DE19515347C2

DE19515347C2 - Elektrodenstruktur und Kondensator mit Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante

Info

Publication number: DE19515347C2
Application number: DE19515347A
Authority: DE
Inventors: Jerome John Cuomo; Richard Joseph Gambino; Alfred Grill; William Francis Kane; Donald Joseph Mikalsen
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1994-04-29
Filing date: 1995-04-26
Publication date: 1997-04-17
Anticipated expiration: 2015-04-27
Also published as: JPH07302888A; JP3197782B2; DE19515347A1

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf Kondensatoren zur Verwendung in Speichern und spezieller auf eine Elektrodenstruktur auf der Halbleiterseite eines Kondensators mit einem Material mit hoher Dielektrizitätskonstante vom Oxid-Typ, der für dynamische Spei cher mit wahlfreiem Zugriff (DRAMs) geeignet ist.

Hintergrund der Erfindung

Die Erweiterung von dynamischen Speichern mit wahlfreiem Zugriff (DRAMs) hin zu höheren Dichten, zu einem GBit oder höherer Inte gration, erfordert Materialien mit hohen Dielektrizitätskonstan ten, um in der Lage zu sein, ausreichend große Kondensatoren in dem reduzierten, zur Verfügung stehenden Oberflächengebiet auf einem integrierten Schaltkreischip zu konstruieren. Es zeigt sich, daß Materialien vom Verbindungsoxid-Typ, insbesondere fer roelektrische oder paraelektrische Materialien, wie Ba_xSr_(1-x)TiO₃ oder PbZr_xTi_1-xO₃ (PZT), unter den Materialien sind, die ausrei chend hohe Dielektrizitätskonstanten aufweisen, wie sie für DRAMs mit einem GBit erforderlich sind. Diese Materialien müssen auf Elektroden in elektrischem Kontakt zu Halbleiterbereichen, wie Silicium oder Legierungen desselben, aufgebracht werden. Die hoch dielektrischen Materialien können durch eine Vielzahl von Verfahren aufgebracht werden, die in einem bestimmten Stadium häufig eine Erwärmung auf Temperaturen über 500°C beinhalten. Die Materialien können während der Fertigung der Bauelemente auch höheren Temperaturen ausgesetzt sein.

Bei der Fertigung der Kondensatorstruktur sollten die elektri sche Leitfähigkeit der Elektroden erhalten und die Bildung einer Siliciumoxidschicht in Serie mit dem hoch dielektrischen Konden sator verhindert werden. Außerdem sollte die Wechselwirkung zwi schen der Elektrode und dem hoch dielektrischen Material vermie den werden, um die Struktur und die Eigenschaften des hoch di elektrischen Materials zu bewahren.

US 5 185 689 beschreibt einen Kondensator mit einer Elektrode aus Ruthenat. Die Elektrodenstruktur des Kondensators ist auf einer leitfähigen Schicht aufgebaut, die sich auf einem dielektrischen Substrat befindet. Die Elektrodenstruktur wird von zwei Elektroden gebildet, die durch eine dielektrische Schicht getrennt sind. Eine der beiden Elektroden oder auch beide bestehen aus Ruthenatmaterial, aus Rutheniumoxid oder einem vergleichbaren leitfähigen Oxid.

In Research Disclosure, Januar 1993, 345119, ist eine dreischichtige Elektrodenstruktur beschrieben, deren mittlere Schicht aus einer binären Legierung besteht. Die binäre Legierung ist eine oxidationsbeständige Matrix aus z. B. Pt, Ir, Rh und kleinen Beimengungen von B, Hf oder Ti.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Elektrodenstruktur für eine Seite eines Kondensators mit einem Material mit hoher Dielektrizitätskonstante in Kontakt mit einem Halbleiterbereich auf einem Substrat mit einer freiliegenden Oberfläche bereitge stellt, wobei sie eine erste Schicht aus Metall, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ru, Ir, Re, Rh, Os, Pd und Legie rungen derselben besteht, die über dem Halbleiterbereich und in ohmschem Kontakt mit dem Halbleiterbereich ausgebildet ist, eine zweite Schicht aus Metalloxid, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Oxid von Ru, Ir, Re, Rh, Os, Pd und Mischun gen derselben besteht, die über der ersten Schicht in ohmschem Kontakt mit der ersten Schicht ausgebildet ist, und eine dritte Schicht aus Metall beinhaltet, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Pt, Au, Ru, Ir, Re, Rh, Os, Pd und Legierungen der selben besteht, wobei ein hoch dielektrisches Material darüber gebildet werden kann, zum Beispiel Bariumstrontiumtitanat oder Bleizirkoniumtitanat (PZT).

Die Erfindung stellt des weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines Kondensators sowie einen Kondensator bereit, der die oben beschriebene Elektrodenstruktur aufweist und des weiteren eine vierte Schicht aus einem hoch dielektrischen Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Materialien vom Verbindungs oxid-Typ besteht, insbesondere ferroelektrischen oder paraelek trischen Materialien, wie BaTiO₃, SrTiO₃, Ba_xSr_(1-x)TiO₃, PLT, PLZT oder PbZr_xTi_1-xO₃ (PZT), und eine fünfte Schicht aus einem leitfä higen Material umfaßt, die auf der vierten Schicht ausgebildet ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Kondensators zur Verwendung in dynamischen Speichern mit wahl freiem Zugriff (DRAMs), mit einer Elektrodenstruktur, zum Beispiel die untere Elektrode des Kondensators, wobei die dritte Schicht eine Barriere für Titanatkomponenten bereitstellt, um zu verhindern, daß diese mit dem Metalloxid wechselwirken, das die zweite Schicht bildet, wie oben beschrieben.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Diese und weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der vorliegen den Erfindung werden bei Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung offensichtlich, wenn sie in Verbin dung mit den Zeichnungen gelesen wird, in denen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Erfin dung zeigt.

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils von Fig. 1 zeigt.

Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungs form der Erfindung zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Bezugnehmend auf Fig. 1, ist eine Speichermatrix 9, die Konden satoren 10 und 11 umfaßt, zum Speichern von elektrischer Ladung gezeigt. Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils von Fig. 1 und stellt eine Querschnittsansicht des Kondensators 10 und eines Halbleiterbereichs 26 dar. Die Kondensatoren 10 und 11 sind auf einer Oberseite 22 über jeweiligen Halbleiterbereichen 26 und 28 ausgebildet. Die Halbleiterbereiche 26 und 28 wirken dahingehend, daß die untere Elektrodenstruktur 14 der Kondensa toren 10 und 11 mit dotierten Bereichen 38 und 40 in einem Sub strat 12 elektrisch gekoppelt werden. Die Halbleiterbereiche 26 und 28 können zum Beispiel aus Silicium, Germanium, Galliumarse nid und Legierungen derselben bestehen. Das Substrat 12 kann aus einem Halbleiter, zum Beispiel Silicium, Germanium, Galliumarse nid und Legierungen derselben bestehen. Die Kondensatoren 10 und 11 können jeweils eine untere Elektrodenstruktur 14, eine di elektrische Schicht 16, die zum Beispiel aus einem hoch dielek trischen Material, wie Bariumtitanat oder Bleizirkoniumtitanat (PZT) bestehen kann, und eine obere Elektrode 18 beinhalten, die aus einem leitfähigen Material, wie Aluminium, Platin etc., be stehen kann.

Das Substrat 12 kann eine dielektrische Schicht 20 aufweisen, die auf einer Oberseite 21 ausgebildet ist. Die dielektrische Schicht 20, die zum Beispiel aus Siliciumaioxid bestehen kann, weist eine Oberseite 22 auf. Öffnungen, Durchkontaktlöcher oder Gräben 24 und 25 können in der Oberseite 22 durch die Schicht 20 hindurch bis zu der Oberseite 21 des Substrates 12 oder in diese hinein ausgebildet sein. Öffnungen, Durchkontaktlöcher oder Grä ben 24 und 25 können zum Beispiel durch eine Maskierungsschicht 20 und reaktives Ionenätzen (RIE) gebildet werden. Die Gräben 24 und 25 können mit dotiertem Silicium oder einer dotierten Legie rung von Silicium, wie Silicium-Germanium, oder einem Silicid gefüllt sein, das polykristallin sein kann, um Halbleiterberei che 26 und 28 zu bilden. Die Halbleiterbereiche 26 und 28 können jeweils eine Oberseite 27 und 29 aufweisen, die koplanar mit der Oberseite 22 der dielektrischen Schicht 20 ist. Die koplanare Oberseite 22, 27 und 29 kann durch chemisch-mechanisches Polie ren (CMP) erzeugt werden. Die Oberseiten 27 und 29 der Halblei terbereiche 26 und 28 bilden eine freiliegende Oberfläche für einen nachfolgenden elektrischen Kontakt zur unteren Elektroden struktur 14 der Kondensatoren 10 beziehungsweise 11.

Wie in Fig. 2 gezeigt, beinhaltet die untere Elektrodenstruktur 14 der Kondensatoren 10 und 11 drei Schichten. Eine erste Schicht 31, eine zweite Schicht 32 und eine dritte Schicht 33, die eine über der anderen über der Oberseite 27 des Halbleiter bereichs 26 und der Oberseite 22 der dielektrischen Schicht 20 ausgebildet sind.

Die erste Schicht 31 kann aus einem Metall bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ru, Ir, Re, Rh, Os, Pd und Legie rungen derselben besteht, die über dem Halbleiterbereich 26 und der dielektrischen Schicht 20 und in ohmschem Kontakt mit dem Halbleiterbereich 26 ausgebildet ist. Die erste Schicht 31 kann durch Sputterdeposition in einem sauerstofffreien Plasma, wie in einer Umgebung aus reinem Argon, oder durch chemische Gasphasen abscheidung in einer sauerstofffreien Umgebung oder einem sauer stofffreien Umfeld erzeugt werden.

Die zweite Schicht 32 kann aus einem Metalloxid bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Oxid von Ru, Ir, Re, Rh, Os, Pd und Legierungen derselben besteht, die über der ersten Schicht 31 und der dielektrischen Schicht 20 und in ohm schem Kontakt mit der ersten Schicht 31 ausgebildet ist. Die zweite Schicht 32 kann durch Sputterdeposition oder reaktives Sputtern eines Targets aus einem ausgewählten Metall in einem sauerstoffhaltigen Plasma, durch reaktive Aufdampfung von einem Target aus einem ausgewählten Metall in Sauerstoff oder durch chemische Gasphasenabscheidung von einem geeigneten Vorprodukt in einer Sauerstoffumgebung oder einem Sauerstoffumfeld erzeugt werden.

Die dritte Schicht 33 kann aus einem Metall bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Pt, Au, Ru, Ir, Re, Rh, Os, Pd und Legierungen derselben besteht, die über der zweiten Schicht 32 und der dielektrischen Schicht 20 und in ohmschem Kontakt mit der zweiten Schicht 32 ausgebildet ist. Die dritte Schicht 33 kann durch Sputterdeposition oder Aufdampfen erzeugt werden.

Der Halbleiterbereich 26 und die Oberseite 27 können mit der Schicht 31 wechselwirken, um eine Verbindung von Atomen des Halbleiterbereichs 26 zu bilden, um eine Metall-Halbleiter schicht 34, wie ein Metallsilicid, zu erzeugen. Die Metall-Halb leiterschicht 34 kann in Abhängigkeit davon, ob die Temperatur an der Oberfläche 27 auf eine ausreichende Temperatur erhöht wurde, bei der die Atome vom Bereich 26 in die erste Schicht 31 hineindiffundieren oder umgekehrt und eine Verbindung bilden, erzeugt werden oder nicht.

Die dielektrische Schicht 16 besteht aus einem hoch dielektri schen Material, das aus der Gruppe ausgewählt sein kann, die aus Materialien vom Verbindungsoxid-Typ besteht, insbesondere ferro elektrischen oder paraelektrischen Materialien, wie Bariumstron tiumtitanat und Bleizirkoniumtitanat (PZT).

Die obere Elektrode 18 kann zum Beispiel aus einer Schicht Me tall bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Pt, Au, Ru, Ir, Re, Rh, Os, Pd und Legierungen derselben besteht.

Eine erste Spannung V₁ kann an den Kondensator 10 dadurch ange legt werden, daß eine Spannung an eine Leitung 40 zu der oberen Elektrode 18 angelegt wird und die untere Elektrode 14, der Halbleiterbereich 26, der dotierte Bereich 38 und das untere Substrat 12, wenn das untere Substrat 12 leitend ist, mit einer zweiten Spannung V₂ über eine Leitung 42 beaufschlagt werden. Da der Halbleiterbereich 26, die Metall-Halbleiterschicht 34, wenn vorhanden, und die untere Elektrode 14, die eine erste, eine zweite und eine dritte Schicht 31 bis 33 beinhaltet, elektrisch leitfähig sind, liegt die Spannung V₁ an der Leitung 40 und der oberen Elektrode 18 über die dielektrische Schicht 16 hinweg zu der unteren Elektrode 14 auf Spannung V₂ mittels der Leitung 42 an. Die Spannung über dem Kondensator 10 beträgt V₁-V₂.

Die erste Schicht 31 der unteren Elektrodenstruktur 14 wirkt dahingehend, daß eine Oxidation des Halbleiterbereichs 26 nach der Bildung der ersten Schicht 31 und während der Bildung der zweiten Schicht verhindert wird, wobei ein Teil der ersten Schicht oxidiert werden kann. Wenn der Bereich 26 zum Beispiel aus Silicium besteht, kann die Metallsilicidschicht 34 aus Ru theniumsilicid bestehen, und die erste Schicht 31 kann aus Ru thenium bestehen. Die zweite Schicht 32 kann aus Rutheniumoxid bestehen. Die zweite Schicht 32 wirkt dahingehend, daß eine Dif fusionsbarriere für Sauerstoff- und Halbleiteratome bereitge stellt wird. Die Halbleiteratome stammen von dem Halbleiterbe reich 26, und die Sauerstoffatome können von der dielektrischen Schicht 16 herrühren.

Die dritte Schicht 33 kann zum Beispiel aus einem oxidationsbe ständigen Metall, wie Platin, bestehen und wirkt dahingehend, daß eine Wechselwirkung zwischen dem nachfolgend gebildeten hoch dielektrischen Oxid der dielektrischen Schicht 16 und dem Me talloxid der zweiten Schicht 32 verhindert wird. Ohne die Schicht 33 aus oxidationsbeständigem Metall kann das Metalloxid der Schicht 32 mit der dielektrischen Schicht 16 wechselwirken und in diese hineindiffundieren, oder die dielektrische Schicht 16 kann mit der Metalloxidschicht 32 wechselwirken oder in diese hineindiffundieren. Es scheint wahrscheinlich, daß das Metall oxid von Schicht 32 in die dielektrische Schicht 16 hineinwan dert oder -diffundiert, wenn die Schicht 33 nicht vorhanden ist, um eine Diffusionsbarriere bereitzustellen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die erste Schicht 31 ein Metall wie Ru, Ir, Re und Rh. Die zweite Schicht 32 beinhaltet ein Oxid des Metalls oder der Metalle, aus denen die erste Schicht 31 besteht.

Bezugnehmend auf Fig. 3, ist ein Kondensator 48 gezeigt, der für die Speichermatrix 9 geeignet ist. In Fig. 3 werden gleiche Be zugszeichen für Funktionen verwendet, die den Bauelementen der Fig. 1 und 2 entsprechen. Ein Halbleiterbereich 26′ erstreckt sich über die Oberfläche 22 der dielektrischen Schicht 20, um ein zusätzliches Oberflächengebiet einer unteren Elektroden struktur 14′ bereitzustellen, die über einem Halbleiterbereich 26′ ausgebildet ist. Eine dielektrische Schicht 16′ und eine obere Elektrode 18′ sind über der unteren Elektrodenstruktur 14′ ausgebildet. Der Halbleiterbereich 26′ kann eine kubische, ku bisch-rechtwinklige, zylindrische, konische oder komplexe geome trische Form aufweisen, die sich von der Oberfläche 21 des Sub strates 12 aus erstreckt. Die Form über der Oberfläche 22 wirkt dahingehend, daß viel Oberflächengebiet sowohl für die untere Elektrodenstruktur 14′ als auch die obere Elektrode 18′ bereit gestellt wird.

Es wurden ein Kondensator und eine Elektrodenstruktur beschrie ben, die ein Substrat, einen Halbleiterbereich auf einem Sub strat mit einer freiliegenden Oberfläche, eine erste Schicht aus Metall, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ru, Ir, Re, Rh, Os, Pd und Legierungen derselben besteht, die über dem Halb leiterbereich in ohmschem Kontakt mit dem Halbleiterbereich aus gebildet ist, eine zweite Schicht aus Metalloxiden, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus einem Oxid von Ru, Ir, Re, Rh, Os, Pd und Mischungen derselben besteht, die über der ersten Schicht in ohmschem Kontakt mit der ersten Schicht ausgebildet ist, eine dritte Schicht aus Metall, das aus der Gruppe ausge wählt ist, die aus Pt, Au, Ru, Ir, Re, Rh, Os, Pd und Legierun gen derselben besteht, eine vierte Schicht aus einem hoch di elektrischen Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Materialien vom Verbindungsoxid-Typ besteht, insbesondere ferroelektrischen oder paraelektrischen Materialien, wie Ba_xSr_(1-x)TiO₃ oder PbZr_xTi_1-xO₃ (PZT), und eine fünfte Schicht aus einem leitfähigen Material beinhaltet, die auf der vierten Schicht ausgebildet ist.

Claims

1. Elektrodenstruktur (14) für eine Seite eines Kondensators (10, 11) mit einem Material mit hoher Dielektrizitätskonstante, die beinhaltet:
ein Substrat (12),
einen Halbleiterbereich (26, 28) auf dem Substrat (12) mit einer freiliegenden Oberfläche (27, 29),
eine erste Schicht (31) aus einem Metall, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ru, Ir, Re, Rh, Os, Pd und Legierungen derselben besteht, die über dem Halbleiterbereich (26, 28) in ohmschem Kontakt mit dem Halbleiterbereich ausgebildet ist,
eine zweite Schicht (32) aus einem Metalloxid, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Oxid von Ru, Ir, Re, Rh, Os, Pd und Legierungen derselben besteht, die über der ersten Schicht (31) in ohmschem Kontakt mit der ersten Schicht (31) ausgebildet ist, und
ein dritte Schicht (33) aus einem Metall, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Pt, Au, Ru, Ir, Re, Rh, Os, Pd und Legierungen derselben besteht, wobei ein hoch die lektrisches Material (16) darüber ausgebildet werden kann.

2. Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterbe reich (26, 28) ein Material beinhaltet, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Silicium, Germanium und Legierungen derselben besteht.

3. Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche (27, 29) des Halbleiterbereichs (26, 28) und die erste Schicht (31) eine Verbindung beinhalten, die von Atomen des Halbleiterbereichs (26, 28) und der ersten Schicht (31) gebildet wird.

4. Elektrodenstruktur nach Anspruch 3, wobei die Verbindung aus einem Silicid besteht.

5. Kondensator (10, 11) zur Verwendung in dynamischen Speichern mit wahlfreiem Zugriff (DRAMs), der beinhaltet:
ein Substrat (12),
einen Halbleiterbereich (26, 28) auf dem Substrat (12) mit einer freiliegenden Oberfläche (27, 29),
eine erste Schicht (31) aus einem Metall, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ru, Ir, Re, Rh, Os, Pd und Legierungen derselben besteht, die über dem Halbleiterbereich (26, 28) in ohmschem Kontakt mit dem Halbleiterbereich (26, 28) ausgebildet ist,
eine zweite Schicht (32) aus einem Metalloxid, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Oxid von Ru, Ir, Re, Rh, Os, Pd und Mischungen derselben besteht, die über der ersten Schicht (31) in ohmschem Kontakt mit der ersten Schicht (31) ausgebildet ist,
ein dritte Schicht (33) aus einem Metall, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Pt, Au, Ru, Ir, Re, Rh, Os, Pd und Legierungen derselben besteht,
eine vierte Schicht (16) aus einem hoch dielektrischen Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Material vom Verbindungsoxid-Typ besteht, einem ferroelektrischen Material oder einem paraelektrischen Material, Ba_xSr_(1-x)TiO₃ und PbZr_xTi_1-xO₃ (PZT), und
eine fünfte Schicht (18) aus einem leitfähigen Material, das auf der vierten Schicht (16) ausgebildet ist.