DE102004059668B3 - Halbleitertechnologieverfahren zur Herstellung einer leitfähigen Schicht - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer leitfähigen Schicht 11, wobei die leitfähige Schicht 11 mit mindestens zwei verschiedenen Metallnitriden 21, 22, 23 auf einem Substrat 10 abgeschieden wird. Dabei ergeben sich Kornstrukturen mit geringeren Abmessungen, als wenn nur Titannitrid zur Herstellung der Schicht 11 verwendet wird. Dies ermöglicht die Herstellung von Schichten mit einer glatteren Oberfläche und einer insgesamt dünneren Schichtdicke gegenüber den reinen Titannitridschichten.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleitertechnologieverfahren zur Herstellung einer leitfähigen Schicht.
- Die US 2003/0003648 A1 beschreibt eine Abscheidung einer Titan-Hafniumnitridschicht auf ein Halbleitersubstrat. Während der Abscheidung wird schrittweise der Hafniumanteil in der Titan-Hafniumnitridzusammensetzung erhöht.
- Die US 2003/0060003 A1 beschreibt die Abscheidung von drei aufeinander folgenden Schichten zur Herstellung eines Kondensators. Die erste und dritte Schicht sind aus Titannitrid oder Hafniumnitrid gebildet. Die zwischenliegende zweite Schicht wird aus einem dielektrischen Material gebildet, welches Siliziumnitrid umfasst.
- Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die Herstellung von Kondensatoren in Halbleitersubstraten beschrieben wird, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern betrifft allgemein die Herstellung von dünnen leitfähigen Schichten.
- Aus allgemein bekannten Gründen werden in der Halbleitertechnologie Verfahren bevorzugt, welche eine möglichst hohe Integrationsdichte von Halbleiterbauelementen ermöglichen. Ein sehr häufig benötigtes Halbleiterbauelement, insbesondere für Halbleiterspeicherbauelemente, sind Kondensatoren. Typischerweise werden für diese Gräben mit einem hohen Aspektverhältnis in ein Halbleitersubstrat geätzt und auf den Grabenboden und die Grabenseitenwände nacheinander eine erste Elektrode, eine Isolationsschicht und eine zweite Elektrode abgeschieden. Die typischen Kondensatorformen werden nach der Abfolge der einzelnen in den Graben abgeschiedenen Schichten bezeich net und sind z. B. ein MIM (Metall, Isolator, Metall) oder ein MIS-Kondensator (Metall, Isolator, Halbleiter). Die Kapazität des Kondensators ist proportional zur Oberfläche der Isolationsschicht. Damit diese möglichst groß ist, muss die erste Elektrode in dem Graben möglichst dünn sein, insbesondere im Bereich des Grabenbodens. Ein bekanntes Material für die erste Elektrode ist Titannitrid. Titannitrid zeigt tendenziell ein Wachstum am Grabenboden mit einer vertikalen Kornstruktur. Die typische Größe dieser Kornstrukturen ist etwa 5 nm. Schichten welche so dick sind, wie die Kornstrukturen groß sind, weisen Korngrenzen auf, welche von einer oberen Oberfläche bis zu einer unteren Oberfläche der Schicht verlaufen. Entlang dieser Korngrenzen können Verunreinigungen während der Halbleiterherstellungsverfahren diffundieren. Ty pische Verunreinigungen sind Chlor oder Sauerstoff. Diese Verunreinigungen führen zu Zwischenzuständen in dem Halbleitersubstrat. Diese Zwischenzustände lokalisieren Ladungsträger und führen auf diese Weise zu parasitären Kapazitäten. Da diese parasitären Kapazitäten zu vermeiden sind, muss die Diffusion unterdrückt werden und daher ist die minimale Schichtdicke des Titannitrids deutlich größer als die Kornstruktur von Titannitrid, also 5 nm, zu wählen.
- Wie zuvor beschrieben werden auf die Titannitridschicht nachfolgend weitere Schichten abgeschieden. Hierbei zeigt sich, dass die Qualität der nachträglich abgeschiedenen Schichten maßgeblich von der Rauigkeit der Oberfläche der Titannitridschicht abhängt. Bei dünnen Titannitridschichten ergibt sich eine mittlere Rauigkeit von etwa 1 nm aufgrund der Kornstruktur. Dies hat zur Folge, dass weitere Schichten auf einer dünnen Titannitridschicht geringer Qualität abgeschieden werden oder ein hoher Aufwand für eine Abscheidung dieser Schichten erforderlich ist.
- Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Halbleitertechnologieverfahren bereitzustellen, welches eine Abscheidung einer dünnen leitfähigen Schicht ermöglicht, wobei die Oberfläche dieser Schicht eine geringe Rauigkeit aufweist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren bereitzustellen, welches eine Abscheidung einer dünnen leitfähigen Schicht ermöglicht, welche keine durchgehenden Korngrenzen aufweist.
- Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgaben mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
- Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren bereitzustellen, wobei eine Schicht mit mindestens zwei verschiedenen Metallnitriden auf einem Substrat abgeschieden wird.
- Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass eine zweite Metallnitridschicht eine Ausbildung von Kornstrukturen in der ersten Metallnitridschicht verhindert oder zumindest die Größe der Kornstrukturen verringert.
- Ein Substrat wird bereitgestellt und auf eine Oberfläche des Substrats eine erste Metallnitridschicht, auf die Oberfläche der ersten Metallnitridschicht eine zweite Metallnitridschicht und auf die Oberfläche der zweiten Metallnitridschicht eine dritte Metallnitridschicht abgeschieden. Hierbei verhindert die mittlere zweite Metallnitridschicht die Ausbildung von großen Kornstrukturen in der ersten und in der dritten Metallnitridschicht. Die erste Metallnitridschicht weist Titannitrid auf. Die zweite Metallnitridschicht weist Hafniumnitrid auf. Es zeigt sich, dass bereits durch eine dünne Hafniumnitridschicht eine Ausbildung von großen Kornstrukturen in dem Titannitrid unterbunden wird. Die zweite Metallnitridschicht kann dabei dünner als 5 nm und bevorzugt dünner als 1 nm sein. Die erste und/oder die dritte Metallnitridschicht können nun dünner als 10 nm aufgrund der verringerten Kornstruktur sein.
- Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist mindestens eine der Metallnitridschichten zugleich Hafniumnitrid und Titannitrid auf.
- Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden die Metallnitridschichten mittels eines ALD-Verfahrens abgeschieden.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Figuren der Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- In den schematischen Figuren zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur eines Kondensators; und -
2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. - In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
- In
1 ist eine Kondensatorstruktur in einem Halbleitersubstrat10 dargestellt. In das Halbleitersubstrat, welches typischerweise Silizium oder Siliziumoxid aufweist, ist ein Graben1 geätzt. Der Graben1 weist vorteilhafterweise ein hohes Aspektverhältnis, sprich eine geringe Breite bei einer großen Tiefe, auf. Der Kondensator wird in dem Graben dadurch ausgebildet, dass eine erste leitfähige Schicht11 in den Graben abgeschieden wird, welche nachfolgend die erste Elektrode bildet. Auf diese erste Elektrode wird eine isolierende Schicht12 , vorzugsweise mit einer hohen Dielektrizitätskonstante, abgeschieden. Danach wird eine zweite leitfähige Schicht13 auf der isolierenden Schicht12 abgeschieden, um die zweite Elektrode auszubilden. Abschließend kann der Graben mit einem Halbleitersubstrat, vorzugsweise einem stark dotierten Halbleitersubstrat aufgefüllt werden. Die Kapazität des Kondensators steigt mit zunehmender Oberfläche der isolierenden Schicht12 zwischen den zwei Elektroden. Je dünner die erste leitende Schicht11 ist, umso größer wird die Oberfläche der isolierenden Schicht12 und nähert sich der Oberfläche des Grabens1 an. - In
2 ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die in1 dargestellt leitende Schicht11 setzt sich aus einer Titannitridschicht23 , einer Hafniumnitridschicht22 und einer zweiten Titannitridschicht21 zusammen, welche in der aufgelisteten Abfolge auf einem Substrat10 abgeschieden werden. Die Titannitridschichten21 ,23 sind etwa 4 nm bis 5 nm dick. Es zeigt sich, dass bei dieser Schichtenfolge in dem Titannitrid sich überraschenderweise keine Kornstruktur ausbildet, oder diese Kornstruktur eine deutlich geringere Abmessung aufweist, als wie sie sich typischerweise in reinem Titannitrid mit einer Abmessung von etwa 5 nm ausbildet. Daher kann die Titannitridschicht mit einer geringeren Schichtdicke abgeschieden werden, ohne das sich durchgehende Korngrenzen von einer Oberfläche zu einer zweiten Oberfläche ausbilden. Somit bildet die Titannitridschicht eine Diffusionsbarierre gegenüber Verunreinigungen wie Chlor oder Sauerstoff. Ein weiterer Effekt der kleineren Kornstrukturen des Titannitrids ist, dass sich im Mittel eine glattere Oberfläche ausbildet. Die Oberflächenrauigkeit der Schichten (2 ) mit einer Gesamtstärke ist um ein Drittel geringer als die Oberflächenrauigkeit einer reinen Titannitridschicht mit einer Dicke, welche der vorgenannten Gesamtstärke entspricht. Auf die Schichtenfolge aus der Titannitridschicht, der Hafniumnitridschicht22 und der Titannitridschicht21 mit der verbesserten Oberflächeneigenschaft lassen sich deshalb in gleichmäßigerer Weise die dielektrische Schicht12 und die zweite leitfähige Schicht13 abscheiden, als auf einer reinen Titannitridschicht. - Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor eine Abscheidung einer Hafniumnitridschicht auf einer Titannitridschicht und nachfolgend einer Titannitridschicht auf einer Hafniumnitridschicht mehrfach zu wiederholen.
- Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor Hafniumnitrid und Titannitrid zugleich auf dem Halbleitersubstrat abzuscheiden. Bevorzugt ist ein Mischungsverhältnis von zwei Drittel Titannitrid zu einem Drittel Hafniumnitrid. Der Vorteil der dritten Ausführungsform gegenüber dem vorgenannten Verfahren ist dessen einfachere Prozesssteuerung gegenüber dem Schichtenwachstum. Die gemischte Titan-Hafniumnitridschicht weist eine um ein Fünftel geringere Oberflächenrauigkeit auf, als eine Titannitridschicht vergleichbarer Dicke.
- Vorteilhafterweise zeigt sich, dass die vorgenannten Titan-Hafniumnitridschichten gegenüber Ausheilungsschritten mit einer Temperatur von 1050°C für mindestens 60 Sekunden stabil sind. Damit lassen sich die Verfahrensschritte der drei Ausführungsformen in bestehende Halbleitertechnologieverfahren integrieren.
- Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben wird, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt.
- Insbesondere ist die Erfindung nicht auf die Anwendung zur Herstellung einer ersten Elektrode eines MIM-Kondensators beschränkt. Ein Fachmann wird das erfindungsgemäße Verfahren einsetzen, wenn dünne leitfähige Schichten mit einer geringen Oberflächenrauigkeit benötigt werden.
- Bevorzugte Abscheidungsverfahren zum Aufbringen der dünnen Metallnitridschichten sind ein ALD (atomic layer deposition) Verfahren und ein CVD (chemical vapor deposition)-Verfahren. Insbesondere ersteres Verfahren ermöglicht eine Schicht mit einer vorgebenen Dicke im Bereich weniger Nanometer abzuscheiden.
- In den Ausführungsformen wird eine Hafniumnitridschicht bevorzugt. Diese kann sinngemäß durch eine Schicht ersetzt wer den, welche ein anderes Metallnitrid aufweist. Ebenso sind die Schichtdicken nur beispielhaft, insbesondere können sie geringer als die angegebenen Größen sein.
-
- 1
- Graben
- 10
- Substrat
- 11
- erste Elektrode
- 12
- Dielektrikum
- 13
- zweite Elektrode
- 21
- dritte Metallnitridschicht
- 22
- zweite Metallnitridschicht
- 23
- erste Metallnitridschicht
Claims (4)
- Halbleitertechnologieverfahren zur Herstellung einer leitfähigen Schicht, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritt aufweist: a) Bereitstellen des Substrats (
10 ); b) Abscheiden einer ersten Metallnitridschicht (23 ), die Titannitrid aufweist, auf eine Oberfläche des Substrats; c) Abscheiden einer zweiten Metallnitridschicht (22 ), die Hafniumnitrid aufweist, auf eine Oberfläche der ersten Metallnitridschicht (23 ); d) Abscheiden einer dritten Metallnitridschicht (21 ) deren chemische Zusammensetzung der chemischen Zusammensetzung der ersten Metallnitridschicht (23 ) entspricht auf eine Oberfläche der zweiten Metallnitridschicht (22 ); - Halbleitertechnologieverfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallnitridschichten (
23 ,22 ,21 ) mittels eines ALD-Verfahrens abgeschieden werden. - Halbleitertechnologieverfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Metallnitridschicht (
23 ) und/oder die dritte Metallnitridschicht (21 ) dünner als 5 nm, besonders bevorzugt dünner als 5 nm sind. - Halbleitertechnologieverfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Metallnitrid schicht (
22 ) dünner als 5 nm, besonders bevorzugt dünner als 1 nm ist.
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