DE102006030707B4 - Verfahren zur Herstellung eines Kondensators in einem Halbleiterbauelement - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kondensators in einem Halbleiterbauelement, aufweisend: Bilden einer Bodenelektrode über einem Halbleitersubstrat; Bilden einer dielektrischen ZrxAlyOz-Schicht über der Bodenelektrode unter Verwendung eines atomaren Schichtabscheidungs(ALD)-Verfahrens, wobei die dielektrische ZrxAlyOz-Schicht eine Zirkonium(Zr)-Komponente, eine Aluminium(Al)-Komponente und eine Sauerstoff (O) Komponente aufweist, gemischt in vorbestimmten Mol-Fraktionen von x, y bzw. z; und Bilden einer oberen Elektrode über der dielektrischen ZrxAlyOz-Schicht, wobei die dielektrische ZrxAlyOz-Schicht durch Durchführen eines Einheitszyklus aus folgenden, aufeinander folgend ausgeführten sechs Schritten erhalten wird: – Adsorbieren eines Zr-Quellengases auf der Bodenelektrode; – Zuführen eines ersten Ausblasgases, um nicht adsorbierte Teile des Zr-Quellengases auszublasen; – Adsorbieren eines Al-Quellengases auf dem auf dem Target zur Verfügung gestellten Zr-Quellengas; – Zuführen eines zweiten Ausblasgases, um nicht adsorbierte Teile des Al-Quellengases auszublasen; – Zuführen eines Reaktionsgases, um mit den Zr- und Al-Quellengasen, die auf dem Target zur Verfügung gestellt sind, zu reagieren, wodurch...

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements; und weiter insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators in einem Halbleiterbauelement.
  • Derartige Verfahren sind beispielsweise aus der US 2005/0054165 A1 , der US 2005/0212031 A1 , der US 2005/0054156 A1 , der JP 2002 0 60944 A und der DE 10 2005 052322 A1 bekannt geworden. Insbesondere ist aus der US 2005/0054165 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators in einem Halbleiterbauelement bekannt geworden, bei dem eine Bodenelektrode über einem Halbleitersubstrat gebildet wird, eine dielektrische ZrxAlyOz-Schicht über der Bodenelektrode unter Verwendung eines atomaren Schichtabscheidungsverfahrens gebildet wird, wobei die dielektrische ZrxAlyOz-Schicht eine Zirkoniumkomponente eine Aluminiumkomponente und eine Sauerstoffkomponente aufweist, die in einem vorbestimmten Mol-Verhältnis gemischt ist und wobei eine obere Elektrode über der dielektrischen ZrxAlyOz-Schicht gebildet wird, wobei das sauerstoffhaltige Reaktionsgas zweimal zugeführt wird.
  • Da Halbleiterbauelemente, wie etwa ein DRAM, hochintegriert sein werden, nimmt die Einheitszellengröße und eine Betriebsspannung ab. Somit wird die Bauelementauffrischzeit oft verkürzt und es kann oft ein Softfehler auftreten. Um diese Beschränkungen zu überwinden, müssen Kondensatoren entwickelt werden, um eine Kapazität von 25 fF pro Zelle oder darüber und einen reduzierten Leckstrom aufzuweisen.
  • Im Allgemeinen ist ein Kondensator, der in einer Struktur eines Nitrids und eines Oxids (NO) unter Verwendung von Si3N4 als ein dielektrisches Material gebildet wird, bezüglich der Kapazität nachteilig, wenn es zu einer hohen Integration kommt. Es sind nicht genug Bereiche vorhanden, um die benötigte Kapazität zu erzielen. Statt Si3N4 zu verwenden, wird eine Kondensatorstruktur entwickelt, die ein dielektrisches Material mit hohem K, wie z. B. Tantaloxid (Ta2O5), Lanthanoxid (La2O3) oder Hafniumoxid (HfO2) in einer einzelnen dielektrischen Schicht verwendet, um ausreichende Kapazität zu erhalten. Diese spezielle Kondensatorstruktur wird eine Polysilizium-Isolator-Polysilizium(SIS)-Struktur genannt.
  • Eine SIS-Kondensator-Struktur unter Verwendung eines dielektrischen Al2O3 Materials kann jedoch Kapazitätsbeschränkungen bezüglich eines dynamische Direktzugriffsspeicher (DRAMs) mit einem Niveau von 512 M oder höher aufweisen. Somit sind viele Entwickler entweder auf ein Entwickeln anderer Kondensatorstrukturen fokussiert, wie etwa eine Metall-Isolator-Metall(MIM)-Struktur unter Verwendung einer Titannitrid(TiN)-Elektrode und einer dielektrischen HfO2/Al2O3 oder HfO2/Al2O3/HfO2 Struktur.
  • Wenn die zuvor erwähnte Kondensatorstruktur verwendet wird, dann beträgt die erwartete äquivalente Oxiddicke (Tox) etwa 1,2 nm. Um eine Kapazität zu erhöhen ohne eine Oxiddicke zu reduzieren, kann eine Kondensatorfläche mit einer 3D-Elektrodenstruktur vergrößert werden. In DRAM-Produkten mit einem sub-70 nm Niveau mit Metall-Zwischenverbindungstechnologie kann ein Erreichen einer Zellenkapazität von etwa 25 fF/Zelle oder höher in einer komplexen Bodenelektrodenstruktur resultieren. Dementsprechend kann es schwierig sein, die gewünschte Kapazität zu erreichen, wenn die Fläche der Bodenelektrodenstruktur nicht vergrößert wird.
  • Zuletzt haben viele Studien bezüglich MIM-Kondensatorstrukturen einen Fortschritt verzeichnet. Diese MIM-Kondensatorstrukturen verwenden ein Edelmetall, beispielsweise Ruthenium (Ru), als ein Elektrodenmaterial, und Ta2O5 oder HfO2 als ein einzelnes dielektrisches Material.
  • Wenn die äquivalente Oxiddicke jedoch auf etwa 1,2 nm oder weniger zusammen mit einer Verwendung der Ru-Elektrode reduziert wird, neigt der MIM-Kondensator dazu, einen hohen Leckstrom aufzuweisen; in einigen Fällen etwa 1 fA pro Zelle. Dementsprechend kann es schwierig sein, diesen MIM-Kondensator in einem DRAM, der sub-70 nm Niveau Zwischenverbindungstechnologie verwendet und eine Kapazität von 512 M oder darüber aufweist, zu implementieren.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators in einem Halbleiterbauelement, wobei der Leckstrom reduziert wird und eine Kapazität erhöht wird, für DRAM-Produkte, die mit sub-70 nm Niveau Zwischenverbindungstechnologie implementiert sind.
  • In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators mit einer Bodenelektrode mit gegenüber dem Stand der Technik verbesserten elektrischen Eigenschaften in einem Halbleiterbauelement zur Verfügung gestellt, aufweisend: Bilden einer Bodenelektrode; Bilden einer dielektrischen ZrxAly-Oz-Schicht auf der Bodenelektrode unter Verwendung eines atomaren Schichtabscheidungs(ALD)-Verfahrens, wobei die dielektrische ZrxAlyOz-Schicht eine Zirkonium (Zr) Komponente, eine Aluminium (Al) Komponente und eine Sauerstoff (O) Komponente aufweist, gemischt in vorbestimmten Mol-Fraktionen von x, y bzw. z; und Bilden einer oberen Elektrode auf der dielektrischen ZrxAlyOz-Schicht, wobei die dielektrische ZrxAlyOz-Schicht durch Durchführen eines Einheitszyklus aus folgenden, aufeinander folgend ausgeführten sechs Schritten erhalten wird: Adsorbieren eines Zr-Quellengases auf der Bodenelektrode; Zuführen eines ersten Ausblasgases, um nicht adsorbierte Teile des Zr-Quellengases auszublasen; Adsorbieren eines Al-Quellengases auf dem auf dem Target zur Verfügung gestellten Zr-Quellengas; Zuführen eines zweiten Ausblasgases, um nicht adsorbierte Teile des Al-Quellengases auszublasen; Zuführen eines Reaktionsgases, um mit den Zr- und Al-Quellengasen, die auf dem Target zur Verfügung gestellt sind, zu reagieren, wodurch die dielektrische ZrxAlyOz-Schicht gebildet wird; Zuführen eines dritten Ausblasgases, um nicht reagierte Teile des Reaktionsgases zu entfernen.
  • 1 ist ein Diagramm, welches eine Kondensatorstruktur in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 2A bis 2C sind Querschnitte, die ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators in einem Halbleiterbauelement in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen; und
  • 3 ist ein Diagramm zum Beschreiben sequenzieller Operationen eines Bildens einer dielektrischen ZrxAlyOz-Schicht, basierend auf einem atomaren Schichtabscheidungs(ALD)-Verfahren in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Detail mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente in verschiedenen Zeichnungen bezeichnen.
  • Gemäß 1 werden eine dielektrische ZrxAlyOz-Schicht 16 und eine obere Elektrode 17 sequenziell auf einer Bodenelektrode 15 gebildet. Die dielektrische ZrxAlyOz-Schicht 16 weist bestimmte Mol-Fraktionen aus Zirkonium (Zr), Aluminium (Al) und Sauerstoff (O) auf. Auch wird die dielektrische ZrxAlyOz-Schicht 16 unter Verwendung eines atomaren Dampfabscheidungs(ALD)-Verfahrens bis zu einer ungefähren Dicke zwischen 5 nm und 10 nm gebildet.
  • In der dielektrischen ZrxAlyOz-Schicht 16 repräsentieren die Indizes x, y und z in „ZrxAlyOz” Mol-Fraktionen aus Zr, Al bzw. O. Diese Mol-Fraktionen kommen auf etwa 1, wenn sie addiert werden, (d. h. x + y + z). Auch liegt das Verhältnis von x zu y in einem ungefähren Bereich zwischen 1:1 und 10:1. Dieses Verhältnis zeigt an, dass die Mol-Fraktion der Zr-Komponente in der dielektrischen ZrxAlyOz-Schicht 16 in einem Bereich von gleich der Al-Komponente bis zum 10-fachen größer als die Al-Komponente liegen kann.
  • Gemäß 2A wird eine Zwischenschichtisolationsschicht 12 über einem Substrat 11 gebildet, in welchem Bodenstrukturen einschließlich Bit-Leitungen und Transistoren bereits gebildet sind. Die Zwischenschichtisolationsschicht 12 wird geätzt, um Kontaktlöcher 13 zu bilden, die Verbindungsregionen des Substrats 11 oder Angriffspunktpfropfenpolys (LPPs) exponieren. Ein leitendes Material füllt die Kontaktlöcher 13, um Speicherknotenkontakte 14 zu bilden.
  • Ein Bodenelektrodenmaterial wird über der Zwischenschichtisolationsschicht 14 und den Speicherknotenkontakten 14 gebildet. Dann wird ein chemisch-mechanischer Polier(CMP)-Prozess oder ein Zurückätzprozess auf dem Bodenelektrodenmaterial ausgeführt, um jede Bodenelektrode 15, die einen Speicherknotenkontakt 14 kontaktiert, zu isolieren und zu erzeugen.
  • Die Bodenelektroden 15 schließen ein metallbasiertes Material ein, welches entweder aus Titannitrid (TiN), Tantalnitrid (TaN), Wolfram (W), Wolframnitrid (WN), Ruthenium (Ru), Rutheniumoxid (RuO2), Iridium (Ir), Iridiumoxid (IrO2), oder Platin (Pt) besteht. Auch werden die Bodenelektroden 15 mit einer Dicke gebildet, die in einem Bereich von etwa 20 nm bis 50 nm liegt. Zusätzlich zu einer zylindrischen Struktur, wie sie in 2A dargestellt ist, können die Bodenelektroden 15 in einer anderen Struktur, wie etwa einer konkaven Struktur oder einer gestapelten Struktur, gebildet werden.
  • Wenn die Bodenelektroden 15 beispielsweise TiN verwenden, wird TiCl4 als ein Quellenmaterial und NH3 als ein Reaktionsgas verwendet. Das Quellenmaterial und das Reaktionsgas werden individuell mit einer Rate in einem Bereich von etwa 10 cm3/min (unter Standardbedingungen) bis 1.000 cm3/min (unter Standardbedingungen) (10 bis 1000 sccm) zur Verfügung gestellt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Reaktionskammer auf etwa 0,1333 hPa bis 13,332 hPa (0,1 bis 10 Torr) gehalten, und das Substrat 11 wird bei etwa 500°C bis 700°C gehalten. Die Bodenelektroden 15 (d. h. die TiN-Schicht) werden mit einer Dicke in einem Bereich von etwa 20 nm bis 50 nm ausgebildet.
  • Nach der Bildung der Bodenelektroden 15 wird ein Ausheilprozess in einem Umgebungsgas durchgeführt, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Stickstoff (N2), Wasserstoff (H2), N2/H2, Sauerstoff (O2), Ozon (O3) und Ammoniak (NH3) besteht. Der Ausheilprozess wird durchgeführt, um die Bodenelektroden 15 zu verdichten; verbleibende Störstellen in den Bodenelektroden 15 zu entfernen, die oft verursachen, dass ein Leckstrom ansteigt; und im Oberflächenrauheit zu eliminieren, welche eine ungleichmäßige Verteilung eines elektrischen Feldes verursachen kann.
  • Der Ausheilprozess wird entweder unter Verwendung eines Plasmaausheilprozesses, eines Ofenausheilprozesses oder eines schnellen thermischen Prozesses (RTP) durchgeführt. Der Plasmaausheilprozess wird für etwa 1 bis 5 Minuten unter den folgenden Bedingungen durchgeführt: Radiofrequenz (RF) Leistung von etwa 100 W bis 500 W, um ein Plasma zu erzeugen; Temperatur bei etwa 200°C bis 500°C; Druck von etwa 0,1333 hPa bis 13,332 hPa; und ausgewähltes Umgebungsgas von etwa 5 cm3/min (unter Standardbedingungen) bis 5.000 cm3/min (unter Standardbedingungen). Der Ofenausheilprozess wird bei etwa 600°C bis 800°C unter Verwendung von etwa 5 cm3/min (unter Standardbedingungen) bis 5.000 cm3/min (unter Standardbedingungen) des ausgewählten Umgebungsgases durchgeführt. Der RTP wird unter Verwendung von etwa 5 cm3/min (unter Standardbedingungen) bis 5.000 cm3/min (unter Standardbedingungen) des ausgewählten Umgebungsgases in einer Kammer durchgeführt, die auf einem ansteigenden Druck von etwa 933.24 hPa bis 1013.232 hPa oder einem abfallenden Druck von etwa 1,333 hPa bis 133,32 hPa bei einer Temperatur von etwa 500°C bis 800°C gehalten wird.
  • Gemäß 2B wird eine dielektrische ZrxAlyOz-Schicht 16 über den Bodenelektroden 15 gebildet. Eine dünne Zirkoniumoxid(ZrO2)-Schicht und eine dünne Aluminiumoxid(Al2O3)-Schicht werden miteinander gemischt, um die dielektrische ZrxAlyOz-Schicht 16 zu bilden. Insbesondere wird die dielektrische ZrxAlyOz-Schicht 16 erhalten durch Ausführen eines atomaren Schichtabscheidungs(ALD)-Verfahrens, welches im Detail mit Bezug auf 3 beschrieben werden wird.
  • Gemäß 2C wird eine obere Elektrode 17 über der dielektrischen ZrxAlyOz-Schicht 16 gebildet. Die obere Elektrode 17 schließt TiN, TaN, W, WN, Ru, RuO2, Ir, IrO2, oder Pt ein. Die dargestellte Kondensatorstruktur ist eine MIM-Kondensatorstruktur.
  • Als ein Beispiel kann die obere Elektrode 17 eine Schicht aus TiN sein, erhalten durch Ausführen einer chemischen Dampfabscheidung (CVD) oder einer physikalischen Dampfabscheidung (PVD). Für das CVD-Verfahren werden TiCl4 und NH3 als das Quellenmaterial, bzw. das Reaktionsgas verwendet. Das Quellenmaterial und das Reaktionsgas werden individuell mit einer Rate in einem Bereich von etwa 10 cm3/min (unter Standardbedingungen) bis 1.000 cm3/min (unter Standardbedingungen) zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Reaktionskammer auf etwa 0,1333 hPa bis 13,332 hPa gehalten, und die Substrattemperatur liegt in einem Bereich von etwa 500°C bis 600°C. Die TiN-Schicht (d. h. die obere Elektrode 17) wird bis zu einer Dicke von etwa 20 nm bis 40 nm gebildet.
  • Anschließend können eine Oxidschicht oder eine Metallschicht bis zu einer Dicke von etwa 5 nm bis 20 nm gebildet werden. Die Oxidschicht wird gebildet durch Ausführen eines ALD-Verfahrens und kann ein Material aufweisen, wie etwa AL2O3, HfO2, Ta2O5, ZrO2, TiO2, oder La2O3, und die Metallschicht kann TiN aufweisen. Die Oxidschicht oder die Metallschicht werden als eine Passivierungsschicht oder eine Pufferschicht gebildet, um eine strukturelle Stabilität zu verbessern gegenüber Feuchtigkeit; Temperatur oder elektrischen Schocks, welche während eines thermischen Prozesses und eines Ausheilprozesses eines nachfolgenden Integrationsprozesses (d. h. eines hintenliegenden Prozesses (englisch = back end process)) erzeugt werden können; einem Nassätzprozess; einem Verpackungsprozess; und Umgebungstests bezüglich Zuverlässigkeit werden durchgeführt. Beispielsweise werden der thermische Prozess und der Ausheilprozess in einem Umgebungsgas, wie etwa H2, N2 oder N2/H2, durchgeführt.
  • 3 ist ein Diagramm zum Beschreiben der Prozesse, die beim Bilden einer dielektrischen ZrxAlyOz-Schicht basierend auf einem ALD-Verfahren in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden.
  • Das ALD-Verfahren schließt wie dargestellt ein Zuführen eines Quellengases, ein Ausblasen nicht reagierter Teile des Quellengases, ein Zuführen eines Reaktionsgases und ein Ausblasen nicht reagierter Teile des Reaktionsgases ein. Das ALD-Verfahren wird wiederholt durchgeführt, bis die dielektrische ZrxAlyOz-Schicht mit einer gewünschten Dicke gebildet ist.
  • Detaillierter gesprochen wird das Quellengas zur Adsorption in einen Target zugeführt und das Ausblasgas wird zugeführt, um überschüssiges Quellengas auszublasen, welches nicht adsorbiert wurde. Dann wird das Reaktionsgas zugeführt und reagiert mit dem adsorbierten Quellengas, um die gewünschte dünne Schicht abzuscheiden. Das Ausblasgas wird dann erneut zugeführt, um nicht reagierte Teile des Reaktionsgases auszublasen.
  • Die dielektrische ZrxAlyOz-Schicht wird erhalten durch Durchführen des zuvor erwähnten Einheitszyklus des ALD-Verfahrens, einschließlich Zuführen eines Zr-Quellengases, eines Al-Quellengases, Zuführen eines Ausblasgases, Zuführen eines Reaktionsgases und erneutes Zuführen des Ausblasgases. Der Einheitszyklus wird wiederholt bis die Dicke der dielektrischen ZrxAlyOz-Schicht in einem Bereich von etwa 5 nm bis 10 nm liegt. Zu diesem Zeitpunkt wird das Substrat auf etwa 200°C bis 500°C gehalten, und die Reaktionskammer wird auf etwa 0,1333 hPa bis 1,333 hPa gehalten.
  • Das Zr-Quellengas wird ausgewählt aus ZrCl4, Zr(N(CH3)C2H5)4, Zr(O-tBu)4, Zr(N(CH3)2)4, Zr(N(C2H5)(CH3))4, Zr(N(C2H5)2)4, Zr(TMHD)4, Zr(OiC3H7)3(TMTD), Zr(OtBu)4, oder einer Zr-haltigen Verbindung. Das Zr-Quellengas wird in die Reaktionskammer durch ein Trägergas, beispielsweise Argon (Ar) Gas, zugeführt, welches mit einer Rate in einem Bereich von etwa 150 cm3/min (unter Standardbedingungen) bis 250 cm3/min (unter Standardbedingungen) für etwa 0,1 Sekunden bis 10 Sekunden zugeführt wird.
  • Das Ausblasgas, wie etwa N2 oder Ar, wird zugeführt, um nicht adsorbierte Teile des Zr-Quellengases auszublasen. Das Ausblasgas wird mit einer Rate in einem Bereich von etwa 200 cm3/min (unter Standardbedingungen) bis 400 cm3/min (unter Standardbedingungen) für etwa 3 Sekunden bis 10 Sekunden zugeführt.
  • Das Al-Quellengas wird ausgewählt aus Al(CH3)3, Al(C2H5)3 oder einer Al-haltigen Verbindung. Das Al-Quellengas wird in die Reaktionskammer mit einem Trägergas, beispielsweise Ar-Gas, zugeführt. Das Ar-Gas wird mit einer Rate in einem Bereich von etwa 20 cm3/min (unter Standardbedingungen) bis 100 cm3/min (unter Standardbedingungen) für etwa 0,1 Sekunden bis 5 Sekunden zugeführt.
  • Das Ausblasgas, beispielsweise N2 oder Ar-Gas, wird erneut zugeführt, um nicht reagierte Teile des Al-Quellengases auszublasen. Das Ausblasgas wird mit einer Rate in einem Bereich von etwa 200 cm3/min (unter Standardbedingungen) bis 400 cm3/min (unter Standardbedingungen) für etwa 3 Sekunden bis 10 Sekunden zugeführt.
  • Das Reaktionsgas wird aus O3 (mit einer Konzentration von etwa 100 g/m3 bis 500 g/m3), O2, O2-Plasma, N2O, N2O-Plasma, oder Wasserdampf ausgewählt. Das Reaktionsgas reagiert mit dem Zr-Quellengas und dem Al-Quellengas, um die dielektrische ZrxAlyOz-Schicht zu bilden. Das Reaktionsgas wird mit einer Rate in einem Bereich von etwa 100 cm3/min (unter Standardbedingungen) bis 1000 cm3/min (unter Standardbedingungen) für etwa 3 Sekunden bis 10 Sekunden zugeführt.
  • Das Ausblasgas, beispielsweise N2-Gas oder Ar-Gas wird in die Kammer zugeführt, um nicht reagierte Teile des Reaktionsgases, die innerhalb der Kammer verbleiben, auszublasen. Das Ausblasgas wird mit einer Rate in einem Bereich von etwa 50 cm3/min (unter Standardbedingungen) bis 200 cm3/min (unter Standardbedingungen) für etwa 3 Sekunden bis 10 Sekunden zugeführt.
  • Der obige Einheitszyklus des ALD-Verfahrens wird wiederholt durchgeführt, bis die dielektrische ZrxAlyOz-Schicht eine Dicke von etwa 5 nm bis 10 nm erreicht.
  • Nachdem die dielektrische ZrxAlyOz-Schicht gebildet worden ist, wird ein Ausheilprozess in einem Umgebungsgas durchgeführt, welches aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus N2, H2, N2/H2, O2, O3 und NH3 besteht. Der Ausheilprozess wird durchgeführt, um die dielektrische ZrxAlyOz-Schicht zu verdichten; eine Gleichförmigkeit der dielektrischen ZrxAlyOz-Schicht zu erreichen; oder die verbleibenden Störstellen, welche einen Leckstrom verursachen können, zu volatilisieren. Der Ausheilprozess wird auch durchgeführt, um die Oberflächenrauheit anderer dielektrischer Schichten zu reduzieren und Kristallite zu entfernen.
  • Der Ausheilprozess beinhaltet einen Plasmaausheilprozess, einen Ofenausheilprozess oder einen RTP. Der Plasmaausheilprozess wird für etwa 1 Minute bis 5 Minuten unter den folgenden Bedingungen durchgeführt: Radiofrequenz (RF) Leistung bei etwa 100 W bis 500 W, um ein Plasma zu erzeugen; Temperatur von etwa 200°C bis 500°C; Druck von etwa 0,1333 hPa bis 13,332 hPa; und das ausgewählte Umgebungsgas bei etwa 5 cm3/min (unter Standardbedingungen) bis 5.000 cm3/min (unter Standardbedingungen). Der Ofenausheilprozess wird bei etwa 600°C bis 800°C unter Verwendung von etwa 5 cm3/min (unter Standardbedingungen) bis 5.000 cm3/min (unter Standardbedingungen) des ausgewählten Umgebungsgases durchgeführt. Der RTP wird unter Verwendung von etwa 5 cm3/min (unter Standardbedingungen) bis 5.000 cm3/min (unter Standardbedingungen) des Umgebungsgases in einer Kammer durchgeführt, die auf einem ansteigenden Druck von etwa 933.24 hPa bis 1013.232 hPa oder einem abfallenden Druck von etwa 1,333 hPa bis 133,32 hPa bei etwa 500°C bis 800°C gehalten wird. Der Ofenausheilprozess und der RTP erhöhen darüber hinaus die dielektrische Konstante der dielektrischen ZrxAlyOz-Schicht.
  • Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die ZrxAlyOz-Schicht als das dielektrische Material eines Kondensators verwendet, und dieser Ansatz erzielt eine benötigte Kapazität (beispielsweise etwa 25 fF pro Zelle) in DRAM-Kondensatoren vom sub-70 nm Niveau; benötigten Leckstrom (beispielsweise etwa 0,5 fF pro Zelle oder weniger); und benötigte Zusammenbruchsspannung (z. B. etwa 2,0 V (bei 1 pA pro Zelle) oder darüber).
  • Im Allgemeinen weist eine dünne ZrO2-Schicht eine höhere Bandlückenenergie (Eg) und dielektrische Konstante (ε) als eine dünne Ta2O5 Schicht und eine dünne HfO2 Schicht auf. Beispielsweise weist die dünne ZrO2 Schicht eine Bandlückenenergie von etwa 7,8 eV und eine dielektrische Konstante (ε) von etwa 20 bis 25 auf; die dünne Ta2O5-Schicht weist eine Bandlückenenergie von etwa 4,5 eV und eine dielektrische Konstante von etwa 25 auf, und die dünne HfO2-Schicht weist eine Bandlückenenergie von etwa 5,7 eV und eine dielektrische Konstante von etwa 20 auf. Eine dünne Al2O3-Schicht, welche eine Bandlückenenergie von etwa 8,7 eV und eine dielektrische Konstante von etwa 9 aufweist, weist eine bessere thermische Stabilität als die dünne HfO2 Schicht auf. Basierend auf diesen Fakten kann die dielektrische ZrxAlyOz-Schicht Beschränkungen bzgl. Leckstrom und thermischer Stabilität verglichen mit der einzelnen dielektrischen Struktur des Kondensators verbessern, wenn die dielektrische ZrxAlyOz-Schicht die Eigenschaften der dünnen ZrO2-Schicht und der dünnen Al2O3-Schicht aufweist.
  • Als ein Ergebnis kann die Dicke der äquivalenten Oxidschicht der dielektrischen ZrxAlyOz-Schicht auf etwa 1,2 nm oder weniger vermindert werden. Somit kann der Kondensator mit der dielektrischen ZrxAlyOz-Schicht eine höhere Kapazität von etwa 30 fF pro Zelle oder darüber in sub-70 nm DRAM Produkten erreichen. Auch kann der Kondensator, wie oben erwähnt, gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen Leckstrom und eine gewünschte Zusammenbruchsspannung absenken, wodurch eine Massenproduktion ermöglicht wird.
  • Da die dielektrische ZrxAlyOz-Schicht eine bessere thermische Stabilität als die einzelne dielektrische Schicht, wie etwa HfO2, aufweist, ist es darüber hinaus weniger wahrscheinlich, dass elektrische Eigenschaften während eines in einem Integrationsprozess nach der Bildung des Kondensators durchgeführten hochthermischen Prozesses verschlechtert werden. Dementsprechend kann eine Haltbarkeit und eine Zuverlässigkeit des Kondensators in mit sub-70 nm Halbleitertechnologie (z. B. eines Metallzwischenverbindungsprozesses) implementierten Speicherbauelementen der nächsten Generation verbessert werden.

Claims (19)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators in einem Halbleiterbauelement, aufweisend: Bilden einer Bodenelektrode über einem Halbleitersubstrat; Bilden einer dielektrischen ZrxAlyOz-Schicht über der Bodenelektrode unter Verwendung eines atomaren Schichtabscheidungs(ALD)-Verfahrens, wobei die dielektrische ZrxAlyOz-Schicht eine Zirkonium(Zr)-Komponente, eine Aluminium(Al)-Komponente und eine Sauerstoff (O) Komponente aufweist, gemischt in vorbestimmten Mol-Fraktionen von x, y bzw. z; und Bilden einer oberen Elektrode über der dielektrischen ZrxAlyOz-Schicht, wobei die dielektrische ZrxAlyOz-Schicht durch Durchführen eines Einheitszyklus aus folgenden, aufeinander folgend ausgeführten sechs Schritten erhalten wird: – Adsorbieren eines Zr-Quellengases auf der Bodenelektrode; – Zuführen eines ersten Ausblasgases, um nicht adsorbierte Teile des Zr-Quellengases auszublasen; – Adsorbieren eines Al-Quellengases auf dem auf dem Target zur Verfügung gestellten Zr-Quellengas; – Zuführen eines zweiten Ausblasgases, um nicht adsorbierte Teile des Al-Quellengases auszublasen; – Zuführen eines Reaktionsgases, um mit den Zr- und Al-Quellengasen, die auf dem Target zur Verfügung gestellt sind, zu reagieren, wodurch die dielektrische ZrxAlyOz-Schicht gebildet wird; – Zuführen eines dritten Ausblasgases, um nicht reagierte Teile des Reaktionsgases zu entfernen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Summe der Mol-Fraktionen von x, y und z in der dielektrischen ZrxAlyOz-Schicht 1 ist, wobei ein Verhältnis der Mol-Fraktion der Zr-Komponente (x) zur der Mol-Fraktion der Al-Komponente (y) in einem Bereich von 1:1 bis 10:1 liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Zr-Quellengas ein Gas aufweist, welches ausgewählt ist aus einer Gruppe, die aus ZrCl4, Zr(N(CH3)C2H5)4, Zr(O-tBu)4, Zr(N(CH3)2)4, Zr(N(C2H5)(CH3))4, Zr(N(C2H5)2)4, Zr(TMHD)4, Zr(OiC3H7)3(TMTD), Zr(OtBu)4 und einer Zr-haltigen Verbindung besteht.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Al-Quellengas ein Gas aufweist, welches aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Al(CH3)3, Al(C2H5)3 und einer Al-haltigen Verbindung besteht.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Reaktionsgas ein Gas aufweist, welches aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus O3 mit einer Konzentration von 100 gm–3 bis 500 gm–3, O2, O2-Plasma, N2O, N2O-Plasma und H2O-Dampf besteht, wobei das ausgewählte Reaktionsgas mit einer Flussrate in einem Bereich von 100 cm3/min (unter Standardbedingungen) bis 1.000 cm3/min (unter Standardbedingungen) für 3 Sekunden bis 10 Sekunden zugeführt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste, zweite und dritte Ausblasgas N2-Gas oder Ar-Gas aufweisen.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die dielektrische ZrxAlyOz-Schicht mit einer Dicke in einem Bereich von 5 nm bis 10 nm gebildet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die dielektrische ZrxAlyOz-Schicht unter Bedingungen einer Substrattemperatur in einem Bereich von 200°C bis 500°C und einem Kammerdruck in einem Bereich von 0,1333 hPa bis 1,333 hPa gebildet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend ein Ausführen eines Ausheilprozesses nach dem Bilden der dielektrischen ZrxAlyOz-Schicht.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Ausheilprozess mit einem Plasmaausheilprozess voranschreitet, ausgeführt für 1 Minute bis 5 Minuten unter den Bedingungen: Ein Umgebungsgas einschließlich eines Gases, welches aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus N2, H2, N2/H2, NH3, N2O, N2/O2, O2 und O3 besteht, und zugeführt mit einer Flussrate in einem Bereich von 5 cm3/min (unter Standardbedingungen) bis 5.000 cm3/min (unter Standardbedingungen); einer Temperatur in einem Bereich von 200°C bis 500°C; einem Plasma, erzeugt mit einer Radiofrequenzleistung in einem Bereich von 100 W bis 500 W; und einem Druck von 0,1333 hPa bis 1,333 hPa.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Ausheilprozess voranschreitet mit einem schnellen thermischen Prozess, ausgeführt unter Bedingungen wie folgt: Eine Temperatur in einem Bereich von 500°C bis 800°C; einem ansteigenden Kammerdruck in einem Bereich von 933,24 hPa bis 1013,232 hPa oder einem abfallenden Druck in einem Bereich von 1,333 hPa bis 133,32 hPa; und einem Gas, ausgewählt aus einer Gruppe, die aus N2, H2, N2/H2, NH3, N2O, N2/O2, O2 und O3 besteht, und zugeführt mit einer Flussrate in einem Bereich von 5 cm3/min (unter Standardbedingungen) bis 5.000 cm3/min (unter Standardbedingungen).
  12. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Ausheilprozess voranschreitet mit einem Ofenausheilprozess, ausgeführt unter Bedingungen wie folgt: Einem Gas, ausgewählt aus einer Gruppe, die aus N2, H2, N2/H2, NH3, N2O, N2/O2, O2 und O3 besteht, und zugeführt mit einer Flussrate in einem Bereich von 5 cm3/min (unter Standardbedingungen) bis 5.000 cm3/min (unter Standardbedingungen); und eine Temperatur in einem Bereich von 600°C bis 800°C.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bodenelektrode und die obere Elektrode ein Material aufweisen, welches aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus TiN, TaN, W, WN, Ru, RuO2, Ir, IrO2 und Pt besteht.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin nach dem Bilden der Bodenelektrode ein Ausführen eines Ausheilprozesses in einem Umgebungsgas aufweisend, welches aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus N2, H2, N2/H2, O2, O3 und NH3 besteht.
  15. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin nach dem Bilden der oberen Elektrode ein Bilden einer Passivierungsschicht über der oberen Elektrode unter Verwendung eines ALD-Verfahrens aufweisend.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Passivierungsschicht mit einer Dicke in einem Bereich von 5 nm bis 20 nm gebildet wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Passivierungsschicht ein Oxid-basiertes Material und ein Metall-basiertes Material aufweist.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Oxid-basierte Material ein Material aufweist, welches aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Al2O3, HfO2, Ta2O5, ZrO2, TiO2 und La2O3 besteht.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Metall-basierte Material TiN aufweist.
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