DE19649670A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kondensators einer Halbleitervorrichtung und zugehörige Anordnung - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines Kondensators einer Halbleitervorrichtung und zugehörige AnordnungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Kondensa
tor einer Halbleitervorrichtung, und insbesondere einen der
artigen Kondensator, der für die Hochintegration einer Halb
leitervorrichtung geeignet ist. Weiterhin betrifft die vorlie
gende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Kondensator
anordnung.
Bei hoher Integration von Halbleitervorrichtungen werden die
Zellen im allgemeinen kleiner, wodurch es schwieriger wird,
ausreichend Speicherkapazität entsprechend der Oberfläche ei
ner Speicherelektrode zur Verfügung zu stellen. Insbesondere
im Falle einer DRAM-Vorrichtung, deren Einheitszelle aus ei
nem MOS-Transistor und einem Kondensator besteht, besteht der
wesentliche Punkt bei der Hochintegration darin, die Speicher
kapazität des Kondensators zu vergrößern, der auf dem Chip
eine große Fläche einnimmt, und hierbei die von dem Kondensa
tor eingenommene Fläche zu verringern.
Es wurden verschiedene Vorgehensweisen zur Erhöhung der Spei
cherkapazität eines Kondensators vorgeschlagen, die durch
folgende Gleichung gegeben ist:
wobei C die Speicherkapazität des Kondensators, Eo die
Vakuum-Dielektrizitätskonstante, Er die Dielektrizitäts
konstante eines dielektrischen Films, A die Fläche des Kon
densators, und T die Dicke des Kondensators, bezeichnet.
Beispielsweise wurde ein dielektrischer Film mit einer hohen
Dielektrizitätskonstanten aus einem dünnen BST-Film ((Ba,Sr)
TiO₃) oder einem dünnen PZT-Film (Pb(ZryTix)O₃) herge
stellt, die jeweils eine hohe Dielektrizitätskonstante Er
aufweisen, so daß eine Halbleitervorrichtung hochintegriert
ausgebildet werden konnte. Allerdings ist diese Vorgehenswei
se in der Hinsicht nachteilig, daß Hügel und Nadellöcher auf
der Oberfläche der unteren Elektrode gebildet werden, welche
zum Kondensator gehört, wodurch die elektrischen Eigenschaf
ten der Vorrichtung instabil werden, und die Reproduzierbar
keit beeinträchtigt wird.
Um diese Schwierigkeit zu überwinden besteht ein weiteres
Verfahren darin, einen Kondensator aus einer unteren Elek
trode und einen oberen Elektrode auszubilden, die beide aus
Rutheniumoxid (RuO₂) oder Platin (Pt) bestehen, und durch
eine Wärmebehandlung stabilisiert werden.
Bei der Verwendung von Rutheniumoxid für die Elektroden tre
ten mechanische Spannungen zwischen dem dielektrischen Film
und der oberen Elektrode nach der Wärmebehandlung auf. Dar
über hinaus werden die Eigenschaften des dielektrischen Films
beeinträchtigt, da Sauerstoff oder Silizium von der oberen
und/oder unteren Elektrode in den dielektrischen Film ein
diffundiert. Ein weiterer Nachteil besteht in der langsamen
Ausbildung des Rutheniumoxidfilms.
Wenn die obere und untere Elektrode aus Platin hergestellt
werden, bilden sich nach der Wärmebehandlung Silizium und
Silicid auf der Oberfläche des Platins bei 200°C bis 300°C,
was zu einer wesentlichen Erhöhung des Kriechstroms führt.
Daher ergeben sich nicht nur schlechte elektrische Eigen
schaften der Elektroden, sondern verschlechtert sich auch
das Haftvermögen an einem Isolierfilm. Darüber hinaus wer
den beim Platin infolge von Spannungen leicht Hügel hervorge
rufen, und verschlechtern sich die Eigenschaften des Dünn
films im Verlauf der Zeit.
Um die Vorteile des Rutheniumoxids und des Platins zu nutzen
wurde ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode vorge
schlagen, um die voranstehend geschilderten Schwierigkeiten
zu lösen, wie geschildert in Integrated Ferroelectrics, 1995,
Bd. 8, Seiten 151-163, von H. N. Al-Shareef. Auch dieses kon
ventionelle Verfahren ist allerdings in der Hinsicht nach
teilig, daß das Herstellungsverfahren für den Kondensator
sehr kompliziert ist, so daß die Verläßlichkeit einer Halb
leitervorrichtung verringert wird. Darüber hinaus führt das
komplizierte Verfahren zu einer Erhöhung der Herstellungs
kosten, wodurch der Herstellungswirkungsgrad absinkt.
Die voranstehend geschilderten Herstellungsverfahren für ei
nen Kondensator einer Halbleitervorrichtung sind daher nicht
für eine hohe Integration einer Halbleitervorrichtung geeig
net.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht daher in der
Überwindung der voranstehend geschilderten, beim Stand der
Technik auftretenden Schwierigkeiten, und in der Bereitstel
lung einer Kondensatoranordnung einer Halbleitervorrichtung,
welche eine ausreichend hohe Kapazität für die Hochintegra
tion einer Halbleitervorrichtung aufweist.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in
der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung der Kon
densatoranordnung.
Gemäß einer Zielrichtung der vorliegenden Erfindung weist
ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators einer Halb
leitervorrichtung folgende Schritte auf: Bereitstellung ei
nes Halbleitersubstrats; Ausbildung eines Ruthenium/Platin-
Films auf dem Halbleitersubstrat; Wärmebehandlung des Ruthe
nium/Platin-Films, so daß auf dem Ruthenium/Platin-Film
Ruthenium/Platin-Oxid aufwächst; und Ausbildung eines dielek
trischen Films und einer leitfähigen Schicht hintereinander
auf dem Ruthenium/Platin-Oxid.
Gemäß einer weiteren Zielrichtung der vorliegenden Erfindung
weist ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators einer
Halbleitervorrichtung folgende Schritte auf: Bereitstellung
eines Halbleitersubstrats; Ausbildung einer unteren Isolier
schicht über dem Halbleitersubstrat, wobei die untere Iso
lierschicht ein Kontaktloch aufweist, durch welches eine vor
bestimmte Fläche des Halbleitersubstrats freigelegt wird;
Ausbildung eines Kontaktstopfens in dem Kontaktloch der un
teren Isolierschicht; Ausbildung eines Titanfilms und eines
Titannitridfilms über dem Kontaktstopfen und der unteren Iso
lierschicht hintereinander; Ausbildung eines Ruthenium/Platin-
Films auf dem Titannitridfilm; Wärmebehandlung des Platin/
Ruthenium-Films, damit Ruthenium/Platin-Oxid auf dem Ruthe
nium/Platin-Film wächst; Versehen des Ruthenium/Platin-Oxids,
des Ruthenium/Platin-Films, des Titannitrids und des Titan
films mit einem Muster; und Ausbildung eines dielektrischen
Films und einer Plattenelektrode hintereinander über der sich
ergebenden Anordnung.
Gemäß einer weiteren Zielrichtung der vorliegenden Erfindung
weist ein Kondensator einer Halbleitervorrichtung eine unte
re Elektrode auf einem Halbleitersubstrat auf, einen dielek
trischen Film sowie eine obere Elektrode, wobei die untere
Elektrode einen Ruthenium/Platin-Film und ein Ruthenium/Pla
tin-Oxid aufweist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestell
ter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere
Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
Fig. 1 bis 7 schematische Querschnittsansichten zur Erläute
rung eines Verfahrens zur Herstellung eines Kondensators ei
ner Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der Einsatz der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung läßt sich am besten unter Bezugnahme auf die bei
gefügten Zeichnungen verstehen, bei welchen gleiche Bezugs
zeichen für gleiche und entsprechende Teile verwendet werden.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird zuerst eine untere Isolier
schicht 13 auf einem Halbleitersubstrat 11 hergestellt, zum
Zwecke der Einebnung der Gesamtanordnung, die einen Elemen
tenisolierfilm (nicht gezeigt), einen Gate-Oxidfilm (nicht
gezeigt) und eine Gate-Elektrode (nicht gezeigt) aufweist.
Nach Herstellung der Gate-Elektrode kann eine Bitleitung aus
gebildet werden. Die untere Isolierschicht 13 wird aus einem
Isoliermaterial hergestellt, welches gute Fließeigenschaften
zeigt, beispielsweise Borophosphorsilikatglas (nachstehend
als "BPSG" bezeichnet).
Dann wird unter Verwendung einer (nicht dargestellten) Kon
taktmaske ein Ätzvorgang durchgeführt, durch welchen die unte
re Isolierschicht 13 selektiv so geöffnet wird, daß ein Kon
taktloch 15 ausgebildet wird, durch welches eine vorbestimmte
Fläche des Halbleitersubstrats 11, nämlich eine Fläche, in
welche Verunreinigungen implantiert werden, freigelegt wird.
Daraufhin wird auf der sich ergebenden Anordnung einschließ
lich der unteren Isolierschicht 13 und des Kontaktlochs 15
eine Schicht aus Polysilizium abgelagert, und dann einem Rück
ätzvorgang unterzogen, um einen Kontaktstopfen-Polysilizium
film 17 in dem Kontaktloch 15 auszubilden.
Fig. 2 ist ein Querschnitt und zeigt den Zustand, nachdem
ein Titanfilm 19 und ein Titannitridfilm 21 hintereinander
über der sich ergebenden Anordnung ausgebildet wurden, ge
folgt von der Ablagerung eines Ruthenium/Platin-Films 23
über dem Titannitridfilm 21. Der Titanfilm 19 weist eine
Dicke von etwa 100 bis 300 Å (10 Å = 1 nm) auf, wobei der
Titannitridfilm 21 eine Dicke von etwa 200 bis 400 Å auf
weist. Die Dicke des Ruthenium/Platin-Films 23 liegt im Be
reich zwischen etwa 2000 und 5000 Å. Für die Ablagerung des
Ruthenium/Platin-Films 23 wird ein Sputter-Verfahren einge
setzt, bei welchem Ruthenium und Platin gleichzeitig als
Targets verwendet werden. Bei diesem Ablagerungsvorgang für
den Ruthenium/Platin-Film 23 wird eine Sputter-Vorrichtung
eingesetzt, welche eine Gleichspannungs- oder Radiofrequenz-
Magnetquelle aufweist. Der Ablagerungsvorgang wird vorzugs
weise bei einer Substrattemperatur durchgeführt, die zwi
schen Zimmertemperatur und 700°C liegt, bei einer Leistung
von 50 Watt bis 5000 Watt, einem Druck von 1 mTorr bis 100
Torr, und über einen Zeitraum von 1 bis 10 Minute(n). Als
Atmosphäre wird Stickstoff-, Argon- oder Sauerstoffgas
verwendet.
Dann wird ein Wärmebehandlungsvorgang in einer Sauerstoff
atmosphäre etwa 0,5 bis 2 Stunden lang durchgeführt, damit
ein Oxid 25 auf der Oberfläche des Ruthenium/Platin-Films 23
aufwächst, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Dieses Ruthenium/Pla
tin-Oxid 25 wird durch RuxOyPtz bezeichnet (x, y und z
bezeichnen jeweils Zusammensetzungsverhältnisse, wobei gilt:
x + y + z = 1). Diese Wärmebehandlung wird bei einer Tempera
tur von etwa 500°C bis 850°C durchgeführt.
Fig. 4 ist ein Querschnitt des Zustands, nachdem ein Muster
27 aus einem lichtempfindlichen Film über der sich ergebenden
Anordnung ausgebildet wurde. Zu diesem Zweck wird ein licht
empfindlicher Film (nicht gezeigt) über der sich ergebenden
Anordnung hergestellt, und unter Verwendung einer Speicher
elektrodenmaske (nicht gezeigt) geätzt.
Fig. 5 ist ein Querschnitt des Zustands, der sich ergibt,
nachdem unter Verwendung des Musters 27 aus dem lichtempfind
lichen Film als Maske das Ruthenium/Platin-Oxid 25, der Ru
thenium/Platin-Film 23, der Titannitridfilm 21 und der Titan
film 19 hintereinander geätzt wurden, um ein Ruthenium/Pla
tin-Oxidmuster 25a, ein Ruthenium/Platin-Muster 23a, ein
Titannitridmuster 21a bzw. ein Titanfilmmuster 19a auszubil
den, gefolgt von der Entfernung des Musters 27 aus dem licht
empfindlichen Film.
Daraufhin wird ein dielektrischer Film 29 mit einer hohen
Dielektrizitätskonstanten in bestimmter Dicke über der sich
ergebenden Anordnung hergestellt, wie in Fig. 6 gezeigt ist.
Als dielektrischer Film (29) wird ein Isolierfilm mit einer
hohen Dielektrizitätskonstanten verwendet, beispielsweise
BST oder PZT. Bevorzugt weist der dielektrische Film 29 eine
Dicke von etwa 300 Å bis 600 Å auf.
Schließlich wird, wie in Fig. 7 gezeigt ist, eine leitfähige
Schicht über dem dielektrischen Film 29 abgelagert, um eine
Plattenelektrode 31 auszubilden, wodurch ein Kondensator ge
schaffen wird, dessen Kapazität hoch genug für die Hochinte
gration einer Halbleitervorrichtung ist.
Wie voranstehend geschildert kann das Verfahren dadurch ver
einfacht werden, daß Ruthenium und Platin keine komplizierte
Kombinationsanordnung bilden, sondern gleichzeitig als Target
für die Ablagerung verwendet werden. Da die Zusammensetzung
an Ruthenium und Platin gemäß der vorliegenden Erfindung ein
fach gesteuert werden kann, kann sie an die Eigenschaften
des dielektrischen Films angepaßt werden. Die Verwendung des
Ruthenium/Platin-Targets ermöglicht es darüber hinaus, eine
Sauerstoffatmosphäre dazu einzusetzen, die untere Elektrode
aus Ruthenium/Platin-Oxid herzustellen, also die Speicher
elektrode.
Daher ergeben sich eine wesentliche Verbesserung der elektri
schen Eigenschaften und der Verläßlichkeit an Halbleitervor
richtung, was schließlich die Grundlage für die Hochintegra
tion eine Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfin
dung bildet.
Die vorliegende Erfindung wurde zum Zwecke der Erläuterung
beschrieben, wobei die verwendeten Begriffe nicht einschrän
kend zu verstehen sind.
Angesichts der voranstehend geschilderten Lehre sind zahl
reiche Modifikationen und Abänderungen der vorliegenden Er
findung möglich. Innerhalb des Umfangs der vorliegenden Er
findung, der sich aus der Gesamtheit der vorliegenden Anmel
deunterlagen ergibt, und von den beigefügten Patentansprüchen
umfaßt sein soll, läßt sich daher die Erfindung auch auf
andere Arten und Weisen verwirklichen, als dies voranstehend
im einzelnen beschrieben wurde.
Claims (22)
1. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators einer Halb
leitervorrichtung, mit folgenden Schritten:
Bereitstellung eines Halbleitersubstrats;
Ausbildung eines Ruthenium/Platin-Films auf dem Halbleiter substrat;
Wärmebehandlung des Ruthenium/Platin-Films, damit Ruthe nium/Platin-Oxid auf dem Ruthenium/Platin-Film aufwächst; und
Ausbildung eines dielektrischen Films und einer leitfähi gen Schicht hintereinander auf dem Ruthenium/Platin-Oxid.
Bereitstellung eines Halbleitersubstrats;
Ausbildung eines Ruthenium/Platin-Films auf dem Halbleiter substrat;
Wärmebehandlung des Ruthenium/Platin-Films, damit Ruthe nium/Platin-Oxid auf dem Ruthenium/Platin-Film aufwächst; und
Ausbildung eines dielektrischen Films und einer leitfähi gen Schicht hintereinander auf dem Ruthenium/Platin-Oxid.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt
der Ausbildung eines Titanfilms und eines Titannitridfilms
zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Ruthenium/Platin-
Film.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Ruthenium/Platin-Film in einem Sputter-Vorgang herge
stellt wird, in welchem Ruthenium und Platin gleichzeitig
als Target eingesetzt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Ruthenium/Platin-Film zwischen Zimmertemperatur und
700°C erzeugt wird, bei einer Leistung von 50 Watt bis
5000 Watt, unter einem Ablagerungsdruck von etwa 1 mTorr
bis 100 Torr, über einen Zeitraum von 1 bis 10 Minute(n),
in einem Gleichspannungs-Sputter-Vorgang.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Ruthenium/Platin-Film zwischen Zimmertemperatur und
700°C hergestellt wird, bei einer Leistung von 50 Watt
bis 5000 Watt, unter einem Ablagerungsdruck von etwa
1 mTorr bis 100 Torr, über einen Zeitraum von 1 bis 10
Minute(n), in einem Radiofrequenz-Sputter-Vorgang.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Wärmebehandlungsschritt bei etwa 500°C bis 850°C
über einen Zeitraum von etwa 0,5 bis 2 Stunden durchge
führt wird.
7. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators einer Halb
leitervorrichtung mit folgenden Schritten:
Bereitstellung eines Halbleitersubstrats;
Ausbildung einer unteren Isolierschicht über dem Halb leitersubstrat, wobei die untere Isolierschicht ein Kontaktloch aufweist, durch welches eine vorbestimmte Fläche des Halbleitersubstrats freigelegt wird;
Ausbildung eines Kontaktstopfens in dem Kontaktloch der unteren Isolierschicht;
Ausbildung eines Titanfilms und eines Titannitridfilms hintereinander über dem Kontaktstopfen und der unteren Isolierschicht;
Ausbildung eines Ruthenium/Platin-Films auf dem Titan nitridfilm;
Wärmebehandlung des Platin/Ruthenium-Films, so daß Ruthe nium/Platin-Oxid auf dem Ruthenium/Platin-Film aufwächst;
Versehen des Ruthenium/Platin-Oxids, des Ruthenium/ Platin-Films, des Titannitrids und des Titanfilms mit einem Muster; und
Ausbildung eines dielektrischen Films und einer Platten elektrode hintereinander über der sich ergebenden Anord nung.
Bereitstellung eines Halbleitersubstrats;
Ausbildung einer unteren Isolierschicht über dem Halb leitersubstrat, wobei die untere Isolierschicht ein Kontaktloch aufweist, durch welches eine vorbestimmte Fläche des Halbleitersubstrats freigelegt wird;
Ausbildung eines Kontaktstopfens in dem Kontaktloch der unteren Isolierschicht;
Ausbildung eines Titanfilms und eines Titannitridfilms hintereinander über dem Kontaktstopfen und der unteren Isolierschicht;
Ausbildung eines Ruthenium/Platin-Films auf dem Titan nitridfilm;
Wärmebehandlung des Platin/Ruthenium-Films, so daß Ruthe nium/Platin-Oxid auf dem Ruthenium/Platin-Film aufwächst;
Versehen des Ruthenium/Platin-Oxids, des Ruthenium/ Platin-Films, des Titannitrids und des Titanfilms mit einem Muster; und
Ausbildung eines dielektrischen Films und einer Platten elektrode hintereinander über der sich ergebenden Anord nung.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der untere Isolierfilm aus einem Isoliermaterial herge
stellt wird, welches gute Fließeigenschaften aufweist.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kontaktstopfen aus Polysilizium hergestellt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Titanfilm in einer Dicke von etwa 100 Å bis 300 Å
ausgebildet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Titannitridfilm in einer Dicke von etwa 200 Å bis
400 Å ausgebildet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Ruthenium/Platin-Film in einem Sputter-Vorgang her
gestellt wird, in welchem Ruthenium und Platin gleich
zeitig als Target verwendet werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
der Ruthenium/Platin-Film bei Zimmertemperatur bis 700°C
ausgebildet wird, bei einer Leistung von 50 Watt bis
5000 Watt, unter einem Ablagerungsdruck von etwa 1 mTorr
bis 100 Torr, über einen Zeitraum von 1 bis 10 Minute(n),
in einem Gleichspannungs-Sputter-Vorgang.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
der Ruthenium/Platin-Film bei Zimmertemperatur bis 700°C
ausgebildet wird, bei einer Leistung von 50 Watt bis
5000 Watt, unter einem Ablagerungsdruck von etwa 1 mTorr
bis 100 Torr, über einen Zeitraum von 1 bis 10 Minute(n),
in einem Radiofrequenz-Sputter-Vorgang.
15. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Wärmebehandlungsschritt bei etwa 500°C bis 850°C
über einen Zeitraum von etwa 0,5 bis 2 Stunden durchge
führt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der dielektrische Film in einer Dicke von 300 Å bis 600 Å
ausgebildet wird.
17. Kondensator einer Halbleitervorrichtung, der eine untere
Elektrode auf einem Halbleitersubstrat, einen dielektri
schen Film und eine obere Elektrode aufweist, dadurch
gekennzeichnet, daß die untere Elektrode einen Ruthenium/
Platin-Film und Ruthenium/Platin-Oxid aufweist.
18. Kondensator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß die untere Elektrode weiterhin einen Titanfilm und
einen Titannitridfilm aufweist.
19. Kondensator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß die untere Elektrode über einen Kontaktstopfen in
elektrischem Kontakt mit dem Halbleitersubstrat steht.
20. Kondensator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß der Ruthenium/Platin-Film bei Zimmertemperatur bis
700°C ausgebildet wird, bei einer Leistung von 50 Watt
bis 5000 Watt, unter einem Ablagerungsdruck von etwa
1 mTorr bis 100 Torr, über einen Zeitraum von 1 bis 10
Minute(n), in einem Gleichspannungs-Sputter-Vorgang.
21. Kondensator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß der Ruthenium/Platin-Film bei Zimmertemperatur bis
700°C ausgebildet wird, bei einer Leistung von 50 Watt
bis 5000 Watt, unter einem Ablagerungsdruck von etwa
1 mTorr bis 100 Torr, über einen Zeitraum von 1 bis 10
Minute(n), in einem Radiofrequenz-Sputter-Vorgang.
22. Kondensator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß der Wärmebehandlungsschritt bei etwa 500°C bis 850°C
über einen Zeitraum von etwa 0,5 bis 2 Stunden durchge
führt wird.
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