DE19640243A1 - Kondensator mit einer Sauerstoff-Barriereschicht und einer ersten Elektrode aus einem Nichtedelmetall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kondensator in einer integrier­ ten Schaltung, insbesondere in einem integrierten Halbleiter­ speicher.

In integrierten Halbleiterschaltungen ist die Erhöhung der Integrationsdichte ein vorrangiges Ziel. Bei Kondensatoren kann der Platzbedarf dadurch verringert werden, daß als Kon­ densatordielektrikum ein Ferroelektrikum oder Hoch-ε-Dielek­ trikum verwendet wird, so daß für einen vorgegebenen Kapazi­ tätswert eine geringere Kondensatorfläche benötigt wird. Sol­ che Kondensatoren werden beispielsweise in integrierten Spei­ chern als sogenannte "Stacked"-Kondensatoren (der Kondensator einer Speicherzelle ist oberhalb eines zugehörigen Auswahl­ transistors angeordnet) eingesetzt.

Verschiedene Paraelektrika mit hoher Permittivitat (Hoch-ε-Dielektrika) und Ferroelektrika sind aus der Literatur be­ kannt, Beispiele sind Barium-Strontium-Titanat, (Ba, Sr) TiO₃ (BST), Strontium-Titanat (ST) oder Blei-Zirkonoium-Titanat (PZT). Die Herstellung dieser Materialien erfolgt durch einen Sputter-, Spin-on- oder Abscheideprozeß, der hohe Temperatu­ ren in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre benötigt. Dies hat zur Folge, daß die in der Halbleitertechnologie als Elektro­ denmaterial verwendeten leitfähigen Materialien (z. B. Poly­ silizium, Aluminium oder Wolfram) ungeeignet sind, da sie un­ ter diesen Bedingungen oxidieren. Daher wird zumindest die erste Elektrode üblicherweise im wesentlichen aus einem Edel­ metall wie Pt oder Ru hergestellt. Diese neuen Elektrodenma­ terialien sind jedoch für die Halbleitertechnologie relativ unbekannte Substanzen. Sie sind schwierig aufzubringen und nur bei geringer Schichtdicke befriedigend strukturierbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kondensator in einer integrierten Halbleiterschaltung anzugeben, bei dem ein in der Halbleitertechnologie bekanntes Material als erste Elektrode und ein Hoch-ε-Dielektrikum oder Ferroelektrikum als Kondensatordielektrikum eingesetzt wird. Diese Aufgabe wird durch einen Kondensator mit den Merkmalen des Patentan­ spruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand von Un­ teransprüchen.

Bei der Erfindung ist auf der ersten Elektrode eine Barriere­ schicht angeordnet, die die Diffusion von Sauerstoff in aus­ reichendem Maße unterdrückt und so die erste Elektrode vor einer Oxidation schützt. Damit kann ein bekanntes Material wie beispielsweise Polysilizium als untere Elektrode verwen­ det werden. Auf diese Barriere wird dann direkt ein Ferro­ elektrikum oder ein Hoch-ε-Dielektrikum wie beispielsweise BST mit einem bekannten Prozeß aufgetragen. Die Barriere­ schicht muß dabei alle während des erwähnten Hochtemperatur­ prozesses existierenden Diffusionspfade wirksam unterbinden. Als Sauerstoff-Barriereschicht kann beispielsweise Si₃N₄ ver­ wendet werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung einer TiO₂-Barriereschicht auf einer ersten Elektrode aus Ti-Si_x. Eine weitere Möglichkeit ist das Einbinden von Sauer­ stoff durch eine begrenzte Oxidation der darunterliegenden Schicht (z. B. von Polysilizium in einer Dicke von weniger als 5 nm).

Die Barriereschicht kann elektrisch leitend oder isolierend sein. Im ersten Fall muß sie strukturiert werden, wenn be­ nachbarte Kondensatoren voneinander getrennt werden müssen. Im letzteren Fall ist zu berücksichtigen, daß die Barriere­ schicht im allgemeinen eine weit niedrigere Dielektrizitäts­ konstante ε als z. B. BST aufweist, so daß der Kondensator effektiv aus einer Reihenschaltung von zwei Kondensatoren be­ steht mit einer Gesamtkapazität, die geringer ist als die des BST-Kondensators. Dieser Kapazitätsverlust kann durch Verrin­ gerung der Barrierenschichtdicke minimiert werden.

Besteht das Kondensatordielektrikum aus einem Ferroelektri­ kum, ist der Spannungsabfall an der Barriereschicht zu be­ rücksichtigen. Dies bedeutet, daß eine höhere Spannung ange­ legt werden muß, um eine vorgegebene Hystereseschleife zu durchfahren. Die Polarisation pro Fläche im Sättigungsbereich wird dadurch allerdings nicht beeinträchtigt.

Die Barriereschicht kann insbesondere durch eine Nitridierung oder eine Oxidierung hergestellt werden. Ferner kann die Bar­ riereschicht durch eine Reaktion zwischen dem Kondensatordie­ lektrikum und der ersten Elektrode gebildet werden. Diese Re­ aktion kann während der Abscheidung des Dielektrikums (oder Ferroelektrikums) oder einer der darauffolgenden Temperungen stattfinden. Beispielsweise reagiert WN als Elektrodenmateri­ al mit BST an der Grenzfläche zu W(Ba,Sr)O_x, das nichtstöchiometrisch und leitfähig ist.

Die Erfindung ist auch einsetzbar bei einem in einem Graben angeordneten Kondensator. Dabei sind beide Kondensatorelek­ troden überwiegend innerhalb des Grabens angeordnet, wobei jede Speicherzelle einen eigenen Graben besitzt oder die Kon­ densatoren benachbarter Zellen in einem gemeinsamen Graben untergebracht sind.

Fig. 1 zeigt als Ausführungsbeispiel eine Speicherzelle ei­ ner integrierten Halbleiterschaltung mit einem erfindungsge­ mäßen Kondensator. Die Figur zeigt ein Substrat 1 mit einem darin angeordneten MOS-Transistor, der zwei S/D-Gebiete 3, 4 und ein isoliert auf dem Substrat aufgebracht es Gate 5 um­ faßt. Nicht aktive Bereiche der Schaltung sind mit einer Iso­ lation 2 bedeckt. Eine Isolationsschicht 6 bedeckt den Tran­ sistor und weist Kontaktlöcher zu den zu kontaktierenden S/D-Gebieten auf. Das Kontaktloch zum S/D-Gebiet 4 liegt dabei außerhalb der Zeichenebene. Das S/D-Gebiet 3 ist über das Kontaktloch mit einer ersten Elektrode 7 verbunden. Diese er­ ste Elektrode 7 besteht aus einem in der Halbleitertechnolo­ gie üblicherweise verwendeten leitfähigen Material, wie bei­ spielsweise Wolfram, Silizide, epitaktisch aufgewachsenes Si­ lizium, Polysilizium, Nitride (WN; TiN etc.) oder einer Kom­ bination derartiger Materialien. Sie kann auch an ihrer Un­ terseite (d. h. an der Grenzfläche zum S/D-Gebiet 3) eine Bar­ riereschicht aufweisen oder über eine eigens hergestellte An­ schlußstruktur (Plug), die evtl. aus einem anderen Material besteht, mit dem dotierten Gebiet 3 verbunden sein. Diese Ma­ terialien bestehen alle nicht im wesentlichen aus einem Edel­ metall und werden im folgenden als im wesentlichen edelme­ tallfreie leitfähige Materialien bezeichnet. Auf die geeignet strukturierte erste Elektrode 7 wird dann als Barriereschicht 8 Siliziumnitrid in einer Dicke < 5 nm (bspw. 2 nm) aufge­ bracht, so daß alle freiliegenden Oberflächen der ersten Elektrode von ihr bedeckt sind, dann erfolgt mit einem be­ kannten Verfahren die Abscheidung von Barium-Stronti­ um-Titanat 9 in einer Schichtdicke von etwa 50 nm. Die Kombina­ tion aus 2 nm Si₃N₄ (ε = 8) und 50 nm BST (ε = 300) ergibt eine Gesamtkapazität, die 40% der reinen BST-Kapazität ent­ spricht. Der Vorteil der dünnen dielektrischen Schicht zwi­ schen Elektrode 7 und dem Kondensatordielektrikum 9 ist die Reduzierung des Leckstroms des Kondensators. Die nicht lei­ tende Barriereschicht 8 kann ganz flächig auf der integrierten Schaltung verbleiben. Der Kondensator wird durch eine zweite Elektrode 10, die auf dem Kondensatordielektrikum 9 herge­ stellt wird, vervollständigt.

Claims (5)

1. Kondensator in einer integrierten Halbleiterschaltung

• - mit einer ersten Elektrode (7) die aus einem im wesentli­ chen edelmetallfreien leitfähigen Material besteht,
• - mit einer zweiten Elektrode (10),
• - mit einem Kondensatordielektrikum (9), daß die erste (7) und zweite Elektrode (10) voneinander isoliert und aus ei­ nem Hoch-ε-Dielektrikum oder Ferroelektrikum besteht, und
• - mit einer Barriereschicht zur Verringerung der Sauerstoff­ diffusion, die auf der ersten Elektrode (7) angeordnet ist und die gesamte Grenzfläche zwischen erster Elektrode (7) und Kondensatordielektrikum (9) bedeckt.

2. Kondensator nach Anspruch 1, bei dem die Barriereschicht (8) eine elektrisch isolierende Schicht ist.

3. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem die Barriereschicht (8) aus Siliziumnitrid oder -oxid besteht.

4. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die erste Elektrode (7) im wesentlichen aus Polysili­ zium, einem leitfähigen Nitrid, Wolfram oder einem Silizid besteht.

5. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem die erste Elektrode (7) im wesentlichen aus Titansi­ lizid und die Barriereschicht (8) im wesentlichen aus Ti­ tanoxid besteht.