DE10359276A1

DE10359276A1 - Halbleitervorrichtung mit Kondensator und Herstellungsverfahren für diese

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Publication number: DE10359276A1
Application number: DE10359276A
Authority: DE
Inventors: Kazutoshi Wakao; Junichi Tsuchimoto; Yutaka Inaba; Kazuhiro Aihara
Original assignee: Renesas Technology Corp
Current assignee: Renesas Technology Corp
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-12-17
Publication date: 2004-12-23
Also published as: US20040229427A1; KR20040099087A; JP2004342925A; TW200427065A

Abstract

Eine spitzzulaufende Form kann an dem oberen Ende der unteren Kondensatorelektrode (9) eines zylindrischen Kondensators vorhanden sein. Um dieses spitzzulaufende Ende zu bedecken, wird eine zweilagige dielektrische Schicht einer dielektrischen Kondensatorschicht (10) und einer weiteren dielektrischen Kondensatorschicht (100) gebildet. Während die untere Kondensatorelektrode (9) eine spitzzulaufende Form an ihrem oberen Ende aufweist, hat die dielektrische Schicht (10, 100), die den Bereich mit einer spitzzulaufenden Form bedeckt, eine größere Dicke als die dielektrische Schicht (10), die die anderen Teilbereiche des vertikalen Bereichs (91) abdeckt. Folglich zeigt die dielektrische Schicht (10, 100) eine hinreichende Isolierungsleistung, um Leckstrom zu verhindern, selbst wenn der Bereich der unteren Kondensatorelektrode (9) mit einer spitzzulaufenden Form eine Konzentration elektrischen Feldes aufweist. Auf diese Art wird durch die Verringerung des Risikos der Erzeugung eines Leckstroms in der dielektrischen Kondensatorschicht eine Halbleitervorrichtung mit einer verbesserten Eigenschaft der dielektrischen Kondensatorschicht geschaffen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung mit einem Kondensator und ein Herstellungsverfahren für diese.
Es sind Halbleitervorrichtungen wie DRRMs (Dynamic Random Access Memories) bekannt, die über einem Halbleitersubstrat einen zylindrischen Kondensator aufweisen, der mit Kondensatorelektroden ausgestattet ist, die einen vertikalen Bereich aufweisen, der sich senkrecht zur Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats erstreckt.
In solchen konventionellen Kondensatoren ist oft eine spitzzulaufende Form am oberen Ende des vertikalen Bereichs der unteren Kondensatorelektrode ausgebildet. Wenn eine untere Kondensatorelektrode durch metallorganisches chemisches Aufdampfen erzeugt wird, kann weiterhin die Oberfläche des Loches, welches durch die untere Kondensatorelektrode bestimmt wird, einen Bereich mit Unregelmäßigkeiten mit spitzzulaufenden Spitzen auf weisen. In einem Kondensator mit einer dielektrischen Kondensatorschicht, die auf dem oberen Ende mit einer solchen spitzzulaufenden Form oder auf einem Bereich mit Unregelmäßigkeiten mit spitzzulaufenden Spitzen geschichtet ist, kann ein Leckstrom in der dielektrischen Kondensatorschicht auftreten, die auf dem Bereich am oberen Ende mit solch einer spitzzulaufenden Form oder auf dem Bereich mit Unregelmäßigkeiten mit spitzzulaufenden Spitzen aufgebracht ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht die Zuverlässigkeit der dielektrischen Schicht eines Kondensators zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1.
Die Halbleitervorrichtung beinhaltet ein Halbleitersubstrat, eine untere Kondensatorelektrode, die einen vertikalen Bereich aufweist, der sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats erstreckt, eine dielektrische Kondensatorschicht, die eine Oberfläche des vertikalen Bereichs bedeckt, und eine obere Kondensatorelektrode, die eine Oberfläche der dielektrischen Kondensatorschicht bedeckt. Zusätzlich ist die Dicke des Bereichs der dielektrischen Kondensatorschicht, der oben auf dem vertikalen Bereich ausgebildet ist, größer als die des Bereichs, der auf einer Seite des vertikalen Bereichs ausgebildet ist.
Infolge des oben beschriebenen Aufbaus ist das Auftreten von Leckstrom in dem Bereich der dielektrischen Kondensatorschicht, der sich oben auf dem vertikalen Bereich befindet, weniger wahrscheinlich. Dies führt dazu, dass die dielektrische Kondensatorschicht zuverlässiger ist.
Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 4.
Das Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung beinhaltet die folgenden Schritte: zuerst wird über einem Halbleitersubstrat eine als untere Kondensatorelektrode dienende Schicht gebildet, die einen vertikalen Bereich aufweist, der sich senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats erstreckt; als nächstes wird eine als dielektrische Kondensatorschicht dienende Schicht gebildet, die eine Oberfläche des vertikalen Bereichs abdeckt; anschließend wird Sputtern oder plasma-chemisches Aufdampfen eines Dielektrikums von oberhalb der als dielektrische Kondensatorschicht dienenden Schicht durchgeführt, um eine dielektrische Schicht auf eine Oberfläche der als dielektrische Kondensatorschicht dienenden Schicht über dem vertikalen Bereich aufzubringen; dann wird eine als obere Kondensatorelektrode dienende Schicht aufgebracht, die eine Oberfläche der als dielektrische Kondensatorschicht dienenden Schicht und der zusätzlichen dielektrischen Schicht bedeckt.
Das oben offenbarte Verfahren ermöglicht es, eine isolierende Schicht auf eine Oberfläche einer dielektrischen Kondensatorschicht über dem vertikalen Bereich durch Sputtern aufzubringen. Dies führt dazu, dass die als dielektrische Kondensatorschicht dienende Schicht über dem vertikalen Bereich eine größere Dicke aufweist. Während das obere Ende des vertikalen Bereichs der unteren Kondensatorelektrode eine spitzzulaufende Form aufweist, hat demzufolge die dielektrische Schicht über dem vertikalen Bereich eine größere Dicke als die dielektrische Schicht, die die anderen Teilbereiche des vertikalen Bereichs bedeckt. Deshalb ist das Auftreten von Leckstrom in der dielektrischen Kondensatorschicht oberhalb des vertikalen Bereichs weniger wahrscheinlich. Folglich ist die dielektrische Kondensatorschicht zuverlässiger.
Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 5.
Das Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung beinhaltet die folgenden Schritte: zuerst wird über einem Halbleitersubstrat eine als untere Kondensatorelektrode dienende Schicht aus Ruthenium gebildet, die einen vertikalen Bereich aufweist, der sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats erstreckt; anschließend wird die als untere Kondensatorelektrode dienende Schicht in einer reduzierenden Umgebung bei einer Temperatur im Bereich zwischen 500 und 950°C und einem Druck zwischen 1 Torr und Atmosphärendruck für mindestens eine Minute wärmebehandelt. Als nächstes wird eine als dielektrische Kondensatorschicht dienende Schicht gebildet, die eine Oberfläche der wärmebehandelten als untere Kondensatorelektrode dienenden Schicht bedeckt. Dann wird eine als obere Kondensatorelektrode dienende Schicht gebildet, die eine Oberfläche der als dielektrische Kondensatorschicht dienenden Schicht bedeckt.
Das oben beschriebene Verfahren ermöglicht es, Ruthenium aufgrund der Wärmebehandlung aufzuschmelzen. Dementsprechend wird, selbst wenn das obere Ende des vertikalen Bereichs der unteren Kondensatorelektrode aus Ruthenium eine spitzzulaufende Form aufweist, die spitzzulaufende Form des oberen Endes durch die Wärmebehandlung in eine abgerundete Form geändert. Dies führt dazu, dass das Auftreten von Leckstrom in der dielektrischen Kondensatorschicht weniger wahrscheinlich wird, da der abgerundete Bereich keine Konzentration elektrischen Feldes aufweist. Folglich ist die dielektrische Kondensatorschicht zuverlässiger.
Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 6.
Das Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung beinhaltet folgende Schritte: zuerst wird eine Zwischenlagenisolierschicht über einem Halbleitersubstrat gebildet; als nächstes wird ein Loch gebildet, das die Zwischenlagenisolierschicht von oben bis unten durchdringt; anschließend wird eine als untere Kondensatorelektrode dienende Schicht aus Ruthenium auf der Seitenfläche des Lochs durch metallorganisches chemisches Aufdampfen gebildet; dann wird die Zwischenlagenisolierschicht entfernt, sodass die als untere Kondensatorelektrode dienende Schicht verbleibt; dann wird die als untere Kondensatorelektrode dienende Schicht in einer reduzierenden Umgebung bei einer Temperatur zwischen 650 und 950°C und einem Druck im Bereich zwischen 1 Torr und Atmosphärendruck für eine Minute oder länger wärmebehandelt; dann wird eine als dielektrische Kondensatorschicht dienende Schicht gebildet, die eine Oberfläche der wärmebehandelten, als untere Kondensatorelektrode dienenden Schicht bedeckt; eine als obere Kondensatorelektrode dienende Schicht wird gebildet, die eine Oberfläche der als dielektrische Kondensatorschicht dienenden Schicht bedeckt.
Das oben beschriebene Verfahren ermöglicht einen Effekt, der dem durch das zuvor beschriebene Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung erreichten oben beschriebenen entspricht. Desweiteren bietet die Halbleitervorrichtung folgenden Vorteil:
Eine durch metall-organisches Aufdampfen gebildete, als untere Kondensatorelektrode dienende Schicht weist Unregelmäßigkeiten mit spitzzulaufenden Spitzen auf ihrer Oberfläche auf. Der Bereich, der die Unregelmäßigkeiten mit spitzzulaufenden Spitzen aufweist, weist oft eine Konzentration elektrischen Feldes auf. Die untere Kondensatorelektrode mit Unregelmäßigkeiten mit spitzzulaufenden Spitzen wird unter vorgeschriebenen Bedingun gen wärmebehandelt. Dies führt dazu, dass der Bereich mit Unregelmäßigkeiten aufgeschmolzen wird, sodass deren Spitzen eine glatte, gerundete Oberfläche bekommen. Auf diese Weise wird die, durch Unregelmäßigkeiten mit spitzzulaufenden Spitzen verursachte, Konzentration elektrischen Feldes in einer unteren Kondensatorelektrode unterdrückt. Dadurch wird Leckstrom in der dielektrischen Schicht verhindert.
Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen. Von den Figuren zeigen:
1 ein Diagramm, das den Aufbau einer Halbleitervorrichtung entsprechend einer ersten Ausführungsform darstellt;
2–7 eine Illustration eines Verfahrens zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform;
8 ein Diagramm, das den Aufbau einer Halbleitervorrichtung entsprechend einer zweiten Ausführungsform darstellt;
9–11 eine Illustration eines Verfahrens zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung entsprechend der zweiten Ausführungsform;
12 ein fotografisches Bild, das die obere Oberfläche einer unteren Kondensatorelektrode zeigt, wobei das Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung entsprechend der zweiten Ausführungsform nicht verwendet wurde;
13 ein fotografisches Bild, das die obere Oberfläche einer unteren Kondensatorelektrode zeigt, wobei das Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung entsprechend der zweiten Ausführungsform verwendet wurde;
14 ein Diagramm, das den Aufbau einer Halbleitervorrichtung entsprechend einer dritten Ausführungsform darstellt;
15–20 eine Illustration eines Verfahrens zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung entsprechend der dritten Ausführungsform;
21 eine fotografische Ansicht, die die obere Oberfläche einer unteren Kondensatorelektrode zeigt, wobei ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung entsprechend der dritten Ausführungsform nicht verwendet wurde; und
22 eine fotografische Ansicht, die die obere Oberfläche einer unteren Kondensatorelektrode zeigt, wobei ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung entsprechend der dritten Ausführungsform verwendet wurde.
Eine Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen derselben entsprechend den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
Zuerst werden eine Halbleitervorrichtung entsprechend einer ersten Ausführungsform und ein Verfahren zum Herstellen derselben mit Bezug auf 1 bis 7 beschrieben.
Ein Aufbau einer Halbleitervorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform wird mit Bezug auf 1 beschrieben. Wie in 1 dargestellt hat eine Halbleitervorrichtung der vorliegenden Ausführungsform einen Aufbau wie im Weiteren beschrieben:
In einem Halbleitersubstrat 1 ist eine Elementtrennisolierschicht 2 ausgebildet. Eine Gateisolierschicht 3 und eine Gateelektrode 4 sind auf dem Halbleitersubstrat 1 in einem Elementbildungsbereich umgeben von der Elementtrennisolierschicht 2 vorhanden. Auf beiden Seiten von der Gateisolierschicht 3 und der Gateelektrode 4 sind Source/Drain-Bereiche 5, 6 im Halbleitersubstrat 1 vorhanden.
Eine Zwischenlagenisolierschicht 7 bedeckt die Gateisolierschicht 3, die Gateelektrode 4, die Source/Drain-Bereiche 5, 6 und die Elementtrennisolierschicht 2. Eine Siliziumnitridschicht 17 ist auf der Zwischenlagenisolierschicht 7 ausgebildet. Ein Kontaktpfropfen 8 durchdringt die Siliziumnitridschicht 17 und die Zwischenlagenisolierschicht 7 von oben bis unten und ist zum Source/Drain-Bereich 6 verbunden.
Auf der Siliziumnitridschicht 17 ist auch eine untere Kondensatorelektrode 9 mit Kontakt zum Kontaktpfropfen 8 ausgebildet. Die untere Kondensatorelektrode 9 besteht aus Ruthenium. Die untere Kondensatorelektrode 9 ist Teil eines zylindrischen Kondensators und besitzt einen vertikalen Bereich 91, der sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 1 erstreckt. Ein oberes Ende 901 des vertikalen Bereiches 91 der unteren Kondensatorelektrode 9 ist spitzzulaufend.
Eine dielektrische Schicht 10 bedeckt weiterhin eine Oberfläche der unteren Kondensatorelektrode 9. Über dem vertikalen Bereich 91 der unteren Kondensatorelektrode 9 ist auf die dielektrische Schicht 10 eine dielektrische Schicht 100 geschichtet. Dieser zweilagige Aufbau von der dielektrischen Schicht 10 und der dielektrischen Schicht 100 bildet die dielektrische Kondensatorschicht.
Eine obere Kondensatorelektrode 11 bedeckt eine Oberfläche der dielektrischen Schichten 10, 100. Eine Zwischenlagenisolierschicht 30 ist weiterhin so ausgebildet, dass die Siliziumnitridschicht 17 und die obere Kondensatorelektrode 11 darin eingebettet sind.
In der oben beschriebenen Halbleitervorrichtung der vorliegenden Ausführungsform ist eine Schichtdicke t₁ der dielektrischen Kondensatorschicht von Bereich 905, der sich oben auf der unte ren Kondensatorelektrode 9 befindet, größer als eine Schichtdicke t₂ von Bereich 906, der sich an einer Seite der unteren Kondensatorelektrode 9 befindet. Das bedeutet, die Schichtdicke des Bereiches, der von der dielektrischen Kondensatorschicht 10 und der dielektrischen Kondensatorschicht 100 über der unteren Kondensatorelektrode 9 gebildet wird, ist größer als die Schichtdicke von nur der dielektrischen Kondensatorschicht 10, die entlang der seitlichen Oberfläche der unteren Kondensatorelektrode 9 ausgebildet ist.
Aus diesem Grund ist, selbst wenn das obere Ende 901 der unteren Kondensatorelektrode 9 einen spitzzulaufenden Bereich aufweist, ein Auftreten von Leckstrom in der dielektrischen Kondensatorschicht, die auf dem über solch einem spitzzulaufenden Bereich befindlichen Bereich 905 ausgebildet ist, weniger wahrscheinlich. Aus diesem Grund ist die dielektrische Kondensatorschicht zuverlässiger.
Nun wird ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform mit Bezug auf 2 bis 7 beschrieben. Wie in 2 dargestellt, ist der Aufbau unterhalb der Siliziumnitridschicht 17 exakt derselbe wie jene der Halbleitervorrichtung von 1, und wird nicht wieder beschrieben.
Mit Bezug auf 2 wird, nachdem die Siliziumnitridschicht 17 und der Kontaktpfropfen 8 ausgebildet sind, eine Zwischenlagenisolierschicht 20 ausgebildet, die die Siliziumnitridschicht 17 und den Kontaktpfropfen 8 abdeckt. Es wird ein Loch 20a erzeugt, das diese Zwischenlagenisolierschicht 20 von oben bis unten durchdringt und eine Oberfläche von Kontaktpfropfen 8 freilegt.
Danach wird eine leitfähige Schicht 9a aus Ruthenium auf der oberen Oberfläche von der Zwischenlagenisolierschicht 20 und den Seitenflächen sowie der Grundfläche des Lochs 20a ausgebildet, wozu z.B. CVD (Chemical Vapor Deposition/chemisches Aufdampfen) oder Sputtern verwendet wird. Die leitfähige Schicht 9a ist eine Schicht, die schließlich eine leitfähige Schicht 9b und letztendlich die untere Kondensatorelektrode 9 sein wird, wie später beschrieben. Als nächstes wird die leitfähige Schicht 9a, die auf der oberen Oberfläche der Zwischenlagenisolierschicht (Siliziumoxid) 20 ausgebildet ist, durch CMP (Chemical Mechanical Polishing/chemisch-mechanisches Polieren) entfernt. Dies erzeugt einen wie in 3 dargestellten Aufbau. In dem in 3 illustrierten Aufbau ist die leitfähige Schicht 9b auf der Seite und dem Boden des Lochs 20a ausgebildet. Diese leitfähige Schicht 9b ist eine Schicht, die letztendlich die untere Kondensatorelektrode 9 sein wird.
Als nächstes wird die Zwischenlagenisolierschicht 20 aus Siliziumoxid mit Flusssäure nassgeätzt, um die untere Kondensatorelektrode 9, wie in 4 dargestellt, zu bilden, wobei die Siliziumnitridschicht 17 durch nassätzen mit Flusssäure nicht weggeätzt wird. Folglich verbleibt nur die untere Kondensatorelektrode 9 auf der Siliziumnitridschicht 17. Zusätzlich erzeugt nassätzen mit Flusssäure eine spitzzulaufende Form am oberen Ende 901 des vertikalen Bereiches 91 der unteren Kondensatorelektrode 9, die aus Ruthenium besteht.
Als nächstes wird, wie in 5 gezeigt, eine dielektrische Schicht 10a auf der Oberfläche der Siliziumnitridschicht 17 und der der unteren Kondensatorelektrode 9 durch CVD oder dergleichen ausgebildet. Wie in 6 gezeigt, wird die dielektrische Schicht 100 dann von oben auf die dielektrische Schicht 10a aufgebracht, wozu Sputtern oder Plasma-CVD verwendet wird, was nicht zu einer vollständigen Beschichtung der Oberfläche führt.
Die dielektrische Schicht 100 besitzt nur eine schwache Haftung zu der dielektrischen Schicht 10a, so dass der Gebrauch von Sputtern oder Plasma-CVD dazu führt, dass die dielektrische Schicht 100 nur auf der oberen Oberfläche der dielektrischen Schicht 10a auf dem vertikalen Bereich 91 der Schicht, die zu der unteren Kondensatorelektrode 9 wird, haftet. Dementsprechend weist die dielektrische Kondensatorschicht nur an der Spitze des vertikalen Bereichs 91 der als untere Kondensatorelektrode 9 dienenden Schicht einen zweilagigen Aufbau auf. Die dielektrische Schicht 10a und die dielektrische Schicht 100 können isolierende Schichten derselben Zusammensetzung oder unterschiedlicher Zusammensetzungen sein. Es sollte angemerkt werden, dass z.B. Tantaloxid (Ta₂O₅) oder Bariumstrontiumtitanat als dielektrische Schicht 10a und dielektrische Schicht 100 verwendet werden können.
Dann wird, wie in 7 gezeigt, eine leitfähige Schicht 11a ausgebildet, die aus z.B. Ruthenium oder dotiertem polykristallinen Silizium besteht und die Oberfläche der dielektrischen Schicht 10a und die der dielektrischen Schicht 100 bedeckt.
Die Peripherie des Bereiches, der ein Kondensator sein wird, wird dann durch eine Schutzschicht bedeckt. Die Schutzschicht wird als eine Maske verwendet, um einen überflüssigen Bereich der Schutzschicht 10a und der leitfähigen Schicht 11a zu entfernen.
Die Schutzschicht wird dann entfernt, um einen Kondensator einschließlich unterer Kondensatorelektrode 9, dielektrischer Kondensatorschicht 10, 100 und oberer Kondensatorelektrode 11 auszubilden, wie in 1 gezeigt. Dann wird eine Zwischenlagenisolierschicht 30 gebildet, die die Siliziumnitridschicht 17 und die leitfähige Schicht 11a bedeckt, was zu dem in 1 gezeigten Aufbau führt.
Mit Bezug auf 5 und 6 wird durch das Verwenden des Verfahrens zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gemäß der oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsform die dielektrische Schicht 100 nur auf die obere Oberfläche der dielektrischen Schicht 10, die sich am oberen Ende 901 der unteren Kondensatorelektrode 9 befindet, durch Sputtern oder Plasma-CVD aufgebracht, was zu keiner guten Haftung einer Schicht führt.
Dadurch ist nur die Schichtdicke t₁ der dielektrischen Kondensatorschicht 10, 100 oben auf dem spitzzulaufenden Bereich der unteren Kondensatorelektrode 9 erhöht. Dies führt dazu, dass Leckstrom in der dielektrischen Kondensatorschicht im Teil 905, der sich oberhalb des spitzzulaufenden Bereiches der unteren Kondensatorelektrode 9 befindet, weniger wahrscheinlich auftritt. Dementsprechend ist eine Eigenschaft von einer Halbleitervorrichtung verbessert.
Zweite Ausführungsform
Nun werden eine Halbleitervorrichtung entsprechend einer zweiten Ausführungsform und ein Verfahren zum Herstellen von dieser mit Bezug auf 8 bis 13 beschrieben. Zuerst wird ein Aufbau einer Halbleitervorrichtung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform mit Bezug auf 8 beschrieben. Wie in 8 gezeigt, weist eine Halbleitervorrichtung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform im Wesentlichen denselben Aufbau wie die Halbleitervorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform auf.
Ein Vergleich der 1 und 8 zeigt, dass der einzige Unterschied die Form des oberen Endes 901 des vertikalen Bereiches 91 der unteren Kondensatorelektrode eines zylindrischen Kondensators ist, der sich senkrecht zur Hauptoberfläche eines Halb leitersubstrats 1 erstreckt. Die vorliegende Ausführungsform verwendet Ruthenium als Material der unteren Kondensatorelektrode 9. In 8 ist das obere Ende 901 des vertikalen Bereiches 91 nicht spitzzulaufend, was es prinzipiell ermöglicht, dass die dielektrische Schicht 10 eine im Wesentlichen gleichmäßige Dicke aufweist. Das bedeutet, die dielektrische Kondensatorschicht 10 hat eine gleichmäßige Dicke und die untere Kondensatorelektrode 9 hat keinen Bereich mit einer extremen Konzentration elektrischen Felds. Das führt zu einer verbesserten Zuverlässigkeit eines Kondensators. Außerdem hat die Halbleitervorrichtung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform, wie in 8 gezeigt, keine dielektrische Schicht 100 wie in 1. Das bedeutet, dass die dielektrische Kondensatorschicht 10 aus einer Sorte Schicht gemacht ist. Es sollte angemerkt werden, dass die Halbleitervorrichtung entsprechend der zweiten Ausführungsform abgesehen von den oben beschriebenen strukturellen Besonderheiten exakt den gleichen Aufbau wie die der ersten Ausführungsform hat und nicht noch einmal beschrieben wird.
Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Aufbaus einer Halbleitervorrichtung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform, wie oben beschrieben, mit Bezug auf 9 bis 13 beschrieben.
Bei einem Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform werden exakt die gleichen Herstellungsschritte wie bei einer Halbleitervorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform verwendet bis die untere Kondensatorelektrode 9 von 4 ausgebildet ist. Dementsprechend hat auch bei dem Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform eine Schicht, die untere Kondensatorelektrode 9 werden soll, zu dem Zeitpunkt eine spitzzulaufende Form auf dem oberen Ende 901 des vertikalen Bereiches 91 ausgebildet, wie in
4 illustriert. Anschließend wird der spitzzulaufende Bereich, wie in 9 gezeigt ist, derart behandelt, sodass er eine abgerundete glatte Oberfläche bekommt.
Ein Verfahren zur Behandlung des spitzzulaufenden Bereiches, um eine abgerundete glatte Oberfläche zu bilden, ist folgendes:
Zuerst wird eine Halbleitervorrichtung mit dem in 4 dargestellten Aufbau, die noch im Entstehungsprozess ist, in einen Behälter gegeben. Eine reduzierende Umgebung, welche eine Atmosphäre von ungefähr 100% Wasserstoff ist, wird in dem Behälter aufrechterhalten. In dieser Wasserstoffatmosphäre wird bei einer Temperatur von 500 bis 950°C für eine Minute oder länger eine Wärmebehandlung der Schicht durchgeführt, die untere Kondensatorelektrode 9 der Halbleitervorrichtung werden wird, wie in 4 gezeigt, wobei sie sich noch im Entstehungsprozess befindet. Der Druck in dem Behälter wird in einem Bereich zwischen 1 Torr (=133.32 Pascal) und Atmosphärendruck eingestellt. "Atmosphärendruck" bezeichnet einen Wert von etwa 1013 Hektopascal und schließt einen Druck in dem Bereich von 5% mehr oder weniger als dies mit ein, insbesondere ist eine Druck-Bedingung gemeint, bei der kein zusätzlicher Druck angelegt wird.
Eine Wärmebehandlung unter solchen Bedingungen lässt die untere Kondensatorelektrode 9 aus Ruthenium durch Hitze aufschmelzen, sodass der spitzzulaufende Bereich abgerundet wird. Auf diese Art wird eine untere Kondensatorelektrode 9 mit dem Aufbau aus 9 ausgebildet.
Als nächstes wird, wie in 10 gezeigt, die dielektrische Schicht 10a ausgebildet, die die Oberfläche der unteren Kondensatorelektrode 9 und die der Siliziumnitridschicht 17 bedeckt. Die leitfähige Schicht 11a wird dann auf der dielektrischen Schicht 10a ausgebildet, wie in 11 gezeigt. Danach werden die dielektrische Schicht 10a und die leitfähige Schicht 11a mit exakt demselben Verfahren geätzt, das benutzt wird, um einen Kondensator entsprechend der ersten Ausführungsform auszubilden. Dieses erzeugt einen Kondensator einschließlich unterer Kondensatorelektrode 9, dielektrischer Kondensatorschicht 10 und oberer Kondensatorelektrode 11. Dann wird der Kondensator in eine Zwischenlagenisolierschicht 30 eingebettet. Dies stellt eine Halbleitervorrichtung bereit, die den in 8 gezeigten Aufbau aufweist.
Bei einem Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform wie oben beschrieben, wird Wärmebehandeln bei einer vorgeschriebenen Bedingung an einer Halbleitervorrichtung, wie in 4 gezeigt, durchgeführt, wobei diese sich noch im Entstehungsprozess befindet. Dies führt dazu, dass der spitzzulaufende Bereich oben an der Schicht, die zur unteren Kondensatorelektrode 9 von 4 wird, abgerundet wird. Dementsprechend weist die dielektrische Kondensatorschicht 10, die auf der unteren Kondensatorelektrode 9 ausgebildet ist, eine gleichmäßige Dicke auf, derweil die untere Kondensatorelektrode 9 frei von einem Bereich mit einer möglichen Konzentration elektrischen Feldes sein kann. Folglich ist Auftreten von Leckstrom in der dielektrischen Kondensatorschicht 10 weniger wahrscheinlich, was zu einer verbesserten Eigenschaft einer Halbleitervorrichtung führt.
12 ist ein fotografisches Bild, das eine obere Oberfläche einer unteren Kondensatorelektrode eines zylindrischen Kondensators zeigt, die ohne den Wärmebehandlungsschritt erzeugt wurde, der in dem Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird. 13 ist ein fotografisches Bild, das eine obere Oberfläche einer unteren Kondensatorelektrode 9 eines zylindrischen Kondensators zeigt, die durch ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung mit dem Schritt der Wärmebehandlung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform erzeugt wurde. Wie durch einen Vergleich zwischen 12 und 13 gezeigt wird, gestattet es das Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform, dass das obere Ende 901 des vertikalen Bereiches 91 der unteren Kondensatorelektrode 9 eine abgerundetere Form aufweist, als es das Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung ohne den Schritt der Wärmebehandlung, der in einem Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung entsprechend der zweiten Ausführungsform verwendet wird, gestattet.
DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM
Nun werden der Aufbau einer Halbleitervorrichtung entsprechend einer dritten Ausführungsform und ein Verfahren zum Herstellen von dieser mit Bezug auf 14 bis 22 beschrieben. Zuerst wird ein Aufbau einer Halbleitervorrichtung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform mit Bezug auf 14 beschrieben. Der Aufbau der Halbleitervorrichtung entsprechend der dritten Ausführungsform ist im Wesentlichen derselbe wie der der Halbleitervorrichtung der zweiten Ausführungsform, die in 8 gezeigt ist: Das obere Ende 901 des vertikalen Bereiches 91 der unteren Kondensatorelektrode 9 hat eine glatte, gekrümmte Oberfläche. In der Halbleitervorrichtung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform haben die Seiten und der Boden des Lochs, das durch die untere Kondensatorelektrode 9 bestimmt ist, ebenfalls eine glatte gewölbte Oberfläche. In anderer Hinsicht ist der Aufbau der Halbleitervorrichtung entsprechend der dritten Ausführungsform exakt derselbe, wie der einer Halbleitervorrichtung entsprechend der zweiten Ausführungsform, und wird für diese Teile nicht noch einmal beschrieben.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform mit Bezug auf 15 bis 20 beschrieben.
Zuerst wird der Aufbau von 15 beschrieben. Die gleichen Schritte, die bei Verfahren zum Herstellen von Halbleitervorrichtungen entsprechend der ersten und zweiten Ausführungsformen verwendet wurden, werden durchgeführt bis die Siliziumnitridschicht 17 ausgebildet ist, wie in der Struktur von 15 zu erkennen ist. Dann wird eine Zwischenlagenisolierschicht (Siliziumoxid) 20 auf der Siliziumnitridschicht 17 ausgebildet. Anschließend wird ein Loch 20a gebildet, das die Zwischenlagenisolierschicht 20 von oben bis unten durchdringt und eine Oberfläche des Kontaktpfropfens 8 freilegt.
Eine leitfähige Schicht 9a aus Ruthenium wird dann auf der Seite und dem Boden des Lochs 20a und über der oberen Oberfläche der Zwischenlagenisolierschicht 20 ausgebildet. MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition/metall-organisches chemisches Aufdampfen) wird für den Schritt verwendet, die leitfähige Schicht 9a aus Ruthenium auszubilden. Die leitfähige Schicht 9a aus Ruthenium, die mittels MOCVD ausgebildet wurde, weist Unregelmäßigkeiten mit spitzzulaufenden Spitzen auf ihrer Oberfläche auf. Dies ist so, da ein gemischtes Gas aus Ruthenium-Precursor und Sauerstoff zum Ausbilden der leitfähigen Schicht 9a verwendet wird, was zu einer leitfähigen Schicht 9a führt, die eine beträchtliche Menge Rutheniumdioxid (RuO₂) enthält. Rutheniumdioxid weist eine nadelförmige Kristallstruktur auf, was der Glattheit der Oberfläche der leitfähigen Schicht 9a signifikant schadet.
Die leitfähige Schicht 9a aus Ruthenium wird dann mittels CMP (Chemical Mechanical Polishing/chemisch-mechanisches Polieren) entfernt, so dass die obere Oberfläche der Zwischenlagenisolierschicht 20 freigelegt wird. Das führt dazu, dass die leitfähige Schicht 9b nur auf der Seite und dem Boden des Lochs 20a verbleibt, wie in 16 gezeigt. Es verbleiben immer noch Unregelmäßigkeiten mit spitzzulaufenden Spitzen auf der Seite und dem Boden des Loches, das durch die leitfähige Schicht 9b bestimmt wird.
Dann wird die Zwischenlagenisolierschicht 20, die aus Siliziumdioxid-Schicht besteht, mit Flusssäure nassgeätzt. Die Siliziumnitridschicht 17 und die leitfähige Schicht 9c werden nicht weggeätzt und verbleiben nach diesem Schritt, was zu einem Aufbau führt, wie in 17 gezeigt.
In dem Aufbau von 17 wurde die leitfähige Schicht 9c ausgebildet, die schließlich die untere Kondensatorelektrode sein wird. Die leitfähige Schicht 9c ist das Ergebnis des Entfernens des oberen Endes 901 des vertikalen Bereichs 91 der leitfähigen Schicht 9b, was eine spitzzulaufende Form erzeugt. Unregelmäßigkeiten mit spitzzulaufenden Spitzen haben sich auf der Seite und dem Boden des Lochs ausgebildet, das durch diese leitfähige Schicht 9c bestimmt ist. Dann wird der Schritt des Wärmebehandelns der leitfähigen Schicht 9c durchgeführt, was dazu führt, dass das spitzzulaufende obere Ende des vertikalen Bereichs der leitfähigen Schicht 9c von 17 durch Hitze aufgeschmolzen wird. Dies führt dazu, dass das obere Ende 901 des vertikalen Bereichs 91 der leitfähigen Schicht 9c eine abgerundete Form aufweist, wie in 18 gezeigt.
Der Schritt der Wärmebehandlung der leitfähigen Schicht 9c wird in einer reduzierenden Umgebung durchgeführt, d.h. einer Atmosphäre von ungefähr 100 Wasserstoff bei einer Temperatur im Bereich zwischen 650 und 950°C unter einem Druck zwischen 1 Torr und Atmosphärendruck für eine Minute oder länger. Dabei wird das Rutheniumdioxid reduziert, das in der unteren Kondensatorelektrode 9 enthalten ist, und dabei metallisches Ruthenium erzeugt. Das führt dazu, dass spitzzulaufende Spitzen von Unregelmäßigkeiten der Oberfläche des Loches, das durch die untere Kondensatorelektrode 9 bestimmt wird, abgerundet werden.
Mit Bezug auf 19 ist die dielektrische Schicht 10a dann derart ausgebildet, dass die Oberfläche der unteren Kondensatorelektrode 9 und die der Siliziumnitridschicht 17 bedeckt sind. Als nächstes wird, wie in 20 gezeigt, die leitfähige Schicht 11a ausgebildet, die die Oberfläche der dielektrischen Schicht 10a bedeckt. Anschließend wird der Schritt der Bildung der Zwischenlagenisolierschicht 30 wie bei dem Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung entsprechend der ersten und zweiten Ausführungsform durchgeführt, wobei eine Halbleitervorrichtung mit einem Kondensator einschließlich unterer Kondensatorelektrode 9, dielektrischer Kondensatorschicht 10 und oberer Kondensatorelektrode 11 ausgebildet wird, wie in 14 gezeigt.
Bei einem Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform, wie oben mit Bezug auf 17 beschrieben, wird die leitfähige Schicht 9c, die zur unteren Kondensatorelektrode 9 aus Ruthenium wird, in einer reduzierenden Umgebung wärmebehandelt. Folglich nehmen Unregelmäßigkeiten mit spitzzulaufenden Spitzen, die auf der Seite und dem Boden des Loches, das durch die leitfähig Schicht 9c bestimmt ist, und eine spitzzulaufende Form am oberen Ende 901 des vertikalen Bereiches 91 der leitfähigen Schicht 9c eine abgerundete und sanft gekrümmte Oberfläche an, das bedeutet Unregelmäßigkeiten mit gekrümmten Spitzen.
Daraus folgt, dass bei einem Kondensator mit dem endgültigen Aufbau, wie in 14 gezeigt, das obere Ende des vertikalen Bereiches, die Innenseite und der Boden des Lochs der unteren Kondensatorelektrode 9 keinen Bereich aufweisen, in dem eine Konzentration elektrischen Feldes auftreten kann. Deshalb ist Auftreten von Leckstrom in der dielektrischen Kondensatorschicht 10 weniger wahrscheinlich, wodurch eine Eigenschaft einer Halbleitervorrichtung verbessert wird.
21 ist ein fotografisches Bild, das eine obere Oberfläche einer unteren Kondensatorelektrode zeigt, die ohne Verwenden des Wärmebehandlungs-Schrittes der vorliegenden Ausführungsform gebildet wurde. 22 ist ein fotografisches Bild, das eine obere Oberfläche einer unteren Kondensatorelektrode nach dem Wärmebehandlungs-Schritt des Verfahrens zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Wie ein Vergleich zwischen 21 und 22 zeigt, unterscheidet sich die untere Kondensatorelektrode 9, die durch ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform gebildet wurde, von einer unteren Kondensatorelektrode, die ohne Wärmebehandlung gebildet wurde, darin, dass keine spitzzulaufende Form am oberen Ende 901 des vertikalen Bereichs 91 der unteren Kondensatorelektrode 9 ausgebildet wurde und dass keine Unregelmäßigkeiten mit spitzzulaufenden Spitzen auf der Seite und dem Boden des Lochs der unteren Kondensatorelektrode 9 ausgebildet wurden.

Claims

Halbleitervorrichtung mit, einem Halbleitersubstrat (1); einer unteren Kondensatorelektrode (9), die einen vertikalen Bereich (91) aufweist, der sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (1) erstreckt; einer dielektrischen Kondensatorschicht (10,100), die eine Oberfläche des vertikalen Bereichs (91) bedeckt; einer oberen Kondensatorelektrode (11), die eine Oberfläche der dielektrischen Kondensatorschicht (10,100) bedeckt, wobei eine Schichtdicke (t₁) eines Bereichs der dielektrischen Kondensatorschicht (10,100), die oben auf dem vertikalen Bereich (91) ausgebildet ist, größer ist als eine Schichtdicke (t₂) eines Bereichs der dielektrischen Kondensatorschicht (10,100), die an einer Seite des vertikalen Bereichs (91) ausgebildet ist;
Die Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die dielektrische Kondensatorschicht (10,100) in dem Bereich, der sich oben auf dem vertikalen Bereich (91) befindet, eine zweilagige Struktur aufweist;
Die Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, bei der die zweilagige Struktur aus zwei Arten von isolierender Schicht unterschiedlicher Zusammensetzung besteht;
Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung mit den Schritten: Bilden einer Schicht über einem Halbleitersubstrat (1) als untere Kondensatorelektrode (9), die einen vertikalen Bereich (91) aufweist, der sich senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (1) erstreckt; Bilden einer als dielektrische Kondensatorschicht (10) dienenden Schicht (10a), die eine Oberfläche des vertikalen Bereichs (91) abdeckt; Aufbringen einer zusätzlichen dielektrischen Schicht (100) auf eine Oberfläche der als dielektrische Kondensatorschicht (10) dienenden Schicht (10a) über dem vertikalen Bereich (91) durch Sputtern oder plasma-chemisches Aufdampfen eines Dielektrikums (100) von oben auf die als dielektrische Kondensatorschicht (10) dienende Schicht (10a); und Bilden einer als obere Kondensatorelektrode (11) dienenden Schicht (11a), die eine Oberfläche der als dielektrische Kondensatorschicht (10) dienenden Schicht (10a) und eine Oberfläche der zusätzlichen dielektrischen Schicht (100) bedeckt.
Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung mit den Schritten: Bilden einer als untere Kondensatorelektrode (9) dienenden Schicht (9a) aus Ruthenium über einem Halbleitersubstrat (1), die einen vertikalen Bereich (91) aufweist, der sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (1) erstreckt; Wärmebehandeln der als untere Kondensatorelektrode (9) dienenden Schicht (9a) in einer reduzierenden Umgebung bei einer Temperatur im Bereich zwischen 500 und 950°C und einem Druck zwischen 1 Torr und Atmosphärendruck für mindestens eine Minute; Bilden einer als dielektrische Kondensatorschicht (10) dienenden Schicht (10a), die eine Oberfläche der wärmebehandelten unteren Kondensatorelektrode (9) bedeckt; und Bilden einer als obere Kondensatorelektrode (11) dienenden Schicht (11a), die eine Oberfläche der als dielektrische Kondensatorschicht (10) dienenden Schicht (10a) bedeckt.
Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung mit den Schritten: Bilden einer Zwischenlagenisolierschicht (20) über einem Halbleitersubstrat (1); Erzeugen eines Lochs (20a), das die Zwischenlagenisolierschicht (20) von oben bis unten durchdringt; Bilden einer als untere Kondensatorelektrode (9) dienenden Schicht (9a) aus Ruthenium an einer Seite des Lochs (20a) durch metallorganisches chemisches Aufdampfen; Entfernen der Zwischenlagenisolierschicht (20), so dass die als untere Kondensatorschicht (9) dienende Schicht (9b) verbleibt; Wärmebehandeln der als untere Kondensatorelektrode (9) dienenden Schicht (9b) in einer reduzierenden Umgebung bei einer Temperatur im Bereich zwischen 650 und 950°C und einem Druck im Bereich zwischen 1 Torr und Atmosphärendruck für mindestens eine Minute; Bilden einer als dielektrische Kondensatorschicht (10) dienenden Schicht (10a), die eine Oberfläche der wärmebehandelten als untere Kondensatorelektrode (9) dienenden Schicht (9c) bedeckt; und Bilden einer als obere Kondensatorelektrode (11) dienenden Schicht (11a), die eine Oberfläche der als dielektrische Kondensatorschicht (10) dienenden Schicht (10a) bedeckt.