DE19651759A1 - Verfahren zur Herstellung von LPCVD-Ta¶2¶O¶5¶-Filmen mit geringem Leckstrom - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von LPCVD-Ta¶2¶O¶5¶-Filmen mit geringem Leckstrom

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Description

Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Herstellung des Kondensator­ dielektrikums von Halbleiter-Speicherbauelementen und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensator-Speicherdielektrikums mit geringem Leckstrom von hochintegrierten Stapel-DRAM-Bauelementen. Insbesondere betrifft die Erfin­ dung ein CVD-Verfahren (CVD = Chemical-Vapour-Deposition) zur chemischen Gasphasenabscheidung von Tantaloxid, durchgeführt in einer Kaltwand-Reaktions­ kammer zur Herstellung von Speicherdielektrika für hoch integrierte Halbleiter-Speicherbauelemente mit guten Kapazitäts- und Leckstrom-Kennwerten, die durch Glühen in einem Oxidationsofen unter niedrigem Druck in großen Chargen her­ gestellt werden.
Zur Zeit werden hochintegrierte Halbleiter-Speicherbauelemente, insbesondere DRAM-Bauelemente, mit Kapazitäten bis hin zu Gigabit pro Bauelement-Ebene ent­ wickelt. Dielektrische Speichermaterialien, wie sie heutzutage in Megabit-Speicherbauelementen verwendet werden, die mit der gegenwärtigen Materialtechnologie bei der Bauelementeherstellung hergestellt werden, erlauben keine Speicherdichten von mehr als ungefähr 256 Megabit pro Bauelement. Dies liegt hauptsächlich an der Begrenzung der Ladungsdichte, die die Speicherzellen halten und eine ange­ messene Zeit lang aufrechterhalten können, bevor sie aufgefrischt werden müssen.
Unter den Materialien, die für die Speicherdielektrika der nächsten Generation von Gigabit-Speicherbauelementen in Betracht gezogen werden, scheinen CVD-abgelagerte Ta₂O₅-Filme aufgrund ihrer hohen Eigendielektrizität und hervorragenden Stufenbedeckungseigenschaften vielversprechend zu sein. Ein ernstes Problem bei der Verwendung dieser Speichermaterialien mit hoher Dielektrizitätskonstante ist jedoch der hohe Leckstrom, der auftritt, wenn sie unter Verwendung der gegen­ wärtigen Technologie in Speicherdielektrika verwendet werden. Techniken zur Reduzierung des Leckstroms in Ta₂O₅ hat man bis jetzt wenig Aufmerksamkeit ge­ schenkt, was eine erfolgreiche Verwendung von Ta₂O₅ als Speicherdielektrikum für die kommerzielle Massenproduktion von hochintegrierten Speicherbauelementen bisher verhindert hat. Eine systematische Beschreibung der elektrischen Eigen­ schaften von unter niedrigem Druck CVD-abgelagertem Ta₂O₅, bearbeitet unter verschiedenen Glühbedingungen, ist derzeit nicht verfügbar; diese Eigenschaften werden erst untersucht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Kon­ densatordielektrika von Halbleiter-Speicherbauelementen mit niedrigen Leckstrom-Kennwerten zu schaffen. Das Verfahren soll in einer Umgebung mit niedrigem Druck durchgeführt werden. Außerdem soll das Verfahren kostengünstig sein, um für die Massenproduktion der Kondensatordielektrika von Halbleiter-Speicherbau­ elementen mit niedrigen Leckstrom-Kennwerten geeignet zu sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe liefert die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Ta₂O₅-Filmen für Kondensatordielektrika von Halbleiter-Speicherbauelementen, etwa Stapel-DRAM′s, mit niedrigen Leckstrom-Kennwerten. Das Verfahren umfaßt die Verfahrensschritte, zuerst ein Halbleiter-Siliziumsubstrat vorzubereiten, das eine NH₃-nitrierte Polysilizium-Elektrodenschicht trägt. Auf der Oberfläche der Elek­ trodenschicht wird dann ein Ta₂O₅-Film abgelagert. Danach wird der abgelagerte Ta₂O₅-Film in N₂O-Gas bei einer Temperatur von ungefähr 800 °C ungefähr 30 Minuten lang in einem Ofen geglüht. Der neue Glühprozeß nach Ablagerung liefert einen Ta₂O₅-Film für Kondensatordielektrika von Halbleiter-Speicherbauelementen mit niedrigem Leckstrom und hoher Betriebssicherheit und ist insbesondere für eine chargenweise Bearbeitung in konventionellen Oxidationsöfen geeignet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Be­ schreibung einer bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnung, worin
Fig. 1a und 1b schematisch Querschnittsansichten der Speicherdielektrika des gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hergestellten Speicherbauelementes zusammen mit dessen Elektrode in ausgewählten Herstellungsphasen zeigen,
Fig. 2 die Leckstrom-Kennwerte von Ta₂O₅-Filmen auf n+-Polysilizium als Funktion des effektiven elektrischen Feldes vor und nach verschiedenen Wärmebehand­ lungen nach Ablagerung zeigt,
Fig. 3 die kritischen Feldverteilungs-Kennwerte von Ta₂O₅-Filmen im Anschluß an verschiedene Wärmebehandlungen nach Ablagerung zeigt, und
Fig. 4 eine Vorhersage der Lebenserwartung im Sinne der Betriebssicherheit für das gemäß der bevorzugten Ausführungsform hergestellte Bauelement.
Um die Herstellung von Kondensatordielektrika von Halbleiter-Speicherbauelemen­ ten mit niedrigen Leckstrom-Kennwerten zu ermöglichen, wird das Verfahren der Erfindung beispielhaft in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, die nach­ folgend beschrieben wird. Man beachte, daß Fig. 1a und 1b nicht maßstabsgemäß gezeichnet sind, sondern nur schematisch die Querschnittsansichten eines gerade gefertigten Bauelementes zeigen.
Verfahrensschritt 1
Bereite ein Halbleiter-Siliziumsubstrat vor, das eine Elektrodenschicht als Basis für die Herstellung eines hochintegrierten Halbleiter-Speicherbauelementes unter Verwendung des Ta₂O₅-Films als dielektrische Schicht seines Speicherzellen-Kondensators trägt.
Wie man in Fig. 1 sieht, kann das Substrat 10 beispielsweise ein n+-leitendes Siliziumsubstrat oder ein n+-leitendes Polysiliziumsubstrat sein, das eine Elektro­ denschicht 11 trägt, die aus NH₃-nitriertem polykristallinen Silizium besteht.
Verfahrensschritt 2
Lagere einen Ta₂O₅-Film auf dem Halbleiter-Siliziumsubstrat ab.
Der in Fig. 1b gezeigte Ta₂O₅-Film 12 kann beispielsweise in einer Reaktionskam­ mer für chemische Gasphasenabscheidung unter niedrigem Druck (Low-Pressure-Chemical-Vapour-Deposition; LPCVD) abgelagert werden. Der Ta₂O₅-Film 12 kann mit einer Dicke von ungefähr 8 bis 16 nm abgelagert werden.
Verfahrensschritt 3
Unterziehe den abgelagerten Ta₂O₅-Film einem N₂O-Glühprozeß in einem Ofen.
Das thermische Glühen des abgelagerten Ta₂O₅-Films 12 kann in einer N₂O-Atmo­ sphäre durchgeführt werden, beispielsweise 30 Minuten lang bei ungefähr 80°C.
Der Glühprozeß in N₂O kann in konventionellen Oxidationsöfen durchgeführt werden. Das heißt, daß der thermische Glühprozeß chargenweise durchgeführt werden kann, was die gleichzeitige Bearbeitung einer Vielzahl von Wafern ermög­ licht. Dies ist insbesondere für die kommerzielle Massenproduktion vorteilhaft.
Die oben beschriebenen Verfahrensschritte bilden im wesentlichen das Verfahren der Erfindung zur Herstellung der LPCVD-Ta₂O₅-Kondensator-Speicherdielektrika mit geringem Leckstrom in hochintegrierten Halbleiter-Speicherbauelementen, beispielsweise Stapel-DRAM′s. Man beachte, daß ein vollständiges Herstellungs­ verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Speicherbauelementen wie DRAM′s zusätzliche Verfahrensschritte enthalten würde, die den im obigen Ausführungs­ beispiel beschriebenen Schritten vorangehen und nachfolgen, wie dem Fachmann bekannt ist.
Um die Wirkungen des im obigen Verfahrensschritt 3 dargestellten Glühens nach Ablagerung unter Verwendung von N₂O auf die elektrischen Kennwerte von LPCVD-Ta₂O₅-Speicherdielektrika auf NH₃-nitrierten Polsilizium-Elektroden für Stapel-DRAM′s zu zeigen, wurden Proben von LPCVD-Ta₂O₅-Kondensator-Spei­ cherdielektrika untersucht, die verschiedenen Glühbedingungen nach Ablagerung ausgesetzt waren. Diese umfassen (a) schnelles thermisches O₂-Glühen (RTO₂), (b) konventionelles O₂-Glühen in einem Ofen (FO₂) und c) schnelles thermisches N₂O- Glühen (RTN₂O). Die Resultate zeigen, daß die Ta₂O₅-Filme mit dem N₂O-Ofenglü­ hen der Erfindung den geringsten Leckstrom, die beste dielektrische Durchschlags-Feldverteilung und die beste Betriebssicherheit haben.
Fig. 2 zeigt die Leckstrom-Kennwerte von Ta₂O₅-Filmen auf n+-Polysilizium als Funktion des effektiven elektrischen Feldes vor und nach verschiedenen Glüh­ behandlungen nach Ablagerung. Diese Glühbehandlungen nach Ablagerung weisen jeweils die folgenden Bedingungen auf.
  • (a) RTO₂ bei 800°C für 60 Sekunden.
  • (b) O₂ im Ofen bei 800°C für 30 Minuten.
  • (c) RTN₂O bei 800°C für 60 Sekunden.
  • (d) N₂O im Ofen bei 800°C für 30 Minuten.
Wie in Fig. 2 deutlich zu erkennen ist, liefert der 30 Minuten lang bei 800°C durchgeführte N₂O-Ofenglühprozeß der Erfindung den geringsten Leckstrom. Ein plausibler Mechanismus für diese Leckstromverringerung durch das N₂O-Ofen­ glühen kann den reaktiven Sauerstoffatomarten (O⁺) zugeschrieben werden, die durch die Dissoziation von N₂O-Gas bei erhöhter Temperatur erzeugt werden, und das Ofenglühen liefert genügend Zeit, um Filmdefekte zu reduzieren. Die erzeugten reaktiven Sauerstoffatomarten können dazu beitragen, sowohl die Sauerstoff-Gitterfehlstellen aufzufüllen, die während des CVD-Ta₂O₅-Ablagerungsprozesses auftreten, als auch den Kohlenstoff- und Wasserstoffgehalt des Films zu redu­ zieren. Dies ist der Grund, weshalb der N₂O-Ofenglühprozeß einen geringeren Leckstrom als das schnelle thermische N₂O-Glühen liefert. Überdies kann dieser Ofenglühprozeß in konventionellen Oxidationsöfen durchgeführt werden, die, wie oben erwähnt, perfekt für eine Massenproduktion geeignet sind. Mit anderen Worten können mit jeder Charge typisch mehr als 50 Wafer auf einmal bearbeitet werden.
Fig. 3 zeigt, daß der N₂O-Ofenglühprozeß der Erfindung im Vergleich zu den an­ deren drei Glühverfahren eine dichtere und höhere kritische Feldverteilung besitzt.
Das kritische Feld wurde bei einer Stromdichte von 1 µA/cm² gemessen, mit einer positiv vorgespannten oberen Elektrode.
Fig. 4 zeigt eine Vorhersage der Lebenserwartung des Bauelementes. Verglichen mit dem Stand der Technik kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine bessere Lebenserwartung des Bauelementes vorhergesagt werden. Wie man in der Zeichnung erkennt, zeigt das in Übereinstimmung mit dem Verfahren der Erfindung hergestellte Bauelement während des analysierten Lebensdauer-Zeitraums von 10 Jahren eine höhere Zuverlässigkeit und hält ein stärkeres effektives elektrisches Feld aus.
Die Untersuchung der Proben von LPCVD-Ta₂O₅-Kondensatordielektrika, die den oben beschriebenen verschiedenen Glühprozessen nach Ablagerung unterzogen wurden, zeigen, daß der N₂O-Ofenglühprozeß der Erfindung die geringsten Leck­ strom-Kennwerte und die besten Werte für die Betriebssicherheit liefert. Besonders günstig ist der Umstand, daß der N₂O-Ofenglühprozeß chargenweise in konventio­ nellen Glühöfen durchgeführt werden kann. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die Anforderungen an eine Massenproduktion vorteilhaft, nämlich die Kosten zu senken und das gesamte Verfahren zu rationalisieren.
Die Erfindung wurde zwar beispielhaft anhand der bevorzugten Ausführungsform beschrieben, ist aber natürlich nicht auf diese Ausführungsform beschränkt.
Vielmehr sollen diverse Modifizierungen und ähnliche Vorkehrungen einbezogen werden, die im Schutzbereich der Patentansprüche enthalten sind, welche so zu interpretieren sind, daß der Schutzbereich all diese Modifizierungen und der­ gleichen umfaßt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von Ta₂O₅-Filmen für Kondensatordielektrika von Halbleiter-Speicherbauelementen mit niedrigen Leckstrom-Kennwerten, mit den Verfahrensschritten,
ein Halbleiter-Siliziumsubstrat vorzubereiten, das eine Elektrodenschicht trägt;
auf der Elektrodenschicht einen Ta₂O₅-Film abzulagern; und
den abgelagerten Ta₂O₅-Film in N₂O-Gas in einem Ofen zu glühen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ta₂O₅-Film bei einer Temperatur von ungefähr 800°C geglüht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ta₂O₅- Film ungefähr 30 Minuten lang geglüht wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiter-Siliziumsubstrat ein n⁺-leitendes Siliziumsubstrat oder ein n⁺-leitendes Polysiliziumsubstrat ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenschicht aus NH₃-nitriertem polykristallinen Silizium gebildet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ta₂O₅-Film eine Dicke von ungefähr 8 bis 16 nm hat.
7. Verfahren nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ta₂O₅-Film in einer Reaktionskammer für chemische Gasphasenabschei­ dung unter niedrigem Druck (Low-Pressure-Chemical-Vapour-Deposition; LPCVD) abgelagert wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ta₂O₅-Film in einem Oxidationsofen geglüht wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ta₂O₅-Film chargenweise gleichzeitig mit anderen Ta₂O₅-Filmen, die in verschiedenen Wafern enthalten sind, in einem Oxidationsofen geglüht wird.
10. Verfahren zur Herstellung von Ta₂O₅-Filmen für Kondensatordielektrika von Halbleiter-Speicherbauelementen mit niedrigen Leckstrom-Kennwerten, mit den Verfahrensschritten, ein Halbleiter-Siliziumsubstrat vorzubereiten, das eine Elektrodenschicht trägt;
auf der Elektrodenschicht einen Ta₂O₅-Film abzulagern; und
den abgelagerten Ta₂O₅-Film in N₂O-Gas bei einer Temperatur von ungefähr 800°C ungefähr 30 Minuten lang in einem Ofen zu glühen.
DE19651759A 1996-04-10 1996-12-12 Verfahren zur Herstellung von LPCVD-Ta¶2¶O¶5¶-Filmen mit geringem Leckstrom Withdrawn DE19651759A1 (de)

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