit Materialien mit einem Dielektrikum mit hoher Dielektrizitätskonstante (hohem k) werden zunehmend in Bauelementen hoher Dichte verwendet. Diese Dielektrika mit hoher Dielektrizitätskonstante, die in DRAM-Bauelementen verwendet werden, werden im Allgemeinen in einer oxidierenden Umgebung bei hoher Temperatur gebildet, ebenso wie ferroelektrische Materialien, die in FRAM-Bauelementen verwendet werden. Um die Oxidation der Elektroden bei diesen hohen Temperaturen zu vermeiden, werden bei solchen Dielektrika Edelmetall-Elektroden eingesetzt. In der Regel werden wegen ihrer hervorragenden Oxidationsbeständigkeit und hohen Austrittsarbeit Platin-Elektroden (Pt-Elektroden) für die Kondensatoren mit Dielektrikum mit hoher Dielektrizitätskonstante in DRAM-Bauelementen und für FRAM-Bauelementen verwendet. Pt haftet jedoch schlecht an Siliziumdioxid und führt zum Ablösen des Pt bei verschiedenen Verfahrensschritten beispielsweise während der Ausbildung des Kondensators und während der folgenden nachgeordneten Verarbeitungsprozesse (BEOL-Prozesse; BEOL = Back End of Line). Um das Ablösen zu verhindern, kann eine vermittelnde Adhäsionsschicht zwischen den Pt- und SiO₂-Schichten eingefügt werden. Zu den momentan verwendeten Adhäsionsschichten gehören Ti, TaSiN oder TiN.

Obwohl diese Materialien die Adhäsion zwischen den Pt- und SiO₂-Schichten in dem Zustand unmittelbar nach dem Abscheiden verbessern können, ist nach dem folgenden Schritt des Ausheizens, der in der Regel bei einer Temperatur von 500 bis 580 °C in einer Sauerstoffumgebung erfolgt, ein Aufrauhen der Pt-Oberfläche oder ein lokales Ablösen beobachtet worden. Wenn zudem dielektrische Schichten mit hoher Dielektrizitätskonstante und ferroelektrische Schichten bei Temperaturen unter 500 °C abgeschieden werden, weisen die Schichten eine verschlechterte Qualität des Films mit verringerter Kapazität auf, wodurch sich die Eigenschaften des Bauelements verschlechtern.

Daher ist es erwünscht, eine verbesserte Adhäsionsschicht zwischen den Edelmetall-Elektroden und den SiO₂-Schichten zur Verfügung zu stellen. Es ist auch erwünscht, eine Adhäsionsschicht zur Verfügung zu stellen, die das Ablösen der Edelmetall-Elektroden der Kondensatorstrukturen verhindert.

Kurzdarstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt eine oder mehrere Adhäsionsschichten zur Verfügung, die ein Ablösen der Pt-Elektrode von dem SiO₂ verhindern. Zu solchen Schichten gehören IrO₂, Si, Al oder Al plus TiN als Adhäsionsschicht.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird in einer Halbleiter-Kondensatorstruktur, die auf einem Siliziumdioxid-(SiO₂)-Substrat gebildet ist und eine Edelmetall-Elektrode aufweist, eine Adhäsionsschicht zwischen der Elektrode und dem SiO₂-Substrat angeordnet. Die Adhäsionsschicht ist ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Silizium (Si), Aluminium (Al), Aluminium (Al) plus Titannitrid (TiN) sowie Iridiumoxid (IrO₂).

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Adhäsionsschicht aus einer Gruppe bestehend aus Si, Al, Al plus TiN sowie IrO₂ ausgewählt und ist zwischen einer Edelmetallschicht und einer Siliziumdioxidschicht angeordnet.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Kondensatorstruktur mit hoher Dielektrizitätskonstante (hohem k) gefertigt. Eine Adhäsionsschicht wird auf einem SiO₂-Substrat abgeschieden. Die Adhäsionsschicht ist aus einer Gruppe bestehend aus Si, Al, Al plus TiN sowie IrO₂ ausgewählt. Eine untere Elektrode aus einem Edelmetall wird auf der Adhäsionsschicht abgeschieden.

Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird ein dielektrisches Material mit hoher Dielektrizitätskonstante auf der unteren Elektrode abgeschieden. Eine obere Elektrode wird auf der dielektrischen Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante abgeschieden, und die obere Elektrode und das Dielektrikum mit hoher Dielektrizitätskonstante werden strukturiert. Darauf wird eine Isolationsschicht abgeschieden, und in der Isolationsschicht werden Vias geöffnet. Eine Pad-Metallschicht wird in den Vias und über der Isolationsschicht abgeschieden, und die Pad-Metallschicht wird strukturiert.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine dreidimensionale Kondensatorstruktur gefertigt. Eine Siliziumdioxidschicht wird auf einem Substrat abgeschieden, und in der Siliziumdioxidschicht werden Vias geöffnet. Polykristallines Silizium wird in den Vias abgeschieden, und das polykristalline Silizium wird planarisiert und zurückgenommen, um Poly-Kontakte in den Vias zu bilden. Eine Barrierenschicht wird in den Vias abgeschieden, und die Barrierenschicht wird planarisiert. Eine Adhäsionsschicht wird über der Barrierenschicht und der SiO₂-Schicht abgeschieden. Die Adhäsionsschicht ist ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Si, Al, Al plus TiN sowie IrO₂. Eine untere Elektrode aus Edelmetall wird auf der Adhäsionsschicht abgeschieden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die genannten und anderen Gegenstände, Aspekte und Vorteile werden durch die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, in denen:
1 eine graphische Darstellung ist, die Daten einer Röntgenbeugungsanalyse veranschaulicht und die Stabilität von IrO₂ bei Temperaturen bis zu 750 °C zeigt.
2 ist eine Querschnittsansicht, die eine planare Kondensatorstruktur eines Bauelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
3 ist eine Querschnittsansicht, die eine erste dreidimensionale Kondensatorstruktur eines Bauelements gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt.
4 ist eine Querschnittsansicht, die eine zweite dreidimensionale Kondensatorstruktur eines Bauelements gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Verwendung von einer oder mehreren Schichten, wie IrO₂, Si sowie Al plus TiN, die die Adhäsion zwischen einer Elektrodenschicht und einer SiO₂-Schicht verbessern.
IrO₂ hat beispielsweise eine gute Adhäsion an Siliziumdioxid, was aufgrund seiner Art der Sauerstoffbindung vorhergesagt werden kann. IrO₂ bleibt bis zu 750 °C stabil, wenn es einer Sauerstoffumgebung ausgesetzt wird, wie in 1 gezeigt ist. Überdies ist polykristallines IrO₂ leitfähig und kann als Teil der Elektrode dienen.
Alternativ können dünne Si- oder Al-Schichten eine gleichförmige dünne Siliziumdioxid- oder Aluminiumoxidschicht unter einer Pt-Elektrode bilden, um die Adhäsion an Pt an der SiO₂-Schicht zu verbessern, ohne die Qualität des dielektrischen Films auf dem Pt zu verringern.
Tabelle 1, Meßergebnisse für die Adhäsion
Tabelle 1 zeigt die Adhäsionseigenschaften verschiedener Materialien, nachdem sie fünf Minuten einer Sauerstoffumgebung bei 640 °C ausgesetzt waren. Proben mit einer bekannten chemisch aus der Gasphase abgeschieden (CVD) TiN-Adhäsionsschicht konnten nicht getestet werden, da ihre Adhäsion weniger als 0,16 betrug. Proben mit bekannten Ti- oder TaSiN-Adhäsionsschichten hatten gegenüber chemischer oder physikalischer Abscheidung aus der Gasphase verbesserte Adhäsion, waren jedoch wegen der Verschlechterung der dielektrischen Schicht auf einer Pt/Ti- oder TaSiN/SiO₂-Struktur nicht geeignet. Bessere oder mindestens vergleichbare Adhäsion wurde für Proben mit einer polykristallinen Si-, Al- oder Al plus Ti-Adhäsionsschicht der Erfindung erhalten.
Um die Adhäsion zu testen, wurde eine planare Kondensatorstruktur wie in 2 gezeigt hergestellt, indem zuerst eine Adhäsionsschicht 21 auf einer SiO₂-Schicht oben auf einem Substrat (nicht gezeigt) abgeschieden wurde. Die Adhäsionsschicht ist vorzugsweise Si, Al, Al plus Ti oder IrO₂. Dann wird eine untere Pt-Elektrode 23 oben auf der Adhäsionsschicht 21 abgeschieden. Ein Dielektrikum 24 mit hoher Die lektrizitätskonstante wird dann oben auf der Adhäsionsschicht abgeschieden, und eine obere Elektrode 25 (Pt) wird darauf abgeschieden. Das Dielektrikum mit hoher Dielektrizitätskonstante kann ein (Ba, Sr)TiO₃-(BST)-Material sein. Die obere Elektrode 25 und das Dielektrikum 24 mit hoher Dielektrizitätskonstante werden danach strukturiert, und eine Isolations-(SiO₂)-Schicht 26 wird danach über dieser Struktur abgeschieden. Dann werden in dem SiO₂ Vias geöffnet, und eine Pad-Metallschicht 27 wie Al oder W wird in und auf den Vias abgeschieden und dann strukturiert.
Ergebnisse elektrischer Tests unter Verwendung der planaren Kondensatorstruktur, die in 2 gezeigt ist, zeigen im Wesentlichen keine Veränderung der Kapazität der dielektrischen Schicht, wenn eine Adhäsionsschicht aus Poly-Si verwendet wird, wie Tabelle 2 zeigt.
Tabelle 2, Ergebnisse elektrischer Tests
Die erfindungsgemäßen Adhäsionsschichten können in einem beliebigen Integrationsschema verwendet werden, bei dem Adhäsion der Elektrode an der SiO₂-Schicht von Bedeutung ist. Ohne dass der Umfang der Erfindung eingeschränkt wird, werden nun zwei Beispiele unter Verwendung von dreidimensionalen Kondensatorstrukturen auf Bauelementen für eine DRAM-Anwendung beschrieben.
In 3 ist eine SiO₂-Schicht 31 auf einem Substrat für ein Bauelement (nicht gezeigt) ausgebildet. In der SiO₂- Schicht 31 werden Vias geöffnet, und eine polykristalline Si-Schicht 32 wird auf dem SiO₂ und in die Vias hinein abgeschieden. Das polykristalline Si wird unter Verwendung eines chemisch-mechanischen Polier-(CMP)-Verfahrens planarisiert, um jegliches Material über der SiO₂-Schicht zu entfernen, und das Polysilizium wird dann zurückgenommen, was Poly-Kontakte in den Vias zwischen der Oberfläche der SiO₂-Schicht zurücklässt. Als nächstes wird eine Barrierenschicht 33 oben auf der SiO₂-Schicht und den Poly-Kontakten abgeschieden, und die Barrierenschicht wird in gleicher Weise einem CMP-Verfahren unterzogen. Dann wird eine Adhäsionsschicht 34 abgeschieden, und eine untere Pt-Elektrode 35 wird oben auf der Adhäsionsschicht abgeschieden. Falls eine leitfähige Adhäsionsschicht verwendet wird, wie IrO₂, wird die untere Elektrode direkt auf der Adhäsionsschicht abgeschieden. Falls alternativ eine nicht-leitfähige Adhäsionsschicht verwendet wird, wird der Teil der Adhäsionsschicht, der sich über der Barrierenschicht befindet, entfernt, und danach wird die untere Elektrode 35 abgeschieden. Danach wird die Schicht der unteren Elektrode strukturiert, um eine dreidimensionale Struktur (nicht gezeigt) auszubilden. Ein Dielektrikum mit hoher Dielektrizitätskonstante, wie ein BST, wird dann abgeschieden und mit einer Pt-Schicht einer oberen Elektrode bedeckt, um die Kondensatorstruktur zu bilden.
Eine alternative dreidimensionale Struktur ist in 4 gezeigt. Zuerst wird eine SiO₂-Schicht 41 auf einem Substrat für ein Bauelement (nicht gezeigt) abgeschieden. Dann werden in der SiO₂-Schicht Vias geöffnet, und eine polykristalline Si-Schicht 42 wird in den Vias und über dem SiO₂ ausgebildet. Das polykristalline Si wird dann unter Verwendung eines CMP-Verfahrens planarisiert und ausgenommen, wodurch Poly-Kontakte in den Vias zurückbleiben. Als nächstes wird eine Barrierenschicht 43 abgeschieden und einem CMP-Verfahren unterzogen. Eine SiO₂-Schicht 44 wird abgeschieden und danach strukturiert, um eine dreidimensionale Struktur zu bilden, und eine Adhäsionsschicht 45 wird darauf abgeschieden. Eine untere (Pt)-Elektrode 46 wird direkt auf der Adhäsionsschicht abgeschieden, wenn die Adhäsionsschicht leitfähig ist, wie wenn IrO₂ verwendet wird. Alternativ wird die Adhäsionsschicht in den Bereichen oberhalb der Barrierenschicht 43 entfernt, und die untere Elektrode wird danach abgeschieden. Der obere planare Teil der unteren Elektrode 46 wird dann entfernt (nicht gezeigt), und ein Dielektrikum mit hoher Dielektrizitätskonstante, wie BST, wird abgeschieden und mit einer Pt-Schicht bedeckt, um Kondensatoren zu bilden.
Obwohl die Erfindung in Form bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden Fachleute erkennen, dass die Erfindung mit Modifikation innerhalb des Geistes und Umfangs der angefügten Ansprüche durchgeführt werden kann.

Claims

Adhäsionsschicht, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Si, Al, Al plus TiN sowie IrO₂ und die zwischen einer Edelmetallschicht und einer Siliziumdioxidschicht angeordnet ist.
Adhäsionsschicht nach Anspruch 1, bei der die Edelmetallschicht Pt ist.
Adhäsionsschicht nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die Edelmetallschicht eine Elektrode ist, die einen Kondensator mit Dielektrikum mit hoher Dielektrizitätskonstante verwendet.
Adhäsionsschicht nach Anspruch 3, bei der der Kondensator Teil eines Speicherbauelements ist.
Halbleiterkondensatorstruktur, die auf einem Siliziumdioxid-Substrat gebildet ist und eine Edelmetall-Elektrode aufweist, die eine Adhäsionsschicht umfasst, die zwischen der Elektrode und dem Siliziumdioxidsubstrat angeordnet ist, wobei die Adhäsionsschicht ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Si, Al, Al plus TiN sowie IrO₂.
Halbleiterkondensatorstruktur nach Anspruch 5, bei der die Edelmetall-Elektrode Pt ist.
Halbleiterkondensatorstruktur nach Anspruch 5 oder 6, bei der die Kondensatorstruktur Teil eines Speicherbauelements ist.
Verfahren zur Fertigung einer Kondensatorstruktur mit hoher Dielektrizitätskonstante, umfassend: Abscheiden einer Adhäsionsschicht auf einem Siliziumdioxidsubstrat, wobei die Adhäsionsschicht ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Si, Al, Al plus TiN sowie IrO₂; und Abscheiden einer unteren Edelmetall-Elektrode auf der Adhäsionsschicht.
Verfahren nach Anspruch 8, zusätzlich umfassend: Abscheiden eines dielektrischen Materials mit hoher Dielektrizitätskonstante auf der unteren Elektrode; Abscheiden einer oberen Elektrode auf der dielektrischen Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante; Strukturieren der oberen Elektrode und der dielektrischen Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante; Abscheiden einer Isolationsschicht darauf; Öffnen von Vias zu der oberen Elektrode in der Isolationsschicht; Abscheiden einer Pad-Metallschicht in den Vias und über der Isolationsschicht; und Strukturieren der Pad-Metallschicht.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die untere Elektrode Pt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die obere Elektrode Pt ist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 11, bei dem die Isolationsschicht SiO₂ ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9, 11 und 12, bei dem die Pad-Metallschicht Al oder W ist.
Verfahren zur Fertigung einer dreidimensionalen Kondensatorstruktur, umfassend die Schritte: Abscheiden einer SiO₂-Schicht auf einem Substrat; Öffnen von Vias in der SiO₂-Schicht; Abscheiden von polykristallinem Si in die Vias; Planarisieren und Zurücknehmen des polykristallinen Si, um Poly-Kontakte in den Vias auszubilden; Abscheiden einer Barrierenschicht in den Vias über den Poly-Kontakten; Planarisieren der Barrierenschicht; Abscheiden einer Adhäsionsschicht über der Barrierenschicht und den SiO₂-Schichten, wobei die Adhäsionsschicht aus der Gruppe bestehend aus Si, Al, Al plus TiN sowie IrO₂ ausgewählt ist, und Abscheiden einer unteren Edelmetall-Elektrode auf der Adhäsionsschicht.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Adhäsionsschicht leitfähig ist.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die Adhäsionsschicht IrO₂ ist.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Adhäsionsschicht eine nicht leitfähige Schicht ist und das zusätzlich umfasst: Entfernen eines Teil der Adhäsionsschicht, der sich oberhalb der Barrierenschicht befindet, bevor die untere Elektrode abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem die untere Elektrode Pt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, das zusätzlich umfasst: Strukturieren der unteren Elektrode unter Bildung einer dreidimensionalen Struktur; Abscheiden einer dielektrischen Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante darauf; und Abscheiden einer oberen Elektrode auf der dielektrischen Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, das zusätzlich umfasst: Abscheiden und Strukturieren einer SiO₂-Schicht, um eine dreidimensionale Struktur auszubilden, vor dem Abscheiden der Adhäsionsschicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, das zusätzlich umfasst: Entfernen eines oberen planaren Teils der unteren Elektrode; Abscheiden einer dielektrischen Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante; und Abscheiden einer oberen Elektrode.
Verfahren nach Ansprüchen 19 oder 21, bei dem die untere und obere Elektrode Pt sind.